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

摘要

本发明公开了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，包括以下步骤：天然气、氧气经过海水预热器并和氩气进入混合调压配气装置后输送到发动机的燃烧室燃烧，发动机的燃烧室排气经过余热回收装置和海水预冷器回收余热；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，然后除去氮硫；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、二氧化碳冷却分离装置，排气中剩余的气体为以氩气为主的气体，进入混合调压配气装置。本方法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。

说明书

技术领域

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

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 NaturalGas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。

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℃，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。

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。

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。

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。

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N₂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。

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 温泵、燃料调温换热器、发动机冷却水槽、水泵和燃料机，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、低温泵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、水泵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。

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泵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℃的常温天然气；冷却后的CO₂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CO₂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。

《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。

《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

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。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

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：

(1)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；

(2)天然气、氧气经过海水预热器换热温度达到5-10℃；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℃；

(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；

(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。

与现有发明相比，本发明具有以下两方面优势：

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，实现了船舶发动机有害气体零排放。

第二，氩气的等熵指数高于氮气，按照氧气体积分数不变的方式，采用氩气替代氮气参 与发动机缸内燃烧过程，可以使发动机理论等容加热循环效率提高10％以上。同时整个方案 为船舶提供了足量的、各温度品位的热源，使得船舶在空调、冷库、水加热器、蒸汽发生器 等基本装置上的电能消耗大大减少，虽然纯氧制备过程需要消耗一定量的电能，但综合考虑 船舶的动力系统和热力系统，经计算，可以使发动机的用于推进器以外输出功从现有的12％ 降低至4％，实现了船舶运行过程中的节能。

第三，船舶LNG储罐中LNG温度为-162℃，在燃烧前首先需要升温汽化至常温，汽化 过程中LNG的冷能可以用来分离空气制纯氧。现有的工业深冷法空气分离装置利用蒸汽压缩 制冷的方式实现冷却，且同时分离产生液氮和液氧；利用LNG的冷能可以代替部分蒸汽压缩 制冷过程，减少蒸汽压缩制冷过程中消耗的电能，此外，可以略去生产液氮的装置，仅保留 生产液氧的装置，在原有的工业深冷法空气分离原理的基础上简化了装置，降低了能耗。每 1kgLNG汽化后需要4kg氧气与之反应，按照这样的比例关系利用LNG冷能制氧，耗电量为 0.43kW·h/kgO₂，与现有工业制氧能耗0.49kW·h/kgO₂相比，节能12％。同时，液氧在进入 发动机参与燃烧反应前需要升温汽化，这部分冷能将在冷却分离排气中的水蒸气和二氧化碳 的过程中得到利用。

附图说明

图1是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的流程图；

图2是本发明的发动机排气循环过程中排气的处理流程图；

图3是发动机电子控制系统逻辑图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

如附图所示的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：

(1)液化天然气从液化天然气储罐12中流出，经换热汽化为天然气；

(2)天然气、氧气经过海水预热器13换热温度达到5-10℃；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14的天然气管道进入混合调压配气装置15，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16的氧气管道进入混合调压配气装置 15，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15中成为助燃气体，天然气和 助燃气体(氩气与氧气组成)以1:9.45～1:9.65的体积比在混合调压配气装置15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11和海水预冷器9回收余热并将排气冷却至5-10℃；

优选的在本步骤中助燃气体和天然气在混合调压配气装置15中的体积比的控制方法为： 发动机电子控制单元接收氧浓度传感器输出的发动机排气中的氧浓度信号并与设定的排气氧 浓度最大允许值比较，当排气中氧气浓度低于设定值(建议氧气在排气中的体积百分比小于 1％)时，发动机电子控制单元ECU输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀 14，控制天然气和氧气的进气量，使天然气与助燃气体体积比为1:9.45～1:9.65；当排气中氧 气浓度高于设定值时，发动机电子控制单元ECU输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然 气流量控制阀14，以控制天然气和氧气的进气量，在接下来的1秒内减少氧气供给量，使天 然气与助燃气体体积比为1:9.35～1:9.55，之后发动机电子控制单元ECU输出控制信号给氧气 流量控制阀16和天然气流量控制阀14，使天然气与助燃气体体积比为1:9.45～1:9.65；这样的 优点是:1.助燃气体中的氧气含量基本与空气中氧气含量一致，与天然气按照给定的比例混合 后，混合气的等熵指数约为1.53，高于空气与天然气按照相同比例混合后的等熵指数1.40， 可以提升发动机热效率；2.在给定的气体比例关系下，发动机缸内进行贫燃料燃烧，可以使 天然气燃烧迅速而充分；3.根据排气总管中氧浓度传感器检测的氧浓度值，当排气中的氧浓 度值高于正常值(建议氧气在排气中的体积百分比小于1％)时，ECU发出信号，调节天然 气流量控制阀14，在短暂的时间内(理论上只需要持续几个发动机工作循环，大约几十毫秒， 但是考虑到阀门开关的滞后和惯性，将时间设定在1s以内)增大天然气供给量，之后调节控 制天然气流量的阀恢复原来的气体供给流量，在这段短暂的时间内，发动机进行富燃料燃烧， 消耗多余的氧气，使排气中的氧浓度恢复较低水平。

(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7处进入旁通通道，然后在氮氧化物、硫氧化物去除装置10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ECU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7处 的电磁阀,当排气流量大于设定值(如:发动机输出功率占发动机额定功率75％时的排气流量 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；增加旁通通道是为了在不增加排气阻力的前提下除掉尾气中的 氮氧化物和硫氧化物。

(4)经过除氮硫处理的排气从旁通通道下游支点8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4，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5，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15，与新鲜的氧气以及天然气混合，再次进入发动机19 的燃烧室参与燃烧。

所述的步骤(1)中液化天然气与空分装置中的主换热器2换热升温，液化天然气中的冷能 用于冷却进入空气分离装置的空气，以分离出氧气，以液氧形式储存于液氧储罐3。所述的 空分装置是已有的设备，采用本方法仅改变了空分装置中的主换热器的换热工质，利用LNG 冷却主换热器内的工质。

所述的步骤(1)中氧气的制备过程为：空气经过空分装置分离出液氧，所述的液氧进入 液氧储罐3中储存，液氧从液氧储罐3中流出，经过水冷却分离装置4和二氧化碳冷却分离 装置5时与发动机排出的废气换热，液氧的冷能得到利用，液氧汽化为氧气进入氧气储罐17， 氧气从中流出至海水预热器13换热。

优选的，排气梯度冷却分离过程中，在水冷却分离装置4中产生的水为燃烧产物，杂质 极少，经过酸碱调节等化学处理后，做为船舶上的生活用水。在二氧化碳冷却分离装置中产 生的液态二氧化碳，根据船舶上冷库制冷量的需要，取部分继续冷却压缩制成干冰用于冷库 制冷，其余的液态二氧化碳可以储存于储罐内用于压舱或者与海水换热后成为二氧化碳气体 排入大气。

如图1所示，空气首先进入空气分离装置1，液氧从空气分离装置1流出，进入液氧储 罐3中储存；LNG从LNG储罐12中流出，经过空分装置主换热器2时，用低温的LNG冷 却需要分离的空气，节约分离空气制氧过程中的电能消耗，实现空气中氮氧分离，并将产生 的液氧存于液氧储罐，将无用的氮气排入大气。

LNG汽化为天然气进入海水预热器13；液氧从液氧储罐3中流出，经过水冷却分离装置 4和二氧化碳冷却分离装置5时冷能得到利用，汽化为氧气进入氧气储罐17，氧气从中流出 至海水预热器13；天然气、氧气在海水预热器13中加热后，和发动机排气经过排气梯度冷 却分离的气体产物——氩气共同进入混合调压配气装置15，形成一定比例的常压混合气，进 入船舶发动机19中燃烧做功；发动机的排气经过排气余热回收装置11，其中的热能得到利 用，排气的温度和压力均降低，之后进入海水预冷器9；被海水冷却至常温后在旁通通道上 游支点7处，一部分排气进入旁通通道，在氮氧化物、硫氧化物去除装置10中除去氮硫，之 后从旁通通道下游支点8回到主通道，与未经过旁通通道的气体一同进入水冷却分离装置4， 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5，使二氧化碳以液体形式从气 体中分离。分离产物液态水进入水箱6，这些水为发动机燃烧产物，杂质极少，经过简单的 化学处理后可做船舶上的生活用水；分离产物液态二氧化碳储存在液态二氧化碳储罐18中， 根据船舶上冷库制冷量的需要，取部分继续冷却压缩制成干冰用于冷库制冷，其余的液态二 氧化碳可以储存于储罐内用于代替消耗掉的LNG压舱，或者与海水换热后成为二氧化碳气体 排入大气。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、天然气混合，再次进入发动机19参与燃烧。

图2描述了发动机排气循环过程中排气的处理流程。天然气中含有微量氮元素、硫元素， 发动机缸内燃烧过程中会有少量机油参与燃烧，机油中也可能含有氮、硫元素，所以在发动 机的排气中存在氮氧化物、硫氧化物。考虑所有可能，在发动机的排气中存在的气体成分必 为以下列出气体中的几种：氩气、二氧化碳、水蒸气、天然气、氧气、一氧化碳、氮氧化物、 硫氧化物。船舶发动机通常都配有余热回收装置，多为余热锅炉，发动机排气经过余热回收 装置后，温度和压力均会降低。之后，主通道内的气体通入海水预冷器中冷却至常温，并在 旁通通道上游支点处分为两路，根据发动机电子控制单元ECU的控制，一部分气体进入旁通 通道进行除氮、除硫处理，再从旁通通道下游支点处回到主通道。旁通通道中的除氮、硫装 置可以是碱液吸附装置，也可以是其他原理的装置，但此装置在去除硫氧化物和二氧化氮时， 不可以产生新的气体。然后，主通道内所有气体依次通过水换热分离装置和二氧化碳分离装 置。在水冷却分离装置中，主通道内的气体被冷却至2-5℃(保证主通道内混合气中的水蒸气 基本冷却为液态水)，水蒸气以液态水的形式与其他气体分离。在二氧化碳冷却分离装置中， 主通道内的气体被冷却至-83℃(保证主通道内混合气中的二氧化碳全部以液态形式分离)， 二氧化碳以液态形式从气体中分离。这样，排气中剩余的气体仅可能是如下所列气体中的几 种：氩气、天然气、氧气、一氧化碳。这些气体都是可参与再循环的气体，与新鲜的氧气、 天然气混合，再次进入发动机参与燃烧。

图3展示了为实现发动机平稳运行，发动机电子控制单元ECU增设的控制系统的逻辑图。 因为处理后的排气全部参与循环，所以干扰发动机平稳运行的原因之一就是气体的循环累积 效应。比如所，如果排气处理系统没有除氮、硫装置，少量机油参与燃烧产生的氮氧化物、 硫氧化物在持续的循环过程中会逐渐积累，当混合气中氮氧化物和硫氧化物浓度足够大时， 就会影响发动机正常的运行。另一种气体循环累积效应可能发生在天然气和氧气上，如果在 配气过程氧气的量超过了天然气全部燃烧所需要的氧气量，排气中就会有氧气存在，如果不 对两种气体的进气量调节，排气中的氧气含量会逐渐积累，影响发动机正常工作。所以，发 动机电子控制单元ECU需要增加控制功能。1.设置旁通通道，在旁通通道内设置除氮氧化物、 硫氧化物的装置。这种装置可以是碱液吸附装置，也可以是其他原理的装置，但此装置在去 除硫氧化物和二氧化氮时，不可以产生新的气体。在进行除氮氧化物、硫氧化物的过程中， 气体受到的阻力较大，压力降低明显，所以除氮氧化物、硫氧化物的过程需要设置在旁通通 道中，旁通通道上游支点控制进入旁通通道的气体量，旁通通道下游支点设单向阀，保障不 发生主通道气体在旁通通道下游支点处倒流现象。进入旁通通道的气体量有发动机电子控制 单元ECU根据发动机排气总管内的气体流量传感器信号确定，排气流量大则增大旁通通道气 体流量；排气流浪小则减小旁通通道气体流量。2.在发动机排气总管内安装氧浓度传感器器， 检测排气中氧气浓度，并在电子控制单元ECU中设定排气氧浓度最大允许值，当排气中氧气 浓度低于设定值时，电子控制单元ECU控制天然气和氧气的进气量，使氧气供应量略微大于 天然气完全燃烧所消耗的氧气量，这样燃烧后排气中氧气浓度会增加；当排气中氧气浓度高 于设定值时，电子控制单元ECU控制天然气和氧气的进气量，在接下来的短暂时间内减少氧 气供给量，使氧气供应量略微小于天然气完全燃烧所消耗的氧气量，发动机排气中的氧气浓 度迅速降低，在这样的动态调节过程中维持发动机平稳运行。

实施例1

(1)液化天然气从液化天然气储罐12中流出，液化天然气与空分装置中的主换热器换热 升温，液化天然气中的冷能用于冷却进入空气分离装置的空气，以分离出氧气，以液氧形式 储存于液氧储罐。液氧从液氧储罐中流出，经过水冷却分离装置和二氧化碳冷却分离装置时 与发动机排出的废气换热，液氧的冷能得到利用，液氧汽化为氧气进入氧气储罐；

(2)天然气、氧气经过海水预热器13换热温度达到5-8℃；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14的天然气管道进入混合调压配气装置15，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16的氧气管道进入混合调压配气装置 15，氩气与氧气按体积比3.8：1(此时助燃气体中的氧气含量为20.83％)进入混合调压配气 装置15中成为助燃气体，天然气和助燃气体(氩气与氧气组成)以1：9.65(此时可燃混合气 中的多余氧气的体积分数为0.47％)的体积比在混合调压配气装置15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11和海水预冷器9回收余热并将排气冷却至5-8℃；

在本步骤中助燃气体和天然气在混合调压配气装置15中的体积比的控制方法为：发动机 电子控制单元接收氧浓度传感器输出的发动机排气中的氧浓度信号并与设定的排气氧浓度最 大允许值比较，当氧气在排气中的体积百分比小于1％时，发动机电子控制单元ECU输出控 制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，控制天然气和氧气的进气量，使天然 气与助燃气体体积比为1：9.65；当排气中氧气浓度高于设定值时，发动机电子控制单元ECU 输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，以控制天然气和氧气的进气量， 在接下来的1秒内减少氧气供给量，使天然气与助燃气体体积比为1：9.55，之后发动机电子 控制单元ECU输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，使天然气与助燃 气体体积比为1：9.65；

(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7处进入旁通通道，然后在氮氧化物、硫氧化物去除装置10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ECU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7 处的电磁阀,当排气流量大于设定值(如:发动机输出功率占发动机额定功率75％时的排气流量 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；增加旁通通道是为了在不增加排气阻力的前提下除掉尾气中的 氮氧化物和硫氧化物。

(4)经过除氮硫处理的排气从旁通通道下游支点8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4，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5，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15，与新鲜的氧气以及天然气混合，再次进入发动机19 的燃烧室参与燃烧。

经测试，发动机在运行过程中可以保持稳定运行。发动机进气中的氧含量略低于空气， 但对发动机缸内的最高温度影响不明显。发动机排气中的氧气含量动态变化但保持在1％以下， 由于采用氩气替代氮气，发动机进气的等熵指数从1.40增加至1.53，发动机的输出功率增 加14.8％，空分装置耗电功率占发动机总输出功率的20.4％，整个方案为船舶提供了足量的、 各温度品位的热源，使得船舶在空调、冷库、水加热器、蒸汽发生器等基本装置上的电能消 耗大大减少，综合考虑船舶的动力系统和热力系统，发动机的用于推进器以外的输出功可以 从现有的12％降低至5％左右。

实施例2

(1)液化天然气从液化天然气储罐12中流出，液化天然气与空分装置中的主换热器换热 升温，液化天然气中的冷能用于冷却进入空气分离装置的空气，以分离出氧气，以液氧形式 储存于液氧储罐。液氧从液氧储罐中流出，经过水冷却分离装置和二氧化碳冷却分离装置时 与发动机排出的废气换热，液氧的冷能得到利用，液氧汽化为氧气进入氧气储罐；

(2)天然气、氧气经过海水预热器13换热温度达到7-10℃；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14的天然气管道进入混合调压配气装置15，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16的氧气管道进入混合调压配气装置 15，氩气与氧气按体积比3.7:1(此时氧气含量为21.28％)进入混合调压配气装置15中成 为助燃气体，天然气和助燃气体(氩气与氧气组成)以1:9.45的体积比在混合调压配气装置15 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11和海水预冷器9回收余热并将排气冷却至7-10℃；

在本步骤中助燃气体和天然气在混合调压配气装置15中的体积比的控制方法为：发动机 电子控制单元接收氧浓度传感器输出的发动机排气中的氧浓度信号并与设定的排气氧浓度最 大允许值比较，当氧气在排气中的体积百分比小于1％时，发动机电子控制单元ECU输出控 制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，控制天然气和氧气的进气量，使天然 气与助燃气体体积比为1:9.45；当排气中氧气浓度高于设定值时，发动机电子控制单元ECU 输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，以控制天然气和氧气的进气量， 在接下来的1秒内减少氧气供给量，使天然气与助燃气体体积比为1:9.35，之后发动机电子 控制单元ECU输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，使天然气与助燃 气体体积比为1:9.45；

(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7处进入旁通通道，然后在氮氧化物、硫氧化物去除装置10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ECU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7 处的电磁阀,当排气流量大于设定值(如:发动机输出功率占发动机额定功率75％时的排气流量 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；增加旁通通道是为了在不增加排气阻力的前提下除掉尾气中的 氮氧化物和硫氧化物。

(4)经过除氮硫处理的排气从旁通通道下游支点8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4，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5，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15，与新鲜的氧气以及天然气混合，再次进入发动机19 的燃烧室参与燃烧。

经测试，发动机在运行过程中可以保持稳定运行。发动机进气中的氧含量略高于空气， 发动机缸内的最高温度会上升，上升幅度小于50℃。发动机排气中的氧气含量动态变化但保 持在1％以下，由于氩气替代氮气发动机进气的等熵指数从1.40增加至1.53，发动机的输出 功率增加15.2％，空分装置耗电功率占发动机总输出功率的20.0％，整个方案为船舶提供了足 量的、各温度品位的热源，使得船舶在空调、冷库、水加热器、蒸汽发生器等基本装置上的 电能消耗大大减少，综合考虑船舶的动力系统和热力系统，发动机的用于推进器以外的输出 功可以从现有的12％降低至4％。

实施例3

(1)液化天然气从液化天然气储罐12中流出，液化天然气与空分装置中的主换热器换热 升温，液化天然气中的冷能用于冷却进入空气分离装置的空气，以分离出氧气，以液氧形式 储存于液氧储罐。液氧从液氧储罐中流出，经过水冷却分离装置和二氧化碳冷却分离装置时 与发动机排出的废气换热，液氧的冷能得到利用，液氧汽化为氧气进入氧气储罐；

(2)天然气、氧气经过海水预热器13换热温度达到6-9℃；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14的天然气管道进入混合调压配气装置15，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16的氧气管道进入混合调压配气装置 15，氩气与氧气按体积比3.76:1进入混合调压配气装置15中成为助燃气体，天然气和助燃气 体(氩气与氧气组成)以1:9.55的体积比在混合调压配气装置15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11和海水预冷器9回收余热并将排气冷却至6-9℃；

在本步骤中助燃气体和天然气在混合调压配气装置15中的体积比的控制方法为：发动机 电子控制单元接收氧浓度传感器输出的发动机排气中的氧浓度信号并与设定的排气氧浓度最 大允许值比较，当氧气在排气中的体积百分比小于1％时，发动机电子控制单元ECU输出控 制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，控制天然气和氧气的进气量，使天然 气与助燃气体体积比为1:9.55；当排气中氧气浓度高于设定值时，发动机电子控制单元ECU 输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，以控制天然气和氧气的进气量， 在接下来的1秒内减少氧气供给量，使天然气与助燃气体体积比为1:9.50，之后发动机电子 控制单元ECU输出控制信号给氧气流量控制阀16和天然气流量控制阀14，使天然气与助燃 气体体积比为1:9.55；

(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7处进入旁通通道，然后在氮氧化物、硫氧化物去除装置10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ECU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7 处的电磁阀,当排气流量大于设定值(如:发动机输出功率占发动机额定功率75％时的排气流量 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；增加旁通通道是为了在不增加排气阻力的前提下除掉尾气中的 氮氧化物和硫氧化物。

(4)经过除氮硫处理的排气从旁通通道下游支点8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4，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5，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15，与新鲜的氧气以及天然气混合，再次进入发动机19 的燃烧室参与燃烧。

经测试，发动机在运行过程中可以保持稳定运行，且相比于实施例1和2，发动机运行 过程中输出功率的变化幅度更小，在2％以内。发动机排气中的氧气含量动态变化但保持在1％ 以下，由于氩气替代氮气发动机进气的等熵指数从1.40增加至1.53，发动机的输出功率增 加15.0％，空分装置耗电功率占发动机总输出功率的20.1％，整个方案为船舶提供了足量的、 各温度品位的热源，使得船舶在空调、冷库、水加热器、蒸汽发生器等基本装置上的电能消 耗大大减少，综合考虑船舶的动力系统和热力系统，发动机的用于推进器以外的输出功可以 从现有的12％降低至4％。