内燃机尾气催化还原综合处理系统及运行方法与流程

本发明涉及一种内燃机尾气处理装置，尤其是涉及一种内燃机尾气催化还原综合处理系统及运行方法。

背景技术：

1、节能减排是内燃机最重要的目标。传统内燃机尾气治理净化措施，现有技术主要是在传统内燃机尾气排放系统中安装各种净化装置，采用物理的、化学的方法，部分减少尾气排放中的污染物；尾气再循环egr是控制和降低排放的有效措施之一，egr的循环率一般不超过20％，只能部分减少氮氧化合物的产生，而且需要设置中冷器给egr降温；将内燃机egr的循环率提高到79％，可以通过加21％纯氧实现，内燃机燃烧做功仅排放二氧化碳和水，并实现氮氧化合物零排放，但为了冷却高达79％的egr采用的中冷器将比传统egr中冷器体积重量大很多，不仅增加了制造维修成本，还额外增加了系统功率损耗，而且存在二氧化碳排放。二氧化碳是造成全球气候变暖的主要温室气体，但二氧化碳在工业、农业、化工等领域又具有广泛用途，还可以通过加氢生产甲醇甚至汽油等碳氢燃料，因此回收利用二氧化碳不仅可以减少温室气体排放实现碳达峰碳中和目标，还具有较高的经济价值。

2、已知的内燃机利用液氧进行二氧化碳捕捉固碳技术，存在的问题是对排出内燃机的全部尾气利用液氧进行二氧化碳液化处理需要消耗大量的液氧，同时将全部尾气冷却降温需要额外增加更大更重的中冷器，而且二氧化碳液化前不进行尾气除水，容易造成二氧化碳捕捉装置结冰堵塞。

3、传统内燃机在不同工况下，燃料燃烧有很大部分热能随尾气和冷却系统散发浪费掉了，其中尾气带走的热量约35～50％，冷却系统带走的热量约10～25％，造成传统内燃发动机的热效率不高，同时内燃发动机浪费的热量散发到大气中，导致大气热污染。目前内燃发动机散发浪费的热能利用的技术主要有涡轮增压、余热发电、余热制热和制冷等，但这些技术只利用了内燃发动机散发浪费的少部分热能。

4、已知将氢添加到碳氢燃料中混合燃烧，可提高混合气火焰传播速度和稀燃能力，从而提高燃烧热效率，但内燃机直接采用外供氢气，存在储存安全性和经济性的制约；燃料重整制氢是当今世界发展最为成熟的一类制氢技术，已知的内燃机的燃料重整基本上是利用尾气余热对重整器间壁式加热的蒸气重整，需要提供额外水源满足蒸气重整，而且重整后的合成气同样需要设置额外的中冷器进行冷却，同样增加了内燃机的体积重量制造维修成本及增加能耗。二氧化碳干重整技术已有广泛研究应用，但缺少在传统内燃机的研究应用。

5、面对日益严格的排放标准，目前传统内燃机面临被淘汰的风险，需要成本不高又简单易行的技术和装置进行改造以满足排放标准。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种内燃机尾气催化还原综合处理系统。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种内燃机尾气催化还原综合处理系统，包括尾气再循环处理系统、尾气通道、排气总管、进气总管和内燃机，所述内燃机连接ecu；

3、所述尾气再循环处理系统包括准空气混合，所述准空气混合器的进气口连接尾气通道的出气口，所述尾气通道的进气口连接排气总管的出气口，所述排气总管的进气口连接内燃机，所述准空气混合器的出气口连接进气总管进气口，所述进气总管的出气口连接内燃机；

4、所述尾气通道出气口处设有止回气挡板，所述尾气通道上设有第二传感器和尾气阀；所述准空气混合器上设有低温气体喷嘴、氧气喷嘴和液氧喷嘴，所述尾气阀、低温气体喷嘴、氧气喷嘴和液氧喷嘴、第二传感器分别连接ecu。

5、在本发明的一个较佳实施例中，所述尾气通道和所述准空气混合器之间还设有第一尾气催化还原装置，所述第一尾气催化还原装置连通尾气通道和所述准空气混合器，所述第一尾气催化还原装置内设有第一催化剂，且所述第一尾气催化还原装置上设有第一燃料喷嘴，所述第一燃烧喷嘴通过第一燃料管连接催化还原燃料箱；

6、所述准空气混合器进气口处设有第一传感器，所述第一传感器、第一燃烧喷嘴分别连接ecu。

7、在本发明的一个较佳实施例中，还包括尾气处理系统，所述尾气处理系统通过尾气阀连接所述尾气通道；

8、所述尾气处理系统包括气水分离器，所述气水分离器底端设有储水瓶，所述气水分离器通过第一连接通道与尾气阀连接，所述气水分离器还通过第二连接通道连接压缩机，所述压缩机连接ecu。

9、在本发明的一个较佳实施例中，所述压缩机连接二氧化碳液化器，所述二氧化碳液化器底端设有液化二氧化碳储罐，所述二氧化碳液化器通过管道连接准空气混合器上的液氧喷嘴，所述二氧化碳液化器通过液氧管连接液氧罐，所述液氧罐通过氧气管连接准空气混合器上的氧气喷嘴；所述二氧化碳液化器还通过低温气体管道连接准空气混合器上的低温气体喷嘴，且所述低温气体管道上还设有安全阀。

10、在本发明的一个较佳实施例中，所述压缩机连接液氧干冰转换器，所述液氧干冰转换器通过低温气体管道连接准空气混合器上的低温气体喷嘴，且所述低温气体管道上还设有安全阀；所述液氧干冰转换器上还设有第四传感器，所述第四传感器连接ecu。

11、在本发明的一个较佳实施例中，所述尾气处理系统还包括第二尾气催化还原装置，所述第二尾气催化还原装置设置在尾气阀和所述第一连接通道之间，所述第二尾气催化还原装置内设有第二催化剂，所述第二尾气催化还原装置上设有第三传感器，且所述第二尾气催化还原装置上设有第二燃料喷嘴，所述第二燃料喷嘴通过第二燃料管连接催化还原燃料箱，所述第二燃料喷嘴、第三传感器分别连接ecu。

12、在本发明的一个较佳实施例中，所述尾气阀连接排气管，所述氧气喷嘴通过氧气管连接液氧罐，所述液氧罐连接液氧喷嘴。

13、在本发明的一个较佳实施例中，传统内燃机通过进气总管、第一可控三通阀、淮空气混合器连接所述内燃机尾气催化还原综合处理系统；传统内燃机还通过排气总管、第二可控三通阀、尾气通道连接所述内燃机尾气催化还原综合处理系统。

14、在本发明的一个较佳实施例中，所述第一催化剂为蒸气重整催化剂或干重整催化剂或双重整复合、组合催化剂。

15、在本发明的一个较佳实施例中，所述第二催化剂为蒸气重整催化剂或干重整催化剂或双重整复合、组合催化剂。

16、本发明还公开了一种内燃机尾气催化还原综合处理系统及运行方法，内燃机燃烧做功后的由二氧化碳和水蒸气组成的高温尾气由排气总管进入尾气通道，其中大部分高温尾气由尾气通道再循环进入第一尾气催化还原装置中，ecu根据第一传感器和第二传感器检测的信息，控制第一燃料喷嘴将适量碳氢燃料喷入第一尾气催化还原装置内与所述大部分高温尾气混合，并在通过第一催化剂时，被部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体后进入准空气混合器内，同时由ecu控制所述氧气喷嘴将液氧罐中的低温氧气、或控制所述液氧喷嘴将所述液氧罐中的液氧，喷入准空气混合器中与混合气体混合成为已降温的富氢准空气；

17、当进入尾气通道内的尾气压力超过尾气阀设定的泄压值时，多余尾气经由尾气阀排入第二尾气催化还原装置，ecu根据第三传感器检测的信息，控制第二燃料喷嘴将适量碳氢燃料喷入所述第二尾气催化还原装置内与多余尾气混合，混合气体在通过第二催化剂时被部分催化还原为氢气和一氧化碳的再生燃料，组成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的混合气体后进入气水分离器内，混合气体中的水蒸气被液化后流入储水瓶；除去水分的混合气体再通过第二连接通道由压缩机压入二氧化碳液化器或液氧干冰转换器中，混合气体中的二氧化碳受压力和液氧的冷能双重作用被液化并储存至二氧化碳液化储罐或被液化至干冰沉入所述液氧干冰转换器底部中，二氧化碳液化器中未被液化的氢气和一氧化碳低温气体通过低温气体管道，由ecu控制低温气体喷嘴喷入准空气混合器内与富氢准空气混合；或所述液氧干冰转换器中未被液化的氧气、氢气和一氧化碳低温气体通过所述低温气体管道，由所述ecu控制所述低温气体喷嘴喷入所述准空气混合器内，与所述准空气混合器内的所述混合气体混合成为富氢准空气；混合后的富氢准空气通过进气总管再循环至内燃机内。

18、本发明的有益效果是：

19、1、充分利用了尾气的余热，尾气经部分催化还原生成的一氧化碳和氢气合成气相当于再生燃料，可节约燃料并有助于提高热效率；

20、2、尾气经强吸热的催化还原后的混合气体温度大幅度下降，再利用液氧的冷能混合热交换进一步降低温度，从不需要额外设置中冷器；

21、3、液氧热交换气化膨胀提高了内燃机进气通道的气压，将内燃机的吸气负压消耗功率变为进气正压做功，不仅不需要额外设置增压器系统，还有助于提高内燃机功率；

22、4、大部分尾气再循环条件下，大部分尾气反复再燃烧有助于大幅降低残留的一氧化碳、碳氢化合物和细微颗粒物，可节省燃料并提高热效率；

23、5、在尾气催化还原综合处理系统运行模式下，大部分尾气再循环催化还原以及多余尾气催化还原后再利用液氧的冷能将二氧化碳液化回收利用，未液化的低温气体的再循环组成内燃机的闭环运行，可实现尾气零排放；

24、6、由于采用独立的尾气催化还原综合处理系统通过第一可控进气三通阀和第二可控排气三通阀接入传统内燃机，可以快速切换传统内燃机常规运行模式或尾气催化还原综合处理系统运行模式，满足传统内燃机尤其是车载等移动式传统内燃机在不同环境需求下的运行。