Выхлопные газы двухтопливного двигателя в основном состоят из азота, углекислого газа (CO2) и водяного пара с небольшим количеством угарного газа (СО), оксидов серы (SOx), оксидов азота (NOx), частично прореагировших и несгоревших углеводородов и твердых частиц.
Компоненты выхлопных газов двухтопливного двигателя
Благодаря высокому коэффициенту полезного действия и использованию экологически чистого топлива в режиме работы двухтопливного двигателя на газе, уровень выхлопных газов в рабочем режиме на газе очень низкий. В топливной смеси двухтопливного двигателя отношение воздуха к топливу очень высоко, и воздух равномерно распределен по цилиндрам. Низкие максимальные температуры приводят к образованию небольшого количества оксидов азота (NOx), поскольку тепло, получаемое в процессе воспламенения топлива, используется для нагрева большого количества воздуха. Благодаря использованию бедной топливно-воздушной смеси выбросы NOx от двухтопливного двигателя Wärtsilä 50DF очень низкие и соответствуют существующему законодательству большинства стран. В приведенной ниже таблице представлены примеры стандартных уровней выбросов двухтопливного двигателя 50DF.
Для того чтобы уровень выбросов в режиме работы на газе был низким, необходимо, чтобы количество вспрыскиваемого дизельного топлива было небольшим. В двухтопливных двигателях компании Wärtsilä используется «система микро-впрыска запального топлива» с менее чем 1% дизельного топлива, впрыскиваемого при номинальной нагрузке. Таким образом, выбросы оксидов серы двухтопливного двигателя незначительны. При эксплуатации двигателя в режиме работы на дизельном топливе уровень выбросов соответствует уровню в обычном дизельном двигателе. Двигатель поставляется с сертификатом EIAPP (Международное соглашение о предотвращении загрязнения воздуха от двигателей), свидетельствующим о соответствии существующим нормативам, изложенным в Приложении IV к МАРПОЛ 73/78 (Международная конвенция по предотвращению загрязнений с судов).
Морское законодательство по выбросам выхлопных газов
Международная морская организация (IMO)
Результатом растущей озабоченности относительно загрязнения атмосферы явилось введение в судостроении контроля за уровнем выбросов выхлопных газов. Во избежание роста числа несогласованных нормативов IMO (Международная морская организация) разработала Приложение IV к МАРПОЛ 73/78 , в котором изложен первый ряд нормативов, касающихся выброса выхлопных газов судами.
ПРИЛОЖЕНИЕ IV К MARPOL 73/78 - АТМОСФЕРНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Приложение VI к конвенции MARPOL 73/78 вступило в силу 19 мая 2005 г. Приложение VI устанавливает ограничения на выбросы оксидов азота, оксидов серы и летучих органических соединений с судов и запрещает преднамеренные выбросы озоноразрушающих веществ.
ОКСИДЫ АЗОТА, ВЫБРОСЫ NOX
Федеральные стандарты Tier 1 IMO по уровню выбросов NOx
Норматив 13 «Оксиды азота» Приложения VI к конвенции МАРПОЛ 73/78 касается дизельных двигателей мощностью свыше 130кВт на судах, построенных с 1 января 2000 г. включительно (за дату постройки принята дата установки киля или аналогичная стадия постройки судна). Ограничение по выбросам NOx зависит от частоты вращения двигателя. IMO разработала подробный Технический кодекс по NOx, контролирующий соблюдение данных правил.
Ограничение IMO по выбросам NОx согласно Федеральным стандартам Tier1:
Уровень выбросов NOx – это средневзвешенное значение выбросов NOx при разных нагрузках в соответствии с существующим циклом испытаний для рабочего профиля конкретного двигателя.
Сертификат EIAPP
Сертификат EIAPP (Международное соглашение о предотвращении загрязнения атмосферы от двигателей) прилагается к каждому двигателю и свидетельствует о том, что двигатель соответствует нормативам по уровню выбросов NOx, установленным ИМО.
При испытаниях двигателя на выброс NОx эталонным топливом является морское дизельное топливо (дистиллят); испытания проводятся в соответствии со стандартом ISO 8178 для циклов тестирования. Впоследствии количество выброса NОx должно подсчитываться с учетом различных весовых коэффициентов для различных нагрузок в соответствии со стандартом ISO 8178. Используемые стандарты ISO 8178 для циклов тестирования представлены в приведенной ниже таблице:
Семейства /группы двигателей
Поскольку производители выпускают двигатели, различающиеся по размеру и назначению, Технический кодекс по NOx позволяет объединить двигатели в семейства или группы. Согласно определению, семейство двигателей – это группа двигателей, определенная производителем, которые в силу своей конструкции имеют одинаковые характеристики выбросов выхлопных газов, то есть имеют одинаковые базовые проектные параметры. При проведении тестирования семейства двигателей, выбирается исходный двигатель, который имеет наибольший уровень выбросов. Сертификационные испытания на уровень выбросов проводятся только для него. Прочие двигатели могут быть сертифицированы по контрольным документам, комплектующим, установочным параметрам и т.д., которые доказывают их соответствие с теми же характеристиками исходного двигателя.
Расчетные данные
В соответствие с нормативами IMO для каждого двигателя должен быть заведен Технический журнал. В этом Техническом журнале содержится информация о компонентах двигателя, влияющих на уровень выброса NОx; ответственные детали двигателя имеют специальный номер IMO. В Техническом журнале также указаны допустимые регулировочные значения и параметры для работы двигателя. Сертификат EIAPP является частью Свидетельства IAPP (Международное соглашение о предотвращении загрязнения атмосферы от двигателей) о соответствии судна в целом.
Федеральные стандарты Tier 2 IMO по уровню выбросов оксидов азота (для новых судов, построенных с 2011)
Приложение VI к конвенции MARPOL73/78 и Технический кодекс по NOx были пересмотрены с целью дальнейшего снижения уровня выбросов с судов. В апреле 2008 г. на сессии Комитета по защите морской среды MEPC ИМО были достигнуты договоренности о поправках к федеральным стандартам Tier 2 и Tier 3 ИМО по ограничениям выбросов NOx. Окончательно поправки к федеральным стандартам Tier 2 и Tier 3 были приняты на 58 сессии MEPC/IMO в октябре 2008 г.
Новые федеральные стандарты Tier 2 IMO по уровню выбросов NOx вступят в силу с 1 января 2011 г. и будут касаться всех морских дизельных двигателей с мощностью более 130 кВт на судах, построенных с 1 января 2011 г. (за дату постройки принята дата установки киля). Ограничения на выброс NOx согласно Федеральным стандартам Tier 2 IMO зависят от частоты вращения двигателя.
Ограничения на выброс NОx согласно Федеральным стандартам Tier2 IMO рассчитываются следующим образом:
Уровень выброса NOx - это средневзвешенное значение выбросов NOx при различных нагрузках; цикл тестирования основан на рабочем профиле конкретного двигателя в соответствии со стандартом ISO 8178 для циклов испытаний. Допустимый уровень выброса NOx согласно Федеральному стандарту Tier 2 IMO снизился на 20% в сравнении с действующим в настоящее время федеральным стандартом Tier 1 IMO. Снижение уровня выбросов может быть достигнуто за счет оптимизации двигателя.
Федеральный стандарт Tier 3 IMO по уровню выброса NOx (для судов, построенных с 2016 г. и в особых зонах)
Федеральные стандарты Tier 3 IMO по уровню выбросов NOx вступят в силу с 1 января 2016 г., однако будут применяться уже сейчас в особых зонах. В настоящее время эти зоны не определены IMO. Федеральные стандарты Tier 2 IMO по уровню выбросов NOx будут применяются везде, за исключением особых зон, в которых действуют федеральные стандарты Tier 3. Федеральные стандарты Tier 3 IMO по уровню выбросов NOx не применяются к прогулочным судам длинной менее 24 метров и судам с комбинированной пропульсивной мощностью менее 750 кВт при условии, что судно не может соответствовать требованиям стандарта Tier 3 вследствие его конструктивных ограничений.
Ограничения на выброс NOx согласно Федеральным стандартам Tier 3 IMO зависят от частоты вращения двигателя.
Ограничения на выброс NОx согласно Федеральным стандартам Tier3 IMO рассчитываются следующим образом:
Допустимый уровень выбросов NOx в соответствии с Федеральным стандартом Tier 3 IMO был снижен на 80% в сравнении с применяемым в настоящее время Федеральным стандартом Tier 1 IMO. Снижение уровня выбросов может быть достигнуто за счет вспомогательной системы контроля за уровнем выброса выхлопных газов. На данный момент единственным эффективным способом снизить уровень выбросов NOx на 80% является избирательное каталитическое восстановление (SCR).
Оксиды серы, выбросы SOx
Приложение VI к конвенции MARPOL устанавливает общее ограничение максимального содержания серы 4,5% от общего веса любого топлива, используемого на судне. Приложение VI также содержит положения, позволяющие устанавливать особые Зоны контроля за содержанием SOx в выбросах (SECA) с более строгим контролем выброса серы.
В особых Зонах контроля за содержанием SOx в выбросах (SECA), в которые в настоящий момент включены Балтийское море, Северное море и Ла-Манш, содержание серы в топливе, используемом на судах, не должно превышать 1,5% от общего веса. В зонах SECA содержание серы в топливе, используемом на судах, не должно превышать 1,5% от общего веса. В качестве альтернативы возможно применение системы очистки выхлопных газов для снижения общего выброса оксидов серы вспомогательным и главным пропульсивными двигателями судов до 6,0 г/кВт.ч или менее, подсчитываемого как суммарная масса выброса оксидов серы.
Приложение VI к конвенции MARPOL было пересмотрено с целью дальнейшего снижения уровня выбросов с судов. В апреле 2008 г. на 12-й сессии Комитета по защите морской среды (MEPC) IMO были достигнуты договоренности о новых ограничениях содержания серы в топливе. Окончательно поправки по ограничениям содержания серы в топливе были приняты на 58 сессии Комитета по защите морской среды IMO в октябре 2008 г. Новые ограничения по содержанию серы в топливе, которые будут применяться в будущем, представлены в приведенной ниже таблице:
В качестве альтернативы для топлива с низким содержанием серы разрешено использовать различные очистные технологии, в частности нейтрализаторы топливных компонентов.
Другие законодательные акты
В отдельных регионах действуют другие законодательные акты.
Методы снижения уровня выброса выхлопных газов
Все стандартные двигатели компании Wärtsilä соответствуют существующим нормативам по уровню выбросов NOx, установленным Международной морской организацией (IMO), а также большинству местным нормативов по выбросу выхлопных газов без дополнительных модификаций. Компания Wärtsilä также выработала решения для значительного снижения выброса NОx там, где это требуется.
Выбросы выхлопных газов дизельного двигателя могут быть снижены с помощью основных и добавочных методов. Основные методы ограничивают образование удельной эмиссии в процессе сгорания топлива. Добавочные методы снижают объем компонентов выброса после их образования в процессе прохождения по выхлопной системе.
За информацией о системах контроля за выбросами выхлопных газов обратитесь к «Руководство по средствам защиты окружающей среды компании Wärtsilä».
Литература
Двухтопливные двигатели WARTSILA 50DF руководство по проектированию [2010]
