Перечислите способы снижения загрязнения с судов топливом

Обновлено: 23.04.2024

Требования Международной морской организации (ИМО) включают снижение объема парниковых газов в судоходстве не менее чем на 50% к 2050 году. При этом главной целью становится достижение, по возможности, нулевых выбросов, над чем упорно работают ученые.

По данным консалтинговой организации в области судоходства и морских технологий Великобритании UMAS, достигнуть поставленных целей можно за счет полного перехода на возобновляемые источники энергии или био-топливо.

Единого решения, подходящего для всех типов судов, не существует. Каждое судно требует индивидуальной проработки. Однако UMAS рассматривает несколько способов снижения выбросов, которые можно внедрить уже сейчас, получив положительный результат.

Из диаграммы видно, что наилучший результат можно достигнуть за счет 1. Оптимизации обводов корпуса – до 13%, 2. Оптимизации грузового пространства – до 24%. 3. Использования энергии ветра – до 30%, 4. Снижения скорости хода – до 34%.

Оптимизация обводов корпуса

Работа в области оптимизации обводов корпуса ведется постоянно. За относительно короткое время в мире было представлено сразу несколько новых корпусных конструкций.

Отдельно можно отметить X-Bow от Ulstein (Норвегия), Axe Bow от Damen (Нидерланды) и Enduro Bow от Nautic (Исландия).

Суда компании Ulstein имеют форму корпуса с перераспределением объема носовой части и существенно уменьшенным развалом бортов. Носовая часть приподнята и обычно включает жилые помещения. К преимуществам данной конструкции относятся: более высокая скорость на маршруте, сниженные вредные выбросы в атмосферу, устранение ударного воздействия при слеминге и ударов волн о носовую оконечность судна, низкие уровни ускорения при качке, увеличенный срок эксплуатации.

Изначально форму носовой части X-Bow имели суда снабжения нефтяных платформ, научно-исследовательские суда. Однако постепенно она приобрела популярность, и недавно компания Ulstein представила на рынок линейку круизных, рыбопромысловых судов и автомобилевозов с формой носа X-Bow.

Четыре экспедиционных судна заказала компания SunStone Ships. Первое экспедиционное судно Greg Mortimer спустили на воду в Китае в марте 2019 года, еще два заказаны для National Geographic.

Конструкция носовой части судна от Damen Axe Bow, характерная для многих проектов компании, буквально прорезает волну. Она отличается вертикальным форштевнем и относительно длинной и продолговатой носовой частью корпуса. Нижняя часть форштевня заглублена, а надводный борт является относительно высоким с небольшим развалом, так что профиль носовой части напоминает топор. Судно с таким носом менее подвержено воздействию волн, чем при носовой части с большим развалом. Благодаря заглублению нижней части форштевня, он не поднимается над уровнем воды, и судно не подвержено слемингу.

Одним из последних примеров судна с носовой частью Axe Bow является экспедиционная яхта La Datcha, построенная для проекта российского предпринимателя Олега Тинькова.

Экспедиционная яхта La Datcha, Amels (Damen)

Ведется работа в области разработки безбалластных судов. Это существенным образом отражается на корпусной конструкции судна. Одним из ярких проектов является концепт сверхкрупного танкера, разработанного классификационным обществом DNV GL, Triality VLCC.

Корпус в виде буквы V исключает процесс закачивания балластной воды, так как эта форма позволяет обеспечить достаточную осадку на нос как в загруженном, так и в пустом судне.

Концепт пока не получил воплощение, но компания DNV GL также разработала проекты безбалластных балкера и автомобилевоза.

Благодаря особой конструкции корпуса в балласте не нуждается газовоз, проект которого разработан конструкторским бюро из Швеции FKAB.

Новый балкер, разработанный европейскими компаниями совместно с японской верфью Oshima Shipbuilding, будет оборудован жестким парусом. Данное судно разработано с целью снижения вредных выбросов в атмосферу и повышения эффективности.

В начале 2019 года компания Becker представила проект ролкера с жесткими парусами (иллюстрация к данной статье). Судно разрабатывается совместно с судоходной компанией Wallenius Marine. Представители Becker заявляют, что использование парусов позволит значительно увеличить показатели энергоэффективности, хотя цифры не называются.

Паруса также будут установлены на новые ролкеры для производителя автомобилей Renault.

Популярным становится оборудование судов роторами Флеттнера.

Одним из ярких примеров является судно класса Ro-Lo E-Ship 1. Оно оборудовано четырьмя вертикально установленными цилиндрами, которые приводятся в движение от основного гребного вала. Их вращение помогает судну идти за счёт эффекта Магнуса - при обтекании вращающегося цилиндра потоком воздуха образуется сила, воздействующая на цилиндр и направленная перпендикулярно движению потока.

В 2018 году ротором Флеттнера оборудовали круизное судно Viking Grace и танкер Maersk Pelican.

Японская транспортная компания Kawasaki Kisen Kaisha устанавливает автоматизированную систему воздушного змея на крупнотоннажный балкер. По предварительным расчетам, выбросы углекислого газа снизятся на 20% в год (5,2 тыс. т).

Снижение скорости хода

По данным независимого исследовательского центра CE Delft, выбросы парникового газа с трех типов судов (контейнеровозы, балкеры и танкеры) могут сократиться на треть за счет снижения скорости их хода.

При снижении скорости судов на 30% объем выбросов в период с 2018 по 2030 гг. сократится на 2,5 гигатонн.

По данным оператора контейнеровозов Maersk Line, большие суда на полном ходу используют ежедневно порядка 320 т топлива, в случае перехода на медленный ход расход падает до 40 т, и получается ежегодная экономия - 27 млн. долл. ежегодно.

В мае 2019 года более 100 компаний, задействованных в морском бизнесе, отправили письменный запрос в Международную морскую организацию об ограничении скорости судов, поскольку "это самый простой способ сократить объем выбросов".

Разумеется, здесь рассмотрены далеко не все способы снижения вредных выбросов. О других способах и решениях продолжайте читать на портале Sudostroenie.info.

Выхлопные газы двигателей состоят в основном из тех же элементов, что и воздух: азот – 76%, кислород – 13%, углекислый газ – 5% и вода – 5%. В сумме это составляет 99% и примерно 1% приходится на окислы азота (NOx) и серы (SOx), углеводороды (СН) и частицы несгоревшего углерода (С – сажа).

Минимизация эмиссии NOx, SOx и СО сегодня является одним из основных задач дизелестроителей и эксплуатационников. Содержание СО прямо пропорционально количеству сжигаемого топлива, и снизить его можно только путем повышения экономичности двигателя.

Согласно современным требованиям конвенции МАРПОЛ, выделен специальный район, в котором допускается использование топлива с содержанием серы не более 1,5% (зона SECA – SOx Emission Control Area, (рис. 12).

Европарламентом принят закон о снижении содержания серы в топливе для судовых дизелей до 0,1%, которые эксплуатируются на территории портов Европейского Союза, начиная с 1 января 2012 года.

Содержание SO, находится в прямой зависимости от содержания серы в топливе, и самый простой путь ее снижения – сжигание в двигателях малосернистых топлив. Однако в настоящее время, когда существует тенденция к увеличению вязкости используемого топлива и, следовательно, содержания в нем серы, альтернативным средством существенного уменьшения содержания серы в выхлопных газах является применение системы водяного скруббинга, разработанной и внедряемой фирмой Wartsila.

Принцип действия такой системы заключается в следующем (рис. 13):

Еще одна схема установки (рис. 14) удаление серы из выхлопных газов при помощи скруббера системы Вяртсиля

Раствор для промывки прокачивается из резервуара (process tank) через охладитель (system cooler) к скрубберу, откуда возвращается обратно самотеком. Щелочь (NaOH) для нейтрализации, образующаяся в выхлопе серной кислоты, поступает в систему с помощью дозирующего насоса. Пополнение резервуара пресной водой необходимо в таком количестве, чтобы компенсировать испаренную или выброшенную влагу.

Небольшая часть отработанной воды, в основном протечки, отводится в нейтрализатор (water treatment), откуда чистая вода идет за борт или в чистый льяльный танк (holding tank).Отличительной чертой установки является то, что она может периодически работать без выброса воды за борт (Zero Discharging Mode). Отложения (sluge), удаленные из воды, поступают в шламовую цистерну и сдаются на берег.

Такой скруббер устанавливается на газовыпускном тракте главного двигателя.(рис. 15. и рис. 16. Скрубберная установка на судне Ро-Рах).

Примерные габариты скрубберной установки для двигателя мощностью 8400 кВт такие: высота – 8,0 м, диаметр – 2,9 м, вес в рабочем состоянии – 13,4 тонны.

Подобные установки нашли применение в промышленных установках в качестве опытных образцов на судах (паром «Victoria I», двигатель «Вяртсиля» WV16V32), но они еще довольно сложны, громоздки и дороги. Их использование сопряжено со значительными капитальными вложениями и большими эксплуатационными расходами, обусловленными усложнением техобслуживания и необходимостью систематического пополнения химических реагентов. Срок службы установки 3-5 лет.

Содержание NOx определяется количеством азота воздуха, окислившегося в процессе сгорания, и зависит, в основном, от температуры в камере сгорания.

По требованию Международной Морской Организации (IMO) содержание NOx не должно превышать:

в малооборотных двигателях – 17 г/кВт.ч;
в среднеоборотных двигателях (500-800 об/мин) –13-12 г/кВт.ч;
в высокооборотных двигателях (1000-1500 об/мин) –11,5-10,5 г/кВт.ч.

Дальнейшее снижение окислов азота на 85-95% может быть достигнуто путем дополнительной очистки выхлопных газов в селективном катализаторе (рис. 17), в котором используется 40% водный раствор безвредной субстанции UREA (мочевина), применяемой в сельском хозяйстве. Она впрыскивается непосредственно в выхлопные газы за ГТН, где соединения азота разлагаются на аммоний и углекислый газ по следующей формуле:

Литература

Курс повышения квалификации судовых механиков - [Николаев 2009]
Авторы - В.С. Михайлов, А.Н. Носовский, А.В. Корниецкий, В.А. Пинчук, А.А. Чуйко

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 NO_x, SO_x, СО, а также углеводороды С_xН_y и твердые частицы С (зола, сажа). Доля NO_x и SO_x 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 NO_x в отходящих газах, так как он значительно более активен в химических реакциях окисления по сравнению с атмосферным азотом.

Окислы азота (NO_x) 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 SO_x) 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 NO_x, 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 NO_x 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 NO_x 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 NO_x (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 NO_x 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 Р_е, типа камеры сгорания и т. п. не представляется возможным в связи с неоднозначностью влияния на содержание NO_x 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 SO_x в районах контроля выбросов SO_x. (SECA). При нахождении судов в пределах этих районов содержание серы не должно превышать 0,1 % по массе.

К районам контроля выбросов SO_x 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 SO_x 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 NO_x, SO_x, 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.

Там же дан перечень стандартных циклов и значения эффективной мощности, номинальной частоты вращения и весовых коэффициентов.

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 NO_x 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.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: