CN114991945A - 一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机领域，具体涉及一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统及其应用，包括储氨罐、储氧罐、气缸、尾气处理装置和第一冷凝器；第一冷凝器分别与储氨罐、储氧罐和尾气处理装置相连接，气缸分别与储氨罐、第一冷凝器和尾气处理装置相连接；储存于储氨罐内的液态氨气和储存于储氧罐内的液态氧气在气缸中燃烧，产生的尾气经尾气处理装置转化为氨气后进入第一冷凝器，第一冷凝器以储氧罐内的液态氧气作为冷源将氨气液化，形成内燃兰金循环。与现有技术相比，本发明通过设计合理的水循环、氨循环以及能量循环，使该系统具有高效、近零污染物排放和燃料回收等特点。
Description
技术领域
本发明涉及发动机领域，具体涉及一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统及其应用。
背景技术
悉尼大学的Bilger等人于1999年在第五届国际清洁环境燃烧技术大会中首次提出将采用纯氧燃烧技术CES燃烧器方案移植到往复式活塞发动机上，并在此基础上建立了内燃兰金循环。该循环用纯氧燃烧的技术特点实现CO2的分离，结合缸内高温水喷射技术具有很高的热效率以及平均有效压力，在各类活塞往复式发动机中都有极大的应用潜力。
氨气燃料是一种低成本，清洁，安全且热效率较高的新型燃料。氨气是一种符合未来“碳中和”要求的燃料并且来源广泛，包括多种传统燃料(煤，天然气，石油等)，废弃热能和水电，城市垃圾或者多种生物质材料制备而来。氨气在工业上的应用已有将近一个多世纪，其生产，存储和运输也相较于氢气更加完善和成熟，其相应的改造投资会更为低廉。与氢气相比，氨气不易发生爆炸，安全性较强。相比液态氢气，其存储效率也将近小30％，由于氨气液化温度远高于氢气液化温度(293.8K vs 20K)，氢气的储存压力约为氨气(700barvs 8bar)的87.5倍。较低的存储压力和体积可以有效的减少存储和运输成本，减少的成本约为氢气的10倍和47倍。氨气也是一种能量密度较高的燃料，液态氨气体积能量密度远大于液态氢气，氨气的氢含量为17.7，略高于甲醇、乙醇和汽油等，由于氨气具有较高的辛烷值(>130)，其可以运用到较高的压缩比的发动机上。故将氨气这一新型碳中和燃料应用到内燃运载设备上具有巨大潜力。
目前尚未将有应用设计内燃兰金循环氨气发动机，将氨气直接应用到未改良的内燃兰金循环发动机上存在很多问题：氨气燃烧含有大量氮元素，燃烧之后大量形成污染物氮氧化物；氨气燃烧之后会残留大量的氨气，无法直接排放到大气中；由于氨气本身特性，其层流火焰速度较慢，需要提升氨气的燃烧特性。
本发明专利从氨气的燃烧特性和内燃蓝金循环的高效燃烧方式出发，设计了一种针对内燃兰金循环氨气发动机系统。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统及其应用，通过设计合理的水循环、氨循环以及能量循环，使该系统具有高效、近零污染物排放和燃料回收等特点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，包括储氨罐、储氧罐、气缸、尾气处理装置和第一冷凝器；
所述的第一冷凝器分别与储氨罐、储氧罐和尾气处理装置相连接，所述的气缸分别与储氨罐、第一冷凝器和尾气处理装置相连接；
储存于储氨罐内的液态氨气和储存于储氧罐内的液态氧气在气缸中燃烧，产生的尾气经尾气处理装置转化为氨气后进入第一冷凝器，所述的第一冷凝器以储氧罐内的液态氧气作为冷源将氨气液化，形成内燃兰金循环。
优选地，所述的系统还包括水循环单元，所述的水循环单元包括换热器、第二冷凝器和水泵；
水泵将低温水泵至换热器内换热得到高温水，高温水注入气缸进行喷射，形成的水蒸气跟随尾气离开气缸并进入换热器作为低温水的换热热源，换热后通入尾气处理装置进行处理，由尾气处理装置流出的气流进入第二冷凝器冷凝得到低温水，形成水循环。通过水循环单元可以实现水资源的循环，节省淡水的需求和成本，对于超出需求部分的水分(燃烧过程中会有水分的产生)，其为纯水，可以直接由第二冷凝器排放至大气中。同时燃烧的尾气与低温水进行热交换使低温水升温进入下一燃烧循环，有效节省了能量损失。气缸结合缸内高温水喷射技术具有很高的热效率以及平均有效压力，在各类活塞往复式发动机中都有极大的应用潜力。
优选地，所述的换热器还与储氨罐相连接，储氨罐内储存的液态氨气输入换热器中，在尾气余热的作用下裂解为混合气体，随后混合气体作为助燃物进入气缸。
内燃兰金循环氨气燃料发动机主要燃烧产物为氮氧化物和未燃烧的氨气，实验表明，一些工况存在大量未燃烧完全的氨气，多达20000mmp，故不仅需要对氮氧化物进行尾气处理也要对未燃烧完全的氨气进行回收和处理。将储氨罐中的部分液态氨气并结合由气缸出来的尾气中的部分氨气进行热裂解生成可作为助燃剂的混合气体，提高了整体的能源利用率，为助燃剂提供了制备基础。
优选地，所述的尾气余热的温度为450-500℃。氨气在450-500℃的温度下会有较高的裂解效率，而尾气温度满足该温度范围中，使氨气能够具有优秀的裂解效率。
优选地，所述的混合气体包括氢气、氮气和氨气。混合气体中的氢气作为助燃剂和氨气在进气道进行混合，提高氨气的燃烧性能；同时其中剩余的部分氨气也会作为燃烧物一同燃烧。
优选地，所述的尾气处理装置为SCR尾气处理装置。尾气经过SCR尾气处理装置变成氨气，氮气和水的混合蒸汽，消除污染物，并使得氨气能够回收利用。
优选地，所述的尾气处理装置还与储氨罐相连，储氨罐向尾气处理装置提供液态氨气作为还原剂。进入SCR尾气处理装置的尾气包含氨气和氮氧化物，通过上一个循环未燃烧的氨气和储氨罐提供的氨气以解决不同工况中未燃烧完全的氨气量不足以还原氮氧化物的问题。
优选地，经尾气处理装置处理后的气流包括氨气、氮气和水蒸气，在经第二冷凝器气液分离后，氨气和氮气的混合气体进入第一冷凝器，储氧罐中的液体氧气作为冷源，氨气液化与氮气分离。由于氨气沸点为-33.5℃，与氮气沸点相差较大，可根据沸点不同将氨气和氮气分离，液化了的氨气重新回收到氨气罐中，氮气则排放到大气。
优选地，所述的系统还包括预混器，所述的预混器设置于气缸与储氨罐和第一冷凝器之间，对进入气缸的液态氨气和液态氧气进行预混合。
本发明第二方面公开了一种如上任一所述的基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统在运载工具中的应用。本发明所公开的系统在重型汽车，重载远洋货船，定期航行的大型客轮等运载工具中有较大的潜力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
发动机燃料喷射系统：以液态氧气为氧化剂，液态氨气为主要燃料，氨气裂解气(氨气，氮气和氢气)为助燃剂进行多燃料喷射，纯氧燃烧和掺混氢气一方面可以很大程度的提高发动机效率，另一方面可以很好的提升氨气火焰速度，提高氨气燃烧稳定性。
余热回收系统：余热回收系统提升了整体系统的能源利用率；并为下一循环提供热源，主要是利用尾气余热加热循环水并且为氨气热解提供分解热源。
水循环系统：将内燃兰金循环所需要的换热工质水进行尾气冷凝循环收集，节约了淡水资源，节约了运行成本(去离子水和油价不相上下)，达到淡水自给自足，大大提升系统的可运行时间。
尾气排放处理系统：以储存氨罐中的氨气和未燃烧完全的氨气为还原剂，在SCR尾气处理装置中将主要的氮氧化物还原为氮气。
氨气回收系统：经过SCR处理的尾气在冷凝器中通过沸点差进行分离，第一冷凝器的能量来源为液态氧气，由于氨气沸点为-33.5℃，与氮气沸点相差较大，可根据沸点不同将氨气和氮气分离，液化了的氨气重新回收到储氨罐中，氮气则排放到大气。
混合燃料制备系统：利用尾气余热将氨气裂解为氢气，氮气的助燃剂气体，一方面提高了整体的能源利用率，为助燃剂提供了制备基础，另一方面裂解出来的氢气将作为助燃剂和氨气在进气道进行混合，提高氨气的燃烧性能。
动态NH3/NOx检测与控制系统：系统同时添加了NH3和NOx传感器，对系统燃烧后的产物进行精准检测，SCR所需要的氨气由上一个循环未燃烧的氨气和氨气燃料罐提供，根据氨气传感器的反馈，可以控制氨气的补充注入量，解决不同工况未燃烧完全的氨气不足以还原氮氧化物的问题，也提高了可靠性。
第一冷凝器的能量来源为液态氧气，由于氨气沸点为-33.5℃，与氮气沸点相差较大，可根据沸点不同将氨气和氮气分离，液化了的氨气重新回收到储氨罐中，氮气则排放到大气。通过多个物料循环和能源循环的系统的设计，使得本系统具有高效，高经济性，近零污染物排放，高可靠性等特点。
附图说明
图1为本发明的系统整体示意图；
图2为本发明的系统中的水循环系统示意图；
图3为本发明的系统中的尾气处理及回收系统示意图；
图4为本发明的系统中的尾气余热裂解系统示意图；
图5为实施例1的系统中的尾气处理装置部分的局部放大图；
图中：1-储氨罐；2-储氧罐；3-气缸；4-尾气处理装置；41-氨气传感器；42-氮氧化物传感器；5-第一冷凝器；6-换热器；7-第二冷凝器；8-水泵；9-预混器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，如图1-4所示，包括储氨罐1、储氧罐2、气缸3、尾气处理装置4和第一冷凝器5；
第一冷凝器5分别与储氨罐1、储氧罐2和尾气处理装置4相连接，气缸3分别与储氨罐1、第一冷凝器5和尾气处理装置4相连接；
储存于储氨罐1内的液态氨气和储存于储氧罐2内的液态氧气在气缸3中燃烧，产生的尾气经尾气处理装置4转化为氨气后进入第一冷凝器5，第一冷凝器5以储氧罐2内的液态氧气作为冷源将氨气液化，形成内燃兰金循环。
更具体地，本实施例中：
内燃兰金循环氨气燃料发动机系统包含以下几个子系统功能：水循环功能，尾气处理功能，尾气余热回收功能，燃料回收功能和氨气裂解功能。
水循环功能如图2所示：内燃兰金循环采用高温水喷射的方式提高了内燃机效率，为了节省淡水的成本，设计了水循环系统。气缸3内燃料的燃烧和高温水缸内直接喷射导致发动机尾气中含有大量的水蒸汽，发动机尾气通过换热器6、SCR系统(尾气处理装置4)转化成氨气、氮气和水的混合蒸汽，由于其不同的液化温度，通过第二冷凝器7进行分离，分离的水通过水泵8加压和换热器6加热再次变成高温水参与下一个循环，多余的水将排放至大气中。图中黑色部分的连接通道为高温水或高温气体，灰色部分的连接通道为低温水。
尾气处理功能和燃料回收功能如图3所示：内燃兰金循环氨气燃料发动机主要燃烧产物为氮氧化物和未燃烧的氨气，实验表明，一些工况存在大量未燃烧完全的氨气，多达20000mmp，故不仅需要对氮氧化物进行尾气处理，也要对未燃烧完全的氨气进行回收和处理。通过换热器6的发动机排气进入SCR系统将其排气中的氮氧化物还原为氮气、水和剩余的氨气。其中SCR所需要的氨气由上一个循环未燃烧的氨气和储氨罐1提供，以解决不同工况未燃烧完全的氨气生成量不足以还原氮氧化物的问题。在完成了水的冷凝之后，氨气和氮气的混合气体经过第一冷凝器5，第一冷凝器5的能量来源为液态氧气(来自储氧罐2)，由于氨气沸点为-33.5℃，与氮气沸点相差较大，可根据沸点不同将氨气和氮气分离，液化的氨气重新回收到储氨罐1中，氮气则排放到大气。
需要进一步说明的是，本实施例中的由储氨罐1进入尾气处理装置4(SCR系统)的氨气并非直接通过管道输入至SCR系统中，而是与连接换热器6和尾气处理装置4的管道相连，并且连接位置靠近尾气处理装置4，如图5所示，具体来说，由储氨罐1导出的氨气经管道和管道前端的喷嘴进入连接换热器6和尾气处理装置4的管道，与其中的反应剩余的氨气和氮氧化物相混合，随后再进入SCR系统。在连接位置上方分别设置了氨气传感器41和氮氧化物传感器42，可以方便的测定管道中氨气和氮氧化物的含量，进而可以控制由储氨罐1中补充的氨气量(通过管道阀门或喷嘴等方式进行氨气量的控制)。更进一步地，氨气传感器41和氮氧化物传感器42以及系统的各部分还与外部控制器相电连接，以实现系统的自动控制。
尾气余热回收功能及氨气裂解功能如图2和图4所示：余热回收系统主要应用在两个方面，一个是水循环中将常温循环水加热为高温水；另一个是利用尾气余热将氨气裂解为氢气、氮气、氨气的混合物气体，多项论文表明氨气在450-500℃的温度下会有较高的裂解效率，发动机(气缸3)尾气温度满足其温度范围。氨气裂解一方面利用了尾气余热，另一方面裂解的出来的氢气将作为助燃剂和氨气在进气道进行混合，提高氨气的燃烧性能。
在液态氨气和液态氧气以及混合气体(助燃剂)进入气缸1之前均通过预混器9进行预混合，以提高进入气缸1后的燃烧效率。
内燃兰金循环氨气燃料发动机循环过程如下：内燃兰金循环氨气燃料发动机燃料采用液态氨气，氧化剂为液态氧气，助燃剂为裂解混合气体；燃料，氧化剂与高温水在燃烧室混合注入燃烧，其主要燃烧产物为氮氧化物、水和未燃烧的氨气。内燃机高温尾气经过换热器6，将常温水加热为高温水再次参与下一个燃烧循环，并制备一部分裂解气体，以达到余热回收的作用；通过换热器6的气流进入SCR系统将其中的氮氧化物还原为氮气和水，其中SCR所需要的氨气由上一个循环未燃烧的氨气和储氨罐1提供。经过SCR的混合气体经过第二冷凝器7，其目的是将水冷凝回收，实现水的循环利用；氨气和氮气的混合气体经过第一冷凝器5，根据沸点不同将氨气和氮气分离，液化的氨气重新回收到储氨罐1中，氮气则排放到大气。该系统设计了一种新的碳中和燃料氨气的燃烧系统，实现了余热回收以达到高效的目的；水循环回收系统和氨气回收系统，节约了蒸馏水和氨气；基于SCR的排放系统和多级冷凝系统将氨气的主要排放污染物氮氧化物还原为氮气和水，并将氨气分离，以实现零污染物排放的效果。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，包括储氨罐(1)、储氧罐(2)、气缸(3)、尾气处理装置(4)和第一冷凝器(5)；
所述的第一冷凝器(5)分别与储氨罐(1)、储氧罐(2)和尾气处理装置(4)相连接，所述的气缸(3)分别与储氨罐(1)、第一冷凝器(5)和尾气处理装置(4)相连接；
储存于储氨罐(1)内的液态氨气和储存于储氧罐(2)内的液态氧气在气缸(1)中燃烧，产生的尾气经尾气处理装置(2)转化为氨气后进入第一冷凝器(5)，所述的第一冷凝器(5)以储氧罐(2)内的液态氧气作为冷源将氨气液化，形成内燃兰金循环。
2.根据权利要求1所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，所述的系统还包括水循环单元，所述的水循环单元包括换热器(6)、第二冷凝器(7)和水泵(8)；
水泵(8)将低温水泵至换热器(6)内换热得到高温水，高温水注入气缸(3)进行喷射，形成的水蒸气跟随尾气离开气缸(3)并进入换热器(6)作为低温水的换热热源，换热后通入尾气处理装置(4)进行处理，由尾气处理装置(4)流出的气流进入第二冷凝器(7)冷凝得到低温水，形成水循环。
3.根据权利要求2所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，所述的换热器(6)还与储氨罐(1)相连接，储氨罐(1)内储存的液态氨气输入换热器(6)中，在尾气余热的作用下裂解为混合气体，随后混合气体作为助燃物进入气缸(3)。
4.根据权利要求3所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，所述的尾气余热的温度为450-500℃。
5.根据权利要求3所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，所述的混合气体包括氢气、氮气和氨气。
6.根据权利要求2所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，所述的尾气处理装置(4)为SCR尾气处理装置。
7.根据权利要求6所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，所述的尾气处理装置(4)还与储氨罐(1)相连，储氨罐(1)向尾气处理装置(4)提供液态氨气作为还原剂。
8.根据权利要求6所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，经尾气处理装置(4)处理后的气流包括氨气、氮气和水蒸气，在经第二冷凝器(7)气液分离后，氨气和氮气的混合气体进入第一冷凝器(5)，储氧罐(2)中的液体氧气作为冷源，氨气液化与氮气分离。
9.根据权利要求1所述的一种基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统，其特征在于，所述的系统还包括预混器(9)，所述的预混器(9)设置于气缸(3)与储氨罐(1)和第一冷凝器(5)之间，对进入气缸(3)的液态氨气和液态氧气进行预混合。
10.一种如权利要求1-9任一所述的基于内燃兰金循环的氨气燃料发动机高效燃烧和近零排放系统在运载工具中的应用。
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