1. EMISIJE ŠTETNIH TVARI PORIVNIH STROJEVA KOJI KORISTE TEKUĆA GORIVA

GORIVA

E. TIRELI

U rujnu 1997. konferencija sudionika konvencije MARPOL Aneksom VI. definirane su razine ograničavanja NOx-a za brodske motore snage iznad 130 kW. Te se granice emisija NOx-a primjenjuju samo na motore ugrađene u nove brodove izgrađene nakon 1. siječnja 2000. te na motore na postojećim brodovima na kojima se obavljaju značajne izmjene.

Osnova je ovog propisa da prosječne emisije NOx-a na novim brodovima moraju biti otprilike 30% manje od emisija s brodova iz 1990. godine.

Aneksom VI. ograničen je sadržaj sumpora u gorivima na 4,5% (maseno). Da bi se osjetljiva područja zaštitila od emisija sumpornih oksida, uvedena su posebna područja SOx-zaštite. Baltičko more takvo je područje, a za druga će područja mjere zaštite uslijediti u budućnosti. U takvim se područjima moraju upotrebljavati goriva s manje od 1,5% sumpora ili se ispušni plinovi moraju obraditi tako da se smanje emisije sumpornih oksida na razinu ispod 6 g/kWh.

Najvažnije točke jesu:• mjerenja i izračuni NOx-emisija moraju se provesti u skladu s Tehničkim kodeksom koji je gotovo identičan s ISO 8178 • prije ugradnje na brod, svaki motor mora biti podešen kako bi dosegnuo propisane granice emisija NOx-a i time dobio certifikat o prevenciji zagađenja zraka (Engine International Air Pollution Prevention – EIAPP) na osnovi kojega zemlja pod čijom zastavom brod plovi izdaje certifikat o prevenciji zagađenja

(EIAPP).• svaki motor dobiva tehnički spis u kojem ovlaštene agencije moraju navesti mjesta podešavanja, tolerancije i detaljna probna mjerenja.

2. OGRANIČENJA EMISIJA NOx-a PREMA IMO-PROPISU ANEKS VI., MARPOL 73/78

GORIVA

E. TIRELI

Iako se tradicionalno ne smatra zagađivačem, ugljični dioksid uzrokuje povećanu zabrinutost u novije vrijeme zbog svoje uloge “stakleničkog plina” i nepoznatih posljedica povećane koncentracije ugljičnog dioksida na globalnu klimu. Prema propisima, vrijednosti emisije NOx-a za određeni motor promatraju se u ovisnosti o brzini vrtnje motora. Granična NOx-krivulja prikazana je na slici. Vrijednosti emisija NOx-a moraju se ustanoviti mjerenjem na ispitnom stolu.

3. PROSJEČNE VRIJEDNOSTI EMISIJA NOx ZA DIZELSKE MOTOREGORIVA

E. TIRELI

Prosječne vrijednosti ulaznih i izlaznih sadržaja po jedinici snage (kW) i po jedinici mase goriva (kg) za dvotaktni dizelski motor s križnom glavom i za korišteno teško gorivo RMH55 iznose :

4. PROSJEČNE VRIJEDNOSTI EMISIJA NOx ZA PLINSKE TURBINEGORIVA

E. TIRELI

Za razliku od proizvođača brodskih motora, proizvođači plinskih turbina najradije daju ostale podatke za štetne sastojke u plinovima izgaranja u ppm i to:

NOx od 40 do 220 ppm (40 ppm za izgaranje CH4, a 220 ppm za teška goriva) (3 do 5 ppm – nakon ubrizgavanja vode u plinove izgaranja i SCR-metode pročišćavanja plinova izgaranja)

CO max 10 ppmHC max 10 ppm

za brodsko teško gorivo RMH55 za prirodni plin CH4za faktor pretička zraka: 3,5 za faktor pretička zraka: 3,5

bilanca za 1 kg goriva bilanca za 1 kg goriva

zrak za izgaranje:48,39 kg zrak za izgaranje:60,25 kgplinovi izgaranja: plinovi izgaranja:

CO2 3,04 kg CO2 2,75 kgSO2 0,08 kg SO2 0,00 kgO2 8,03 kg O2 10,00 kgN2 35,69 kg N2 44,44 kgH2O 1,09 kg H2O 2,25 kg

5. OGRANIČENJE EMISIJE SO2

GORIVA

E. TIRELI

Sumporni dioksid SO2, nastaje izgaranjem sumpora u gorivu. U cilindru motora ili ložištu nastali sumporni dioksid samo u manjem postotku dalje oksidira u SO3 (do 5%).

Sumporni oksidi su glavni izvor kiselih kiša pa time štetno djeluju na život biljaka, vegetaciju i ljudsko zdravlje. No treba istaknuti da je utjecaj kiselih kiša na more u većini slučajeva zanemariv zbog toga što je more blago alkalno. Litra morske vode može u prosjeku neutralizirati otprilike 300 mg sumpora.

Tvrdi se i da se SOx na moru prenosi na relativno male udaljenosti (otprilike 10 do najviše 500 km).

6. METODE SMANJENJA EMISIJA NOX-a DIZELSKIH MOTORAGORIVA

E. TIRELI

NOx se u ispušnim plinovima može smanjiti primarnim i/ili sekundarnim metodama. Primarne metode izravno utječu na proces izgaranja u motoru. Stvarni stupanj smanjenja

ovisi o tipu motora i metodi smanjenja, ali varira od 10% do iznad 50%. Sekundarnim se metodama smanjuju emisije NOx-a ne mijenjajući karakteristike motora, a

pritom se koristi oprema koja nije sastavni dio samog motora. Do sada je najzanimljivija sekundarna metoda SCR (Selektivna katalitička redukcija) metoda uklanjanja NOx-a. Ta metoda omogućava smanjenje razine NOx-a i do 95%, dodajući amonijak ili ureu u ispušni plin prije njegova ulaska u katalitički pretvarač.

Kako motori rade s visokim pretičkom zraka, katalizatori koji se upotrebljavaju kod automobila, nisu pogodni. Teški metali i udio sumpora u teškom gorivu uzrokovali bi kvar takvih katalizatora nakon kratkotrajne upotrebe.

Kao što je prije prikazano, glavni faktori koji utječu na tvorbu NOx-a jesu sadržaji kisika i dušika te lokalna temperatura u procesu izgaranja. Stoga su sve primarne mjere koje teže smanjenju emisije NOx-a, usmjerene na smanjenje sadržaja i vršnih temperatura.

Način smanjenja NOx preko smanjenja temperatura plinova i usisnog zraka te utjecaj na specifičnu potrošnju goriva u motoru

7. SMANJENJE EMISIJA NOX-a HLAĐENJEM ISPIRNOG ZRAKA I MILLEROVIM SUPERPUNJENJEM

GORIVA

E. TIRELI

Hlađenje ispirnog zraka i Millerovo superpunjenje imaju za cilj redukciju maksimalnih temperatura u cilindru snižavanjem temperature zraka prije kompresije. Izvedeni testovi proizvođača motora pokazali su da se za svako sniženje temperature zraka od 3 ºC, može smanjiti emisija NOx za 1%. No fizičko ograničenje zadano je temperaturom vode koja ulazi u hladnjak zraka (temperatura u tropskim vodama doseže 32 ºC), tako da daljnje hlađenje zraka ispod standardnih vrijednosti postaje nemoguće.

Za daljnje hlađenje potrebna je energija što dovodi do veće potrošnje goriva.Millerov način superpunjenja, koji je razvijen za četverotaktne motore, jednostavniji je sustav

primjene od upotrebe daljnjeg hlađenja ispirnog zraka. Koristeći turbopuhalo visokog tlaka i zatvarajući usisne ventile prije nego što klip dođe u donju mrtvu točku, za vijeme usisnog takta (slika), može se osigurati ista količina zraka u cilindru, uz ekspanziju zraka prije kompresije koja hladi zrak u cilindru. Testovi na Sulzerovom motoru 9S20 pokazali su da emisije NOx-a mogu biti smanjene od 15 do 20 % bez povećanja specifične potrošnje goriva. Millerovo superpunjenje jedna je od rijetkih mjera koja smanjuje i emisije NOx-a i specifičnu potrošnju goriva. Prihvaćena je kod Sulzerovog motora ZA40S prije više od deset godina i jedan je od razloga za njihove relativno niske emisije NOx-a.

8. SMANJENJE EMISIJA NOX-a S POMOĆU TURBOPUNJENJA I UPRAVLJANJEM VENTILA

GORIVA

E. TIRELI

Pretičak zraka u cilindru može se varirati promjenom tlaka ispirnog zraka ili upravljanjem ventila.

Provedeni testovi na istraživačkome motoru Wartsila-Sulzer 4RTX54 i na prototipu 4RTA58T, kao i na motoru 8ZA40S, pokazali su da smanjenjem omjera viška zraka, emisije NOx mogu biti smanjene. Kod testova na dvotaktnim motorima, redukcija viška zraka od 2,2 do 1,9 postignuta je odgađanjem zatvaranja ispušnog ventila i povećanjem omjera kompresije (pmax/pcomp), da bi se dinamika paljenja održala konstantnom. Izmjerene su redukcije emisija NOx-a od oko 15 % i smanjenje potrošnje goriva od 2 g/kWh.

Kombinacijom većeg pretička zraka, povećanjem tlaka ispirnog zraka, s odgođenim ubrizgavanjem goriva, mogu se umanjiti emisija NOx-a, ovisno o izvedbi motora.

9. SMANJENJE EMISIJA NOX-a S POMOĆU ODGOĐENOG UBRIZGAVANJA GORIVA

GORIVA

E. TIRELI

Značajan uvjet pri stvaranju NOx-a, za vrijeme izgaranja, jest dodatna kompresija plinova izgaranja. Nakon izgaranja smjese goriva i zraka, postižu se visoke maksimalnetemperature. Ako se nastali plinovi dodatno komprimiraju, postići će se i više temperature, što vodi k povećanju emisija NOx-a. Taj se problem može riješiti odgođenim ubrizgavanjem goriva. Ta metoda mogla bi biti najbolji poznati način za smanjenje emisija NOx-a. U osnovi, odgođeno ubrizgavanje vodi k nižim maksimalnim tlakovima i stoga do manje kompresije nakon izgaranja. Niži maksimalni tlakovi dovode do smanjene efikasnosti motora odnosno do povećane specifične potrošnje goriva.

Kod dvotaktnih motora odgoda ubrizgavanja od oko dva stupnja nakon gornje mrtve točke dovodi do oko 10 bara smanjenja maksimalnog tlaka u cilindru, 10% smanjenja emisija NOx-a i do povećanja potrošnje goriva za oko 3 g/kWh. Maksimalno dostižna smanjena emisija NOx-a iznosi oko 25%. Zbog povećane potrošnje goriva, smanjenje NOx-a mora se ograničiti zbog veće energije ispušnih plinova, što za posljedicu može imati preveliku brzinu turbopuhala.

Smanjenju efikasnosti zbog odgođenog ubrizgavanja goriva, kao što je prije opisano, može se nadomjestiti povećanjem omjera kompresije.

10. SMANJENJE EMISIJA NOX-a S POMOĆU POVEĆANOG OMJERA KOMPRESIJE

GORIVA

E. TIRELI

Smanjenje emisija NOx može se postići ili povećanjem geometrijskog omjera kompresije ili prilagođavanjem hoda ventila. Hodom ventila povećava se omjer pretička zraka, i manje je prihvatljivije od mijenjanja geometrijskog omjera kompresije.Na slici prikazan je tijek tlakova za dvotaktne Sulzerove RTA motore sa standardnim i višim omjerom kompresije. Slika prikazuje odgovarajuću smanjenu proizvodnju NOx-a za slučaj više kompresije. Maksimalna redukcija NOx-a, koja se teoretski može postići ovom mjerom, iznosi otprilike 25 %, s porastom u potrošnji goriva za oko 1 %.

Emisija NOx-a odgađanjem ubrizgavanja i povećanim omjerom kompresije

Tijek tlaka za dvotaktni motor RTA sa standardnim omjerom kompresije, s odgođenim ubrizgavanjem i povećanim omjerom kompresije

11. SMANJENJE EMISIJA NOX-a PROMJENOM SAPNICA ZA UBRIZGAVANJE GORIVA

GORIVA

E. TIRELI

Izrada sapnica snažno utječe na sam proces izgaranja. Usmjerenost i veličina otvora na sapnici određuje dubinu prodiranja i raspršivanja goriva, a kao posljedicu, određuje proces isparavanja, turbulenciju, miješanje i izgaranje goriva. Prilagodba i mjerenje karakteristika sapnica kod različitih sustava goriva, nezaobilazni je dio svakog testiranja prototipa. Tijekom takvih testiranja potvrđeno je da različiti tipovi sapnica, kao i intenzitet ubrizgavanja, imaju značajan utjecaj na emisiju NOx. Lijevi prikaz na slici odnosi se na motor s centralnim ubrizgavanjem goriva, a desni dio na motor s tri ubrizgača goriva. U usporedbi, bolja je izvedba s više otvora sapnica poradi smanjenja emisije NOx-a. Utvrđeno je da se izmjenom sapnice (kao na slici) može smanjiti NOx i do 25%, uz istovremeno povećanje specifične potrošnje goriva do 3 g/kWh.

sapnice za ubrizgavanje goriva s različitim kutovima mlaza i povećanim brojem mlaznih rupica. lijevo: standardna sapnica, desno: za niske emisije NOx-a

Shematski prikaz raspršenja u komori za izgaranje četverotaktnog motora (lijevo) i dvotaktnog motora (desno)

12. SMANJENJE EMISIJA NOX-a MIJENJANJEM TLAKA IZGARANJA I TRAJANJA UBRIZGAVANJA GORIVA

GORIVA

E. TIRELI

Smanjenjem tlaka izgaranja promjenom vremena ubrizgavanja, smanjit će se maksimalna temperatura i NOx, ali to nepovratno vodi k povećanju potrošnje goriva. Ova se metoda ne primjenjuje zbog povećane potrošnje goriva.Drugi način modifikacije je s predubrizgavanjem goriva čime se može postići smanjenje emisije NOx za 15%.Promjenom promjera klipa pumpe za gorivo ili kompletnoga protočnog područja sapnice za gorivo, može se modificirati maksimalni tlaki trajanje ubrizgavanja. Oba parametra utječu na proces raspršivanja mlaza, prodiranje mlaza koji izlazi iz sapnice za gorivo te na turbulenciju izazvanu u cilindru. Ispitivanja su pokazala da tlak ubrizgavanja ima samo mali utjecaj na emisiju NOx-a. U najboljem slučaju može se postići do 5%redukcije NOx-a sa svakih 10 % produženogubrizgavanja, što se može objasniti slabijim izgaranjem na početku.

13. SMANJENJE EMISIJA NOX-a DIREKTNIM ILI INDIREKTNIMUBRIZGAVANJEM VODE U CILINDAR MOTORA

GORIVA

E. TIRELI

Da bi se postigle veća smanjenja NOx-a nego što se mogu postići prethodnim postupcima, može se primijeniti metoda dodavanja vode u dizelski proces. Rezultat te medote može biti smanjenje NOx-a i više od 50%. Ipak, neke od tih mjera nisu kompatibilne s upotrebom teškoga goriva, ili mogu dovesti do značajnog povećanja kapitalnih ili operativnih troškova, ili mogu potaknuti druge neželjene emisije, ili su čak kombinacija više navedenih nedostataka.Uvođenje vode u komoru za izgaranje smanjuje tvorbu NOx-a (otprilike 1% vode smanji NOx za 1%). Za svakih 10% ubrizgane vode u odnosu na gorivo, povećava se specifična potrošnja goriva za 2,5 g/kWh.Kako se veoma pazi da se separatorima odvoji sva voda iz goriva, ili sva voda iz zraka nakon rashladnika zraka, “ponovno uvođenje/ubrizgavanje” vode nakon tih separatora katkad se smatra dvojbenom mjerom. Samo tekuća voda uništava mazivi sloj. Čim voda ispari, postaje potpuno neškodljiva za mazivi sloj i koroziju. Čak i pri vrlo visokom omjeru voda/gorivo od 1:1, točka orošavanja sumporne kiseline neće porasti za više od 15ºC. U tom slučaju, s jedne strane zajamčeno je isparavanje ubrizgane vode, a s druge strane niti u jednom trenutku nije moguća kondenzacija u cilindru.

Način dovođenja vode u proces izgaranja da bi se smanjila emisija NOx-a

Dvostruka sapnica za ubrizgavanje goriva i vode u cilindar motora (tandem sapnica)

14. SMANJENJE EMISIJA NOX-a S POMOĆU RECIRKULACIJE ISPUŠNIH PLINOVA (EGR)

GORIVA

E. TIRELI

Recirkuliranje dijela ispušnih plinova učinkovita je metoda za reduciranje emisija NOx-a, no zbog značajnih nedostataka povezanih s hlađenjem i čišćenjem ispušnih plinova prije nego što se recirkuliraju natrag do cilindara motora, trenutačno se rijetko primjenjuje na brodskim motorima.Može se računati da sa 10% recirkuliranih ispušnih plinova smanjuje se 2 g/kWh emisije NOx.Ovom se metodom može smanjiti emisija NOx i do 80%, ali se povećava specifična potrošnja goriva i do 10%. Ispušni plin može se recirkulirati i prije turbopuhala (slučaj 1.) i poslije turbopuhala (slučaj 2.), ali i u jednom i u drugom slučaju plin mora biti ohlađen i očišćen. Recirkulacija ispušnih plinova može biti ozbiljna smetnja, pogotovo na brodu, jer plinove sadrže neizgorene ugljikovodike, pepeo i čađu. Ipak, kod plinskih turbina i u slučajevima kada su prisutni čisti plinovi, recirkulacija ispušnih plinova dobra je metoda za uporabu.

15. SEKUNDARNA METODA SMANJENJA EMISIJA NOX-a S POMOĆU SELEKTIVNE KATALITIČKE REDUKCIJA (SCR)

GORIVA

E. TIRELI

Tehnologija SCR-a isprobana je na Wartsilinom Sulzer 6RTA38 dvotaktnom motoru. Motor je radio do 7500 sati u godini na teško gorivo s prosječnim sadržajem sumpora od 3,5 posto. Temeljem toga, SCR-tehnologija prihvaćena je za komercijalnu upotrebu. Uz smanjenje NOx,smanjuje se emisija čađe i ugljikovodika.SCR-metodom ispušni se plinovi miješaju s amonijakom, NH3, prije prolaska kroz sloj od specijalnog katalizatora na temperaturi između 300 i 400 °C, kada se NOx razlaže na N2 i H2O.

SCR-reakcije ima tijek:4NO+4NH3 +O2 →4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 →3N2 + 6H2O

Količina ubrizganog amonijaka u vod ispušnih plinova kontrolira se procesnim računalom dozirajući NH3 u omjeru proizvedenih NOx-a kao funkcije opterećenja motora. Osim amonijaka u procesu se može bkoristiti i urea.SCR metodom može se postići smanjenje emisije NOx i do preko 90%, a ako se koristi urea (za 40%-tnu otopinu) potrošnja iznosi oko 30 litara po MWh ili 15 kg ureinih granula po MWh.