CC BY
141
УДК 621.44.(045)
Ф. В. Патров, О. С. Вахромеев
СНИЖЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОДОТОПЛИВНЫ1Х ЭМУЛЬСИЙ
Введение
Проблемой минимизации содержания токсичных составляющих в отработавших газах (ОГ) занимались и занимаются многие организации и научно-исследовательские институты. Различные аспекты этой проблемы изучены достаточно полно для того, чтобы сделать заключение о тупиковой ситуации или о необходимости значительных финансовых затрат. Возможность сокращения эмиссии вредных примесей с уходящими газами за счет совершенствования характеристик рабочего процесса дизелей практически исчерпана.
Практикой и научными исследованиями многократно доказана транзитивность понятий «рабочий процесс дизеля» и «образование оксидов азота N0,,» [1].
Известно, что оксид азота (II) N0 образуется из смеси азота с кислородом при температуре 1200-1300 °С. В то же время температура и состав реагирующих агентов рабочего процесса дизеля в полной мере соответствуют условиям образования этого оксида в цилиндре. Иллюстрацией может служить приведенный в [2] пример изменения температурных зон в камере сгорания по углу от 8 до 18° поворота коленчатого вала (ПКВ) после верхней мертвой точки (рис. 1) и изменения температуры пламени по углу поворота при работе дизеля ЧН 24/36 на различных нагрузках (рис. 2).
'■'М П2 —|5 \—~4
Рис. 1. Температурные зоны в камере сгорания дизеля: 1 - Т = 1230-1430 °С; 2 - Т = 1430-1630 °С; 3 - Т = 1630-1830 °С; 4 - Т = 1830-2130 °С
Т, °С
Рис. 2. Изменение температуры пламени в дизеле 4Н 24/36: 1 -ре = 100 %; 2 -ре = 40 %
Высокая степень очистки газов (до 90 %) от NOx с помощью устанавливаемых в выпускном трубопроводе дизелей каталитических регенераторов требует значительных дополнительных расходов - 40-70 долл. США на один кВт мощности, т. е. дополнительные расходы на одно судно с мощностью энергетической установки 5 000 кВт составляют 200-350 тыс. долл. на период работы дизеля до переборки. Ориентировочно такие же затраты необходимы и для изготовления установки, применяемой фирмой «Пилстик» на двигателе РС2.6 при снижении NOx в уходящих газах на 70 % от установленного IMO норматива. Альтернативой указанным способам сокращения эмиссии вредных примесей с уходящими газами может служить использование водотопливных эмульсий.
Финская фирма «Вяртсиля» совместно с международной корпорацией А-55, находящейся в США, начинает применять в дизелях эмульгированное топливо на базе высоковязкого мазута, содержащее до 30 % водной фазы и 0,5 % специальной присадки, используемой для интенсификации горения и повышения стабильности эмульсии. Корпорация MAN-B&W в установленных на круизных судах среднеоборотных двигателях нового поколения 48/60IS и 58/60IS использует водотопливную эмульсию с 15 %-м водосодержанием, приготавливаемую на базе высоковязкого топлива также гидродинамическими ультразвуковыми устройствами. Содержание NOx в уходящих газах дизелей снизилось до 6,7 г/(кВт • ч). В соответствии с приведенной на рис. 3 диаграммой, определяющей последовательность ввода в действие ограничений выбросов NOx согласно разработанному IMO техническому кодексу, использование корпорацией MAN B&W водотопливной эмульсии обеспечивает содержание NOx в уходящих газах практически в два раза ниже нормативов IMO.
NOx, г/(кВт • ч)
Рис. 3. Последовательность ввода в действие ограничений выбросов ЫОх
Методики и устройства приготовления ВТЭ и прямого впрыскивания воды в цилиндры двигателя разрабатываются, апробируются и внедряются давно, но порой оказываются малопригодными для работы дизелей на маневровых режимах, выполняемых обычно на акваториях дельт рек и портов, расположенных, как правило, в черте населенных пунктов. Сравнительно легко эта проблема решается применением разработанной в Астраханском государственном техническом университете системы автоматизированного приготовления ВТЭ [3], при условии четкого определения допустимого влагосодержания ВТЭ для каждого режима работы дизеля. Логично предположить, что влияние величины влагосодержания ВТЭ далеко не одинаково отражается на концентрации компонентов ОГ, поэтому изучение соотношения влагосодержания ВТЭ и основных компонентов вредных выбросов ОГ судовых двигателей внутреннего сгорания требует подробного и тщательного рассмотрения. Комплексные исследования возможностей перевода на ВТЭ судовых дизелей широкого типоразмерного ряда нашло отражение в работах ЦНИДИ [3]. Были испытаны на ВТЭ дизели 6Ч и 6ЧН 12/14, 6ЧР 32/48, 8ЧРН 32/48, 6ЧРН 36/45. В ходе анализа были рассмотрены указанные работы и приняты во внимание результаты стендовых испытаний дизеля 6ЧН 32/35 (6Ю2Б) фирмы «Вяртсиля».
В табл. 1 представлено содержание вредных веществ в ОГ дизеля 6ЧН 32/35, на рис. 4 -изменение концентрации КОх в ОГ и удельного расхода топлива в зависимости от содержания воды в ВТЭ.
Таблица 1
Содержание вредных веществ в ОГ дизеля 6ЧН 32/35 на режиме номинальной нагрузки
Показатель Сорт топлива
дизельное S = 0,6 % моторное S = 2,6 %
Оксиды азота NOx, г/(кВт-ч) 12,6 10,5
Оксиды углерода СО, г/(кВт • ч) 2,1 2,3
Несгораемые углеводороды СН, г/(кВт • ч) 0,8 0,8
Двуокись серы S02, г/(кВт • ч) 2,3 10,1
Значение дымности, bosh Максимальное 0,2
Из анализа результатов испытаний дизеля 6ЧН 32/35 можно сделать следующий вывод: при работе на эмульгированном дизельном топливе содержание в выхлопных газах КОх обратно пропорционально количеству воды в эмульсии.
ge, г/(кВт • ч) NOx, %
Cw, %
Рис. 4. Изменение удельного расхода топлива ge дизеля 6ЧН 32/35 при работе на ВТЭ и содержания КОх в ОГ (50 % от номинальной мощности): См, - влагосодержание
Параметры дизеля, характеризующие рабочий процесс при переходе на ВТЭ, несколько изменяются. На режиме 50 % от номинальной мощности, при количестве Н2О в топливе 29 %, удельный расход топлива составил 217 г/(кВт • ч), тогда как при работе на обычном топливе он составляет 225 г/(кВт • ч) (рис. 4). Таким образом, помимо улучшения экологических показателей двигателя имеет место снижение расхода топлива. Анализ также показал, что при использовании ВТЭ снижаются выбросы не только оксидов азота КОх, но и оксида углерода СО и твердых частиц [2-4].
Нами был проведён цикл экспериментальных исследований на главном судовом дизеле 6ЧН 18/22 судна льяльных вод типа «Радуга» при его работе на ВТЭ с различным влагосодер-жанием. Топливная система двигателя была переоборудована под питание двигателя ВТЭ и эксплуатационным дизельным топливом. Эмульсия готовилась путём установки подсистемы подачи, контроля и регулирования количества воды 10, 15 и 20 %, в зависимости от нагрузки двигателя. Были установлены следующие регулировочные характеристики дизеля: давление впрыска эмульсии - рвпр = 15 МПа; угол опережения подачи - фоп = 21°. В ходе исследований измерялись: максимальное давление сгорания - р2 (индикаторным датчиком статического давления «Майгак»); максимальная температура выхлопных газов - Тг (посредством штатных ртутных термометров, установленных на выходе из каждого цилиндра); удельный расход топлива - ge (объёмным способом, посредством штатного штихпробера); содержание в ОГ КОх газоанализатора «Анкат-310», который давал также значения коэффициента избытка воздуха - а. Результаты исследований представлены на рис. 5, 6.
Тг/Тг
г0
Рис. 5. Соотношение значений температуры газов (Тг/Тг0) при различных значениях влагосодержания: 1 - п = п/пном; 2 - п = 1,03ном
№/№х0 ршах/ршах0
■*—КО/ЫОх0, п = 1,03ном
"' pшax/pшax0, п = 750 ш1п -1
Рис. 6. Соотношение оксидов азота и максимальных давлений сгорания при различных значениях См;
Анализируя результаты исследований, можно отметить улучшение показателей рабочего цикла дизеля при его работе на ВТЭ.
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.
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 ОГ 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 концентрацию воды в ВТЭ, присадки, возможности топливной аппаратуры, можно разработать рекомендации по применению ВТЭ в любых условиях эксплуатации каждого конкретного судового дизеля.
В целом выполненный анализ показал высокую эффективность применения ВТЭ (2232 % с эмульгатором) в части снижения выбросов с ОГ. Наилучшие результаты получены при работе на режиме 75 % от номинальной мощности при количестве Н2О в топливе 32 %. На этом режиме концентрация КОх 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 ОГ судовых дизелей в соответствии с Приложением VI к Международной конвенции МАРПОЛ 73/78, а также с учетом положений Федерального закона РФ «Об охране атмосферного воздуха [5]», можно сделать вывод о целесообразности применения ВТЭ в качестве топлива для судов внутреннего водного транспорта.
Заключение
Использование ВТЭ в качестве топлива для судовых дизелей 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.
Описанные исследования проведены применительно к прибрежным районам Каспийского моря и низовьями Волжской речной системы, густонаселённым (города Махачкала, Актау, Астрахань) и характеризующимися интенсивным судоходством. Оборудование судов бинарными топливными системами может в значительной мере снизить уровень антропогенной нагрузки на окружающую среду при позитивных показателях рабочего процесса судовых дизелей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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. Сомов В. А., ИщукЮ. Г. Судовые многотопливные двигатели. - Л.: Судостроение, 1984. - 240 с.
3. Зубрилов С. П., Ищук Ю. Г., Косовский В. П. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. -Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.
4. Теренин И. Н., Покусаев М. Н. Влагометрия судового топлива: учеб. пособие. - Астрахань: Нова, 2002. - 174 с.
5. Федеральный закон РФ от 04.05.1999 г. № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» (принят ГД РФ 02.04.1999).
Статья поступила в редакцию 24.02.2010
THE REDUCTION OF NITROGEN OXIDE CONCENTRATION IN EXHAUST GASES OF SHIP DIESEL ENGINES APPLYING OIL-TO-WATER EMULSIONS
F. V. Patrov, O. S. Vakhromeev
The possibility to reduce nitrogen oxide concentration in exhaust gases of ship diesel engines applying binary fuel systems is investigated in the paper. Diesel oil is used as starting and shut-down, and emulsified diesel oil with various moisture content is used as operational. The high efficiency of the application of oil-to-water emulsion is shown. The best result is the concentration of NOx less 35-40 % than needed when common fuel is applied.
Key words: diesel fuel; oil-to-water emulsion, ship diesel engine; nitrogen oxide concentration.
