Raporty IChTJ. Seria B nr 2/2018




PROCESS ENGINEERING ASPECTS OF DIESEL ENGINE OFF GASES TREATMENT

(Aspekty inżynierii procesowej w oczyszczaniu spalin z silników Diesla)

Małgorzata Siwek, Andrzej G. Chmielewski

Plik do pobrania (PDF 5 MB)

The purpose of this study was to investigate the currently available methods of maritime diesel engine off gases removing systems. The major cargo transportation mode is maritime transport, which is also responsible for approximately 90% of world trade by volume. Furthermore, travelling by sea has increased considerably in recent years – from 2003 to 2016 this touristic sector has expanded from 12.0 to 22.0 million travellers. Accordingly, worldwide emission from shipping has grown significantly, which contributes directly to the global anthropogenic emissions and it poses a serious threat to the ecosystem and public health. Exhausts from marine engines may contain nitrogen, oxygen, carbon dioxide (CO2) and water vapour as well as nitrogen oxides (NOx), sulphur oxides (SOx), carbon monoxide (CO), various hydrocarbons (HC) and complex particulate matter (PM). The maritime transport usually uses heavy fuel oil (HFO) with a high content of sulphur, which naturally leads to the three main pollutants derived from shipping: nitrogen oxides, sulphur oxides and particulate matters. Around 15% of global NOx and 5-8% of SOx emissions are attributable to ocean-going ships. Sulphur dioxide (SO2) emission as a smog component is a precursor to acid rains and it can have a negative influence on plant life as well as on wider ecosystems. The two primary nitrogen oxides present in pollution streams are nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2). The molecular nitrogen in the combustion air or in the fuel is oxidized, forming NOx. Nitrogen dioxide is a brown gas with a ripe smell whereas NO is colourless and essentially odourless as well as insoluble and non-reactive. Both of them can be contributors to acid rain or precursors to the formation of ground-level ozone (smog component), which causes respiratory problems and damage to vegetation.
To address the adverse impacts of sulphur and nitrogen oxides from shipping emission, the maritime sector is required to find highly efficient and low-cost methods of gaseous pollutants removal. According to the International Maritime Organization regulations (MARPOL Annex VI), there are two sets of emission and fuel quality requirements: global (progressive reduction in global emissions of SOx, NOx and particulate matter) and more restrictive requirements dedicated to ships in deliberately established zones – emission control areas (ECA). Inside the ECA it is expected to use 0.10% sulphur fuel and to achieve above 90% of NOx removal.
Outgoing methods are applied to remove NOx or SO2 separately. These technologies are divided into NOx-reducing devices and SOx scrubbers and this work are focused on process engineering aspects of such systems, including designing of apparatus, main dimensions, advantages/disadvantages as well as processes economy and cost analysis.
To accomplished major reductions in SOx and NOx emissions, a new onboard installation of exhaust emission control are required and one of them may be an electron beam flue gas treatment (EBFGT) process, which is one of the most effective methods of removing SO2 and NOx from industrial flue gases.
In this study, the exhaust gas was first irradiated with the electron beam (EB) technology to reduce the NO, in the dose range of 10-12 kGy with a temperature of the exhaust gas not exceeding 90oC and then followed by a wet scrubber method with appropriately prepared process water, with an addition of the strong oxidant NaClO2. The NOx removal was above 90% and it is expected to use this method for simultaneous removal of NOx and SO2 in the future.


Celem niniejszej pracy było zbadanie metod oczyszczania spalin z silników Diesla aktualnie wykorzystywanych w transporcie morskim. Transport morski jest odpowiedzialny za ok. 90% (objętościowo) światowego handlu. Co więcej, w ostatnich latach wzrosło zainteresowanie podróżowaniem drogą morską – w latach 2003-2016 liczba podróżnych zwiększyła się z 12,0 do aż 22,0 milionów. W związku z tym odpowiednio wzrosła też ogólnoświatowa emisja spalin ze statków, co jest poważnym zagrożeniem dla ekosystemów i zdrowia publicznego.
Spaliny silnikowe mogą zawierać azot, tlen, dwutlenek węgla i parę wodną, a także tlenki azotu, siarki, monotlenek węgla, różne węglowodory i pył. Ponieważ w transporcie morskim korzysta się głównie z tzw. paliwa HFO (ang. heavy fuel oil), o wysokiej zawartości siarki, najwięcej uwagi poświęca się trzem głównym zanieczyszczeniom: NOx, SOx i pyłom. Około 15% światowej emisji NOx i 5-8% emisji SOx jest spowodowane transportem morskim. SO2 jako składnik smogu przyczynia się do powstawania kwaśnych deszczy i może mieć negatywny wpływ na roślinność, jak i na szersze ekosystemy. Dwa główne tlenki azotu obecne w strumieniu zanieczyszczeń są to NO i NO2. Dwutlenek azotu jest brązowym gazem o ostrym zapachu, podczas gdy tlenek azotu jest bezbarwny, bezzapachowy, a także trudno rozpuszczalny i niereaktywny. Obydwa tlenki mogą powodować kwaśne deszcze i być przyczyną tworzenia się ozonu troposferycznego, co prowadzi bezpośrednio do problemów z układem oddechowym oraz jest szkodliwe dla roślinności.
Celem rozwiązania problemu niekorzystnego wpływu emitowanych ze statków tlenków siarki i azotu pożądane jest wyposażenie ich w wysoko wydajne i stosunkowo niedrogie systemy usuwania spalin. Według regulacji Międzynarodowej Organizacji Morskiej – IMO (MARPOL Annex VI) są dwa rodzaje limitów emisji szkodliwych komponentów i zużywanego paliwa: globalne (progresywna redukcja ogólnoświatowej emisji SOx, NOx i pyłu) oraz bardziej restrykcyjne dla statków poruszających się w wyznaczonych strefach kontroli, tzw. ECA (ang. emission control areas). Wewnątrz ECA oczekuje się użytkowania paliwa zawierającego maksymalnie 0,10% siarki oraz osiągnięcia ponad 90% skuteczności usuwania NOx z gazów odlotowych z silników Diesla.
Dotychczasowe metody usuwania NOx i SOx przeznaczone są do usuwania tych tlenków oddzielnie. Technologie te można podzielić na systemy redukcji tlenków azotu oraz skrubery neutralizujące tlenki siarki. Niniejsza praca skupia się na analizie aspektów inżynierii procesowej w tych instalacjach, włączając w to projektowanie urządzeń, najważniejsze wymiary, wady/zalety, a także na analizie kosztów.
Aby osiągnąć znaczącą redukcję omawianych tlenków potrzebne są nowe technologie, możliwe do wykorzystania bezpośrednio na pokładzie. Może być nią proces oczyszczania z wykorzystaniem akceleratora, który jest jednym z najbardziej efektywnych sposobów usuwania NOx i SOx z przemysłowych gazów odlotowych. W tej pracy, celem redukcji monotlenku azotu NO, spaliny z silnika Diesla zostały najpierw napromieniowane wiązką elektronów o dawce 10-12 kGy (temperatura procesowa nie przekroczyła 90oC), a następnie skierowane do mokrego skrubera z odpowiednią wodą procesową z dodatkiem silnego utleniacza NaClO2. Wydajność usuwania NOx wyniosła 90% i oczekuje się, iż w przyszłości możliwe będzie użycie tej metody do jednoczesnego usuwania NOx i SO2.