EXPERIMENTAL STUDY OF EFFICIENCY OF MULTISECTION INTEGRATED DEVICE FOR PURIFICATION OF MARINE ENGINE EXHAUST GASES
Authors:
1.
State Maritime University named after Admiral F. F. Ushakov
2.
State Marine University named after Admiral F. F. Ushakov
Type:
Article
Pages:
from 79
to 85
Status:
Published
Received:
20.11.2015
Accepted:
25.11.2015
Published:
25.11.2015
Subject area:
UDK 504.3.054: 621.43.068.4
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:
ecological safety, marine engine, boiler, exhaust gas purification, acid oxides, nitrogen oxides, adsorption, ozone, slag pumice
Abstract (English):
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.
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.
Keywords:
ecological safety, marine engine, boiler, exhaust gas purification, acid oxides, nitrogen oxides, adsorption, ozone, slag pumice
ecological safety, marine engine, boiler, exhaust gas purification, acid oxides, nitrogen oxides, adsorption, ozone, slag pumice
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 озоноразрушающих 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 ºC в присутствии катализатора [4-6]. Катализаторы, содержащие благородные металлы, проявляют наибольшую активность в процессах селективного восстановления NOx. 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 NO, содержащихся в выхлопных газах, до диоксидов NO2; диоксидов серы SO2 - до серного ангидрида SO3; монооксида углерода CO - до диоксида углерода CO2. Поток выхлопных газов, многократно попадая на поверхность и внутрь гранул, очищается от вредных примесей NOx, SOx, 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 NOx составляет до 37 % и снижается при увеличении концентрации NOx 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, ºС 102 127,2 156 189,3 223,7 Концентрация NO в отработавших газах, ppm 167 248 430 807 1631 Концентрация NO2 в отработавших газах, ppm 0,3 0,2 0,2 1,1 4,1 Концентрация NOx в отработавших газах, ppm 167,3 248,2 430,2 808,1 1635,1 Концентрация O2 в отработавших газах, % 1,81 0,97 1,04 1,24 0,8 Выход из установки, 1 секция очистки Температура отработавших газов, ºС 53,5 62,7 68,3 71,5 81,3 Концентрация NO в отработавших газах, ppm 81 172 330 749 1527 Концентрация NO2 в отработавших газах, ppm 23,8 15,2 8 4,7 7,7 Концентрация NOx в отработавших газах, ppm 104,8 187,2 338 753,7 1534,7 Концентрация O2 в отработавших газах, % 2,17 1,66 1,5 1,39 1,48 Выход из установки, 3 секции очистки Температура отработавших газов, ºС 36,4 42,2 47,6 50,3 56,1 Концентрация NO в отработавших газах, ppm 4 56 197 538 1408 Концентрация NO2 в отработавших газах, ppm 14,8 22,7 27,3 44,2 49 Концентрация NOx в отработавших газах, ppm 18,8 78,7 224,3 582,2 1457 Концентрация O2 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 NOx на входе в установку; 2 - концентрация NOx на выходе из установки, одна секция очистки; 3 - концентрация NOx на выходе из установки, три секции очистки По результатам эксперимента определена степень очистки дымовых газов от NOx. Степень очистки определяем по выражению , где yн - начальная концентрация NOx в дымовых газах, ppm; yн - конечная концентрация NOx в дымовых газах, ppm. Выводы Установлено, что при заданных параметрах работы установки степень очистки дымовых газов двигателя от NOx составляет до 89 % и снижается при увеличении концентрации NOx 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.
1. GOST R 51249-99. Dvigateli vnutrennego sgoraniya porshnevye. Vybrosy vrednyh veschestv s otrabotavshimi gazami. Normy i metody opredeleniya. M.: Gosstandart Rossii, 2005. 17 s.
2. Rezolyuciya MERS.184(59): Rukovodstvo 2009 po sistemam ochistki otrabotavshih gazov. SPb.: Giprorybflot, 2009.
3. Rezolyuciya vtoroy konferencii MERS IMO. Tehnicheskiy kodeks po kontrolyu za vybrosami okislov azota iz sudovyh dizel'nyh dvigateley. SPb.: Giprorybflot, 2009.
4. Ezhov V. S. Snizhenie vrednyh gazoobraznyh vybrosov istochnikov central'nogo teplosnabzheniya / V. S. Ezhov // Promyshlennaya energetika. 2006. № 12. S. 44-47.
5. Hachoyan M. M. Issledovanie effektivnosti ustanovki dlya ochistki dymovyh gazov ot oksidov azota v prisutstvii ozona / M. M. Hachoyan, A. V. Turkin, V. A. Turkin // Zhurnal universiteta vodnyh kommunikaciy. 2012. № 4. S. 135-141.
6. Ivanchenko A. A. Tehnika i tehnologiya neytralizacii v otrabotavshih gazah SEU / A. A. Ivanchenko: ucheb. posobie. SPb.: Izd-vo SPGUVK, 2012. 111 s.
7. Turkin A. V. Issledovanie vozmozhnosti prakticheskogo primeneniya sposoba ochistki vyhlopnyh gazov sudovogo dvigatelya adsorbciey tverdym veschestvom v prisutstvii ozona / A. V. Turkin // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2014. № 3. S. 89-96.
8. Turkin A. V. Eksperimental'noe issledovanie effektivnosti ochistki vyhlopnyh gazov sudovogo dvigatelya adsorbciey tverdym veschestvom v prisutstvii ozona / A. V. Turkin, V. A. Turkin // Transportnoe delo Rossii. 2014. № 1. S. 187-190.
