Очистка выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона

УДК 504.3.054: 621.43.068.4

ОЧИСТКА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ АДСОРБЦИЕЙ ТВЕРДЫМ ВЕЩЕСТВОМ В ПРИСУТСТВИИ ОЗОНА

Туркин А.В., к.т.н., доцент ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адм. Ф.Ф. Ушакова».

С целью повышения экологической безопасности при эксплуатации судовых энергетических установок предложена очистка выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона.

Ключевые слова: экологическая безопасность, судовой двигатель, очистка выхлопных газов, оксиды азота, адсорбция, озон.

THE EXHAUST GAS PURIFYING MARINE ENGINES ADSORPTION OF SOLIDS IN

THE PRESENCE OF OZONE

Turkin A., Ph.D., assistant professor, Admiral Ushakov State Maritime University, FGBOU VPO To improve the ecological safety of ship power plant ship engine exhaust gas cleaning by solid material adsorption in presence of ozone offered. Keywords: ecological safety, ship engine, exhaust gas cleaning, nitrogen oxides, adsorption, ozone.

Безусловным приоритетом современного двигателестроения является повышение экологической безопасности. В настоящее время и в ближайшие годы для судовых двигателей вводятся более жесткие экологические требования.

С 1 января 2011 г. Международной морской организации (IMO) введено ужесточение норм выбросов оксидов азота на 20 % (уровень Tier II), а с 2016 г. запланировано ужесточение норм в зонах контроля эмиссии оксидов азота (NO Emission Control Area - NECA) на 80 % (уровень Tier III). При этом технически снижение выбросов оксидов азота представляет собой наибольшую сложность. Проблема снижения выбросов оксидов азота (NOX) с дымовыми газами судовых энергетических установок определяет большое количество способов и подходов к ее решению.

Широкое распространение получили режимно-технологичес-кие (первичные природоохранные) мероприятия по снижению концентрации NOX в дымовых газах - изменение фаз газораспределения, рециркуляция отработавших газов, использование водотоплив-ных эмульсий и другие методы. Но в судовых условиях первичные мероприятия, несмотря на результативность получения низких концентрации NOX в дымовых газах, в ряде случаев не исключают превышения концентраций NOX над их значениями, рекомендованными Конвенцией МАРПОЛ 73/78. Кроме этого, применение этих мероприятий требует значительного усложнения конструкции судовых двигателей и систем управления ими.

Эффективность первичных мероприятий в большинстве случаев достаточна только для достижения уровня ИМО Tier 2. Для достижения уровня ИМО Tier 3 требуются дополнительные (вторичные) природоохранные мероприятия с более глубоким снижением концентраций NOX в дымовых газах.

Вторичные методы снижения выбросов NOx с дымовыми газами (связанные с системами газоочистки) пока нашли ограниченное применение в судостроении из-за больших затрат [1,3]. Обеспечить современные требования по выбросам NO с дымовыми газами возможно при использовании специальных химических методов очистки газов. Наиболее распространенным в судовых условиях является метод селективного каталитического (СКВ) восстановления оксидов азота. Процессы СКВ основаны на избирательном взаимодействии NOx с восстановителем (мочевиной) в газовой фазе при температуре 900 - 1200 eC в присутствии катализатора [1, 3, 4]. Наиболее активными для процесса селективного восстановления NOx являются катализаторы, содержащие благородные металлы. Основным недостатком таких катализаторов является высокая стоимость. Другой недостаток этого метода связан со значительным расходом мочевины в процессе эксплуатации и необходимостью наличия соответствующей инфраструктуры для ее пополнения в портах захода судна.

Сравнительный анализ показывает: известные вторичные методы снижения выбросов NOx, связанные с системами газооочист-ки, хотя и обеспечивают высокую степень очистки дымовых газов, но при этом связаны со значительными затратами и основаны на использовании вредных химических реагентов, что требует разработки иных, экономически и экологически эффективных методов.

Отсюда, можно сделать следующие выводы:

1) большинство каталитических способов очистки отличаются, как правило, высокой стоимостью катализаторов, сложностью оборудования и его эксплуатации, что влечет за собой значительное повышение затрат на строительство и эксплуатацию судна, в результате чего использование их для очистки дымовых газов, затруднительно;

2) каталитические способы очистки осуществляются только с помощью химических реагентов (мочевина и др.), что требует организации бесперебойного снабжения этими реагентами.

Анализ особенностей процессов очистки показывает, что очистку дымовых газов судовых энергетических установок от вредных примесей и, в первую очередь от N0^ возможно осуществить при окислении оксида азота (II) до оксида азота (IV) абсорбцией, протекающей параллельно с конденсацией водяных паров дымовых газов, образованных в процессе горения топлива в цилиндре дизеля или топке котла. Теория и практика абсорбционных процессов показывает, что одним из главных факторов, определяющим технологическую и экономическую эффективность абсорбции, является выбор абсорбента.

Общеизвестно, что из многих химических реагентов наиболее доступным и безопасным с точки зрения эксплуатации и экологии реагентом является вода. Однако, ее использование для абсорбции оксидов азота, содержащих до 95% N0 из дымовых газов, нереально ввиду очень малой растворимости N0 в воде. В тоже время диоксид азота быстро поглощается водой с образованием азотной и азотистой кислот. Отсюда следует, что абсорбция N0X дымовых газов водой возможна только при дальнейшем окисление N0 до N02. Быстрое окисление N0 в N02 происходит при использовании в качестве окислителя озона, который при попадании в атмосферу быстро трансформируется в молекулярный кислород, не загрязняя ее. При этом современный уровень развития техники позволяет получать озон на месте его потребления. Температура, при которой равновесие реакции окисления оксида азота (II) сдвинута полностью вправо, должна быть ниже 100°С. Присутствие в дымовых газах оксида серы 802 не меняет технологии очистки, так как скорость и степень ее окисления выше, чем у N0. Кроме того, очистка дымовых газов по этому способу позволяет при дальнейшей обработке удалить из них большую часть диоксида углерода и утилизировать его.

Таким образом, использование в качестве окислителя озона обеспечивает одновременную очистку дымовых газов от N0^ водяных паров, снижение их тепловых выбросов и утилизацию значительной части тепла и улавливаемых компонентов, путем проведения одновременных процессов охлаждения, конденсации водяных паров, окисления монооксида азота до диоксида азота и абсорбции полученного диоксида азота, что позволяет повысить технико-экономические и экологические характеристики судовой энергетический установки.

Для исследования возможности практического внедрения рассматриваемого способа очистки дымовых газов от оксидов азота был проведен эксперимент, целью которого являлось определение

кинетических характе-ристик основного аппарата очистки - эмуль-гационно-пленочного трубчатого абсорбера (ЭПТА), проверка его работоспособности при очист-ке реальных дымовых газов для получения технологических пара-метров, по которым может быть рассчитан и спроектирован аб-сорбер судовой установки очистки дымовых газов от оксидов азота. [5].

По результатам эксперимента установлено, что при увеличении удельного расхода озона более 0,4 г/г эффективность очистки практически не меняется. При средней температуре дымовых газов в ЭПТА равной приблизительно 60°С максимальная степень очистки составляет 70 - 73 %, что достаточно для выполнения требований ИМО Tier 3.

Анализ использования экспериментальной установки показывает, что рассмотренный метод абсорбции оксидов азота водой хотя и обеспечивает достаточную степень очистки выхлопных газов, но является достаточно сложным при реализации в судовых условиях. Эффективность работы ЭПТА сильно зависит от режимов движения выхлопных газов и забортной воды в нем. Согласование работы ЭПТА с судовым двигателем, особенно на нестационарных режимах его работы, является трудоемкой задачей, требующей постоянного контроля со стороны вахтенного механика, либо внедрения сложной системы автоматического регулирования, значительно усложняющей конструкцию ЭПТА и повышающей его стоимость.

Поэтому с целью снижения затрат на эксплуатацию рассмотрен метод очистки отработавших газов от кислотных оксидов и твердых частиц с использованием механизма их адсорбции твердым веществом. Для этих целей разработано комплексное устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя.

В основе работы предлагаемого устройства лежит использование в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов гранулированной шлаковой пемзы и в качестве окислителя -озона для ускорения процесса очистки. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO2, Al2O3, MnO) c модулем основности М>1. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NO , SO , СО), а высокая пористость их структуры позволяет использовать гранулы шлаковой пемзы в качестве эффективного звукопоглощающего материала. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов выхлопных газов, широко доступны и дешевы. Для повышения скорости адсорбции и, соответственно, уменьшения объема шлаковой пемзы в предлагаемом устройстве производится предварительное окислении вредных компонентов выхлопных газов - оксидов азота, диоксидов серы и оксидов углерода (NOx, SOx, СОх) до NO2, SO3, СО2, у которых кислые свойства более высокие, чем у оксидов, активным окислителем [2].

Предлагаемое комплексное устройство работает следующим образом. Выхлопные газы судового двигателя поступают в смесительную камеру, где они смешиваются с озоном, поступающим из озонатора. Ввиду высокой реакционной способности озона в камере, помимо процесса смешения озона с выхлопными газами, происходит окисление значительной части, содержавшихся в выхлопных газах монооксидов азота (NO) до диоксидов (NO2), диоксидов серы (SO2) до серного ангидрида (SO3) и монооксида углерода (CO) до диоксида углерода (CO2), после чего газовая смесь поступает в зигзагообразные газовые каналы камеры очистки. В камере скорость газов резко падает и они равномерно распределяются по зигзагообразным газовым каналам, двигаясь также зигзагообразно, что значительно турбулизирует их потоки и позволяет проникать через отверстия в стенках вертикальных перфорированных зигзагообразных контейнеров, заполненных гранулами шлаковой пемзы диаметром от 5 до 10 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков (диаметр гранул назначается из условий максимального заполнения полостей зигзагообразных контейнеров и стандартной номенклатуры размеров гранул шлаковой пемзы).

Выхлопные газы через отверстия в перфорированных зигзагообразных контейнерах заполняют свободное пространство между гранулами шлаковой пемзы, находящиеся в газовой смеси NOx,

80 , СО контактируют с гранулами, адсорбируясь на поверхности их пор, причем N0^ 803, СО2 адсорбируются значительно быстрее, чем N0, 802, СО ввиду указанных выше обстоятельств. Поток выхлопных газов, проходя зигзагообразные газовые каналы и многократно попадая на поверхность гранул и вовнутрь их очищается от вредных примесей (N0 , 80 , СО ), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул. Адсорбированные из отработавших газов оксиды азота, диоксиды серы, оксиды углерода в порах гранул обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента-гранул шлаковой пемзы, поэтому окисляются кислородом (кислород присутствует в отработавших газах в результате избытка воздуха, подаваемого на сжигание топлива) со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легкорастворимых в воде N02 и 8О3. Кроме того в газах присутствует озон, поступающий из смесительной камеры, который многократно интенсифицирует процесс окисления вышеуказанных вредных компонентов. Адсорбированные N0^ 803, СО2, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в выхлопных газах, с образованием соответствующих кислот HN03, Н2804 и Н2С03. Кроме того, на поверхности и в порах гранул оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные выхлопные газы из газовых каналов выбрасываются в атмосферу. При этом одновременно с процессом очистки выхлопных газов происходит глушение их шума путем поглощения звука высокопористой структурой гранул, которые находятся в зигзагообразных контейнерах.

При падении активности гранул их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем промывки гранул из распределителей промывочной воды водой. При этом конструкция позволяет проводить процесс регенерации загрузки (гранул шлаковой пемзы) контейнеров без отключения от двигателя.

Размеры устройства, число секций в камере очистки, расход озона, суммарный объем гранул шлаковой пемзы, число перфорированных зигзагообразных контейнеров, их длина, высота и ширина, ширина газовых каналов, расход промывочной воды определяются в зависимости от мощности судового двигателя, расхода и типа топлива, требуемых степени очистки и снижения уровня звуковой мощности выхлопных газов.

Таким образом, предлагаемое комплексное устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить выхлопные газы от вредных примесей и одновременно снизить до требуемого уровень их звуковой мощности, используя в качестве окислителя озон, в качестве адсорбента и шумопоглотителя гранулы шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков с модулем основности М>1 и производить регенерацию адсорбента без отключения от двигателя.

Литература:

1. Ежов В.С. Снижение вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения // Промышленная энергетика. - 2006. - № 12.

2. Ежов В.С. Механизм процессов окисления оксидов азота при синхронной очистке и утилизации газообразных выбросов теплоге-нерирующих установок // Энергосбережение и водоподготовка. -2008. - №3.

3. Туркин А.В., Хачоян М.М., Туркин В.А. Моделирование влияния озона на процесс очистки дымовых газов от оксидов азота в эмульгационно-пленочном абсорбере // Эксплуатация морского транспорта. - СПб:. Издательство ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2012.

4. Иванченко А.А. Техника и технология нейтрализации и в отработавших газах СЭУ: учебное пособие. - СПб.: СПГУВК, 2012. -111 с.

5. Туркин А.В., Хачоян М.М., Туркин В.А. Исследование эффективности установки для очистки дымовых газов от оксидов азота в присутствии озона // Журнал университета водных коммуникаций. -СПб:. Издательство СПб ГУВК, 2012.