По имеющимся данным эксплуатируемый на территории России транспорт сжигает примерно 110…115 млн т топлива и 12…15 млн т смазочного масла.
При этом в атмосферу выбрасывается около 30 млн т вредных веществ, в том числе:
- 15 млн т окиси углерода,
- 12 млн т окислов азота,
- 2 млн т углеводородов,
- 1 млн т сажи.
На долю судов речного флота приходится 0,8 млн т выбросов в атмосферу при потреблении 6,9 млн т топлива
Несмотря на то, что доля речных судов в выбросах всего транспортного комплекса составляет всего 2,7 %, решением проблемы предотвращения загрязнения атмосферного воздуха от судовых двигателей внутреннего сгорания на речном транспорте занимаются уже давно.
Были созданы и внедрены устройства для приготовления водотопливной эмульсии, разработана и апробирована методика прямого впрыскивания воды в цилиндры двигателя, что существенно снизило количество вредных веществ в отработавших газах. Однако указанные способы снижения вредных выбросов оказались малопригодными для дизелей, работающих на маневровых режимах (швартовка, отход от причала, пуск и прогрев двигателя), из-за опасности попадания воды в масло двигателя. Поэтому мероприятиям, направленным на снижение загрязнения атмосферного воздуха судами, работающими на этих режимах, уделяется особенное внимание. Тем более, что маневровые режимы выполняются на акваториях портов, расположенных в черте населенных пунктов.
Известно, что к основным компонентам вредных выбросов отработавших газов (ОГ) судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) относятся оксиды азота (NOx), диоксид углерода (СО2), угарный газ (СО), диоксид серы (SO2), углеводороды (НС) и твердые сажистые частицы (S).
Практика показала, что наиболее токсичными компонентами ОГ являются оксиды азота. Известно, что их концентрация в ОГ дизеля зависит от конструкции камеры сгорания: низкооборотные двигатели вырабатывают больше NОх, чем среднеоборотные или высокооборотные двигатели. Поэтому допустимое количество NOx для малооборотных дизелей составляет 20 г/кВт·ч, а для среднеоборотных - 10 г/кВт·ч.
До 2000 г. вредные выбросы оксидов углерода и окислов азота дизелей нормировались в соответствии с ГОСТ 24585-81 "Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения". Дымность ОГ определялась и нормировалась в соответствии с ГОСТ 2402В-80 "Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерения". Однако требования этих государственных стандартов распространялись только на заводские стендовые испытания дизелей и не применялись для дизелей в эксплуатации.
С 1 января 2000 г. введен в действие новый государственный стандарт ГОСТ Р 51249-99 "Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения", требования которого допускается распространять на дизели в условиях эксплуатации, в том числе и после капитального ремонта.
Исходя из этого, а также с учетом положений нового Закона "Об охране атмосферного воздуха" № 96-Ф3 от 04.05.99 г. и принятого в сентябре 1997 г. Приложения VI "Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов" к Международной Конвенции МАРПОЛ 73/78 на речном транспорте продолжены и расширены поисковые работы по созданию эффективных средств для снижения загрязнения атмосферного воздуха. Кроме того, Комитет по внутреннему транспорту Европейской экономической комиссии ООН, в работе которого принимают участие представители Минтранса РФ и Российского Речного Регистра, также рассматривает на своих сессиях проблему предотвращения загрязнения атмосферного воздуха. При этом отмечается экологическое преимущество судов по выбросам углеводородной группы по сравнению с поездами и грузовиками. Одновременно отмечено, что количество выбросов оксидов азота и несгоревших углеводородов напрямую зависит от конструкции двигателя, поэтому судовладельцы не могут оказать существенного воздействия на уровни этих выбросов. Учитывая тот фактор, что внедрение двигателей более совершенной конструкции потребует определенного времени, предлагается предусмотреть поэтапное принятие новых предписаний, касающихся адаптации двигателей применительно к новым требованиям.
Отечественные надзорные органы на водном транспорте (Регистр) совместно с профильными научно-исследовательскими институтами создают новую редакцию технических требований к оборудованию и устройствам судов по предотвращению загрязнения атмосферы.
В настоящее время все технические мероприятия, направленные на снижение вредных выбросов ОГ дизелей можно подразделить на три группы:
- совершенствование конструкции дизелей и точная регулировка параметров;
- применение каталитических нейтрализаторов и других средств очистки ОГ;
- улучшение состава топлива.
В свою очередь из мероприятий первой группы можно выделить основные наиболее эффективные:
- изменение угла опережения впрыскивания топлива (его уменьшение приводит к снижению NOx, но влечет за собой увеличение удельного расхода топлива. Так, 10-процентное снижение уровня NOx вызовет дополнительно 2-процентное увеличение расхода топлива);
- управление подачей топлива (для управления началом подачи топлива с целью снижения NOx и концом топливоподачи с целью снижения выбросов сажи перспективно применение электронных топливных систем, которые в настоящее время в отечественном дизелестроении находятся в стадии внедрения);
- изменение степени сжатия (повышение с 13 до 16);
- повышение давления впрыскивания топлива (увеличение числа сопловых отверстий распылителя форсунки с одновременным уменьшением их диаметра приводит к более однородному распыливанию топлива и улучшению смесеобразования, в результате чего содержание NOx падает);
- изменение параметров наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха (уменьшение температуры наддувочного воздуха с одновременным увеличением давления наддувочного воздуха и коэффициента избытка воздуха приводит к снижению выбросов NOx).
Нейтрализация газов путем удаления токсичных составляющих с помощью химических реакций в нейтрализаторе является эффективным способом решения проблемы комплексной очистки отработавших газов, нашедшим широкое применение на автотранспорте. Однако с помощью нейтрализаторов, применяемых для автомобильных дизелей, нельзя решить проблему комплексной очистки ОГ судовых дизелей, так как находящаяся в дизельном топливе даже в малых количествах сера существенно ухудшает надежность и срок службы нейтрализатора. Поэтому в судовых энергоустановках в настоящее время применяются конструкции нейтрализаторов, где в качестве средства для снижения NOx используется аммиак или мочевина. За рубежом для снижения NOx в судовых установках используются системы с впрыскиванием мочевины. Однако эти системы сложны, дорогостоящи (до 15 % стоимости силовой установки) и крупногабаритны, что затрудняет их размещение в машинных отделениях речных судов. Основным конструкционным материалом нейтрализатора и фильтра-катализатора, предлагаемого для судов речного флота, является блочная сотовая высокопористая и термостойкая керамика. Ее важнейшим достоинством считается не только способность улавливания твердых аэрозольных частиц сажи и тяжелых углеводородов (НС) на фильтре при всех режимах работы двигателя, но и способность регенерации и самооочистки в температурном окне работы катализатора (250…450 °С) без существенного ухудшения газодинамического сопротивления. Стендовые испытания макета нейтрализатора показали,что он позволяет снизить концентрацию NOх на 20…30 %, а СО и легких углеводородов на 40…60 %.
В настоящее время готовятся дополнительные испытания в судовых условиях нейтрализаторов конструкции ЦНИДИ и "Эко-нейтраль". Относительная стоимость этих устройств применительно к наиболее распространенным на речном флоте двигателям 6Ч 15/18 и 6Ч 18/22 составляет соответственно 13 и 7 %. Кроме того, указанным нейтрализаторам свойственна простота конструкции и малые габариты, позволяющие свободно размещать их на речных судах всех типов. Проведенные научно-исследовательские изыскания показали, что из всех способов предотвращения образования вредных веществ в дизелях наиболее универсальным является сжигание топлива в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ), причем этот способ хорошо подходит для судовых условий. При работе двигателя на ВТЭ (содержание воды в топливе 15…40 %) в результате улучшения полноты сгорания дымность ОГ снижается в 2…3 раза и на 20…30 % сокращаются выбросы оксидов азота. Однако на холостом ходу и при малых нагрузках дизеля применение ВТЭ создает совокупный отрицательный эффект.
Известно, что все технологии уменьшения NOx связаны с удорожанием стоимости дизелей в изготовлении и некоторым ростом расходов на обслуживание при эксплуатации. По данным научных исследований увеличение стоимости малотоксичной модификации дизеля по сравнению со стоимостью базового дизеля может достигать $10 тыс. Московской государственной академией водного транспорта разрабатываются рекомендации по средствам снижения вредных выбросов с учетом типа судна и основных параметров ДВС, установленных на них.
Учитывая, что по медицинским нормам наибольшими показателями относительной опасности обладают окислы азота (41,1 усл.т/т), сернистый газ (16 усл.т/т) и сажа (41,5 усл.т/т), основные научно-исследовательские работы на речном флоте направлены на снижение выбросов указанных веществ. В частности, для снижения NOx предлагается применение системы частичной рециркуляции ОГ, а для снижения продуктов неполного сгорания топлива - метод каталитической нейтрализации ОГ (фильтр-нейтрализатор). Дооборудование судового двигателя внутреннего сгорания мощностью 100 кВт приводит к его удорожанию на $2 тыс.
Мероприятия, направленные на снижение выбросов в атмосферу судовыми дизелями на речном флоте можно ранжировать в следующем порядке:
Использование трехкомпонентного каталитического нейтрализатора на двигателях, работающих на дизельном топливе (снижение оксидов азота).
Применение водотопливной эмульсии в дизелях, работающих на тяжелом топливе (снижение выбросов продуктов неполного сгорания - оксидов азота).
Десятипроцентная рециркуляция выпускного газа (снижение выбросов оксидов азота приблизительно на 30 % без существенного изменения расхода топлива, но с некоторым возрастанием дымности).
Уменьшение угла опережения подачи топлива (снижение оксидов азота до 10…30 % при незначительном увеличении дымности на 2…5 % и ухудшении экономичности на 4…5 %). Данный способ может быть рекомендован только для судов, работающих в густонаселенных пунктах.
Переход на природный газ (снижение выбросов сажистых частиц в два раза). Применение природного газа совместно с рециркуляцией и использованием нейтрализатора приводит к снижению выбросов оксидов азота примерно в 10 раз и сажистых частиц в 2 раза.
Установка временного ограничителя хода рейки топливного насоса высокого давления (снижение дымности на переходных режимах: максимальной примерно в 2 раза, суммарной на 40 %).
Применение системы частичной рециркуляции (снижение выбросов оксидов азота ОГ) и метода каталитической нейтрализации ОГ фильтром-нейтрализатором (снижение выбросов продуктов неполного сгорания топлива). Это эффективно для двигателей речных судов мощностью 100…200 кВт.
Прямой впрыск воды и другие мероприятия, которые могут быть реализованы в основном на этапе проектирования и изготовления двигателя и его систем. Для существующего парка двигателей этот путь неприемлем из-за существенных финансовых затрат и значительного объема работ, связанных с заменой целых агрегатов и систем.
Следует отметить, что в настоящее время не существует комплексной оценки (или критерия) эффективности методов (средств) улучшения экологических показателей судовых дизелей. Представляется целесообразным в комплексной оценке учитывать стоимость самих устройств и величину предотвращенного ущерба, хотя методы оценки последней недостаточно отработаны.
Имеющиеся методики позволяют сделать только относительные оценки эффективности средств снижения выбросов, поэтому дальнейшей задачей научно-исследовательских организаций и надзорных органов является создание системы комплексной оценки предлагаемых методов и средств улучшения экологических показателей судовых дизелей при их эксплуатации.
Автор: Марина Андерсен, Госречфлот
