CC BY
43гимального мате-с более твердым •ания деталей софа.
я в качестве под-кения. В настоя-¡еского примене-пазоне скоростей гальных работ в ¿енения техноло-нного напыления та-4.
>ытий на чугунные 5-7.
Л.: Машинострое-
геталей // РИТМ. -
алов судовых дви-технических наук.
:ких покрытий при компрессорная тех-
Симия», 1979. А.Д. Верхотуров,
. - М.: Транспорт,
хения неорганиче-
змов. - М.: Транс -
их. - М.: Машино-
движного состава: -461 с.
дюгин Н.П. и др. -
антифрикционных
пения коленчатых рем-та автомоб-й /
»аанием и железне-
к. - Л.: Судострое-
зд. перераб. и доп.
[22] Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Книга 1. Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина - М.: Машиностроение, 1978. - С. 222.
[23] Ульман И.Е. и др. Восстановительная наплавка коленчатых валов дизельных двигателей // Сварочное производство. - 1982. - № 5. - С. 34-35.
[24] Харламов Ю А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность производства, эксплуатации и ремонта машин // Тяжелое машиностроение - 2000. - № 2.
[25] Черноиванов В.И., Андреев В.П. Восстановление деталей сельскохозяйственных машин. -М.: Колос, 1983.
THE ANALYSIS OF RECONDITIONING METHODS FOR MOUNTING SEATS OF SLIDING SUPPORTS OF LARGE-SIZED SHAFTS IN POWER PLANTS
I. P. Mordvinkin, F. F. Repin, V. V. Glebov
Comparison made between modern reconditioning techniques for supporting surfaces of large-sized shafts in engines and other power-generation units. The prospects of the techniques are evaluated. Or. the basis of the analysis of antifrictional materials used a constructive approach to the shell for the bearings in shafts restored by ther mal spray proccss is offered.
УДК 629.12-8:502.7
В. С. Панов, аспирант.
А. С. Курников, д. т. н., профессор, ВГАВТ.
603950 Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ токсичности ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В данной работе рассматриваются мероприятия с помощью которых становится возможным снизить количество вредных выбросов, выделяемых поршневыми двигателями в процессе работы с отработавшими газами.
Введение
Говоря о поршневых двигателях, прежде всего имеют ввиду двигатели внутреннего сгорания (ДВС), которые на сегодняшний день занимают лидирующие позиции во всех областях энергетики и транспорта. Значительная часть железнодорожного, морского и речного транспорта и практически весь автомобильный транспорт приводится в действие поршневыми ДВС с воспламенением от сжатия или с принудительным воспламенением от искры. Не секрет, что отработавшие газы (ОГ) ДВС являются основными загрязнителями атмосферы планеты.
Загрязнение атмосферного воздуха в результате работы ДВС обусловлено тремя основными источниками: системой выпуска ОГ, системой смазывания и вентиляции картера, системой питания. На долю ОГ приходится наибольшая часть вредных веществ (70...80 %), выделяемых в процессе работы двигателя. Камера сгорания двигателя - это своеобразный химический реактор, синтезирующий вредные вещества, которые затем поступают в атмосферу. Даже нейтральный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания двигателя, превращается в токсичные окислы. В ОГ содержится более 200 различных химических соединений, из них около 150 - производные углеводородов, прямо обязанные своим появлением неполному сгоранию топлива. В на-
83
стоящее время в РФ действуют законодательные документы: ГОСТ Р 51249 - 99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения», ГОСТ Р 51250 - 99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения», область действия которых распространяется на судовые, тепловозные и промышленные двигатели внутреннего сгорания. Данные нормативные документы устанавливают нормы выбросов токсичных и отравляющих веществ, входящих в состав ОГ, при проведении стендовых испытаний новых и отремонтированных двигателей, а также в условиях эксплуатации при проведении испытаний силовых установок. До появления ГОСТ Р 51249 - 99 и ГОСТ Р 51250 - 99, в России действовал документ с января 1983 г. под названием ГОСТ 24028 - 80 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерения». Этот документ распространялся только лишь на вновь выпускаемые дизели и не затрагивал те двигатели, которые находились в эксплуатации. Кроме того, до появления ГОСТ Р 51249 - 99 абсолютно никак не нормировалось содержание вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу с ОГ судовых силовых установок. Ужесточение требований и норм отечественных и зарубежных стандартов на выбросы вредных веществ с ОГ судовых двигателей совместно с проблемой истощения мировых топливных ресурсов только увеличивают значимость и актуальность вопросов, связанных с совершенствованием процессов сгорания углеводородных топлив.
Рис. 1. Методы совершенствования рабочего процесса дизелей
Т Р 51249 - 99 :ществ с отрабо-- 99 «Двигатели 1ормы и методы ые, тепловозные вные документы , входящих в сосанных двигате-ювых установок, твовал документ !, тепловозные и змерения». Этот I и не затрагивал , до появления редных веществ, кггочение требо-едных веществ с 1 топливных ре-□анных с совер-
1Н
р«ю-
Решение этих вопросов позволит использовать силовые установки с более высоким экономическим эффектом, а также с минимальным воздействием ОГ дизелей на окружающую среду.
Существуют различные методы совершенствования рабочего процесса дизелей (рис. 1), все их условно можно разделить на две группы. В первую группу входят конструктивные и технологические мероприятия, которые производятся на этапе проектирования новых двигателей, а во вторую - мероприятия, проводимые для эксплуатируемых двигателей и не требующие серьезного вмешательства в конструкцию.
Методы, относящиеся к первой группе, как правило, требуют значительного капиталовложения, что не приемлемо для эксплуатирующихся судов, так как многие из них отработали по двадцать лет и более. Внедрение на этих судах новейших двигателей (или глубоких изменений конструкции существующих) крайне не целесообразно и не оправданно. Следовательно, необходимо искать компромиссные решения, которые позволили бы без значительного капиталовложения привести к повышению экономической и экологической эффективности энергетических установок данных судов.
1. Методы совершенствования процесса сгорания
1.1. Термофорсирование
Термофорсирование - улучшение свойств топлива путем его подогрева до высоких температур = 200 °С и выше. Данный способ заключается в предварительной термической подготовке топлива перед подачей его в цилиндр двигателя [5]. Эффект термофорсирования позволяет сократить период задержки воспламенения, а также улучшается качество распыливания тяжелых топлив. Вполне очевидно, что при применении предварительного подогрева топлива потребуется топливная аппаратура, которая смогла бы обеспечивать стабильную и надежную эксплуатацию в условиях повышенных температур. В большей степени это касается форсунок, в силу того, что интенсивность их охлаждения топливом сильно ухудшится. Кроме того, возникает необходимость оборудования системы топливоподачи подогревателями [23].
1.2. Введение присадок в топливо
Эффективным методом улучшения процесса сгорания топлива является введение органических и элементоорганических соединений. Применение таких химических соединений в дизельных двигателях приводит к снижению детонации и токсичности ОГ. Период задержки воспламенения топливовоздушной смеси в значительной степени определяет мощностные и экономические показатели двигателя. Поэтому в настоящее время наиболее широко применяются присадки, повышающие цетановое число топлива. Такие присадки имеют низкую энергию активации разложения и генерируют активные центры воспламенения топлива. Чем больше в топливе инициаторов воспламенения, тем выше его цетановое число, меньше период задержки воспламенения. Увеличивается полнота сгорания топлива, что положительно влияет на топливную экономичность и эмиссию продуктов неполного сгорания [19]. Отечественными представителями ряда интенсифицирующих присадок являются «Изобарол - 1», «Изобарол - 2», НЗОЛ.
В качестве веществ, снижающих дымность ОГ дизелей, рекомендованы соединения марганца и железа. К наиболее распространенным отечественным присадкам можно отнести «Любризол - 565», «ВНИИНП - 104», «ВНИИНП - 106»; к импортным - ЯЯА (Англия), «Рочем вазулит» (США) и др. Исследованием этого ряда присалок занимались многие авторы [18,20, 27]. На основании этих исследований можно сделать вывод, что применение противодымных присадок приводит в целом к положительному влиянию на экономичность двигателя и улучшению экологических показателей ОГ.
Существуют также присадки физического действия. Они не оказывают большого влияния на процесс сгорания, но эффективно участвуют в процессе смесеобразования, уменьшают размер капель, тем самым увеличивая общую поверхность факела. Механизм
действия таких присадок обусловлен снижением сил поверхностного натяжения капель на границе «жидкость - газ». Из отечественных присадок наиболее распространенными являются «Дисмайк» (ВНИИНП), ЛЗ - ЦНИИМФ 6192; из импортных «Фот - \У», «П -Фот - Марк», «Марк- IV» и др. Импортные присадки чаще всего многофункциональны. Они не только улучшают распиливание топлива, но и обладают антикоррозионными, противонагарными и другими положительными эффектами.
Проведенные исследования присадок не раз подтверждали положительный результат от их применения. Однако при использовании топлив с присадками необходимо учитывать ряд особенностей. Присадки снижают стабильность свойств топлива при хранении (снижается цетановое число). При увеличении концентрации присадки в топливе, ее относительная эффективность снижается. Для получения адекватного эффекта от применения присадок практически всегда необходимо корректировать угол опережения подачи топлива (с точки зрения экономичности, токсичности и уровня детонации). И наконец, стоимость топлива с присадками значительно выше, чем стоимость базового топлива.
1.3. Электростатическое облучение
Качественное улучшение параметров топлива, которые определяют его склонность к самовоспламенению и скорость распространения фронта пламени, можно осуществить с помощью электростатической обработки топлива. Данный метод заключается в подведении некоторого потенциала к распылителю форсунки, за счет этого капли распыленного топлива приобретают электростатический заряд одинакового знака. В присутствии электрического заряда на поверхности капель происходит целый ряд физических явлений, в результате этого уменьшаются силы, определяющие прочность капли. Кроме того, от действия сил взаимного отталкивания, которые имеются между ионами, на поверхности капли резко падает внутренняя и внешняя теплота парообразования, что сопровождается уменьшением парциального давления. В силу этих явлений растет коэффициент диффузии паров топлива и соответственно увеличивается скорость испарения капель [24]. Данный метод как и любой другой имеет свою отрицательную сторону, это связано со сложностью подвода электростатического потенциала к распылителю (форсунка не должна иметь гальванической связи с остальными деталями двигателя).
Косвенным методом улучшения процесса сгорания топлива является ионизация воздуха поступающего в цилиндры двигателя электростатическим полем большой напряженности. Под воздействием электростатического поля частицы, входящие в состав воздуха, а именно молекулы кислорода, азота и других газов, а также ионы и пылевые частицы, получают электростатический заряд. Взаимодействие этих частиц с молекулами углеводородов в газообразной фазе приводит к интенсификации холоднопламенных и пламенных процессов. Существенным недостатком данного метода следует считать необходимость введения электродов в камеру сгорания двигателя. Так как ионизация воздуха вне цилиндра двигателя малоэффективна, по данным [13] при прекращении действия электростатического поля на воздушный заряд (при поступлении его в камеру сгорания), количество заряженных частиц в нем резко уменьшается.
Помимо раздельной электризации топлива и воздушного заряда существует комплексный подход, предложенный В.Д. Дудышевым [9, 10], заключающийся в одновременной обработке электрическим полем не только топлива и окислителя, но и дополнительно подвергается электромагнитному облучению пламя. Сущность процесса состоит в том, что в электрическом поле многократно ускоряются процессы дробления и окисления радикалов топлива и молекул токсичных окислов. В результате взаимосвязанного воздействия электрического высокочастотного поля с топливом, окислителем, промежуточными продуктами горения и ОГ, достигается более полное и
зтяжения капель пространенными (Фот - «П -функциональны. коррозионными,
эжительный ре-адками необхо-:войств тоштива рации присадки шя адекватного корректировать токсичности и чительно выше,
1яют его склон-иамени, можно 1нный метод за-'рсунки, за счет заряд одинако-гель происходит . определяющие 1я, которые име-внешняя тепло-1ГО давления. В соответственно я любой другой »ода электроста-гальванической
тете я ионизация ¡ем большой на-одящие в состав ионы и пылевые ггиц с молекула-тоднопламенных следует считать к как ионизация ри прекращении нии его в камеру
существует ком-юпшйся в одно-лите ля. но и до-дность процесса ропессы дробле->в В результате эля с топливом, х более полное и
интенсивное сжигание любого топлива. Исследования, проведенные В.Д. Дудыше-вым, доказывают, что именно электрическое поле, прямо воздействующее на пламя, и эмиссия потока электронов в пламя могут наиболее эффективно интенсифицировать процесс горения и сделать его экологически чистым и безвредным для человека и окружающей среды. Характерными особенностями данного метода являются эффекты озонирования окислителя, электростатического распыления и электростатического впрыска электрически заряженных частиц топлива и окислителя с образованием в камере сгорания тончайшего топливо-воздушного «тумана» молекулярного уровня. Физически механизм электростатического дробления топлива объясняется силовым кулоновским взаимодействием отталкивания электрически одноименно заряженных капель (частиц) топлива друг от друга с их прогрессирующим дроблением и, соответственно, уменьшением массы и электрического заряда. Однако несмотря на все преимущества данного метода у него есть один существенный недостаток, который заключается в том, что данный процесс горения в электростатическом поле достаточно сложно организовать в поршневом двигателе.
1.4. Применение озона
Сотрудниками Волжской Государственной Академии Водного Транспорта для улучшения параметров рабочего процесса было предложено использование озона в системе питания дизелей. Данный метод позволяет продлить продетонационный эффект, что связано с образованием атомарного кислорода по реакции:
03 —» 02 + О (Е = 2 ккал/моль)
и повысить полноту сгорания топлива, снизив при этом вредное влияние отработавших газов на окружающую среду. Ускорение процесса высокотемпературного воспламенения дизельного топлива при введении атомов кислорода вызвано двумя факторами, а именно, в стадии зарождения цепи реакция распада ЯН заменяется энергетически более выгодной реакцией, энергия активации которой Е = 24 ккал/моль, вместо 100 ккал/моль для ЯН; и что замена ЯН на О в качестве начальных активных центров создает возможность развития процесса горения как при воспламенении водорода. Однако введение озона непосредственно в топливо приводит к ряду неблагоприятных явлений - при взаимодействии озона с углеводородами непредельного и ароматического рядов образуются конечные продукты распада в виде спиртов, альдегидов, кислот и других соединений, обладающих ограниченной растворимостью в топливе. Это может привести к потере горючей массы и выпадению в осадок таких соединений. Наличие непрореагирующего озона в топливе может привести к коррозии топливной аппаратуры и преждевременному выводу ее из эксплуатации [15].
Однако ввод озона можно осуществлять во впускной коллектор двигателя или в воду (в случае применения водотопливных эмульсий). Но для получения положительного эффекта от ввода озона во впускной коллектор требуется его высокая концентрация. Как известно, производство озона достаточно энергоемкое мероприятие, поэтому данный метод не нашел дальнейшего применения. Исследования, проведенные авторами [15], доказывают, что озонирование воды, используемой для приготовления водотош1ивной эмульсии, имеет значительно больший эффект улучшения процесса сгорания, чем ввод озона в топливо или в воздушный заряд. Данный метод может с успехом применяться в судовых системах топливоподачи, в состав которых входит установка для приготовления водотопливной эмульсии.
1.5. Водотопливные эмульсии
Применение водотопливных эмульсий (ВТЭ) является одним из эффективных и малозатратных способов улучшения экологических и экономических характеристик ДВС. Как показывает опыт, применение обводненных дизельных топлив заметно увеличивает
87
экономичность двигателей; снижает дымность, температуру и токсичность ОГ. Появляется возможность значительной форсировки дизелей на (15...20) %, что имеет важное значение для судов речного флота, где часто возникает необходимость использовать максимальную мощность двигателей в различных навигационных ситуациях. Эмульгирование позволяет организовать работу дизеля на тяжелых сортах горючего без ухудшения основных показателей работы двигателя. Как показали исследования [17], у двигателей, работающих на ВТЭ улучшились не только экологичность и экономичность, но шблюдается некоторое увеличение ресурса. Более того, применение ВТЭ значительно расширяет область применения водорастворимых присадок, использование которых сдерживалось из-за плохой растворимости в топливе. Необходимо также отметить, что применение обводненных топлив не требует каких-либо переделок двигателя, не связано с использованием дефицитных материалов и не нуждается в больших капиталовложениях.
К сожалению, до сих пор нет четкого описания, которое давало представление о механизме влияния эмульгированной в топливе воды на процесс сгорания. Авторы многих работ дают этому явлению далеко не одинаковые трактовки. Одни исследователи полагают, что в основе эффекта от использования ВТЭ лежат различные физические процессы, другие отдают предпочтение химической природе явления. Наконец, третьи считают, что улучшение качества рабочего процесса дизелей при переводе их на обводненное топливо имеет как физическое, так и химическое объяснения [17]. Несмотря на большое количество достоинств данного метода, он также имеет свои недостатки: при применении ВТЭ должно уделяться особое внимание качеству и количеству применяемой для приготовления эмульсии воды. Так как при низком качестве эмульгированной в топливо воды возникают коррозия и повышенный износ топливной аппаратуры и деталей цилиндро-поршневой группы. А при избыточной концентрации воды в эмульсии с сернистыми сортами топлив в отработавших газах дизелей могут образовываться серная и сернистая кислоты, что приведет к неизбежной коррозии выпускных клапанов и газовыпускного тракта двигателя.
1.6. Впрыск водяного пара
Аналогичным способом улучшения процесса сгорания является впрыск влажного водяного пара или воды во впускной коллектор, либо непосредственно в цилиндр двигателя. Эффективное влияние влажного пара на процесс сгорания объясняется тем, что водяной пар частично диссоциирует в пламени на водород Н2 и кислород 02. Есть еще один немаловажный положительный эффект от введения пара в мотор. Дело в том, что когда водяной пар взаимодействует с углеродом при температуре выше 750 градусов, он разлагается на составляющие. Так что, накопленный в камерах сгорания продукт неполного горения низкосортных топлив - сажу, водяной пар активно разлагает во время вспышки и высокотемпературного горения паро-топливной смеси в цилиндрах ДВС. Кто этого не знает - те постоянно спорят о том, что пар ничего толкового для двигателя не дает. Однако, двигатель, в котором используется пар - всегда чист! Потому что пар с пользой перерабатывает всю сажу в топливный синтез-газ. При этом чистота ОГ соответствует стандартам Евро 3,4 [11].
1.7. Обработка топлива в катализаторах
В последнее время в научной литературе все чаще стали появляться статьи, касающиеся каталитической обработки углеводородных топлив. На сегодняшний день патентная документация располагает множеством разновидностей катализаторов, применяемых для улучшения качества сгорания углеводородных топлив. Катализаторы могут устанавливаться как в топливные танки, так и непосредственно в топливную магистраль, то есть топливо протекает через катализатор, омывая его активные поверхности. При этом происходит целый ряд электрохимических и химических реакций, топливо насыщается комплексными соединениями типа «углеводород - ме-
трыск влажного :нно в цилиндр ия объясняется и кислород О,. а в мотор. Дело атуре выше 750 .мерах сгорания активно разлапой смеси в ци-р ничего толко-ся пар - всегда иый синтез-газ.
гься статьи, ка-одняшний день катализаторов, ив. Катализато-енно в топлив-я его активные химических ре-еводород - ме-
талл». Данные соединения являются генераторами активных центров химических реакций, протекающих в процессе предпламенной подготовки топлива к сгоранию. Одним из эффективных способов улучшения свойств топлива является его гидрирование на катализаторах в присутствии водорода. В качестве катализаторов в нефтепереработке используются никель платина Р1 и палладий Рё. Процесс происходит при температуре (610...650) К и давлении (2...4) МПа. Данная технология позволяет уменьшить количество поверхностно-активных вешеств и увеличить количество углеводородов парафинового ряда. Увеличение в топливе количества таких углеводородов способствует сокращению периода задержки воспламенения и более плавному протеканию процесса сгорания в целом. Но в судовых условиях достижения таких параметров малореапьно, а применение таких катализаторов при низких температурах неэффективно. Следовательно, данный способ неприемлем в судовых условиях.
Наиболее доступным из таких катализаторов, позволяющим осуществить процесс гидрирования при низких температурах, является никель Ренея. Данный катализатор представляет собой особым образом приготовленные гранулы никеля с сильно развитой активной поверхностью. Никель Ренея при изготовлении поглощает большое количество водорода и поэтому является одним из самых распространенных катализаторов гидрирования. Результаты анализа показывают, что при обработке топлива с помощью никеля Ренея температура вспышки снижается примерно вдвое, при этом значительно снижается количество окислов азота, образующихся в камере сгорания двигателя [14].
1.8. Обогащение воздушного заряда Ог
Как один из способов совершенствования процесса сгорания можно рассматривать принудительное обогащение топливовоздушной смеси кислородом. Очевидно, что увеличение в камере сгорания концентрации молекулярного кислорода, прежде всего, сказывается на образовании первичных кислородных соединений, которые в свою очередь определяют скорость воспламенения и характер горения. С ростом концентрации кислорода увеличивается и скорость реакций окисления, что приводит к повышению температуры и максимального давления в камере сгорания двигателя. В конечном итоге повышается термическая напряженность деталей цилиндропоршне-вой группы и газовыпускного тракта, а, следовательно, снижается их срок службы. Кроме того, возрастание максимального давления в цилиндре двигателя при расширении продуктов сгорания передаст значительно больший импульс на поршень, чем при обычном режиме (с участием кислорода воздуха). [3, 25, 26]. Следовательно, при увеличении скорости сгорания топливовоздушной массы в цилиндре двигателя увеличиваются и динамические нагрузки на кривошипно-шатунный механизм. А значит, увеличивается износ сопрягаемых узлов трения, и долговечность двигателя в целом резко снижается. В свою очередь детонационное сгорание сопровождается снижением мощности и соответственно экономичности двигателя. Другой отрицательной особенностью данного способа, является то обстоятельство, что при увеличении температуры в камере сгорания вызывает рост образования окислов азота.
1.9. Замена традиционного вида топлива
Достаточно перспективным способом снижения выбросов вредных веществ в ОГ судовых дизелей является замена традиционного вида топлива альтернативным, таким как метанол или природный газ[1]. Положительными качествами, как природного газа так и метанола являются обширные ресурсы для их получения, относительно невысокая стоимость и налаженное производство. В продуктах сгорания таких топлив практически отсутствуют сернистые соединения и сажа. Двигатели, способные работать на метаноле и природном газе, могут также работать и на других сортах топлива. Применение метанола в качестве основного топлива ограничивается его плохой воспламеняемостью, высокой теплотой парообразования и низкими смазывающими
89
свойствами. Поэтому применение природного газа предпочтительнее. Главными задачами при переводе существующих дизелей на альтернативные виды топлива являются: обеспечение высокоточного регулирования газовоздушной смеси при ее сте-хиометрическом составе, использование обедненной газовоздушной смеси, а также применение рециркуляции ОГ. Кроме того, выброс вредных веществ из газового двигателя дополнительно понижают с помощью каталитических окислителей. Важно отметить, что для достижения мощности двигателя, работающего на газовой смеси, эквивалентной мощности базового дизеля требуется обеспечить среднее эффективное давление (1,2... 1,4) МПа, повысив степень наддува двигателя [12].
1.10. Использование высококачественного топлива
Снижения выброса вредных веществ с ОГ дизелей также можно достичь при использовании высококачественного топлива. Образование сажистых частиц в значительной степени зависит от содержания в топливе углеводородов ароматического ряда. Увеличение содержания в составе топлива ароматиков с 10 до 50 % по объему вызывает рост макрочастиц в ОГ на 50 %. С увеличением содержания серы в топливе (более 0,05 %) выброс твердых частиц также возрастает [2]. На выбросы N0* заметное влияние оказывает только цетановое число. Наибольшее влияние выявлено в дизелях с неразделенной камерой сгорания. В таких дизелях существенного снижения выбросов >ЮЧ можно добиться, повысив цетановое число примерно до 50 единиц. При дальнейшем увеличении цетанового числа снижение эмиссии МОх незначительное. Следовательно, для того чтобы максимально снизить выбросы N0*. и твердых частиц в ОГ дизельное топливо должно иметь низкое содержание серы (до 0,05 %), ароматических углеводородов (10...35 %) и высокое цетановое число (40. ..50) [1].
2. Методы воздействия на ОГ
2.1. Применение нейтрализаторов ОГ
Существенно снизить выброс в атмосферу вредных продуктов сгорания, образовавшихся в результате работы дизеля, можно с помощью нейтрализаторов ОГ. Все нейфали-заторы делятся на два вида: селективные и неселективные. Селективные нейтрализаторы снижают концентрацию лишь одного токсичного компонента ОГ, как правило, МОх.
Рис. 2. Система БСЯ- селективный нейтрализатор N0*
Неселективные термические (окислительные) и каталитические (восстановительно-окислительные) нейтрализаторы снижают концентрацию двух или трех компонентов (НС, СО, КОх). Такие нейтрализаторы нашли достаточно широкое применение на автомобильных и стационарных дизелях, особенно в тех случаях, где требуется обеспечить предельно жесткие требования по выбросам вредных веществ в отработавших газах.
Эффективность очистки ОГ от вредных составляющих достаточно высока и достигает в двухпроходном каталитическом нейтрализаторе: по НС - 73 %, по СО - 70 %. В трех-проходном каталитическом нейтрализаторе достигается более высокая степень очистки: по NOx - 97 %, по НС - 75 %, по СО - 92 %. Однако даже при незначительном отклонении коэффициента избытка воздуха от расчетного значения эффективность действия трехпроходных нейтрализаторов (по отношению к NOx) резко снижается.
Окислительный нейтрализатор непосредственно не оказывает никакого влияния на концентрацию NOx в ОГ. Но благодаря его высокой эффективности по снижению НС, имеется возможность уменьшить угол опережения подачи топлива таким образом, чтобы при некотором увеличении содержания НС в ОГ снизить содержание NOx. На сегодняшний день для судовых дизелей предлагается лишь одна технология сокращения выбросов NOx - это селективная каталитическая очистка ОГ от NO, (SCR - selective catalytic reduction). Принцип метода SCR заключается в уменьшении концентрации оксидов азота путем их химической реакции с амонием или мочевиной при температуре (350.. .450) °С. Этот метод удобен тем, что его единственные побочные продукты - вода и азот имеют газовое состояние. Необходимо отметить, что химическая реакция процесса очистки в нейтрализаторе предусматривает поддержание молекулярного соотношения между NH3 и NOx как можно ближе к единице. При недостатке аммония эффективность нейтрализации NOx снижается. Превышение молекулярного отношения приводит к выбросу аммония. Так как утечки аммиака в количестве выше 25 млн'1 придают газам характерный запах, поэтому его концентрация регламентирована 5...25 млн"'.
Рис. 3 и 4 показывают рабочий интервал системы с подачей аммиака в зависимости от молекулярного соотношения NH3/NOx. Выполнение требования высокой степени нейтрализации NOx одновременно с требованиями минимального выброса NH3 сводит рабочий интервал работы системы к очень узкой области. В современных установках в основном применяется катализатор окисления в качестве последнего слоя в пакете катализаторов. Это расширяет интервал работы и уменьшает до минимума возможность значительного выброса аммония.
0.8 0,9 1,0 1,1
Молекулярное отношение ИНз/НОх
Рис. 3. Рабочий диапазон отношения NH3 / NO, системы SCR без слоя катализатора окисления
хтановительно-эс компонентов кнение на авто-ется обеспечить эотааших газах.
Использование технологии SCR в судовых энергетических установках сдерживается из-за достаточно сложного процесса регулирования подачи аммония в периоды пуска, остановки и маневрирования, чтобы не допустить выброс излишка аммиака или не нейтрализованные оксиды азота [1].
91
~си
=п
О £
ю
i_rv о
CZ
Z !
Z
200 150 100 50
= 0
\ ~ \ : \ • «— NHs быбросы / / . лпвгЗе* WipeсэО^^^"
V__ i i i
- предел tvicorot - №s Mi
Грейел t.5p:cot IHi 1 i . Г
200
150
100 | 3
50 |
3
CD
О
0,8 0,9 1,0 1,1
Молекулярное отношение NHs/NOx
1.2
Рис. 4. Рабочий диапазон отношения NH3 / NOx системы SCR с катализатором окисления в качестве последнего слоя
2.2. Фильтрование ОГ
Заметим, что для предотвращения отрицательного воздействия аэрозольных составляющих ОГ на работоспособность нейтрализаторов, ОГ необходимо предварительно очищать от этих примесей. Основным компонентом твердых частиц в ОГ является сажа. Перспективными устройствами для улавливания сажи могут выступать различные фильтры, встроенные в газовыпускной тракт двигателя. Наиболее эффективными являются зернистые фильтры [21] и фильтры из пористой керамики [22]. Фильтры из пористой керамики достаточно широко применяются зарубежными производителями автомобильных дизелей. Эффективность улавливания сажи достигает (70...75) %.
Другим перспективным способом фильтрации ОГ дизелей является использование электрофильтров. Они показали еше более впечатляющие результаты, так степень очистки отработавших газов от сажи достигает (85...95) % [6].
2.3. Рециркуляция ОГ
Перепуск части ОГ во впускной коллектор достаточно хорошо зарекомендовал себя как дополнительный способ снижения выбросов окислов азота с ОГ. На рис. 5 приведена принципиальная схема рециркуляции ОГ.
Рис. 5. Принципиальная схема рециркуляции ОГ двигателей
Но необходимо учитывать, что при слишком большой степени рециркуляции (большой объем ОГ поступает зо впускной коллектор, при котором наступает сильный недостаток кислорода) возрастают выбросы углеводородов СН, окиси углерода СО и сажи.
аэрозольных como предваритель-ии в ОГ является тупать различные активными явля-'ильтры из порис-водителями авто-.75) %.
¡ется использова-таты, так степень
> зарекомендовал i с ОГ. На рис. 5
циркуляции (боль-ет сильный недос-за СО и сажи.
О 10 20 30 40
Интенсивность рециркуляции %
Рис. 6. Влияние интенсивности рециркуляции ОГ на выбросы N0,, СН и твердых частиц
Как видно из рис. 6. при превышении интенсивности рециркуляции более 20 % резко возрастает содержание углеводородов в ОГ. Одновременно с этим увеличивается выброс твердых частиц (сажи), но в значительно меньшей степени. Поэтому рециркуляция ОГ требует оптимального и точного регулирования с целью ограничения выбросов углеводородов и твердых частиц. Так же необходимо учесть, что при большой интенсивности рециркуляции заметно ухудшается топливная экономичность двигателя [1].
2.4. Комплексные системы очистки ОГ
Различия в механизмах образования и нейтрализации основных токсичных компонентов ОГ в большинстве случаев приводят к тому что снижение эмиссии одних вызывает увеличение выделения других токсичных составляющих. Поэтому наиболее эффективными мерами по снижению выбросов всего ряда токсичных компонентов является применение комплексных систем очистки и нейтрализации ОГ. включающие в себя фильтры и различные по назначению и действию нейтрализаторы.
Эффективность очистки отработавших газов от вредных компонентов с помощью комплексных систем составляет:
- оксиды азота N0* - 85 %
- оксид углерода СО - 90 %
- углеводороды СХНУ - 90 %
- твердые частицы - 70 %
На рис 7, 8 выполнено сравнение эффективности влияния комплексных систем на эмиссию самого токсичного компонента (N0*) отработавших газов дизелей и газовых двигателей [ 1].
Применение каталитического селективного
Непосредственный
неитрализатора впрыск воды .
У1\
/ в ■¿- '■- _____Стандартный дизель
г)
Уменьшение угла \ угяь^ ■ I
опережения впрыска---/X'- /
топлива
^ЩЩ£^#^Охлаждение воздуха на входе
Рис. 7. Изменение содержания N0« в ОГ дизеля, работающего на тяжелом нефтяном топливе
93
Работа на бедных
Газ высокого
Работа на бедных :месях + пекгивный
1ЛИТИЧ6СКИЙ
ггрализато
Сжиженный природный газ -высокого давления
газов
■Дизельное топливо
Рис. 8. Изменение содержания NO* в ОГ двигателя, работающего на различных видах топлива
3. Установка подготовки топлива для дизелей
Использование катализаторов и присадок удовольствие не из дешевых, поэтому необходимо искать новые решения, которые могут эффективно снизить степень вреда, наносимого воздушному бассейну токсичными составляющими ОГ, и одновременно с этим не приводят к ухудшению технико-экономических параметров двигателя. Один из таких способов реализует в себе как комплекс воздействий на процесс сгорания, так и на ОГ дизеля. Главная идея состоит в довольно простой операции насыщения топлива водой. Однако это простое мероприятие до сих пор не получило дальнейшего развития и в основном из-за психологического барьера. Подавляющее большинство механиков на флоте категорически отказываются верить в то, что топливо может смешиваться с водой и при этом не распадаться на исходные составляющие. Но дело все в том. что принцип приготовления эмульсии топлива с водой существенно отличается от того, который используется в традиционных гомогенизаторах. Современные аппараты вихревого слоя (ABC) справляются с задачей обводнения топлива намного эффективнее. По сути это труба из немагнитного материала, внутри которой наводится мощное вращающееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с рабочими телами (иголками), приводя их в интенсивное движение. Одновременно иголки сами становятся магнитами и. в свою очередь, всту пают во взаимодействие с вращающимся полем. В результате, в рабочем пространстве генерируется ряд эффектов, которые совмещаются с термическими и механическими явлениями, возникающими при ударах иголок друг о друта. о вещество и со стенками рабочей зоны. Удельная мощность этих эффектов очень велика, а когда они действуют одновременно на частицы вещества, то оно претерпевает глу бокие структурные и энергетические изменения [4].
В базовое топливо можно ввести до 7 % воды, причем глобулы воды не просматриваются. т.е. можно считать, что перемешивание происходит на молекулярном уровне. Не секрет, что любое топливо, поступающее на судно, уже имеет в своем составе влагу, разница лишь в процентном соотношении. Такое топливо может достаточно долго храниться. как показывает опыт, расслоения не наблюдается даже через (5...6) месяцев. Еще одним положительным эффектом данного аппарата можно считать то. что при превышении концентрации воды (7 %) в ВТЭ, приготавливаемой с помощью ABC. из топлива выпадают в осадок вместе с излишками воды (80...90)% смолистых соединений и (60...70) % серы [4]. Это положительное влияние значительно может расширить ассортимент применяемых топлив (например, с высоким содержанием серы). На рис. 9 приведена принципиальная схема установки приготовления топлива для дизелей.
х вилах топлива
певых. поэтому не-ить степень вреда, и одновременно с двигателя. Один из хс сгорания, так и асьпцения топлива ьнейшего развития шнство механиков кет смешиваться с |ело все в том. что тличается от того, иые аппараты вих-ного эффективнее, дится мощное вра-шми телами (игол-и сами становятся иощимся полем. В >ые совмещаются с ipax иголок друг о ггь этих эффектов гества. то оно гтре-
оды не просматри-екулярном уровне, юем составе влагу , таточно долго хра-ез (5...6) месяцев, пъ то. что при пре->щью .АБС. из толстых соединений и г расширить ассор-1ы). На рис. 9 при-дгоелей.
Ьезбух из отмогферы
Сюда
бцислер«;
Vm*Vb*Vb р-с,ГОЧИЫ'М
f»"*1 ЛГ гопли&о
кдизе/и
Рис. 9. Принципиальная схема установки подготовки топлива для дизелей: 1 - насос шестеренчатый; 2 - емкосгь исходного топлива; 3 - озонатор; 4 - аппарат вихревого слоя, 5 - кран шаровый: 6 - деаэратор; 7 - эжектор; 8 - насос центробежный: 9 - электролизер. 10-отстойник; 11 - клапан электромагнитный трехходовой; 12-цистерна шламовая
В основе предлагаемого мероприятия подготовки топлива для дизелей лежит принцип обработки водотопливной смеси в ABC 4 с последующим отстаиванием в динамическом отстойнике 10. При этом из топлива вместе с частью воды выпадают в осадок смолистые соединения и сера. Смесь этих нежелательных компонентов вместе с излишками воды удаляется в цистерну для сбора шлама 12. Остаточное содержание влаги в ВТЭ составляет (4...7) %. Такое топливо подходит для работы двигателя на режимах холостого хода и близких к нему. Если двигатель работает на холостом ходу, то весь объем обработанного топлива подводится к двигателю через обводной трубопровод минуя эжектор 7(2) На номинальном режиме в обработанную ВТЭ вводится очередная порция воды с помощью эжектора 7(2), что позволяет дополнительно улучшить протекание процесса сгорания.
Вода для приготовления ВТЭ проходит предварительную обработку с помощью озонирования и электрохимического разделения в электролизере (на католит и анолит). Следует заметить, что для приготовления ВТЭ используется только католит, а анолит может с успехом применяться в предварительном окислении сточных вод [16].
Заключение
Дизели судов речного и морского флота РФ отличаются степенью форсировки, частотой вращения и техническим состоянием, определяемом, прежде всего, степенью изношенности деталей цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры, вследствие чего имеют место большие различия в фактических данных по эмиссии токсичных выбросов в ОГ главных и вспомогательных двигателей. Значительная часть главных и вспомогательных двигателей, находящихся в эксплуатации, не удовлетворяет требованиям действующих на территории Р.Ф. ГОСТов по токсичности и дымности. Это, как правило, наблюдается на судах с большим сроком эксплуатации. Еще большее количество двигателей не удовлетворяет действующим и тем более перспективным требованиям зарубежных стандартов, что необходимо учитывать, принимая во внимание возрастающее количество перевозок отечественными судами в зарубежные порты. Учитывая непростую экономическую ситуацию в стране в условиях мирового экономического кризиса, должны быть четко определены получаемые
95
экономический и экологический эффекты, целесообразность применения конкретного метода снижения токсичности ОГ дизелей. В ближайшие годы на судовых энергетических установках должны применяться только эффективные и проверенные методы снижения вредных выбросов. Это - использование ВТЭ дизельного и моторного топлива, приготавливаемых с помощью ABC, использование присадок и применение каталитической модификации топлива перед подачей его в дизель. В ближайшем будущем возможно применение на судах комплексных систем очистки и нейтрализации ОГ. Важно подчеркнуть, что отечественные требования, предъявляемые к качеству ОГ, очень сильно отстают от действующих норм зарубежом. В стране действуют ГОСТы десятилетней давности, в то время как в зарубежных странах эти требования не стоят на месте, а обновляются ежегодно. А вопрос о целесообразности применения способов снижения токсичности обязательно должен решаться в соответствии со стандартами, действующими в месте эксплуатации судна.
Список литературы
[1] Анализ и разработка рекомендаций по использованию средств и способов уменьшения вредных выбросов в отработавших газах судовых дизелей // Отчет по итогам НИР X-I.I / Руководитель работы Валиулин С.Н. - Н. Новгород, 1994. - 249 с.
[2] Бабаев А.И. Влияние свойств топлива на токсичность отработавших газов дизелей / Анализ технического уровня и тенденций развития ДВС // Информцентр - НИИД. - М - 1994. -Вып. 10.-С. 3-35.
[3] Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях. Пер. с англ. - М.: Химия, 1967. - 256 с.
[4] Вершинин Н.П. Установки активации процессов. Использование в промышленности и в сельском хозяйстве. Экология. - Ростов-на-Дону, 2004. - 314 е., ил.
[5] Гаврилов Б.Г., Гулин Е.И., Лесников А.П., Новикова Т.А. Химические основы термофорсирования двигателя дизеля // ЖПХ, АН СССР - 1963. - т. XXXVI. - С. 2498-2502.
[6] Гладков O.A., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. - Л.: Судостроение, 1990,- 112 с.
[7] ГОСТ Р 51249 - 99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения».
[8] ГОСТ Р 51250 - 99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения».
[9] Дудышев В. Д. Новая электроогневая технология интенсификации процессов горения // докл на Международной научно-практической конференции "Экология больших городов". - М., 1997.
[10] Дудышев В.Д. Способ интенсификации и управления горением пламени " - пат. РФ № 2125682 с приоритетом от 06.06.95г.
[11] Дудышев В.Д. Экономия топлива и снижение токсичности бензиновых двигателей - «Экология и промышленность России» май, 2003.
[12] Ерофеев В.Л. Использование перспективных топлив в судовых энергетических установках. - Л.: Судостроение, 1989. - 80 с.
[13] Жданов A.C., Жданов ГЛ. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник. -4-е изд., испр. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 512 с.
[14] Исследование влияния катализатора на характеристики топлива и удельный расход топлива // Отчет о НИР / Руководитель работы Валиулин С.Н. - Н. Новгород, 1993. - 50 с.
[15] Курников A.C., Садеков М.Х. Подготовка компонентов питания судовых двигателей внутреннего сгорания // Сборник научных трудов. - Вып. 294. - Н. Новгород, Изд-во ВГАВТ, 2000. - С. 84-96.
[16] Курников A.C. Совершенствование систем обеспечения обитаемости и повышение экологической безопасности судов на основе активированных окислительных технологий. Дисс. доктора тех. наук., Н. Новгород, 2002.
[17] Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях, - Л.: Судостроение. 1988. - 108 с.
[18] Лернер М.О. Регулирование процесса горения в двигателях с искровым зажиганием. - М.: Наука, 1972.
[ 19] Лернер М.О. Химические регуляторы горения моторных топлив. - М.: Химия, 1979. - 224 с. [20] Майко Л.П., Серегин Е.П., Лернер М.О. и др. - Химия и технология топлив и масел. -1974.-№4.-С. 22.
енения конкретного I судовых энергети-роверенные методы го и моторного топ->к и применение ка-В ближайшем буду-ки и нейтрализации вяяемые к качеству $ стране действуют шах эти требования азности применения в соответствии со
:пособов уменьшения >гам НИР Х-1.1 / Руко-
■азов дизелей / Анализ ИИД. - М. - 1994. -
я. 1967.-256 с. промышленности и в
е основы термофорси-8-2502.
ых судов. - Л.: Су до-
Выбросы вредных ве-
¿мность отработавших
ахов горения // докл на »родов".-М., 1997. пламени " - пат. РФ
ых двш-ателей - «Эко-
хтических установках.
, заведений: Учебник. -рвтуры, 1984.-512 с. зольный расход топли-993. - 50 с.
V двигателей вн\тренне-ГАВТ, 2000. - С. 84-96. ги и повышение эколо-гсхнологий. Дисс. док-
с;.довых дизелях. - Л.:
вым зажиганием. - М.:
Химия. 1979.-224 с. >гня топлив и масел. -
[21] Очистка отработавших газов дизеля от сажи зернистым фильтром / O.A. Гладков, В.И. Шопин, А.Н. Медякин, В.К. Шнраер // Двигателестроение. - 1984. - № 12. - С. 22-23.
[22] Р. Хельферих, К. Йошида, К. Огасавара. Характеристики регенерации керамических уло-витлей твердых частиц в отработавших газах дизеля. SAE Technical Paper Series, 1991, Л» 910327, pp. 121-134.
[23] Рябчиков О.Б. Влияние перегрева тяжелых топлив на характеристики дизеля с неразделенной камерой сгорания II ВИНИТИ. - М.: АН СССР. Экспресс-информация. - 1986. -Вып. 45(220). - С. 3-8.
[24] Салимов А.У., Балабеков М.Т.. Багдасаров A.M. Вопросы теории электростатического рас-пыливания. - Ташкент, «ФАН». 1968. - 110 с.
[25] Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. - Л.: Машиностроение, 1972. - 224 с.
[26] Сомов В.А.. Ишук Ю.Г. Судовые многотопливные двигатели. - Л.: Судостроение, 1984. - 240 с.
[27] Sprengler G., Haupt G. - MTZ, 1970, Bd. 31, Ks 3, S. 102.
THE WAYS OF EXHAUST GASES TOXICITY REDUCTION OF PISTON ENGINES
V. S. Panov, A. S. Kurnikov
The article deals with the measures helping to reduce the quantity of noxious substances in exhaust gases discharged by piston engines
УДК 502:628.3
А. О. Писарев, аспирант.
А. С. Курников, д. т. н., профессор, ВГАВТ.
603950 Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ СУДОВЫХ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД
В работе рассматривается проблема очистки судовых нефтесодержащих вод. Произведен анализ эффективности существующих систем очистки, сделаны выводы о преимуществах тех или иных методов. Предложена принципиально новая схема системы на основе выполненного обзора.
1. Нефтесодержащие воды и их контрольные параметры
Нефтепродукты являются одними из наиболее распространенных антропогенных загрязнителей поверхностных водоемов и водотоков, а в некоторых регионах также и подземных источников питьевого водоснабжения. Они попадают в окружающую среду в результате техногенных аварий, сброса неочищенных и недостаточно очищенных нсфтесодержащих сточных вод (НВ). Поэтому проблема эффективной очистки НВ, наряду с другими мероприятиями по предотвращению загрязнения водных источников нефтепродуктами, является одной из наиболее актуальных в современных условиях.
Нефтепродукты и близкие к ним по свойствам масла содержатся в производственных сточных водах подавляющего числа предприятий промышленности, транспорта и сферы услуг, поверхностном стоке с территорий этих предприятий, а также отработанных технологических растворах различного назначения - смазочно-охлаждаюших жидкостях, моечных и обезжиривающих растворах и тому подобных эмульсиях производственного назначения.
Источниками попадания нефти в водоемы с речных и морских судов являются [3]:
97
