[发明专利]一种带有SOFC的双燃料船舶主机余热利用和LNG冷能回收系统及方法

说明书

本发明提供一种带有SOFC的双燃料船舶主机余热利用和LNG冷能回收系统及方法，系统包括动力涡轮、有机朗肯循环ORC.1、有机朗肯循环ORC.2和有机朗肯循环ORC.3和SOFC余热回收系统；SOFC余热回收系统包括三个预热器、SOFC和后燃烧器；双燃料船舶主机废气与导热介质换热形成稳定热源；ORC.1通过使有机工质与稳定热源进行换热实现余热回收；双燃料船舶主机缸套水通过与ORC.2内的有机工质进行换热实现余热回收；三个预热器排出的废气通过与ORC.3内的有机工质进行换热实现余热回收；ORC.2和ORC.3在工作时采用LNG作为冷源，气化后的LNG可以作为双燃料船舶主机燃料或SOFC的反应原料。本发明降低了双燃料船舶的运营成本，提高了船舶动力装置的经济性和环境友好性，同时提高能源的利用率。

技术领域

本发明涉及双燃料船舶主机余热和LNG冷能回收相结合技术领域。特别涉及一种采用闭式稳定热源、SOFC系统废热回收及LNG冷能利用，实现双燃料船舶余热回收及船舶能源回收。

背景技术

发展绿色、节能、环保型船舶一直是世界各国造船界和航运界研究的重要课题，它关系到节约燃料、资源和费用、环境保护及船舶运营经济效益等问题。全球80％以上的贸易是通过船舶运输完成，船舶能源消耗量巨大，随着能源危机和国际海事组织(IMO)等对船舶排放要求愈加严格，迫切寻求更加清洁的能源代替传统燃油能源；船舶的发展在全球经济发展中具有重大意义，船舶主机排放的大量废气未经余热回收，会造成很大的能源浪费与热量损失。

船舶主机产生的热量主要用于产生推动船舶前进的动力，其余的热量主要以烟气、水或滑油冷却以及热辐射等形式排放到大气环境中。应对这部分低品位余热进行回收利用，余热利用方式有动力涡轮技术、吸收及吸附制冷、朗肯循环和相变储热等手段，有机朗肯循环相对传统的蒸汽朗肯循环更适合回收船舶未利用的低品位热源。

现代船舶积极发展新能源船舶主机，积极寻求新型燃料如醇类等，LNG储量丰富，清洁高效，很适合作为船舶的能源。双燃料船舶主机与传统主机一样，也会后很大的余热需要回收利用。

有机朗肯循环(ORC)采用低沸点有机工质作为运行工质，在不同的热源条件下，选用不同的有机朗肯循环结构以及运行工质对提升系统的热力性能有着重要意义。在利用有机朗肯循环进行开发低品位能源过程中，根据“梯级开发、多级利用”的原则，中高温热源的开发利用多采用与热源进行多种形式的结合，以形成联合循环，提高系统的能源利用率和整体性能。目前联供循环多侧重于与热源的多形式相结合，虽然大大提升了系统的能源利用效率，但是增加了系统的复杂性，给系统的高效运行带来了极大的挑战。

SOFC(固体氧化物燃料电池)是将化学能直接转化为电能的电化学能量转换装置。从原理上讲，燃料电池不受卡诺循环限制，与传统热机相比，具有能量转换效率高、清洁无污染、噪声低、安装便捷经济等特点。在所有燃料电池中，SOFC的工作温度最高，可以达到1000℃。在如此高的温度下，燃料电池能够迅速氧化并达到热力平衡，可以不使用贵金属催化剂，从而降低电池的制作成本，而且燃料可以在内部重整。其排放的余热品位较高，有很大的回收利用价值。

发明专利(CN201910363910.9)直接将主机废气作为驱动有机朗肯循环的热源，未考虑废气的波动性，负荷变化影响系统的稳定性；发明专利(CN201910115539.4)利用热传导流路将主机烟气余热转换，然后驱动吸收式制冷循环制备一定的冷量，系统制冷量较小具有不稳定性；发明专利(CN201811643100.0)利用蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环和吸收式制冷对船舶主机的烟气和缸套水余热进行回收，遵循“梯级利用”的原则，直接将排除废气驱动蒸汽朗肯循环，多种热力循环系统之间相互耦合，是系统复杂化，不稳定的；发明专利(CN201810877441.8)对SOFC废气余热回收，设计了双级有机朗肯循环系统，相互之间耦合，受操作条件影响很难同时达到最佳工作条件。

发明内容