BADANIE ZASTOSOWANIA KATALIZATORA SPALIN
NA STATKU ŚRÓDLĄDOWYM
SUPLEMENT
AUTOR BADANIA
Dr inż. Wojciech Ignalewski
SZCZECIN, 2016
Wstęp
Analizę i badanie wykonano na potrzeby opracowania technik i technologii ograniczenia emisji szkodliwych substancji do atmosfery emitowanych przez statki śródlądowe. Badanie oparto o zastosowanie instalacji katalizacyjnej, która może stanowić jeden z kierunków dostosowania jednostki do norm emisyjnych w alternatywie do modernizacji i wymiany siłowni statku.
Zastosowano katalizator REDUX jako dodatek do paliw węglowodorowych i substancja czynna zmniejszająca napięcie powierzchniowe węgla powodując całkowite dopalania się sadzy i naftalenów.
Katalizator nie pogarsza własności fizykochemicznych paliwa, zmniejsza emisję cząstek stałych PM (sadzy), węglowodorów HC oraz tlenku węgla CO. Pod wpływem działania następuje zmiana szybkości reakcji łańcuchowej procesu spalania. Stosowany w silnikach napędzanych olejem napędowym powoduje zmniejszenie zużycia paliwa od 4% do 12% w zależności od punktu pracy silnika. REDUX jest katalizatorem selektywnym o przybliżonym wzorze empirycznym: C5H5FeC5H4COCmHn
Badanie zostało poprzedzone wykonaniem prototypowej instalacji dedykowanej dla statku śródlądowego. Jednostką badawczą był pchacz Bizon 0-93 o numerze 08351131 (L=20,89 / B=8,24 / H=4,15). Wyniki z badania zostały wykonane w oparciu o wymagania norm ISO.
Wprowadzenie ograniczeń zawartości siarki w paliwach stosowanych w żegludze na podstawie Załącznika VI do Międzynarodowej konwencji o zapobieganiu zanieczyszczaniu morza przez statki (MARPOL) jest wyzwaniem dla europejskiego środowiska żeglugowego.
W lipcu 2015r., weszło w życie Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej 2015/757 z dnia 29 kwietnia 2015r. w sprawie monitorowania, raportowania i weryfikacji emisji dwutlenku węgla z transportu morskiego oraz zmiany dyrektywy 2009/16/WE, jako pierwszy akt prawa europejskiego obligujący podmioty branży morskiej do stosowania procedur informacyjnych w zakresie emisji CO2. Przedmiotowe Rozporządzenie wejdzie w życie w 2017 roku. W związku z powiązaniem transportu morskiego z żeglugą śródlądową ograniczenia emisji bezpośrednio odnoszą się do tego sektora.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 kwietnia 2014 r. w sprawie szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki zawiera wytyczne do przeprowadzenia badań zawartości dwutlenku węgla oraz tlenku węgla w spalinach silników jednostek śródlądowych. Wartości graniczne emisji zanieczyszczeń gazowych, podawane dla poszczególnych kategorii w zależności od mocy netto, dla silników jednostek śródlądowych, określone są w etapie IIIA.
Zasady przeprowadzonego badania zostały oparte o procedurę i warunki testu NRSC. Cykl testu składa się z ustalonej sekwencji założonych faz prędkości i obciążenia, które powinny pokryć typowy zakres pracy silnika.
Stosowanie instalacji z katalizatorem REDUX wpływa na ograniczenie emisji substancji do atmosfery, podkreślenia wymaga fakt że poziom ich emisji mieści się w przedziale aktualnych i przyszłych norm, które wejdą w życie od 2017 roku.
Wyniki ogólnodostępnych badań laboratoryjnych wykazały, że REDUX charakteryzuje się następującą specyfiką:
- Spadek emisji składnika cząstek stałych (PM) sadza w całym zakresie obciążenia silnika w przedziale 53-73%;
- Spadek emisji nierozpuszczalnej frakcji organicznej (SOF) w przedziale 35-62%;
- Spadek emisji cząstek stałych (PM = S + SOF) w przedziale 40-62%;
- Spadek emisji niespalonych węglowodorów w przedziale 19-40%;
- Spadek emisji tlenku węgla CO przy bardzo niskich obciążeniach o 38% w pozostałych 1-9%;
- Spadek zużycia paliwa w silniku od 4 do 12 % w zależności od punktu pracy silnika;
- Spadek emisji CO o 90% przy prędkości obrotowej 1000 obr/min oraz spadek emisji PM o blisko 74%;
- Spadek emisji węglowodorów HC do 30%
Ponadto zastosowanie katalizatora REDUX wpływa na:
- Zmniejszenie przedostawania się produktów spalania do układu smarowania,
- Brak osadzania się części niespalonych w postaci nagaru w komorze spalania,
- Zwiększenie ilości energii cieplnej (pracy),
- Usuwanie bakterii naftowych,
- Zmniejszenie emisji cząstek stałych (PM) w spalinach.
Elementy instalacji na statku śródlądowym BIZON 0-93
dla REDUX katalizator
- Zbiornik grawitacyjny katalizatora
- Pompa
- Przewód zasilający pompy (230V)
- Czujnik poziomu rezerwy (100ml)
4.1. Przewód przenoszący informację nt. poziomu rezerwy do pompy - Czujnik przepływu
5.1. Przewód przenoszący informację nt. przepływu paliwa do pompy - Wtryskiwacz sprężynowy
- Otulina przewodów
- Zawór motylkowy
- Przewód katalizatora
- Proponowana zabudowa zaworu wraz z przyległymi podzespołami
- Obejma zbiornika katalizatora
Schemat przepływu czynnika roboczego
- Czynnik umieszczany jest z zewnątrz w zbiorniku grawitacyjnym
- Przepływ czynnika przewodem do pompy
- Tłoczenie czynnika przez pompę
- Przepływ czynnika przewodem z pompy do wtryskiwacza
- Wtrysk czynnika do przewodu paliwowego wtryskiwaczem sprężynowym
- Przepływ czynnika przewodem paliwowym wraz z paliwem
SCHEMAT INSTALACJI
ZABUDOWA ZEWNĘTRZNA INSTALACJI
1. Pomiary wykonane bez zastosowania REDUX KATALIZATOR
1.1. Cykl pomiarowy I
1.2 Cykl pomiarowy II
PRÓBA POMIARU PO ZASTOSOWANIU
REDUX KATALIZATOR
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 kwietnia 2014 r. w sprawie szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki zawiera wytyczne do przeprowadzenia badań zawartości dwutlenku węgla oraz tlenku węgla w spalinach silników jednostek śródlądowych.
Wartości graniczne emisji zanieczyszczeń gazowych, podawane dla poszczególnych kategorii w zależności od mocy netto, dla silników jednostek śródlądowych, określone są w etapie IIIA.
Zasady przeprowadzonego badania zostały oparte o procedurę i warunki testu NRSC. Cykl takiego testu składa się z ustalonej sekwencji założonych faz prędkości i obciążenia, które powinny pokryć typowy zakres pracy silnika.
Zgodnie z rozporządzeniem badanie powinno składać się z czterech faz, dla obciążenia:
100%, 75%, 50% i 25%. Ze względu na specyfikę warunków badań – nie były to badania laboratoryjne na hamulcu dynamometrycznym ale badanie zostało przeprowadzone w warunkach rzeczywistych, na pracującej jednostce śródlądowej, przyjęto następujące fazy:
- Faza obciążenia maksymalnego – osiągane i utrzymywane są obroty maksymalne;
- Faza obciążenia średniego – utrzymywana jest wartość 1000 obr./min;
- Faza biegu jałowego – nie jest podawane obciążenie, silnik działa na wolnych obrotach.
| Nr fazy | Obciążenie | Prędkość obrotowa | Współczynnik wagowy |
| 1 | 60% | 1000 | 0,15 |
| 2 | 100% | 1300 | 0,15 |
| 3 | 0% | 500 | 0,7 |
Współczynnik wagowy przyjęto ze względu na czas pracy silnika przy określonym obciążeniu
w normalnym trybie eksploatacji.
Określono stężenie badanego składnika spalin dla każdej fazy.
Rozpoczęcie badań nastąpiło po rozgrzaniu silnika do osiągnięcia stabilizacji wszystkich parametrów (temperatury i ciśnienia) przy określonym obciążeniu. Przepływ spalin przez analizator trwał około 3 minut – do całkowitego ustabilizowania się wyników podawanych na wyświetlaczu analizatora.
W dniu 31.03.2016 oraz w dniach 05.04.2016 do 14.04.2016 przeprowadzono pomiary emisji przed i po zastosowaniu środka – Redux katalizator. Przeprowadzone badanie zostało wykonane w oparciu o dopuszczoną metodykę wykonywania pomiarów w niniejszym rozporządzeniu. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 kwietnia 2014r. w sprawie szczegółowych wymagań dla silników spalinowych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych przez te silniki zawiera wytyczne do przeprowadzenia badań zawartości dwutlenku węgla oraz tlenku węgla w spalinach silników jednostek śródlądowych.
Zasady przeprowadzonego badania zostały oparte o procedurę i warunki testu NRSC. Cykl testu składa się z ustalonej sekwencji założonych faz prędkości i obciążenia, które powinny pokryć typowy zakres pracy silnika. Silniki były zasilane z jednego bunkrowania.
Podstawowe dane układu napędowego jednostki
| Wola 05H6Aa | |
| moc nominalna | PB=139 kW |
| sprawność przeniesienia napędu | ηTR=0,91 |
| obroty nominalne silnika | ns=1500 min-1 |
| przełożenie przekładni | i=4 |
| pędnik Ka4-55 w dyszy 19A | |
| średnica | D=1,26 m |
| współczynnik skoku | P/D=0,778 |
| współczynnik ssania | t=0,2 |
| współczynnik strumienia nadążającego | w=0,3 |
Napęd statku stanowią dwa sześciocylindrowe silniki główne typu 05H6Aa na licencji Wola Henschel, o mocy nominalnej 190KM przy obrotach nominalnych ns=1500 min. Jednostopniowa przekładnia redukcyjno nawrotna Wola 4R-20 daje przełożenie 4:1.
Zgodnie z rozporządzeniem badanie powinno składać się z czterech faz, dla obciążenia:
100%, 75%, 50% i 25%. Ze względu na specyfikę warunków badań – nie były to badania laboratoryjne na hamulcu dynamometrycznym ale badanie zostało przeprowadzone w warunkach rzeczywistych, na pracującej jednostce śródlądowej, przyjęto następujące fazy:
- Faza obciążenia maksymalnego – osiągane i utrzymywane są obroty maksymalne;
- Faza obciążenia średniego – utrzymywana jest wartość 1000 obr./min;
- Faza biegu jałowego – nie jest podawane obciążenie, silnik działa na wolnych
obrotach.
| Nr fazy | Obciążenie | Prędkość obrotowa | Współczynnik wagowy |
| 1 | 60% | 1000 | 0,15 |
| 2 | 100% | 1300 | 0,15 |
| 3 | 0% | 500 | 0,7 |
Współczynnik wagowy przyjęto ze względu na czas pracy silnika przy określonym obciążeniu
w normalnym trybie eksploatacji.
Określono stężenie badanego składnika spalin dla każdej fazy.
Rozpoczęcie badań nastąpiło po rozgrzaniu silnika do osiągnięcia stabilizacji wszystkich parametrów (temperatury i ciśnienia) przy określonym obciążeniu. Przepływ spalin przez
analizator trwał około 3 minut – do całkowitego ustabilizowania się wyników podawanych w analizatorze.
Podczas prób wykonano 80 pomiarów na obu silnikach jednostki, w tym w okresie 05-14.04.2016 z zastosowaniem czynnika – Redux katalizator.
Analiza wykazała:
- Na silniku L spadek tlenku węgla (CO) z 919 ppm do 389 ppm (~236%);
- Na silniku L spadek tlenku nieroz. z 2031 ppm do 939 ppm (~216%);
- Na silniku P spadek tlenku węgla (CO) z 920 ppm do 337 ppm (~272%);
- Na silniku P spadek tlenku nieroz. z 1952 do 753 ppm (~259%).
- Pomiar nr 1 (NO) wyniósł 1400 ppm, pomiar ostatni 37 w tym zakresie 755 ppm,
co stanowi spadek o 47% w stosunku do pomiaru bazowego.
PRZYKŁAD KARTY POMIAROWEJ 1
| Data: | 05.04.2016 | 14.04.2016 |
| Godzina pomiaru: | 09:13:59 | 15:00:13 |
| Pomiar nr: | 1 | 80 |
| Silnik (prawy/lewy) | P | P |
| Temperatura spalin – stopień C | 272,5 | 378,4 |
| Dwutlenek węgla (CO2) – % | 7,26% | 7,12% |
| qA b – % | 19,5 | 30,8 |
| Lambda | 2,12 | 2,23 |
| Tlen – % | 11,1 | 11,6 |
| Tlenek węgla (CO) – ppm | 920 | 337 |
| CO nieroz. – ppm | 1952 | 753 |
| Sprawność – % | 80,5 | 69,2 |
| Temperatura powietrza – stopień C | 14,2 | 18,8 |
| O2 pds – % | 11,1 | 11,6 |
| Punk rosy – stopień C | 39,9 | 38,9 |
PRZYKŁAD KARTY POMIAROWEJ 2
| Data: | 05.04.2016 | 14.04.2016 |
| Godzina pomiaru: | 09:15:54 | 15:00:13 |
| Pomiar nr: | 4 | 77 |
| Silnik (prawy/lewy) | L | L |
| Temperatura spalin – stopień C | 337,7 | 386 |
| Dwutlenek węgla (CO2) – % | 6,97% | 6,59% |
| qA b – % | 25,4 | 33,9 |
| Lambda | 2,21 | 2,41 |
| Tlen – % | 11,5 | 12,3 |
| Tlenek węgla (CO) – ppm | 919 | 389 |
| CO nieroz. – ppm | 2031 | 939 |
| Sprawność – % | 74,6 | 66,1 |
| Temperatura powietrza – stopień C | 14,4 | 19,9 |
| O2 pds – % | 11,5 | 12,3 |
| Punk rosy – stopień C | 39,3 | 38,2 |
