CC BY
25УДК (621.1+629.5):504.6
А.Н. Рак1, В.О. Гутаревич2
1 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected];
2 Донецкий национальный технический университет, Донецк, 830000
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ NOx, SOx И COx С МОРСКИХ СУДОВ
Во всем мире в судоходной отрасли уделяется большое внимание не только качественному составу топлива, но и выбросам выхлопных газов. В настоящее время качественный состав выхлопных газов регламентируется Приложением VI конвенции МАРПОЛ 73/78 Международной морской организации (IMO), ратифицированным многими ее подписантами, а поэтому все двигатели должны соответствовать всем ее нормам и требованиям по выбросам. В работе рассмотрены вопросы, связанные с исследованием эффективных способов снижения выбросов NOx, SOx и СО2. Показано, что в среднесрочной перспективе в связи с ужесточением экологических требований в ближайшее время произойдет переход на газообразные виды топлива, что позволит с незначительными конструктивными изменениями повысить мощность существующих главных двигателей и сократить выбросы окислов азота и парниковых газов.
Ключевые слова: главные двигатели, селективный каталитический редуктор, скруббер, гребная электрическая установка, аккумуляторная система, топливо, система непрерывного мониторинга выбросов.
A.N. Rak1, V.O. Gutarevich2
1 Kamchatka State Technical University,
Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected];
2 Donetsk National Technical University,
Donetsk, 830000
ANALYSIS OF EFFECTIVE SYSTEMS TO REDUCE NOx, SOx AND COx EMISSIONS FROM SHIPS
All over the world the shipping industry pays great attention not only to the quality of fuel composition, but also to the emissions of exhaust gases. At present, the quality composition of exhaust gases is governed by Annex VI of the International Maritime Organization (IMO) MARPOL - 73/78 Convention, ratified by many of its signatories, and therefore all engines must comply with all of its emission standards and requirements. The issues involved in investigating effective ways of reducing NOx, SOx and COx emissions were described. It is shown that in the medium term, due to stricter environmental requirements, a transition to gaseous fuels will take place in the nearest future. It will allow to increase the capacity of existing main engines and reduce emissions of nitrogen oxides and greenhouse gases with minor design changes.
Key words: main engines, selective catalytic reducer, scrubber, electric propulsion system, battery system, fuel, continuous emission monitoring system.
Во всем мире внимание к топливу, как правило, возрастает из-за повышенного внимания к выбросам выхлопных газов. В настоящее время Приложение VI 1МО ратифицировано многими подписантами конвенции МАРПОЛ 73/78. Следовательно, нормы по допустимым уровням выбросов NOx и SOx должны соответствовать данной конвенции [1-3]. Ограничения на выбросы должны соотноситься с современными технологиями и способностями рынка адаптироваться к таким ограничениям.
До недавнего времени основное внимание экологических служб в основном было сосредоточено на NOx и SOx, но сейчас больше внимания будет уделяться компонентам выхлопных газов, таким как HC, твердые частицы, CO и СО2.
Целью работы является исследование современных технических решений, позволяющих разрабатывать рациональные схемы современных судов, их пропульсивных установок с учетом их соответствия экологическим требованиям.
В данной работе использовались расчетные соотношения, приведенные в открытых источниках и соответствующие требованиям Международной морской организации (IMO), учитывался опыт и рекомендации ведущих зарубежных фирм и отечественных предприятий - производителей судового механического и электромеханического оборудования, их новейшие и перспективные разработки.
По состоянию на 2011 г. существующие зоны контроля выбросов NOx с судов (Emission Control Area (ECA)) и зоны контроля выбросов SOx (Sulphur Emission Control Area (SECA)) закреплены в Приложении VI к конвенции МАРПОЛ 73/78 [2, 3]. Расширение зон экологического мониторинга морского транспорта и
принятие мер по снижению антропогенного воздействия на окружающую среду требуют от судовладельцев выработать стратегию по данному вопросу для соответствия флота как действующим, так и перспективным нормам международных конвенций.
Как отмечалось выше, важными экологическими показателями являются нормы выбросов NOx с морских судов, представленные в [2, 3] и на рис. 1.
Как следует из рис. 1, количество выбросов NOx снижается при частотах вращения в диапазоне 350-2500 об/мин (данный диапазон является характерным для средне- (СОД) и высокооборотных (ВОД) ГД, что является весомым аргументом для перехода на гребные электрические установки (ГЭУ) [4].
На рис. 2 представлен типовой расход основних компонентов топливной смеси для ГД, а на рис. 3 - основные способы снижения выбросов NOx.
КОх, ^(кВт-ч)
20
15
10
1
■ * л - * * л
3
500
1000
U0CI
2000
п , мин
-1
Рис. 1. Нормы выбросов NOx с морских судов:
1 - уровень I, ГД > 130 кВт - новые суда с 2000 г.;
2 - уровень II, ГД > 130 кВт - новые суда с 2011 г.;
3 - уровень III > ГД > 130 кВт - новые суда с 2016 г.
в зонах контроля выбросов ECA: Западное и Восточное побережье США, страны Северной Европы
Рис. 2. Расход основных компонентов, обеспечивающих работу дизеля и состав отработавших газов: ОЧМ- объемная часть на миллион; ЧЧМ -
Рис. 3. Методы снижения выбросов NOx SCR (СКР) - селективный каталитический редуктор
число частей на миллион
Как следует из рис. 3, одним из способов снижения выбросов КОх является установка на ГД селективного каталитического редуктора (СКР). Основные и перспективные схемы установки СКР представлены на рис. 4.
Процесс очистки в СКР также зависит от величины рабочей температуры и содержания серы в топливе и типа топлива. На рис. 5 показан компромисс между минимальной и максимальной рекомендуемой температурой выхлопных газов и содержанием серы в жидком топливе для достижения хорошей эффективности и долговечности. Эффективность установки селективных каталитических редукторов представлена в табл.1.
Таблица 1
Эффективность установки селективных каталитических редукторов
1 6S50MC только движение ЫОх снижение 93-95%
2 6S50MC только движение ЫОх снижение 93-95%
3 6S50MC только движение ЫОх снижение 93-95%
4 6S50MC только движение ЫОх снижение 93-95%
5 9K80MC-GI-S движение и генерация ЫОх снижение выше 98%
6 4L35MC-S ЫОх снижение > 93%
7 2x7K60MC-S ЫОх снижение > 93%
8 6S35MC только движение ЫОх снижение > 93%
Рис. 4. Основные и перспективные схемы установки селективного каталитического редуктора
На рис. 6 представлена количественная оценка выбросов КОх в зависимости от нагрузки на дизель при переходе на водотопливную эмульсию.
Еще одним важным показателем, который регламентируется конвенцией МАРПОЛ 73/78, являются выбросы оксидов серы 8Ох [2, 3]. В табл. 2 приведены текущие и предстоящие ограничения значения содержания серы в жидком топливе.
Таблица 2
Содержание серы в топливе
Содержание серы в топливе, % Зона Дата имплементации
Макс. 1 SECA 1 июля 2010
Макс. 3,5 Глобально 1 января 2012
Макс. 0,1 SECA 1 января 2015
Макс. 0,5 Глобально 1 января 2020
опсература, >азования приводящ s°3
риску об
Тяжелое ДТ
Легкое Минимальная температура, приводя) риску возникновения гидрокарбонат сульфата аммония даяк
ДТ
Содержание серы в топливе, "■
Рис. 5. Рекомендуемые минимальное и максимальное значение температуры в селективном каталитическом редукторе при длительной эксплуатации для топлива, содержащего серу
Рис. 6. Снижение выбросов NOx при переходе на водотопливную эмульсию
В настоящее время для сокращения выбросов SOx на флоте применяются скрубберы. На рис. 7 представлен принцип действия скруббера по открытому циклу (возможна работа как по замкнутому, так и по комбинированному принципу).
Вентилятор выхлопных газов*
I Скруббернаявода I Реакционная вода ■ Моющая в ода ~ а в отстойнике 14 Опция
Рис. 7. Принцип действия скруббера по открытому циклу
Кроме способов ограничения выбросов NOx и SOx, рассмотренных выше, также большое внимание уделяется и стяжению эмиссии парниковых газов (ПГ). О существующих способах, применяемых на современных судах, досконально изложено в [4, 5].
Переход к LPG и LNG позволит увеличить мощность ДВС при внесении незначительных изменений в систему подачи топлива в соответствии с выражением:
N = N
1 4 HOM. ГАЗ 1 4 НОМ. ДИЗ
С ■ НТС
, ДИЗ ■ Н Т СГАЗ
3
с.
■ НТС
кВт,
ДИЗ J
где N ном. диз - номинальная мощность на дизельном топливе, кВт;
Се - безразмерный коэффициент между расходом топлива в двигателе (г) и выбросами СО2 (г), определенными по содержанию углерода в конкретном топливе (г СО2/ г топлива);
НТС - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг.
Одним из эффективных способов снижения выбросов NOx является установка на ГД селективных каталитических редукторов (СКР), которые позволяют снизить количество выбросов NOx до 93-98%, в зависимости от применяемой схемы. Для скрубберов этот показатель составит 80-95%.
Снижение общего расхода топлива может привести к дальнейшему сокращению выбросов Ш2 путем перехода на иные виды углеводородного топлива в среднесрочной перспективе. Переход к СНГ и СПГ позволит увеличить мощность ДВС при внесении в его конструкцию незначительных изменений на 22,6-49,6%.
В отдаленной перспективе водородные топливные элементы могут рассматриваться как реальная альтернатива углеводородным видам топлива, но экономические факторы будут ограничивать развертывание новой дорогостоящей инфраструктуры.
Литература
1. Air pollution and energy efficiency: Background information to document MEPC 64/4/13. Submitted by the International Association of Classification Societies (IACS). Marine environment
protection committee. 64th session. Agenda item 4. MEPC 64/INF.7 2 July 2012. English only. [Электронный ресурс] - URL: https://www.researchgate.net/publication/315642914_Background_ information_to_document_MEPC_64413/ (дата обращения: 30.03.2020).
2. МАРПОЛ. Книга III, пересмотренное Приложение VI к МАРПОЛ «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов». - Издание ЗАО «ЦНИИМФ», 2012 [Электронный ресурс] - URL: http://docs.cntd.ru/document/499014496 (дата обращения: 30.03.2020).
3. Руководство по применению положений Международной конвенции МАРПОЛ 73/78. НД №2-030101-026 / ФАУ «Российский морской регистр судоходства». - СПб., 2017 - 163 с.
4. Труднев С.Ю., Рак А.Н., Марченко А.А. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: Судовые источники электрической энергии: Учеб. пособ. - Часть I [Электронный ресурс] Текстовое (символьное) электронное издание: 1 электрон. опт. диск (CD-R). - Новокузнецк: Знание-М, 2021. - 188 c.
5. MAN Energy Solutions. MAN B&W ME-LGIP dual-fuel engines [Электронный ресурс]. -URL: https://www.man-es.com/marine/products/planning-tools-and-downloads/technical-papers/2 (дата обращения: 22.03.2021).
