Emission abatement techniques for marine diesel engines

Abstract

Ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι να παρουσιάσει με περιεκτικότητα τις διάφορες τεχνικές μείωσης ρύπων από ναυτικούς κινητήρες diesel όπως και την αντίστοιχη θαλάσσια περιβαλλοντική νομοθεσία αναφέροντας τα ισχύοντα όρια εκπομπών ρύπων στη ναυτιλία και τα πιθανά μέτρα για τον έλεγχο αυτών στο περιβάλλον. Ακόμα περιγράφει τυπικά χαρακτηριστικά πλοίων και τον τύπο καυσίμου που χρησιμοποιούν, γίνεται ανάλυση των ρύπων και των προϊόντων της ατελούς καύσης υδρογονανθράκων αλλά και διερεύνηση του μηχανισμού σχηματισμού τους. Σε πραγματικές συνθήκες καύσης σε κινητήρες, η τέλεια καύση υδρογονανθράκων είναι αδύνατο να επιτευχθεί οπότε εκτός από τις προσδοκώμενες χημικές ενώσεις όπως διοξείδιο του άνθρακα (CO2), νερό, οξυγόνο, άζωτο, οξείδια του θείου (SOx), εάν το καύσιμο περιέχει θείο, εμφανίζονται κι άλλες ενώσεις όπως οξείδια του αζώτου (ΝΟx), μονοξείδιο του άνθρακα (CO), άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC) καθώς και σωματίδια καπνού (PM), πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCS) και οξείδια μετάλλων τα οποία είναι ιδιαίτερα επιβλαβή για περιβάλλον και άνθρωπο. Όλα αυτά μπορούμε να τα κατατάξουμε σε αέρια του θερμοκηπίου (GHG) και ρύπους καυσαερίων (Pollutant Emissions). Αξίζει να σημειωθεί ότι πρότυπα εκπομπών στη ναυτιλία έχουν εκδοθεί μόνο για τα ΝΟx και SOx. Η συμβολή των πλοίων και των λιμανιών στην ατμοσφαιρική ρύπανση θεωρείται πολύ σημαντική και ο έλεγχος των εκπομπών καυσαερίων των πλοίων απαραίτητος γι αυτό ο Διεθνείς Ναυτιλιακός Οργανισμός (IMO) αλλά και η Αμερικανική Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος (EPA) θέσπισαν κάποιους κανονισμούς για την πρόληψη της ρύπανσης. O ΙΜΟ ειδικότερα έχει θεσπίσει νόμους που περιέχονται στο πρωτόκολλο MARPOL το οποίο προέκυψε από τις προσπάθειες του εν λόγω οργανισμού να προστατεύσει το περιβάλλον από τυχαία ρύπανση από πλοία. Το MARPOL περιέχει έξι παραρτήματα (Annexes) από τα οποία τα πέντε αφορούν διαφορετικό τύπο μόλυνσης από πλοία ενώ το έκτο το οποίο και εξετάζει αυτή η διπλωματική εργασία (Annex VI) καθορίζει τα όρια εκπομπών ΝΟx και SOx και ελέγχει την ατμοσφαιρική μόλυνση θεσπίζοντας πρότυπα για τις εκπομπές ρύπων και τη σύσταση καυσίμων. Το πρωτόκολλο αυτό τροποποιείται συνεχώς και στη πρώτη του μορφή το 1997 έγινε η αρχή για τον έλεγχο της ατμοσφαιρικής μόλυνσης θεσπίζοντας παράλληλα Περιοχές Έλεγχου Ρύπων (ECA- Emission Control Areas) . Η βάση του κανονισμού είναι το γεγονός ότι ο μέσος όρος των εκπομπών NOx των νέων πλοίων θα πρέπει να είναι περίπου 30 τοις εκατό λιγότερο από τις εκπομπές των πλοίων το 1990. Σημαντικός είναι και ο περιορισμός του επιτρεπόμενου ποσοστού των καυσίμων σε θείο ανεξαρτήτως του τύπου καυσίμου σε 45,000 parts per million (ppm). Καθιερώνει διαφορετικό ποσοστό θείου στα καύσιμα για τις περιοχές έλεγχου εκπομπών (ECA- Emission Control Areas) σε 15.000 ppm. Η συμμόρφωση με τα όρια εκπομπών του MARPOL Annex VI βαραίνει τον πλοιοκτήτη και όχι την κατασκευάστρια εταιρία των μηχανών ενώ η επιβολή του MARPOL είναι ευθύνη των κρατών τα οποία δρουν σύμφωνα με την ισχύουσα σε αυτά νομοθεσία. Στα 3 κράτη αυτά είναι απαραίτητη η διεξαγωγή ελέγχων ώστε να διασφαλίζεται η συμμόρφωση των πλοίων και των μηχανών τους με τις απατήσεις του MARPOL. Οι έλεγχοι αυτοί εφαρμόζονται στα πλοία πάνω από 400 τόνους, στις πλωτές εξέδρες εξόρυξης πετρελαίου και στις λοιπές πλατφόρμες. Αν κάποιο πλοίο, μετά τους ελέγχους αυτούς βρεθεί να συμμορφώνεται με τα όρια εκπομπών, το κράτος του χορηγεί ένα διεθνές πιστοποιητικό πρόληψης της μόλυνσης του αέρα (International Air Pollution Prevention Certificate- IAPP). Στη συνέχεια αναφέρεται το σημαντικότερο μέρος της διπλωματικής εργασίας που αφορά τις τεχνικές μείωσης ρύπων για ναυτικούς κινητήρες Diesel. Για την μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων από τους κινητήρες Diesel χρησιμοποιείται μία μεγάλη ποικιλία τεχνικών. Οι τεχνικές αυτές, ανεξάρτητα από τον ρύπο, διακρίνονται σε πρωτεύουσες και δευτερεύουσες. Οι πρωτoγενείς τεχνικές αποσκοπούν στην μείωση των παραγόμενων ρύπων κατά την διαδικασία της καύσης ενώ οι δευτερογενείς τεχνικές εστιάζουν στην μείωση από τα καυσαέρια των ήδη παραγόμενων ρύπων. Κάθε είδος ρύπου αντιμετωπίζεται και ελέγχεται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα αν και ορισμένοι ρύποι συνδυάζονται μεταξύ τους και η αυξομείωση του ενός επιφέρει και την αυξομείωση του άλλου. To γεγονός αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την αξιολόγηση των διαφόρων τεχνικών. Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τον σχηματισμό των οξειδίων του αζώτου (NOx) είναι οι συγκεντρώσεις του oοξυγόνου και του αζώτου καθώς και οι θερμοκρασίες στον θάλαμο καύσης. Επομένως είναι αναμενόμενο όλες οι πρωτεύουσες τεχνικές μείωσης της παραγωγής NOx να εστιάζουν στις συγκεντρώσεις και τις θερμοκρασίες αυτές. Αντίστοιχα, οι μέθοδοι για την μείωση των παραγόμενων υδρογονανθράκων, μονοξειδίου του άνθρακα και των σωματιδίων καπνού στοχεύουν στην δημιουργία ενός πιο ομοιόμορφου μείγματος καυσίμου-αέρα στον θάλαμο καύσης για την επίτευξη μιας πιο κοντά στην τέλεια καύση. Οι υπάρχουσες τεχνικές μείωσης ρύπων για κινητήρες Diesel παρουσιάζονται περιληπτικά στη συνέχεια και αφορούν τεχνικές μείωσης NOx, SOx, PM και CO2. Στις τεχνικές μείωσης NOx υπάρχουν πρωτεύουσες και δευτερεύουσες τεχνικές. Οι μέθοδοι αυτές είναι δυνατόν να ομαδοποιηθούν στις εξής επιμέρους κατηγορίες: Ξηρές και υγρές μέθοδοι, όπου στις ξηρές μεθόδους έχουμε τις βασικότερες όπως η χρήση Εγχυτήρων "Slide valves" και βελτιστοποίηση του ακροφυσίου έγχυσης καυσίμου, Ψύξη του αέρα σάρωσης και κύκλος Miller, Επανακυκλοφορία των καυσαερίων (EGR), και το σύστημα έγχυσης καυσίμου "Common Rail". Οι υγρές μέθοδοι περιλαμβάνουν τη Χρήση γαλακτώματος νερού – καυσίμου, τη μέθοδο Απευθείας έγχυσης νερού (Direct Water Injection – DWI), τη μέθοδο της Ύγρανσης του αέρα καύσης (ΗΑΜ). Στις τεχνικές μείωσης SOx, παρατηρούμε πώς οι εκπομπές οξειδίων του θείου είναι άρρηκτα συνδεδεμένες με το ποσοστό του θείου στα καύσιμα και την κατανάλωση καυσίμου του κινητήρα. Επομένως η μείωση των εκπομπών SOx είναι δυνατή είτε μέσω αλλαγών στη σύνθεση των καυσίμων που χρησιμοποιούνται είτε με επεξεργασία των καυσαερίων πριν εξέλθουν στην ατμόσφαιρα. Αλλαγές στην διαδικασία της καύσης δεν επιφέρουν σημαντικό αποτέλεσμα στις εκπομπές SOx. Η πιο αποτελεσματική τεχνική μείωσης των συγκεντρώσεων SOx στα καυσαέρια είναι 4 η μείωση του περιεχομένου των καυσίμων σε θείο. Η απόπλυση καυσαερίων με νερό - ES (Exhaust Scrubber) είναι η συνηθέστερη, απλούστερη και πιο εύκολη στην εγκατάσταση δευτερεύουσα μέθοδος μείωσης των εκπεμπόμενων οξειδίων του θείου. Η απόπλυση των καυσαερίων με νερό, θαλασσινό ή γλυκό, επιτυγχάνει την απομάκρυνση του διοξειδίου του θείου (SO2) από αυτά χάρη στην αλκαλικότητα του νερού. Έπειτα αφού εξετάστηκαν οι βασικότερες μέθοδοι μείωσης ρύπων αναφέρονται και κάποιες άλλες όπως οι Καταλύτες απορρόφησης NOx, τα βιοκαύσιμα, και άλλα που μας βοηθούν ώστε να επέλθει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Κάποια συμπεράσματα που απορρέουν είναι ότι κάθε τεχνική φέρει έναν αριθμό πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων καθώς και διαφορετικό κόστος και βαθμό αποτελεσματικότητας. Η μείωση των εκπομπών NOx και SOx σε ορισμένες περιπτώσεις αύξησε το κόστος και τις εκπομπές CO2. Όσον αφορά τη μείωση του CO2, χρειάζονται περισσότερες τεχνικές λύσεις για την επίτευξη του στόχου. Για τη περαιτέρω μείωση του CO2 πρέπει να συνεχιστούν οι προσπάθειες για μείωση της αντίστασης του σκάφους, βελτιστοποιημένη λειτουργία, πιο αποτελεσματικά συστήματα πρόωσης, πιο αποδοτικούς κινητήρες καυσίμου, τα εναλλακτικά καύσιμα (υγροποιημένου φυσικού αερίου, τα βιοκαύσιμα κ.λπ.), και η προσθήκη εναλλακτικών πράσινων μέσων πρόωσης (κυψέλες καυσίμου, αιολική, ηλιακή κλπ.). Βέβαια περεταίρω μείωση εκπομπών CO2 θα οδηγήσει στη μείωση επίσης των NOx και SOx.

...