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 8-10оС, 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
Физико-химические параметры |
Мазут ИФО-380 |
ВМЭ 5% ВРП |
ВМЭ 10% ВРП |
ВМЭ 15% ВРП |
ВМЭ 20% ВРП |
1. Вязкость кинематическая, сСт: |
|||||
50 гр. С |
100,2 |
104,5 |
97,4 |
115,3 |
111,4 |
80 гр. С |
28,4 |
29,3 |
27,8 |
31,5 |
30,7 |
2. Плотность, при 15гр. С, кг/см^3. |
964,9 |
967,9 |
969,9 |
969,5 |
975 |
3. Температура вспышки в закрытом тигле, гр. С |
100 |
86 |
86 |
76 |
74 |
4. Зольность, %. |
0,1 |
0,35 |
0,35 |
0,22 |
0,37 |
5. Осадок горячего фильтрования, % |
0,03 |
0,12 |
0,13 |
0,1 |
0,14 |
6. Температура застывания, гр.С. |
24 |
27 |
24 |
27 |
27 |
7.Содержание серы, % |
1,76 |
1,61 |
1,55 |
1,44 |
1,16 |
8. Коксуемость. |
6,45 |
6,73 |
6,38 |
6,24 |
5,62 |
9. Содержание ванадия, мг/кг. |
72 |
50 |
39 |
44 |
37 |
Таблица 2 - Физико-химические характеристики ВМЭ
Физико-химические параметры |
Мазут ИФО-380 |
ВМЭ 5% ВРП |
ВМЭ 10% ВРП |
ВМЭ 5% ДВ |
ВМЭ 10% ДВ |
1. Вязкость кинематическая, сСт: |
|||||
50 гр. С |
100,2 |
104,5 |
97,4 |
126 |
138 |
80 гр. С |
28,4 |
29,3 |
27,8 |
34 |
36 |
2. Плотность, при 15 гр.С, кг/см^3. |
964,9 |
967,9 |
969,9 |
967 |
968 |
3. Температура вспышки в закрытом тигле, гр. С |
100 |
86 |
86 |
64 |
72 |
4. Зольность, %. |
0,1 |
0,35 |
0,35 |
0,14 |
0,126 |
5. Температура застывания, гр.С. |
24 |
27 |
24 |
27 |
30 |
6.Содержание серы, % |
1,76 |
1,61 |
1,55 |
1,85 |
1,74 |
7. Коксуемость. |
6,45 |
6,73 |
6,38 |
6,6 |
5,9 |
8. Коррозия на меди (3 часа при 100 гр.С) |
выд. 1В |
выд. 1В |
выд. 1В |
выд. 1В |
выд. 1В |
9. Содержание ванадия, мг/кг. |
72 |
50 |
39 |
58 |
51 |
10. Средний размер частиц воды, мкм |
50 |
1 |
3 |
5 |
7 |
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 15оС-30оС. 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.