[发明专利]船用高压双燃料/天然气发动机氮氧化物处理方法及装置

说明书

本发明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、NO_X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。

技术领域

本发明属于船用双燃料/天然气发动机废气处理技术领域，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。

背景技术

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(NO_X)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IMO TierⅢ的NO_X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NO_X还原生成N₂和H₂O来减少NO_X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”(CN 106762047A)，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AMO_X(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。