实现船舶低速柴油机超低排放及废热回收的联合循环系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种船用柴油机余热回收利用同时有效降低排放的系统。尤其是一种在柴油机后处理中加装有机ORC循环余热回收装置同时加装EGR装置降低排放的系统。
【背景技术】
[0002]船舶是能源消耗量巨大的运输工具，高能耗一方面使船舶运行成本增加，另一方面也给船舶运行带来了严重的环境问题。因此，如何有效的降低船舶能耗和排放是一个重大而现实的课题。对于柴油机排放控制而言，重点是控制NOx和微粒(PM)。控制PM排放的核心是改善柴油机的混合气形成和燃烧过程，使燃料充分燃烧。但是，柴油机燃烧过程的改变往往会引起NOx的增加，即NOx和PM的排放总是成反比的。正因为此，如何在保持柴油机良好性能的同时降低NOx的排放，尚需解决的技术难题还很多。
[0003]大功率二冲程柴油广泛应用于商船的主动力推进系统，为有效降低使用成本而大量采用高硫的重质燃料油HF0，采用EGR系统可有效降低NOx排放，但再循环废气中的硫氧化物SOx及颗粒PMd等其它沉积物等必须有效去处，以避免再循环废气对气阀、气缸和扫气口等的磨损和侵蚀。所以，加装EGR系统的柴油机必须同时加装洗涤设备。由于机舱内部空间有限，加装EGR系统后已经没有足够的空间加装余热回收装置，同时EGR系统已经将高温废气冷却，这样就造成能源极大的浪费。
[0004]传统的柴油机余热回收装置，主要是利用蒸汽轮机以及废气动力涡轮进行发电来回收余热，装置相对庞大复杂。这样使得余热回收和降低排放往往只能选择其一不能兼顾，或是要做对结构进行大的改造进而影响经济性。而有机工质余热回收装置相对简单，能够回收柴油机相对低品位的能量，在保证了有效降低排放的同时，也能够回收一定的余热，提高能源的利用率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提出一种既能够降低柴油机排放又能够达到余热回收效果的实现船舶低速柴油机超低排放及废热回收的联合循环系统。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
[0007]柴油机主机I产生的废气分成两部分，一部分先经过预洗涤装置3后再由冷却装置4进行冷却，再进入洗涤装置5中进行洗涤，洗涤结束进入第一 WMC装置6，然后经鼓风机7进入进气总管9 ;另一部分进入废气动力涡轮14中，带动压气机13转动压缩新鲜空气导入中冷器高温段12、低温段11中进行冷却，再通过第二 WMC装置10后进入进气总管9中；
[0008]由废气动力涡轮14中出来的废气进入烟气余热锅炉28，烟气余热锅炉热水器中的热水通入有机工质蒸发器22，有机工质从储液箱15中分成两股流出，一股进入中冷器低温段11回收冷却水中余热，再进去中冷器高温段12中蒸发后通入调压气囊19中；另一股通过高温缸套25预热后经由锅炉热水换热蒸发后通入调压气囊19中；最终有机工质蒸汽由调压气囊19中进入有机工质汽轮机18带动发电机23进行发电。
[0009]本发明还可以包括:
[0010]1、有机工质储液箱15与中冷器低温段11之间设置第一旁通阀16，高温缸套25和调压气囊19的连通管路与调压气囊19和有机工质汽轮机18的连通管路之间设置第二旁通阀20。
[0011]2、还包括调节烟气余热锅炉28内部压力的汽包24，储水槽27中的水通过循环水泵在高温缸套25与汽包24之间循环。
[0012]本发明提供了一种既能够降低柴油机排放又能够达到余热回收效果的联合系统。本发明是在大功率二冲程柴油机中加装EGR系统并采用有效的SOx洗涤技术措施，同时再加装有机工质余热回收装置回收发动机余热的联合系统。在有效提高发动机废热能量利用效率的基础上，亦可实现发动机的超低排放，其中NOx降低80%以上，而SOx和PM的排放降低40%以上。
[0013]本发明包括主机、废气涡轮增压器、配有高效洗涤设备的EGR系统、有机郎肯ORC系统、烟气锅炉等。其特征是，在EGR系统中采用有效的SOx洗涤技术措施，在有效去除再循环废气中的硫氧化物SOx及颗粒PM等其它沉积物的同时，有效降低再循环废气的温度，降低发动机充量中氧的浓度，从而降低发动机的最高燃烧温度及其NOx排放；由于废气中SOx浓度的降低，废气的酸露点温度由165°C左右降低到135°C左右，从而可提高废气回收的能量，也降低了锅炉着火爆管的风险。与此同时，加装有机郎肯ORC系统分别回收缸套水、烟气锅炉热水以及增压中冷器冷却水的能量，形成有机工质蒸汽推动有机工质汽轮机进行发电，有效的提高了发动机废热的利用率。
[0014]本发明的具体工作流程为:柴油机主机产生的废气分成两部分，一部分是经由EGR阀控制旁通到EGR系统中，先经过预洗涤装置后再由冷却装置进行冷却，再进入洗涤装置中进行洗涤，洗涤结束进入WMC装置中，然后进入鼓风机，并由旁通阀控制流量，最终进入进气总管；另一部分是进去废气涡轮中，带动压气机转动，压缩新鲜空气导入中冷器高温段、低温段中进行冷却，再通过WMC装置后进入进气总管中。由废气涡轮中出来的废气进入烟气余热锅炉中，锅炉内部压力通过汽包来调节，同时将锅炉热水器中的热水通入有机工质蒸发器中进行换热利用。
[0015]有机工质从储液箱中也分成两股流出。其中一股是经由旁通阀控制，进入中冷器低温冷却水中余热，再进去高温冷却水蒸发后通入调压气囊中；另一股是通过高温缸套水预热后，关闭旁通阀，经由锅炉热水换热蒸发后通入调压气囊中；最终有机工质蒸汽由调压气囊中进入有机工质汽轮机带动发电机进行发电。这样就通过两个旁通阀调节余热回收方式，有机朗肯ORC系统将只利用高温缸套水和锅炉热水的余热。有机工质蒸汽直接进入汽轮机中带动发电机发电。
[0016]本发明的有益效果在于:本发明通过采用废气再循环EGR与有机工质朗肯循环ORC废热回收联合系统，基于在EGR系统中采用有效的废气洗涤脱硫系统，以及进一步通过有机工质余热回收装置回收发动机缸套高温冷却水的能量、中冷器高温冷却水的能量和EGR发动机的废气锅炉热水余热，从而在有效提高发动机废热能量利用效率的基础上，亦可实现发动机的超低排放，其中NOx降低80%以上，而SOx和PM的排放降低40%以上。
【附图说明】
[0017]图1为基于废气再循环EGR与有机工质朗肯循环ORC实现船舶二冲程柴油机超低排放高效废热回收的联合循环系统示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。图1中:1、柴油机主机；2、EGR控制阀；3、预洗涤装置；4、EGR冷却装置；5、洗涤装置；6、WMC装置；7、鼓风机；8、旁通阀；9、进气道总管；10、WMC装置；11、中冷器低温段；12、中冷器高温段；13、压气机；14、废气动力涡轮；15、有机工质储液箱；16、旁通阀；17、有机工质冷凝装置；18、有机工质汽轮机；19、压力平衡气囊；20、旁通阀；21、齿轮箱；22、有机工质蒸发器；23、发电机；24、锅炉汽包；25、高温缸套水；26、循环水泵；27、储水槽；28、烟气锅炉。
[0019]图1中的柴油机主机I产生的废气分成两部分。一部分是经由EGR阀2控制旁通到EGR系统中，先经过预洗涤装置3后再由冷却装置4进行冷却，再进入洗涤装置5中进行洗涤，洗涤结束进入WMC装置6中，然后进入鼓风机7，并由旁通阀8控制流量，最终进入进气总管9。另一部分是进去废气涡轮14中，带动压气机13转动，压缩新鲜空气导入中冷器高温段12、低温段11中进行冷却，再通过WMC装置10后进入进气总管9中。
[0020]由废气涡轮14中出来的废气进入烟气余热锅炉28中，锅炉内部压力通过汽包24来调节，同时将锅炉热水器中的热水通入有机工质蒸发器22中进行换热利用。有机工质从储液箱15中也分成两股流出。其中一股是经由旁通阀16控制，进入中冷器低温冷却水11中余热，再进去高温冷却水12蒸发后通入调压气囊19中；另一股是通过高温缸套水25预热后，关闭旁通阀20，经由锅炉热水换热蒸发后通入调压气囊19中。
[0021]最终有机工质蒸汽由调压气囊19中进入有机工质汽轮机18带动发电机23进行发电。
[0022]通过旁通阀16、20可以调节余热回收方式，当旁通阀16关闭、旁通阀20打开时，有机朗肯ORC系统将只利用高温缸套水和锅炉热水的余热。有机工质蒸汽直接进入汽轮机18中带动发电机23发电。
【主权项】
1.一种实现船舶低速柴油机超低排放及废热回收的联合循环系统，其特征是:柴油机主机(I)产生的废气分成两部分，一部分先经过预洗涤装置(3)后再由冷却装置(4)进行冷却，再进入洗涤装置(5)中进行洗涤，洗涤结束进入第一 WMC装置￠)，然后经鼓风机(7)进入进气总管(9);另一部分进入废气动力涡轮(14)中，带动压气机(13)转动压缩新鲜空气导入中冷器高温段(12)、低温段(11)中进行冷却，再通过第二 WMC装置(10)后进入进气总管(9)中； 由废气动力涡轮(14)中出来的废气进入烟气余热锅炉(28)，烟气余热锅炉热水器中的热水通入有机工质蒸发器(22)，有机工质从储液箱(15)中分成两股流出，一股进入中冷器低温段(11)回收冷却水中余热，再进去中冷器高温段(12)中蒸发后通入调压气囊(19)中；另一股通过高温缸套(25)预热后经由锅炉热水换热蒸发后通入调压气囊(19)中；最终有机工质蒸汽由调压气囊(19)中进入有机工质汽轮机(18)带动发电机(23)进行发电。
2.根据权利要求1所述的实现船舶低速柴油机超低排放及废热回收的联合循环系统，其特征是:有机工质储液箱(15)与中冷器低温段(11)之间设置第一旁通阀(16)，高温缸套(25)和调压气囊(19)的连通管路与调压气囊(19)和有机工质汽轮机(18)的连通管路之间设置第二旁通阀(20)。
3.根据权利要求1或2所述的实现船舶低速柴油机超低排放及废热回收的联合循环系统，其特征是:还包括调节烟气余热锅炉(28)内部压力的汽包(24)，储水槽(27)中的水通过循环水泵在高温缸套(25)与汽包(24)之间循环。
【专利摘要】本发明提供的是一种实现船舶低速柴油机超低排放及废热回收的联合循环系统。包括主机、废气涡轮增压器、配有高效洗涤设备的EGR系统、有机郎肯ORC系统、烟气锅炉等。在EGR系统中采用有效的SOx洗涤，在有效去除再循环废气中的硫氧化物SOx及颗粒PM等的同时，有效降低再循环废气的温度，降低发动机充量中氧的浓度，降低发动机的最高燃烧温度及其NOx排放；由于废气中SOx浓度的降低，废气的酸露点温度由165℃左右降低到135℃左右，从而可提高废气回收的能量。加装有机郎肯ORC系统分别回收缸套水、烟气锅炉热水以及增压中冷器冷却水的能量，形成有机工质蒸汽推动有机工质汽轮机进行发电，有效的提高发动机废热的利用率。
【IPC分类】F01K23-10
【公开号】CN104712382
【申请号】CN201410386926
【发明人】冯永明, 周松, 张金钊, 闫宇, 张文平
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2014年8月7日