专利示意图

一、技术领域

水合物应用技术及环境保护技术领域

二、专利介绍

1.专利信息

专利类型：发明

专利权人：清华大学深圳国际研究生院

申请号：202310247112.6

发明人：殷振元、黄海林、刘学健、任俊杰

2.专利说明书摘要

本发明提供一种利用余热能和渗透能的船舶二氧化碳水合捕集系统和方法。该系统包括：尾气预处理模块用于对船舶尾气依次进行降温处理、氧化除尘处理以及脱硫脱硝处理；余热能-渗透能发电模块用于将有机朗肯循环余热发电与渗透能发电的电能储存；水合物法碳捕集模块用于将经过尾气预处理模块的烟气鼓泡强化生成CO2水合物，CO2水合物聚集后形成水合物浆体，其中，对一部分的水合物浆体进行捕集CO2并加热泄压分解生产净化水操作，得到纯CO2气体和净化水；对另一部分的水合物浆体进行过滤出CO2水合物固体，得到CO2水合物固体并储存；CO2转移、利用与封存模块用于将纯CO2气体与CO2水合物固体直接封存至海洋或地质，或运输至下游用户进行工业利用或生物利用。

3.创新点

（1）已有的水合物法碳捕集系统，一般基于工厂、燃煤厂等陆地设施设计，针对海上船舶碳捕集系统的相关设计少；

（2）相比于陆地碳捕集系统，船舶碳捕集系统在低能耗、占地空间小、碳捕集效率高等需求上更为严格，更容易耦合海洋天然海底储碳技术。本发明符合以上要求；

（3）本发明充分考虑船舶碳捕集系统所使用场景，首次将水合物法碳捕集与渗透能发电完美耦合，减少能源消耗；充分利用海水自然资源，减少淡水资源的浪费；

（4）本发明原创设计适用于系统的子设备，例如渗透能耦合水合物碳捕集发电池、低能耗低成本二氧化碳水合物鼓泡发生器、一体化水合物过滤及储存装置等；

（5）本发明首次设计了新型紧凑的船载能源回收及CCUS系统，可用于任何规模大小的船舶系统中。

4.痛点问题

在现有船舶尾气处理方案中，目前对船舶碳减排与清洁能源耦合在全世界范围内都没有很好的解决方案。一方面，国内外关注的焦点主要在于采用选择性催化还原技术（SCR）等方法去除氮氧化物的研究上，而对船舶排放的大量CO2的捕集和封存的关注相对较少，目前对船舶尾气中CO2处理方案依旧简单粗暴，一般是直接排放到大气中。另一方面，船舶尾气处理耗能巨大，目前还没有一种将余热能发电、渗透能发电、水合物法碳捕集完美耦合的方法。

因此，本发明提供一种耦合渗透压及温差发电的船舶水合物法二氧化碳捕集方法及装置，目的在于开拓船舶能源回收利用新方案，提高尾气二氧化碳捕集效率实现碳减排和增汇，产生巨大的环境效益与经济效益。

5.技术优势

常见的燃烧后二氧化碳捕集技术主要有化学吸收、物理吸收、吸附法、膜分离等方法。其中化学吸收法较为成熟，适用于CO2浓度不高且常压的状态，但存在吸收剂用量大、试剂要求高、再生成本高等缺点。膜分离法虽然工艺简单易实施，但其对原料气要求高，需要预先进行处理、脱水、过滤，且目前分离膜制造成本和再生成本很高，使得工程应用存在困难。因此，亟需高捕集效率及低捕集成本的方法和设备。

基于水合物法进行船舶二氧化碳捕集的原理是二元及多元气体生成水合物时的相平衡差距较大，故较易形成气体水合物的气体进入水合物相中，难形成气体水合物的气体则保留在气相中，从而实现混合气体的分离。

水合物法CO2捕集和封存技术封存潜力大。首先，在标准状况下，每立方米的CO2水合物可以捕获164立方米的CO2，且仅需要消耗0.9立方米的淡水或者海水。其次，CO2水合物是一种类冰状固体，具备“自保护”效应，能够在温和条件下进行贮存，技术难度低，易实现。最后，CO2水合物生成条件温和，在2℃的生成温度下，只需要2 MPa的压力就可以大量生成水合物。相对于液化法所需要的3.7 MPa以上的压力更加温和，也更加节能。

航运碳减排及能源回收成为航运发展的必然趋势。在现有船舶尾气处理方案中，目前对船舶碳减排与清洁能源耦合在全世界范围内都没有很好的解决方案。一方面，国内外关注的焦点主要在于采用选择性催化还原技术（SCR）等方法去除氮氧化物的研究上，而对船舶排放的大量CO2的捕集和封存的关注相对较少，目前对船舶尾气中CO2处理方案依旧简单粗暴，一般是直接排放到大气中。另一方面，船舶尾气处理耗能巨大，目前还没有一种将余热能发电、渗透能发电、水合物法碳捕集完美耦合的方法。

目前船载水合物法碳捕集技术还没有实际应用，其研究和开发工作仍在进行，存在市场空白和推广潜力。

三、产业化信息

1.应用场景

（1）本方案适用于船舶尾气处理，也可用于工厂、燃煤厂、垃圾焚烧厂等需要燃烧后尾气处理的场所，减少CO2排放；

（2）可以用于渗透能发电领域，利用水合物的“排盐效应”构建盐差电池；

（3）可以用于海水淡化领域，水分子与CO2气体形成CO2水合物，利用海水进行捕集CO2的同时，剩余的水溶液则为高浓度的盐水溶液，实现海水淡化。

2.商业价值

（1）在水合物法捕集二氧化碳应用上的市场规模：目前将二氧化碳水合物捕集是一种新兴的碳减排方式，船载CCUS技术可带来超百亿元的收入，备广阔的应用前景；

（2）在水合物法二氧化碳利用与封存应用上的市场规模：该系统捕集到的CO2可以将高纯度的CO2经过全球航运运输至其他用气终端，带来商业价值；另一方面可以将储罐内的二氧化碳水合物直接运输至海洋CO2封存地点，实现二氧化碳长期封存，减少企业碳税；

（3）在水合物法耦合渗透能发电应用上的市场规模：利用水合物的“排盐效应”构建盐差电池，节约船舶约20%的能耗，为盐度梯度发电的工业应用提供了一种合适的选择。

3.发展规划

（1）筛选并开发环保型热动力学促进剂，优化CO2水合物生成速率，提高CO2捕集效率；

（2）初步验证实验室尺度下利用余热能与渗透能进行水合物法CO2捕集的可行性，初步预测该船载碳捕集系统的应用可行性，为船载大尺度长期水合物法CO2捕集与封存奠定实验基础；

（3）设计新型紧凑的船载能源回收及CCUS系统及一系列子设备；

（4）基于该技术，机理与工艺联合开发，产学研紧密结合，目的在于为航运节能减排建设做出贡献，为实际应用和大规模推广奠定基础。

4.合作方式

面议

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