CN217976361U - 一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及汽车行业技术领域，尤其是涉及一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统。本实用新型通过发动机缸内离子电流传感器和缸外多个传感器(第一氮氧化物传感器、第一温度传感器、第一氨气传感器、第二氮氧化物传感器、第二温度传感器以及第二氨气传感器)对污染物‑氮氧化物进行精确计量，通过NH3喷射系统对后处理装置进行精准的化学反应控制，以达到排放污染物高效还原的目的；通过缸内外各传感器对进入氨裂解器的氨气量进行控制，以达到缸内最优燃烧，从源头改善排气中污染物成分；通过EHC模块和ASC模块，在冷启动阶段提高了排气温度，可有效解决氨燃烧冷启动高氨高氮氧化物排放的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及汽车行业技术领域，尤其是涉及一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统。
背景技术
随着近百年来的工业快速发展，人类的生产力水平得到大幅提高，但随之产生的能源问题也受到人们的日益关注，包括对化石燃料穷竭的担忧以及二氧化碳排放所造成的温室效应对环境的负面影响。因此，近年来人们开始致力于开发使用碳中和燃料的技术，即使用可再生能源。氨气(NH3)作为一种无碳燃料，因为其富含氢元素(氢含量17.75％，质量分数)且液态NH3具有较高的能量密度11.5MJ/L，成为了潜在的可替代能源。NH3能够通过哈伯-博施法(Haber-Bosch)以氢气和氮气为原料进行大规模生产，因此NH3也是世界上生产量最大无机化学品之一，而且NH3还能通过可再生能源生产，如风能、太阳能、海水温差等。由于NH3在室温(25℃)下，只需1MPa压力即可液化，因此其运输存储成本显著低于氢气。由于NH3具有较高的辛烷值(>130)，其可以运用到较高的压缩比的发动机上，故将NH3这一新型碳中和燃料应用到内燃机上具有巨大潜力。
然而，NH3作为一种燃料面临着诸多挑战。首先是其较弱的反应活性，表现在火焰燃烧速度慢(5～13cm/s)、较窄的可燃区间(15.5～27.0％在空气中的体积比)、以及较高的着火温度(903K)。因此，NH3和其他燃烧促进剂的混合燃烧成为可能，比如NH3和氢气共同作为燃料进行燃烧。由于氨燃料燃烧产生的排气温度比较低，相对于原有的SCR催化还原需要提升低温的特性；二是氨基融合燃料燃烧产生的排放，NO和N2O排放相对要高很多，还存在未燃的NH3，所以与传统SCR的工作特性、温度区间、还原剂的选择性都有很大差异，特别需要开发针对NO、N2O和NH3三效合一的专门后处理系统。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，以实现该动力系统的低氮氧化物和氨气排放的目的。该系统针对氨气着火困难，氮氧化物排放较大和排气温度低等燃烧和排放特性，采用氨气裂解技术、离子电流检测技术和电加热催化还原技术，以实现低排放低能耗低成本的目标。
本实用新型从NH3的燃烧和排放特性出发，结合了先进离子电流检测技术，提出并设计了一种针对氨氢燃料混合动力系统的后处理系统，通过缸内离子电流传感系统和缸外多个传感器(第一氮氧化物传感器、第一温度传感器、第一氨气传感器、第二氮氧化物传感器、第二温度传感器以及第二氨气传感器)对污染物-氮氧化物进行精确计量，通过NH3喷射系统对后处理装置进行精准的化学反应控制，以达到排放污染物高效还原的目的；通过缸内外各传感器对进入氨裂解器的氨气量进行控制，以达到缸内最优燃烧，从源头改善排气中污染物成分；通过EHC模块和ASC模块，在冷启动阶段提高了排气温度，可有效解决氨燃烧冷启动高氨高氮氧化物排放的问题。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
本实用新型提供一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，包括发动机、氨气燃料罐、氨裂解器、电加热催化转化器(EHC)、选择性催化还原装置(SCR)和氨气氧化催化器(ASC)；
所述发动机设置有进气管和排气管；进气管连接外部空气，沿排气管气流排出的方向依次设置有电加热催化转化器、选择性催化还原装置和氨气氧化催化器；
所述氨气燃料罐设置有第一出气口和第二出气口，所述第一出气口连接氨裂解器并为其提供氨气，所述第二出气口与电加热催化转化器上游的排气管相连接以为选择性催化还原装置提供作为还原剂的氨气；
所述氨裂解器用于将氨气燃料罐提供的氨气转化为氨氢混合气(也即氨氢燃料)(反应方程式：2NH3→N2+3H2，体系中还存在未裂解的氨气)，并与进气管相连接为发动机提供氨氢燃料；
所述发动机用于将氨氢混合气燃烧，燃烧产生的产物混合气经排气管排出；所述产物混合气为氮气、水和氮氧化物(反应方程式：NH3+H2+O2+N2→N2+H2O+NOx)；所述NOx指一氧化氮、二氧化氮或一氧化二氮中的一种或几种；
所述电加热催化转化器用于提升发动机排气(冷启动排气)及氨气燃料罐提供氨气的温度，并对发动机排气及氨气燃料罐提供氨气的温度进行精确控制；所述发动机排气为经排气管排出的产物混合气；
所述选择性催化还原装置用于氮氧化物的还原(反应方程式：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O；4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O；8NH3+6NO2→7N2+12H2)；
所述氨气氧化催化器用于将氨气氧化催化为氮气和水以防止氨逃逸(反应方程式：4NH3+3O2→2N2+6H2O)。
在本实用新型的一个实施方式中，所述氨裂解器设置于电加热催化转化器上游，并套设于排气管外侧以接收发动机排气的热量。
在本实用新型的一个实施方式中，发动机设置有离子电流传感器；所述发动机的出口处的排气管设置有第一氮氧化物传感器。
在本实用新型的一个实施方式中，电加热催化转化器的入口设置有第一温度传感器，出口设置有第二温度传感器；
催化性选择还原装置入口设置有第一氨气传感器；
所述氨气氧化催化器出口设置有第二氮氧化物传感器和第二氨气传感器。
在本实用新型的一个实施方式中，所述基于氨氢燃料动力系统的污染排放处理系统设置有控制器。
在本实用新型的一个实施方式中，所述控制器与离子电流传感器、第一氮氧化物传感器、第一温度传感器、第一氨气传感器、第二氮氧化物传感器、第二温度传感器以及第二氨气传感器相连接。
在本实用新型的一个实施方式中，所述控制器与氨气燃料罐、氨裂解器、电加热催化转化器和氨气氧化催化器连接。
在本实用新型的一个实施方式中，所述控制器与氨气燃料罐、氨裂解器、电加热催化转化器和氨气氧化催化器电性连接。
在本实用新型的一个实施方式中，所述控制器与离子电流传感器电性连接，离子电流传感器及控制器组成了发动机缸内污染物检测(监测发动机缸内燃烧过程)与控制(通过进气管氨氢混合气的输入量进行反馈控制，进而控制燃烧过程以减少污染物的生成)系统；也即离子电流传感器通过监测发动机缸内氨氢混合气的燃烧情况并向控制器反馈，进而控制器控制氨裂解器为发动机提供的氨氢混合气用量；
所述控制器与第一氮氧化物传感器、第一温度传感器和第二温度传感器电性连接，所述第一氮氧化物传感器监测发动机排气中氮氧化物的浓度，并将该浓度反馈给控制器；所述第一温度传感器和第二温度传感器分别监测电加热催化转化器的进出口温度，并将该温度反馈给控制器，进而控制器控制电解热催化转化器的以达到一定温度(200℃以上)，然后经过计算(一定温度下，一定量的氮氧化物被还原时所需要的氨气是确定的)以控制氨气燃料罐为选择性还原装置提供的氨气的用量；
所述控制器与第一氨气传感器电性连接，所述第一氨气传感器监测选择性催化还原装置入口处氨气的浓度，并将该浓度反馈给控制器；所述控制器接收该浓度后判断氨气燃料罐提供的氨气是否充足，如果氨气不足则控制氨气燃料罐增加为选择性还原装置提供的氨气的用量；
所述控制器与第二氮氧化物传感器和第二氨气传感器电性连接，所述第二氮氧化物传感器监测氨气氧化催化器出口处氮氧化物的浓度，第二氨气传感器监测氨气氧化催化器出口处氨气的浓度，然后将上述浓度反馈给控制器，所述控制器接收上述浓度后判断氨气燃料罐提供的氨气是否充足，进而控制氨气燃料罐为选择性还原装置提供的氨气的用量(氮氧化物浓度高：氨气不充足，增大氨气燃料罐为选择性还原装置提供的氨气的用量；氨气浓度高：氮氧化物不充足，降低氨气燃料罐为选择性还原装置提供的氨气的用量)。
在本实用新型的一个实施方式中，所述基于氨氢燃料动力系统的污染排放处理系统设置有氢燃料电池；
所述氢燃料电池一端连接氨裂解器，用于接收氨裂解器提供的氢气(提升能源利用率)；
所述氢燃料电池另一端连接电加热催化转化器，用于为电加热催化转化器供电能。
在本实用新型的一个实施方式中，所述氨裂解器通过燃料喷嘴连接进气管。
在本实用新型的一个实施方式中，所述氨气燃料罐与排气管相连接的位置设置有氨气喷射喷嘴。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统也即一种缸内(发动机)-缸外(电解热催化转化器-选择性催化还原装置-氨气氧化催化器)协同控制的氨氢燃料污染物排放控制方法，缸内设置了离子电流传感器来对缸内燃烧过程进行监测，通过控制器控制氨氢混合气和空气的供应量从燃烧源头控制污染物(氮氧化物)生成。缸外污染物检测通过设置在后处理系统上的氨气传感器(第一氨气传感器和第二氨气传感器)，氮氧化物传感器(第一氮氧化物传感器和第二氮氧化物传感器)来对排气中的氮氧化物进行检测，并通过SCR和ASC模块减少污染物排放的目的。
(2)本实用新型的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统针对发动机冷启动排气温度较低的问题，增设电加热催化转化器来提高排气温度，进而最大程度实现氮氧化物的还原。
(3)本实用新型的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统利用氨裂解器得到的氢气为氢燃料电池提供氢气，进而利用氢燃料电池为电加热催化转化器提供电能，提升了能源利用率。
(4)本实用新型针对其独特的氨燃料还原属性，利用氨气燃料罐为SCR提供还原剂-氨气，也即氨气燃料罐的氨气为SCR的还原剂的直接来源，氨气通过专用的氨气喷射喷嘴喷射进入排气管，进而注入到SCR系统中。
附图说明
图1是本实用新型的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统整体示意图；
图中标号：1、发动机；2、氨气燃料罐；3、氨裂解器；4、氢燃料电池；5、电加热催化转化器；6、选择性催化还原装置；7、氨气氧化催化器；8、控制器；9、氨气喷射喷嘴；10、燃料喷嘴；11、离子电流传感器；12、第一氮氧化物传感器；13、第一温度传感器；14、第二温度传感器；15、第一氨气传感器；16、第二氮氧化物传感器；17、第二氨气传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
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。
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。
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。
实施例1
如图1所示，一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，包括发动机1、氨气燃料罐2、氢燃料电池4、氨裂解器3、电加热催化转化器5、选择性催化还原装置6、氨气氧化催化器7及控制器8；
发动机1设置有进气管和排气管；进气管与外界空气相通，沿排气管气流排出的方向依次设置有电加热催化转化器5、选择性催化还原装置6和氨气氧化催化器7；
氨气燃料罐2设置有第一出气口和第二出气口，所述第一出气口连接氨裂解器3并为其提供氨气，所述第二出气口通过氨气喷射喷嘴9与电加热催化转化器5上游的排气管相连接以为选择性催化还原装置6提供作为还原剂的氨气；
氨裂解器3设置于电加热催化转化器5上游，并套设于排气管外侧以接收发动机1排气的热量；将氨氢燃料罐提供的氨气转化为氨氢混合气，并通过燃料喷嘴10与进气管相连接为发动机1提供氨氢混合气；
氢燃料电池4连接电加热催化转化器5为其提供电能；
发动机1缸内设置有离子电流传感器11，出口处的排气管设置有第一氮氧化物传感器12；电加热催化转化器5的入口设置有第一温度传感器13，出口设置有第二温度传感器14；催化性选择还原装置入口设置有第一氨气传感器15；所述氨气氧化催化器7出口设置有第二氮氧化物传感器16和第二氨气传感器17；
控制器8分别与离子电流传感器11、第一氮氧化物传感器12、第一温度传感器13、第二温度传感器14、第一氨气传感器15、第二氮氧化物传感器16和第二氨气传感器17，以及，氨气燃料罐2、氨裂解器3、电加热催化转化器5和氨气氧化催化器7电性连接。
工作过程中，氨气燃料罐2为氨裂解器3提供氨气，氨气在氨裂解器3中被裂解为氮气和氢气，由于裂解率不可能达到百分之百，因此存在部分氨气未被裂解，氨气、氢气以及氮气的组合(氨氢混合气)经由燃料喷嘴进入发动机1的进气管，进而进入缸内进行燃烧，燃烧过程中发动机1缸内的离子电流传感器11检测缸内燃烧过程并反馈给控制器8，控制器8进而控制氨裂解器3为发动机1提供的氨氢混合气的量进而减少缸内氮氧化物的生成；燃烧过程产生的产物混合气经排气管排出(产物混合气中氮氧化物浓度经由第一氮氧化物传感器12反馈给控制器8)，并为氨裂解器3提供热量(产物混合气排出时携带的热量)以供应氨裂解器3中氨气裂解所需要的热量；
产物混合气和氨气燃料罐2通过氨气喷射喷嘴9喷出的氨气经过电加热催化转化器5时，其温度被第一温度传感器13检测并反馈给控制器8，控制器8控制电加热催化转化器5加热(氨裂解器3并为氢燃料电池4供应氢气；氢燃料电池4为电加热催化转化器5提供电能)直至温度达到200℃以上，并通过第二温度传感器14监测电加热催化转化器5出口温度判断温度是否达标，此时第一氨气传感器15将选择性催化还原装置6进口处氨气浓度反馈给控制器8；控制器8结合第二温度传感器14、第一氮氧化物传感器12、第一氨气传感器15的反馈数据，进行计算并控制(增加或减少)氨气燃料罐2为选择性催化还原装置6提供适量的氨气作为还原剂；氮氧化物和氨气进入选择性催化还原装置6后得到的还原混合气进入氨气氧化催化器7中进行氨气的氧化催化，得到氮气和水(副产物为微量氮氧化物；存在微量氨气未充分催化氧化)后排出；第二氮氧化物传感器16监测氨气氧化催化器7出口处氮氧化物的浓度，第二氨气传感器17监测氨气氧化催化器7出口处氨气的浓度，然后将上述浓度反馈给控制器8，控制器8接收上述浓度后判断氨气燃料罐2提供的氨气是否充足，进而控制氨气燃料罐2为选择性还原装置提供的氨气的用量(氮氧化物浓度高：氨气不充足，增大氨气燃料罐2为选择性还原装置提供的氨气的用量；氨气浓度高：氮氧化物不充足，降低氨气燃料罐2为选择性还原装置提供的氨气的用量)。
具体反应方程式如下：
氨裂解器3将氨氢燃料罐提供的氨气转化为氨氢混合气(部分未裂解氨气、氢气和氮气)：2NH3→N2+3H2；
发动机1将氨氢混合气燃烧，燃烧产生的产物混合气经排气管排出；所述产物混合气为氮气、水和氮氧化物(反应方程式：NH3+H2+O2+N2→N2+H2O+NOx)；所述NOx指一氧化氮、二氧化氮或一氧化二氮中的一种或几种；
选择性催化还原装置6将氮氧化物还原(反应方程式：4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O；4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O；8NH3+6NO2→7N2+12H2)；
氨气氧化催化器7用于将氨气氧化催化为氮气和水以防止氨逃逸(反应方程式：4NH3+3O2→2N2+6H2O)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，包括发动机、氨气燃料罐、氨裂解器、电加热催化转化器、选择性催化还原装置和氨气氧化催化器；
所述发动机设置有进气管和排气管；沿排气管气流排出的方向依次设置有电加热催化转化器、选择性催化还原装置和氨气氧化催化器；
所述氨气燃料罐设置有第一出气口和第二出气口，所述第一出气口连接氨裂解器并为其提供氨气，所述第二出气口与电加热催化转化器上游的排气管相连接以为选择性催化还原装置提供作为还原剂的氨气；
所述氨裂解器用于将氨氢燃料罐提供的氨气转化为氨氢混合气，并与进气管相连接为发动机提供氨氢混合气；
所述发动机用于将氨氢混合气燃烧，燃烧产生的产物混合气经排气管排出；所述产物混合气为氮气、水和氮氧化物；
所述电加热催化转化器用于提升发动机排气及氨气燃料罐提供氨气的温度，并对发动机排气及氨气燃料罐提供氨气的温度进行精确控制；所述发动机排气为经排气管排出的产物混合气；
所述选择性催化还原装置用于氮氧化物的还原；
所述氨气氧化催化器用于将氨气氧化催化为氮气和水以防止氨逃逸。
2.根据权利要求1所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，所述氨裂解器设置于电加热催化转化器上游，并套设于排气管外侧以接收发动机排气的热量。
3.根据权利要求2所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，发动机设置有离子电流传感器；所述发动机的出口处的排气管设置有第一氮氧化物传感器。
4.根据权利要求3所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，电加热催化转化器的入口设置有第一温度传感器，出口设置有第二温度传感器；
催化性选择还原装置入口设置有第一氨气传感器；
所述氨气氧化催化器出口设置有第二氮氧化物传感器和第二氨气传感器。
5.根据权利要求4所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，所述基于氨氢燃料动力系统的污染排放处理系统设置有控制器。
6.根据权利要求5所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，所述控制器与离子电流传感器、第一氮氧化物传感器、第一温度传感器、第一氨气传感器、第二氮氧化物传感器、第二温度传感器以及第二氨气传感器相连接。
7.根据权利要求5所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，所述控制器与氨气燃料罐、氨裂解器、电加热催化转化器和氨气氧化催化器连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，所述基于氨氢燃料动力系统的污染排放处理系统设置有氢燃料电池；
所述氢燃料电池一端连接氨裂解器，用于接收氨裂解器提供的氢气；
所述氢燃料电池另一端连接电加热催化转化器，用于为电加热催化转化器供电能。
9.根据权利要求1所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，所述氨裂解器通过燃料喷嘴连接进气管。
10.根据权利要求1所述的一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统，其特征在于，所述氨气燃料罐与排气管相连接的位置设置有氨气喷射喷嘴。
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|---|---|---|---|
| CN202221788011.7U CN217976361U (zh) | 2022-07-12 | 2022-07-12 | 一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115111031A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-09-27 | 同济大学 | 一种基于氨氢燃料动力系统的污染物排放处理系统 |
| CN118462360A (zh) * | 2024-04-24 | 2024-08-09 | 哈尔滨工程大学 | 一种船舶氨燃料发动机一体化处理装置及处理方法 |
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2022
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