Экспериментальное исследование эффективности многосекционного комплексного устройства очистки выхлопных газов судового двигателя

УДК 504.3.054: 621.43.068.4

А. В. Туркин, В. А. Туркин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОСЕКЦИОННОГО КОМПЛЕКСНОГО УСТРОЙСТВА ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Ужесточение международных и российских требований к нормам содержания токсичных компонентов в отработавших газах судовых энергетических установок требует повышения экологической чистоты выбросов в атмосферу с судов. Наиболее вредными компонентами отработавших газов являются оксиды азота, оксиды серы, окись углерода и несгоревшие углеводороды. Наибольшую техническую сложность представляет снижение концентрации оксидов азота. Рассмотрены способы очистки выхлопных газов судового двигателя. Установлено, что очистка дымовых газов судовых энергетических установок от вредных примесей, и в первую очередь от оксидов азота, возможна при окислении оксида азота до диоксида азота путем адсорбции, протекающей параллельно с конденсацией водяных паров дымовых газов, образующихся в процессе горения топлива в цилиндре дизеля или топке котла. Разработано трехсекционное устройство повышенной эффективности для очистки выхлопных газов судового двигателя, основополагающим принципом работы которого является использование гранулированной шлаковой пемзы в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов и озона в качестве окислителя для ускорения процесса очистки. Проведен натурный эксперимент с целью проверки работоспособности устройства и оценки его эффективности при очистке реальных дымовых газов. Оценено влияние количества секций очистки в установке на эффективность ее работы.

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

Введение

Актуальность исследования обусловлена ужесточением требований к выбросам вредных веществ, содержащихся в отработавших газах судовых двигателей. Наиболее вредными компонентами отработавших газов являются оксиды азота, оксиды серы, окись углерода и несгоревшие углеводороды. Из-за высокой токсичности их содержание в отработавших газах ограничивается национальными стандартами и международными нормами [1—3].

Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78), принятая под эгидой Международной морской организации (ИМО), является основным международным соглашением, предусматривающим комплекс мер по предотвращению загрязнения морской среды с судов. В 1998 г. было принято и в мае 2005 г. вступило в силу Приложение VI «Правила предотвращения загрязнения атмосферы» к данной Конвенции, в соответствии с которым для морских судов устанавливаются нормы выбросов оксидов азота, летучих оксидов серы и озо-норазрушающих веществ. В связи со специфическими особенностями судовых энергетических установок очистка отработавших газах от оксидов азота представляет наибольшую сложность.

Уменьшение выбросов токсичных веществ

С 1 января 2011 г. Приложение VI действует в новой редакции, предусматривающей ужесточение норм выбросов оксидов азота из судовых малооборотных двигателей до 2-го уровня ИМО (Tier 2) с 17 до 14,4 г/(кВт- ч). С 1 января 2016 г. запланировано ужесточение действующих норм до 3,4 г/(кВт- ч), т. е. до 3-го уровня ИМО (Tier 3), в районах контроля выбросов оксидов азота (NOx Emission Control Areas (NECA)).

Уже действующие требования к выбросам оксидов азота настолько ужесточены, что возможности их выполнения только за счет организации рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания (ДВС) практически исчерпали свой резерв. В лучшем случае эффективность этих первичных мероприятий достаточна для достижения 2-го уровня ИМО (Tier 2). Для достижения 3-го уровня ИМО (Tier 3) требуется реализация дополнительных (вторичных) природоохранных мероприятий, направленных на более глубокое снижение концентрации NOx в дымовых газах.

Наиболее распространенным методом снижения концентрации оксидов азота в отработавших газах в судовых условиях является метод селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота. Процессы СКВ основаны на избирательном взаимодействии NOx с восстановителем (мочевиной) в газовой фазе при температуре 900-1200 °С в присутствии катализатора [4-6]. Катализаторы, содержащие благородные металлы, проявляют наибольшую активность в процессах селективного восстановления N0^ Основным недостатком таких катализаторов является их высокая стоимость. К другим недостаткам этого метода относятся значительный расход мочевины в процессе эксплуатации системы СКВ и необходимость наличия соответствующей инфраструктуры для пополнения запасов мочевины в портах захода судов.

Многосекционное устройство очистки выхлопных газов судового двигателя

С целью снижения затрат на эксплуатацию судов рассмотрен метод очистки отработавших газов от кислотных оксидов и твердых частиц путем использования механизма их адсорбции твердым веществом. Для этих целей разработано комплексное устройство очистки выхлопных газов судового двигателя [7].

В основе работы предлагаемого устройства лежит использование гранулированной шлаковой пемзы в качестве адсорбента вредных компонентов выхлопных газов и озона в качестве окислителя для ускорения процесса очистки. Ввиду высокой реакционной способности озона происходит окисление значительной части монооксидов азота N0, содержащихся в выхлопных газах, до диоксидов N0^ диоксидов серы 802 - до серного ангидрида 803; монооксида углерода СО - до диоксида углерода С02. Поток выхлопных газов, многократно попадая на поверхность и внутрь гранул, очищается от вредных примесей N0-^ 80х, СОх, которые оседают на поверхности и внутри гранул. Кроме того, на поверхности ив порах гранул оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные выхлопные газы выбрасываются в атмосферу. При этом одновременно с процессом очистки выхлопных газов происходит глушение шума выхлопов за счет поглощения звука высокопористой структурой гранул.

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 водой из распределителей промывочной воды. При этом конструкция устройства позволяет проводить процесс регенерации гранул шлаковой пемзы без его 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 степеней очистки и снижения уровня звуковой мощности выхлопных газов.

Для исследования возможности практического внедрения предлагаемого способа очистки дымовых газов от кислотных оксидов была изготовлена пилотная установка, представляющая собой односекционное комплексное устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя. Следующим шагом стало проведение эксперимента, целью которого являлась проверка работоспособности устройства и оценка его эффективности при очистке реальных дымовых газов судового двигателя [8].

Экспериментальное тестирование упрощенной односекционной пилотной установки подтвердило возможность практического применения разработанного метода очистки выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона. Было установлено, что при заданных параметрах работы установки степень очистки дымовых газов двигателя от N0x составляет до 37 % и снижается при увеличении концентрации N0x в газах и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для оценки влияния количества секций очистки в установке на эффективность очистки изготовлена трехсекционная установка очистки выхлопных газов (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема установки для проведения эксперимента по очистке дымовых газов: ПУ - пилотная установка; ОЗ - озонатор; ОГ - отводной газоход; ВП - водопровод;

В - вентиль; ВТОГ - выхлопная труба очищенных газов; 1-7 - аналитические точки

Установка состоит из корпуса, снабженного пирамидальными крышкой и днищем, входным и выпускным газовыми и озоновым патрубками, штуцерами подачи промывочной воды и слива загрязненной воды. Внутри корпуса в направлении снизу вверх расположены поддон и камера очистки, состоящая из трех секций очистки.

В каждой секции очистки установлены вертикальные зигзагообразные контейнеры с перфорированными боковыми стенками и днищем, образующие между собой зигзагообразные газовые каналы. При этом зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами пемзы. В верхней части каждой секции очистки установлены промывочные устройства, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные со штуцерами промывочной воды. Перед каждой секцией установлены распределители озона, представляющие собой перфорированные сверху трубы, соединенные с озонаторами через патрубки. Корпус закреплен на опорной раме.

Натурный эксперимент и его результаты

Как и при тестировании односекционной установки в качестве опытного объекта для проведения натурного эксперимента был выбран впрысковый ДВС ЗМЗ-409 рабочим объемом 2,7 л и максимальной мощностью 105 кВт. Двигатель устанавливается на маломерные суда, в том числе на суда на воздушной подушке типа «Хивус». Управление двигателем осуществлялось

с помощью штатной микропроцессорной системы управления Микас 7.1. Работа двигателя контролировалась по следующим основным параметрам: частота вращения, расход топлива, массовый расход воздуха, параметры газового потока отработавших газов.

Для отбора и анализа состава отработавших газов использовался переносной газоанализатор TESTO 350. В соответствии с информацией, изложенной в сертификате данного прибора, он не требует дополнительной калибровки калибровочным газом, обнуление и калибровка осуществляются автоматически в течение 30 секунд перед началом эксплуатации. Прибор одобрен немецкой экспертной организацией TÜV SÜD и соответствует требованиям европейского стандарта EN 50379. Сертификат об утверждении типа средств измерений допущен к применению в Российской Федерации. Газоанализатор TESTO 350 внесенв Государственный реестр средств измерений РФ под номером 49192-12 и допущен к применению в Российской Федерации.

Частота вращения, расход топлива и массовый расход воздуха замерялись с помощью штатной микропроцессорной системы управления двигателем. Измерение параметров потока отработавших газов производилось прибором для определения скорости газа в автоматическом режиме - трубкой Пито (диаметр зонда 7 мм, длина зонда 350 мм), которая входит в состав газоанализатора TESTO 350.

Подача озона на установку очистки производилась от трех внешних генераторов озона SOZ-YB-32G (производительность - 32 г/ч, концентрация озона на выходе - 10-25 г/м3, воздушный поток - 64-96 л/мин, потребляемая мощность - 380 Вт), по одному генератору на каждую секцию очистки.

Через отводной газоход диаметром 40 мм выхлопные газы из выхлопной трубы двигателя направляются в установку очистки под избыточным давлением, а после очистки выводятся в атмосферу через выхлопную трубу очищенных газов. После вывода установки на устойчивый режим работы включаются озонаторы, в секции очистки подается озон, после чего появляется возможность приступить к снятию экспериментальных данных.

В процессе испытаний пилотной установки измерялись следующие параметры ее работы: температура, концентрации, давление. Точки отбора анализов приведены на рис. 1. Конструктивно аналитическая точка представляет собой штуцер диаметром 20 мм, длиной 30-40 мм, закрытый съемной пробкой и врезанный в обозначенную точку корпуса или патрубка пилотной установки. Пробы и замеры для анализа проводились в центре указанных сечений. Результаты эксперимента по исследованию эффективности установки в зависимости от количества установленных в ней секций очистки приведены в табл. и на рис. 2.

Результаты эксперимента по определению эффективности очистки дымовых газов судового двигателя путем адсорбции твердым веществом в присутствии озона

Номер испытания 1 2 3 4 5

Частота вращения двигателя, об/мин 2000 2500 3000 3500 4000

Расход топлива на двигатель, л/ч 2,7 3,6 4,5 6,2 8,2

Расход воздуха на двигатель, кг/ч 36,6 46,9 58,2 79 101,5

Скорость отработавших газов в отводном газоходе, м/с 4,3 6,5 8,6 11,9 14,8

Расход отработавших газов, м3/ч 19,5 29,2 38,9 53,9 66,9

Вход в установку Температура отработавших газов, °С 102 127,2 156 189,3 223,7

Концентрация N0 в отработавших газах, ррт 167 248 430 807 1631

Концентрация N02 в отработавших газах, ррт 0,3 0,2 0,2 1,1 4,1

Концентрация N0, в отработавших газах, ррт 167,3 248,2 430,2 808,1 1635,1

Концентрация 02 в отработавших газах, % 1,81 0,97 1,04 1,24 0,8

Выход из установки, 1 секция очистки Температура отработавших газов, °С 53,5 62,7 68,3 71,5 81,3

Концентрация N0 в отработавших газах, ррт 81 172 330 749 1527

Концентрация N02 в отработавших газах, ррт 23,8 15,2 8 4,7 7,7

Концентрация N0, в отработавших газах, ррт 104,8 187,2 338 753,7 1534,7

Концентрация 02 в отработавших газах, % 2,17 1,66 1,5 1,39 1,48

Выход из установки, 3 секции очистки Температура отработавших газов, °С 36,4 42,2 47,6 50,3 56,1

Концентрация N0 в отработавших газах, ррт 4 56 197 538 1408

Концентрация N02 в отработавших газах, ррт 14,8 22,7 27,3 44,2 49

Концентрация N0, в отработавших газах, ррт 18,8 78,7 224,3 582,2 1457

Концентрация 02 в отработавших газах, % 4,2 3,3 2,7 2,6 2,8

Степень очистки NOx в односекционной установке, % 37,4 24,6 21,4 6,7 6,1

Степень очистки NOx в трехсекционной установке, % 88,7 68,3 47,9 28 10,9

Рис. 2. Зависимость снижения концентрации оксидов азота в выхлопных газах от числа секций очистки в установке: 1 - концентрация КОх на входе в установку; 2 - концентрация КОх на выходе из установки, одна секция очистки; 3 - концентрация КОх на выходе из установки, три секции очистки

По результатам эксперимента определена степень очистки дымовых газов от КОх. Степень очистки определяем по выражению

е = Ун ~ -100 % ,

Ун

где ун - начальная концентрация КОх в дымовых газах, ррт; ун - конечная концентрация КОх в дымовых газах, ррт.

Выводы

Установлено, что при заданных параметрах работы установки степень очистки дымовых газов двигателя от КОх составляет до 89 % и снижается при увеличении концентрации КОх в газах, частоты вращения коленчатого вала двигателя и уменьшении количества секций очистки.

С целью повышения эффективности очистки в установке предлагаемой конструкции возможно дальнейшее увеличение числа секций очистки до пяти, а также создание камеры предварительного смешивания отработавших газов с подаваемой озоновоздушной смесью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 51249-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения. М.: Госстандарт России, 2005. 17 с.

2. Резолюция МЕРС.184(59): Руководство 2009 по системам очистки отработавших газов. СПб.: Ги-прорыбфлот, 2009.

3. Резолюция второй конференции МЕРС ИМО. Технический кодекс по контролю за выбросами окислов азота из судовых дизельных двигателей. СПб.: Гипрорыбфлот, 2009.

4. Ежов В. С. Снижение вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения / В. С. Ежов // Промышленная энергетика. 2006. № 12. С. 44-47.

5. Хачоян М. М. Исследование эффективности установки для очистки дымовых газов от оксидов азота в присутствии озона / М. М. Хачоян, А. В. Туркин, В. А. Туркин // Журнал университета водных коммуникаций. 2012. № 4. С. 135-141.

6. Иванченко А. А. Техника и технология нейтрализации в отработавших газах СЭУ / А. А. Иванченко: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПГУВК, 2012. 111 с.

7. Туркин А. В. Исследование возможности практического применения способа очистки выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона / А. В. Туркин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2014. № 3. С. 89-96.

8. Туркин А. В. Экспериментальное исследование эффективности очистки выхлопных газов судового двигателя адсорбцией твердым веществом в присутствии озона / А. В. Туркин, В. А. Туркин // Транспортное дело России. 2014. № 1. С. 187-190.

Статья поступила в редакцию 08.10.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Туркин Александр Владимирович - Россия, 353918, Новороссийск; ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адмирала Ф. Ф. Ушакова»; канд. техн. наук; доцент кафедры «Техносферная безопасность»; alekstur@yandex.ru.

Туркин Владимир Антонович - Россия, 353918, Новороссийск; ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адмирала Ф. Ф. Ушакова»; доктор техн. наук, профессор; профессор кафедры «Техносферная безопасность»; turvla@mail.ru.

A. V. Turkin, V. A. Turkin

EXPERIMENTAL STUDY OF EFFICIENCY OF MULTISECTION INTEGRATED DEVICE FOR PURIFICATION OF MARINE ENGINE EXHAUST GASES

Abstract. Toughening of the requirements of international and national standards for the content of toxic components in the exhaust gases of ship power plants requires an increase in ecological purity of air emissions from ships. The most harmful components of exhaust gases are nitrogen oxides, sulfur oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons. This represents the highest technical complexity reduction in the concentration of nitrogen oxides. The methods of marine engine exhaust gas cleaning are considered. It was found that the purification of exhaust gases of marine power plants from harmful contaminants, and primarily from nitrogen oxides, is possible in the oxidation of nitric oxide to nitrogen dioxide by adsorption, which flows parallel to the condensation of water vapor of exhaust gases produced during fuel combustion in the cylinder of the diesel engine, or boiler furnace. The three-section device of improved efficiency for purification of exhaust gases of marine engine is developed; its fundamental principle is to use a granulated slag pumice as an adsorbent for the harmful components of exhaust gases and ozone as an oxidant to accelerate the cleaning process. The field experiment is made in order to verify the working capacity of the device and to evaluation its effectiveness in real exhaust gas purification. The effect of the number of cleaning sections in the installation on the effectiveness of its work is evaluated.

Key words: ecological safety, marine engine, boiler, exhaust gas purification, acid oxides, nitrogen oxides, adsorption, ozone, slag pumice.

REFERENCES

1. GOST R 51249-99. Dvigateli vnutrennego sgoraniia porshnevye. Vybrosy vrednykh veshchestv s otrabo-tavshimi gazami. Normy i metody opredeleniia [Internal combustion piston engines. Emission of harmful substances with exhausted gases. Norms and methods of determination]. Moscow, Gosstandart Rossii, 2005. 17 p.

2. Rezoliutsii MERS.184(59): Rukovodstvo 2009 po sistemam ochistki otrabotavshikh gazov [Resolution MEPC.184(59): 2009 Guidelines for Exhaust Gas Cleaning Systems]. Saint-Petersburg, Giprorybflot, 2009.

3. Rezoliutsiia vtoroi konferentsii MERS IMO. Tekhnicheskii kodeks po kontroliu za vybrosami okislov azota iz sudovykh dizel'nykh dvigatelei [Resolution of the 2nd IMO MEPC Conference. Technical Code on Control of Emissions of Nitrogen Oxides from Marine Diesel Engines]. Saint-Petersburg, Giprorybflot, 2009.

4. Ezhov V. S. Snizhenie vrednykh gazoobraznykh vybrosov istochnikov tsentral'nogo teplosnabzheniia [Decrease in harmful gaseous emissions of the central heating sources]. Promyshlennaia energetika, 2006, no. 12, pp. 44-47.

5. Khachoian M. M., Turkin A. V., Turkin V. A. Issledovanie effektivnosti ustanovki dlia ochistki dymovykh gazov ot oksidov azota v prisutstvii ozona [Study of effectiveness of the installation for purification of exhaust gases from nitrogen oxides in ozone presence]. Zhurnal universiteta vodnykh kommunikatsii, 2012, no. 4, pp. 135-141.

6. Ivanchenko A. A. Tekhnika i tekhnologiia neitralizatsii v otrabotavshikh gazakh SEU [Technique and technology of neutralization of exhaust gases of marine power plants]. Saint-Petersburg, Izd-vo SPGUVK, 2012. 111 p.

7. Turkin A. V. Issledovanie vozmozhnosti prakticheskogo primeneniia sposoba ochistki vykhlopnykh ga-zov sudovogo dvigatelia adsorbtsiei tverdym veshchestvom v prisutstvii ozona [Study of the possibility of practical application of the method of purification of exhaust gases of marine engine using adsorption of hard substance in the ozone medium]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2014, no. 3, pp. 89-96.

8. Türkin A. V., Türkin V. A. Eksperimental'noe issledovanie effektivnosti ochistki vykhlopnykh gazov sudovogo dvigatelia adsorbtsiei tverdym veshchestvom v prisutstvii ozona [Experimental study of effectiveness of purification of exhaust gases of marine engines using hard adsorption in the ozone medium]. Transportnoe delo Rossii, 2014, no. 1, pp. 187-190.

The article submitted to the editors 08.10.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Türkin Aleksander Vladimirovich - Russia, 353918, Novorossiisk; FSBEI HPE State Maritime University named after Admiral F. F. Ushakov; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Technosphere Safety"; alekstur@yandex.ru.

Türkin Vladimir Antonovich - Russia, 353918, Novorossiisk; FSBEI HPE State Maritime University named after Admiral F. F. Ushakov; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Technosphere Safety"; turvla@mail.ru.