Литература по Механике и для Механиков / Литература / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

По оси ординат на рисунке 14.3 отложено значение удельного выброса NOx в % от его величины до увлажнения рабочего тела, по оси абсцисс - отношение массы воды, введенной в цилиндр, к массе впрыс­ киваемого топлива. Метод УВН менее эффективен, нежели ВТЭ и НПВ. Это объяснятся тем, что при подаче в цилиндр воды в жидком виде от рабочего тела дополнительно отнимается теплота вследствие ее испа­ рения, температуры в КС снижаются больше, чем при УВН.

Рассмотрим способы реализации, преимущества и недостатки различных способов увлажнения рабочего тела.

ВТЭ. Эксперименты по применению ВТЭ на речных и морских судах проводились достаточно широко в 70-х годах прошлого века с целью снижения удельного расхода топлива и уменьшению нагарообразования при работе на тяжелых сортах топлив. Этот способ не требу­ ет изменения конструкции дизеля, не оказывает вредного воздействия на его надежность, при доле присадочной воды менее 30% удельный расход топлива мало изменяется, уменьшается дымность ОГ, расход воды невелик (10% добавки воды в топливо снижает выброс NOx при­ мерно на 10%). Преимуществом этого способа является также неболь­ шая стоимость установки системы ВТЭ на судно. В качестве недостат­ ков можно отметить небольшой потенциал снижения выброса NOx (мак­ симум на 30% в связи с ограниченным запасом производительности ТНВД, параметрами распылителей форсунок и др.). При работе на тя­ желых топливах с высоким содержанием серы может иметь место кор­ розия топливной аппаратуры.

Рис. 14.5. Схема системы увлажнения наддувочного воздуха

УНВ. Система увлажнения наддувочного воздуха, разработанная кафедрой теплоэнергетики Технологического института г. Лунд (Шве­ ция), была испытана в 1998 г. на трехцилиндровом дизеле «Пилстик» PC 2.6В (мощность 2000 кВт). Затем система была установлена на т/х Mariella (паром, принадлежащий судоходной компании Viking Line АВ). Энергетическая установка судна состоит из четырех среднеоборотных дизелей «Пилстик» 12 PC 2.6 мощностью 5750 кВт каждый. Принци­ пиальная схема системы приведена на рисунке 14.5.

Преимуществами системы УНВ (или Н.А.М. в англоязычной ли­ тературе) 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 низ­ кие эксплуатационные расходы.

Вкачестве недостатков отмечаются следующие:

-увеличение удельного расхода топлива;

-увеличение дымности выпуска;

-снижение температуры ОГ (при соотношении в цилиндре Иf ) t топливо = 3, температура снижается на 30%), поэтому их энергии не­ достаточно для работы утилизационного котла;

-высокая стоимость системы;

-большие габариты и масса системы.

Несмотря на отмеченные недостатки, системы УНВ, по-видимо- му, будут развиваться, так как обладают большим потенциалом по сни­ жению выброса оксидов азота.

Вторым направлением в группе первичных методов снижения выбросов NOx является рециркуляция 0/"(EGR). Суть этого метода за­ ключается в том, что часть отработавших газов из выпускного коллек­ тора подается в продувочный ресивер. Предварительно ОГ пропуска­ ются через распыленную воду в специальном устройстве, где охлажда­ ются, очищаются от сажи, частиц и оксидов серы. После очистки ОГ электроприводным центробежным компрессором подаются в проду­ вочный ресивер.

Снижение NOx методом рециркуляции обусловлено наличием в ОГ углекислого газа с высокой теплоемкостью (больше, чем у водяно­ го пара), что снижает температуру в камере сгорания. Кроме того, ОГ замещают воздух в свежем заряде, поэтому уменьшается концентра­ ция кислорода в зоне горения и меньше образуется Л’О.,. Из-за умень­ шения 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 вари­ ант его комбинации с методом увлажнения наддувочного воздуха:

Вторичные методы. Селективное каталитическое восстанов­ ление NOx. Технология селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction - SCR) NOx аммиаком внедрена датской фирмой Haldor Topsoe на нескольких паромах, эксплуатируемых в Бал­ тийском море, и используется в составе не менее, чем 20 дизельных теплоэлектростанций в основном в Скандинавских странах.

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

4NO + 4NH3 + 0 2 -» 4N2 + 6Н20 2N 0 2 + 4NH3 + 0 2 3N2 + 6Н20

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

NO + N 0 2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H20

Одной из существенных проблем при использовании этой техно­ логии является опасность газообразного аммиака. Однако эта пробле­ ма успешно решается заменой газообразного аммиака на водный ра­

створ карбамида (мочевины), к хранению которого не предъявляется каких-либо специальных требований. В зоне реакции аммиак образу­ ется при разложении водного раствора мочевины по формуле:

CO(NH2)2 + Н20 2NH3 + С 0 2

На рисунке 14.6 приведена система SCR фирмы «Вяртсиля» с ком­ пактным 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 стехиометрическое соотношение реагентов на всех режимах работы дизеля. Большая стоимость системы и значи­ тельные эксплуатационные расходы оправданы высокой степенью очи­ стки ОГ от NOx.

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

процесс тепломассообмена между ОГ и

Рис. 14.6. Система SCR фирмы «Вяртсиля»:

1 - четырехтактный двигатель;

2 - танк запаса раствора моче­ вины; 3 - система измерения NОр 4 - насос подачи мочеви­ ны; 5 - блок контроля дозиров­ ки мочевины; 6 - впрыск моче­ вины; 7 - SCR реактор; 8 - ути­ лизационный котел

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

РЕКОМЕНДУЕМАЯ УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судо­ строение, 1977.

2.Возницкий И.В., Михеев Е.Г. Судовые дизели и их эксплуатация. - М.: Транспорт, 1990.

3.Возницкий И.В. Современные малооборотные двухтактные двига­ тели. - М.: МОРКНИГА, 2006.

4.Возницкий И.В. Современные судовые среднеоборотные двигатели. - М.: МОРКНИГА, 2005 г.

5.Возницкий И.В. Практические рекомендации по смазке судовых ди­ зелей. - М.: МОРКНИГА, 2005.

6 . Возницкий И.В. Практика использования морских топлив на судах. -

М.: МОРКНИГА, 2006.

7. Возницкий И.В. Повреждения и поломки дизелей. Примеры и анализ причин. - М.: МОРКНИГА, 2006.

8 . Возницкий И.В. Топливная аппаратура судовых дизелей. Конструк­ ция, проверка состояния и регулировка. - М.: МОРКНИГА, 2005.

9.Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1990.

10.Камкин С.В., Возницкий И.В., Лемещенко А.Л., Большаков В.Ф., Пунда А.С. Эксплуатация судовых дизельных установок. - М.: Транспорт, 1996.

11.Овсянников М.К., Петухов В.А. Дизели в пропульсивном комплексе морских судов / Справочник. - Л.: Судостроение, 1987.

12.Самсонов В.И., Худов Н.И., Мирющенко А.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. —М.: Транспорт, 1981.

13.Шмелев В.П., Лемещенко А.Л., Пилецкий А.Е. Опыт исследований

иэксплуатации топливной аппаратуры судовых дизелей: монография. - СПб.: Изд-во ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2009.

Методические учебные пособия

1.Васькевич Ф.А. Расчеты судовых дизелей - пособие по курсовому и дипломному проектированию. - М.: Мортехинформреклама, 1987.

2.Волочков В.А. Расчет рабочих процессов судовых дизелей. - М .: Мор­ техинформреклама, 1987.

3 Пунда А.С. Численное моделирование рабочих процессов судовых дизелей. - М.: Мортехинформреклама, 1995.

4. Пунда А.С. Судовые двигатели внутреннего сгорания / Методические указания к выполнению курс, проекта. - СПб.: ГМА - Элмор, 1998.