发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置的制作方法

1.本实用新型涉及船舶技术领域，尤其涉及发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置。


背景技术：

2.近年来船舶双燃料发动机气缸和天然气发动机气缸所占的市场比例逐渐提高，带来了大量的逃逸甲烷排放。甲烷对全球大气温室效应有很大的贡献，其暖化潜势为二氧化碳的25倍，是第二大温室效应气体，对港口大气和全球海洋环境产生了较大的危害。
3.甲烷分子十分稳定，氧化最低温度要求在600～700℃以上，通过使用甲烷催化氧化剂可以适当降低甲烷氧化温度。船舶低速双燃料发动机气缸涡轮后排气温度约为200℃-250℃，远低于甲烷氧化温度的要求。涡轮前排气温度约为300℃-450℃，烟气压力约为1.5-4.5bar(a)，仅部分工况可以满足甲烷氧化温度要求。若发动机气缸所有运行工况均需满足甲烷氧化温度要求，或考虑逃逸甲烷后处理系统的高温加热再生模式，则需对涡轮前的高压烟气进行加热。
4.对烟气加热最直接有效的方式是直接采用燃烧器对高压烟气进行点燃，使之燃烧加热。或采用燃烧器对新鲜空气进行点燃，产生的高温烟气通过风机送入涡轮前排烟管道内，使燃烧产生的高温烟气与涡轮前烟气混合，从而提高涡轮前烟气温度。然而以上两种加热方式对于高压逃逸甲烷后处理系统不适用，具体原因为：1)排气中含氧量约13％-15％，理论上烟气可以被直接点燃燃烧，但燃烧不完全，易产生碳氢，加重甲烷反应器负担；2)将烧嘴直接布置在排气管，向排气管内喷射燃料，涡轮前烟气压力随主机工况变化，波动的压力环境不利于燃烧器稳定工作，容易导致主机变工况时燃烧器熄火；3)若燃烧器使用新鲜空气燃烧，采用将燃烧后的高温烟气通过风机送入排气管加热排气的方式，将需求一个耐高温、高增压压力的风机，该风机造价昂贵；4)若燃烧器使用压缩空气作为气源，压缩空气燃烧后直接通入排气管，可节省风机，但船上实际应用时因样机功率大，压缩空气耗量高，需要一直消耗船舱压缩空气进行烟气补燃，运行成本高。
5.因此，亟需一种发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，以解决以上问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，能够对发动机气缸逃逸出的甲烷进行加热，加热过程较为稳定，加热成本较低，不会影响船舶的正常运行。
7.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
8.发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，包括：
9.排气集管，所述排气集管的入口端连接于发动机气缸的排烟口，所述发动机气缸排出的烟气汇至所述排气集管中；
10.升温组件，包括电加热器和换热器，所述电加热器和所述换热器并联设置于所述
排气集管的出口端，所述电加热器和/或所述换热器能够对所述排气集管排出的所述烟气进行加热；
11.甲烷反应器，设置于所述电加热器和所述换热器的出口端，所述甲烷反应器用于对所述电加热器和所述换热器加热后的所述烟气进行氧化反应。
12.作为可选方案，所述排气集管与所述升温组件之间连通有甲烷反应器入口阀，所述甲烷反应器的出口端设置有甲烷反应器出口阀。
13.作为可选方案，所述升温组件的出口端与所述甲烷反应器的进口端之间连通有通风管，所述通风管设置有反应器通风阀。
14.作为可选方案，所述电加热器的入口端连通有电加热器入口阀，所述电加热器的出口端连通有电加热器出口阀。
15.作为可选方案，所述换热器的低温侧的入口端连通有换热器低温侧入口阀，所述换热器的低温侧的出口端连通有换热器低温侧出口阀。
16.作为可选方案，所述换热器的高温侧的入口端连通有换热器高温侧入口阀，所述换热器的高温侧的出口端连通有换热器高温侧出口阀。
17.作为可选方案，所述换热器的高温侧的入口端设置有燃烧器，所述燃烧器用于对所述换热器的高温侧提供热量。
18.作为可选方案，所述燃烧器的入口端设置有引风机，所述引风机用于将空气引入所述燃烧器。
19.作为可选方案，所述发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置还包括：
20.涡轮增压器，所述涡轮增压器设置有进气通道和排气通道，所述进气通道的进口端与所述排气集管的出口端相连通，所述进气通道的进口端与所述甲烷反应器的出口端相连通。
21.作为可选方案，所述排气集管的出口端与所述进气通道的进口端之间设置有旁通阀。
22.有益效果：
23.本实用新型提出的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，通过设置升温组件对发动机气缸逃逸出的含甲烷的烟气进行加热，达到甲烷氧化温度。升温组件采用电加热器和换热器并联设置的方式，相对于直接对高压烟气进行点燃的方式，加热过程更为稳定，加热成本较低，不会影响船舶的正常运行。电加热器和换热器可同时工作，也可采用两者中的一个进行加热，电加热器和换热器互为备用补充，提高了升温组件的运行可靠性。
附图说明
24.图1是本实用新型实施例提供的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置的结构示意图。
25.图中：
26.1、排气集管；2、电加热器；3、换热器；4、甲烷反应器；5、甲烷反应器入口阀；6、甲烷反应器出口阀；7、反应器通风阀；8、电加热器入口阀；9、电加热器出口阀；10、换热器低温侧入口阀；11、换热器低温侧出口阀；12、换热器高温侧入口阀；13、换热器高温侧出口阀；14、燃烧器；15、引风机；16、涡轮增压器；161、进气通道；162、排气通道；17、旁通阀；18、扫气集
管；
27.100、主机；200、辅机。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
29.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
31.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
32.船舶常采用双燃料发动机，双燃料发动机具有燃气和燃油两种模式，在燃气模式下，会释放出大量的逃逸甲烷，甲烷分子十分稳定，氧化反应需要在600～700℃以上高温下进行。
33.如图1所示，本实施例提供一种发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，能够对发动机气缸逃逸出的甲烷进行加热，使甲烷充分氧化。发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置包括排气集管1、升温组件和甲烷反应器4，排气集管1的入口端连接于发动机气缸的排烟口，发动机气缸排出的烟气汇至排气集管1中。升温组件包括电加热器2和换热器3，电加热器2和换热器3并联设置于排气集管1的出口端，电加热器2和/或换热器3能够对排气集管1排出的烟气进行加热。甲烷反应器4设置于电加热器2和换热器3的出口端，甲烷反应器4用于对电加热器2和换热器3加热后的烟气进行氧化反应。
34.通过设置升温组件对发动机气缸逃逸出的含甲烷的烟气进行加热，达到甲烷氧化温度。升温组件采用电加热器2和换热器3并联设置的方式，相对于直接对高压烟气进行点燃的方式，加热过程更为稳定，加热成本较低，不会影响船舶的正常运行。电加热器2和换热器3可同时工作，也可采用两者中的一个进行加热，电加热器2和换热器3互为备用补充，提高了升温组件的运行可靠性。
35.进一步地，如图1所示，发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置还包括涡轮增压器16，涡轮增压器16设置有进气通道161和排气通道162，进气通道161的进口端与排气集管
1的出口端相连通，进气通道161的进口端与甲烷反应器4的出口端相连通。
36.排气集管1的出口端与进气通道161的进口端之间设置有旁通阀17，当甲烷反应器4的压降高于预设压降时，开启旁通阀17，一部分烟气会通过旁通阀17流入涡轮增压器16的排气通道162，避免过高烟气背压影响双燃料发动机的运行，这里的烟气背压就是指排放烟气的阻力压力，烟气背压越大，排放烟气阻力就越大，将会降低双燃料发动机的动力。
37.可选地，如图1所示，排气集管1与升温组件之间连通有甲烷反应器入口阀5，甲烷反应器4的出口端设置有甲烷反应器出口阀6。当双燃料发动机在燃油模式下，烟气中无逃逸的甲烷排放，因此，烟气不需要流经甲烷反应器4，此时开启旁通阀17，关闭甲烷反应器入口阀5和甲烷反应器出口阀6，进入甲烷处理旁通模式，发动机气缸排放的烟气将经过旁通阀17流入涡轮增压器16的排气通道162然后排出，提高烟气排放效率，且避免甲烷反应器4的设备损耗，节约了设备的维护成本。
38.可选地，升温组件的出口端与甲烷反应器4的进口端之间连通有通风管，通风管设置有反应器通风阀7。当双燃料发动机在燃油模式下，为保证甲烷反应器4的密封，可以通过反应器通风阀7向甲烷反应器4内通入高于烟气压力的压缩空气，使得烟气无法通过甲烷反应器入口阀5和甲烷反应器出口阀6进入甲烷反应器4内部，避免了烟气泄漏进甲烷反应器4而造成设备的损耗以及催化剂的浪费。
39.可选地，如图1所示，进气通道161的出气口与发动机气缸的进气口之间连通有扫气集管18，在双燃料发动机工作过程中，空气经过涡轮增压器16的吸入、加压流入扫气集管18，然后流入发动机气缸内，参与发动机气缸内的燃烧。
40.具体地，电加热器2的入口端连通有电加热器入口阀8，电加热器2的出口端连通有电加热器出口阀9。电加热器入口阀8用于调节进入电加热器2的烟气流量，电加热器出口阀9用于流出电加热器2的烟气流量。
41.换热器3的低温侧的入口端连通有换热器低温侧入口阀10，换热器3的低温侧的出口端连通有换热器低温侧出口阀11。换热器低温侧入口阀10用于调节进入换热器3的烟气流量，换热器低温侧出口阀11用于流出换热器3的烟气流量。
42.换热器3的高温侧的入口端连通有换热器高温侧入口阀12，换热器3的高温侧的出口端连通有换热器高温侧出口阀13。换热器高温侧入口阀12用于调节进入换热器3的高温气体流量，换热器高温侧出口阀13用于流出换热器3的高温气体流量。
43.可选地，如图1所示，换热器3的高温侧的入口端设置有燃烧器14，燃烧器14用于对换热器3的高温侧提供热量。燃烧器14的入口端设置有引风机15，引风机15用于将空气引入燃烧器14，燃烧产生高温气体进入换热器3。
44.双燃料发动机在燃气模式下，发动机气缸排出的烟气汇总到排气集管1中，甲烷反应器入口阀5和甲烷反应器出口阀6开启，旁通阀17关闭，使得烟气流经甲烷反应器4，此时进入甲烷处理模式。烟气通过甲烷反应器出口阀6进入涡轮增压器16后排出。甲烷反应器4布置在涡轮增压器16上游，可利用涡轮增压器16前的高温(300-450℃)和高压(1.5-4.5bar,a)烟气条件进行甲烷催化氧化反应。
45.当双燃料发动机在燃油模式下，烟气中无逃逸甲烷排放，因此，烟气不需要流经甲烷反应器4。此时，旁通阀17开启，甲烷反应器入口阀5和甲烷反应器出口阀6关闭，进入甲烷处理旁通模式。烟气通过旁通阀17进入涡轮增压器16后排出。双燃料发动机在燃油模式下，
为保证甲烷反应器4的密封，通过反应器通风阀7向甲烷反应器4内通入高于烟气压力的压缩空气，使得烟气无法通过甲烷反应器入口阀5和甲烷反应器出口阀6泄漏至甲烷反应器4内部。
46.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，包括：排气集管(1)，所述排气集管(1)的入口端连接于发动机气缸的排烟口，所述发动机气缸排出的烟气汇至所述排气集管(1)中；升温组件，包括电加热器(2)和换热器(3)，所述电加热器(2)和所述换热器(3)并联设置于所述排气集管(1)的出口端，所述电加热器(2)和/或所述换热器(3)能够对所述排气集管(1)排出的所述烟气进行加热；甲烷反应器(4)，设置于所述电加热器(2)和所述换热器(3)的出口端，所述甲烷反应器(4)用于对所述电加热器(2)和所述换热器(3)加热后的所述烟气进行氧化反应。2.根据权利要求1所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述排气集管(1)与所述升温组件之间连通有甲烷反应器入口阀(5)，所述甲烷反应器(4)的出口端设置有甲烷反应器出口阀(6)。3.根据权利要求2所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述升温组件的出口端与所述甲烷反应器(4)的进口端之间连通有通风管，所述通风管设置有反应器通风阀(7)。4.根据权利要求1所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述电加热器(2)的入口端连通有电加热器入口阀(8)，所述电加热器(2)的出口端连通有电加热器出口阀(9)。5.根据权利要求1所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述换热器(3)的低温侧的入口端连通有换热器低温侧入口阀(10)，所述换热器(3)的低温侧的出口端连通有换热器低温侧出口阀(11)。6.根据权利要求5所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述换热器(3)的高温侧的入口端连通有换热器高温侧入口阀(12)，所述换热器(3)的高温侧的出口端连通有换热器高温侧出口阀(13)。7.根据权利要求6所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述换热器(3)的高温侧的入口端设置有燃烧器(14)，所述燃烧器(14)用于对所述换热器(3)的高温侧提供热量。8.根据权利要求7所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述燃烧器(14)的入口端设置有引风机(15)，所述引风机(15)用于将空气引入所述燃烧器(14)。9.根据权利要求1-8任一项所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置还包括：涡轮增压器(16)，所述涡轮增压器(16)设置有进气通道(161)和排气通道(162)，所述进气通道(161)的进口端与所述排气集管(1)的出口端相连通，所述进气通道(161)的进口端与所述甲烷反应器(4)的出口端相连通。10.根据权利要求9所述的发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置，其特征在于，所述排气集管(1)的出口端与所述进气通道(161)的进口端之间设置有旁通阀(17)。

技术总结
本实用新型属于船舶技术领域，公开了发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置。发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置包括排气集管、升温组件和甲烷反应器，排气集管的入口端连接于发动机气缸的排烟口，发动机气缸排出的烟气汇至排气集管中。升温组件包括电加热器和换热器，电加热器和换热器并联设置于排气集管的出口端，电加热器和/或换热器能够对排气集管排出的烟气进行加热。甲烷反应器设置于电加热器和换热器的出口端，甲烷反应器用于对电加热器和换热器加热后的烟气进行氧化反应。该发动机高压逃逸甲烷后处理系统加热装置能够对发动机气缸逃逸出的甲烷进行加热，加热过程较为稳定，加热成本较低，不会影响船舶的正常运行。不会影响船舶的正常运行。不会影响船舶的正常运行。


技术研发人员：田新娜 桂勇 李泽宇 韩连任 胡杨
受保护的技术使用者：中船动力研究院有限公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/6/16