IMPROVEMENT OF ECOLOGICAL CHARACTERISTICS OF SHIP ELECTRIC POWER INSTALLATIONS BY APPLICATION HYDROGENOUS SYNTHESIS GAZ
Authors:
1.
Siberian Transport University
2.
Siberian Transport University
3.
Siberian Transport University
4.
Siberian Transport University
Type:
Article
Pages:
from 44
to 52
Status:
Published
Received:
20.08.2017
Accepted:
25.08.2017
Published:
25.08.2017
Subject area:
UDK 621.436
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
ship electric power installation, ecological indicators, alternative fuel, hydrogenous synthesis gas, catalytic generator
Abstract (English):
For ensuring improvement of operating characteristics of ship electric power installations with diesel engines of internal combustion it is offered to use additives hydrogenous synthesis gas, the hydrocarbon fuel produced by catalytic converting directly onboard the vehicle. This process will allow to provide realization of advantages of hydrogen fuel without essential constructive changes of power stations. Synthesis gas which mode of functioning is based on preliminary evaporating and the subsequent oxidation of fractions of hydrocarbons of diesel fuel is offered to make catalytic conversion on the basis of use of generators. As a result, gas containing hydrogen and monoxide carbon is formed. Pilot studies on influence of additives hydrogenous synthesis gas on ecological characteristics of diesel engines were conducted on diesel-generator installations 1Ч 8.2/7.5 and 4ЧН 95/115. Tests were carried out in no-load conditions and nominal rotary speed with electric load of the generator. Synthesis gas was supplied in an intake manifold of the engine. It has been established that use of additives of hydrogenous fuel is expedient only during the operation of power stations in the load modes. In the course of the conducted researches it has been shown that use of hydrogenous synthesis gas additives reduces the content of harmful substances in the exhaust gases (including monoxide carbon, hydrocarbons, oxides of nitrogen and solid black particles), and also reduces temperature of exhaust gases. Optimum sizes of giving hydrogenous synthesis gas in a percentage ratio from the mass of the main fuel are determined.
For ensuring improvement of operating characteristics of ship electric power installations with diesel engines of internal combustion it is offered to use additives hydrogenous synthesis gas, the hydrocarbon fuel produced by catalytic converting directly onboard the vehicle. This process will allow to provide realization of advantages of hydrogen fuel without essential constructive changes of power stations. Synthesis gas which mode of functioning is based on preliminary evaporating and the subsequent oxidation of fractions of hydrocarbons of diesel fuel is offered to make catalytic conversion on the basis of use of generators. As a result, gas containing hydrogen and monoxide carbon is formed. Pilot studies on influence of additives hydrogenous synthesis gas on ecological characteristics of diesel engines were conducted on diesel-generator installations 1Ч 8.2/7.5 and 4ЧН 95/115. Tests were carried out in no-load conditions and nominal rotary speed with electric load of the generator. Synthesis gas was supplied in an intake manifold of the engine. It has been established that use of additives of hydrogenous fuel is expedient only during the operation of power stations in the load modes. In the course of the conducted researches it has been shown that use of hydrogenous synthesis gas additives reduces the content of harmful substances in the exhaust gases (including monoxide carbon, hydrocarbons, oxides of nitrogen and solid black particles), and also reduces temperature of exhaust gases. Optimum sizes of giving hydrogenous synthesis gas in a percentage ratio from the mass of the main fuel are determined.
Keywords:
ship electric power installation, ecological indicators, alternative fuel, hydrogenous synthesis gas, catalytic generator
ship electric power installation, ecological indicators, alternative fuel, hydrogenous synthesis gas, catalytic generator
Состояние проблемы Дизельные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), нашедшие широкое применение в качестве судовых энергетических установок, при наличии несомненных достоинств нуждаются в постоянной модернизации в связи с повышением требований к предотвращению загрязнения атмосферы с судов путем сокращения концентрации вредных веществ в отработавших газах одновременно со снижением расхода топлива и повышением удельной энерговооруженности. Одним из путей решения данной проблемы являются исследования в области перспектив использования альтернативного топлива взамен традиционного углеводородного сырья. Применительно к сухопутным транспортным средствам имеется достаточно успешный опыт использования таких видов альтернативных топлива, как сжиженный нефтяной газ, компримированный природный газ, биодизель, этанол, метанол и диметиловый эфир. Распространение данного опыта на судовые энергетические установки в настоящее время представляется проблематичным из-за отсутствия необходимой инфраструктуры для заправки судов и хранения новых видов топлива. Повышение экологичности энергетических установок путем использования электроэнергии, запасаемой в аккумуляторных батареях или же получаемой из солнечной энергии, на морском и речном транспорте также может найти лишь ограниченное применение. В настоящее время в вопросе перехода на альтернативное топливо в первую очередь имеют в виду водородсодержащее топливо. На основании прогнозов развития так называемого шестого технологического уклада одним из ведущих направлений научно-технического прогресса становится процесс инвестиций в развитие водородной энергетики. Предположительно массовый переход на водородное топливо и отказ от углеводородов должен произойти в 2020-2050 гг. [1]. Основной целью при этом является снижение выбросов вредных веществ в атмосферу. По сравнению с традиционными углеводородными топливами водород имеет несколько выгодных преимуществ. Во-первых, при условии решения проблемы создания низкозатратного способа получения водорода из воды этот источник топлива представляется практически неиссякаемым. Во-вторых, побочным продуктом сгорания водорода является только вода, что не наносит вреда экологии, поэтому в различных странах разрабатываются приоритетные программы реализации практических мероприятий с целью применения водорода в энергетических установках транспортных средств. В некоторых странах Европы и отдельных штатах США, например, уже объявлено о полном отказе от традиционных двигателей внутреннего сгорания к 2025 г. Вместе с тем применение водородного топлива в чистом виде сопряжено с рядом существенных и не в полной мере решенных проблем. Низкая плотность водорода, как в жидком, так и в газообразном виде, создает определенные трудности при хранении его на борту транспортного средства и в процессе транспортировки. Современные компактные и легкие емкости для хранения газообразного водорода весьма дороги и недостаточно распространены. Безопасность использования водорода также вызывает ряд проблем ввиду образования при контакте с кислородом воздуха в широких пределах взрывоопасного «гремучего газа». Кроме того, для работы на чистом водороде необходимо кардинальное изменение традиционных конструкций ДВС, что неизбежно вызовет колоссальные затраты и удорожание процесса их производства и эксплуатации. Все это потребует значительного преобразования существующей обслуживающей инфраструктуры и разработки новых технических требований и сопутствующей документации [2]. Для облегчения неизбежного, как считают многие эксперты, перехода к широкому применению водорода в качестве источника энергии необходимы нетрадиционные подходы, обеспечивающие постепенный переход к качественно иному виду топлива. Наиболее перспективным направлением в применении водородного топлива в энергетических установках транспортно-технологических машин является частичная добавка водорода к традиционному топливу, позволяющая совершить процесс революционного перехода к массовому использованию водорода плавно и без серьезных изменений существующих конструкций двигателей. Одним из вариантов реализации такого подхода является применение в качестве топлива не чистого водорода, а водородсодержащего синтез-газа. В этом случае появляется возможность использовать обычные ДВС и одновременно получить существенное улучшение их эксплуатационных характеристик как в области экологичности продуктов сгорания, так и в части улучшения иных эксплуатационных показателей. Известные разработки каталитических генераторов водородсодержащего синтез-газа и успешные испытания ДВС с искровым зажиганием, оснащенных такими установками, подтверждают правомерность и перспективность такого подхода [3, 4]. Перспективы использования добавок водородсодержащего газа Использование добавок водорода либо водородсодержащего газа в дизельных ДВС, так же как и в энергетических установках, использующих легкое углеводородное топливо в жидком или газообразном виде, доказывает перспективность данного направления совершенствования ДВС [3, 4]. Известны исследования, в полной мере продемонстрировавшие, что использование водорода в качестве единственного топлива с непосредственным впрыском без источника зажигания дизельного двигателя непрактично или невозможно [5]. В свою очередь, водородсодержащие добавки к основному топливу способны существенно повысить эксплуатационные показатели дизельных двигателей с воспламенением от сжатия [6-8]. При этом для подачи водородсодержащего газа наиболее рационально использовать его подачу во впускной коллектор ДВС, поскольку такой способ прост и не требует кардинального вмешательства в конструкцию двигателя. При возникновении неисправности в системе питания дополнительным видом топлива двигатель будет способен продолжать работу на традиционном топливе, что обеспечивает надежность многотопливной энергетической установки [6]. Поскольку, как отмечалось ранее, применение водорода в чистом виде сопряжено с разного рода трудностями (высокой огнеопасностью, сложностью и большой стоимостью производства, ограниченными условиями хранения), наиболее целесообразно использовать добавки водородсодержащего синтез-газа, произведенного непосредственно на борту транспортного средства из углеводородного топлива. Это исключает необходимость хранения больших объемов газообразного или сжиженного водорода, кроме того, синтез-газ менее огнеопасен, а его производство с использованием каталитических реакторов значительно дешевле по сравнению с производством чистого водорода. Применение технологий такого рода на дизельных ДВС до недавнего времени представлялось проблематичным, т. к. обеспечение испарения тяжелых фракций дизельного топлива с целью их последующей каталитической конвертации в синтез-газ, особенно учитывая имеющее место в ряде случаев низкое качество топлива, считалось сложной технической задачей. Однако в результате совместных работ ученых Института катализа имени Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук и Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС), выполненных в рамках грантов на научные исследования СГУПС, создали предпосылки для успешного решения данной проблемы [9, 10]. Каталитический генератор с предварительным испарением дизельного топлива, соответствующего требованиям стандарта Евро 5, успешно выдержал ресурсные испытания и выступил прототипом как для создания принципиально новых конструкций предпусковых подогревателей транспортно-технологи-ческих машин, так и для бортовых генераторов водородсодержащего синтез-газа (рис. 1). Рис. 1. Общий вид каталитического генератора синтез-газа Заложенные в данном устройстве принципы работы, основанные на предварительном испарении и последующем, преимущественно парциальном, окислении фракций углеводородов, содержащихся в дизельном топливе, позволяют обеспечить конвертирование жидкого топлива в водородсодержащий синтез-газ, содержащий в своем составе водород Н2 и окись углерода СО. Каталитический блок генератора водородсодержащего синтез-газа представляет собой многослойную трубчатую конструкцию, выполненную в виде сетки из жаропрочной стали с нанесенным на нее слоем катализатора. Для формирования слоя катализатора в виде оксида алюминия было использовано свойство образования гидроксида алюминия из растворов алюмината натрия, известное как процесс Байера [11, 12]. Результаты исследований Экспериментальные исследования по влиянию добавок водородсодержащего синтез-газа на экологические характеристики дизельных ДВС проводились на одноцилиндровой дизель-генераторной установке 1 Ч 8,2/7,5 и на дизель-генераторе с многоцилиндровым ДВС 4 ЧН 95/115. Испытания проводились на двух эксплуатационных режимах: режиме холостого хода и режиме номинальной частоты вращения с электрической нагрузкой на генератор. Водородсодержащий синтез-газ, приготовленный предварительно как смесь эталонных промышленных газов и состоящий из приблизительно равного количества водорода и окиси углерода, подавался во впускной коллектор ДВС из газовых баллонов с использованием редукторов-расходомеров газа и защитной арматуры, поскольку имеющиеся в наличии и прошедшие успешные испытания образцы каталитических генераторов (конверторов) синтез-газа не обеспечивали необходимую производительность. После серии испытаний можно говорить о негативном влиянии синтез-газа на эксплуатационные показатели дизельных ДВС, в частности, на величину концентрации вредных веществ в отработавших газах, в режимах холостого хода. Положительно синтез-газ повлиял лишь на показатели неравномерности вращения коленчатого вала ДВС и на уровни вибрации, что может объясняться более высокой стабильностью горения топливно-воздушной смеси в присутствии водорода. При номинальной же частоте вращения коленчатого вала в нагрузочных режимах концентрация вредных веществ в отработавших газах многократно снижается, что говорит об оптимизации процессов сгорания при работе под нагрузкой. Из вида графиков, приведенных на рис. 2, следует, что подачей водородсодержащего синтез-газа во впускной коллектор дизель-генераторной установки с двигателем 1 Ч 8,2/7,5 удалось существенно снизить концентрацию всех исследуемых при замерах вредных веществ. Рис. 2. Концентрации вредных веществ и температура отработавших газов при работе в нагрузочном режиме дизель-генераторной установки с двигателем 1 Ч 8,2/7,5 Способность водорода стабилизировать и улучшать процесс сгорания позволила снизить показатели СО на 18 %, СН - на 54 %, NOx - на 73 %. Помимо этого, исходя из результатов исследований, можно сделать предположение о неэффективности дальнейшего повышения уровня подачи синтез-газа ввиду увеличения содержания вредных веществ. Из графиков видно, что наименьшие показатели достигаются при расходе синтез-газа в количестве 10 л/мин, что в процентном отношении к массовой подаче основного топлива составляет 2,7 %. Полученные значения оптимального процентного соотношения водородного и основного (жидкого) топлива соотносятся с известными ранее исследованиями в данной области [8]. Испытания добавок водородсодержащего синтез-газа на двигателе 4 ЧН 95/115 подтвердили выводы о нецелесообразности увеличения подачи водорода свыше определенных пределов. Результаты измерений состава отработавших газов при работе под нагрузкой многоцилиндровой дизель-генераторной установки также позволяют сделать вывод о перспективности применения водородсодержащего синтез-газа в целях улучшения экологических показателей энергетических установок [13]. В ходе исследований отмечено положительное влияние добавок водородсодержащего синтез-газа на уровень содержания углеводородов СН в отработавших газах и на параметры дымности, а именно на величины натурального показателя светового потока К и коэффициента светового потока N (рис. 3). Рис. 3. Изменение концентрации СН в отработавших газах и параметров дымности дизель-генераторной установки с двигателем 4 ЧН 95/115 при работе под нагрузкой Немаловажным фактом является и резкое снижение содержания ароматических углеводородов в отработавших газах (рис. 4). Рис. 4. Содержание ароматических углеводородов и углекислого газа в отработавших газах дизель-генераторной установки с двигателем 4 ЧН 95/115 Ароматические углеводороды, являясь сильнейшими канцерогенами, пагубно действуют на организм человека. При ухудшении процесса горения топлива рост количества ароматических углеводородов неизбежен, несмотря на то, что в современных ДВС многие частицы задерживаются нейтрализаторами и сажевыми фильтрами. При этом необходимо отметить, что при начальном этапе добавления синтез-газа было отмечено некоторое увеличение содержания ароматических углеводородов. Это можно объяснить переходным процессом в кинетике процесса горения, а также снижением рабочей температуры двигателя и температуры выхлопных газов. Однако по мере увеличения подачи и, соответственно, увеличения доли водорода, замещающего основное топливо, происходит резкое снижение уровня канцерогенов. В итоге концентрация опасных канцерогенов снизилась практически до нуля, из чего можно сделать обоснованный вывод о том, что добавка водорода даже в малых количествах способна существенно понизить уровень содержания ароматических углеводородов в отработавших газах. Характерным является также то, что в диапазоне оптимальных значений подачи водородсодержащего газа происходит и снижение выбросов углекислого газа, входящего в состав парниковых газов, негативно влияющих на окружающую среду (рис. 4). Выводы 1. Для реализации преимуществ водородного топлива в части улучшения экологических показателей двигателей внутреннего сгорания без существенных конструктивных изменений энергетических установок наиболее перспективным является использование каталитической конвертации углеводородного топлива на борту транспортного средства в водородсодержащий синтез-газ и его подача во впускной коллектор ДВС. 2. Использование добавок водородсодержащего синтез-газа позволяет снизить температуру отработавших газов и содержание вредных веществ (в том числе окиси углерода СО, углеводородов СН, окислов азота NOx и твердых сажевых частиц) в отработавших газах в нагрузочных режимах. 3. Особенным отличительным свойством использования добавок водородсодержащего синтез-газа следует считать снижение уровня содержания ароматических углеводородов. 4. Применение добавок водородсодержащего топлива в режимах холостого хода является нецелесообразным для энергетических установок с дизельными ДВС. 5. В результате экспериментальных исследований отмечено, что заметное улучшение характеристик ДВС происходит при подаче водородсодержащего газа в количестве 3-5 % водорода по массе от суммарного расхода дизельного топлива. 6. Максимальная рекомендуемая величина добавки водорода в составе синтез-газа составляет 10 % по массе от суммарного расхода основного топлива. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kuzyk B. N., Kushlin V. I., Yakovec Yu. V. Na puti k vodorodnoy energetike. M.: In-t ekon. strategiy, 2005. 155 s.
2. Kochergin V. I., Glushkov S. P. Osobennosti resheniya problem obespecheniya bezopasnosti pri realizacii innovacionnyh processov // Vestn. Perm. nacion. issled. politehn. un-ta. Bezopasnost' i upravlenie riskami. 2016. № 5. S. 203-209.
3. Terent'ev V. Ya., Brizickiy O. F., Hristolyubov A. P., Zolotarskiy I. A., Kirillov. V. A., Sobyanin V. A. Razrabotka kompaktnyh ustroystv dlya polucheniya sintez-gaza iz uglevodorodnogo topliva na bortu avtomobilya v celyah povysheniya toplivnoy ekonomichnosti i uluchsheniya ekologicheskih harakteristik avtomobiley // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2003. № S 1. S. 56-57.
4. Kirillov V. A., Kuzin N. A., Amosov Yu. I., Kireenkov V. V., Sobyanin V. A. Katalizatory konversii uglevodorodnyh i sinteticheskih topliv dlya bortovyh generatorov sintez gaza // Kataliz v promyshlennosti. 2011. № 1. S. 60-67.
5. Wong J. K. S. Compression Ignition of Hydrogen in a Direct Injection Diesel Engine Modified to Operate as a Low-Heat-Rejection Engine // International Journal of Hydrogen Energy. 1990. № 15 (7). R. 507-514.
6. Tomita E., Kawahara N., Piap Zh., Fujita Sh., Hamamoto Y. Hydrogen Combustion and Exhaust Emissions Ignited with Diesel Oil in a Dual Fuel Engine // Fall SAE Fuels and Lubricants Meeting and Exhibition. 2001. № 3503. R. 1-8.
7. Fomin V. M., Kamenev V. F., Hripach N. A. Teoreticheskie i eksperimental'nye issledovaniya raboty dvigatelya na vodorodno-dizel'nyh toplivnyh kompoziciyah // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2005. № 7. S. 32-42.
8. Sidorov M. I. Metod uluchsheniya pokazateley raboty dizelya podachey na vpusk vodorodosoderzhaschego gaza: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. M.: NATI. 2007. 19 s.
9. Kochergin V. I., Dalyuk I. K., Porsin A. V., Kulikov A. V., Rogozhnikov V. N. Perspektivnye napravleniya obespecheniya ekologichnosti predpuskovogo podogreva transportnyh sredstv v usloviyah ekspluatacii // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2014. № 3. S. 156-160.
10. Porsin A., Kulikov A., Dalyuk I., Rogozhnikov V., Kochergin V. Catalytic reactor with metal gauze catalysts for combustion of liquid fuel // Chemical Engineering Journal. 2015. № 282. R. 233-240.
11. Shefer K. I., Moroz E. M., Rogozhnikov V. N., Porsin A. V. Sostav oksidnyh soedineniy, nanesennyh na metallicheskuyu setku pri sinteze katalizatorov okisleniya uglevodorodov // Izv. Ros. akad. nauk. Ser.: Fizicheskaya. 2016. T. 80. S. 1525-1528.
12. Rogozhnikov V. N. Razrabotka sposoba formirovaniya sloya Al2O3 na strukturirovannom metallicheskom nositele dlya kataliticheskih primeneniy: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. Novosibirsk: In-t kataliza im. G. K. Boreskova SO RAN. 2017. 23 s.
13. Glushkov S. P., Kochergin V. I., Krasnikov V. V. Povyshenie ekspluatacionnyh pokazateley dizel'nyh DVS putem ispol'zovaniya vodorodsoderzhaschego sintez-gaza // Transportnye sistemy Sibiri. Razvitie transportnoy sistemy kak katalizator rosta gosudarstva. Krasnoyarsk: Sib. feder. un-t, 2016. Ch. 2. S. 244-247.
