船舶氨燃料供给及尾气处理系统

技术领域

本发明涉及船舶燃料供给技术领域，尤其是涉及一种船舶氨燃料供给及尾气处理系统。

背景技术

随着海洋环境保护意识逐渐提高，对于船舶排放的要求越发严格。国际海事组织颁布了一系列有关船舶排放的防污公约，对于氮氧化合物及硫氧化物等污染物制定了详细的排放标准。根据国际海事组织颁布的《MARPOL 73/78》附则Ⅵ中的规定：2020年后，对于船用低速机而言，在排放非控制区氮氧化物的排放限值为14.4g/kW·h，硫氧化物的排放限值为0.5％m/m；在ECA区(排放限制区)，氮氧化物的排放限值为3.4g/kW·h，硫氧化物的排放限值为0.1％m/m。对于碳氧化合物的排放，IMO国际海事组织也制定了最新的关于碳排放EEDI标准，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。而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，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。开发一种船舶清洁燃料成为了船舶设备厂商亟待解决的问题，在经历天然气、甲醇等清洁能源的尝试后，人们把目光聚焦到氨燃料。氨燃料的分子式中只含有氮原子与氢原子，在理想状态下燃烧生成氮气和水，不存在碳排放、硫排放问题，是一种具有较大开发价值的清洁能源。

但在实际运用过程中，氨燃料仍会产生氮氧化物的排放问题(即氨燃料发动机的尾气中含有氮氧化物)。对于以氨作为燃料的双燃料主机船舶而言，存在BOG难以处理等问题(氨燃料主机是以液氨的形态进行燃料供应，而液氨储罐中部分液氨会蒸发产生氨气，这部分氨气一般是通过再液化设备处理为液氨后回流至储罐内；但再液化设备的设备成本较高)，且船舶上的锅炉及发电机仍然是依靠燃油作为动力能源，存在碳排放等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶氨燃料供给及尾气处理系统，能够同时对液氨储罐中的BOG气体及氨燃料主机和燃油设备的尾气进行处理，不仅能够实现尾气中CO

本发明提供一种船舶氨燃料供给及尾气处理系统，包括氨燃料供应单元、尾气处理单元、以液氨作为燃料的氨燃料主机、以燃油作为燃料的燃油设备以及SCR脱硝装置；所述氨燃料供应单元包括液氨储罐、低压供应泵、缓冲罐、高压泵和加热装置，所述尾气处理单元包括淡水供应装置、氨水罐、氨水泵、吸收塔、排液管路、预处理塔和海水供应装置；

所述低压供应泵的入口与所述液氨储罐连通，所述低压供应泵的出口与所述缓冲罐的入口连通，所述缓冲罐的出口与所述高压泵的入口连通，所述高压泵的出口与所述加热装置的入口连通，所述加热装置的出口与所述氨燃料主机连通；

所述氨燃料主机的废气出口和所述燃油设备的废气出口均与所述SCR脱硝装置的入口连通，所述SCR脱硝装置的出口与所述预处理塔的顶部入口连通；所述预处理塔内的顶部位置设有第一喷淋装置，所述海水供应装置与所述第一喷淋装置连通；所述预处理塔的底部出口与所述吸收塔的底部入口连通；

所述液氨储罐的氨气出口以及所述淡水供应装置均与所述氨水罐的入口连通，所述氨水罐的出口与所述氨水泵的入口连通；所述吸收塔内的顶部位置设有第二喷淋装置，所述氨水泵的出口与所述第二喷淋装置连通，所述排液管路与所述吸收塔的底部出口连通。

进一步地，所述氨燃料供应单元还包括液氨供给管路，所述液氨供给管路的一端与所述低压供应泵的出口和所述缓冲罐的入口之间的管路连通，所述液氨供给管路的另一端与所述氨水罐的入口连通。

进一步地，所述液氨储罐的氨气出口与所述氨水罐的入口之间的管路上设有BOG供应调节阀，所述液氨供给管路上设有液氨供应调节阀，所述淡水供应装置与所述氨水罐的入口之间的管路上设有淡水调节阀；所述液氨储罐上设有压力传感器，所述氨水罐上设有第一液位计和第一PH计；所述船舶氨燃料供给及尾气处理系统还包括控制模块，所述控制模块分别与所述BOG供应调节阀、所述液氨供应调节阀、所述淡水调节阀、所述第一液位计、所述第一PH计及所述压力传感器电信号连接。

进一步地，所述氨燃料供应单元还包括液氨回流管路，所述液氨回流管路的一端与所述低压供应泵的出口和所述缓冲罐的入口之间的管路连通，所述液氨回流管路的另一端与所述液氨储罐连通；所述液氨供给管路的一端与所述液氨回流管路连通，所述液氨供给管路的另一端与所述液氨储罐的氨气出口和所述氨水罐的入口之间的管路连通。

进一步地，所述吸收塔内的中部位置设有填料，所述填料位于所述第二喷淋装置与所述吸收塔的底部入口之间。

进一步地，所述预处理塔的底部出口与所述吸收塔的底部入口之间的管路上设有温度传感器；所述船舶氨燃料供给及尾气处理系统还包括控制模块，所述控制模块分别与所述温度传感器和所述海水供应装置电信号连接。

进一步地，所述尾气处理单元还包括水箱，所述水箱与所述吸收塔的顶部出口连通。

进一步地，所述尾气处理单元还包括后处理器，所述排液管路与所述后处理器连通，所述后处理器用于将碳酸氢铵溶液处理为碳酸氢铵固体。

进一步地，所述燃油设备包括燃油锅炉和燃油发电机，所述燃油锅炉的废气出口和所述燃油发电机的废气出口均与所述SCR脱硝装置的入口连通。

进一步地，所述吸收塔上设有第二PH计，所述第二PH计用于检测所述吸收塔内反应生成的碳酸氢铵溶液的PH值；所述船舶氨燃料供给及尾气处理系统还包括控制模块，所述控制模块分别与所述第二PH计、所述氨水泵和所述燃油设备电信号连接，所述控制模块用于根据所述第二PH计测得的PH值及所述燃油设备的当前总功率控制所述氨水泵的流量；所述氨水泵的设定流量满足以下条件：

F

本发明提供的船舶氨燃料供给及尾气处理系统，氨燃料主机以液氨作为燃料，其尾气中含有氮氧化物；燃油设备以燃油作为燃料，其尾气中含有氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等气体；氨燃料主机的尾气及燃油设备的尾气经SCR脱硝装置脱除氮氧化物后，在预处理塔内经海水喷淋降温并除去硫氧化物后，剩余的尾气进入吸收塔内；液氨储罐内的BOG进入氨水罐中与淡水混合形成氨水，氨水经氨水泵输送至吸收塔内并经第二喷淋装置喷出，喷淋的氨水与尾气中的二氧化碳逆流接触反应生成碳酸氢铵溶液，碳酸氢铵溶液能够经排液管路排出至吸收塔外。该系统以液氨储罐中的BOG气体作为CO

附图说明

图1为本发明实施例中船舶氨燃料供给及尾气处理系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中控制模块的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明的说明书和权利要求书中所涉及的上、下、左、右、前、后、顶、底等(如果存在)方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的船舶氨燃料供给及尾气处理系统，包括氨燃料供应单元1、尾气处理单元2、以液氨作为燃料的氨燃料主机3、以燃油作为燃料的燃油设备4(具体可以是以低硫燃油作为燃料的设备)以及SCR脱硝装置5。氨燃料供应单元1包括液氨储罐11、低压供应泵12、缓冲罐13、高压泵14和加热装置15，尾气处理单元2包括淡水供应装置21、氨水罐22、氨水泵23、吸收塔24、排液管路25、预处理塔26和海水供应装置27。

液氨储罐11用于储存液氨，低压供应泵12的入口与液氨储罐11连通，低压供应泵12的出口与缓冲罐13的入口连通，缓冲罐13的出口与高压泵14的入口连通，高压泵14的出口与加热装置15的入口连通，加热装置15的出口与氨燃料主机3连通。液氨储罐11内的液氨被低压供应泵12泵送至缓冲罐13内，然后经高压泵14和加热装置15增压调温后供应至氨燃料主机3，以供氨燃料主机3燃烧。

氨燃料主机3的废气出口和燃油设备4的废气出口均与SCR脱硝装置5的入口连通，SCR脱硝装置5的出口与预处理塔26的顶部入口连通；预处理塔26内的顶部位置设有第一喷淋装置261，海水供应装置27的出口与第一喷淋装置261连通(其中，第一喷淋装置261可包括喷淋管路及设置于喷淋管路上的喷嘴等)；预处理塔26的底部出口与吸收塔24的底部入口连通。氨燃料主机3的尾气中含有氮氧化物，燃油设备4的尾气中含有氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等气体；氨燃料主机3的尾气及燃油设备4的尾气进入SCR脱硝装置5后脱除氮氧化物，然后尾气进入预处理塔26内；来自海水供应装置27的海水经第一喷淋装置261在预处理塔26内喷出，喷出的海水与尾气在预处理塔26内混合反应后，既能够为尾气降温(尾气温度不宜过高；若尾气温度较高，则会使氨水中的氨逸出，不利于氨水与尾气中二氧化碳的反应)，同时能够除去尾气中的硫氧化物；经过海水处理后的尾气通过吸收塔24的底部入口进入吸收塔24内。

液氨储罐11的氨气出口(即BOG出口)以及淡水供应装置21的出口均与氨水罐22的入口连通，氨水罐22的出口与氨水泵23的入口连通；吸收塔24内的顶部位置设有第二喷淋装置241(其中，第二喷淋装置241可包括喷淋管路及设置于喷淋管路上的喷嘴等)，氨水泵23的出口与第二喷淋装置241连通，排液管路25与吸收塔24的底部出口连通。液氨储罐11内液氨蒸发产生的氨气(即BOG)以及淡水供应装置21供应的淡水进入氨水罐22内混合形成一定浓度的氨水，氨水罐22内的氨水经氨水泵23输送至吸收塔24内并经第二喷淋装置241从上至下喷出，喷淋的氨水与尾气中的二氧化碳逆流接触反应生成碳酸氢铵溶液，碳酸氢铵溶液能够经排液管路25排出至吸收塔24外。

本发明实施例提供的船舶氨燃料供给及尾气处理系统，氨燃料主机3以液氨作为燃料，其尾气中含有氮氧化物；燃油设备4以燃油作为燃料，其尾气中含有氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等气体；氨燃料主机3的尾气及燃油设备4的尾气经SCR脱硝装置5脱除氮氧化物后，在预处理塔26内经海水喷淋降温并除去硫氧化物后，剩余的尾气进入吸收塔24内；液氨储罐11内的BOG进入氨水罐22中与淡水混合形成氨水，氨水经氨水泵23输送至吸收塔24内并经第二喷淋装置241喷出，喷淋的氨水与尾气中的二氧化碳逆流接触反应生成碳酸氢铵溶液，碳酸氢铵溶液能够经排液管路25排出至吸收塔24外。该系统以液氨储罐11中的BOG气体作为CO

进一步地，如图1所示，在本实施例中，加热装置15为换热器。加热装置15的出口与氨燃料主机3之间还设有燃料供应主阀66。氨燃料主机3的回流口通过主机回流管路18与缓冲罐13连通，以实现部分液氨回流(由于氨燃料主机3的特性，其在工作过程中会有部分液氨未燃烧回流)。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，氨燃料供应单元1还包括液氨供给管路16，液氨供给管路16的一端与低压供应泵12的出口和缓冲罐13的入口之间的管路连通，液氨供给管路16的另一端与氨水罐22的入口连通。当氨水罐22内氨水不足，且液氨储罐11内无充足的氨气时，可将部分液氨通过低压供应泵12经液氨供给管路16泵送至氨水罐22内，以与淡水生成氨水进行补充。

进一步地，如图1及图2所示，在本实施例中，液氨储罐11的氨气出口与氨水罐22的入口之间的管路上设有BOG供应调节阀61，液氨供给管路16上设有液氨供应调节阀62，淡水供应装置21与氨水罐22的入口之间的管路上设有淡水调节阀63。液氨储罐11上设有压力传感器111，压力传感器111用于检测液氨储罐11内的压力值；氨水罐22上设有第一液位计221和第一PH计222，第一液位计221和第一PH计222分别用于检测氨水罐22内氨水的液位及PH值。船舶氨燃料供给及尾气处理系统还包括控制模块7，控制模块7分别与BOG供应调节阀61、液氨供应调节阀62、淡水调节阀63、第一液位计221、第一PH计222及压力传感器111电信号连接。具体地，在本实施例中，淡水供应装置21包括淡水储罐(图未示)和淡水供应泵(图未示)，淡水储罐与淡水供应泵的入口连通，淡水供应泵的出口与氨水罐22的入口连通，淡水调节阀63设置于淡水供应泵的出口与氨水罐22的入口之间的管路上，控制模块7还与淡水供应泵电信号连接，以控制淡水供应泵的运转。当然，淡水供应装置21也可以为其他类型结构。

具体地，氨水罐22中的氨来源于液氨储罐11中的BOG气体和液氨。当液氨储罐11中的BOG气体在经过一段时间的累积后，压力传感器111检测到液氨储罐11的压力达到排放压力后，控制模块7控制BOG供应调节阀61打开，同时控制淡水调节阀63打开，使液氨储罐11中的BOG气体以及淡水供应装置21中的淡水同时进入氨水罐22内，通过监测第一PH计222的数值，从而在氨水罐22中形成一定浓度的氨水。当液氨储罐11的压力降至合理范围后，控制模块7控制BOG供应调节阀61和淡水调节阀63关闭。

当第一液位计221检测到氨水罐22内氨水的液位下降至设定值，但液氨储罐11的压力还未达到排放压力时，控制模块7控制液氨供应调节阀62和淡水调节阀63打开，使液氨储罐11中的一部分液氨经低压供应泵12泵送至氨水罐22内，通过监测第一PH计222的数值，从而在氨水罐22中形成一定浓度的氨水。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，氨燃料供应单元1还包括液氨回流管路17，液氨回流管路17的一端与低压供应泵12的出口和缓冲罐13的入口之间的管路连通，液氨回流管路17的另一端与液氨储罐11连通；液氨回流管路17用于调节低压供应泵12泵送至缓冲罐13的液氨流量，液氨回流管路17上设有回流调节阀65(例如，当氨燃料主机3处于低负荷工况时，其液氨供给流量减少，此时则打开回流调节阀65，使一部分液氨泵送回液氨储罐11)。液氨供给管路16的一端与液氨回流管路17连通(即液氨供给管路16通过液氨回流管路17与低压供应泵12的出口连通)，液氨供给管路16的另一端与液氨储罐11的氨气出口和氨水罐22的入口之间的管路连通(即液氨供给管路16通过液氨储罐11的氨气出口和氨水罐22的入口之间的管路与氨水罐22连通)，从而节省管路。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，吸收塔24内的中部位置设有填料242，填料242位于第二喷淋装置241与吸收塔24的底部入口之间。填料242用于增加氨水与尾气中二氧化碳的接触反应时间，从而使其能够更充分地反应，提高吸收效率。

进一步地，如图1及图2所示，在本实施例中，预处理塔26的底部出口与吸收塔24的底部入口之间的管路上设有温度传感器64；控制模块7还分别与温度传感器64和海水供应装置27电信号连接。

具体地，由于尾气的温度不宜过高，故需要控制进入吸收塔24内的尾气的温度。当温度传感器64检测到尾气的温度过高时，控制模块7控制海水供应装置27增大海水供给流量，即增大预处理塔26内第一喷淋装置261的海水喷淋流量，进而为尾气降温，使尾气的温度降低至合适温度。

具体地，在本实施例中，海水供应装置27包括海水储罐(图未示)和海水泵(图未示)，海水储罐与海水泵的入口连通，海水泵的出口与第一喷淋装置261连通，控制模块7与海水泵电信号连接，以控制海水泵的流量，进而控制海水供应装置27的海水供给流量。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，尾气处理单元2还包括水箱28，水箱28与吸收塔24的顶部出口连通。水箱28内储存有淡水，当吸收塔24内剩余的烟气从塔顶排出至水箱28内时，水箱28中的淡水能够吸收烟气中携带的部分氨气，从而避免未反应的氨气被排放至大气。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，尾气处理单元2还包括后处理器29，排液管路25与后处理器29连通，后处理器29用于将碳酸氢铵溶液处理为碳酸氢铵固体。具体地，在本实施例中，后处理器29能够对碳酸氢铵溶液进行降温结晶脱水处理，从而使碳酸氢铵溶液转化为碳酸氢铵固体，从而便于储存和运输。

进一步地，如图1所示，在本实施例中，燃油设备4包括燃油锅炉41和燃油发电机42，燃油锅炉41的废气出口和燃油发电机42的废气出口均与SCR脱硝装置5的入口连通。当然，在其它实施例中，燃油设备4还可以为其他以燃油作为燃料的设备。

进一步地，如图1及图2所示，在本实施例中，吸收塔24上设有第二PH计243，第二PH计243用于检测吸收塔24内反应生成的碳酸氢铵溶液的PH值。控制模块7还分别与第二PH计243、氨水泵23和燃油设备4(包括燃油锅炉41和燃油发电机42)电信号连接，第二PH计243测得的PH值信号和燃油设备4的功率信号能够传输至控制模块7。控制模块7用于根据第二PH计243测得的PH值及燃油设备4的当前总功率控制氨水泵23的流量，从而尽可能地保证氨水与尾气中的二氧化碳充分反应(即氨水的供应量能够尽可能地控制在恰好与尾气中的二氧化碳完全反应)。氨水泵23的设定流量满足以下条件：

F

具体地，由于尾气的排放量主要与燃油设备4的功率相关(即二氧化碳的产生量主要与燃油设备4的功率相关)，根据燃油设备4的总功率，可以粗调氨水泵23的设定流量；再根据吸收塔24上第二PH计243测得的PH值，精确调节氨水泵23的设定流量，使得氨水的喷淋量与烟气中二氧化碳的量精准匹配。氨水泵23的调节方式采用PID调节技术。氨水泵23的流量设定具体如下：

(1)燃油设备4的当前总功率与氨水泵23的设定流量成正比例关系(即燃油设备4的当前总功率越大，产生的二氧化碳量越多，氨水泵23的设定流量也越大)，即得出：F

(2)第二PH计243测得的PH值与氨水泵23的设定流量成正比例关系(即第二PH计243测得的PH值越大，说明氨水过量越多，氨水泵23的设定流量应该越小)，即得出：F

(3)将氨水泵23的设定流量F

进一步地，如图1及图2所示，在本实施例中，吸收塔24上设有第二液位计244，第二液位计244用于检测吸收塔24内溶液的液位，控制模块7还与第二液位计244电信号连接。

进一步地，在本实施例中，各管路上还设有相应的控制阀门(图未示)，以控制相应的管路的通断。

如图1及图2所示，本发明实施例的船舶氨燃料供给及尾气处理系统主要的工作流程如下：

1、液氨储罐11内储存有液氨，液氨储罐11内的液氨被低压供应泵12泵送至缓冲罐13内，然后经高压泵14和加热装置15增压调温后通过燃料供应主阀66供应至氨燃料主机3，以供氨燃料主机3燃烧。当氨燃料主机3负荷降低时，过量的液氨通过液氨回流管路17泵送回液氨储罐11。

2、氨燃料主机3的尾气中含有氮氧化物，燃油设备4(包括燃油锅炉41和燃油发电机42)的尾气中含有氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等气体。氨燃料主机3的尾气及燃油设备4的尾气汇合后进入SCR脱硝装置5后脱除氮氧化物，然后尾气进入预处理塔26内。来自海水供应装置27的海水经第一喷淋装置261在预处理塔26内喷出，喷出的海水与尾气在预处理塔26内混合反应后，既能够为尾气降温，同时能够除去尾气中的硫氧化物；经过海水处理后的尾气通过吸收塔24的底部入口进入吸收塔24内。预处理塔26中喷淋后的海水从预处理塔26的底部排出。

3、淡水供应装置21供应的淡水进入氨水罐22内，与来自液氨储罐11内的BOG气体或液氨配比成一定浓度的氨水。氨水罐22上配置有第一液位计221和第一PH计222，用以监测罐内的液位和氨水浓度。氨水罐22内的氨水经氨水泵23输送至吸收塔24内并经第二喷淋装置241从上至下喷淋，喷淋的氨水与来自预处理塔26的尾气逆流接触，即吸收塔24的顶部喷淋氨水，吸收塔24的底部通入尾气，同时通过设置填料242增加两者的接触反应时间，氨水与尾气中的二氧化碳充分混合反应生成碳酸氢铵溶液。吸收塔24上配置有第二PH计243和第二液位计244，用以监测塔内液位和二氧化碳的吸收状态。吸收塔24内反应生成的碳酸氢铵溶液通过排液管路25进入后处理器29，经后处理器29进行降温结晶脱水处理后形成碳酸氢铵固体。

4、水箱28内储存有淡水，当吸收塔24内剩余的烟气从塔顶排出至水箱28内时，水箱28中的淡水能够吸收烟气中携带的部分氨气，从而避免未反应的氨气被排放至大气。船舶尾气经过上述脱硝、脱硫及脱碳处理后，实现尾气的近零排放。

本发明实施例提供的船舶氨燃料供给及尾气处理系统，旨在实现船舶的零污染排放，解决氨燃料供气系统中BOG气体难以处理的问题。该系统以液氨储罐11中的BOG气体和/或液氨作为CO

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。