Комплексная нейтрализация отработавших газов судовых дизельных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат наук Арефьев Николай Николаевич

• Арефьев Николай Николаевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Арефьев Николай Николаевич

Введение

Глава 1. Аналитический обзор методов снижения вредных выбросов с отработавшими газами судовых дизелей

1.1 Состав отработавших газов судовых дизелей

1.2 Методы снижения вредных выбросов с отработавшими газами

1.3 Проблемы проектирования установок по снижению вредных

выбросов с отработавшими газами. Цели и задачи исследования

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Разработка функциональной схемы установки по созданию искусственного воздушного заряда для питания судового двигателя

2.1 Общие положения

2.2 Очистка отработавших газов в жидкостных контактных аппаратах

2.3 Получение кислорода в судовых условиях

2.4 Функциональная схема установки по созданию искусственного воздушного заряда для питания судового двигателя

2.5 Выводы по главе

Глава 3. Алгоритм и методика расчета основных узлов экспериментальной установки по созданию искусственного воздушного заряда для питания дизельного двигателя

3.1 Разработка алгоритма и методики расчета основных узлов установки

3.2 Расчет основных параметров циклонно-пенного аппарата

3.3 Разработка принципиальной схемы опытного генератора кислорода

3.4 Расчет основных параметров генератора кислорода

3.5 Планирование эксперимента для исследования рабочих параметров опытного генератора кислорода

3.6 Выводы по главе

Глава 4 Проведение экспериментального исследования генератора кислорода, а также установки по созданию искусственного воздушного

заряда

4.1 Исследование опытного генератора кислорода при работе по напорной схеме

4.2 Исследование опытного генератора кислорода при работе по вакуум-напорной схеме

4.3 Исследование работы экспериментальной установки по созданию искусственного воздушного заряда для питания судового дизеля

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Принятые сокращения

ОГ - отработавшие газы

СЭУ - судовые энергетические установки

ДВС - двигатель внутреннего сгорания

ЦПА - циклонно-пенный аппарат

РМРС - Российский Морской Регистр Судоходства

РРР - Российский Речной Регистр

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексная нейтрализация отработавших газов судовых дизельных двигателей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время на флоте применяются различные виды СЭУ, однако наиболее распространенными являются дизельные двигатели внутреннего сгорания.

В гражданском флоте широкое распространение получили среднеоборотные четырехтактные дизеля, выпускаемые рядом зарубежных производителей, таких как: Wartsila, Man, Caterpillar, Mitsubishi и другие. Ведущие дизелестроительные компании постоянно ведут работу по модернизации двигателей для снижения удельного расхода топлива, улучшения эксплуатационных показателей и снижения токсичности отработавших газов (ОГ) [103].

На сегодняшний день суммарная мощность эксплуатируемых дизельных двигателей составляет примерно 1600 млн. кВт, в результате работы которых ежегодно выбрасывается в атмосферу 12 млн. тонн вредных веществ [104]. Сложность решения проблемы вредных выбросов состоит в многообразии взаимосвязанных факторов, которые оказывают влияние на процессы в камере сгорания двигателя [41]. Теоретически установлена и подтверждена экспериментально связь между максимальной температурой цикла, количеством токсичных соединений в ОГ и эксплуатационными характеристиками дизеля: с повышением температуры улучшается полнота сгорания топлива, увеличивается термический КПД, снижается удельный расход топлива, но возрастает количество самого токсичного компонента - оксидов азота (NOx). Таким образом, для снижения вредных выбросов с ОГ приходится снижать эксплуатационные характеристики двигателя, что противоречит с еще одной острой проблемой двигателестроения - повышением топливной экономичности [47, 87]. Решение данной противоречивой проблемы является актуальной сложной научной и технической задачей.

В течение многих лет проводятся научные исследования, направленные на улучшение различных показателей дизелей: топливной экономичности,

надежности, шумности, вибраций, токсичности ОГ [92]. Указанные вопросы освещены в трудах таких ученых, как: А.С. Лышевский, Н.Н. Иванченко, А.С. Орлин, А.С. Курников, М.Р. Петриченко, Н.А. Иващенко, Н.Ф. Разлейцев, О.Г. Красовский, Г.В. Тринклер, И.И. Вибе, В.И. Гриневецкий, Г.В. Кулешов, Н.А. Горбунов, В.В. Мержиевский, И.Л. Захаров, Ю.И. Воржев, В.И. Смайлис и др.

Несмотря на значительное количество исследовательских работ по снижению вредных выбросов с ОГ, данный вопрос остается актуальным, при этом важными факторами также являются стоимость оборудования, а также стоимость и энергозатраты на его эксплуатацию и сложность обслуживания в судовых условиях. Также остро стоит вопрос о сохранении эксплуатационных и экономических показателях дизельного двигателя при увеличении его экологичности [70]. Таким образом основной научной идеей диссертационной работы является комплексная нейтрализация основных вредных компонентов ОГ при сохранении эффективной работы ДВС.

Объектом исследования в диссертационной работе является судовой двигатель внутреннего сгорания. Предмет исследования - снижение вредных веществ в ОГ.

Целью диссертационной работы является комплексная нейтрализация основных вредных компонентов ОГ и создание искусственного заряда воздуха для эффективной работы ДВС с рециркуляцией (30-40)% ОГ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор существующих методов снижения вредных выбросов с ОГ и возможность их применения на судне.

2. Разработать новые научно-технические решения по созданию искусственного заряда воздуха.

3. Разработать экспериментальный стенд установки для создания искусственного заряда воздуха.

4. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработать методику расчета системы по созданию искусственного заряда воздуха.

5. Провести экспериментальные исследования проверки адекватности предложенной методики расчета.

6. Провести экспериментальные исследования возможности эффективной работы двигателя, оснащенного новой системой по созданию искусственного заряда воздуха, с рециркуляцией (30 - 40)% ОГ.

В диссертационной работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на теории планирования экспериментов и математическом анализе.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Научно обоснована и разработана новая схема создания искусственного заряда воздуха.

2. Научно обосновано и разработано новое научно-техническое решение генерации кислорода.

3. Разработана математическая модель зависимости концентрации кислорода на выходе из генератора кислорода от функциональных параметров: коэффициента десорбции, перепада давления, адсорбции - десорбции, времени цикла адсорбции.

4. Выявлены оптимальные значения функциональных параметров генератора кислорода и установлено положительное влияние осушения воздуха перед адсорбером при вакуум-напорной схеме генерации кислорода.

5. Разработаны алгоритм и методика расчета основных элементов установки по созданию искусственного заряда воздуха.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается комплексом теоретических, расчётно-аналитических и экспериментальных исследований,

который базируется на общих принципах фундаментальной науки, верификации гипотез и научном методе.

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических мероприятиях международного и всероссийского масштаба, а также на местных форумах и конференциях. Наиболее значимыми из перечисленных являются: Международный научно-практический форум «Великие Реки» («ICEF») (Н. Новгород, 2014-2019), Всероссийская научно-техническая конференция «НТРС-2019» (Санкт-Петербург, 2019), Международная молодежная конференция «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2017), ежегодная конференция «Сессия молодых ученых» (Нижегородская обл. 2016-2017).

Результаты исследования, а также работа в целом признана победителем конкурсов: «УМНИК-2014», «УМНИК-НН 2014», «Всероссийский инженерный конкурс 2017», а также получен грант Правительства Нижегородской области в сфере науки, технологии и техники.

Практическая значимость. Полученные в диссертации результаты направлены на снижение вредных веществ в ОГ ДВС в составе судовой энергетической установки (СЭУ).

Разработаны новая конструкция генератора кислорода и схема рециркуляции отработавших газов применительно к СЭУ.

Выполнены инженерные расчеты при проектировании системы по снижению вредных веществ в ОГ ДВС СЭУ в ООО «Судоходная компания Ока».

Публикации. Список публикаций по материалам диссертации состоит из 13 работ, в том числе 3 из них в изданиях в перечне ВАК, из которых одна работа в индексации Web of science и 2 патента на полезную модель.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Новая схема создания искусственного заряда воздуха.

2. Новое научно-техническое решение генерации кислорода.

3. Уравнение регрессии, описывающее зависимость концентрации кислорода на выходе из генератора от функциональных параметров.

4. Результаты экспериментальных исследований по выявлению оптимальных значений функциональных параметров генератора кислорода.

5. Результаты экспериментальных исследований по установлению положительного влияния осушения воздуха перед адсорбером при вакуум-напорной схеме генерации кислорода.

6. Математические зависимости для расчета основных элементов установки по созданию искусственного заряда воздуха.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 102 страницах машинописного текста и включает в себя 36 рисунков и 22 таблиц. Список литературы состоит из 110 наименований. Приложение содержит акт внедрения, копии патентов на полезную модель и дипломов.

Содержание диссертации соответствует пункту 2.5 паспорта научной специальности 05.08.05 в части - надежность, функциональные, эргономические и технологические характеристики, диагностика и техническое обслуживание СЭУ и их элементов. Обеспечение безопасности функционирования СЭУ и защита окружающей среды. А также пункту 2.7 паспорта - влияние СЭУ на окружающую среду.

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ СУДОВЫХ

ДИЗЕЛЕЙ

1.1 Состав отработавших газов судовых дизелей

В настоящее время все более остро стоит проблема загрязнения окружающей среды различными техногенными факторами. Один из них -вредные вещества в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. Во всем мире ограничивают концентрацию таких веществ жесткими нормами: Евро для автотранспорта, Tier и Stage для спецтехники и железнодорожной техники, нормы MARPOL-73/78 для судов. Особенно остро это проблема затрагивает флот, где дизельные двигатели большой мощности, работающие длительный период, сложно адаптировать под современные экологические нормы [23].

Отработавшие газы (ОГ)— рабочее тело, выполнившее работу в цилиндре двигателя [33]. Являются продуктами окисления и неполного сгорания углеводородного топлива [16]. Представляют собой сложную по составу многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Выбросы ОГ — основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогеновв атмосфере крупных городов, образования смогов, являющихся частой причиной отравления в замкнутых пространствах. Состав ОГ приведен в табл. 1.1 [26].

Наиболее опасными для окружающей среды являются следующие компоненты ОГ: сажа, оксиды азота, альдегиды, оксиды углерода и углеводороды [27].

Оксид углерода СО - образуется в ходе предпламенных реакций при сгорании углеводородного топлива с некоторым недостатком воздуха, а также при диссоциации СО2 (при температуре более 2 000 К). В камере сгорания двигателя углеводороды, кислород и пары воды распадаются и образуют

радикалы типа СН3, СНО, ОН, углерода, атомарных кислорода и водорода. В результате рекомбинации этих соединений образуется оксид углерода по следующим реакциям [93]:

Таблица 1.1 — Состав отработавших газов дизельных четырехтактных

двигателей

Компонент Концентрация, %

Азот N 76...78

Кислород О2 2.8

Углекислый газ СО2 5.10

Оксид углерода СО 0,01.0,50

Пары воды 0,5.4,0

Оксиды азота NOx 0,001.0,400

Углеводороды СН 0,01.0,10

Альдегиды 0.0,002

СНО+ОН ^ СО+Н2О, (1.1)

С+ОН ^ СО+Н, (1.2) Также имеет место диссоциация диоксида углерода:

2СО2 ^ 2СО+О2, (1.3) В присутствии водорода или водяного пара, СО доокисляется до СО2:

СО+ОН ^ СО2+Н, (1.4)

СО+О ^ СО2, (1.5)

Главная причина образования оксида углерода в камере сгорания -неравномерное распределение топлива по объему камеры, что приводит к образованию локальных участков с недостатком кислорода, где наблюдается неполное сгорание топлива. В таких зонах концентрация СО может достигать 5% [74].

Оксид углерода - бесцветный газ, не имеющий запаха и обладающий сильным токсикологическим воздействием на человека. СО вытесняет кислород из крови человека, так как его поглощаемость кровью в 240 раз выше по сравнению с кислородом, что в итоге приводит к удушью [98]. При регулярном воздействии на человека СО отмечаются изменения состава крови. Даже незначительные концентрации оксида углерода в окружающем воздухе (до 0,01%) вызывают головную боль и снижают работоспособность. Дальнейшее повышение концентрации СО приводит к развитию атеросклероза и хронических легочных заболеваний. Оксид углерода также негативно влияет на центральную нервную систему, вызывая обмороки и нарушение цветовой и световой чувствительности. При концентрации более 1% наступает потеря сознания уже через один-два вдоха. Симптомы отравления газом СО - головная боль, учащенное сердцебиение, затрудненное дыхание и тошнота [64].

Диоксид углерода СО2-нетоксичное, но вредное вещество в связи с фиксируемым повышением его концентрации в атмосфере планеты и его влиянием на изменение климата. Основная доля образовавшихся в камере сгорания СО окисляется до СО2, не выходя за пределы камеры сгорания [91]. Углекислый газ активно поглощается растениями с образованием кислорода, однако глобальное повышение его концентрации в атмосфере приводит к поглощению солнечных лучей, вызывая парниковый эффект.

Углеводороды СхНу-несколько десятков веществ, образующихся в результате:

- реакций цепочно-теплового взрыва - пиролиза и синтеза (ПАУ,

альдегиды, фенолы);

- неполноты сгорания в результате нарушения процесса горения из-за прекращения реакций окисления углеводородов при низких значениях температуры, неоднородности топливовоздушной смеси (несгоревшие компоненты топлива и масла). Обычно наблюдается в зонах срыва пламени, в ядре и в переднем фронте факела, в топливной пленке на стенках цилиндра, в результате вторичных впрысков топлива.

Механизм образования углеводородов зависит от конструкции двигателя и его рабочих параметров. Одна из главных причин - наличие зон с пониженной температурой в камере сгорания [10]. В процессе горения топливовоздушной смеси пламя распространяется от центра камеры к стенкам, от которых отводится теплота; и активные радикалы, образующиеся при горении, рекомбинируются на более холодных пристеночных слоях. В качестве примера можно привести образование метана по реакции [24]:

СН3+ОН ^ СН4+О, (1.6)

Еще одной причиной образования углеводородов является наличие локальных зон с недостатком кислорода, где происходит расщепление высокомолекулярных углеводородов из топлива, однако недостаток кислорода не позволяет полностью пройти реакциям окисления. В основном это зоны ядра факела и срыва пламени.

Наиболее токсичными считаются углеводороды олефиновой группы (СхН2х) [48], они имеют неприятный запах, вызывают раздражение слизистых, поражение внутренних органов, обострение хронических заболеваний. Кроме того, под воздействием солнечной радиации и в совокупности с другими компонентами ОГ, образуются фотохимические оксиданты, например, нитроолефины.

Несколько меньшей токсичностью обладают парафины (СхН2х+2) [50]. Токсикологическое действие этой группы углеводородов выражается в наркотическом действии на организм человека.

Сажа - твердый углерод, является основным компонентом нерастворимых твердых частиц. Образуется при объемном термическом разложении углеводородов в газовой или паровой фазе при недостатке кислорода. Механизм образования представляет собой последовательность термического разложения топлива, образования активных углеводородных частиц, роста ядер сажевых частиц, их агломерации и окисления. Обычно образование сажи связано с недостатком кислорода вследствие недостаточного коэффициента избытка воздуха (а). Минимальное значение этого коэффициента а=1,3, которое называют пределом дымления. При меньших значениях коэффициента (возможно, локальных) происходит наиболее интенсивное образование сажевых частиц в результате реакции пиролиза углеводородов топлива [75]:

СпНт ^ пС+0.5тН2, (1.7)

Подобная реакция на примере метана представляет собой уравнение:

СН4 ^ С+2Н2, (1.8)

Кроме недостаточного коэффициента избытка воздуха на образование сажи активно влияют особенности процесса смесеобразования, тип топлива, время горения и температура горения в цилиндре двигателя [58]. При температурах выше 2050К наблюдается увеличение сажеобразования, достигающее максимума при температуре 2200К. При дальнейшем росте температуры скорость окисления сажи превышает скорость ее образования, и ее концентрация в ОГ снижается.

Окисление сажи проходит по следующим уравнениям реакций [62]:

С+О2 ^ СО2, 2С+О2 ^ 2СО, С+СО2 ^ СО, (1.9)

С+Н2О ^ СО+Н2, С+2Н2О ^ СО2+2Н2,

С+2Н2 ^ СН4,

Значительная часть сажи выгорает в камере сгорания на такте расширения и в выпускном тракте дизеля. Первичные частицы сажи имеют размеры около 0,02.0,2 мкм, однако в ОГ на выходе из двигателя сажа находится в виде агломераций неправильной формы с размерами около 0,5мкм, при этом они имеют развитую поверхность, площадь которой равна 90м на 1 г сажи [49].

Присутствие сажи в воздухе приводит к неприятным ощущениям загрязненности и ухудшению видимости, при вдыхании такого воздуха сажа оседает в носовых пазухах, органах дыхания человека. При этом крупные частицы достаточно легко выводятся из организма естественным образом, в то время как мелкие частицы задерживаются в органах, вызывая хронические заболевания. Однако наиболее пагубное воздействие на человека оказывает не сама сажа, а осевшие на ее поверхностях канцерогенные углеводороды, например, бенз(а)пирен С20Н12 [85].

Сера S, содержащаяся в топливе, во время горения интенсивно окисляется в диоксид серы SO2 по механизму, сходному с механизмом образования СО:

S+O2 ^ SO2, (1.10)

Большая часть диоксида серы еще в камере сгорания окисляется до триоксида SO3. Кроме оксидов в цилиндре двигателя также образуются сульфаты - серосодержащие соли, являющиеся одним из компонентов сажи.

Диоксид серы - газ без цвета с резким неприятным запахом, раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, вызывает отравление и нарушения в работе организма в целом. Длительное воздействие даже незначительных концентраций SO2 на человека становится причиной хронического бронхита, конъюнктивита, головных болей, бессонницы. При содержании в воздухе более 0,01% диоксид серы приводит к летальному отравлению менее чем за минуту. Вредное влияние на человека у SO2 приблизительно в 6 раз больше, чем у СО

Триоксид серы - бесцветная жидкость, однако в выпускном тракте двигателя присутствует в виде газа. Данный оксид серы активно соединяется с парами воды, образуя кислоты - сернистую и серную (Н^03 и Н^04), при этом образованию кислот способствуют оксиды азота и углеводороды в составе ОГ. Данные кислоты разрушают элементы выпускного тракта и ЦПГ двигателя, способствуют возникновению смогов и кислотных дождей, агрессивно воздействуют на окружающую природу. У человека способны вызвать острые бронхиальные заболевания.

Еще одно соединение серы, образующееся при работе дизельного двигателя -сероводород Н^. Представляет собой бесцветный газ с резким запахом тухлых яиц. Даже при незначительных концентрациях (выше 0,008 мг/м ), он оказывает значительное токсикологическое воздействие на организм человека [95].

Содержание сернистых соединений в ОГ зависит только от содержания серы в исходном топливе. Однако, снижение концентрации серы в топливе приводит к его существенному удорожанию.

Оксиды азота NOx представляют собой набор следующих соединений: N0, N0, ^03, N0^ ^04 и ^05. Эти соединения образуются в камере сгорания двигателя в результате окисления азота из воздуха и азотистых соединений в топливе. Однако, таких молекул в топливе немного - не более 0,2% от общей массы топлива, поэтому их не принимают во внимание и рассматривают лишь процесс окисления азота из атмосферного воздуха [38].

При нормальных условиях азот инертен, но при высоких давлении и температуре в камере сгорания дизеля, он реагирует с кислородом с последующим образованием различных оксидов, среди которых преобладает N0 - 90% от всех выбросов N0x дизельного двигателя. При этом происходит диссоциация молекул азота, кислорода, водорода и паров воды, частицы которой обладают повышенной химической активностью [39]. В результате протекают

следующие химические реакции:

^+О ^ NO+N N+O2 ^ Ж>+О

N+OH ^ NO+H, (1.11)

КН+О2 ^ NO+OH N2+O2 ^ 2Ж>

Две первые реакции проходят по цепному механизму по общепринятой теории окисления азота воздуха, предложенной Я.Б. Зельдовичем, П.Я. Садовниковым и Д.А. Франк-Каменецким.

Значительная часть представленных реакций происходит с поглощением теплоты, поэтому на эмиссию NOx с ОГ наибольшее влияние оказывает температура газов в камере сгорания [40]. Максимальная концентрация оксидов азота наблюдается в локальных зонах камеры с высокими коэффициентами избытка воздуха и температурами горения (локальные участки горения могут достигать температуры в 2500К).

При более низких температурах (менее 650К) NO начинает окисляться до NO2 по следующей реакции [84]:

2Ж>+О2 ^ 2Ж>2, (1.12)

Оксид азота NO - бесцветный газ, плохо растворимый в воде и быстро окисляющийся до NO2. Диоксид азота - газ красноватого цвета с удушливым запахом. Токсичность диоксида азота в семь раз превышает токсичность NO. Приведенные соединения азота представляют значительную опасность для здоровья человека: они воздействуют на слизистые оболочки глаз и носа, нервную и сердечнососудистую системы. Оксиды азота активно взаимодействуют с парами воды в атмосферном воздухе, образуя азотную и азотистую (НЫО3 и НЫО2) кислоты, разрушающие легочную ткань. Небольшие концентрации в воздухе

соединений азота приводят к постепенному отравлению организма, при этом не существует каких-либо эффективных нейтрализующих средств [37]. Уже при концентрации в воздухе более 0,0013% N0 действует как острый раздражитель слизистых, а при дальнейшем повышении концентрации может вызвать отек легких.

В составе ОГ судового двигателя оксиды азота также соединяются с несгоревшими углеводородами, образуя токсичные соединения - нитроолефины, которые приводят к заболеваниям дыхательных путей.

Поскольку в ОГ судовых дизелей содержится значительное количество вредных веществ, а количество применяемых двигателей в различных областях жизни человека постоянно растет, необходимы кардинальные меры по предотвращению антропогенного воздействия ОГ на окружающую среду.

1.2. Методы снижения вредных выбросов с отработавшими газами

Экологичность двигателей оценивается нормируемыми и ненормируемыми компонентами ОГ, представляющими опасность для человека и природы. Предельные значения нормируемых показателей устанавливаются международными и национальными стандартами [11].

В Российской Федерации нормы и методы определения вредных выбросов судовых дизелей регламентируются ГОСТ Р 51249-99 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с ОГ. Нормы и методы определения» и ГОСТ Р 51250-99 «Двигатели внутреннего сгорания. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения». Замеры параметров вредных выбросов проводятся в стендовых условиях при периодических испытаниях серийных моделей дизельных двигателей. Данные стандарты не распространяются на двигатели, находящиеся в эксплуатации. Нормы вредных выбросов с ОГ в соответствии с представленными выше ГОСТ представлены в табл. 1.2 [30, 31].

Еще одним нормативным документом, регулирующим количество вредных выбросов на судах по всему миру, является MARPOL 73/78, принятый Международной Морской Организацией (1МО) где в Приложении VI указаны нормы по выбросам в атмосферу.

Таблица 1.2 Предельно допустимые значения удельных средневзвешенных выбросов вредных веществ для двигателей судовых, промышленных и

тепловозных

Наименование нормируемого параметра Обозначение Назначение двигателя Норма удельных средневзвешенных выбросов

Выпуск до 2000 г. Выпуск с 2000 г.

Удельный средневзвешенный выброс оксидов азота (N0^ в приведении к N02, г/(кВт-ч) рр Тепловозный 18,0 12,0

Промышленный 16,0 10,0

Судовой 17,0 (17,0-9,8)*

Удельный средневзвешенный выброс оксида углерода, г/(кВт-ч) рр есо Любое 5,0 3,0

Удельный средневзвешенный выброс углеводородов (СН) в приведении к СН1>85, г/(кВт-ч) Рр есн Любое 2,4 1,0

Удельный средневзвешенный выброс оксидов азота для судовых двигателей:

• при частоте вращения п < 130 мин-1 етх — 17Квт"ч'

• в диапазоне частот

130 < п < 2000 мин 1 рассчитывают по формуле е^л —

кВт-ч

при частоте вращения п > 2000 мин 1 е^о — 9,8

X кВт-ч

Так, двигатели мощностью более 130 кВт, построенные с 2000 по 2011 год должны иметь выбросы оксидов азота не более, чем:

1. 17,0 г/кВт-ч при п менее 130 об/мин;

0 2

2. 45,0 п г/кВт-ч при п, равном или более 130, но менее 2000 об/мин;

3. 9,8 г/кВт-ч при п, равном или более 2000 об/мин.

Где п- номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя. Двигатели, построенные с 2011 по 2016 год должны иметь выбросы оксидов азота не более, чем:

1. 14,4 г/кВт-ч при п менее 130 об/мин;

0 2

2. 44,0 п г/кВт-ч при п, равном или более 130, но менее 2000 об/мин;

3. 7,7 г/кВт-ч при п, равном или более 2000 об/мин.

Где п- номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя. Двигатели, построенные позднее 2016 года должны иметь выбросы оксидов азота не более, чем:

1. 3,4 г/кВт-ч при п менее 130 об/мин;

0 2

2. 29,0 п г/кВт-ч при п, равном или более 130, но менее 2000 об/мин;

3. 2,0 г/кВт-ч при п, равном или более 2000 об/мин.

Где п- номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя. Из текста Приложения VI видно, что за 16 лет нормы выбросов оксидов азота сократились в 5 раз (в 2 раза для СОД), а не соответствующие им двигатели запрещены к эксплуатации.

В химической и нефтегазовой промышленности достаточно давно разработаны методы очистки газов и аэрозолей от различных примесей. Однако, очистка ОГ в судовых условиях имеет свои особенности: на выходе из двигателя газы имеют достаточно высокую температуру (до 700 °С), стесненные условия машинно-котельного отделения на судне ограничивают массогабаритные показатели установки, обслуживание, ремонт и обеспечение работы установки должно осуществляться силами экипажа судна [3].

Для того чтобы двигатель соответствовал современным жестким экологическим стандартам, необходимо эффективно удалить или нейтрализовать вредные компоненты ОГ. Этого можно достичь путём оптимизации процессов в двигателе и фильтрацией отработавших газов на выходе из двигателя [69]. В настоящее время можно разделить методы снижения концентрации вредных веществ в ОГ на внутренние и внешние (рис.1.1).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Арефьев Николай Николаевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адлер О.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1968.-155с.

2. Акулов А.К. Особенности процессов в установках адсорбционного разделения воздуха. Технические газы, 2007 -№6 - c.39.

3. Анциферов В.Н., Макаров A.M., Беклемышев A.M. Нейтрализация отработавших газов - один из путей улучшения экологической обстановки. Химия, технология, промышленная экология неорганических соединений. 2000 - №3. - c.150.

4. Арендарский Д.А., Коротнев А.Г., Петров В.Л. Исследование степени эффективности стеклотканного катализатора в потоке отработавших газов дизеля. Двигателестроение, 2005 - №11 - с.27-29.

5. Арефьев Н.Н., Курников А.С., Наумов В.С. Результаты экспериментального исследования установки по созданию искусственного воздушного заряда для судового двигателя. Морские интеллектуальные технологии 2018. №4. С. 30-36.

6. Арефьев Н.Н. Разработка судового генератора кислорода. XXI Сессия молодых ученых, технические науки, 2016. С. 218-220.

7. Арефьев Н.Н. Разработка принципиальной схемы установки для снижения вредных выбросов с отработавшими газами судовых двигателей. XXII Сессия молодых ученых, технические науки, Том 2, 2017. С. 192-195.

8. Арефьев Н.Н. Комплексное решение проблемы вредных выбросов с отработавшими газами судовых дизелей кислорода. Сборник материалов международной молодежной научно-технической конференции Будущее технической науки XVI, 2017, С.388-389.

9. Арефьев Н.Н. Разработка установки по комплексному снижению вредных веществ в отработавших газах судовых дизельных двигателей. Тезисы докладов всероссийской молодежной конференции Научно-технологическое развитие судостроения-2019, С. 125-127.

10.Астахов И.В. Подача и распыливание топлива в дизелях. - М.: Машиностроение, 1971 - 420с.

11.Багиров Д.Д., Златопольский А.В., Гиршович В.Е. Прогнозирование предельных норм вредных выбросов судовых дизелей. Двигателестроение, 1980 - №11, с.49-50.

12.Белов C.B. Пористые проницаемые материалы: Справочник. М.: Металлургия, 1987. 335 с.

13.Богатых С.А. Комплексная обработка воздуха в пенных аппаратах. Л.: Судостроение, 1964 - 316с.

14.Богатых С.А. Циклонно-пенные аппараты. Л.: Машиностроение, 1978 -224с.

15.Болотов А.К., Лиханов В.А., Попов В.М., Сайкин А.М. Опыт снижения токсичности отработавших газов дизелей за счет подачи воды. Двигателестроение. - 1982, - №7 - с.48-50.

16.Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях. - М.: Машиностроение, 1959. -248с.

17.Булаев В.Г. Снижение токсичности тепловозных дизелей за счет рециркуляции газов и изменения угла опережения впрыска топлива. Двигателестроение. - 1984 - №7 - с.48-51.

18.Бурцев. Ц.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства. СПб.: СПбГАХПТ, 1998 - 146с.

19.Воржев Ю.И. Применение водотопливных эмульсий в судовых дизелях. Двигателестроение. - 1986 - №12 - с.30-35.

20.Гаврилов В.В. Методы и средства повышения качества смесеобразования и сгорания в дизелях. Двигателестроение - 2003 - №3 - с.27-31.

21.Гийяр А., Шолла Ж.-Ж., Понтон К. Способ и установка для обеспечения кислородом высокой чистоты путем криогенной дистилляции. Патент РФ №2354902 - 2009.

22.Гладков О.А., Бернштейн Е.В., Виноградов Д.П. Характер воздействия водотопливной эмульсии на процессы сгорания топлива в дизелях. Двигателестроение - 1989 - №10 - с. 10-13.

23.Гладков. О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990 - 112с.

24.Глинка Н.Л. Общая химия. М.:Интеграл-Пресс, 2002. - 728 с.

25.Глупанов В.Н. Получение кислорода и азота адсорбционным разделением воздуха. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1991 - 46 с.

26.Гогин, А.Ф., Кивалкин Е.Ф., Богданов А.А. Судовые дизели. М.: Транспорт, 1988 - 432 с.

27. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во РУДН, 1998 - 214с.

28.Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай А.М. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики)-М.:Металлургия,1978.-112с.

29.ГОСТ 949-73 Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Рр<19,6МПа. Москва, ИПК издательство стандартов, 1995- 13с.

30.ГОСТ Р 51249-99 Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения. М.: Стандартинформ, 2006 - 38с.

31.ГОСТ Р 51250-99 Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения. М.: Стандартинформ, 2006 - 32с.

32. Громова К.И. Установки безнагревной адсорбции. Хим. пром. за рубежом. 1967 - №7 - с.60-75.

33.Гюльднер Г. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Макиз, 1928 - 864с.

34. Данилов А.М. Применение присадок в топливах. М.: Мир, 2005 - 158с.

35. Данилов А.М. Классификация присадок и добавок к топливам. Нефтепереработка и нефтехимия, 1996 - №6 - с.11-14.

36. Дюк В. Обработка данных на ПК в примерах. СПб.: Питер, 1997 - 240с.

37.Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985 - 120с.

38.Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973 - 200с.

39.Звонов В.А., Фурса В.Б., Методика расчета окислов азота в цилиндре двигателя. Двигатели внутреннего сгорания, Харьков, 1976 - №24 - с.107-109.

40. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: Изд. АН СССР, 1947 - 147с.

41.Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. Л.: Судостроение, 1989 - 256с.

42. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. М.: Химия, 1991 - 352 с.

43. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971- 784 с.

44.Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984-592 с.

45.Кириллов Н.Г. Водородное топливо для автотранспорта. Энергия, 2006 №6 - с.12-17.

46.Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. М.: Статистика, 1978.-335с.

47.Климова, Е.В. Образование вредных веществ в выбросах судовых дизелей в процессе горения топливовоздушной смеси. Вестн. АГТУ, 2010. - №2.

48.Кузнецов А.В., Егоров В.В. Проблема экологической безопасности ДВС. Двигателестроение, - №6, - с.58-60.

49. Кульчицкий А.Р. К вопросу о расчетном определении эмиссии частиц с отработавшими газами судовых дизелей. Двигателестроение, 2000, - №1, -с.31-38.

50. Кульчицкий А.Р., Коротнев А.Г. Эмиссия углеводородов с отработавшими газами судовых дизелей. Двигателестроение, 2000, - №2, - с.35-38.

51. Курников А.С. Концепция повышения экологической безопасности судна. Монография. Н.Новгород: ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2002 - 80с.

52.Курников А.С., Арефьев Н.Н., Ванцев В.В. Применение различных установок генерации кислорода в судовых условиях при создании искусственного воздушного заряда для питания судового дизеля. Вестник ВГАВТ, 2015, вып. №42 С. 59-63.

53.Курников А.С., Арефьев Н.Н., Ванцев В.В. Разработка принципиальной схемы судового генератора кислорода. Великие Реки 2015, С. 89-93

54.Курников А.С., Михеева Т.А., Арефьев Н.Н. Использование генератора кислорода в системе питания судового дизеля с целью повышения его экологичности. Вестник ВГАВТ, 2016. №47. С. 41 - 47.

55. Курников А.С., Щавелев Д.В. Комплексный подход к снижению эмиссии вредных веществ дизелями. Будущее технической науки, 2003 - с.125-126.

56.Курников А.С. Использование воды для очистки отработавших газов судовых дизелей. СИБИКО Интернешнл, 2004 - с.623-624.

57.Курников А.С. Совершенствование систем обеспечения обитаемости и повышения экологической безопасности судов на основе активированных окислительных технологий. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Н.Новгород, 2002 - 338с.

58.Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990 - 328с.

59.Леонтьев М.Я., Чижевский О.Т., Юриков И.А. Концентратор кислорода. Патент РФ №2077370 - 1997.

60.Лиханов В.А., Сайкин А.М. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Колос, 1994 - 224с.

61.Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1987-840с.

62. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия. М.: Изд-во МГУ, 1998 - 480с.

63.Лыков A.B. Тепломассообмен: (справочник), 2-е изд., перераб и доп. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

64. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 - 376с.

65. Марков В.А., Фурман В.В., Полухин Е.Е. Улучшение топливной экономичности и токсичности отработавших газов путем совершенствования системы автоматического регулирования частоты вращения. Грузовик, 2005 - №11 - с.25-30.

66.Матиевский Д.Д., Челяденков М.А. Снижение токсичности дизеля организацией межцилиндрового перепуска отработавших газов, охлажденных водой. Двигателестроение, 1983 - №7, - с.3-6.

67.Мельник Г.В. Технологии снижения выбросов и ресурсосбережения в двигателестроении. Двигателестроение, 2011 - №2, - с.45-46.

68.Новиков Л.А. Новые технологии для достижения перспективных норм вредных выбросов дизелей. Двигателестроение, 2009 - №2, - с.58-59.

69.Новиков Л.А., Борецкий Б.М., Петров А.П. Новые стандарты России на дымность и вредные выбросы судовых, тепловозных и промышленных дизелей. Двигателестроение, 1996, - №3, - с.61-63.

70. Озимов П.Л. Основные направления развития дизелестроения в России. Двигателестроение, 2004 - №1 - с.3-5.

71.Патент 160225 Российская Федерация, МПК B01D 53/047 (2006.01). Адсорбционная установка получения кислорода. Курников А.С., Арефьев Н.Н.; заявитель и патентообладатель ООО МИП «Энергосберегающие технологии» (RU). - №20151456757/05; заявл. 29.10.2015; опубл. 10.03.2016, Бюл.№7.

72.Патент 192767 Российская Федерация, МПК F02B 47/10 (2006/01), F02D 21/02 (2006/01), F02M 26/36 (2016/01), F02M 25/10 (2006/01). Система рециркуляции отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Арефьев Н.Н., Матвеев Ю.И.; заявитель и патентообладатель Арефьев Н.Н.. - №2019119292/06; заявл. 19.06.2019; опубл. 01.10.2019, Бюл. №28.

73.Панчишный, В.И. Нейтрализация оксидов азота в отработавших газах дизелей. Двигателестроение, 2005. - №5 - С.35.

74.Пономарев И.А., Русин В.Н. Энергетические установки речных судов. М.: Транспорт, 1978 - 408с.

75.Прошкин В.Н., Ефимов В.К. Аналитическая оценка количества сажи, образующейся при сгорании топлива в дизелях. Двигателестроение, 1979, -№8, - с.13-15.

76. Работа форсунки системы common rail. www.dizelist.ru/index.htm/toplivnaya-apparatura/21 -common-rail/

77. Рид Р., Праустниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Ленинград: Химия, 1982. - 592 с

78.Родионов А.И., Клушин В.Н. Торочешников И.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989 - 510с.

79. Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки судов. Том 1-3. СПб.: Изд-во РМРС - 2005.

80.Российский Речной Регистр. Правила: в 4-х томах.-2008. -1274с.

81.Руков А.Л. Исследование, создание опытного образца и проведение испытаний устройства по очистке дымовых газов от сажи и масла. Отчет по НИР. Горький: ЦКБ МРФ, 1985 - 26с.

82.Рыжов В.А. Разработка и внедрение технологий, повышающих экологическую безопасность тепловозных двигателей. Двигателестроение, 2008, - №1, - с.36-40.

83. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математическое моделирование. М.: Физматлит, 2001. - 320 с

84. Семенов Б.Н., Смайлис В.И., Быков В.Ю., Липчук В.А. Возможности сокращения выбросов окислов азота с отработавшими газами дизеля при сохранении высокой топливной экономичности. Двигателестроение, 1990 -№1, - с.3-5.

85. Серковская Г.С. О канцерогенности нефти и нефтепродуктов. Химия и технология топлив и масел, 1996 - №1 - с.39-45.

86. Сидоров А.И., Шумяцкий Ю.И. Адсорбционная осушка газов. М.: МХТИ им. Менделеева Д.И., 1972 - 280с.

87. Смайлис В.И. О связи между эффективным к.п.д. дизеля и выходом окислов азота с его отработавшими газами. Энергомашиностроение, 1976 - №8 -с.43-45.

88. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 2005 - 343 с.

89. Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981 - 616с.

90.Тимофеев В.Н., Тузов Л.В. Система приготовления водотопливных эмульсий для судовых дизелей. Двигателестроение, 2000 - №2 - с.25-26.

91.Толшин В.И., Якунчиков В.В. Режимы работы и токсичные выбросы отработавших газов судовых дизелей. М.:МГАВТ, 1999 - 192 с.

92.Тринклер Г.В. Двигателестроение за полустолетие. Л.: Речной транспорт, 1958 - 168с.

93.Угай Я. А. Общая и неорганическая химия. Москва: Высшая школа, 1997. — 527 с.

94.Ужов В.Н., Мягков Б.И. Очистка промышленных газов фильтрами. М.: Химия, 1970 - 320с.

95. Фиделис В.А. Судовые двигатели и экология. Судоходство, 2001 - №5 -с.29-30.

96.Хванг С.-Т., Каммермайер К. Мембранные процессы разделения. М.: Мир, 1981 - 464 с.

97.Чертков Я.Б., Виппер А.Б. Современные присадки к дизельным топливам. Двигателестроение, 1989 - №4 - с.32-34.

98.Чернецов, Д.А. Токсичность отработавших газов дизелей и их антропогенное воздействие. Вестн. Университета им В.И. Вернадского, 2010. -№10 - с.31.

99.Шумяцкий, Ю.И., Афанасьев Ю.И. Адсорбция: процесс с неограниченными возможностями. М.: Высшая школа, 1998.-78 с.

100. Юдашкин М.Я. Пылеулавивание и очистка газов в черной металлургии. М.: Металлургия, 1984 - 320с.

101. Янкевич Н.С., Климук А.С., Кравчук Л.С. Снижение содержания вредных примесей в отработавших газах ДВС. Двигателестроение, 2011 -№2 - с.25-32.

102. Asko Vuorinen. Fundamentals of power plants. Wartsila technical journal, 2007, №1, p.14-17.

103. Brezonick M. Cummins makes hold mark with signature engine. Diesel and Gas Turbine Worldwide, 1997 - p.43-45.

104. Chellini R. Iveco's new truck diesel. Diesel progress, 2000 - p. 112-113.

105. Douglas M. New in zeolites. Ind. Eng. Chem. Res. - 2000. - Vol. 39. - р. 2127 -2131.

106. Drioli E., Giorno L. Membrane operations. Innovative separations and transformations. Weinheim, WILEY-VCH. 2009 - 551 p.

107. First Humid Air Motor makes waves in fishing industry. Technical customer magazine of MAN Diesel. 2010, №4 - p.8.

108. Kang L. Ceramics membranes for separations and reactions. Chichester, West Sussex, John Wiley & Sons Ltd. 2007 - 306 p.

109. Ruthven D.M., Farooq S., Knaebel K.S. Pressure swing adsorption. University of New Brunswick Frederiction, NB, Canada. - VCH Publishers, Inc, 1994 - 352 p.

110. Yang R. Т. Adsorbents: fundamentals and applications. Published by John Wiley & Sons, Inc, Hoboken, New Jersey, 2003 - 410 p.