CN116816478A - 氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置及工作方法，包括：氨燃料发动机、氨氧化催化器、氨氧化催化器旁通阀、氨氧化催化器旁通管路、混合器以及选择性催化还原器；所述氨燃料发动机依次连接所述氨氧化催化器、所述混合器以及所述选择性催化还原器；所述氨氧化催化器旁通管路一端连接在所述氨燃料发动机和所述氨氧化催化器之间，另一端连接所述混合器，所述氨氧化催化器旁通管路上设置所述氨氧化催化器旁通阀。本发明可根据氨燃料发动机不同工况的尾气成分灵活控制氨氧化催化器旁通阀开度，实现选择性催化还原器前理想的氨和NOx比例,达到氨燃料发动机尾气中未燃氨和NOx一体净化的目标，同时免去额外的还原剂喷射。
Description
技术领域
本发明涉及氨燃料发动机及排放后处理研究领域，具体地，涉及氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置及工作方法。
背景技术
传统柴油机多采用选择性催化还原器(SCR)和氨氧化催化器(ASC)依次处理柴油机尾气中的NOx排放和来自SCR的少量未参与反应的还原剂氨。氨燃料发动机主要排放物为NOx和未燃氨，且氨燃料较差的燃烧特性导致多数工况下尾气中未燃氨排放较NOx过量，若延用传统柴油机的后处理装置将导致ASC催化氧化氨的过程中再次产生大量副产物NOx和N2O，难以满足排放法规要求。
专利文献CN114856764A公开了一种氨燃料发动机的尾气处理系统、发动机和船舶，可以应用于尾气处理技术领域。本发明系统通过第一除水装置对发动机排放的尾气进行除水，通过氮氧化合物捕集器将除水后的尾气与氢气进行反应后生成少量的氨气，通过设置的管道收集氮氧化合物捕集器输出的部分尾气，以利用尾气的余热向设置的氨气合成装置提供热量，使氨气合成装置合成氨气，将剩余尾气和氨气输出到设置的换热器，再利用设置的脱硝装置将尾气和氨气还原成氮气和水后，通过设置的液氮换热器分离出不可冷凝的气体并收集氨气，接着通过水箱和第二除水装置排除一氧化二氮和水后，再利用氮气分离装置分离出氮气和氧气，从而实现氨气的收集和废气的回收利用。专利文献CN217206623U公开了一种用于氢-氨燃料发动机排气的后处理装置，包括排气催化装置和氨气供给装置，排气催化装置用于转化排气中的氨气NH3和氮氧化物NOX，氨气供给装置用于给排气催化装置内供给氨气NH3；排气催化装置包括依次连接的第一SCR催化器、第一排气管、第二SCR催化器、第二排气管和氨逃逸催化器ASC，第一SCR催化器的进口与氢-氨燃料发动机的排气管出口连接，氨气供给装置的末端安装在第一排气管上。目前现有的尾气处理装置结构复杂、需要额外供给还原剂氨、且未能达到一体净化的目标。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置及工作方法。
根据本发明提供的一种氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，包括：氨氧化催化器、氨氧化催化器旁通阀、氨氧化催化器旁通管路、混合器以及选择性催化还原器；
氨燃料发动机依次连接所述氨氧化催化器、所述混合器以及所述选择性催化还原器；
所述氨氧化催化器旁通管路一端连接在所述氨燃料发动机和所述氨氧化催化器之间，另一端连接所述混合器，所述氨氧化催化器旁通管路上设置所述氨氧化催化器旁通阀。
优选地，所述氨氧化催化器和所述氨燃料发动机之间设置第一NOx传感器和第一氨传感器，所述混合器和所述选择性催化还原器之间设置第二NOx传感器和第二氨传感器，所述选择性催化还原器远离所述混合器一端设置第三NOx传感器和第三氨传感器。
优选地，所述选择性催化还原器和所述混合器之间设置还原剂喷射器并通过所述还原剂喷射器喷射还原剂。
优选地，所述氨氧化催化器旁通阀、所述还原剂喷射器、第一NOx传感器、第二NOx传感器、第三NOx传感器、第一氨传感器、第二氨传感器以及第三氨传感器连接所述控制器。
优选地，所述氨氧化催化器靠近所述氨燃料发动机的一端内置截止阀。
优选地，喷射的所述还原剂包括氨气、氨水以及尿素。
优选地，所述选择性催化还原器包括：贵金属催化器、金属氧化物催化器和分子筛催化器；
所述贵金属催化器的催化剂类型包括Pt/Al2O3和Pd/Al2O3，所述金属氧化物催化器的催化剂类型包括V基、Mn基以及Cu基，所述分子筛催化器类型包括Fe基分子筛和Cu基分子筛。
优选地，所述氨氧化催化器包括：贵金属催化器、过渡金属氧化物催化器以及分子筛催化器；
所述贵金属催化器的催化剂类型包括Pt、Pd、Ag以及Ru，所述过渡金属氧化物催化器的催化剂类型包括V2O5、MnO2以及Fe2O3，所述分子筛催化器的类型包括ZSM-5分子筛、SAPO-34分子筛以及SSZ-13分子筛。
优选地，所述氨燃料发动机的工作模式包括火花点火式、柴油引燃式、低碳/零碳燃料引燃式、预燃室热湍射流点火式以及直接压燃式。
优选地，所述选择性催化还原器的催化剂对还原剂氨吸附储存。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可根据氨燃料发动机不同工况的尾气成分灵活控制氨氧化催化器旁通阀开度，实现选择性催化还原器前理想的氨氮比(NH3/NOx),达到氨燃料发动机尾气中未燃氨和NOx一体净化的目标，同时免去额外的还原剂喷射。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一体净化后处理装置的原理图；
图中所示：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：氨氧化催化器2、氨氧化催化器旁通阀3、氨氧化催化器旁通管路4、混合器5以及选择性催化还原器6；氨燃料发动机1依次连接氨氧化催化器2、混合器5以及选择性催化还原器6，氨氧化催化器旁通管路4一端连接在氨燃料发动机1和氨氧化催化器2之间，另一端连接混合器5，氨氧化催化器旁通管路4上设置氨氧化催化器旁通阀3，氨氧化催化器2靠近氨燃料发动机1的一端内置截止阀。选择性催化还原器6和混合器5之间设置还原剂喷射器7并通过还原剂喷射器7喷射还原剂，选择性催化还原器6的催化剂对还原剂氨吸附储存，喷射的还原剂包括氨气、氨水以及尿素。
氨氧化催化器2和氨燃料发动机1之间设置第一NOx传感器801和第一氨传感器901，混合器5和选择性催化还原器6之间设置第二NOx传感器802和第二氨传感器902，选择性催化还原器6远离混合器5一端设置第三NOx传感器803和第三氨传感器903。氨氧化催化器旁通阀3、还原剂喷射器7、第一NOx传感器801、第二NOx传感器802、第三NOx传感器803、第一氨传感器901、第二氨传感器902以及第三氨传感器903连接控制器10。
在一种实施方式中，氨氧化催化器2包括：贵金属催化器、过渡金属氧化物催化器以及分子筛催化器；贵金属催化器的催化剂包括Pt、Pd、Ag以及Ru，过渡金属氧化物催化器的催化剂包括V2O5、MnO2以及Fe2O3，分子筛催化器的类型包括ZSM-5分子筛、SAPO-34分子筛以及SSZ-13分子筛。选择性催化还原器6包括：贵金属催化器、金属氧化物催化器和分子筛催化器；贵金属催化器的催化剂包括Pt/Al2O3和Pd/Al2O3，金属氧化物催化器的催化剂包括V基、Mn基以及Cu基，分子筛催化器包括Fe基分子筛和Cu基分子筛。
在一种实施方式中，氨燃料发动机1的工作模式包括火花点火式、柴油引燃式、低碳/零碳燃料引燃式、预燃室热湍射流点火式以及直接压燃式。
本实施例还提供一体净化后处理装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤S1，氨燃料发动机1排放出包含未燃氨和NOx的尾气，第一NOx传感器801和第一氨传感器901分别测量尾气中NOx和未燃氨的含量并反馈给控制器10；步骤S2，尾气先后通过氨氧化催化器2和混合器5后输送至选择性催化还原器6反应；步骤S3，当未燃氨相较于NOx在反应中过量时，控制器10根据第二NOx传感器802和第二氨传感器902测量值实时控制氨氧化催化器旁通阀3的开度，部分尾气从氨氧化催化器旁通管路4进入混合器5中和经过氨氧化催化器2催化的气体混合，确保选择性催化还原器6前适宜的氨氮比(NH3/NOx)；步骤S4，当NOx相较于未燃氨在反应中过量时，关闭氨氧化催化器2内置截止阀，停止氨氧化催化器2工作；同时，控制器10计算额外的还原剂需求，并控制还原剂喷射器7在选择性催化还原器6前进行额外的还原剂喷射；步骤S5，平衡后的未燃氨和NOx在选择性催化还原器6中反应，从而实现一体净化；步骤S6，第三NOx传感器803和第三氨传感器903对选择性催化还原器6反应排放的气体进一步测量并反馈给控制器10，控制器10根据测量结果确认尾气达标排放。
实施例2
实施例2作为实施例1的优选例。
如图1所示，本实施例包括：氨氧化催化器2、氨氧化催化器旁通阀3、氨氧化催化器旁通管路4、混合器5、选择性催化还原器6、还原剂喷射器7以及控制器10；
氨氧化催化器2、混合器5、选择性催化还原器6依次相连，且后置于氨燃料发动机1；氨氧化催化器旁通阀3和氨氧化催化器旁通管路4依次相连，且并联于氨氧化催化器2。在具体实施方式中，氨氧化催化器2、氨氧化催化器旁通阀3、氨氧化催化器旁通管路4、混合器5中的一项或多项可任意集成组合。
氨燃料发动机1尾气中的NOx和未燃氨分别由第一NOx传感器801和第一氨传感器901测量，氨氧化催化器2后的NOx和氨分别由第二NOx传感器802和第二氨传感器902测量，选择性催化还原器6后的NOx和氨分别由第三NOx传感器803和第三氨传感器903测量。
针对氨燃料发动机1尾气中未燃氨较NOx在SCR反应中过量的工况，由控制器10根据第二NOx传感器802和第二氨传感器902测量值实时控制氨氧化催化器旁通阀3的开度，确保选择性催化还原器6前适宜的氨氮比(NH3/NOx)，实现氨燃料发动机尾气中未燃氨和NOx一体净化。针对1氨燃料发动机尾气中NOx较未燃氨在SCR反应中过量的工况，由控制器10计算额外的还原剂需求，并控制还原剂喷射器7在选择性催化还原器前6进行额外的还原剂喷射。
氨氧化催化器2前置截止阀，在氨燃料发动机1尾气中NOx过量的工况下停止氨氧化催化器2工作，保证尾气中未燃氨全部用于NOx还原并最小化额外的还原剂喷射。可利用选择性催化还原器6中催化剂的吸附特性进行还原剂氨储存，以提高后处理装置整体能效并应对工况变化导致的排气成分变化。
根据第二NOx传感器802、第二氨传感器902、第三NOx传感器803和第三氨传感器903的测量值，由控制器10实时计算选择性催化还原器6中还原剂氨的储存量，并控制氨氧化催化器旁通阀3的开度确保储存量维持在设定值范围。
还原剂喷射器7额外喷射的还原剂可为氨气、氨水、尿素。
氨燃料发动机1的工作模式可为火花点火式、柴油引燃式、低碳/零碳燃料引燃式、预燃室热湍射流点火式、直接压燃式等。
选择性催化还原器6可为贵金属催化器、金属氧化物催化器和分子筛催化器等；贵金属催化器的催化剂可为Pt/Al2O3、Pd/Al2O3等，金属氧化物催化器的催化剂可为V基、Mn基和Cu基等，分子筛催化器可为Fe基分子筛和Cu基分子筛等。
氨氧化催化器2可为贵金属催化器、过渡金属氧化物催化器和分子筛催化器等；贵金属催化器的催化剂可为Pt、Pd、Ag、Ru等，过渡金属氧化物催化器的催化剂可为V2O5、MnO2、Fe2O3等；分子筛催化器的类型可为ZSM-5、SAPO-34、SSZ-13等。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于，包括：氨氧化催化器(2)、氨氧化催化器旁通阀(3)、氨氧化催化器旁通管路(4)、混合器(5)以及选择性催化还原器(6)；
氨燃料发动机(1)依次连接所述氨氧化催化器(2)、所述混合器(5)以及所述选择性催化还原器(6)；
所述氨氧化催化器旁通管路(4)一端连接在所述氨燃料发动机(1)和所述氨氧化催化器(2)之间，另一端连接所述混合器(5)，所述氨氧化催化器旁通管路(4)上设置所述氨氧化催化器旁通阀(3)。
2.根据权利要求1所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于：所述氨氧化催化器(2)和所述氨燃料发动机(1)之间设置第一NOx传感器(801)和第一氨传感器(901)，所述混合器(5)和所述选择性催化还原器(6)之间设置第二NOx传感器(802)和第二氨传感器(902)，所述选择性催化还原器(6)远离所述混合器(5)一端设置第三NOx传感器(803)和第三氨传感器(903)。
3.根据权利要求2所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于：所述选择性催化还原器(6)和所述混合器(5)之间设置还原剂喷射器(7)并通过所述还原剂喷射器(7)喷射还原剂。
4.根据权利要求3所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于：所述氨氧化催化器旁通阀(3)、所述还原剂喷射器(7)、第一NOx传感器(801)、第二NOx传感器(802)、第三NOx传感器(803)、第一氨传感器(901)、第二氨传感器(902)以及第三氨传感器(903)连接所述控制器(10)。
5.根据权利要求1所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于：所述氨氧化催化器(2)靠近氨燃料发动机(1)的一端内置截止阀。
6.根据权利要求3所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于：喷射的所述还原剂包括氨气、氨水以及尿素，所述选择性催化还原器(6)的催化剂对还原剂氨吸附储存。
7.根据权利要求1所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于，所述选择性催化还原器(6)包括：贵金属催化器、金属氧化物催化器和分子筛催化器；
所述贵金属催化器的催化剂类型包括Pt/Al2O3和Pd/Al2O3，所述金属氧化物催化器的催化剂类型包括V基、Mn基以及Cu基，所述分子筛催化器类型包括Fe基分子筛和Cu基分子筛。
8.根据权利要求1所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于，所述氨氧化催化器(2)包括：贵金属催化器、过渡金属氧化物催化器以及分子筛催化器；
所述贵金属催化器的催化剂类型包括Pt、Pd、Ag以及Ru，所述过渡金属氧化物催化器的催化剂类型包括V2O5、MnO2以及Fe2O3，所述分子筛催化器的类型包括ZSM-5分子筛、SAPO-34分子筛以及SSZ-13分子筛。
9.根据权利要求1所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置，其特征在于：所述氨燃料发动机(1)的工作模式包括火花点火式、柴油引燃式、低碳/零碳燃料引燃式、预燃室热湍射流点火式以及直接压燃式。
10.一种权利要求4所述氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，所述氨燃料发动机(1)排放出包含未燃氨和NOx的尾气，所述第一NOx传感器(801)和所述第一氨传感器(901)分别测量尾气中NOx和未燃氨的含量并反馈给所述控制器(10)；
步骤S2，尾气先后通过所述氨氧化催化器(2)和所述混合器(5)后输送至所述选择性催化还原器(6)反应；
步骤S3，当未燃氨相较于NOx在反应中过量时，所述控制器(10)根据所述第二NOx传感器(802)和所述第二氨传感器(902)测量值实时控制所述氨氧化催化器旁通阀(3)的开度，部分尾气从所述氨氧化催化器旁通管路(4)进入所述混合器(5)中和经过所述氨氧化催化器(2)催化的气体混合，确保所述选择性催化还原器(6)前适宜的氨和NOx比例；
步骤S4，当NOx相较于未燃氨在反应中过量时，关闭所述氨氧化催化器(2)靠近氨燃料发动机(1)一端的内置截止阀，停止所述氨氧化催化器(2)工作；
同时，所述控制器(10)计算额外的还原剂需求，并控制所述还原剂喷射器(7)在所述选择性催化还原器(6)前进行额外的还原剂喷射；
步骤S5，平衡后的未燃氨和NOx在所述选择性催化还原器(6)中反应，从而实现一体净化；
步骤S6，所述第三NOx传感器(803)和所述第三氨传感器(903)对所述选择性催化还原器(6)反应排放的气体进一步测量并反馈给所述控制器(10)，所述控制器(10)根据测量结果确认尾气达标排放。
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| CN202310800588.8A CN116816478A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 氨燃料发动机未燃氨和NOx一体净化后处理装置及工作方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118462360A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-08-09 | 哈尔滨工程大学 | 一种船舶氨燃料发动机一体化处理装置及处理方法 |
| CN118526944A (zh) * | 2024-05-23 | 2024-08-23 | 中船动力(集团)有限公司 | 一种氨燃料发动机尾气脱硝方法和装置 |
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2023
- 2023-06-30 CN CN202310800588.8A patent/CN116816478A/zh active Pending
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