CN114790956A - 一种船用氨燃料发动机减排装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氨燃料发动机技术领域，特别涉及一种船用氨燃料发动机减排装置及控制方法，包括氨气供给模块，其具有氨燃料发动机燃料供给管支路；废气混合模块，收集发动机所排尾气，并与所述氨气供给模块连通；反应模块，与所述废气混合模块连通，并为尾气和氨气的混合气进行SCR反应提供场所；排放模块，与所述反应模块连通，排放混合气反应后生成的物质；本发明将船舶的氨燃料直接用作为SCR反应的还原剂，并且氨燃料发动机燃料供给管支路直接供给，能够直接利用船舶的燃料供给系统来为减排装置供给压力。

Description

一种船用氨燃料发动机减排装置及控制方法
技术领域
本发明属于氨燃料发动机技术领域，特别涉及一种船用氨燃料发动机减排装置及控制方法。
背景技术
氨燃料便于储存运输且燃烧不产生二氧化碳，因此其逐渐应用在船舶发动机领域。氨燃料虽然不产生二氧化碳但也能产生其他污染物，比如氮氧化物是氨燃料发动机尾气的主要污染物，这就要求氨燃料船舶必须配备有效的减排装置。
当前处理尾气中氮氧化物的最有效处理方法是选择性催化还原(SelectiveCatalytic Reduction,SCR)，SCR技术是在催化剂的作用下依靠还原剂，将尾气中的氮氧化物(NOx)还原成氮气(N2)和水。
在反应过程中通常将氨气(NH3)作为还原剂，当前氨气可通过尿素的热解反应获得，但是必须设置尿素的储存及驳运系统以及专门为尿素混合及热解反应设置的单独混合器，无疑会增大重量和占用空间；另外，尿素的热解反应需要在高温环境下进行，将会提高SCR逻辑控制中设置的最低反应限制温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种船用氨燃料发动机减排装置及控制方法，以解决现有技术中氨燃料船舶发动机依靠热解尿素获得氨气进行氮氧化物减排的问题。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：
第一方面，本发明提供了一种船用氨燃料发动机减排装置，包括：
氨气供给模块，其具有氨燃料发动机燃料供给管支路；
废气混合模块，收集发动机所排尾气，并与所述氨气供给模块连通；
反应模块，与所述废气混合模块连通，并为尾气和氨气的混合气进行SCR反应提供场所；
排放模块，与所述反应模块连通，排放混合气反应后生成的物质。
作为进一步的技术方案，所述氨气供给模块还具有氨燃料供气管支路，其与所述氨燃料发动机燃料供给管支路并联。
作为进一步的技术方案，在所述氨气供给模块与所述废气混合模块之间的连通管路上设置缓存罐。
作为进一步的技术方案，在所述氨气供给模块与所述废气混合模块之间的连通管路上设置设置比例阀以及调节其开度的控制器。
作为进一步的技术方案，所述废气混合模块包括废气总管以及与其连通的废气支管，所述废气总管与所述氨气供给模块连通，所述废气支管与所述反应模块连通。
作为进一步的技术方案，所述反应模块包括反应罐，所述反应罐分为入口区和反应区，所述反应区内横向设置至少一层SCR反应所需的催化剂。
作为进一步的技术方案，所述反应区内横向设置至少一层N2O催化裂解反应所需的催化剂。
作为进一步的技术方案，所述入口区变径缩口设置，从入口处依次向内加装导流叶片与均布叶片，混合气通过两者导流后从小截面至大截面均匀分布。
作为进一步的技术方案，所述排放模块排放口处设置第一NOx传感器和NH3逃逸传感器，所述反应模块入口处设置第二NOx传感器。
第二方面，本发明提供了一种氨气喷射供给量控制方法，采用如第一方面的减排装置，包括以下步骤：
以发动机功率负荷百分比和转速信号为输入边界条件建立发动机NOx排放浓度预测模型，根据NOx排放预测值并利用化学平衡法确定初始NH3喷射供给量；
以第一NOx传感器、第二NOx传感器、NH3逃逸传感器、排放模块排放口处NOx和NH3设定运行极值的信号以及催化反应温度为边界条件建立催化反应机理模型；
建立催化剂温度响应模型，以其与催化反应机理模型的综合影响为反馈条件，求和确定NH3的最小喷射供给量，通过响应曲线法确定比例阀的最小开度值。
上述本发明的有益效果如下：
(1)本发明将船舶的氨燃料直接用作为SCR反应的还原剂，无需额外设置催化剂的储存及驳运系统；由于氨燃料发动机SCR不再需要尿素热解来制备氨气，因此SCR可以不再需要专门为尿素混合及热解反应设置单独的混合器，并可以重新设置SCR逻辑控制中的最低反应限制温度；并且氨燃料发动机燃料供给管支路直接供给，能够直接利用船舶的燃料供给系统来为减排装置供给压力。
(2)本发明主供给管路来自氨燃料发动机燃料供给管，依靠发动机的供气系统为减排装置提供供气压力。在主供气管路无法满足压力要求时，氨燃料的供气管路可辅助氨燃料发动机燃料供给管供压。
(3)本发明在氨气供给模块与废气混合模块之间的连通管路上设置缓存罐，可以为氨气的供给提供一个持续且稳定的压力源。
(4)本发明设置废气总管以及与其连通的废气支管，氨气在废气总管内实现与废气的初次混合，至废气总管后和反应模块之间的废气支管中实现二次混合，增加了氨与废气混合的时间和空间长度，较常规SCR系统减少了混合蒸发器，简化了系统组成，降低了设备空间尺寸，也一定程度上减少了材料消耗成本。
(5)本发明提出的氨气喷射供给量控制方法，能够实现NH3喷射供给量的最小量供给和精准控制，能够在满足排放要求的前提下降低NH3消耗量，减少还原剂使用成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了本发明实施例中减排装置布局示意图。
图中：1、氨燃料发动机燃料供给管支路；2、氨燃料供气管支路；3、氨气增压泵；4、安全泄压阀；5、缓存罐；6、减压阀组；7、流量计；8、比例阀；9、氨气释放装置；10、导流叶片；11、均布叶片；12、主控柜；13、氨气加注控制箱；14、第一NOx传感器；15、入口阀；16、出口阀；17、旁通阀；18、反应区压差传感器；19、减排装置压差传感器；20、第二NOx传感器；21、NH3逃逸传感器；22、控制器；23、增压器；24、扫气箱；25、废气总管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种船用氨燃料发动机减排装置，包括：
氨气供给模块，其具有氨燃料发动机燃料供给管支路1；
废气混合模块，收集发动机所排尾气，并与氨气供给模块连通；
反应模块，与废气混合模块连通，并为尾气和氨气的混合气进行SCR反应提供场所；
排放模块，与反应模块连通，排放混合气反应后生成的物质。
本实施例中将船舶的氨燃料直接用作为SCR反应的还原剂，无需额外设置催化剂的储存及驳运系统；由于氨燃料发动机SCR不再需要尿素热解来制备氨气，因此SCR可以不再需要专门为尿素混合及热解反应设置单独的混合器，并可以重新设置SCR逻辑控制中的最低反应限制温度；并且氨燃料发动机燃料供给管支路直接供给，能够直接利用船舶的燃料供给系统来为减排装置供给压力。
氨燃料发动机尾气中硫氧化物含量可以忽略，因此在SCR系统的逻辑控制中就不需要因为规避硫酸氢铵ABS的生成而增加温度限制条件；氨燃料燃烧后废气中几乎不含颗粒杂质，因此也无需考虑杂质与硫酸氢铵ABS相互作用引发的催化剂黏附阻塞问题，由此氨燃料的SCR可以取消吹灰系统，并且可选择高目数更高效的催化剂从而减小SCR反应器的空间体积。
以下将对减排装置的各模块逐一说明。
氨气供给模块
本实施例中，氨气供给模块除氨燃料发动机燃料供给管支路1之外，还具有氨燃料供气管支路2，其与氨燃料发动机燃料供给管支路并联。
主供给管路来自氨燃料发动机燃料供给管1，依靠发动机的供气系统为减排装置提供供气压力。在主供气管路无法满足压力要求时，氨燃料的供气管路2可辅助氨燃料发动机燃料供给管1供压。
氨燃料的供气管路2设有氨气增压泵3，利用氨气增压泵3来为氨燃料的供气管路2增压。氨气增压泵3配置有氨气加注控制箱13。
氨气供给管路上设置安全泄压阀4，一旦供给的氨气压力超出设计要求就直接进行压力泄放。
在安全泄压阀后设置氨气储存的缓存罐5，即缓存罐5设置于氨气供给模块与废气混合模块之间的连通管路上。缓存罐5主要是为氨气的供给提供一个持续且稳定的压力源。压力源的压力是需要通过减压阀组6进行减压后方可进行使用。
在氨气供给模块与废气混合模块之间的连通管路上还设置比例阀8以及调节其开度的控制器22。比例阀8设置减压阀组6之后，与比例阀8同时设置的还有流量计7以实时检测流量。SCR的氨气加注量是依靠控制比例阀8的开度，控制器22采用PID算法，监控流量计7反馈的实时氨气流量来调节比例阀8，最终保证实际的氨气加注量符合当前的主控系统要求的加注量。
废气混合模块
废气混合模块包括废气总管25以及与其连通的废气支管，废气总管25与氨气供给模块连通，废气支管与反应模块连通，废气支管上设置入口阀15。
氨气是通过氨气释放装置9向废气总管25内进行加注氨气，氨气释放装置9属于现有技术，其具体结构此处不再赘述。氨气在废气总管25内实现与废气的初次混合，至废气总管25后和反应模块之间的废气支管中实现二次混合，混合效果好，能实现氨与废气的混合均匀性大于95％。
设置废气总管25以及与其连通的废气支管，氨气在废气总管25内实现与废气的初次混合，至废气总管25后和反应模块之间的废气支管中实现二次混合，增加了氨与废气混合的时间和空间长度，较常规SCR系统减少了混合蒸发器，简化了系统组成，降低了设备空间尺寸，也一定程度上减少了材料消耗成本。
反应模块
反应模块包括反应罐，反应罐分为入口区和反应区，反应区内横向设置至少一层SCR反应所需的催化剂。反应区内横向设置至少一层N2O催化裂解反应所需的催化剂。
每层催化剂是由若干个催化剂块组成并设置在反应罐的横截面，混合气在通过的过程中发生化学反应。
本实施例设置了四层催化剂，其中两层处理NO/NO2催化剂(用A和B代表催化剂)和两层处理N20裂解催化剂(用C和D代表催化剂)，本实施例布置方案为顺气流方向A→B→C→D，也可为A→C→D→B，A→C→B→D，C→A→B→D，C→A→D→B，C→D→A→B。
在其他一些实施例中，催化剂的布置方案也可为三层：两层处理NO/NO2催化剂(A和B)和一层处理N20裂解催化剂(C)，布置方案为顺气流方向A→B→C,A→C→B或C→A→B。可以理解的是，设置的层数和顺序不局限于本实施例中的设置方式。
混合气进入反应区，其中混合气中的NO/NO2会在催化剂上完成如下反应：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO+4NH3+2NO2→4N2+6H2O
最终将混合气中的NOx转变为无毒无害的氮气和水。在裂化催化剂上主要进行的是N2O的催化裂解反应：
2N2O→2N2+O2
该反应选用金属氧化物和复合金属氧化物作为催化剂，将烟气中的N2O催化分解为无毒无害的氮气和氧气。
为监控催化剂的状态，在混合反应器处设置反应区压差传感器18。
通过在反应区设置两种催化剂，使得减排装置具备同时处理NOx和N2O的能力，NOx为导致酸雨的主要气体，N2O为强温室气体。分别采用催化还原反应和催化裂解消除法将两种气体转化为氨气和水。
入口区变径缩口设置，从入口处依次向内加装导流叶片10与均布叶片11，使得混合气通过两者导流后从小截面至大截面均匀分布。其中导流叶片10与均布叶片11属于现有技术，其具体结构此处不再赘述。
在反应模块入口处设置第二NOx传感器20，以监测入口处的NOx含量信号。
排放模块
排放模块包括增压器23，反应模块反应后的物质由出口阀16进入增压器23的废气端，并通过废气端将反应后的物质排至大气。
排放模块排放口处，即增压器23排放口设置第一NOx传感器14和NH3逃逸传感器21，分别用于监测排放口NOx和NH3逃逸含量信号，通过第一NOx传感器14实时监控NOx含量并以此来调整喷氨量。
另外，在增压器23与发动机连接，之间设置扫气箱24。
在废气总管25与出口阀16之间设置旁通阀17，并在旁通阀17前后设有减排装置压差传感器用于监测系统前后的压差。
减排装置还包括控制模块，控制模块主要包括主控柜12。
主控柜12是整个减排装置的中枢控制单元，它通过采集减排装置各传感器的实时数据来对系统阀件及氨气加注控制箱13发送控制指令。主控柜12与其控制的元件如图1中虚线所示。
实施例2
本实施例提供了一种氨气喷射供给量控制方法，采用实施例1的减排装置，包括以下步骤：
以发动机功率负荷百分比和转速信号为输入边界条件建立发动机NOx排放浓度预测模型，根据NOx排放预测值并利用化学平衡法确定初始NH3喷射供给量；
以第一NOx传感器14、第二NOx传感器20、NH3逃逸传感器21、排放模块排放口处NOx和NH3设定运行极值的信号以及催化反应温度为边界条件建立催化反应机理模型；
建立催化剂温度响应模型，以其与催化反应机理模型的综合影响为反馈条件，求和确定NH3的最小喷射供给量，通过响应曲线法确定比例阀8的最小开度值。
实现NH3喷射供给量的最小量供给和精准控制，能够在满足排放要求的前提下降低NH3消耗量，减少还原剂使用成本。
本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，包括：
氨气供给模块，其具有氨燃料发动机燃料供给管支路；
废气混合模块，收集发动机所排尾气，并与所述氨气供给模块连通；
反应模块，与所述废气混合模块连通，并为尾气和氨气的混合气进行SCR反应提供场所；
排放模块，与所述反应模块连通，排放混合气反应后生成的物质。
2.如权利要求1所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，所述氨气供给模块还具有氨燃料供气管支路，其与所述氨燃料发动机燃料供给管支路并联。
3.如权利要求2所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，在所述氨气供给模块与所述废气混合模块之间的连通管路上设置缓存罐。
4.如权利要求2所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，在所述氨气供给模块与所述废气混合模块之间的连通管路上设置设置比例阀以及调节其开度的控制器。
5.如权利要求1所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，所述废气混合模块包括废气总管以及与其连通的废气支管，所述废气总管与所述氨气供给模块连通，所述废气支管与所述反应模块连通。
6.如权利要求1所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，所述反应模块包括反应罐，所述反应罐分为入口区和反应区，所述反应区内横向设置至少一层SCR反应所需的催化剂。
7.如权利要求6所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，所述反应区内横向设置至少一层N2O催化裂解反应所需的催化剂。
8.如权利要求6所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，所述入口区变径缩口设置，从入口处依次向内加装导流叶片与均布叶片，混合气通过两者导流后从小截面至大截面均匀分布。
9.如权利要求4所述的一种船用氨燃料发动机减排装置，其特征在于，所述排放模块排放口处设置第一NOx传感器和NH3逃逸传感器，所述反应模块入口处设置第二NOx传感器。
10.一种氨气喷射供给量控制方法，采用如权利要求9所述的减排装置，其特征在于，包括以下步骤：
以发动机功率负荷百分比和转速信号为输入边界条件建立发动机NOx排放浓度预测模型，根据NOx排放预测值并利用化学平衡法确定初始NH3喷射供给量；
以第一NOx传感器、第二NOx传感器、NH3逃逸传感器、排放模块排放口处NOx和NH3设定运行极值的信号以及催化反应温度为边界条件建立催化反应机理模型；
建立催化剂温度响应模型，以其与催化反应机理模型的综合影响为反馈条件，求和确定NH3的最小喷射供给量，通过响应曲线法确定比例阀的最小开度值。
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