用于制备待在锅炉中燃烧的气态氨基燃料的布置和其方法与流程

本发明涉及用于制备待在锅炉中燃烧的气态氨基燃料的布置。本发明还涉及用于制备待在锅炉中燃烧的气态氨基燃料的方法。

背景技术：

1、由油或气提供功率的海运发动机在本领域中是众所周知的。用于海运蒸汽生产的燃油和燃气锅炉在本领域中也是众所周知的。通常，用于锅炉操作的燃料与所选择用于海运发动机操作的燃料相关地进行选择。因此，如果海运发动机由油提供功率，则锅炉通常也由油提供功率。然而，海运发动机和锅炉可由不同的燃料提供功率。

2、关于现今大多数海运发动机的一个缺陷是海运空气污染，尤其是二氧化碳(co2)，其在提供推进功率时从海运发动机中排放。大体上认可，鉴于环境方面，必须减少co2排放以及其它温室气体排放。作为解决方案，备选燃料在海运产业中得到关注(traction)。这包括比如生物燃料、甲醇、氢、氨和液化天然气(lng)的燃料。然而，通过引入备选燃料，可能出现其它问题，例如，存储备选燃料的可能性。可能出现的另外的问题是点燃备选燃料以及使点燃的备选燃料保持为稳定焚烧火焰的可能性。

3、为试图解决该问题的一些部分，文献jp2020183854 a公开一种使用氨作为主燃料的热力发动机，其中，液氨在供应到发动机之前在汽化器中汽化。它进一步公开从汽化器生成的冷量由冷却介质供应到冷却器以允许外部制冷和冷却。

4、然而，如下文将解释的，现有技术没有公开一种充分解决改进备选燃料的可燃性以及使点燃的备选燃料保持为稳定焚烧火焰的成组设计准则的环境友好的海运布置，且尤其，现有技术没有公开当它涉及到满足所述成组设计准则时如何提供可随着时间以便利的方式使用的总体布置。

技术实现思路

1、本公开内容的目标是提供一种充分解决改进备选燃料的可燃性以及使点燃的备选燃料保持为稳定焚烧火焰的成组设计准则的环境友好的海运布置。

2、该目标通过一种用于制备待燃烧的、优选地在锅炉系统的炉或焚烧器中燃烧的气态氨基燃料的布置来实现，该布置包括：

3、氨燃料供应系统，该氨燃料供应系统包括：

4、汽化器，该汽化器构造成由第一加热介质使液氨汽化为气态氨，氨加热器，该氨加热器布置在汽化器之后，且构造成从汽化器接收气态氨并由第二加热介质或由电加热器预热气态氨，以及

5、混合器，该混合器布置在氨燃料供应系统之后，且构造成在使气态氨基燃料供应到锅炉系统(130)之前，从氨燃料供应系统接收所预热的气态氨，从空气供应系统接收空气，以及混合所预热的气态氨和空气，并从而提供气态氨基燃料。

6、用语“气态氨基燃料”在本文中意指包括氨的气态燃料。气态氨基燃料可仅包括气态氨。气态氨基燃料还可包括其它气态燃料。气态氨基燃料还可包括空气。因此，气态氨基燃料是其中气态燃料的至少一部分为气态氨的气态燃料。气态氨基燃料中包括的氨的量可取决于其中将燃烧气态氨基燃料的锅炉。

7、利用此类设计，便于在锅炉系统中提供气态氨基燃料的高效燃烧，并从而便于使用更环境友好的燃料来用于在锅炉系统的炉或焚烧器中燃烧。优选地，氨作为液氨存储，因为液氨与气态氨相比占用较少的空间，并从而需要较少的存储空间。因为锅炉系统的炉或焚烧器设计成燃烧呈气态形式的氨基燃料，液氨在供应到锅炉之前必须转化为气态氨。从液氨到气态氨的该转化由本公开内容的汽化器提供。通过使汽化器引入到布置，实现使氨作为液氨存储且在供应到锅炉之前使氨转化为气态氨的可能性。优选地，汽化器是构造成汽化液氨的热交换器。热交换器可为例如板式热交换器或壳管式热交换器。汽化器可为构造成汽化液氨的锅炉。优选地，汽化器以能够处理液氨和气态氨的耐腐蚀材料设计。

8、点燃氨并使氨保持为稳定焚烧火焰的可能性对于锅炉来说是关键的参数，因为锅炉的功率输出将几乎与氨的热值和火焰速度两者成比例。热值是指氨中的能量含量，且这不能改变。因此，液氨和气态氨两者具有18.6mj/kg的相同热值。火焰速度描述火焰将通过未焚烧的反应物的静态、均匀的混合物传播所处的速度。因此，基本上，它是描述某一燃料可焚烧多快的数量。可改进火焰速度。因此，即使氨和空气的混合物具有较低的热值，如果火焰速度增加，则锅炉的功率输出仍可增加。液氨在科学来源中典型地被说是具有0.010-0.020m/s的火焰速度，且最佳估计通常被说是约0.014-0.016m/s。气态氨在科学来源中典型地被说是具有0.03-0.13m/s的火焰速度，且最佳估计通常被说是约0.07-0.09m/s。实际值取决于实际情况来变化，且不同的科学来源可能因此指示不同的值。然而，不管特定的值，通过使液氨汽化为气态氨，火焰速度增加。该增加从大致0.015m/s至大致0.08m/s。此外，火焰速度可随着气态氨的温度增加来进一步增加。因此，汽化器是有利的，因为氨可作为液氨存储，而且还改进氨的火焰速度。

9、通过在汽化器之后引入氨加热器，可进一步增加气态氨的温度，并从而还增加气态氨的火焰速度。优选地，氨加热器是构造成预热气态氨的高温加热源。气态氨具有越高的温度，气态氨将具有越高的火焰速度。通过增加气态氨的温度并从而还增加气态氨的火焰速度，其中氨变得可燃的火焰点燃范围也可增加。通过增加氨的火焰点燃范围，可改进气态氨的可燃性。通过增加和改进气态氨的可燃性，可提供用于在锅炉中更快地焚烧更多氨的手段。

10、因此，利用所公开的设计(其中汽化器构造成汽化液氨且氨加热器构造成预热所汽化的氨)，氨的火焰速度和火焰点燃范围可增加。从而，氨的可燃性增强被增加和改进。因此，实现在锅炉中燃烧的更高效和可燃的燃料。

11、在该上下文中可注意，用语“之后”可意指但未必需要意指氨加热器在物理上定位于汽化器之后。之后主要意在指如沿着氨的流径所看到的位置。如沿着氨流所看到的，氨加热器定位于汽化器之后，因为供应到氨加热器的氨是已经通过汽化器的气态氨。如果氨加热器是与汽化器在物理上分离的模块，则氨加热器可例如与汽化器并排地定位。

12、有利的是，首先使液氨汽化为气态氨，且此后在从汽化器接收气态氨的氨加热器中加热气态氨。汽化涉及设置相当大量的能量来使氨从液体形式转变至气态形式，但供应该能量的加热介质未必必须是高温介质；它稍微高于关于氨的汽化温度或备选地稍微高于来自汽化器的气态氨的期望输出温度就基本上足够。涉及汽化的优选实施例在下文呈现。在另一方面，气态氨在氨加热器中的预热不涉及相变，且由第二加热介质提供的热量将大部分地直接用于气态氨的温度上的升高。因此，与汽化步骤中相比，加热介质上足够高的温度更重要。在汽化中分别地在预热中的氨的大体物理行为上的这些差异使得更高效地以两个不同步骤执行步骤，使得可考虑每个此类步骤的情况来优化每个步骤。这还使得使用电加热器作为氨加热器是有用的，因为电加热器可设计成快速提供高温并从而在启动程序期间和/或在连续操作期间加热气态氨。

13、优选地，气态氨经由出口气态氨供应线从氨燃料供应系统供应到混合器。优选地，空气经由出口空气供应线从空气供应系统供应到混合器。从而，气态氨和空气单独地供应到混合器，且在混合器中混合在一起。这是有利的，因为它便于单独地控制气态氨和空气的供应。因此，便于例如单独地控制气态氨的流，分别地控制空气流。从而，有可能提供分别地包括期望量的气态氨和空气的气态氨基燃料。

14、利用其中气态氨在混合物供应到锅炉之前与空气混合的此类设计，保证可燃混合物在混合物进入锅炉的炉时立即可用。因此，实现将在锅炉的炉中燃烧的更高效和可燃的燃料。

15、此外，可通过在布置于混合器之后的供给管中具有足够高的流速来保证防止回火。可燃混合物的流速应高于在当前条件下的最高火焰速度。在该公开内容中论述的条件下，考虑到流速应高于0.08m/s。然而，可注意，如果例如温度增加，则火焰速度增加，且因此系统应设计成使得流速仍保持高于火焰速度。

16、然而应注意，如果锅炉系统需要除了由混合器从空气供应系统接收的空气之外的额外空气，则额外空气可添加到锅炉系统而不经由混合器供应。因此，额外空气可直接供应到锅炉系统。额外空气可由锅炉系统从空气供应系统或从存在于布置中的任何另外的空气供应系统接收。因此，有可能使从空气供应系统供应的空气的部分绕过混合器。空气供应系统可包括空气加热器，该空气加热器布置在混合器之前，且构造成由第二加热介质或由第三加热介质(优选地由第二加热介质)或者由电加热器预热空气并使预热的空气供应到混合器。

17、空气可为来自外部的环境空气，或者来自空气系统和/或锅炉定位于其中的内部室(诸如，例如陆基产业设施的发动机室或海运容器的发动机室)的环境空气。空气加热器基本上构造成在使预热的空气供应到混合器之前预热空气至实际尽可能高的温度。优选地，空气加热器是构造成预热空气的高温加热源。

18、利用其中预热气态氨和空气两者的此类设计，便于设置强大且稳定的火焰。因此，气态氨基燃料具有越高的温度，气态氨基燃料将具有越高的火焰速度。通过增加气态氨基燃料的温度并从而增加气态氨基燃料的火焰速度，指示气态氨基燃料中的气态氨的量的火焰点燃范围(在该范围内气态氨基燃料变得可燃)也可增加。通过增加气态氨基燃料的火焰点燃范围，可改进气态氨基燃料的可燃性。通过增加和改进气态氨基燃料的可燃性，可提供用于在锅炉中更快地焚烧更多燃料的手段。

19、如果气态氨基燃料具有25℃的温度，则气态氨基燃料的16-28％的火焰点燃范围是可燃的。如果气态氨基燃料具有300℃的温度，则气态氨基燃料的13-34％的火焰点燃范围是可燃的。如果气态氨基燃料具有400℃的温度，则气态氨基燃料的11-37％的火焰点燃范围是可燃的。

20、通过单独地预热气态氨和空气且此后混合所预热的氨和所预热的空气，提供具有灵活布置的设置。因此，有可能单独地调整气态氨基燃料中的气态氨和空气的量。进一步有可能单独地调整气态氨和空气的温度。举例来说，有可能制备气态氨基燃料，使得锅炉可能够在5-25％的燃烧空气剩余下操作。

21、这可为进一步有利的，因为气流可为气态氨气流的大致约四至五倍高(基于摩尔流量)，因此保证在总体的燃烧过程中更多可用的加热的空气。

22、在该上下文中可注意，用语“之前”可意指但未必需要意指空气加热器在物理上定位于混合器之前。之前主要意在指如沿着空气的流径所看到的位置。如沿着空气流所看到的，空气加热器定位于混合器之前，因为供应到混合器的空气是已经通过空气加热器的空气。如果空气加热器是与混合器在物理上分离的模块，则空气加热器可例如与混合器并排地定位。

23、汽化器可构造成使液氨汽化为气态氨至在-33℃与+50℃之间的汽化器输出温度。

24、汽化器输出温度取决于液氨的温度以及第一加热介质的温度。优选地，第一加热介质的温度可取决于期望的汽化器输出温度来变化。优选地，液氨在供应到汽化器时可具有稍微低于-33℃的温度。在正常的大气压力下，氨的沸点为-33℃，且因为氨以液态存储，液氨的温度应稍微低于-33℃。备选地，或作为补充，液氨可在压力下存储。汽化器的温度要求可为相对适中的，因为当氨的温度高于沸点-33℃时液氨将汽化。由适中的要求在本文中意指，不必使用具有非常高温度的加热介质，因为氨具有相当低的沸点。因此，对加热介质的要求是，加热介质应能够使热量传递到液氨，使得液氨将汽化。然而，取决于可用种类的第一加热介质，在一定程度上升高已经在汽化器中的氨的温度可为有用的。如上文提到的，汽化器输出温度优选地在-33℃与+50℃之间。

25、第一加热介质从由海水、来自发动机的冷却水、来自空气调节系统的制冷剂以及来自加热器和/或锅炉的热流体所构成的组中选择。

26、第一加热介质可具有实际尽可能高的温度，使得汽化的氨可具有实际尽可能高的温度。然而，如上文所述，第一加热介质应具有使得液氨将汽化的温度。因此，海水、来自发动机的冷却水、来自空气调节系统的制冷剂或来自加热器和/或锅炉的热流体作为加热介质可刚好，因为第一加热介质的温度只需高于氨的沸点(但优选地更高)。在该上下文中可注意，来自加热器和/或锅炉的热流体典型地是指来自加热器或锅炉的废热通过其传递到氨的热流体。例如可以是，来自加热器或锅炉的热流体首先传递到主要使用者，且此后在热流体返回到加热器或锅炉来加热以再次用于主要目的之前，热流体传递到汽化器，使得仍存在于热流体中的任何热量用来汽化氨。因此，汽化器可为液体对液体类型、气体对气体类型或者液体对气体类型。选择哪种类型的汽化器典型地取决于哪种给出最佳的技术经济性能，既虑及布置本身，且还虑及邻近系统；尤其是产业设施或海运容器的供应加热介质的邻近系统。

27、在布置定位于海洋处(例如定位于船舶上)或定位于海洋的附近使得海水容易作为第一加热介质供应到布置的情况下，第一加热介质可为海水。第一加热介质可为来自发动机的冷却水或来自空气调节系统的制冷剂。第一介质可为来自加热器和/或锅炉的热流体。在此类情况下，发动机或空气调节系统应优选地布置在该布置的附近，使得冷却水或制冷剂容易供应到该布置。这是有利的，因为不需要为了能够汽化液氨而使额外的介质供应到布置或供应到布置的附近。

28、氨加热器可构造成预热气态氨至在100℃与300℃之间的氨加热器输出温度。

29、氨加热器输出温度取决于气态氨的温度和第二加热介质的温度。优选地，第二加热介质的温度可取决于期望的氨加热器输出温度来变化。考虑到，高于300℃的氨加热器输出温度开始对第二加热介质的温度和流量设定要求，其可能使布置产生相反效果，因为与锅炉功能中实现的优点相比，使氨加热器输出温度增加到高于300℃的额外努力变得太麻烦。

30、第二加热介质从由蒸汽、热流体或排气所构成的组中选择。

31、优选地，第二加热介质具有实际尽可能高的温度，使得预热的气态氨将具有实际尽可能高的温度。蒸汽可源自锅炉节约装置(economizer)。排气可为源自主发动机和/或辅助发动机的排气。优选地，第二加热介质具有在100℃与400℃之间的温度。氨加热器构造成引导蒸汽、排气或热流体，使得热量传递到气态氨。因此，氨加热器可为气体/气体加热器类型、流体/气体加热器类型或者蒸汽/气体加热器类型。

32、优选地，锅炉节约装置、主发动机或辅助发动机应包括于该布置中或布置在该布置的附近。这是有利的，因为不需要为了能够预热气态氨而使额外的介质供应到布置或供应到布置的附近。

33、空气加热器可构造成预热空气至在100℃与400℃之间的空气加热器输出温度。

34、空气加热器输出温度取决于空气的温度和第二加热介质或第三加热介质的温度。优选地，第二加热介质或第三加热介质的温度可取决于期望的空气加热器输出温度来变化。

35、优选地，预热的气态氨和预热的空气应预热至类似的温度。这是有利的，因为如果相应气体的温度类似，则气态氨和空气的混合可更高效。因此，可实现改进的混合过程。如果温度差异小于50℃，则温度被考虑是类似的。

36、第三加热介质可从由蒸汽、热流体或排气所构成的组中选择。

37、优选地，第三加热介质具有实际尽可能高的温度，使得预热的气态氨将具有实际尽可能高的温度。蒸汽可源自锅炉节约装置。排气可为源自主发动机和/或辅助发动机的直接排气。优选地，第三加热介质具有在100℃与400℃之间的温度。氨加热器构造成引导蒸汽、排气或热流体，使得热量传递到气态氨。因此，氨加热器可为气体/气体加热器类型、流体/气体加热器类型或者蒸汽/气体加热器类型。

38、优选地，锅炉节约装置、主发动机或辅助发动机应包括于该布置中或布置在该布置的附近。这是有利的，因为不需要为了能够预热气态氨而使额外的介质供应到布置或供应到布置的附近。虽然第二加热介质和第三加热介质可从由相同种类的加热介质所构成的组中选择，但可选择不同的加热介质作为第二加热介质，分别地作为第三加热介质。然而，可选择相同的加热介质作为第二加热介质和第三加热介质两者。

39、氨燃料供应系统可进一步包括气体阀系，该气体阀系布置在汽化器之后且构造成控制待供应到锅炉系统的炉或焚烧器的气态氨的流。

40、利用此类设计，便于控制气态氨的流。气体阀系可布置在氨加热器之前或氨加热器之后。因此，气体阀系可构造成控制气态氨的流或预热的气态氨的流。

41、布置可进一步包括锅炉系统，该锅炉系统构造成接收和燃烧气态氨基燃料来产生蒸汽、产生热量、加热水和/或加热热流体。

42、上文提到的目标还根据一种用于制备待燃烧的、优选地在锅炉系统的炉或焚烧器中燃烧的气态氨基燃料的方法来实现，该方法包括：使液氨供应到汽化器、在汽化器中由第一加热介质使液氨汽化为气态氨、使气态氨从汽化器供应到氨加热器，以及在氨加热器中由第二加热介质预热气态氨。

43、方法可进一步包括在混合器中混合所预热的气态氨和空气，并从而提供气态氨基燃料。

44、方法可进一步包括在使预热的空气供应到混合器之前由第二加热介质或第三加热介质(优选为第二加热介质)或者由电加热器在空气加热器中预热空气。

45、方法可进一步包括通过在锅炉系统的炉或焚烧器中燃烧气态氨基燃料来在锅炉系统中产生蒸汽、产生热量、加热水和/或加热热流体。

46、与布置相关的上文提到的另外的不同优选实施例同样适用于方法。

47、布置优选地放置在诸如船舶的海运容器上。方法优选地在诸如船舶的海运容器上执行。然而，可注意，布置和方法都不限于在船舶上使用。例如，除了船舶之外，在其它海运应用中情况可能是这样。它可例如为平台，诸如，用于为了油或气进行钻探的种类的平台。布置和方法对于陆基应用也可为有用的。

48、大体上，权利要求中使用的所有的用语要根据它们在技术领域中的普通含义来阐释，除非本文中另外明确地限定。对“一个/一种/该[元件、装置、构件、手段、步骤等]”的所有的引用要开放地阐释为指所述元件、装置、构件、手段、步骤等的至少一个实例，除非另外明确地声明。本文中公开的任何方法的步骤并非必须以所公开的精确顺序执行，除非明确地声明。