Повышение экологической безопасности дизельных установок судов выбором рациональной технологии нейтрализации оксидов азота в отработавших газах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Авдевин, Дмитрий Евгеньевич

• Авдевин, Дмитрий Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Авдевин, Дмитрий Евгеньевич

Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов.

Введение.

1.Состояние и постановка задачи исследования.

1. ]. Роль судоходства в загрязнении окружающей среды.

1.2. Анализ современных требований и технический уровень дизельных установок судов.

1.3. Современная техника и технологии нейтрализации вредных веществ.

1.3.1. Гомогенное и гетерогенное восстановление окислов азота.

1.3.2. Абсорбционные методы очистки.

1.3.3. Адсорбционные методы очистки.

1.4 Общая характеристика состояния вопроса и постановка задачи исследования.

2. Разработка методики и выбор технологии нейтрализации NOx в отработавших газах дизельных установок судов.

2.1. Разработка методики оценки и выбор наиболее рациональной технологии нейтрализации вредных выбросов дизельных установок судов.

2.2. Методика количественной оценки частных показателей.

2.2.1. Количественный состав группы экспертов.

2.2.2. Качественный отбор экспертов.

2.3. Оценка и выбор наиболее рациональной технологии нейтрализации вредных выбросов.

3. Экспериментальная установка, аппаратура, объект испытаний и методы проведения.

3.1. Объект испытаний, экспериментальная установка, и измерительная аппаратура.

3.2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований.

3.3. Формулы, применяемые при расчете.

3.4. Статистическая оценка методики проведения экспериментальных исследований.

4. Расчетно-теоретические исследования и разработка устройства для нейтрализации оксидов азота.

4.1. Анализ кинетики восстановления оксидов азота.

4.2. Расчетно-теоретические исследования физических условий работы устройства для нейтрализации оксидов азота ОГ дизелей.

4.2.1 Обоснование выбора математической модели.

4.2.2 Формулировка граничной задачи для схемы "активного сечения".

4.3 Газодинамический расчет.

4.4 Расчет количества восстановителя необходимого для нейтрализации оксидов азота дизеля 1 Ч 8,5/11.

5. Экспериментальные исследования и разработка рекомендаций по совершенствованию технологии нейтрализации оксидов азота.

5.1 Анализ влияния режимов работы дизельных установок на состав отработавших газов и ход процессов нейтрализации NOx.

5.2 Экспериментальные исследования эффективности восстановления NOx в устройстве, реализующем бескаталитическую селективную технологию нейтрализации.

5.3 Общие технические требования к судовым системам нейтрализации с предлагаемой конструкцией нейтрализатора в основе.

5.4 Оценка экологической и экономической эффективности устройства.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение экологической безопасности дизельных установок судов выбором рациональной технологии нейтрализации оксидов азота в отработавших газах»

Вопросы охраны окружающей среды постоянно находятся в центре внимания общественности, политиков и государственных органов. Требование, гарантирующие право каждого на благоприятную окружающею среду, достоверную информацию о ее состоянии, на удовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда отражены в статьях 37 п. 3 и 42 Конституции России, а также действующем законе РФ «Об охране окружающей среды». Особое внимание во всем мире при этом уделяется транспортным и промышленным дизелям, устарГовленная мощность которых уже сейчас превышает установленную мощность всех тепловых электростанций и продолжает расти из года в год. У нас в стране расширение использования стационарных дизельных установок стимулируется Законом об энергоресурсосбережении. В этой связи в условиях быстрого pocia мирового флота, оснащения судов высокофорсированными дизелями повышенной оборотности, а также изменение структуры топливного баланса в сюрону увеличения потребления тяжелых низкокачественных топлив становится особо актуальной проблема снижения загрязнения окружающей среды дизелями эксплуатирующихся судов. Это особенно актуально для регионов прилегающих к водным путям с интенсивным судоходством, где доля флота и выпадающих кислотных осадках доходит до 20 50%. К числу таких регионов можно отнести и СанктПетербург, являющейся крупным транспортным узлом. Распространение мандата комитета защиты морской среды (МЕРС) Международной морской организации (ИМО) на охрану воздушного бассейна От загрязнения его судами обострило внимание законодателей и специалистов к выбросам вредных веществ с отработавшими газами дизельных установок судов, инициировало проведение целой серии исследований.Многочисленные сообщения в периодических изданиях говорят о начале разработки и введении в различных странах национальных ограничений на работу двигателей в портах, о принятии мер, стимулирующих внедрение природоохранных технологий, о вступлении в строй новых судов, оснащенных системами комплексной нейтрализации вредных выбросов. Соответствующие исследования проводятся и в нашей стране в т.ч. и СПГУВК. Они показали, что суда смешенного река-море плавания являются выраженными источниками локального загрязнения атмосферы жилых районов, прилегающих к водным акваториям с интенсивным судоходством, портам, рейдам другим местам скопления флота. Дизельные установки этих судов, располагая значительными агрегатными мощностями, выбрасывают в атмосферу поток отработавших газов порядка 2 8 кг/с с высоты не выше 13м от уровня воды. В результате такого сочетания параметров в зоне рассеяния потока создаётся 6 1 9 кратное превышение предельно-допустимых концентраций NOv; и 1.5 1.8 кратное превышение по саже. Причем если по саже эта ситуация присуща только дизелям устаревших конструкций, по оксидам азота превышение ПДК в атмосфере жилой зоны является доминирующим во всех случаях с незначительным снижением в результате ухудшения технического состояния. Таким образом, N0 оказывает вредное воздействие на окружающую среду через разрушение озонового слоя, кислотные осадки, непосредственное локальное воздействие на человека, приводя к ухудшения здоровья. Это делает проблему снижения выбросов N0 исключительно актуальной. Известно, что исходными веществами для образования окислов азота в процессе сгорания топлива является азот и кислород. Вместе они составляют 99 всасываемого двигателем воздуха. Кислород частично используется в процессе сгорания, но остается избыточный кислород, количество которого зависит от избытка воздуха на режиме работы двигателя. Азот в процессе сгорания большей частью остается нейтральным, однако небольшой процент его окисляется с образованием различных окислов. Оксиды азота (NOx) включающие NO и NO2, образуются при горении преимущественно на внешней стороне пламени и количественно зависят главным образом от температуры и наличия в топливе соединений азота. В процессе сгорания при высоких температурах на формирование N0 влияет также время. Другими словами, чем выще температура пламени, реализующаяся в рабочем цикле в результате, например высокого давления сгорания, высокой степени сжатия, высокой скорости топливоподачи и т.д., тем больше вероятность образования N0 в больших концентрациях. По этой причине малооборотные дизели, как правило, имеют более высокое содержание NO в отработавших газах, чем высокооборотные. В силу отличительных- особенностей эксплуатации флота акватории портов и судовые фарватеры, таким образом, являются мощным стационарным источником загрязнения атмосферы городов NOx и решение проблемы снижения выбросов вредных веществ дизельными установками судов прежде всего связанно с созданием технологий снижения NOx, как для вновь создаваемых судов так и судов находящихся в эксплуатации. В соответствии с этим цель данной работы: повышение экологической безопасности дизельных установок судов выбором рациональной технологии нейтрализации оксидов азота в отработавших газах. Первые исследования технологий нейтрализации NOx, выполненные входе реализации поставленных целей, показали, что они все включают в себя восстановитель в виде раствора аммиака, катализатор, либо нагревательное устройство, при этом от комплектации системы зависит, как её эффективность, так и технико экономические паказатели. В ходе реализации поставленной задачи в первую очередь пришлось решить вопросы методологии выбора наиболее рациональной технологии. Для этой цели была разработана соответствующая методика, разработано её методическое и математическое обеспечение. Применение разработанной методики позволило выстроить известные технологии с помощью функции желательности в следующей последовательности:

1. Комплексное каталитическое восстановление 2. Селективное каталитическое восстановление 3.Селективное некаталитическое восстановление 4. Абсорбсная восстановительная 5. Абсорбсная окислительная 6. Применение ускоренных электронов 7. Сухая химосорбция 8. Адсорбция В качестве наиболее приемлемой технологии выбрано селективное некаталитическое восстановление. Второй не менее важный вопрос нашедший разрешение в данной работе это технике гигиеническая оценка ДУ, )ксплуатируюш;ихся судов, формирование требований к эффективности, предлагаемой системы. Исследования показали, что большинство двигателей, >ксплуатируюш,ихся на судах, не удовлетворяют современным требованиям i, интерес представляют технологии, обеспечивающие эффективность на уромне не ниже 30%. Соответственно встали вопросы рациональной организации технологического процесса в нейтрализаторе. Для это1 о был выполнен анализ кинетики химических процессов в выбранном устр licTse. Рассмотрены физические условия их протекания, для чего была рач|ч1ботана математическая модель, соответствующая методика и программа. Для проверки теоретических положений спроектировано и изготовлено устройство позволяющее реализовать выбранную технологию, создан экспериментальный стенд, проведены экспериментальные исследования, в ходе которых ставились и решались задачи нап|мвленные на оптимизацию конструкции опытного устройства в целом и технологии. В ходе исследований удалось установить, что в испытанном устройстве процесс восстановления начинается при тег.тературе То, 563 573 К с эффективностью 8 1 5 3 0 При температуре газа То,- 758 773 К линейной скорости И 21.30 22 м/с объёмном расходе W 36.4 37.5 эффективность достигает е 55 При этом в качестве основных параметров позволяющего повысить эффективность установлен и температура ОГ, концентрация восстановителя в камере смешения линейная скорость газа и его объёмный расход. Полученные выводы позволили сформулировать технические требования к судовым системам нейтрализации на базе представленной технологии, предложить конкретные их технические схемы, которые намерен использовать в своей работе Центр судостроения. По итогам выполненной работы на защиту выносятся следующие положения и результаты: 1. 2. 3. 4. методика оценки и выбора наиболее рациональной технологии нейтрализации, банк данныхдля практического использования. усовершенствованная технология BOCCI ановления NOx и конструкция устройства, позволяющая её реализован.. модель и методика газодинамическоо расчёта проточной части опытного устройства результаты анализа теоретических и комплексных экспериментальных исследований по повышению эффективности предлагаемой технологии. 5. Общие технические требования к судоиым системам нейтрализации с предложенной конструкцией нейтрализатора.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Авдевин, Дмитрий Евгеньевич

162 Выводы

Выполненный анализ экологических показателей эксплуатирующихся на флоте судовых дизелей, применяемых систем нейтрализации, собственных экспериментальных исследований, оценки экономической эффективности позволяет сделать следующие выводы по главе:

1. Уровень вредных выбросов и экологические качества силовых установок судов внутреннего и смешенного плавания, состоящих из главных средне-, повышенной оборотности и высокооборотнык дизелей с различными уровнями форсировки по средне эффективном} давлению решающим образом определяется заложенными в их конструкцию техническими решениями. Наиболее важными из них, определяющими вид кривой выбросов вредных веществ и в первую очередь N0* является совершенство рабочего процесса, характеризуемого коэффициентом избытка воздуха и давлением наддува на режиме номинальной мощности, частота вращения диаметр цилиндра, вид винта в составе дизельной установки, применяемой технологией нейтрализации вредных выбросов и ее аппаратного оформление.

2. При работе на установившихся режимах эксплуатации в наибольших количествах в ОГ ДУ представлены оксиды азота. Их удельные выбросы лежат в пределах 40-80 кг/т топл., в то время как выбросы окиси углерода СО и углеводородов СН не превышают соответственно 15 и 4 кг/т топл., и зависят от технического состояния двигателей и сорта применяемого топлива.

Для двигателей малых размерностей и режимов, близких к минимально устойчивым оборотам эти величины имеют тенденцию к увеличению, но в редких случаях достигают 60 и 10 кг/т топл. Соответственно.

3. Загрязнение воздушного бассейна, прилагающего к водным путям определяется вредными выбросами, соответствующими режимами работы главных двигателей 50-80% и вспомогательных 25-50% от номинальной мощности. При подходе к пристани, заправке в пролет моста двигатель работает с частотой вращения соответствующей не выше 20 % от номинальной мощности. Температура ОГ на таких режимах понижается до 230 °С в ДУ со СОД, 270 °С В ДУ с ВОД, содержание кислорода в ОГ 18-20 % соответственно, что неблагоприятно сказывается на протекании реакций окисления и восстановления в существующих системах нейтрализации. Кроме того, двигатель работает на этих режимах крайне неравномерно с высокими выбросами NОх с высокой теплома-пряженностью. Частая смена режимов, опредеj шемая условиями эксплуатации судна, не благоприятно сказывается на дозировке восстановителя в системе нейтрализации, что крайне неудовлетворительно проявляются из-за повышенного выброса аммиака, там, где он крайне нежелателен.

4. Наиболее эффективных результатов можно добиться при комплексном подходе к выбору типа ГД, выбору главной передачи, технологии нейтрализации вредных выбросов и ее элементов. Существующие технологии обладают существенными недостатками среди которых экспертами указываются:

- использование дорогостоящего сырья:

- высокая токсичность реагентов;

- большие расходы реагентов;

- обязательное наличие сложной дорогостоящей аппаратуры для дозирования восстановителя или реагентов;

5. Проведены комплексные экспериментальные исследования совместной работы дизеля 14 8.5/11 с опытным устройством для восстановления NOx бес-каталититческим способом, при его работе во всём диапазоне режимов по нагрузочной, винтовой, внешней характеристикам. Исследовано влияния концентрации восстановителя в газовом потоке, концентрации кабамида в растворе, температуры линейной и объёмной скорости газа на эффективность нейтрализации NOx в устройстве.

6. Экспериментальные исследования показали, что оптимальная концентрация карбамида должна выбирается в зависимости от режима работы двигателя, температуры ОГ, линейной и объёмной скорости газа. В опытном устройстве процесс нейтрализации NOx начинает протекать при температурах 250

300° С также как и в каталитических нейтрализаторах автомобильного типа. При этом эффективность восстановления NOx па режимах с указанными температурами не высока и составляет порядка 12-1 5%. По мере увеличения нагрузки и роста температуры отработавших газов эффективность работы устройства возрастает и при температуре отработавших газов в 500°С составляет 55%. Последнее позволяет достичь экологических показателей дизельной установки на уровне перспективных требований.

Другими важными параметрами, определяющим эффективность восстановления NOx в опытном устройстве является концентрация карбамида в восстановительной камере, скорость газового потока и реализующаяся в устройстве объемный расход газа.'В качестве параметра позволяющего управлять процессом может быть использовано соотношение скоростей потоков: рецир-кулирующего потока ОГ и эжектируемого потока восстановителя.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию опытного устройства и технические требования к системам нейтрализации судов внутреннего и смешенного плавания в целом. Выполнена оценка экономической целесообразности предлагаемых решений.

165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного анализа, методических, теоретических и экспериментальных исследований проблемы получены следующие результаты и сделаны выводы.

1. Разработана методика оценки и выбора наиболее приемлемых технологических схем нейтрализации вредных выбросов с отработавшими газами дизельных установок судов, установлены допустимые пределы эффективности разрабатываемых систем, создан банк данных по существующим технологиям, разработана методика использования экспертных оценок при решении рассматриваемых инженерных задач, обоснован выбор технологий нейтрализации выбросов NOx наиболее приемлемых с точки зрения функционирования флота.

2. Разработана конструкция опытного устройства для ступени нейтрализации выбросов NOx на базе селективной бескаталитической технологии их восстановления, в ходе работы над которой:

- Исследована кинетика восстановления оксидов азота, обоснован выбор в качестве восстановителя карбамида, выполнен расчет необходимого количества карбамида для восстановления оксидов азота на различных режимах работы дизеля с учетом состава и температуры отработавших газов.

Разработана математическая модель течения газа внутри нейтрализатора, позволяющая получить качественное представление о сути физических явлений, сопровождающих процесс течения газа внутри опытного устройства.

Разработано программное обеспечение модели позволяющее осуществлять целенаправленный выбор конструктивных элементов разрабатываемого устройства.

- Выполнены расчетные исследования физических условий протекания реакций восстановления оксидов азота внутри опытного устройства, рассчитаны значения коэффициента эжекции предлагаемого нейтрализатора.

3. Выполнен анализ экологических показателей эксплуатирующихся на флоте судовых дизелей и параметров их отработавших газов, проведены экспериментальные исследования опытного устройства, позволившие установить:

- При работе на установившихся режимах эксплуатации в наибольших количествах в ОГ ДУ представлены оксиды азота, уровень выбросов которых определяется техническими решениями, заложенными в их конструкцию. Наибольшее загрязнение воздушного бассейна, прилагающего к водным путям, осуществляется вредными выбросами, соответствующими режимами работы главных двигателей 50-80% и вспомогательных 25-50% от номинальной мощности при температурах отработавших газов в 1 50-400°С.

- В опытном устройстве процесс нейтрализации NOx начинает протекать при температурах 250-300°С также как и в каталитических нейтрализаторах автомобильного типа. Эффективность восстановления NOx на режимах с указанными температурами не высока и составляет порядка 1215%. По мере увеличения нагрузки и роста температуры отработавших газов эффективность работы устройства возрастает и при температуре отработавших газов в 500° С составляет 55%.

- Оптимальная концентрация карбамида в растворе, подаваемом для восстановления NOx должна выбирается в зависимости от режима работы двигателя, температуры ОГ. Другими важными параметрами, определяющим эффективность восстановления NOx в опытном устройстве установлены концентрация карбамида в восстановительной камере, скорость газового потока и реализующийся в устройстве объемный расход газа.

В качестве параметра позволяющего управлять процессом рекомендовано также использовать соотношение скоростей потоков: рециркулирующего потока ОГ и эжектируемого потока восстановителя.

4. Разработаны технические требования к системам нейтрализации судов внутреннего и смешенного плавания, а именно:

- общие технические требования к техническим средствам и технологиям для нейтрализации вредных выбросов в атмосферу от судов.

- рекомендации по совершенствованию опытного устройства, как ступени для восстановления NOn.

5. Выполнена оценка экономической целесообразности предлагаемых решений на примере судна пр. 1565 при его работе в течение навигации, показавшая что предлагаемая модернизация позволяет достичь экологических показателей дизельной установки на уровне перспективных требований при одновременном снижении издержек в виде экологических платежей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Авдевин, Дмитрий Евгеньевич, 2003 год

1. Адлер Ю.П., Марков Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.279с

2. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М. Мир, 1990, в 2-х т.;

3. Артемонова Е.Н., Шумяцкий Ю.И., Костриков В.И., Таканова Е.А. Рук. деп. В ВИНИТИ. 1985. №7121-В. 85. 12 с.

4. Атрощенко В.И. и др. Курс технологии связанного азота. Химия. М., 1968

5. Бабкин В. И. и др. Струи и несущие поверхности. Моделирование на ЭВМ., М., Наука, 1989, 208 с.

6. Башелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспериментальных оценок. М., Статистика, 1974.

7. Белоцерковский С. М., Ништ М. И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью., М., Наука, 1978, 352 с.

8. Белоцерковский С. М. и др. Математическое моделирование плоскопараллельного отрывного обтекания тел., М., Наука, 1988, 232 с.

9. Белоцерковский С. М., Гиневский А. С., Моделирование турбулентных струй и следов на основе метода дискретных вихрей., М., Физико-Математическая литература, 1995, 367 с.

10. Берж К. Теория графов и её применения. М., ИЛ,1962.

11. Бистронь С., Вилькош К,- Защита атмосферы. Дрезден: ГДР, 1984, №1 ,с. 79-84.

12. Бистронь С., Вилькош К,- Защита атмосферы. Дрезден: ГДР, 1984, № 1, с. 85-90.

13. Бистронь С., Дзехчарчик Б.-Защита атмосферы. Дрезден: ГДР, 1987, № 2, с. 176-179.

14. Бистронь С., Яницки В.-Защита атмосферы. Дрезден: ГДР, 1984, № 1, с. 91-99.

15. Блюмберг В.А., Глущенко В.Ф. Какое решение лучше. Метод расстановки приоритетов. Л.: Лениздат, 1982,- 160с.

16. Борщ и др. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС, М., 1985, с. 25-27.

17. Бристонь С.- Защита атмосферы: ГДР, 1986, № 2, с. 122-125.

18. Вопросы кибернетики. Численный эксперимент в прикладной аэрогидродинамике. // Под ред. С. М. Белоцерковского, М. 1986.

19. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М. Наука, 1964, 870 с.

20. Гоман О. Г. и др. Численное моделирование осесимметичных отрывных течений несжимаемой жидкости. М., Машиностроение, 1993, 288 с.

21. Гладков С.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990, 180с

22. Данщиков В.В. Совершенствование процессов получения и сжигания эмульгированного дизельного топлива в высокооборотных дизелях. Автореферат дисс. конд. техн. наук Л., 1992, - 18(19)с

23. Димов В., Крыстев И., Аценова Л., Вергиев Д.-Защита атмофры. Дрезден: ГДР, 1984, № 1, с. 107-1 1 1.

24. Димов В., Крыстев И., Аценова Л., Вергиев Д.-Защита атмосры. Дрезден: ГДР, 1984, № 1,с. 100-107.

25. Евланов Л.Г., Кутузов В.А. Экспертные оценки в управлении. М., Экономика, 1978.

26. Ершов А.И., Рабко А.Е., Голдар А.П. Тез. Док. Всесоюзн. научн. техн. семинар «Применение аппаратов «мокрого»типа для очистки отходящих газов от твердых и газообразных вредных примесей », ВДНХ СССР. -М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985, с. 71.

27. Жабо В.В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1992, 240с

28. Зайков В. И. Вихревая схема комплекса винт-насадка при реверсе. Тр. ЛИВТа вып. 113, "Теория, проектирование и техническая эксплуатация речного флота" Л. 1968, с. 92 — 103.

29. Заявка 3538272 ФРГ, заявл. 28.10.85, № Р3538272.4, Опубл. 20.04.87 МКИ В 01 Д 53/34.

30. Заявка 3541824 ФРГ, заявл. 08.11.85, № Р3541 824.9, Опубл. 04.06.87 МКИ В 01 Д 53/34.

31. Заявка 36008315 ФРГ, заявл. 13.03.8, № Р3608315.1, Опубл. 1 1.06.87 МКИ В 01 Д 53734.

32. Заявка 3522170 ФРГ, заявл. 21.06.85, № Р35322170.4, Опубл. 11.06.87 МКИ В 01 Д 53/34.

33. Иванченко А.А. Комплексное снижение вредных выбросов дизельными установками судов речного флота. Дисс.докт. техн. наук. Л., 1999, 429 с.

34. Иванченко А.А. Обоснование выбора комплекса методов снижения дымности судовых дизелей. Автореферат дисс. канд. техн. наук Л., 1984.

35. Иванченко А.А., Тузов Л.В., Ганчурин В.А. Загрязнение воздушного бассейна в местах скопления флота отработавшими газами судовых дизельных установок. / Сб. научных трудов СПГУВК. 1996. с. 226-259.

36. Иванченко И.И., Красовский О.Г., Соколов С.С. Высокий наддув дизелей. Л.: Машиностроение, 1983, с. 195.

37. Ильченко А.Ф., Кучма М.И. Физико-химические методы обработки стоков и газовых выбрасов.- Межвузовский сб. СЗПИ. Ленинград Вологда. 1985, с. 28-33.

38. Инструкция по безопасному применению самоходного (нерельсового) оборудования в подземных рудниках. М., Минцветмет., 1972, 46 с.39.