автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Метод повышения эффективности некаталитической очистки отработавших газов судовых дизелей от оксидов азота с использованием карбамида

0034Э259 1

На правах рук<

■ 11

ОКУНЕВ Василий Николаевич

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРБАМИДА

Специальность 05.08.05 - «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2009

003492591

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

ИВАНЧЕНКО Александр Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЛОЖКИН Владимир Николаевич

кандидат технических наук АВДЕВИН Дмитрий Евгеньевич

Ведущая организация: Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова

Защита состоится 22 декабря 2009 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций» по адресу: 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд. 235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Автореферат разослан

2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009.04 доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Задачи обеспечения охраны окружающей природной среды в последние два десятилетия выдвинулись в число важнейших, которые необходимо решить человечеству.

Особое внимание мировой общественностью уделяется проблеме предотвращения загрязнения атмосферного воздуха. Охрана его от вредного воздействия различных факторов регламентируется Конституцией Российской Федерации (РФ) и Федеральным законом «Об охране атмосферного воздуха» от 4 мая 1999 г. № 96-ФЗ.

Основную роль в загрязнении воздушного бассейна транспортным флотом играют выбросы вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) главных и вспомогательных двигателей, в качестве которых в подавляющем большинстве используются дизели.

Экологические характеристики дизельных двигателей определяются главным образом содержанием в продуктах сгорания оксидов азота NOx, которые по индексу токсичности значительно превосходят другие вредные компоненты ОГ.

Выбросы оксидов азота с ОГ судовых дизелей в нашей стране регламентируются ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения», отвечающим в части касающейся выбросов оксидов азота требованиям Правила 13 Приложения VI к Международной конвенции MARPOL 73/78 «Предотвращение загрязнения воздушного бассейна с судов» (далее Приложение VI).

Несмотря на то, что Приложение VI вступило в силу в мае 2005 г., на 2011 г. планами Международной морской организации IMO (далее IMO) предусмотрено дальнейшее ужесточение действующих норм выбросов оксидов азота на 20 % (уровень Tier II), а с 2016 г. запланировано ужесточение норм в зонах контроля эмиссии оксидов азота (NOx Emission Control Area — NECA) на 80 % (уровень Tier III). При этом IMO планирует включить Балтийское море в зону контроля эмиссии оксидов азота NECA, что потребует принятия незамедлительных мер по обеспечению новых требований.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена необходимостью обеспечения действующего природоохранного законодательства в отношении выбросов оксидов азота Nfíx с отработавшими газами судовых дизелей.

Цель работы. Разработка метода повышения эффективности технологии селективного некаталитического восстановления оксидов азота (СНКВ-технологии) при ее реализации в судовых системах нейтрализации вредных выбросов.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ апробированных на практике методов реализации СНКВ-технологии при ее использовании в системах нейтрализации вредных выбросов энергетических установок (ЭУ);

2. Разработать математическую модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора;

3. Провести расчетно-теоретические исследования условий восстановления оксидов азота при реализации СНКВ-технологии;

4. Создать опытный СНКВ-нейтрализатор, позволяющий проводить экспериментальные исследования условий восстановления NOx\

5. Провести экспериментальную проверку предлагаемого метода повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале ОГ;

6. Разработать рекомендации по проектированию судовых систем нейтрализации вредных выбросов;

7. Провести оценку экономического эффекта внедрения предлагаемых мероприятий, обусловленного предотвращением экономического ущерба, причиняемого выбросами оксидов азота с ОГ судовых дизельных установок.

Объект исследований. Судовые главные и вспомогательные двигатели, а также системы и устройства, обеспечивающие экологическую безопасность их функционирования.

Предмет исследований. Процессы, протекающие в системе нейтрализации оксидов азота в ОГ судовых главных и вспомогательных дизельных установок.

Методологической основой и теоретической базой являются отечественные и зарубежные исследования в области селективной некаталитической очистки ОГ ЭУ от оксидов азота, основные положения термодинамики, теории ДВС, методы теории планирования экспериментов, математической статистики и моделирования, пакеты прикладных программ Excel-7, Statistika-6, Mathcad 13.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечены многоэтапным рассмотрением проблемы, применением известных методов системного и логического анализа и синтеза, общепризнанного математического инструментария, а также подтверждены результатами проведенных экспериментальных исследований.

Научная новизна исследования заключается в следующих результатах, выносимых автором на защиту:

1. Метод повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале отработавших газов;

2. Математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора;

3. Впервые полученные экспериментальные результаты по работе опытного устройства некаталитической нейтрализации оксидов азота с вводом восстановителя в виде парогазовой смеси;

4. Общие технические требования к судовым системам нейтрализации, реализующим СНКВ-технологию с вводом восстановителя в виде парогазовой смеси.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цель и задачи исследований, разработан метод повышения эффективности СНКВ-технологии, разработаны математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота и методики проведения экспериментальных исследований, создана экспериментальная установка, проведены расчетные и экспериментальные исследования условий восстановления оксидов азота в СНКВ-нейтрализаторе, выполнены анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы заключается в получении экспериментальных результатов и теоретических наработок, способствующих решению задач проектирования и повышения эффективности судовых систем нейтрализации оксидов азота, которые могут быть использованы судоходными компаниями, эксплуатирующими суда морского, речного и рыбопромыслового флота, а так же проектными и научными организациями, работающими над созданием энергетических установок новых судов. Разработанный новый метод повышения эффективности селективного некаталитического восстановления оксидов азота, предусматривающий использование в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида позволяет повысить эффективность процесса очистки в расширенном температурном интервале ОГ. Предложенные в диссертационной работе технологические разработки могут иметь существенное значение для экономики страны, обусловленное предотвращением экономического ущерба, причиняемого выбросами вредных веществ с ОГ судовых дизельных установок.

Реализация результатов работы. Результаты анализа, выполненного автором, выводы и рекомендации нашли практическое применение при выполнении научно-исследовательской работы по заказу Российского морского регистра судоходства «Разработка методов контроля и освидетельствования устройств по снижению выбросов окислов серы (БОх) судовых энергетических установок», в учебном процессе в ходе курсового и дипломного проектирования студентов, обучающихся по специальностям 180103.65 «Судовые энергетические установки» и 180403.65 «Эксплуатация судовых энергетических установок».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и

семинарах, в том числе международных, а именно: на 1-м Международном научно-техническом семинаре СПГУВК «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на Научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК (Санкт-Петербург, 2006 г.), на 2-м Международном научно-техническом семинаре СПГУВК «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС», приуроченном к 100-летию со дня рождения З.А. Хандова (Санкт-Петербург,

2008 г.), на Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный транспорт России: история и современность» (Санкт-Петербург,

2009 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 112 отечественных и зарубежных работ, и двух приложений. Включает в себя 195 страниц текста, в том числе 40 рисунков, 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрена роль водного транспорта в загрязнении воздушного бассейна, проведен анализ современных требований к экологическим показателям судовых дизельных установок, представлена общая характеристика парка судовых дизелей, выполнен анализ современных и перспективных технологий очистки ОГ дизелей от оксидов азота.

На необходимость контроля и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу направлены Закон «Об охране атмосферного воздуха», Закон «О техническом регулировании» и Постановление Правительства РФ № 83 от 06.02.2002 г. «О проведении регулярных проверок транспортных и иных передвижных средств на соответствие техническим нормативам выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух», обязывающие судовладельцев обеспечивать нормативные показатели, характеризующие экологические качества судовых дизелей.

В свете предстоящего ужесточения норм общепризнано, что решение проблемы предотвращения загрязнения воздушного бассейна выбросами оксидов азота ИОх с ОГ судовых дизельных установок (ДУ) связано, прежде

всего, с созданием высокоэффективных технологий нейтрализации ЫОх на выпуске из ДУ, и это в полной мере относится как к строящимся судам, так и к судам, находящимся в эксплуатации.

В мировой практике для сокращения выбросов ЫОх с ОГ энергетических установок СНКВ-технология является второй по распространенности после селективного каталитического восстановления. Отличительной особенностью указанной технологии является способность к избирательному взаимодействию с ИОх и высокая эффективность очистки газов (порядка 80 - 90 %).

В то же время указанная технология обладает существенным недостатком, который ограничивает область ее применения на транспорте, а именно - эффективная очистка ОГ в реализованных на практике установках нейтрализации NО'х обеспечивается в относительно узком температурном интервале 900 - 1200 °С. К тому же наиболее часто используемым восстановителем является аммиак токсичность, пожаро- и

взрывоопасность которого требует принятия специальных мер при его хранении и транспортировке к реактору нейтрализатора.

Вследствие того, что температура ОГ в системе газовыпуска судовых дизелей находится, как правило, в пределах 300 - 700 °С, успешная реализация СНКВ-технологии в судовых системах нейтрализации требует разработки определенных технологических методов, позволяющих сдвинуть нижнюю границу температурного интервала технологии до 300 °С, либо установки специальных устройств для нагревания ОГ.

Проведенный анализ специальной литературы, посвященной вопросам реализации СНКВ-технологии на ТЭС и промышленных объектах показал, что принципиальная возможность сдвига нижней границы температурного интервала технологии существует, и в первую очередь она связана с видом и способом подачи применяемого восстановителя.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу методов повышения эффективности СНКВ-технологии, позволяющих применять рассматриваемую технологию в судовых системах нейтрализации. Рассмотрены основные положения современной теории селективной некаталитической очистки ОГ ЭУ от оксидов азота.

Разработана математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора, позволяющая без проведения натурного эксперимента изучать влияние различных факторов на эффективность протекания процессов восстановления NОх. Кроме того, сформулированы требования к оптимальным условиям протекания физических и химических процессов в реакторе СНКВ-нейтрализатора.

Анализ работ Ходакова Ю.С., Кулиш О.Н., Саповой Т.Ю., Фенимора К., Боумана Б., Лайона Р., посвященных вопросам СНКВ-очистки ОГ от оксидов азота показал, что основным направлением работ по

совершенствованию СНКВ-процесса до последнего времени являлась оптимизация качества раздачи восстановителя, а также разрабатывались методы, позволяющие расширить температурное «окно» процесса. К этим методам можно отнести:

- введение в реакционную зону наряду с восстановителем (аммиаком, карбамидом) других реагентов (инициаторов), позволяющих существенно расширить температурные пределы процесса и повысить эффективность СНКВ-очистки;

— рециркуляция части очищенных в СНКВ-реакторе ОГ (содержащих в своем составе активные радикалы) в начало реакционного процесса, что увеличивает скорость протекания реакций восстановления ИОх в реакторе и снижает проскок восстановителя.

Оба указанных метода позволяют сместить нижнюю границу температурного «окна» процесса до 300 °С, и таким образом обеспечить возможность применения СНКВ-технологии в системах нейтрализации вредных выбросов судовых дизелей. При этом недостатком первого метода является потребность в дополнительных эксплуатационных издержках на приобретение расходных материалов - инициаторов восстановления NОх. Второй метод не требует применения дополнительных реагентов и относительно прост в конструктивном исполнении, однако сведения о его эффективности при реализации с использованием в качестве восстановителя карбамида носят противоречивый характер. Руководствуясь принципами минимизации экологической опасности и стремлением к снижению эксплуатационных издержек, в качестве восстановителя в судовой системе нейтрализации, реализующей СНКВ-технологию, принято решение использовать карбамид СО(ЫН2)2, подверженный термодеструкции.

С целью аналитической проверки возможности проведения СНКВ-очистки при температурах ОГ в пределах 300 — 700 °С была разработана вычислительная модель для исследования условий протекания селективного некаталитического восстановления оксида азота МО в реакторе нейтрализатора. В основу разработанной модели положено описание химического состава ОГ в течение всего времени их нахождения в реакторе нейтрализатора. В этом плане подходы к описанию химических процессов позаимствованы из математической модели процесса образования вредных веществ при сгорании углеводородных топлив ЦНИДИ - ИФ АН Лит. ССР, разработанной В.Смайлисом и Э. Нашленасом.

Сущность разработанной модели заключается в рассмотрении кинетики химических реакций компонентов ОГ в реакторе с участием аммиака, являющегося продуктом термодеструкции и гидролиза карбамида. Изменяя определенным образом исходные данные для модели, например, параметры начального состояния, количество и химический состав ОГ, модельный процесс можно приблизить к реально протекающему в реакторе нейтрализатора. Благодаря этому стало возможным исследовать влияние

различных факторов на эффективность восстановления N0, не прибегая к проведению натурного эксперимента.

Расчет химического состава ОГ на выходе из реактора нейтрализатора проводился путем решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), составленных из соответствующих уравнений химической кинетики. В целях упрощения модели, из множества возможных химических реакций, протекающих при СНКВ-очистке, были выбраны две следующие элементарные реакции:

Л7/3 + Ог -> ЛУ/2 + НОг, (1)

Л'Я2 + КО -> Л'2 + НгО. (2)

Выбор указанных реакций сделан с учетом того, что на практике слишком большое число элементарных реакций усложняет математическое описание процесса, затрудняет проведение расчетов и не приводит к повышению их надежности из-за недостаточной точности определения кинетических констант для большинства элементарных реакций. Поэтому было принято решение пойти по пути сокращения числа элементарных реакций, исключив быстрые стадии, не лимитирующие высокотемпературный СНКВ-процесс.

Система дифференциальных уравнений для определения количества химических компонентов была составлена на основе закона действующих масс:

= , о)

1=1,2

где V) — количество моль у-то го вещества;

IV,— скорость /'-той реакции;

V - объем реактора;

М - полное число молей;

о, - коэффициенты.

Скорости химических реакций рассчитывали по формуле:

, (4)

где — константы скорости в г-той реакции;

/-„ — индексы компонентов, участвующих в /-той реакции;

£/, - показатель порядка /'-той реакции.

Константы скоростей химических реакций определялись по формуле:

к,=АгТ*-е~£ , (5)

где Ai — предэкспоненциальный множитель;

Е, - энергия активации; К - универсальная газовая постоянная; Г-температура ОГ; щ - показатель степени множителя Т.

Учитывая, что составленная система ОДУ оказалась жесткой, решение ее проводилось с использованием встроенной функции математического пакета МаЛсас! 13, реализующей метод Булирша-Штера. В основе этого метода лежит численное приближение решения на промежутке [х; х+Н] методом рациональной экстраполяции. Серия значений, полученных на интервале интегрирования, экстраполируется в конечной точке интервала к истинному решению полиномом, приближающим функцию.

Выполненные теоретические и расчетные исследования условий восстановления 1УОх при СНКВ-очистке показали, что задачи, решаемые применением катализаторов в каталитических системах нейтрализации, можно решить, подавая в реактор нейтрализатора (зону реакции) определенное количество радикалов, ускоряющих процесс восстановления МОх. Обеспечивается это за счет возврата части ОГ, содержащих в своем составе активные радикалы {ОН, и др.) в начало реакционного процесса с использованием эффекта эжекции.

Механизм реакций, приводящих к очистке ОГ от оксидов азота ИОх при использовании в качестве восстановителя карбамида С О (N1-1 2) 2 достаточно сложен, и с определенными допущениями описан нами путем учета следующих реакций термолиза и гидролиза карбамида, а так же реакции гидролиза изоциановой кислоты:

СО{МИ2)2 = Л7/3 + ИМСО , (6)

СО{тг\ + НгО = 2Л'Я, + С02 , (7)

тсо+н2о -» л'я3 +со2. (8)

В присутствии кислорода при температуре более 130 °С карбамид начинает разлагаться на аминные составляющие (аммиак МНз, изоциановая кислота 1ШСО), которые в дальнейшем участвуют в восстановлении ЫОх согласно схеме, представленной на рис. 1.

При этом необходимо учитывать, что практически все существующие механизмы процесса восстановления МОх сходятся в одном - процесс восстановления оксидов азота ЫОх аммиаком ННз и изоциановой кислотой ШСО протекает по радикальному механизму в результате взаимодействия ИОх с радикалом Л7/2 и ОН.

CO(NHJi

I NO

H I

<------------- M¡0

при СНКВ-процессе с использованием карбамида

Согласно имеющимся теоретическим наработкам в области СНКВ-очистки, восстановление NOx осуществляется при взаимодействии с аммиаком и изоциановой кислотой по следующим реакциям:

6NO + 4Л7/3 = 5Лгг + 6Н20, (9)

4М? + 2 Л'Я, + 02 = 3W20 + ЗЯ 20, (10)

2JV02 + 4JVff 3 + 02 -> ЗЛ^ + 6Н20, (11)

ANO + АЫНЪ +02=4N2+ 6Н20 , (12)

ANO+4HNCO +02= 4Л'3 + 4С02 +2НгО . (13)

Для оценки соотношения и карбамида в технологических расчетах может быть использована брутто-реакция:

бЛ'О г 2C0(NH2)2 = 5Л'2 + 2СОг + 4Н20 . (14)

Выполненные расчетные исследования показали, что высокотемпературная СНКВ-технология в сочетании с определенными технологическими методами повышения ее эффективности может быть приспособлена для реализации в судовой системе нейтрализации вредных выбросов, и вполне может конкурировать по степени очистки газов с распространенной СКВ-технологией.

В третьей главе приводится описание экспериментальной установки, применяемой аппаратуры, методики проведения экспериментальных исследований, проводится анализ погрешностей измерений.

Экспериментальная установка представляет собой комплекс оборудования, систем и устройств, который включает в себя дизель 14 8,5/11 с фланцевым дисковым лопастным гидротормозом и измерительной головкой, контрольно-измерительные и регистрирующие приборы. На газовыпускном тракте дизеля установлен нейтрализатор оксидов азота NOx совмещенный с ресивером ОГ.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.

N0 | Рис. 1. Схема реакций

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки на базе дизеля 1Ч 8,5/11

1 - расходный бак дизельного топлива; 2 - расходомер; 3 — гидротормоз;

4 - холодильник системы охлаждения гидротормоза;

5 - холодильник системы охлаждения двигателя; 6 - ТНВД;

7 - расширительный бачок охл.воды; 8 - датчик температуры охл.воды

9 - датчик температуры масла; 10 - газоотборный зонд дымомера;

11,15- газоотборный зонд газоанализаторов; 12 - нейтрализатор; 13 - ресивер;

14 - датчик температуры ОГ; 16 - стенд пробоподготовки;

17 - датчик тахометра; 18 - тахометр; 19 - охладитель ОГ; 20 -дымомер;

21 - газоанализатор.

В качестве восстановителя для проведения экспериментальных исследований был выбран гранулированный твердый карбамид СО(МН2)2 (ГОСТ 2081-92). В целях упрощения технологической схемы подачи карбамида использовался его водный раствор заданной концентрации. Водный раствор карбамида готовился в специальной емкости и по каналу подачи подводился к СНКВ-нейтрализатору.

Принципиальная схема предлагаемого нейтрализатора представлена на рис. 3.

Водный раствор карбамида подавался в реактор по спиральной трубке 2, помещенной в ресивер ОГ 1. Подача осуществлялась с помощью специального дозатора 7, обеспечивающего расход 1 г/мин и выше. В спирали, за счет тепла ОГ, раствор подогревался до температуры парообразования, и образовавшаяся парогазовая смесь, содержащая наряду с водяным паром, продукты термического разложения и гидролиза карбамида, распылялась в смесителе 4.

I

Рис. 3. Принципиальная схема нейтрализатора оксидов азота 1 - ресивер ОГ; 2 - трубка-испаритель; 3 - входной патрубок; 4 - смеситель; 5 - обтекатель; 6 - СНКВ-реактор; 7 - дозатор

В реакторе парогазовая смесь, смешиваясь с ОГ, претерпевала дальнейшие структурные изменения, а при температуре более 170 "С параллельно протекало некаталитическое восстановление ИОх.

Эффективность восстановления N0 (Е, %) рассчитывалась по формуле:

5 (15)

СцОвх

где СковЫх — концентрация N0 на выходе из нейтрализатора, ррт;

Сжвх - концентрация N0 на входе в нейтрализатор, ррт.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям методов повышения эффективности СНКВ-технологии.

Основной целью проводимых экспериментальных исследований является проверка работоспособности предлагаемого метода повышения эффективности СНКВ-технологии, заключающегося в возврате части ОГ, содержащих в своем составе активные радикалы, в начало реакционного процесса и подаче восстановителя в реакционную зону в виде парогазовой смеси, что обеспечивает протекание гомогенного процесса восстановления МОх продуктами термодеструкции и гидролиза карбамида. Для осуществления подачи восстановителя в виде парогазовой смеси было разработано специальное устройство, работающее за счет тепла ОГ, и представляющее собой спиральную трубку, помещенную в ресивер ОГ.

Температура ОГ в ресивере менялась в зависимости от нагрузки на двигатель в пределах 170 - 520 °С, что обеспечивало необходимую температуру для термодеструкции карбамида.

Исследования температурных зависимостей эффективности процесса нейтрализации показали, что реакции восстановления ИОх продуктами термодеструкции карбамида начинают протекать при температуре ОГ выше 170 °С. При прямой подаче водного раствора карбамида без термодеструкции

процессы восстановления начинают протекать при температуре ОГ выше 250 °С. Эффективность процессов восстановления при указанных температурах в обоих случаях не высока, и, как правило, не превышает 10 %.

Таким образом, подача в реактор нейтрализатора в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида позволяет не только повысить эффективность очистки, но и снизить температуру начала реакций восстановления на 80 °С, что особенно важно при работе ДУ на долевых режимах работы, когда температура ОГ не высока.

При увеличении нагрузки на двигатель эффективность процессов нейтрализации повышается, что обусловлено, в первую очередь, повышением температуры ОГ. Максимальная эффективность восстановления А'Ох достигнута на уровне 75 % и имеет место при работе двигателя на режиме с температурой ОГ 480 °С и скоростью подачи восстановителя 6 г/мин.

На рис. 4 и 5 представлены зависимости эффективности очистки ОГ от условий подачи восстановителя и температуры ОГ при работе двигателя соответственно по винтовой и нагрузочной характеристикам.

80

г

о -......4 ...........;.......................................................................................

150 200 250 300 350 400 450 500 550

■ Е. % (продукты термодеструкции карбамида)

— Е, % (водный раствор карбамида)

ТОТ, С

Рис. 4 Зависимость эффективности очистки от условий подачи восстановителя и температуры ОГ (винтовая характеристика)

80

— ♦■» Е, % (водный раствор карбамида)

■ Е, % (продукты термодеструкции карбамида)

0 ..'--У

200 250 300 350 400 450 500

Тог, С

Рис. 5 Зависимость эффективности очистки от условий подачи восстановителя и температуры ОГ (нагрузочная характеристика)

На рис. 5 и 6 представлены зависимости степени восстановления N0 от скорости подачи восстановителя при работе двигателя по винтовой и нагрузочной характеристикам.

СКО, ррт (без нейтрализатора)

- СЫО, ррт (водный раствор карбамида)

• СШ, ррт (продукты термодеструкции карбамида)

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Карбамид, г/мин

Рис. 5 Зависимость степени восстановления Л'О от скорости подачи восстановителя при 100 % нагрузке (винтовая характеристика)

450 400 350 300 250 200 150 100 50

СМО, ррт (без нейтрализатора)

- СЫО, ррт (водный раствор карбамида)

• СШ, ррт (продукты термодеструкции карбамида)

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Карбамид г/мин

Рис. 6 Зависимость степени восстановления N0 от скорости подачи восстановителя при 100 % нагрузке (нагрузочная характеристика)

Проведенные экспериментальные исследования показали, что максимальная эффективность восстановления ИОх достигается при соотношении раствора карбамид/вода равном 1/5, и коэффициенте избытка карбамида /?=1,0 -1,25.

Таким образом, результаты выполненных экспериментальных исследований условий восстановления оксидов азота ЖЛ в ОГ дизеля 1 Ч 8,5/11 при его работе по нагрузочной и винтовой характеристикам подтверждают механизм восстановления ЫОх, согласно которому рециркуляция ОГ с активными радикалами в реакторе нейтрализатора и использование в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида повышают степень восстановления А'Ох за счет организации многоступенчатого гомогенного процесса нейтрализации и увеличения скорости протекания реакций восстановления.

Пятая глава посвящена разработке общих технических требований к судовым системам нейтрализации, выполнен анализ требований к газоотборному зонду и газоанализаторам. С учетом накопленного опыта проектирования и изготовления систем нейтрализации вредных выбросов с ОГ различных ЭУ, разработаны общие рекомендации по конструкции

судовых систем нейтрализации, выполнена оценка экономической эффективности применения такого рода систем на судах речного флота.

Что касается возможностей дальнейшего совершенствования СНКВ-технологии при ее реализации в судовых системах нейтрализации, то оно возможно при использовании устройств, позволяющих повысить и стабилизировать температуру ОГ (например, тепловых аккумуляторов фазового перехода), улучшить качество смешения восстановителя с ОГ в реакторе нейтрализатора, а также систем регулирования подачи восстановителя в зависимости от нагрузки ДУ.

Проведенная оценка экономической эффективности применения предложенного СНКВ-нейтрализатора, на примере судна проекта 1565 за навигацию показывает, что применением предлагаемого устройства позволяет снизить выбросы оксидов азота №Ох на различных участках движения теплохода на 20 - 75 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ существующих технологий очистки ОГ энергетических установок, позволивший установить, что технология селективного некаталитического восстановления оксидов азота по распространенности в мировой практике является второй после СКВ-технологии, и имеются отдельные результаты, позволяющие предположить возможность ее использования в судовых энергетических установках.

2. На основании анализа основных положений современной теории селективной некаталитической очистки ОГ разработана математическая модель, позволяющая проводить расчетные исследования условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора.

3. Выполнены расчетно-теоретические исследования условий восстановления оксидов азота при реализации СНКВ-технологии и анализ данных по ее практическому применению, которые показали возможность обеспечения протекания реакций восстановления в реакторе СНКВ-нейтрализатора при температуре ниже 900 °С путем возврата части ОГ с активными радикалами в начало реакционной зоны и применения в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида. На основании полученных результатов разработан метод повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале отработавших газов.

4. Разработан опытный СНКВ-нейтрализатор, позволяющий обеспечивать возврат газов с активными радикалами в начало реакционной зоны и термодеструкцию карбамида.

5. Проведены экспериментальные исследования возможности повышения эффективности опытного СНКВ-нейтрализатора, которые показали, что реакции восстановления оксидов азота продуктами

термодеструкции и гидролиза карбамида в нейтрализаторе начинают протекать при температуре 170 °С, обеспечивая эффективность на уровне 10 %. При увеличении нагрузки на двигатель эффективность процессов нейтрализации повышается и достигает 75 % при работе двигателя на режиме с температурой ОГ на уровне 480 °С со скоростью подачи водного раствора карбамида 6 г/мин.

6. Разработаны общие технические требования к судовым системам нейтрализации вредных выбросов с ОГ, разработаны рекомендации по конструкции нейтрализаторов на базе СНКВ-технологии для использования в судовых условиях.

7. Выполнена оценка экономической эффективности применения разработанного нейтрализатора NOx на примере судна проекта 1565 (Волго-дон), эксплуатируемого в течение навигации, показавшая, что применение предлагаемой системы позволяет достичь экологических показателей дизельной установки на уровне перспективных требований при одновременном снижении издержек в виде экологических платежей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванченко A.A., Окунев В.Н., Тамбовский Ю.В. «Проблемы и пути обеспечения экологической безопасности судов» // Речной транспорт (XXI век). 2009. № 5, - с. 75 - 78 (издание, рекомендованное ВАК).

2. Иванченко A.A., Окунев В.Н. «Современные законодательные предпосылки применения малотоксичных дизельных установок и систем нейтрализации вредных выбросов на флоте». Труды научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК 1 -7 июня 2006 г., том I «Водные пути и гидротехнические сооружения. Портовая техника и электромеханика. Судостроение и судоремонт» // СПб.: СПГУВК, 2006 г. - С. 289 - 295.

3. Окунев В.Н. «Технологии нейтрализации оксидов азота на выпуске из дизельной установки гомогенными и гетерогенными восстановителями». Труды научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК 1 - 7 июня 2006 г., том I «Водные пути и гидротехнические сооружения. Портовая техника и электромеханика. Судостроение и судоремонт» // СПб.: СПГУВК, 2006 г. - С. 323 - 325.

4. Иванченко A.A., Окунев В.Н. «Технологии нейтрализации вредных выбросов на выпуске из дизельной установки». Труды I Международного научно-технического семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» // - СПб.: «ПаркКом», 2006. - С. 80 - 85.

5. Иванченко A.A., Тамбовский Ю.В., Окунев В.Н. «Оценка загрязнения воздушного бассейна выбросами с отработавшими газами дизельных установок судов». Труды I Международного научно-технического

семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» // - СПб.: «ПаркКом», 2006. - С. 86 - 91.

6. Окунев В.Н. «Перспективные технологии нейтрализации оксидов азота в отработавших газах энергетических установок». Труды II Международного научно-технического семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» 27 сентября 2007 г. // -СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2008. - С. 245 - 250.

7. Иванченко A.A., Тамбовский Ю.В., Окунев В.Н. «Оборудование и технологии очистки газов от сажи и газообразных микропримесей». Труды II Международного научно-технического семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» 27 сентября 2007 г. // - СПб.: СПГУВК, 2008. - С. 147 -152.

8. Иванченко A.A., Окунев В.Н. «Современные и перспективные законодательные нормы по выбросу оксидов серы судовыми дизелями». Труды И Международного научно-технического семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» 27 сентября 2007 г. // - СПб.: СПГУВК, 2008. - С. 142 - 146.

9. Иванченко A.A., Тамбовский Ю.В., Окунев В.Н., Белов A.A. «Прогноз развития и опыт комплектации систем мониторинга вредных выбросов с отработавшими газами». Труды II Международного научно-технического семинара «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» 27 сентября 2007 г. // - СПб.: СПГУВК, 2008.-С. 153-159.

Ю.Окунев В.Н. «Расчетные исследования процесса селективного некаталитического восстановления оксидов азота в судовых системах нейтрализации с применением математического пакета Mathcad 13». Материалы Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный транспорт России: история и современность» 13 - 14 мая 2009 г., книга I «История и традиции. Водные пути и гидротехнические сооружения. Портовая техника и электромеханика. Экология и охрана водных ресурсов // - СПб.: СПГУВК, 2009. - С. 189 - 196.

11. Иванченко A.A., Окунев В.Н. «Повышение эффективности технологии селективного некаталитического восстановления оксидов азота в отработавших газах дизельных установок». Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» 1 - 2 октября 2009 г. // - СПб.: СПГУВК, 2009. - С. 339 - 342.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общая характеристика и роль водного транспорта в загрязнении воздушного бассейна.

1.2. Современные требования к экологическим показателям дизельных установок и общая характеристика парка судовых дизелей.

1.3. Анализ современных и перспективных технологий очистки отработавших газов дизелей от оксидов азота.

1.4. Выводы по главе. Постановка задач исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕКАТАЛИТИЧЕСКОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА.

2.1. Основные положения современной теории селективной некаталитической очистки отработавших газов энергетических установок от оксидов азота и их анализ.

2.1.1. Высокотемпературное селективное некаталитическое восстановление оксидов азота.

2.1.1.1. Физико-химические и технологические основы высокотемпературного СНКВ-процесса с использованием аммиака и аммиачной воды.

2.1.1.2. Физико-химические основы и технологические особенности высокотемпературного восстановления оксидов азота iV-содержащими соединениями.

2.1.2. Низкотемпературное некаталитическое восстановление оксидов азота.

2.2. Разработка математической модели для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора.

2.2.1. Основные модельные представления и допущения.

2.2.2. Моделирование физических и термодинамических процессов в реакторе.

2.2.3 Моделирование кинетики химических процессов.

2.2.4. Алгоритм численного решения.

2.3. Разработка методики выбора технологических методов совершенствования СНКВ-процесса.

2.3.1. Основные направления совершенствования СНКВпроцесса.

2.3.1.1 Влияние условий подачи восстановителя на эффективность СНКВ-технологии.

2.3.1.2. Разработка инициированного СНКВ-процесса.

2.3.1.3. Рециркуляция отработавших газов в начало реакционного процесса.

2.3.2.Методика выбора технологических методов совершенствования СНКВ-процесса.

2.4. Разработка требований к условиям восстановления оксидов азота в судовых системах нейтрализации.

2.5. Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, АППАРАТУРА, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДИКА ИХ ПРОВЕДЕНИЯ.

3.1. Объекты исследований, экспериментальные установки и измерительная аппаратура.

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.3. Формулы, применяемые при расчетах.

3.4.Статистическая оценка методики проведения экспериментальных исследований.

3.5. Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СНКВ-ТЕХНОЛОГИИ.

4.1. Исследование температурных условий протекания физических и химических процессов в экспериментальной установке.

4.2. Исследование влияния условий ввода восстановителя на эффективность СНКВ-технологии.

4.3. Исследование влияния скорости подачи восстановителя на степень восстановления N0.

4.4. Выводы по главе.

5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕКАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ.

5.1. Разработка технических требований к некаталитическим системам нейтрализации.

5.1.1. Требования к газоотборному зонду и газоанализаторам.

5.2. Разработка рекомендаций по конструкции судовой системы нейтрализации вредных выбросов.

5.2.1. Патентный и литературный обзор по конструкциям глушителей и искрогасителей для дизелей.

5.2.2. Выбор конструкции и расчет эффективности глушителя.

5.2.3. Расчет устройства подачи восстановителя.

5.3. Оценка экономической эффективности применения судовых систем нейтрализации.

5.3.1. Определение удельных средневзвешенных выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя.

5.3.2. Расчет экономической эффективности применения судовых систем нейтрализации.

5.4. Выводы по главе.

Задачи обеспечения охраны окружающей природной среды в последние два десятилетия выдвинулись в число важнейших, которые необходимо решить человечеству. Бездумное использование природных ресурсов, неограниченный сброс вредных веществ в окружающую среду, создают опасность необратимых процессов в биосфере, угрозу самой жизни человека.

Особое внимание мировой общественностью уделяется проблеме загрязнения атмосферного воздуха. Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружающей природной среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и животных. Охрана его от вредного воздействия различных факторов регламентируется Конституцией Российской Федерации (РФ) и Федеральным Законом «Об охране атмосферного воздуха» от 4 мая 1999 г. № 96 - ФЗ.

Среди прочих принципов, на которых, согласно указанному Закону, основывается государственное управление в области охраны атмосферного воздуха, можно выделить предотвращение необратимых последствий загрязнения атмосферы, обязательность государственного регулирования выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физических воздействий на него, а также научную обоснованность, системность и комплексность подхода к охране атмосферного воздуха и охране окружающей природной среды в целом [86]. В основных направлениях охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в России на период до 2010 года в разделе научных исследований отмечено, что необходимо предусмотреть использование экологически безопасных видов топлива (альтернативных нефтяным), а также продолжить работы по созданию высокоэффективных систем для предотвращения выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Вопросы влияния различных загрязняющих атмосферу веществ на физиологические реакции и заболеваемость населения достаточно глубоко рассмотрены в работах [10, 33, 88, 89]. В них отмечаются однонаправленность и избирательность воздействия таких веществ на определенные органы и системы человека. Указывается, что длительное воздействие небольших концентраций загрязняющих веществ ослабляет защитные силы организма, делает его менее устойчивым к влиянию других экзогенных и эндогенных факторов. Повышенный уровень загрязнения атмосферного воздуха в зависимости от вида и концентрации веществ может увеличивать смертность и заболеваемость населения, отягощать течение заболеваний, вызывать раздражение слизистых оболочек глаз, носоглотки, вызывать респираторные симптомы, нарушение дыхательной функции и снижение работоспособности.

Все вышесказанное в полной мере оправдывает повышенный интерес общественности и специалистов к вопросам охраны воздушного бассейна от загрязнения выбросами вредных веществ, осуществляемого, в том числе, и транспортным комплексом РФ. Ввиду того, что значительная часть вредного воздействия транспорта связана с эксплуатацией энергетических установок, улучшение экологических показателей ДВС при обеспечении снижения расхода горюче-смазочных материалов является приоритетным направлением развития энергетики страны.

Экологические характеристики дизельных двигателей, по мнению большинства специалистов, решающим образом зависят от содержания в продуктах сгорания оксидов азота NOx, которые по индексу токсичности значительно превосходят другие вредные компоненты ОГ [3, 34, 39].

Выбросы оксидов азота с ОГ судовых дизелей в нашей стране регламентированы ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения», разработанного в части касающейся выбросов оксидов азота с учетом требований Приложения VI к Международной конвенции MARPOL 73/78 «Предотвращение загрязнения воздушного бассейна с судов» (далее Приложение VI).

Несмотря на то, что Приложение VI вступило в силу в мае 2005 г., на 2011 г. планами Международной морской организации IMO (далее IMO) предусмотрено ужесточение норм выбросов оксидов азота до 7,7 -ь 14,4 г/кВт-ч (уровень Tier II) в зависимости от номинальных оборотов двигателя, а с 2016 г. запланировано ужесточение норм в зонах контроля эмиссии оксидов азота (NOx Emission Control Area - NECA) до 1,96 3,4 г/кВт-ч (уровень Tier III) в зависимости от номинальных оборотов двигателя. Т.е. уже через семь лет возможно ужесточение действующих норм на выбросы оксидов азота в зонах контроля эмиссии оксидов азота на 80 %. Отметим, что IMO планирует включить и Балтийское море в зону контроля эмиссии оксидов азота NECA.

Таким образом, снижение выбросов оксидов азота NOx с ОГ судовых дизелей является одной из самых актуальных задач, стоящих перед исследователями в области повышения экологической безопасности судовых энергетических установок (СЭУ).

Общепризнано, что решение проблемы загрязнения воздушного бассейна выбросами оксидов азота NOx с ОГ судовых дизельных установок (ДУ) связано, прежде всего, с созданием высокоэффективных технологий нейтрализации NOx на выпуске из ДУ, и это в полной мере относится как к строящимся судам, так и к судам, находящимся в эксплуатации.

В мировой практике для сокращения выбросов NOx второй по распространенности после селективного каталитического восстановления находится технология селективного некаталитического восстановления (СНКВ-технология). Отличительной особенностью указанной технологии является способность к избирательному взаимодействию с NOx и высокая эффективность очистки газов (порядка 80 - 90 %).

В то же время указанная технология обладает существенным недостатком, который ограничивают область ее применения, а именно -эффективная очистка ОГ в реализованных на практике установках нейтрализации оксидов азота обеспечивается в относительно узком температурном интервале 900 - 1200 °С. К тому же наиболее часто используемым восстановителем является аммиак NH3, что в случаях его неполного взаимодействия с NOx в реакционной зоне приводит к опасности выбросов непрореагировавшего аммиака с ОГ в атмосферу. Кроме того, использование аммиака ввиду его токсичности, пожаро- и взрывоопасности требует принятия специальных мер для его хранения и транспортировки к реактору нейтрализатора.

Вследствие того, что температура ОГ в системе газовыпуска судовых дизелей находится, как правило, в пределах 300 — 700 °С, успешная реализация СНКВ-технологии в судовых системах нейтрализации возможна только в случае разработки определенных технологических методов, позволяющих сдвинуть нижнюю границу температурного интервала технологии до 300 °С, либо установки специальных устройств для нагревания ОГ.

Проведенный анализ специальной литературы, посвященной вопросам реализации СНКВ-технологии на ТЭС й промышленных объектах показал, что к методам, позволяющим расширить температурный . интервал технологии, можно отнести:

- введение в реакционную зону наряду с восстановителем (аммиаком, карбамидом) других реагентов (инициаторов), позволяющих существенно расширить температурные пределы процесса и повысить эффективность СНКВ-очистки за счет повышения скорости протекания реакций восстановления [90];

- рециркуляция части очищенных в СНКВ-реакторе ОГ (содержащих в своем составе активные радикалы) в начало реакционного процесса, что увеличивает скорость протекания реакций восстановления NOx в реакторе и снижает проскок восстановителя [1, 76].

Оба указанных метода, согласно данным работ [1, 76, 90] позволяют расширить температурный интервал технологии до 300 — 1200 °С, и, таким образом, обеспечить возможность применения СНКВ-технологии в системах нейтрализации вредных выбросов судовых дизелей. Однако первый метод обладает существенным недостатком, поскольку предусматривает эксплуатационные издержки на приобретение дополнительных расходных материалов — инициаторов восстановления.

Второй метод не требует применения дополнительных реагентов и относительно прост в конструктивном исполнении, однако эффективность очистки ОГ при его реализации с использованием в качестве восстановителя карбамида CO(NH2)2 подтверждена только на уровне 55 % [1].

В соответствии с вышесказанным, целью данной работы является разработка метода повышения эффективности технологии селективного некаталитического восстановления оксидов азота при ее реализации в судовых системах нейтрализации вредных выбросов.

Для проверки работоспособности предлагаемого метода повышения эффективности СНКВ-технологии, заключающегося в рециркуляции части очищенных ОГ, содержащих в своем составе активные радикалы, в начало реакционного процесса и подаче восстановителя в реакционную зону в виде парогазовой смеси, были проведены экспериментальные исследования опытного СНКВ-нейтрализатора.

В качестве восстановителя использовался водный раствор карбамида CO(NH2)2. Подача восстановителя в виде парогазовой смеси позволяла обеспечить протекание гомогенного процесса восстановления NOx продуктами термодеструкции и гидролиза карбамида. Для обеспечения термодеструкции карбамида было разработано специальное устройство, представляющее собой спиральную трубку, помещенную в ресивер ОГ перед реактором нейтрализатора.

Температура ОГ в ресивере менялась в зависимости от нагрузки на двигатель в пределах 170 - 520 °С, что обеспечивало необходимую температуру для термодеструкции карбамида, находящуюся в пределах 130 — 550 °С.

Исследования температурных зависимостей эффективности процесса нейтрализации показали, что реакции восстановления NOx продуктами термодеструкции карбамида начинают протекать при температуре ОГ выше 170 °С. При прямой подаче водного раствора карбамида без термодеструкции процессы восстановления начинают протекать при температуре ОГ выше 250 °С. Эффективность процессов восстановления при указанных температурах в обоих случаях не высока, и, как правило, не превышает 10 %.

Таким образом, подача в реактор нейтрализатора в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида позволяет не только повысить эффективность очистки, но и снизить температуру начала реакций восстановления на 80 °С, что особенно важно при работе ДУ на долевых режимах работы, когда температура ОГ не высока.

При увеличении нагрузки на двигатель эффективность процессов нейтрализации повышается, что обусловлено, в первую очередь, повышением температуры ОГ. Максимальная эффективность восстановления NOx (75 %) имеет место при работе двигателя на режимах, обеспечивающих температуру ОГ выше 480 °С и при скорости подачи восстановителя 6 г/мин.

Результаты выполненных исследований процессов восстановления, оксидов азота NOx в ОГ дизеля 1 Ч 8,5/11 при его работе по нагрузочной и винтовой характеристикам подтверждают механизм восстановления NOx, согласно которому рециркуляция ОГ с активными радикалами в реакторе нейтрализатора и использование в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида повышают степень восстановления NOx за счет организации многоступенчатого гомогенного процесса нейтрализации и увеличения скорости протекания реакций восстановления.

Полученные результаты позволили сформулировать общие технические требования к судовым системам нейтрализации, реализующим СНКВ-технологию, а также дать рекомендации по конструкции элементов подобных систем.

По итогам выполненной работы на защиту выносятся следующие результаты:

1. Метод повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале отработавших газов;

2. Математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора;

3. Впервые полученные экспериментальные результаты по работе опытного устройства некаталитической нейтрализации оксидов азота с вводом восстановителя в виде парогазовой смеси;

4. Общие технические требования к судовым системам нейтрализации, реализующим СНКВ-технологию с вводом восстановителя в виде парогазовой смеси.

5.4. Выводы по главе

1. Разработаны общие технические требования к судовым системам нейтрализации вредных выбросов с отработавшими газами.

2. Указаны требования, предъявляемые действующим ГОСТ 51249-99 (Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения) к газоотборному оборудованию и газоанализаторам, а так же условиям проведения измерений.

3. С учетом накопленного опыта проектирования и изготовления систем нейтрализации вредных выбросов с ОГ различных ЭУ, разработаны общие рекомендации по конструкции такого рода систем, предназначенных для применения на транспортном флоте.

4. Проведен патентный и литературный обзор по существующим конструкциям глушителей и искрогасителей для дизелей, даны рекомендации по выбору глушителя и расчету его эффективности.

5. Выполнена оценка экономической эффективности применения разработанной системы нейтрализации оксидов азота на примере судна проекта 1565 (Волго-дон), эксплуатируемого в течение навигации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

1. Выполнен анализ существующих технологий очистки ОГ энергетических установок, позволивший установить, что технология селективного некаталитического восстановления оксидов азота по распространенности в мировой практике является второй после СКВ-технологии, и имеются отдельные результаты, позволяющие предположить возможность ее использования в судовых энергетических установках.

2. На основании анализа основных положений современной теории селективной некаталитической очистки ОГ разработана математическая модель, позволяющая проводить расчетные исследования условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора.

3. Выполнены расчетно-теоретические исследования условий восстановления оксидов азота при реализации СНКВ-технологии и анализ данных по ее практическому применению, которые показали возможность обеспечения протекания реакций восстановления в реакторе СНКВ-нейтрализатора при температуре ниже 900 °С путем возврата части ОГ с активными радикалами в начало реакционной зоны и применения в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида. На основании полученных результатов разработан метод повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале отработавших газов.

4. Разработан опытный СНКВ-нейтрализатор, позволивший обеспечивать возврат газов с активными радикалами в начало реакционной зоны и термодеструкцию карбамида.

5. Проведены экспериментальные исследования возможности повышения эффективности опытного СНКВ-нейтрализатора, которые показали, что реакции восстановления оксидов азота продуктами термодеструкции и гидролиза карбамида в нейтрализаторе начинают протекать при температуре 170 °С, обеспечивая эффективность на уровне 10 %. При увеличении нагрузки на двигатель эффективность процессов нейтрализации повышается и достигает 75 % при работе двигателя на режиме с температурой ОГ на уровне 480 °С со скоростью подачи водного раствора карбамида 6 г/мин.

6. Разработаны общие технические требования к судовым системам нейтрализации вредных выбросов с ОГ, разработаны рекомендации по конструкции нейтрализаторов на базе СНКВ-технологии для использования в судовых условиях.

7. Выполнена оценка экономической эффективности применения разработанного нейтрализатора NOx на примере судна проекта 1565 (Волго-дон), эксплуатируемого в течение навигации, показавшая, что применение предлагаемой системы позволяет достичь экологических показателей дизельной установки на уровне перспективных требований при одновременном снижении издержек в виде экологических платежей.

1. Авдевин Д.Е. Повышение экологической безопасности дизельных установок судов выбором рациональной технологии нейтрализации оксидов азота в отработавших газах: Дис. на соиск. учен. степ. к. т. н. — СПб.: СПГУВК, 2003.

2. Алфеев А.А. Разработка и освоение технологии очистки дымовых газов ТЭС от оксидов азота методом селективного некаталитического восстановления аммиаком: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, д.т.н. М., 1999.

3. Амбросов Д.Б. Контроль удельных выбросов оксидов азота при упрощенных измерениях на борту судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.т.н. М., 2004.

4. Аналитическая химия азота. В.Ф. Волынец, М.П. Волынец. М.: Наука, 1977,-307 с.

5. Андерсен М. Чистота воздушного бассейна над акваторией // Двигатель. 2000. - №4 (10).

6. Аркадов Ю.К. Новые газовые эжекторы и эжекционные процессы. -М.: Изд-во физико-математической литературы, 2001. 336 с.

7. Булыгин Ю.И. Основы моделирования внутрицилиндровых процессов и токсичности дизелей тепловозов: Автореф. дис. на соиск. учен, степ, д.т.н. Ростов Н/Д, 2006.

8. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судтехгиз, 1962.

9. Власов Л.И. Интенсификация процесса сгорания топлива в цилиндре дизеля при высоких средних эффективных давлениях цикла: Дис. на соиск. уч.степ. к. т. н. Л.: ЦНИДИ, 1978.

10. Воробьев Е.И., Прусаков В.М., Душутин К.К. Охрана атмосферы и нефтехимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 231 с.

11. Вулканович М.И., Новиков И.Н. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972, 670 с.

12. Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул.- М.:Изд-во иностр. лит., 1949, 324 с.

13. Гладкая Н.Г. Очистка отходящих газов энерготехнологического оборудования газовой промышленности от оксидов азота с использованием продуктов термодеструкции карбамида : Дис. на соиск. учен. степ, к.т.н. М, 2004.

14. Гладкий А.В., Федорова С.К., Артемова Е.Н.Очистка газовых выбросов от оксидов азота / Промышленная и санитарная очистка газов : Обзор. Информ. -М. : ЦИНТИхимнефтемаш, 1989.-23 с.

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

16. Глушитель а.с. 1453060 СССР МКИ F01N1/08 Лукьянов В.П., Седов А.Н. зявл. 25.03.87, опубл. 23.01.89.

17. Глушитель шума выпуска двигателя внутреннего сгорания а.с. 1453063 МКИ F01N1/10 Довженко А.И. и др. заявл. 30.04.87 опубл. 23.01.89.

18. Глушитель шума выхлопа, а.с. 1467229 СССР, МКИ F01N1/12, Мочила В.П., Якименко Л.И. заявл. 30.03.87, опубл. 23.03.89 .

19. Глушитель-очиститель отработавших газов. Пат. 4896503 США МКИ F 01N3/02 заявл. 16.11.88. опубл. 30.01.90 НКИ 60/311. Реферативный журнал ДВС №2 1992 г. М., 15 с.

20. Глушитель-сажеосадитель а.с. 1460367 СССР МКИ F01N/02 Шиндин А.А., Валиев А.Г. Заявл. 21.05.87, опубл. 23.02.89.

21. ГОСТ Р 51249 99 "Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения". М.: Госстандарт России, 2000.

22. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2003 году» М.: АНО «Центр международных проектов», 2004. 500 с.

23. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2004 году» М.: АНО «Центр международных проектов», 2005. 494 с.

24. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2005 году» М.: АНО «Центр международных проектов», 2006. 510 с.

25. Гриффин М.Д., Андресон Дж.Д., Дивакар Р. Решение уравнений Навье-Стокса для определения поля течения в двигателе внутреннего сгорания. Ракет, тех. и косм., 1976, т. 14. №12, С. 3-4

26. Гурский Д.А., Турбина Е.С. Вычисления в Mathcad 12. СПб.: Питер, 2006. - 544 с.

27. Денисов Г. В. и др. Удаление оксидов азота из дымовых газов с примесью диоксида серы импульсными пучками электронов // Письма в Журн. техн. физики, 2001 . Т. 27, вып. 7. С. 74-79.

28. Дмитриевский А.В. Загрязнение воздуха в городе выхлопными газами автомобилей // Доклады участников второго симпозиума стран-членов СЭВ и СФРЮ. М.: НИИНавтопром, 1971. С.65-72.

29. Дульнев А.В. Разработка и исследование никельмедных катализаторов нанесенного типа для очистки газовых выбросов от оксидов азота : Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.т.н. — М., 2005. 16 с.

30. Ефимов С.И., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. -456 с.

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

32. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И., Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. Л.:«Судостроение», 1989 —256 с.

33. Иванченко А.А. Комплексное снижение вредных выбросов дизельными установками судов речного флота: Дис. на соиск. учен. степ, д.т.н. СПб., 1999.

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

35. Иванченко Н.Н., Красовский О.Г., Соколов С.С. Высокий наддув дизелей. JL: Машиностроение, 1983, 195 с.

36. Искрогаситель для двигателя внутреннего сгорания, а.с. 1453067 СССР, МКИ F01N3/06 Михайленко Т.И., Капранова Т.А., заявл. 26.01.87, опубл. 23.01.89.

37. Кавтарадзе З.Р. Снижение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания быстроходного дизеля путем усовершенствования рабочего процесса: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, к.т.н. М., 2006

38. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов измерений. — М.: Наука, 1970.-104 с.

39. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая . термодинамика. М.: Энергия, 1974, 448 с.

40. Комбинированные глушители-очистители отработавших газов для ДВС. Diesel Progr. Engines, 1989, №5, с. 34-36.

41. Кондратьев В.Н. Константы скоростей газофазных реакций. — М.: Наука, 1971.

42. Костин А.К., Пугачев Б.П., Кочинев Ю.Ю. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник. — Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1989.-284 с.

43. Кулиш О.Н. Очистка промышленных выбросов от оксидов азота методом некаталитического высокотемпературного восстановления // Всесоюз. НТО работников нефт. и газовой пром-ти им. И.М. Губкина — М., 1989.-45 с.

44. Кулиш О.Н. Разработка и промышленное внедрение методов некаталитической очистки газовых выбросов от оксидов азота аминосодержащими восстановителями: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, д.т.н.-М., 1996.

45. Куценко Е.В. Разработка метода очистки газов от оксидов азота с использованием продуктов термического разложения твердого карбамида: Дис. на соиск. учен. степ, к.т.н. М., 2004.

46. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. — М.: Наука, 1976, 60 с.

47. Ложкин В.Н. Теория и практика безразборной диагностики и каталитической нейтрализации отработавших газов дизелей: Дисс. докт.техн.наук. СПб., 1994. - 444 с.

48. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду // Итоги науки и техники ВИНИТИ, сер. Автомобильный и городской транспорт. 1993, 17, С. 1-136

49. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Кричевская Т.Ю. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 3. Компьютерный практикум. Моделирование процессов в ДВС: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 2005. - 414 с.

50. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в Mathcad. Учебный курс. — СПб.: Питер, 2005. 448 с.

51. Марчук Г.И., Лебедев В.И. Численные методы в теории переноса нейтронов. М., Атомиздат, 1981.

52. Методические рекомендации по администрированию платы за негативное воздействие на окружающую среду в части выбросов в атмосферный воздух. РД-19-02-2007. М., 2007.

53. Мещеряков С. Современные подходы и технологии для решения экологических проблем в нефтегазовом комплексе. Труды II Международной научно-практической конференции «Новые технологии в решении экологических проблем ТЭК», 7-8 февраля 2007 г. М., 2007.

54. Нашленас Э., Смайлис В. Моделирование процесса образования вредных веществ при сгорании углеводородных топлив. Препринт Института физики АН Лит. ССР., 1983. 25 с.

55. Николаев И.А, Шульга И.Е и др. Сколько стоит Россия. М., 2004.

56. Новиков Л.А. Основные направления создания малотоксичных транспортных двигателей // Двигателестроение. — 2002. — №2. С. 24 - 30.

57. Новиков Л.А. Современные и перспективные технологии для организации малотоксичной работы двигателей // Двигателестроение. 2005, №4, С. 8-15.

58. Пат. 3 900 554 США. Exxon Research and Engineering Company / R.K. Layon. Опубл. 19.08.1975.

59. Патент РФ. Бейсман С.Н., Дейкман X., Вербрак П.Л., Хардок А.И. Способ очистки отходящего или дымового газа, содержащего оксиды азота // B01D 53/84. №2146964.27.03.00. с.5

60. Патент РФ. Бурлов В.Ю., Желдаков Д.Ю., Кулиш О.Н. Способ очистки дымовых газов от окислов азота и серы // B01D 53/34. № 2008079.28.02.94.с.4

61. Патент РФ. Быстрицкий В.М., Рязанов Н.Д., Янкелевич Е.Б. Способ и устройство для удаления из газовых выбросов окислов серы и азота // B01D 53/00. №93046778.30.10.94. с.З

62. Патент РФ. Кутыш И.И. Способ очистки отработавших газов от окислов азота // B01D 53/56. № 2062140.20.06.96. с.З

63. Патент РФ. Мац А.Н., Томская Е.В. Способ очистки топочных газов, содержащих оксиды азота // B01D 53/84. № 97114809.20.08.99. с.4

64. Патент РФ. Михайлов М.Ю. Способ очистки отходящих газов от окислов азота // B01D 53/56. № 98119654.10.09.00. с.8

65. Патент РФ. Салова Т.Ю., Николаенко А.В. Способ очистки газов от окислов азота // B01D 53/56. №2138323.27.09.99.с.3

66. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Энергия, 1978. 704 с.