УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО СИНТЕЗ-ГАЗА
Авторы:
1.
Сибирский государственный университет путей сообщения
2.
Сибирский государственный университет путей сообщения
3.
Сибирский государственный университет путей сообщения
4.
Сибирский государственный университет путей сообщения
Тип:
Статья
Страницы:
с 44
по 52
Статус:
Опубликован
Получено:
20.08.2017
Одобрено:
25.08.2017
Опубликовано:
25.08.2017
Классификаторы:
УДК 621.436
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
энергетическая установка, экологические показатели, альтернативное топливо, водородсодержащий синтез-газ, каталитический генератор
Аннотация (русский):
В целях улучшения эксплуатационных показателей судовых энергетических установок с дизельными двигателями внутреннего сгорания предлагается использовать добавки водородсодержащего синтез-газа, произведенного путем каталитической конвертации углеводородного топлива непосредственно на борту транспортного средства. Данный процесс позволит обеспечить реализацию преимуществ водородного топлива без существенных конструктивных изменений энергетических установок. Каталитическую конвертацию предлагается производить на основе использования генераторов синтез-газа, принцип работы которых базируется на предварительном испарении и последующем окислении фракций углеводородов дизельного топлива. В результате образуется газ, в состав которого входят водород и окись углерода. Экспериментальные исследования влияния добавок водородсодержащего синтез-газа на экологические характеристики дизельных двигателей проводились на дизель-генераторных установках 1Ч 8,2/7,5 и 4ЧН 95/115. Испытания проводились в режимах холостого хода и номинальной частоты вращения с электрической нагрузкой на генератор. Подача синтез-газа осуществлялась во впускной коллектор двигателя. Установлено, что применение добавок водородсодержащего топлива является целесообразным только при работе энергетических установок в нагрузочных режимах. В ходе исследований установлено, что использование добавок водородсодержащего синтез-газа позволяет уменьшить содержание вредных веществ в отработавших газах (в том числе окиси углерода, углеводородов, окислов азота и твердых сажевых частиц), а также приводит к снижению температуры выхлопных газов. Определены оптимальные величины подачи водородсодержащего синтез-газа в процентном соотношении от массы основного топлива.
В целях улучшения эксплуатационных показателей судовых энергетических установок с дизельными двигателями внутреннего сгорания предлагается использовать добавки водородсодержащего синтез-газа, произведенного путем каталитической конвертации углеводородного топлива непосредственно на борту транспортного средства. Данный процесс позволит обеспечить реализацию преимуществ водородного топлива без существенных конструктивных изменений энергетических установок. Каталитическую конвертацию предлагается производить на основе использования генераторов синтез-газа, принцип работы которых базируется на предварительном испарении и последующем окислении фракций углеводородов дизельного топлива. В результате образуется газ, в состав которого входят водород и окись углерода. Экспериментальные исследования влияния добавок водородсодержащего синтез-газа на экологические характеристики дизельных двигателей проводились на дизель-генераторных установках 1Ч 8,2/7,5 и 4ЧН 95/115. Испытания проводились в режимах холостого хода и номинальной частоты вращения с электрической нагрузкой на генератор. Подача синтез-газа осуществлялась во впускной коллектор двигателя. Установлено, что применение добавок водородсодержащего топлива является целесообразным только при работе энергетических установок в нагрузочных режимах. В ходе исследований установлено, что использование добавок водородсодержащего синтез-газа позволяет уменьшить содержание вредных веществ в отработавших газах (в том числе окиси углерода, углеводородов, окислов азота и твердых сажевых частиц), а также приводит к снижению температуры выхлопных газов. Определены оптимальные величины подачи водородсодержащего синтез-газа в процентном соотношении от массы основного топлива.
Ключевые слова:
энергетическая установка, экологические показатели, альтернативное топливо, водородсодержащий синтез-газ, каталитический генератор
энергетическая установка, экологические показатели, альтернативное топливо, водородсодержащий синтез-газ, каталитический генератор
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. Кузык Б. Н., Кушлин В. И., Яковец Ю. В. На пути к водородной энергетике. М.: Ин-т экон. стратегий, 2005. 155 с.
2. Кочергин В. И., Глушков С. П. Особенности решения проблем обеспечения безопасности при реализации инновационных процессов // Вестн. Перм. национ. исслед. политехн. ун-та. Безопасность и управление рисками. 2016. № 5. С. 203-209.
3. Терентьев В. Я., Бризицкий О. Ф., Христолюбов А. П., Золотарский И. А., Кириллов. В. А., Собянин В. А. Разработка компактных устройств для получения синтез-газа из углеводородного топлива на борту автомобиля в целях повышения топливной экономичности и улучшения экологических характеристик автомобилей // Альтернативная энергетика и экология. 2003. № S 1. С. 56-57.
4. Кириллов В. А., Кузин Н. А., Амосов Ю. И., Киреенков В. В., Собянин В. А. Катализаторы конверсии углеводородных и синтетических топлив для бортовых генераторов синтез газа // Катализ в промышленности. 2011. № 1. С. 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). Р. 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. Р. 1-8.
7. Фомин В. М., Каменев В. Ф., Хрипач Н. А. Теоретические и экспериментальные исследования работы двигателя на водородно-дизельных топливных композициях // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 7. С. 32-42.
8. Сидоров М. И. Метод улучшения показателей работы дизеля подачей на впуск водородосодержащего газа: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: НАТИ. 2007. 19 с.
9. Кочергин В. И., Далюк И. К., Порсин А. В., Куликов А. В., Рогожников В. Н. Перспективные направления обеспечения экологичности предпускового подогрева транспортных средств в условиях эксплуатации // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2014. № 3. С. 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. Р. 233-240.
11. Шефер К. И., Мороз Э. М., Рогожников В. Н., Порсин А. В. Состав оксидных соединений, нанесенных на металлическую сетку при синтезе катализаторов окисления углеводородов // Изв. Рос. акад. наук. Сер.: Физическая. 2016. Т. 80. С. 1525-1528.
12. Рогожников В. Н. Разработка способа формирования слоя Аl2О3 на структурированном металлическом носителе для каталитических применений: автореф. дис. … канд. техн. наук. Новосибирск: Ин-т катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. 2017. 23 с.
13. Глушков С. П., Кочергин В. И., Красников В. В. Повышение эксплуатационных показателей дизельных ДВС путем использования водородсодержащего синтез-газа // Транспортные системы Сибири. Развитие транспортной системы как катализатор роста государства. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2016. Ч. 2. С. 244-247.
