Снижение концентрации оксидов азота в выпускных газах судовых дизелей

Основным источником энергии, обеспечивающим работу судовых энергетических установок, в том числе двигателей внутреннего сгорания, является топливо. Судовые двигатели внутреннего сгорания являются крупнейшими потребителями жидкого топлива. Мощность главных двигателей, производимых ведущими дизелестроительными фирмами Mitsubishi, MAN Diesel, Wartsila-Sulzer достигает 56000…81000 кВт, а вспомогательных двигателей 2500…4200 кВт. При среднем удельном эффективном расходе топлива 175…188 г/(кВт×ч) суточный расход топлива главным двигателем может составлять 235…350 тонн/сутки, а вспомогательными двигателями, количество которых на современных судах до 4-х, а количество параллельно работающих до 3-х, до 8…10 тонн/сутки. При этом в атмосферу выбрасывается 16…24 тонн/час выпускных газов, в состав которых входят токсичные компоненты. В связи с эти целый ряд международных организаций (в частности International Maritime Organization – IMO) вводят строгие требования, выполнение которых позволяет обеспечить экологические параметры работы судовых дизелей [3, с. 270].

Несмотря на разработку тепловых двигателей, работающих на природном газе или биодизельном топливе, подавляющее количество морских судов используют для своего движения жидкое топливо, поэтому задача снижения концентрации выбросов в атмосферу вредных выбросов, образующихся при его сгорании, будет по минимальной оценке актуальна на протяжении ближайшего десятилетия.

Способы снижения концентрация NO_Х в выпускных газах подразделяются на первичные и вторичные. К первичным относятся меры по оптимизации процесса смесеобразования, подачи и горения топлива, а также совершенствования конструкции топливной аппаратуры [1, c. 86]. Вторичные способы (селективное или неселективное каталитическое восстановление) подразумевают очистку уже образовавшихся выпускных газов перед их выпуском в атмосферу в дополнительно установленных специальных устройствах (реакторах) [2, с. 56].

Одним из перспективных способов снижения эмиссии NO_X является использование рециркуляции выпускных газов, при котором для снижения температуры в цилиндре дизеля выполняют частичное возвращение выпускных газов в продувочный ресивер для их смешивания с воздухом и последующее использование полученной смеси для обеспечения рабочего цикла. Однако широкого опыта технической эксплуатации этих систем в настоящее время не существует, а рекомендации по их использованию в основном базируются на теоретических исследованиях и моделировании происходящих при этом процессах.

Экспериментальные исследования по влиянию системы рециркуляции выпускных газов на экологические и экономические показатели работы двигателя внутреннего сгорания выполнялись на судовом малооборотном дизеле 7UEC60LS фирмы Mitsubishi, работающему по двухтактному циклу и оборудованному штатной системой ERG.

Основные характеристики дизеля:

диаметр цилиндра – 600 мм;

ход поршня – 2400 мм;

количество цилиндров – 7;

номинальная мощность – 12600 кВт;

частота вращения, соответствующая номинальной мощности – 82 об/мин.

Принципиальная схема дизеля 7UEC60LS фирмы Mitsubishi с системой рециркуляции выпускных газов показана на рис. 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема системы рециркуляции выпускных газов для судового малооборотного дизеля: 1, 5 – газотурбонагетатель; 2 – выпускной коллектор; 3 – управляющий клапан системы рециркуляции выпускных газов; 4 – скруббер; 6 – водяной насос; 7 – водяная цистерна; 8 – газовый нагнетатель с электрическим приводом; 9, 11 – охладитель наддувочного воздуха; 10 – воздушный ресивер

Выпускные газы из цилиндров дизеля поступают в общий выпускной коллектор 2 и далее к газотурбонагнетателям 1 и 5, после чего через газовыпускную трубу удаляются в атмосферу. Газотурбонагнетатели 1 и 5 забирают воздух из машинного отделения и после сжатия направляют его каждый через свой охладитель (соответственно 9 и 11) в воздушный (продувочный) ресивер 10. При этом газотурбонагнетатель 5 оборудован системой рециркуляции выпускных газов, которая состоит из управляющего клапана 3, скруббера очистки газов 4, газового нагнетателя 8, водяной цистерны 7 и водяного насоса 6. В случае использования системы рециркуляции выпускных газов их количество регулируется клапаном 3. Выпускные газы очищаются и предварительно охлаждаются в скруббере 4, после чего дополнительным нагнетателем 8 подаются на смешение с воздухом (поступающим из газотурбонагнетателя 5) и поступают к охладителю 9, воздушному ресиверу 10 и далее в цилиндр дизеля. Газовый нагнетатель 8 представлял из себя вентилятор с постоянной геометрией проходного сечения.

Целью исследования было определение влияния степени рециркуляции выпускных газов на изменение концентрации NO_X в выпускных газах и удельного эффективного расхода топлива дизеля.

Степень рециркуляции уходящих газов во время экспериментов изменялась в следующих значениях: EGR=4,7 %, EGR=9,8 %, EGR=14,6 %, EGR=18,8 % и контролировалась по судовым измерительным средствам.

Эксперименты выполнялись для следующих скоростных режимов работы дизеля: 55, 65, 75 и 80 об/мин, что соответствовало значениям относительной мощности дизеля: 0,3N_enom, 0,5N_enom, 0,77N_enom и 0,93N_enom.

Результаты исследований приведены на рис. 2 и 3.

Рисунок 2. Изменение концентрации NO_X в выпускных газах в зависимости от нагрузки для различной степени рециркуляции: а) EGR=4,7 %; б) EGR=9,8 %; в) EGR=14,6 %; г) EGR=18,8 %; 1 – работа без рециркуляции; 2 – работа с рециркуляцией

Рисунок 3. Изменение удельного эффективного расхода топлива b_e в зависимости от нагрузки для различной степени рециркуляции: а) EGR=4,7 %; б) EGR=9,8 %; в) EGR=14,6 %; г) EGR=18,8 %; 1 – работа без рециркуляции; 2 – работа с рециркуляцией

Приведенные результаты позволяют сделать следующие выводы.

Изменение степени рециркуляции выпускных газов в диапазоне 4,7…18,8% обеспечивает снижение концентрации оксидов азота NO_X в выпускных газах с 13,5 до 3,8 г/(кВт×час) в зависимости от нагрузки дизеля, которая в экспериментах изменялась в интервале (0,3…0,93)N_enom. Снижение концентрации NO_X в выпускных газах в процентном отношении находится в пределах 19,5…48,8%, причем большие значения соответствуют интервалу нагрузок (0,77…0,83)N_enom, т.е. наиболее распространенным из эксплуатационных режимов работы дизеля.

Использование для снижения концентрации NO_X в выпускных газах их рециркуляции ухудшает процесс сгорания топлива, что непосредственно влияет на такой показатель как удельный эффективный расход топлива. Его значение (согласно проведенным исследованиям) повышается пропорционально росту степени рециркуляции выпускных газов и в процентном соотношении составляет 0,85…2,01% для случая EGR=4,7% и 2,16…4,34% для случая EGR=18,8%.

В настоящее время такой способ снижения концентрации NO_X в выпускных газах судовых дизелей как использование рециркуляции выпускных газов является наиболее оптимальным в первую очередь с точки зрения его технологического исполнения. Использование способа EGR на морских судах обеспечивает выполнение международных требований по защите окружающей воздушной среды от загрязнения и может успешно применяться в судовой энергетике.