CN114146563B - 高压lng燃料船舶发动机尾气处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，包括LNG储罐、LNG输送泵、LNG增压泵、第一气液分离器、第二气液分离器、气化器、高压缓冲罐、甲烷裂解器、一氧化碳反应器、氮气罐、氨气发生器、氨水箱、压缩空气罐、混合器、发动机排气总管、第一排气管路、NOX反应器和蒸气锅炉。本发明提供的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，采用船舶自有的LNG燃料、锅炉蒸气和氮气作为原材料，利用发动机产生的高温废气作为热源，通过催化反应产生NH3，并利用NH3与发动机产生的高温废气反应，达到脱硝的目的。整个系统不需要大功率耗电设备，不需要额外增设氨气生产原料储存舱，有效降低了船舶的能耗，提高了系统经济性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及船舶发动机尾气处理技术领域，尤其是涉及一种高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统。
背景技术
随着全球大气环境问题的逐渐恶化，国际海事组织对船舶提出了诸多排放法规，为了应对严苛的法规，作为清洁能源的液化天然气(LNG)逐渐作为船舶的替代燃料，相应地，LNG燃料船舶发动机近年来也得到了飞速发展。目前LNG燃料发动机分为两类，一类为供气压力高于300bar的高压LNG燃料发动机，另一类为低压LNG燃料发动机。由于高压LNG燃料发动机采用的是迪赛尔循环，其排气中的NOX(氮氧化物)含量较高，不能满足当下的环保要求，使得高压LNG发动机需要配备SCR(选择性催化还原技术)对NOX处理后方可排放。
目前的SCR主要利用NH3作为还原剂将NOX还原成N2和H2O，而氨气来源主要有尿素溶液、液氨或氨水。尿素溶液需要维持在一个较高的温度防止结晶而消耗电能，增加船舶能耗，另外，尿素对碳钢管道具有腐蚀性，其运输管道及尿素溶液与烟气混合的混合器均使用不锈钢材料，投入成本高。液氨的储存需要高压或低温环境，储存难度大，氨气属于易燃易爆且有毒气体，大量储存存在安全隐患。氨水存放存在氨气挥发现象，大量存放同样存在安全隐患。以上三种氨气来源均需要配备动力设备将氨气输送至SCR混合器，增加船舶能耗。
现有技术中，关于氮氧化物的处理技术主要有：
1、专利“船用柴油机选择性催化还原尿素喷射系统”(CN106762047A)，包含泵组单元、空气单元和计量单元，该系统能够自动控制尿素喷射量及喷射压力，使尿素溶液充分地与氮氧化物混合，实现还原剂与催化剂的充分反应。但使用该系统时需要的尿素消耗量较大，需要额外购置尿素并配备尿素存储罐，占用较大的船上空间，增加了运行成本，且装置复杂不利于维护。
2、专利“双燃料氧化催化剂、双燃料SCR废气处理机构、双燃料柴油内燃机及其控制方法”(CN106150610A)，提供了一种双燃料氧化催化剂及SCR废气处理机构，将废气中所含的一氧化氮氧化为二氧化氮，甲烷氧化为二氧化碳，并依次连接DOC(氧化催化器)、DPF(颗粒捕集器)、SCR和AMOX(氨氧化催化剂)。该系统使用的后处理装置过多，会对排气管路产生很大的压降，造成发动机排气压力升高，大大降低发动机经济性，而且有效的催化甲烷氧化的废气温度需要达到500℃-600℃，实际氧化效果不理想。
3、专利“船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法及装置”(CN109184859A)，提供了一种CH4-SCR废气处理方法，该方法利用双燃料动力船携带的燃料中的CH4作为还原剂，经过催化作用，将NOX还原成N2。该方法为了达到CH4与NOX的反应温度，会点燃一部分LNG燃料作为热源为CH4和废气混合气加热，导致LNG燃料消耗增加过多，降低船舶续航能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，旨在解决或至少部分解决上述背景技术存在的不足，采用船舶自有的LNG燃料、锅炉蒸气和氮气作为原材料，利用发动机产生的高温废气作为热源，通过催化反应产生NH3，并利用NH3与发动机产生的高温废气反应，达到脱硝的目的。
本发明提供一种高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，包括LNG储罐、LNG输送泵、LNG增压泵、第一气液分离器、第二气液分离器、气化器、高压缓冲罐、甲烷裂解器、一氧化碳反应器、氮气罐、氨气发生器、氨水箱、压缩空气罐、混合器、发动机排气总管、第一排气管路、NOX反应器和蒸气锅炉；
所述LNG输送泵设置于所述LNG储罐内，所述LNG输送泵的出口与所述LNG增压泵的入口连通，所述LNG增压泵的出口与所述第一气液分离器的管程入口连通，所述第一气液分离器的管程出口与所述第二气液分离器的管程入口连通，所述第二气液分离器的管程出口与所述气化器的入口连通，所述气化器的出口与所述高压缓冲罐的入口连通；所述高压缓冲罐的出口与所述甲烷裂解器的反应空间入口连通，所述甲烷裂解器的反应空间出口与所述第一气液分离器的壳程入口连通，所述第一气液分离器的壳程出口与所述一氧化碳反应器的反应空间入口连通，所述一氧化碳反应器的反应空间出口与所述第二气液分离器的壳程入口连通，所述第二气液分离器的壳程出口与所述氮气罐的出口汇合后再与所述氨气发生器的反应空间入口连通，所述氨气发生器的反应空间出口与所述氨水箱的入口连通，所述氨水箱的出口分为两路，一路与所述压缩空气罐的出口汇合后再与所述混合器的入口连通，另一路连通至所述氮气罐的出口管路上；
所述蒸气锅炉的蒸气出口分为两路，一路与所述甲烷裂解器的反应空间入口连通，另一路与所述一氧化碳反应器的反应空间入口连通；
所述第一排气管路的入口与所述发动机排气总管的出口连通，所述第一排气管路的出口与所述混合器的入口连通，所述甲烷裂解器的管程入口、所述一氧化碳反应器的管程入口和所述氨气发生器的管程入口均连通至所述第一排气管路上，所述甲烷裂解器的管程出口、所述一氧化碳反应器的管程出口和所述氨气发生器的管程出口汇合后返回至所述第一排气管路；所述混合器的出口与所述NOX反应器的入口连通，所述蒸气锅炉上设有排烟管道，所述NOX反应器的出口与所述排烟管道的入口连通。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第一气体干燥器组和第二气体干燥器组，所述第一气体干燥器组设置于所述甲烷裂解器的反应空间出口与所述第一气液分离器的壳程入口之间的管路上，所述第二气体干燥器组设置于所述一氧化碳反应器的反应空间出口与所述第二气液分离器的壳程入口之间的管路上。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括膨胀机和压缩机，所述膨胀机设置于所述高压缓冲罐的出口与所述甲烷裂解器的反应空间入口之间的管路上，所述压缩机设置于所述第二气液分离器的壳程出口与所述氨气发生器的反应空间入口之间的管路上，所述膨胀机的动力输出轴与所述压缩机相连。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第一三通调节阀和喷射泵，所述LNG增压泵的出口与所述第一三通调节阀的入口连通，所述第一三通调节阀的出口分为两路，一路与所述第一气液分离器的管程入口连通，另一路与所述喷射泵的工作流体入口连通；所述第一气液分离器的壳程底部出口与所述喷射泵的引射入口连通，所述喷射泵的出口连通至所述LNG输送泵的出口与所述LNG增压泵的入口之间的管路上。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第二三通调节阀，所述第二三通调节阀设置于所述第一三通调节阀的出口与所述第一气液分离器的管程入口之间的管路上，所述第一三通调节阀的出口与所述第二三通调节阀的入口连通，所述第二三通调节阀的出口分为两路，一路与所述第一气液分离器的管程入口连通，另一路与所述第一气液分离器的管程出口连通。
进一步地，所述第一气液分离器的壳程上设有第一温度传感器和第一液位传感器，所述第一温度传感器与所述第二三通调节阀信号连接，所述第一液位传感器与所述第一三通调节阀信号连接。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第三三通调节阀，所述第一气液分离器的管程出口与所述第三三通调节阀的入口连通，所述第三三通调节阀的出口分为两路，一路与所述第二气液分离器的管程入口连通，另一路与所述第二气液分离器的管程出口连通，所述第二气液分离器的壳程底部出口与所述排烟管道连通。
进一步地，所述第二气液分离器的壳程底部出口与所述排烟管道之间的管路上设有第一流量调节阀，所述第二气液分离器的壳程上设有第二温度传感器和第二液位传感器，所述第二温度传感器与所述第三三通调节阀信号连接，所述第二液位传感器与所述第一流量调节阀信号连接。
进一步地，所述高压缓冲罐的出口与所述甲烷裂解器的反应空间入口之间的管路上设有流量传感器，所述一氧化碳反应器的反应空间出口与所述第二气液分离器的壳程入口之间的管路上设有一氧化碳探测器；所述蒸气锅炉的蒸气出口与所述甲烷裂解器的反应空间入口以及与所述一氧化碳反应器的反应空间入口之间的管路上分别设有第二流量调节阀和第三流量调节阀，所述流量传感器与所述第二流量调节阀信号连接，所述一氧化碳探测器与所述第三流量调节阀信号连接。
进一步地，所述甲烷裂解器的管程入口管路上、所述一氧化碳反应器的管程入口管路上和所述氨气发生器的管程入口管路上分别设有第四流量调节阀、第五流量调节阀和第六流量调节阀，所述甲烷裂解器的反应空间上、所述一氧化碳反应器的反应空间上和所述氨气发生器的反应空间上分别设有第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器，所述第三温度传感器、所述第四温度传感器和所述第五温度传感器分别与所述第四流量调节阀、所述第五流量调节阀和所述第六流量调节阀信号连接。
进一步地，所述NOX反应器的出口与所述排烟管道的入口之间的管路上设有NOX探测器，所述高压缓冲罐的出口与所述甲烷裂解器的反应空间入口之间的管路上设有第七流量调节阀，所述NOX探测器与所述第七流量调节阀信号连接。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括压缩空气罐，所述混合器内设有喷嘴，所述压缩空气罐的出口与所述氨水箱的出口汇合后与所述喷嘴相连。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第二排气管路，所述第二排气管路的一端与所述发动机排气总管的出口连通，所述第二排气管路的另一端连通至所述NOX反应器的出口与所述排烟管道的入口之间的管路上；所述第一排气管路上设有第一截止阀，所述第二排气管路上设有第二截止阀。
进一步地，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括废气增压透平，所述NOX反应器的出口与所述废气增压透平的入口连通，所述废气增压透平的出口与所述排烟管道的入口连通。
本发明提供的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，采用船舶自有的LNG燃料、锅炉蒸气和氮气作为原材料，利用发动机产生的高温废气作为热源，通过催化反应产生NH3，并利用NH3作为还原剂与发动机产生的高温废气反应，将发动机尾气中的NOX还原成N2，达到脱硝的目的，使发动机尾气达到排放要求。整个系统充分利用高压LNG燃料船舶拥有甲烷、氮气、高压和低温等特有资源，结合锅炉蒸气、发动机烟气余热等资源，实现船舶不携带尿素、液氨或氨水等氨气生产原料即可达到烟气脱硝目的，氨气随着系统运转产生，氨气泄露的安全隐患小。整个系统不需要大功率耗电设备，不需要额外增设氨气生产原料储存舱，有效降低了船舶的能耗，提高了系统经济性和安全性。同时排烟主管路上反应器较少，对主机背压影响较小。
附图说明
图1为本发明实施例中高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示，本发明实施例提供的高压LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然气)燃料船舶发动机尾气处理系统(SCR系统)，包括LNG储罐1、LNG输送泵2、LNG增压泵3、第一气液分离器7、第二气液分离器11、气化器14、高压缓冲罐15、甲烷裂解器20、一氧化碳反应器25、氮气罐30、氨气发生器32、氨水箱35、压缩空气罐36、混合器38、发动机排气总管43、第一排气管路49、NOX反应器39和蒸气锅炉24；
LNG输送泵2设置于LNG储罐1内，LNG输送泵2的出口与LNG增压泵3的入口连通，LNG增压泵3的出口与第一气液分离器7的管程入口连通，第一气液分离器7的管程出口与第二气液分离器11的管程入口连通，第二气液分离器11的管程出口与气化器14的入口连通，气化器14的出口与高压缓冲罐15的入口连通。高压缓冲罐15的出口分为两路，一路与甲烷裂解器20的反应空间入口连通，另一路通往高压LNG燃料发动机(图未示)为发动机供气。甲烷裂解器20的反应空间出口与第一气液分离器7的壳程入口连通，第一气液分离器7的壳程出口与一氧化碳反应器25的反应空间入口连通，一氧化碳反应器25的反应空间出口与第二气液分离器11的壳程入口连通，第二气液分离器11的壳程出口与氮气罐30的出口汇合后再与氨气发生器32的反应空间入口连通，氨气发生器32的反应空间出口与氨水箱35的入口连通，氨水箱35的出口分为两路，一路与压缩空气罐36的出口汇合后再与混合器38的入口连通，另一路连通至氮气罐30的出口管路上；
蒸气锅炉24的蒸气出口分为两路，一路与甲烷裂解器20的反应空间入口连通，另一路与一氧化碳反应器25的反应空间入口连通(具体地，在本实施例中，蒸气锅炉24的蒸气出口分别连通至高压缓冲罐15的出口与甲烷裂解器20的反应空间入口之间的管路上以及第一气液分离器7的壳程出口与一氧化碳反应器25的反应空间入口之间的管路上)；
第一排气管路49的入口与发动机排气总管43的出口连通，第一排气管路49的出口与混合器38的入口连通，甲烷裂解器20的管程入口、一氧化碳反应器25的管程入口和氨气发生器32的管程入口均连通至第一排气管路49上，甲烷裂解器20的管程出口、一氧化碳反应器25的管程出口和氨气发生器32的管程出口汇合后返回至第一排气管路49；混合器38的出口与NOX反应器39的入口连通，蒸气锅炉24上设有排烟管道241，NOX反应器39的出口与排烟管道241的入口连通，排烟管道241的出口直通大气。
具体地，通过部分高温的发动机废气分别流经甲烷裂解器20、一氧化碳反应器25和氨气发生器32，能够为甲烷裂解器20、一氧化碳反应器25和氨气发生器32内发生的反应提供热量，从而无需额外设置热源。同时通过低温的LNG流经第一气液分离器7和第二气液分离器11，利用LNG的冷能分别将甲烷裂解器20中未裂解完全的天然气和一氧化碳反应器25中生成的CO2冷凝后分离出来，从而无需额外设置冷源，降低了船舶的能耗。
进一步地，高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第一气体干燥器组22和第二气体干燥器组28，第一气体干燥器组22设置于甲烷裂解器20的反应空间出口与第一气液分离器7的壳程入口之间的管路上，第二气体干燥器组28设置于一氧化碳反应器25的反应空间出口与第二气液分离器11的壳程入口之间的管路上。
具体地，由于第一气液分离器7和第二气液分离器11内为低温环境，第一气体干燥器组22和第二气体干燥器组28分别用于干燥进入第一气液分离器7和第二气液分离器11的气体中的水分，以防止水分结冰凝固而损坏第一气液分离器7和第二气液分离器11。在本实施例中，第一气体干燥器组22和第二气体干燥器组28均分别由两套相互并联且独立的气体干燥器组成，采用一用一备设计(即其中一套气体干燥器进入使用，另一套气体干燥器备用)，便于系统运转时能进行气体干燥器的保养和维修。
进一步地，在本实施例中，氮气罐30为LNG供气系统中用于天然气管道吹扫用的氮气罐，无需SCR系统单独配置；压缩空气罐36为船舶日用空气罐，无需SCR系统单独配备，从而节省成本和空间。
进一步地，高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括膨胀机16和压缩机31，膨胀机16设置于高压缓冲罐15的出口与甲烷裂解器20的反应空间入口之间的管路上，压缩机31设置于第二气液分离器11的壳程出口与氨气发生器32的反应空间入口之间的管路上，膨胀机16的动力输出轴与压缩机31相连。
具体地，膨胀机16用于为高压缓冲罐15输出的高压天然气降压，以降低后续设备的承压要求。同时，膨胀机16作为动力源带动压缩机31运转，为N2和H2增压，提升氨气发生器32内部的压力，促进NH3的产量。而且压缩机31通过膨胀机16带动运转，无需增加额外的能耗。
进一步地，高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第一三通调节阀4和喷射泵5，LNG增压泵3的出口与第一三通调节阀4的入口连通，第一三通调节阀4的出口分为两路，一路与第一气液分离器7的管程入口连通，另一路与喷射泵5的工作流体入口连通；第一气液分离器7的壳程底部出口与喷射泵5的引射入口连通，喷射泵5的出口连通至LNG输送泵2的出口与LNG增压泵3的入口之间的管路上。
具体地，天然气(主要成分为CH4)在甲烷裂解器20中经过催化剂催化作用与H2O反应产生CO和H2。利用相同压力下天然气、CO及H2的露点温度不同，在第一气液分离器7中使用低温LNG将未裂解的天然气从混合气中液化，利用喷射泵5将第一气液分离器7中的LNG抽回LNG输送泵2出口管道，实现未裂解的天然气与CO和H2的分离。
进一步地，高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第二三通调节阀6，第二三通调节阀6设置于第一三通调节阀4的出口与第一气液分离器7的管程入口之间的管路上，第一三通调节阀4的出口与第二三通调节阀6的入口连通，第二三通调节阀6的出口分为两路，一路与第一气液分离器7的管程入口连通，另一路与第一气液分离器7的管程出口连通。
进一步地，第一气液分离器7的壳程上设有第一温度传感器8和第一液位传感器9，第一温度传感器8与第二三通调节阀6信号连接；第一液位传感器9与第一三通调节阀4信号连接。
进一步地，高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第三三通调节阀10，第一气液分离器7的管程出口与第三三通调节阀10的入口连通，第三三通调节阀10的出口分为两路，一路与第二气液分离器11的管程入口连通，另一路与第二气液分离器11的管程出口连通。第二气液分离器11的壳程底部出口与排烟管道241连通，以将第二气液分离器11内冷凝的CO2排出至排烟管道241。
进一步地，第二气液分离器11的壳程底部出口与排烟管道241之间的管路上设有第一流量调节阀29，第二气液分离器11的壳程上设有第二温度传感器12和第二液位传感器13，第二温度传感器12与第三三通调节阀10信号连接，第二液位传感器13与第一流量调节阀29信号连接。
进一步地，高压缓冲罐15的出口与甲烷裂解器20的反应空间入口之间的管路上设有流量传感器18，一氧化碳反应器25的反应空间出口与第二气液分离器11的壳程入口之间的管路上设有一氧化碳探测器27。蒸气锅炉24的蒸气出口与甲烷裂解器20的反应空间入口以及与一氧化碳反应器25的反应空间入口之间的管路上分别设有第二流量调节阀19和第三流量调节阀23，流量传感器18与第二流量调节阀19信号连接，一氧化碳探测器27与第三流量调节阀23信号连接。
进一步地，甲烷裂解器20的管程入口管路上、一氧化碳反应器25的管程入口管路上和氨气发生器32的管程入口管路上分别设有第四流量调节阀45、第五流量调节阀46和第六流量调节阀47，甲烷裂解器20的反应空间上、一氧化碳反应器25的反应空间上和氨气发生器32的反应空间上分别设有第三温度传感器21、第四温度传感器26和第五温度传感器33，第三温度传感器21、第四温度传感器26和第五温度传感器33分别与第四流量调节阀45、第五流量调节阀46和第六流量调节阀47信号连接。
进一步地，NOX反应器39的出口与排烟管道241的入口之间的管路上设有NOX探测器41，高压缓冲罐15的出口与甲烷裂解器20的反应空间入口之间的管路上设有第七流量调节阀17，NOX探测器41与第七流量调节阀17信号连接。
具体地，NOX探测器41用于检测排放管路中NOX的浓度，当排放废气中的NOX浓度超标时，调大第七流量调节阀17的开度，以产生更多的NH3与发动机废气反应，从而降低排放废气的NOX浓度。
进一步地，混合器38内设有喷嘴37，压缩空气罐36的出口与氨水箱35的出口汇合后与喷嘴37相连。
进一步地，高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第二排气管路50，第二排气管路50的一端与发动机排气总管43的出口连通，第二排气管路50的另一端连通至NOX反应器39的出口与排烟管道241的入口之间的管路上；第一排气管路49上设有第一截止阀44，第二排气管路50上设有第二截止阀48。
进一步地，高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括废气增压透平42，废气增压透平42设置于NOX反应器39的出口与排烟管道241的入口之间的管路上，NOX反应器39的出口与废气增压透平42的入口连通，废气增压透平42的出口与排烟管道241的入口连通。
进一步地，NOX反应器39的出口与废气增压透平42的入口之间的管路上设有第三截止阀40。
进一步地，氨气发生器32的反应空间出口与氨水箱35的入口之间的管路上设有自力式调压阀34。自力式调压阀34起降压作用，由于氨气发生器32内的反应压力较高，通过自力式调压阀34能够降低NH3进入氨水箱35的压力。
具体地，本发明实施例的主要工作原理为：
1、利用船舶发动机废气提供热源，天然气(主要成分为CH4)在甲烷裂解器20中经过催化剂催化作用与H2O反应产生CO和H2。利用相同压力下天然气、CO及H2的露点温度不同，在第一气液分离器7中使用低温LNG将未裂解的天然气从混合气中液化，利用喷射泵5将第一气液分离器7中的LNG抽回LNG输送泵2出口管道，实现天然气与CO和H2的分离。
2、利用船舶发动机废气提供热源，CO在一氧化碳反应器25中经过催化剂催化作用与H2O反应生成CO2和H2，再利用CO2与H2在相同压力下的露点温度不同，在第二气液分离器11中利用低温LNG将CO2液化，实现CO2与H2分离。利用第二气液分离器11内部压力将液态CO2从底部排入排烟管道241内部，排烟管道241内废气余热将液态CO2气化后带入大气。
3、利用船舶发动机废气提供热源，H2在氨气发生器32中经过催化剂催化作用与N2反应生成NH3，NH3与未反应完全的H2及N2进入氨水箱35中，利用NH3极易溶于水的特性，实现NH3与N2和H2的分离，分离出的N2和H2回流至压缩机31入口再次进行增压循环使用。
4、氨水箱35中的氨水在与压缩空气罐36内压缩空气混合后从喷嘴37喷入混合器38，氨水、空气和发动机尾气在混合器38内混合后进入NOX反应器39进行反应，将发动机尾气中的NOX还原成N2，达到脱硝的目的，从而使发动机尾气达到排放要求。
本发明实施例的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统的工作流程为：
1、在需要进行发动机尾气脱硝的工况下，LNG输送泵2将LNG从LNG储罐1中抽出，并送往LNG增压泵3增压至发动机供气需求压力。增压后的LNG通过第一三通调节阀4，第一三通调节阀4的出口一路通过第二三通调节阀6后进入第一气液分离器7内为第一气液分离器7提供能冷，再通过第三三通调节阀10进入第二气液分离器11内，同样也是为第二气液分离器11提供冷能。LNG从第二气液分离器11出口通往气化器14，由外界热源将LNG加热成满足高压LNG发动机需求的CNG(Compressed Natural Gas，压缩天然气)，该CNG压力高达300bar左右。高压CNG进入高压缓冲罐15，以降低系统供气压力波动。高压缓冲罐15一方面为高压LNG发动机供气，另一方面为SCR系统提供产生NH3的天然气原料。由于高压缓冲罐15内的天然气压力较高，利用膨胀机16对高压天然气进行降压处理，同时膨胀机16的输出轴带动压缩机31运转，回收部分压力能。经过膨胀机16降压处理后的天然气通过第七流量调节阀17后与蒸气锅炉24产生的蒸气混合后一并输送至甲烷裂解器20内，流量传感器18用于检测天然气的流量，通过调节第二流量调节阀19的开度调节进入甲烷裂解器20的蒸气量，以保证甲烷和水蒸汽的成分占比维持在合理范围内。甲烷裂解器20内部装有能促进甲烷裂解的催化剂，同时为了保证甲烷裂解的反应温度，通过发动机高温废气为甲烷裂解器20加热，为了维持甲烷裂解器20中的温度在合理范围，通过第三温度传感器21来控制第四流量调节阀45的开度，从而改变发动机废气进入甲烷裂解器20中的流量，控制甲烷裂解器20中的反应温度。甲烷裂解器20中发生的化学反应如下：即通过甲烷与水蒸汽反应生成CO和H2。
甲烷裂解器20反应空间排出的气体包含CO、H2及未反应完全的天然气和水蒸汽，为了防止水蒸汽进入第一气液分离器7中结冰阻塞系统，甲烷裂解器20后的混合气需要经过第一气体干燥器组22进行除水处理。第一气体干燥器组22由两套相互并联且独立的气体干燥器组成，采用一用一备设计(第二气体干燥器组28也采用同样设计)，便于系统运转时能进行气体干燥器的保养和维修。经过除水后的混合气体进入第一气液分离器7，由于在相同的压力下，天然气的露点高于CO及H2，故利用第二三通调节阀6进入第一气液分离器7中的LNG为混合气体降温，天然气在增压状态下会液化，而CO及H2仍旧保持气体状态，为了使第一气液分离器7内的温度维持在合理的温度区间，第一温度传感器8控制第二三通调节阀6的开度，通过调节进入第一气液分离器7中的LNG量以控制第一气液分离器7内的温度。第一液位传感器9用于检测第一气液分离器7中冷凝的LNG液位，当液位达到一定高度时，第一液位传感器9控制第一三通调节阀4开启通往喷射泵5的通路，利用喷射泵5的抽吸作用，将第一气液分离器7中冷凝的LNG抽出并输送至增压泵3入口，再次增压循环。
经过第一气液分离器7的混合气体中包含CO及H2，由于CO不是后续流程的需求原料，需要将其进行处理，CO及H2混合气从第一气液分离器7排出后与锅炉蒸气混合后进入一氧化碳反应器25。为了保证进入一氧化碳反应器25中的CO能充分反应，通过一氧化碳探测器27控制第三流量调节阀23的开度来控制蒸气流量，保证一氧化碳与蒸气保持合理比例。一氧化碳反应器25内部装有能促进CO反应的催化剂，同时为了保证一氧化碳的反应温度，通过发动机高温废气为一氧化碳反应器25加热，为了维持一氧化碳反应器25中的温度保持在合理范围，通过第四温度传感器26来控制第五流量调节阀46的开度，从而改变发动机废气进入一氧化碳反应器25中的流量，控制一氧化碳反应器25内的温度。一氧化碳反应器25中发生的化学反应如下：即通过CO与水蒸汽反应生成CO2和H2。
同样，为了防止水蒸汽进入第二气液分离器11中结冰阻塞系统，一氧化碳反应器25后的混合气需要经过第二气体干燥器组28进行除水处理。除水后的混合气主要成分为CO2与H2，为了分离CO2和H2，利用相同压力下CO2的露点高于H2的特性，低温LNG在第二气液分离器11中为CO2和H2混合气降温，使CO2液化而H2维持气体状态。为了保证第二气液分离器11内的温度维持在合适的温度区间，通过第二温度传感器12控制第三三通调节阀10的开度，从而控制进入第二气液分离器11中的LNG量。CO2在第二气液分离器11中液化后逐渐积累，当CO2的液位达到设定值时，第二液位传感器13控制第一流量调节阀29开启，第二气液分离器11中的内压会将液态的CO2压出并排往排烟管道241内，液态CO2吸收废气中的热量气化，随废气排放。
经第二气液分离器11处理后的气体中仅剩下H2，该H2与氮气罐30中的N2混合后通过压缩机31增压处理，再进入氨气发生器32，该氮气罐30为LNG供气系统中用于天然气管道吹扫用的氮气罐，无需SCR系统单独配置。氨气发生器32内部装有能促进H2和N2反应的催化剂，同时为了保证反应温度，通过发动机高温废气为氨气发生器32加热，为了维持氨气发生器32中的温度保持在合理范围，通过第五温度传感器33来控制第六流量调节阀47的开度，从而改变发动机废气进入氨气发生器32中的流量，控制氨气发生器32内的反应温度。氨气发生器32中发生的化学反应如下：即通过H2与N2反应生成NH3。
氨气发生器32排出的气体中包含NH3和未反应完全的N2和H2，利用NH3极易溶于水的特性，氨气发生器32排出的混合气体经过自力式调压阀34降压后进入氨水箱35，氨水箱35中存有一定量的水，NH3溶于水后产生氨水，而N2和H2通过氨水箱35顶部出口回到压缩机31入口，进行增压后循环使用。氨水箱35中的氨水与压缩空气罐36中的空气混合后由喷嘴37喷入混合器38，使氨水、空气与发动机废气充分混合，该压缩空气罐36为船舶日用空气罐，无需SCR系统单独配备。加入氨水和空气的发动机废气进入NOX反应器39，该NOX反应器39中装有促进NOX进行还原反应的催化剂，使发动机废气中的NOX在NOX反应器39中发生选择性催化还原反应，从而达到脱除NOX的目的。NOX反应器39中发生的反应如下：即NOX与NH3和O2反应生成N2和H2O。
经过脱硝后的发动机废气通过废气增压透平42回收热能，再通过蒸气锅炉24回收部分热能后经排烟管道241排往大气。
2、当发动机废气不需要进行脱硝处理时，开启第二截止阀48，关闭第一截止阀44和第三截止阀40，发动机排气总管43中的废气直接经过废气增压透平42和蒸气锅炉24后排往大气。
本发明实施例提供的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，采用船舶自有的LNG燃料、锅炉蒸气和氮气作为原材料，利用发动机产生的高温废气作为热源，通过催化反应产生NH3，并利用NH3作为还原剂与发动机产生的高温废气反应，将发动机尾气中的NOX还原成N2，达到脱硝的目的，使发动机尾气达到排放要求。整个系统充分利用高压LNG燃料船舶拥有甲烷、氮气、高压和低温等特有资源，结合锅炉蒸气、发动机烟气余热等资源，实现船舶不携带尿素、液氨或氨水等氨气生产原料即可达到烟气脱硝目的，氨气随着系统运转产生，氨气泄露的安全隐患小。同时整个系统不需要大功率耗电设备，不需要额外增设氨气生产原料储存舱，有效降低了船舶的能耗，提高了系统经济性和安全性。同时排烟主管路上反应器较少，对主机背压影响较小。而且，该系统中压缩机31通过膨胀机16带动运转，无需增加额外的能耗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，包括LNG储罐(1)、LNG输送泵(2)、LNG增压泵(3)、第一气液分离器(7)、第二气液分离器(11)、气化器(14)、高压缓冲罐(15)、甲烷裂解器(20)、一氧化碳反应器(25)、氮气罐(30)、氨气发生器(32)、氨水箱(35)、压缩空气罐(36)、混合器(38)、发动机排气总管(43)、第一排气管路(49)、NOX反应器(39)和蒸气锅炉(24)；
所述LNG输送泵(2)设置于所述LNG储罐(1)内，所述LNG输送泵(2)的出口与所述LNG增压泵(3)的入口连通，所述LNG增压泵(3)的出口与所述第一气液分离器(7)的管程入口连通，所述第一气液分离器(7)的管程出口与所述第二气液分离器(11)的管程入口连通，所述第二气液分离器(11)的管程出口与所述气化器(14)的入口连通，所述气化器(14)的出口与所述高压缓冲罐(15)的入口连通；所述高压缓冲罐(15)的出口与所述甲烷裂解器(20)的反应空间入口连通，所述甲烷裂解器(20)的反应空间出口与所述第一气液分离器(7)的壳程入口连通，所述第一气液分离器(7)的壳程出口与所述一氧化碳反应器(25)的反应空间入口连通，所述一氧化碳反应器(25)的反应空间出口与所述第二气液分离器(11)的壳程入口连通，所述第二气液分离器(11)的壳程出口与所述氮气罐(30)的出口汇合后再与所述氨气发生器(32)的反应空间入口连通，所述氨气发生器(32)的反应空间出口与所述氨水箱(35)的入口连通，所述氨水箱(35)的出口分为两路，一路与所述压缩空气罐(36)的出口汇合后再与所述混合器(38)的入口连通，另一路连通至所述氮气罐(30)的出口管路上；
所述蒸气锅炉(24)的蒸气出口分为两路，一路与所述甲烷裂解器(20)的反应空间入口连通，另一路与所述一氧化碳反应器(25)的反应空间入口连通；
所述第一排气管路(49)的入口与所述发动机排气总管(43)的出口连通，所述第一排气管路(49)的出口与所述混合器(38)的入口连通，所述甲烷裂解器(20)的管程入口、所述一氧化碳反应器(25)的管程入口和所述氨气发生器(32)的管程入口均连通至所述第一排气管路(49)上，所述甲烷裂解器(20)的管程出口、所述一氧化碳反应器(25)的管程出口和所述氨气发生器(32)的管程出口汇合后返回至所述第一排气管路(49)；所述混合器(38)的出口与所述NOX反应器(39)的入口连通，所述蒸气锅炉(24)上设有排烟管道(241)，所述NOX反应器(39)的出口与所述排烟管道(241)的入口连通。
2.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第一气体干燥器组(22)和第二气体干燥器组(28)，所述第一气体干燥器组(22)设置于所述甲烷裂解器(20)的反应空间出口与所述第一气液分离器(7)的壳程入口之间的管路上，所述第二气体干燥器组(28)设置于所述一氧化碳反应器(25)的反应空间出口与所述第二气液分离器(11)的壳程入口之间的管路上。
3.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括膨胀机(16)和压缩机(31)，所述膨胀机(16)设置于所述高压缓冲罐(15)的出口与所述甲烷裂解器(20)的反应空间入口之间的管路上，所述压缩机(31)设置于所述第二气液分离器(11)的壳程出口与所述氨气发生器(32)的反应空间入口之间的管路上，所述膨胀机(16)的动力输出轴与所述压缩机(31)相连。
4.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第一三通调节阀(4)和喷射泵(5)，所述LNG增压泵(3)的出口与所述第一三通调节阀(4)的入口连通，所述第一三通调节阀(4)的出口分为两路，一路与所述第一气液分离器(7)的管程入口连通，另一路与所述喷射泵(5)的工作流体入口连通；所述第一气液分离器(7)的壳程底部出口与所述喷射泵(5)的引射入口连通，所述喷射泵(5)的出口连通至所述LNG输送泵(2)的出口与所述LNG增压泵(3)的入口之间的管路上。
5.如权利要求4所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第二三通调节阀(6)，所述第二三通调节阀(6)设置于所述第一三通调节阀(4)的出口与所述第一气液分离器(7)的管程入口之间的管路上，所述第一三通调节阀(4)的出口与所述第二三通调节阀(6)的入口连通，所述第二三通调节阀(6)的出口分为两路，一路与所述第一气液分离器(7)的管程入口连通，另一路与所述第一气液分离器(7)的管程出口连通。
6.如权利要求5所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述第一气液分离器(7)的壳程上设有第一温度传感器(8)和第一液位传感器(9)，所述第一温度传感器(8)与所述第二三通调节阀(6)信号连接，所述第一液位传感器(9)与所述第一三通调节阀(4)信号连接。
7.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第三三通调节阀(10)，所述第一气液分离器(7)的管程出口与所述第三三通调节阀(10)的入口连通，所述第三三通调节阀(10)的出口分为两路，一路与所述第二气液分离器(11)的管程入口连通，另一路与所述第二气液分离器(11)的管程出口连通；所述第二气液分离器(11)的壳程底部出口与所述排烟管道(241)连通。
8.如权利要求7所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述第二气液分离器(11)的壳程底部出口与所述排烟管道(241)之间的管路上设有第一流量调节阀(29)，所述第二气液分离器(11)的壳程上设有第二温度传感器(12)和第二液位传感器(13)，所述第二温度传感器(12)与所述第三三通调节阀(10)信号连接，所述第二液位传感器(13)与所述第一流量调节阀(29)信号连接。
9.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压缓冲罐(15)的出口与所述甲烷裂解器(20)的反应空间入口之间的管路上设有流量传感器(18)，所述一氧化碳反应器(25)的反应空间出口与所述第二气液分离器(11)的壳程入口之间的管路上设有一氧化碳探测器(27)；所述蒸气锅炉(24)的蒸气出口与所述甲烷裂解器(20)的反应空间入口以及与所述一氧化碳反应器(25)的反应空间入口之间的管路上分别设有第二流量调节阀(19)和第三流量调节阀(23)，所述流量传感器(18)与所述第二流量调节阀(19)信号连接，所述一氧化碳探测器(27)与所述第三流量调节阀(23)信号连接。
10.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述甲烷裂解器(20)的管程入口管路上、所述一氧化碳反应器(25)的管程入口管路上和所述氨气发生器(32)的管程入口管路上分别设有第四流量调节阀(45)、第五流量调节阀(46)和第六流量调节阀(47)，所述甲烷裂解器(20)上、所述一氧化碳反应器(25)上和所述氨气发生器(32)上分别设有第三温度传感器(21)、第四温度传感器(26)和第五温度传感器(33)，所述第三温度传感器(21)、所述第四温度传感器(26)和所述第五温度传感器(33)分别与所述第四流量调节阀(45)、所述第五流量调节阀(46)和所述第六流量调节阀(47)信号连接。
11.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述NOX反应器(39)的出口与所述排烟管道(241)的入口之间的管路上设有NOX探测器(41)，所述高压缓冲罐(15)的出口与所述甲烷裂解器(20)的反应空间入口之间的管路上设有第七流量调节阀(17)，所述NOX探测器(41)与所述第七流量调节阀(17)信号连接。
12.如权利要求1所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述混合器(38)内设有喷嘴(37)，所述压缩空气罐(36)的出口与所述氨水箱(35)的出口汇合后与所述喷嘴(37)相连。
13.如权利要求1-12中任一项所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括第二排气管路(50)，所述第二排气管路(50)的一端与所述发动机排气总管(43)的出口连通，所述第二排气管路(50)的另一端连通至所述NOX反应器(39)的出口与所述排烟管道(241)的入口之间的管路上；所述第一排气管路(49)上设有第一截止阀(44)，所述第二排气管路(50)上设有第二截止阀(48)。
14.如权利要求1-12中任一项所述的高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统，其特征在于，所述高压LNG燃料船舶发动机尾气处理系统还包括废气增压透平(42)，所述NOX反应器(39)的出口与所述废气增压透平(42)的入口连通，所述废气增压透平(42)的出口与所述排烟管道(241)的入口连通。
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