METODY REDUKCJI EMISJI DO ATMOSFERY ZWIĄZKÓW TOKSYCZNYCH ORAZ CO 2 PRZEZ STATKI MORSKIE

Transkrypt

1 Mariusz Giernalczyk 1 METODY REDUKCJI EMISJI DO ATMOSFERY ZWIĄZKÓW TOKSYCZNYCH ORAZ CO 2 PRZEZ STATKI MORSKIE Wstęp Podczas procesu spalania paliwa w spalinowych silnikach okrętowych następuje emisja do atmosfery zawartych w produktach spalania szkodliwych (toksycznych) związków, takich jak: tlenki azotu (NO x ), które należą do jednych z bardziej toksycznych, gdyż w wyniku połączenia z parą wodną zawartą w atmosferze tworzą kwasy azotowe wywołujące powstawanie zjawiska kwaśnych dreszczów. Ponadto niszczą warstwę ozonową, wywołują efekt cieplarniany i przyczyniają się do powstawania chorób nowotworowych. Symbol NO x oznacza mieszaninę tlenków azotu o niezdefiniowanym składzie. Wyróżnia się pięć podstawowych grup tlenków azotu: tlenek azotu I - tlenek diazotu (N 2 O), tlenek azotu II - tlenek azotu (NO), tlenek azotu III tritlenek diazotu (N 2 O 3 ), tlenek azotu IV ditlenek azotu (NO 2 ) i tetratlenek diazotu (N 2 O 4 ) oraz tlenek azotu V pentatlenek diazotu (N 2 O 5 ); tlenki siarki (SO x ), powstające na skutek spalania (utleniania) paliwa okrętowego, w którym zawartość siarki może dochodzić do 5% i po połączeniu z parą wodną przyczyniają się do powstawania zjawiska kwaśnych dreszczów szkodliwych dla ludzi, zwierząt, roślin oaz obiektów. Wyróżnia się trzy podstawowe grupy tlenków siarki: tlenek siarki II (SO), tlenek siarki IV (SO 2 ) oraz tlenek siarki VI (SO 3 ); tlenki węgla (CO), będące produktem niecałkowitego spalani (spalania z niedoborem powietrza) są gazami toksycznymi, których wdychanie może prowadzić do śmiertelnego zatrucia; 1 Dr inż. MariuszGiernalczyk prof. nadzw. AM, Katedra Siłowni Okrętowych, Akademia Morska w Gdyni, m.giernalczyk@wm.am.gdynia.pl węglowodory (HC), powstające na skutek niezupełnego i niecałkowitego spalania paliwa i oleju, składające się z wielu różnych cząsteczek i związków chemicznych jak np. metan. Mają szkodliwy wpływ na zdrowie człowieka i środowisko, przyczyniając się m. in. do powstawania efektu cieplarnianego; cząstki stałe PM (ang. Particulate Matter) mające konsystencję stałą lub ciekłą. Mogą to być cząstki nie spalonego węgla (sadza) oraz związki azotu i siarki oraz różnego rodzaju węglowodory ciężkie. Ponadto komponentem spalin są też cząsteczki dwutlenku węgla (CO 2 ), powstające na drodze zupełnego spalania węglowodorów, które wprawdzie nie należą do związków toksycznych, ale bardzo znacząco przyczyniają się do powstawania efektu cieplarnianego. Wprowadzony w życie 19 maja 2005 rok Załącznik VI Konwencji MARPOL dotyczący zapobiegania zanieczyszczeniom powietrza przez statki, wymusił na armatorach stosowanie rozwiązań zmierzających do ograniczenia emisji do atmosfery tych szkodliwych substancji. I tak wprowadzenie stref kontroli emisji związków toksycznych ECA (ang. Emissions Control Areas) obejmowało ograniczenia na tych akwenach emisji tlenków azotu NO x. Dopuszczalny limit emisji przez statki tlenków azotu NO x (tabela 1) określony przez Międzynarodową Organizacje Morską IMO w Konwencji MARPOL jako standard Tier III zakładał początkowo jego obowiązywanie od Jednak wprowadzenie tych wymogów od uzależniono od dostępności technologii umożliwiającej ograniczenie emisji NO x do tak niskiego poziomu. Analizy IMO wykazały, że wprowadzenie tak rygorystycznych norm w zakładanym okresie jest niemożliwe i data wejścia standardu Tier III została przesunięta, prawdopodobnie na dzień Logistyka 6/

2 Tabela 1. Dopuszczalna zawartość NO x w spalinach według Załącznika VI Konwencji MARPOL Rok 2000 (Tier I) 2011 (Tier II) 2016 (Tier III)* Maksymalna zawartość NO x [g/kwh] w spalinach przy różnych prędkościach obrotowych silnika n [min -1 ] n < n < 2000 n ,0 45 n -0,2 9,8 14,4 44 n -0,23 7,7 3,4 9 n -0,2 1,96 *Maksymalna zawartość NO x na obszarach kontroli emisji ECA. Na pozostałych obszarach obowiązują wartości graniczne z 2011 roku. Ostateczny termin wprowadzenie zmian w przepisach zapowiedziano na najbliższych posiedzeniach Komitetu IMO do Spraw Ochrony Środowiska Morskiego MEPC (ang. Marine Environment Protection Committee). Oznacza to, że jeszcze przez pewien czas obowiązywać będą na tych obszarach ograniczenia emisji NO x zgodne ze standardami Tier II. Dopuszczalny poziom emisji tlenków siarki SO x przez statki został określony poprzez wprowadzenie limitu zawartości siarki w paliwie w określonych obszarach kontroli SECA (ang. SO x Emissions Control Areas). Dozwolony limit zawartości siarki w paliwie w obszarach kontroli, który zacznie obowiązywać od wynosi 0,1%. W krajach Unii Europejskiej zaostrzone przepisy dotyczące emisji tlenków siarki w portach tych państw zaczęły obowiązywać wcześniej, bo już od 1 stycznia 2010 roku. Nakazują one stosowanie paliw o zawartości siarki nieprzekraczającej 0,1% na jednostkę masy dla statków żeglugi morskiej i śródlądowej podczas postoju w porcie. Spełnienie wymogów nie jest wymagane w trakcie manewrów, jednakże trzeba się do nich zastosować w jak najkrótszym czasie po przybyciu statku do portu i jak najpóźniejszym przed jego opuszczeniem. Załącznik VI konwencji MARPOL początkowo nie obejmował ograniczeń emisji dwutlenku węgla. Jednak zagrożenie efektem cieplarnianym, powodowanym m.in. przez dwutlenek węgla, zostało dostrzeżone przez instytucje międzynarodowe w tym Międzynarodową Organizację Morską IMO i w lipcu 2011 roku załącznik VI konwencji został rozszerzony o rozdział czwarty, który ma na celu ograniczenie emisji przez statki gazów wywołujących efekt cieplarniany, w szczególności dwutlenku węgla. Obowiązujące od stycznia 2013 roku przepisy nakładają na armatorów obowiązek wprowadzenia planu efektywnego zarządzania energią podczas eksploatacji statku SEEMP (ang. Ship Energy Efficiency Management Plan). W dążeniu do zmniejszenia emisji CO 2 od 1 stycznia 2013 roku, wszystkie nowobudowane statki większe niż 400 BRT muszą posiadać określony Projektowy Wskaźnik Efektywności Energetycznej EEDI (ang. EnergyEfficency Design Index). Ma on posłużyć jako narzędzie kontroli emisji CO 2 przez statki. Wskaźnik EEDI g [ ] jest definiowany jako stosunek ilości t Mm wyemitowanego CO 2 [g] do ilości przewiezionego ładunku [t] na określonej linii żeglugowej [Mm]. Wartość wskaźnika EEDI statku obliczona zgodnie z procedurą zawartą w dokumencie, musi być równa lub mniejsza od wartości wymaganej dla danego rodzaju i wielkości statku. Wszystkie te regulacje prawne wymuszają na armatorach stosowanie rozwiązań zmierzających do ograniczenia emisji do atmosfery tych szkodliwych substancji oraz CO 2. Do najbardziej popularnych należą: 1. Redukcja toksycznych substancji zawartych w spalinach poprzez kształtowanie procesu spalania oraz oczyszczanie spalin. 2. Ograniczanie zużycia paliwa przez statki. 3. Stosowanie paliw nisko-siarkowych. 4. Stosowanie do napędu silników paliw gazowych. Metody redukcji toksycznych substancji zawartych w spalinach Ograniczenie emisji do atmosfery substancji toksycznych zawartych w spalinach okrętowych, głównie NO x można osiągnąć na dwa sposoby - metodą pierwotną, wtórną bądź przy wykorzystaniu obu metod jednocześnie. Metoda pierwotna Metoda pierwotna ma na celu przeciwdziałanie tworzeniu się związków toksycznych już podczas 656 Logistyka 6/2014

3 procesu spalania w komorze silnika i polega na optymalnym kształtowaniu tego proces oraz składu chemicznego czynników dostarczonych do przestrzeni roboczej [11]. Największy wpływ na ilość powstających tlenków azotu ma temperatura gazów w cylindrze oraz cząstkowe ciśnienie tlenu i azotu, dlatego stosowane metody pierwotne koncentrują się na: obniżaniu maksymalnej temperatury spalania poprzez: bezpośredni wtrysk wody do cylindra, zasilanie silników emulsją paliwowo-wodną lub nawilżanie powietrza doładowującego, obniżaniu temperatury i ciśnienia w początkowym okresie spalania poprzez opóźnienie wtrysku lub stopniowy wtrysk paliwa, stosowaniu specjalnych końcówek wtryskiwaczy zapewniających optymalizację procesu spalania i minimalizację ilości NO x recyrkulacji spalin metodą EGR (ang. Exhaust Gas Recirculation); wprowadzenie z powrotem do cylindra wraz z powietrzem doładowującym części spalin powoduje zmniejszenie ilości tlenu i w konsekwencji ilości ciepła spalania, co skutkuje spadkiem temperatury i poziomu emisji NO x, zmianie stopnia sprężania, obniżeniu ciśnienia doładowania i innych. Zastosowanie tych metod pozwala wprawdzie spełnić wymagania standardu Tier II, ale może nie sprostać wymogom standardu Tier III. Metoda wtórna Metoda wtórna polega na usuwaniu tlenków azotu poprzez oczyszczanie spalin poza silnikiem. Stosowanie tej metody nie wymaga zmian konstrukcyjnych silnika, nie ingeruje też w przebieg procesu roboczego silnika. Do usuwanie tlenków azotu ze spalin można wykorzystać różne reakcje chemiczne takie jak absorpcja, adsorpcja czy redukcja katalityczna. Za najbardziej efektywną do oczyszczania spalin silników okrętowych z tlenków azotu a także cząstek stałych PM uznaje się metodę selektywnej redukcji katalitycznej SCR (ang. Selective Catalytic Reduction). Technologia SCR polega na przekształcaniu tlenków azotu w nietoksyczny azot i parę wodną w katalizatorze wykorzystującym amoniak lub mocznik jako reduktor. Zastosowanie tej metody pozwala zredukować NO x nawet o 90%, a dzięki silnemu utlenianiu zachodzącemu w reaktorze znacznej redukcji ulegają też związki węgla, węglowodorów i sadzy. Bardzo ważnym w tym procesie jest utrzymanie właściwej temperatury w reaktorze na poziomie o C. Przy wyższych temperaturach mogłoby dochodzić do spalania amoniaku, z kolei temperatury niższe powodują silne spowolnienie reakcji. Dlatego w przypadku zastosowania tej metody na statkach zdecydowanie lepsze efekty uzyskuje się dla układów z czterosuwowymi spalinowymi silnikami tłokowymi posiadającymi wyższe temperatury spalin i bardziej stabilne warunki pracy niźli silnikami dwusuwowymi pracującymi w zmiennych warunkach obciążenie i posiadających niższą temperaturą spalin (często poniżej 300 o C). Wtórną metodą jest także usuwanie ze spalin tlenków siarki w urządzeniach nazywanych płuczkami lub skruberami (ang. Scrubber). Istnieją różne typy instalacji odsiarczania spalin w których wykorzystywane są głównie procesy absorpcji i adsorpcji, zwykle połączone reakcją chemiczną. W zależności od sposobu postępowania z produktami, wytwarzanymi w instalacji odsiarczania wyodrębnia się metody: odpadowe w których produkty reakcji SO 2 z absorbentem lub adsorbentem są składowane lub odprowadzane do środowiska (np. do morza), półodpadowe w których otrzymywane produkty mogą być wykorzystane lub składowane, przy czym składowanie nie stwarza zagrożeń dla środowiska, bezodpadowe w których sorbenty są regenerowane i zawracane do procesu, a odzyskany dwutlenek siarki jest poddawany konwersji na produkty użyteczne (np. kwas siarkowy, siarka elementarna). W procesach należących do każdej z tych grup wyodrębnia się metody mokre (absorpcja z reakcją chemiczną), suche (adsorpcja z reakcją chemiczną) i półsuche. Dotąd najbardziej popularnymi w zastosowaniach lądowych są metody mokre. Na statkach najprostszą do stosowania wydaje się być metoda odpadowa wykorzystująca do płukania wodę morską. Proces absorpcji siarki na statku odbywa się w skruberze, który montowany jest w miejsce typowego tłumika spalin. W skruberze zachodzi proces wymiany ciepła i masy pomiędzy spalinami a przeciwprądowo rozpylaną wodą. Metoda kombinowana Poprawę efektywności oczyszczania spalin ze związków toksycznych można uzyskać wykorzystując obie metody (pierwotną i wtórną) jednocześnie. Przykładem może być równoczesne zastosowanie emulsji paliwowo-wodnej z selektywną redukcją Logistyka 6/

4 katalityczną SCR, efektem czego może być redukcja tlenków azotów nawet o 90%. Metody ograniczania zużycia paliwa przez statki morskie prowadzące do zmniejszania emisji związków toksycznych oraz CO 2 Proporcjonalnie do zmniejszonego zużycia paliwa spada emisja szkodliwych związków do atmosfery. Ograniczenie zużycia paliwa przez statki można osiągnąć między innymi poprzez: 1. Optymalizację kształtów i wymiarów kadłuba podczas projektowania statku i właściwą eksploatację. 2. Właściwy dobór i eksploatację silników napędu głównego, pomocniczych oraz kotłów. 3. Optymalizację doboru pędników. 4. Wykorzystanie ciepła odpadowego (utylizacja ciepła). Optymalizacja kształtów i wymiarów kadłuba podczas projektowania statku i właściwą eksploatację Jednym z czynników decydujących o poziomie zużycia paliwa przez statek jest opór pływania [5]. Pierwszym krokiem zmierzającym do zmniejszenia oporów pływania podczas eksploatacji statku jest optymalizacja kształtów kadłuba na etapie projektowania i prowadzonych badań modelowych. Obejmuje ona m. in.: projektowanie kadłubów o większej aerodynamice i mniejszej masie, zmniejszenie udziału wód balastowych na rzecz ładunku, stosowanie gruszek dziobowych i rufowych, modelowanie i kształtowanie optymalnego przepływu mas wody w elementach kadłuba statku takich jak otwory konstrukcyjne oraz komory sterów strumieniowych, zmniejszenia oporu tarcia poprzez instalowanie elektrod cynkowych zapewniających ochronę katodową powierzchni kadłuba, zastosowanie bardziej efektywnych urządzeń sterowych. Z kolei czynnikami i metodami stosowanymi podczas eksploatacji statku, które mają znaczący wpływ na zmniejszenie oporów pływania są: stosowanie specjalnych farb anty-porostowych oraz samo-polerujących, wprowadzenie warstwy powietrza między kadłubem statku a wodą (tzw. napowietrzanie bąbelkami kadłuba żywego), właściwy sposób załadunku i balastowania, ograniczenie prędkości pływania. Właściwy dobór i eksploatacja silników napędu głównego, pomocniczych oraz kotłów Jednym z ważniejszych czynników decydujących o sprawności układu napędowego i w efekcie poziomie zużycia paliwa jest właściwy dobór silnika napędu głównego na etapie projektowania statku umożliwiający optymalną współpracę z pędnikiem. Silnikami, które dominują w napędach głównych większości typów statków morskich są spalinowe wolnoobrotowe silniki wodzikowe. Sprawność tych silników zależy w dużej mierze od wartości maksymalnego ciśnienia spalania p max i średniego ciśnienia efektywnego p e. Im większa jest wartość stosunku tych parametrów (p max /p e ) tym większa sprawność ogólna silnika a w konsekwencji mniejsze jednostkowe zużycie paliwa. Ponadto wyższa wartość współczynnika S/D będącego stosunkiem skoku tłoka S do średnicy cylindra D pozwala także uzyskać wyższą sprawność ogólną silnika. Z kolei dokonując wyboru pomiędzy silnikami o tych samych parametrach (S/D) należy pamiętać, że silniki sterowane elektronicznie (silniki typu ME/ME- C firmy MAN oraz RT-flex firmy Wärtsilä posiadają wyższą sprawność i zdecydowanie niższy poziom emisji szkodliwych substancji, w tym CO 2 oraz NO x i SO x. Znaczący wpływ na sprawność ogólną silnika ma właściwy dobór turbosprężarek pod względem ilości, konfiguracji oraz parametrów pracy (punktu współpracy z silnikiem). Obecnie stosowane są cztery metody zmierzające do podwyższania sprawności układów doładowania i prowadzące jednocześnie do zmniejszenia obciążenia silnika, efektem czego jest spadek jednostkowego zużycia paliwa przez silnik [7]. Polegają one na: regulacji ilościowej dopływu spalin do turbiny poprzez zastosowania ominięcia (bypass) EGB (ang. Exhaust Gas Bypass), zainstalowaniu na dolocie spalin do turbiny kierownicy w postaci wieńca dysz z regulowanym kątem ustawiania łopatek VTA (ang. Variable Turbine Area), zastosowaniu systemu Cut-Out polegającego na zainstalowaniu ruchomych zasuw celem regulacji 658 Logistyka 6/2014

5 natężenia przepływu powietrza (sprężarka) jak i spalin (turbina), sekwencyjnym załączaniu do pracy poszczególnych turbosprężarek. Wpływ doboru układu turbosprężarek dla wybranego typu 2-suwowego, wolnoobrotowego silnika spalinowego firmy MAN na jednostkowe zużycie paliwa SFOC [g/kwh] pokazuje rysunek 1. Rys. 1. Jednostkowe zużycie paliwa silników MAN z różnymi układami turbosprężarek Obniżenie zużycia paliwa silników napędu głównego podczas eksploatacji można osiągnąć poprzez: dostosowanie obciążenia silnika do aktualnych warunków pływania (warunków hydrometeorologicznych - stanu morza, prędkości wiatru, prądów morskich - stanu załadowania i właściwego balastowania statku, stanu technicznego kadłuba i pędnika stanu powłok malarskich, porastania, odkształcenia kadłuba), wyłączanie lub załączanie jednej z turbosprężarek przy częściowym obciążeniu silnika, korektę nastawy śruby dla zmiennych warunków pływania pozwalającą wykorzystać pełną moc silnika przy jego nominalnej prędkości obrotowej, regulację natężenia przepływu wody chłodzącej powietrze doładowujące dla uzyskania odpowiedniej temperatury i osiągnięcia optymalnych warunków procesu spalania niezależnie od możliwości regulacyjnych przebiegu wtrysku paliwa, stworzenie programu dokonującego analizy obciążeń silników napędu głównego informującego o możliwości załączenia prądnicy podwieszonej (wałowej), stworzenie programu dokonującego analizy obciążeń silników napędu głównego informującego o możliwości załączenia turbo-parowego i (lub) turbogazowego zespołu prądotwórczego i inne. Optymalizacja doboru pędników Uzyskanie wysokiej sprawności napędowej statku pozwalającej na redukcję zużycia paliwa możliwe jest do osiągnięcia także poprzez stosowanie bardziej sprawnych pędników oraz ich właściwy dobór na etapie projektowania statku. W przypadku stosowania bezpośrednich układów napędowych, w których spalinowy wolnoobrotowy silnik wodzikowy napędza śrubę o stałym skoku, a które dominują na statkach morskich, istotnym jest właściwy dobór średnicy, prędkości obrotowej oraz liczby skrzydeł śruby. Stosowanie śrub o większej średnicy skutkuje zwiększoną sprawnością pędnika przy jednoczesnym spadku optymalnej prędkości obrotowej. Z kolei mniejsza liczba skrzydeł powoduje nieznaczny wzrost sprawności śruby, jednak wiąże się to z koniecznością zwiększenia optymalnej prędkości obrotowej. Ponadto wzrost sprawności i poprawę warunków pracy pędnika można uzyskać m.in. poprzez: stosowanie bardziej sprawnych pędników w tym śrub przeciwbieżnych, instalowanie gruszki rufowej, wprowadzenie kierownicy kształtującej wypływ strumienia wody za śrubą napędową. Wykorzystanie ciepła odpadowego (utylizacja ciepła) Pośród czynników konstrukcyjnych objętych wskaźnikiem EEDI największą spodziewaną korzyść wzrostu sprawności energetycznej, a dzięki temu znaczący spadek zużycia paliwa może dać utylizacja ciepła odpadowego pochodzącego od silników napędu głównego [1]. Największy udział w ilości ciepła odpadowego spalinowych silników tłokowych mają spaliny. Zawierają one ok. 25% całkowitej energii doprowadzonej do silnika w postaci chemicznej energii spalanego paliwa. Przykład układu utylizacyjnego wykorzystującego energię spalin pokazuje rysunek 2. Układ ten składa się z kotła utylizacyjnego 5 ogrzewanego spalinami silnika głównego, turbiny parowej 6, turbiny gazowej 3 oraz wspólnej prądnicy 7 napędzanej przez obie turbiny. Kocioł utylizacyjny produkuje parę na cele grzewcze oraz parę przegrzaną do zasilania turbiny parowej. Turbina gazowa, nazywana turbiną mocy jest zasilana częścią spalin silnika głównego, a jej moc zależna jest od stopnia otwarcia zaworu bocznikowego 9 (ang. bypass) i parametrów spalin. Reszta spalin wykorzystana jest do Logistyka 6/

6 zasilania turbosprężarki 2, 4. Jeśli część spalin po otwarciu zaworu bocznikowego wykorzystana jest do zasilania turbiny mocy, to wówczas spada moc oraz ilość powietrza sprężanego w turbosprężarce. Wzrasta natomiast temperatura w miejscu mieszania się spalin 10 (ang. mixed point) przez co wzrośnie produkcja pary w kotle utylizacyjnym. Zawór bocznikowy będzie zamykany przy spadku obciążenia eksploatacyjnego silnika poniżej 50%, co spowoduje też spadek temperatury spalin. Logistyka - nauka G ~ 13 Rys. 2. Układ utylizacyjny wykorzystujący energię spalin: 1 - silnik główny; 2 turbina turbosprężarki; 3 turbina mocy; 4 sprężarka powietrza; 5 kocioł utylizacyjny; 6 turbina parowa; 7 prądnica; 8 sprzęgło; 9 zawór bocznikowy (bypass); 10 komora mieszankowa; 11 przepustnica; 12 - wylot spalin; 13 wylot pary [1] Turbina gazowa napędza prądnicę poprzez przekładnię redukcyjną oraz rozłączne sprzęgło 8. Sprzęgło to chroni turbinę przed rozbieganiem (ang. overspeeding) w przypadku odłączenia prądnicy. W sytuacji wytworzenia nadmiaru energii elektrycznej układ regulacyjny (regulator) spowoduje zmniejszenie przepływu pary przegrzanej przez pojedynczy zawór dławiący 11, zaś nadmiar pary zostanie skroplony w skraplaczu nadmiarowym (ang. dumping condenser). Jeśli turboprądnice utylizacyjne produkujące energię elektryczną do sieci okrętowej połączone są równolegle ze spalinowymi zespołami prądotwórczymi wówczas regulator będzie także kontrolował właściwy rozdział mocy. 3 9 Rys. 3. Układ głębokiej utylizacji z wykorzystaniem ciepła spalin wylotowych i powietrza doładowującego silnika głównego: 1 silnik główny; 2 turbosprężarka doładowująca; 3 dwustopniowa chłodnica powietrza doładowującego; 4 kocioł utylizacyjny; 5 podgrzewacz wody zasilającej; 6 parownik; 7 przegrzewacz pary; 8 walczak parowowodny; 9 pompa obiegowa kotła utylizacyjnego; 10 podgrzewacz mieszankowy odpowietrzający; 11 pompa zasilająca kotła utylizacyjnego; 12 kombinowany turbogenerator utylizacyjny (turbina gazowa, turbina parowa, prądnica); 13 skraplacz; 14 ssanie instalacji próżniowej; 15 pompa skroplinowa;16 podgrzewacz wody obiegowej parownika; 17 podgrzewacz skroplin; 18 parowy podgrzewacz wody;19 pompa obiegowa wody grzewczej; 20 podgrzewacz wody; 21 skrzynia cieplna; 22 pompa uzupełniająca wody; 23 odbiorniki pary grzewczej; 24 odbiorniki wody grzewczej; 25 chłodnica skroplin; 26 podgrzewacz końcowy paliwa Poziom zużycia paliwa w spalinowych silnikach tłokowych zależy m. in. od maksymalnego ciśnienia spalania. W przypadku stosowania układów utylizacyjnych ciśnienie to w silniku napędu głównego będzie wyższe aniżeli dla rozwiązania standardowego, co skutkuje wyższą sprawnością ogólną silnika a tym samym mniejszym zużyciem paliwa. W sytuacji wytwarzania energii elektrycznej przez turbozespoły utylizacyjne spada dodatkowo zużycie paliwa w siłowni z uwagi na nie pracujące spalinowe zespoły prądotwórcze. W strukturach systemów utylizacji ciepła wykorzystującego energię spalin występują dwojakiego rodzaju kotły oraz instalacje parowe. Mogą 660 Logistyka 6/2014

7 to być układy jedno- i dwu-ciśnieniowe [1]. W układzie jedno-ciśnieniowym ciśnienia pary na cele grzewcze (suchej) i zasilającej turbinę (przegrzanej) są jednakowe. W układzie dwu-ciśnieniowym ciśnienie pary przegrzanej jest wyższe, stąd potrzeba stosowania dwóch walczaków, większa złożoność tego układu i znacznie wyższe koszty inwestycyjne. Na rysunku 3 pokazano jedno-ciśnieniowy układ głębokiej utylizacji ciepła z parową i gazową turbiną utylizacyjną napędzającymi prądnicę, w którym do podgrzewania wody zasilającej kocioł wykorzystano ciepło chłodzenia powietrza doładowującego. Rozwiązanie takie zastosowano m. in. na kontenerowcach klasy E-Maersk, napędzanych silnikiem głównym 14 RT-flex 96 C o mocy kw. Stosowanie paliw niskosiarkowych Zmniejszenie emisji szkodliwych dla środowiska tlenków siarki (SO x ) powstających w wyniku spalania paliwa na statkach może być ograniczone poprzez stosowanie paliw o obniżonej zawartości siarki tzw. nisko-siarkowych [6]. Siarka jest naturalnym składnikiem paliw okrętowych i z uwagi na swoje własności jest wykorzystywana jako środek smarny we wtryskiwaczach, zaworach i innych ruchomych elementach silników spalinowych. Proces usuwania siarki z paliw jest zarówno kosztowny, jak również pogarsza jego własności mogąc prowadzić do ścierania współpracujących elementów silników. Ponadto paliwa nisko-siarkowe zawierają większe ilości parafin, co przy obniżeniu temperatury paliwa może skutkować ich zestaleniem i konsekwencji zatykania filtrów i braku drożności systemu paliwowego. Dlatego stosowanie paliw nisko-siarkowych wymaga dostosowania instalacji paliwowych statków do ich spalania. Szczególnie dotyczy to jednostek, których silniki zasilane są paliwami o wyższej zawartości siarki a na obszarach specjalnych zmuszone będą do przejścia na paliwa o zawartości siarki nieprzekraczającej 0,1% na jednostkę masy. Okrętowe paliwa o obniżonej zawartości siarki LSFO/ULSFO (ang. Low Sulphur Fuel Oil/ Ultra Low Sulphur Fuel Oil) dzielą się na paliwa pozostałościowe oraz destylacyjne. Stosowanie paliw destylacyjnych o obniżonej zawartości siarki pozwala zredukować emisję do atmosfery wszystkich szkodliwych substancji włącznie z cząstkami stałymi, jednak ich cena jest wyższa o blisko 50 % w stosunku do paliw pozostałościowych konwencjonalnych, najczęściej dotąd stosowanych na statkach morskich. Możliwości redukcji emisji związków toksycznych oraz CO 2 poprzez stosowanie paliw gazowych Dużą spodziewaną korzyść pozwalającą osiągnąć wymaganą wartość wskaźnika EEDI może przynieść stosowanie do napędu silników ekologicznych paliw gazowych LPG lub LNG. Ponadto zastosowanie paliw gazowych pozwala spełnić bardzo restrykcyjne normy z zakresu ograniczenia emisji przez statki NO x i SO x zgodnych ze standardami Tier III. Jeżeli przyjąć dla silnika napędzanego ciężkim olejem opałowym emisję szkodliwych substancji jako równą 100%, to dla tej samej mocy silnika wysokoprężnego napędzanego gazem ziemnym emisja szkodliwych substancji w spalinach maleje odpowiednio: dla dwutlenku węgla o 25%, dla tlenków azotu o 85%, dla tlenków siarki o 100% i dla cząstek stałych o 100%. Mniejsza o 25% emisja dwutlenku węgla wynika z większej wartości opałowej gazu ziemnego która wynosi ok. 50 MJ/kg aniżeli ciężkiego oleju opałowego mającego wartość opałową wynoszącą ok. 40 MJ/kg. Porównanie szkodliwości emisji spalin wylotowych silników wysokoprężnych tej samej mocy napędzanych ciężkim olejem opałowym i gazem ziemnym wg. [10] pokazano na rysunku 4. Zawartość substancji szkoldliwych w spalinach [%] Spaliny HFO Spaliny LNG CO2 X X Rodzaj substancji szkodliwej w spalinach Rys. 4. Porównanie zawartości szkodliwych składników w spalinach silnika wysokoprężnego zasilanego ciężkim olejem opałowym i gazem ziemnym [10]. Wiodący producenci silników okrętowych wprowadzili do swojego profilu produkcyjnego silniki dwupaliwowe typu DF (ang. Dual Fuel), które mogą Logistyka 6/

8 być zasilane zarówno gazem naturalnym jak i paliwem ciekłym ciężkim lub lekkim. Jak dotąd zastosowanie znajdują głównie silniki czterosuwowe z uwagi na łatwiejszy technologicznie sposób doprowadzenia gazu, który pod ciśnieniem 0.4 0,6 MPa kierowany jest do dysz umieszczonych przed zaworami ssawnymi na głowicach silnika [ ]. Zapłon gazu odbywa się przy pomocy pilotowej dawki paliwa płynnego, kontrolowanej przez panel sterowania silnikiem. Silnik w każdej chwili bez zmiany obciążenia może być przestawiony z zasilania gazem na paliwo płynne i odwrotnie. Możliwa jest też praca na obu rodzajach paliwa jednocześnie. Bardziej złożonymi są instalacje zasilania gazem naturalnym wolnoobrotowych wysokoprężnych dwusuwowych silników wodzikowych. Ponieważ silnik wolnoobrotowy nie ma zaworów ssawnych istnieje konieczność wtrysku gazu bezpośrednio do komór spalania pod ciśnieniem MPa, stąd niezbędne są specjalne rozwiązania dysz gazu. Ponadto w instalacji muszą być zastosowane dodatkowe wielostopniowe sprężarki wysokiego ciśnienia. Pozostała część instalacji jest analogiczna do instalacji zasilania silnika średnio-obrotowego. Kontrola pracy instalacji zasilającej, zmiana rodzaju paliwa i kontrolna dawka paliwa płynnego sterowane są automatycznie. 662 Wnioski Wprowadzone przepisy wymuszają na armatorach stosowanie rozwiązań zmierzających do ograniczenia emisji do atmosfery substancji toksycznych oraz CO 2. Należy stwierdzić, iż wszystkie przedstawione w artykule metody mające na celu ograniczenie emisji do atmosfery tych szkodliwych związków są już wprowadzane na statki Dla większości obecnie eksploatowanych statków spełnienie restrykcyjnych wymogów, jest możliwe poprzez spalanie paliw nisko-siarkowych. Dotyczy to zwłaszcza zaostrzonych przepisów dotyczących emisji tlenków siarki zawartych w spalinach w portach krajów Unii Europejskiej, w których należy stosować paliwa o zawartości siarki nieprzekraczającej 0,1% na jednostkę masy. Należy jednak pamiętać, że ten poziom emisji zacznie obowiązywać na wszystkich pozostałych obszarach kontroli SECA już od 1 stycznia 2015 roku. Odsiarczone, droższe paliwo wydaje się być w najbliższym okresie jedynym rozwiązaniem eksploatacyjnym spełniającym wymagania i w Logistyka 6/2014 zasadzie dla jednostek będących już w eksploatacji nie znajdującym alternatywy. Inną możliwością obniżania poziomu emisji tlenków siarki w spalinach jest ich oczyszczanie na burcie statku, poprzez stosowanie skruberów (płuczek). Wykorzystanie płuczki to technologia wykorzystywana na lądzie, dotąd rzadko stosowana na statkach. Koszty zakupu instalacji do odsiarczania spalin na statku są wysokie, liczone w milionach euro i taka suma stanowi znaczący udział w koszcie całej jednostki. Ponadto istotny problem stanowią odpady powstające w procesach odsiarczania spalin w skruberach. W tego typu instalacjach wykorzystuje się wodę morską oraz różnego rodzaju chemikalia, w tym wapień (CaCO3), wodorotlenek sodu (NaOH) oraz amoniak (NH4OH). Ich użycie powoduje powstanie odpadów stałych i płynnych, które należy zdać do portowych urządzeń odbiorczych oraz zanieczyszczonej wody, która może być wprawdzie usuwana do morza, ale dopiero po spełnieniu rygorystycznych wymagań ochrony środowiska morskiego. W skruberach wykorzystujących wapno mające właściwości pochłaniania siarki spaliny są przepuszczane przez urządzenie służące do natryskiwania roztworem wapna rozpuszczonego w wodzie. Skrubery są więc czymś w rodzaju płuczek wapniowych. Produktem ubocznym jest związek będący mieszaniną wapnia z siarką. Związek ten należy przekazać na ląd w celu utylizacji. To rodzi dodatkowe koszty. Jeżeli policzymy koszty zakupu instalacji do odsiarczania (skrubera) oraz dodamy do tego koszty eksploatacji instalacji to może się okazać, że w perspektywie 10 lat znacznie bardziej opłacalne będzie kupowanie droższego, odsiarczonego paliwa. Pomimo tych niedogodności wielu armatorów decyduje się na tego typu rozwiązanie. I tak Finnlines, będący częścią Grupy Grimaldi zawarł kontrakt ze Stocznią Remontową NAUTA w Gdyni na montaż urządzeń do odsiarczania spalin na 6 jednostkach typu Ro-Ro. Wejście pierwszej jednostki do stoczni planowane jest na listopad 2014 a ostatnia opuści stocznię na koniec lutego Producentem skruberów jest zanany producent silników okrętowych, fińska firma Wärtsilä. Kolejną metodą ograniczania emisji do atmosfery szkodliwych substancji jest zmniejszanie zużycia paliwa przez statki. Poziom emisji tych związków jest proporcjonalny do ilości spalanego paliwa, dlatego ograniczenie zużycia paliwa jest jedną ze skuteczniejszych metod realizacji tych wymagań. Wprowadzony dla nowobudowanych statków

9 Projektowy Wskaźnik Efektywności Energetycznej EEDI oraz nowe regulacje prawne wymuszają projektowanie jednostek ekonomicznych, o znacznie zredukowanym zużyciu paliwa. Przykładem takiego podejścia do projektowania jest seria zamówionych dwudziestu największych i najnowocześniejszych na świecie kontenerowców o zdolności przewozowej TEU, należących do Maersk Line klasy Triple- E, w którym pryncypia stanowią ekonomia skali, efektywność energetyczna i ochrona środowiska (ang. "Economy of scale, Energy efficient and Environmentally improved"). Pierwszym z nich jest wprowadzony w 2013 roku do eksploatacji kontenerowiec Maersk Mc-Kinney Moeller. Jednostkę wyróżnia nowatorska konstrukcja kadłuba zapewniająca minimalizacje oporów pływania i zwiększenie przestrzeni ładunkowej oraz energooszczędne silniki z systemem utylizacji ciepła odpadowego. Koszty inwestycyjne związane z samym tylko systemem utylizacji ciepła odpadowego WHR wynosiły około 10 milionów dolarów, przy całkowitym koszcie całego statku wynoszącym 185 milionów dolarów. Celem uzyskania niższego zużycia paliwa zmniejszono także eksploatacyjną prędkość pływania do około 19 węzłów, chociaż maksymalna prędkość pływania wynosi 25 węzłów. Specjalnie zaprojektowany układ napędowy, w którym zastosowano dwa nowoczesne silniki MAN 8S80ME- C i dwie czteroskrzydłowe śruby o średnicy 9,8 m każda prócz niższego zużycia paliwa (168 g/kwh) gwarantuje minimalną emisję CO 2. Nowe statki klasy Triple-E będą w efekcie spalały o około 20 procent mniej paliwa w przeliczeniu na kontener niż obecne jednostki Maerska klasy E oraz aż o 50 procent mniej w porównaniu ze średnią na trasie Azja-Europa. Wykorzystanie paliwa gazowego LNG do zasilania silników okrętowych jest metodą ograniczania emisji szkodliwych substancji do atmosfery, która zyskuje coraz większą popularność wśród armatorów. Zasilanie silników gazem naturalnym jest szczególnie przydatne na statkach przewożących skroplony gaz naturalny zbiornikowcach LNG (ang. Liquefied Natural Gas Carriers). Ładunek gazu naturalnego przewożony jest pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 163 o C. Penetracja ciepła do zbiorników ładunkowych powoduje odparowanie gazu. Odparowany ładunek BOG (ang. Boil Off Gas) może być użyty do napędu statku lub skroplony w specjalnej instalacji i skierowany na powrót do zbiorników ładunkowych. Zasilanie silników okrętowych gazem naturalnym możliwe jest również na innych statkach niż zbiornikowce LNG, takich jak promy, kontenerowce, holowniki czy statki pasażerskie. Technologia zasilania Dual Fuel najłatwiej daje się zastosować w silnikach czterosuwowych średnio-obrotowych i szybkoobrotowych zarówno napędu głównego jak i zespołów prądotwórczych. W Polsce statki z napędem silnikami średnioobrotowymi zasilane paliwem gazowym są budowane przez stocznię Remontową Shipbuilding, która zasłynęła jako realizator nowoczesnych promów o napędzie gazowym, eksploatowanych przez norweskiego armatora. Instalacja zasilania gazem silnika wolnoobrotowego jest bardziej skomplikowana, aniżeli silnika średnio-obrotowego. Wynika to m. in. z konieczności sprężania gazu do wysokich ciśnień (15 26 MPa), do czego potrzeba niezwykle energochłonnych wielostopniowych sprężarek. Skomplikowany system techniczny z natury rzeczy jest podatny na zakłócenia ruchu i awarie, dlatego też dwupaliwowe wolnoobrotowe dwusuwowe silniki wysokoprężne pozostawały dotąd w sferze projektowodoświadczalnej. Jednak prognozy mówią o wprowadzeniu w krótkim czasie tych silników do eksploatacji. Prawie jednocześnie, dwa towarzystwa klasyfikacyjne (DNV i BV) ogłosiły zaakceptowanie dwóch niezależnych projektów dużych kontenerowców których napęd główny stanowić będą dwupaliwowe wolnoobrotowe silniki zasilane gazem naturalnym i paliwem ciężkim. Norweskie DNV będzie nadzorowało budowę kontenerowca 9000 TEU który zbuduje japońska stocznia Kawasaki Heavy Industries [4], podczas gdy francuskie Bureau Veritas będzie klasyfikatorem kontenerowca TEU jaki dla CMA-CGM zbuduje koreańskie Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering. Zakłada się eksploatację tych jednostek zarówno na obszarach ECA i wówczas silniki zasilane będą gazem oraz poza tymi obszarami - zasilanie paliwem ciężkim. Aby ograniczyć naturalne odparowanie gazu w zbiornikach podczas zasilania silnika paliwem ciężkim zbiorniki będą posiadały specjalną izolację. Obydwa projekty zakładają wykorzystanie pryzmatycznych, niskociśnieniowych zbiorników gazu naturalnego LNG typu B, które lepiej wykorzystują przestrzeń, od obecnie stosowanych zbiorników cylindrycznych. Oba nowobudowane kontenerowce będą napędzane dwusuwowymi dwupaliwowymi wolnoobrotowymi silnikami sterowanymi elektronicznie i wyposażone w systemy recyrkulacji spalin mające na celu ograniczenie emisji tlenków azotu i pozwalającymi wypełnić normy standardu Tier III. Ponadto optymalizacja kształtów Logistyka 6/

10 kadłuba tych nowych jednostek ma zapewnić minimalizację zużycia paliwa i przez to zmniejszenie emisji szkodliwych dla środowiska związków. Przełomem w technologii silników dwupaliwowych wydaje się być oferta firmy Wärtsilä, która wprowadza na rynek silniki dwusuwowe. W sierpniu 2014 roku podpisano kontrakt na budowę kontenerowców dowozowych o zdolności przewozowej 1400 TEU, budowanych w chińskiej stoczni Yangzhou Guoyu Shipbuilding. Napęd główny tych jednostek stanowić będą dwusuwowe, dwupaliwowe, 7-cylindrowe silniki firmy Wärtsilä typu RT-flex50DF. Nie wymagają one tak wysokich ciśnień gazu zasilającego silnik (15 26 MPa), jakie występowały dotąd przy zasilaniu gazem LNG silników dwusuwowych. Dzięki niskiemu ciśnieniu gazu (maksymalnie 1,6 MPa), cała instalacja LNG jest znaczne prostsza i mniej kosztowna w porównaniu z innymi, alternatywnymi technologiami. Jak dotąd liczba jednostek używających LNG jako paliwa jest wciąż niewielka. Jedną z przyczyn jest niewystarczająca ilość portów w których można tankować gaz. Potrzebą więc staje się budowa takich terminali Ponadto koszty budowy i eksploatacji statków wyposażonych w silniki dwupaliwowe są znacznie wyższe niż dla jednostek wyposażonych w silniki konwencjonalne. Być może do obniżenia tych kosztów mogłyby się przyczynić wprowadzone w miejsce silników dwupaliwowych z zapłonem samoczynnym silników z zapłonem iskrowym, które mogły by być zasilane wyłącznie gazem bez konieczności stosowania pilotowej dawki paliwa płynnego. System paliwowy statku uległby wówczas znacznemu uproszczeniu i ograniczył tylko do zbiorników oraz instalacji gazowych. Prognozując trendy rozwojowe napędów okrętowych w przyszłości można stwierdzić, że gaz naturalny będzie powszechnie stosowanym paliwem okrętowym zwłaszcza na obszarach specjalnych podlegających bardzo restrykcyjnym przepisom (wymaganiom) z zakresu redukcji emisji do atmosfery szkodliwych substancji. Dlatego już dzisiaj wielu armatorów, uznając to rozwiązanie za najbardziej optymalne ekonomicznie, rozważa możliwość dostosowanie już eksploatowanych silników wysokoprężnych do spalania w nich gazu naturalnego, natomiast na coraz większej liczbie nowobudowanych jednostek instaluje się silniku dwupaliwowe. 664 Logistyka 6/2014 Streszczenie Celem artykułu jest zwrócenie uwagi na problem emisji do atmosfery przez statki morskie związków toksycznych takich jak m.in. NO x, SO x, cząstki stałe oraz dwutlenek węgla. Wprowadzony w życie 19 maja 2005 roku Załącznik VI Konwencji MARPOL dotyczący zapobieganiu zanieczyszczania powietrza przez statki, wymusił na armatorach stosowanie rozwiązań zmierzających do ograniczenia emisji do atmosfery tych szkodliwych substancji. Mogą to być rozwiązania natury konstrukcyjnej jak również wynikające z właściwej eksploatacji statku. W artykule przedstawiono różne metody redukcji emisji związków toksycznych oraz CO 2 na statkach morskich, pozwalające dostosować się do wymagań konwencji oraz innych uregulowań prawnych w tym zakresie. Abstract The goal of the paper is to focus on the problem of emission of toxic compounds e.g. NO x, SO x and CO 2 from seagoing ships to environment. The VI Amendment to MARPOL Convention concerning prevention against air pollution by seagoing ships, brought into practice in May 19 th 2005, forced ship owners to use means for reduction of environment harmful substances emission to atmosphere. They may comprise construction and operating methods. The article presents various methods of reduction of toxic substances and CO 2 by seagoing vessels in order to adapt to the requirements of the Convention and other legal regulations in this regard. Literatura 1. Giernalczyk M., Górski Z., Methods of reduction of fuel consumption as means for CO 2 emitted by seagoing ships minimizing, Journal of KONES Powertrain and Transport, European Science Society of Powertrain and Transport Publication, 2013, Vol. 20, No.4, p Giernalczyk M., Górski Z., SIŁOWNIE OKRETOWE, część I, Podstawy napędu i energetyki okrętowej, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia Giernalczyk M., Górski Z., SIŁOWNIE OKRETOWE, część II, Instalacje okrętowe, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2013.

11 4. Henderson K., LNG Fueled 9000 TEU Container Ship From KHI. Maritime propulsion. January 24, Jurdziński M., Innowacje technologiczne na statkach morskich w celu redukcji zużycia energii i emisji CO 2, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, 2012, nr 77, s Kołwzan K., Narewski M., Stosowanie paliw nisko-siarkowych na statkach, Seminarium BSR Innoship pt. Redukcja emisji spalin ze statków w obszarze Morza Bałtyckiego, Akademia Morska w Szczecinie, Szczecin 6 września MAN Diesel & Turbo, How to Influence CO 2, Copenhagen, Denmark July MAN Diesel & Turbo, Thermo Efficiency System, Copenhagen, Denmark August MAN B&W Diesel A/S Copenhagen, Soot Deposits and Fires in Exhaust Gas Boilers, Denmark March MacArthur., Gas fuelled mechanical solutions offer major emissions reductions, Wärtsilä Stakeholder Magazine, Twenty four 7, Piotrowski I,. Witkowski K., Eksploatacja okrętowych silników spalinowych, Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia 2003 Logistyka 6/