Вопросы снижения эмиссии NOx в выхлопных газах судовых среднеоборотных дизелей (обзор статей Diesel facts. 2010, n 4)

УДК 621.43.05 ББК 34.41

С. Е. Андрусенко, Ю. И. Матвеев

ВОПРОСЫ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ NOX В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

S. E. Andrusenko, Yu. I. Matveev

METHODS OF NOX EMISSION REDUCTION IN EXHAUST GASES OF MARINE MEDIUM REVERSE DIESEL ENDINES

Вступление в 2016 г. в действие норм Tier III приводит к необходимости введения технических средств и решений, которые будут способствовать уменьшению выбросов NOx на 80 %. Представлены результаты исследований современных двигателей зарубежного производства, даны рекомендации, показаны пути снижения NO^ Основные мероприятия: система аккумуляторного впрыска Common Rail и селективное каталитическое восстановление отработавших газов. Рассмотрены достоинства и недостатки основных мероприятий.

Ключевые слова: система питания Common Rail, селективное каталитическое восстановление, технология подачи влажного воздуха в цилиндры.

Entrance into action of Tier III standards in 2016 results in the need to introduce technical tools and solutions that will help to reduce NOx emissions by 80 %. The results of studies of modern engines of foreign manufacture are presented and the recommendations are given, the ways of NOx reduction are shown. The main events are: the battery system Common Rail injection and selective catalytic reactivation of exhaust gases. The advantages and disadvantages of the main events are considered.

Key words: power system Common Rail, selective catalytic reactivation, technology of supply of moist air into the cylinders.

Фирма MAN Diesel осуществила опытную эксплуатацию своих среднеоборотных двигателей с селективным каталитическим восстановлением (SCR - Selective Catalytic Reduction) отработавших газов и технологией подачи влажного воздуха в цилиндры двигателя (HAM -Humid Air Motor). Внедрение этих мероприятий позволило получить значительное снижение выбросов окислов азота (NOx) до пределов уровня Tier III требований Международной морской организации (IMO - International Maritime Organization), вступающих в силу после 2016 г. для прибрежных районов плавания морских судов

С двигателем 32/44CR, представленным впервые на выставке 2009 г., фирма MAN Diesel & Turbo продолжила свои целевые исследования по уменьшению выбросов NOx с отработавшими газами и доведению их до жестких пределов уровня Tier III IMO [1].

Центральное место стенда фирмы MAN Diesel & Turbo на торгово-промышленной выставке в Гамбурге занимал двигатель 20V32/44CR с системой питания Common Rail и системой SCR, представлявший собой 10-метровый агрегат 6-метровой высоты - самый крупный экспонат, когда-либо представлявшийся фирмой MAN Diesel & Turbo на любых других выставках (рис. 1). Фирма MAN Diesel & Turbo демонстрировала готовность поставлять двигатели, удовлетворяющие уровню Tier III требований IMO по выбросам токсичных компонентов, вступающих в силу с 2016 г. в прибрежных районах плавания морских судов.

Рис. 1. Двигатель 20V32/44CR с системой SCR фирмы MAN Diesel & Turbo на торгово-промышленной выставке в Гамбурге в 2010 г.

20-цилиндровый двигатель в версии 32/44CR был специально изготовлен для выставки в Гамбурге. Оборудованный системой аккумуляторного впрыска Common Rail, механизмом изменения фаз газораспределения (VVT - Variable Valve Control) и изменяемой геометрией турбокомпрессора (VTA - Variable Turbocharger Geometry), двигатель 20V32/44CR является одним из самых экономичных двигателей своего класса. Даже без каталитического конвектора системы SCR двигатель удовлетворяет нормам Tier II требований IMO по выбросам NOx с отработавшими газами, вступившими в силу с 2011 г., и осуществляет их снижение на 20 %.

Вступление в 2016 г. в действие норм Tier III приводит к необходимости введения дальнейших технических средств и решений, которые будут способствовать уменьшению выбросов NOx на 80 %, что и стало основной причиной, по которой фирма MAN Diesel & Turbo продемонстрировала новый двигатель на выставке в Гамбурге.

При использовании метода SCR (рис. 2) выхлопные газы обрабатываются аммиаком или мочевиной и подаются в каталитический преобразователь при температуре 300-400 °С с целью снижения содержания в них NOx до 98 %.

SCR-технология хорошо отработана и основана на применении дозированного впрыска раствора мочевины в поток отработавших газов на входе в каталитическую установку, восстанавливающую NOx до азота и воды [2].

Метод SCR имеет большое значение для достижения норм Tier II. Двигатель, представленный на выставке, полностью удовлетворял требованиям норм Tier II уже за счет своей ультрасовременной конструкции.

Генератор аммония CO(NH2)2 + H2O 2NH3 + CO

SCR-катализатор NOx ~O2, NH3 - N2H3O

Рис. 2. Схема селективного каталитического восстановления отработавших газов

Современная конструкция двигателя, по мнению специалистов фирмы MAN Diesel & Turbo, включает:

- высокую степень сжатия, что обеспечивает быстрое снижение температуры после воспламенения топлива с соответствующим снижением эмиссии NOx и увеличением удельного расхода топлива;

- приближение фаз газораспределения к фазам цикла Миллера с ранним закрытием впускного клапана, обеспечивающим снижение пиков значений температуры, и соответствующее уменьшение эмиссии NOx;

- использование высокоэффективных турбокомпрессоров с высокой степенью наддува для оптимизации компромисса между уменьшением NOx и одновременным увеличением удельного расхода топлива;

- изменение фаз газораспределения в части уменьшения угла перекрытия клапанов;

- применение системы топливоподачи, обеспечивающей гибкую настройку угла начала подачи топлива, продолжительность подачи топлива и давление впрыска. При этом система Common Rail может быть оптимизирована для работы с низким расходом топлива благодаря использованию систем с электронным управлением; при этом функцию снижения эмиссии NOx осуществляет SCR-процесс.

Снижение объемов выбросов NOx методом SCR может происходить только внутри определенного температурного диапазона [2]. Если температура слишком высока, аммиак преимущественно будет сгорать, а не реагировать с NO/NO2. При очень низкой температуре скорость реакции будет слишком медленной и конденсация сульфатов аммония выведет из строя каталитический элемент.

Эти недостатки, при меньшей производительности по снижению выбросов NOx с отработавшими газами, отсутствуют в технологии HAM.

Технология HAM заключается в насыщении наддувочного воздуха парами морской воды, поступающей в турбокомпрессор. В результате температурные пики сгорания снижаются, вследствие чего происходит и снижение эмиссии NOx (рис. 3).

Сокращение NOx с влажным воздухом Пик образования NOx

Рис. 3. Образование NOx как функция температуры сгорания

К основным эксплуатационным преимуществам применения технологии НАМ относятся:

- значительное сокращение эмиссии NOx в выхлопных газах на полной и частичных нагрузках;

- снижение расходов масла и топлива независимо от сорта применяемого топлива;

- уменьшение тепловой нагрузки на двигатель в связи с уменьшением максимальных значений давления сгорания топлива;

- низкие требования к техническому обслуживанию системы подачи влажного воздуха;

- экологическая безопасность метода вследствие того, что в системе двигателя используется неочищенная морская вода [3].

Испытания двигателя 16У28/32А фирмы MAN Diesel & Turbo с технологией HAM были проведены на норвежском судне Kvannoy (рис. 4).

Указанная система смонтирована на судне под руководством сервисного центра MAN PrimeServ (Фридрисхавен, Дания) с участием норвежского классификационного общества морского судоходства DNV (Det Norske Veritas), которым и осуществлялся окончательный анализ выбросов NOx во время ходовых испытаний главного двигателя.

Рис. 4. 84-метровый «Kvannoy» с технологией HAM

Испытания показали, что выбросы КОх, измеренные в соответствии с рекомендациями Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ) по циклу Е2 испытаний, составили 3,6 г/(кВт • ч). Это соответствует уменьшению количества выбросов на 61,3 % по сравнению с двигателем, не оснащенным системой НАМ. Результаты испытаний приведены на рис. 5 [3].

Испытательный цикл Е2 в соответствии с приложением VI МАРПОЛ

Рис. 5. Уровень выбросов с применением технологии NAM

Полученное значение эмиссии NOx в выхлопных газах на 1,2 г/(кВт • ч) выше предела, ограниченного рамками уровня Tier III, такой уровень позволяет сократить эмиссию NOx в выхлопных газах на 50 т в год. Экономически это эквивалентно ежегодной экономии в 800 тыс. норвежских крон (100 тыс. евро) из-за снижения налоговой ответственности за NOx, введенное правительством Норвегии для судов, эксплуатирующихся во внутренних водах. Срок окупаемости модернизации двигателя с целью использования системы НАМ составит около 3 лет.

Следует также отметить, что испытуемый двигатель 16V28/32А фирмы MAN Diesel & Turbo, не оборудованный технологией HAM, имел выбросы NOx на уровне норм Tier II вследствие конструктивных особенностей, введенных в конструкцию базового двигателя.

Исследования фирмы MAN Diesel & Turbo, проведенные с целью снижения выбросов NOx в отработавших газах судовых двигателей, показали следующее:

- базовыми мероприятиями для снижения токсичности выхлопных газов является совершенствование конструкции двигателя, способное обеспечить снижение выбросов NOx в отработавших газах до 20 %;

- применение специальных средств для снижения токсичности выхлопных газов, в частности технологий каталитической очистки газов и подачи влажного воздуха, способствует наиболее полной очистке газов от NOx, однако требует оборудования двигателя специальными системами. При этом непременным условием является внесение в базовую конструкцию двигателя конструктивных улучшений, ориентированных на функционирование систем двигателя и организацию рабочего процесса.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. 32/44CR Cracks Tier III with Selective Catalytic Reduction // Diesel facts. A Technical Customer Magazine of MAN Diesel & Turbo. - 2010. - N 4. - P. 3.

2. Обозов А. А. По страницам зарубежных журналов // Двигателестроение. - 2007. - № 4. - С. 51-55.

3. First Humid Air Motor Makes Waves in Fishing Industry // Diesel facts. A Technical Customer Magazine of MAN Diesel & Turbo. - 2010. - N 4. - P. 8.

Статья поступила в редакцию 14.11.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Андрусенко Сергей Евгеньевич - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; аспирант кафедры «Эксплуатация судовых энергетических установок»; sea3105@bk.ru.

Andrusenko Sergey Evgenievich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Postgraduate Student of the Department "Operation of Ship Power Plants"; sea3105@bk.ru.

Матвеев Юрий Иванович - Волжская государственная академия водного транспорта, Нижний Новгород; д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Эксплуатация судовых энергетических установок»; eseu665@aqua.sci-nnov.ru.

Matveev Yury Ivanovich - Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod; Doctor of Technical Science; Professor; Head of the Department "Operation of Ship Power Plants"; eseu665@aqua.sci-nnov.ru.