Научная статья на тему 'Вопросы снижения эмиссии NOx в выхлопных газах судовых среднеоборотных дизелей (обзор статей Diesel facts. 2010, n 4)'

Вопросы снижения эмиссии NOx в выхлопных газах судовых среднеоборотных дизелей (обзор статей Diesel facts. 2010, n 4) Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
1193
109
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМА ПИТАНИЯ COMMON RAIL / СЕЛЕКТИВНОЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ / ТЕХНОЛОГИЯ ПОДАЧИ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА В ЦИЛИНДРЫ / POWER SYSTEM COMMON RAIL / SELECTIVE CATALYTIC REACTIVATION / TECHNOLOGY OF SUPPLY OF MOIST AIR INTO THE CYLINDERS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Андрусенко Сергей Евгеньевич, Матвеев Юрий Иванович

Вступление в 2016 г. в действие норм Tier III приводит к необходимости введения технических средств и решений, которые будут способствовать уменьшению выбросов NOx на 80 %. Представлены результаты исследований современных двигателей зарубежного производства, даны рекомендации, показаны пути снижения NOх. Основные мероприятия: система аккумуляторного впрыска Common Rail и селективное каталитическое восстановление отработавших газов. Рассмотрены достоинства и недостатки основных мероприятий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Андрусенко Сергей Евгеньевич, Матвеев Юрий Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

METHODS OF NOx EMISSION REDUCTION IN EXHAUST GASES OF MARINE MEDIUM REVERSE DIESEL ENDINES (REVISION OF THE ARTICLES IN Diesel facts. 2010, N 4)

Entrance into action of Tier III standards in 2016 results in the need to introduce technical tools and solutions that will help to reduce NOx emissions by 80 %. The results of studies of modern engines of foreign manufacture are presented and the recommendations are given, the ways of NOx reduction are shown. The main events are: the battery system Common Rail injection and selective catalytic reactivation of exhaust gases. The advantages and disadvantages of the main events are considered.

Текст научной работы на тему «Вопросы снижения эмиссии NOx в выхлопных газах судовых среднеоборотных дизелей (обзор статей Diesel facts. 2010, n 4)»

УДК 621.43.05 ББК 34.41

С. Е. Андрусенко, Ю. И. Матвеев

ВОПРОСЫ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ NOX В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ (ОБЗОР СТАТЕЙ DIESEL FACTS. 2010, N 4)

S. E. Andrusenko, Yu. I. Matveev

METHODS OF NOX EMISSION REDUCTION IN EXHAUST GASES OF MARINE MEDIUM REVERSE DIESEL ENDINES (REVISION OF THE ARTICLES IN DIESEL FACTS. 2010, N 4)

Вступление в 2016 г. в действие норм Tier III приводит к необходимости введения технических средств и решений, которые будут способствовать уменьшению выбросов NOx на 80 %. Представлены результаты исследований современных двигателей зарубежного производства, даны рекомендации, показаны пути снижения NO^ Основные мероприятия: система аккумуляторного впрыска Common Rail и селективное каталитическое восстановление отработавших газов. Рассмотрены достоинства и недостатки основных мероприятий.

Ключевые слова: система питания Common Rail, селективное каталитическое восстановление, технология подачи влажного воздуха в цилиндры.

Entrance into action of Tier III standards in 2016 results in the need to introduce technical tools and solutions that will help to reduce NOx emissions by 80 %. The results of studies of modern engines of foreign manufacture are presented and the recommendations are given, the ways of NOx reduction are shown. The main events are: the battery system Common Rail injection and selective catalytic reactivation of exhaust gases. The advantages and disadvantages of the main events are considered.

Key words: power system Common Rail, selective catalytic reactivation, technology of supply of moist air into the cylinders.

Фирма MAN Diesel осуществила опытную эксплуатацию своих среднеоборотных двигателей с селективным каталитическим восстановлением (SCR - Selective Catalytic Reduction) отработавших газов и технологией подачи влажного воздуха в цилиндры двигателя (HAM -Humid Air Motor). Внедрение этих мероприятий позволило получить значительное снижение выбросов окислов азота (NOx) до пределов уровня Tier III требований Международной морской организации (IMO - International Maritime Organization), вступающих в силу после 2016 г. для прибрежных районов плавания морских судов

С двигателем 32/44CR, представленным впервые на выставке 2009 г., фирма MAN Diesel & Turbo продолжила свои целевые исследования по уменьшению выбросов NOx с отработавшими газами и доведению их до жестких пределов уровня Tier III IMO [1].

Центральное место стенда фирмы MAN Diesel & Turbo на торгово-промышленной выставке в Гамбурге занимал двигатель 20V32/44CR с системой питания Common Rail и системой SCR, представлявший собой 10-метровый агрегат 6-метровой высоты - самый крупный экспонат, когда-либо представлявшийся фирмой MAN Diesel & Turbo на любых других выставках (рис. 1). Фирма MAN Diesel & Turbo демонстрировала готовность поставлять двигатели, удовлетворяющие уровню Tier III требований IMO по выбросам токсичных компонентов, вступающих в силу с 2016 г. в прибрежных районах плавания морских судов.

Рис. 1. Двигатель 20V32/44CR с системой SCR фирмы MAN Diesel & Turbo на торгово-промышленной выставке в Гамбурге в 2010 г.

20-цилиндровый двигатель в версии 32/44CR был специально изготовлен для выставки в Гамбурге. Оборудованный системой аккумуляторного впрыска Common Rail, механизмом изменения фаз газораспределения (VVT - Variable Valve Control) и изменяемой геометрией турбокомпрессора (VTA - Variable Turbocharger Geometry), двигатель 20V32/44CR является одним из самых экономичных двигателей своего класса. Даже без каталитического конвектора системы SCR двигатель удовлетворяет нормам Tier II требований IMO по выбросам NOx с отработавшими газами, вступившими в силу с 2011 г., и осуществляет их снижение на 20 %.

Вступление в 2016 г. в действие норм Tier III приводит к необходимости введения дальнейших технических средств и решений, которые будут способствовать уменьшению выбросов NOx на 80 %, что и стало основной причиной, по которой фирма MAN Diesel & Turbo продемонстрировала новый двигатель на выставке в Гамбурге.

При использовании метода SCR (рис. 2) выхлопные газы обрабатываются аммиаком или мочевиной и подаются в каталитический преобразователь при температуре 300-400 °С с целью снижения содержания в них NOx до 98 %.

SCR-технология хорошо отработана и основана на применении дозированного впрыска раствора мочевины в поток отработавших газов на входе в каталитическую установку, восстанавливающую NOx до азота и воды [2].

Метод SCR имеет большое значение для достижения норм Tier II. Двигатель, представленный на выставке, полностью удовлетворял требованиям норм Tier II уже за счет своей ультрасовременной конструкции.

Генератор аммония CO(NH2)2 + H2O 2NH3 + CO

SCR-катализатор NOx ~O2, NH3 - N2H3O

Рис. 2. Схема селективного каталитического восстановления отработавших газов

Современная конструкция двигателя, по мнению специалистов фирмы MAN Diesel & Turbo, включает:

- высокую степень сжатия, что обеспечивает быстрое снижение температуры после воспламенения топлива с соответствующим снижением эмиссии NOx и увеличением удельного расхода топлива;

- приближение фаз газораспределения к фазам цикла Миллера с ранним закрытием впускного клапана, обеспечивающим снижение пиков значений температуры, и соответствующее уменьшение эмиссии NOx;

- использование высокоэффективных турбокомпрессоров с высокой степенью наддува для оптимизации компромисса между уменьшением NOx и одновременным увеличением удельного расхода топлива;

- изменение фаз газораспределения в части уменьшения угла перекрытия клапанов;

- применение системы топливоподачи, обеспечивающей гибкую настройку угла начала подачи топлива, продолжительность подачи топлива и давление впрыска. При этом система Common Rail может быть оптимизирована для работы с низким расходом топлива благодаря использованию систем с электронным управлением; при этом функцию снижения эмиссии NOx осуществляет SCR-процесс.

Снижение объемов выбросов NOx методом SCR может происходить только внутри определенного температурного диапазона [2]. Если температура слишком высока, аммиак преимущественно будет сгорать, а не реагировать с NO/NO2. При очень низкой температуре скорость реакции будет слишком медленной и конденсация сульфатов аммония выведет из строя каталитический элемент.

Эти недостатки, при меньшей производительности по снижению выбросов NOx с отработавшими газами, отсутствуют в технологии HAM.

Технология HAM заключается в насыщении наддувочного воздуха парами морской воды, поступающей в турбокомпрессор. В результате температурные пики сгорания снижаются, вследствие чего происходит и снижение эмиссии NOx (рис. 3).

Сокращение NOx с влажным воздухом Пик образования NOx

Рис. 3. Образование NOx как функция температуры сгорания

К основным эксплуатационным преимуществам применения технологии НАМ относятся:

- значительное сокращение эмиссии NOx в выхлопных газах на полной и частичных нагрузках;

- снижение расходов масла и топлива независимо от сорта применяемого топлива;

- уменьшение тепловой нагрузки на двигатель в связи с уменьшением максимальных значений давления сгорания топлива;

- низкие требования к техническому обслуживанию системы подачи влажного воздуха;

- экологическая безопасность метода вследствие того, что в системе двигателя используется неочищенная морская вода [3].

Испытания двигателя 16У28/32А фирмы MAN Diesel & Turbo с технологией HAM были проведены на норвежском судне Kvannoy (рис. 4).

Указанная система смонтирована на судне под руководством сервисного центра MAN PrimeServ (Фридрисхавен, Дания) с участием норвежского классификационного общества морского судоходства DNV (Det Norske Veritas), которым и осуществлялся окончательный анализ выбросов NOx во время ходовых испытаний главного двигателя.

Рис. 4. 84-метровый «Kvannoy» с технологией HAM

Испытания показали, что выбросы КОх, измеренные в соответствии с рекомендациями Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ) по циклу Е2 испытаний, составили 3,6 г/(кВт • ч). Это соответствует уменьшению количества выбросов на 61,3 % по сравнению с двигателем, не оснащенным системой НАМ. Результаты испытаний приведены на рис. 5 [3].

Испытательный цикл Е2 в соответствии с приложением VI МАРПОЛ

Рис. 5. Уровень выбросов с применением технологии NAM

Полученное значение эмиссии NOx в выхлопных газах на 1,2 г/(кВт • ч) выше предела, ограниченного рамками уровня Tier III, такой уровень позволяет сократить эмиссию NOx в выхлопных газах на 50 т в год. Экономически это эквивалентно ежегодной экономии в 800 тыс. норвежских крон (100 тыс. евро) из-за снижения налоговой ответственности за NOx, введенное правительством Норвегии для судов, эксплуатирующихся во внутренних водах. Срок окупаемости модернизации двигателя с целью использования системы НАМ составит около 3 лет.

Следует также отметить, что испытуемый двигатель 16V28/32А фирмы MAN Diesel & Turbo, не оборудованный технологией HAM, имел выбросы NOx на уровне норм Tier II вследствие конструктивных особенностей, введенных в конструкцию базового двигателя.

Исследования фирмы MAN Diesel & Turbo, проведенные с целью снижения выбросов NOx в отработавших газах судовых двигателей, показали следующее:

- базовыми мероприятиями для снижения токсичности выхлопных газов является совершенствование конструкции двигателя, способное обеспечить снижение выбросов NOx в отработавших газах до 20 %;

- применение специальных средств для снижения токсичности выхлопных газов, в частности технологий каталитической очистки газов и подачи влажного воздуха, способствует наиболее полной очистке газов от NOx, однако требует оборудования двигателя специальными системами. При этом непременным условием является внесение в базовую конструкцию двигателя конструктивных улучшений, ориентированных на функционирование систем двигателя и организацию рабочего процесса.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. 32/44CR Cracks Tier III with Selective Catalytic Reduction // Diesel facts. A Technical Customer Magazine of MAN Diesel & Turbo. - 2010. - N 4. - P. 3.

2. Обозов А. А. По страницам зарубежных журналов // Двигателестроение. - 2007. - № 4. - С. 51-55.

3. First Humid Air Motor Makes Waves in Fishing Industry // Diesel facts. A Technical Customer Magazine of MAN Diesel & Turbo. - 2010. - N 4. - P. 8.

Статья поступила в редакцию 14.11.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Андрусенко Сергей Евгеньевич - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; аспирант кафедры «Эксплуатация судовых энергетических установок»; [email protected].

Andrusenko Sergey Evgenievich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Postgraduate Student of the Department "Operation of Ship Power Plants"; [email protected].

Матвеев Юрий Иванович - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Эксплуатация судовых энергетических установок»; [email protected].

Matveev Yury Ivanovich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Doctor of Technical Science; Professor; Head of the Department "Operation of Ship Power Plants"; [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.