🟢Снижение выбросов соединений NOx - Третий этап
План по ограничению выбросов соединений NOx можно увидеть на Рисунке 1. Ограничения по выбросам регламентируются шестой главой Международной Конвенции МАРПОЛ. Смысл ограничений третьего этапа заключается в том, что суда, заложенные (дата укладки киля) после первого Января 2016-го года, следующие в зоне ограничения выбросов (ECA - emission control area), должны соответствовать требованиям третьего этапа снижения выбросов NOx. Если такое судно следует за пределами зоны ограничения выбросов, оно должно выполнять требования второго этапа.
Что за лимиты? Например, по графику, если номинальная частота вращения коленвала двигателя 1800 оборотов в минуту, то ограничение будет на уровне 2 грамм на килоВатт в час для третьего этапа и примерно 8 грамм на килоВатт в час для второго этапа.
🟢Как достичь снижения вредных выбросов?
"МАН Дизель и Турбо" предлагают нам два пути:
1 - Рециркуляция отработавших газов (EGR - exhaust gas recirculation), что подразумевает отвод части отработавших газиков, их охлаждение и последующее перенаправление в цилиндры двигателя. Повторно.
2- Каталитическое дожигание вредных для нашей зелено-голубой планеты соединений в специальных реакторах в присутствии катализатора. (SCR - selective catalytic reduction)
Но уже на этом этапе имеется одна оговорка. Эти методы разработаны для топлива с содержанием серы 0,1% или ниже. Если же есть желание использовать топливо с большим содержанием серы, то, придется пользоваться другими устройствами, скрабберами, например.
🟢EGR - рециркуляция отработавших газов
Начнем с того, что, не смотря на то, что часть газов уходит в выхлопной коллектор, рециркуляция остальной части позволяет существенно снизить выбросы NOx.
Как это работает?
Дело в том, что рециркуляция нарушает сам механизм образования соединений NOx. Разбавление продувочного воздуха охлажденными выпускными газами снижает в свежем заряде содержание кислорода и повышает содержание углекислого газа. Углекислый газ гораздо более интенсивно поглощает тепло, поэтому при очередном впрыске топлива пиковая температура будет значительно ниже.
И это фундамент, так как соединения NOx образуются при высокой температуре. Нет высокой температуры - нет соединений NOx. Поэтому для рециркуляции нужна лишь часть газов, а остальное покидает выпускной тракт двигателя беспрепятственно.
А еще, зависимость степени снижения выбросов от концентрации выпускных газов в свежем заряде практически линейная.
Принцип, надеюсь, понятен. Но "в железе" есть вопросы. Дело в том, что в системе газовыпуска имеется турбокомпрессор, без которого никак. Двухтактные крейцкопфные двигатели работают только с наддувом, а полноценно заменить турбокомпрессор вентилятором с электропроводом - экономически накладно.
"МАН Дизель и Турбо" снова предлагает два пути развития технологии:
1- Система рециркуляции с возможностью байпасирования части газов. Подойдет для двигателей с диаметром цилиндров 700 миллиметров или менее, оснащенных одним турбокомпрессором.
2- Система рециркуляции с двумя или более компрессорами и возможностью отсекания одного из них. Для двигателей с диаметром цилиндров 800 миллиметров и более.
Касательно схемы на Рисунке 1. WMC - water mist catcher - уловитель влаги, ERG cooler - охладитель, EGR blower - вентилятор.
В варианте на Рисунке 1 имеем две ярко выраженные линии для хода газов. Основная линия отвода газов (Main string) направляет "выхлоп" в турбокомпрессор, а еще есть обводная линия (EGB - exhaust gas by-pass), что выпускают газы напрямую в выхлопной коллектор мимо ТГК (газо- турбокомпрессор).
Рециркуляционная линия (EGR string) проводит газы через предварительный охладитель (Pre-spray), в котором газы вступают в контакт с водой, сильно при этом теряя в температуре, затем проходят через основной охладитель (предположительно трубчатый), затем через сепаратор влаги и, специальным вентилятором, направляются в продувочный ресивер.
Кстати, через EGR ветку может проходить до 40% всех выпускных газов.
🟢Режимы работы.
Доступно два режима :Tier II и Tier III ( Этап 2 и Этап 3, соответственно). Зачем?
Дело в том, что Третий этап применим пока только к зонам с ограничениями выбросов, а за их пределами действует только второй. Этап 3 более сложен и энергозатратен, так что, если нет необходимости на нем работать - то и не нужно.
🟢Tier II (Этап 2)
На этом режиме можно работать за пределами зон ограничения выбросов (NOx ECA). В работе будет только основная линия, газы будут идти только на турбину, а EGR ветка будет перекрыта. На больших нагрузках обводной клапан (EGB) может открываться, чтобы не допустить помпажа турбокомпрессора.
🟢Tier III (Этап 3)
Режим защиты окружающей среды активирован. Газы идут в том числе и через линию EGR, а соотношение свежего воздуха и отработавших газов регулируется частотой вращения импеллера вентилятора EGR blower.
В верхней части Рисунка 5 показана модель поведения клапанов системы для двигателей с диаметром цилиндров от 450 до 700 миллиметров, в в нижней части для диаметров менее или равных 450 миллиметрам.
Причем, расписано поведение клапанов для различных режимов: от 25% до 100% MCR (Maximum continuous ratio - Максимальная длительная мощность, то есть мощность, что двигатель способен выдавать длительно и устойчиво).
В этой схеме уже три линии: основная - к турбокомпрессору, на EGR и отсекаемая (выводит из работы один турбокомпрессор). Заметь, что на схеме основной компрессор больше отсекаемого. Он способен выдавать до 70% от номинального потребления наддувочного воздуха.
Маленький турбокомпрессор способен покрывать до 40% потребления воздуха и направляет его по линии обработки рециркулирующих отработавших газов.
Линия EGR отводит из выпускного коллектора до 40% выхлопных газов и ведет их через предварительных охладитель (распылители воды), затем в трубчатый (или иной) охладитель, уловитель влаги и в вентилятор, что напрессовывает эту смесь в продувочный ресивер.
На больших двигателях количество турбокомпрессоров может быть большим, ровно как и веток рециркуляции выпускных газов.
Количество режимов работы для этой схемы уже три, причем два из них такие-же как и для предыдущей схемы, а третий подразумевает отсечение одной турбины в режиме Tier II. Это если придется ехать медленно за пределами зоны ECA.
🟢Как это может выглядеть " в металле"?
На рисунке 8: Pre-spray - зона предварительного охлаждения распыленной водой, Inlet - патрубок входа, ERG coolers - основной охладитель, Outlet - выходной патрубок, WMC - уловитель влаги.
Как видно, все это довольно компактно, а, следовательно, не очень удобно в обслуживании, а оно точно понадобится.
Камера предварительного охлаждения нужна для первоначального снижения температуры газов, что продляет жизнь основному теплообменнику и поддерживает его в чистоте, все-таки вода.
В топливе присутствует сера, на чем бы мы не ездили, а при смешивании с водой продуктов горения серосодержащего топлива неизбежно будет образовываться серная кислота. И по этой причине все это должно быть выполнено из нержавеющей стали.
А еще тут противопоказано использовать забортную возу, так как при этом появится еще и электролитическая коррозия и нержавейка тут не спасет.
Кстати, по такому типу коррозии я уже делал видео, вот тебе ссылка:
🟢Что там с водой?
Если есть уловитель влаги, значит, она присутствует в нагнетаемой смеси на финальном этапе подготовки. А это означает, что с этой водой что-то нужно делать.
В системе предусмотрено устройство для обработки такой воды (WHR - water handling unit), в котором вода подвергается очистке, а затем перенаправляется в распылители снова и снова. Частично она, конечно, испаряется и уносится в цилиндры, так что, периодически танк с этой водой придется пополнять.
На Рисунке 8: EGR shut down valve - клапан перекрытия системы EGR, Cut out T/C - клапан перекрытия турбокомпрессора, EGR inlet pipe & pre-spray - патрубок входа в систему EGR и камера предварительного охлаждения, EGR cooler - основной холодильник, EGR blower - вентилятор, Water mist catcher - уловитель влаги, EGR outlet pipe - выходной патрубок, Inlet to mixing chamber - патрубок входа в смесительную камеру (там встречаются потоки воздуха с турбокомпрессора и газы с системы EGR), Receiving tank - танк охлаждающей воды.
🟢Вода.
В системе для охлаждения и очистки газов (чтобы те не повредили двигатель) используется пресная вода. Совершенно ясно, что при условии рециркуляции этой воды она довольно быстро потеряет свои свойства. Для очистки воды перед ее повторным использованием имеется установка очистки WHS (water handling system).
Задачи системе очистки ставят тривиальные:
- очистить воду от твердых частиц
- нейтрализовать кислотность
- подать обработанную воду в охладитель с заданным давлением
- поддерживать заданный проток через охладитель
На Рисунке 11: EGR unit - система рециркуляции газов, Pre-spray - зона предварительного охлаждения, Cooler spray - основной холодильник, RTU - танк охлаждающей воды, Circulation pump - циркуляционный насос, NaOH pump - щелочной насос, Supply pump - питательный насос, Buffer tank - расширительная цистерна, WTU - устройство очистки воды, Drain tank - дренажный танк, Sludge tank - танк шлама.
Работает это все достаточно просто.
- Вода из танка охлаждающей воды с помощью циркуляционного насоса циркулирует через систему рециркуляции выпускных газов и дренируется обратно в танк охлаждающей воды.
- Часть этой воды отводится на станцию очистки воды, откуда она возвращается в циркуляционный контур посредством питательного насоса.
- По пути обратно в систему кислотность воды нейтрализуется гидрооксидом натрия, что подается в систему специальным насосом.
- Излишки воды (если имеются) отводятся в дренажный танк.
- Продукты очистки (шлам) собираются в специальном танке.
Что там по воде, что отводится из системы как избыточная? Она после очистки отводится за борт, при условии, что такой сброс разрешен. Если не разрешен, собирается и копится, пока судно не покинет зону с ограничениями на сброс.
🟢Поговорим о компонентах?
- Танк с охлаждающей водой
Это сосуд под давлением, уровень в котором поддерживается системой управления и варьируется в зависимости от режима работы. Водородный индекс (pH) тоже контролируется автоматически добавлением в закисленную воду гидрооксида натрия. Обычно это оборудование монтируется на двигатель и является его частью, но, если размеры движка и объем машинного отделения не позволяют сделать именно так, то возможны иные вариации.
- Питательное оборудование.
Насосы. Питательный и щелочной уже не являются частью общей системы и, как пишет источник, должны поставляться верфью отдельно. Даю прогноз, что с этими узлами будет неладно постоянно...
- Станция очистки воды.
Станция обработки - это очистительное оборудование и буферный танк (расширительная цистерна). А еще должны быть приборы контроля, в том числе и качества воды на выходе из системы очистки.
В процессе работы уровень воды в системе может повышаться из-за конденсации влаги, поэтому периодически эту воду нужно из системы выводить. Она должна пройти очистку и может быть отведена за борт. Но если свойства воды даже после очистки не соответствуют требованиям, тогда она отправится в танк для шлама.
Да, тут все собрано по агрегатному лекалу. Система разбита на несколько узлов, что, кстати, очень удобно в эксплуатации.
На Рисунке 14 приведены предварительные габариты установок. Даже самая большая из них, что способна обеспечить работу 78 МегаВаттного двигателя (это большой движок), вмещается на площади 5 квадратных метров. От себя скажу, что в машинном отделении с главной силовой установкой такой мощности точно будет 5 квадратных метров свободного пространства.
- Система управления
Для синхронной работы силовой установки и устройств очистки используется система ERCS (emission reduction control system - система управления снижением выбросов). Она интегрирована в систему управления двигателем, является обязательной для всех двигателей поколения Tier III (Этап 3) и поставляется заводом изготовителем двигателя.
Система управления представлена все той же платой MPC ( multi purpose controller - многофункциональный контроллер), на который можно записать любую необходимую функцию.
Такие платы по своей архитектуре напоминают старые ПК с Windows XP, расположенные на одной плате.
И, да, как и писал ранее, концентрация кислорода контролируется датчиками, а регулируется скоростью вращения вентилятора EGR.
🟢 Предлагаемая схема установки.
Рисунок 15 показывает предлагаемую изготовителем компоновку системы. Все логично: станция обработки воды на одном уровне с системой EGR, что исключает потери на создание давление водяного столба, танк с щелочью на сколько это возможно близко расположен к системе обработки воды, а все дренажные танки, соответственно, внизу.
- Трубопроводы системы обработки воды должны быть выполнены из нержавеющей стали или иного материала, способного удерживать давление 10 бар и противостоять щелочной среде 3-9 рН.
- Танк для NaOH. Гидрооксид натрия - среда коррозионная и вредная, а так же имеет тенденцию к кристаллизации при низких температурах. Емкость для такой жидкости должна с этим справляться.
Материал щелочного танка не должен вступать в реакцию с гидрооксидом натрия. Нержавеющая сталь, некоторые виды пластмасс, полимерные материалы подойдут для такой цели.
Танк должен быть оборудован подогревателем, чтобы поддерживать температуру жидкости на уровне не менее 16 градусов по шкале Цельсия, что исключает кристаллизацию.
А вот с объемом щелочного танка придется потрудиться в отдельности для каждого судна, так как он должен быть рассчитан на определенное время пребывания в зоне ECA.
- Танк для шлама.
Содержимое такого танка - в основном - вода. В ней будут продукты горения топлива и прочие примеси, но более 90% - вода. Отдельного танка для шлама может и не быть, потому что такую субстанцию можно сбрасывать в уже имеющийся танк для шлама. Кстати, водородный индекс сбрасываемого шлама может колебаться от 6 до 9 ( нейтральная среда имеет такой показатель равный 7).
Все!
Пишите свои комментарии!
Все мои проекты в этой ссылке: https://taplink.cc/sharapov_mechanic
Вторая часть статьи. SCR реакторы.
А вот статья по скрубберам: https://dzen.ru/a/ZThn3iJC-0Wc50d9?share_to=link
