CN113202660A

CN113202660A - 一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统

Info

Publication number: CN113202660A
Application number: CN202110618959.1A
Authority: CN
Inventors: 王洋; 周小虎; 刘龙
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2021-08-03

Abstract

本发明的目的在于提供一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统，储氨罐、气化罐、过滤腔依次相连，过滤腔的出口分别连接氨气管路和氢气管路，氨气管路上一次安装氨气加压罐、氨气高压共轨管，氨气高压共轨管通过氨气电子喷射阀连接发动机，氢气管路上依次安装氨分解炉、氢气加压罐、中间储氢罐、氢气高压共轨管，中间储氢罐通过电磁流量阀连接氢气高压共轨管，氢气高压共轨管通过氢气电子喷射阀连接发动机。本发明可以仅加注氨燃料即可满足船舶柴油机燃料加注要求，而且由于无需储存大量的氢燃料，不仅保障了船舶安全，节约了氢的储运所需要设备的成本，另外氨燃料比氢燃料的体积能量密度大，且更容易液化储存，能够减少船舶上燃油的贮存空间。

Description

一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统

技术领域

本发明涉及的是一种燃料供给系统，具体地说是船舶发动机燃料供给系统。

背景技术

目前，在船舶柴油机上，采用绿色环保的氨燃料往往需要额外添加助燃剂来确保氨完全燃烧，以获得较好的功率输出。常见的助燃剂有两种：氢燃料和高活性燃料。其中高活性燃料常常指的是柴油、庚烷、二甲醚等，都是含碳燃料，燃烧会产生二氧化碳的温室气体。面对日益严峻的节能减排要求，以及温室效应的加剧，氨燃料与氢燃料互补燃烧是最优的选择。但是，在目前的氨燃料发动机的燃料供给系统中，需要设计与安装两种不同燃料的储存罐，尤其是氢燃料由于自身特性难以压缩，且需要特种设备用来储运。这不仅大大的增加了在船舶上燃料的储存空间，而且提升了对补给站的加注要求。另外，氢燃料具有易燃、易爆和贮运困难的特点，在船舶上大量储运容易产生安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供用于助燃剂的氢燃料可以由氨燃料催化裂解制取的一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统，其特征是：包括储氨罐、气化罐、氨分解炉、发动机，储氨罐、气化罐、过滤腔依次相连，过滤腔的出口分别连接氨气管路和氢气管路，氨气管路上一次安装氨气加压罐、氨气高压共轨管，氨气高压共轨管通过氨气电子喷射阀连接发动机，氢气管路上依次安装氨分解炉、氢气加压罐、中间储氢罐、氢气高压共轨管，中间储氢罐通过电磁流量阀连接氢气高压共轨管，氢气高压共轨管通过氢气电子喷射阀连接发动机。

本发明还可以包括：

1、氨分解炉与氢气加压罐之间设置氨气回收器、气体分离器。

2、氨分解炉中设置热力供应系统，所述热力供应系统包括电阻丝加热装置和废气余热回收装置。

3、当发动机需要氨气供应时，船舶在加氨站加注液氨到储氨罐，储氨罐中的液氨经氨气传输管路到达汽化罐，汽化罐对液氨进行汽化，汽化后的氨气经过氨气传输管路在过滤腔中过滤，过滤干净的氨气经氨气传输管路在氨气加压罐中加压，氨气加压罐4将高压液氨供应给氨气高压共轨管中，氨气高压共轨管维持管内压力稳定，为喷射准备；当发动机需要氨气燃料喷射时，氨气高压共轨管中的氨气经过氨气电子喷射阀喷出氨气。

4、当发动机需要助燃剂氢气供应时，经过过滤腔过滤后的清洁氨气由氢气管路通往氨分解炉中，热力供应系统调节氨分解炉中的反应温度，氨气在氨分解炉的分解炉胆中经催化剂分解为H2和N2，与未裂解的残余氨气一起形成的混合气体通向氨回收器，混合气经氨回收器将其中的氨气回收后通往气体分离器，气体分离器将混合气中的杂质气体进行分离，得到清洁的氢气在加压罐中加压，并储存到中间储氢罐中；当发动机需要供给氢气时，氢气高压共轨管中的氢气经过氢气电子喷射阀喷出氢气。

本发明的优势在于：在船舶柴油机燃料加注中，由于本发明可以直接由氨燃料制取氢燃料，可以仅加注氨燃料即可满足船舶柴油机燃料加注要求，而且由于无需储存大量的氢燃料，不仅保障了船舶安全，而且节约了因为氢的储运所需要的特种设备的成本，另外氨燃料比氢燃料的体积能量密度大，且更容易液化储存，能够减少船舶上燃油的贮存空间。氨作为全世界最大的化工产品，具有成熟的配套设施，在加注港口中，无须额外配备氢燃料加注站，使其能够快速的应用到船舶的能源供给当中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，为船舶柴油机氨燃料裂解制氢的双燃料供给系统结构布局图，包括储氨罐1、汽化罐2、过滤腔3、加压罐4、高压共轨管(氨气)5、电子喷射阀(氨气)6、发动机7、电子喷射阀(氢气)8、高压共轨管(氢气)9、电磁流量阀10、中间储氢罐11、压力指示器12、加压罐13、气体分离器14、氨气回收器15、氨分解炉16、热力供应系统17。

氨气供给系统给发动机提供纯净的氨气。氨气是有毒且有刺激性气味的气体，需要特别防范氨的泄漏问题，采用氨气专用的氨双层传输管路，管路装有氨气泄漏探针和氨气泄漏指示器，用于判断传输管路是否存在破损。另外，在整套装备系统的运行空间中，装有氨气泄漏探针和氨气泄漏指示器与报警器，用来提示与判断装置密封性与完好性。

氨气裂解制氢的氢燃料供给系统为发动机中氨燃料的燃烧提供助燃剂氢燃料，用于辅助氨燃料的燃烧，调节发动机的输出。氢燃料的储存和运输都需要特种设备，在需要经过氢的传输管路中，采用特种氢气传输管路，管路中装有氢气泄漏探针和氢气泄漏指示器，另外还需要人员进行周期性检查，确保设备不会在氢气的作用下，发生氢脆等危害设备安全的情况。

在本发明的供给氨燃料的旁路中：

储氨罐1：储存外界加注的液氨，储存压力通常约17bar，罐上装有常有的压力表、电磁阀等附属设备，通过氨气传输管路与气化罐连接。

气化罐2：将来自于储氨罐中的液氨进行气化。气化吸收的能量可以由燃烧的废气余热、制冷循环中吸收的热量或者直接吸收环境的热量提供。它通过氨气传输管路与储氨罐及过滤腔连接。

过滤腔3：对氨气进行提纯，分离氨气中杂质和水。它通过氨气传输管路与气化罐与加压罐连接。

加压罐4：将纯化的氨气进行增压，输出给高压共轨管(氨气)中，并维持高压共轨管的压力值稳定。它通过氨气传输管路与过滤腔和高压共轨管(氨气)连接。

高压共轨管(氨气)5：将加压罐提供的高压液氨分配到各电子喷射阀(氨气)中，起蓄压器的作用，压力约为70bar。高压共轨管(氨气)包括共轨腔、高压油管、电控单元、各类传感器和执行器等。它通过氨气传输管路与加压罐连接。可以削减加压罐供应液氨的压力波动和每个喷射阀在喷射过程引起的压力震荡。

氨气喷射阀6：具有电子喷射系统，由电磁阀控制喷射定时、喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。氨气喷射过程中的喷射压力约为600～700bar。

在本发明的氨气裂解制氢的氢燃料供给系统旁路中：

热力供应系统17：主要由电阻丝加热装置和废气余热回收装置两部分组成，并安装在氨分解炉中，给分解炉胆提供反应所需的温度。电阻丝加热装置用于辅助供热，在发动机冷启动(此时发动机无高温尾气排出)和废气余热回收装置供热不足时，进行辅助供热；废气余热回收装置用于回收发动机燃烧后排放的废气余热，并将其供应给分解炉胆。

氨分解炉16：包括炉体、保温层、热力供应系统、分解炉胆(反应釜)及阀门管件等组成。分解炉胆采用多管梅花桩式排列，材料可选耐热高温的Cr25Ni20(310S)合金材料，保证管内氨气及气流分布均匀一致。分解炉胆中，氨气在一定的温度和催化剂的作用下，裂解为体积分数为75％的氢气和25％的氮气，并吸收21.9千卡热量，其主要反应为：

氨气回收器15：氨气经过氨分解炉裂解后，形成了多组分的混合气体，包括有未反应完全的氨气、生成的氢气和氮气、氧气和水蒸汽等。氨气回收器用来回收混合气体中残余氨气，并供回到氨分解炉中。

气体分离器14：分离经过氨气回收器回收氨气的混合气中的氢气，获得纯净的氢气。

加压罐13：把纯净的氢气加压，储存到中间储氢罐中。

压力指示器12：指示中间储氢罐的压力值，与电磁流量阀一同获得氢气的消耗量，并反馈。

中间储氢罐11：将由氨气裂解生成的纯净氢气临时储存，具有一定的压力，维持氢气的供需平衡。

电磁流量阀10：控制氢气向高压共轨管(氢气)中输出，并获取氢气流量信息。

高压共轨管(氢气)9：将来自于中间储氢罐中的高压氢气分配到各电子喷射阀(氢气)中，并维持压力平衡。

电子喷射阀(氢气)8：控制氢气在某时刻喷射一定量的氢气。

当发动机需要氨气供应时：

首先，船舶在加氨站加注液氨到储氨罐1。储氨罐1中的液氨经氨气传输管路到达汽化罐2。汽化罐2对液氨进行汽化，汽化后的氨气经过氨气传输管路在过滤腔3中过滤。过滤干净的氨气经氨气传输管路在加压罐4中加压。加压罐4将高压液氨供应给高压共轨管(氨气)5中。高压共轨管(氨气)5维持管内压力不发生太大波动，为喷射准备。

最后，当发动机7需要氨气燃料喷射时，高压共轨管(氨气)5中的氨气经过电子控制系统控制多个电子喷射阀(氨气)6喷出氨气。

当发动机需要助燃剂氢气供应时：

将经过过滤腔3过滤后的清洁氨气由旁路通往氨分解炉16中。接着，控制热力供应系统17调节氨分解炉中的反应温度(如高效裂解温度800～850℃)。然后，氨气便在氨分解炉16的分解炉胆中经催化剂(如镍基)分解为H2和N2，然后与未裂解的残余氨气一起形成的混合气体通向氨回收器15。接着，混合气经氨回收器15将其中的氨气回收后通往气体分离器14。气体分离器14再将混合气中的杂质气体(如N2、O2、H2O等)进行分离，得到清洁的氢气并在加压罐13中加压，并储存到中间储氢罐11中。根据压力指示器12等附属装置的信号，维持中间储氢罐11的压力在一定范围内波动。接着，控制电子流量阀10启闭状态，确保高压共轨管(氢气)9中的压力稳定。

最后，当发动机需要供给氢气时，高压共轨管(氢气)9中的氢气经过电子控制系统控制多个电子喷射阀(氢气)8喷出氢气。

助燃剂氢气制取量的调控示例：

若发动机改变了工作状态，需要更多的氢气供应时。根据压力指示器12和电磁流量阀10的参数信息，得到氢气的需求量的信号。然后反馈给热力供应系统17，由热力供应系统17提高氨分解炉16中分解炉胆的工作温度，提高氨催化裂解制氢的效率，从而制备了更多的氢燃料。

若发动机需要减少氢气的供应。同样由氢气的需求量信号调控热力供应系统17降低分解炉胆的工作温度或者关闭部分氨气通往氨分解炉中的管路阀门，从而降低制备的氢燃料的量。

另外，若氨/氢气管路及设备发生破损的情况处理：氨气与氢气的传输管路分别具有各自的氨或者氢气的泄漏指示器，当传输管路发生破损时，相应的管路上的检测器能够检测出泄漏的浓度，便提醒用户关闭问题管路两端阀门，然后更换新的传输管路。在整套设备的工作运行空间里，加装的氨或者氢的报警器与浓度指示器，若设备发生故障或者破损时，相应的检测器检测出过量的氢气或者氨气后，自动启动报警装置、关闭燃料管路的各个安全阀门，并反馈给用户处理与检修。以此，确保装置的运行可靠性以及人员操作的安全性。

Claims

1.一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统，其特征是：包括储氨罐、气化罐、氨分解炉、发动机，储氨罐、气化罐、过滤腔依次相连，过滤腔的出口分别连接氨气管路和氢气管路，氨气管路上一次安装氨气加压罐、氨气高压共轨管，氨气高压共轨管通过氨气电子喷射阀连接发动机，氢气管路上依次安装氨分解炉、氢气加压罐、中间储氢罐、氢气高压共轨管，中间储氢罐通过电磁流量阀连接氢气高压共轨管，氢气高压共轨管通过氢气电子喷射阀连接发动机。

2.根据权利要求1所述的一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统，其特征是：氨分解炉与氢气加压罐之间设置氨气回收器、气体分离器。

3.根据权利要求2所述的一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统，其特征是：氨分解炉中设置热力供应系统，所述热力供应系统包括电阻丝加热装置和废气余热回收装置。

4.根据权利要求3所述的一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统，其特征是：当发动机需要氨气供应时，船舶在加氨站加注液氨到储氨罐，储氨罐中的液氨经氨气传输管路到达汽化罐，汽化罐对液氨进行汽化，汽化后的氨气经过氨气传输管路在过滤腔中过滤，过滤干净的氨气经氨气传输管路在氨气加压罐中加压，氨气加压罐4将高压液氨供应给氨气高压共轨管中，氨气高压共轨管维持管内压力稳定，为喷射准备；当发动机需要氨气燃料喷射时，氨气高压共轨管中的氨气经过氨气电子喷射阀喷出氨气。

5.根据权利要求4所述的一种单一氨燃料船舶柴油机的燃料供给系统，其特征是：当发动机需要助燃剂氢气供应时，经过过滤腔过滤后的清洁氨气由氢气管路通往氨分解炉中，热力供应系统调节氨分解炉中的反应温度，氨气在氨分解炉的分解炉胆中经催化剂分解为H2和N2，与未裂解的残余氨气一起形成的混合气体通向氨回收器，混合气经氨回收器将其中的氨气回收后通往气体分离器，气体分离器将混合气中的杂质气体进行分离，得到清洁的氢气在加压罐中加压，并储存到中间储氢罐中；当发动机需要供给氢气时，氢气高压共轨管中的氢气经过氢气电子喷射阀喷出氢气。