Экологическая безопасность судовых дизельных двигателей. Ограничение выбросов оксидов азота методами селективного каталитического восстановления

Объектом настоящего исследования являются системы обеспечения экологической безопасности судовых двигателей внутреннего сгорания, в частности технологии ограничения выбросов оксидов азота (NOx). Акцент в работе делается на системы селективного каталитического восстановления как наиболее апробированной и распространенной технологии сокращения выбросов NOx с отработавшими газами судового дизеля, используемой в судовой технике для достижения соответствия требований нормативов экологической безопасности Международной морской организации. В работе приведены действующие требования по сокращению выбросов NOx для различных регионов судоходства. Проанализированы основные теоретические аспекты каталитических реакций восстановления оксидов азота и организации условий их протекания. Отдельное внимание уделено вопросам обеспечения температурных условий протекания реакций систем селективного каталитического восстановления, выделены границы ограничений и определены причины их возникновения. Рассмотрены компоновочные схемы, изложены особенности функционирования систем селективного каталитического восстановления высокого и низкого давления, сопоставлены их достоинства и недостатки. Отмечается, что системы низкого давления являются наиболее предпочтительными для модернизации судовых энергетических установок ввиду их полной автономности в конструкции судовых энергетических установок, несмотря на потенциальные недостатки в части поддержания требуемых температурных условий протекания реакции восстановления. Уделено внимание вспомогательным подсистемам обеспечения работы системы селективного каталитического восстановления оксидов азота, дано описание их особенностей. Приводятся некоторые расчетные данные по эксплуатационным затратам системы селективного каталитического восстановления, включая затраты на дополнительный расход топлива двигателем, используемые реагенты, возросшее потребление электрических мощностей судовых энергетических установок, расходные материалы и др. Сделаны выводы об эффективности использования технологии системы селективного каталитического восстановления в сравнении с альтернативными технологиями обеспечения требований действующей нормативной базы по экологической безопасности судовых энергетических установок.

1. Живлюк Г. Е. Эффективность ограничения выбросов оксидов азота системами рециркуляции отработавших газов судовых ДВС / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 5. — С. 845–857. EDN XPIVLD. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-5-845-857.

2. Технологии для достижения требований IMO Tier-III (по материалам конгресса CIMAC) // Двигателестроение. — 2020. — № 4(282). — С. 41–57. EDN DFCMVH.

3. Петров А. П. Технологии достижения новых требований по выбросам оксидов азота судовыми энергетическими установками / А. П. Петров, Г. Е. Живлюк // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2021.

4. Development of an Integrated Control Strategy for engine and SCR system basedon effective EGR rate / F. D’Aniello, I. Arsie, C. Pianese, F. Stola // IFAC-PapersOnLine. — 2020. — Vol. 53. — Is. 2. — Pp. 14034–14039. DOI: 10.1016/j.ifacol.2020.12.925.

5. Antonio Santos. Advanced Motor Vehicle Emission Control Technology Celebrates 25th Anniversary / Antonio Santos // News Manufacturers of Emission Controls Association (MECA). Washington, DC. — 2020. — Pp.1–3.

6. Gibson J. Selective Catalytic Reduction on Marine Diesel Engines. / J. Gibson, O. Groene // Automotive Engineering. — 1991. — Рр. 18–22.

7. Hug H. T. Off-Highway Exhaust Gas After-Treatment:Combining Urea-SCR, Oxidation Catalysis and Traps / H. T. Hug, A. Mayer, A. Hartenstein // International Congress & Exposition SAE International, 1993. DOI: 10.4271/930363.

8. Weaver C. S. Emissions Control Technology for Locomotive Engines / C. S. Weaver, D. B. McGregor // International Congress & Exposition SAE International, 1994. DOI: 10.4271/940453.

9. Development of Urea-SCR System for Heavy-Duty Commercial Vehicles / K. Hirata, N. Masaki, H. Ueno, H. Akagawa // SAE 2005 World Congress & Exhibition SAE International, 2005. DOI: 10.4271/2005-01-1860.

10. Selective Catalytic Reduction of NOx with NH3 by Using Novel Catalysts: State of the Art and Future Prospects / L. Han, S. Cai, M. Gao, J-Y. Hasegawa, P. Wang, J. Zhang, L. Shi, D. Zhang // Chemical Reviews. — 2019. — Vol. 119. — Is. 19. — Pp. 10916–10976. DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00202.

11. Advanced Urea SCR Catalysts for Automotive Applications / J. Gieshoff, M. Pfeifer, A. Schäfer-Sindlinger, PC. Spurk, G. Garr, T. Leprince, M. Crocker // SAE 2001 World Congress SAE International, 2001. DOI: 10.4271/2001-01-0514.

12. Willi R. Selective reduction of NO by NH3 over vanadia-based commercial catalyst: parametric sensitivity and kinetic modelling / R. Willi, B. Roduit, R. A. Koeppel [et al.] // Chemical Engineering Science. — 1996. — Vol. 51. — Is. 11. — Pp. 2897–2902. EDN AIMPNK.

13. Lepperhoff G. Verhalten von SCR-Katalysatoren im dieselmotorischen Abgas / G. Lepperhoff, J. Schommers // MTZ Motortechnische Zeitschrift. — 1988. — Vol. 49. — Is. 1. — Pp. 21.

14. Koebel M. Selective catalytic reduction of NO and NO2 at low temperatures / M. Koebel, G. Madia, M. Elsener // Catalysis Today. — 2002. — Vol. 73. — Is. 3. — Pp. 239–247. DOI: 10.1016/S0920-5861(02)00006-8.

15. Emission project guide. MAN B&W Two-stroke Marine Engines. — Copenhagen SV, Denmark: MAN Energy Solutions, 2019. — 110 Р.