CC BY
77
26. Das T.K., Teng B. A Resourse-Based Theory of Strategic Alliances //J. of Management.- 2000. - Vol. 26, No.1. - P.33
27. Filippov. S. Russias's emerging multinationals: trends and issues // United Nations University. - 2008. - P. 15
28. Lincoln J. R. Strategic Alliances in the Japanese Economy: Types, Critiques, Embeddedness, and Change //University of California, Berkeley - 2009. P.10-11
29. Lincoln, J. R., M. L. Gerlach. Japan's Network Economy: Structure, Persistence, and Change. New York: Cambridge University Press, 2004.
30. The 2013 EU Industrial R&D Scoreboard //European commission for Industrial Research and Innovations // URL: http://iri.jrc.ec.europa. eu/scoreboard13.html (дата обращения: 01.10.2014).
31. Итоги II Московского международного форума инновационного развития «Открытые инновации» и Выставки Open Innovations Expo 2013 //Материалы официального сайта форума «Открытые инновации»// URL: http://www.forinnovations.ru/press-center/news/20131105-itogi-ii-moskovskogo-mezhdunarodnogo-fomma-innovacionnogo-razvitiya-otkrytye-innovacii-i-vystavki-open-inn.ovations-expo-2013/ (дата обращения: 01.10.2014)
32. Официальный сайт информационного агентства ИТАР-ТАСС //URL: http://itar-tass.com/ekonomika/1348465 (дата обращения 29.07.2014).
33. Официальный сайт информационно-аналитического агентства «АК&М» -URL:http://www.akm.ru/rus/ma/ (дата обращения: 01.10.2014)/
УДК 504.3.054: 621.43.068.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ АДСОРБЦИЕЙ ТВЕРДЫМ ВЕЩЕСТВОМ В ПРИСУТСТВИИ ОЗОНА
Туркин А.В., к.т.н., доцент
Туркин В.А., д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адм. Ф.Ф. Ушакова».
С целью повышения экологической безопасности при эксплуатации судовых энергетических установок исследована эффективность очистки выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона.
Ключевые слова: экологическая безопасность, судовой двигатель, очистка выхлопных газов, оксиды азота, адсорбция, озон.
EXPERIMENTAL RESEARCH OF MARINE ENGINES EXHAUST GAS CLEANING BY SOLIDS ADSORPTION IN THE PRESENCE OF OZONE EFFECTIVENESS
Turkin A., Ph.D., docent
Turkin V., doctor of technical sciences, professor, Admiral Ushakov Maritime State University, FGBOU VPO
To improve the ecological safety of ship power plant ship engine exhaust gas cleaning by solid material adsorption in presence of ozone effectiveness researched.
Keywords: ecological safety, ship engine, exhaust gas cleaning, nitrogen oxides, adsorption, ozone.
В настоящее время вопросы охраны окружающей среды выдвинулись в число важнейших, которые необходимо решить человечеству. Из-за высокой токсичности вредных компонентов выхлопных газов двигателей, их содержание ограничивается национальными и межгосударственными стандартами [1 - 3]. Стандарты принимаются в зависимости от условий окружающей среды, специфических особенностей экономики, мнения различных вовлеченных групп, защищающих свои позиции, и решения политиков.
В качестве наиболее опасных компонентов отработавших газов двигателей приняты: оксиды азота, оксиды серы, окись углерода и несгоревшие углеводороды. В связи со специфическими особенностями судовых, тепловозных и промышленных двигателей в их отработавших газах в большинстве стран нормируются только выбросы оксидов азота.
Проблема законодательного ограничения вредных выбросов с отработавшими газами судовых двигателей не остается без внимания и со стороны экспертов Международной морской организации. Созданный Международной морской организацией документ МАРПОЛ 73/78 - главное международное соглашение, охватывающее предотвращение загрязнения окружающей среды судами от эксплуатационных или случайных причин. Конвенция МАРПОЛ является основным международным конвенционным документом по предотвращению загрязнения морской среды с судов.
Приложением VI данной конвенции «Правила предотвращения загрязнения атмосферы», принятым в 1998 году и вступившим в силу в мае 2005 года, для морских судов нормируются выбросы оксидов азота, летучих оксидов серы и выбросы озон разрушающих веществ.
С 1 января 2011 года вступила в силу новая редакция Приложения VI Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов, предусматривающая ужесточение выбросов оксидов азота судовыми малооборотными двигателями с 17 до 14,4 г/кВт-ч (уровень ИМО Tier 2), а с 1 января 2016 запланировано ужесточение норм до 3,4 г/кВт-ч в районах контроля выбросов оксидов азота (уровень ИМО Tier 3).
Уже сейчас нормы по выбросу вредных веществ настолько ужесточены, что возможности выполнения соответствующих требований только за счет организации рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания практически исчерпали свой резерв. Эффективность этих мероприятий в большинстве случаев достаточна только для достижения уровня ИМО Tier 2. Для достижения уровня ИМО Tier 3 требуются дополнительные (вторичные) природоохранные мероприятия с более глубоким снижением концентраций NOX в дымовых газах.
Наиболее распространенным в судовых условиях является метод селективного каталитического (СКВ) восстановления оксидов азота. Процессы СКВ основаны на избирательном взаимодействии NO с восстановителем (мочевиной) в газовой фазе при температуре 900
- 1200 eC в присутствии катализатора [4 - 6]. Наиболее активными для процесса селективного восстановления NO являются катализаторы, содержащие благородные металлы. Основным недостатком таких катализаторов является высокая стоимость. Другой недостаток этого метода связан со значительным расходом мочевины в процессе эксплуатации и необходимостью наличия соответствующей инфраструктуры для ее пополнения в портах захода судна.
Поэтому с целью снижения затрат на эксплуатацию рассмотрен метод очистки отработавших газов от кислотных оксидов и твердых частиц с использованием механизма их адсорбции твердым веществом. Для этих целей разработано и изготовлено комплексное устройство очистки выхлопных газов судового двигателя [7].
В основе работы предлагаемого устройства лежит использование в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов гранулированной шлаковой пемзы и в качестве окислителя
- озона для ускорения процесса очистки. Ввиду высокой реакционной способности озона происходит окисление значительной части содержавшихся в выхлопных газах монооксидов азота (NO) до диоксидов (NO2), диоксидов серы (SO2) до серного ангидрида (SO3) и монооксида углерода (CO) до диоксида углерода (CO2). Поток выхлопных газов, многократно попадая на поверхность гранул и вовнутрь их очищается от вредных примесей (NOx, SOx, СОх),
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA j №4 2014 j 187
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема установки для проведения эксперимента по очистке дымовых газов: ПУ - пилотная установка; ОЗ - озонатор; ОГ - отводной газоход; ВП - водопровод; В -
выхлопная труба очищенных газов; 1,2,3 - аналитические точки
вентиль; ВТОГ -
которые сорбируются на поверхности и внутри гранул. Кроме того, на поверхности и в порах гранул оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные выхлопные газы выбрасываются в атмосферу. При этом одновременно с процессом очистки выхлопных газов происходит глушение их шума путем поглощения звука высокопористой структурой гранул.
При падении активности гранул их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем промывки гранул из распределителей промывочной воды водой. При этом конструкция позволяет проводить процесс регенерации гранул шлаковой пемзы без отключения от двигателя.
Размеры устройства, число секций в камере очистки, расход озона, суммарный объем гранул шлаковой пемзы, число перфорированных зигзагообразных контейнеров, их длина, высота и ширина,
ширина газовых каналов, расход промывочной воды определяются в зависимости от мощности судового двигателя, расхода и типа топлива, требуемых степени очистки и снижения уровня звуковой мощности выхлопных газов.
Установка очистки выхлопных газов (рис. 1) состоит из корпуса, снабженного пирамидальными крышкой и днищем, входным и выпускным газовыми и озоновым патрубками, штуцерами подачи промывочной воды и слива загрязненной воды, внутри которого снизу - вверх расположены поддон и камера очистки.
В камере очистки установлены вертикальные зигзагообразные контейнеры с перфорированными боковыми стенками и днищем, образующие между собой зигзагообразные газовые каналы. При этом зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами пемзы. Вверху камеры очистки установлено промывочное устройство, представляющее собой перфорированную снизу трубу, соединенную со штуцером промывочной воды, а в поддоне установлен распре-
Рис. 2. - Схема установки анализатора выброса отработавших газов 1 - пробоотборный зонд; 2 - линия отбора проб; 3 - клапан отбора воздуха; 4 - предварительный фильтр; 5 - фильтр; 6 - насос подачи выхлопных газов переменной производительности; 7 - камера смешивания (возможно 2-х кратное разбавление); 8 - сенсор №1, установлен N0 (возможна установка СО, С0низ, N0^, N02, 802, Н28); 9 - сенсор №2, установлен N02 (возможна установка СО, С0низ, N0^, N02, 802, Н28); 10 - сенсор №3, установлен"^ (возможна установка С0, С0низ, Шниз, N02, §02, Н28, С02-ИК); 11- сенсор™ №4, установлен 02; 12 - сенсор №5, не установлен (возможна установка С0, С0низ, N0 , 802, НС); 13 - сенсор №6, установлен С0 (возможна установка С0низ, N0, N0 , 802, НС); 14 - камера смешивания (возможно 5 кратное разбавление); 15 - 3-х ходовой клапан;
16 - насос свежего воздуха.
Таблица 1. Диапазоны измерения прибора TESTO 350
Измеряемые параметры газов Диапазон измерений
Температура -200...+1370 ПС
02 (кислород) 0...25 об. %
СО (оксид углерода) с Н2 компенсацией 0... 10000 ррш
СО (оксид углерода) низкое с ЬЬ компенсацией 0...500 ррш
N0 (оксид азота) 0...4000 ррш
N0 (оксид азота) низкое 0...300 ррш
N02 (диоксид азота) 0...500 ррш
БОг (диоксид серы) 0...5000 ррш
Дифференциальное давление -200...200 гПа
Абсолютное давление 600... 1150 гПа
Скорость потока 0...40 м/с
Таблица 2. Результаты эксперимента по определению эффективности очистки дымовых газов
судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона (вход/выход)
Номер испытания 1 2 3 4 5
Частота вращения двигателя, об/мин 2000 2500 3000 3500 4000
Расход топлива на двигатель, л/ч 2,7 3,6 4,5 6,2 8,2
Расход воздуха на двигатель, кг/ч 36,6 46,9 58,2 79 101,5
Скорость отработавших газов в отводном газоходе, м/с 4,3 6,5 8,6 11,9 14,8
Расход отработавших газов, м3/ч 19,5 29,2 38,9 53,9 66,9
Температура окружающей среды, °С 36 35,8 36,1 36,2 35,6
Температура отработавших газов, °С 102/ 53,5 127,2/ 62,7 156/ 68,3 189,3/ 71,5 223,7/ 81,3
Концентрация N0 в отработавших газах, ррш 167/ 81 248/ 172 430/ 330 807/ 749 1631/ 1527
Концентрация N02 в отработавших газах, ррш 0,3/ 23,8 0,2/ 15,2 0,2/ 8 1,1/ 4,7 4,1/ 7,7
Концентрация NOx в отработавших газах, ррш 167,3/ 104,8 248,2/ 187,2 430,2/ 338 808,1/ 753,7 1635,1/ 1534,7
Концентрация 80г в отработавших газах, ррш 9/5 16/14 29/28 25/23 27/25
Концентрация Ог в отработавших газах, % 1,81/ 2,17 0,97/ 1,66 1,04/ 1,5 1,24/ 1,39 0,8/ 1,48
Концентрация СО в отработавших газах, ррш 5876/ 4164 3475/ 3377 3497/ 3225 4186/ 4004 6528/ 6292
Степень очистки NOx в установке, % 37,4 24,6 21,4 6,7 6,1
делитель озона, также представляющий собой перфорированную сверху трубу, соединенную через патрубок с озонатором, причем корпус установки установлен на опорную раму.
Для исследования эффективности рассматриваемого способа очистки дымовых газов от кислотных оксидов был проведен эксперимент, целью которого являлась проверка работоспособности комплексного устройства для очистки выхлопных газов судового двигателя и оценка его эффективности при очистке реальных дымовых газов.
В качестве опытного объекта для испытаний пилотной установки был выбран впрысковый двигатель внутреннего сгорания ЗМЗ-409 рабочим объемом 2,7 л и максимальной мощностью 105 кВт. Двигатель устанавливается на маломерные суда, в т.ч. на суда на воздушной подушке типа «Хивус». Управление двигателем осуществлялось штатной микропроцессорной системой управления Микас 7.1. Работа двигателя контролировалась по следующим основным параметрам: частота вращения, расход топлива, массовый расход воздуха, параметры газового потока отработавших газов.
Для отбора и анализа состава отработавших газов использовался переносной прибор газоанализа - газоанализатор TESTO 350. В газоанализатор встроен мембранный насос с автоматическим управлением для отбора газов из выхлопной системы двигателя. Схема установки для анализатора выбросов вредных веществ представлена на рис.2.
Переносной газоанализатор TESTO 350, согласно сертификата, не требует дополнительной калибровки калибровочным газом, обнуление и калибровка осуществляется автоматически перед началом эксплуатации в течение 30 секунд. Данный анализатор одобрен TUV и соответствует требованиям немецкого стандарта EN. Сертификат об утверждении типа средств измерений, допущен к применению в Российской Федерации. Газоанализатор TESTO 350 внесен в
Государственный Реестр Средств Измерений РФ, номер 49192-12 и допущен к применению в Российской Федерации. Анализатор оснащен сенсором O2, сенсором диффиренциального давления, и имеет возможность дооснащения одновременно до 6 сенсорами газа из перечисленных: CO, СОниз, NO, NO^, NO2, SO2, CO2, CxHy и H2S.
Диапазоны измерения прибора TESTO 350 представлены в табл. 1.
Данный газоанализатор имеют возможность передачи данных в реальном режиме времени через Bluetooth®2.0 непосредственно на ноутбук/ПК для хранения и дальнейшего анализа. Это позволяет проводить замеры выбросов вредных веществ с отработавшими газами в реальном режиме времени, с заданным интервалом записи данных, на различных режимах эксплуатации.
Частота вращения, расход топлива и массовый расход воздуха замерялись с помощью штатной микропроцессорной системы управления двигателем. Измерение параметров газового потока отработавших газов производилось прибором для определения скорости газа в автоматическом режиме - трубкой Пито (диаметр зонда 7мм, длина зонда 350 мм), которая входит в состав газоанализатора TESTO 350.
Подача озона на установку очистки производилась от внешнего генератора озона SOZ-YB-32G (производительность - 32 г/ч, концентрация озона на выходе - 10-25 г/м3, воздушный поток - 64-96 л/мин, потребляемая мощность - 380 Вт).
Выхлопные газы из выхлопной трубы двигателя под избыточным давлением направляются в пилотную установку через отводной газоход Ду = 40 мм и после очистки удаляются через выхлопную трубу очищенных газов в атмосферу. С целью исследования эффективности очистки в зависимости от расхода дымовых газов, стенд оснащен клапанами, позволяющими направлять часть потока газов минуя установку очистки в атмосферу. После вывода пилотной
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №4 2014 | 189
установки на устойчивый режим работы включается озонатор и осуществляется подача озона в поддон, после чего приступают к снятию экспериментальных данных.
В процессе испытаний ПУ измерялись следующие параметры ее работы: температура (Т), концентрации (С), давление (Р). Точки отбора анализов приведены на рис. 1. Конструктивно аналитическая точка представляет собой штуцер диаметром 20 мм, длиной 30 - 40 мм, закрытый съемной пробкой и врезанный в обозначенную точку корпуса или патрубка ПУ. Пробы и замеры для анализа проводились в центре указанных сечений. Результаты эксперимента приведены в табл. 2.
По результатам эксперимента определена степень очистки дымовых газов от N0^. Степень очистки находилась из выражения
е=Ун'Ук -100%
,
где
у - начальная концентрация N0 в дымовых газах, ппм;
ун - конечная концентрация N0x в дымовых газах, ппм.
Выводы.
1. Проведено экспериментальное исследование эффективности очистки дымовых газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона.
2. Установлено, что при заданных параметрах работы установки степень очистки дымовых газов от N0 составляет до 37% и снижается при увеличении концентрации N0 в газах и частоты вращения двигателя.
3. Необходимо изготовить многосекционную установку рассмотренной конструкции с распределенной подачей озона и провести экспериментальное исследование ее эффективности.
Литература:
1. ГОСТ Р 51249-99 Государственный Стандарт Российской Федерации. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения.- М.: Госстандарт России, 2005.- 17 с.
2. Резолюции МЕРС.184(59): Руководство 2009 по системам очистки отработавших газов.- СПб.: Гипрорыбфлот, 2009.
3. Резолюция второй конференции МЕРС ИМО. Технический кодекс по контролю за выбросами окислов азота из судовых дизельных двигателей.- СПб.: Гипрорыбфлот, 2009.
4. Ежов В.С. Снижение вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения // Промышленная энергетика. - 2006. - № 12.
5. Туркин А.В., Хачоян М.М., Туркин В.А. Моделирование влияния озона на процесс очистки дымовых газов от оксидов азота в эмульгационно-пленочном абсорбере // Эксплуатация морского транспорта. - СПб:. Издательство ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2012.
6. Иванченко А.А. Техника и технология нейтрализации и в отработавших газах СЭУ: учебное пособие. - СПб.: СПГУВК, 2012. - 111 с.
7. Туркин А.В. Очистка выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона // Транспортное дело России. - 2013. - № 6.
