Экологическая безопасность судовых дизельных энергетических установок, страница 8

Подача воды в камеру сгорания осуществляется либо увлажнением всасывающего воздуха, либо прямым впрыском. В первом случае вода орошает проходящий воздух, а во втором – она впрыскивается вместе с топливом в виде водотопливной эмульсии (ВТЭ) или осуществляется раздельный впрыск: сначала вода, затем топливо, рис. 10.11. Подача воды уменьшает выбросы , и это уменьшение примерно пропорционально количеству воды в топливе. Одновременно с  снижаются дымность ОГ и выход . Таким образом, добавка воды к топливу благоприятно отражается на экологических показателях дизеля. Между тем, использование ВТЭ с содержанием воды до 40% наталкивается на ряд технических трудностей. Главные из них:

- приготовление ВТЭ требуемой дисперсности с размерами частиц воды 1÷2 мкм;

- достижение стабильности ВТЭ. Под стабильностью понимают время расслоения эмульсии. Стабильность на основе дизельного топлива составляет менее одного часа;

- получение ВТЭ с оптимальным содержанием воды в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала;

- появление коррозии и увеличенного износа топливной аппаратуры.

Рис. 10.10. Выбросы  и сажи в зависимости от степени                                          рециркуляции: 1 – ; 2 – сажа

Более перспективным представляется раздельный впрыск воды и топлива через одну форсунку с двумя каналами. На рис. 10.12 показан распылитель такой форсунки фирмы Wartsila. Впрыск воды достигает 60% от цикловой подачи топлива и варьируется блоком управления. Совмещение в одной форсунке двух каналов позволяет отказаться от дополнительного охлаждения распылителя.

Рис. 10.11. Диаграмма впрыска воды и топлива: 1 – вода; 2 – топливо

Очистка ОГ от вредных компонентов относится к вторичным способам улучшения экологических показателей ДВС. Принцип действия этих способов основан на окислении или восстановлении токсичных компонентов до безвредных в специальных устройствах, которые называются каталитическими нейтрализаторами. В качестве катализаторов используются благородные металлы: родий, титан, платина, ванадий и их оксиды. Нейтрализаторы окислительного типа являются двухкомпонентными. Они  позволяют уменьшать продукты неполного сгорания: оксид углерода (на 40÷90%) и углеводороды (на 30÷80%). Нейтрализаторы восстановительного типа – однокомпонентные, они применяются для снижения в ОГ оксидов азота.

Наибольшее распространение  получили нейтрализаторы, в которых восстановление оксидов азота, состоящих в основном из  и , осуществляется аммиаком. Данный восстановительный процесс, называемый зачастую SCR-процессом (Selective Catalytic Reduction), идет при температуре 300÷400°С по реакциям

,

.

Рис. 10.12. Распылитель форсунки для раздельного впрыска воды и                                    топлива фирмы Wartsila

Суть SCR-процесса заключается в следующем. Отработавшие газы пропускаются через реактор, содержащий несколько слоев катализатора. В реактор подается газообразный аммиак, предварительно  разбавленный воздухом до концентрации, при которой исключается опасность взрыва. Перемешивание  с ОГ происходит до получения однородной смеси в специальном смесителе. Далее смесь газов, проходя через катализатор, подвергается химическому взаимодействию в соответствии с приведенными реакциями. В результате их осуществления получаются безвредные вещества: азот и водяной пар. Объем катализатора или, что то же самое, размеры реактора SCR зависят от химической активности катализатора, требуемой глубины очистки ОГ от  и концентрации . Теоретически можно добиться полной нейтрализации , если строго выдерживать мольные соотношения: : = 1:1 и : = 1:10. Кислород содержится в ОГ в количестве 10÷14%. Практически степень подавления  не превышает 95%. При соотношениях / больше указанного значения может быть достигнута более тщательная очистка ОГ, но в этом случае количество непрореагирующего аммиака растет, что, вообще говоря, недопустимо, поскольку  относится к токсичным реагентам.