Секция Технические науки подсекция 5 (Энергетика)

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ В СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Горбов В.М., профессор, Митенкова В.С., аспирант

Национальный университет кораблестроения, Николаев, Украина

Вредные выбросы с отработавшими газами судовых энергетических установок (СЭУ) представляют серьезную экологическую проблему. Основными компонентами судовой эмиссии являются оксиды азота, углерода, серы, высокомолекулярные ароматические углеводороды и твердые сажистые частицы (табл. 1) [3].

Таблица 1. Выбросы вредных веществ с отходящими газами различными типами судов, т/день

Тип судна (доля данного типа судов в мировом флоте, %)	Твердые частицы	NOх	SOх	Углево-дороды	СО
Автомобилевозы (7,6)	81	960	573	31	74
Балкеры (9,6)	117	1378	832	44	105
Контейенеровозы (48,0)	1201	14243	8490	466	1097
Универсальные (7,3)	66	778	467	25	60
Пассажирские (7,0)	139	1444	1024	39	109
Рефрижераторы (0,5)	9	110	68	4	9
Суда типа Ro-Ro (0,3)	21	252	150	8	19
Танкеры (19,7)	228	2709	1613	89	209
Суммарно (100)	1865	21875	13216	706	1682

Приложением VI к конвенции MARPOL 73/78 IMO регулируется содержание оксидов азота и серы в выхлопных газах судовых дизелей. Согласно Приложению VI допускается наличие 4,5% серных примесей в топливе, допустимый уровень оксидов азота зависит от значения номинальной частоты вращения двигателя. Кроме ограничений, разработанных IMO и носящих глобальный международный характер, существуют законодательные акты местного характера относительно эмиссии парниковых газов СЭУ. Кроме экологической проблемы возникают экономические трудности, связанные со снижением мировых ресурсов нефти.

Одним из экономически приемлемых путей повышения экологической эффективности и энергетической безопасности судов является переход на альтернативные топлива, использование которых обеспечивает сокращение вредных выбросов в окружающую среду судовыми двигателями. Выделяют следующие группы альтернативных топлив:

– эмульсии нефтяных топлив с кислородсодержащими соединениями, такими как спирты, эфиры, вода (по эксплуатационным свойствам близки к традиционным нефтяным топливам);

– синтетические жидкие топлива из органического сырья (ископаемого или возобновляемого), близкие по эксплуатационным характеристикам к нефтяным топливам;

– топлива ненефтяного происхождения, отличающиеся по своим свойствам от традиционных (спирты, сжатый природный газ, сжиженные газы). Использование топлив последней группы требует модификации двигателей и систем хранения топлива.

Наибольшее распространение на данный момент получили водород, метанол, этанол, сжатый и сжиженный природный газ, сжиженный нефтяной газ (смесь пропана и бутана), биодизельное топливо на основе растительных масел и водотопливные эмульсии на основе мазута.

Метанол и этанол из-за высокого октанового числа и детонационной стойкости применяются в бензиновых двигателях как самостоятельное топливо или в смеси с бензином. Цетановые числа спиртов очень низкие, с этим связаны серьезные затруднения их применения в дизельных двигателях.

Водород можно хранить в сжиженном, сжатом виде или в составе специальных металлогидридов (топливных элементах). К преимуществам водорода относятся высокая теплота сгорания, отсутствие в продуктах сгорания оксидов серы и твердых частиц. Его основной недостаток – высокая стоимость получения. Сейчас водород используется как топливо для ракетных двигателей и в некоторых легковых автомобилях. В последнее время проявляется интерес к водороду как к потенциальному топливу для судов. Был реализован проект по использованию водорода на судах. Испытания показали снижение уровня эмиссии парниковых газов [2].

Сжатый природный газ следует хранить в емкостях под давлением из-за низкой точки кипения, баллоны с топливом занимают довольно больший объем, что нежелательно ввиду ограниченности площади машинного отделения на судне. Несмотря на широкое использование в наземном транспорте, использование природного газа в сжатом виде в судовых энергетических установках считается нецелесообразным.

Ряд недавних публикаций свидетельствует о вновь появившемся интересе к угольному топливу в судовой энергетике. Предполагается сжигать уголь в специально сконструированных котлах паротурбинных силовых установок. Путем добавки специальных инертных материалов при сжигании достигается снижение уровня оксидов азота и серы в отходящих газах вне зависимости от сорта сжигаемого угля [6].

Сжиженный нефтяной газ в основном производят из сырого природного газа и при очистке сырой нефти. Он достаточно широко используется как топливо для автотранспорта в ряде стран с развитой сетью заправочных и сервисных станций. Например, в Австралии более 250 тыс. единиц транспорта заправляется сжиженным нефтяным газом [1]. При сжижении объем газа уменьшается в 270 раз, он перевозится на специальных газовозах, как топливо в СЭУ обычно не использовался. Но 2 года тому назад в Испании стартовал проект «Green Fish». Целью проекта является снижение топливных затрат и улучшение экологических характеристик рыболовных судов. Были созданы две модели судовых дизельных двигателей: двухтопливный SDF180TA-SP, работающий на дизтопливе и пропанобутановой смеси, и FPLD180-SP, где используется только сжиженный нефтяной газ. Оба двигателя используются в судовых пропульсивных установках, что позволяет экономить деньги, т. к. сжиженный нефтяной газ дешевле дизтоплива [5].

На судах нашли применение биодизельные топлива [4], водотопливные эмульсии (ВТЭ) на основе тяжелого топлива и сжиженный природный газ (СПГ). Основные преимущества и недостатки данных топлив приведены в таблице 2.

Таблица 2. Анализ характеристик альтернативных топлив, применяемых в СЭУ

Топливо	Преимущества	Недостатки
Биодизель на основе рапсового масла (наиболее распространенное сырье)	– Почти не содержит серы, при его использовании уменьшаются выбросы в атмосферу сернистого ангидрида; – имеет высокую степень биологического разложения за относительно короткий период (за 21 день биологическое разложение составляет 90%, что особенно важно при использовании топлива на судах); – в два раза снижается дымность газов, а концентрация СО, углеводородов и твердых частиц, особенно сажи, уменьшается на 25-50%; – биодизель, как продукт переработки растительного сырья, не содержит полицикличных ароматических углеводородов, особенно бензапирена, канцерогенных веществ; – в связи с большим содержанием кислорода в рапсовом масле, по сравнению с дизельным топливом, для полного сгорания 1 кг биодизеля нужно меньшее количество воздуха; – благодаря высокой температуре вспышки рапсовое масло относят к пожаробезопасным топливам.	– Пониженная теплота сгорания, что приводит к снижению мощности двигателя на 5-16% и увеличению расхода топлива, при этом необходима частая замена топливных фильтров и проведение регламентных работ на форсунках вследствие закоксовывания распылителей; – высокая вязкость, что приводит к ухудшению распыливания, смесеобразования и сгорания в дизеле и является причиной появления отложений на стенках камеры сгорания, быстрого выхода двигателя из строя, а также жировых отложений в каналах топливной аппаратуры;
СПГ	– Использование позволяет значительно уменьшить токсичные выбросы продуктов сгорания (выбросы азота уменьшаются на порядок, практически отсутствуют твердые частицы); – уменьшается абразивный износ топливной аппаратуры; – значительные прогнозируемые запасы сырья	– Необходимость поддерживать низкую температуру в топливных емкостях; –повышение тепловых нагрузок и снижение надежности двигателя; – большее значение коэффициента избытка воздуха, чем для жидких топлив
ВТЭ	– Уменьшается нагарообразование, повышается надежность работы цилиндро-поршневой группы, газовыпускного тракта, топливной аппаратуры, увеличивается срок между очистками топливных фильтров; – с уменьшением температуры выпускных газов снижается теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы, скорость загрязнения смазочного масла; – снижается токсичность отходящих газов	– Наличие в составе СЭУ специальной аппаратуры для приготовления эмульсий; – низкая седиментационная устойчивость (недостаток устраняется при использовании специальных присадок или поверхностно-активных веществ)

Применение альтернативных топлив в судовых энергетических установках позволит снизить зависимость от нефтяных топлив и повысить экологическую эффективность судов. Использование сжиженного природного газа, водотопливных эмульсий и биодизельного топлива в СЭУ уже является реальностью. В ближайшей перспективе – увеличение доли альтернативных топлив в общем объеме и постепенное замещение ими традиционных на флоте мазута и дизельного топлива.

Список литературы

1. Alternative transport fuels // Petroleum Topics. – 1999. – № 3. – P. 78-85.

2. Altmann M., Weinberger M., Weindorf W. Life Cycle Analysis results of fuel cell ships. Recommendations for improving cost effectiveness and reducing environmental impacts: Final report / L-B-Systemtechnik, MTU Friedrichshafen. – FCSHIP G3RD-CT-2002-00823; № DTR-4.5-LBST-05.2004. – Hamburg, 2004. – 58 p.

3. Fournier A. Controlling Air Emission from Marine Vessels: Problems and Opportunities – University of California Santa Barbara, 2006. – 85 p.

4. Langevin A. BioMer Project biodiesel for ships. – Toronto, 2005. – 21 p.

5. New study environmental concerns // Ship and Boat International. – 2007. –№ 2. – P. 11.

6. Sestan A., Parat Z. Development possibilities of modern coal-fired marine propulsion plant // Conference «Maritime Transportation and Exploitation of Ocean and Coastal Resources – Guedes Soares, Garbatov Fonseca (eds)». – London, 2005. – P. 699-704.

Профессор Горбов В.М.

Аспирант Митенкова В.С.