LNG发动机甲烷和氮氧化物处理装置及LNG发动机的制作方法

lng发动机甲烷和氮氧化物处理装置及lng发动机
技术领域
1.本发明涉及发动机尾气处理技术领域，具体涉及lng发动机甲烷和氮氧化物处理装置及lng发动机。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.在对lng尾气的ch4和nox后处理技术中，利用nh3作为还原剂的选择性催化还原法是去除nox的主流方法，但该方法存在nh3易泄露、形成危险易爆铵盐等问题，实际上，ch4氧化和nox还原是互补过程，因此，直接利用尾气中的ch4作为还原剂将nox还原成n2的ch4-scr系统成为研究热点。目前的ntp(低温等离子协同催化)技术能够实现上述方案，现有的低温等离子协同催化废气处理设备中，专利cn112170012a公开了一种低温等离子催化协同废气处理系统，包括等离子发生器、高频高压电源、风机、热交换器、加热器、催化反应器及连接各部件的管道，该处理系统具有多个独立的专用处理设备，并且各个设置之间设有连接管道，受限于lng发动机应用场景的安装空间限制，无法进行安装，另外，上述方案并没有解决废气流入等离子发生器和催化反应器中时气体的分布问题，导致无法充分利用等离子发生器中的所有等离子发生部件和催化反应器中的催化剂，进而导致了资源的浪费，尤其是应用于较大流量(80-100kg/h)的尾气处理时，会导致部分等离子发生部件进入的气体较多、局部的催化剂接触的气体较多，一方面导致了部分未利用的等离子发生部件和催化剂的浪费，另一方面由于气体流量较大，会使得等离子发生部件和催化剂的处理能力无法满足处理需求，进而导致尾气处理效果不好。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供lng发动机甲烷和氮氧化物处理装置，适用于lng发动机使用，且等离子发生部件和催化剂的利用率高。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明的实施例提供了lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，包括沿尾气流向依次设置的入口管、扩口管、等离子体反应器、收缩管和催化反应器和出口管，所述扩口管、等离子体反应器、收缩管及催化反应器集成设置在保温箱内部，等离子体反应器内设置多个呈阵列分布的等离子放电部件，等离子放电部件的轴线平行于尾气流向，所述催化反应器内设置有载体，载体上涂覆有ch4-scr催化剂，所述扩口管和收缩管内均设有布气机构以对尾气进行分布。
7.可选的，所述扩口管内的布气机构均包括多个交叉设置的第一横向板和第一纵向板，第一横向板和第一纵向板的一端延伸至扩口管的进气端，另一端延伸至扩口管的出气端以使得扩口管内形成阵列分布的多个气体流通通道。
8.可选的，所述收缩管内的布气机构包括多个交叉设置的第二横向板和第二纵向板，第二横向板和第二纵向板的一端延伸至收缩管的进气端，另一端延伸至收缩管的出气
端以使得收缩管内形成阵列分布的多个气体流通通道。
9.可选的，所述等离子发生部件包括绝缘管体，绝缘管体的轴线平行于尾气流向，绝缘管体内同轴设置有内电极，绝缘管体外周设置有外电极，内电极和外电极与电源连接。
10.可选的，所述内电极采用与绝缘管体同轴设置的导电金属杆，外电极采用包裹在绝缘管外的金属网。
11.可选的，金属网与电源的高压输出端连接，导电金属杆与电源的低压输出端连接。
12.可选的，所述入口管和出口管均采用金属波纹管。
13.可选的，所述催化反应器内的载体采用陶瓷材料制成。
14.可选的，所述ch4-scr催化剂为cr-in/h-zsm-5和/或ru-in/h-ssz-13和/或ce-ga/h-zsm-5。
15.第二方面，本发明的实施例提供了一种lng发动机，其排气管设置有第一方面所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置。
16.本发明的有益效果如下：
17.1.本发明的处理装置，通过设置扩口管和收缩管，能够将等离子反应器、催化反应器进行集成，与现有的催化协同反应装置相比，集成度高，方便与lng发动机的排气管连接，适用于lng发动机的应用场合，而且本扩口管和收缩管内均设置有布气机构，能够对流入等离子反应器和催化反应器的气体进行均匀布气，充分利用等离子反应器中的等离子放电部件及催化反应器中的ch4-scr催化剂，提高了能源的利用率。
18.2.本发明的处理装置，通过设置扩口管，能够增加等离子放电部件的分布范围，配合布气机构，能够保证多个等离子放电部件均参与尾气的处理，在保证较大流量气体处理能力的同时，提高了等离子放电部件的利用率，同时设置收缩管，使得催化反应器的内径缩小至设定值，在催化剂用量一定的情况下，保证了催化剂的涂覆厚度，提高了催化剂的利用率。
19.3.本发明的处理装置，外电极采用金属网，与金属杆的内电极配合，能够实现均匀放电，保证等离子放电反应的效果。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1是本发明实施例1整体结构示意图；
22.图2是本发明实施例1扩口管结构示意图；
23.图3是本发明实施例1等离子反应器内部结构示意图；
24.图4是本发明实施例1收缩管结构示意图；
25.图5是本发明实施例1催化反应器结构示意图；
26.其中，1.入口管，2.扩口管，3.等离子反应器，4.收缩管，5.催化反应器，6.出口管，7.保温箱；
27.2-1.第一横向板，2-2.第一纵向板；
28.3-1.外壳，3-2.等离子放电部件；
29.4-1.第二横向板，4-2.第二纵向板。
具体实施方式
30.本实施方式中，lng发动机指以液化天然气为燃料的发动机。
31.实施例1
32.本实施例提供了一种lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，如图1-图5所示，包括沿尾气流向依次设置的入口管1、扩口管2、等离子反应器3、收缩管4、催化反应器5和出口管6，所述扩口管2、等离子反应器3、收缩管4和催化反应器5集成设置在保温箱7内部，所述保温箱7底面设置有支脚，用于对保温箱7进行支撑，入口管1设置在保温箱7的进气端，出口管6设置在保温箱7的出气端。
33.本实施例中，所述入口管1采用金属波纹管，优选的，所述金属波纹管采用碳钢或不锈钢材料制成，能够承受较高的温度，使用寿命长。
34.入口管1的进气端用于与lng发动机的排气管连接，用于接受lng发动机排气管排出的尾气。
35.所述入口管1的出气端设置有法兰盘，并通过法兰盘和固定螺栓与保温箱7的进气端箱壁固定连接。
36.所述保温箱7的进气端箱壁上设有开口，开口与入口管1同轴设置。
37.所述扩口管2采用锥形管，与入口管1同轴设置，其靠近入口管1的进气端的端面面积小于另一端的出气端端面面积，扩口管2采用金属材料制成，优选的采用不锈钢材料制成，能够承受较高的温度，使用寿命长。
38.所述进气端的端面面积与入口管截面面积相匹配，所述扩口管2的一端设置有法兰盘，扩口管2的进气端通过法兰盘和螺栓与保温箱7进气端箱壁的内侧面固定连接。
39.所述扩口管2的出气端端面尺寸与等离子反应器3的外壳进气端尺寸相匹配并与等离子反应器的外壳的进气端壳壁固定连接。
40.所述等离子反应器3包括外壳3-1，为了满足较大流量(80-100kg/h)尾气的处理需求，同时满足lng发动机配套机械的安装空间需求，不设置在长度较长的等离子放电部件，而是外壳内部设置有多个等离子放电部件3-2，多个等离子放电部件呈矩形阵列分布。
41.为了充分利用多个等离子放电部件3-2，所述扩口管内设置有布气机构，能够使得尾气流经扩口管时，能够进行分散，使其覆盖等离子放电部件的范围，能够充分利用多个等离子放电部件。
42.本实施例中，扩口管2内的布气机构包括多个交叉设置的第一横向板2-1和第一纵向板2-2，第一横向板2-1和第一纵向板2-2在垂直于扩口管2轴线的截面投影相互垂直，本实施例中，设置有两个第一横向板2-1和两个第一纵向板2-2，第一横向板2-1和第一纵向板2-2的一端延伸至扩口管2的进气端，另一端延伸至扩口管2的出气端，进而将扩口管2内部空间划分成呈阵列分布的多个气体流通通道。
43.其中扩口管2的进气端被分隔为呈阵列分布的多个进气区域，扩口管2的出气端被分隔为呈阵列分布的多个出气区域，因此，沿尾气流动方向，第一横向板2-1和第一纵向板2-2均向远离扩口管2轴线的方向倾斜，进气端和出气端对应的进气区域和出气区域之间形成气体通道，以实现对气体的分散，实现了布气功能。
44.本实施例中，所述第一横向板2-1和第一纵向板2-2均采用耐高温金属材料制成，优选的采用不锈钢材料制成，与扩口管2的内管面焊接固定。
45.当尾气进入扩口管2时，被第一横向板2-1和第一纵向板2-2分隔，通过多个进气区域进入扩口管2，然后分别通过多个出气区域流出扩口管2，实现了气体的分散。
46.所述等离子放电部件3-2包括绝缘管体，绝缘管体的轴线平行于尾气流动方向即平行于入口管、出口管、扩口管和收缩管的轴线。
47.所述绝缘管体采用圆柱型管，其两端固定在等离子反应器的外壳3-1壳壁上，且两端分别穿出至外壳外侧，使得绝缘管体一端与扩口管连通，另一端与收缩管连通，绝缘管体采用陶瓷或刚玉管，具有较好的耐高温、耐腐蚀性能，本实施例中，所述绝缘管体的外径为20-25mm，壁厚为1-2mm，优选的，绝缘管体的外径为24mm，壁厚为2mm。
48.所述绝缘管体的内部设置有内电极，内电极与绝缘管体同轴设置，内电极采用导电金属杆，优选的，所述内电极采用不锈钢材料制成，具有良好的耐腐蚀、耐高温性能，且导电性能良好。
49.所述内电极的两个端部分别第一固定板和第二固定板固定，第一固定板和第二固定板均采用导电金属板，优选采用不锈钢板，第一固定板和第二固定板与绝缘管体固定，用于对内电极进行支撑。
50.所述绝缘管体上设置有接线端子，接线端子与第一固定板接触。
51.所述绝缘管体的外周设置有外电极，外电极采用包裹在绝缘管体外部的金属网，优选的，所述外电极采用不锈钢材料制成，金属网的目数为60目。
52.所有金属网所连接的导线通过固定在外壳的导线汇集件汇集后与电源的高压输出端连接，导电金属杆通过导线和接线端子与电源的低压输出端连接。
53.外电极采用金属网，相对于螺旋金属丝或放电针，能够实现均匀放电，保证了等离子反应的效果。
54.所述电源采用正弦交流电源或脉冲电源，本实施例的电源采用现有的正弦交流电源，电源频率变化范围为5-25khz，电源输出电压范围为0-25kv，具有一个高压输出端和一个低压输出端。
55.本实施例中，通过扩口管2内的布气机构，能够使得尾气分散，使得尾气范围覆盖所有等离子放电部件的分布范围，使得每个绝缘管体内均能够通入尾气，提高了多个等离子放电部件的利用率，避免了能源的浪费，同时也满足了较大流量尾气的处理需求。
56.所述收缩管4采用锥形管，其面积较大的端部与等离子反应器的外壳的出气端连接。
57.本实施例中，由于处理的气体流量与使用的ch4-scr催化剂数量是具有设定比例关系的，如果不设置收缩管，直接将等离子反应器与催化反应器连接，催化反应器的截面尺寸与等离子反应器的截面尺寸相对应，那么在催化剂用量一定的情况下，涂覆在等离子反应器载体内表面的催化剂的厚度会很小，使得催化剂的利用率不高。
58.本实施例中，通过设置收缩管，将催化反应器的外壳和载体的直径缩小，由于催化剂的使用量是一定的，因此涂覆在载体内表面的催化剂的厚度增大，保证了厚度要求，提高了催化剂的利用率。
59.收缩管4内部也设置有布气机构，收缩管4内的布气机构包括多个交叉设置的第二横向板4-1和第二纵向板4-2，其中第二横向板4-1和第二纵向板4-2的设置方式与扩口管2内第一横向板2-1和第一纵向板2-2的设置方式相同，在此不进行重复叙述。
60.通过设置第二横向板4-1和第二纵向板4-2，使得收缩管出口截面气体流量均匀，让气流更均匀的流过催化剂，进一步提高催化剂的利用率。
61.所述收缩管4的出气端通过法兰盘和螺栓与催化反应器5的壳体的进气端固定，催化反应器壳体的出气端通过法兰盘和螺栓与保温箱出气端的箱壁内侧面固定。
62.本实施例中，所述保温箱7的出气端箱壁上设置有开口，开口与催化反应器5及出口管6同轴设置。
63.所述催化反应器5包括外壳，外壳为圆柱型结构，包括圆柱段和沿气流流向截面面积逐渐减小的圆锥段，外壳内部设置有载体，载体采用陶瓷载体，为空心圆柱结构，其固定在圆柱段的内侧面，载体内表面上涂覆有ch4-scr催化剂，所述ch4-scr催化剂为双金属分子筛类催化剂，采用现有的ch4-scr脱硝催化剂即可，优选为cr-in/h-zsm-5或ru-in/h-ssz-13或ce-ga/h-zsm-5等，采用现有材料即可。
64.可以理解的是，ch4-scr催化剂可以采用上述催化剂中的一种，也可采用两种或多种按照设定的配比混合而成，例如ch4-scr催化剂由cr-in/h-ssz-13、co/h-ssz-13分子筛催化剂混合制成，本领域技术人员可根据实际需要进行设置。
65.圆锥段的末端与保温箱的出气端箱壁的内侧面通过法兰盘和螺栓固定连接。
66.所述出口管6也采用金属波纹管，优选采用碳钢或不锈钢材料制成，能够承受较高的温度，使用寿命长。
67.出口管6通过法兰盘和固定螺栓固定在保温箱出气端箱壁的外侧面。
68.所述入口管1的进气端和出口管6的出气端均设置有法兰盘，方便将整个处理装置接入lng发动机的排气管中。
69.所述扩口管2、收缩管4和催化反应器5的出气端均安装有温度传感器，用于检测尾气的温度。
70.本实施例的尾气处理装置的工作方法为：
71.含有ch4和nox的lng发动机尾气由入口管1进入扩口管2，经过扩口管2将尾气均匀分布于等离子体反应器3，然后尾气通过等离子体反应器3的活化后，经过收缩管4流入催化反应器5，发动机尾气中的未燃ch4作为还原剂，在ch4-scr催化剂的催化作用下，将废气中的nox还原成n2，同时ch4转化为co2和h2o实现尾气中ch4和nox的一体化脱除。
72.本实施例的处理装置，采用低温等离子体技术(ntp)与催化剂协同的方法来实现船用lng发动机排气ch4和nox的一体化处理，可以降低ch4和nox的脱除反应温度，以克服船用lng发动机排气环境的低温限制；另一方面，相比利用nh3作为还原剂的选择性催化还原法，ntp与催化剂协同来处理ch4和nox只需一个催化器，可减少贵金属催化剂的使用量，对改善排气后处理装置的经济性具有重要意义。
73.而且，采用本实施例的技术方案，等离子反应器3中等离子体放电的产生短寿命活性物质在到达催化反应器5之前就已转化为其他稳态中间产物，ch4-scr催化剂主要促进了等离子体氧化的中间产物的反应过程，可以在提高反应气体污染物脱除效率的同时，减少副产物的产生，尤其适用于lng发动机大流量的尾气处理。
74.采用本实施例的处理装置，通过设置扩口管2和收缩管4，能够将等离子反应器3、催化反应器5进行集成，与现有的催化协同反应装置相比，集成度高，方便与lng发动机的排气管连接，适用于lng发动机的应用场合。
75.实施例2
76.本实施例提供了一种lng发动机，其排气管上设置有实施例1所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，处理装置通过入口管的进气端和出口管的出气端的法兰盘接入lng发动机的排气管中。
77.lng发动机的其他结构采用现有结构即可，在此不进行详细叙述。
78.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，包括沿尾气流向依次设置的入口管、扩口管、等离子体反应器、收缩管和催化反应器和出口管，所述扩口管、等离子体反应器、收缩管及催化反应器集成设置在保温箱内部，等离子体反应器内设置多个呈阵列分布的等离子放电部件，等离子放电部件的轴线平行于尾气流向，所述催化反应器内设置有载体，载体上涂覆有ch4-scr催化剂，所述扩口管和收缩管内均设有布气机构以对尾气进行分布。2.如权利要求1所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，所述扩口管内的布气机构均包括多个交叉设置的第一横向板和第一纵向板，第一横向板和第一纵向板的一端延伸至扩口管的进气端，另一端延伸至扩口管的出气端以使得扩口管内形成陈列分布的多个气体流通通道。3.如权利要求1所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，所述收缩管内的布气机构包括多个交叉设置的第二横向板和第二纵向板，第二横向板和第二纵向板的一端延伸至收缩管的进气端，另一端延伸至收缩管的出气端以使得收缩管内形成阵列分布的多个气体流通通道。4.如权利要求1所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，所述等离子发生部件包括绝缘管体，绝缘管体的轴线平行于尾气流向，绝缘管体内同轴设置有内电极，绝缘管体外周设置有外电极，内电极和外电极与电源连接。5.如权利要求4所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，所述内电极采用与绝缘管体同轴设置的导电金属杆，外电极采用包裹在绝缘管外的金属网。6.如权利要求5所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，金属网与电源的高压输出端连接，导电金属杆与电源的低压输出端连接。7.如权利要求1所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，所述入口管和出口管均采用金属波纹管。8.如权利要求1所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，所述催化反应器内的载体采用陶瓷材料制成。9.如权利要求1所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置，其特征在于，所述ch4-scr催化剂为cr-in/h-zsm-5和/或ru-in/h-ssz-13和/或ce-ga/h-zsm-5。10.一种lng发动机，其特征在于，其排气管设置有权利要求1-9任一项所述的lng发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置。

技术总结
本发明涉及LNG发动机尾气甲烷和氮氧化物处理装置及LNG发动机，包括沿尾气流向依次设置的入口管、扩口管、等离子体反应器、收缩管和催化反应器和出口管，所述扩口管、等离子体反应器、收缩管及催化反应器集成设置在保温箱内部，等离子体反应器内设置多个呈阵列分布的等离子放电部件，等离子放电部件的轴线平行于尾气流向，所述催化反应器内设置有载体，载体上涂覆有CH4-SCR催化剂，所述扩口管和收缩管内均设有布气机构以对尾气进行分布，本发明的处理装置适用于LNG发动机的使用。理装置适用于LNG发动机的使用。理装置适用于LNG发动机的使用。


技术研发人员：宋杰 田书广 蒋顺豪
受保护的技术使用者：潍柴动力股份有限公司
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/6/28