用于处理排出气体混合物的方法和布置

技术领域

本发明涉及用于处理排出气体混合物的方法，该排出气体混合物包括燃料的燃料蒸气和惰性气体，且该排出气体混合物源自燃料系统。在该背景下，可注意到，燃料可为作为推进船舶的发动机中的燃料使用的燃料，和/或燃料可为作为货物存储且由船舶运输的燃料。本发明还涉及用于处理此类排出气体混合物的布置。

背景技术

由油或气提供功率的船用发动机在本领域中是众所周知的。用于船用蒸汽生产的燃油锅炉和燃气锅炉在本领域中也是众所周知的。通常，对于锅炉操作的燃料选择是根据船用发动机操作所选择的燃料来进行的。因此，如果船用发动机由油提供功率，锅炉通常也由油提供功率。然而，船用发动机和锅炉可由不同燃料提供功率。

关于现今的大多数的船用发动机的一个缺点是海洋空气污染，尤其是船用发动机在提供推进功率时排放的二氧化碳(CO

例如，当处理作为燃料和/或作为货物的甲醇时，出现与甲醇蒸气相关的若干问题。当要排空储箱时(诸如为了检查)，使用惰性气体(诸如氮)排出储箱中的甲醇蒸气。在甲醇蒸气去除之后，可用空气填充储箱，使得可执行检查。当储箱要填充甲醇时，使用惰性气体(诸如氮)去除空气，且当去除氧时，可将甲醇填充到储箱中。当甲醇填充到储箱中时，惰性气体和甲醇蒸气的压力增大，且需要作为排出气体释放。该压力积聚还在额外量的甲醇填充到已经部分填充的储箱中时(诸如，例如在加注或再加燃料期间)出现。

因此，虽然备选燃料与常规燃料相比在温室气体排放方面可能更环境友好，仍存在需要克服的其它问题，诸如，例如处置排出气体的有效且环境友好的方式。

存在处置排出气体的多个不同途径和尝试，尤其是在VOC(挥发性有机化合物)的背景下。

在US 7,032,390 B2中，公开一种复杂的系统，其中回收的压缩VOC气体用作蒸汽系统的燃料，其中产生的蒸汽用于操作用于压缩VOC气体的一个或多个压缩机。

WO 2019/017796公开一种以剩余的挥发性有机化合物为燃料的低排放油轮船(tanker)。轮船包括适于运载排放VOC气体的负载的负载储箱、布置成获取从所述负载排放的VOC的至少第一部分的VOC获取和回收装置，且包括VOC处理装置，其布置成回收并在第一输出上输出VOC的至少第一部分的作为液化VOC(LVOC)的至少第二VOC部分，且在第二输出上输出剩余VOC(SVOC)。轮船还包括具有燃料气体输入的气体燃料高功率奥托马达类型的推进发动机，以及发动机燃料布置，该发动机燃料布置包括LNG存储器件、LNG蒸发器、布置成使蒸发的LNG供给到燃料气体输入的蒸发器输出，以及布置在蒸发器输出与燃料气体输入之间的燃料气体混合器。气体燃料混合器具有与气体获取和回收装置的第二输出连通的混合器输入，以用于将SVOC引入到气体燃料混合器中。

WO 2012/165968公开一种用于处理来自原油和石油产品储箱的货物蒸气的方法和系统，其中，货物蒸气分离为液体VOC和剩余VOC。该文献进一步公开使压缩空气、剩余VOC和LVOC供给到燃烧室。LVOC作为导引燃料供给到燃烧室，且压缩空气、剩余VOC和LVOC然后在燃烧室中燃烧。燃烧用于操作发电机来生成电功率。

US2012/0291879 A1公开一种用于处理来自存储部的排出气体的方法和设备，该存储部容纳用惰性覆盖气体覆盖的碳氢化合物货物。在该文献中，公开将原油装载到存储储箱中引起包括VOC和惰性气体的混合物的排出气体从储箱中排出。排出气体受压缩并递送到锅炉的燃烧器。燃烧器还接收油的供应作为支持燃料以提供稳定的燃烧，油的供应根据沃泊指数和排出气体的流速自动调整。在锅炉中从燃料的燃烧生成的蒸汽用于加热油、消除蜡质或用于其它目的。

然而，如在下文中将明显的，它们中没有一个提供充分的解决方案。尤其，它们中没有一个提供涉及与备选燃料(诸如醇基燃料)的使用相关联的排出气体的有效的且环境友好的处置的充分解决方案。该解决方案应优选为稳健的且当它涉及到相关系统的设计时需要最少的设计考虑。

发明内容

本发明的目标是提供一种满足设计准则(它应提供处置排出气体的环境友好的方式，它应是稳健的，以及它应需要最少的相关系统的设计改变)中的至少一些的解决方案。

该目标通过一种用于处理包括燃料的燃料蒸气和惰性气体的排出气体混合物的方法来实现，该排出气体混合物源自燃料系统，该方法包括：

将排出气体混合物从燃料系统引导到冷凝器，该冷凝器将燃料蒸气的至少大部分冷凝为液体燃料，使得排出气体混合物包括液体燃料和惰性气体，

在蒸气-液体分离器中分离来自冷凝器的排出气体混合物中的液体燃料和惰性气体，以及

当锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料时，选择性地将液体燃料从蒸气-液体分离器引导到锅炉系统，或

将液体燃料存储在蒸气-液体分离器中和/或在单独的存储储箱中，直到锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料。

通过将气体排出混合物引导到冷凝器(其将燃料蒸气冷凝为液体燃料，使得排出气体混合物包括液体燃料和惰性气体)以及在蒸气-液体分离器中分离来自冷凝器的排出气体混合物的液体燃料和惰性气体，有可能单独处置惰性气体并以稳健且有效的方式进一步处理现在的液体燃料。应注意到，冷凝器可冷凝所有的燃料蒸气或备选地将燃料蒸气的部分冷凝为液体燃料，在该情况下该部分构成燃料蒸气的大部分。该部分的大小可例如取决于燃料蒸气存在于冷凝器中的时间和/或在冷凝过程中使用的冷却介质的温度。优选地，为了冷凝尽可能多的燃料蒸气，冷却介质的温度应显著低于燃料蒸气源自的储箱和/或管道中的燃料的温度。与气态排出气体混合物相比，现在也从排出气体混合物中分离的液体燃料占用显著更小的体积且更容易处理和存储。现在的液体燃料可传送到锅炉系统，且经由液体燃料的喷嘴引入至燃烧器。当锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料或将液体燃料存储在蒸气-液体分离器中和/或在单独的存储储箱中，直到锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料时，从而容易选择性地将液体燃料从蒸气-液体分离器引导到锅炉系统。

由于排出气体混合物的液体燃料可容易存储，有可能允许锅炉系统或多或少地仅基于对热量和/或蒸汽的需要来操作，且可能等待液体燃料的燃烧，直到锅炉系统的正常运行状态允许液体燃料燃烧。此外，燃料可经由用于液体燃料的喷嘴传送并引入到锅炉系统的燃烧器的事实使得该布置具有通用性，因为大多数锅炉系统和燃烧器能够燃烧作为液体供应的燃料(作为自保持火焰或经由导引火焰或主要火焰)，且在大多数情况下，仅需选择合适的喷嘴来用于将液体燃料正确引入锅炉系统的燃烧器即可。由于惰性气体已与燃料蒸气分离，通常可能简单地将惰性气体排出到大气。

在该背景下，可注意到，燃料可为作为推进船舶的发动机中的燃料使用的燃料。在该情况下，燃料系统可包括储箱，以及用于填充储箱的至储箱的管道以及用于从储箱向发动机提供燃料的来自储箱的管道。该填充操作有时称为加注。备选地，燃料可为作为货物存储且由船舶运输的燃料。在该情况下，燃料系统可包括储箱和用于填充和排空储箱的往返于储箱的管道。还可注意到，作为推进船舶的发动机中的燃料使用的燃料可为作为货物存储且由船舶运输的相同燃料，或可备选地为不同燃料。在相同的燃料既用作用于推进船舶的发动机的燃料又作为货物由船舶运输的情况下，可设想到具有单个布置来处理既来自与作为推进剂的燃料相关的燃料系统又去往与作为货物的燃料相关的燃料系统的排出气体混合物。还可设想到，具有处理既来自与作为推进剂的燃料相关的燃料系统又去往与作为货物的燃料相关的燃料系统的排出气体混合物的单一布置，即使燃料不同，只要它们具有类似的特性。例如，如果推进剂燃料是第一醇(诸如甲醇)且货物是另一醇或醇基产品，情况可为该后者。还可设想到，存在混合布置，其中相应布置的一些部分对于两种布置是公共的，且其中一些其它部分对于相应布置是分离的和独特的。排出气体还可源自所谓的围堰构造，其用作次级屏障且完全地或部分地围绕燃料储箱延伸。蒸气燃料从燃料储箱到围堰中的任何泄漏可使用惰性气体排出，由此存在包括燃料的燃料蒸气和惰性气体的排出气体混合物。还可注意到，该方法还可用于处理包括燃料的燃料蒸气和惰性气体的其它种类的排出气体，诸如来自泄漏的储箱或燃料系统等，或来自其中使用惰性气体排出燃料蒸气的其它种类的有意或无意动作。还可注意到，排出气体混合物还可包括液体部分，诸如，例如悬置在气体中的燃料滴。冷凝器还可称为热交换器，其构造成将热量消散到环境，使得热交换器中的燃料蒸气冷凝成液体。

优选实施例呈现在从属权利要求和说明书中。

优选地，燃料是醇。最优选地，燃料是甲醇。

该方法还可包括将排出气体混合物的惰性气体从蒸气-液体分离器引导到大气。这是处置惰性气体的便利方式，且由于燃料蒸气由冷凝器和液体-蒸气分离器有效地从惰性气体中分离，它是环境友好的途径。然而，应注意到，将惰性气体排出到大气取决于在冷凝器中冷凝的蒸气燃料的部分足够大，或备选地表达，仍存在的燃料蒸气的量需要足够小以允许气体部分排出到大气中。

然而，本发明构思不排除以不同方式处理惰性气体而不是排出到大气。在任何情况下，上文论述的冷凝和液体-蒸气分离便于排出气体混合物中的燃料含量的处理且它便于气体部分的处理。

在优选实施例中，排出气体混合物源自燃料系统的燃料储箱。

在一个优选实施例中，响应于排空燃料储箱的动作，排出气体混合物从燃料系统引导到冷凝器，该动作包括用所述惰性气体从储箱排出燃料蒸气。在比如燃料储箱检查的程序之前或在向燃料储箱中填充另一燃料时，必须使燃料储箱排空掉燃料，且用惰性气体排出燃料蒸气，其将导致燃料的燃料蒸气和惰性气体的排出气体混合物。

在一个实施例中，响应于压力积聚(其响应于将燃料填充到燃料储箱的动作)，排出气体混合物从燃料系统引导到冷凝器。当要向燃料储箱填充燃料时，例如在检查燃料储箱或更换燃料之后，首先向燃料储箱填充惰性气体。当储箱中没有氧时，燃料可填充或加注到储箱中。在储箱中填充或加注燃料时，将发生压力积聚。在该背景下，通过允许燃料蒸气和惰性气体的混合物排出且从而形成排出气体混合物来释放压力积聚。在该背景下，填充可指代先前排空的储箱的第一次填充，或可备选地指代向已经用燃料部分地填充的储箱填充额外量的燃料。将燃料填充至燃料储箱的动作在一些情况下可称为加注。

在一个实施例中，响应于燃料系统中的泄漏，排出气体混合物从燃料系统引导到冷凝器。这是有利的，因为它允许燃料系统的安全系统，其中，如果燃料系统中出现泄漏，排出气体混合物处置到锅炉系统。泄漏可能例如从一个或多个储箱出现。一个或多个储箱可部分地或完全地由围堰包围。围堰可用作第二屏障，其具有封闭潜在泄漏的目的，且排出气体混合物可例如为响应于燃料或燃料蒸气从储箱到围堰的泄漏来从围堰排出的气体。

该方法还可包括点燃排出气体混合物的液体燃料的自保持火焰。该火焰可通过火花点燃和/或以导引火焰的使用来点燃。如果排出气体混合物的火焰是自保持的，这可使用。例如，如果所讨论的排出气体混合物涉及液相且如果液相本身能够保持火焰，或如果当次级燃料(诸如醇，优选为相同的醇)以一定量增加使得吹扫混合物的液相和次级燃料的所得混合物变得能够保持火焰时液相能够保持火焰，这可为适用的。

该方法还可包括

点燃支持火焰且使用支持火焰来燃烧排出气体混合物的液体燃料，或

使用锅炉系统的主要火焰作为支持火焰来燃烧排出气体混合物的液体燃料。

支持火焰或主要火焰可例如通过燃烧氢、甲烷、甲醇、氨或符合ISO8217的燃料来实现。

如果排出气体混合物的火焰不是自保持的，有必要提供某种类的支持火焰。这可为单独的支持火焰，或备选地，主要火焰可用作支持火焰。锅炉系统可构造成通过首先点燃导引火焰且然后从导引火焰点燃支持火焰来点燃支持火焰，或如果导引火焰保持，直接从导引点燃支持火焰。即使吹扫混合物的火焰是自保持的，提供支持火焰可为有用的。

该方法还可包括当锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物时，通过将排出气体混合物从燃料系统引导、优选地选择性地引导到锅炉系统来绕过冷凝器和蒸气-液体分离器。在锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的那些情况下，这允许快速处置排出气体混合物。

绕过冷凝器和蒸气-液体分离器可包括将排出气体混合物从燃料系统经由热交换器和气阀机构引导到锅炉系统，其中，热交换器完全地汽化排出气体混合物的任何液相。优选的是，热交换器完全地汽化排出气体混合物的任何液相，以保证排出气体混合物在供应到锅炉系统时纯粹地呈气相。排出气体混合物从而能够有效地燃烧。

惰性气体优选为氮。

上文目标还通过一种用于处理包括燃料的燃料蒸气和惰性气体的排出气体混合物的布置来实现，该排出气体混合物源自燃料系统，该布置包括：

锅炉系统，以及

排出气体处理系统，

其中，锅炉系统包括

燃烧器，以及

燃料入口，该燃料入口构造成选择性地供应燃料，且从而选择性地保持燃烧器中的主要火焰，以用于在锅炉系统中产生热量和/或蒸汽，其中，排出气体处理系统包括

冷凝器，该冷凝器用于使呈气相的燃料蒸气冷凝为液体燃料，

蒸气-液体分离器，该蒸气-液体分离器用于分离液体燃料和惰性气体，

其中，布置还包括管道，该管道构造成

将排出气体混合物从燃料系统引导到冷凝器，该冷凝器将燃料蒸气冷凝为液体燃料，使得排出气体混合物包括液体燃料和惰性气体，

将排出气体混合物从冷凝器引导到蒸气-液体分离器，该蒸气-液体分离器分离液体燃料和惰性气体，以及

当锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料时，选择性地将液体燃料从蒸气-液体分离器引导到锅炉系统，或

将液体燃料存储在蒸气-液体分离器中和/或在单独的存储储箱中，直到锅炉系统处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料。

已关于上文提到方法论述与各种特征相关联的优点，且那些优点同样适用于布置。

燃料入口可经由燃料供应线连接到燃料源。燃料源优选地构造成供应用于主要火焰的燃料。优选地，燃料选自由液化天然气(LNG)、馏出物和残余燃料组成的组。

在一个实施例中，锅炉系统构造成点燃排出气体混合物的液体燃料的自保持火焰。

在一个实施例中，锅炉系统构造成

点燃支持火焰且使用所述支持火焰来燃烧排出气体混合物的液体燃料，或

使用主要火焰作为支持火焰来燃烧排出气体混合物的液体燃料。

燃烧器可为多燃料燃烧器系统，其构造成

燃烧至少两种不同燃料，优选地一次一种，或

与燃烧一种或多种气态燃料相组合地燃烧一种或多种液体燃料，其中，在一种或多种气态燃料(优选地一次一种气态燃料)燃烧时，一种或多种液体燃料(优选地一次一种液体燃料)同时地燃烧。

大体上，权利要求中使用的所有用语应根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文中另外明确限定。对“一个/一种/该[元件、装置、构件、器件、步骤等]”的所有引用要开放地解释为指代所述元件、装置、构件、器件、步骤等的至少一个实例，除非另外明确声明。本文中公开的任何方法的步骤不必以所公开的精确顺序执行，除非明确声明。

附图说明

将参照所附示意图通过示例的方式更详细地描述本发明，所附示意图示出本发明的当前优选的实施例。

图1示意性地公开用于处理排出气体混合物的布置，该排出气体混合物包括燃料的燃料蒸气和惰性气体。

图2示意性地公开用于处理排出气体混合物的方法，该排出气体混合物包括燃料的燃料蒸气和惰性气体。

具体实施方式

现在将参照附图在下文中更完全地描述本公开内容，附图中示出本公开内容的当前优选的实施例。然而，该公开内容可以以许多不同的形式来体现，且不应解释为限于本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了详尽和完整，且将本公开内容的范围完全地传达给技术人员。

参照图1，公开一种用于处理包括燃料的燃料蒸气和惰性气体的排出气体混合物的布置100。燃料可为醇或醇基燃料。优选地，燃料是甲醇。燃料可用作推进船舶的发动机中的燃料。备选地，燃料可为作为货物存储且由船舶运输的燃料。然而应注意到，也可使用其它燃料。惰性气体可为氮。应注意到，惰性气体也可为任何其它惰性气体或惰性气体的混合物。

布置100包括锅炉系统110、燃料系统和排出气体处理系统130。排出气体混合物源自燃料系统120。

锅炉系统110包括锅炉111、燃烧器113和燃料入口114。燃料入口114可构造成选择性地保持燃烧器113中的主要火焰，以用于在锅炉系统110中产生热量和/或蒸汽。燃料入口114经由燃料供应线116连接到燃料源151。燃料源151可构造成供应用于燃烧器113中的主要火焰的燃料。用于主要火焰的燃料可为液化天然气(LNG)、馏出物或残余燃料。然而，应注意到，燃料也可为其它燃料。燃料可包括一种或多种类型的燃料。燃料源151可构造成经由另外的燃料供应线154和泵153将燃料供应到锅炉系统110。锅炉系统110包括另外的燃料入口112。另外的燃料入口112经由管道118连接到排出气体处理系统130。

锅炉系统110的燃烧器113可为构造成燃烧至少两种不同燃料的多燃料燃烧器系统。燃烧器113可构造成一次燃烧至少两种不同燃料中的一种。燃烧器113可构造成与燃烧一种或多种气态燃料相组合地燃烧一种或多种液体燃料。一种或多种液体燃料可在燃烧一种或多种气态燃料时同时地燃烧。优选地，一种或多种液体燃料中的一种液体燃料与一种或多种气态燃料中的一种气态燃料同时地燃烧。

燃料系统120包括燃料储箱121。如图1中描绘的，燃料系统120还包括围堰构造123。围堰构造可用作次级屏障且完全地或部分地围绕燃料储箱121延伸。围堰123可具有封闭燃料储箱121中的潜在泄漏的目的。燃料储箱121和/或围堰123经由供应线122连接到燃料系统120的发动机125。虽然未示出，燃料系统121可包括多于一个燃料储箱121。

排出气体处理系统130包括用于使呈气相的燃料蒸气冷凝为液相的冷凝器131。排出气体处理系统130还包括用于分离液体燃料和惰性气体的蒸气-液体分离器133。

排出气体处理系统130经由管道139连接到燃料系统且经由管道118连接到锅炉系统110。管道139构造成将排出气体混合物从燃料系统120引导到排出气体处理系统130。更详细地，管道139构造成将排出气体混合物从燃料系统120引导到排出气体处理系统130的冷凝器131。冷凝器131构造成将燃料蒸气的至少大部分冷凝为液体燃料，使得排出气体混合物包括液体燃料和惰性气体。冷凝器131经由管道132连接到蒸气-液体分离器133。因此，管道132构造成将排出气体混合物从冷凝器131引导到蒸气-液体分离器133。蒸气-液体分离器133构造成分离液体燃料和惰性气体。蒸气-液体分离器133经由管道134连接到存储储箱135，并经由管道138连接到泵137。存储储箱135经由管道136连接到一个或多个燃料泵137。

蒸气-液体分离器133可构造成选择性地将液体燃料经由泵137和管道118引导到锅炉系统110。当锅炉系统110处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料时，这尤其相关。

如果锅炉系统110不处于热状态，蒸气-液体分离器133可构造成存储液体燃料，直到锅炉系统110处于热状态。备选地或相组合地，蒸气-液体分离器133可构造成将液体燃料供应到单独的存储储箱135并将其存储在单独的存储储箱135中，直到锅炉系统110处于热状态。如所述，当锅炉系统110处于热状态时，它准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料。

虽然未示出，当液体燃料和惰性气体已分离时，蒸气-液体分离器133可构造成将排出气体混合物的惰性气体引导到大气。

响应于排空燃料系统120中的燃料储箱121的动作，排出气体混合物可从燃料系统120引导到冷凝器131。该动作优选地包括用惰性气体从燃料储箱121排出燃料蒸气。备选地，响应于压力积聚(其响应于将燃料填充到燃料储箱121的动作)，排出气体混合物可从燃料系统120引导到冷凝器131。备选地，响应于燃料系统120中的泄漏，排出气体混合物可从燃料系统120引导到冷凝器131。

往回参照锅炉系统110，锅炉系统110还可构造成点燃排出气体混合物的液体燃料的自保持火焰。因此，锅炉系统110可构造成点燃支持火焰且使用支持火焰来燃烧排出气体混合物的液体燃料，或可构造成使用主要火焰作为支持火焰来燃烧排出气体混合物的液体燃料。

如图1中进一步描绘的，燃料系统120可经由管道142连接到热交换器141。热交换器141构造成完全地汽化排出气体混合物的任何液相。汽化器141经由管道144连接到气阀机构143。气阀机构143经由管道146连接到锅炉系统110。因此，布置100可构造成通过绕过排出气体处理系统130将排出气体混合物从燃料系统120引导到锅炉系统120。优选地，通过选择性地将排出气体混合物从燃料系统120引导到锅炉系统130来绕过排出气体处理系统130。当锅炉系统110处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物时，这可为可能的。

虽然图1中描绘热交换器141和气阀机构143，它们可从布置100中省略，使得燃料系统120经由管道连接到锅炉系统110。在该情况下，排出气体混合物优选地经由泵从燃料系统120直接引入到锅炉系统110。

参照图2，通过示例的方式示出流程图200，流程图200示出用于处理包括燃料蒸气或燃料和惰性气体的排出气体混合物的方法。

大体上，方法600的第一步骤S202可为将排出气体混合物从燃料系统120引导到冷凝器131，该冷凝器131构造成将燃料蒸气的至少大部分冷凝为液体燃料。排出气体混合物从而包括液体燃料和惰性气体。在第二步骤S204中，排出气体混合物的液体燃料和惰性气体可在蒸气-液体分离器133中分离。

此后，方法200可取决于锅炉系统110是否处于热状态来提供第三步骤S206或第四步骤S208。在第三步骤S206中，当锅炉系统110处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料时，选择性地将液体燃料从蒸气-液体分离器133引导到锅炉系统110。否则，液体燃料存储在排出气体处理系统130的蒸气-液体分离器133和/或单独的存储储箱135中，直到锅炉系统110处于热状态且准备好接收和燃烧排出气体混合物的液体燃料。

本领域技术人员认识到，本公开内容决不限于上文描述的优选实施例。相反地，在所附权利要求的范围内，许多修改和变型是可能的。