Сайт нуждается в вашей поддержке!
Категории сайта

Влияние вида топлива на токсичность выпускных газов

Присоединяйтесь к нашему ТГ каналу!

Одним из направлений решения задачи по предотвращению образования экологически опасных веществ при сгорании топлива является обеспечение его полного и интенсивного сгорания. В качестве технических решений, обеспечивающих эффективное сгорание традиционных высоковязких топлив, рекомендуется применение смеси топлив с пресной водой в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ) и присадок, улучшающих сгорание топлив. Результаты многочисленных исследований и практический опыт применения ВТЭ позволяют четко представить положительный эффект, который в этом случае достигается.

При работе дизеля на полной эксплуатационной мощности в топливо вводится вода в количестве 8-20 %, на долевых режимах работы дозирующее устройство обеспечивает повышение содержания воды.

Топливо, с введенной водой, подвергается гомогенизации с целью получения стабильной ВТЭ с глобулами воды в ней, примерно 5-6 мкм. Размеры образующихся при этом структурных (агрегативных) смолистоводяных систем, не превышают 10-12 мкм, что обеспечивает вполне удовлетворительную фильтруемость эмульсии фильтрами дополнительной очистки, установленными непосредственно перед дизелем. В случае, если система топливоподачи на участке до топливного насоса находится под атмосферным давлением (открытая система), температура подогрева ВТЭ не превышает 90-95 °С, при избыточном давлении допускается температура выше 100 °С (до значения, обеспечивающего необходимую вязкость эмульсии при впрыске). Механизм распыливания эмульсии существенно отличается от традиционного способа.

Для эффективного сгорания необходимо обеспечить быстрое испарение распыленных топливных капель в камере сгорания. Продолжительность испарения зависит от размера капли: чем больше капля, тем больше времени требуется для ее испарения. Дисперсность распыленного топлива в случае его применения в смеси с водой в виде ВТЭ резко возрастает, поскольку распыливание осуществляется в две фазы:

После первой фазы распыливания, капля (частица) ВТЭ представляет собой структурную систему, внутри которой находится одна или несколько глобул воды. В камере сгорания такая система подвергается подогреву. Под действием сил поверхностного натяжения эти системы удерживаются в первоначальном виде. Температура кипения воды примерно в 2 раза ниже температуры кипения топлива, поэтому удерживаемая в топливе глобула воды при подогреве капли (частицы) в конце концов в результате вскипания преодолевает силы поверхностного натяжения находящейся вокруг нее топливной оболочки («шубы») и взрывается, разбрызгивая эту оболочку на мельчайшие частицы распыливания. При этом резко увеличивается дисперсность распыливания топлива, что обеспечивает быстрое испарение топливных частиц и интенсивное и полное сгорание топлива. Кроме того, практически полностью предотвращается образование окиси углерода, снижается образование окислов азота и существенно уменьшается образование твердых частиц неполного сгорания топлива.

В целях дальнейшей интенсификации протекания рабочего процесса, сокращения периода задержки воспламенения и, таким образом, еще большего снижения образования окислов азота разработан способ совмещения двух фаз распыливания, когда промежуток времени между фазами уменьшен почти до нуля. Это достигается путем использования «эффекта вскипания» глобул воды в топливных каплях (частицах) сразу же после их образования при истечении ВТЭ через сопловые отверстия форсунки. Для того, чтобы это происходило, эмульсия, находящаяся при остаточном давлении (10-15 МПа) в трубопроводе (между насосом высокого давления и форсункой), подогревается до температуры 150-200 °С. При подаче ВТЭ с такой температурой подогрева, под давлением 50-80 МПа через сопловые отверстия форсунки в камере сгорания происходит мгновенное вскипание глобул воды в распыленных каплях (частицах), т. е. образуются микровзрывы. При этом резко уменьшается период задержки воспламенения, интенсивное сгорание топлива происходит при отсутствии образования окиси углерода и минимальном образовании окислов азота. В результате интенсивного сгорания топлива уменьшается образование других вредных для окружающей среды веществ (твердых агломератов, сажи и др.), а также полностью исключается образование веществ вида CH.

На рис. 1 показано влияние процентного содержания воды по объему в топливе на содержание NOx в выхлопных газах. Приблизительно можно сказать, что каждый процент добавления воды в топливо снижает на процент эмиссию NOx, при этом экономические показатели дизеля особенно не ухудшаются.

Шкала влияния на эмиссию
Рис. 1 Влияние водотопливной эмульсии на эмиссию NOx

На рис. 2 показаны замеренные значения эмиссии на стационарном двигателе 12К80МС-S. Эти двигатели предназначены для использования эмульгированного топлива с добавлением воды до 50 %. Из графиков следует, что достигнутые значения эмиссии значительно ниже значений, указанных в контракте на поставку двигателя, и соответствуют примерно 50 % от предельных значений IMO для двигателей этого типа.

Графики значений эмиссии
Рис. 2 Эмиссия стационарного дизеля 12К80МС-S.
1 – контрактные значения; 2 – достигнутые значения при работе на ВТЭ

Применение водотопливной эмульсии для снижения выбросов NOx является довольно популярным методом, требующим незначительной модернизации судовой системы топливоподготовки и модернизации системы топливоподачи (топливных насосов, форсунок, топливных шайб (кулачков) распределительного вала). На рис. 3 видно, что система топливоподготовки требует добавления одного элемента – смесителя-гомогенизатора 8, обеспечивающего однородную мелкодисперсную смесь тяжелого топлива и пресной воды 7 в требуемой пропорции.

Чертеж системы топливоподготовки
Рис. 3 Схема топливной системы подготовки водотопливной эмульсии.
1 – двигатель; 2 – вентиляционная труба; 3 – цистерна тяжелого топлива; 4 – топливо, подаваемое от центрофуг; 5 – цистерна дизельного топлива; 6 – топливоподкачивающие насосы; 7 – подача пресной воды; 8 – гомогенезатор; 9 – циркуляционные насосы; 10 – подогреватель топлива; 11 – полнопоточный фильтр

Проведенные научно-исследовательские изыскания показали, что из всех способов предотвращения образования вредных веществ в дизелях наиболее универсальным является сжигание топлива в виде ВТЭ, причем этот способ хорошо подходит для судовых условий. При работе двигателя на ВТЭ (содержание воды в топливе 15-40 %) в результате улучшения полноты сгорания, дымность ОГ снижается в 2-3 раза и на 20-30 % сокращаются выбросы оксидов азота. Однако, на холостом ходу и при малых нагрузках дизеля, применение ВТЭ создает совокупный отрицательный эффект. Так, опыт использования ВТЭ в Северном морском пароходстве показал интенсивное коррозионное разрушение газовыпускного такта.

На рис. 4 показано, какое влияние оказывают различные прямые методы и их комбинация на эмиссию NOx и экономичность дизеля. Результаты получены при испытании фирмой MAH – «Бурмейстер и Вайн» двигателя S70МС.

График влияния на эмиссию
Рис. 4 Влияние первичных методов на эмиссию NOx и экономичность малооборотного дизеля.
1 – без внедрения методов; 2 – с золотниковой форсункой; 3 – золотниковая форсунка + водотопливная эмульсия + сниженное Pmax; 4 – золотниковая форсунка + водотопливная эмульсия + 20 % рециркуляция газов; 5 – золотниковая форсунка + водотопливная эмульсия + 20 % рециркуляция газов + сниженное Pmax

При комплектации двигателя золотниковыми форсунками, NOx снижается примерно на 20 % и отмечается даже некоторое снижение удельного расхода топлива, приведенного к международному стандарту ИСО. Внедрение комбинации прямых методов (см. позицию 3 рис. 4) приводит к 50 %-ному снижению NOx, но расход топлива возрастает на 3 г/кВт·ч.

С помощью прямых методов (позиция 5), можно достигнуть 80 %-ного снижения NOx при снижении экономичности двигателя на 4 г/кВт·ч. Таким образом, снижение токсичных выбросов первичными методами очень эффективно, но это достигается потерей некоторой экономичности двигателя.

Испытания среднеоборотного двигателя W6L46 итальянской фирмой Wartsila на водотопливной эмульсии Orimulsion (см. табл. Водотопливная эмульсия и ее преимущества при использовании в дизельных двигателях“Сравнительная характеристика топлив”) показали, что эмиссия NOx снижается на 20 % по отношению к выбросам NOx при работе двигателя на тяжелом топливе (рис. 5). Однако, значительно увеличивается дымность и в два раза повышается содержание в выпускных газах содержание сажи и золы (частиц).

Схема уровня эмиссии
Рис. 5 Уровень эмиссии среднеоборотного двигателя при работе на тяжелом топливе и на Orimulsion.
1 – эмиссия NOx при 15 % O2; 2 – дымность; 3 – частицы;
А – работа на тяжелом топливе; Б – работа на Orimulsion

В связи с этим для снижения содержания частиц в выпускных газах при работе двигателя на Orimulsion рекомендуется применять электростатические фильтры.

Результаты исследования на двигателе 1ЧН26/34 влияния содержания воды, скорости плунжера и продолжительности подачи ВТЭ на эмиссию NOx показаны на рис. Водотопливная эмульсия и ее преимущества при использовании в дизельных двигателях“Изменение эффективных и индикаторных показателей рабочего процесса дизеля 1ЧН26/34 при работе на ВТЭ”.

В качестве альтернативы эмульгированным топливам может использоваться принцип прямого впрыска воды или чередующегося впрыска воды/топлива. Оба метода имеют то преимущество, что можно избежать увеличения задержки воспламенения при частичной нагрузке. Как хорошо известно, длительная задержка воспламенения ведет к резкому повышению давления, что вредно для состояния цилиндров, особенно для поршневых колец. Таким образом, при контроле задержки воспламенения существует больший потенциал снижения NOx при частичной нагрузке, однако с меньшим весовым фактором, чем в правилах IMO.

Объем воды, необходимой для данного снижения NOx, должен быть больше, чем для эмульгированного топлива, так как распределение воды менее равномерно, чем в эмульгированном топливе. Кроме того, оба метода требуют значительно больших модификаций конструкции двигателя и добавления внешних систем, поэтому эти методы менее целесообразны, чем хорошо зарекомендовавший себя метод эмульгирования топлива.

Наряду с рассмотренными вариантами интенсификации процесса сгорания топлива (совершенствование процессов распыливания, равномерное распределение и испарение топливных частиц) не менее эффективно применение многофункциональных присадок, обеспечивающих снижение образования вредных для окружающей среды веществ. В этом случае интенсификация процесса сгорания топлива достигается действием присадок в качестве донорно-акцепторных веществ, в процессе окисления углеводородов.

Применяют множество различных присадок, интенсифицирующих сгорание топлив, что хотя и способствует уменьшению образования в камере сгорания экологически опасных веществ, однако, не дает достаточных результатов в отношении защиты окружающей среды (особенно это касается окислов азота).

Решение данной задачи обеспечивается, если предотвратить или существенно уменьшить в процессе сгорания топлива образование химически активного азота. Как уже рассматривалось, химически активный азот в атомарном виде образуется при температуре выше 1 500 °С, при которой с электронных орбит начинается процесс срыва электронов. Одновременно с этим идет и процесс рекомбинации, т. е. захват свободных электронов атомами и молекулами азота.

Таким образом, в основе решения задачи уменьшения образования окислов азота лежит создание в камере сгорания условий по интенсификации процесса рекомбинации. Для этого необходимо, чтобы в камере сгорания находилось большое количество свободных электронов. В условиях, когда поток свободных электронов в результате их ухода через стенку камеры сгорания, становится менее плотным, процесс рекомбинации замедляется. Чтобы этого не происходило, нужно вместе с топливом в камеру сгорания ввести присадку, состоящую из химического вещества, которое при высокой температуре легко распадается с образованием большого количества свободных электронов, т. е. оно должно легко переходить в полуплазменное (или плазменное) состояние. Ранее на этом принципе действия разрабатывались и испытывались опытные образцы присадок, которые после их промышленного освоения были рекомендованы к широкому применению в СДУ.

Рассмотренные способы и технические средства предотвращения образования экологически опасных для окружающей среды веществ в камере сгорания касались тех технических решений, которые широко применяют при использовании обычных товарных топлив и масел, поставляемых потребителю российскими и зарубежными нефтеперерабатывающими компаниями.

Кроме рассмотренных направлений решения экологической проблемы, наиболее эффективно повышение эксплуатационных и экологических свойств самих горючесмазочных материалов.

Выбросы SOx обусловлены содержанием серы в топливе. Снизить этот выброс можно, снизив содержание серы в топливе путем очистки топлива или очисткой отработанных газов.

Несмотря на то, что очистка топлива от серы на перерабатывающих заводах ведет к его удорожанию, этот вариант, по-видимому, будет использоваться как основной. Это обусловлено тем обстоятельством, что удаление SOx из отработанных газов путем пропуска через устройства мокрой очистки (скрубберы) потребует очень больших капитальных вложений. Возникают также проблемы в связи с необходимостью хранения и сдачи на берег серной кислоты слабой концентрации (большие объемы жидкости потребуют достаточных емкостей), а следовательно, приведут к повышению эксплуатационных расходов.

Снижение в топливе содержания серы с имеющегося максимума 5 % до более низкого реального значения не потребует сложных технических решений. Поэтому этот метод, обеспечивающий снижение выбросов SOx, представляется наиболее целесообразным и экономически обоснованным.

При работе двигателя на двойном роде топлива «жидкое топливо – газ» или в случае использования испаряющихся легких компонентов сырой нефти – VOC при погрузке ее в танки челночных танкеров важным требованием к двухтопливной системе является способность работать при любом соотношении между жидким топливом (запальным) и газом (основным), см. статью Применение сжиженного природного газа в средне- и малооборотных дизелях“Жидкое и газообразное топливо – особенности применения”. Эти требования удовлетворяются с помощью современной компьютерной системы управления двигателем, которая оптимизирует закон впрыска VOC.

Посредством этой системы фазы впрыска VOC могут свободно управляться соответственно впрыску запального жидкого топлива, чтобы адаптироваться к конкретному режиму горения VOC.

Для испытания этой концепции реконструированы два двигателя 6L55GUCA, мощностью 6 600 кВт для работы с двухтопливной системой на челночном танкере, при использовании компьютерной системы управления Mechatronic. Эта система позволяет управлять впрыском VOC таким образом, что максимальное давление в цилиндре и закон тепловыделения на определенном режиме остаются фактически неизменными, независимо от соотношения между количеством запального топлива и количеством VOC. Это позволило обеспечить эмиссию NOx в двухтопливном режиме работы двигателя ниже, чем при работе только на жидком топливе (рис. 6).

Шкала эмиссии на двойном топливе
Рис 6 Эмиссия NOx двигателя, работающего на двойном топливе «жидкое – VOC»

Рисунок показывает, что при этом эмиссия NOx мало зависит от величины нагрузки и достигает максимального значения на режиме максимальной мощности, но не превышает предельного значения по IMO (см. рис. Регулирование вредных выбросов в атмосферу и сертификация судовых дизелей“Эмиссия NOx малооборотных двигателей”) для данного типа двигателя.

В дизелях основную часть периода сгорания составляет фаза диффузионного сгорания. В диффузионном пламени образование и окисление сажи является частью процесса сгорания.

Экспериментально установлено, что при сгорании этилена скорость образования сажи очень мала, если в зоне пламени, непосредственно окружающей поверхность горящего топлива, температура меньше 1 900 К. При 2 050 К начинается ускорение образования сажи, вследствие крекинга при нагревании богатой смеси. Максимальное количество сажи наблюдается при 2 220 К. С дальнейшим повышением температуры, при наличии O2, скорость окисления сажи начинает все более превышать скорость ее образования, вследствие чего количество сажи в продуктах сгорания быстро уменьшается. При температуре более 2 400 К количество сажи очень незначительно. На образование сажи влияет также следующее явление.

Если газообразные продукты сгорания насыщены окисью углерода, то снижение температуры приводит к конденсации углерода. Склонность к этому явлению очень мала у этилового и метилового спирта. В эксперименте при сгорании смеси, состоящей из 20 % метилового спирта с 80 % по объему дизельного топлива, концентрация сажи в продуктах сгорания составила 0,67-0,72 г/м3, а при сгорании чистого дизельного топлива – 1,12-1,37 г/м3.

Улучшение экологических показателей легких высокооборотных дизелей

Существует большой комплекс мероприятий, позволяющих снизить уровни дымности Д и токсичности Т отработанных газов (ОГ). Однако, возможность применения и эффективность любого мероприятия определяются особенностями конструкции и рабочего процесса конкретного типа дизеля.

Пренебрежение этим обстоятельством может на практике привести к тому, что снижение Д и Т будет достигнуто ценой недопустимого ухудшения других важных качеств двигателя – его топливной экономичности, надежности и срока службы.

Высокая степень доводки конструкции и рабочего процесса дизелей типа ЧН16/17 и ЧН18/20, характеризующихся высокой плотностью компоновки и удельной массой менее 2,5 кг/кВт, существенно усложняют решение указанной задачи традиционными способами. В связи с этим, была предпринята попытка улучшить протекание рабочего процесса дизеля путем применения в качестве топлива высококонцентрированной водотопливной эмульсии (ВТЭ).

Читайте также: Повышение эффективности топливоиспользования в дизелях

Результаты исследований на других типах дизелей далеко не однозначны. Во всех работах отмечается увеличение времени задержки самовоспламенения, некоторое увеличение жесткости процесса (dρ/dφ), снижение дымности ОГ. В то же время, в части максимального давления сгорания pmax, экономичности, выбросов CO и NOx имеются факты как улучшения, так и ухудшения указанных параметров. Величины получаемых эффектов по снижению уровней Д и Т не превышают 50 % при оптимизированном по экономичности содержании воды в ВТЭ от 10 до 30 % по массе. При более высоких концентрациях воды большинство исследователей сталкивалось с неустойчивой работой дизеля.

Применявшиеся стабилизаторы и диспергаторы ВТЭ позволяли получать, как правило, крупнодисперсные (4-12 мкм) ВТЭ с низкой устойчивостью.

Основной причиной улучшения протекания рабочего процесса большинством исследователей признается явление «микровзрыва» и, как следствие, вторичное распыливание капелек топлива.

В то же время известно, что при других способах подачи воды в цилиндр, например при непосредственном впрыскивании или при подаче ее на всасывание, были достигнуты значительно лучшие результаты, чем при применении ВТЭ при соотношениях:

gц. в./gц. т. ≥ 1,

где:

Указанные обобщения позволили сделать вывод о необходимости создания высокостабильных мелкодисперсных ВТЭ, требующих подбора эффективного диспергатора и стабилизаторов.

Приготовление ВТЭ осуществлялось в механическом диспергаторе, позволяющем за один проход смешиваемых компонентов обеспечить высокую дисперсность при минимальных удельных затратах энергии.

Относительно невысокая частота вращения (2 000-3 000 мин-1), малые габариты и возможность изменения дисперсности за счет оптимизации конструктивных элементов позволяют осуществлять привод диспергатора как от автономного электромотора, так и (при необходимости) непосредственно от дизеля.

Стабилизация ВТЭ осуществлялась применением различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). При этом использовались как однокомпонентные (маслорастворимые) ПАВ, так и двухкомпонентные стабилизаторы. Тогда один компонент растворялся в топливе, а другой (водорастворимый ПАВ) – в воде.

Схема приготовления эмульсии приведена на рис. 7.

Чертеж приготовления ВТЭ
Рис. 7 Схема дозирования компонентов и приготовления ВТЭ.
1 – дизель; 2, 3, 4, 7 – баки эмульсии, топливный, H2O, промежуточный; 5 – ротаметр; 6 – диспергатор

Дозирование топлива и воды проводилось ротаметром, а уточнение состава эмульсии – при помощи нефтеденсиметров с последующим расчетом процентного содержания воды по массе.

Расчет производился по формуле:

γβ = (ρэ  ρт)ρэ (ρβ  ρт )  · 100 %,

где:

При этом погрешность в определении воды в ВТЭ не превышает ±2 %.

Оценка дисперсности ВТЭ производилась микроскопическим методом при увеличении в 1 600 раз. Устойчивость к коалесценции составляла у полученных эмульсий более 50 суток, седиментационная устойчивость – более двух суток.

Для оценки дисперсности ВТЭ, попадающей в камеру сгорания дизеля, было проведено специальное исследование на безмоторном стенде. При этом выявлено, что имеет место лишь незначительное дополнительное диспергирование.

Если у исходной эмульсии с содержанием воды 50 % по массе 75 % капель не превышают размера 3 мкм, то после распыливания через форсунку таких капель становится 98,5 %. Результаты исследования прямых и обратных ВТЭ были идентичны.

Предварительные моторные испытания эмульсии были проведены на экспериментальном отсеке дизеля 1ЧН16/17 полной мощностью Ne = 59 кВт при ne = 2 000 мин-1 по эксплуатационной характеристике развернутого дизеля.

На каждом скоростном режиме проводилось исследование зависимости параметров дизеля от процентного содержания воды в ВТЭ. Было установлено, что для каждого режима имеет место собственное оптимальное количество воды в ВТЭγβ.

На рис. 8 представлены результаты исследования на двух режимах Ne.

Схема зависимости параметров дизеля
Рис. 8 Изменение параметров дизеля 14Н16/17 в зависимости от содержания воды в ВТЭ:
• – Ne = 43,7 кВт; n = 1 700 мин-1; X – Ne = 59 кВт; n = 2 000 мин-1

Работа проводилась на обратной ВТЭ с содержанием воды от 35 до 53 % по массе. При большем содержании воды наблюдалась неустойчивая работа дизеля. Из графиков видно, что для данного режима оптимальное содержание воды – 45-50 % по массе. При этом удается обеспечить снижение содержания СО в 5-8, сажи более чем в 10 раз, NOx – в 6-8 раз, эффективный расход топлива снижается на 15-18 г/(кВт·ч).

На этом же рисунке показано, что максимальное улучшение всех экологических показателей и экономичности дизеля достигается при содержании воды в ВТЭ – 40-45 % по массе.

Результаты исследований работы дизеля на прямых (топливо в воде) и обратных (вода в топливе) ВТЭ были практически идентичны.

Исследованиями во всем диапазоне рабочих режимов установлено, что оптимальный закон изменения содержания воды может быть аппроксимирован прямо пропорциональной зависимостью от оборотов.

Близкие по эффекту результаты получены при исследованиях на экспериментальном дизеле 1ЧН18/20, поэтому были подготовлены и проведены исследования полноразмерного дизеля 12ЧСН18/20 (М416), с Ne = 890 кВт при ne = 1 600 мин-1. Учитывая, что штатная топливная аппаратура не может обеспечить двухкратное увеличение цикловой подачи, были спроектированы специальные плунжерные пары с увеличенным активным ходом плунжера и измененной геометрией отсечной кромки.

Проведение сравнительных испытаний опытного ТН на дизельном топливе показало, что из-за несовершенства технологии изготовления плунжерных пар параметры дизеля заметно ухудшились. В связи с этим при испытаниях дизеля на ВТЭ производилось сравнение с результатами, полученными при работе на дизельном топливе, как со штатным насосом, так и опытным.

На рис. 9 представлены сравнительные результаты испытаний работы дизеля М416 на топливе (со штатными и опытными плунжерными парами) и на ВТЭ оптимального состава для каждого режима, которые подтвердили данные и выводы, сделанные в ходе предварительных исследований, см. рис. Водотопливная эмульсия и ее преимущества при использовании в дизельных двигателях“Параметры дизеля 12ЧН18/20 при работе на дизельном топливе и ВТЭ”.

Схема испытаний работы дизеля
Рис. 9 Изменение параметров дизеля 12ЧСН18/20 при работе по характеристике N = cn3 с оптимальным для каждого режима содержанием воды в ВТЭ:
• и × – опытные ТН на ВТЭ и на дизельном топливах; □ – штатный ТН на дизельном топливе

Для винтовой характеристики N = cn3 дизеля М416 также можно аппроксимировать закон оптимального изменения количества воды и ВТЭ зависимостью, близкой к прямой линии.

Анализ результатов (см. рис. 9) показывает, что как и в предварительных испытаниях, наиболее эффективное улучшение экологических и эффективных показателей дизеля имеет место на режимах дизеля, близких к номинальным при концентрации воды в ВТЭ более 40 %.

Высокую эффективность применения высококонцентрированных ВТЭ можно объяснить существенным улучшением процессов смесеобразования и сгорания топлива в присутствии равномерно распределенных по смеси паров воды. Анализ диаграмм тепловыделения показывает, что несмотря на увеличение периода задержки воспламенения и увеличение почти в 1,5 раза времени подачи топлива, время сгорания топлива за счет увеличения скорости выгорания на 25-30° угла поворота коленчатого вала меньше. Резкое снижение продуктов неполного сгорания подтверждает отсутствие догорания топлива.

Именно эти явления и обеспечивают столь заметное (до 7 %) улучшение индикаторного КПД дизеля.

В то же время из-за переноса начала воспламенения топлива практически на линию ВМТ и снижения средней температуры цикла, связанного с затратами тепла на испарение воды и диссоциацию ее молекул, ρmax практически не изменилось.

Резкое снижение концентрации в ОГ NOx связано также со снижением на 200-300 К максимальной температуры в камере сгорания. Одновременно снижается и теплонапряженность деталей ЦПГ.

На основании полученных результатов, сделаны выводы о возможности применения высококонцентрированных ВТЭ с содержанием воды по массе до 50-55 % в высокооборотных дизелях для улучшения показателей дымности и токсичности при оптимизации закона изменения содержания воды в ВТЭ в зависимости от режима работы дизеля.

Вторичные методы снижения содержания окислов азота в выпускных газах

Если первичные методы снижения эмиссии NOx , рассмотренные выше, оказываются бессильны, то для решения проблемы используется метод вторичного (внешнего) снижения NOx . Этот метод основан на селективной каталитической очистке отработанных газов (SCR – Selective Catalytic Reduction). При использовании данного метода, выпускные газы смешиваются с аммиаком перед пропусканием через специальный катализатор, при температуре около 400 °С. В катализаторе окислы азота преобразуются в N2 и водяной пар, что позволяет снизить содержание NOx на 95 %.

На рис. 10 показана схема установки дизеля с SCR-реактором, основными элементами которой являются:

Чертеж дизеля с реактором
Рис. 10 Схема установки реактора SCR на малооборотном дизеле фирмы “MAN-B&W”.
1 – SCR-реактор; 2 – выход отработанных газов; 3 – палуба; 4 – система измерения концентрации NOx и O2; 5 – турбокомпрессор с высоким КПД; 6 – уплотнительный воздух; 7 – двигатель; 8 – диафрагма; 9, 14 – воздух; 10 – статический смеситель; 11 – выход воздуха; 13 – электронный блок управления; 15 – испаритель; 16 – емкость с аммиаком

Особенностью компоновки такой системы является то, что выпускные газы из коллектора выпускных газов сначала поступают в реактор SCR для каталитической обработки и только потом из реактора SCR в турбокомпрессор (или турбокомпрессоры). Компьютерная система на основе сигналов, поступающих с датчиков, установленных на дизеле, строго дозирует поступление аммиака в реактор SCR. Естественно, что в системе требуется применение турбокомпрессора с высоким коэффициентом полезного действия. Реактор проектируется таким образом, чтобы его можно было легко байпасировать, когда по условиям эксплуатации не требуется снижение выбросов NOx.

Существующие катализаторы SCR эффективно работают при определенных температурных условиях. Так, при температуре выше 400-450 °С катализатор будет распадаться, а при температурах ниже 270 °С NH3 и SO2 будут реагировать и осаждаться в виде сульфата аммония. В связи с этим SCR может работать при минимальных нагрузках дизеля около 20-30 % от номинальной, а при более низких нагрузках катализатор байпасируется (рис. 11).

Чертеж потока газа в МОД
Рис. 11 Схема потока газа в малооборотном двигателе с системой SCR.
1 – двигатель; 2 – байпасный клапан; 3 – реактор SCR; 4 – вспомогательная воздуходувка; 5 – турбокомпрессор; 6 – выпускные газы; 7 – воздух

При плавании судна в открытом океане на регулярном маршруте реактор байпасируется и соответствие нормам IMO по эмиссии NOx будет достигаться с помощью первичных методов. Когда судно войдет в территориальные воды, где действуют более жесткие требования по NOx, например, уровни Калифорнийского ERA (Агентство защиты окружающей среды) или шведские предельные значения, равные 2 г/кВт·ч, то тяжелое топливо двигателя заменяется на дизельное. Выпускные газы пропускают через реактор, перекрывая байпасный клапан 2 (см. рис. 11) и когда температура поднимется до нужного уровня, включается дозирующее устройство NH3 и система измерения концентрации NOx и O2 (см. рис. 10).

Исходя из конкретных ограничений эмиссии NOx применение SCR целесообразно только для периодического использования и в ограниченных географических зонах, где предельные значения не могут быть достигнуты первичными методами. Это связано с недостатками вторичного метода снижения NOx. Кроме SCR-катализатора, цистерны с аммиаком и системы дозирования необходимо провести значительную инженерную работу по привязке установки SCR к конкретному проекту.

Проблематичны в этом методе высокая стоимость и большие размеры системы. SCR-реактор по размеру равен приблизительно половине дизеля (рис. 12).

Чертеж конструкции с SCR с главным дизелем
Рис. 12 План машинного отделения с системой SCR для парома с главным дизелем типа 6R32.
1 – реактор SCR; 2 – дизель

Расходы на установку и эксплуатацию SCR-реакторов в существенной степени зависят от заданной степени очистки отработанных газов от NOx. По данным фирмы Vartsila при увеличении степени очистки с 50 до 90 % расходы на эксплуатацию возрастают в 2,5 раза.

Ранее в опытной эксплуатации находились несколько судов с малооборотными дизелями фирмы MAH-«Бурмейстер и Вайн» и были введены в эксплуатацию паром с дизелем фирмы Vartsila типа VASA 6R32E с SCR-установками.

В связи с тем, что температура отработанных газов СОД достаточно высока, SCR-реактор размещают после турбины. В малооборотных дизелях приходится устанавливать их до ГТН, что вызывает ряд проблем в эксплуатации:

Поэтому первичные методы снижения эмиссии NOx в целом проще, а эквивалентное повышение расхода топлива ниже, в связи с этим для судовых установок целесообразно сконцентрировать разработки на первичных методах. В любом случае важно, чтобы применяемые методы не ухудшали надежности двигателя.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Апрель, 05, 2023 316 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ