CN114718771B - 氨燃料混合动力发动机的余热处理***及船舶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***及船舶，可应用于废气处理技术领域。本发明***通过将氨燃料储存装置的氨燃料输出端与温差发电装置的氨燃料输入端连接，以利用氨燃料的特性，降低温差发电装置的冷端最低温度，提高散热效果；接着将温差发电装置加热后的氨燃料分别输送到制氢装置和混气罐，从而无需另外对氨燃料另外加热汽化；将发动机的废气输出到温差发电装置，使得温差发电装置可以利用废气余热与冷端的温差进行发电，提高温差发电装置的工作效率；同时将温差发电装置和燃料电池产生的电能存储在储电装置内，从而提高电能利用率。

Description

氨燃料混合动力发动机的余热处理***及船舶

技术领域

本发明涉及废气处理技术领域，尤其是一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***及船舶。

背景技术

温室气体的大规模排放造成了全球变暖和极端天气加剧等环境问题。此外，化石燃料的大规模消费使人类面临能源危机。氨燃料来源丰富，价格低廉，且燃烧产物不含碳氧化物，可显著降低温室气体排放，是未来船舶最有潜力的替代燃料。相关技术中，氨燃料发动机上的燃料燃烧放出的能量约35％都随废气排出，造成很大的能量损失。目前利用发动机废气余热进行温差发电的装置都是依靠冷却水箱进行冷端散热，其能达到的最低温度有限，发电效率和功率较低。

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混合动力发动机的余热处理***及船舶，能够有效提高废气余热利用率和温差发电量。

一方面，本发明实施例提供了一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，包括：

氨燃料储存装置；

温差发电装置，所述氨燃料储存装置的氨燃料输出端与所述温差发电装置的氨燃料输入端连接；

燃料电池，所述燃料电池的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接；

储电装置，所述储电装置的电源输入端分别与所述温差发电装置的电源输出端和所述燃料电池的电源输出端连接，所述储电装置的电源输出端连接负载；

制氢装置，所述制氢装置的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接；

混气罐，所述混气罐的第一输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接，所述混气罐的第二输入端与所述制氢装置的富氢气体输出端连接；

发动机，所述发动机的燃料输入端与所述混气罐的输出端连接；

涡轮增压器，所述涡轮增压器的第一输入端用于输入空气，所述涡轮增压器的第二输入端与所述发动机的废气输出端连接，所述涡轮增压器的第一输出端与所述温差发电装置的废气输入端连接；

中冷器，所述中冷器的输入端与所述涡轮增压器第二输出端连接，所述中冷器的输出端与所述混气罐的第三输入端连接；

控制装置，所述控制装置与所述温差发电装置、所述储电装置、所述制氢装置和所述发动机连接。

在一些实施例中，所述制氢装置包括：

氨重整器，所述氨重整器的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接，所述氨重整器的富氢气体输出端与所述混气罐的第二输入端连接，所述氨重整器的第一废气输入端与所述涡轮增压器的第一输出端连接，所述氨重整器的第二废气输入端通过废气再循环阀与所述涡轮增压器的第一输出端连接，所述氨重整器的第二废气输入端与所述氨重整器的反应床连接，所述氨重整器的废气输出端与所述温差发电装置的废气输入端连接。

在一些实施例中，所述***还包括：

等离子体发生器，所述等离子体发生器设置于所述氨重整器的氨燃料输入端上。

在一些实施例中，所述***还包括：

第一减压阀，所述第一减压阀设置于所述温差发电装置的氨燃料输出端与所述燃料电池的氨燃料输入端之间；

第二减压阀，所述第二减压阀设置于所述温差发电装置的氨燃料输出端与所述混气罐的第一输入端之间；

第三减压阀，所述第三减压阀设置于所述温差发电装置的氨燃料输出端与氨重整器的氨燃料输入端之间。

在一些实施例中，所述制氢装置包括：

氨电解装置，所述氨电解装置的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接，所述氨电解装置的富氢气体输出端与混气罐的第二输入端连接，所述氨电解装置的电源端与所述储电装置的电源输出端连接。

在一些实施例中，所述***还包括：

后处理装置，所述后处理装置的废气输入端与所述温差发电装置的废气输出端连接。

在一些实施例中，所述控制装置用于执行以下步骤：

获取所述温差发电装置内的材料参数、废气温度、氨燃料温度和氨燃料压力；

根据所述材料参数、所述废气温度、所述氨燃料温度和所述氨燃料压力确定所述温差发电装置的发电功率；

当所述氨燃料温度满足第一预设要求，输出所述氨燃料温度和所述氨燃料压力，并根据所述温差发电装置的发电功率输出储电装置的电量；当所述氨燃料温度不满足第一预设要求，增加所述温差发电装置内电加热炉的输入功率。

在一些实施例中，所述控制装置还用于执行以下步骤：

获取所述发动机的缸压、转速、节气门开度和排气温度；

确定所述废气再循环阀的开度；

获取所述氨重整器的废气温度、生成氢气的流量以及氢气转化率；

当所述氢气转化率不满足第二预设要求，开启所述等离子体发生器并调节所述等离子体发生器的功率；

当所述氢气转化率满足第二预设要求，确定所述发动机的功率或所述发动机的污染物排放不满足第三预设要求，调节所述发动机的当量比和所述氨重整器的氨燃料添加量。

在一些实施例中，所述控制装置还用于执行以下步骤：

确定所述发动机的功率和所述发动机的污染物排放均满足第三预设要求，获取所述氨重整器流量，并计算所述氨重整器输送到所述混气罐的重整气添加率。

另一方面，本发明实施例提供了一种船舶，包括所述的氨燃料混合动力发动机的余热处理***。

本发明实施例提供的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，具有如下有益效果：

本实施例通过将氨燃料储存装置的氨燃料输出端与温差发电装置的氨燃料输入端连接，以利用氨燃料的特性，降低温差发电装置的冷端最低温度，提高散热效果；接着将温差发电装置加热后的氨燃料分别输送到制氢装置和混气罐，从而无需另外对氨燃料另外加热汽化；将发动机的废气输出到温差发电装置，使得温差发电装置可以利用废气余热与冷端的温差进行发电，提高温差发电装置的工作效率；同时将温差发电装置和燃料电池产生的电能存储在储电装置内，从而便于其他负载的使用。

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混合动力发动机的余热处理***的结构示意图；

图2为本发明实施例一种氨重整器的结构示意图；

图3为本发明实施例一种结合氨重整器进行氨燃料混合动力发动机的余热处理的***结构示意图；

图4为本发明实施例一种结合氨电解装置进行氨燃料混合动力发动机的余热处理的***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。

相关技术中，温室气体的大规模排放造成了全球变暖和极端天气加剧等环境问题。此外，化石燃料的大规模消费使人类面临能源危机。氨燃料来源丰富，价格低廉，且燃烧产物不含碳氧化物，可显著降低温室气体排放，是未来船舶最有潜力的替代燃料。

氨燃料燃点高、燃烧速度慢，在发动机中运行时容易出现失火等不正常燃烧现象；相比于传统燃料，氨燃料燃烧会产生大量NOx以及非常规排放物N₂O；此外，在发动机中氨不完全燃烧会造成尾气中未燃氨气排放急剧增加。因此，为了提高氨燃料发动机燃烧稳定性、降低污染物排放，需要添加氢气作为助燃剂以改善燃烧。而氢气存在难运输难储存的弊端，因此，需要在线制取氢气以满足发动机稳定运行需求。并且，目前利用发动机废气余热进行温差发电的装置都是依靠冷却水箱进行冷端散热，其能达到的最低温度有限，发电效率和功率较低。氨燃料以液态形式储存，在喷入发动机前需要对其进行加热使其汽化，后以气态形式喷入气缸参与燃烧，从而也增加燃料的使用量。

基于此，参照图1，本发明实施例提供了一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，包括氨燃料储存装置100、温差发电装置200、燃料电池300、储电装置400、制氢装置500、混气罐600、发动机700、涡轮增压器810、中冷器820和控制装置900。其中，所述氨燃料储存装置100的氨燃料输出端与所述温差发电装置200的氨燃料输入端连接；所述燃料电池300的氨燃料输入端与所述温差发电装置200的氨燃料输出端连接；所述储电装置400的电源输入端分别与所述温差发电装置200的电源输出端和所述燃料电池300的电源输出端连接，所述储电装置400的电源输出端连接负载410；所述制氢装置500的氨燃料输入端与所述温差发电装置200的氨燃料输出端连接；所述混气罐600的第一输入端与所述温差发电装置200的氨燃料输出端连接，所述混气罐600的第二输入端与所述制氢装置500的富氢气体输出端连接；所述发动机700的燃料输入端与所述混气罐600的输出端连接；所述涡轮增压器810的第一输入端用于输入空气，所述涡轮增压器810的第二输入端与所述发动机700的废气输出端连接，所述涡轮增压器810的第一输出端与所述温差发电装置200的废气输入端连接；所述中冷器820的输入端与所述涡轮增压器810第二输出端连接，所述中冷器820的输出端与所述混气罐600的第三输入端连接；所述控制装置900与所述温差发电装置200、所述储电装置400、所述制氢装置500和所述发动机700连接。

当本实施例进行具体工作时，控制装置控制氨燃料储存装置内的氨燃料进入到温差发电装置，温差发电装置在进行发电过程，可以将流入的氨燃料作为冷端介质，同时，还可以对氨燃料进行加热汽化后，将汽化后的氨燃料分别输送到混气罐、制氢装置和燃料电池内，使得制氢装置根据输入的氨燃料制备含有大量氢气的气体，并将富氢气体也输送到混气罐内；同时涡轮增压器的第一输入端输入的空气经过加热或降温后，也输送到混气罐内，使得混气罐内的氨燃料和富氢气体混合空气后，输入到发动机，为发动机提供燃料。发动机在工作过程中，会输出大量废气，这些废气中携带大量的热量。本实施例通过将发动机的废气输送到温差发电装置，使得温差发电装置可以利用废气余热为氨燃料加热，从而节省电能。在本实施例中，所述温差发电装置内设有电加热模块，当废气无法提供足够热量时，控制装置控制电加热模块对氨燃料进行加热。在这个过程中，废气作为热端介质，氨燃料作为冷端散热介质，经过温差发电片产生电能。具体地，本实施例中温差发电装置和燃料电池产生的电能可以存储在储电装置，以在负载需要工作时，通过储电装置提供电能，从而提高能源的利用率。

在本实施例中，如图1所示，温差发电装置200在利用完废气中的余热后，将废气通过废气输出端输送到本实施例设置的后处理装置210的废气输入端，以利用后处理装置210的工作处理能力对废气进行处理，使其达到排放标准。

在本申请实施例中，制氢装置可以采用电解氨燃料装置，也可以采用氨重整器。具体地，如图2所示，氨重整器包括外壳体101、内壳体102、绝缘密封装置103、等离子体发生器和催化剂106，内壳体102设置于所述外壳体101内部，将外壳体内部的腔体被分割为外腔和内腔；绝缘密封装置103设置于内腔的两端的气体输入或输出端；等离子体发生器包括高压电极104和接地电极105，高压电极104设置于内腔的气体输入端并穿过气体输入端的绝缘密封装置；接地电极设105置于内腔的气体输出端并穿过气体输出端的绝缘密封装置；催化剂106设置于内腔内并且靠近接地电极105。当将氨重整器作为制氢装置时，如图3所示，所述氨重整器510的氨燃料输入端与所述温差发电装置200的氨燃料输出端连接，所述氨重整器510的富氢气体输出端与所述混气罐600的第二输入端连接，所述氨重整器510的第一废气输入端与所述涡轮增压器810的第一输出端连接，所述氨重整器510的第二废气输入端通过废气再循环阀512与所述涡轮增压器810的第一输出端连接，所述氨重整器的第二废气输入端与所述氨重整器的反应床连接，所述氨重整器510的废气输出端与所述温差发电装置200的废气输入端连接。

在本实施例中，当发动机输出的部分废气通过涡轮增压器进入氨重整器的外腔后，氨重整器利用该部分废气余热向内腔反应过程提供热量，同时，发动机输出的另一部分废气通过废气再循环阀输入到氨重整器的反应床上，使得氨重整器利用余热在反应床对废气结合氨燃料进行重整后得到富氢气体。在这个过程中，参与重整反应的废气流量通过废气再循环阀控制其大小。具体地，当废气温度较低时，如图3所示，本实施例通过设置等离子体发生器来降低重整反应所需温度，从而提高转化效率。其中，本实施例的所述等离子体发生器设置于所述氨重整器510的氨燃料输入端上。

在本申请实施例中，如图3所示，所述***还包括第一减压阀513、第二减压阀514和第三减压阀515。其中，所述第一减压阀513设置于所述温差发电装置200的氨燃料输出端与所述燃料电池300的氨燃料输入端之间，用于调节流入所述燃料电池300的氨燃料量；所述第二减压阀514设置于所述温差发电装置200的氨燃料输出端与所述混气罐600的第一输入端之间，用于调节流入所述混气罐600的氨燃料量；所述第三减压阀515设置于所述温差发电装置200的氨燃料输出端与氨重整器510的氨燃料输入端之间，用于调节流入所述氨重整器510的氨燃料量。在本实施例中，第一减压阀513、第二减压阀514和第三减压阀515均与控制装置900连接，可根据控制装置发送的控制信号进行阀开度调节。

具体地，当将氨电解装置作为制氢装置时，如图4所示，所述氨电解装置520的氨燃料输入端与所述温差发电装置200的氨燃料输出端连接，所述氨电解装置520的富氢气体输出端与混气罐600的第二输入端连接，所述氨电解装置520的电源端与所述储电装置400的电源输出端连接。在本实施例中，当氨电解装置内得到氨燃料后，通过储电装置提供电能对氨燃料进行电解产生氢气，从而为发动机燃烧氨燃料提供助燃剂。

在本申请实施例中，所述控制装置参与本实施例***运行过程中各设备参数的控制与调节：在温差发电装置中，压力与温度传感器将信号传递给控制装置，根据冷热端温差计算温差发电功率，并根据装置出口氨燃料温度压力状态，控制电加热装置的启(发动机启动时及低负荷工况)、停(中高负荷工况)及输出功率。控制装置通过传感器采集发动机温度、压力、转速、节气门开度以及后处理装置气体组分浓度等数据信号，调节氨重整器中燃料供给量，结合重整器温度、流量等数据控制重整制氢产率，从而实现发动机与氨重整器的协同匹配调控，得到控制发动机燃烧特性对排放特性的宏观调控策略。

具体地，控制装置在控制温差发电装置工作过程中，用于执行以下步骤：

获取所述温差发电装置内的材料参数、废气温度、氨燃料温度和氨燃料压力；

根据所述材料参数、所述废气温度、所述氨燃料温度和所述氨燃料压力确定所述温差发电装置的发电功率；

当所述氨燃料温度满足第一预设要求，输出所述氨燃料温度和所述氨燃料压力，并根据所述温差发电装置的发电功率输出储电装置的电量；当所述氨燃料温度不满足第一预设要求，增加所述温差发电装置内电加热炉的输入功率。

控制装置在控制氨重整器工作时，用于执行以下步骤：

获取所述发动机的缸压、转速、节气门开度和排气温度；

确定所述废气再循环阀的开度；

获取所述氨重整器的废气温度、生成氢气的流量以及氢气转化率；

当所述氢气转化率不满足第二预设要求，开启所述等离子体发生器并调节所述等离子体发生器的功率；

当所述氢气转化率满足第二预设要求，确定所述发动机的功率或所述发动机的污染物排放不满足第三预设要求，调节所述发动机的当量比和所述氨重整器的氨燃料添加量；

确定所述发动机的功率和所述发动机的污染物排放均满足第三预设要求，获取所述氨重整器流量，并计算所述氨重整器输送到所述混气罐的重整气添加率。

综上可知，本实施例***通过利用发动机废气余热发电，提高能源利用率。同时通过制氢装置制备高含量的富氢气体，有效解决发动机点火困难、燃烧稳定性差、污染物排放量高的问题。

此外，本发明实施例提供了一种船舶，包括所述的氨燃料混合动力发动机的余热处理***。

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 (10)

1.一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，包括：

氨燃料储存装置；

温差发电装置，所述氨燃料储存装置的氨燃料输出端与所述温差发电装置的氨燃料输入端连接；

燃料电池，所述燃料电池的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接；

储电装置，所述储电装置的电源输入端分别与所述温差发电装置的电源输出端和所述燃料电池的电源输出端连接，所述储电装置的电源输出端连接负载；

制氢装置，所述制氢装置的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接；

混气罐，所述混气罐的第一输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接，所述混气罐的第二输入端与所述制氢装置的富氢气体输出端连接；

发动机，所述发动机的燃料输入端与所述混气罐的输出端连接；

涡轮增压器，所述涡轮增压器的第一输入端用于输入空气，所述涡轮增压器的第二输入端与所述发动机的废气输出端连接，所述涡轮增压器的第一输出端与所述温差发电装置的废气输入端连接；

中冷器，所述中冷器的输入端与所述涡轮增压器第二输出端连接，所述中冷器的输出端与所述混气罐的第三输入端连接；

控制装置，所述控制装置与所述温差发电装置、所述储电装置、所述制氢装置和所述发动机连接。

2.根据权利要求1所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述制氢装置包括：

氨重整器，所述氨重整器的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接，所述氨重整器的富氢气体输出端与所述混气罐的第二输入端连接，所述氨重整器的第一废气输入端与所述涡轮增压器的第一输出端连接，所述氨重整器的第二废气输入端通过废气再循环阀与所述涡轮增压器的第一输出端连接，所述氨重整器的第二废气输入端与所述氨重整器的反应床连接，所述氨重整器的废气输出端与所述温差发电装置的废气输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述***还包括：

等离子体发生器，所述等离子体发生器设置于所述氨重整器的氨燃料输入端上。

4.根据权利要求2所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述***还包括：

第一减压阀，所述第一减压阀设置于所述温差发电装置的氨燃料输出端与所述燃料电池的氨燃料输入端之间；

第二减压阀，所述第二减压阀设置于所述温差发电装置的氨燃料输出端与所述混气罐的第一输入端之间；

第三减压阀，所述第三减压阀设置于所述温差发电装置的氨燃料输出端与氨重整器的氨燃料输入端之间。

5.根据权利要求1所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述制氢装置包括：

氨电解装置，所述氨电解装置的氨燃料输入端与所述温差发电装置的氨燃料输出端连接，所述氨电解装置的富氢气体输出端与混气罐的第二输入端连接，所述氨电解装置的电源端与所述储电装置的电源输出端连接。

6.根据权利要求1所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述***还包括：

后处理装置，所述后处理装置的废气输入端与所述温差发电装置的废气输出端连接。

7.根据权利要求3所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述控制装置用于执行以下步骤：

获取所述温差发电装置内的材料参数、废气温度、氨燃料温度和氨燃料压力；

根据所述材料参数、所述废气温度、所述氨燃料温度和所述氨燃料压力确定所述温差发电装置的发电功率；

当所述氨燃料温度满足第一预设要求，输出所述氨燃料温度和所述氨燃料压力，并根据所述温差发电装置的发电功率输出储电装置的电量；当所述氨燃料温度不满足第一预设要求，增加所述温差发电装置内电加热炉的输入功率。

8.根据权利要求7所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述控制装置还用于执行以下步骤：

获取所述发动机的缸压、转速、节气门开度和排气温度；

确定所述废气再循环阀的开度；

获取所述氨重整器的废气温度、生成氢气的流量以及氢气转化率；

当所述氢气转化率不满足第二预设要求，开启所述等离子体发生器并调节所述等离子体发生器的功率；

当所述氢气转化率满足第二预设要求，确定所述发动机的功率或所述发动机的污染物排放不满足第三预设要求，调节所述发动机的当量比和所述氨重整器的氨燃料添加量。

9.根据权利要求8所述的一种氨燃料混合动力发动机的余热处理***，其特征在于，所述控制装置还用于执行以下步骤：

确定所述发动机的功率和所述发动机的污染物排放均满足第三预设要求，获取所述氨重整器流量，并计算所述氨重整器输送到所述混气罐的重整气添加率。

10.一种船舶，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的氨燃料混合动力发动机的余热处理***。

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