船舶的废气余热回收系统的制作方法

本发明涉及一种用于船舶的废气余热回收系统。更具体来说，本发明涉及一种用于船舶的废气余热回收系统，所述废气余热回收系统通过使用从以低闪点液化气体为燃料的发动机排出的废气作为热源，改变沿着闭合回路(closed loop)的传热介质循环管线循环的工作流体的相来产生轴功率。

背景技术：

1、传统上，大多数的船推进发动机设置有使用相对便宜的重质燃料油(heavy fueloil)(例如，高粘度船用油(bunker c oil))的燃料供应系统。在燃料燃烧时，此种重质燃料油燃料供应系统会排放出大量的温室气体(例如，二氧化碳)，且此种重质燃料油燃料供应系统对含有硫氧化物、氮氧化物等的废气的排放受到国际海事组织(internationalmaritime organization，imo)监管。

2、随着全球变暖的加剧，全世界都在为减少温室气体排放做出努力。在包含工业化国家减少温室气体排放义务的1997年《京都议定书(kyoto protocol)》在2020年到期后，2015年12月在法国巴黎在第21届联合国气候变化框架公约(united nations frameworkconvention on climate change)下通过并在2016年11月生效的《巴黎气候变化协定(paris climate change accord)》的195个缔约方正在为减少温室气体排放做出各种努力。对温室气体(greenhouse gas，ghg)及空气污染物排放的日益关注以及国际环境监管标准的加强已使环境友好型海洋燃料得以被开发。

3、液化气体被视为一种由于在液化过程期间可消除或减少空气污染物而比重质燃料油、船用柴油(marine diesel oil，mdo)及类似油排放更少的空气污染物的环保燃料。作为代表性的液化气体，液化天然气(liquefied natural gas，lng)是一种通过将含有甲烷(methane)作为主要组分的天然气冷却到约-163℃而液化得到的无色透明的液体，且由于液化天然气的体积为气态天然气的约1/600且因此易于存储及运输，因此正在被积极地开发并用作船用燃料。作为另一代表性的液化气体，液化石油气(liquefied petroleum gas，lpg)通过使主要由低沸点烃(例如，丙烷(propane)及丁烷(butane))构成的石油气液化而获得，且由于液化石油气比在低温温度(cryogenic temperature)下液化的lng更容易存储，且与传统的重质燃料油(heavy fuel oil，hfo)相比在减少sox、nox、co2及pm排放方面具有良好的性质，而在比能(specific energy)及能量密度方面不次于hfo，因此正在积极地开发lpg并使用lpg作为船用燃料。

4、近来，已对使用氨作为船用燃料以实现完全脱碳进行了大量研究及开发。氨(nh3)是由一个氮原子与和所述氮原子键结的三个氢原子构成的物质、由于氨可在分子之间形成强氢键而易于液化、且在常压下沸点为-33.34℃且熔点为-77.73℃。特别地，氨易于存储及运输、易于通过哈伯-博施(haber-bosch)法大量生产、且与其他碳中性燃料相比在经济上高度可行。

技术实现思路

1、技术问题

2、为了向发动机供应燃料，根据发动机的燃料供应需求对液化气体(例如，燃料油及lng)进行加热。在使用hfo的船舶中，对发动机所产生的废气余热进行回收以产生蒸汽，所述蒸汽用于对将要作为燃料供应到发动机的油进行加热。以lng为燃料的船舶也使用蒸汽来使将要作为燃料供应的lng气化。因此，回收废气余热并使用所回收的余热对燃料进行加热可提高船舶的热效率。然而，由于燃料油本身含有硫，因此回收废气余热会引起硫酸露点腐蚀(dew point corrosion)，在硫酸露点腐蚀中，废气中含有的so2在金属上冷凝成硫酸(h2so4)，进而引起金属腐蚀。当装配热交换器以利用废气余热时，仅回收温度为150℃或高于150℃的余热，这是因为所述装置的金属表面的温度可能会下降到低于硫酸的露点，进而导致金属表面发生严重腐蚀。

3、然而，需要非常少量的热量便能将低闪点燃料(low flashpoint fuel)之中沸点(boiling point)相对高的lpg或氨加热到发动机所需的温度，且lpg或氨在燃料加热器中结冰的风险小。因此，可使用发动机冷却剂或类似材料而不使用废气余热对lpg或氨进行充分加热。

4、此外，由于此种燃料不含硫，因此即使在回收温度为150℃或低于150℃的余热时也不太可能发生低温腐蚀。

5、基于这些观点，本发明提出了一种解决方案，所述解决方案能够从以液化气体燃料，特别是低闪点液化气体(例如，lpg及氨)为燃料的发动机所产生的废气余热回收可用于船舶中消耗的大量能量。

6、技术解决方案

7、根据本发明的一个方面，提供一种用于船舶的废气余热回收系统，所述废气余热回收系统包括：传热介质循环管线，设置至船舶且使得工作流体能够沿着传热介质循环管线循环；

8、气化器，设置至传热介质循环管线，且通过与从船舶的发动机排出的废气进行热交换而使工作流体气化；以及

9、透平膨胀机，设置至传热介质循环管线，接收工作流体，且在使所接收的工作流体膨胀的同时产生轴功率，

10、其中发动机以低闪点液化气体为燃料，且

11、工作流体在沿着传热介质循环管线以闭合回路(closed loop)循环的同时，使用来自以低闪点液化气体为燃料的发动机的废气作为热源而经历从液体到气体的相变。

12、优选地，传热介质循环管线还设置有：冷凝器，接收通过透平膨胀机而膨胀且冷却的工作流体，且对所接收的工作流体进行冷却以将工作流体的相从气体改变成液体；以及馈送泵，对在冷凝器中冷凝的工作流体进行加压且将经加压的工作流体递送到气化器。

13、优选地，所述废气余热回收系统还包括：压缩机，使用由透平膨胀机产生的轴功率生产压缩空气；以及空气供应管线，沿着空气供应管线将空气供应到压缩机。

14、优选地，由压缩机生产的压缩空气沿着空气供应管线被供应到船舶中的消耗源，其中消耗源包括空气润滑系统(air lubrication system)，所述空气润滑系统将空气喷射到船舶的船体的外部底表面上，以在船体的移动期间减小摩擦阻力。

15、优选地，所述废气余热回收系统还包括：增压器，对将要被供应到发动机的扫气空气(scavenge air)进行增压；扫气空气供应管线，沿着扫气空气供应管线对在增压器中压缩的扫气空气进行冷却且将扫气空气供应到发动机；分支管线，从扫气空气供应管线分支出来且连接到压缩机下游的空气供应管线；以及分支阀，设置至分支管线。

16、优选地，当在增压器中压缩的扫气空气的压力高于压缩机的出口压力且需要降低扫气空气的压力时，通过对分支阀的开口程度进行调节而将在增压器中压缩的一些扫气空气供应到消耗源。

17、优选地，工作流体是有机制冷剂或氨的水溶液。

18、优选地，低闪点液化气体选自含有lpg及氨的群组。

19、根据本发明的另一方面，提供一种用于船舶的废气余热回收系统，所述废气余热回收系统包括：传热介质循环管线，设置至船舶且使得工作流体能够沿着传热介质循环管线循环；

20、气化器，设置至传热介质循环管线，且通过与从船舶的发动机排出的废气进行热交换而对工作流体进行加热；

21、气-液分离器，设置至传热介质循环管线，从气化器接收经加热的工作流体，且将所接收的工作流体分离成气相及液相；

22、透平膨胀机，从气化器接收经分离的气态的工作流体，且在使所接收的工作流体膨胀的同时产生轴功率；

23、冷凝器，从透平膨胀机接收膨胀且冷却的工作流体，且对所接收的工作流体进行冷却，以将工作流体的相从气体改变成液体；

24、馈送泵，设置至传热介质循环管线，从冷凝器接收冷凝的工作流体，且对所接收的工作流体进行加压；以及

25、液体管线，沿着液体管线将在气-液分离器中分离的液体的工作流体供应到透平膨胀机下游的传热介质循环管线，

26、其中发动机以低闪点液化气体为燃料。

27、优选地，所述废气余热回收系统还包括：换热器(recuperator)，设置至传热介质循环管线，从馈送泵接收经加压的工作流体，对所接收的工作流体进行加热，且将经加热的工作流体供应到气化器，其中工作流体在沿着传热介质循环管线以闭合回路(closedloop)循环的同时，使用来自发动机的废气作为热源而经历从液体到气体的相变。

28、优选地，在换热器中，通过与将要从液体管线与传热介质循环管线之间的接合部的下游侧供应到冷凝器的工作流体进行热交换而对由馈送泵加压的工作流体进行加热。

29、优选地，工作流体是具有比水低的沸点的流体。

30、优选地，在换热器中，通过与在气-液分离器中分离且流动经过液体管线的液体的工作流体进行热交换而对由馈送泵加压的工作流体进行加热。

31、优选地，工作流体是氨的水溶液。

32、优选地，发动机是以低闪点液化气体为燃料的发动机，其中低闪点液化气体选自含有lpg及氨的群组。

33、优选地，所述废气余热回收系统还包括：压缩机，使用由透平膨胀机产生的轴功率生产压缩空气，其中由压缩机生产的压缩空气被供应到船舶中的消耗源，所述消耗源包括空气润滑系统(air lubrication system)，所述空气润滑系统将空气喷射到船舶的船体的外部底表面上，以在船体的移动期间减小摩擦阻力。

34、根据本发明的又一方面，提供一种用于船舶的废气余热回收系统，所述废气余热回收系统包括：传热介质循环管线，设置至船舶且使得工作流体能够沿着传热介质循环管线循环；

35、气化器，设置至传热介质循环管线且通过与从船舶的发动机排出的废气进行热交换而对工作流体进行加热；

36、气-液分离器，设置至传热介质循环管线，从气化器接收经加热的工作流体，且将所接收的工作流体分离成气相及液相；

37、透平膨胀机，从气-液分离器接收分离的气态的工作流体，且在使所接收的工作流体膨胀的同时产生轴功率；

38、冷凝热交换器，从透平膨胀机接收膨胀且冷却的工作流体，且对所接收的工作流体进行冷却以将工作流体的相从气体改变成液体；

39、馈送泵，设置至传热介质循环管线，从冷凝热交换器接收冷凝的工作流体，对所接收的工作流体进行加压，且将经加压的工作流体递送到气化器；以及

40、第一冷却剂供应管线，沿着第一冷却剂供应管线将用于对工作流体进行冷却的冷却剂供应到冷凝热交换器，

41、其中发动机以低闪点液化气体为燃料，且

42、在冷凝热交换器中，包括由在透平膨胀机中膨胀且冷却的工作流体构成的流、由馈送泵加压的工作流体构成的流、及由第一冷却剂供应管线中的冷却剂构成的流在内的三个流经历热交换。

43、优选地，所述废气余热回收系统还包括：抽吸筒，在将在冷凝热交换器中冷凝的工作流体供应到馈送泵之前进一步冷却工作流体；以及第二冷却剂供应管线，沿着第二冷却剂供应管线将用于对工作流体进行冷却的冷却剂供应到抽吸筒，其中在将工作流体供应到馈送泵之前在抽吸筒中进一步冷却工作流体，以防止在馈送泵的抽吸(suction)侧处出现气穴(cavitation)。

44、优选地，所述废气余热回收系统还包括：液体管线，沿着液体管线将在气-液分离器中分离的液体的工作流体供应到透平膨胀机下游的传热介质循环管线，其中在气-液分离器中分离且已沿着液体管线被供应到透平膨胀机下游的传热介质循环管线的液体的工作流体与已穿过透平膨胀机的工作流体一起供应到冷凝热交换器。

45、优选地，工作流体在沿着传热介质循环管线以闭合回路(closed loop)循环的同时使用来自发动机的废气作为热源而经历从液体到气体的相变，且工作流体是具有比水低的沸点的流体。

46、优选地，所述废气余热回收系统还包括：换热器(recuperator)，设置至传热介质循环管线，接收由馈送泵加压且已在冷凝热交换器中经历热交换的工作流体，对所接收的工作流体进行加热，且将经加热的工作流体供应到气化器。

47、优选地，在换热器中，通过与在气-液分离器中分离且流动经过液体管线的液体的工作流体进行热交换而对由馈送泵加压且已穿过冷凝热交换器的工作流体进行加热。

48、优选地，工作流体是氨的水溶液。

49、优选地，低闪点液化气体选自含有lpg及氨的群组。

50、优选地，所述废气余热回收系统还包括：压缩机，使用由透平膨胀机产生的轴功率生产压缩空气，其中由压缩机生产的压缩空气被供应到船舶中的消耗源，其中所述消耗源包括空气润滑系统(air lubrication system)，所述空气润滑系统将空气喷射到所述船舶的船体的外部底表面上，以在船体的移动期间减小摩擦阻力。

51、根据本发明的再一方面，提供一种用于船舶的废气余热回收系统，所述废气余热回收系统包括：传热介质循环管线，设置至船舶且使得工作流体能够沿着传热介质循环管线循环；

52、气化单元，设置至传热介质循环管线，且使工作流体与从船舶的发动机排出的废气经受热交换，所述发动机以低闪点液化气体为燃料；

53、废气供应管线，沿着废气供应管线将将要与工作流体经受热交换的废气供应到气化单元；

54、气-液分离器，设置至传热介质循环管线，从气化单元接收经加热的工作流体，且将所接收的工作流体分离成气相及液相；

55、透平膨胀机，从气-液分离器接收分离的气态的工作流体，且在使所接收的工作流体膨胀的同时产生轴功率；

56、冷凝热交换器，从透平膨胀机接收膨胀且冷却的工作流体，且对所接收的工作流体进行冷却以将工作流体的相从气体改变成液体；以及

57、馈送泵，设置至传热介质循环管线，从冷凝热交换器接收冷凝的工作流体，对所接收的工作流体进行加压，且将经加压的工作流体递送到气化单元，

58、其中气化单元包括在从馈送泵递送的工作流体的流动方向上依序布置的气化器及过热器，且废气供应管线依序穿过过热器及气化器，且

59、在气化器中与废气经受热交换的工作流体被引入到气-液分离器中以被分离成气相及液相，且在气-液分离器中被分离的气态的工作流体通过过热器而被进一步加热且被递送到透平膨胀机。

60、优选地，所述废气余热回收系统还包括：冷却剂供应管线，沿着冷却剂供应管线将用于对工作流体进行冷却的冷却剂供应到冷凝热交换器，其中在冷凝热交换器中，包括由在透平膨胀机中膨胀且冷却的工作流体构成的流、由馈送泵加压的工作流体构成的流、及由冷却剂供应管线中的冷却剂构成的流在内的三个流经历热交换。

61、优选地，所述废气余热回收系统还包括：液体管线，沿着液体管线将在气-液分离器中分离的液体的工作流体供应到透平膨胀机下游的传热介质循环管线，其中在气-液分离器中分离且已沿着液体管线被供应到透平膨胀机下游的传热介质循环管线的液体的工作流体与已穿过透平膨胀机的工作流体一起供应到冷凝热交换器。

62、优选地，工作流体在沿着传热介质循环管线以闭合回路(closed loop)循环的同时使用来自发动机的废气作为热源而经历从液体到气体的相变，且所述工作流体是具有比水低的沸点的流体。

63、优选地，所述废气余热回收系统还包括：换热器(recuperator)，设置至传热介质循环管线，接收由馈送泵加压且已在冷凝热交换器中经历热交换的工作流体，对所接收的工作流体进行加热，且将经加热的工作流体供应到气化器。

64、优选地，在换热器中，通过与在气-液分离器中分离且流动经过液体管线的液体的工作流体进行热交换而对由馈送泵加压且已穿过冷凝热交换器的工作流体进行加热。

65、优选地，气化单元还包括热回收加热器，在所述热回收加热器中，已沿着废气供应管线依序穿过过热器及气化器的废气与工作流体经历热交换，其中废气余热回收系统还包括：分支管线，从传热介质循环管线分支出来，且使得由馈送泵加压且已在冷凝热交换器中经历热交换的工作流体能够经由热回收加热器而被供应到换热器下游的传热介质循环管线。

66、优选地，工作流体是氨的水溶液。

67、优选地，低闪点液化气体选自含有lpg及氨的群组。

68、优选地，所述废气余热回收系统还包括：压缩机，使用由透平膨胀机产生的轴功率生产压缩空气，其中由压缩机生产的压缩空气被供应到船舶中的消耗源，其中所述消耗源包括空气润滑系统(air lubrication system)，所述空气润滑系统将空气喷射到船舶的船体的外部底表面上，以在船体的移动期间减小摩擦阻力。

69、根据本发明的还一方面，提供一种用于船舶的废气余热回收系统，所述废气余热回收系统包括：传热介质循环管线，设置至船舶且使得工作流体能够沿着传热介质循环管线循环；

70、气化单元，设置至传热介质循环管线，且使工作流体与从船舶的发动机排出的废气经受热交换，发动机以低闪点液化气体为燃料；

71、气-液分离器，设置至传热介质循环管线，从气化单元接收经加热的工作流体，且将所接收的工作流体分离成气相及液相；

72、透平膨胀机，从气-液分离器接收分离的气态的工作流体，且在使所接收的工作流体膨胀的同时产生轴功率；

73、冷凝器，从透平膨胀机接收膨胀且冷却的工作流体，且对所接收的工作流体进行冷却，以将工作流体的相从气体改变成液体；

74、馈送泵，设置至传热介质循环管线，从冷凝器接收经冷凝的工作流体，且对所接收的工作流体进行加压；

75、第一换热器，接收由馈送泵加压的工作流体的某部分，对所接收的工作流体进行加热，且将经加热的工作流体供应到气化单元；以及

76、与第一换热器并联设置的第二换热器，接收由馈送泵加压的工作流体的另一部分，对所接收的工作流体进行加热，且将经加热的工作流体供应到气化单元，

77、其中在第一换热器中，由馈送泵加压的工作流体与将要从透平膨胀机供应到冷凝器的膨胀且冷却的工作流体经历热交换，且

78、在第二换热器中，通过从船舶中的压缩系统或冷却系统供应的余热而对由馈送泵加压的工作流体进行加热。

79、优选地，所述废气余热回收系统还包括：废气供应管线，沿着废气供应管线将将要与工作流体经受热交换的废气供应到气化单元，其中气化单元包括在从馈送泵递送的工作流体的流动方向上依序布置的气化器及过热器，废气供应管线依序穿过过热器及气化器；与气化器中的废气经受热交换的工作流体被引入到气-液分离器中以被分离成气相及液相；且在气-液分离器中分离的气态的工作流体通过过热器而被进一步加热且被递送到透平膨胀机。

80、优选地，所述废气余热回收系统还包括：冷却剂供应管线，沿着冷却剂供应管线将用于对工作流体进行冷却的冷却剂供应到冷凝器；以及液体管线，沿着液体管线将在气-液分离器中分离的液体的工作流体供应到透平膨胀机下游的传热介质循环管线，其中在气-液分离器中分离且已沿着液体管线被供应到透平膨胀机下游的传热介质循环管线的液体的工作流体与已穿过透平膨胀机的工作流体一起经由第一换热器供应到冷凝器。

81、优选地，所述废气余热回收系统还包括：压缩机，使用由透平膨胀机产生的轴功率生产压缩空气；以及空气供应管线，沿着空气供应管线将空气供应到压缩机，其中由压缩机生产的压缩空气沿着空气供应管线被供应到第二换热器，以与工作流体经受热交换，且沿着空气供应管线被供应到船舶中的消耗源。

82、优选地，所述废气余热回收系统还包括：第三换热器，设置至传热介质循环管线，接收由馈送泵加压且已穿过第一换热器或第二换热器的工作流体，对所接收的工作流体进行加热，且将经加热的工作流体供应到气化器。

83、优选地，在第三换热器中，通过与在气-液分离器中分离且流动经过液体管线的液体的工作流体进行热交换而对由馈送泵加压且已穿过第一换热器或第二换热器的工作流体进行加热。

84、优选地，气化单元还包括热回收加热器，在所述热回收加热器中，已沿着废气供应管线依序穿过过热器及气化器的废气与工作流体经受热交换，其中所述废气余热回收系统还包括：分支管线，从传热介质循环管线分支出来，且使得由馈送泵加压且已在第一换热器中经受热交换的工作流体能够经由热回收加热器而被供应到第三换热器下游的传热介质循环管线。

85、优选地，所述废气余热回收系统还包括：压缩机，使用由透平膨胀机产生的轴功率生产压缩空气；以及空气供应管线，沿着空气供应管线将空气供应到压缩机，其中由压缩机生产的压缩空气沿着空气供应管线而被供应到第二换热器以与工作流体经受热交换，且沿着空气供应管线被供应到船舶中的消耗源。

86、优选地，工作流体是氨的水溶液。

87、优选地，低闪点液化气体选自含有lpg及氨的群组。

88、有利效果

89、根据本发明的废气余热回收系统可通过确保有效地回收以低闪点液化气体为燃料的发动机所产生的废气余热来提高船舶的能源效率(energy efficiency)。

90、另外，根据本发明的废气余热回收系统可通过将废气余热转化成动力来生产压缩空气，可将压缩空气供应到船舶中的包括空气润滑系统的消耗源，且可通过利用空气润滑系统在船舶的运行期间减小摩擦阻力来提高燃料效率。

91、另外，对于采用适合于低温余热回收的有机兰金循环(organic rankine cycle)并设置有三个热交换器的传热介质循环管线、设置有三个流体流在其中经历热交换的冷凝热交换器的传热介质循环管线、或设置有多个换热器以提高系统热效率的传热介质循环管线，根据本发明的废气余热回收系统可通过回收以低闪点燃料为燃料的发动机所产生的废气余热，将所回收的余热转化成动力，且生产可在船舶中用于进行消耗的电力或压缩空气，来确保对废气余热的有效利用及船舶能源效率的改善。

92、另外，根据本发明，在馈送泵的上游设置有抽吸筒以进一步冷却在冷凝热交换器中冷凝的工作流体，从而防止在馈送泵的抽吸侧处出现在蒸气进入馈送泵时会发生的气穴(cavitation)，同时增强系统稳定性。

93、另外，根据本发明，根据废气的温度将气化单元划分成过热器及气化器，使得在气化器中气化且已经受相分离的气态的工作流体在被供应到透平膨胀机之前在过热器中使用高温废气进一步加热到过热状态，从而防止产生液滴，同时提高余热回收效率及系统稳定性。