船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法及装置，属于船用双燃料/天然气发动机废气处理技术领域。所述装置包括船用高压双燃料/天然气发动机、燃料罐、补燃器、混合器、温度传感器、NOX传感器、CH4‑SCR催化器、电控单元、泵、阀门及管路。船用高压双燃料/天然气发动机的高温废气进入后处理管道后，从燃料罐中引入少量甲烷气体混入废气中，经过混合器充分混合后进入CH4‑SCR催化器，废气中的氮氧化物被甲烷还原成氮气，并在低工况下使用补燃器保证废气满足适宜的反应温度条件。本发明专利技术能够大幅度降低船用高压双燃料/天然气发动机的氮氧化物排放，满足IMO TierⅢ排放标准，装置体积较小且便于维护。

【技术实现步骤摘要】
船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法及装置
本专利技术属于船用双燃料/天然气发动机废气处理
，具体涉及船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法及装置。
技术介绍
随着内燃机技术的不断发展，人们对内燃机经济性的要求不断提高和国际排放法规的日趋严格，发动机替代燃料的研发已经成为重要课题。天然气燃料与现有燃料相比，它的排放污染较低，更清洁且储量丰富。由于经济效益和环境效益的双重影响，天然气逐渐成为航运业最有前景的替代燃料。天然气是以甲烷(CH4)为主要成分的气体燃料，具有排放低、价格相对低廉、储量丰富和辛烷值高等优势。船用双燃料/天然气发动机是以天然气作为燃料的发动机。根据不同的天然气进气方式，船用双燃料/天然气发动机可以分为缸内高压喷射和缸内低压喷射两种。缸内高压喷射在压缩行程后期喷入压力较高的压缩天然气，直接点火或通过引燃油引燃。这种模式下混合气在燃烧室内进行非均质混合气扩散燃烧。采用天然气高压喷射的双燃料发动机有可以采用较高压缩比、输出功率较高、消除扫气导致的天然气逃逸、不易发生爆震等优势，但由于缸内燃烧温度较高，废气中氮氧化物(NOX)含量相对较高。氮氧化物是主要的大气污染物之一，对人体的心肌和肺有很强的毒害作用，也是在地面附近形成光化学烟雾和酸雨的重要因素之一。氮氧化物进入大气层中也会破坏臭氧层，使臭氧层变薄甚至形成臭氧层空洞，给地球环境造成危害。国际海事组织(IMO)要求2016年1月1日以后建造的船用发动机在氮氧化物排放控制区内航行必须满足TierⅢ排放标准。采用缸内高压喷射的船用双燃料/天然气发动机不能够满足IMOTierⅢ的NOX排放要求，需要安装SCR(选择性催化还原)系统。SCR技术的主要原理是指在催化剂和氧气存在的条件下，在一定温度范围内，还原剂(如NH3、CO或HC等)有选择地将废气中的NOX还原生成N2和H2O来减少NOX排放。为了便于储存和安全考虑，船用的SCR催化器通常采用尿素作为还原剂。现有技术中，关于氮氧化物的处理技术主要有：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。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。针对船用高压双燃料/天然气发动机处理氮氧化物排放的问题，本专利技术公开了一种利用CH4-SCR催化还原技术处理船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物的方法及装置，能够高效脱除氮氧化物，满足IMOTierⅢ排放标准。与传统的使用尿素做还原剂的方法相比，CH4-SCR能够利用船舶双燃料/天然气发动机的燃料作为还原剂，不需要在船上配备尿素及其储存罐，降低了航运成本，减小了废气处理装置占用的空间，提高船舶经济性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够满足IMOTierⅢ关于氮氧化物排放标准的船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法及装置。本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法：在废气中混入一部分从燃料罐引入的甲烷气体，经过混合器混合，进入SCR催化器，废气中的氮氧化物在一定温度条件下被甲烷还原产生无害的氮气和二氧化碳及水，满足排放标准。由于发动机不同工况下的废气温度不同，当废气温度不满足CH4-SCR催化还原反应要求时，一部分甲烷从燃料罐引出，在补燃器中燃烧后通入排气管路加热废气，使温度满足催化反应要求。本专利技术的反应过程如下：CH4+2NO+O2→N2+CO2+2H2OCH4+2NO2→N2+CO2+2H2O2NO+O2→2NO2CH4+O2→CO2+2H2O船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理装置，包括船用高压双燃料/天然气发动机、燃料罐、补燃器、混合器、温度传感器、催化器、电控单元、泵、阀门及管路。电控单元根据温度传感器以及发动机运行工况控制补燃器的启停和喷入排气管路的甲烷气体流量，使废气温度满足催化反应要求，并在保证氮氧化物被充分还原的同时，不喷入过多的甲烷气体，以免浪费能源、污染环境。该系统将发动机燃料和催化还原装置相结合，使用甲烷作为还原剂脱除发动机排放的氮氧化物，在降低船舶大气污染物排放的同时兼顾经济性，降低废气处理成本，减小后处理装置占用空间。船用高压双燃料/天然气发动机1与燃料罐2相连，船用高压双燃料/天然气发动机1通过三通阀3与混合器8和旁通管路12相连，燃料罐2通过流量泵4连接混合器8前的管路，补燃器6前端通过气泵5连接燃料罐2，后端通过气泵7连接混合器8前的管路，催化器11与混合器8相连，温度传感器9布置在催化器11前端，催化器11通过旁通管路12相连，电控单元10通过各支路分别连接流量泵4、气泵5、气泵7和温度传感器9。本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用船用高压双燃料/天然气发动机的燃料甲烷作为还原剂，使用CH4-SCR催化还原技术高效脱除废气成分中的氮氧化物，降低氮氧化物的排放，满足IMOTierⅢ排放标准。现有技术使用尿素作为还原剂，需要在船上额外配备较大的尿素罐储存尿素，并与淡水混合以水溶液的形式喷入废气中，结构复杂，占用空间较大。本专利技术使用发动机燃料甲烷作为还原剂，占用空间小且维护方便，提高船舶经济性。现有技术使用尿素作为还原剂，如果SCR反应温度较低，会在催化器内形成铵盐结晶堵塞管路，不利于氮氧化物的脱除。本专利技术采用甲烷作为还原剂，不会产生结晶，能够提高氮氧化物脱出效率。本专利技术设置了旁通管路，当船舶运行工况不需要脱除氮氧化物时，可关闭后处理管路，能有效降低能耗，降低运行成本。附图说明图1为本专利技术装置结构图。其中：1—船用高压双燃料/天然气发动机；2—燃料罐；3—三通阀；4—流量泵；5—气泵；6—补燃器；7—气泵；8—混合器；9—温度传感器；10—电控单元；11—催化器；12—旁通管路；13—NOX传感器；14—NOX传感器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：结合图1，本专利技术主要包括：船用高压双燃料/天然气发动机1、燃料罐2、三通阀3、流量泵4、气泵5、补燃器6、气泵7、混合器8、温度传感器9、电控单元10、催化器11、旁通管路12、NOX传感器13、NOX传感器14及附属管路和控制线路。船用高压双燃料/天然气发动机1与燃料罐2相连，船用高压双燃料/天然气发动机1通过三通阀3与混合器8和旁通管路12相连，燃料罐2通过流量泵4连接混合器8前的管路，补燃器6前端通过气泵5连接燃料罐2，后端通过气泵7连接混合器8前的管路，催化器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法，其特征在于，包括如下步骤：在废气中混入一部分从燃料罐引入的甲烷气体，经过混合器混合，进入SCR催化器，废气中的氮氧化物在一定温度条件下被甲烷还原，当废气温度不满足CH4‑SCR催化还原反应要求时，一部分甲烷从燃料罐引出，在补燃器中燃烧后通入排气管路加热废气。

【技术特征摘要】
1.船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法，其特征在于，包括如下步骤：在废气中混入一部分从燃料罐引入的甲烷气体，经过混合器混合，进入SCR催化器，废气中的氮氧化物在一定温度条件下被甲烷还原，当废气温度不满足CH4-SCR催化还原反应要求时，一部分甲烷从燃料罐引出，在补燃器中燃烧后通入排气管路加热废气。2.船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理装置，包括船用高压双燃料/天然气发动机(1)、燃料罐(2)、三通阀(3)、流量泵(4)、气泵(5)、补燃器(6)、气泵(7)、混合器(8)、温度传感器(9)、电控单元(10)、催化器(11)、旁通管路(12)、NOX传感器(13)、NOX传感器(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周松，张荣沛，朱元清，冯永明，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23