Системы СЭУ. Конспект лекций для курсантов специальности 26. 05. 06 Эксплуатация судовых энергетических установок очной и заочной форм обучения Керчь, 2021
 Скачать 6.64 Mb.
|
|
14.2 Вредные выбросы судовых дизелей в атмосферу Выпускные газы дизелей представляют собой продукты реакций, происходящих в рабочем цилиндре и газовыпускной системе, и содержат компоненты в газовой, паровой и твёрдой фазах. Химический состав топлива НС, О, S, A,W,N. При полном сгорании элементов нефтепродуктов продукты сгорания не должны содержать углеводородов С+О 2 =СО 2 2Н 2 +О 2 =2Н 2 О S+О 2 =SО 2 в действительности из-за неполноты физического и химического образуются различные соединения углерода (СО - угарный газ, азота (N 2 0, NO, О, О) и др, нов основном это О - их в выходных газах около 90%; образующиеся пары влаги при сгорании топлива конденсируются, а затем, вступая в реакцию с соединениями серы О, SO 3 и соединениями азота, образуют серную, азотную, азотистые кислоты, которые воздействуют на окружающую среду нес лучшей стороны, ровно, как и на человека. В выпускных газах образуются и твёрдые частицы несгоревшего топлива, а также продукты износа. Всего в выпускных газах ДВС с помощью различных приборов и методов анализа их состава обнаружено около 200 компонентов. В сентябре г. Конференция участников международной конвенции по предупреждению загрязнения окружающей среды судами (МАРПОЛ 73/78) одобрила новые меры, которые должны уменьшить загрязнение воздуха. Правила будут ограничивать допустимое содержание окиси серы SOx и азота NOx в выхлопных газах судовых двигателей и запретят преднамеренную эмиссию озонопоглощающих веществ. Генеральный секретарь IMO господин В. АО Нил отметил, что принятие конференцией правил предотвращения загрязнения воздуха является итогом шестилетней работы. Он заявил "Эта конференция не является Изолированным событием. Все государства и международные организации глубоко осознали феномен уменьшения озонового слоя, атмосферного загрязнения и глобального потепления. Новые правила будут содействовать 178 морскому сообществу в международном решении региональных и глобальных проблем загрязнения окружающего воздуха. Правила предотвращения загрязнения воздуха включены в новое Приложение VI Инструкция по предотвращению загрязнения воздуха судами) к МАРПОЛ 73/78, которое вступит в силу через 12 месяцев после его принятия не менее чем 15 государствами, общий тоннаж судов которых составит не менее чем 50 процентов от тоннажа мирового торгового флота. В основном оксиды серы, производимые судами и выпадающие в океанах, не приводят к отрицательным последствиям для морской среды, однако вызывают кислотные дожди и оказывают воздействие на береговые сооружения и растения. В соответствии с решением конференции максимальное содержание серы в топливе должно быть снижено с 5 % до 4,5%. Для судов, плавающих в Северном и Балтийском морях, установлены более жесткие требования — содержание серы в судовом топливе не должно превышать 1,5%. Суда должны оборудоваться системой очистки выхлопных газов или использовать любые другие технологические методы ограничения выделения окиси серы. В отношении двигателей, работающих на судах, признано нецелесообразным принятие мер по снижению содержания окиси азота в выхлопных газах, так как соответствующий опыт показал, что в одних случаях это приводило к повышению удельною расхода топлива, а в других — к росту двуокиси углерода в уходящих газах. С 1 января 2000 г. новые двигатели, устанавливаемые на судах, должны удовлетворять жестким требованиям в отношении содержания NOx в выхлопных газах. Исключения могут быть сделаны только для судовых двигателей мощностью 130 кВт, аварийных дизель-генераторов, двигателей спасательных шлюпок, а также для двигателей, работающих при числе оборотов более 1600 об/мин на судах внутреннего плавания (между портами и терминалами. Преднамеренная эмиссия озонопоглощающих веществ в процессе эксплуатации, обслуживания, ремонта судовых систем и оборудования запрещается. Новое оборудование, которое может содержать озонопоглощающие вещества, не допускается-к использованию на судах за исключением установок, содержащих вещества группы HCFC (в том числе фреон R22I), применение которых разрешено до 1 января 2020 г. 14.3 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 поэтому 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. 179 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, также 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 180 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 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 пересмотрев 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 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 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. 181 При этом, однако, не затрагивается проблема коррозии, которая неизбежно появится в случае использования высокосернистых топлива 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 о С смешиваются с аммонием и проходят через катализатор. Продуктом каталитической реакции является азот и вода. Первые апробации морских SCR реакторов были проведены вначале 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 надо 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 N 2 ;О 2 ;H 2 ;H 2 О; СО однако увеличение НО и СО приводит к образованию парникового эффекта. Токсичные. К этой группе относятся СО - 0,05% его в воздухе - слабое отравление через час 1,0% - потеря сознания через несколько вдохов. 182 3. В эту группу входят окислы азота NO и главным образом О. При попадании в организм соединяются с влагой и образуют азотную и азотистую кислоты, это приводит кот ку лёгких при концентрации воздухе 0,004-0,008%. 4. Четвёртая группа (самая многочисленная) включает в себя многочисленные углеводороды - в основном это 3,4 - бензипрен (C 20 H 12 ), 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 вещества Факторы, влияющие на выделение дизелями токсичных веществ 1. Влияние конструктивных форм двух и четырёхтактные ДВС по части выброса канцерогенных составляющих примерно одинаковы влияет в основном конструкция камеры сгорания (КС): не разделённая — больше токсичных составляющих разделённая — меньше. Форсунка - больше отверстий — меньше канцерогенных веществ. 2. Влияние вида топлива. дизельное моторное О 5-10 2-30 О 14.0 13.5 3. Режим охлаждения На малых нагрузках и температурах увеличивается количество вредных выбросов в атмосферу, ровно, как и при перегретом ДВС. 4. Режим работы. В лучшую сторону влияет - номинальный режим - угол опережения подачи топлива - техническое состояние топливной аппаратуры - вид топлива - наличие присадок (ванадий, сера и др - закоксовывание. Пути и методы снижения вредных выбросов в атмосферу Уменьшение вредных выбросов в атмосферу зависит от конструктивного совершенства дизелей, экологических требований и др. Уменьшение вредных выбросов дизелей может быть достигнуто различными способами - контроль за протеканием рабочих процессов, - обеспечение соответствующих регулировок - своевременный контроль и поддержание в надлежащем техническом состоянии охладителей воздуха - поддержание оптимальной температуры в системе охлаждения - своевременное проведение моточисток. 183 Кроме того - увлажнение всасываемого воздуха - применение спецприсадок к топливу - обработка паром турбин на всасывании. Шуми вибрация при работе дизелей Составляющие шума - шум системы всасывания - шум выпуска - процесс сгорания - процесс перекладки деталей в зазорах подвижных соединений - силы инерции. Контрольные материалы для проверки усвоения учебного материала 1. Факторы воздействия СЭУ на окружающую среду. 2. Требования конвенции МАРПОЛ 73/78. 3. Мероприятия по борьбе с разливом ГСМ. 4. Мероприятия по борьбе с шумом на судах. 184 Список литературы Основная 1. Александров МН. Судовые устройства / МН. Александров. - Л Судостроение, 1968. - 372 с. 2. Алексеев Г. Д. Энергетические установки промысловых судов / Г. Д. Алексеев, В. А. Карпович. – Львов Судостроение, 1972. - 296 с. 3. Артемов ГА. Судовые энергетические установки / ГА. Артемов, Д. П. Волошин. – Львов Судостроение, 1987. - 480 с. 4. Гогин А. Ф. Судовые двигатели внутреннего сгорания / А. Ф. Гогин, А. А. Богданов. - М Транспорт, 1983. - 280 с. 5. Захаров Ю. В. Судовые холодильные установки / Ю. В. Захаров - М Транспорт, 1967. - 272 с. 6. Коршунов Л. П. Энергетические установки промысловых судов / Л. П. Коршунов - Л Судостроение, 1991. – 360 с. 7. Лысенко В. К. Судовые атомные установки / В. К. Лысенко - М Морской транспорт, 1963. - 278 с. 8. Попов В.В. Методические указания по выполнению расчетно-графической работы и контрольной Анализ теплового баланса дизельной судовой энергетической установки / В.В. Попов, – Керчь. : КГМТУ, 2016. 9. Овчинников И. Н. Судовые системы и трубопроводы И. Н. Овчинников, Е. И. Овчинников. - Л Судостроение, 1983. - 344 с. 10. Шиняев Е. Ни др. Судовые вспомогательные механизмы / Е. Н. Шиняев. - М Транспорт, 1984. - 309 с. Дополнительная 11. Акимов Н. П. Судовые силовые установки / Н. П. Акимов. - М Транспорт, 1987. – 436 с. 12. Аксельбанд A. M. Судовые энергетические установки / A. M. Аксельбанд. - Л Судостроение, 1970. - 472 с. 13. Добровольский А. П. Судовые холодильные машины и установки / А. П. Добровольский - Л. : Судостроение, 1969. - 255 с. 14. Кацман Ф. М. Эксплуатация пропульсивного комплекса морского судна / Ф. М. Кацман. - М. : Транспорт, 1987. - 223 с. 15. Козлов В. И. и др. Судовые энергетические установки / В. И. Козлов. - Л Судостроение, 1969. - 496 с. 16. Кулагин В. Д. Теория и устройство морских промысловых судов / В. Д. Кулагин. - Л. : Судостроение, 1974. - 440 с. 17. Миклос А. Г. Судовые двигатели внутреннего сгорания / А. Г. Миклос, Н. Г. Чернявская. - Л. : Судостроение, 1971. - 400 с. 18. Соловьев ЕМ. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы / ЕМ. Соловьев. - М Агропромиздат, 1986. – 184 с. 19. Хряпченков АС. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы / АС. Хряпченков. – Л Судостроение, 1988. - 296 с. 20. Морской регистр судоходства Правила классификации и постройки морских судов. 2 тома. - М Транспорт, 1990. 185 Владимир Владимирович Попов Основы судовой энергетики конспект лекций для курсантов специальности 26.05.06 Эксплуатация судовых энергетических установок очной и заочной форм обучения Тираж_____экз. Подписано к печати __________. Заказ № _______. Объем 9,72 пл. ФГБОУ ВО Керченский государственный морской технологический университет 298309 г. Керчь, ул.Орджоникидзе, 82. |