一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统
阅读说明：本技术 一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统 (Ship biomass gasification, refrigeration and power generation system utilizing waste heat ) 是由 贺天智 林睿 王树信 代黎博 彭佳杰 陈勇 陈旭 汪海燕 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统,属于船舶可再生能源利用技术领域。包括生物质气化及提纯单元、发动机废气回收利用单元、溴化锂吸收式制冷单元、富氧燃烧发电单元、水气分离单元和污水处理单元。本发明利用船舶生物质作为原料,利用废热来驱动船舶生物质气化,回收利用船舶生活垃圾,提高了低位热能的利用效率。通过所制取的合成气用来实现发动机燃料的掺氢燃烧,改善发动机的燃烧过程,降低污染物的排放；发电和吸收式制冷均采用富氧燃烧的方式,燃烧产生的高温烟气再次通入生物质气化装置进行换热,充分利用高温烟气的热量,提高了能量利用效率。且高温烟气成分只有CO-(2)和H-(2)O,便于实现碳捕获。(The invention relates to a ship biomass gasification, refrigeration and power generation system utilizing waste heat, and belongs to the technical field of ship renewable energy utilization. The system comprises a biomass gasification and purification unit, an engine waste gas recycling unit, a lithium bromide absorption refrigeration unit, an oxygen-enriched combustion power generation unit, a water-gas separation unit and a sewage treatment unit. According to the invention, the ship biomass is used as a raw material, waste heat is used for driving the ship biomass to gasify, the ship domestic garbage is recycled, and the utilization efficiency of low-level heat energy is improved. The prepared synthesis gas is used for realizing the hydrogen-doped combustion of the engine fuel, improving the combustion process of the engine and reducing the emission of pollutants; the mode of oxygen-enriched combustion is adopted for power generation and absorption refrigeration, high-temperature flue gas generated by combustion is introduced into the biomass gasification device again for heat exchange, the heat of the high-temperature flue gas is fully utilized, and the energy utilization efficiency is improved. And the high-temperature smoke component is only CO 2 And H 2 And O, facilitating carbon capture.)
技术领域
本发明涉及一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统，属于船舶可再生能源利用技术领域。
背景技术
船舶在运行过程中会产生并排放多种污染物。其中，船舶垃圾和发动机尾气是两大主要的污染源。随着排放控制法越来越严格，以及人类面临的环境危机和能源危机问题日益加剧，寻找一种清洁可再生能源的任务已经迫在眉睫。生物质能源具有可再生性、原料来源广和低碳环保的特点。船舶生物质主要为餐厨垃圾、残羹剩肴和生活污水等生活垃圾。利用船舶生物质气化制取的合成气为富氢气体，其燃烧极限广，点火能量低，能量密度高，用途广泛。
目前，很多船舶并不具备完善的生物质垃圾处理系统，所处理的垃圾往往达不到直接排放标准，在无法正常将生物质垃圾进行退岸处理的情况下，违规将这些垃圾直接排放到海中，或将这些垃圾转移给不具有垃圾接收能力的污油水接收船，这类行为违反了《国际防止船舶造成污染公约》和港口国关于船舶垃圾处理的规定，并造成海洋环境的污染。不具有接收能力的船舶接收船舶垃圾还违反了港口疫情防控规定，增加了疫情传播风险，甚至导致安全事故。另一方面，船舶发动机尾气为海上大气污染的主要来源。发动机往往由于油气混合不充分，火焰传播速度慢和局部高温缺氧燃烧不充分，产生大量的CO2、CO、SOX和NOX等温室气体和污染物排至空气中，既浪费了大量能量又造成了大气污染。
发明内容
本发明的目的是解决船舶在运行过程中产生的生物质如何处理和利用的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统，包括生物质气化及提纯单元、发动机废气回收利用单元、溴化锂吸收式制冷单元、富氧燃烧发电单元、水气分离单元和污水处理单元。
优选地，所述生物质气化及提纯单元包括水罐、水蒸气发生器、气化剂混合器、生物质气化装置、惯性分离器、焦油分离器、换热器和合成气储存装置；所述水罐、水蒸气发生器、气化剂混合器、生物质气化装置、惯性分离器、焦油分离器、换热器和合成气储存装置依次连接；焦油分离器与污水处理单元连接。
优选地，所述发动机废气回收利用单元包括合成气泵A、船舶发动机和废气泵A；所述合成气储存装置通过合成气泵A与船舶发动机连接；所述船舶发动机通过废气泵A与生物质气化装置连接。
优选地，所述溴化锂吸收式制冷单元包括合成气泵B、直燃型溴化锂吸收式机组和烟气泵A；所述合成气储存装置通过合成气泵B与直燃型溴化锂吸收式机组连接；所述直燃型溴化锂吸收式机组通过烟气泵A与生物质气化装置连接。
优选地，所述富氧燃烧发电单元包括合成气压缩机、燃气轮机、发电装置和烟气泵B；所述合成气储存装置通过合成气压缩机与燃气轮机连接，燃气轮机与发电装置连接；燃气轮机通过烟气泵B与生物质气化装置连接。
优选地，所述水气分离单元包括水气分离装置、集水器、CO2储罐A、CO2分流阀A和CO2分流阀B；生物质气化装置通过水气分离装置分别与集水器和CO2储罐A连接；CO2储罐A通过CO2分流阀A和气化剂混合器连接；CO2储罐A再通过CO2分流阀B与污水处理单元连接。
优选地，所述污水处理单元包括CO2压缩机、CO2冷凝器、CO2储罐B、超临界CO2泵、污水萃取池和萃取液分离器；所述CO2储罐A通过CO2分流阀B与CO2压缩机、CO2冷凝器、CO2储罐B、超临界CO2泵和污水萃取池依次连接；污水萃取池通过萃取液分离器再与CO2冷凝器连接。
优选地，所述合成气泵A与船舶发动机之间设有阀门A；所述废气泵A与生物质气化装置之间设有废气阀A；所述合成气泵B与直燃型溴化锂吸收式机组之间设有阀门B；所述烟气泵A与生物质气化装置之间设有烟气阀A；所述烟气泵B与生物质气化装置之间设有烟气阀B；所述直燃型溴化锂吸收式机组设有氧气进口；所述燃气轮机设有氧气进口；气化剂混合器设有氧气进口。
优选地，所述生物质气化装置包括用于发生生物质气化反应的内管和用于通入废气和烟气为生物质气化提供热量的外部空间；所述生物质气化装置的外部空间设为隔断的空间一和空间二；空间一与废气泵A连接；空间二与烟气泵A和烟气泵B连接。
优选地，所述生物质气化装置的内管设有温度探头和辅助电加热装置。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1.本发明提供了一种船舶生物质气化系统，用于回收利用船舶生物质垃圾来制取富氢合成气，实现了节能减排，有助于可持续发展。
2.本发明利用发动机废热来驱动船舶生物质气化，所制取的合成气用来实现发动机燃料的掺氢燃烧，可改善发动机的燃烧过程，同时降低HC和NOX等污染物的排放。既可提高低位热能的利用效率，又可实现船舶的绿色发展。
3.本发明中船舶生物质气化系统所使用的气化剂可以为H2O、CO2，或者为高浓度O2，或者为以上三种或其中两种的混合物，气化剂原料来源广泛容易获取。所制取的合成气中除可燃成分H2、CO和CH4等气体外，只含有CO2和H2O。上述合成气用来燃烧发电和吸收式制冷，燃烧产生的高温烟气再次通入生物质气化装置进行换热，充分利用了高温烟气的热量，进一步提高了能量利用效率。且高温烟气成分只有CO2和H2O，便于实现碳捕获。
4.在本发明所提供的生物质气化装置中，为气化反应提供余热的外部空间分为空间一和空间二。由于系统初始运行状态时发动机还未完全进入掺氢燃烧状态，所排放的气体含有较多的HC和NOX等污染物，不利于进行碳捕获，因此该部分废气通入空间一进行换热；直燃型溴化锂吸收式制冷机组和富氧燃烧发电所产生的不含污染物的烟气通入空间二进行换热。空间一和空间二互不相通。空间二中经过换热的烟气单独通入水气分离装置进行碳捕获处理，利用碳捕获得到的CO2制取超临界CO2，用于萃取生物质气化过程中产生的污水，能实现较低成本的污水净化，既实现了碳捕获，又处理了生物质气化过程中产生的污水，达到了船舶绿色运行的目标。
附图说明
图1为本发明利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统结构示意图；
图2是本发明船舶生物质气化装置的结构示意图；
图3是本发明船舶生物质气化装置的横向结构剖视图；
附图标记：1.水罐；2.水蒸气发生器；3.气化剂混合器；4.生物质气化装置；5.惯性分离器；6.焦油分离器；7.换热器；8.合成气储存装置；9.合成气泵A；10.阀门A；11.船舶发动机；12.废气泵A；13.废气阀A；14.合成气泵B；15.阀门B；16.O2罐A；17.O2泵；18.直燃型溴化锂吸收式机组；19.烟气泵A；20.烟气阀A；21.合成气压缩机；22.O2罐B；23.O2压缩机；24.燃气轮机；25.发电装置；26.烟气泵B；27.烟气阀B；28.水气分离装置；29.集水器；30.CO2储罐A；31.CO2分流阀A；32.CO2分流阀B；33.CO2压缩机；34.CO2冷凝器；35.CO2储罐B；36.超临界CO2泵；37.污水萃取池；38.萃取液分离器；39.O2罐C；40.空间一；41.空间二；42.隔板；43.内管；44.发动机废气；45.烟气；46.船舶生物质进口；47.含焦油污水出口；48.气化剂进口；49.合成气出口。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-3所示，本发明所采取的技术方案是提供一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统，包括生物质气化及提纯单元、发动机废气回收利用单元、溴化锂吸收式制冷单元、富氧燃烧发电单元、水气分离单元和污水处理单元。生物质气化及提纯单元包括水罐1、水蒸气发生器2、气化剂混合器3、生物质气化装置4、惯性分离器5、焦油分离器6、换热器7和合成气储存装置8；水罐1、水蒸气发生器2、气化剂混合器3、生物质气化装置4、惯性分离器5、焦油分离器6、换热器7和合成气储存装置8依次连接；焦油分离器6与污水处理单元连接。发动机废气回收利用单元包括合成气泵A9、船舶发动机11和废气泵A12；合成气储存装置8通过合成气泵A9与船舶发动机11连接；船舶发动机11通过废气泵A12与生物质气化装置4连接。溴化锂吸收式制冷单元包括合成气泵B14、直燃型溴化锂吸收式机组18和烟气泵A19；合成气储存装置8通过合成气泵B14与直燃型溴化锂吸收式机组18连接；直燃型溴化锂吸收式机组18通过烟气泵A19与生物质气化装置4连接。富氧燃烧发电单元包括合成气压缩机21、燃气轮机24、发电装置25和烟气泵B26；合成气储存装置8通过合成气压缩机21与燃气轮机24连接，燃气轮机24与发电装置25连接；燃气轮机24通过烟气泵B26与生物质气化装置4连接。水气分离单元包括水气分离装置28、集水器29、CO2储罐A30、CO2分流阀A31和CO2分流阀B32；生物质气化装置4通过水气分离装置28分别与集水器29和CO2储罐A30连接；CO2储罐A30通过CO2分流阀A31和气化剂混合器3连接；CO2储罐A30再通过CO2分流阀B32与污水处理单元连接。污水处理单元包括CO2压缩机33、CO2冷凝器34、CO2储罐B35、超临界CO2泵36、污水萃取池37和萃取液分离器38；CO2储罐A30通过CO2分流阀B32与CO2压缩机33、CO2冷凝器34、CO2储罐B35、超临界CO2泵36和污水萃取池37依次连接；污水萃取池37通过萃取液分离器38再与CO2冷凝器34连接。合成气泵A9与船舶发动机11之间设有阀门A10；废气泵A12与生物质气化装置4之间设有废气阀A13；合成气泵B14与直燃型溴化锂吸收式机组18之间设有阀门B15；烟气泵A19与生物质气化装置4之间设有烟气阀A20；烟气泵B26与生物质气化装置4之间设有烟气阀B27；直燃型溴化锂吸收式机组18设有氧气进口；燃气轮机24设有氧气进口；气化剂混合器3设有氧气进口。生物质气化装置4包括用于发生生物质气化反应的内管43和用于通入废气和烟气为生物质气化提供热量的外部空间；生物质气化装置4的外部空间设为隔断的空间一40和空间二41；空间一40与废气泵A13连接；空间二41与烟气泵A19和烟气泵B26连接。生物质气化装置的内管43设有温度探头和辅助电加热装置。
如图1所示，本发明提供了一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统，包括水罐1、水蒸气发生器2、气化剂混合器3、生物质气化装置4、惯性分离器5、焦油分离器6、换热器7、合成气储存装置8、合成气泵A 9、阀门A10、船舶发动机11、废气泵A 12、废气阀A13、合成气泵B 14、阀门B 15、O2罐A 16、O2泵17、直燃型溴化锂吸收式机组18、烟气泵A 19、烟气阀A 20、合成气压缩机21、O2罐B 22、O2压缩机23、燃气轮机24、发电装置25、烟气泵B26、烟气阀B27、水气分离装置28、集水器29、CO2储罐A 30、CO2分流阀A 31、CO2分流阀B 32、CO2压缩机33、CO2冷凝器34、CO2储罐B 35、超临界CO2泵36、污水萃取池37、萃取液分离器38、O2罐C39；
水罐1储存来自船舶淡水系统或船舶生活供水系统的淡水，并将水通入水蒸气发生器2；水蒸气发生器2用来把水加热为水蒸气，并将水蒸气通入气化剂混合器3；气化剂混合器3用来将反应所需的气化剂均匀混合，并将气化剂送至生物质气化装置4；生物质气化装置4用于将船舶生物质垃圾气化制取粗合成气，并将反应后的产物通入惯性分离器5；惯性分离器5用于将粗合成气中的灰渣分离出来，并将剩余的粗合成气通入焦油分离器6；焦油分离器6用来分离粗合成气中的焦油以得到富氢合成气，并将富氢合成气通入换热器7；焦油分离器6分离出的含焦油污水通入污水萃取池37；换热器7用来为进入水蒸气发生器中的水进行预热，并将冷却降温后的富氢合成气通入合成气储存装置8；
合成气泵A 9进口端连接富氢合成气储存装置8，并将富氢合成气输送至船舶发动机11以改善船舶发动机11燃烧和排放性能；阀门A 10用于调节进入船舶发动机11的合成气流量；废气泵A 12进口处连接船舶发动机11的排气管，用以将废气通入生物质气化装置4；废气阀A 13用于调节进入生物质气化装置提供废热的废气流量；
合成气泵B14进口端与合成气储存装置8相连；阀门B15用来控制进入直燃型溴化锂吸收式制冷机组18的合成气流量；O2泵17用来给直燃型溴化锂吸收式制冷机组18提供燃烧所需要的O2；直燃型溴化锂吸收式制冷机组18利用富氢合成气的燃烧热来制取冷量，以供应给包括船舶中央空调系统、水冷式柜机和冷库在内的各类船舶制冷装置；烟气泵A 19用来将直燃型溴化锂吸收式制冷机组18产生的高温烟气通入生物质气化装置4以回收其热量；烟气阀A 20用于调节进入生物质气化装置4提供余热的烟气流量；
合成气压缩机21进口端连接合成气储存装置4，并将富氢合成气通入燃气轮机24；O2压缩机23将O2压缩后通入燃气轮机24；燃气轮机24在富氢合成气体燃烧产生热量的驱动下膨胀做功；发电机组25与燃气轮机24相连，在燃气轮机24的带动下做功发电；烟气泵B26进口端与燃气轮机24烟气出口相连，并将高温烟气通入生物质气化装置4以回收烟气废热；烟气阀B 27用于调节由燃气轮机24进入生物质气化装置4以提供余热的烟气流量；
水气分离装置28进口处与生物质气化装置4相连，用以将已经完成换热的烟气进行水气分离；水气分离装置28分离出的水通入集水器29；水气分离装置28分离出的CO2输送至CO2储罐A 30；集水器29储存的水排掉或者通入水蒸气发生器作为生物质气化剂循环利用；CO2储罐A30用以储存水气分离器28分离出的CO2；CO2分流阀A31用来将CO2储罐A30中的部分CO2通入气化剂混合器3，作为生物质气化剂循环利用；CO2分流阀B32将储罐其余的CO2通入CO2压缩机33；
CO2压缩机33，用于将CO2气体进行压缩；CO2压缩机33的出口端与CO2冷凝器34连接；CO2冷凝器34用于将气态CO2冷凝成液态；CO2储罐B35用来收集液态的CO2，并将其通入超临界CO2泵36中；超临界CO2泵36用于将CO2制备成超临界状态，并用于将超临界CO2通入污水萃取池37中萃取焦油；污水萃取池37的出口端与萃取液分离器38连接，萃取液分离器38用于将完成萃取的CO2通入到CO2冷凝器34中；
如图2，图3所示，生物质气化装置4包含内管43和外部空间；内管43中发生生物质气化反应；外部环形空间通入废气和烟气为生物质气化提供热量；生物质气化装置4的内管43附带温度探头和辅助电加热装置，当温度探头监测到的气化温度低于500℃时，电加热装置开启，为生物质气化辅助供热；当温度探头监测到的温度不低于500℃时，辅助电加热装置关闭；生物质气化装置4的外部空间通过隔板42一分为二，空间一40通入发动机废气44，空间二41通入富氧燃烧和直燃型溴化锂吸收式制冷机组的烟气45；生物质气化装置4内管设有船舶生物质进口46、含焦油污水出口47、气化剂进口48和合成气出口49；
系统中还包括给直燃型溴化锂吸收式机组18供氧的O2罐A16；O2罐A16通过O2泵17与直燃型溴化锂吸收式机组18连接。
系统中还包括给燃气轮机24供氧的O2罐B22；O2罐B22通过O2压缩机23与燃气轮机24连接。
系统中设置O2罐C39与气化剂混合器3连接。
本发明提供了一种利用废热的船舶生物质气化以及制冷与发电系统。本发明利用船舶生物质作为原料，利用废热来驱动船舶生物质气化过程，回收利用了船舶生活垃圾，提高了低位热能的利用效率。本发明所制取的合成气可用来实现发动机燃料的掺氢燃烧，可改善发动机的燃烧过程，可降低污染物的排放。本发明中的发电和吸收式制冷均采用富氧燃烧的方式，燃烧产生的高温烟气再次通入生物质气化装置进行换热，充分利用了高温烟气的热量，进一步提高了能量利用效率。且高温烟气成分只有CO2和H2O，便于实现碳捕获。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。