Analiza emisji związków szkodliwych spalin z silnika odrzutowego zasilanego biopaliwem

Transkrypt

1 PIELECHA Jacek 1 MARKOWSKI Jarosław 2 KARPIŃSKI Dominik 3 JASIŃSKI Remigiusz 4 Analiza emisji związków szkodliwych spalin z silnika odrzutowego zasilanego biopaliwem WSTĘP Rozwój transportu lotniczego przyczynia się do wzrostu liczby operacji lotniczych, czego efektem jest konieczność zwiększania liczby eksploatowanych statków powietrznych. Skutkiem dynamicznego rozwoju transportu lotniczego jest wzrastające zapotrzebowanie na paliwa kopalne, generujące zwiększoną emisję związków szkodliwych spalin. Emisja zanieczyszczeń pochodzących z transportu lotniczego, negatywnie wpływa na jakość powietrza, szczególnie w obrębie lotnisk; sprzyja ona również efektowi cieplarnianemu. Istniejąca sytuacja przyczynia się do zaostrzania wymagań dotyczących parametrów ekologicznych napędów lotniczych. Jednym ze sposobów spełnienia wymogów dla napędów lotniczych, w zakresie ochrony środowiska, jest wprowadzanie paliw alternatywnych przeznaczonych do zasilania silników lotniczych. Do najbardziej rozpowszechnionych paliw alternatywnych zaliczane są przede wszystkim etanol i estry pochodzenia roślinnego. Paliwa alternatywne klasyfikowane do zastosowania w transporcie lotniczym muszą spełniać ściśle określone kryteria, m.in. własności fizykochemiczne, wpływające bezpośrednio na proces spalania, koszty wytwarzania, dostępność, wpływ na środowisko naturalne oraz spełnienie wymagań mających wpływ na bezpieczeństwo. Rozpowszechnieniu naturalnych źródeł energii opartych na biomasie sprzyjają ograniczone zasoby ropy naftowej. Ponadto wzrost globalnego zapotrzebowania energetycznego oraz zainteresowanie kwestią ograniczania emisji związków szkodliwych spalin, sprzyja rozwojowi tego typu źródeł energii. Obecnie udział biopaliw w porównaniu z paliwami tradycyjnymi jest niewielki, jednak w perspektywie długoterminowej, znaczenie biopaliw oraz innych niekonwencjonalnych zasobów energetycznych będzie wzrastało [1]. Zastosowanie niekonwencjonalnych zasobów energetycznych może przyczynić się do ograniczenia zużycia ropy naftowej, a w szczególności do zrównoważenia proporcji między rodzajami stosowanych nośników energii w transporcie, w których dominują produkty naftowe. Rozwój rynku biopaliw jest silnie uzależniony od kształtowania się cen ropy naftowej, upowszechniania nowych generacji biopaliw, jak również rozwoju alternatywnych nośników energii (np. wiatrowej, słonecznej), które mogłyby być wdrożone do sektora transportu. Szczególne znaczenie dla rozwoju rynku biopaliw mają także perspektywy stosowania biopaliw w cywilnym i wojskowym transporcie lotniczym. W lotnictwie wyraźnie zauważalny jest wzrost zainteresowania biopaliwami. W związku z oceną możliwości wykorzystania biopaliw do zasilania turbinowych silników lotniczych, prowadzi się wiele badań laboratoryjnych, a także podejmowane są próbne loty z użyciem tego rodzaju paliwa. Pomimo powszechności tradycyjnych paliw lotniczych, ze względu na ich właściwości eksploatacyjne, prowadzone badania dotyczą zastosowania produktów roślinnych stanowiących dodatki do paliw konwencjonalnych. Prace badawcze podejmowane są przez czołowe koncerny lotnicze (Boeing, Airbus), które wspierając rozwój paliw alternatywnych i organizują próbne loty statków powietrznych zasilanych biopaliwami. Podejmowanie działań 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: , fax: , jacek.pielecha@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: , fax: , jaroslaw.markowski@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: , fax: , dominik.p.karpinski@doctorate.put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: , fax: , remigiusz.w.jasinski@doctorate.put.poznan.pl 3881

2 w zakresie ochrony środowiska m.in. przez stosowanie biokomponentów w obszarze silników turbinowych, wynika z zobligowania lotnictwa do ograniczenia emisji dwutlenku węgla, a od 2020 r. podporządkowania dyrektywie o europejskim handlu emisji (EU ETS). Poza weryfikacją możliwości stosowania biopaliw w lotnictwie, badania obejmują także opracowanie nowych technologii produkcji biopaliw lotniczych, opartych na wykorzystaniu roślin nieużywanych w gospodarce żywieniowej, tj. jatrofa, lnianka i mikroalgi. 1. METODYKA BADAŃ 1.1. Obiekt badań Do najbardziej rozpowszechnionych i dostępnych produktów posiadających zbliżone parametry do stosowanego paliwa nafty lotniczej, należy produkt estryfikacji olejów roślinnych. Badania wpływu dodatku bioestru na emisję związków szkodliwych spalin przeprowadzono z wykorzystaniem jednoprzepływowego silnika odrzutowego GTM-120 zainstalowanego na stacjonarnym stanowisku badawczym (rys. 1). Silnik zbudowany jest z jednostopniowej sprężarki promieniowej połączonej z jednostopniową turbiną osiową. W silniku GTM-120 zastosowano pierścieniową komorę spalania, a paliwo dostarczane jest do zestawu parownic [4]. Rozruch silnika realizowany jest z wykorzystaniem rozrusznika elektrycznego, świecy żarowej oraz gazu propan-butan, stanowiącego źródło zasilania silnika podczas tego etapu pracy. Po osiągnięciu określonej prędkości obrotowej wału silnika, następuje automatyczne przełączenie zasilania na paliwo właściwe. Stanowisko wyposażono w elektroniczny sterownik silnika, którego zadaniem jest realizacja wszystkich funkcji sterujących pracą, łącznie z automatycznym rozruchem i chłodzeniem. Sterowanie silnikiem realizuje się przez regulację wydatku pompy paliwa. Na stanowisku możliwy jest odczyt takich wartości jak: prędkość obrotowa wału silnika, temperatura gazów za turbiną oraz siła ciągu. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 1. instalacja zasilania kielich wlotowy sprężarka nakrętka sprężarki tuleja sprzęgła rozrusznika ślimak rozrusznika rozpylacz dyszy paliwowej rurka instalacji smarowania obudowa zewnętrzna komora spalania rurka zasilania paliwem rurka zasilania gazem turbina robocza dyfuzor spalin obudowa rozrusznika przestrzeń do zabudowy silniczka rozrusznika ramię rozrusznika wał silnika nakrętka turbiny śruba ustalająca położenie komory spalania łożysko ceramiczne sprężarki dysza paliwowa Rys. 1. Schemat silnika GTM-120 (a) oraz jego widok na stanowisku badawczym (b) Tab. 1. Dane silnika odrzutowego GTM-120 Ciąg statyczny [N] 120 Prędkość obrotowa wirnika przy mocy maksymalnej [obr/min] Minimalna prędkość obrotowa [obr/min] Zużycie paliwa [g/min] 340 Zasilanie Jet A-1 + 3% oleju MOBILE Jet Oil II Masa silnika [g] 1500 Wykorzystany w badaniach, jako dodatek do paliwa tradycyjnego, ester metylowy kwasów tłuszczowych pochodzenia roślinnego, wytwarzany jest w reakcji katalitycznej estryfikacji metanolem tłuszczów obecnych w olejach roślinnych. Estry tego typu mogą występować w postaci biokomponentu stanowiącego dodatek do oleju napędowego lub jako samodzielne paliwo (biodiesel). Wykorzystanie estrów metylowych w postaci biopaliwa wiąże się ze spełnieniem wymagań fizykochemicznych uwzględnionych w określonych normach. Niektóre z parametrów bioestrów są uzależnione od technologii ich wytwarzania, inne od przeprowadzonej procedury oczyszczania, 3882

3 natomiast kolejne od rodzaju zastosowanego surowca. Do podstawowych surowców przeznaczonych do otrzymywania bioestrów zalicza się oleje roślinne złożone głównie z kwasów tłuszczowych o 18 atomach węgla w łańcuchu oraz różnym stopniu nienasycenia. W tabeli 2 podano właściwości fizykochemiczne estru metylowego. Zastosowanie dodatku bioestru do paliwa konwencjonalnego powoduje wzrost lepkości mieszaniny oraz zwiększa wartość jej indeksu cetanowego. Zgodnie z literaturą (m.in. [1]) kilkuprocentowy dodatek FAME (Fatty Acid Methyl Esters) przyczynia się do poprawy własności smarnych mieszanki. Tab. 2. Właściwości fizykochemiczne paliwa Jet A-1 i FAME [1, 2] Nazwa właściwości Oznaczenie paliwa Jet A-1 FAME Gęstość w temperaturze 20 C [kg/m 3 ] Lepkość kinematyczna w temperaturze 40 C [mm 2 /s] poniżej 2 4,2 Wartość opałowa paliwa [MJ/kg] 42,8 37,8 Liczba cetanowa paliwa Temperatura zapłonu [ C] Temperatura wrzenia [ C] ponad Aparatura pomiarowa Głównym celem badań była ocena emisji związków szkodliwych spalin silnika odrzutowego zasilanego dodatkiem estru metylowego (FAME) do paliwa lotniczego Jet A-1. Do przeprowadzenia badań emisji związków szkodliwych spalin wykorzystano analizator spalin Semtech DS firmy Sensors Inc. współpracujący z przepływomierz EFM (Exhaust Flow Meter) o średnicy wynoszącej 125 mm. Dodatkowo wykorzystano przepływomierz EFM-HS (High Speed Exhaust Flow Meter) charakteryzujący się częstotliwością próbkowania do 2500 Hz, o takiej samej średnicy. Zastosowanie układu dwóch równolegle zainstalowanych przepływomierzy na stanowisku badawczym umożliwiło dokonanie pomiaru masowego natężenia przepływu spalin z badanego silnika odrzutowego. Schemat stanowiska badawczego przestawiono na rysunku 2. Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego (a) oraz widok (b) Analizator spalin wykorzystany w czasie realizacji badań umożliwił pomiar wartości stężenia tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu [3]. Gazy spalinowe wprowadzane były do analizatora za pomocą przewodu, którego temperatura wynosiła 191 C, wymagana do pomiaru stężenia węglowodorów w analizatorze płomieniowo-jonizacyjnym. W kolejnym etapie po schładzaniu spalin do temperatury 4 C wykonywano pomiar stężenia tlenków azotu, tlenku węgla oraz dwutlenku węgla. W czasie prowadzonych badań dokonano także pomiaru sekundowego zużycia paliwa przez silnik. W tym celu podczas zasilania silnika tradycyjnym paliwem lotniczym Jet A-1 wykorzystano paliwomierz grawimetryczny firmy ODIUT Automex. Pomiar zużycia w paliwomierzu realizowany jest z wykorzystaniem zbiornika miernicy umieszczonego na belce tensometrycznej. 3883

4 Pomiar sekundowego zużycia paliwa w czasie zasilania silnika mieszanką paliwa Jet A-1 z 50- -procentowym dodatkiem FAME przeprowadzono za pomocą wagi oraz zbiornika z mieszanką. Po ustabilizowaniu się parametrów silnika odczytywano początkową masę zbiornika, a następnie dokonywano pomiaru w określonym czasie Metoda badawcza Badania emisji związków szkodliwych spalin z silnika odrzutowego przeprowadzono z wykorzystaniem dwóch rodzajów paliw. Pierwszy cykl badawczy dotyczył wykonania pomiarów podczas zasilaniu silnika tradycyjnym paliwem lotniczym Jet A-1. Uzyskane wyniki emisji związków szkodliwych spalin podczas zasilania silnika paliwem konwencjonalnym stanowiły odniesienie dla drugiego cyklu badawczego, w którym silnik zasilano mieszanką paliwa Jet A-1 z 50-procentowym dodatkiem FAME. Każdy z cykli pomiarowych obejmował przeprowadzenie pomiarów przy nastawach silnika umożliwiających uzyskanie siły ciągu w zakresie od 10 N do 120 N. W związku z wysoką temperaturą gazów wylotowych badanego silnika odrzutowego na czas wykonywania pomiarów stanowisko pomiarowe przystawiano do silnika na specjalnie wykonanej platformie, a następnie przez określony czas dokonywano poboru próbki gazów wylotowych. Po zakończeniu pomiaru dla danej nastawy silnika stanowisko pomiarowe odstawiano i przeprowadzano zmianę parametrów pracy silnika. 2. UZYSKANE WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA Wykorzystując aparaturę do pomiarów emisji związków szkodliwych spalin z silników spalinowych wyznaczono emisję sekundową tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu oraz dwutlenku węgla dla silnika zasilanego paliwem Jet A-1, mieszanką Jet A-1 i FAME w stosunku 1:1 (B50). Na podstawie uzyskanych charakterystyk emisji związków szkodliwych oraz analizy statystycznej, wyznaczono średnią emisję sekundową zanieczyszczeń dla poszczególnych wartości siły ciągu. Wzrost wartości siły ciągu w zakresie 10 N 50 N skutkował zwiększeniem natężenia emisji tlenku węgla dla silnika zasilanego czystą naftą lotniczą (Jet A-1). Odnotowane wartości zawierały się w przedziale mg/s (rys. 3a). W drugiej fazie pomiarów natężenie emisji tlenku węgla ustabilizowało się na poziomie około 325 mg/s. Wartości natężenia emisji tlenku węgla dla silnika zasilanego biopaliwem były zbliżone do wartości uzyskiwanych dla silnika zasilanego naftą lotniczą. Dla wartości ciągu 10 N 30 N odnotowano największe zmiany wartości natężenia emisji tlenku węgla zawierające się w przedziale 225 mg/s 280 mg/s (rys. 3b). Zwiększanie siły ciągu nie powodowało znaczących zmian natężenia emisji tlenku węgla, skutkując jej stabilizacją na poziomie około 320 mg/s. Rys. 3. Natężenie emisji tlenku węgla dla silnika zasilanego paliwem Jet A-1 (a) oraz mieszanką B50 (b) 3884

5 Średnie natężenie emisji węglowodorów dla silnika zasilanego paliwem Jet A-1 podczas badań nie przekroczyło 145 mg/s (rys. 4a). Zwiększanie wartości siły ciągu skutkowało wzrostem natężenia emisji węglowodorów od 55 mg/s do 140 mg/s. W przypadku natężenia emisji węglowodorów dla silnika zasilanego paliwem B50 uzyskiwane wartości nie przekroczyły 130 mg/s (rys. 4b). Dla minimalnej siły ciągu (10 N) średnie natężenie emisji węglowodorów okazało się znacznie większe (o około 50%) niż w przypadku zasilania paliwem Jet A-1 i przyjmowało wartość około 80 mg/s. Zwiększenie ciągu do 20 N, skutkowało zmniejszeniem natężenia emisji węglowodorów do 60 mg/s. W zakresie siły ciągu od 20 N do 70 N natężenie emisji węglowodorów zwiększało swoją wartość osiągając maksimum na poziomie 125 mg/s. Dalsze zwiększanie siły ciągu nie powodowało znaczących zmian natężenia emisji węglowodorów, skutkując jej stabilizacją (około 115 mg/s). Rys. 4. Natężenie emisji węglowodorów dla silnika zasilanego paliwem Jet A-1 (a) oraz mieszanką B50 (b) Średnie natężenie emisji tlenków azotu dla silnika zasilanego naftą lotniczą nie przekroczyło 18 mg/s. Wzrost wartości siły ciągu skutkował proporcjonalnym zwiększeniem natężenia emisji tlenków azotu. Dla minimalnych parametrów pracy silnika natężenie emisji tlenków azotu wyniosło około 5 mg/s, wzrost siły ciągu do wartości maksymalnej (120 N) spowodował zwiększenie natężenia emisji tego składnika do około 18 mg/s. (rys. 5a). Natężenie emisji tlenków azotu dla silnika zasilanego paliwem B50 ma charakter zbliżony do wykładniczego (rys. 5b). Zwiększanie siły ciągu w zakresie od 10 N do 80 N, powoduje wzrost natężenia emisji tlenków azotu w przedziale od 4 mg/s do 8 mg/s. Znaczący wzrost natężenia emisji tlenków azotu odnotowano dla czterech ostatnich punktów pomiarowych (ciąg o wartościach od 90 N do 120 N); wzrost natężenia emisji w stosunku do pomiaru dla ciągu o wartości 80 N, wyniósł ponad 100%. Rys. 5. Natężenie emisji tlenków azotu dla silnika zasilanego paliwem Jet A-1 (a) oraz mieszanką B50 (b) 3885

6 Średnie natężenie emisji dwutlenku węgla dla obydwu badanych paliw było zbliżone i mieściło się w przedziale od 4 g/s do 14 g/s (rys. 6). Zwiększanie wartości siły ciągu powodowało wzrost emisji dwutlenku węgla spowodowany zwiększonym zużyciem paliwa. Uzyskane wyniki natężenia emisji dwutlenku węgla nie wskazują, aby użycie domieszki biopaliwa skutkowało zmniejszeniem emisji sekundowej tego związku z silnika odrzutowego. Biorąc jednak pod uwagę sposoby wytwarzania i przygotowywania paliwa do użytku przemysłowego emitowana masa dwutlenku węgla przez spalanie paliw pochodzenia roślinnego jest znacznie mniejsza, a nawet bliska zeru. Wynika to z absorbowania dwutlenku węgla przez rośliny w trakcie fazy wzrostu. Rys. 6. Natężenie emisji dwutlenku węgla dla silnika zasilanego paliwem Jet A-1 (a) oraz mieszanką B50 (b) PODSUMOWANIE W celu rozpatrzenia wpływu dodatku bioestru na natężenie emisji związków szkodliwych spalin silników lotniczych przeprowadzono pomiary natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu i dwutlenku węgla silnika odrzutowego GTM-120 zasilanego naftą lotniczą (Jet A-1) oraz jej mieszanką z bioestrem (B50). Średnia wartość natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu i dwutlenku węgla wyznaczone dla silnika zasilanego paliwem Jet A-1 oraz B50 przestawiono na rysunkach 7 i 8. Wyznaczone średnie natężenia emisji tlenku węgla dla badanych paliw nie wykazują znacznych różnic dla poszczególnych nastaw silnika odrzutowego (rys. 7a). Różnice wartości natężenia emisji omawianego składnika spalin, z wyjątkiem początkowej wartości siły ciągu (10 N) okazały się niższe niż 12%. Analizując cały zakres pomiarowy nie stwierdzono pozytywnego wpływu domieszki bioestru na emisję sekundową tlenku węgla. Rys. 7. Natężenie emisji tlenku węgla (a) oraz węglowodorów (b) dla silnika zasilanego paliwami Jet A-1 oraz B

7 Średnie wartości natężenia emisji węglowodorów okazały się mniejsze przy zasilaniu silnika paliwem B50 w stosunku do zasilania paliwem Jet A-1 z wyjątkiem wartości siły ciągu 10 N i 60 N (rys. 7b). Różnice okazały się znaczne, sięgające nawet 20% dla maksymalnej wartości siły ciągu. Stwierdzono, że użycie biopaliwa pozwoliło na obniżenie natężenia emisji węglowodorów w szczególności dla wartości siły ciągu powyżej 70 N. Uzyskane mniejsze wartości natężenia emisji węglowodorów były wynikiem wyższej temperatury spalania paliwa B50 przy wartościach siły ciągu ponad 80 N. Średnie wartości natężenia emisji tlenków azotu emitowanych przez silnik zasilany badanymi paliwami znacząco różniły się w zależności od wartości siły ciągu (rys. 8a). W pierwszej części badanego zakresu wartości siły ciągu (od 10 N do 80 N) natężenie emisji tlenków azotu dla paliwa Jet A-1 było większej (o 40% przy sile ciągu równej 70 N), niż w przypadku zasilania silnika paliwem B50. Zwiększanie wartości siły ciągu skutkowało szybkim przyrostem wartości natężenia emisji omawianego składnika spalin dla paliwa B50. Od wartości siły ciągu 90 N wyznaczone średnie wartości natężenia emisji tlenków azotu były większe dla paliwa B50. Stwierdzono, że skutkiem zastosowania dodatku biopaliwa było zmniejszenie emisji sekundowej tlenków azotu dla małych i średnich wartości siły ciągu. Średnie wartości natężenia emisji dwutlenku węgla dla badanych paliw były zbliżone. Wzrost wartości siły ciągu skutkował zwiększaniem zużycia paliwa, a w konsekwencji zwiększeniem natężenia emisji dwutlenku węgla. Natężenie emisji omawianego składnika spalin dla maksymalnej wartości siły ciągu (120 N) wyniosło około 14 g/s. Domieszka biopaliwa nie spowodowała zwiększenia emisji dwutlenku węgla ze spalin silnika odrzutowego. Rys. 8. Natężenie emisji tlenków azotu (a) oraz dwutlenku węgla (b) dla silnika zasilanego paliwami Jet A-1 oraz B50 Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki pomiarów emisji gazowych związków szkodliwych modelowego silnika odrzutowego GTM-120. Stanowisko badawcze wyposażono w czujniki prędkości obrotowej wału, temperatury gazów wylotowych oraz siły ciągu. Badany silnik zasilany był paliwem Jet A-1 z 50-procentowym dodatkiem bioestru. W czasie badań zmierzono stężenie głównych, gazowych związków szkodliwych: dwutlenku węgla, tlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu. Do pomiaru stężenia zanieczyszczeń wykorzystano odpowiedni analizator spalin. Na podstawie wykonanych badań przeprowadzono analizę, wpływu zastosowania biopaliwa jako dodatku do paliwa JET A-1 na emisję związków szkodliwych spalin. Słowa kluczowe: silnik odrzutowy, emisja spalin, paliwa alternatywne Analysis of exhaust emissions from jet engine powered by biofuel Abstract The article presents the results of measurements exhaust emissions from jet engine GTM-120. The test stand was equipped with basic sensors: shaft speed, exhaust gas temperature and thrust. The test engine was powered by Jet A-1 fuel with 50-percent addition of bioester. During the study the concentration of major harmful 3887

8 gaseous compounds: carbon dioxide, carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxides were measured. For measuring the concentration of exhaust emissions, the proper gas analyzer was used. On the basis of the analysis of the results, the effect of the use of biofuel as a fuel additive to JET A-1 on exhaust emission was presented. Keywords: jet engine, exhaust emissions, alternative fuels BIBLIOGRAFIA 1. Górski K., Olszewski W., Lotko W.: Alkohole i etery jako paliwa dla silników o zapłonie samoczynnym. Czasopismo Techniczne, z. 7. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków Karta charakterystyki wg rozporządzenia Unii Europejskiej Nr 453/2010 dla paliwa Jet A-1, Merkisz J., Kozak M.: Wpływ składu mieszanek biopaliw z paliwami konwencjonalnymi na emisję toksycznych składników spalin. Eksploatacja i Niezawodność 2003, nr Johnson K., Durbin T., Cocker D., Miller J., Agama R., Moynahan N., Nayak G.: On-Road Evaluation of a PEMS for Measuring Gaseous In-Use Emissions from a Heavy-Duty Diesel Vehicle. SAE Technical Paper Series Merkisz J., Markowski J., Galant M., Karpiński D., Kubiak K.: Badania wpływu dodatku etanolu do paliwa Jet A-1 na emisję związków szkodliwych spalin silnika turbinowego GTM-120. Combustion Engines 2013, no. 3 (154). 3888