Введение к работе
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 NO„ 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:
Выполнить анализ апробированных на практике методов реализации СНКВ-технологии при ее использовании в системах нейтрализации вредных выбросов энергетических установок (ЭУ);
Разработать математическую модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора;
Провести расчетно-теоретические исследования условий восстановления оксидов азота при реализации СНКВ-технологии;
Создать опытный СНКВ-нейтрализатор, позволяющий проводить экспериментальные исследования условий восстановления NO/,
Провести экспериментальную проверку предлагаемого метода повышения эффективности СНКВ-технологии в расширенном температурном интервале ОГ;
Разработать рекомендации по проектированию судовых систем нейтрализации вредных выбросов;
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;
Математическая модель для расчетных исследований условий восстановления оксидов азота в реакторе СНКВ-нейтрализатора;
Впервые полученные экспериментальные результаты по работе опытного устройства некаталитической нейтрализации оксидов азота с вводом восстановителя в виде парогазовой смеси;
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 (SOx) 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.
