一種實現液化天然氣力船舶發動機高效零污染運行的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及內燃機高效清潔燃燒和能量高效利用領域，尤其涉及實現液化天然氣力船舶發動機高效零污染運行的方法。
【背景技術】
[0002]二沖程大型低速柴油機有著油耗低、輸出扭矩平穩、燃油品質要求低等特點，在三大主力遠洋船舶(油輪、集裝箱船、散貨船)上得到了廣泛的應用。然而隨著地球環境惡化，國際海洋組織和許多國家均制定了日益嚴格的海洋排放法規，對船舶發動機的NOx和SOx排放制定嚴格法規。天然氣相比于柴油或重油，含硫量低，燃燒更充分，無顆粒物排放；同時，隨著天然氣的開采和使用技術不斷發展，其應用成本不斷下降。LNG是液化天然氣Liquefied Natural Gas的縮寫，將天然氣液化后可顯著提高天然氣體積熱值，解決壓縮天然氣(CNG)在移動動力裝置中不便于攜帶的問題，隨著天然氣液化技術、LNG儲存以及運輸等技術的成熟，以LNG作為船舶發動機燃料的LNG動力船舶發展迅速。
[0003]天然氣替代柴油或重油作為船舶發動機燃料可以降低SOx和顆粒物排放，但NOx減排不明顯，需要采用相關技術滿足排放法規的需求。LNG的液化溫度為-162°C，具有231kW.h/t的冷能，而現有的LNG動力船舶僅僅利用它的低溫來制冷，沒有充分利用其冷能。現今的遠洋船舶航行時，燃料費用支出在整個遠洋船舶運輸中占50%-70%，一艘50000噸LNG動力散貨船，一天大約消耗50-80噸LNG，如果提高船舶發動機的熱效率，就可以節約大量的燃料，減少碳排放，降低運輸成本。
[0004]發明名稱為“一種LNG冷能回收用于汽車零排放和空調的方法與裝置”，公開號為CN103832244A的中國專利，該方法存在的問題為利用LNG冷能冷卻發動機排氣時，缺乏對燃燒產生的各類污染物的處理方法，未能做到發動機零污染，也未能提高發動機熱效率。
[0005]發明名稱為“工作氣體循環型發動機”，公開號為CN101512125的中國專利公開了以下內容:發動機將由氧氣、作為燃料的氫氣和作為工作氣體的氬氣構成的氣體供給至燃燒室。上游冷凝部通過將來自燃燒室的排放氣體與大氣進行熱交換，使排放氣體中含有的水蒸汽冷凝成第一次冷凝水，并將分離了第一次冷凝水的氣體作為第一次冷凝水分離后氣體而排出。第一次冷凝水被儲存在蓄水箱中。下游冷凝部通過利用儲存在蓄水箱中的冷凝水的氣化潛熱，進一步將第一次冷凝水分離后氣體中含有的水蒸汽冷凝成第二次冷凝水，并將從第一次冷凝水分離后氣體中分離了第二次冷凝水后的氣體排出，從而避免了工作氣體的熱容比的顯著降低。該發動機存在的問題為采用氫氣作為發動機燃料，氫氣價格相對天然氣較貴、運輸成本很高，無法做到在現階段大規模使用，同時，該方法未能提高發動機熱效率。
[0006]發明名稱為“使用循環工作氣體的氫發動機”，公開號為CN101389840的中國專利公開了以下內容:氫發動機將氫氣、氧氣和作為工作氣體的氬氣供給到燃燒室以使氫氣燃燒。通過冷凝器，從燃燒室排出的循環氣體中的H2O被從氣體中分離和除去。當循環氣體中的二氧化碳的濃度高于預定濃度時，以使循環氣體流經產物除去部(二氧化碳吸收單元)的方式轉換三通閥，從而將二氧化碳從循環氣體中分離和除去。該發動機雖然與上一專利相比，添加了循環氬氣提高發動機熱效率、增加了除二氧化碳裝置，但是并沒有克服氫氣在現階段無法作為一種大規模低成本的燃料的問題。
[0007]發明名稱為“利用LNG冷能空分制取液氧液氮的方法”，公開號為104807289A的中國專利公開了以下內容:將來自空分塔冷箱的粗氮，經主換熱器冷箱復熱后，匯合氣液分離罐分離的中壓低溫氮氣經循環換熱器冷箱復熱，復熱后的低壓低溫氮氣，再經循環換熱器冷箱復熱后，通過N2增壓機增壓的中壓常溫氮氣進入循環他增壓機增壓至高壓氮氣;高壓氮氣經循環換熱器冷箱預冷;送入空分塔冷箱作為空分的冷源，并在LNG冷能回收塔冷箱上塔底部得到高純高壓液氮，高壓液氮經節流閥節流，得到中壓液氮和中壓氮氣經由節流閥節流，得到低壓液氮產品和低壓氮氣。該方法存在的問題是未指出產生的液氧和液氮的冷能如何有效利用，也沒有說明LNG冷能被利用后成為天然氣如何有效利用。
[0008]發明名稱為“一種動力漁船LNG冷能釋放及供氣系統”，公開號為CN104712905A的中國專利公開了以下內容:至少包括LNG儲罐、冷能吸收換熱器、放換熱器、載冷劑儲槽、低溫栗、燃料調溫換熱器、發動機冷卻水槽、水栗和燃料機，自增壓器安裝在LNG儲罐的一側，空溫汽化器安裝在LNG儲罐與冷能吸收換熱器之間，LNG冷能吸收換熱器、冷能釋放換熱器、載冷劑儲槽、低溫栗依次連接并組成閉合回路;LNG冷能吸收換熱器還連接燃料調溫換熱器，燃料調溫換熱器、發動機冷卻水槽、水栗依次連接并組成閉合回路;燃料調溫換熱器還通過燃料管道連接燃料機，燃料管道上設有流量計。該方法利用LNG冷能冷卻排氣中的二氧化碳，再利用液態二氧化碳對漁船供冷，但是LNG冷能的利用效率不高，也沒有減少漁船發動機污染物的排放。
[0009]發明名稱為“利用LNG冷能制備液體二氧化碳及干冰的方法及裝置”，公開號為CN104236252A的中國專利公開了以下內容:LNG栗入管殼式換熱器的管程，在管殼式換熱器的管程中LNG的氣化釋放潛熱，將低溫氣體CO2冷卻液化，然后LNG的氣化產物作為冷源進入多股流板翅式換熱器，CO2原料氣冷卻后進入CO2壓縮機，同時將輸出的高壓高溫CO2冷卻，LNG升溫氣化為10?25 °C的常溫天然氣;冷卻后的⑶2進入管殼式換熱器的殼層，從管殼式換熱器殼層出口流出的液體CO2分為兩支，一支進入液體(》2儲罐，另一支進入干冰機制備干冰。該方法存在的問題是LNG的溫度比液態二氧化碳低很多，直接利用LNG冷卻二氧化碳氣體產生液態二氧化碳的方法并不能高效低利用LNG冷能，同時該專利僅闡述了液態二氧化碳制備過程，沒有說明LNG冷能被利用后成為天然氣如何有效利用。
[0010]《天然氣與石油》雜志2013年31卷3期中公開了論文《利用LNG冷能的空氣分離流程》中所述的相關裝置。內容為:常規空氣分離方法通過采用高壓空氣冷卻膨脹制冷來提供空分系統所需的冷量，氣體壓縮需要消耗大量電和水，將LNG的低溫冷能用于空分系統后，單位產品的能耗會大幅降低，從熱力學角度出發，指出該LNG冷能回收利用方式的合理性，對LNG高品質的低溫冷能用于空氣分離的工藝進行改進，以期回收LNG冷能的同時降低空分系統的動力功耗。存在的問題是未指出產生的液氧和液氮的冷能如何有效利用，也沒有說明LNG冷能被利用后成為天然氣如何有效利用。
[0011]《中國修船》雜志2003年3期中公開了論文《船舶余熱回收現狀及吸附制冷應用前景》中所述的余熱鍋爐或其他功能類似的裝置。內容為熱管式余熱蒸汽鍋爐和熱水器在船舶上的成功應用，文章著重介紹回收船舶尾氣余熱的熱管蒸汽鍋爐系統、吸附式制冷的空調系統、冷凍水系統、制冰系統。存在的問題是該論文僅考量的發動機排氣的余熱回收，沒有對排氣污染物提出好的處理辦法。
【發明內容】
[0012]本發明的目的在于克服已有技術的不足，提供一種高效利用LNG冷能、將發動機的排氣進行余熱回收，實現發動機熱效率提高、污染物零排放的液化天然氣力船舶發動機高效零污染運行的方法。
[0013]為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0014]本發明的一種實現液化天然氣力船舶發動機高效零污染運行的方法，它包括以下步驟:
[0015](I)液化天然氣從液化天然氣儲罐中流出，經換熱汽化為天然氣；
[0016](2)天然氣、氧氣經過海水預熱器換熱溫度達到5-10°C;換熱后的天然氣經過安裝有天然氣流量傳感器和天然氣流量控制閥的天然氣管道進入混合調壓配氣裝置，換熱后的氧氣經過安裝有氧氣流量傳感器和氧氣流量控制閥的氧氣管道進入混合調壓配氣裝置，氬氣與氧氣按體積比3.7:1?3.8:1進入混合調壓配氣裝置中成為助燃氣體，天然氣和助燃氣體以1:9.45?1:9.65的體積比在混合調壓配氣裝置中混合后輸送到發動機的燃燒室燃燒，發動機的燃燒室排氣經過裝有氧濃度傳感器和氣體流量計的排氣總管依次進入余熱回收裝置和海水預冷器回收余熱并將排氣冷卻至5-10°C ;
[0017](3)余熱被回收后的一部分排氣進入主通道，另一部分排氣在與主通道連通的旁通通道上游支點處進入旁通通道，然后在氮氧化物、硫氧化物去除裝置中除去氮硫，進入主通道和旁通通道的排氣的流量控制方法為:發動機電子控制單元讀取排氣總管內的氣體流量計輸出的氣體流量信號并與設定值比較，然后輸出控制信號給安裝在旁通通道上游支點處的電磁閥，當排氣流量大于設定值，則增大電磁閥開度以增加旁通通道氣體流量；當排氣流量小于設定值，則減小電磁閥開度以減小旁通通道氣體流量；
[0018](4)經過除氮硫處理的排氣從旁通通道下游支點處的單向閥回到主通道，與主通道內的氣體一同進入水冷卻分離裝置，使水蒸氣液化從氣體中分離，再經過二氧化碳冷卻分離裝置，使二氧化碳以液體形式從氣體中分離，排氣中剩余的氣體為以氬氣為主的可參與再循環的氣體，進入混合調壓配氣裝置，與新鮮的氧氣以及天然氣混合，再次進入發動機的燃燒室參與燃燒。
[0019]與現有發明相比，本發明具有以下兩方面優勢:
[0020]第一，采用氬氣與純氧的混合氣作為助燃氣體，既保持了合理的燃燒速度，又避免了現有發動機燃燒過程中氮氧化物的生成。發動機排氣經過梯度冷卻分離處理后重新通入進氣管道進行循環，實現了船