lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统
技术领域
1.本发明涉及一种lng动力船能量利用系统，特别是一种lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统。
背景技术：2.现有lng动力船上lng在汽化过程中释放的大量冷能几乎直接被海水带走，造成能源浪费的同时还对海洋生态造成危害，其次排放烟气所具有的大量热能和动能未予充分利用。另外，虽然lng作为船舶动力燃料减排效益十分显著，但整个船运业排放的co2量仍不可小觑。
3.公开号为cn113669175a的中国专利提出了一种船用天然气发动机尾气的低温凝华碳捕集系统及方法，该系统包括lng燃气供气系统、船用主机燃烧系统、碳富集系统以及低温凝华碳捕集系统，其通过醇胺法富集了90％以上的高浓度含碳尾气，并结合lng气化过程中的冷能实现了95％以上的常压尾气中co2捕集封存，但是该系统采用化学吸收法富集co2无法实现零碳排放，且化学吸附剂再生困难而导致富集效率下降，同时整个系统能耗和化学品消耗大。
4.公开号为cn113738467a的中国专利提出了一种利用液化天然气进行带碳捕集发电的集成系统，该系统集lng气化、冷能制氧、富氧发电与碳捕获于一体，能够大大降低lng气化，制氧和碳捕获环节的能耗，lng冷能利用率提高、发电效率提高、将捕集的二氧化碳注入地底咸水封存则可以实现零碳排放发电效果。但该系统面向陆地应用场景，其lng流量足够大，能够提供制氧和碳捕获过程所需要的冷能，而船舶上lng的进气流量远小于烟气流量，无法满足制氧和碳捕集冷量的需求，因此该系统难以应用在船舶上。
技术实现要素：5.针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，在船舶的lng冷量相对较小的情况下降低碳排放及能耗。
6.本发明技术方案如下：一种lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，包括：
7.lng蒸发侧，由lng储罐中出来的lng经过第一级增压、第一级lng换热、第二级增压、第二级lng换热和海水调温后形成ng送至主机；
8.烟气侧，由主机排出的烟气经过第一级烟气膨胀做功、第一级烟气换热、第二级烟气膨胀做功、第二级烟气换热、第三级烟气换热和海水冷却后通过第一烟气水分离器分离出水，进一步分流成两路，一路送至主机，另一路依次经过烟气预冷器、第二烟气水分离器、烟气压缩机后进行第四级烟气换热和第五级烟气换热后完成低温液化捕集，送至lco2储罐；
9.空气侧，空气依次进行多级冷却增压和两级精馏的流路，空气经过所述两级精馏后形成的废氮用于对空气进行多级冷却增压中除末级冷却外的前级冷却再经第三级烟气
换热器吸收热能后通过废氮透平做功，空气经过所述两级精馏后形成的废氩与所述从废氮透平出来的废氮混合，接着依次为所述烟气预冷器和碳捕集换热器提供冷能后排出，空气经过所述两级精馏后形成的液氧用于对空气进行末级冷却后在碳捕集换热器再气化送入主机；
10.第一级有机朗肯循环发电单元，所述第一级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第一级循环工质增压后在第一级循环蒸发器由第二级循环工质加热，并进行膨胀做功后通过所述第一级lng换热再重新增压的回路；
11.第二级有机朗肯循环发电单元，所述第二级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第二级循环工质增压后由所述烟气压缩机出来的烟气加热，并进行膨胀做功后依次通过所述第一级循环蒸发器和第二级循环海水冷却器换热再重新增压的回路；
12.第三级有机朗肯循环发电单元，所述第三级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第三级循环工质增压后通过所述第三级循环预热器换热再与烟气进行第二级烟气换热，并进行膨胀做功后通过第三级循环海水冷却器换热再重新增压的回路；第四级跨临界朗肯循环发电单元，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路为第四级跨临界朗肯循环工质增压后依次通过高温缸套冷却水预热、第四级循环回热器回热再与烟气进行第一级烟气换热，并进行膨胀做功后依次通过第四级循环回热器、第三级循环预热器和第四级循环海水冷却器换热再重新增压的回路；
13.其中，所述的第一级lng换热为lng向第一级有机朗肯循环工质提供冷能，所述第二级lng换热为lng向碳捕集换热器提供冷能，所述第一级烟气换热为烟气向第四级朗肯循环工质提供热能，所述第二级烟气换热为烟气向第三级朗肯循环工质提供热能，所述第三级烟气换热为烟气向对空气进行初级冷却后的废氮提供热能，所述第四级烟气换热为由烟气压缩机压缩后的烟气向所述第二级循环工质释放热能，所述的第五级烟气换热为烟气向碳捕集换热器释放热能，在所述碳捕集换热器中，所述经第二级增压后的lng、对空气进行末级冷却后的氧气和所述经烟气预冷器换热后的废氮废氩共同向与所述第二级循环工质换热后的烟气吸热。
14.进一步地，包括第五级有机朗肯循环发电单元，所述第五级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第五级循环工质增压后通过第五级循环回热器换热再由高温缸套冷却水加热，并进行膨胀做功后依次通过所述第五级循环回热器换热和由所述碳捕集换热器出来的废氮废氩冷却再重新增压的回路。
15.进一步地，包括第六级有机朗肯循环发电单元，所述第六级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第六级循环工质增压后由第二级烟气换热后的烟气加热，并进行膨胀做功后通过第六级海水冷却器换热再重新增压的回路；对增压后的所述第六级循环工质加热后的烟气进行第三级烟气换热。
16.进一步地，所述lng蒸发侧包括依次连接的lng储罐、第一级lng增压泵、lng换热器、第二级lng增压泵、碳捕集换热器、海水调温器和船舶主机，所述第一级lng增压泵的出口连接所述lng换热器的冷源输入端，所述lng换热器的冷源输出端连接所述第二级lng增压泵的输入端，所述第二级lng增压泵的输出端连接所述碳捕集换热器的第一冷源输入端，所述碳捕集换热器的第一冷源输出端连接海水调温器的输入端，所述第一级lng换热在所述lng换热器进行。
17.进一步地，所述烟气侧包括依次连接的第一级烟气透平、第一级烟气换热器、第二级烟气透平、第二级烟气换热器、第四级烟气换热器、第三级烟气换热器、海水冷却器、第一烟气水分离器、烟气分流器，所述烟气分流器分流出的一路直接连接至船舶主机，另一路包括依次连接的烟气预冷器、第二烟气水分离器、烟气压缩机、第二级循环蒸发器、碳捕集换热器和lco2储罐，所述第一级烟气换热器进行第一级烟气换热，所述第二级烟气换热器进行第二级烟气换热，所述第四级烟气换热器中由第二级烟气换热后的烟气加热增压后的第六级循环工质，所述第三级烟气换热器进行第三级烟气换热，所述第二级循环蒸发器进行第四级烟气换热，所述碳捕集换热器进行第五级烟气换热。
18.进一步地，所述空气侧包括依次连接的空气滤清器、第一级冷却器、空气水分离器、第二级冷却器、第一级压缩机、第三级冷却器、第二级压缩机、第四级冷却器、空气节流阀、第一级精馏塔、第二级精馏塔，所述第一级精馏塔的上塔输出的废氮的流路包括依次连接的第三级冷却器、第二级冷却器、第一级冷却器、第三级烟气换热器、废氮透平、废氮废氩集流器，所述废氮废氩集流器的另一个输入端与第二级精馏塔的上塔输出端相连接，所述废氮废氩集流器输出的废氮废氩的流路包括依次连接的烟气预冷器和碳捕集换热器，所述烟气预冷器的冷源输出端与碳捕集换热器的第三冷源输入端相连接，所述第二级精馏塔下塔输出的氧气的流路包括依次连接的第四级冷却器、氧气节流阀、碳捕集换热器和船舶主机，所述氧气节流阀的输出端与所述碳捕集换热器的第二冷源输入端相连接，所述碳捕集换热器的第二冷源输出端与船舶主机相连接。
19.进一步地，所述第一级有机朗肯循环中的第一级循环工质的工作温度区间为-100～70℃，所述第二级有机朗肯循环中的第二级循环工质的工作温度区间为25～150℃，所述第三级有机朗肯循环中的第三级循环工质的工作温度区间为25～115℃，所述第四级跨临界朗肯循环中的第四级循环工质的工作温度区间为25～261℃，所述第五级有机朗肯循环中的第五级循环工质的工作温度区间为0～85℃，所述第六级有机朗肯循环中的第六级循环工质的工作温度区间为25～90℃。
20.进一步地，所述第一级循环工质为r1150，所述第二级循环工质为n-pentane，所述第三级循环工质为r600，所述第四级循环工质为co2，所述第五级循环工质为r600，所述第六级循环工质为n-pentane。
21.本发明在满足主机进气条件的情况下，构建主机富氧燃烧体系使得排烟的成分仅有h2o、co2和少量ar，省去了现有技术方案中分离co2的复杂步骤，能够高效捕集排烟中的co2，同时本发明对船舶的余热和冷能梯级利用，实现节能和减排的双重目标，与现有技术相比的优点在于：
22.1、面向船舶应用场景，在满足船舶进气的条件下，基于“温度对口，梯级利用”的原则合理地在冷热源之间构建单级有机朗肯循环、跨临界朗肯循环、两级级联朗肯循环对船舶冷能和余热梯级利用。
23.2、围绕船舶主机构建富氧燃烧体系，得到具有高浓度co2的烟气，省去现有技术方法中分离提纯的步骤，更加易于捕集；将空分产物冷能再利用于空气冷却、烟气冷却和碳捕集，降低全船能耗。
附图说明
24.图1为本发明实施例的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统的结构示意图。
具体实施方式
25.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。
26.请结合图1所示，本发明实施例涉及的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，包括：
27.lng蒸发侧，包括依次通过管道连接的lng储罐1、第一级lng增压泵2、lng换热器3、第二级lng增压泵4、碳捕集换热器5、海水调温器6和船舶主机7，其中，第一级lng增压泵2的出口连接lng换热器3的冷源输入端301，lng换热器3的冷源输出端302连接第二级lng增压泵4的入口，第二级lng增压泵4的出口连接碳捕集换热器5的第一冷源输入端501，碳捕集换热器5的第一冷源输出端502连接海水调温器6的输入端。
28.烟气侧，包括依次通过管道连接的第一级烟气透平8、第一级烟气换热器9、第二级烟气透平10、第二级烟气换热器11、第四级烟气换热器12、第三级烟气换热器13、海水冷却器14、第一烟气水分离器15、烟气分流器16，烟气分流器16分流出的一路直接连接至船舶主机7，另一路包括依次连接的烟气预冷器17、第二烟气水分离器18、烟气压缩机19、第二级循环蒸发器20、碳捕集换热器5和lco2储罐21，其中，第一级烟气透平8的出口连接第一级烟气换热器9的热源输入端903，第一级烟气换热器9的热源输出端904连接第二级烟气透平10的入口，第二级烟气透平10的出口连接第二级烟气换热器11的热源输入端1103，第二级烟气换热器11的热源输出端1104与第四级烟气换热器12的热源输入端1203相连接，第四级烟气换热器12的热源输出端1204与第三级烟气换热器13的热源输入端1303相连接，第三级烟气换热器13的热源输出端1304连接至海水冷却器14的输入端，第一烟气水分离器15的气体输出端连接烟气分流器16的输入端，烟气分流器16输出端的一路连接船舶主机7，另一路与烟气预冷器17的热源输入端1703相连接，烟气预冷器17的热源输出端1704连接至第二烟气水分离器18的输出端，烟气压缩机19的出口与第二级循环蒸发器20的热源输入端2003相连接，第二级循环蒸发器20的热源输出端2004与碳捕集换热器5的热源输入端507相连接，碳捕集换热器的热源输出端507连接至lco2储罐21。
29.空气侧，包括依次通过管道连接的空气滤清器22、第一级冷却器23、空气水分离器24、第二级冷却器25、第一级压缩机26、第三级冷却器27、第二级压缩机28、第四级冷却器29、空气节流阀30、第一级精馏塔31、第二级精馏塔32，第一级精馏塔31的上塔输出的废氮的流路包括依次通过管道连接的第三级冷却器27、第二级冷却器25、第一级冷却器23、第三级烟气换热器13、废氮透平33、废氮废氩集流器34，废氮废氩集流器34的另一个输入端与第二级精馏塔32的上塔输出端相连接，废氮废氩集流器34输出的废氮废氩的流路包括通过管道依次连接的烟气预冷器17、碳捕集换热器5和第五级循环冷凝器35，第二级精馏塔32下塔输出的氧气的流路包括依次通过管道连接的第四级冷却器29、氧气节流阀36、碳捕集换热器5和船舶主机7。其中空气滤清器22的输出端连接至第一级冷却器23的热源输入端2303，
第一级冷却器23的热源输出端2304连接至空气水分离器24的输入端，空气水分离器24的气体输出端连接第二级冷却器25的热源输入端2503，第二级冷却器25的热源输出端2504连接至第一级压缩机26的入口，第一级压缩机26的出口连接至第三级冷却器27的热源输入端2703，第三级冷却器27的热源输出端2704连接至第二级压缩机28的入口，第二级压缩机28的出口连接至第四级冷却器29的热源输入端2903，第四级冷却器29的热源输出端2904经过空气节流阀30连接至第一级精馏塔31，第一级精馏塔31的下塔输出端连接至第二级精馏塔32，第一级精馏塔31上塔输出端与第三级冷却器27的冷源输入端2701相连接，第三级冷却器27的冷源输出端2702与第二级冷却器25的冷源输入端2501相连接，第二级冷却器25的冷源输出端2502与第一级冷却器23的冷源输入端2301相连接，第一级冷却器23的冷源输出端2302与第三级烟气换热器13的冷源输入端1301相连接，第三级烟气换热器13的冷源输出端1302与废氮透平33的入口相连接，废氮废氩集流器34的输出端与烟气预冷器17的冷源输入端1701相连接，烟气预冷器17的冷源输出端1702与碳捕集换热器5的第三冷源输入端505相连接，碳捕集换热器5的第三冷源输出端506与第五级循环冷凝器35的冷源输入端3501相连接，第二级精馏塔32的下塔输出端与第四级冷却器29的冷源输入端2901相连接，第四级冷却器29的冷源输出端2902经过氧气节流阀36与碳捕集换热器5的第二冷源输入端503相连接，碳捕集换热器5的第二冷源输出端504与船舶主机7相连接。
30.第一级有机朗肯循环发电单元由包括第一级循环工质泵38、第一级循环蒸发器39、第一级循环透平37、lng换热器3连接构成的循环回路，第一级循环透平37的出口与lng换热器3的热源输入端303相连接，lng换热器5的热源输出端304与第一级循环工质泵38的入口相连接，第一级循环工质泵38的出口与第一级循环蒸发器39的冷源输入端3901相连接，第一级循环蒸发器39的冷源输出端3902与第一级循环透平37的入口相连接。
31.第二级有机朗肯循环发电单元由包括第二级循环工质泵42、第二级循环蒸发器20、第二级循环透平40、第一级循环蒸发器39、第二级循环海水冷却器41连接构成的循环回路，第二级循环透平40的出口与第一级循环蒸发器39的热源输入端3903相连接，第一级循环蒸发器39的热源输出端3904与第二级循环海水冷却器41的输入端相连接，第二级循环工质泵42的出口与第二级循环蒸发器20的冷源输入端2001相连接，第二级循环蒸发器20的冷源输出端2002与第二级循环透平40的入口相连接。
32.第三级有机朗肯循环发电单元由包括第三级循环工质泵55、第三级循环预热器49、第二级烟气换热器11、第三级循环透平53、第三级海水冷却器54连接构成的循环回路，第三级循环透平53的出口与第三级循环海水冷却器54的输入端相连接，第三级循环海水冷却器54的输出端与第三级循环工质泵55的入口相连接，第三级循环工质泵55的出口与第三级循环预热器49的冷源输入端4901相连接，第三级循环预热器49的冷源输出端4902与第二级烟气换热器11的冷源输入端1101相连接，第二级烟气换热器11的冷源输出端1102与第三级循环透平53的入口相连接。
33.第四级跨临界朗肯循环发电单元由包括第四级循环工质泵51、第四级循环预热器52、第四级循环回热器48、第一级烟气换热器9、第四级循环透平47、第三级循环预热器49和第四级循环海水冷却器50连接构成的循环回路，第四级循环透平47的出口与第四级循环回热器48的热源输入端4803相连接，第四级循环回热器48的热源输出端4804与第三级循环预热器49的热源输入端4903相连接，第三级循环预热器49的热源输出端4904与第四级循环海
水冷却器50的输入端相连接，第四级循环海水冷却器50的输出端与第四级循环工质泵51的入口相连接，第四级循环工质泵51的出口与第四级循环预热器52的冷源输入端5201相连接，第四级循环预热器52的冷源输出端5202与第四级循环回热器48的冷源输入端4801相连接，第四级循环回热器48的冷源输出端4802与第一级烟气换热器9的冷源输入端901相连接，第一级烟气换热器9的冷源输出端902与第四级循环透平47的入口相连接。
34.第五级有机朗肯循环发电单元由包括第五级循环工质泵45、第五级循环回热器44、第五级循环蒸发器46、第五级循环透平43、第五级循环冷凝器35连接构成的循环回路，第五级循环透平43的出口与第五级循环回热器44的热源输入端4403相连接，第五级循环回热器44的热源输出端4404与第五级循环冷凝器35的热源输入端3503相连接，第五级循环冷凝器35的热源输出端3504与第五级循环工质泵45的入口相连接，第五级循环工质泵45的出口与第五级循环回热器44的冷源输入端4401相连接，第五级循环回热器44的冷源输出端4402与第五级循环蒸发器46的冷源输入端4601相连接，第五级循环蒸发器46的冷源输出端4602与第五级循环透平43的入口相连接。
35.第六级有机朗肯循环发电单元由包括第六级循环工质泵58、第四级烟气换热器12、第六级循环透平56、第六级循环海水冷却器57连接构成的循环回路，第六级循环透平56的出口与第六级循环海水冷却器57的入口相连接，第六级循环海水冷却器57的出口与第六级循环工质泵58的入口相连接，第六级循环工质泵58的出口与第四级烟气换热器12的冷源输入端1201相连接，第四级烟气换热器12的冷源输出端1202与第六级循环透平56的入口相连接。
36.结合296600吨vlcc-lng动力船，进一步说明本实施例lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统中各部分的工作过程。lng储罐中的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％。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％。
37.流程参数说明：
38.lng流程：lng(3000kg/h，600kpa，-162℃)自lng储罐1中出，经第一级lng增压泵2第一次增压至15mpa(-154.3℃)，其后在lng换热器3中与第一级循环工质(r1150，150kpa，-51.43℃)换热至-91.08℃。接着经第二级lng增压泵4第二次增压至30mpa(-75.82)，再进入低温碳捕集换热器5换热升温至0℃，此时lng可利用冷较少，直接通过海水调温器6换热至15℃送至船舶主机7。
39.烟气流程：由船舶主机7排出的烟气(350℃，500kpa，196070kg/h)通过第一级烟气透平8做功(此处涡轮出口压力限制150kpa以上)，做功后的烟气(150kpa，266℃)在第一级烟气换热器9中与由第四级循环回热器48出来的第四级循环工质(co2，126.9℃)换热，换热后的烟气(150kpa，144.4℃)经第二级烟气透平10膨胀做功至110kpa(123.6℃)，再在第二级烟气换热器11中与由第五级循环预热器49出来的第五级循环工质(r600，80℃)换热降温至94.07℃。接着在第四级烟气换热器12中为第六级朗肯循环工质(n-pentane，25.16℃)提供热量，降温至77.63℃，再在第三级烟气换热器13中与废氮(623kpa，8.114℃)换热至73.08℃后通过海水冷却器14换热至25℃，其后经第一烟气水分离器15分离出大部分水后
经烟气分流器16分为两股，一股作为循环烟气送至船舶主机7，另一股对其进行碳捕集。
40.捕集流程：由烟气分流器16分流出的一路捕集烟气(9108kg/h，110kpa，25℃)在烟气预冷器17中与由废氮废氩集流器34出来的废氮(110kpa，-70.45℃)换热降温至-52℃，再经第二烟气水分离器18分离出水后得到的捕集烟气(8995kg/h)通过烟气压缩机19加压至1950kpa(202.9℃)，其后通过第二级循环蒸发器20与第二级循环工质(25.75℃)换热降温至67.59℃，最后捕集烟气经碳捕集换热器5与氧气(-110.8℃)，废氮(-50.19℃)和lng(-75.82℃)换热，以-36.5℃、1950kpa液化完成捕集送至lco2储罐21。
41.空分流程：空气(25℃，110kpa，52250kg/h)经空气滤清器22滤去杂质，在第一级冷却器23中与由第二级冷却器25出来的废氮(-87.94℃，623kpa)换热，温度降至-52℃后经空气水分离器24分离出水，接着在第二级冷却器25中与由第三级冷却器27出来的废氮(-175.9℃，623kpa，汽相分率0.7356)换热降温至-162℃后经第一级压缩机26一次增压至570kpa(-69.38℃)，再在第三级冷却器27中与由第四级冷却器29出来的废氮(-176.1℃，623kpa，液相分率1)换热降温至-162℃。进一步在第二级压缩机28中二次增压至1600kpa(-109.5℃)，随后空气与由第二级精馏塔32下塔排出的液氧(-182.7℃，112kpa)在第四级冷却器29中换热降温至-157℃，再经过空气节流阀30，压力降至1200kpa，温度降为-162℃。由空气节流阀30流出的空气进入第一级精馏塔31进行分离，底部流出液氧(625kpa，-161.7℃，o2摩尔分率0.9546)，顶部流出的废氮(623kpa，液相分率1，-176.1℃)作为冷源依次进入第三级冷却器27、第二级冷却器25、第一级冷却器23和第三级烟气换热器13换热升温至27℃，其后进入废氮透平33膨胀做功至110kpa(-68.04℃)。做功后的废氮与第二级精馏塔32上塔排出的废氩通过废氮废氩集流器34混合后在烟气预冷器17中与捕集烟气(25℃)换热升温至-50.19℃，其后进入低温碳捕集换热器5提供冷量，出来的废氮(-17.89)接着在换热器第五级循环冷凝器35中为第五级循环工质(r600，8℃)提供冷量后排出。由第一级精馏塔31下塔排出的液氧进入第二级精馏塔32进一步分离提纯，顶部流出的废氩(110kpa，-192℃)经废氮废氩集流器34与废氮混合，底部流出的氧气(112kpa，-182.3℃，o2摩尔分率0.9835，液相分率1)进入第四级冷却器29作为冷源换热，温度升高至-110.8℃，再经过氧气节流阀36降压至110kpa，接着在碳捕集换热器5中作为冷源换热升温至20℃送至船舶主机7。
42.第一级有机朗肯循环：经第一级循环透平37做功乏汽后的第一级循环工质(r1150，-51.43℃，150kpa，1210kg/h)在lng换热器3中与lng(-154.3)换热至-100℃后经第一级循环工质泵38增压至2000kpa(-98.69℃)，接着在第一级循环蒸发器39中与第二级循环工质(94.25℃)换热升温至66℃，最后通过第一级循环透平37做功，完成一个循环。
43.第二级有机朗肯循环：经第二级循环透平40做功乏汽后的第二级循环工质(n-pentane，94.25℃，110kpa，2100kg/h)在第一级循环蒸发器39中与第一级循环工质(-98.69℃)换热降温至36.87℃后通过第一级循环海水冷却器41换热至25℃，再经第二级循环工质泵42增压至1400kpa(25.75℃)，接着在第二级循环蒸发器20中与经烟气压缩机19压缩后的捕集烟气(202.9℃)换热升温至150℃，最后通过第二级循环透平40做功，完成一个循环。
44.第三级有机朗肯循环：经第三级循环透平53做功乏汽后的第五级循环工质(r600，66.54℃，250kpa，15600kg/h)通过第三级循环海水冷却器54换热至25℃，再经第三级循环工质泵55增压至1500kpa(25.93℃)，再在第三级循环预热器49中与第四级循环工质(90℃)
换热升温至80℃，进一步在第二级烟气换热器11中与烟气(123.6℃)换热升温至115℃，最后经第三级循环透平53做功，完成一个循环。
45.第四级跨临界朗肯循环：经第四级循环透平47做功乏汽后的第四级循环工质(co2，165.1℃，6750kpa，126000kg/h)首先在第四级循环回热器48中换热至90℃，接着在第三级循环预热器49中与经第三级循环工质泵55增压后的第三级循环工质(r600，25.93℃)换热，降温至76.53℃后通过第四级循环海水冷却器50换热至25℃，再经第四级循环工质泵51增压至20000kpa(53.7℃)。随后第四级循环工质先在第四级循环预热器52中与高温缸套水冷却水(90℃)换热升温至85℃，再在第四级循环回热器48中回热至126.9℃，最后在第一级烟气换热器9中与烟气(266℃)换热升温至260.5℃后经第四级循环透平47做功，完成一个循环。
46.第五级有机朗肯循环：经第五级循环透平43做功乏汽后的第五级循环工质(r600，27.95℃，110kpa，2190kg/h)经第五级循环回热器44换热降温至8℃后再经第五级循环冷凝器35与废氮(-17.82)换热降温至0℃，接着经第五级循环工质泵45增压至1100kpa(0.63℃)后进入第五级循环回热器44回热至15.26℃，进一步在第五级循环蒸发器46中与高温缸套水冷却水(90℃)换热升温至85℃，最后通过第五级循环透平43做功，完成一个循环。
47.第六级有机朗肯循环：经第六级循环透平56做功乏汽后的第六级循环工质(n-pentane，64.97℃，110kpa，6500kg/h)通过第六级循环海水冷却器57换热至25℃后经第六级循环工质泵58增压至390kpa(25.16℃)，接着在第四级烟气换热器12中与烟气(94.07℃)换热升温至88℃，最后通过第六级循环透平56做功，完成一个循环。
技术特征：1.一种lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，包括：lng蒸发侧，由lng储罐中出来的lng经过第一级增压、第一级lng换热、第二级增压、第二级lng换热和海水调温后形成ng送至主机；烟气侧，由主机排出的烟气经过第一级烟气膨胀做功、第一级烟气换热、第二级烟气膨胀做功、第二级烟气换热、第三级烟气换热和海水冷却后通过第一烟气水分离器分离出水，进一步分流成两路，一路送至主机，另一路依次经过烟气预冷器、第二烟气水分离器、烟气压缩机后进行第四级烟气换热和第五级烟气换热后完成低温液化捕集，送至lco2储罐；空气侧，包括空气依次进行多级冷却增压和两级精馏的流路，空气经过所述两级精馏后形成的废氮用于对空气进行多级冷却增压中除末级冷却外的前级冷却再经第三级烟气换热器吸收热能后通过废氮透平做功，空气经过所述两级精馏后形成的废氩与所述从废氮透平出来的废氮混合，接着依次为所述烟气预冷器和碳捕集换热器提供冷能后排出，空气经过所述两级精馏后形成的液氧用于对空气进行末级冷却后在碳捕集换热器再气化送入主机；第一级有机朗肯循环发电单元，所述第一级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第一级循环工质增压后在第一级循环蒸发器由第二级循环工质加热，并进行膨胀做功后通过所述第一级lng换热再重新增压的回路；第二级有机朗肯循环发电单元，所述第二级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第二级循环工质增压后由所述烟气压缩机出来的烟气加热，并进行膨胀做功后依次通过所述第一级循环蒸发器和第二级循环海水冷却器换热再重新增压的回路；第三级有机朗肯循环发电单元，所述第三级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第三级循环工质增压后通过所述第三级循环预热器换热再与烟气进行第二级烟气换热，并进行膨胀做功后通过第三级循环海水冷却器换热再重新增压的回路；第四级跨临界朗肯循环发电单元，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路为第四级跨临界朗肯循环工质增压后依次通过高温缸套冷却水预热、第四级循环回热器回热再与烟气进行第一级烟气换热，并进行膨胀做功后依次通过第四级循环回热器、第三级循环预热器和第四级循环海水冷却器换热再重新增压的回路。其中，所述的第一级lng换热为lng向第一级有机朗肯循环工质提供冷能，所述第二级lng换热为lng向碳捕集换热器提供冷能，所述第一级烟气换热为烟气向第四级朗肯循环工质提供热能，所述第二级烟气换热为烟气向第三级朗肯循环工质提供热能，所述第三级烟气换热为烟气向对空气进行初级冷却后的废氮提供热能，所述第四级烟气换热为由烟气压缩机压缩后的烟气向所述第二级循环工质释放热能，所述的第五级烟气换热为烟气向碳捕集换热器释放热能，在所述碳捕集换热器中，所述经第二级增压后的lng、对空气进行末级冷却后的氧气和所述经烟气预冷器换热后的废氮废氩共同向与所述第二级循环工质换热后的烟气吸热。2.根据权利要求1所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，包括第五级有机朗肯循环发电单元，所述第五级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第五级循环工质增压后通过第五级循环回热器换热再由高温缸套冷却水加热，并进行膨胀做功后依次通过所述第五级循环回热器换热和由所述碳捕集换热器出来的废氮废氩冷却再重新增压的回路。
3.根据权利要求2所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，包括第六级有机朗肯循环发电单元，所述第六级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第六级循环工质增压后由第二级烟气换热后的烟气加热，并进行膨胀做功后通过第六级海水冷却器换热再重新增压的回路；对增压后的所述第六级循环工质加热后的烟气进行第三级烟气换热。4.根据权利要求1所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，所述lng蒸发侧包括依次连接的lng储罐、第一级lng增压泵、lng换热器、第二级lng增压泵、碳捕集换热器、海水调温器和船舶主机，所述第一级lng增压泵的出口连接所述lng换热器的冷源输入端，所述lng换热器的冷源输出端连接所述第二级lng增压泵的输入端，所述第二级lng增压泵的输出端连接所述碳捕集换热器的第一冷源输入端，所述碳捕集换热器的第一冷源输出端连接海水调温器的输入端，所述第一级lng换热在所述lng换热器进行。5.根据权利要求3所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，所述烟气侧包括依次连接的第一级烟气透平、第一级烟气换热器、第二级烟气透平、第二级烟气换热器、第四级烟气换热器、第三级烟气换热器、海水冷却器、第一烟气水分离器、烟气分流器，所述烟气分流器分流出的一路直接连接至船舶主机，另一路包括依次连接的烟气预冷器、第二烟气水分离器、烟气压缩机、第二级循环蒸发器、碳捕集换热器和lco2储罐，所述第一级烟气换热器进行第一级烟气换热，所述第二级烟气换热器进行第二级烟气换热，所述第四级烟气换热器中由第二级烟气换热后的烟气加热增压后的第六级循环工质，所述第三级烟气换热器进行第三级烟气换热，所述第二级循环蒸发器进行第四级烟气换热，所述碳捕集换热器进行第五级烟气换热。6.根据权利要求1所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，所述空气侧包括依次连接的空气滤清器、第一级冷却器、空气水分离器、第二级冷却器、第一级压缩机、第三级冷却器、第四级冷却器、空气节流阀、第一级精馏塔、第二级精馏塔，所述第一级精馏塔的上塔输出的废氮的流路包括依次连接的第三级冷却器、第二级冷却器、第一级冷却器、第三级烟气换热器、废氮透平、废氮废氩集流器，所述废氮废氩集流器的另一个输入端与第二级精馏塔的上塔输出端相连接，所述废氮废氩集流器输出的废氮废氩的流路包括依次连接的烟气预冷器和碳捕集换热器，所述烟气预冷器的冷源输出端与碳捕集换热器的第三冷源输入端相连接，所述第二级精馏塔下塔输出的氧气的流路包括依次连接的第四级冷却器、氧气节流阀、碳捕集换热器和船舶主机，所述氧气节流阀的输出端与所述碳捕集换热器的第二冷源输入端相连接，所述碳捕集换热器的第二冷源输出端与船舶主机相连接。7.根据权利要求1所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，所述第一级有机朗肯循环中的第一级循环工质的工作温度区间为-100～70℃，所述第二级有机朗肯循环中的第二级循环工质的工作温度区间为25～150℃，所述第三级有机朗肯循环中的第三级循环工质的工作温度区间为0～85℃，所述第四级跨临界朗肯循环中的第四级循环工质的工作温度区间为25～261℃。8.根据权利要求3所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，所述第五级有机朗肯循环中的第五级循环工质的工作温度区间为25～115℃，所述第
六级有机朗肯循环中的第六级循环工质的工作温度区间为25～90℃。9.根据权利要求7所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，所述第一级循环工质为r1150，所述第二级循环工质为n-pentane，所述第三级循环工质为r600，所述第四级循环工质为co2。10.根据权利要求8所述的lng动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，其特征在于，所述第五级循环工质为r600，所述第六级循环工质为n-pentane。
技术总结本发明公开了一种LNG动力船低温碳捕集耦合冷能与余热梯级利用系统，包括LNG蒸发侧，由LNG作为第一两级级联朗肯循环的冷源，经第一级增压、第一级换热、第二级增压、第二级换热和海水调温后形成NG送至发动机；空气侧，通过低温精馏法制备液氧，并将空分产物冷能再利用于空冷与碳捕集，液氧再气化后送至发动机；烟气侧，由主机排出的烟气经废气涡轮做功后为第二两级级联朗肯循环提供热能，再经烟气侧第四级换热和海水冷却后分离出水并分流，一路送至发动机，另一路增压后通过低温液化方式捕集。本发明在满足船舶进气条件的情况下构建主机富氧燃烧体系，能充分回收利用大型船舶冷能和余热的同时对排烟二氧化碳高效捕集，达到节能减排的目的。排的目的。排的目的。
技术研发人员：姚寿广 李辰 乔鑫 张成 金楹杰
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2022.07.13
技术公布日：2022/11/1
