具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在说明书的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

依参考图1、2、3，依本发明一较佳实施例的LNG动力船碳减排系统将在以下被详细地阐述，其中所述LNG动力船碳减排系统包括LNG燃料供应系统和碳回收系统，以在所述LNG燃料供应系统的基础上，通过所述碳回收系统收集所述LNG燃料燃烧产生的烟气中的CO₂。在保证设备最简、能耗最低的前提下，碳减排率能达到65％以上，从而满足近期以及远期碳排放要求，弥补LNG燃料在碳排放问题上的缺陷，具有重要的应用价值。

所述LNG燃料供应系统包括依次连接的LNG储罐100、CO₂冷凝器11、天然气加热器12和船舶用气设备(如发动机)13和烟气排放设备14，其中所述LNG储罐100储存有LNG燃料，其中CO₂冷凝器包括LNG进口111和天然气出口112，另外还包括有气态CO₂进口113和液态CO₂出口114；

具体来说，所述LNG燃料在所述LNG储罐100的排出口处P₁的温度为-162℃左右。LNG燃料通过所述CO₂冷凝器11的LNG进口111进入，经换热后成为具有一定温度的天然气，并从所述CO₂冷凝器11的天然气出口112流出，然后经所述天然气加热器12继续加热，最终达到所述船舶用气设备(如发动机)13适合使用的温度。所述天然气加热器12设置有加热介质进口121和加热介质出口122。加热介质通过所述加热介质进口121和所述加热介质出口122形成换热循环向所述天热气加热器12供热。加热介质的热源可来自于船舶用气设备(如发动机)13的废热，以节约能源，降低成本。

天然气在所述船舶用气设备13中燃烧时，所述船舶用气设备13通过空气进口131吸入足够的空气，确保天然气能够进行富氧燃烧。燃烧产生的烟气通过烟气排放设备14进行排放。排放烟气的温度，即P₂点的温度在350℃左右。烟气成分的体积比为：N₂在75％左右，CO₂在14.5％左右，水分在9.5％左右，其余为其他气体。

所述碳回收系统包括依次连接的第一海水冷却器21、水分脱除装置22、CO₂分离装置30和CO₂液化和存储装置。

其中所述第一海水冷却器21的进口连通所述烟气排放设备14，并设置有海水进口211和海水出口212，从而通过海水的循环换热，把燃烧产生的烟气温度降低到海水温度，即35℃左右。

降温后的烟气进入所述水分脱除装置22，用以脱除烟气中所含的水分。被脱除的水分经所述水分脱除装置22底部的水分出口221排出。脱除水分后烟气的主要成分为N₂和CO₂。在所述水分脱除装置22的出口，即P₃处的成分比例为：N₂为83％左右，CO₂为16％左右，其余为其他气体。

经脱除水分的烟气进入CO₂分离装置30，把其中含有的CO₂分离出来，使分离过程结束后气体中CO₂的含量达到95％以上，而分离过程中不需要的气体全部被排放掉。

为有效分离烟气中的N₂和CO₂，作为本发明一较佳实施例，结合图1，所述CO₂分离装置30被实施为第一PSA分离装置31和第二PSA分离装置32。其中所述第一PSA分离装置设置31有第一排气口311，所述第二PSA分离装置设置有第二排气口321，其中所述第二PSA分离装置32位于第一PSA分离装置31的下游，且所述第一PSA分离装置31的工作压力小于所述第二PSA分离装置32的工作压力。所述第二PSA分离装置32的出口与所述CO₂液化和存储装置相连。

具体的，所述第一PSA分离装置31负责直接处理经所述水分脱除装置22处理后的烟气，这时烟气中CO₂的含量较低，处理装置的工作压力也较低，将处理后的气体中CO₂的含量提高到60％左右；所述第二PSA分离装置32负责处理经所述第一PSA分离装置31处理后的气体，处理装置的工作压力较高，将处理后的气体中CO₂含量提高到95％左右。

考虑到经脱除水分的烟气中含有较多的N₂，如果在较高工作压力下工作，会将大量的能量耗费在N₂这种无用的组分上。因此，所述第一PSA分离装置31以节能为最主要考虑因素，工作压力优选为0.2Mpa～0.6Mpa，比如0.3Mpa、0.4Mpa或0.5Mpa。处理过程为：经脱除水分的烟气进入所述第一PSA分离装置31，通过其中吸附剂的吸附及分离作用，在第一排气口311排出其余不需要气体。排出气体中的主要成分为N₂。为追求设备简化和较低耗能，不可避免的会在排出气体中含有部分CO₂，只要处理后气体中CO₂含量能达到60％左右，且排出气体中CO₂的量占烟气中全部CO₂总量不超过20％，这样处理方法是非常值得的。这种排出少部分CO₂的技术与完全不排出任何CO₂的方式相比，能耗可以得到极大降低，工程上更易实现，从而提高了该LNG动力船碳减排系统的推广价值。所述第一PSA分离装置31中的吸附剂优选实施为在较低压力下仍然有较好吸附分离作用的吸附剂，可被实施为用30％-50％浓度MDEA溶液涂渍的粗孔微球硅胶。

经过所述第一PSA分离装置31处置后的气体，由于其中CO₂含量已经较高，因此，所述第二PSA分离装置32可使用较高的工作压力，其浪费的能量相对也较少。优选地，所述第二PSA分离装置32的工作压力为0.3Mpa～1.5Mpa。所述第二PSA分离装置32中的吸附剂可采用更为常规的类型，比如沸石、硅胶、活性炭和活性氧化铝，其中细孔硅胶和13X沸石效果较好。经所述第二PSA分离装置32处理后，排出气体在P₅点的成分比例可达95％以上，同时由第二排气口321排出其余不需要的气体，排出气体中的主要成分仍然还是以N₂为主。同理，为追求设备简化和较低耗能，仍不可避免的会在排出气体中含有部分CO₂，只要处理后气体中CO₂含量能达到95％左右，且排出气体中CO₂的量占烟气中全部CO₂总量不超过12％，这样的处理方法仍然是值得的。

作为本发明另一较佳实施例，结合图2，所述CO₂分离装置30被实施为膜分离装置。其中所述膜分离装置可由一级膜分离装置33，或由两级膜分离装置33和34构成。其中所述每级膜分离装置都设置有排气口331和341。所述膜分离装置由CO₂/N₂分离膜制成，所述CO₂/N₂分离膜的选择性大于80，以能够较大限度的选择并分离出CO₂。优选地，所述膜分离装置由具有较高CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性的膜材料制成，如微孔聚合物膜。利用CO₂和N₂在膜结构渗透性能上的差异达到较好分离的目的。分离过程中不需要的气体通过排气口331和341全部被排放掉。经所述一级或两级膜分离装置处理后的气体(即P₅点位的CO₂浓度)，可达到95％左右。值得一提的是，当所述膜分离装置被实施为串联连接的两个膜分离装置33和34时，通过分级处理，比如在一级膜分离装置33中将CO₂比例提升至40％～60％，然后在膜分离装置34中将CO₂成分比例进一步提升至95％左右，通过把不需要的N₂成分及时排掉，其总能耗比仅通过一个所述膜分离装置33进行分离有可能会更低，且更方便实现。

由于膜分离装置存在对CO₂和N₂分离精度较低的问题，作为本发明另一较佳实施例，结合图3，所述CO₂分离装置30还可以被实施为膜分离装置33和PSA分离装置32的复合装置。其中所述膜分离装置33设置有排气口331，PSA分离装置设置有排气口321。所述膜分离装置33由CO₂/N₂分离膜制成，且所述CO₂/N₂分离膜的选择性大于80，以能够较大限度的选择并分离出CO₂。所述膜分离装置33负责直接处理经水分脱除装置处理后的烟气，处理后的气体中CO₂的含量提高到60％左右；所述PSA分离装置32负责处理经膜分离装置33处理后的气体，处理后的气体中CO₂含量提高到95％左右。

另外，需要说明的是，在某些情况下，本领域技术人员也会非常容易的想到通过更多级的所述CO₂分离装置30，或使用PSA分离装置32和膜分离装置33中一个或多个的多种组合对烟气中的CO₂进行分离处理，以获取预定成分比例的CO₂。只要具备本发明的分级处理思路，且在处理过程中，主要追求节能和实施的可行性，参照等同替换原则，同样在本发明的保护范围之内。

根据本发明一实施例，所述CO₂液化和存储装置包括依次连接的压缩机23、第二海水冷却器24、所述CO₂冷凝器11和液态CO₂储罐200。所述CO₂分离装置30与所述压缩机23直接相连，所述压缩机23可把经所述CO₂分离装置30处理后的气体压缩到1Mpa(表压)左右的压力后再进行输出，其中优选为0.6Mpa～1Mpa。这是一个相对较低的工作压力，可以节约在压缩机上使用的大量能源。

根据本发明一实施例，所述压缩机23与第二海水冷却器24直接相连。第二海水冷却器24设置有海水进口241和海水出口242，从而通过海水的循环换热，把经压缩机23压缩后的气体的温度降低到海水温度，即35℃左右。

根据本发明一实施例，经第二海水冷却器24降温后富含CO₂的气体进入CO₂冷凝器11。所述CO₂冷凝器11的液态CO₂出口114外侧还设置有排气口115。对于所述CO₂冷凝器，LNG燃料从LNG进口111进入，富含CO₂的气体从气态CO₂进口113流入，LNG燃料与富含CO₂的气体充分进行热交换，富含CO₂的气体只需降温-60℃左右，其中绝大多数CO₂就已经冷凝成液态CO₂，然后经液态CO₂出口114流出，未冷凝的气体可通过排放口115排出，LNG受热后成为具有一定温度的天然气，并从天然气出口112流出。此外，CO₂与LNG燃料也可以利用中间换热介质进行间接换热，其意义同本发明一致，同样在本发明的保护范围之内。

根据本发明一实施例，凝结后的液态CO₂排入所述液态CO₂储罐200。经理论计算及系统模拟，在P₆点的CO₂的回收比例可达65％以上，以500kgLNG燃烧为例，理论上能生成CO₂1375kg，按上述系统及方法，最终被液化的CO₂可达900kg左右，也就意味着在使用LNG燃料的基础上，碳减排比例可进一步达到65％以上，完全达到近期及远期碳排放的要求。

根据本发明一实施例，所述液态CO₂储罐200具有绝热保冷能力，可长时间储存液态CO₂。船舶在航行过程中，不断产生新的液态CO₂。这些液态CO₂可先存储在液态CO₂储罐200中，达到一定容量后，通过排出口201，过驳到专用的液态CO₂运输船或岸基液态CO₂储罐中，并通过CO₂运输船，最终运输并排入海洋底部由废气油气井改造而成的CO₂储藏库中，实现减排CO₂的最终目的。

本发明还提供了利用所述LNG动力船碳减排系统的LNG动力船碳减排方法，其中所述LNG动力船碳减排方法包括以下步骤：

(a)通过所述CO₂冷凝器11和所述天然气加热器12分级加热所述LNG燃料，以满足所述船舶用气设备13燃烧所需的温度；

(b)冷却所述LNG燃料燃烧后产生的烟气至海水温度，一般情况下在35℃左右；

(c)通过所述水分脱除装置22脱除被冷却后的烟气中的水分；

(d)通过两级PSA分离装置、或一级或两级膜分离装置，或者膜分离装置和PSA分离装置的组合，分离出所述烟气中的CO₂。

(e)压缩经所述CO₂分离装置30处理后的气体，其中优选地，所述气体被压缩后的压力在0.6Mpa～1Mpa；

(f)冷却被压缩后的气体至海水温度，一般情况下在35℃左右；

(g)通过所述CO₂冷凝器11，并利用所述LNG燃料所释放的冷能，冷却被压缩后的气体，把气态CO₂冷凝成液态，CO₂只需冷凝到-65℃～-60℃，就可把绝大多数的CO₂冷凝成液态，最终冷凝成液态CO₂的量占烟气中全部CO₂总量可达65％以上，这样就充分利用了LNG燃料所蕴含的冷能，节约了碳收集过程中所需大量能量，未冷凝的气体可通过排气口排出；

(h)通过液态CO₂储罐储存液态CO₂；

(i)在所述液态CO2储罐达到容积限制后，将所述液态CO₂过驳到液态CO₂运输船，并将所述液态CO₂运输和最终排入海洋底部由废气油气井改造而成的CO₂储藏库中。

优选地，在所述两级PSA分离装置中，控制第一级PSA分离的工作压力在0.2Mpa～0.6Mpa，控制第二级PSA分离的工作压力在0.3Mpa～1.5Mpa。第一级分离装置采取较低工作压力的方法，可以有效降低浪费在N₂上能量，降低系统能耗；第二级分离装置由于其中CO₂的含量已相当较高，适当提高工作压力，可使用更为普通的吸附剂，降低系统造价，提高分离效果。

进一步优选地，控制经第一级PSA分离后的气体中CO₂的成分比例为40％-60％，且控制第一级PSA分离后所排放掉的气体中的CO₂的量占所述烟气中CO₂的总量不高于20％；

控制经第二级PSA分离后的气体中的CO₂的成分比例为90％-95％，且控制经第二级PSA分离后所排放掉的气体中CO₂的量占所述烟气中CO₂的总量不高于12％；

在分离过程中不必追求把待处理气体中全部CO₂都分离出来，通过放宽CO₂含量标准，让排出气体中仍可以含有少量CO₂，通过设置适当的分离装置工作参数，较为精确的控制处理后气体中CO₂的含量，尽可能降低分离过程中的能耗；相反，避免为追求较高分离率，而导致系统工作压力过高和分离流程复杂，这样的处理方法可节约大量能量。

控制从所述CO₂冷凝器的排气口排出、未被冷凝的气体中CO₂的量占所述烟气中CO₂的总量不高于3％。在冷凝过程中不必最求绝对100％的液化率，当温度降到-65℃～-60℃适当温度区间，使绝大多数的气体CO₂冷凝成液态即可，这样可更充分利用LNG燃料的冷能，使更多的CO₂得以液化，经计算，这样的参数设置，可以充分保证LNG燃料中65％的碳被液化回收。

需要说明的是，本发明中用语“第一、第二以及第三”仅用于描述目的，不表示任何顺序，不能理解为指示或者暗示相对重要性，可将这些用语解释为名称。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。