Контроль удельных выбросов оксидов азота при упрощенных измерениях на борту судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания

Наблюдаемое в настоящее время ухудшение экологии воздушной среды, приводящее к ухудшению здоровья населения, приводит к необходимости ужесточения норм на токсичные выбросы, прежде всего от транспортных средств, в которых определенное место занимают судовые энергоустановки. В отличие от автомобильных транспортных средств, где процедуры контроля в известной степени получили развитие, — процедуры контроля и нормативная база для этой цели на отечественном речном и морском флоте находятся только в состоянии разработок. В связи с этим разработка упрощенного метода контроля удельных выбросов будет важным инструментом по определению и оценке удельных выбросов оксидов азота в отработавших газов судовых дизелей в условиях эксплуатации. Настоящая работа посвящена вопросу упрощенного контроля оксидов азота на борту судов внутреннего и смешанного река-море плавания, которые оснащены судовыми 4хтактными дизелями. Учитывая количество существующих дизелей мощностью свыше 55 кВт, установленных на судах, использование газоанализаторов на каждом судне невозможно, а контроль удельных выбросов оксидов азота между тем должен осуществляться в процессе эксплуатации периодически, в том числе при замене и ремонте деталей топливной аппаратуры, турбонаддува, установки системы рециркуляции и т. п.

Задачей работы — было разработать альтернативный метод оценки удельных выбросов на борту судна в условиях эксплуатации без использования сложных (дорогостоящих) газоанализаторов.

Настоящая работа посвящена контролю главных и наиболее опасных выбросов — оксидам азота (ЫОх).

ГЛАВА 1. ОБЗОР НОРМ И ТРЕБОВАНИЙ К КОНТРОЛЮ ТОКСИЧНЫХ ВЫБРОСОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ, СПОСОБОВ ИХ СНИЖЕНИЯ, СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ И РАСЧЕТОВ Шх. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ОБЗОР СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ.

В основе разработки требований к контролю токсичных выбросов отработавших газов судовых дизелей лежит характер их воздействия на человека и окружающую среду. Углеводороды (НС) и оксиды азота (N0*) приводят к образованию озона, который разрушает дыхательную систему и приводит к воспалению легких. Когда температура и уровни солнечного света являются высокими, а состояние воздуха — застойным, то интенсивные химические реакции в которых участвуют N0* и НС ведут к накоплению озона.

Озон может распространяться от источников загрязнений на сотни километров против ветра.

Краткосрочные увеличения концентрации озона (1−3 часа) приводят к увеличению числа госпитализации людей в этих районах. Повторные воздействия озона могут ухудшить существующие болезни у человека, например, астмы. Возможны необратимые изменения в структуре легких и появление хронических болезней таких как бронхит. Озон неблагоприятно воздействует на урожайность, растительность и на рост леса, а также на долговечность материалов. Растения становятся более восприимчивыми к болезням. Озон приводит к повреждению листвы, травы, зерновых культур.

Длительные воздействия озона даже при концентрации менее 0,12 — 0,08 ррш также вредны для окружающей среды.

Другим отрицательным воздействием оксидов азота на окружающую среду является насыщение азотистыми соединениями почвы и воды (эутрофи-скация).

В число токсичных составляющих выхлопа дизелей входит угарный газ (СО). Угарный газ (оксид углерода СОг) попадает в кровь через легкие и уменьшает поставку кислорода к органам тела и тканям. Угроза здоровью является наиболее серьезной для тех, кто страдает от сердечно-сосудистых заболеI ваний и заболеваний органов дыхания, особенно ангиной.

Основные компоненты токсичных выбросов отработавших газов (ОГ) дизелей водного транспорта по химическому составу являются такими же, как и для других видов транспорта: оксиды азота N0*, окись углерода СО, углеводороды НС и твердые частицы. Для судовых дизелей морского транспорта, работающих на тяжелых сортах топлива, содержащих серу, дополнительно к числу наиболее токсичных компонентов, кроме ЫОх, также относится двуокись серы БОгВ отличие от автомобильного транспорта, оснащенного высокооборотными двигателями, на водном транспорте используются в основном среднеи маI I лооборотные дизели с частотой вращения п<750 мин". Эти дизели работают большую часть времени в установившихся режимах, характер режимов работы и большие размеры камер сгорания, большие значения воздухо-топливного отношения позволяют обеспечить полное сгорание топлива, т. е. минимизировать содержание: НС, СО и твердых частиц. Однако высокие температуры и наличие избытка кислорода приводят к появлению оксида азота, ущерб от которого на порядок выше, чем от СО и НС. В табл. 1.1 показан состав вредных выбросов в отработавших газах дизеля.

Таблица 1.1.

Состав вредных выбросов ОГ дизелей [77].

Составляющие Количеств. Класс ПДК ПДК ПДК.

ОГ Содержан. в Опасмг/м3 мг/м3 мг/м3.

ОГ ности в рабочей максим. среднезоне разовая суточная.

Окись углерода, % 0.01−0.5 4 20 3 1.

Окислы азота (в пе- 0.005−0.5 2 5 0.085 0.085 ресчете на N0), %.

Углеводороды 0.001−0.07 2−4 5−300 1.4−200 1−2.5 в пересчет на ме;

Составляющие Количеств. Класс пдк пдк пдк.

ОГ Содержан. в Опасмг/м3 мг/м3 мг/м3.

ОГ ности в рабочей максим. среднезоне разовая суточная тан), %.

Альдегиды 1−10 2−3 0.2−5 0.01−3 0.01−5 в пересчете на С3, Н4, 02), мг/м3.

Формальдегиды, % 0.002 3 0.5 0.035 0.003.

Акролеин, % 0.0001 2 0.2 0.03 0.03.

Бенз (а)пирен, мг/м 0.5−1 1 0.15 — 1−10.

Сажа, г/м3 0.01−1 3 4 0.15 0.05.

Количественный состав вредных выбросов с отработавшими газами дизелей различного назначения, в том числе и судовых, характеризуется данными, приведенными в табл. 1.2, в которой учтены класс опасности компонента и значения предельно допустимых концентраций вредных веществ.

Таблица 1.2.

Показатель относительной опасности компонента ОГ 4.

Составляющие ОГ Коэффициент, учитывающий характер рассеивания Вещества, Г Показатель относительной опасности вещества, А,-, усл. Тонна/тонна топлива.

Окись углерода 0.5 1.

Окислы азота (в переСчете на N02,) 0.5 41.1.

Углеводороды (в пересчет на метан) 0.5 3.1.

Составляющие ОГ Коэффициент, учитывающий характер рассеивания Вещества, Г Показатель относительной опасности вещества, А,-, усл. Тонна/тонна топлива.

Сернистый газ 0.5 16.

Бенз (а)пирен 0.5 12.5−105.

Сажа без примесей 2 41.5.

Как видно из таблицы 1.2 наиболее опасным компонентом в отработавших газах является выбросы N0*, а так же Бенз (а)пирен.

Ниже представлена таблица с данными Ллойда [91] по нормированию некоторых компонентов в отработавших газах для малооборотных и среднеоборотных дизелей в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Таблица 1.3.

Нормируемые удельные выбросы от дизелей с различной частотой вращения по данным Ллойда.

Компоненты Кг/тонну топлива.

Малая частота вращения Средняя частота вращения Высокая частота вращения шх 87 72 57.

СО 7,4.

СН4 0,3.

Ы20 0,08.

Из табл. 1.3 следует, что одним из главных токсичных компонентов ОГ судового дизеля являются оксиды азота. Снижение частоты вращения дизелей приводит, как правило, с одной стороны, к увеличению форсировки двигателей и росту температуры и давления в камере сгорания (КС), с другой — к возрастанию времени на образование оксидов азота и к увеличению их количества. Поэтому допустимое количество N0* для дизелей с частотой вращения п=85 мин" 1 имеет верхний предел значения NOx выше, чем для дизелей со средней частотой вращения (п=750 мин" 1). С увеличением частоты вращения дизелей до 2000 мин'1 предельное значение NOx еще более снижается.

Известно, что оксиды азота образуются в зонах КС с высокой температурой, имеющей место в фазе кинетического и диффузионного сгорания. Наиболее высокая температура возникает в локальных зонах при кинетическом горении, когда вероятность возникновения этих зон наиболее высокая. Поэтому с ростом жесткости процесса наблюдается повышенная концентрация оксидов азота в ОГ дизеля. В камерах сгорания высокооборотных автомобильных дизелей локальные зоны размываются усиленным вихреобразованием и существуют в течении меньшего периода, а нехватка кислорода в локальных зонах, особенно в переходных режимах, выводит на первое место по вредности токсичные составляющие: СН и СО [66].

В настоящее время большое число ученых разрабатывают способы снижения вредных выбросов, Патрахальцев H.H., Махов В. А., Голубков JI.H., Ха-чиян A.C., Иванченко В. А., Новиков Л. А., Пунда A.C., Кавтарадзе Р. З., Смай-лис В.И., Звонов В. А., Лебедев О. Н., а так же кафедра СЭУ и, А МГА водного транспорта. Среди последних работ в этом направлении следует отметить:-впрыскивание воды и пара в цилиндры двигателя, установка фильтров — нейтрализаторов, применение систем рециркуляции, использование водотопливной эмульсии, повышение степени сжатия (ес) при pmax=const, а так же установка и использование двигателей с форкамерным смесеобразованием, повышение давления впрыскивания топлива при одновременном уменьшении угла опережения его подачи топлива фоп в цилиндр, позволяющие уменьшить количество топлива, сгорающего в кинетической фазе.

Например, в трудах [53] показан уровень изменения выбросов оксидов азота при добавлении воды в цилиндры дизеля и при увлажнении воздуха поступающего в двигатель (рис. 1.1). о 1 0 2 0 3 0 0 1.0 2,0 3,0 степень увлажнения рабочего тела, кг Н20/кг топл. степень увлажнения рабочего тела, кг Н20/кг топл. а) б).

Рис. I. I. Изменение выбросов N0* мри увеличении степени увлажнения рабочего тела: а) расчет на ЭВМ (дизель МАК 6М43) — б) опытные данные по среднеоборотным дизелям.

Общим эффектом перечисленных способов, воздействующих на процесс сгорания в цилиндре, является снижение температуры Тл.3. в локальных зонах камеры сгорания, коэффициента избытка воздуха а', за фронтом пламени, где происходит образование N0*, и уменьшение концентрации кислорода в цилиндре, например, при рециркуляции отработавших газов. Однако ряд из этих методов требует значительных затрат на доработку конструкции дизелей и усложняет их эксплуатацию. На сегодняшний день ряд судовых дизелей не отвечает существующим требованиям по нормам выбросов N0*, причем в условиях эксплуатации выбросы оксидов азота могут изменяться, что обостряет необходимость осуществления их систематического контроля.

Важным элементом является оценка экономической целесообразности внедрения устройств для снижения оксидов азота ниже установленных норм, так как обычно все средства, которые используются для снижения токсичности, приводят к увеличению расхода топлива. Поэтому для достижения соответствия норм токсичных выбросов необходимо руководствоваться экономической целесообразностью. 4 У.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ !

1. Для улучшения экологии воздушной среды в настоящее время ужесточаются нормы на вредные выбросы отработавших газов судовых дизелей. Повышаются требования к контролю вредных выбросов судовыми дизелями. Разрабатываются методы контроля вредных выбросов на борту судна. Методы предусматривают применение дорогостоящих газоанализаторов, которые, учитывая большое количество судовых двигателей мощностью более 55 кВт, нецелесообразно иметь на каждом судне. Нормативные документы предусматривают возможность1 разработки альтернативных методов оценки токсичных выбросов оксидов азота СДВС.

2. Разработан метод оценки изменения удельных выбросов N0* судовых дизелей с наддувом и без наддува при небольших отклонениях параметров окружающей среды или топливной аппаратуры, или системы наддува от стандартных. Метод разработан на основе совместного использования метода малых отклонений параметров турбопоршневого двигателя проф., д.т.н. Р. М. Васильева — Южина, и метода проф., д.т.н. В. И. Толшина оценки изменения удельных выбросов по параметрам рабочего процесса. Проведенные расчеты показали, что погрешность оценки концентрации N0* по отношению к экспериментальным данным, при изменениях' в условиях эксплуатации в пределах 10−15%, составляет не более 1−1,5%.

3. Исследовано влияние КПД охладителя наддувочного воздуха дизеля с турбонаддувом на удельные выбросы оксидов азота.

4. По результатам газового анализа получены данные по зависимости изменения коэффициента наполнения и показателя политропы сжатия дизеля без наддува (типа 6418/22) от режима работы.

5. Метод разработан для 4хтактных судовых дизелей с неразделенной формой камеры сгорания. Метод по определению выбросов N0* по ,'параметрам рабочего процесса, дополнен зависимостью С] в формуле определяющий концентрацию N0* от частоты вращения вала дизеля.

Это позволяет приближенно определить концентрацию N0* для дизелей, у которых отсутствуют данные по выбросам N0*.

6. В качестве режима для упрощенных измерений пропульсивных двигателей I на борту судна, предлагается принять режим 75% от номинальной нагрузки при п = 91% от номинальных чисел оборотов. Предлагаемый метод расчета может быть использован в случае отклонения параметров окружающей среды и мощности от стандартных условий.

7. Погрешность расчета относительного изменения е’мох по упрощенной формуле (е'мох = А (Хртах)) (г/(кг топлива)) составляет не более 1,5% при условии предварительной сверки параметров дизеля для соответствующих условий испытаний.

8. Разработанные метод расчета и метод экспериментальных измерений на борту судна без применения дорогостоящих газоанализаторов могут найти применение в организациях, контролирующих техническое состояние судовых дизелей, а так же при совершенствовании параметров систем наддува и топливной аппаратуры в целях снижения выбросов оксидов азота при высокой экономичности дизеля.

9. Предложены алгоритм й программа расчета величины ек0х или е’мох Для автоматизированного способа оценки удельных выбросов в условиях упрощенных измерений на борту судна.

Ю.При испытаниях на борту судна для определения концентрации О2 а ОГ с I последующим определением коэффициента избытка воздуха рекомендуется использовать дооборудованный для применения в судовых условиях датчик кислорода (например ДК-21 стоимостью 1500 рублей).

11.Для проведения вычислений по определению концентраций или удельных выбросов ЫОх, рекомендуется использовать на борту судна программируемый микрокалькулятор (стоимостью 1500−2000 рублей) с программой, разработанной в МГА водного транспорта.