[alex diesel spb]

УДК 621.43.074
Г. Е. Живлюк, А. П. Петров
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова», Санкт-Петербург, Российская Федерация

Предметом настоящего исследования являются системы обеспечения экологической безопасности судовых двигателей внутреннего сгорания, в частности, технологии ограничения выбросов оксидов азота (NOx). Акцент в работе делается на системы селективного каталитического восстановления (SCR), как самой апробированной и распространенной технологии сокращения эмиссии NOx с отработавшими газами судового дизеля, используемой в судовой технике для достижения соответствия требований стандартов экологической безопасности Международной морской организации (ИМО). В работе приведены нормативные требования по сокращению выбросов NOx для различных регионов судоходства. Проанализированы основные теоретические аспекты каталитических реакций восстановления оксидов азота и организации условий их протекания. Отдельное внимание уделено вопросам обеспечения температурных условий протекания реакций SCR, выделены границы таких условий и определены причины их возникновения. Рассмотрены компоновочные схемы, изложены особенности функционирования систем SCR высокого и низкого дав-ления, сопоставлены их достоинства и недостатки. Отмечается, что системы низкого давления являются наиболее предпочтительными для модернизации судовых энергетических установок (СЭУ) по причине их полной автономности в конструкции СЭУ, несмотря на потенциальные недостатки в части поддержания требуемых температурных условий протекания реакции восстановления. Уделено внимание вспомогательным подсистемам обеспечения работы системы селективного каталитического восстановления оксидов азота, дано описание их особенностей.  Приводятся некоторые расчетные данные по эксплуатационным затратам системы SCR, включая затраты на дополнительный расход топлива двигателем, на используемые реагенты, возросшее потребление электрических мощностей СЭУ, расходные материалы и др. Сделаны выводы по эффективности использования технологии SCR в сравнении с альтернативными технологиями обеспечения требований действующей нормативной базы по экологической безопасности судовых энергетических установок.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, экологическая безопасность, эмиссия оксидов азота, технологии каталитического восстановления, рециркуляция отработавших газов, достижение нормативных требований, эксплуатационные расходы.

Для цитирования:
Живлюк Г. Е. экологическая безопасность судовых двс. ограничение выбросов оксидов азота методами селективного каталитического восстановления. / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2026. — Т. ХХ. — № Х. — С. хх–хх. DOI:

Введение (Introduction)
Экологическая безопасность судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) постоянно находится под пристальным вниманием разработчиков и контролем законодательных органов, нормирующих вредные выбросы, производимые судовыми энергетическими установками (СЭУ). Высокие температуры, реализуемые в локальных зонах камеры сгорания дизельного двигателя, в экспоненциальной зависимости инициируют рост скорости образования оксидов азота (NOx). Спе-цифика протекания процесса сгорания в дизельном двигателе предопределяет такую ситуацию, когда оксиды азота в составе отработавших газов оказываются основной составляющей суммарных вредных выбросов. При этом, образование оксидов азота практически не зависит от элементного состава используемого топлива, поскольку реагенты входят в состав воздуха, подаваемого в цилиндр, в отличие от иных вредных компонентов из состава отработавших газов, к которым от-носят оксиды серы, несгоревшие углеводороды и твердые частицы, образование которых в значи-тельной мере определяется составом топлива. Из анализа механизмов образования NOx в камере сгорания дизельного двигателя [1] следует, что основной направленностью воздействия на сокра-щение выбросов оксидов азота является всемерное сокращение максимума температур в локаль-ных зонах.
Сдерживание роста температурных максимумов за счет непосредственного (управление про-цессами топливоподачи, смесеобразования и т.д.) и опосредованного (введение в состав рабочего тела компонентов, обладающих высокой теплоемкостью, снижение концентрации кислорода в по-даваемом воздухе и др.) воздействия на протекание процесса тепловыделения находится в диссо-нансе с возможностью достижения высокой топливной экономичности теплового двигателя в со-ответствии с теоремой Карно. Одновременно использование таких технологий требует выполне-ние дополнительных мероприятий по доводке рабочих процессов в двигателе, а, в некоторых слу-чаях, и по изменению конструкции двигателя, которые может осуществить только изготовитель. Эффективность методов в плане достижения действующих требований и ограничений не всегда однозначна. Наибольшую эффективность проявляют системы рециркуляции отработавших газов (EGR), как технология, совмещающая два фактора влияния – сокращение концентрации кислорода за счет подмешивания продуктов сгорания в состав свежего заряда цилиндра и введение в состав рабочего тела компонентов из состава отработавших газов, обладающих высокой теплоемкостью – водяного пара и диоксида углерода. Технология EGR по многочисленным данным исследований [2–4] позволяет достигать соответствия требований самых жестких ограничений по выбросам ок-сидов азота и рассматривается как эффективный способ ограничения выбросов NOx.
Наряду с методами непосредственного или опосредованного воздействия на условия образо-вания NOx, в фокусе внимания производителей СДВС и операторов флота находятся периферий-ные способы очистки отработавших газов, не оказывающие негативного влияния на протекания внутрицилиндровых процессов. В первую очередь, речь идет об организации условий протекания реакций восстановления оксидов азота. Основной технологией, базирующейся на этом методе, является селективное каталитическое восстановление NOx (SCR). EGR и SCR рассматриваются как две конкурирующие технологии, способные обеспечивать достижение третьего уровня эколо-гических стандартов Международной морской организации (ИМО) Tier III, применимый к отдель-ным районам плавания – зонам контроля эмиссии NOx (NECA) [5].
Целью настоящей работы является рассмотрение возможностей и анализ технической эффек-тивности систем селективного каталитического восстановления оксидов азота в обеспечении тре-бований экологической безопасности судовых энергетических установок.

Методы и материалы (Methods and Materials)
Селективное каталитическое восстановление как процесс преобразования оксидов азота в двухатомный азот и воду посредством восстановителя, в качестве которого выступает аммиак (NH3), было запатентовано в 1957 году в США корпорацией Энгельхард (Engelhard Corporation) [6]. Первоначально технология разрабатывалась для стационарных установок (тепловые электро-станции, котлы в химической промышленности, заводы по переработке бытовых отходов, коксо-вые печи и т.д.) и впервые была применена в Японии в конце 1970-х годов, а с середины 1980-х годов получила распространение в Европе и США [7]. Большие размеры и стационарные режимы работы судовых энергетических установок позволили адаптировать системы SCR для судовых двигателей. Так, в 1989 году SCR были задействованы для судовых двигателей MAN B&W мощ-ностью 8 МВт, в 1992 году – для двигателя Wartsila 6R32E на пароме «Аврора Хельсингборг» [8]. Параллельно технология SCR рассматривалась к применению для двигателей железнодорожного транспорта [9], серийное производство SCR для дизельных двигателей автомобильной промыш-ленности был налажен позднее, в начале века [10].
Для двигателей судового назначения системы селективного каталитического восстановления позволяют гарантированно снизить выбросы оксидов азота до уровня, соответствующего требова-ниям TIER III, см рис 1, тем самым обеспечить возможность судам осуществлять свою деятель-ность в зонах контроля NECA.



Рис.1. Действующие ограничения по выбросам оксидов азота

В качестве реагента в системах SCR могут использоваться некоторые азотосодержащие восстановители, наиболее распространенными являются безводный аммиак, водный раствор ам-миака или растворенная мочевина. По условиям хранения восстановителей, с учетом их потенци-альной опасности для человека и окружающей среды, наиболее безопасными оказываются раство-ры мочевины, известные как AdBlue, содержащие от 31,8 до 33,2% (по весу) высокоочищенной мочевины и деминерализованной воды в соответствии с ГОСТ Р ИСО 22241 [11]. Концентрация раствора мочевины, назначенная ГОСТ, соответствует минимальной температуре замерзания реа-гента, которая при концентрации 32,5% равна -11 оС. При увеличении, равно как и при уменьше-нии концентрации раствора реагента температура кристаллизации увеличивается в соответствии с рис. 2.



Рис. 2. Температурная зависимость кристаллизации раствора мочевины
Учитывая то обстоятельство, что в условиях машинного помещения воздействие отрицатель-ных температур крайне маловероятно, для судовых SCR возможно использование более концен-трированных растворов – до 40% мочевины с температурой кристаллизации близкой к 0 оС.  В случае замерзания раствора, его свойства после нагрева и плавления восстанавливаются.
Катализаторы могут изготавливаться сотовыми, пластинчатыми или гофрированными кон-струкциями из пористых керамических материалов, используемых в качестве основы - носителя. Катализаторы сотового типа состоят из экструдированной керамики, нанесенной равномерно на носитель или подложку. Катализаторы сотовой структуры отличаются большой активной поверх-ностью при малых габаритах, но обладают высоким гидравлическим сопротивлением и в значи-тельной мере подвержены облитерации. Напротив, катализаторы пластинчатого типа создают меньший перепад давления, менее подвержены засорению, чем сотовые, но при этом имеют боль-шие габариты и стоимость.
Структурные элементы реактора SCR изготавливаются на основе пористых керамических ма-териалов, например, оксида титана. В качестве активных каталитических компонентов реакции восстановления оксидов азота могут использоваться оксиды ванадия, молибдена и вольфрама, цеолиты и др. [12]. Активные компоненты с оксидами ванадия и вольфрама широко применимы по причине их относительно низкой стоимости, высокого каталитического потенциала и хорошей работоспособности в температурных диапазонах, характерных для большинства режимов работы дизельных энергетических установок. Однако такие катализаторы не обладают высокой термиче-ской стойкостью. Цеолитные катализаторы проявляют более высокую термическую стойкость и способны поддерживать длительную работоспособность при температурах 630 оС, а кратковре-менно – до 850 оС что становится актуальным при установки сажевых фильтров с принудительной регенерацией. Определенный потенциал может быть выявлен для применения железо- и медь-обменных цеолитных катализаторов, способных обеспечить при определенных условиях сораз-мерную эффективность катализаторов на оксидах ванадия [13].
Каталитическое восстановления оксидов азота сводятся к следующим основным реакциям [14]:
 2NO+2NH₃+1/2O₂----2N₂+3H₂O
NO₂+2NH₃+1/2O₂ ----3/2N₂ +3H₂O
NO+NO₂+2NH₃ ---- 2N₂+2H₂O
Содержание серы в судовых топливах приводит к образованию диоксида серы SO2, который может окисляется до триоксида (SO3), особенно в каталитической среде, и при взаимодействии с водяным паром превращается в серную кислоту (H2SO4):
SO+H₂O ----- H₂SO₄
 В таком случае аммиак вступает в реакцию с триоксидом серы с образованием (NH₄)₂SO₄   и NH₄HSO₄:
NH₃+SO₃ + H₂O --- NH₄HSO₄
2NH₃+SO₃+H₂O
Образующиеся соли серной кислоты – бисульфат аммония (АBS) NH₄HSO₄ (гидросульфат аммония) и сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ могут оседать на поверхности катализатора и приводить к его дезактивации при низких температурах, обычно ниже 250 ^оС при атмосферном давлении, от-работавших газов [15].  Причем эта температура имеет зависимость от давления газа, как это де-монстрирует рис. 3. Кроме того, при температуре отработавших газов ниже 200 ^о С, аммиак может вступать в реакцию с NO₂ образуя взрывоопасный нитрат аммония NH₄NO₃:

2NH₃+2NO₂+H₂O ---- NH₄NO₂
который также может дезактивировать катализатор, оседая в жидкой или твердой фазе на поверхности каталитических элементов [16].
 <br /><br />free image hosting
Рис. 3. Зависимость температуры дезактивации катализатора
от содержания серы в топливе при различных давлениях.

При использовании мочевины происходят следующие основные реакции:
3NO+CO(NH₂)₂ ----5/2N₂+2H₂0+CO₂
3NO2+2CO(NH₂)₂ ----7/2N₂+4H₂O+2CO₂

При наличии серы в топливе, как и в случае с аммиаком, происходят вторичные реакции, которые приводят к аналогичным последствиям, связанных с дезактивацией катализатора:
CO(NH₂)₂+H₂SO₄+H₂O ---(NH₄)2SO₄+SO₂
CO(NH2)2+2H2SO4+H2O --- 2NH4HSO4+CO₂
 
Избежать дезактивацию катализатора возможно за счет поддержания температурного режима реакции.  Таким образом, температурные условия протекания реакций восстановления в системе SCR играют важную роль в настройке режимов работы системы.
Оптимальный температурный диапазон для наиболее эффективной скорости реакции каталитического восстановления оксидов азота составляет от 360 до 450 оС, но этот оптимум зави-сит от выбранного катализатора, состава топлива и газа и может изменяться. Процесс может про-текать и при более низких температурах (порядка 225 оС), однако это потребует более длительное пребывание реагентов в зоне реакции, при этом возрастают упомянутые выше риски дезактивации катализатора. Экспериментальные данные, представленные Cummins Emission Solutions [17], показаны на рис. 4.

 

Рис. 4. Зависимости скорости реакции SCR (а) и проскальзывания аммиака (б)
от температуры газа для топлив с различным содержанием серы

Превышение температур оптимума реакции также не желателен, поскольку может приводить к увеличению расхода реагента за счет окисления аммиака, как горючего вещества, когда темпера-тура приблизится к 500 ^оС.
Поддержание температурного оптимума реакции обеспечивается конструктивными мерами, когда система SCR может быть скомпонована как система высокого (SCR-HP) и низкого давления (SCR-LP), рис. 5 [18].
 
Рис. 5. Двухтактный малооборотный двигатель с системой SCR-HP (а) и SCR-LP (б) [16]

Система SCR высокого давления целесообразна к применению на двухтактных судовых дизелях из-за возможности обеспечения относительно высокой температуры процессов восстановления оксидов азота. Температура газов на выпуске в двухтактных двигателях оказывается ниже, чем в четырехтактных в связи с большим подмесом продувочного воздуха к отработавшим газам. В зависимости от нагрузки температурный перепад газа на турбине турбокомпрессора составляет 50 – 175 ^оС. В случае SCR-HP обеспечивается поддержание высоких температур реакций восстановления NOx в широком диапазоне нагрузочных режимов работы двигателя.
Процесс SCR-HP, схема которого показана на рис. 6 происходит в системе, установленной пе-ред турбокомпрессором и состоит из двух основных компонентов: комбинированного блока испа-рителя-смесителя и реактора SCR.
 

Рис. 6. Схема системы SCR высокого давления
Учитывая, что система SCR-HP, в отличие от SCR-LP, оперирует с меньшим объемом газа (находящимся под давлением), система высокого давления будет иметь умеренные габариты (см рис.5), но требует изменения конструкции двигателя в части газовыпуска. В тех случаях, когда внутренние настройки двигателя позволяют двигателю достичь соответствия требованиям стан-дарта TIER II, при работе судна вне зон NECA, система SCR отключается закрытием запорного клапана реактора (ЗКР) и дроссельного клапана реактора (ДКР), при этом перепускной клапан ре-актора (ПКР) должен быть в открытом состоянии и отработавшие газы поступают непосредственно в турбину турбокомпрессора. При входе в зону NECA перепуск отработавших газов, минуя си-стему SCR, отключается закрытием клапана ПКР, а клапана ЗКР и ДКР открываются.
Несмотря на то, что реактор расположен в зоне повышенных температур перед турбиной, при низких нагрузках двигателя температура отработавших газов может оказаться слишком низкой для протекания реакций SCR. Для достижения приемлемого температурного режима реакции в таком случае в конструкции системы предусматривается возможность перепуска воздуха из про-дувочного ресивера на вход в турбину. Байпас управляется перепускным воздушным клапаном (ПВК) при открытии которого уменьшается количество подаваемого в цилиндры воздуха, что вле-чет за собой снижение коэффициента избытка воздуха и, как следствие, рост температуры отрабо-тавших газов. Это позволяет поддерживать температурный уровень реакций SCR однако приводит к ухудшению топливной экономичности двигателя.  Так, на рис. 7 показаны диапазоны нагрузок, при которых необходимо открытие клапана ПВК для поддержания температурного уровня реак-ции. Очевидно, что диапазон открытия перепуска для нагрузок двигателя с относительно низкой температурой отработавших газов (двигатель В, см. рис. 7) будет шире, чем для двигателя с более высокой температурой отработавшего газа (двигатель А на рис. 7). Также диапазон открытия пе-репуска будет зависеть от количества серы в топливе. Поскольку диапазон открытия клапана ПВК зависит от мощности и характеристик конкретного двигателя, а также содержания серы в топливе, диапазон открытия клапана может достигать более 75% и мощности, как это следует из рис.7.

 

Рис. 7. Диапазон открытия перепуска воздуха для создания условий реакции SCR

В тех случаях, когда энергия отработавших газов оказывается избыточной и энергетический баланс между энергией, генерируемой турбиной и потребляемой компрессором нарушается в сто-рону увеличения мощности турбины турбокомпрессора, открывается перепускной клапан отрабо-тавших газов (ПКГ) в целях восстановления энергетического баланса.
Во избежание образования отложений в реакторе, связанных с низкой температурой реакции, система SCR отключается на режимах малых нагрузок. Минимальная мощность двигателя при которой производится отключение системы SCR составляет порядка 15% и может существенно изменяться в зависимости от характеристик двигателя и качества используемого топлива [18].
Необходимо упомянуть, что реактор и испаритель обладают высокой теплоемкостью, что обу-славливает задержку изменения температур между выпускным коллектором и входом в турбоком-прессор. Это может привести к нарушению расчетного массового баланса между подачей ком-прессора и потреблением двигателя, создавая термическую нестабильность, особенно на переход-ных режимах. В целях противодействия такой нестабильности, должны задействоваться электро-приводные воздухонагнетатели, которые будут поддерживать массовый баланс. Поскольку диапа-зон включения автономных воздухонагнетателей может распространяться до 65% мощности дви-гателя, мощность их привода должна быть увеличена по сравнению со стандартным двигателем.
Пример компоновки системы SCR-HP Hitachi Zosen Corporation показан на рис. 8. (Обозначе-ния клапанов соответствуют рис. 6.)



Рис. 8. Компоновка системы SCR-HP [18]

Система SCR низкого давления выгодно отличается от SCR-HP в первую очередь тем, что не затрагивает конструкцию двигателя и поэтому оказывается весьма выгодна для модерниза-ции силовой установки. Система состоит из трех основных элементов: реактора SCR; смесителя и блока подготовки восстановителя. Схема системы представлена на рис. 9.

 

Рис.9. Схема системы SCR низкого давления
Управление системой SCR низкого давления аналогично SCR-HP. Для включения системы в работу, должен быть перекрыт перепускной клапан реактора ПКР и открыты клапана ЗКР и ДКР. Основное отличие систем состоит в обеспечении температурного режима реакции: принимая во внимание тот факт, что температура газа, которым оперирует SCR-LP оказывается существенно ниже, чем в системе высокого давления, для поддержания температурного уровня реакции восста-новления особенно на низких нагрузках, в системе предусмотрен подогреватель газа, включенный в блок подготовки восстановителя. Таким образом, очищенные в реакторе от NOx газы, частично возвращаются в систему через блок подготовки. Газ в блок подается нагнетателем, далее проходит через подогреватель и поступает в испарительную камеру, где происходит подготовка реагента-восстановителя. Из блока подготовки газ поступает в смесительную камеру, где, при необходимо-сти подогретый и насыщенный восстановителем газ смешивается с основным потоком отработав-ших газов цилиндров двигателя и поступает в реактор SCR-LP.
На долевых нагрузках двигателя, а также в холодных условиях окружающей среды управление температурой отработавших газов двигателя производится байпасным клапаном ПКГ. Для повышения температуры до требуемого уровня, часть отработавших газов перепускается минуя турбину турбокомпрессора, понижая его производительность, что приводит к уменьшению сум-марного коэффициента избытка воздуха и, как следствие, к росту температуры отработавших га-зов. Такое регулирование приводит к некоторому, в пределах 0,5 – 2,0 г/кВт‧ч, увеличению рас-хода топлива в зависимости от условий работы двигателя.
Пример компоновки системы SCR-LP производства Doosan Engine Corporation показан на рис. 10. Система монтируется в магистрали газовыпуска и не требует изменения конструкции газовы-пускных трактов двигателя, как этого требует система SCR высокого давления, что обеспечивает гибкость при размещении системы и удобство использование системы SCR-LP в ходе модерниза-ции энергетической установки под требования стандарта TIER III.

 

Рис. 10. Система SCR низкого давления [18]

Системы SCR-LP и SCR-HP включают в свою конструкцию ряд вспомогательных подсистем. В первую очередь необходимо выделить подсистему хранения реагента-восстановителя, в качестве которого, в большинстве случаев используется водный раствор мочевины (32,5% или 40%) или водный раствор аммиака (25% NH3). Несмотря на то, что применение мочевины требует более сложного процесса испарения и смешивания, что оказывает влияние на компоновку системы, для морских целей раствор мочевины оказывается более предпочтительным в связи с относительно низкими рисками использования и хранения на борту судна. В тоже время, аммиак, подаваемый в виде водного раствора классифицируется как коррозионно-активный и вредный для здоровья и окружающей среды поэтому танк хранения и система подачи, включая испаритель, должнs распо-лагаться в отдельном помещении, вдали от жилых помещений и машинного отделения.
Подсистема сжатого воздуха поддерживает две функции – обеспечение пневматического рас-пыливания реагента и сажеобдув активной зоны реактора. Процесс продувки сажи предотвращает загрязнение элементов реактора и выполняется периодически в процессе работы системы SCR. Сажа выводится вместе с отработавшим газом в систему газовыпуска.
Учитывая то, что реактор и испаритель системы SCR обладают значительной теплоемкостью, для сокращения времени выхода на расчетный температурный режим при вводе системы в работу, предусматривается подсистема подогрева испарителя и реактора. Работа подсистемы подогрева инициируется заблаговременно, до включения в работу реактора в зоне NECA, кроме того, при нахождении судна у причала или стоянки в порту, температура реактора будет медленно снижать-ся, и работа подсистемы подогрева будет поддерживать температурное состояние на требуемом уровне.
Подсистема управления базируется на показаниях датчиков постоянного контроля содержания NOx в отработавших газах и является обязательной для всех систем SCR. Подсистема производит управление соответствующими клапанами и упомянутыми подсистемами, обеспечивает до-зирование подачи реагента и имеет интеграцию с системой управления двигателем.
В отличие от своего ближайшего конкурента – системы рециркуляции отработавших газов EGR, система SCR, вне зависимости от конструкции и компоновки, приводит к существенным дополнительным эксплуатационным расходам. В то время как для системы EGR основные дополнительные расходы обусловливаются, в основном, увеличением удельного эффективного расхода топлива до 4 – 5 % [1], эксплуатационные расходы систем SCR включают затраты на восстановитель, сменные модули реактора, дополнительный расход топлива и электроэнергии, обслуживание системы и др. При этом только расходы на реагенты могут превысить 8% от стоимости использованного топлива. Данные по дополнительным затратам представлены в табличной форме (табл. 1) по результатам расчетов энергетической установки балкера с двигателем MAN мощностью 16 440 кВт, оборудованного SCR-LP, предназначенной для работы на малосернистом топливе [18].

Таблица 1
Структура эксплуатационных затрат на систему SCR

Нагрузка двигателя, % от дли-тельной максимальной мощности   25%   50%   75%   100%
Удельный расход топлива в ре-жиме TIER III, г/кВт‧ч   166,8   158,0   157,5   162,0
Удельный расход топлива в ре-жиме TIER II, г/кВт‧ч   164,0   156,5   156,5   161,5
Увеличение удельного расхода топлива, г/кВт‧ч    2,8   1,5   1,0   0,5
Увеличение часового расхода топлива, кг/ч   11,5   12,3   12,3   8,2
Дополнительный расход электроэнергии, кВт   82,2   82,2   82,2   82,2
Расход мочевины (раствор 40%), л/час   120   190   230   230

При этом дополнительные годовые расходы могут достигать:
– по используемому топливу – 7,0 т/год;
– по электроэнергии – 49,3 МВт/год;
– по восстановителю – до 110 м3/год или для 40% раствора мочевины – 17,9 г/кВт‧ч (16,1 л/МВт‧ч) и 16,6 г/кВт‧ч (18,4 л/МВт‧ч) для 24,5% водного раствора аммиака.
Срок службы катализатора определяется производителем и зависит от продолжительности ра-боты системы SCR, нагрузки на двигатель, типа и объема реактора по сравнению с объемом ци-линдров двигателя, качества используемого топлива и др.

Выводы (Summary)
Благодаря накопленному опыту использования и доступности на рынке система SCR в насто-ящее время объективно является лидером среди технологий обеспечения соответствия требований стандарта ИМО Tier III по выбросам оксидов азота судовыми энергетическими установками, вы-годно отличаясь от своего ближайшего конкурента – системы рециркуляции отработавших газов EGR, возможностью интеграции в состав СЭУ без изменения конструкции и специальных настро-ек рабочего процесса дизельного двигателя.
Конструктивно система SCR может быть организована как система высокого или низкого дав-ления. Вне зависимости от выбранной схемы, технология способна обеспечивать восстановление 80% и более NOx до молекулярного азота при соблюдении ряда условий, к которым, в первую очередь, относится необходимость поддержания температуры протекания реакций на уровне 300 – 450 оС. Более низкие температуры, менее 250 оС значительно снижают скорости протекания реак-ций восстановления и способны вызывать процессы дезактивации катализатора за счет облитера-ции поверхности катализатора бисульфатом аммония.
По сравнению с системой EGR, использование технологии селективного каталитического вос-становления оксидов азота не приводит к существенному росту удельного эффективного расхода топлива и его увеличение ограничивается в пределах до 1 – 1,5%, однако работа системы SCR со-пряжена с возникновением ряда сопутствующих эксплуатационных затрат. В то время, как работа EGR, в основном, связана с 4 – 5% потерей топливной экономичности при минимальных затратах на обслуживание системы, затраты только на расходуемый реагент каталитической реакции вос-становления оксидов азота составляют до 8% от стоимости используемого топлива. Кроме того, к сопутствующим эксплуатационным затратам следует отнести дополнительный расход электро-энергии, затрачиваемой на работу механических возухонагнетателей и обеспечение работы подси-стем SCR, который оценивается не менее 5кВт/МВт мощности установки, а также затраты на об-служивание системы, замену активных элементов реактора, как расходных материалов и пр.
Несмотря на относительно высокие эксплуатационные затраты систем SCR, селективное ката-литическое восстановление остается самой массовой и распространенной технологией для дости-жения соответствия требованиям третьего уровня стандартов ИМО по экологической безопасности судовых энергетических установок в части ограничения эмиссии оксидов азота.
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Живлюк Г. Е.  Эффективность ограничения выбросов оксидов азота системами рециркуляции отработавших газов судовых ДВС / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 5. — С. 845–857.
2. Мельник Г. В. Технологии для достижения требований ИМО Tier III (по материалам конгресса CIMAK) / Г. В. Мельник // Двигателестроение. — 2020. — № 4 (282). — С. 41–57.
3. Петров А.П. Технологии достижения новых требований по выбросам оксидов азота судовыми энергетическими установками / А.П. Петров, Г.Е. Живлюк // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2021. — № S1. — С. 83–85. DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-83-85
4. EGR
5. Резолюция ИМО
6. Antonio Santos. Advanced Motor Vehicle Emission Control Technology Celebrates 25th Anniversary / Antonio Santos // News Manufacturers of Emission Controls Association (MECA). – Washington, DC. 2020. – Pp.3.
7. Gibson J., O. Groene. Selective Catalytic Reduction on Marine Diesel Engines. Automotive Engineering 1991. 18-22 p.
8. Hug H.T., A. Mayer., A. Hartenstein.  Off-Highway Exhaust Gas After-Treatment: Combining Urea-SCR, Oxidation Catalysis and Traps”. 1993. SAE Technical Paper 930363, doi:10.4271/930363.
9. Weaver C.S. D.B. McGreger. The Development and Performance of the Compact SCR-Trap System: A 4-Way Diesel Emission Control System”,  1994. SAE Technical Paper 2003-01-0778, doi:10.4271/2003-01-0778.
10. Hirata, K., N. Masaki, H. Ueno, and H. Akagawa. Development of Urea-SCR System for a Heavy-Duty Commercial Vehicles”. 2005.  SAE Technical Paper 2005-01-1860, doi:10.4271/2005-01-1860.
11. ГОСТ Р ИСО 22241-1–2012 Двигатели дизельные. Восстановитель оксидов азота AUS 32. Ч1. Требования к качеству. — М. : ФГУП «Стандартинформ», 2013. 8 с.
12. Han, Lupeng; Cai, Sixiang; Gao, Min; Hasegawa, Jun-ya; Wang, Penglu; Zhang, Jianping; Shi, Liyi; Zhang, Dengsong (2019) Selective Catalytic Reduction of NOx with NH3 by Using Novel Catalysts: State of the Art and Future Prospects. Chemical Reviews. 119 (19): 10916–10976. doi:10.1021/acs.chemrev.9b00202.
13. Gieshoff, J; M. Pfeifer; A. Schafer-Sindlinger; P. Spurk; G. Garr; T. Leprince (March 2001) Advanced Urea Scr Catalysts for Automotive Applications. Society ofAutomotive Engineers. cal Paper Series SAE. 1. doi:10.4271/2001-01-0514.
14. Willi, R., B. Roduit, R. Koeppel, A. Wokaun, A. Baiker, 1996. “Selective Reduction of NO by NH3 over Vanadia-Based Commercial Catalyst: Parametric Sensitivity and Kinetic Modeling”, Chem. Eng. Sci., 51 (11), 2897-2902.
15. Lepperhoff, G., J. Schommers, 1988. “Verhalten von SCR-Katalysatoren im dieselmotorischen Abgas”, MTZ Motortechnische Zeitschrift, 49, 1.
16. Kobel M., Madia G., Elsener M., 2002. "Selective catalytic reduction of NO and NO2 at low temperatures", Catalysis Today, 73 (3/4), 239-247.
17. Cummins Emission Solutions, Руководство клиента по решениям Cummins для контроля выбросов. Scr-cummins-russian-version. 2013. – 19 P.
18. Emission project guide. MAN B&W Two-stroke Marine Engines. — Copenhagen SV, Denmark: MAN Energy Solutions, 2019. — 110 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Живлюк Григорий Евгеньевич — кандидат технических наук, доцент Контактное лицо
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»
198035, Российская Федерация, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7
e-mail: spb-engine-prof@mail.ru, kaf_dvs@gumrf.ru
+79219190946
Петров Александр Павлович — кандидат технических наук, профессор
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»
198035, Российская Федерация, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7
e-mail: app.polab@inbox.ru, PetrovAP@gumrf.ru
+79217597216

[alex diesel spb]

Отредактировано 23.03.2026