ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 29 страница

СТИК» 12 PC 2.6 мощностью 5750 кВт каждый. Принципи­альная схема систе­мы приведена на ри­сунке 14.5.

Преимуществами системы УНВ (или Н.А.М в англоязыч­ной литературе) являются:

- возможность подать в цилиндр большое количество во­дяного пара и достичь тем самым наиболее существенного сни­жения выброса NOx (на 70% и более);

- использование для получения пара забортной воды, ути­лизация тепла для ее подогрева перед подачей в испаритель обеспечивают низкие эксплуатационные расходы.

В качестве недостатков отмечаются следующие:

- увеличение удельного расхода топлива;

- увеличение дымности выпуска;

- снижение температуры ОГ (при соотношении в цилиндре //^/топливо ⁼ 3 температура снижается на 30%) поэтому их энергии недостаточно для работы утилизационного котла;

- высокая стоимость системы;

- большие габариты и масса системы.

Несмотря на отмеченные недостатки системы УНВ, по- видимому, будут развиваться, так как обладают большим по­тенциалом по снижению выброса оксидов азота.

Вторым направлением в группе первичных методов сни­жения выбросов NOx является рециркуляция ОГ (EGR). Суть этого метода заключается в том, что часть отработавших газов из выпускного коллектора подается в продувочный ресивер. Предварительно ОГ пропускаются через распыленную воду в специальном устройстве, где охлаждаются, очищаются от сажи, частиц и оксидов серы. После очистки ОГ электроприводным центробежным компрессором подаются в продувочный ресивер.

Снижение NOx методом рециркуляции обусловлено нали­чием в ОГ углекислого газа с высокой теплоемкостью (больше, чем у водяного пара), что снижает температуру в камере сгора­ния. Кроме того, ОГ замещают воздух в свежем заряде, поэтому уменьшается концентрация кислорода в зоне горения и меньше образуется NOx. Из-за уменьшения содержания кислорода в за­ряде доля газов не может превышать 15% (будет неполное сго­рание топлива).

Эксперименты показали, что при степени рециркуляции ОГ 15% снижение образования NOx составляет 40-50%. Метод рециркуляции ОГ находится в стадии проектной разработки. Рассматривается вариант его комбинации с методом увлажнения надувочного воздуха.

Вторичные методы. Селективное каталитическое вос­становление NOx.

Технология селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction - SCR) NOx аммиаком внедрена Датской фирмой «Haldor Topsoe» на нескольких паромах, экс­плуатируемых в Балтийском море и используется в составе не менее чем 20 дизельных теплоэлектростанций в основном в Скандинавских странах.

SCR-процесс ведется в присутствии титан-ванадиевых ка­тализаторов при температуре 330-420°С по реакциям:

4NO + 4NH₃ + <9₂-> 4N₂ + 6Н₂0 2N0₂ + 4NH₃ + 0₂^> 3N₂ + 6Н₂0

Обе реакции протекают независимо друг от друга, кроме того, оксиды азота и аммиак в присутствии катализатора реаги­руют между собой.

NO + N0₂ + 2NH₃ ->2N₂ + 3H₂0

Одной из существенных проблем при использовании этой технологии является опасность газообразного аммиака. Однако эта проблема успешно решается заменой газообразного аммиака на водный раствор мочевины, к хранению которого не предъяв­ляется каких-либо специальных требований. В зоне реакции ам­миак образуется при разложении водного раствора мочевины по формуле:

CO(NH₂ )₂ + Н₂0 -> 2 NH₃ + С0₂

На рисунке 14.6 приведена система SCR фирмы «Вяртси­ля» с компактным реактором, установленным перед утилизаци­онным котлом.

В рассматриваемой технологии имеются две принципиаль­ные позиции, определяющие эффективность процесса в целом. Это состав и технология приготовления катализатора, а также система дозировки аммиака обеспечивающая стехиометриче- ское соотношение реагентов на всех режимах работы дизеля. Большая стоимость системы и значительные эксплуатационные расходы оправданы высокой степенью очистки ОГ от NOx.

Сравнительная оцен­ка эффективности рас­смотренных методов сни­жения эмиссии оксидов азота иллюстрируется ри­сунком 14.7. Вполне оче­видно, что в связи с пла­нируемым поэтапным уже­сточением норм по выбро­су NOx SCR технология является наиболее пер­спективной.

Десульфатация отработавших газов.

Как было отмечено ранее, для уменьшения выбросов окси­дов серы до величин менее 6,0 г/(кВт ч) допускается использо­вание технических систем очистки. Самым простым способом удаления SOx из ОГ является метод скруббирования с использо­ванием морской воды. Схема системы очистки приведена на рис. 15.8. Процесс абсорбции оксидов серы происходит в скруб­бере, который одновременно работает как глушитель. В скруб­бере происходит процесс тепломассообмена между ОГ и мор­ской водой которая распыливается в протовоток газам. Оксиды серы и взвешенные частицы поглощаются морской водой. После скруббера вода поступает в систему очистки и нейтрализации, в которой последовательно проходит через два гидроциклона и сепаратор шлама. В предварительном гидроциклоне удаляется сажа; во втором - менее плотные частицы (в виде нефтесодер­жащих отходов).

Отработавшие

ГАЗЫ

Отходы из гидроциклона поступают в сепаратор, в котором происходит процесс их коагуляции. В скруббере происходит подпитка части морской воды. Примерно 20% циркулирующей воды сбрасывается за борт, а остальная часть отдает теплоту отработавших газов в пластинчатом теплообменнике и после охлаждения возвращается в систему скруббера и циркуляции. Вода, сбрасываемая за борт, пополняется от питательного насо­са через автоматический вентиль. В теплообменнике охлаж­дающая морская вода поглощает теплоту ОГ и после смешива­ния с водой системы циркуляции сбрасывается за борт. В ре­зультате смешивания окисленной воды из скруббера и свежей морской воды происходит нейтрализация сульфатов углекислым кальцием, находящимся в морской воде, в результате чего полу­чается сульфат кальция (гипс) и двуокись углерода. Окончание процесса нейтрализации происходит на расстоянии нескольких метров от места сброса.

Технические решения с использованием скрубберов на морских судах проходят стадию испытаний. Результаты иссле­дований по безопасности этого метода для окружающей среды и правила эксплуатации систем очистки должны быть впоследст­вии приняты соответствующими международными организа­циями.

Условные обозначения

Ni, N_e -индикаторная и эффективная мощности кВт

Ммех ~ мощность механических потерь

п - частота вращения / число оборотов 1/мин (1/сек)

М_кр - крутящий момент двигателя МН.м

Р₀, Т₀ -давление и температура окруж. среды Н/м², МПа

Р_г, P_jf Р - силы давления газов в цилиндре, инерции

^ j

движущихся масс и суммарная Н/м , МПа, °С

Р_к, Т_к -давление и температура воздуха за компрессором “

к_к - степень повышения давления воздуха в ГТК -

P_S,T_S -давление и температура воздуха в ресивере “

£ - степень сжатия -

Р_С1Л Т_с - давление и температура в конце сжатия “

Р₂и T_z - максимальные значения давлений и температур в

цилиндре “

77 - температура газов перед газовой турбиной °С

Т и Z - тангенциальная и радиальная силы в КШМ Н

G₄n g_e - часовой и удельный расходы топлива кг, кг/кВт.ч

G_e -заряд воздуха в цилиндре кг

Uо -теоретически необходимое количество воздуха для

сгорания 1 кг топлива кг

а - коэффициент избытка воздуха кг/кг

&сум - суммарный коэффициент избытка воздуха -

(р_а - коэффициент избытка продувочного воздуха -

g₄ - цикловая подача топлива г

<роп !<Рнп, (рп - углы опережения и продолжительности подачи топлива

h_a - активный ход плунжера ТНВД град

л

о - напряжение Н/м кг/м

г\_е — индикаторный и эффективный кпд двигателя -

rj_Knrj_m - кпд компрессора и турбины -

Q„^p - теплота сгорания топлива кДж/град

Переводные множители для используемых в книге единиц измерения

1 об/мин - 1/60 1/сек (1 гц 9,807 дж) 1 г/см³ - 1000 кг/fo³

1 кг/час - 278Л О'⁶ кг/сек 1 ккал - 4,19 кдж

1 кг-9,807 Н 1 л.с. - 0,736 кВт

1 кг.м - 9,807 Н.м 1 сСт - мм ²/сек 1 Ра - 1 Н/ м² 1 ккал /( кг. град) - 4,187 дж /(кг. Град)

1 Ра= 10‘³кРа = 10"⁶мРа 1 кВт.час - 3,6 Мдж

1 ат (1 кг/см²) - 0,1 МН/м² 98070 Ра 0,98 бар 1 бар - 0,1 МН/м²

^[1] См. также учебник том 1.

^[2] В последние годы увеличение максимального давления впрыска до 120-150 МПа стало применяться и в малооборотных 2-х тактных двигателях.

^[3] Следует заметить, что прямой зависимости роста нагароотложений с содержанием кокса и асфальтенов нет, так как степень нагарообразования за­висит еще и от индивидуальных особенностей двигателя, режимов его работы, техн. состояния и пр.

[4] Этот класс масел соответствует отечественным маслам группы Д.