CN114856764B

CN114856764B - 氨燃料发动机的尾气处理系统、发动机和船舶

Info

Publication number: CN114856764B
Application number: CN202210342284.7A
Authority: CN
Inventors: 张尊华; 郑映仪; 徐文鑫; 张熠; 阮智邦
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-04-02
Filing date: 2022-04-02
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2042-04-02
Also published as: CN114856764A

Abstract

本发明公开了一种氨燃料发动机的尾气处理系统、发动机和船舶，可以应用于尾气处理技术领域。本发明系统通过第一除水装置对发动机排放的尾气进行除水，通过氮氧化合物捕集器将除水后的尾气与氢气进行反应后生成少量的氨气，通过设置的管道收集氮氧化合物捕集器输出的部分尾气，以利用尾气的余热向设置的氨气合成装置提供热量，使氨气合成装置合成氨气，将剩余尾气和氨气输出到设置的换热器，再利用设置的脱硝装置将尾气和氨气还原成氮气和水后，通过设置的液氮换热器分离出不可冷凝的气体并收集氨气，接着通过水箱和第二除水装置排除一氧化二氮和水后，再利用氮气分离装置分离出氮气和氧气，从而实现氨气的收集和废气的回收利用。

Description

氨燃料发动机的尾气处理系统、发动机和船舶

技术领域

本发明涉及尾气处理技术领域，尤其是一种氨燃料发动机的尾气处理系统、发动机和船舶。

背景技术

相关技术中，氨为氮氢化合物，其可以人工合成，并且具有在一定条件可分解、便于运输以及能量密度大的特点，可以用作发动机燃料的替代物。由于氨本身不含碳原子，燃烧后不会产生碳化合物，因此，燃烧不完全进入大气也不会加剧温室效用。氨燃烧过程中虽然不会产生二氧化碳，但是产物中的氮氧化物(NOx)含量会比化石燃料燃烧排放高。NOx会造成人们呼吸困难、肺部受损等疾病，以及带来酸雨、臭氧空洞、光化学烟雾等环境问题，是主要大气污染物之一。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种氨燃料发动机的尾气处理系统、发动机和船舶，能够有效降低氨燃料燃烧产物对大气的污染程度。

一方面，本发明实施例提供了一种氨燃料发动机的尾气处理系统，包括：

第一除水装置，所述第一除水装置的入口端用于连接发动机的尾气排放端；

氮氧化合物捕集器，所述氮氧化合物捕集器的第一进气端与所述第一除水装置的出口端连接，所述氮氧化合物捕集器的第二进气端用于输入氢气；

管道，所述管道的进气端与所述氮氧化合物捕集器的出气端连接；

氨气合成装置，所述氨气合成装置设置于所述管道内部，所述管道内的气体余热用于向所述氨气合成装置提供热量；所述氨气合成装置的第一进气端用于输入氮气，所述氨气合成装置的第二进气端用于输入混合气体，所述混合气体包括氢气或氮气；

换热器，所述换热器的第一进气端分别与所述氮氧化合物捕集器的出气端和所述管道的出气端连接；所述换热器的第二进气端与所述氨气合成装置的出气端连接；

脱硝装置，所述脱硝装置的第一进气端与所述换热器的出气端连接；

液氮换热器，所述液氮换热器的进气端与所述脱硝装置的出气端连接；

水箱，所述水箱的进气端与所述液氮换热器的出气端连接；

第二除水装置，所述第二除水装置的进气端与所述水箱的出气端连接；

氮气分离装置，所述氮气分离装置的进气端与所述第二除水装置的出气端连接；所述氮气分离装置的第一出气端与所述脱硝装置的第二进气端连接，所述氮气分离装置的第二出气端与所述氨气合成装置的第二进气端连接。

在一些实施例中，所述系统还包括：

除尘器，所述除尘器设置于所述氮氧化合物捕集器的出气端与所述管道的进气端之间。

在一些实施例中，所述系统还包括：

比例阀，所述比例阀设置于所述除尘器的出气端与所述管道的进气端之间，用于调节进入所述管道内的尾气量。

在一些实施例中，所述系统还包括：

氮氧化合物传感器，所述氮氧化合物传感器设置于所述脱硝装置的出气端和所述液氮换热器的进气端之间，用于检测所述脱硝装置的出气端的氮氧化合物的含量；

氮气流量计，所述氮气流量计设置于所述氨气合成装置的第一进气端，用于控制进入所述氨气合成装置的氮气量。

在一些实施例中，所述系统还包括：

增压风机，所述增压风机设置于所述氨气合成装置的第二进气端，用于对流向所述氨气合成装置的混合气体进行增压。

在一些实施例中，所述系统还包括：

扩压管，所述扩压管设置于所述除尘器的出气端与所述换热器的第一进气端之间，用于对流向所述换热器的第一进气端的尾气进行降速和升压。

在一些实施例中，所述系统还包括：

第一温度传感器，所述第一温度传感器设置于所述换热器的出气端与所述脱硝装置的第一进气端之间；

第二温度传感器，所述第二温度传感器设置于所述氮气分离装置的第一出气端与所述脱硝装置的第二进气端之间。

在一些实施例中，所述系统还包括：

若干个节流阀，所述若干个节流阀用于对应位置的流体流量。

另一方面，本发明实施例提供了一种发动机，通过所述的氨燃料发动机的尾气处理系统进行尾气处理。

另一方面，本发明实施例提供了一种船舶，所述船舶上设有所述的氨燃料发动机的尾气处理系统；或者所述船舶上设有所述的发动机。

本发明实施例提供的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，具有如下有益效果：

本实施例通过设置的第一除水装置对发动机排放的尾气进行除水，通过设置的氮氧化合物捕集器将除水后的尾气与氢气进行反应后生成少量的氨气，通过设置的管道收集氮氧化合物捕集器输出的部分尾气，以利用尾气的余热向设置的氨气合成装置提供热量，使氨气合成装置利用余热合成氨气，将氮氧化合物捕集器输出的剩余尾气输出到设置的换热器，同时将氨气合成装置合成的氨气也输出到换热器，使得经过换热器的尾气和氨气都具有一定热量，再利用设置的脱硝装置将尾气和氨气还原成氮气和水后，通过设置的液氮换热器分离出不可冷凝的气体并收集氨气，接着通过设置的水箱和第二除水装置排除一氧化二氮和水后，再利用设置的氮气分离装置分离出氮气和氧气，从而实现氨气的收集和废气的回收利用，以有效降低氨燃料燃烧产物对大气的污染程度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例一种氨燃料发动机的尾气处理系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本发明实施例提供了一种氨燃料发动机的尾气处理系统，包括第一除水装置110、氮氧化合物捕集器120、管道130、氨气合成装置140、换热器150、脱硝装置160、液氮换热器170、水箱180、第二除水装置190和氮气分离装置200。其中，所述第一除水装置110的入口端用于连接发动机100的尾气排放端；所述氮氧化合物捕集器120的第一进气端与所述第一除水装置110的出口端连接，所述氮氧化合物捕集器120的第二进气端用于输入氢气；所述管道130的进气端与所述氮氧化合物捕集器120的出气端连接；所述氨气合成装置140设置于所述管道130内部，所述管道130内的气体余热用于向所述氨气合成装置140提供热量；所述氨气合成装置140的第一进气端用于输入氮气，所述氨气合成装置140的第二进气端用于输入混合气体，所述混合气体包括氢气或氮气；所述换热器150的第一进气端分别与所述氮氧化合物捕集器120的出气端和所述管道130的出气端连接；所述换热器150的第二进气端与所述氨气合成装置140的出气端连接；所述脱硝装置160的第一进气端与所述换热器150的出气端连接；所述液氮换热器170的进气端与所述脱硝装置160的出气端连接；所述水箱180的进气端与所述液氮换热器170的出气端连接；所述第二除水装置190的进气端与所述水箱180的出气端连接；所述氮气分离装置200的进气端与所述第二除水装置190的出气端连接；所述氮气分离装置200的第一出气端与所述脱硝装置160的第二进气端连接，所述氮气分离装置200的第二出气端与所述氨气合成装置140的第二进气端连接。

在本实施例中，当第一除水装置连接的发动机进行工作时，发动机的尾气通过尾气排放端排放到第一除水装置，通过第一除水装置出去尾气内的水分。其中，除水装置包括容器和除水剂，在除水过程中，容器用于收集尾气，除水剂用于出去收集到的尾气内的水分。接着将出去水分的尾气排放到氮氧化合物捕集器内，同时，也向氮氧化合物捕集器内输送氢气，使得氮氧化合物捕集器从尾气中捕获氮氧化合物与氢气在催化剂下可以生成少量氨气。然后，氮氧化合物捕集器将气体分别输送到管道和换热器内，管道在获取氮氧化合物捕集输送的气体后，将该气体的热量传递到设置在其内部的氨气合成装置中，使氨气合成装置可以利用该气体热量进行氨气合成，并将合成的氨气输送到换热器内。换热器在得到氮氧化合物捕集器输送的尾气和氨气合成装置输送的氨气后，利用氮氧化合物捕集器输送的尾气的热量对氨气进行加热，使得输送到脱硝装置内的混合气体具有一定的热量，从而降低发生脱硝装置内的尿素水溶液因低温结晶而导致喷射装置堵塞的概率。脱硝装置在得到混合气体后，利用混合气体内的氮元素和氢元素，结合输送进来的氧气，进行催化还原反应后，生成包含大量氨气的混合气体。然后利用液氮换热器收集脱硝装置输送的混合气体内的氨气，并分离出混合气体中不可冷凝的气体，例如一氧化二氮、氮气和氧气，氨气进入收集器后可进行二次利用。不可冷凝的一氧化二氮、氮气和氧气则通过设置的水箱和第二除水装置除去一氧化二氮气体，然后再利用设置的氮气分离装置，结合氮气和氧气的密度特性对氮气和氧气进行分离，并将分离后的氧气输送到脱硝装置内，以为脱硝装置的催化还原反应提供原材料；将分离后的氮气输送到氨气合成装置，从而进行二次利用，以有效降低氨燃料燃烧产物对大气的污染程度。

在本申请实施例中，图1所示系统还包括除尘器210，所述除尘器210设置于所述氮氧化合物捕集器120的出气端与所述管道130的进气端之间。具体地，除尘器具有把粉尘从气体中分离出来的特征。在本实施例中，由于发动起排出的尾气中存在一定含量的颗粒物，本实施例为了降低颗粒物对后续回收利用过程的影响，可以通过设置的除尘器除去氮氧化合物捕集器输出气体中的颗粒物，从而提高后面尾气回收利用率。

在本申请实施例中，图1所示系统还包括比例阀220，所述比例阀220设置于所述除尘器210的出气端与所述管道130的进气端之间，用于调节进入所述管道130内的尾气量，从而可以更好地利用尾气的余热。

在本申请实施例中，图1所示系统还包括氮氧化合物传感器230和氮气流量计240。其中，所述氮氧化合物传感器230设置于所述脱硝装置160的出气端和所述液氮换热器170的进气端之间，用于检测所述脱硝装置的出气端的氮氧化合物的含量；所述氮气流量计240设置于所述氨气合成装置140的第一进气端，用于控制进入所述氨气合成装置140的氮气量。本实施例利用氮氧化合物传感器检测脱硝装置的出气端中氮氧化合物的含量，从而可以利用检测到的氮氧化合物的含量来调节进入所述氨气合成装置的氮气量，从而提高氮气的利用率。

在一些实施例中，图1所示系统还包括增压风机250，所述增压风机250设置于所述氨气合成装置140的第二进气端，用于对流向所述氨气合成装置140的混合气体进行增压，从而氨气合成装置内的氨气合成率。在本实施例中，由于氨气合成装置内的气体压力较大，为了提高合成过程的安全性，在氨气合成装置140的输出端上设有第一减压阀281，第一减压阀281可以用于稳定氨气合成装置内的气体压力，从而可以使输出到换热器上的氨气压力也处于稳定状态。在脱硝装置160的输出端上设有第二减压阀282，第二减压阀282可以用于稳定脱硝装置内的气体压力，从而可以使脱硝装置输出到液氮换热器上的气体压力也处于稳定状态。

在本申请实施例中，图1所示系统还包括扩压管260，所述扩压管260设置于所述除尘器210的出气端与所述换热器150的第一进气端之间，用于对流向所述换热器150的第一进气端的尾气进行降速和升压，使得进入到换热器上的尾气的流速处于稳定状态，从而可以更好地利用尾气热量。

在本申请实施例中，图1所示系统还包括第一温度传感器271和第二温度传感器272，所述第一温度传感器271设置于所述换热器150的出气端与所述脱硝装置160的第一进气端之间，用于检测换热器150的出气端上的气体温度；所述第二温度传感器272设置于所述氮气分离装置200的第一出气端与所述脱硝装置160的第二进气端之间，用于检测氮气分离装置200的第一出气端上输出氧气的温度。本实施例通过设置的第一温度传感器和第二温度传感器，以及时有效的检测到进入脱硝装置的气体温度，从而可以更好的控制脱硝装置内的温度，以提高催化还原反应的还原率。

在本申请实施例中，图1所示系统还包括若干个节流阀，所述若干个节流阀用于对应位置的流体流量。具体地，若干个节流阀包括第一节流阀291、第二节流阀292、第三节流阀293、第四节流阀294和第五节流阀295。其中，第一节流阀291设置于第一除水装置110的出口端，用于调节除水装置输出到氮氧化合物捕集器上流体量；第二节流阀292设置于增压风机250的氢气进气端，用于调节进入增压风机的氢气量；第三节流阀293设置于氮气分离装置200的第二出气端上，用于调节氮气分离装置上输出氮气量；第四节流阀294设置于换热器150的出气端上，用于调节换热器输出的混合气体量；第五节流阀295设置于氮气分离装置200的第一出气端上，用于调节氮气分离装置上输出氧气量。

综上可知，本申请实施例提供的氨燃料发动机的尾气处理系统，可以有效处理尾气中NOx和N₂O，减少酸雨的形成和N₂O对臭氧层强烈的破坏，以改善大气环境。

本发明实施例提供了一种发动机，通过图1所示的氨燃料发动机的尾气处理系统进行尾气处理。

此外，本发明实施例提供了一种船舶，所述船舶上设有图1所示的氨燃料发动机的尾气处理系统；或者所述船舶上设有通过图1所示氨燃料发动机的尾气处理系统进行尾气处理的发动机。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，包括：

换热器A，所述换热器A的第一进气端分别与所述氮氧化合物捕集器的出气端和所述管道的出气端连接；所述换热器A的第二进气端与所述氨气合成装置的出气端连接；

脱硝装置，所述脱硝装置的第一进气端与所述换热器A的出气端连接；

液氮换热器B，所述液氮换热器B的进气端与所述脱硝装置的出气端连接；

水箱，所述水箱的进气端与所述液氮换热器B的出气端连接；

2.根据权利要求1所述的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

3.根据权利要求2所述的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

4.根据权利要求1所述的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

氮氧化合物传感器，所述氮氧化合物传感器设置于所述脱硝装置的出气端和所述液氮换热器B的进气端之间，用于检测所述脱硝装置的出气端的氮氧化合物的含量；

5.根据权利要求1所述的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

6.根据权利要求2所述的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

扩压管，所述扩压管设置于所述除尘器的出气端与所述换热器A的第一进气端之间，用于对流向所述换热器A的第一进气端的尾气进行降速和升压。

7.根据权利要求1所述的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

第一温度传感器，所述第一温度传感器设置于所述换热器A的出气端与所述脱硝装置的第一进气端之间；

8.根据权利要求1所述的一种氨燃料发动机的尾气处理系统，其特征在于，所述系统还包括：

9.一种发动机，其特征在于，通过权利要求1-8任一项所述的氨燃料发动机的尾气处理系统进行尾气处理。

10.一种船舶，其特征在于，所述船舶上设有权利要求1-8任一项所述的氨燃料发动机的尾气处理系统；或者所述船舶上设有权利要求9所述的发动机。