Снижение выбросов оксидов азота судовыми дизелями при работе на водотопливной эмульсии

Окунев В.Н. (okunew@mail.ru)

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

На современном этапе развития общества несоизмеримо с другими отраслями возрос вклад транспорта в загрязнение окружающей среды. Это повлекло за собой распространение имеющихся методологических наработок в части ограничения этих выбросов и на суда, выбросы вредных веществ с отработавшими газами дизельных установок которых являются одним из главных загрязнителей воздушного бассейна, прилегающего к судоходным акваториям рек.

Однако хотя в этом случае и рассматривается весь традиционный набор вредных веществ, образующихся при сжигании жидких топлив -оксиды азота NOx, оксиды углерода СО, оксиды серы SOx, твердые частицы, углеводороды CnHm, особое внимание уделяется оксидам азота NOx, которые обладают однонаправленным действием с оксидами серы SОx и составляют до 80-90 % токсичности отработавших газов.

Повышенное внимание к оксидам азота NOx обусловлено также тем, что они образуют в организме человека соединения азотной и азотистой кислот, приводят к раздражению слизистой оболочки глаз и дыхательных путей. При объемной концентрации в атмосфере 0,004-0,008% оксидов азота NOx у человека наступает отек легких. К тому же в отличие от многих других веществ оксиды азота NO и NO2 играют сложную и важную роль в фотохимических процессах, происходящих в тропосфере и стратосфере при солнечном свете, что является причиной образования высоких концентраций озона О3 в атмосфере и появлению так называемого фотохимического смога [5].

Важным шагом в поиске наиболее рациональной технологии снижения рассматриваемых выбросов является понимание теоретических основ

протекания процессов образования NOx при сгорании топлива. В этом плане, хотя в разные периоды времени и существовали различные взгляды на природу образования оксидов азота, наибольшей популярностью в настоящее время пользуется термическая теория образования оксидов азота, разработанная Я.В. Зельдовичем. Ее основы формулируются следующим образом [2]:

1 - окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания;

2 - выход оксидов азота определяется максимальной температурой горения, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива, участвующего в реакции;

3 - окисление азота происходит по цепному механизму:

N2 + O NO + N - 316 кДж; N + O2 NO + O + 134 кДж;

первая реакция является определяющей, скорость ее зависит от

концентрации атомарного кислорода;

4 - выход оксидов азота зависит от скорости охлаждения продуктов сгорания;

5 - в бедных смесях (при малой подвижности реакции) выход NO определяется максимальной локальной температурой сгорания, т. е. кинетикой ее образования; в богатых смесях выход NO перестает зависеть от максимальной температуры сгорания и определяется кинетикой разложения, т.е. закалкой образовавшихся оксидов азота;

6 - концентрация оксидов азота не превышает равновесную при максимальной локальной температуре сгорания;

7 - неравномерное распределение температуры в зоне продуктов сгорания (махо - эффект) заметно влияет на выход NO при

горении бедных смесей и слабо - при горении богатых смесей.

Основываясь на вышеперечисленных закономерностях образования оксидов азота NOx, дизелестроительной промышленностью разработано множество конструктивных решений по совершенствованию рабочего процесса двигателя, направленных на снижение выбросов оксидов азота NOx

При проектировании судовых энергетических установок наиболее перспективными считаются методы, в основе которых лежит нейтрализация оксидов азота в жидкостных, термических и каталитических нейтрализаторах

[2].

Учитывая очень большое количество двигателей, находящихся в эксплуатации, актуальной представляется задача обеспечения малотоксичного протекания рабочего процесса в их цилиндрах с помощью методов топливоподготовки. Наиболее экономичным из них, не требующим значительных вложений, мероприятием является использование водотопливных эмульсий (ВТЭ) [4]. Сжигание топлива в виде ВТЭ является универсальным способом и хорошо подходит для судовых условий. Исследованием различных аспектов этой проблемы занимались СПГУВК, ЦНИИМФ, ЦНИДИ, НГАВТ, ОАО Звезда и др. организации. Наиболее глубоко решение этой проблемы нашло отражение в работах СПГУВК, где были проведены комплексные исследования возможностей перевода на ВТЭ судовых дизелей широкого типоразмерного ряда [3]. Были испытаны на ВТЭ дизели 6Ч и 6ЧН12/14, 6ЧР32/48, 8ЧРН32/48, 6ЧРН36/45.

В ходе выполненного анализа были рассмотрены указанные работы, а также были приняты во внимание результаты стендовых испытаний дизеля 6ЧН32/35 (6R32E) финской фирмы Вяртсиля- дизель .

В табл.1 представлено содержание вредных веществ в ОГ дизеля 6ЧН32/35. На рис. 1 и 2 представлено изменение концентрации NOx в ОГ и удельного расхода топлива в зависимости от содержания воды в ВТЭ.

Из анализа результатов испытаний дизеля 6ЧН32/35 можно сделать вывод - при работе на эмульгированном дизельном топливе содержание в выхлопных газах NOx зависит от количества воды в эмульсии, с увеличением содержания воды концентрация вредных выбросов уменьшается (Рис.1).

Рис. 1 Изменение содержания NOx в ОГ дизеля 6ЧН32/35 при работе на ВТЭ (режим 50%

от номинальной мощности)

Таблица 1

Содержание вредных веществ в ОГ дизеля 6ЧН32/35 на режиме номинальной нагрузки

Рис. 2 Изменение удельного расхода топлива дизеля 6ЧН32/35 при работе на ВТЭ (режим

50% от номинальной мощности)

Анализ также показал, что при использовании ВТЭ снижаются выбросы не только оксидов азота NOx, но и оксида углерода СО и твердых частиц [2,3,4].

К недостаткам работы эксплуатирующегося парка дизелей на ВТЭ следует отнести ограничение их мощности до уровня не выше 75% от номинального значения, из-за недостаточной производительности топливных насосов.

В целом выполненный анализ показал высокую эффективность применения ВТЭ (22-32% с эмульгатором) в части снижения выбросов NOx с отработавшими газами. Наилучшие результаты получены на режиме 75% от

Параметры дизеля, характеризующие рабочий процесс при переходе на ВТЭ несколько изменяются. На режиме 50% от номинальной мощности, при количестве H2O в топливе 29% удельный расход топлива составил 217 г/(кВт-ч), когда при работе на обычном топливе он составляет 225 г/(кВт-ч) (Рис.2). Таким образом, помимо улучшения экологических показателей двигателя имеет место снижение расхода топлива.

номинальной мощности при количестве H2O в топливе 32%. На этом режиме концентрация NOx на 35-40% меньше, чем при работе на обычном топливе.

На основании выполненного анализа, принимая во внимание современные требования к выбросам вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами судовых дизелей в соответствии с Приложении VI к Международной Конвенции Марпол 73/78, а так же с учетом положений Федерального Закона РФ Об охране атмосферного воздуха можно сделать вывод о целесообразности применения ВТЭ в качестве топлива для судов внутреннего водного транспорта.

Использование ВТЭ в качестве топлива для судовых дизелей может обеспечить выполнение действующих норм не только двигателями, поставленными на производство начиная с 2000 года, но и двигателями находящимися в эксплуатации, без оснащения их систем газовыпуска дорогостоящими каталитическими нейтрализаторами. К тому же в добавляемую к топливу воду можно вводить многофункциональные водорастворимые присадки, использование которых позволит существенно раздвинуть границы применения более дешевых тяжелых топлив в судовых дизелях.

При решении вопроса о переводе дизельной установки судна на ВТЭ целесообразно учитывать степень форсирования двигателей, сорт применяемого топлива и условия эксплуатации судна. Оптимальная концентрация воды в ВТЭ для двигателей со средним эффективным давлением до 1,0 МПа, как правило, не рекомендуется выше 15 - 20 %. Для более форсированных двигателей она может доходить до 30 - 40 % в зависимости от требований предъявляемых к содержанию вредных веществ в отработавших газах и к экономичности двигателя. Эмульсия может готовиться как непосредственно перед использованием топлива в двигателе, так и при заполнении расходного бака топливом. Определяющими в этом случае являются свойства применяемых топлив и наличие эмульгирующих присадок.

Таким образом, варьируя концентрацией воды в ВТЭ, присадками, возможностями топливной аппаратуры, можно разработать рекомендации по применению ВТЭ в любых условиях эксплуатации каждого конкретного судового дизеля.

Литература

1. ГОСТ Р 51249-99 Дизели судовые, тепловозные, промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения . Введен в действие 01.01.2000 г.

2. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И., Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. - Л.: Судостроение , 1989 -256с.

3. Отчет о научно-исследовательской работе Разработка требований к новым типам судовых дизельных установок, их агрегатам и комплектующим изделиям . Тема 93-112 ч.2 - СПб.: СПГУВК, 1993

- 48 с.

4. Венцюлис Л.С., Основы охраны окружающей природной среды на водном транспорте. - СПб.: СПГУВК, 2002-64 с.

5. Шульгин В.В., Тепловые аккумуляторы автотранспортных средств.

- Спб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2005 - 268 с.

6. Федеральный Закон РФ от 04.05.1999 № 96-ФЗ Об охране атмосферного воздуха (принят ГД РФ 02.04.1999).