一种清洁排放的船舶动力系统
技术领域
本发明涉及船舶建设及船舶设计领域，具体涉及一种燃料清洁、排放清洁的船舶动力系统。
背景技术
常规燃油动力的船舶，其排放尾气含有大量的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等，上述气体的排放，将造成严重的温室气体效应、光化学烟雾、酸雨等污染，危及全球气候和人类生存健康。IMO国际海事组织针对上述船舶尾气排放，分别制定了相应的排放控制法规，以降低船舶尾气中的污染排放。
关于二氧化碳排放：
当前全球气候变暖现象加剧，导致世界各地极端气候现象及自然灾害频发，其罪魁祸首为以CO2为代表的温室气体排放。在船舶航运领域，IMO国际海事组织也制定了最新的关于碳排放EEDI标准，随着时间推移，该标准对船舶设计、船舶配套设备、新能源技术应用等提出了更高的要求。
关于硫氧化物排放：
IMO国际海事组织规定2020年1月起，全球船用燃料含硫量不能超过0.5％，在指定排放控制ECA区，实施更加严格的0.1％硫含量限制，以减少船舶尾气中硫氧化物排放，改善空气质量以保护环境。当前主流的应对措施主要有：①采用较为昂贵的0.1％船用轻柴油MGO或超低硫燃油ULSFO；②采用较为廉价的HFO燃油，安装昂贵的尾气洗涤塔设备；③采用液化天然气LNG作为替代船用燃料，配套昂贵的液化天然气存储和供气设备。
关于氮氧化物排放：
对于2016年1月1日及以后建造的、来往于北美洲及美国加勒比海等排放控制区域的所有船舶，均需满足IMO Tier III氮氧化物排放标准，较IMO Tier II氮氧化物排放标准，船舶尾气中氮氧化物须减少约76％，这一要求对船用发动机设计造成了巨大挑战。当前主流的应对措施主要有采用选择性催化还原(SCR)系统或气再循环(EGR)系统。
氨(-33.6℃，1大气压力，液体状态)作为一种重要的化工原料，在化学医药及农药领域、国防工业领域、冶金工业领域等存在着广泛应用，早在20世纪60年代，以氨为燃料的发动机在汽车、船舶及航天火箭等领域已经具有实际应用。氨通常以液态方式存储及运输，在陆上已具有成熟应用，同时，氨可作为燃料燃烧，由于本身不含硫，其燃烧产物为仅氮气和水，不存在碳排放、硫排放问题，是一种十分清洁的燃料。当前，德国曼集团研发一种可燃烧液氨燃料的双燃料低速主机，使用70bar压力的液体氨喷入气缸燃烧，该机型的船舶应用，可实现船舶主机推进系统的“零碳”“零硫”排放，极具环保价值。
但该氨燃料低速主机采用迪塞尔循环，其排放尾气仍含有NO及NO2等氮氧化物，不满足IMO tier III对于氮氧化物的排放标准，针对该种情况，传统做法是额外增加一套主机尾气后处理装置SCR反应器装置，使用喷射尿素的方式与尾气混合，混合气体经SCR反应器，在催化剂下发生还原反应，尾气中氮氧化物被还原为N2，反应附加生成CO2和水，尾气排放至大气；但此种处理方式，还需要一套额外的尿素存储、喷射、清洗、吹灰等系统，同时反应后的尾气中又由于尿素作为还原剂掺杂进来了CO2，该发动机的尾气虽处理了氮氧化物，但排放无法做到“零碳”排放。
氨燃料发动机使用的氨燃料在船舶上以液体状态存储，以节省燃料存储空间。根据船舶类型、船舶尺度、续航力等需求，采用不同容积、不同型式、不同设计压力的液氨存储罐，通常分为半冷半压式(设计温度-40℃，设计压力4～10barg不等，C型储罐)、全冷式(设计温度-40℃，设计压力0.7barg，B型储罐或薄膜型储罐)两种。液氨易挥发，具有毒性，由于外界热量不断透入液氨燃料储罐，导致液氨不断挥发，挥发的氨气积聚在燃料储罐中，将导致储罐压力上升，如不及时处理氨挥发气，将导致安全阀起跳事故，甚至液氨燃料储罐结构破坏。
综上，氨燃料作为船用动力燃料，其燃烧产物不含硫氧化物、二氧化碳，极具环保特性，但MAN公司研发的氨燃料发动机尾气仍会产生氮氧化物。因此，需研发一套零“二氧化碳、硫氧化物”排放的以液氨为燃料的船舶动力系统，使排放尾气满足IMO tier III氮氧化物三级排放标准，实现船舶动力系统的清洁排放。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种清洁排放的船舶动力系统，旨在达到主机在工作过程中不会产生二氧化碳、硫氧化物等污染气体，主机排放尾气符合IMO tier III氮氧化物三级排放标准，做到清洁排放的目的，其所采用的技术方案是：
有氨气液化系统、氨气输送系统和氨燃料主机，所述氨燃料主机的排烟管与烟气混合器连接，氨燃料主机排放的尾气进入烟气混合器内，所述烟气混合器与SCR反应器连接，氨燃料主机还连接有氨燃料供给系统。本发明提供一种采用氨作为船舶动力燃料的系统，由于氨本身不含硫、碳元素，其燃烧产物仅为氮气和水，为空气主要成分，排放尾气不含硫氧化物和二氧化碳，极具清洁环保特性。
所述氨燃料供给系统带有液氨燃料储罐，所述液氨燃料储罐内带有液氨低压泵，所述液氨低压泵将液氨泵出，经过液氨日用罐、液氨增加泵、第一阀门、液氨加热器、液氨供给缓冲罐，输送给氨燃料主机。本发明通过液氨低压泵和液氨增压泵建立50bar燃料供给压力，将液氨从液氨燃料储罐内泵出，经过第一阀门，输送到液氨加热器，通过液氨加热器对液氨燃料温度调节，达到氨燃料主机所需45±10℃供给温度，升温后的氨燃料供给主机使用。液氨加热器与氨燃料主机之间设置液氨供给缓冲罐，缓冲系统压力波动。
所述氨气输送系统是，所述液氨低压泵将液氨从所述液氨燃料储罐内泵出，输送至液氨蒸发器，经过所述液氨蒸发器处理后，再经过氨气气体缓冲罐及氨气加热器处理，通过管路输送至所述烟气混合器，与尾气混合。低温液氨通过低压泵泵出，输送至液氨蒸发器处，进行蒸发，形成低温氨气，低温氨气经管路、氨气气体缓冲罐进入氨气加热器内加热，氨气加热器所需要的热量是由主机锅炉的蒸汽供给，氨气加热器由于对温度要求较高，本发明采用锅炉蒸汽直接加热。
通过氨气加热器进行加热形成的高温氨气，进入烟气混合器内，与主机排放的尾气、压缩后的空气混合，均匀混合后的混合气体进入SCR反应器内，SCR反应器处理后，形成清洁的气体排放至大气中。本发明虽采用清洁环保的氨作为燃料，但是氨燃料主机产生的尾气中依然含有NO及NO2等氮氧化物，不满足IMO tier III对于氮氧化物的排放标准。针对这种情况，本发明采用高温氨气气体作为SCR反应器的还原剂，替代传统的尿素固体颗粒。由于氨气气体扩散均匀，不含固体杂质，无需清洗水系统，且与烟气混合更加充分，因此烟气混合器的容积可大大减小，在氨燃料主机尾气排烟管设置烟气混合器和SCR反应器，烟气混合器实现尾气、压缩空气和高温氨气预混合，SCR反应器实现高温氨气与尾气中氮氧化物发生还原反应，实现清洁排放。
所述氨气液化系统带有氨气压缩机，所述液氨燃料储罐内的氨气挥发气体经过管路，流入所述氨气压缩机内，所述氨气压缩机通过管路分别与所述氨气气体缓冲罐、氨气预冷却器连接，所述氨气预冷却器与氨液化装置连接，所述氨液化装置通过管路与所述氨燃料储罐连接，形成回路。本发明设置的氨气液化系统可以充分保障整个动力系统的安全，当液氨燃料储罐内产生过多的氨气时，当发动机停机或发动机尾气处理系统无法全部消耗时，通过氨气压缩机及氨液化装置，将挥发的氨气气体压缩成液态氨，通过管路，输送回液氨燃料储罐内。通过设置氨气预冷却器，可降低氨液化装置的电力消耗，同时降低液氨加热器的热量供给。通过氨液化装置，降低液氨燃料储罐内气相压力，保证系统安全。氨气气体缓冲罐内的气体来自两部分，一部分来自氨气压缩机，另一部分来自液氨蒸发器。
所述液氨增压泵与所述液氨加热器之间设置有第一阀门，所述氨气预冷却器与所述第一阀门并联，液氨增压泵与氨气预冷却器之间设置有第二阀门，氨气预冷却器与液氨加热器之间设置有第三阀门，所述氨气压缩机与所述氨气气体缓冲罐之间设置有第四阀门，所述氨气压缩机与所述氨气预冷却器之间设置有第五阀门。根据动力系统运行情况不同，通过调节阀门，来切换及控制动力系统运行。
本发明带有的液氨燃料储罐既可以给氨燃料主机提供燃料，又可以给尾气处理装置提供氨气，并且还带有氨气液化系统，保障了船舶运行过程中的安全。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，所述烟气混合器连接有压缩空气系统，所述压缩空气系统带有空气压缩机和缓冲罐，所述空气压缩机通过管路分别与所述缓冲罐和吹灰装置连接，所述吹灰装置与所述SCR反应器连接，所述缓冲罐与所述烟气混合器相连接。设置压缩空气系统，提供SCR反应器所需要的足够氧气。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，所述氨燃料主机的主轴连接有齿轮箱，齿轮箱与轴带发电机相连接。由于仅主机可采用氨燃料，本发明在主机主轴设置齿轮箱，连接至轴带发电机，利用主机富裕功率实现氨燃料发电，电力供给至船舶电网，从而解决船舶电力需求问题，而无需再配置其他燃料发电机。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，所述第二阀门、所述氨气预冷却器、所述第三阀门与所述第一阀门并联。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，主机锅炉或主机缸套水释放的热量经过水乙二醇加热器、水乙二醇循环泵，通过水乙二醇换热介质分别提供给所述液氨蒸发器和所述液氨加热器。主机锅炉或主机缸套水所释放的热量提供给液氨蒸发器、液氨加热器，液氨蒸发器与液氨供给系统的液氨加热器公用一套水乙二醇循环加热系统，水乙二醇循环管路设置水乙二醇循环泵。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，所述液氨蒸发器、所述液氨加热器释放的冷能提供给主机锅炉或主机缸套水。液氨蒸发器、液氨加热器采用水乙二醇作为中间换热介质，主机缸套水或锅炉蒸汽释放的热量传递给水乙二醇换热介质，高温水乙二醇换热介质在液氨蒸发器、液氨加热器处换热，将热量提供给液氨蒸发器和液氨加热器，给液氨蒸发器和液氨加热器运行供能。液氨蒸发器、液氨加热器释放的冷能传递给水乙二醇换热介质，换热后，低温水乙二醇换热介质返回，给主机锅炉或主机缸套水供能。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，所述液氨供给缓冲罐与氨燃料主机之间设置有调压阀组。调压阀组实现主机燃料供给压力调节。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，所述液氨低压泵与所述液氨蒸发器之间设置有减压阀。从液氨燃料储罐内泵出的液氨通过减压阀减压至6bar。
上述一种清洁排放的船舶动力系统，更进一步地，所述氨气加热器与所述烟气混合器之间设置有流量调节阀。控制流量调节阀调节氨气流量后，喷入烟气混合器内，与发动机排放尾气充分混合。
本发明的有益效果是，1.采用液氨作为船舶主机推进系统燃料，由于氨燃料不含硫，实现了“零硫排放”，该系统利用液氨燃料储罐的挥发气和液氨强制蒸发的氨气，用于氨燃料主机尾气脱氮处理，可满足IMO tierIII对氮氧化物排放的要求。该液氨燃料动力系统尾气排放仅含氮气和水，极具清洁性，具有很大的环保效益。
2.本发明采用氨气作为还原剂，较传统SCR脱氮方式，省去了尿素原料及尿素存储、喷射、清洗等系统。由于氨气与尾气混合更加均匀，烟气混合器尺寸大大减小。
3.本发明充分利用液氨燃料储罐内的挥发气，优先应用于氨燃料主机尾气脱氮处理，并配备了氨液化装置作为氨挥发气处理的补充手段，可实现液氨存储罐内挥发气的全部处理，避免了氨挥发气持续积聚导致液氨存储罐压力上升和结构破坏，避免了氨挥发气体的大量排放至大气，保证了液氨存储罐和船舶安全。
4.本发明在氨液化装置前设置氨气预冷却器，利用液氨增压泵出口的液氨燃料携带的冷能预冷氨挥发气，可降低氨液化装置的电力消耗；同时由于增压泵出口液氨燃料温度升高，液氨加热器的热量供给需求也进一步降低，最终节省了船舶热源消耗。
5.本发明实现了液氨燃料供给系统和氨燃料发动机尾气脱氮系统的集成，通过公用液氨低压泵、水乙二醇循环系统等方式，简化了系统设备配置，系统设计紧凑。
6.本发明采用液氨燃料主机配齿轮箱和轴带发电机方案，实现船舶电力供给，而不采用燃油或其他燃料发电机，进而保证电力系统的清洁排放。
附图说明
图1是本发明动力系统结构示意图；
其中：1-液氨燃料储罐、2-液氨低压泵、3-液氨日用罐、4-液氨增压泵、5-液氨蒸发器、6-液氨加热器、7-液氨供给缓冲罐、8-调压阀组、9-减压阀、10-氨气气体缓冲罐、11-氨气加热器、12-氨气预冷却器、13-流量调节阀、14-烟气混合器、15-SCR反应器、16-氨气压缩机、17-氨气液化装置、18-水乙二醇循环泵、19-氨燃料主机、20-齿轮箱、21-轴带发电机、22-水乙二醇加热器、23-主机锅炉、24-吹灰装置、25-空气压缩机、26-缓冲罐、27-第一阀门、28-第二阀门、29-第三阀门、30-第四阀门、31第五阀门。
具体实施方式
结合附图对本项发明作进一步说明，如图1所示的一种清洁排放的船舶动力系统，有氨气液化系统、氨气输送系统、氨燃料供给系统和氨燃料主机，氨燃料主机19连接有烟气混合器和氨燃料供给系统，烟气混合器14与SCR反应器15、压缩空气系统连接。压缩空气系统带有空气压缩机25和缓冲罐26，空气压缩机通过管路分别与缓冲罐一端和吹灰装置24一端连接，吹灰装置另一端与SCR反应器连接，缓冲罐另一端与烟气混合器相连接。氨燃料主机的主轴连接有齿轮箱20，齿轮箱与轴带发电机21相连接。
氨燃料供给系统带有液氨燃料储罐1，液氨燃料储罐内带有液氨低压泵2，液氨低压泵通过管路依次连接有液氨日用罐3、液氨增压泵4、第一阀门27、液氨加热器6、液氨供给缓冲罐7、调压阀组8、氨燃料主机。液氨供给缓冲罐对系统压力波动起到缓冲。
液氨低压泵将液氨从液氨燃料储罐内泵出，输送至液氨蒸发器5，液氨蒸发器依次连接有氨气气体缓冲罐10及氨气加热器11，氨气加热器与烟气混合器连接，形成氨气输送系统。液氨低压泵与液氨蒸发器之间还设置有减压阀9，氨气加热器与烟气混合器之间设置有流量调节阀13。氨气加热器与主机锅炉23相连接，氨气加热器加热所需的热量来自主机锅炉蒸汽。
氨气液化系统带有氨气压缩机16，液氨燃料储罐内的氨气挥发气体经过管路，流入氨气压缩机内，氨气压缩机通过管路分别与氨气气体缓冲罐10、氨气预冷却器12连接，氨气压缩机与氨气气体缓冲罐之间设置有第四阀门30，氨气压缩机与氨气预冷却器之间设置有第五阀门31。氨气预冷却器另一端与氨气液化装置17连接，氨气液化装置通过管路与氨燃料储罐连接，形成回路。
液氨增压泵与氨气预冷却器一端相连接，氨气预冷却器另一端与液氨加热器相连接，液氨增压泵与氨气预冷却器之间设置有第二阀门28，氨气预冷却器与液氨加热器之间设置有第三阀门29。
液氨蒸发器通过管路与水乙二醇循环泵18、水乙二醇加热器22、主机锅炉相连接，形成循环，循环内流通有水乙二醇换热介质。液氨加热器通过水乙二醇循环泵、水乙二醇加热器与主机锅炉相连接，形成循环，循环内流通有水乙二醇换热介质。液氨蒸发器和液氨加热器公用一套水乙二醇循环泵，很好的实现换热循环。
实施例1
船舶运行时，液氨燃料储罐内氨气挥发气体少于或基本等于尾气处理时对氨气的需求量，打开第一阀门和第四阀门，关闭第二阀门、第三阀和液氨蒸发器内。液氨燃料储罐内挥发气量过多，氨燃料发动机尾气处理对氨气需求量少时，此种情况可能会发生在液氨燃料储罐容积过大、液氨燃料储罐保冷效果差、船舶运行环境恶劣或者主机处于Tire II运行模式无需进行尾气脱氮处理等工况。
通过氨燃料供给系统，低温液态氨依次经过液氨日用罐、液氨增压泵，通过液氨增压泵将输送压力加压到70bar后，经过第一阀门输送到液氨加热器进行加热，形成温度为45±10℃的液氨燃料，将温度为45±10℃的液氨燃料提供给氨燃料主机，使动力系统运行。
输送压力在18bar的液氨燃料在进入液氨蒸发器之前，通过减压阀减压至6bar，减压后的液氨燃料进入液氨蒸发器进行蒸发，形成低温氨气，低温氨气进入氨气气体缓冲罐进行缓冲后，进入氨气加热器进行加热，形成高温氨气，将最终形成的高温氨气输送至烟气混合器内，用于对主机排放尾气的处理。在烟气混合器内，主机排放的尾气、高温氨气和空气均匀混合后，进入SCR反应器内进行反应，最终形成符合要求的排放气体，排放至大气。
第四阀门开启，液氨燃料储罐内挥发的氨气气体经过氨气压缩机后，通过第四阀门进入氨气气体缓冲罐内，通过氨气输送系统，最终进入到烟气混合器内，用于处理尾气。
主机锅炉或主机缸套水在工作过程中所产生的热量通过水乙二醇循环泵提供给液氨蒸发器和液氨加热器，用于液氨蒸发器和液氨加热器工作；而液氨蒸发器、液氨加热器工作时释放的冷能也会提供给主机锅炉和主机缸套水。
实施例2
当液氨燃料储罐内挥发气体过多时，超过尾气处理所需用量，打开第二阀门、第三阀门、第五阀门，关闭第一阀门和第四阀门，打开第五阀门即启动氨气液化系统。此种情况可能会发生在液氨燃料储罐容积过大、液氨燃料储罐保冷效果差、船舶运行环境恶劣或者主机处于Tire II运行模式无需进行尾气脱氮处理等工况。液氨燃料储罐内挥发氨气气体经过氨气压缩机，通过第五阀门进入氨气预冷却器，在氨气预冷却器处换热，对氨气进行预降温，降温后的氨气进入氨气液化装置，液化后形成液氨，通过管路回到液氨燃料储罐。
挥发氨气在氨气预冷却器处换热，是与氨燃料供给系统中，经过液氨日用罐、液氨增加泵、第二阀门的低温液氨进行换热，换热后的液氨经过第三阀门进入液氨加热器内，最终形成温度为45±10℃的液氨燃料提供给氨燃料主机，使动力系统运行。氨气输送系统正常运行。
