一种实现液化天然气力船舶发动机高效零污染运行的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及内燃机高效清洁燃烧和能量高效利用领域，尤其涉及实现液化天然气力船舶发动机高效零污染运行的方法。
【背景技术】
[0002]二冲程大型低速柴油机有着油耗低、输出扭矩平稳、燃油品质要求低等特点，在三大主力远洋船舶(油轮、集装箱船、散货船)上得到了广泛的应用。然而随着地球环境恶化，国际海洋组织和许多国家均制定了日益严格的海洋排放法规，对船舶发动机的NOx和SOx排放制定严格法规。天然气相比于柴油或重油，含硫量低，燃烧更充分，无颗粒物排放；同时，随着天然气的开采和使用技术不断发展，其应用成本不断下降。LNG是液化天然气Liquefied Natural Gas的缩写，将天然气液化后可显著提高天然气体积热值，解决压缩天然气(CNG)在移动动力装置中不便于携带的问题，随着天然气液化技术、LNG储存以及运输等技术的成熟，以LNG作为船舶发动机燃料的LNG动力船舶发展迅速。
[0003]天然气替代柴油或重油作为船舶发动机燃料可以降低SOx和颗粒物排放，但NOx减排不明显，需要采用相关技术满足排放法规的需求。LNG的液化温度为-162°C，具有231kW.h/t的冷能，而现有的LNG动力船舶仅仅利用它的低温来制冷，没有充分利用其冷能。现今的远洋船舶航行时，燃料费用支出在整个远洋船舶运输中占50%-70%，一艘50000吨LNG动力散货船，一天大约消耗50-80吨LNG，如果提高船舶发动机的热效率，就可以节约大量的燃料，减少碳排放，降低运输成本。
[0004]发明名称为“一种LNG冷能回收用于汽车零排放和空调的方法与装置”，公开号为CN103832244A的中国专利，该方法存在的问题为利用LNG冷能冷却发动机排气时，缺乏对燃烧产生的各类污染物的处理方法，未能做到发动机零污染，也未能提高发动机热效率。
[0005]发明名称为“工作气体循环型发动机”，公开号为CN101512125的中国专利公开了以下内容:发动机将由氧气、作为燃料的氢气和作为工作气体的氩气构成的气体供给至燃烧室。上游冷凝部通过将来自燃烧室的排放气体与大气进行热交换，使排放气体中含有的水蒸汽冷凝成第一次冷凝水，并将分离了第一次冷凝水的气体作为第一次冷凝水分离后气体而排出。第一次冷凝水被储存在蓄水箱中。下游冷凝部通过利用储存在蓄水箱中的冷凝水的气化潜热，进一步将第一次冷凝水分离后气体中含有的水蒸汽冷凝成第二次冷凝水，并将从第一次冷凝水分离后气体中分离了第二次冷凝水后的气体排出，从而避免了工作气体的热容比的显著降低。该发动机存在的问题为采用氢气作为发动机燃料，氢气价格相对天然气较贵、运输成本很高，无法做到在现阶段大规模使用，同时，该方法未能提高发动机热效率。
[0006]发明名称为“使用循环工作气体的氢发动机”，公开号为CN101389840的中国专利公开了以下内容:氢发动机将氢气、氧气和作为工作气体的氩气供给到燃烧室以使氢气燃烧。通过冷凝器，从燃烧室排出的循环气体中的H2O被从气体中分离和除去。当循环气体中的二氧化碳的浓度高于预定浓度时，以使循环气体流经产物除去部(二氧化碳吸收单元)的方式转换三通阀，从而将二氧化碳从循环气体中分离和除去。该发动机虽然与上一专利相比，添加了循环氩气提高发动机热效率、增加了除二氧化碳装置，但是并没有克服氢气在现阶段无法作为一种大规模低成本的燃料的问题。
[0007]发明名称为“利用LNG冷能空分制取液氧液氮的方法”，公开号为104807289A的中国专利公开了以下内容:将来自空分塔冷箱的粗氮，经主换热器冷箱复热后，汇合气液分离罐分离的中压低温氮气经循环换热器冷箱复热，复热后的低压低温氮气，再经循环换热器冷箱复热后，通过N2增压机增压的中压常温氮气进入循环他增压机增压至高压氮气;高压氮气经循环换热器冷箱预冷;送入空分塔冷箱作为空分的冷源，并在LNG冷能回收塔冷箱上塔底部得到高纯高压液氮，高压液氮经节流阀节流，得到中压液氮和中压氮气经由节流阀节流，得到低压液氮产品和低压氮气。该方法存在的问题是未指出产生的液氧和液氮的冷能如何有效利用，也没有说明LNG冷能被利用后成为天然气如何有效利用。
[0008]发明名称为“一种动力渔船LNG冷能释放及供气系统”，公开号为CN104712905A的中国专利公开了以下内容:至少包括LNG储罐、冷能吸收换热器、放换热器、载冷剂储槽、低温栗、燃料调温换热器、发动机冷却水槽、水栗和燃料机，自增压器安装在LNG储罐的一侧，空温汽化器安装在LNG储罐与冷能吸收换热器之间，LNG冷能吸收换热器、冷能释放换热器、载冷剂储槽、低温栗依次连接并组成闭合回路;LNG冷能吸收换热器还连接燃料调温换热器，燃料调温换热器、发动机冷却水槽、水栗依次连接并组成闭合回路;燃料调温换热器还通过燃料管道连接燃料机，燃料管道上设有流量计。该方法利用LNG冷能冷却排气中的二氧化碳，再利用液态二氧化碳对渔船供冷，但是LNG冷能的利用效率不高，也没有减少渔船发动机污染物的排放。
[0009]发明名称为“利用LNG冷能制备液体二氧化碳及干冰的方法及装置”，公开号为CN104236252A的中国专利公开了以下内容:LNG栗入管壳式换热器的管程，在管壳式换热器的管程中LNG的气化释放潜热，将低温气体CO2冷却液化，然后LNG的气化产物作为冷源进入多股流板翅式换热器，CO2原料气冷却后进入CO2压缩机，同时将输出的高压高温CO2冷却，LNG升温气化为10?25 °C的常温天然气;冷却后的⑶2进入管壳式换热器的壳层，从管壳式换热器壳层出口流出的液体CO2分为两支，一支进入液体(》2储罐，另一支进入干冰机制备干冰。该方法存在的问题是LNG的温度比液态二氧化碳低很多，直接利用LNG冷却二氧化碳气体产生液态二氧化碳的方法并不能高效低利用LNG冷能，同时该专利仅阐述了液态二氧化碳制备过程，没有说明LNG冷能被利用后成为天然气如何有效利用。
[0010]《天然气与石油》杂志2013年31卷3期中公开了论文《利用LNG冷能的空气分离流程》中所述的相关装置。内容为:常规空气分离方法通过采用高压空气冷却膨胀制冷来提供空分系统所需的冷量，气体压缩需要消耗大量电和水，将LNG的低温冷能用于空分系统后，单位产品的能耗会大幅降低，从热力学角度出发，指出该LNG冷能回收利用方式的合理性，对LNG高品质的低温冷能用于空气分离的工艺进行改进，以期回收LNG冷能的同时降低空分系统的动力功耗。存在的问题是未指出产生的液氧和液氮的冷能如何有效利用，也没有说明LNG冷能被利用后成为天然气如何有效利用。
[0011]《中国修船》杂志2003年3期中公开了论文《船舶余热回收现状及吸附制冷应用前景》中所述的余热锅炉或其他功能类似的装置。内容为热管式余热蒸汽锅炉和热水器在船舶上的成功应用，文章着重介绍回收船舶尾气余热的热管蒸汽锅炉系统、吸附式制冷的空调系统、冷冻水系统、制冰系统。存在的问题是该论文仅考量的发动机排气的余热回收，没有对排气污染物提出好的处理办法。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种高效利用LNG冷能、将发动机的排气进行余热回收，实现发动机热效率提高、污染物零排放的液化天然气力船舶发动机高效零污染运行的方法。
[0013]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0014]本发明的一种实现液化天然气力船舶发动机高效零污染运行的方法，它包括以下步骤:
[0015](I)液化天然气从液化天然气储罐中流出，经换热汽化为天然气；
[0016](2)天然气、氧气经过海水预热器换热温度达到5-10°C;换热后的天然气经过安装有天然气流量传感器和天然气流量控制阀的天然气管道进入混合调压配气装置，换热后的氧气经过安装有氧气流量传感器和氧气流量控制阀的氧气管道进入混合调压配气装置，氩气与氧气按体积比3.7:1?3.8:1进入混合调压配气装置中成为助燃气体，天然气和助燃气体以1:9.45?1:9.65的体积比在混合调压配气装置中混合后输送到发动机的燃烧室燃烧，发动机的燃烧室排气经过装有氧浓度传感器和气体流量计的排气总管依次进入余热回收装置和海水预冷器回收余热并将排气冷却至5-10°C ;
[0017](3)余热被回收后的一部分排气进入主通道，另一部分排气在与主通道连通的旁通通道上游支点处进入旁通通道，然后在氮氧化物、硫氧化物去除装置中除去氮硫，进入主通道和旁通通道的排气的流量控制方法为:发动机电子控制单元读取排气总管内的气体流量计输出的气体流量信号并与设定值比较，然后输出控制信号给安装在旁通通道上游支点处的电磁阀，当排气流量大于设定值，则增大电磁阀开度以增加旁通通道气体流量；当排气流量小于设定值，则减小电磁阀开度以减小旁通通道气体流量；
[0018](4)经过除氮硫处理的排气从旁通通道下游支点处的单向阀回到主通道，与主通道内的气体一同进入水冷却分离装置，使水蒸气液化从气体中分离，再经过二氧化碳冷却分离装置，使二氧化碳以液体形式从气体中分离，排气中剩余的气体为以氩气为主的可参与再循环的气体，进入混合调压配气装置，与新鲜的氧气以及天然气混合，再次进入发动机的燃烧室参与燃烧。
[0019]与现有发明相比，本发明具有以下两方面优势:
[0020]第一，采用氩气与纯氧的混合气作为助燃气体，既保持了合理的燃烧速度，又避免了现有发动机燃烧过程中氮氧化物的生成。发动机排气经过梯度冷却分离处理后重新通入进气管道进行循环，实现了船