авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Метод повышения эффективности некаталитической очистки отработавших газов судовых дизелей от оксидов азота с использованием карбамида

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ОКУНЕВ Василий Николаевич

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ОТ

ОКСИДОВ АЗОТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРБАМИДА

Специальность 05.08.05 – «Судовые энергетические установки

и их элементы (главные и вспомогательные)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

ИВАНЧЕНКО Александр Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЛОЖКИН Владимир Николаевич

кандидат технических наук АВДЕВИН Дмитрий Евгеньевич

Ведущая организация: Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова

Защита состоится 22 декабря 2009 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций» по адресу: 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд. 235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Автореферат разослан « 20 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.009.04

доктор технических наук, профессор В. Л. ЕРОФЕЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Задачи обеспечения охраны окружающей природной среды в последние два десятилетия выдвинулись в число важнейших, которые необходимо решить человечеству.

Особое внимание мировой общественностью уделяется проблеме предотвращения загрязнения атмосферного воздуха. Охрана его от вредного воздействия различных факторов регламентируется Конституцией Российской Федерации (РФ) и Федеральным законом «Об охране атмосферного воздуха» от 4 мая 1999 г. № 96-ФЗ.

Основную роль в загрязнении воздушного бассейна транспортным флотом играют выбросы вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) главных и вспомогательных двигателей, в качестве которых в подавляющем большинстве используются дизели.

Экологические характеристики дизельных двигателей определяются главным образом содержанием в продуктах сгорания оксидов азота NOx, которые по индексу токсичности значительно превосходят другие вредные компоненты ОГ.

Выбросы оксидов азота с ОГ судовых дизелей в нашей стране регламентируются ГОСТ Р 51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения», отвечающим в части касающейся выбросов оксидов азота требованиям Правила 13 Приложения VI к Международной конвенции MARPOL 73/78 «Предотвращение загрязнения воздушного бассейна с судов» (далее Приложение VI).

Несмотря на то, что Приложение VI вступило в силу в мае 2005 г., на 2011 г. планами Международной морской организации IMO (далее IMO) предусмотрено дальнейшее ужесточение действующих норм выбросов оксидов азота на 20 % (уровень Tier II), а с 2016 г. запланировано ужесточение норм в зонах контроля эмиссии оксидов азота (NOx Emission Control Area – NECA) на 80 % (уровень Tier III). При этом IMO планирует включить Балтийское море в зону контроля эмиссии оксидов азота NECA, что потребует принятия незамедлительных мер по обеспечению новых требований.





Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена необходимостью обеспечения действующего природоохранного законодательства в отношении выбросов оксидов азота NOx с отработавшими газами судовых дизелей.

Цель работы. Разработка метода повышения эффективности технологии селективного некаталитического восстановления оксидов азота (СНКВ-технологии) при ее реализации в судовых системах нейтрализации вредных выбросов.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Выполнить анализ апробированных на практике методов реализации СНКВ-технологии при ее использовании в системах нейтрализации вредных выбросов энергетических установок (ЭУ);
  2. Разработать математическую модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора;
  3. Провести расчетно-теоретические исследования условий восстановления оксидов азота при реализации СНКВ-технологии;
  4. Создать опытный СНКВ-нейтрализатор, позволяющий проводить экспериментальные исследования условий восстановления NOх;
  5. Провести экспериментальную проверку предлагаемого метода повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале ОГ;
  6. Разработать рекомендации по проектированию судовых систем нейтрализации вредных выбросов;
  7. Провести оценку экономического эффекта внедрения предлагаемых мероприятий, обусловленного предотвращением экономического ущерба, причиняемого выбросами оксидов азота с ОГ судовых дизельных установок.

Объект исследований. Судовые главные и вспомогательные двигатели, а также системы и устройства, обеспечивающие экологическую безопасность их функционирования.

Предмет исследований. Процессы, протекающие в системе нейтрализации оксидов азота в ОГ судовых главных и вспомогательных дизельных установок.

Методологической основой и теоретической базой являются отечественные и зарубежные исследования в области селективной некаталитической очистки ОГ ЭУ от оксидов азота, основные положения термодинамики, теории ДВС, методы теории планирования экспериментов, математической статистики и моделирования, пакеты прикладных программ Excel-7, Statistika-6, Mathcad 13.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечены многоэтапным рассмотрением проблемы, применением известных методов системного и логического анализа и синтеза, общепризнанного математического инструментария, а также подтверждены результатами проведенных экспериментальных исследований.

Научная новизна исследования заключается в следующих результатах, выносимых автором на защиту:

  1. Метод повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале отработавших газов;
  2. Математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора;
  3. Впервые полученные экспериментальные результаты по работе опытного устройства некаталитической нейтрализации оксидов азота с вводом восстановителя в виде парогазовой смеси;
  4. Общие технические требования к судовым системам нейтрализации, реализующим СНКВ-технологию с вводом восстановителя в виде парогазовой смеси.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цель и задачи исследований, разработан метод повышения эффективности СНКВ-технологии, разработаны математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота и методики проведения экспериментальных исследований, создана экспериментальная установка, проведены расчетные и экспериментальные исследования условий восстановления оксидов азота в СНКВ-нейтрализаторе, выполнены анализ и обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы заключается в получении экспериментальных результатов и теоретических наработок, способствующих решению задач проектирования и повышения эффективности судовых систем нейтрализации оксидов азота, которые могут быть использованы судоходными компаниями, эксплуатирующими суда морского, речного и рыбопромыслового флота, а так же проектными и научными организациями, работающими над созданием энергетических установок новых судов. Разработанный новый метод повышения эффективности селективного некаталитического восстановления оксидов азота, предусматривающий использование в качестве восстановителя продуктов термодеструкции и гидролиза карбамида позволяет повысить эффективность процесса очистки в расширенном температурном интервале ОГ. Предложенные в диссертационной работе технологические разработки могут иметь существенное значение для экономики страны, обусловленное предотвращением экономического ущерба, причиняемого выбросами вредных веществ с ОГ судовых дизельных установок.

Реализация результатов работы. Результаты анализа, выполненного автором, выводы и рекомендации нашли практическое применение при выполнении научно-исследовательской работы по заказу Российского морского регистра судоходства «Разработка методов контроля и освидетельствования устройств по снижению выбросов окислов серы (SОx) судовых энергетических установок», в учебном процессе в ходе курсового и дипломного проектирования студентов, обучающихся по специальностям 180103.65 «Судовые энергетические установки» и 180403.65 «Эксплуатация судовых энергетических установок».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах, в том числе международных, а именно: на 1-м Международном научно-техническом семинаре СПГУВК «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на Научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК (Санкт-Петербург, 2006 г.), на 2-м Международном научно-техническом семинаре СПГУВК «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС», приуроченном к 100-летию со дня рождения З. А. Хандова (Санкт-Петербург, 2008 г.), на Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 200-летию транспортного образования в России «Водный транспорт России: история и современность» (Санкт-Петербург, 2009 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 112 отечественных и зарубежных работ, и двух приложений. Включает в себя 195 страниц текста, в том числе 40 рисунков, 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрена роль водного транспорта в загрязнении воздушного бассейна, проведен анализ современных требований к экологическим показателям судовых дизельных установок, представлена общая характеристика парка судовых дизелей, выполнен анализ современных и перспективных технологий очистки ОГ дизелей от оксидов азота.

На необходимость контроля и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу направлены Закон «Об охране атмосферного воздуха», Закон «О техническом регулировании» и Постановление Правительства РФ № 83 от 06.02.2002 г. «О проведении регулярных проверок транспортных и иных передвижных средств на соответствие техническим нормативам выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух», обязывающие судовладельцев обеспечивать нормативные показатели, характеризующие экологические качества судовых дизелей.

В свете предстоящего ужесточения норм общепризнано, что решение проблемы предотвращения загрязнения воздушного бассейна выбросами оксидов азота NOx с ОГ судовых дизельных установок (ДУ) связано, прежде всего, с созданием высокоэффективных технологий нейтрализации NOx на выпуске из ДУ, и это в полной мере относится как к строящимся судам, так и к судам, находящимся в эксплуатации.

В мировой практике для сокращения выбросов NOx с ОГ энергетических установок СНКВ-технология является второй по распространенности после селективного каталитического восстановления. Отличительной особенностью указанной технологии является способность к избирательному взаимодействию с NOx и высокая эффективность очистки газов (порядка 80 – 90 %).

В то же время указанная технология обладает существенным недостатком, который ограничивает область ее применения на транспорте, а именно – эффективная очистка ОГ в реализованных на практике установках нейтрализации NOx обеспечивается в относительно узком температурном интервале 900 – 1200 °С. К тому же наиболее часто используемым восстановителем является аммиак NH3, токсичность, пожаро- и взрывоопасность которого требует принятия специальных мер при его хранении и транспортировке к реактору нейтрализатора.

Вследствие того, что температура ОГ в системе газовыпуска судовых дизелей находится, как правило, в пределах 300 – 700 °С, успешная реализация СНКВ-технологии в судовых системах нейтрализации требует разработки определенных технологических методов, позволяющих сдвинуть нижнюю границу температурного интервала технологии до 300 °С, либо установки специальных устройств для нагревания ОГ.

Проведенный анализ специальной литературы, посвященной вопросам реализации СНКВ-технологии на ТЭС и промышленных объектах показал, что принципиальная возможность сдвига нижней границы температурного интервала технологии существует, и в первую очередь она связана с видом и способом подачи применяемого восстановителя.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу методов повышения эффективности СНКВ-технологии, позволяющих применять рассматриваемую технологию в судовых системах нейтрализации. Рассмотрены основные положения современной теории селективной некаталитической очистки ОГ ЭУ от оксидов азота.

Разработана математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора, позволяющая без проведения натурного эксперимента изучать влияние различных факторов на эффективность протекания процессов восстановления NOx. Кроме того, сформулированы требования к оптимальным условиям протекания физических и химических процессов в реакторе СНКВ-нейтрализатора.

Анализ работ Ходакова Ю. С., Кулиш О. Н., Саловой Т. Ю., Фенимора К., Боумана Б., Лайона Р., посвященных вопросам СНКВ-очистки ОГ от оксидов азота показал, что основным направлением работ по совершенствованию СНКВ-процесса до последнего времени являлась оптимизация качества раздачи восстановителя, а также разрабатывались методы, позволяющие расширить температурное «окно» процесса. К этим методам можно отнести:

– введение в реакционную зону наряду с восстановителем (аммиаком, карбамидом) других реагентов (инициаторов), позволяющих существенно расширить температурные пределы процесса и повысить эффективность СНКВ-очистки;

– рециркуляция части очищенных в СНКВ-реакторе ОГ (содержащих в своем составе активные радикалы) в начало реакционного процесса, что увеличивает скорость протекания реакций восстановления NOx в реакторе и снижает проскок восстановителя.

Оба указанных метода позволяют сместить нижнюю границу температурного «окна» процесса до 300 °С, и таким образом обеспечить возможность применения СНКВ-технологии в системах нейтрализации вредных выбросов судовых дизелей. При этом недостатком первого метода является потребность в дополнительных эксплуатационных издержках на приобретение расходных материалов – инициаторов восстановления NOx. Второй метод не требует применения дополнительных реагентов и относительно прост в конструктивном исполнении, однако сведения о его эффективности при реализации с использованием в качестве восстановителя карбамида носят противоречивый характер. Руководствуясь принципами минимизации экологической опасности и стремлением к снижению эксплуатационных издержек, в качестве восстановителя в судовой системе нейтрализации, реализующей СНКВ-технологию, принято решение использовать карбамид CO(NH2)2, подверженный термодеструкции.

С целью аналитической проверки возможности проведения СНКВ-очистки при температурах ОГ в пределах 300 – 700 °С была разработана вычислительная модель для исследования условий протекания селективного некаталитического восстановления оксида азота NO в реакторе нейтрализатора. В основу разработанной модели положено описание химического состава ОГ в течение всего времени их нахождения в реакторе нейтрализатора. В этом плане подходы к описанию химических процессов позаимствованы из математической модели процесса образования вредных веществ при сгорании углеводородных топлив ЦНИДИ - ИФ АН Литовской ССР, разработанной В. Смайлисом и Э. Нашленасом.

Сущность разработанной модели заключается в рассмотрении кинетики химических реакций компонентов ОГ в реакторе с участием аммиака, являющегося продуктом термодеструкции и гидролиза карбамида. Изменяя определенным образом исходные данные для модели, например, параметры начального состояния, количество и химический состав ОГ, модельный процесс можно приблизить к реально протекающему в реакторе нейтрализатора. Благодаря этому стало возможным исследовать влияние различных факторов на эффективность восстановления NO, не прибегая к проведению натурного эксперимента.

Расчет химического состава ОГ на выходе из реактора нейтрализатора проводился путем решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), составленных из соответствующих уравнений химической кинетики. В целях упрощения модели, из множества возможных химических реакций, протекающих при СНКВ-очистке, были выбраны две следующие элементарные реакции:

, (1)

. (2)

Выбор указанных реакций сделан с учетом того, что на практике слишком большое число элементарных реакций усложняет математическое описание процесса, затрудняет проведение расчетов и не приводит к повышению их надежности из-за недостаточной точности определения кинетических констант для большинства элементарных реакций. Поэтому было принято решение пойти по пути сокращения числа элементарных реакций, исключив быстрые стадии, не лимитирующие высокотемпературный СНКВ-процесс.

Система дифференциальных уравнений для определения количества химических компонентов была составлена на основе закона действующих масс:

, (3)

где – количество моль j-того вещества;

Wi – скорость i-той реакции;

V – объем реактора;

M – полное число молей;

ai – коэффициенты.

Скорости химических реакций рассчитывали по формуле:

, (4)

где ki – константы скорости в i-той реакции;

ri, si, – индексы компонентов, участвующих в i-той реакции;

Ui – показатель порядка i-той реакции.

Константы скоростей химических реакций определялись по формуле:

, (5)

где Ai – предэкспоненциальный множитель;

Ei – энергия активации;

R – универсальная газовая постоянная;



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.