Экологически чистые дизели

Последние три десятилетия в истории развития судовых дизелей были посвящены повышению экономичности, связанной, прежде всего, с совершенствованием рабочих процессов, а также переводом на дешевые сорта топлив низкого качества.

Однако последние годы дизелестроительные фирмы вынуждены интенсивно заниматься побочным эффектом от использования дизелей - вредными выбросами в атмосферу.

Актуальность этой проблемы формально связана с изданным по инициативе IMO в сентябре 1997 года Приложением VI к МАРПОЛ 73/78, посвященным предотвращению загрязнения атмосферы с судов. Из широкого спектра вредных веществ, приведенных в Приложении, необходимо выделить окислы азота — NOx, для которых указаны не только условия контроля, но и конкретные сроки сертификации дизелей по этому параметру (Правило 13).

Правило 13 Приложения VI применяется для двигателей с эффективной мощностью более 130 кВт, установленных на судах, построенных после 1 января 2000 года, за исключением двигателей, используемых только в аварийных случаях. Под это правило также подпадают двигатели, прошедшие значительное переоборудование в означенные сроки.

Суть Правила 13 заключается в том, что эксплуатация двигателей запрещается, если выбросы NOx превышают следующие пределы:

17,0 г/кВтч для n < 130 об/мин;

45 n г/кВтч для 130 < n < 200 об/мин;

9,8 г/кВтч для n > 200 об/мин.

Эти же пределы представлены ограничительной кривой Технического кодекс IMO по контролю над выбросами NOx. Технический кодекс является также обяза­тельным документом, подчиненным Правилу 13, и включает всесторонние аспекты вопроса контроля над выбросами NOx.

Но простота вступления Приложения VI в силу обманчива. Дей­ствительно, Статья 5 Протокола о соглашении говорит о том, что Протокол вступает в силу через 12 месяцев после того, как не менее 15 стран с общим тоннажем не менее 50 % от общего мирового станут сторонами подписания договора. В отношении существующих двигателей на сегодняшний день Протокол подписан Швецией и Финляндией, высказали четкие намерения Германия, Норвегия и Дания. В этом направлении ведется определенная работа на уровне Европейского Союза.

Время между 1 января 2000 г. и датой сертифицирования судов по NOx, после соответствующей ратификации Протокола, уже в настоящее время используется для подписания добровольного предварительного соглашения.

Для достижения предварительного соглашения с требованиями по контролю за NOx необходимо произвести либо предварительную серти­фикацию, либо испытания на борту судна после установки нового двигателя или значительного переоборудования существующего.

В свою очередь, предварительная сертификация должна явиться базой для оформления международного Сертификата по предотвращению загрязнения окружающей атмосферы с судов.

Лидерство стран Балтийского бассейна в вопросах предотвращения загрязнения окружающей среды закономерно, т. к. уже сейчас Балтийское море выделено как специальный район плавания. А научно-технический потенциал этих стран обусловливает их ведущую роль в создании "чистых" двигателей, и прежде всего в отношении выбросов NOx.

Окислы азота, так же как и окислы серы, вымываются из атмосферы дождями и повышают кислотность почвы. При этом окислов азота в выпускных газах в 2,5 раза больше, чем окислов серы (при 3 % содержании серы в топливе).

Обеспокоенность двигателестроительных фирм приближающимся сертифицированием их продукции по выбросам NOx выражается в возрастающей активизации научно-исследовательских работ в данном направлении. Об этом можно судить по увеличивающемуся количеству публикаций в иностранной периодике. В основном статьи посвящены толкованию положений Приложения VI и рекламной информации о способах снижения выбросов NOx.

Предлагаемые пути снижения содержания NOx в выпускных газах условно можно разделить на две группы:

1. Изменение процесса сгорания с целью снижения уровня температур;

2. Обработка выпускных газов в специальных катализаторах.

Окисление азота начинается при температуре 1500 К, при температуре свыше 2300 К реакция значительно ускоряется (время реакции 10^-2 – 10^-6 с).

Хотя максимальная температура в дизелях редко достигает 2000 К, локальная температура в зоне топливного факела, вследствие неоднородности состава смеси, может достигать 2500 К. Этот эффект получил название "теплых пятен". Теория процесса сгорания топлива в дизелях, с учетом вышеска­занного, позволяет обозначить возможные способы улучшения сгорания в направлении снижения содержания NOx в выпускных газах:

1.Уменьшение угла запаздывания самовоспламенения топлива (например, повышением степени сжатия), ведущее к снижению скорости нарастания давления и скорости тепловыделения в начальной стадии горения;

2. Уменьшение угла опережения впрыска топлива (целесообразно с одно­временным уменьшением времени впрыска топлива), ведущее к уменьшению максимальной температуры Цикла;

3. Улучшение распыла топлива и сокращение продолжительности впрыска (повышением давления впрыска).

Лабораторные и натурные испытания фирмы "Вяртсиля", а также "MAN B&W", проведенные на среднеоборотных двигателях, подвергшихся модер­низации с целью совершенствования рабочего процесса, подтвердили воз­можность снижения содержания NOx в выпускных газах на 25—35%. При­нимая во внимание обещание IMO о пересмотре, в сторону ужесточения, величин предельных параметров Приложения VI каждые пять лет, становится очевидной недостаточность использования только вышеуказанного направления, которое, в свою очередь, сдерживается уровнем современных технологий и материалов, используемых в двигателестроении.

Продолжаются Исследования "нетрадиционных" способов влияния на рабочий процесс дизеля, к которым следует отнести:

1. FWE и DWI (Fuel Water Emulsion и Direct Water Injection) — использо­вание водо—топливных эмульсий или непосредственный впрыск воды в ка­меру сгорания;

2. EGR (Exhaust Gas Recirculation) — рециркуляция выпускных газов;

3. НАМ (Humid Air Motor) — увлажнение наддувочного воздуха.

Попытки применения водо-топливных эмульсий (ВТЭ) в дизелях нача­лись в 30-х годах. Однако, несмотря на положительные результаты многочис­ленных зарубежных и отечественных исследований, широкого распростра­нения на транспорте не получили по причине снижения надежности работы топливной аппаратуры.

Присутствие воды в топливе в виде равномерно распространенных капель размером не более 2 мкм улучшает процесс смесеобразования, а следовательно, и сгорания благодаря эффекту "микровзрывов" быстроиспаряющихся капель воды. При этом вместе со снижением максимальной температуры цикла уменьшается р сход топлива, изменяется состав выпускных газов. В частности, отмечается снижение содержания NOx на 1% на каждый процент воды в топливе (содержание воды в топливе 5—15 %).

Фирма "Вяртсиля" предлагает вводить воду в камеру сгорания с помощью дополнительной форсунки. Причем количество воды доведено до 50 %. Однако оппоненты ("MAN B&W") утверждают, что данный метод снижает дымность и не влияет на содержание NOx.

Увлажнение наддувочного воздуха парами воды в специальных камерах, байпасирующих воздушный холодильник, также является способом введения в камеру сгорания дополнительного количества воды. В конце 90-х испытания, проведенные на шведском пассажирском пароме, на среднеоборотном двигателе "Скания", подтвердили значительное снижение содержания NOx:

на нагрузке 80 % с 10,5 г/кВт-ч до 3,9 г/кВт-ч;

на нагрузке 100 % с 10,8 г/кВт-ч до 2,8 г/кВт-ч.

При этом, однако, не затрагивается проблема коррозии, которая неизбежно появится в случае использования высокосернистых топлив, а также не приведены топливно-экономические показатели дизеля при проведении испытаний.

Перепуск части очищенных и охлажденных газов в цилиндр дизеля вместе со свежим воздухом связан с модернизацией газового и воздушного трактов. Содержание NOx уменьшается благодаря снижению концентрации кислорода в факеле, а также снижению максимальной температуры цикла.

Значительное снижение содержания NOx большинство фирм связывает с использованием SCR (Selective Catalytic Reduction) — системы, в которой выпускные газы с температурой 250-530^оС смешиваются с аммонием и проходят через катализатор. Продуктом каталитической реакции является азот и вода. Первые апробации морских SCR реакторов были проведены в начале 90-х годов на мощных малооборотных двигателях. К настоящему времени из 120 судовых установок около 60% были поставлены фирмой ABB. Установки такого типа снижают содержание NOx на 80-90 %, до уровня 2г/кВт-ч.

В 1995 году немецкая группа концерна "Simens" установила первую морскую SINOx систему, представляющую собой один из самых компактных и надежных каталитических реакторов. Катализатор выполнен из двуокиси платины, а в качестве активного вещества использована пятиокись ванадия. Основные характеристики системы следующие:

- температура газов: 250—530 °С;

- сорт топлива: HFO/MDO;

- установочный вес: глушитель + 30-60 %;

- установочный объём: глушитель + 20 %;

- расход аммония: (40 % раствор) 15-20л/МВт-ч;

- срок службы катализатора: 10000— 40000 часов;

- капитальные вложения: 40—70 $/кВт;

- эксплуатационные расходы: 3—4 $/МВт;

- снижение NOx 90-99 %;

- снижение СН/СО 20-90 %;

- снижение сажи 30-40 %.

Очевидная высокая эффективность способствует быстрому распространению SCR систем. При этом сдерживающим фактором, особенно в отношении существующих дизельных установок, являются высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

Рекламный характер информации не позволяет сделать объективные выводы об эффективности, а следовательно, и целесообразности применения тех или иных способов снижения содержания окислов азота в выпускных газах судовых дизелей. Однако многочисленность дорогостоящих разработок, доведенных до стадии практического использования ведущими дизелестроительными фирмами, подтверждает важность и актуальность этой проблемы.

По характеру воздействия на организм человека, химической структуре и свойствам компоненты выпускных газов подразделяются на 6 групп:

1. Нетоксичные вещества: N₂;О₂;H₂;H₂О; СО₂ однако увеличение Н₂О и СО₂ приводит к образованию парникового эффекта.

2. Токсичные.

К этой группе относятся СО - 0,05% его в воздухе - слабое отравление через час; 1,0% - потеря сознания через несколько вдохов.

3. В эту группу входят окислы азота NO и главным образом NО₂. При попадании в организм соединяются с влагой и образуют азотную и азотистую кислоты, это приводит к отёку лёгких при концентрации воздухе 0,004-0,008%.

4. Четвёртая группа (самая многочисленная) включает в себя многочисленные углеводороды - в основном это 3,4 - бензипрен (C₂₀ H₁₂), обладающий высокой канцерогенной активностью.

5. В эту группу входят альдегиды, в основном акролеин. Концентрация его в воздухе 0,014 % - через 10 минут смерть.

6. Продукты химического и физического недожога - сажа, это твёрдые частицы углерода. Сами по себе опасности для человека не представляют, но они являются концентратами и переносчиками канцерогенных веществ.

а=2,5-3.