船用燃料发动机尾气处理装置及方法、船舶

技术领域

本申请涉及尾气处理领域，尤其涉及一种船用燃料发动机尾气处理装置及方法、船舶。

背景技术

甲醇燃料是一种常温常压下可储存，实践性较强的清洁能源，船用甲醇双燃料发动机的应用愈加广泛，但同时尾气中产生的碳氢化合物问题也同样引起关注。面对日益严苛的航运排放法规要求，对甲醇双燃料船舶发动机尾气污染物治理需求迫在眉睫。目前市面常用的治理碳氢和氮氧化物方法是催化氧化(DOC)和选择性催化还原(SCR)技术，需要持续供给尿素还原剂，其在管路里易发生结晶现象，并且尾气预先催化氧化不充分使碳氢流入SCR催化剂中，容易造成催化剂中毒，降低催化剂使用寿命。

发明内容

本申请提供一种船用燃料发动机尾气处理装置及方法、船舶，解决了目前燃料发动机尾气处理装置氮氧化物转换效率低的问题。

本申请提供一种船用燃料发动机尾气处理装置，包括：

燃料发动机，所述燃料发动机用于排放尾气，所述尾气包括氮氧化物；

混合器，所述混合器与所述燃料发动机连接并接收所述尾气；所述混合器具有还原组分，且所述还原组分的浓度大于所述氮氧化物的浓度；

反应器，所述反应器与所述混合器连接，所述还原组分和所述氮氧化物在所述反应器内反应，以将所述氮氧化物转换。

在一些实施方式中，所述尾气还包括第一还原剂，当所述第一还原剂的浓度大于所述氮氧化物的浓度时，所述还原组分由所述第一还原剂组成。

在一些实施方式中，所述尾气还包括第一还原剂，当所述第一还原剂的浓度小于或等于所述氮氧化物的浓度时，所述装置还包括：

储罐，所述储罐内储存有第二还原剂，所述储罐与所述混合器连接，用于向所述混合器输送所述第二还原剂；所述还原组分由所述第一还原剂和所述第二还原剂组成。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器间隔设置在所述燃料发动机和所述混合器之间，所述第一传感器用于检测所述第一还原剂的浓度，所述第二传感器用于检测所述氮氧化物的浓度。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

喷射组件，所述喷射组件位于所述混合器内，所述喷射组件与所述储罐连接，所述喷射组件用于将所述第二还原剂喷射在所述混合器中；所述第一还原剂、所述第二还原剂以及所述氮氧化物在所述混合器中混合。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

燃料储存组件，所述燃料储存组件分别与所述燃料发动机和所述储罐连接，所述燃料储存组件用于为所述燃料发动机提供燃料和所述储罐提供所述第二还原剂。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

流量泵，所述流量泵位于所述燃料储存组件和所述储罐之间，所述流量泵用于将所述燃料储存组件内的所述第二还原剂输送至所述储罐内。

在一些实施方式中，所述反应器包括间隔设置的第一反应腔和第二反应腔，所述第一反应腔靠近所述反应器的进口设置，所述第二反应腔靠近所述反应器的出口设置，所述还原组分和所述氮氧化物在所述第一反应腔内反应，剩余的所述还原组分在所述第二反应腔内反应。

在一些实施方式中，所述第一反应腔内设置有第一催化剂，所述第一催化剂用于使所述还原组分和氮氧化物反应，所述第二反应腔内设置有第二催化剂，所述第二催化剂用于使剩余的所述还原组分反应。

在一些实施方式中，所述第一催化剂包括氧、铝、硅、磷、锗、钒、铬元素金属骨架或非金属骨架中的至少一种；所述第二催化剂包括铂、钯、钌、铑、或稀土元素金属骨架中的至少一种。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

第三传感器和第四传感器，所述第三传感器和所述第四传感器间隔设置在所述反应器的出口，所述氮氧化物和所述还原组分转换得转换物，所述第三传感器用于检测所述转换物中第一还原剂的浓度，所述第四传感器用于检测所述转换物中氮氧化物的浓度。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

单向阀门，所述单向阀门位于所述燃料发动机和所述混合器之间，所述单向阀门用于使所述燃料发动机排放的尾气进入所述混合器内。

在一些实施方式中，所述装置还包括：

温度传感器，所述温度传感器位于所述混合器和所述反应器之间，所述温度传感器用于检测所述还原组分和所述氮氧化物的温度。

相应的，本申请还提供一种船用燃料发动机尾气处理方法，采用如前所述的船用燃料发动机尾气处理装置，所述方法包括：

将燃料发动机排放的尾气通入混合器中，所述尾气包括氮氧化物，所述混合器具有还原组分，且所述还原组分的浓度大于所述氮氧化物的浓度；

将所述还原组分和所述氮氧化物通入反应器内反应，以将所述氮氧化物转换。

在一些实施方式中，所述尾气还包括第一还原剂，所述方法还包括：

通过第一传感器检测检测所述第一还原剂的浓度；

通过第二传感器检测所述氮氧化物的浓度；

当所述第一还原剂的浓度大于所述氮氧化物的浓度时，所述还原组分由所述第一还原剂组成。

在一些实施方式中，所述尾气还包括第一还原剂，所述方法还包括：

通过第一传感器检测检测所述第一还原剂的浓度；

通过第二传感器检测所述氮氧化物的浓度；

当所述第一还原剂的浓度小于或等于所述氮氧化物的浓度时，所述方法还包括：

向所述混合器中喷射第二还原剂，所述还原组分由所述第一还原剂和所述第二还原剂组成。

相应的，本申请还提供一种船舶，采用如前所述的船用燃料发动机尾气处理装置。

本申请提供一种船用燃料发动机尾气处理装置，通过提供还原组分，并将还原组分与尾气中氮氧化物反应，可以去除尾气中的氮氧化物，同时提高了氮氧化物的转化效率和稳定性。

本申请提供一种船用燃料发动机尾气处理方法，通过提供还原组分，并将还原组分与尾气中氮氧化物反应，可以去除尾气中的氮氧化物，同时提高了氮氧化物的转化效率和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的船用燃料发动机尾气处理装置的结构示意图；

图2为本申请提供的甲醇催化还原氮氧化物的原理示意图；

图3为本申请提供的船用燃料发动机尾气处理方法的流程图；

图4为本申请实施例1和实施例4～12中氮氧化物和还原组分的温度与氮氧化物转化率和氮气生成率的关系图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

1、燃料发动机；2、混合器；3、反应器；31、第一反应腔；32、第二反应腔；301、进口；302、出口；4、储罐；5、第一传感器；6、第二传感器；7、喷射组件；8、燃料储存组件；9、流量泵；10、第三传感器；11、第四传感器；12、单向阀门；13、温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请所提到的[第一]、[第二]、[第三]、[第四]等序号用语并不代表任何顺序、数量或者重要性，只是用于区分不同的部分。本申请所提到的[上]、[下]、[左]、[右]等方向用语仅是参考附加图式的方向。因此，使用的序号用语、方向用语和位置关系用语是用以说明及理解本申请，而非用以限制本申请。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。

本申请实施例提供一种船用燃料发动机尾气处理装置及方法、船舶，下面将结合具体实施例对本申请进行详细说明。

请参见图1，一种船用燃料发动机尾气处理装置包括燃料发动机1、混合器2以及反应器3；燃料发动机1用于排放尾气，尾气包括氮氧化物；混合器2与燃料发动机1连接并接收尾气；混合器2具有还原组分，且还原组分的浓度大于氮氧化物的浓度；反应器3与混合器2连接，还原组分和氮氧化物在反应器3内反应，以将氮氧化物转换。具体地，燃料发动机1为双燃料发动机，燃料可以分别为柴油和甲醇、柴油和乙醇等。还原组分可以是尾气中含有的具有还原性的物质，此外，还原组分可以是尾气中含有的具有还原性的物质以及额外添加的具有还原性的物质，尾气中含有的具有还原性的物质与额外添加的具有还原性的物质可以相同也可以不同。

可以理解的是，本申请通过提供还原组分，并将还原组分与尾气中氮氧化物反应，可以去除尾气中的氮氧化物，同时提高了氮氧化物的转化效率和稳定性。

在一些实施方式中，尾气还包括第一还原剂，当第一还原剂的浓度大于氮氧化物的浓度时，还原组分由第一还原剂组成。具体地，尾气中包括碳氢化合物，碳氢化合物包括第一还原剂；第一还原剂具有还原性，可以作为还原剂与氮氧化物反应。

可以理解的是，当尾气还包括第一还原剂，第一还原剂的浓度大于氮氧化物的浓度时，此时尾气中的第一还原剂够足用来与尾气中的氮氧化物反应，还原组分由第一还原剂组成，尾气可以直接通过混合器2进入反应器3中，使得还原组分和氮氧化物在反应器3内反应，以将氮氧化物转换，解决了双燃料发动机存在的非常规碳氢排放问题，将尾气中的燃料进行二次利用，作为还原剂转化氮氧化物，相对于传统尿素脱硝方式，实现了碳氢化合物和氮氧化物两种污染物协同去除，降低了发动机排放污染物后处理成本，同时避免了尿素箱的布置，形成布置紧凑、高效便捷的尾气后处理装置。

在一些实施方式中，尾气还包括第一还原剂，当第一还原剂的浓度小于或等于氮氧化物的浓度时，装置还包括储罐4，储罐4内储存有第二还原剂，储罐4与混合器2连接，用于向混合器2输送第二还原剂；还原组分由第一还原剂和第二还原剂组成。具体地，尾气中包括碳氢化合物，碳氢化合物包括第一还原剂；第一还原剂和第二还原剂具有还原性，可以作为还原剂与氮氧化物反应。第二还原剂与第一还原剂可以相同或者不同。

可以理解的是，当尾气还包括第一还原剂，第一还原剂的浓度小于或等于氮氧化物的浓度时，此时尾气中的第一还原剂不够用来与尾气中的氮氧化物反应，需要额外添加储罐4内的第二还原剂，还原组分由第一还原剂和第二还原剂组成，尾气和第二还原剂通过混合器2混合后进入反应器3中，使得还原组分和氮氧化物在反应器3内反应，以将氮氧化物转换，解决了双燃料发动机存在的非常规碳氢排放问题，将尾气中的燃料进行二次利用，作为还原剂转化氮氧化物，相对于传统尿素脱硝方式，实现了碳氢化合物和氮氧化物两种污染物协同去除，降低了发动机排放污染物后处理成本，同时避免了尿素箱的布置，形成布置紧凑、高效便捷的尾气后处理装置。

在一些实施方式中，装置还包括第一传感器5和第二传感器6，第一传感器5和第二传感器6间隔设置在燃料发动机1和混合器2之间，第一传感器5用于检测第一还原剂的浓度，第二传感器6用于检测氮氧化物的浓度。

可以理解的是，第一传感器5为THC传感器；第二传感器6为氮氧化物传感器；本申请通过第一传感器5和第二传感器6分别检测燃料发动机1排放的尾气中第一还原剂和氮氧化物的浓度，以判断尾气中第一还原剂的含量是否足够用来还原氮氧化物并进行反馈。

在一些实施方式中，装置还包括喷射组件7，喷射组件7位于混合器2内，喷射组件7与储罐4连接，喷射组件7用于将第二还原剂喷射在混合器2中；第一还原剂、第二还原剂以及氮氧化物在混合器2中混合。

可以理解的是，燃料发动机1排放出的烟气具有一定的温度，可以与喷射组件7喷射的第二还原剂进行换热，使得第二还原剂发生相变，由液相转化为气相，并使第二还原剂和尾气在混合器2中混合均匀，以使还原组分和氮氧化物能够在反应器3中充分反应。

在一些实施方式中，装置还包括燃料储存组件8，燃料储存组件8分别与燃料发动机1和储罐4连接，燃料储存组件8用于为燃料发动机1提供燃料和储罐4提供第二还原剂。

可以理解的是，燃料储存组件8主要用于为燃料发动机1提供燃料，当第一还原剂的浓度小于或等于氮氧化物的浓度时，燃料储存组件8可以为储罐4提供第二还原剂，提高了氮氧化物的转化效率和稳定性，同时优化了装置结构。

在一些实施方式中，装置还包括流量泵9，流量泵9位于燃料储存组件8和储罐4之间，流量泵9用于将燃料储存组件8内的第二还原剂输送至储罐4内。

可以理解的是，流量泵9可以将燃料储存组件8内的第二还原剂输送至储罐4内。

在一些实施方式中，反应器3包括间隔设置的第一反应腔31和第二反应腔32，第一反应腔31靠近反应器3的进口301设置，第二反应腔32靠近反应器3的出口302设置，还原组分和氮氧化物在第一反应腔31内反应，剩余的还原组分在第二反应腔32内反应。

可以理解的是，本申请通过在反应器3内设置第一反应腔31和第二反应腔32，第一反应腔31靠近反应器3的进口301设置，首先使得还原组分和氮氧化物在第一反应腔31内反应；此外，为了去除剩余的第一反应剂，也即为了进一步保证排放的尾气中不再包含第一还原剂，在靠近反应器3的出口302设置了第二反应腔32，使得剩余的还原组分在第二反应腔32内反应。

在一些实施方式中，第一反应腔31内设置有第一催化剂，第一催化剂用于使还原组分和氮氧化物反应，第二反应腔32内设置有第二催化剂，第二催化剂用于使剩余的还原组分反应。

在一些具体实施例中，第一反应腔31内和第二反应腔32内还设置有呈蜂窝状的陶瓷载体，第一催化剂和第二催化剂分别涂敷在陶瓷载体上。

可以理解的是，还原组分和氮氧化物在第一催化剂的作用，氮氧化物(NO

当还原组分为甲醇(CH

NO

CH

在一些实施方式中，第一催化剂包括氧、铝、硅、磷、锗、钒、铬元素金属骨架或非金属骨架中的至少一种；第二催化剂包括铂、钯、钌、铑或稀土元素金属骨架中的至少一种。

可以理解的是，第一催化剂和第二催化剂为环境友好材料，第一催化剂采用氧、铝、硅、磷、锗、钒、铬等过渡金属或非金属骨架原子中的至少一种，可以防止材料造成生物毒性。第二催化剂采用铂、钯、钌、铑或稀土元素金属骨架中的至少一种，对还原组分具有较好的催化氧化效果。

在一些实施方式中，装置还包括第三传感器10和第四传感器11，第三传感器10和第四传感器11间隔设置在反应器3的出口302，氮氧化物和还原组分转换得转换物，第三传感器10用于检测转换物中第一还原剂的浓度，第四传感器11用于检测转换物中氮氧化物的浓度。

可以理解的是，本申请通过对氮氧化物和还原组分转换后的转换物进行检测，第三传感器10用于检测转换物中第一还原剂的浓度，第四传感器11用于检测转换物中氮氧化物的浓度，可以实时调控第一反应腔31内第一催化剂的含量以及第二反应腔32内第二催化剂的含量，从而提高氮氧化物和还原组分的转换速率。

在一些实施方式中，装置还包括单向阀门12，单向阀门12位于燃料发动机1和混合器2之间，单向阀门12用于使燃料发动机1排放的尾气进入混合器2内。

可以理解的是，本申请通过在燃料发动机1和混合器2之间设置单向阀门12，可以防止燃料发动机1排放的尾气再次进入燃料发动机1。

在一些实施方式中，装置还包括温度传感器13，温度传感器13位于混合器2和反应器3之间，温度传感器13用于检测还原组分和氮氧化物的温度。

可以理解的是，本申请通过在混合器2和反应器3之间设置温度传感器13，温度传感器13检测即将进入反应器3内的还原组分和氮氧化物的温度，并反馈进而调节还原组分和氮氧化物进入反应器3内的温度，使得氮氧化物具有较高的转化效率。

请参见图3，本申请还提供一种船用燃料发动机尾气处理方法，采用如前所述的船用燃料发动机尾气处理装置，方法包括：

步骤S1：将燃料发动机1排放的尾气通入混合器2中，尾气包括氮氧化物，混合器2具有还原组分，且还原组分的浓度大于氮氧化物的浓度；

步骤S2：将还原组分和氮氧化物通入反应器3内反应，以将氮氧化物转换。

可以理解的是，本申请通过提供还原组分，并将还原组分与尾气中氮氧化物反应，可以去除尾气中的氮氧化物，同时提高了氮氧化物的转化效率和稳定性。

在一些实施方式中，尾气还包括第一还原剂，方法还包括：

通过第一传感器5检测检测第一还原剂的浓度；

通过第二传感器6检测氮氧化物的浓度；

当第一还原剂的浓度大于氮氧化物的浓度时，还原组分由第一还原剂组成。

本申请通过第一传感器5和第二传感器6分别检测燃料发动机1排放的尾气中第一还原剂和氮氧化物的浓度，以判断尾气中第一还原剂的含量是否足够用来还原氮氧化物，当第一还原剂的浓度大于氮氧化物的浓度时，尾气可以直接通过混合器2进入反应器3中，使得还原组分和氮氧化物在反应器3内反应，以将氮氧化物转换，解决了双燃料发动机存在的非常规碳氢排放问题，将尾气中的燃料进行二次利用，作为还原剂转化氮氧化物，相对于传统尿素脱硝方式，实现了碳氢化合物和氮氧化物两种污染物协同去除，降低了发动机排放污染物后处理成本，同时避免了尿素箱的布置，形成布置紧凑、高效便捷的尾气后处理装置。

在一些实施方式中，尾气还包括第一还原剂，方法还包括：

通过第一传感器5检测检测第一还原剂的浓度；

通过第二传感器6检测氮氧化物的浓度；

当第一还原剂的浓度小于或等于氮氧化物的浓度时，方法还包括：

向混合器2中喷射第二还原剂，还原组分由第一还原剂和第二还原剂组成。

本申请通过第一传感器5和第二传感器6分别检测燃料发动机1排放的尾气中第一还原剂和氮氧化物的浓度，以判断尾气中第一还原剂的含量是否足够用来还原氮氧化物，当第一还原剂的浓度小于或等于氮氧化物的浓度时，还需要向混合器2中喷射第二还原剂，尾气和第二还原剂通过混合器2混合后进入反应器3中，使得还原组分和氮氧化物在反应器3内反应，以将氮氧化物转换，解决了双燃料发动机存在的非常规碳氢排放问题，将尾气中的燃料进行二次利用，作为还原剂转化氮氧化物，相对于传统尿素脱硝方式，实现了碳氢化合物和氮氧化物两种污染物协同去除，降低了发动机排放污染物后处理成本，同时避免了尿素箱的布置，形成布置紧凑、高效便捷的尾气后处理装置。

相应的，本申请还提供一种船舶，采用如前所述的船用燃料发动机尾气处理装置。

可以理解的是，本申请通过提供还原组分，并将还原组分与尾气中氮氧化物反应，可以去除尾气中的氮氧化物，同时提高了氮氧化物的转化效率和稳定性。

下面将结合具体实施例对本申请进行说明

实施例1

当燃料发动机1的燃料只有柴油，甲醇替换率为0％时，尾气中氮氧化物的浓度为2180ppm，第一还原剂的浓度为243ppm，此时，氮氧化物的浓度大于第一还原剂的浓度；将储罐4内的第二还原剂喷射至混合器2内，第二还原剂的浓度为4000ppm，此时，还原组分由第一还原剂和第二还原剂组成；将还原组分和氮氧化物通入反应器3内，还原组分和氮氧化物的温度为315℃，氮氧化物和还原组分经过第一催化剂和第二催化剂催化反应转化后得转换物，转化物中氮氧化物的浓度为43ppm，转化物中还原组分的浓度为93ppm。

实施例2

当燃料发动机1的燃料包括柴油和甲醇，甲醇替换率为30％时，尾气中氮氧化物的浓度为1930ppm，第一还原剂的浓度为1164ppm，此时，氮氧化物的浓度大于第一还原剂的浓度；将储罐4内的第二还原剂喷射至混合器2内，第二还原剂的浓度为4000ppm，此时，还原组分由第一还原剂和第二还原剂组成；将还原组分和氮氧化物通入反应器3内，还原组分和氮氧化物的温度为315℃，氮氧化物和还原组分经过第一催化剂和第二催化剂催化反应转化后得转换物，转化物中氮氧化物的浓度为43ppm，转化物中还原组分的浓度为93ppm。

实施例3

当燃料发动机1的燃料包括柴油和甲醇，甲醇替换率为70％时，尾气中氮氧化物的浓度为1578ppm，第一还原剂的浓度为3217ppm，此时，氮氧化物的浓度大于第一还原剂的浓度，还原组分由第一还原剂组成；将还原组分和氮氧化物通入反应器3内，还原组分和氮氧化物的温度为315℃，氮氧化物和还原组分经过第一催化剂和第二催化剂催化反应转化后得转换物，转化物中氮氧化物的浓度为32ppm，转化物中还原组分的浓度为86ppm。

实施例4～12

实施例4～12与实施例1的尾气处理方法相同，不同之处在于调节反应器3内还原组分和氮氧化物的温度，

表1为实施例1和实施例4～12的参数设置、氮氧化物的转化率以及氮气的转化率结果。

结果分析

由表1和图4可知，当氮氧化物和还原组分的温度在285～375℃之间时，氮氧化物的转化率和氮气的转化率都可以达到90％以上。

综上，虽然本申请实施例的详细介绍如上，但上述实施例并非用以限制本申请，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例的技术方案的范围。