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.
Выбросы двухтопливного двигателя
Благодаря высокому КПД и чистому топливу, используемому в газовом режиме, выбросы выхлопных газов при работе в газовом режиме чрезвычайно низкие. В двухтопливном двигателе соотношение воздуха к топливу очень высокое и единообразное по всем цилиндрам. Поэтому максимальные температуры и, соответственно, выработка окислов азота, низкие, так как то же самое удельное количество тепла, выделяемое при сгорании, уходит на нагревание значительно большей массы воздуха.
Благодаря такой уникальной особенности сгорания обедненной смеси выбросы окислов азота от двигателя Wärtsilä 34DF очень низки и соответствуют большинству существующих норм. В газовом режиме соблюдаются все самые строгие нормы ММО, EPA и SECA, а в дизельном режиме двухтопливный двигатель работает как стандартный дизель. В следующей таблице приведены некоторые примеры типичного уровня выбросов от двигателя 34DF.
Для достижения низких выбросов при работе на газе очень важно, чтобы количество впрыскиваемого топлива было минимальным. Поэтому в двухтопливных двигателях Wärtsilä DF используется принцип «микро запала», при котором в качестве запального при номинальной нагрузке впрыскивается меньше 1% дизельного топлива.
Поэтому выброс окислов серы от двухтопливного двигателя является незначительным. Когда двигатель работает в дизельном режиме выбросы находятся в одинаковом диапазоне как и от любого стандартного дизеля; двигатель поставляется с сертификатом EIAPP, показывающим соответствие правилам MARPOL Annex VI.
Морское законодательство по выбросам выхлопных газов
Международная морская организация (ММО/IМО)
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 VI к МАРПОЛ 73/78, в котором изложен первый ряд нормативов, касающихся выброса выхлопных газов судами.
Приложение VI к MARPOL - 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
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.
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 IMO.
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. Семейство двигателей представлено своим исходным двигателем, и 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.
Технический журнал
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.
Стандарты IMO по уровню выбросов NOx
Первый стандарт IMO по выбросу окислов азота IMO Tier 1 вступил в силу в 2005 году и относится к морским дизельным двигателям, установленным на судах, построенных после 1 января 2000 года, но до 1 января 2011 года.
Приложение VI к конвенции MARPOL73/78 и Технический кодекс по NOx были затем 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.
Стандарт IMO Tier 2 вступил в силу 01.01.2011 и заменил стандарт IMO Tier 1 по всему миру. Новый стандарт Tier 2 IMO по уровню выбросов NOx вступил в силу с 1 января 2011 г. и касается морских дизельных двигателей на судах, построенных, начиная с 1 января 2011 г.
Стандарт IMO Tier 3 вступит в силу с 1 января 2016 года, но он будет относиться только к определенным районам. Статус района контроля выбросов окислов азота имеет на данный момент только район Североамериканского побережья. Остальные районы будут определены до вступления стандарта в силу. Стандарт IMO Tier 2 будет применяться к районам, не входящим в перечень стандарта Tier 3. Стандарт Tier 3 не применяется к любительским судам менее 24 м и к судам, с общей пропульсивной мощностью менее 750 кВт - этих факторов достаточно для Администрации, чтобы признать, что эти суда не попадают под действие стандарта Tier 3.
Ограничения на выброс NOx согласно стандартам Tier 2 IMO зависят от частоты вращения двигателя. Они показаны на рисунке 13.1.
Стандарт по выбросам NOx IMO Tier 1
Стандарт по выбросам NOx IMO Tier 1 применяется к судам, построенным с 2000 по 2010 год.
Ограничения на выброс NОx согласно стандартам Tier1 IMO рассчитываются следующим образом:
NOx [г/кВтч] = 45 x об/мин-0,2 при 130 < об/мин < 2000
Уровень NOx это средневзвешенное значение выбросов NOx при различных нагрузках, в соответствии с действующим испытательным циклом для конкретного профиля эксплуатации двигателя.
Стандарт по выбросам NOx IMO Tier 2 (новые суда с 2011 года)
Стандарт IMO по выбросу окислов азота IMO Tier 2 вступил в силу с 01.01.2011 года и относится к новым морским дизельным двигателям с мощностью более 130 кВт, установленным на судах, построенных, начиная с 01.01.2011 года.
Ограничения на выброс NОx согласно стандартам Tier2 IMO рассчитываются следующим образом:
NOx [г/кВтч] = 44 x об/мин-0,23 при 130 < об/мин < 2000
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 стандарту Tier 2 IMO снизился на 20% в сравнении со стандартом Tier 1 IMO. Это снижение достигнуто за счет оптимизации двигателей.
Стандарт Tier 3 IMO по уровню выброса NOx (новые суда, вступит в силу в зонах ЕСА)
Стандарт IMO по выбросу окислов азота IMO Tier 3 относится только к новым морским дизельным двигателям с мощностью более 130 кВт, установленным на судах, которые будут построены начиная с 01.01.2016 года и позже, и которые будут эксплуатироваться в определенных районах контроля выбросов (ЕСА).
Ограничения на выброс NОx согласно стандартам Tier3 IMO рассчитываются следующим образом:
NOx [г/кВтч] = 9 x об/мин-0,2 при 130 < об/мин < 2000
Допустимый уровень выбросов NOx в соответствии с стандартом Tier 3 IMO был снижен на 80% в сравнении со 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 МАРПОЛ устанавливает общее ограничение максимального содержания серы в топливе, на настоящий момент он составляет 3,5% (от 01.01.2012) 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, Ла-Манш и прибрежный район Североамериканского побережья (200 морских миль), содержание серы в топливе, используемом на судах, не должно превышать 1% от общего веса. В качестве альтернативы можно применить систему очистки выхлопных газов для снижения общего выброса оксидов серы вспомогательным и главным пропульсивными двигателями судов, 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 местных 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.
В установках с двухтопливным двигателем для понижения выхлопных выбросов при работе в дизельном режиме могут использоваться указанные выше способы. При газовом режиме работы нет необходимости использовать газочистители или селективный катализатор (SCR).
Литература
Двухтопливные двигатели WÄRTSILÄ 34DF проектное руководство
