CC BY
317
УДК 621.43.068:621.431
Е. В. Климова, А. Ф. Дорохов
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СУДОВЫХ ВЫБРОСОВ НА ГИДРОСФЕРУ
Предлагается широкий спектр решений по снижению вредного воздействия судовых выбросов, однако степень их эффективности неоднозначна. В связи с этим представляется значимым анализ существующих мероприятий с целью выявления оптимальных решений. Для достижения максимального эффекта по повышению уровня экологической безопасности необходимо подходить к решению задачи комплексно. Так, суммируя грамотную эксплуатацию, регулировки показателей рабочего процесса, высококачественное топливо и внешние системы уменьшения выбросов (нейтрализация и фильтрация), можно получить значительное снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах без серьезных конструкционных доработок. Использование присадок, водотопливной эмульсии и подогрева топлива в совокупности позволяет эксплуатировать судно в строго охраняемых экологами акваториях, что способствует развитию торговых отношений за рубежом.
Ключевые слова: судовая энергетическая установка, отработавшие газы, смесеобразование, сгорание, топливовоздушная смесь, снижение выбросов.
Введение
В современных условиях активного роста мирового флота отчетливо прослеживается тенденция к ужесточению национальных и международных ограничений на работу судовых энергетических установок в портах и к принятию мер, стимулирующих внедрение природоохранных технологий. В течение последних лет были резко ужесточены требования по предельно допустимым концентрациям (ПДК) вредных выбросов с отработавшими газами (ОГ) судовых дизелей. Соблюдение жестких нормативов является необходимым условием эксплуатации судна. С целью повышения конкурентоспособности на мировом рынке необходимо соблюдать все предписания российских и международных экологических стандартов. В связи с этим перед судовладельцами, судостроительными и судоремонтными заводами, научно-отраслевыми и контролирующими институтами встает задача выбора эффективных методов снижения негативного влияния выбросов судовых дизелей.
В настоящее время предлагается широкий спектр решений данных задач, однако степень их эффективности неоднозначна [1]. В связи с этим представляется значимым анализ существующих мероприятий с целью выявления оптимальных решений. Выделяют несколько направлений.
1. Повышение качества организации рабочего процесса (РП) и регулировочные вариативы.
2. Повышение качества традиционных видов топлива, использование присадок и применение альтернативных видов топлива.
3. Применение систем очистки выбросов ОГ судовых дизелей.
4. Внедрение конструкционных доработок и нетрадиционных энергетических установок (ЭУ). Последнее направление интересно для новых проектов и строящихся судов, т. к. модернизация эксплуатирующегося парка часто экономически нецелесообразна. Остальные направления актуальны и жизнеспособны как для настоящего флота, так и для будущего.
Анализ существующих решений
К наиболее экономичным способам можно отнести организацию малотоксичного РП за счет регулировки угла опережения подачи топлива; фаз газораспределения; изменения степени сжатия давления наддува; температуры наддувочного воздуха; давления впрыска топлива; остаточного давления в топливопроводе; применения рециркуляции ОГ и двухстадийного смесеобразования.
Регулировка угла опережения впрыска топлива - действенный способ для снижения как токсичности, так и дымности ОГ [2]. Однако эффективным он может быть при индивидуальном подходе - в зависимости от типоразмера и проводиться должен во время стендовых испытаний.
Задержка начала впрыска топлива может быть действенной при малых нагрузках двигателя, что серьезно ограничивает перспективность применения этого способа.
Изменение конструкции форсунки позволит увеличить степень сжатия, что приведет к снижению концентрации окислов азота в выбросах вредных веществ (ВВ).
Повысить эффективность показателей РП во всем скоростном диапазоне можно посредством промежуточного охлаждения наддувочного воздуха. Это позволит снизить расход топлива и улучшить экологическую составляющую.
В ряде стран мира генеральным является направление по изменению давления впрыска топлива. Такой подход позволяет выдержать требуемый уровень концентрации окислов азота, а в некоторых случаях понизить его, уменьшив при этом расход топлива. Однако для получения такого эффекта необходимо обеспечить решение весьма сложных конструкторских и технологических проблем, вложив значительные материальные ресурсы. Для российской двигателе-строительной промышленности это сложнореализуемая задача.
Снижения концентрации окислов азота на 30 % и дымности на 40 % можно достичь посредством управления остаточным давлением в топливопроводе. Для уверенного управления удобно использовать двойные нагнетательные клапаны [3].
Применение системы двухстадийного смесеобразования прочно вошло в основной список мер по организации малотоксичного РП. Определяющим здесь является выбор оптимального места расположения устройства для распыливания дополнительной части топлива. В совокупности с регулировками протекания РП по разным источникам можно достичь снижения содержания окислов азота до 30 %, но при этом увеличивается количество продуктов неполного сгорания.
Прямой впрыск воды в цилиндр за счет снижения температуры в камере сгорания уменьшает выброс оксида азота (N0^). Для его реализации нужны конструктивные доработки и регулярный технологический контроль состояния топливных форсунок.
Состав ВВ в выбросах судовых дизелей неоднороден по составу и механизму образования. Следовательно, подходы к уменьшению концентрации окислов азота и продуктов неполного сгорания различны, а иногда и противоположны. Так, регулировки показателей РП, направленные на снижение содержания N0^ приводят к росту продуктов неполного сгорания. Нормированию и жесткому контролю подлежат обе группы вредных компонентов. Соответственно, наиболее эффективными, а значит, и востребованными, будут способы, обеспечивающие снижение обеих групп компонентов ОГ или снижение одной группы при неизменной другой. Рациональная эксплуатация судовых энергетических установок (СЭУ) позволит повысить продуктивность принятых мер.
Во всех методах, касающихся организации малотоксичной работы судового дизеля, наряду с положительными результатами по уменьшению выбросов имеются и отрицательные, приостанавливающие возможность их использования в промышленных масштабах на всех типоразмерах. Однако необходимость модернизации существует. Выделяют следующие наиболее вероятные ее направления.
1. Непродолжительный интенсивный впрыск топлива, смещенный ближе к верхней мертвой точке (в. м. т.) для снижения скорости тепловыделения и количества теплоты, выделившейся за время повышения давления в цилиндре до максимального значения.
2. Организация турбулентного движения заряда за счет конструкции впускных клапанов, а также ориентации топливных струй в объеме камеры сгорания для более равномерного распределения топлива.
3. Повышение коэффициента избытка воздуха в зоне горения и снижение температуры воздушного заряда для понижения общего температурного уровня процесса. Действенным это будет при осуществлении строгого контроля над качеством топлива.
В совокупности эффект по снижению всех вредных выбросов, полученный за счет улучшения качества традиционного топлива, может достигать 20 %. Положительное влияние на повышение экологической безопасности гидросферы оказывают присадки. Их использование позволяет снизить дымность ОГ на 40-60 % [4, 5].
Эффективным способом снижения токсичности и дымности является использование альтернативных видов топлива. Газообразное топливо, диметиловый эфир, спирты, биотопливо -направления поиска путей ухода от нефтяной зависимости. Но существуют свои недостатки
и трудности в организации работы судна на таких видах топлива. Вопросы хранения на борту судна, разрешение на использование контролирующими органами, вложение материальных ресурсов на модернизацию двигателей, нехватка сырья, организация его производства и создание инфраструктуры для эксплуатации и сервиса - все это серьезно сдерживает развитие данного направления и жизнеспособно только в частных случаях или в качестве присадок.
Реализация каталитической нейтрализации, применение дожигателей, фильтров и пылеуловителей для обеспечения защиты окружающей среды от судовых выбросов привлекательны в первую очередь для эксплуатирующегося парка. Широкое применение получила технология селективного каталитического восстановления окислов азота аммиаком (SCR-процесс) [6]. Главным аргументом оппонентов применения этой технологии является опасность газообразного аммиака. Осуществлять одновременную очистку ОГ дизеля от окислов азота и продуктов неполного сгорания позволяет технология обработки газов нетермической (холодной) плазмой. Необходимо также выделить технологию зернистых фильтров, обеспечивающих повышенную скорость фильтрации, возможность очистки высокотемпературных газов, простоту эксплуатации и возможность полной автоматизации процесса очистки газа.
На ближайшее будущее перспективным представляется использование технологии плаз-менно-химической очистки газов; паров дизельного топлива в реакции восстановления окислов азота; платиновых нейтрализаторов; систем защиты катализаторов, обеспечивающей коагуляцию, улавливание и дожигание сажи для обеспечения работоспособности и сохранения высокой эффективности катализаторов.
Для постройки высокоэкологичного судна для акватории с повышенными требованиями к уровню выбросов ВВ в ОГ применяют современные решения. Нетрадиционные ЭУ целесообразно внедрять на стадии разработки проекта. Широкий спектр вариантов вмещает двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с электронным управлением, адиабатный цикл для разработки тур-бокомпаундного двигателя, принципиально отличающиеся от ДВС топливные элементы, электрохимические генераторы, двигатель с внешним подводом теплоты и анаэробные (воздухонезави-симые) энергетические установки (АНЭУ) [7]. В настоящее время промышленные масштабы могут стать реальной перспективой для внедрения электронного управления двигателем. Анаэробные энергетические установки незаменимы для подводных лодок, т. к. обеспечивают поддержание тактико-технических характеристик на требуемом уровне. Они могут быть оснащены дизелями, парогазовыми турбинами, машинами Стирлинга. Оснащение судов нетрадиционными установками позволит обеспечить требуемый уровень экологической безопасности, топливной экономичности и эксплуатационно-технических показателей. Применение других нетрадиционных ЭУ в промышленных масштабах отложено на среднесрочную перспективу ввиду необходимости совершенствования новых баз.
Перспективное направление в части снижения дымности ОГ - обеспечение выгорания твердого углерода. Интенсификация процесса горения за счет газодинамических колебаний рабочего тела в цилиндре дизеля позволяет значительно снизить дымность. Основным недостатком является необходимость применения поршня специальной конструкции с профилированной верхней плоскостью. Для подавляющего большинства главных судовых дизелей направление снижения дымности связано с разработкой и доводкой новой камеры сгорания и заменой поршня. Кроме того, изменения в конструкции серийно выпускаемых дизелей потребуют длительных процедур согласования с заводом-изготовителем и контролирующими органами. Однако при соответствующих доработках такой способ снижения дымности ОГ будет продуктивным и может быть рекомендован к широкому внедрению.
Уменьшить дымность, использовать топливо с повышенным содержанием ароматических углеводородов без ухудшения экологических показателей работы дизеля и увеличить КПД возможно с помощью подогрева топлива. Данные мероприятия актуальны и могут быть рекомендованы к развитию для применения на судах.
Добавление присадок к топливу позволит решить одновременно несколько важных задач. Наиболее эффективные по составу присадки позволяют значительно уменьшить количество сажи, окислов углерода, азота, канцерогенных веществ в выбросах, а также уменьшить расход топлива. При выборе оптимальной присадки во внимание следует принимать следующие факторы:
- совместимость с топливом;
- санитарно-гигиенические характеристики;
- чувствительность к удару и трению;
- простота технологии производства;
- доступность сырья;
- эффективность.
При создании и сопоставлении различных типов присадок необходимо учитывать побочное влияние попутных соединений. Таким образом, при правильном подборе присадок можно достичь одновременного улучшения показателей работы дизеля, уменьшения вредных выбросов и повышения экономических показателей. Такая возможность делает востребованным данный метод для дизелей, находящихся как на стадии проектирования, так и в эксплуатации.
Использование водотопливной эмульсии (ВТЭ) в качестве топлива, может обеспечить выполнение действующих норм не только двигателями, поставленными на производство с 2000 г., но и двигателями, находящимися в эксплуатации, без оснащения их систем газовыпуска дорогостоящими каталитическими нейтрализаторами. Кроме того, 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 необходимо учитывать степень форсирования двигателей, сорт применяемого топлива и условия эксплуатации судна.
Заключение
Для достижения максимального эффекта по повышению уровня экологической безопасности необходимо подходить к решению данной задачи комплексно. Так, рациональная схема рабочего процесса должна предусматривать:
1. Снижение температуры воздуха в цилиндре в начале сжатия.
2. Ограничение подачи топлива до в. м. т.
3. Организованное сгорание впрыснутой до в. м. т. порции топлива с целью интенсификации процесса сгорания основной порции топлива, впрыскиваемой за в. м. т.
4. Подача основной порции топлива с большой интенсивностью, высокой дисперсностью и ее окончание не позднее 20...25° поворота коленчатого вала (п. к. в.) за в. м. т.
5. Синхронизация периода максимальной скорости сгорания топлива с началом интенсивного движения поршня к нижней мертвой точке (н. м. т.), т. е. после 10...15° п. к. в. за в. м. т. В этом случае работа расширения газа должна в максимальной степени компенсировать прирост энергии от сгорания топлива и тем самым сдерживать рост температуры.
6. Окончание процесса сгорания не позднее 40...45° п. к. в. за в. м. т.
7. Исключение отрыва от соплового наконечника капель топлива или их укрунения в момент окончания впрыска.
Для сохранения достигнутых преимуществ важно квалифицированно эксплуатировать СЭУ, учитывая оптимальные режимы работы. Таким образом, суммируя грамотную эксплуатацию, регулировки показателей РП, высококачественное топливо и внешние системы уменьшения выбросов (нейтрализация и фильтрация), можно получить значительное снижение концентрации ВВ в ОГ без серьезных конструкционных доработок. Использование присадок, ВТЭ и подогрева топлива в совокупности позволяет эксплуатировать судно в строго охраняемых экологами акваториях, что способствует развитию торговых отношений за рубежом.
На судовых дизелях в проектной стадии рекомендуется внедрение электронного управления и выстраивание работы по адиабатному циклу. Применение АНЭУ на основе двигателей Стирлинга повысит конкурентоспособность российских подводных лодок и укрепит положение военного флота.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новиков Л. А. Контроль выбросов двигателей, установленных на объектах применения / Л. А. Новиков. Двигателестроение. 2007. № 2. С. 19-23.
2. Янкевич Н. С. Снижение содержания вредных примесей в отработавших газах ДВС / Н. С. Янке-вич, А. С. Климук, Л. С. Кравчук. Двигателестроение. 2005. № 2. С. 35-37.
3. Раевски П. Снижение уровня эмиссии оксидов серы на судах морского флота / П. Раевски. Двига-телестроение. 2007. № 1. С. 43-45.
4. Мельник Г. В. Новые требования и технологии для снижения выбросов дизелей / Г. В. Мельник. Двигателестроение. 2008. № 4. С. 45-51.
5. Новиков Л. А. Контроль за выбросами вредных веществ и контроль дымности от судовых двигателей и судов в соответствии с постановлением РФ № 83 от 6.02.2002 г. // Науч.-техн. сб. Российского Морского регистра судоходства. 2003. № 26. 245 с.
6. Храмов М. Ю. Разработка мероприятий по улучшению технико-экологических характеристик среднеоборотных судовых дизелей: дис. ... канд. техн. наук / М. Ю. Храмов. Нижний Новгород. 2008. 167 с.
7. Замуков В. В. Состояние и перспективы развития воздухонезависимых энергоустановок подводных лодок / В. В. Замуков, С. А. Петров, Д. В. Сидоренков. Судостроение. 2007. № 5. С. 39-42.
Статья поступила в редакцию 30.01.2015
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Климова Екатерина Владимировна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; старший преподаватель кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; каШ-waastu@yandex.ru.
Дорохов Александр Федорович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; dorokhovaf@rambler.ru.
E. V. Klimova, A. F. Dorokhov
RECOMMENDATIONS ON APPLICATION OF THE METHODS OF REDUCTION OF HARMFUL EFFECT OF SHIP EMISSIONS ON THE HYDROSPHERE
Abstract. Today, there is a wide range of solutions to reduce the harmful effects of ship emissions, but the extent of their effectiveness is mixed. In this connection, it is significant to analyze the existing activities in order to identify the optimal solutions. For maximum effect on improvement of the environmental safety, the problem must be solved comprehensively. Thus, summing up the competent operation, the adjustment of the indicators of the working process, high-quality fuel and external systems of emission reduction (neutralization and filtration) it is possible to obtain a significant reduction in the concentration of harmful substances in exhaust gases without major structural modifications. The joint use of additives, water-fuel emulsions and fuel heating allows to operate the ship in the strictly protected waters that contributes to the development of trade relations abroad.
Key word: marine power plant, exhaust gases, mixing, combustion, fuel-air mixture, emission reduction.
REFERENCES
1. Novikov L. A. Kontrol' vybrosov dvigatelei, ustanovlennykh na ob"ektakh primeneniia [Control of emissions of engines, installed at the operating objects]. Dvigatelestroenie, 2007, no. 2, pp. 19-23.
2. Iankevich N. S., Klimuk A. S., Kravchuk L. S. Snizhenie soderzhaniia vrednykh primesei v otrabo-tavshikh gazakh DVS [Reduction of the content of harmful additives in the exhaust gases of ICE]. Dvigatelestroenie, 2005, no. 2, pp. 35-37.
3. Raevski P. Snizhenie urovnia emissii oksidov sery na sudakh morskogo flota [Reduction of the level of emission of sulfur oxides at the ships of the marine fleet]. Dvigatelestroenie, 2007, no. 1, pp. 43-45.
4. Mel'nik G. V. Novye trebovaniia i tekhnologii dlia snizheniia vybrosov dizelei [New requirements and technology for reduction of diesel emissions]. Dvigatelestroenie, 2008, no. 4, pp. 45-51.
5. Novikov L. A. Kontrol' za vybrosami vrednykh veshchestv i kontrol' dymnosti ot sudovykh dvigatelei i sudov v sootvetstvii s postanovleniem RF № 83 ot 6.02.2002 g. [Control of the emissions of harmful substances and control of smokiness from marine engines and ships in accordance with the regulation of the Russian Federation № 83 dated 6.02.2002]. Nauchno-tekhnicheskii sbornikRossiiskogo Morskogo registra sudokhodstva, 2003, no. 26, 245 p.
6. Khramov M. Iu. Razrabotka meropriiatii po uluchsheniiu tekhniko-ekologicheskikh kharakteristik sred-neoborotnykh sudovykh dizelei. Dis. kand. tekhn. nauk [Organization of the activities on improvement of the technical and ecological characteristics of medium-speed marine diesels. Dis. cand. tech. sci.]. Nizhniy Novgorod, 2008. 167 p.
7. Zamukov V. V., Petrov S. A., Sidorenkov D. V. Sostoianie i perspektivy razvitiia vozdukhonezavi-simykh energoustanovok podvodnykh lodok [State and perspectives of the development of the air-independent power plants of submarines]. Sudostroenie, 2007, no. 5, pp. 39-42.
The article submitted to the editors 30.01.2015
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Klimova Ekaterina Vladimirovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Senior Lecturer of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Engineering"; katuwaastu@yandex.ru.
Dorokhov Alexander Fedorovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Engineering "; dorohov@astu.org.
