CC BY
37
УДК.621.43: 62-66: 62-62.
Е.В. Белоусов, М.С. Агеев, Н.Н. Кобяков
Херсонский государственный морской институт
КОМПЛЕКСНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ СЕПАРАЦИИ ТОПЛИВА В СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
Рассмотрены вопросы комплексной утилизации отходов сепарации тяжелого моторного топлива в аппаратах, имеющих общий тепло- и массообмен с другими элементами судовой энергетической установки. Выполнена укрупненная математическая модель процесса парогазовой газификации шламов с химической регенерацией теплоты и рециркуляцией отработавших газов на впуск двигателя. На основании численных экспериментов показана техническая выполнимость и экономическая целесообразность использования комплексной утилизации шламов при эксплуатации судовых установок с дизельными двигателями.
Ключевые слова: газификация, сепарация, химическая регенерация, шламы, дизельный двигатель.
1. Актуальность проблемы
Постоянный рост требований к экологическим показателям работы судовых дизельных установок с одной стороны и повышение стоимости топлив с другой, заставляют разработчиков судовых дизельных двигателей искать нетрадиционные подходы к решению проблемы сокращения вредных выбросов и снижения эксплуатационных затрат на топливо.
2. Анализ состояния проблемы
Опыт последних десятилетий показал, что эффективное решение проблем судовой энергетики возможно только на базе комплексного подхода, когда все процессы, связанные с работой и эксплуатацией судовой энергетической установки (СЭУ) рассматриваются как единое целое. Так, значительного снижения эксплуатационных затрат удалось достичь, переведя средне- и высокооборотные двигатели на тяжелые топлива, стоимость которых значительно ниже светлых нефтепродуктов. Чтобы осуществить такой переход в условиях ужесточающихся требований к экологическим и экономическим показателям двигателей, пришлось решить ряд проблем, в первую очередь, связанных с совершенствованием рабочего процесса.
К числу новшеств, направленных на совершенствование рабочего процесса в двигателях последних моделей, можно отнести: повышение давления наддува до 0,32...0,4 МПа [1]; повышение давления (рс) и температуры (Тс) в конце сжатия до 10...16 МПа и 900...1200 К, соответственно, а также повышение максимального давления цикла р) до 18,5...23 МПа [1, 2]; повышение давления впрыска топлива до 90...150 МПа
[3]; переход на аккумуляторные системы впрыска с микропроцессорными системами управления и контроля [1-3]; оптимизация фаз газораспределения и управление ими, в частности переход на, так называемый, Миллер-процесс [1]; применение специальных законов подачи топлива в камеру сгорания, в частности с пред-или послевпрыском, а также с несколькими последовательными впрысками [1, 3]; использование других технических решений, к числу которых можно отнести: использование водотоплив-ных эмульсий; увлажнение надувочного воздуха; прямой впрыск воды в рабочее пространство двигателя, перепуск отработавших газов на впуск двигателя и т.д.
В то же время переход на тяжелые топлива породил ряд новых проблем. В частности возросли объемы сепарации тяжелого топлива, что в свою очередь привело к увеличению объемов шламовых отходов, которые необходимо утилизировать или сдавать на берег [4]. В результате в топливном балансе СЭУ теряется от 0,5 до 3% топлива.
В настоящее время значительная часть усилий ведущих дизелестроительных компаний направлена на совершенствование рабочих процессов в дизельных двигателях и сопряженном с ними энергетическом оборудовании. В ряде случаев энергетическое оборудование связано между собой общим тепло- и массообменом, что позволяет значительно улучшить характеристики СЭУ в целом.
3. Решение проблемы
В качестве одного из вариантов комплексного подхода к совершенствованию топливо-эколо-
© Е.В. Белоусов, М.С. Агеев, Н.Н. Кобяков, 2011
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
гических показателей судовой установки может быть предложена схема, в которой система утилизации шламовых отходов включается в состав энергетической установки и участвует в общем тепло- и массообмене с другими элементами СЭУ. При этом обеспечивается рециркуляция отработавших газов двигателя, позволяющая не только повысить полноту использования топлива, но и понизить содержание вредных веществ в отработавших газах. Принципиальная схема установки показана на рис. 1. Основным элементом установки является газогенератор для газификации отходов сепарации тяжелого топлива. Для газификации шламов используется газопаровая смесь, состоящая из отработавших газов двигателя и водяного пара, полученного за счет теплоты отработавших газов.
- поступая в зону реакции с температурой 300...350 °С, отработавшие газы вносят в реактор теплоту, необходимую для обеспечения нормального теплового баланса газогенератора;
- продукты полного сгорания, содержащиеся в отработавших газах, в восстановительной зоне реактора восстанавливаются до горючих компонентов. При этом недостающая теплота для нормального теплового баланса восстановительной зоны может быть подведена к реактору за счет теплоты отработавших газов через стенки реактора.
При использовании теплоты отработавших газов для обеспечения нормального теплового баланса газогенератора эта теплота расходуется на окислительно-восстановительные реакции в слое топлива и в виде энергии химических связей с генераторным газом возвращается в рабочее пространство поршневого двигателя. Таким образом, при использовании предложенной схемы утилизации, происходит химическая регенерация теплоты отходящих газов.
Для проверки выдвинутых предположений, была разработана укрупненная математическая модель процесса газификации шламов в газогенераторе, выполненном по схеме, приведенной на рис. 1. В качестве объекта исследования рассматривалась СЭУ транспортного судна, основные характеристики которой приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики СЭУ
Параметр Значение
Водоизмещение судна, т 12000
Тип главного двигателя МаК 9М43С
по ГОСТ 9ЧН 43/61
Мощность, кВт 8100
Частота вращения, мин"1 500
Удельный расход топлива, кг/(кВтхч) 0,171
Рис. 1. Принципиальная схема комплексной установки для утилизации шламов, рециркуляции отработавших
газов и регенерации их теплоты: 1 — золоприемник; 2 — тепловой экран; 3 — пароперегреватель; 4 — регулятор газового потока через газогенератор; 5 — паровая форсунка; 6 — газогенератор; 7 — греющий контур; 8 — водяной контур; 9 — подогреватель воды; 10 — пространство сепарации пара
Использование отработавших газов в качестве составляющей дутьевого агента целесообразно по следующим причинам:
- большие коэффициенты избытка воздуха у современных дизелей приводят к тому, что в отработавших газах содержится достаточное количество кислорода для поддержания процессов горения в газогенераторе;
На рис. 2 приведены расчетные данные состава генераторного газа как функции массы газифицирующего агента, поступающего в газогенератор. Для рассматриваемого случая, масса шламов, подвергающихся газификации, выбиралась из расчета 1% от часового расхода топлива главным двигателем. Эта цифра соответствует нормам 1МО, однако на практике может быть значительно больше, достигая 2...3%. Влажность шламов принималась на уровне 10% от их массы.
Для рассматриваемого случая была смоделирована парогазовая газификация, при которой доля водяного пара в дутьевом агенте составляла 20% от массы газа. Наличие серы ни в жидком топливе, ни в продуктах газификации не учитывалось. Расчетный состав газифицирующего агента, состоящего из смеси отработавших газов и водяного пара, приведен в табл. 2.
Ступенчатый характер изменения концентрации различных компонентов объясняется преобладанием того или иного типа реакций в окислительной и восстановительной зоне газогенератора, а также расходованием некоторых компонентов газовой смеси, что приводит к перераспределению реагентов между зонами.
Таблица 2 Состав дутьевого агента на входе в газогенератор
Компонент дутьевого агента Знач.
МСО2, % 2,175
МН2О, % 16,982
Мо2, % 12,464
MN2, % 68,379
соответствует температура 1070 К. Далее температура в восстановительной зоне остается достаточно стабильной, достигая своего максимума 1227 К, при подаче 100 кг/ч газопаровой смеси.
Из рис. 2 и 3 видно, что для рассматриваемого случая, максимальная теплота сгорания генераторного газа в диапазоне возможных режимов работы достигается при подаче 80 кг/ч газифицирующего агента.
Из рис. 2 видно, что максимальная теплота сгорания генераторного газа достигается при отсутствии газифицирующего агента, то есть при паровой конверсии топлива за счет влаги топлива. Однако анализ теплового состояния реактора, приведенный на рис. 3, показывает, что в этом случае в восстановительной зоне реактора, температура недостаточна для протекания восстановительных реакций. Это указывает на невозможность работы реактора в таком режиме.
Рис. 2. Объемная концентрация компонентов газовой смеси как функция массы газифицирующего агента
Достижение температур, необходимых для протекания восстановительных реакций, происходит при увеличении подачи газифицирующего агента 80 кг/ч и более. Началу этого диапазона
Рис.3. Температуры в окислительной и восстановительной зоне реактора, а также теплота сгорания генераторного газа как функция массы газифицирующего агента
Если основной задачей газификации является получение максимально высококалорийного генераторного газа, то этот режим можно считать оптимальным. При решении других задач, например совместная газификация и рециркуляция отработавших газов двигателя, с целью снижения вредных выбросов, критерием выбора режима работы газогенератора может быть количество газов, необходимое для рециркуляции.
Расчеты показали, что при подаче 80 кг/ч газифицирующего агента, состав которого приведен в табл. 2, для поддержания температурного режима восстановительной зоны будет регенерировано 63 МДж теплоты отработавших газов. Это составит 0,5% от всей теплоты, отводимой ими от двигателя. При этом, может быть получен генераторный газ со следующим объемным составом: СО - 12,57%; Н2 - 11,91%; С02 -9,47%; 02 - 0,01%; Щ - 54,84%; Н20 - 11,2%. Массовая теплота сгорания газа составит 2,41 МДж/кг. в генераторный газ переходит при-
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 113 -
мерно 46% теплоты шламов, что хорошо согласуется с экспериментальными данными для близкого по составу дутьевого агента [5]. Можно также ожидать, что наличие газового топлива в рабочем цилиндре двигателя благоприятно скажется на рабочем процессе двигателя, однако такое предположение требует экспериментальной проверки.
Выводы
Разработанная модель процесса газификации шламов в аппарате, имеющем общий тепло- и массообмен с другими элементами СЭУ, позволяет спрогнозировать характер протекания реакций в газогенераторе, при известных параметрах газифицирующего агента и определить состав генераторного газа, получаемого на выходе.
Рассмотренная в работе схема позволяет объединить процесс газификации с рециркуляцией отработавших газов и химической регенерацией их теплоты. В результате включения шламов в топливный баланс двигателя, а также с учетом регенерации теплоты, эффективность всей су-
довой установки в рассматриваемом случае может быть повышена на 0,57%.
Перечень ссылок
1. Woodyard D. Pounder's marine diesel engines and gas turbines. Eighth edition. Elsevier ButterworthHeinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 200 Wheeler Road, Burlington, 2004. -914 р.
2. Конке Г.А., Лашко B.A. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: Учеб. пособие — М.: Машиностроение, 2005. — 512 с.
3. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков B.A. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов / 2-е изд. — М.: Легион-Автодата, 2005. — 344 с.
4. Возницкий И.В. Практика использования морских топлив на судах. Санкт-Петербург: изд. ГМА им. адм. С.О. Макарова. 2005. — 123 с.
5. Померанцев В.В., Арфеньев К.М. и др. Основы практической теории горения. Ленинград: Энергия, 1973. — 263 с.
С.В. Бшоусов, М.С. Агеев, М.М. Кобяков. Комплексна уташацш вщход1в сепарацл налива в суднових енергетичних установках
Розглянуто питания комплексно! утил^зацИ eidxodie сепарацп важкого моторного па-лива в апаратах, що мають загальний тепло- та масообмт з тшими елементами судновоï енергетичноï установки. Виконано укрупнену математичну модель процесу парагазовоï газифшаци шламiв з хiмiчноюрегенеращею теплоти йрециркулящею вiдпрацьованих газiв, на впуск двигуна. На пiдставi чисельних експериментiв показана можливсть техшчного виконання й економiчна доцтьшсть використання комплексноï утилiзацiï шламiв при експлуатацн суднових установок з дизельними двигунами.
Ключов1 слова: газифкащя, сепарацш, хiмiчна регенерацш, шлами, дизельний двигун.
E. Belousov, M. Ageev, N. Kobyakov. Complex utilization of the waste of separation of fuel in the ship power installations
Problems of complex utilization of a waste of separation of heavy motor fuel in apparatus having common thermal and mass interchanging with other elements of ship power installation are considered. The integrated mathematical model of process парогазовой gasifications of slimes with chemical regeneration of warmth and recirculation of the completed gases on a drive admission is executed. On the basis of numerical experiments engineering realizability and economic feasibility of use of complex utilization of slimes is displayed at maintenance of ship installations with diesel engines.
Keywords: gasification, separation, chemical regeneration, slimes, the diesel engine.
