Эксплуатация судовых ДВС сопровождается сжиганием углеводородных топлив и выбросом в атмосферу большого количества отработанных газов (ОГ), основную массу которых составляют азот, кислород, двуокись углерода и водяные пары. Наряду с этими безвредными для окружающей среды компонентами ОГ в атмосферу в широком диапазоне нагрузок дизеля выбрасываются также экологически вредные компоненты — вредные выбросы (рис. 8.1).
При этом под вредными выбросами (ВВ) понимают содержащиеся в отработанных газах в небольшом количестве (менее 0,5%) окислы азота, серы и углерода NOx, SOx, СО, а также углеводороды СxНy и твердые частицы С (зола, сажа). Доля NOx и SOx в ОГ составляет более 80% от объема всех вредных выбросов, поэтому задача снижения эмиссии этих компонентов составляет стержень проблемы создания экологически чистых судовых дизелей.
Окись углерода, сажа и углеводороды являются результатом неполного сгорания топлива. В связи с большим избытком воздуха в судовых дизелях их количество невелико по сравнению с высокооборотными автотракторными дизелями и особенно — бензиновыми карбюраторными двигателями. Однако некоторые углеводороды, образующиеся при работе дизелей, например бензапирен, обладают сильными канцерогенными свойствами. Поэтому, несмотря на малую концентрацию, проблема снижения выброса этих компонентов также актуальна.
Образование окислов азота в камере сгорания дизеля обусловлено наличием больших количеств азота, кислорода и высокими температурами в отдельных зонах расслоенного заряда. Образование NOx происходит в зонах топливного факела, где смесь приближается по составу к стехиометрической. Окисление азота начинается при температурах выше 1500 К, а при 2300 К и более реакция протекает достаточно быстро (время реакции 10-2-10-6 с). Азот в топливе также повышает концентрацию NOx в отходящих газах, так как он значительно более активен в химических реакциях окисления по сравнению с атмосферным азотом.
Окислы азота (NOx) по массе составляют 40-80%, по токсичности — 60-95% от всех вредных выбросов. Среди окислов азота NO составляет 90%, NO2 — 10%, но двуокись азота наиболее токсична. При низких температурах NO окисляется в NO2, а после полимеризации превращается в N2O4. В атмосферных условиях присутствие окислов азота образует азотную кислоту (кислотные дожди) и нарушает естественный природный экологический баланс.
Содержание окислов серы SOx) в ОГ обусловлено наличием серы в топливе. При окислении серы в камере сгорания дизеля образуются SO2 и SO3, причем преимущественно SO2 (соотношение 15:1).
Вследствие изменений условий смесеобразования и сгорания топлива в цилиндре дизеля при его работе на различных скоростных и нагрузочных режимах меняется количество выделяемых с отработанными газами вредных компонентов (рис. 8.2). Величина эмиссии вредных компонентов в зависимости от серии, числа цилиндров и уровня форсировки двигателя может существенно отличаться.
Процентное соотношение загрязнения атмосферы азотистыми соединениями следующее: автотранспорт — 15%, морской транспорт — 4%, другие источники — 81%. В связи с возрастающими темпами судоходства и загрязнением моря и атмосферы выбросами с судов тема защиты окружающей среды становится наиболее актуальна.
Для контроля и нормирования вредных выбросов в атмосферу с судов используют понятие их предельно допустимой концентрации (ПДК). Концентрация NO x и SO x в ОГ измеряется в г/(кВт•ч),процентах (%) или промилях (ррт). Удельный выброс — это масса NOx, содержащаяся в ОГ и приходящаяся на один кВт•ч эффективной работы дизеля в режиме испытаний. Содержание твердых частиц принято измерять в миллиграммах на кубический метр газа в нормальных условиях (мг/нм3).
Ужесточение требований к чистоте выхлопа энергетических установок в определенной степени касается и классификационных обществ, осуществляющих наблюдение за постройкой и эксплуатацией судов. В составе Международной морской организации (ИМО) работает комиссия по защите морской среды (МЕРС). Наряду с этим были разработаны и внедрены национальные нормативы по ограничению выбросов от ДВС различного назначения.
Конвенция МАРПОЛ73/78 является основным международным конвенционным документом по предотвращению загрязнения морской среды с судов. Его приложение VI «Правила предотвращения загрязнения атмосферы с судов» содержит основные положения ограничения уровня концентрации вредных выбросов в выпускных газах главных и вспомогательных судовых дизелей. При этом само приложение включает «Технический кодекс контроля выбросов окислов азота с судов». Данное Приложение вступило в силу в мае 2005 г.
В соответствии с Правилом 13 Приложения VI все суда валовой вместимостью 400 т и более, построенные после l января 2000 г. должны пройти освидетельствование и получить Международное свидетельство по предотвращению загрязнения атмосферы (IAPP — International Air Pollution Prevention Certivicate) сроком на пять лет. Дополнительно каждый судовой дизель мощностью 130 кВт и более должен пройти освидетельствование в соответствии с Техническим кодексом и получить Международное свидетельство двигателя по предотвращению загрязнения атмосферы (EIAPP — Engine International Air Pollution Prevention Certificate), которое относится к выбросам оксидов азота и выдается также сроком на пять лет. По истечении срока действия упомянутых документов предусматривается освидетельствование на судне и продление соответствующих документов на следующие пять лет.
Ограничения на эмиссию окислов азота, сформулированные в п. 3 Правила 13 Приложения VI МАРПОЛ 73/78, состоят в том (ИМО Tier-1), что дельный средневзвешенный выброс должен находиться в пределах:
- 17,0 г/(кВт•ч) при n ≤ 130 мин-1;
- 45n-0,2 г/(кВт•ч) при 130 < n ≤ 2000 мин-1;
- 9,8 г /(кВт•ч) при n, равном или более 2000 мин-1, где n — номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя.
Согласно этому документу, контролю подлежат дизельные установки, построенные и установленные на суда с 01.01.2000 г. и имеющие мощность 130 и более кВт. В 2008 г. на заседании Комитета ИМО по защите морской среды были приняты значения предельно допустимых выбросов окислов азота (NOx) для судовых дизелей на ближайшую перспективу.
Для морских судов, киль которых заложен после 01.01.2011 г., нормативы допустимых выбросов NOx на уровне ИМО Tier-2 стали обязательными для судовых двигателей во всем мире, в том числе для двигателей морских судов внутреннего плавания, поскольку с 2010 г. РФ стала стороной Международной конференции по предотвращению выбросов с судов. Действующие нормативы предусматривают снижение выбросов NOx на 16-22% по сравнению с требованиями национального стандарта ГОСТ Р 51249 и нормами ИМО Tier-1, действующими до 01.01.2011 г. (табл. 8.1).
Норма ИМО Tier-3 будет распространяться только на суда, которые заложены после 01.01.2016 г., и будет действовать только в зонах регулируемых выбросов (ЕСА).
Зависимость между частотой вращения двигателя и допустимой величиной NOx (рис. 8.3) объясняется в основном сокращением продолжительности (при возрастании n) высокотемпературной стадии горения топлива, т. е. временем, отводимым на образование окислов азота.
Рекомендованные ИМО нормы выбросов NOx в зависимости от частоты вращения являются односторонним подходом и не учитывают многих факторов. Необходимо отметить, что учесть все требования и дифференцировать нормы в зависимости от степени наддува, степени форсировки по Ре, типа камеры сгорания и т. п. не представляется возможным в связи с неоднозначностью влияния на содержание NOx в ОГ этих факторов и усложнения норм и методов их контроля.
Требования по выполнению предлагаемых норм должны предъявляться судовладельцами к дизелестроительным фирмам-заводам, занимающимся разработкой, проектированием и изготовлением судовых дизелей.
Что касается окислов серы, то Приложение VI (изменения 2008 г.) к Конвенции МАРПОЛ 73/78 запрещает с 01.01.2012 г. в международных и территориальных водах использовать топливо с содержанием серы более 3,5%, а также ограничивает уровень выбросов окислов серы SOx в районах контроля выбросов SOx. (SECA). При нахождении судов в пределах этих районов содержание серы не должно превышать 0,1 % по массе.
К районам контроля выбросов SOx в настоящее время относятся Балтийское море, Северное море, датские проливы и Ла-Манш. Под эти требования также попадают воды 200-мильной зоны от береговой линии США и Канады, а также воды Карибского моря (New SECA). В заявку на получение статуса включены и несколько крупных мировых портов по перегрузке контейнеров.
На судах, использующих различные виды жидкого топлива, система топливоподкачки должна быть полностью промыта ото всех видов топлива с содержанием серы более 0,1% заблаговременно до вхождения в SECA. Время и местонахождение судна после завершения операции по замене вида топлива должны быть записаны в судовом журнале.
Указанные ограничения в пределах районов контроля выбросов SOx вступили в силу с 1 января 2015 г. В связи с этим с 1 января 2010 г. перестало действовать требование к максимальному уровню серы в морском газойле (марки DMA и DMX). Максимальное содержание серы в продаваемом на рынке стран Евросоюза морском обессеренном газойле не должно превышать 0,1%. Содержание серы во всех сортах морского топлива, используемого судами у причалов портов и судами внутреннего плавания, также не должно превышать 0,1%. Это относится к любому топливу, используемому в главных и вспомогательных двигателях и котлах.
В дополнение к ограничению содержания серы Приложение VI устанавливает общие требования к качеству жидкого топлива. Эти требования, записанные в параграфе 1 Правила 18, совпадают с требованиями Международного стандарта ISO 8217/1996.
В Российской Федерации в 2000 г. были введены национальные стандарты и ряд мер по ограничению вредных выбросов в ОГ дизелей различного назначения. Принято Постановление Правительства РФ № 83 от 06.02.2002 г. «О проведении регулярных проверок транспортных и иных передвижных средств на соответствие техническим нормативам выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух». Согласно этому документу, контроль судовых дизелей на предмет ВВ возложен на Российский морского регистр судоходства. Под экологический надзор попадают судовые двигатели мощностью 55 кВт и более, установленные на плавсредства с численностью экипажа более 12 человек и изготовленные с 1980 г. При этом контролю в отработанных газах подлежат NOx, SOx, СН, СО и дымность. Нормы по вредным выбросам для дизелей, установленных после 2000 г., должны соответствовать Приложению VI МК МАРПОЛ 73/78, а нормы для дизелей, установленных в период с 1980 до 2000 г., значительно снижены.
В соответствии с российским стандартом ГОСТ Р 51249-99 для судовых дизелей по NOx приняты те же нормативы, что и в приложении Vl МАРПОЛ 73/78, но дополнительно нормируются выбросы окиси углерода (СО не более 3,0 г/кВт•ч) и углеводородов (СН не более 1,0 г/кВт•ч). Национальный стандарт, в отличие от международных документов, не нормирует выброс окислов серы, что оправдано только для дизелей, работающих на дизельных топливах.
Для проверки соответствия судовых дизелей пределам выбросов NOx в соответствии с Правилом 13 Приложения VI должны применяться испытательные циклы и весовые факторы с использованием метода испытаний и метода расчетов, установленных в Техническом кодексе по NOx (стандартные испытательные циклы регламентированы Международным стандартом ISO 8178-4).
Там же дан перечень стандартных циклов и значения эффективной мощности, номинальной частоты вращения и весовых коэффициентов.
Процедуры по контролю и расчету вредных выбросов, включая и категорию «дымность», представлены также в национальных государственных стандартах: ГОСТ Р 30574-98; ГОСТ Р 51250-99 и ГОСТ Р 52408-2005.
Согласно вышеуказанным документам, в настоящее время каждый судовой дизель, прошедший заводские испытания на предмет вредных выбросов, получает «Технический паспорт на вредные выбросы». В процессе судовой эксплуатации главные и вспомогательные двигатели должны быть подвергнуты переосвидетельствованию по ВВ и экипажи должны пролонгировать технический паспорт.
При ходовом режиме судна, помимо главного двигателя, окислы азота выделяются вспомогательными двигателями (ВДГ) и котельной установкой (ВКУ). Поэтому для судов при оценке общих средних вредных выбросов с отработанными газами на ходу целесообразно учитывать работу вспомогательного оборудования в виде процентной надбавки в размере 3-8%. Более высокие величины относятся к танкерам, оборудованным более мощными котельными установками. Соблюдение вводимых норм должно быть обеспечено метрологически и технологически.
В настоящее время для определения содержания окислов азота в ОГ применяются следующие методы: основанные на химических реакциях; оптические; хроматографические; полярографические; хемилюминесцентные. Наибольшее распространение получили газоанализаторы, основанные на хемилюминесцентном методе вследствие своей простоты, точности и высокой чувствительности. В общем, для контроля качества ОГ должна быть принята единая методика измерения и расчета содержания NOx с использованием газоанализатора точного контроля.
Строгий контроль за выбросами вредных веществ с ОГ судовых дизелей, предложенный международными и региональными органами, будет стимулировать специальные исследования и разработки. В настоящее время действующие законодательства по вредным выбросам морского транспорта во многих регионах часто имеют местный характер.
Литература
Судовые дизельные двигатели. Осипов О. В., Воробьев Б. Н. (2018)
