автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Снижение выбросов оксидов азота с отработавшими газами судовых дизелей и котлов абсорбцией водой

Хачоян Марица Мисаковна

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ И КОТЛОВ АБСОРБЦИЕЙ ВОДОЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-н-тм—

6ФЕ3 2014

Новороссийск—2013

005544780

005544780

Работа выполнена в ФГЬ<У;: Б! 10 «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Туркин Владимир Антонович

Официальные оппоненты: Дорохов Александр Федорович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет», кафедра Судостроения и энергетических комплексов морской техники, заведующий кафедрой

Чура Николай Николаевич кандидат технических наук, доцент «Новороссийский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», кафедра техносферной безопасности и экологии, доцент

Ведущая организация: ФБОУ ВПО «Волжская государственная

академия водного транспорта» (г. Нижний Новгород)

Защита состоится «¿2.» февраля 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» по адресу: 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова». Автореферат разослан «50» января 2014 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие судоходства на водных путях привело к строительству качественно нового флота: с мощными энергетическими установками, высокими грузоподъемностью и скоростью. Массовая эксплуатация такого флота сопровождается ростом его воздействия на окружающую среду. Процесс топливоиспользования сопровождается не только потерями массы и энергии, но и значительным загрязнением окружающей среды.

Актуальность диссертации определяется ужесточением норм выбросов оксидов азота с продуктами сгорания судового топлива, введением новой редакции Приложения VI Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (MARPOL 73/78), требующего немедленных мер для приведения токсичных выбросов с судов в соответствие с введенными нормами за счет внедрения новых технических решений в судовые системы очистки. С 1 января 2011 г. Международная морская организация (IMO) ужесточила нормы 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).

Проблемам снижения токсичных выбросов от судовых энергетических установок (СЭУ) посвящены работы ученых: О.А. Гладкова, С.А. Богатых, В.А. Звонова, С.П. Зубрилова, В.А.Маркова, JI.A. Новикова, В.И. Смайлиса, ВЛ. Стаценко, А.Ф. Дорохова, А.А. Иванченко, В.И. Решняк, В.И. Толщина, Д.В.Щавелева, R.L.Gall, E.J.Piasecki, A.Fournier, М.Altmann, M.Weinberger, W. Weindorf, C.B. Кирпиченко, Д.Е. Авдевина, В.С.Кузина, Т.В.Чуба.

В настоящее время существуют два подхода к уменьшению концентрации NOx в дымовых газах: первичные методы, заключающиеся в подавлений образования NOx в топках котлов или камерах сгорания дизелей и вторичные методы снижения выбросов N0*, заключающиеся в обработке дымовых газов после котла или дизеля.

Несмотря на большой объем выполненных исследований и проведенных экспериментов, работы большинства ученых направлены на снижение выбросов оксидов азота методами селективного каталитического (СКВ) и некаталитического (СНКВ) восстановления оксидов азота. Указанные методы хотя и обеспечивают высокую степень очистки дымовых газов, но при этом связаны со значительными затратами и основаны на использовании вредных химических реагентов. Поэтому проблема разработки и внедрения на суда иных, экономически и экологически более эффективных методов очистки отработавших газов судовых дизелей и котлов от оксидов азота является актуальной.

Объектом исследования являются судовые дизели и котлы.

Предметом исследований являются методы снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания судовых дизелей и котлов.

Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода и технических решений, предназначенных для снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами судовых дизелей и котлов абсорбцией водой.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Провести анализ существующих методов и технологий нейтрализации оксидов азота (N0,), применение которых возможно на судах, и осуществить выбор наиболее приемлемой технологии.

2. Выполнить исследование теоретических основ различных методов очистки продуктов сгорания от оксидов азота.

3. Рассмотреть теоретические предпосылки процесса очистки продуктов сгорания топлива от оксидов азота абсорбцией водой при температуре ниже температуры точки росы в присутствии озона.

4. Выполнить экспериментальные исследования оценки эффективности очистки выбросов от оксидов азота с использованием предлагаемой технологии.

5. Разработать математическую модель, позволяющую оценивать влияние параметров установки для очистки продуктов сгорания и исходной концентрации на конечную концентрацию оксидов азота, получаемую в результате использования предложенной установки.

6. Разработать методику расчета технологических параметров, позволяющую анализировать эффективность установки поглощения оксидов азота в судовых условиях.

Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, основаны на применении методов теории моделирования, проведения эксперимента и химических анализов, методов планирования и обработки эксперимента, статистической обработке результатов эксперимента, технических испытаний и измерений.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. ■ Метод интенсификации процесса очистки дымовых газов от оксидов азота при межфазном контакте газа с жидкостью в эмульгационном и пленоч- • ном режимах с использованием многократной рециркуляции абсорбента — воды.

2. Математическая модель оценки влияния исходных концентраций в дымовых газах оксидов азота и озона на конечную концентрацию оксидов азота использованием разработанных метода и технических решений.

3. Методика расчета технологических параметров судовой установки поглощения газовых выбросов, используемой для очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота.

Новизна первого научного результата заключается в разработке способа интенсификации процесса очистки в области малых концентраций, характерной для продуктов сгорания судового топлива, с использованием межфазного контакта газа с жидкостью в эмульгационном и пленочном режимах с многократной рециркуляцией абсорбента.

Новизна второго научного результата заключается в разработке новой математической модели, позволяющей оценить влияние исходных концентраций в дымовых газах оксидов азота и озона на конечную концентрацию оксидов азота использованием разработанных метода и технических решений.

Новизна третьего научного результата состоит в разработке новой методики, позволяющей рассчитать оптимальные значения технологических параметров установки поглощения оксидов азота в судовых условиях.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов исследования (системного анализа, математического моделирования, проведением натурных испытаний, обработки данных и оценке погрешностей), адекватным его задачам и логике, апробацией полученной информации и репрезентативностью опытных данных.

Практическая значимость диссертации заключается в получении опытных результатов, способствующих решению важной задачи, направленной на снижение загрязнения воздушного бассейна выбросами оксидов азота от судовых дизелей и котлов, которые могут быть использованы судовладельцами, эксплуатирующими суда морского, речного, рыбопромыслового флотов, проектными научными организациями, работающими над созданием энергетических установок новых судов.

Апробация результатов исследования. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на ХУП, XVIII, XIX и XX Международных конференциях «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии», (Новороссийск 2009, 2010, 2011 и 2012 годы); VII, IX и X региональных научно-технических конференциях «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск, 2008, 2010, 2011 годы); на IX городской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Новороссийск, 2009 г.); на академической научно-практической конференции курсантов «Новое поколение в науке-2009».

Публикации. По теме диссертации опубликовано: статей - 13, тезисов докладов на конференции - 1. Всего 14 работ. Из них 2 статьи по перечню ВАК Минобрнауки РФ: Журнал университета водных коммуникаций. - 2012. - Вып. 4 (16); Эксплуатация морского транспорта. - 2012. - № 4.

Структура и объём работы. Диссертация, объёмом 183 страницы, состоит из списка сокращений, введения, 4 глав/ заключения и списка литературы из 168 наименований, 51 рисунка, 12 таблиц, приложения, содержащего акты внедрения результатов в эксплуатационную практику судоходной компании, проектной организации и учебный процесс.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации, указаны основные аспекты проблемы, сформулированы цель и основные направления исследования, показана научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассматривается роль судоходства в загрязнении воздушного бассейна, анализируются современные требования к экологическим показателям, проводится аналитический обзор токсичных загрязнений отработавших газов судовых энергетических установок и существующих способов снижения выбросов оксидов азота от судовых дизелей и котлов.

Показано, что морские суда являются достаточно серьёзным долевым участником в выбросах вредных компонентов среди транспортного комплекса. Все токсичные компоненты по природе и возникновению можно разделить на две основные группы; К первой группе относятся продукты неполного сгорания топлива (монооксид углерода, углеводороды, альдегиды, сажа). Токсичные компоненты второй группы образуются в результате полного окисления химических элементов, входящих в состав топлива и воздуха - оксиды азота и серы.

Требования к нормативам выбросов судовых двигателей в настоящее время определяются Правилом 13 Приложения VIМАРПОЛ 73/78 и «Техническим кодексом по ограничению выбросов NOx от судовых дизельных двигателей». С 1 января 2011 г. ИМО ужесточило нормы выбросов оксидов азота до 7,7 -14,4 г/кВт-ч (уровень Tier II) в зависимости от номинальных оборотов двигателя. Однако уже с 1 января 2016 г. планируется ужесточение действующих норм на выбросы оксидов азота в зонах контроля эмиссии оксидов азота (NO* Emission Control Area - NECA) до 1,96 - 3,4 г/кВт-Ч (уровень Tier III), на 80 % более жесткого по отношению к действующим в настоящее время нормам.

Сделан обзор способов снижения вредных выбросов. Выделяются два основных направления при решении основной задачи по снижению вредных выбросов отработавших газов дизелей: снижение вредных компонентов в процессе их образования при воздействии на рабочий процесс дизеля или котла; обезвреживание токсичных ингредиентов при помощи специальных устройств.

Среди существующих технологий снижения выбросов NOx, внимания заслуживают следующие технологии, нашедшие применение на практике: топочные технологии (ступенчатое сжигание топлива); «безреагентное» каталитическое восстановление; высокотемпературное селекгавное некаталитическое восстановление (СНКВ) с использованием аммиака, аммиачной воды или карбамида; селективное каталитическое восстановление (СКВ) аммиаком или азотсодержащими восстановителями.

Анализ существующих систем нейтрализации и мероприятий, направленных на повышение экологической безопасности дизельных двигателей подтверждает, что все технологии сокращения выброса NOx связаны с удорожанием стоимости дизелей в изготовлении и ростом производственных расходов на обслуживание. По данным зарубежных исследований увеличение стоимости малотоксичного дизеля, по сравнению с базовым, может достигать 250 %.

Аналитический обзор существующих методов позволил определить основные направления по снижению вредных выбросов отработавших газов судовых дизелей и котлов. По результатам анализа априорной информации сформулирована цель и основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию предлагаемого метода очистки отработавших газов от NOx. При окислении оксида до диоксида азота, а затем его поглощением водой в присутствии озона можно практически полностью удалить оксиды азота из продуктов сгорания судового топлива. Высокая окислительная способность озона при окислении оксида до диоксида азота объясняется анализом приведенных ниже реакций.

При окислении оксида азота кислородом по реакции:

2И0 + 01 = 2Щ (1)

константа равновесия К и степень превращения N0 в Ж>2 равны: = 6,14;с = 1 •10~4% об. (где с - остаточная концентрация N0 в газе, об. %). При окислении оксида азота озоном последний разлагается на одну молекулу кислорода и один атом кислорода, который и соединяется с окисляемым оксидом азота. Это сопровождается реакциями (исходный состав газовой смеси: N0 - 0,1% об., N02 - 0,1% об., 02 - 3%, М02 - стехиометрия, N2 - остальное):

№?+|03=ЛГ02 (^К = 15,65;с = 1,31-10-"% об.); (2)

т + 03=т2+02 (1ёл: = 35,03;с = 3-10-'9%об.); (3)

2/УО + <93 =ЛГ205 = 18,73;с = 1 ■ 10-1О% об). (4)

Сравнение констант равновесия и степени превращения реакций (1) и (2) - (4) показывает, что окисление озоном оксида азота по реакциям (2) - (4) термодинамически более выгодно с точки зрения степени превращения N0, чем окисление его кислородом (константа равновесия возрастает в миллионы раз, а содержание N0 в газе можно уменьшить до 3-10~" % об.). Следовательно, при окислении озоном можно достичь высоких степеней очистки продуктов сгорания топлива от N0* при содержании их в смеси в малых концентрациях, характерных для отработавших газов судовых дизелей и котлов.

Взаимодействие N0, продуктов сгорания с водой описывается реакциями: ЗЖ>2 + Н20 = 2Ш03 +N0 +136,2 кДж (5)

ЪИ2Оъ ч- Н20 = 1НЫОъ + 4ЛгО + 15,7 кДж (6)

Из (5) и (6) следует, что образование азотной кислоты возможно путем поглощения N02 или смеси Ж)+Ш2. Уравнение (5) является основной реакцией, определяющей предельную концентрацию получаемой азотной кислоты.

Очистка продуктов сгорания в предлагаемом способе основана на их охлаждении до температуры ниже точки росы, конденсации содержащихся в газах водяных паров, и их контактом с N0,. При этом образование азотной кислоты протекает со скоростью, превышающей в 10 и более раз скорость обычной абсорбции. Кислотообразование в условиях конденсации водяных паров характеризуется функциональными зависимостями, описывающими: условие туманообразования

с/Сг/^ = /(Г,СЙЖ!) (7)

условие равновесия паров воды в газе

¡¿Р = /г(Т

) (8)

материальный баланс

¿ЯнщМР = /,(Т,Снт1,т) (9)

изменение содержания оксида азота

О (10)

изменение содержания диоксида азота

г) (11)

изменение содержания кислорода

^М-Ш^с^ту.'- (12)

температуру насыщенных паров воды в газовом потоке

Тш =МТ,Те,901,С„т,,т) (13)

изменение концентрации азотной кислоты в пленке конденсата

где - площадь межфазного контакта* м2;

йТ - масса конденсата в тумане, кг;

Т, Тш - температура газовой смеси и воды, К;

Кн^^нмь'ёю'ёт^о, - массы паР°в воды, азотной кислота, оксида азота, диоксида азота и кислорода, кг;

СЯЛ,0( - концентрация азотной кислоты в пленке конденсата, вес. %;

9Нр,9т,ЭЮ1,&01 - концентрация паров воды, оксида азота, диоксида азота и кислорода в газовой смеси, вес. %;

К' - коэффициент теплоотдачи от пленки конденсата к охлаждающей воде, кВт/(м2К);

Рю+мз, ~ парциальное давление смеси N0 и Ы02 в газе, МПа.

При абсорбции N0* из малоконцентрированных и малоокисленных нит-розных газов увеличения скорости окисления N0 в N02 и скорости абсорбции N02 водой можно добиться проведением процесса в жидкой фазе. Оптимальное содержание кислорода в газе при этом равно 6,5 % об. Существенным фактором ускорения процесса является турбулизация потоков. При введении в жидкую фазу озона скорость окисления увеличивается в 1,6 раза, а количество образующейся азотной кислоты в 20 раз превышает количество введенного озона.

Так как окисление, охлаждение, абсорбция N0* протекают одновременно, то проводить их можно в одной и той же установке, например, в трубчатых пленочных аппаратах. Закономерности абсорбции определяют технологические и технические параметры установки для очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота.

Абсорбция оксидов азота из отработавших газов возможна при их охлаждении посредством омывания водой или обдувания воздухом наружных поверхностей трубчатого абсорбера. Так как внутренняя поверхность труб абсорбера покрыта текущей пленкой абсорбента, то принимаем, что отвод тепла от отработавших газов определяется коэффициентом теплоотдачи от пленки к охлаждающему агенту. При расчете теплопередачи используется критериальное уравнение для стекания жидкости по вертикальной стенке:

Ии = АПежт РС , (15)

где Ыи - ав^ / А - критерий Нуссельта;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

А,т,п — коэффициенты, зависящие от критерия Рейнольдса ( Яе^ ).

Лимитирующей стадией, определяющей скорость поглощения оксидов азота, является их диффузия в жидкую фазу. Следовательно, оптимальным вариантом

для очистки отработавших газов является проведение абсорбции с рециркуляцией жидкости в одном аппарате - абсорбере, сочетающем эмульгационный и пленочный способы массопередачи при противоточном и прямоточном движении фаз. На рисунке 1 приведена схема эмульгационно-пленочного трубчатого абсорбера (ЭПТА) с рециркуляцией абсорбента по двум вариантам работы пленочной секции: противоточное и прямоточное движение фаз (1а и 16).

а)

1

Ун

X*

Х„

б)

Ун

Рисунок 1 - Схема эмульгационно-пленочного трубчатого абсорбера: 1 и 2 - соответственно эмульгационная и пленочная секции; ун, у, - концентрация абсорбтива в газе на входе и выходе из ЭПТА; х„, х„ Хс - концентрация аб-сорбтива в абсорбенте на входе, выходе из ЭПТА и выходе из секции 1

В трубе 1 (эмульгационная секция) движение жидкости производится с использованием подаваемого газа. То есть, в способе рециркуляции абсорбента заложен принцип работы воздушно-газового подъемника или эргазлифта, в котором существует режим движения восходящего потока газожидкостной смеси в виде газожидкостной эмульсии. На рисунке 2 изображен эргазлифт, в котором

подъем жидкости осуществляется использованием энергии сжатого и смешиваемого с этой жидкостью газа. Эргалифт - один из простейших видов подъемника жидкости, он надежен в эксплуатации, в том числе и в агрессивной среде.

Рисунок 2 - Эргазлифт: 1 — подъемная труба; 2 — газораспределительное устройство; Н, Б - высота и диаметр подъемной трубы; Ь - рабочая глубина

погружения трубы

В работе эргазлифта при постоянном коэффициенте погружения А/Я для одного о того же перепада давлений существует несколько режимов работы:

1) начальный режим, соответствующий наибольшему расходу рабочего агента в начале работы, при котором жидкость, поднимаемая в газожидкостной смеси, достигает устья подъемной трубы, не изливаясь из него;

2) экономичный режим, при котором расход рабочего агента на единицу поднимаемой жидкости минимальный;

3) максимальный режим, соответствующий расходу рабочего агента, при котором изливается наибольшее количество жидкости;

4) конечный режим, соответствующий расходу рабочего агента, при котором поднимаемая жидкость достигает устья подъемной трубы, но не изливается из него и подъемник прекращает подачу жидкости.

Сравнение режимов движения газожидкостной смеси при прямоточном движении в трубе и движения газожидкостной смеси в подъемной трубе эргазлифта показывает, что эмульсионный режим в подъемной трубе аналогичен экономичному и максимальному режимам работы подъемника. При этом рабочий режим, обеспечивающий устойчивое эмульгирование, находится между режимами экономичной и максимальной производительности подъемной трубы.

В ЭПТА можно одновременно проводить окисление N0 отработавших газов в газовой и жидкой фазе, абсорбцию оксидов азота и озона водой и утилизацию выделяющегося при этом тепла охлаждающим воздухом.

1

я

2

Третья глава содержит экспериментальное определение кинетических характеристик лабораторного ЭПТА при противоточном и прямоточном движении контактирующих фаз, оценку эффективности его работы при очистке продуктов сгорания от оксидов азота в присутствии озона, определение технологических и технических параметров ЭПТА, необходимых для расчета абсорбера, входящего в состав установки очистки отработавших газов судовых дизелей и котлов от оксидов азота. Для решения указанных задач было выполнено следующее: а) определена скорость массопередачи в подъемной трубе эргазлифта и в трубах пленочной секции в рабочих режимах; б) подобраны расчетные уравнения и найдены коэффициенты массоотдачи; в) при заданных рабочих режимах выполнена оценка эффективность очистки реальных продуктов сгорания от оксидов азота в присутствии озона.

На первом этапе экспериментальное исследование абсорбции проводилось с использованием модельной смеси на лабораторном ЭПТА (рисунок 3).

вода

таметры; 11,12,13,16,17-вентили; 14,15,18-краны; 19-дренаж

Исследование массопередачи производилось на основе анализа зависимости коэффициента массопередачи от режимов движения газа и жидкости при условии, что коэффициент массоотдачи в газовой фазе /3 зависит от чисел Рей-

нольдса газовой и жидкой фазы Re, и Re^, а коэффициент масеоотдачи в жидкой фазе Рж зависит только от Re^. С учетом принятых допущений получаем:

ß, =(l/i/)Re," (16)

где U - величина, зависящая от Re^.

Тогда стандартное выражение коэффициента массопередачи в газовой фазе будет иметь следующий вид:

1/К, =(i//Re,") + C, (17)

где

C = mlßx. (18)

Опьггы проводили при двух расходах жидкости, соответствующих экономичному (оптимальному) й максимальному режимам подъема жидкости и трех расходах газа для каждого режима подъема жидкости:

Loml = 3,14 -10~\ Lmx = 3,95 • 10~5 - для жидкости, м3/с;

= 1,25 • 101, К, = 1,6 • 10"', = 1,6 • Ю-5 - для газа, м3/с

В интервале указанных выше объемных расходов в подъемной трубе наблюдался устойчивый восходящий поток газожидкостной смеси в виде эмульсии, содержащей удлиненные пузыри газа.

Для эмульгационной секции коэффициент массопередачи в газовой фазе определялся из выражения:

К, = М /(L^mdtAycp). (19)

Для труб пленочной секции коэффициент массопередачи определялся из выражения:

Кг=М/(„ЫАуср). (20)

Экспериментально было определено, что при Re^ = 2000, 2500 значения коэффициентов массоотдачи в жидкой фазе в пересчете на объемные концентрации будут равны: ржЛ = 2,6; Ржо2 =3,0 м/ч.

Из приведенных во второй главе диссертации уравнений для скорости массоотдачи в жидкой фазе близкой к полученным для восходящего потока в вертикальной трубе по результатам экспериментов при минимальном значении у/ = 0,895, является зависимость, предложенная Жаворонковым Н.М.:

Рж = 0,16^ Re^0-7. (21)

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные с использованием зависимости (21) при числах Рейнольдса (2000, 2500) равны: 2,92; 3,35 м/ч. Сравнение эксперимента и расчета с использованием зависимости (21) показало, что величина погрешности расчета ( ± 10 %) укладывается в ошибку эксперимента.

Экспериментально так же было определено, что при Re = 500 и Re = 630 коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе: Рж =0,27 м/ч; Рж =0,29 м/ч.

Из приведенных во второй главе диссертации уравнений скорости массоотдачи в жидкой фазе для противотока при пленочном режиме наиболее близкие к результатам эксперимента получаются при решении уравнения, рекомендуемого для расчета трубчатых абсорберов:

тж =вкежт(?гж )п(ёпр /н) при Яе = 500, рж = 0,30 м/ч; при Яе = 630,/?^ = 0,32 м/ч.

Сравнение эксперимента и расчета по зависимости (22) показало, что величина погрешности расчета ( ± 10 %) укладывается в ошибку эксперимента.

На второй стадии эксперимента исследовалась эффективность окисления и поглощения оксидов азота из продуктов сгорания, полученных при сжигании природного газа в присутствии озона. Исследования проводились на лабораторном ЭПТА (рисунок 3), в котором в отличие от первой стадии экспериментов вместо модельного газа подавались продукты сгорания из котла. Озоновоздуш-ная смесь а в эмульгационную секцию подавалась из генератора озона.

Эксперименты проводились при значениях объемных расходов абсорбента (воды) Ьср =3,6-10"~5 м3/с и озоновоздушной смеси ¥ок =1,6-Ю-3 м3/с, полученных как среднее для оптимального и максимального режимов работы подъемной трубы эмульгационной секции, расходе продуктов сгорания ~3 з з

Уг = 6,25-10 м /с (22,5 м /ч), соответствующем оптимальной скорости газа (4 - 5 м/с) в трубах пленочной секции для первой стадии эксперимента, температуре продуктов сгорания в ЭПТА 60 °С. Объемный расход воздуха на охлаждение пленочной секции ЭПТА варьировался в пределах от 20 до 70 м3/ч.

100

щ

в" О

3

к

р

о

г? о л я <и

К

<ц

н

и

80

60

40

20

0

1 г-г-; ► — V ^ 1 > 1 Ь ~ -< • < \r--l

/ г

к 9

|

♦ пм

• пт

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Удельный расход озона, gw, г/г

Рисунок 4 - Степень очистки продуктов сгорания в зависимости от удельного расхода озона: ПМ - прямоточная работа; ПТ - противоточная работа

Из графиков на рисунке 4, построенных на основании обработки экспериментально полученных данных, видно, что действительный удельный расход озона на удаление оксидов азота из продуктов сгорания топлива равен 0,35 - 0,4

(г. озона) /(г. удаленных оксидов азота), что в несколько раз меньше теоретического (1,6 г/г), полученного по уравнению (3). Из графиков так же видно, что при увеличении удельного расхода озона более чем 0,4 г/г эффективность очистки изменяется незначительно. При этом степень очистки для прямотока оказывается на 2-3% больше, чем для противотока, что объясняется большим временем контакта озона с продуктами сгорания. При температуре продуктов сгорания в ЭПТА 60 °С максимальная степень очистки составляет 70 -13%.

С целью получения математической модели, описывающей влияние концентрации озона в дымовых газах и исходной концентрации в нём оксидов азота на конечную концентрацию оксидов азота, эксперименты проводились по специально разработанному плану. Разработка плана осуществлялась с учетом рекомендаций теории планирования эксперимента:.

Математическая модель, представляющая собой уравнение регрессии, задаваемое полиномом второй степени, в общем случае имеет следующий вид:

у = Ь0 + + ТЬ,^ + , (23) (=1 к ] (=1

где у - исследуемая величина (концентрация оксидов азота на выходе из

ЭПТА), мг/м3;

- значения факторов в кодированном масштабе;

Ь0,Ь(,Ъу,Ьи - оценки коэффициентов уравнения регрессии.

Для отыскания неизвестных оценок Ь0,Ь„Ьу,Ь^ применяется метод наименьших квадратов с использованием зависимостей регрессионного анализа. При этом приняты следующие допущения: независимые факторы х^х^ заданы абсолютно точно и являются неслучайными величинами. Также предполагается, что случайная величина у распределена по нормальному закону, а её дисперсии в отдельных точках факторного пространства - однородны.

Для определения оценок коэффициентов уравнения (23) используется план по схеме полного факторного эксперимента. При этом каждый из двух независимых факторов (гх - концентрация оксидов азота на входе в ЭПТА, мг/м3; 2г - концентрации озона в дымовых газах на входе в ЭПТА, мг/м3) варьировался на трех уровнях: + 1 - высокое значение фактора; 0 - среднее значение фактора; - 1 — низкое значение фактора.

Матрица планирования эксперимента, значения факторов в натуральном масштабе и в безразмерной системе координат, а также результаты эксперимента и рассчитанные значения исследуемой величины представлены в таблице 1.

С целью приведения матрицы планирования эксперимента к ортогональному плану квадратичные столбцы х* были преобразованы с использованием следующего линейного преобразования:

х^х)-х) =х)~ ^х),1М = х)-619 = х) -2/3, (24) ;=1

где N = 9 - количество опытов в эксперименте.

Таблица 1 - Матрица планирования и реализация полного факторного эксперимента_______

№ опыта Факторы в натуральном масштабе Факторы в безразмерной системе координат Исследуемая величина

Из эксперимента Из полного уравнения Из упрощенного уравнения

zy Z2 Xl Х2 1 3 2 3 У У Уупр

1 140 5 -1 -1 1/3 1/3 81 79,63 79,80

2 140 50 -1 0 1/3 -2/3 44 29,44 29,61

3 140 95 -1 + 1 1/3 1/3 31 30,52 30,69

4 250 5 0 -1 -2/3 1/3 150 145,12 144,78

5 250 50 0 0 -2/3 -2/3 78 73,45 73,11

6 250 95 0 + 1 -2/3 1/3 60 52,78 52,44

7 360 5 + 1 -1 1/3 1/3 220 209,86 210,03

8 360 50 +1 0 1/3 -2/3 114 116,44 116,61

9 360 95 + 1 + 1 1/3 1/3 83 74,02 74,19

Так как матрица планирования является ортогональной, то все коэффициенты уравнения регрессии (23) определяются независимо друг от друга:

= (25)

;=1 1=1

Например, для определения коэффициента 6, при х1 необходимо получить сумму произведений столбца сх/ в безразмерной системе координат на столбец с у. Затем находим значение Ь1:

9 9,

&1 = 2>1/У//1>И=261/6 = 43,5-/=1 1=1

Аналогично были определены эффекты единичных, двойных и квадратичных взаимодействий:

¿0 = 95.67; ¿2 = "46,17; Ъц = -21,75; ^ 1 = -0,5; 622 = 25,5.

Дисперсии коэффициентов уравнения (23) определяются по формуле:

~ "воспр / ■ (26)

В результате расчетов по матрице с преобразованными столбцами для квадратичных эффектов получается уравнение следующего вида:

У = Ь'а + + Ьгхг + Ъпхххг + Ъп{х2х -х?) + Ьп(х22 -х\). (27)

Для перехода к обычной записи Ьй определяется по формуле:

¿0=66-611*1 -¿22*2 =95,67+0,5(2/9) - 25,5(2/9) = 90Д1. (28) и оценивается с дисперсией, равной:

'¡о=4ь+(Ф241 г+(Щ)2422 - (29)

С целью определения дисперсии воспроизводимости ^воспр> знание которой необходимо для проверки значимости коэффициентов уравнения регрессии, в центре плана были поставлено дополнительно три параллельных опыта и получены следующие значения у:

Л° = «О; у! = 75; у$ = 76; у0 = £у° /3 = 77;

и=1

у

3

'мспр= Ё(^и-?°)2/2 = 7; *воспр=2,65. и=1

Затем с использованием выражений (25) и (29) были оценены дисперсии всех коэффициентов уравнения регрессии, которые оказались равными:

< =15>5: ^ =< = 0.778; ^ = 1Д67;^ =3>5.

Значимость коэффициентов уравнения регрессии оценивается по критерию Стьюдента. Для этого по формуле рассчитывается ^отношение: /0 = 24,5; ^ = 50,6; /2 = 53,69; Г12 = 20,33; ^ 1 = 0,27; /22 = 13,86.

Табличное значение критерия Стьюдента для уровня значимости р = 0,05 и числа степеней свободы / = 2 /0 05 (2) = 4,3. Так как Отношение для коэффициента Ъп сказалось меньше табличного значения, то коэффициент является незначимым. После исключения незначимого коэффициента уравнение регрессии будет иметь следующий вид:

у = 90,11 + 43,5*1 ~ 46,17*2 " 21,75*1*2 + 25,5*| • (30)

Адекватность полученного уравнения проверена по критерию Фишера:

N

^ = здесь ^ост = ¿О,"Л)2 /(ЛГ-/) = 501,38/4 = 125,35,

(=1

где /-число значимых коэффициентов в уравнении регрессии, равное 5.

Тогда ^" = 125,35/7 = 17,91.

Табулированное значение критерия Фишера для р = 0,05, /1 = 5> /2 = 2, ^1-р(/ь/2) = 19,3. Так как ^<^1_р(/1,/2), то полученное уравнение регрессии (30) адекватно описывает эксперимент.

Следовательно, полученная математическая модель может быть использована для оценки влияния концентрации озона в дымовых газах и исходной концентрации в нём оксидов азота на конечную концентрацию оксидов азота, получаемую в результате использования предложенной установки для очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота.

В четвертой главе рассмотрен пример технического решения задачи очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота.

Решение задачи осуществлялось путем сравнения расчетных и опытных технологических параметров производственного воздухоподогревателя-абсорбера (ЭПТА). Объектом для опытно-промышленных испытаний являлся паровой котел ДКВР-6,5-13, оснащенный экономайзером, дымососом и вентилятором. Основой устройства для очистки продуктов сгорания от оксидов азота (воздухоподогревателем-абсорбером) являлся трубчатый воздухоподогреватель с наружным диаметром труб 40 мм. Технологическая схема экспериментальной установки приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема установки: 1 - воздухоподогреватель-абсорбер (ВПА); 2, 5, 6 - газоходы; 3,4, 7 - шиберы; 8 - дымосос; 9,12 - вентиляторы; 10,11 - воздуховоды; 13-озонатор; 14 - трубопровод; 15-конденсатныйбак; 16 - гидрозатвор; 17 - насос; 18,19,20,21 - вентили

Температуру и концентрацию N0* в дымовых газах ВПА определяли газоанализатором ДАГ-16 (погрешность измерений ±10 %) на входе в теплооб-менную и абсорбционную секции, и на выходе из сепарационной секции. Динамическое давление воздуха и газов измерялось при помощи трубки Пито-Прандгля и микроманометра ММН-240. Концентрация N0* в воде определялась колориметрическим способом (погрешность измерений ±3 %). Концентрация озона в воде определялась анализатором озона Озон-В (погрешность измерений ± 3%), в газе газоанализатором 3.02П-Р (погрешность ± 20 %).

Так как подъемная труба абсорбционной секции может устойчиво работать одновременно как массообменный аппарат (в эмульгационном режиме) и подъемник в диапазоне между экономичным и максимальным режимами работы эргазлифта, нагрузка по газу на ВПА изменялась от 2000 до 2500 м3/ч. Результаты испытаний при различных нагрузках по газу и средней по абсорбенту и озоновоздушной смеси приведены в таблице 2 (вход/выход).

Таблица 2 - Усредненные значения параметров на входе и выходе из ВПА

№№ п/п Наименование параметра Параметр на входе / выходе ВПА

1 Расход дым. газов на ВПА, м3/ч 2000/ 2200 2100/ 2300 2200/ 2400 2300/ 2500 2400/ 2600 2500/ 2700

2 Температура дым. газов, °С 120/50 121/50 120/51 122/53 120/53 122/55

3 Концентрация озона в озоновозд. смеси, г/м3 1,1 1,1 1Д 1,1 1,1 1,1

4 Концентр, озона в дым газах, г/м3 0,1/ 0,0 0,095/ 0,0 0,092/ 0,0 0,088/ 0,0 0,085/ 0,0 0,082/ 0,0

5 Концентрация N0* в дым газах, г/м3 0,35/ 0,08 0,36/ 0,085 0,36/ 0,083 0,35/ 0,085 0,36/ 0,093 0,35/ 0,100

6 Степень очистки после ВПА, дол. 0,770 0,763 0,766 0,757 0,745 0,716

7 Средний КПД котла, % 92,6 92,8 92,8 92,8 92,8 92,8

Экспериментами определено, что действительный расход озона, требуемый для окисления КОх значительно меньше, чем по уравнению (3), подтверждая эффективность очистки при насыщении абсорбента озоном путем многократной рециркуляции. Также установлено, что с увеличением потерь тепла с уходящими газами увеличиваются выбросы ИОх и влаги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследованиях, использовании разработанной математической модели получены следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ существующих методов и технологий нейтрализации оксидов азота, применение которых возможно на судах, и осуществлен выбор наиболее приемлемой технологии.

2. Из анализа механизма процессов окисления кислородом и озоном оксидов азота, абсорбции высших оксидов азота водой, массопередачи при абсорбции, происходящих при очистке продуктов сгорания, установлено, что:

- доокисление оксида азота озоном термодинамически более выгодно, чем доокисление оксида азота кислородом воздуха;

- так как при уменьшении температуры продуктов сгорания константа равновесия реакции доокисления N0* возрастает в несколько тысяч раз, а во влажном газе параллельно с процессами окисления оксида азота озоном происходит образование азотной кислоты, что позволяет удалить Ж)х практически полностью, то для повышения скорости доокисления N0 до N02 следует понижать температуру продуктов сгорания топлива с N0* ниже точки росы;

- скорость абсорбции диоксида азота водой зависит от его концентрации в газовой фазе и температуры, а в условиях конденсации водяных паров процесс образования азотной кислоты протекает со скоростью, превышающей в 10 раз скорость обычной абсорбции;

- при наличии в жидкой фазе озона (до 0,16 об. %), фактическое количество образующейся азотной кислоты в 20 раз больше, чем можно ожидать по реакции, относительная скорость абсорбции увеличивается почти в 2 раза, при наличии в абсорбенте НМ)3 скорость абсорбции также увеличивается, позволяя проводить процесс в значительно меньших объёмах;

- так как охладить продукты сгорания топлива до оптимальной температуры абсорбции, равной 30 - 40 °С, в условиях судовой котельной установки дорого и затруднительно, то конечная температура охлаждения газов для проведения очистки должна быть несколько выше;

- расход озона на окисление оксида азота изменяется в зависимости от принятой к расчету реакции, в связи с чем расход озона следует определять на основании опытных данных и технико-экономическим расчетом;

- так как сопротивление массопередаче при абсорбции оксидов азота водой в жидкой фазе в сотни раз больше сопротивления в газовой фазе, то степень поглощения оксидов азота абсорбцией водой можно увеличить только увеличением плотности орошения путем многократной рециркуляции абсорбента;

- рассматриваемый способ очистки продуктов сгорания, обеспечивающий одновременное проведение процессов окисления NO в Ж>2 в газовой и жидкой фазах и их абсорбцию водой при оптимальных температурном режиме, плотности орошения и одновременную утилизацию тепла и улавливаемых примесей,

. следует проводить в эмульгационно-пленочном трубчатом абсорбере (воздухоподогревателе-абсорбере), в котором можно одновременно проводить эти процессы и осуществлять рециркуляцию абсорбента эргазлифтом.

3. Экспериментальные значения коэффициентов массоотдачи ЭПТА в эмульгационной зоне в 10 раз превышают их величину в пленочной зоне. Эмульгационный режим движения газожидкостной смеси происходит в диапазоне между оптимальной (экономичной) и максимальной нагрузками по газу и жидкости в подъемной трубе эмульгационной секции, устойчивый пленочный режим в трубах пленочной секции происходит в интервале скоростей по газу 1 — 5 м/с при противоточном и прямоточном движении фаз.

4. Зависимости степени очистки продуктов сгорания топлива от N0» и фактора ускорения абсорбции в ЭПТА от удельного расхода озона показывают, что максимальная степень очистки и фактор ускорения достигаются при удельном расходе озона 0,3 - 0,4 (г. озона)/(г. поглощенного NOx).

5. Получена математическая модель для оценки влияния концентрации озона в газах и исходной концентрации оксидов азота на конечную концентрацию оксидов азота, получаемую в результате использования предложенного устройства для очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота.

6. На основании результатов испытаний парового котла ДКВР, оснащенного установкой очистки дымовых газов, можно сделать следующие выводы:

- при охлаждении дымовых газов от 120 °С до температуры ниже точки росы (50 - 70 °С), окислении NOx озоновоздушной смесью и абсорбции полученного диоксида азота питательной водой содержание NOx в уходящих газах уменьшается на 72 - 77 %, температура подаваемого воздуха повышается на 45 - 50 °С, а средний КПД котла увеличивается на 1,0 %;

- осуществление очистки возможно в трех вариантах: 1) очистка части дымовых газов с использованием в качестве хладоагента воздуха; 2) очистка всего потока дымовых газов с использованием в качестве хладоагентов воздуха и питательной воды; 3) очистка всего потока дымовых газов с использованием в качестве хладоагентов воздуха, питательной воды и наружного воздуха;

- для создания установок очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота можно использовать типовое теплообменное оборудование;

- предложенные технические решения по очистке продуктов сгорания судовых дизельных и котельных установок позволяют проводить очистку газов от NOx без использования дорогостоящих и вредных химических реагентов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Защищаемые положения и результаты диссертации опубликованы в следующих научных журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Хачоян, М.М. Исследование эффективности установки для очистки дымовых газов от оксидов азота в присутствии озона / М.М. Хачоян, A.B. Туркин // Журнал университета водных коммуникаций. - 2012. - Вып. 4 (16). - С. 135 -141.

2. Хачоян, М.М. Моделирование влияния озона на процесс очистки дымовых газов от оксидов азота в эмульгационно-пленочном абсорбере / М.М. Хачоян, A.B. Туркин // Эксплуатация морского транспорта. - 2012. - № 4. - С. 65 - 69.

Другие публикации

3. Хачоян, М.М. Методы очистки продуктов сгорания от оксидов азота // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы седьмой региональной научно-технической конф. 29 - 30 сентября 2018 г. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2008. - С. 75 - 77.

4. Хачоян, М.М. Вторичные методы снижения выбросов оксидов азота от судовых энергетических установок / М.М. Хачоян, В.А. Туркин // Труды XVII Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2009». - Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2009. -С. 166-167.

5. Хачоян, М.М. Определение параметров, влияющих на эффективность очистки дымовых газов от оксидов азота // Новое поколение в науке — 2009: Сборник тезисов докладов академической научно-практической конференции курсантов. — Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010. - С. 105 - 106.

6. Хачоян, М.М. Обоснование способов очистки дымовых газов от оксидов азота // Молодая наука - 2009: Материалы IX научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Новороссийск: НПИ КубГТУ,

2009.-С. 127-130.

7. Хачоян, М.М. Обоснование методов, возможных к применению для очистки дымовых газов от оксидов азота / М.М. Хачоян, В.А. Туркин // Труды XVIII Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2010». - Новороссийск: НПИ КубГТУ,

2010.-С. 124-126.

8. Хачоян, М.М. Вторичные методы снижения выбросов оксидов азота от судовых энергетических установок / М.М. Хачоян, В.А. Туркин // Сборник научных трудов. Выпуск 15. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010. -С. 65-67.

9. Хачоян, М.М. Повышение эффективности очистки продуктов сгорания при абсорбции оксидов азота водой // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: Материалы девятой региональной научно-технической конференции 17- 18 декабря 2010 г. -Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2011. - С. 38 - 39.

10. Туркин, В. А. Физико-химические процессы, обеспечивающие абсорбцию водой оксидов азота из дымовых газов / В.А. Туркин, М.М. Хачоян И Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: Материалы девятой региональной научно-технической конференции 17 - 18 декабря 2010 г. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2011. - С. 39 - 40.

11 . Хачоян, М.М. Механизм химических процессов окисления оксидов азота и абсорбции их водой при очистке дымовых газов / М.М. Хачоян,

B.А. Туркин // Труды XIX Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2011». -Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2011.-С. 105-106.

12 .Хачоян, М.М. Экспериментальная установка для исследования процесса абсорбции оксида азота из продуктов сгорания судового топлива / М.М. Хачоян, В.А. Туркин // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы десятой региональной научно-технической конф. 16 - 17 декабря 2011 г. - Новороссийск: ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2012.-С. 33-35.

13. Хачоян, М.М. Исследование эффективности очистки дымовых газов от оксидов азота в присутствии озона / ММ. Хачоян, В.А. Туркин // Сборник научных трудов. Выпуск 16. - Новороссийск: ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2012. -

C. 139-141.

14. Хачоян, М.М. Исследование установки для очистки дымовых газов от оксидов азота / М.М. Хачоян, В.А. Туркин // Труды XX Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии - 2012». - Новороссийск: НПИ КубГТУ, 2012. - С. 97 - 98.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 2654. Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93