一种液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合燃油废气低温捕集系统

1.本实用新型涉及新燃料船舶低温燃料再液化储存、双燃料船舶节能减排、燃油废气低温co2捕集领域，具体而言，尤其涉及一种液氢-燃油双燃料船氢存储再液化，低温氦压缩膨胀供冷循环、以及利用低温冷能捕集尾气co2的新能源船舶多燃料复合系统。


背景技术：

2.由于前几次工业革命对资源的过度利用和对污染的不节制排放所积累从而导致的自然灾害接连不断。据不完全统计从20世纪到现在全球超过一半的山体滑坡、雪崩、干旱、深林大火、洪涝、海啸等都是由于人类毫无节制的生产生活所排放污染物等越来越频繁导致的。虽然我国地缘辽阔、资源富裕、海岸线巨大，但是近年来自然灾害发生的次数也越来越多越来越激烈。因此如何进行新能源使用以及可持续能源的开发和节能减排是应对全球变暖和气候变化所带来自然灾害挑战的主要措施。近几年我国陆上交通的节能减排和新能源利用得到了快速的发展，汽车能源从传统的汽油到液化石油气，再到新能源乙醇、天然气，最后用氢燃料电池纯电动力，它们的尾气排放逐渐减小节能减排优势尤为显著。目前，航运几乎完全依赖石油这种化石燃料，是一种高碳排放的运输方式。通过制定温室气体战略，国际海事组织设定了一个雄心勃勃的目标即在本世纪末实现航运的脱碳运营。中期目标是到2050年将船舶尾气排放量减少到2008年的50％。除非有新的船用清洁燃料和新的船舶动力系统运行方式，否则无法实现上述目标。
3.不管是燃烧做功还是燃料电池发电，氢作为清洁、丰富、可循环利用且对环境无害的能源产物被认为是替代化石燃料的最终解决方案。它燃烧热值约为汽油的3倍，远高于天然气且用于燃料电池仅产生水，如果把它用于船舶可完全避免硫氧化物和颗粒物排放，可以一劳永逸的解决国际海事组织所担心的动力污染排放问题。可以预见未来30到50年内大部分船舶、汽车等都会选用氢作为主要燃料。从能源角度来看，目前航运的燃料是不可持续的，这就产生了与气候变化和当地空气污染有关的问题。鉴于各个国家和国际社会在气候变化和空气污染方面的压力，这种情况不能继续下去。在航运方面，受到诸如imo温室气体战略和中国制造2025等政策的强烈推动，未来航运脱碳的趋势已经开始显现。因此，氢和液氢这种零排放的绿色能源在船舶燃料上的应用亟待快速发展。但是与传统船用柴油燃料热值、使用方法、条件环境等不同，上述新能源在船舶动力配置、主辅机布置、管路连接以及安全使用等方面有着诸多不同。盲目的直接使用上述新能源将会导致船舶动力设备不匹配、能耗巨大达不到节能减排的初衷，更有甚者会发生船毁人亡等安全隐患。因此，如何安全高效的综合运用这些新能源，匹配现有的船舶动力体系，或者专门针对新能源设计船舶动力系统管路既达到安全替代传统化石燃料又可有效利用新能源低碳环保的优点是目前船运业新能源更替所面临的关键科学和工程问题。
4.目前氢气的储存主要有高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢和有机液体储氢。虽然对于汽车这种小型交通工具来说高压气态储氢(质量密度4.0wt％体积密度
39g/l)已经可以满足日常需求。但是对于大型船舶动力来说，就必须要用到质量储氢密度为5.7wt％和体积储氢密度为70g/l的低温液态储氢法，这是目前已知的最大氢储存方法。然而液氢类似液态天然气一样是一种处在-252℃左右的极低温燃料，一般使用时需要气化到室温后进入引擎、锅炉或者燃料电池工作。然而由于外界温差巨大液氢储罐储存过程中罐体漏热，自蒸发这种问题是不可避免的，因此如何让船舶液氢罐中的氢蒸发气进行再液化，利用液氢气化时候的冷能是高效利用氢燃料的关键。
5.关于液氢的储存和利用流程系统已有一些专利提及。如在实用新型cn108561749a中公开了一种“应用于液氢加氢站的混合加注系统”阐述了应用于液氢加氢站的混合加注系统具有液氢加注单元和高压氢气加注单元，这就为加氢站提供了更多的加注形式。但是该流程没有详细分析如何运用液氢气化，或者再液化流程并不能使得氢气或是液氢无损储存得到良好的解决，不能满足大规模运用以及在船舶上发展。又如氢再液化装置，在实用新型专利cn102155610b中公开了“一种低温介质液化装置”提供利用单台或多台制冷机集成液化低温介质的方法，既充分利用制冷机冷头低温端的传热面积，并减小漏热量，提高工作效率和节约能源，又方便安装和拆卸，降低制造和维护成本的低温介质液化装置。但是该实用新型需要用到具体的制冷机进行液化工作，而且氢的液化温度极低，而且气化的冷量无从利用，因此难以在船舶上规模化。在实用新型cn111174529a中公开了“一种利用液化天然气冷能脱烃脱碳的系统和方法”，利用液化天然气冷能脱烃脱碳的系统，利用lng冷能提供脱烃脱碳过程中各组分液化所需冷能。然而该技术仅能通过利用液化天然气气化过程释放的冷能处理开采的天然气或者油田伴生气，提高lng冷能利用效率。并不能集成在船舶动力能源系统中，而且不能完全综合利用低温液体气化、再液化过程中的能量。


技术实现要素：

6.根据上述现有的氢蒸发气再液化储存、液氢再气化利用、船舶燃油尾气处理以及相关技术不能进行能源联合运用造成大量能源消耗以及尾气排放问题，提出了一种液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合柴油废气低温捕集系统。本实用新型以低温氢蒸发气再液化为出发点，船舶低温燃料冷能利用耦合燃油废气低温捕集为突破口，打破了传统方法仅利用低温流程供冷液化工质、或船舶主机辅机锅炉尾气收集处理等单一功能。本实用新型以氢存储再液化耦合燃油废气低温捕集为主要目的，通过利用氦制冷循环过冷液氢从而回流回液氢储罐进行喷淋式再液化流程，使得低温氢蒸发气再储罐内进行再液化和正仲氢转换，其转换热被另一股所需氢蒸发气带走去预冷船舶主机和辅机锅炉燃烧尾气，燃料电池所需要的液氢的蒸发冷能被用于冷凝船舶尾气从而进行co2捕集液化等一系列的能量转换系统及方法，形成一套双燃料船舶氢蒸气再液化储存耦合燃油尾气捕集的节能减排高效利用系统。
7.本实用新型采用的技术手段如下：
8.一种液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合柴油废气低温捕集系统，包括低温氦与液氢换热网络系统、气氦制冷循环系统以及船舶主机、锅炉尾气低温捕集系统；
9.所述低温氦与液氢换热网络系统包括依次通过管路互相连通的液氢储罐、液氢泵ⅰ、四股流预冷器、二股流过冷器、三股流换热器以及过冷液氢喷淋正仲氢转化器；液氢首先从所述液氢储罐中被所述液氢泵ⅰ泵入换热网络，依次经过所述四股流预冷器、所述二股流
过冷器和所述三股流换热器，最终以过冷的液态形式进入位于所述液氢储罐上层的所述过冷液氢喷淋正仲氢转化器，同时把所述液氢储罐上层由于环境漏热所产生的液氢蒸发气再液化为液氢，所述过冷液氢喷淋正仲氢转化器内的催化剂把高温正氢转化为低温易储存的仲氢；
10.所述气氦制冷循环系统包括液氦储罐、液氦泵、回热器、气氦压缩机以及气氦膨胀机；液氦首先从液氦储罐中被所述液氦泵依次送入所述三股流换热器以及所述二股流过冷器，流经所述回热器后进入所述氦气压缩机进行压缩，然后依次流经所述四股流预冷器和所述回热器放热，最后进入所述膨胀机膨胀做功变为低温氦或者液氦后返回所述液氦储罐；
11.所述船舶主机、锅炉尾气低温捕集系统包括液氢泵ⅱ、控制阀、背压阀、尾气预冷器、尾气过冷器、船舶主机、辅机锅炉、燃油罐、尾气过滤器以及co2富集储存器；尾气是双燃料动力船舶中的所述燃油罐中的燃油供给所述辅机锅炉和所述船舶主机燃烧后所排出的废气；所述尾气首先通过所述尾气过滤器除去杂质，所述杂质包括氮氧、硫氧化物以及其它杂质，然后依次进入所述尾气预冷器和所述尾气过冷器进行换热使co2液化，液化后的co2储存在所述co2富集储存器中；所述尾气预冷器和所述尾气过冷器分别连接至所述液氢储罐，所述尾气过冷器与所述液氢储罐之间设置所述控制阀，所述尾气预冷器与所述液氢储罐之间设置所述背压阀。
12.进一步地，系统中循环的工质包括液氦、低温氦气、液氢和过冷液氢；系统中能量传递过程包括：液氦首先把冷量传递给所述二股流过冷器和所述三股流换热器中的液氢和过冷液氢，自身吸热成为低温氦气，然后经过所述回热器进一步升高温度后被所述压缩机压缩，然后依次进入所述四股流预冷器和所述回热器进一步降低热量后最后进入所述膨胀机进行液化或者降温。
13.进一步地，所述船舶主机、锅炉尾气低温捕集系统内的能量转换过程包括：首先通过所述背压阀控制由所述液氢储罐通入所述尾气预冷器内的氢蒸发气的流量，尾气在所述尾气预冷器内同氢蒸发气进行换热和预冷，然后尾气通入所述尾气过冷器，通过控制阀控制由所述液氢储罐通入所述过冷器内的液氢的流量，尾气在所述尾气过冷器内同液氢进行换热使得尾气内的co2冷凝液化。
14.进一步地，所述四股流预冷器、所述二股流过冷器、所述三股流换热器、所述回热器、所述尾气预冷器以及所述尾气过冷器可为板翅式、板式、印刷版式、绕管式或者壳管式换热器，内部可为打孔、波纹或锯齿型翅片。
15.进一步地，所述液氢储罐和所述过冷液氢喷淋正仲氢转化器为一体设置或分体设置。
16.进一步地，所述co2富集储存器中的液态co2可作为储冷工质供给船舶空调、食品冷冻冷藏，或者运输到陆上进行进一步处理作为可食用二氧化碳。
17.进一步地，所述控制阀和所述背压阀的工作根据系统内部温度、压力以及液位情况进行调控。
18.较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
19.1、本实用新型提供的液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合柴油废气低温捕集系统，能够解决新能源船舶低温燃料储存、蒸发器再液化过程中的能源利用和转换问题；打破
了传统的技术模式：能很好的适应船舶应用、不能同时考虑较多参数、对能源的可用性以及对环境的影响以及成本的评估都相对较弱；摒弃了目前将可再生能源高效利用和新能源割裂开来的技术难题，攻克了由外界温差巨大导致的液氢储罐储存过程中罐体漏热后的再液化和利用液氢气化冷能的高效利用。
20.3、本实用新型提供的液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合柴油废气低温捕集系统，液氢-燃油双燃料船舶的燃料供应过程，首先船舶启动时可采用燃油为主的热启动方式，辅助液氢燃料供应，这种灵活的方式可防止低温管路保护，亦可利用辅机锅炉和船舶引擎的废气热量气化液氢，以达到引擎所需氢燃料的工作温度；另外氢燃料不仅可用于普通引擎燃烧，还可作为电动力船舶中燃料电池的主要燃料；燃料电池、燃烧引擎或者可采用混合动力模式等具体航行工况和设计形式应当按照船舶动力大小、结构形式以及液氢储罐量等进行灵活配置。
21.4、本实用新型提供的液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合柴油废气低温捕集系统，经济、安全、环保、节能；与传统方法相比，所述的船舶主机、锅炉尾气低温co2捕集系统仅在采用燃油燃料以及混合动力的情况下启动，从而减少尾气排放量；另外富集后的液态co2可作为干冰等储冷工质供给船舶空调、食品冷冻冷藏或运输到陆上可进一步处理作为可食用二氧化碳。
22.基于上述理由本实用新型可在船舶多动力系统等领域广泛推广。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本实用新型所述液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合燃油废气低温捕集系统的原理示意图。
25.图中：100、液氢储罐；101、液氢泵ⅰ；102、四股流预冷器；103、二股流过冷器；104、三股流换热器；105、过冷液氢喷淋正仲氢转化器；201、液氦储罐；202、液氦泵；203、回热器；204、气氦压缩机；205、气氦膨胀机；301、液氢泵ⅱ；302、控制阀；303、背压阀；304、尾气过冷器；305、尾气预冷器；306、辅机锅炉；307、船舶主机；308、燃油罐；309、尾气过滤器；310、co2富集储存器。
具体实施方式
26.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.实施例1
28.如图1所示，本实用新型提供了一种液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合柴油废气低温捕集系统，包括低温氦与液氢换热网络系统、气氦制冷循环系统以及船舶主机、锅炉尾气低温捕集系统；
29.所述低温氦与液氢换热网络系统包括依次通过管路互相连通的液氢储罐100、液氢泵ⅰ101、四股流预冷器102、二股流过冷器103、三股流换热器104以及过冷液氢喷淋正仲氢转化器105；
30.液氢首先从所述液氢储罐100中被所述液氢泵ⅰ101泵入换热网络，依次经过所述四股流预冷器102、所述二股流过冷器103和所述三股流换热器104，最终以过冷的液态形式进入位于所述液氢储罐100上层的所述过冷液氢喷淋正仲氢转化器105，同时把所述液氢储罐100上层由于环境漏热所产生的液氢蒸发气再液化为液氢，所述过冷液氢喷淋正仲氢转化器105内的催化剂把高温正氢转化为低温易储存的仲氢；
31.用于氢蒸发气再液化的所述低温氦与液氢换热网络系统，是一种为低温氦通过在换热网络中表面换热过冷液氢后在过冷液氢喷淋正仲氢转化器中对氢蒸发气进行再液化的系统；
32.所述气氦制冷循环系统包括液氦储罐201、液氦泵202、回热器203、气氦压缩机204以及气氦膨胀机205；
33.液氦首先从液氦储罐201中被所述液氦泵202依次送入所述三股流换热器104以及所述二股流过冷器103，流经所述回热器203后进入所述氦气压缩机204进行压缩，然后依次流经所述四股流预冷器102和所述回热器203放热，最后进入所述膨胀机205膨胀做功变为低温氦或者液氦后返回所述液氦储罐201；
34.用于连续提供液氢储存冷量的所述气氦制冷循环系统，是一种为所述低温氦与液氢换热网络系统提供冷量的系统；
35.所述船舶主机、锅炉尾气低温捕集系统包括液氢泵ⅱ301、控制阀302、背压阀303、尾气预冷器305、尾气过冷器304、船舶主机307、辅机锅炉306、燃油罐308、尾气过滤器309以及co2富集储存器310；
36.尾气是双燃料动力船舶中的所述燃油罐308中的燃油供给所述辅机锅炉306和所述船舶主机307燃烧后所排出的废气；所述尾气首先通过所述尾气过滤器309除去杂质，所述杂质包括氮氧、硫氧化物以及其它杂质，然后依次进入所述尾气预冷器305和所述尾气过冷器304进行换热使co2液化，液化后的co2储存在所述co2富集储存器310中；
37.所述尾气预冷器305和所述尾气过冷器304分别连接至所述液氢储罐100，所述尾气过冷器304与所述液氢储罐100之间设置所述控制阀302，所述尾气预冷器305与所述液氢储罐100之间设置所述背压阀303。
38.用于净化捕获燃油船舶主机、锅炉尾气的所述低温捕集co2系统，是一种利用所述低温来净化尾气、液化富集燃油燃烧排放出的co2的系统。
39.进一步地，系统中循环的工质包括液氦、低温氦气、液氢和过冷液氢；系统中能量传递过程包括：液氦首先把冷量传递给所述二股流过冷器103和所述三股流换热器104中的液氢和过冷液氢，自身吸热成为低温氦气，然后经过所述回热器203进一步升高温度后被所述压缩机204压缩，然后依次进入所述四股流预冷器102和所述回热器203进一步降低热量后最后进入所述膨胀机205进行液化或者降温。
40.进一步地，所述船舶主机、锅炉尾气低温捕集系统内的能量转换过程包括：首先通过所述背压阀303控制由所述液氢储罐100通入所述尾气预冷器305内的氢蒸发气的流量，尾气在所述尾气预冷器305内同氢蒸发气进行换热和预冷，然后尾气通入所述尾气过冷器304，通过控制阀302控制由所述液氢储罐100通入所述过冷器304内的液氢的流量，尾气在所述尾气过冷器304内同液氢进行换热使得尾气内的co2冷凝液化。
41.进一步地，所述船舶主机、锅炉尾气低温捕集系统内的的工质包括不同温度条件下的尾气、液氢、气氢、低温氢蒸气等。
42.进一步地，所述四股流预冷器102、所述二股流过冷器103、所述三股流换热器104、所述回热器203、所述尾气预冷器305以及所述尾气过冷器304可为板翅式、板式、印刷版式、绕管式或者壳管式换热器，为增加换热内部可为打孔、波纹或锯齿型翅片，亦可通过纳米电镀表面处理等方法来增加对流换热系数。
43.进一步地，所述液氢储罐100和所述过冷液氢喷淋正仲氢转化器105为一体设置或分体设置。
44.由于环境漏热，液氢储罐上部会积存部分液氢的蒸发气，会导致储罐压力逐渐升高，严重时会出现翻滚，因此需要通过循环喷淋过冷液氢对储罐上部的一部分氢蒸气进行冷凝再液化，降低储罐内压力，保证储存时间和储罐安全；所述过冷液氢喷淋正仲氢转化器105内装有正仲氢转化所必须的低温催化剂铁基、镍基等催化剂，用于将液化后的正氢转换成易储存的仲氢，转化热量赋给储罐上部剩余的氢蒸气，这部分氢蒸气通过控制所述背压阀303开度的形式输送至所述尾气预冷器305。
45.进一步地，所述船舶主机、锅炉尾气低温co2捕集系统仅在采用燃油燃料以及混合动力的情况下启动，用于减少尾气排放量；所述co2富集储存器310中的液态co2可作为干冰等储冷工质供给船舶空调、食品冷冻冷藏或运输到陆上进行进一步处理作为可食用二氧化碳。
46.进一步地，系统还包括多重管路、阀门以及控制模块开关不限于所述控制阀302和所述背压阀303，它们的工作是根据系统内部温度、压力以及液位情况进行调控。
47.进一步地，液氢-燃油双燃料船舶的燃料供应过程具体包括：首先船舶启动时可采用燃油为主的热启动方式，辅助液氢燃料供应，这种灵活的方式可防止低温管路保护，亦可利用辅机锅炉和船舶引擎的废气热量气化液氢，以达到引擎所需氢燃料的工作温度；另外氢燃料不仅可用于普通引擎燃烧，还可作为电动力船舶中燃料电池的主要燃料；燃料电池、燃烧引擎或者可采用混合动力模式等具体航行工况和设计形式应当按照船舶动力大小、结构形式以及液氢储罐量等进行灵活配置。
48.进一步地，本实用新型所述液氢-燃油双燃料船氢存储再液化耦合柴油废气低温捕集系统，也适用于其它双燃料船舶燃料储存再液化系统，包括液化天然气lng-燃油双动力、液氨-燃油、可燃冰-燃油双动力等。
49.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。