На выбросы вредных веществ от сжигания судовых топлив существуют ограничения в соответствии с международными программами защиты атмосферы и требованиями Международной морской организации (International Maritime Organization - IMO). Новые требования коснулись практически всех групп вредных выбросов, включая и NOx. Согласно новым требованиям вводится трехступенчатая система стандартов выбросов оксидов азота NOx: первая ступень — для судов, построенных до 01.01.2011 г. (действующие в настоящее время нормативы для судов постройки 2000 г. и позже). Вторая — для судов, построенных после 01.01.2011 г. (снижение нормативов по окислам азота на 20 %). Третья — для судов, построенных после 01.01.2016 г. (снижение выбросов окислов азота на 80 %). C 2012 года требуется сократить содержание оксидов серы SOx в тяжелых мазутах HFO (heavy fuel oils) до 3,5% , с 2020 - ниже 0,5%. 

Для уменьшения содержания вредных веществ в отработанных газах судовых дизелей применяются различные методы. Применение водомазутных эмульсии (ВМЭ) считается одним из перспективным методом. Это простая и малозатратная технология для достижения среднего уровня (30-50%) сокращения выбросов NOx для существующих судов без значительной модификации двигателя. Добавление к мазуту 5-15% воды ускоряет процесс его сгорания в несколько раз. Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода, детали цилиндропоршневой группы, газовыпуского тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу. Повышение степени дисперсности, интенсивное перемешивание многокомпонентной среды в турбулентных потоках способствует ускорению реакции горения. При использовании в качестве топлива для судовых дизелей ВМЭ с водосодержанием 10-20% расход топлива сокращается на 5-15%, выброс в атмосферу окислов азота NOx  – на 30-40%, сернистого ангидрида SO₂  – на 50%, сероводорода H₂S  – на 50%, несгоревшие углеводороды отсутствуют, температура уходящих газов снижается на 8-10^оС, уменьшается теплонапряженность деталей цилиндропоршневой группы.

К недостаткам использования ВМЭ в судовых дизелях в качестве топлива следует отнести увеличение вязкости и плотности топливной эмульсии при увеличении концентрации воды в мазуте, коррозию деталей системы подачи топлива и двигателя, расслоение ВМЭ при длительном хранении без добавления ПАВ, необходимость изменения системы топливоподготовки и подачи ВМЭ в двигатель.

 Устранение или снижение негативных качеств ВМЭ как топлива для дизелей можно обеспечить введением в эмульсию ПАВ, улучшающих их характеристики. К таким веществам относится водный раствор органического полимера растительного происхождения, состоящий из мономеров натриевых или калиевых солей карбоновых кислот (гуминовых кислот), который одновременно может обеспечить улучшение качественных характеристик эмульсии и использоваться в качестве водной фазы при приготовлении ВМЭ. Полимер является ингибитором коррозии, так как состоит из гуминовых кислот, которые при контакте с металлическими деталями, образуют на их поверхностях защитную полимерную пленку. Наличие высокомолекулярного комплекса гуминовых кислот с распределенными по его массе заряженными зонами позволяет блокировать возникновение на поверхности металла стабильных зарядов или наличие в растворах свободных радикалов, приводящих к возникновению коррозии на защищаемой поверхности.

Водный раствора полимера (ВРП) является анионным ПАВ. Нами были исследованы  физические свойства судового мазута ИФО-380 и ВМЭ на его основе с добавлением ПАВ. Водный раствор ПАВ (рН=10,6) содержал 5% сухого вещества полимера. Получение ВМЭ производилось методом циклического смешивания в гидродинамическом кавитационном смесителе. Для сравнительного анализа свойств ВМЭ с ВРП, были исследованы характеристики ВМЭ с дистиллированной водой (ДВ) в таких же соотношениях. Параметры обработанных образцов ВМЭ определяли в лабораториях ООО «Мортестсервис» и ЗАО «ЦНИИМФ» (г. Санкт-Петербург). Результаты анализов представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Физико-химические характеристики мазута и ВМЭ с ВРП

Таблица 2 - Физико-химические характеристики ВМЭ

Анализируя данные таблицы 1, можно сделать вывод, что значение вязкости ВМЭ с концентрацией ВРП 5% и 10% практически равно значению вязкости мазута ИФО-380. В этом случае возможно применение такой ВМЭ в качестве топлива без модернизации топливной аппаратуры. Энергетические затраты на прокачку ВМЭ в топливной системе также не увеличатся.

Результаты анализов показывают, что с повышением концентрации ВРП в ВМЭ уменьшилось содержание серы и ванадия. Уменьшение количества ванадия и серы могло произойти за счет их перехода в другие химические соединения. При сжигании ВМЭ можно прогнозировать существенное уменьшение выбросов SO₂. Кроме снижения выбросов вредных веществ, при уменьшении содержания серы и ванадия в мазуте, уменьшается его коррозионная активность. Таким образом, при использовании ВМЭ с ВРП в дизелях, снимается одна из основных проблем, препятствующая широкому применению ВМЭ в качестве топлива – коррозия деталей топливной аппаратуры.

Добавление в ВМЭ ВРП в количестве до 20% по объему позволяет наиболее простым путем связывать серу и использовать низкокачественные судовые мазуты для судовых дизелей. Уменьшение параметра коксуемости ВМЭ, при увеличении концентрации ВРП, позволяет предполагать, что при работе на ВМЭ уменьшится образование нагара в двигателе, меньше будут закоксовываться форсунки двигателя.

По анализу фотосников ВМЭ, полученных в ЦНИИМФ на опто-электронной установке «Wideomat», сделан вывод, что молекулы смол располагаются оболочками вокруг глобул воды, в результате этого общая поверхность испарения увеличивается. Толщина смолистой оболочки в силу поверхностного натяжения обволакивает глобулы воды так, чтобы быть соизмеримой с её размером. Смолистые пленки других структур (асфальто-смолистых, смолисто-твердых) также создают оболочку вокруг глобул воды и других включений (мех. примеси). ВМЭ с ВРП имеет текучесть на уровне мазута ИФО-380.

Наиболее однородная и мелкодисперсная ВМЭ получается при добавлении в мазут ВРП в количестве 5%  и 10% (таблица 2). В пробах ВМЭ с 15% ВРП и ВМЭ с 20% ВРП размер глобул воды увеличивается с 3 мкм до 5 мкм. В этих образцах ВМЭ преобладают неравномерно распределенные глобулы воды в объеме топлива, цепочкообразные смолистые и водные включения. ВМЭ с такой структурой менее эффективна при сжигании в силу неоднородности распада этих образований в камере сгорания. Дизельные установки при работе на ВМЭ показывают высокую эффективность при преобладающем размере глобул воды в асфальто-смолистой среде не более 5 мкм.

Добавление ВРП в качестве дисперсной фазы ВМЭ на основе мазутов ИФО-380 показало длительную стойкость эмульсии без выделения воды при стабильном температурном режиме в диапазоне 15^оС-30^оС. Фотографии ВМЭ с ВРП до кавитационной обработки и после кавитационной обработки показаны на рис. 1..

Рис. 1 . Фотографии ВМЭ с ВРП до кавитационной обработки (а) и после кавитационной обработки (б). Размер  0.9-0.8=0.1 мм.