基于富氧燃烧碳捕集的LNG动力船能量综合利用系统

基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统
技术领域
1.本发明涉及一种lng动力船能量综合利用系统，特别是一种基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船冷能与余热利用系统。


背景技术：

2.lng作为船舶动力燃料，相较传统的燃油或重油，能够减少高达90%的氮氧化物排放，减少近乎100%的硫氧化物和颗粒物排放，同时又减少co2排放近30%，其显著的减排优势使得lng动力船备受青睐，目前lng动力船总数呈指数型增长。
3.目前在航的lng动力船一般使用缸套冷却水或海水来气化lng，大量的lng汽化冷能白白浪费，同时船舶通过废气锅炉回收排气余热，不仅系统复杂庞大，而且热效率较低。此外，随着能源危机和环境保护越来越被重视，各类排放法规日趋严格，人们期望船舶能够实现零碳排放，将碳捕集技术应用于lng动力船已成为研究热点，也是一大技术挑战。
4.碳捕集技术主要可分为三类，分别是燃烧前碳捕集、燃烧后碳捕集和富氧燃烧碳捕集。燃烧前碳捕集法需要对整个动力系统进行改造，并且燃烧前的燃料转换过程十分复杂，需要投入巨大的成本，不适合应用于船舶。燃烧后碳捕集法对动力系统的影响最小，但仍存在一些制约因素使其难以在船舶上应用，如以胺基吸收为代表的化学吸收法存在的高能耗以及腐蚀性等问题导致投入和维护成本昂贵，在烟气中co2含量低的情况下，物理吸附法和膜分离法效率普遍较低。富氧燃烧碳捕集法由于将燃料置于高浓度氧气中燃烧，因此排烟中co2的浓度很高，易于进行co2的分离与捕获，但高浓度氧气的制备能耗较高，设备占地大，致使富氧燃烧碳捕集技术难以在lng动力船上推广应用。
5.公开号为cn115388408a的中国专利提出了一种利用lng冷能的零氮固碳双燃料船舶动力系统，包括低温空分系统、化学链燃烧系统以及尾气处理系统。该系统利用lng冷能来制备富氧空气和对二氧化碳进行低温碳捕获，降低了空分和碳捕获的能耗。在lng动力船运行过程中，lng的供气流量取决于主机功率，流量相对额定，根据甲烷的化学链燃烧反应式，二氧化碳的质量流量约为甲烷的三倍，氧气的质量流量为甲烷的四倍，虽然空分系统回收了产物氮气和液氧的冷能，但考虑到传热损耗和冷热源流量差距巨大，仅仅依靠主机供气lng所释放的冷能用于捕集二氧化碳的同时还用于制备高浓度氧气是不现实的，若需要额外的lng弥补系统运行所需的冷能，则气化后的ng体积过大，无法在船上储存而白白浪费。
6.公开号为cn114961899a的中国专利公开一种带碳捕集功能的lng动力船余热和冷能综合利用系统，包括空气分离模块、烟气余热利用模块和低温碳捕集模块，该系统的空气分离模块利用子产品的冷能对空气进行预冷和深冷，并将剩余的低品位冷能用于捕获二氧化碳。同时，该系统综合地匹配船舶冷能和余热的温度区间，对能量进行梯级回收利用，并且考虑到lng汽化温度较低，通过有机工质来改善碳捕集换热器的传热区间，防止二氧化碳在极低温工况结冰而堵塞管道，实现了节能减排的目标。但该系统的余热回收利用系统面向高温高压的主机排气，对于排烟温度和压力较低的主机是不适用的。并且空分系统采用
中压制氧，产出液氧、液氮、液氩，虽然空分系统回收了子产品的冷能，但整个空分系统能耗仍然较高。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，旨在改善现有制氧技术能耗较高而难以上船的问题，并面向主机排气温度和压力较低的工况提供行之有效的能量利用方案，实现节能减排。
8.本发明技术方案如下：一种基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，包括：空分制氧子系统，包括多级增压的间冷器、第一级精馏塔和第二级精馏塔，空气经过预冷进入所述多级增压的间冷器进行间冷增压再进行深冷后依次进入所述第一级精馏塔和所述第二级精馏塔进行两级精馏，所述第一级精馏塔排出的废氮依次为所述空气的深冷、间冷增压和预冷提供冷能，所述第一级精馏塔的再沸器为所述空气的间冷增压提供冷负荷，所述第二级精馏塔排出的液氧为所述空气的深冷提供冷能后进入低温碳捕集子系统，所述第二级精馏塔的再沸器为所述空气的深冷提供冷负荷，所述第二级精馏塔排出的废氩与为所述空气的预冷提供冷能后的废氮合流后进入低温碳捕集子系统；冷能与余热利用子系统，包括朗肯循环发电单元，所述朗肯循环发电单元以lng为冷源，以经过废气涡轮做功后的烟气为热源进行循环发电，作为热源放热后的所述烟气的一部分流入所述低温碳捕集子系统进行碳捕集，作为热源放热后的所述烟气的另一部分作为工作介质进入主机；低温碳捕集子系统，包括流入所述低温碳捕集子系统的烟气依次经过预冷、增压间冷和碳捕换热后形成lco2的流路，所述废氩和所述废氮的合流依次为所述烟气的预冷和碳捕换热提供冷能，所述lng为所述朗肯循环发电单元提供冷能后依次为所述烟气的碳捕换热和增压间冷提供冷能后送入主机，流入所述低温碳捕集子系统的液氧为所述烟气的碳捕换热提供冷能后送入主机。
9.进一步地，所述空分制氧子系统包括空气膨胀机、废氮膨胀机、第一级换热器和第二级换热器，经过间冷增压的所述空气经过所述第一级换热器深冷后经所述空气膨胀机做功后再经过所述第二级换热器深冷，所述第二级精馏塔排出的液氧在所述第二级换热器为所述空气的深冷提供冷能，所述第一级精馏塔排出的废氮在所述第一级换热器为所述空气的深冷提供冷能，为所述空气的预冷提供冷能后的废氮经过所述废氮膨胀机做功后于所述第二级精馏塔排出的废氩合流。
10.进一步地，所述空分制氧子系统包括第一级空气压缩机、第二级空气压缩机、第三级空气压缩机、第一级冷却器和第二级冷却器，所述第一级空气压缩机、第二级空气压缩机、第三级空气压缩机的输出端分别连接至所述多级增压的间冷器的第二热源输入端、第三热源输入端、第四热源输入端，所述第一级空气压缩机、第二级空气压缩机、第三级空气压缩机的输入端分别连接至所述多级增压的间冷器的第一热源输出端、第二热源输出端、第三热源输出端，经过所述预冷的空气由所述多级增压的间冷器的第一热源输入端输入，所述多级增压的间冷器的第四热源输出端连接至所述第一级换热器，所述第二级冷却器与所述多级增压的间冷器循环连接，所述第一级精馏塔的再沸器为所述第二级冷却器提供冷
负荷，所述第一级冷却器连接在所述空气膨胀机和所述第二级换热器之间，所述第二级精馏塔的再沸器为在所述第一级冷却器深冷的空气提供冷负荷。
11.进一步地，所述朗肯循环发电单元包括三级级联的第一级朗肯循环发电单元、第二级朗肯循环发电单元和第三级朗肯循环发电单元，所述经过废气涡轮做功后的烟气为所述第一级朗肯循环发电单元的热源，lng为所述第三级朗肯循环发电单元的冷源，所述第一级朗肯循环发电单元中膨胀做功后的第一级循环工质为所述第二级朗肯循环发电单元的热源，所述第二级朗肯循环发电单元中膨胀做功后的第二级循环工质为所述第三级朗肯循环发电单元的热源。
12.进一步地，所述第一级朗肯循环发电单元中，所述第一级循环工质先经过高温缸套冷却水加热后由所述经过废气涡轮做功后的烟气加热再进行膨胀做功；所述第三级朗肯循环发电单元中，所述第三级循环工质先经过膨胀做功后的所述第二级循环工质的加热后由高缸套冷却水加热再进行膨胀做功。
13.进一步地，为所述碳捕换热提供冷能后的所述废氮和废氩的合流为膨胀做功后的所述第二级循环工质提供冷能后再排出。
14.进一步地，所述第一级朗肯循环发电单元中的第一级循环工质的工作温度区间为25~300℃，所述第二级朗肯循环发电单元中的第二级循环工质的工作温度区间为-50~100℃，所述第三级朗肯循环发电单元中的第三级循环工质的工作温度区间为-100~80℃。
15.进一步地，所述第一级朗肯循环发电单元采用跨临界朗肯循环，所述第二级朗肯循环发电单元和第三级朗肯循环发电单元采用有机朗肯循环，所述第一级朗肯循环发电单元中的第一级循环工质为co2，所述第二级朗肯循环发电单元中的第二级循环工质为r1270，所述第三级朗肯循环发电单元中的第三级循环工质为r1150。
16.进一步地，所述多级增压的间冷器和所述第二级冷却器之间进行热传递的制冷循环工质的工作温度区间为-140~-162℃，所述空分制氧子系统中的制冷循环工质为ch4。
17.进一步地，所述低温碳捕集子系统包括依次连接的第一级烟气压缩机、烟气间冷器和第二级烟气压缩机，经过预冷的烟气连接至所述第一级烟气压缩机，经所述第二级烟气压缩机增压的烟气再进行碳捕换热，进行所述碳捕换热后的lng在所述烟气间冷器为所述烟气提供冷能进行增压间冷后再送入主机。
18.本发明针对现有空分制氧技术能耗高、工艺复杂的问题，并结合船舶实际空分需求，设计出精简、节能的空分制氧系统，同时面向主机排烟温度较低的工况进行全船冷能与余热利用设计。其中空分制氧子系统基于低压全回流的工艺，集成空气多级增压的间冷换热器，并根据换热温度梯度，将空分产物冷能和精馏塔再沸器释放的冷能回收，用于前端空气预冷和深冷；冷能与余热利用子系统以lng侧为冷源，烟气侧为热源，耦合缸套水和废氮的能量利用，通过废气涡轮和三级级联朗肯循环的组合回收船舶能量；低温碳捕集子系统利用lng、低温氧气和废氮的冷能，对分流出的部分烟气进行预冷除水、增压间冷和低温液化捕获，另一部分作为工作介质进入主机。
19.本发明与现有技术相比的优点在于：1、面向船舶应用场景，仅需制备高纯度氧气，采用低压全回流的工艺流程，并且根据空气的换热区间，将低温氮气、低温氩气和液氧的冷能以及两级精馏塔再沸器释放的冷负荷再利用于空分前端冷却，进一步对间冷换热器集成，能够大大降低空分能耗，减小装置
体积。
20.2、根据船舶排气的温度和压力，以及lng增压需求，以烟气侧作为热源，lng侧作为冷源，构建三级级联朗肯循环，包括一个跨临界朗肯循环和两个有机朗肯循环，并且结合了高温缸套冷却水的利用，该能量利用系统不仅通过替代锅炉方案解决了原系统复杂庞大的问题，而且能够更好地匹配冷热源的温度区间，减少传热时的
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损失，对全船能量高效地回收利用。
21.3、采用富氧燃烧碳捕集法，一方面能够提高主机效率，降低油耗，另一方面得到的是具有高浓度二氧化碳的排气，省去了对尾气后处理的复杂步骤，更容易实现零碳排放。
附图说明
22.图1为本发明实施例的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统的结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围内。
24.请结合图1所示，本发明实施例涉及的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，包括：空分制氧子系统，包括依次连接的空气滤清器1、空气预冷器2、第一汽水分离器3、带间冷的多级增压系统（包括间冷换热器4、第一级空气压缩机5、第二级空气压缩机6和第三级空气压缩机7）、第一级换热器8、空气膨胀机9、第一级冷却器10、第二级换热器11、第一级精馏塔12和第二级精馏塔13，带间冷的多级增压系统包括以集成的间冷换热器4为核心，及与其相连接的第二级冷却器14、第一级空气压缩机5、第二级空气压缩机6和第三级空气压缩机7，第一汽水分离器3的气相输出端连接至间冷换热器4的第一热源输入端401，第一级空气压缩机5、第二级空气压缩机6、第三级空气压缩机7的输出端分别连接至间冷换热器4的第二热源输入端403、第三热源输入端405、第四热源输入端407，第一级空气压缩机5、第二级空气压缩机6、第三级空气压缩机7的输入端分别连接至间冷换热器4的第一热源输出端402、第二热源输出端404、第三热源输出端406，间冷换热器4的第四热源输出端408连接至第一级换热器8的热源输入端801，间冷换热器4的第一冷源输入端409连接至第一级换热器8的冷源输出端804，间冷换热器4的第一冷源输出端410连接至空气预冷器2的冷源输入端203，间冷换热器4的第二冷源输入端411和第二冷源输出端412分别连接至第二级冷却器14的输出端和输入端，第一级精馏塔12的上塔连接至第一级换热器8的冷源输入端803，第一级精馏塔12的下塔连接至第二级精馏塔13，第二级精馏塔13的下塔连接至第二级换热器11的冷源输入端1103，空分制氧子系统还包括废氮膨胀机15和废氮废氩集流器16，废氮膨胀机15的输入端连接至空气预冷器2的冷源输出端204，废氮废氩集流器16的第一输入端1601和第二输入端1602分别连接至废氮膨胀机15的输出端和第二级精馏塔13的上塔。
25.冷能与余热利用子系统的lng侧包括依次连接的lng储罐17、第一级lng增压泵18、第三级循环冷凝器19和第二级lng增压泵20，第一级lng增压泵18的输出端连接至第三级循
环冷凝器19的冷源输入端1903，第三级循环冷凝器19的冷源输出端1904连接至第二级lng增压泵20的输入端；冷能与余热利用子系统的烟气侧包括依次连接的废气涡轮33、第一级循环蒸发器31、第一级循环预热器30、海水冷却器34、第一第三汽水分离器35和烟气分流器36，废气涡轮33的输出端连接至第一级循环蒸发器31的热源输入端3101，第一级循环蒸发器31的热源输出端3102连接至第一级循环预热器30的第二热源输入端3003，第一级循环预热器30的第二热源输出端3004连接至海水冷却器34的输入端，第一第三汽水分离器35的气相输出端连接至烟气分流器36的输入端3601，烟气分流器36的第一输出端3602分流出循环工作介质，烟气分流器36的第二输出端3603分流出捕集烟气；第一级朗肯循环发电单元包括依次连接的第一级循环工质泵29、第一级循环预热器30、第一级循环蒸发器31、第一级循环膨胀机32、第二级循环蒸发器26和海水冷却器28，第一级循环工质泵29的输出端连接至第一级循环预热器30的冷源输入端3005，第一级循环预热器30的冷源输出端3006连接至第一级循环蒸发器31的冷源输入端3103，第一级循环蒸发器31的冷源输出端3104和第二级循环蒸发器26的热源输入端2601之间连接第一级循环膨胀机32，第二级循环蒸发器26的热源输出端2602和第一级循环工质泵29的输入端之间连接海水冷却器28；所述第二级朗肯循环发电单元包括依次连接的第二级循环工质泵25、第二级循环蒸发器26、第二级循环膨胀机27和第二级循环冷凝器22，第二级循环蒸发器26的冷源输出端2604和第二级循环冷凝器22的热源输入端2201之间连接第二级循环膨胀机27，第二级循环冷凝器22的热源输出端2202和第二级循环蒸发器26的冷源输入端2603之间连接第二级循环工质泵25；第三级朗肯循环发电单元包括依次连接的第三级循环工质泵21、第二级循环冷凝器22、第三级循环蒸发器23、第三级循环膨胀机24和第三级循环冷凝器19，第三级循环冷凝器19的热源输出端1902和第二级循环冷凝器22的第二冷源输入端2205之间连接第三级循环工质泵21，第二级循环冷凝器22的第二冷源输出端2206连接至第三级循环蒸发器23的冷源输入端2303，第三级循环蒸发器23的冷源输出端2304和第三级循环冷凝器19的热源输入端1901之间连接第三级循环膨胀机24。
26.低温碳捕集子系统的捕集烟气侧包括依次连接的烟气预冷器37、第一第二汽水分离器38、第一级烟气压缩机39、烟气间冷器40、第二级烟气压缩机41、碳捕集换热器42和lco2储罐43，烟气预冷器37的热源输入端3701与烟气分流器36的第二输出端3603相连接，烟气预冷器37的热源输出端3702连接至第一第二汽水分离器38，第一第二汽水分离器38的气相输出端和烟气间冷器40的热源输入端4001之间连接第一级烟气压缩机39，烟气间冷器40的热源输出端4002和碳捕集换热器42的热源输入端4201之间连接第二级烟气压缩机41，碳捕集换热器42的热源输出端4202连接至lco2储罐43；冷流体侧的流路为，烟气预冷器37的冷源输入端3703与空分制氧子系统的废氮废氩集流器16的输出端1603相连接，碳捕集换热器42的第一冷源输入端4203、第二冷源输入端4205、第三冷源输入端4207分别与空分制氧子系统的第二级换热器11的冷源输出端1104、冷能与余热利用子系统的第二级lng增压泵20的输出端和烟气预冷器37的冷源输出端3704相连接，碳捕集换热器42的第二冷源输出端4206连接至烟气间冷器40的冷源输入端4003，烟气间冷器40的冷源输出端4004流出的ng送至主机，碳捕集换热器42的第三冷源输出端4208与第二级循环冷凝器22的第一冷源输入端2203相连接，完成冷能再利用的废氮通过第二级循环冷凝器22的第一冷源输出端2204排出。
27.结合21万吨级纽卡斯尔型双燃料动力散货船，进一步说明本实施例基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统中各部分的工作过程。lng储罐17中的lng组分为甲烷95%，乙烷3%，丙烷2%。空气组分为氮气78.1%、氧气20.9%、氩气0.94%、二氧化碳0.03%、水蒸气0.03%。考虑制氧的需求和能耗，通入发动机的氧气（非纯氧）组分为氧气98.35%、氩气1.65%。由于本实例通入的氧气不是纯氧，为实现系统零碳排放，循环co2组分调整为二氧化碳94.31%、氩气2.82%、水蒸气2.87%。
28.流程参数说明：空气流程：空气（25℃，110kpa，38558kg/h）经空气滤清器1滤去杂质，在空气预冷器2中与间冷换热器4出来的废氮（-112.5℃，554kpa）换热预冷至-52℃，并经第一汽水分离器3除去液相，接着经过带间冷的多级增压系统，分为三级增压（280kpa-600kpa-1000kpa，每次增压后冷却至-158℃），再通过第一级换热器8与第一级精馏塔12上塔出来的低温氮气（-177.4℃，554kpa）换热冷却至-164.5℃后经空气膨胀机9膨胀制冷。其后，空气（-172.5℃，600kpa，气相分率0.9506）经第一级冷却器10和第二级换热器11进一步换热深冷至-173.9℃（气相分率0.4432）。随后空气进入第一级精馏塔12，上塔流出氮气（-177.4℃，554kpa），下塔流出的液氧（-163.3℃，557kpa，纯度95.6%）进入第二级精馏塔13，上塔流出氩气（-188.6℃，105kpa），下塔流出的液氧（-182.4℃，110kpa，纯度98.3%）接着进入第二级换热器11中为空气深冷提供部分冷能后进入碳捕集子系统，经碳捕集换热器42换热升温至25℃后送至发动机。第一级精馏塔12上塔出来的氮气依次流经第一级换热器8、间冷换热器4和空气预冷器2为空分前端冷却提供冷能，升温至-16.41℃，随后进入废氮膨胀机15膨胀至105kpa（-100.6℃），其后与第二级精馏塔13上塔流出的氩气经废氮废氩集流器16合流进入碳捕集子系统，经烟气预冷器37和碳捕集换热器42换热升温至-64.7℃，再进入冷能与余热利用子系统中，经第二级循环冷凝器22换热，为第二级朗肯循环发电单元的第二级循环工质r1270冷凝提供所需的冷能，升温至-16.43℃后排出。其中，第二级精馏塔13的再沸器（温度-182.4℃）为第一级冷却器10提供的冷负荷为543.9kw，第一级精馏塔12的再沸器（温度-163.3℃）为第二级冷却器14提供的冷负荷为1884kw，制冷循环中，流入第二级冷却器14的工作介质ch4温度为-150℃，流出第二级冷却器14的工作介质ch4温度为-162℃。
29.lng流程：lng（-162℃，600kpa，2084kg/h）自储罐17中出，经第一级lng增压泵18第一次增压至15mpa（-154.3℃），再经第三级循环冷凝器19换热，为第三级朗肯循环发电单元的第三级循环工质r1150提供冷凝所需的冷能，升温至-90℃，接着lng经第二级lng增压泵20第二次增压至进气压力30mpa（-74.53℃），随后进入碳捕集子系统经碳捕集换热器42换热升温至0℃，再经烟气间冷器40换热升温，以45℃，30mpa送至主机。
30.烟气流程：主机排出的烟气（212℃，200kpa，167198kg/h）首先进入废气涡轮33做功发电，接着烟气（165.5℃，110kpa）经第一级循环蒸发器31和第一级循环预热器30换热，为第一级朗肯循环发电单元的第一级循环工质co2提供热量，烟气降温至52℃，此时可利用余热较少，通过海水冷却器34冷却至25℃并经第一第三汽水分离器35除去液相，随后烟气经分流器36分为两股，一股作为循环工作介质，另一股作为捕集烟气进行捕获。需捕获的烟气（25℃，110kpa，6151kg/h）首先经烟气预冷器37冷却至-52℃并经第一第二汽水分离器38除去液相，接着经以ng作为冷源间冷的两级增压，得到1200kpa的烟气（87.89℃），最后在碳捕集换热器42换热液化送至lco2储罐43，完成捕获。
31.第一级跨临界co2朗肯循环：经第一级循环膨胀机32做功乏汽后的第一级循环工质（co2，88.45℃，6700kpa，90000kg/h）首先经第二级循环蒸发器26与第二级循环工质r1270（-45.87℃）换热，降温至70.04℃，接着通过海水冷却器28换热至25℃，再经第一级循环工质泵29加压至15.5mpa，其后经第一级循环预热器30和第一级循环蒸发器31与高温缸套冷却水（85℃）和主机排烟换热至160℃，最后经第一级循环膨胀机32做功，完成一个循环。
32.第二级有机朗肯循环：经第二级循环膨胀机27做功乏汽后的第二级循环工质（r1270，-8.567℃，450kpa，4300kg/h）首先经第二级循环冷凝器22与第三级循环工质（r1150，-94.37℃）和低温废氮（-64.7℃）换热冷凝至-48℃，再经第二级循环工质泵21加压至3800kpa，其后通过第二级循环蒸发器26与第一级循环工质的乏汽（88.45℃）换热，升温至82℃，最后经第二级循环膨胀机27做功，完成一个循环。
33.第三级有机朗肯循环：经第三级循环膨胀机24做功乏汽后的第三级循环工质（r1150，-52.33℃，160kpa，872.7kg/h）首先经第三级循环冷凝器19与lng（-154.3℃）换热冷凝至-96℃，再经第三级循环工质泵21加压至2400kpa，其后通过第二级循环冷凝器22为第二级循环工质r1270提供冷凝所需的冷能，升温至-15℃，接着经第三级循环蒸发器23与高温缸套冷却水（85℃）换热至80℃，最后经第三级循环膨胀机24做功，完成一个循环。

技术特征：
1.一种基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，包括：空分制氧子系统，包括多级增压的间冷器、第一级精馏塔和第二级精馏塔，空气经过预冷进入所述多级增压的间冷器进行间冷增压再进行深冷后依次进入所述第一级精馏塔和所述第二级精馏塔进行两级精馏，所述第一级精馏塔排出的废氮依次为所述空气的深冷、间冷增压和预冷提供冷能，所述第一级精馏塔的再沸器为所述空气的间冷增压提供冷负荷，所述第二级精馏塔排出的液氧为所述空气的深冷提供冷能后进入低温碳捕集子系统，所述第二级精馏塔的再沸器为所述空气的深冷提供冷负荷，所述第二级精馏塔排出的废氩与为所述空气的预冷提供冷能后的废氮合流后进入低温碳捕集子系统；冷能与余热利用子系统，包括朗肯循环发电单元，所述朗肯循环发电单元以lng为冷源，以经过废气涡轮做功后的烟气为热源进行循环发电，作为热源放热后的所述烟气的一部分流入所述低温碳捕集子系统进行碳捕集，作为热源放热后的所述烟气的另一部分作为工作介质进入主机；低温碳捕集子系统，包括流入所述低温碳捕集子系统的烟气依次经过预冷、增压间冷和碳捕换热后形成lco2的流路，所述废氩和所述废氮的合流依次为所述烟气的预冷和碳捕换热提供冷能，所述lng为所述朗肯循环发电单元提供冷能后依次为所述烟气的碳捕换热和增压间冷提供冷能后送入主机，流入所述低温碳捕集子系统的液氧为所述烟气的碳捕换热提供冷能后送入主机。2.根据权利要求1所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述空分制氧子系统包括空气膨胀机、废氮膨胀机、第一级换热器和第二级换热器，经过间冷增压的所述空气经过所述第一级换热器深冷后经所述空气膨胀机做功后再经过所述第二级换热器深冷，所述第二级精馏塔排出的液氧在所述第二级换热器为所述空气的深冷提供冷能，所述第一级精馏塔排出的废氮在所述第一级换热器为所述空气的深冷提供冷能，为所述空气的预冷提供冷能后的废氮经过所述废氮膨胀机做功后于所述第二级精馏塔排出的废氩合流。3.根据权利要求2所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述空分制氧子系统包括第一级空气压缩机、第二级空气压缩机、第三级空气压缩机、第一级冷却器和第二级冷却器，所述第一级空气压缩机、第二级空气压缩机、第三级空气压缩机的输出端分别连接至所述多级增压的间冷器的第二热源输入端、第三热源输入端、第四热源输入端，所述第一级空气压缩机、第二级空气压缩机、第三级空气压缩机的输入端分别连接至所述多级增压的间冷器的第一热源输出端、第二热源输出端、第三热源输出端，经过所述预冷的空气由所述多级增压的间冷器的第一热源输入端输入，所述多级增压的间冷器的第四热源输出端连接至所述第一级换热器，所述第二级冷却器与所述多级增压的间冷器循环连接，所述第一级精馏塔的再沸器为所述第二级冷却器提供冷负荷，所述第一级冷却器连接在所述空气膨胀机和所述第二级换热器之间，所述第二级精馏塔的再沸器为在所述第一级冷却器深冷的空气提供冷负荷。4.根据权利要求1所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述朗肯循环发电单元包括三级级联的第一级朗肯循环发电单元、第二级朗肯循环发电单元和第三级朗肯循环发电单元，所述经过废气涡轮做功后的烟气为所述第一级朗肯循环发电单元的热源，lng为所述第三级朗肯循环发电单元的冷源，所述第一级朗肯循环发
电单元中膨胀做功后的第一级循环工质为所述第二级朗肯循环发电单元的热源，所述第二级朗肯循环发电单元中膨胀做功后的第二级循环工质为所述第三级朗肯循环发电单元的热源。5.根据权利要求4所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述第一级朗肯循环发电单元中，所述第一级循环工质先经过高温缸套冷却水加热后由所述经过废气涡轮做功后的烟气加热再进行膨胀做功；所述第三级朗肯循环发电单元中，所述第三级循环工质先经过膨胀做功后的所述第二级循环工质的加热后由高缸套冷却水加热再进行膨胀做功。6.根据权利要求4所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，为所述碳捕换热提供冷能后的所述废氮和废氩的合流为膨胀做功后的所述第二级循环工质提供冷能后再排出。7.根据权利要求4所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述第一级朗肯循环发电单元中的第一级循环工质的工作温度区间为25~300℃，所述第二级朗肯循环发电单元中的第二级循环工质的工作温度区间为-50~100℃，所述第三级朗肯循环发电单元中的第三级循环工质的工作温度区间为-100~80℃。8.根据权利要求7所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述第一级朗肯循环发电单元采用跨临界朗肯循环，所述第二级朗肯循环发电单元和第三级朗肯循环发电单元采用有机朗肯循环，所述第一级朗肯循环发电单元中的第一级循环工质为co2，所述第二级朗肯循环发电单元中的第二级循环工质为r1270，所述第三级朗肯循环发电单元中的第三级循环工质为r1150。9.根据权利要求3所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述多级增压的间冷器和所述第二级冷却器之间进行热传递的制冷循环工质的工作温度区间为-140~-162℃，所述空分制氧子系统中的制冷循环工质为ch4。10.根据权利要求1所述的基于富氧燃烧碳捕集的lng动力船能量综合利用系统，其特征在于，所述低温碳捕集子系统包括依次连接的第一级烟气压缩机、烟气间冷器和第二级烟气压缩机，经过预冷的烟气连接至所述第一级烟气压缩机，经所述第二级烟气压缩机增压的烟气再进行碳捕换热，进行所述碳捕换热后的lng在所述烟气间冷器为所述烟气提供冷能进行增压间冷后再送入主机。

技术总结
本发明公开了一种基于富氧燃烧碳捕集的LNG动力船能量综合利用系统，包括空分制氧子系统、冷能与余热利用子系统和低温碳捕集子系统。空分制氧子系统基于低压全回流的工艺，集成多级增压的间冷器，将空分产物冷能和精馏塔再沸器释放的冷能用于空气预冷和深冷；冷能与余热利用子系统以LNG为冷源，烟气为热源，耦合废氮的能量利用，通过废气涡轮和朗肯循环的组合回收船舶能量；低温碳捕集子系统利用LNG、低温氧气和废氮的冷能，对部分烟气进行预冷、增压间冷和液化捕获，其余烟气作为工作进入主机。本发明基于富氧燃烧碳捕集法，以精简、节能的空分工艺制备高纯度氧气，并高效回收利用船舶能量，实现零碳排放的同时节省电力开支，提高航行效益。高航行效益。高航行效益。


技术研发人员：姚寿广 李辰
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/4