8. Poluarea produs de motoarele navale Emisiile poluante ale motoarelor cu ardere intern navale sunt, n general, cauzate de arderea combustibilului, ca i de etanarea imperfect a cilindrului i a tancurilor de combustibil. Noxele chimice generate prin ardere sunt eliminate n atmosfer, n proporie determinant, prin gazele de evacuare. Dei, ntr-o prim apreciere, contribuia motoarelor navale la nivelul global de poluare poate fi considerat ca suficient de redus, emisiile poluante coninute n gazele de evacuare ale motoarelor din aceast categorie sunt tratate tot mai serios; cu toate c aciunea emisiilor poluante asupra atmosferei nu este clar estimat n cazul navigaiei n apele internaionale, efectul este nociv asupra aerului atmosferic din zonele portuare i n cazul navigaiei pe mri interioare i constituie o problem stringent, n momentul de fa, att pentru marile firme constructoare de motoare navale, ct i pentru cele de navigaie, problema intrnd, de asemenea, n atenia organismelor internaionale. Astfel, Organizaia Maritim Internaional (IMO) a pus n discuie impunerea unor norme i restricii odat cu sesiunea din 1990 a Comitetului de Protejare a Mediului Marin (MEPC).

8.1. Originea emisiilor poluante din gazele de evacuare ale motoarelor navale. Modelul formrii acestora Substanele nocive coninute n gazele de evacuare ale motoarelor navale sunt de natur primar, emise direct de surs (procesul de ardere) i se prezint n stare gazoas (oxizii de azot NOx, monoxidul de carbon CO, oxizii de sulf SOx, hidrocarburi nearse HC) sau n stare solid, sub form de particule (funingine). Vom analiza, n continuare, originea acestor emisii poluante. Originea oxizilor de azot. Formarea oxizilor de azot este un fenomen de dezechilibru, depinznd de gradienii de temperatur din gazele arse.

Fig. 1

Aceti gradieni apar ca o consecin a comprimrii ca produse de ardere a componentelor amestecului nears, care ard primele, n timp ce ultima parte a ncrcturii este comprimat ca amestec nears. n motorul diesel, temperatura de ardere atinge valori ridicate, favoriznd apariia oxizilor de azot. Concentraiile oxizilor de azot pot fi calculate cu ajutorul mecanismului reaciilor nlnuite Zeldovici extins:

NNOONk

k

1

2

22 21 (1)

N O NO Ok

k

24

3

(2)

N OH NO Hk

k

5

4

, (3)

unde 61, jk j sunt constantele vitezelor de reacie.

Cantitatea de oxizi de azot care se formeaz n cilindrul motor este dependent de mai muli parametri, cel mai important fiind, aa cum s-a artat, temperatura, dar i de existena zonelor calde n spaiul de ardere. Se nregistreaz, de asemenea, diferene ntre motorul n doi timpi i cel n patru timpi, dat fiind faptul c, n cazul motorului n patru timpi, cantitatea de combustibil ars este mai mare, ceea ce conduce la o mrire a duratei arderii i a temperaturii. Pe de alt parte, turaia are o influen n cantitatea de NOx, dei considerat mai redus. n schimb, coeficientul excesului de aer are o influen foarte important, prin influena direct a randamentului efectiv al motorului, a crui cretere conduce i la valori ridicate a concentraiei oxizilor de azot (fig. 1). n figura 2 se prezint, comparativ, nivelul poluant al NOx pentru motorul n doi timpi, respectiv n patru timpi, diferena fa de cele menionate anterior constnd n aceea c motoarele navale n doi timpi existente sunt optimizate pentru randament efectiv maxim. Originea monoxidului de carbon. Emisiile de monoxid de carbon CO i hidrocarburi nearse HC cresc cu coeficientul de dozaj, fiind mai intense pentru amestecuri bogate.

Monoxidul de carbon CO format n procesul de ardere este oxidat la bioxid de carbon CO2 cu o vitez inferioar celei de formare a monoxidului de azot. Principalele reacii de oxidare luate n consideraie sunt:

Fig. 3

CO OH CO H

CO O CO O

k

k

k

k

2

1

4

3

2

2 2 ,

, (4)

cea de-a doua reacie fiind mai puin intens. Conform observaiei corelaiei directe dintre cantitatea de CO i dozaj, se poate conchide c emisia de monoxid de carbon n motoarele diesel este redus. Originea oxizilor de sulf. Sulful coninut n combustibil este oxidat complet n timpul procesului de ardere, ceea ce conduce i la concluzia imposibilitii reducerii cantitii de oxizi de sulf SOx prin controlul acestui proces. Aadar, singura modalitate de reducere a SOx este aceea de utilizare a combustibililor navali cu coninut redus de sulf, cu implicaii negative ns din punct de vedere economic. Utilizarea unor astfel de combustibili navali ridic i alte probleme, de natur funcional: sulful are proprieti lubrificatoare, iar lipsa sa din combustibil impune atenie sporit acordat funcionrii motorului, n scopul evitrii eventualelor probleme tribologice. Originea hidrocarburilor nearse. Emisia de hidrocarburi nearse HC nu constituie, de obicei, o problem foarte important. n cazul n care coninutul de HC devine prea mare, aceasta se datoreaz unor deficiene n proiectarea sistemului de injecie. Fenomenologic, originea emisiilor poluante se poate explica pe baza reprezentrii jetului n micare de swirl (fig. 3), prin evidenierea diverselor zone eterogene din punct de vedere al strii de agregare, coeficientului de dozaj i temperatur, fiecare zon genernd substane nocive specifice: zona 1 a amestecurilor preformate neinflamabile i zona 2 a amestecurilor preformate inflamabile, concentraia variind de la infinit la limita frontal a anvelopei, la 1 la limita frontal a jetului. Zona care creeaz NOx este zona 2, care cuprinde gaze de ardere ce se formeaz iniial, fiind influenat de doi factori: timp i temperatur, intensificnd procesul de formare a NOx-ului. Ulterior intr n reacie combustibilulul din zona 3, arderea decurgnd dup mecanismul difuziv, componentele acestei zone fiind indicate n figur. Originea fumului i a particulelor de funingine. Formarea fumului se raporteaz la natura combustibilului i tipul flcrii din camera de ardere, emisia fiind influenat de calitatea pulverizrii, geometria camerei de ardere, micrile aerului, turbulen, presiune, etc. n motoarele cu aprindere prin comprimare, fumul se produce n zona amestecurilor bogate ale domeniului de ardere al flcrii difuzive prin piroliza hidrocarbonatelor. Noiunea de piroliz fiind mai general, desemnnd o multitudine de reacii, subliniem c descompunerea i cracarea molecular sunt predominante la temperaturi mari, n timp ce polimerizarea i recombinarea molecular sunt favorizate de temperaturile mai reduse. Carbonul coninut n emisiile poluante ale motoarelor cu aprindere prin comprimare este uscat, format n faza de vapori la temperaturi nalte. Reaciile rapide la temperaturi de

20003000 K, specifice flcrii difuziv-turbulente produse n motoarele diesel, implic descompunerea moleculelor de combustibil, de unde generarea de iniiatori i formarea de fum i mici particule de carbon ce se cumuleaz, formnd particule mai mari prin adiionarea de poliacetilene sau hidrocarburi. Precizm c fumul emis de motoarele diesel este de trei tipuri: alb, albastru i negru (funinginea). Primul tip apare la pornirea motorului rece i n perioada de nclzire a motorului, fiind format din particule lichide de combustibil nears cu diametre de aproximativ

1m, fiind datorat temperaturilor reduse la care o parte din combustibil nu arde sau condenseaz n cursa de destindere. Fumul albastru se produce la mersul n gol i la

sarcini mari, particulele de combustibil avnd diametre aproximativ de 0,5 m i ulei, culoarea datorndu-se dispersiei difereniate a luminii de ctre particulele mici; fumul albastru se formeaz n zonele reci (zona 1 din figura 3). Fumul negru apare la regimul

maxim continuu, dar i la regimuri de accelerare i turaii mici, fiind alctuit din particule de

carbon de diametre de aproximativ 1m; el se formeaz n amestecurile bogate corespunztoare zonelor 3, 4 i 5 din figura 3 prin cracare, polimerizare sau condensare, urmate de dehidrogenare. Particulele de funingine pot reaciona n continuare n prezena oxigenului, la temperatur redus, deci coninutul de funingine se datoreaz unui proces dublu: formarea de fum negru la temperaturi reduse i n lipsa oxigenului, ca i descompunerea sa prin ardere.

8.2. Efectele emisiilor poluante ale motoarelor navale asupra organismului uman i a mediului nconjurtor

Drept urmare a discuiilor referitoare la prevenirea polurii aerului de ctre nave iniiate de IMO (International Maritime Organisation), una dintre cele mai importante societi de clasificare navale, Lloyds Register of Shipping, a iniiat un program de cercetare n domeniul emisiilor poluante ale motoarelor navale (MEERP) declanat n 1989, de mare actualitate n continuare. Studiile efectuate n cadrul acestui program indic efecte nocive importante ale emisiilor poluante navale att asupra organismului uman, ct i asupra mediului ambiant (n special zone costiere i ape interioare). Astfel, se indic urmtoarele efecte nocive asupra organismului uman, cauzate de emisiile coninute n gazele de evacuare ale motoarelor navale menionate n paragraful anterior, dup cum urmeaz: NOx-iritant pentru esuturile pulmonare; SOx-n concentraii mari cauzeaz indispoziii respiratorii; HC-iritaii ale ochilor i ale mucoaselor; CO-absorbit de plmni, reacioneaz cu hemoglobina din snge, formnd carboxihemoglobina (COHb), cu efectele redate n tabelul 1; particule de carbon-cauzeaz bronite, astm i emfizem pulmonar.

Tabelul 1

COHb Vol. [%]

Efect asupra organismului uman

1% - 2% Afecteaz performanele comporta-mentale

2% - 5% Afecteaz sistemul nervos central

5% - 10%

Modificri pulmonare i cardiace

10% - 80%

Somnolen - com - moarte

Rezumativ, emisiile poluante citate au urmtoarele efecte asupra mediului nconjurtor i a organismului uman: ploaie acid; diminuare a stratului de ozon; nclzire global, cu efectele globale prezentate n tabelul 2. Studiul ntreprins a demonstrat creterea considerabil a nivelului poluant n zone costiere, determinrile fiind efectuate att pe motoare lente ct i semirapide. Tabelul 3 indic valorile realizate. S-au avut sub observaie opt nave diferite. Navele au fost monitorizate n condiii tipice de serviciu i s-au efectuat teste n timpul manevrelor de plecare de la rm, sosire, diverse alte regimuri tranzitorii i regimul nominal al motoarelor

considerate. Tehnicile de determinare a coninutului de emisii nocive, ca i amplasarea echipamentului utilizat, au constituit probleme importante. Concentraiile de emisii poluante au fost nregistrate simultan i continuu, n timpul tuturor testelor, de un calculator, component al sistemului de achiziie de date. Combustibilii utilizai n timpul probelor au fost analizai de ctre serviciul de evaluare al societii de clasificare implicate, n concordan cu procedurile standard industriale.

Tabelul 2

Emisia poluant

Sursa Efectul

NOx Arderea combustibilului

Ploaie acid Indispoziii respiratorii

SOx Arderea combustibilului cu coninut de sulf ridicat

Idem

CO2 Ardere complet

Efect de ser nclzire global

HC Combustibil vaporizat Ardere incomplet

Smog fotochimic

CO Ardere incomplet

Afeciuni ale sistemului nervos central

Particule de

carbon

Ardere incomplet Cenu n combustibil

Depuneri Efecte negative generale asupra sntii

Tabelul 3

Emisia [kg/t

cb]/[g/kWh]

Motor semirapid

Motor lent

NOx 59/13.8 84/18.7

CO 8/1.8 9/2.1

HC 2.7/0.6 2.5/0.5

CO2 3250/* *

SO2 21.0S/- 21.0S/*

Obs.: * lips date; S - coninut de sulf n combustibil

8.3. Influena diverilor factori asupra nivelului emisiilor poluante Principalii factori care influeneaz nivelul emisiilor poluante ale motoarelor navale,

prin influena pe care o au asupra procesului de ardere din motor, sunt indicate n figura 4. n aceast figur, fiecare cerc reprezint un factor major de influen, incluznd: sistemele de admisie i de evacuare, cuprinznd i grupurile de supraalimentare, rcitorul aerului de supraalimentare, reductorul catalitic, etc.; sistemul de injecie a combustibilului; camera de ardere.

Zona comun dintre cele trei domenii indicate este reprezentat de factorii ce rezult prin interaciunea dintre aceste domenii. De exemplu, coeficientul de umplere (randamentul volumetric) al motorului este influenat de sistemele de admisie i de evacuare din motor, dar nu i de ctre cel de injecie. Procesul de ardere este influenat de intersecia tuturor celor trei zone. Puterea efectiv a motorului, consumul de combustibil i nivelul emisiilor chimice poluante aferente domeniului comun sunt influenate determinant de procesul de ardere din motor. Optimizarea motorului n scopul micorrii consumului de combustibil i al nivelului emisiilor poluante implic luarea n consideraie, deci, a urmtorilor factori funcionali i constructivi: temperaturi sczute ale aerului; coeficientul de dozaj; sarcina i turaia motorului; proprietile combustibilului naval; grad de supraalimentare ridicat; calitile de autoaprindere a combustibilului; viteza de injecie a combustibilului; ntrzierea la autoaprindere; fazele de distribuie a gazelor; arhitectura camerei de ardere; emulsia combustibil-ap; recircularea gazelor de ardere.

Fig. 4

Nu este greu de imaginat c atingerea scopului menionat anterior necesit un efort considerabil, cu utilizarea informaiilor know-how, a metodelor analitice i predictive, paralel cu investigaii experimentale aprofundate. Complexitatea proceselor, caracterul interactiv al componentelor motorului, ca i costurile ridicate asociate experimentelor efectuate pe motoarele navale constituie un caz ideal de utilizare a metodelor predictive, ca un instrument puternic de reducere att a cheltuielilor ct i a timpului afectat cercetrilor de dezvoltare. n paragraful urmtor ne propunem prezentarea posibilitilor metodelor predictive n domeniul emisiilor poluante, n conformitate cu cerinele ce ncep s fie impuse de societile de clasificare.

8.4. Metode predictive de determinare a emisiilor poluante i compararea cu rezultatele experimentale

Evoluia motoarelor diesel navale cu coninut ct mai redus al emisiilor poluante coninute n gazele de evacuare constituie o procupare prioritar, aa cum s-a artat, att pentru proiectani, ct i pentru constructorii de motoare navale, ceea ce a condus la elaborarea unor modele predictive pentru coninutul noxelor chimice n gazele de evacuare. n acest scop, s-a utilizat o simulare a ciclului de funcionare a motorului bazat pe modelele termodinamice plurizonale ale arderii n motorul naval, cu luarea n consideraie a curgerii gazodinamice n sistemele de admisie i evacuare, deoarece modelarea detaliat a procesului de ardere, avnd drept obiectiv calcularea temperaturii i dozajelor de combustibil n diferite zone ale cilindrului constituie condiia obligatorie pentru predicia concentraiilor de emisii poluante din gazele de evacuare ale motoruluil. Modelele multizonale ale arderii iau n consideraie pulverizarea combustibilului, evaporarea picturilor, antrenarea aerului, ntrzierea la autoaprindere i viteza de degajare a cldurii. Mecanismele de formare a emisiilor poluante, incluznd NO, CO i particulele de carbon, prezentate anterior, au fost utilizate pentru calcularea nivelului poluant din gazele de evacuare. Lucrri specializate n predicia acestuia se axeaz esenial, pe determinarea emisiilor de NOx i de particule de carbon. Paralel cu cercetrile experimentale, Lloyds Register of Shipping a lansat, nc din 1989 propriul su program de determinare prin calcul a emisiilor poluante ale motoarelor navale (programul MEEP), concomitent cu programul de simulare a funcionrii motorului (programul MERLIN) prin dezvoltarea capacitii de predicie a nivelului poluant al programului DEEPC. Corelaia dintre aceste trei pachete de programe de firm este ilustrat n figura 5. n continuare, vom face o scurt prezentare a programelor menionate anterior. Programul de simulare MERLIN: este un program de simulare termodinamic neliniar, care rezolv problemele de curgere compresibil nestaionar i ecuaiile de conservare a procesului de ardere; simularea regimurilor tranzitorii. Programul DEEPC de predicie a emisiilor poluante din gazele de evacuare ale motoarelor cu ardere intern de uz general este axat pe un model bidimensional, bazat pe un concept multizonal. Modelul a fost utilizat pentru predicia nivelului poluant pentru mai multe motoare navale, ca i pentru validarea experimental prin msurtori efectuate pe stand sau n probe de mare. Figura 6 prezint, comparativ, rezultatele obinute prin aplicarea modelului predictiv i cele experimentale, pentru un motorul lent ce asigur propulsia unei navei de cercetare, funcionnd la turaia constant de 155 rot/min.

O posibilitate de predicie exhaustiv, att a performanelor motorului, ct i a proporiei emisiilor poluante din gazele de evacuare, poate fi realizat prin integrarea complet a programului DEEPC n programul MERLIN de simulare a funcionrii motorului. Un astfel de program integrat a putut fi utilizat pentru predicia rspunsului tranzitoriu al motorului i a emisiilor poluante pentru un motor n patru timpi testat pe stand. Aadar, concluziile care se desprind din studiile efectuate de societatea de clasificare naval Lloyds Register of Shipping se pot concentra n urmtoarele: metodele predictive, de calcul, pot evalua cu aproximaie suficient de bun formarea emisiilor poluante i coninutul acestora n gazele de evacuare ale motorului, funcionnd att n regimuri staionare, ct i n regimuri tranzitorii; asemenea modele pot evalua i variaia cantitatilor de emisii poluante cu modificrile constructive i funcionale ale motorului. Extinderea unor asemenea modele pe ansamblul simulrii navei poate conduce la evaluarea ct mai exact a consumului de combustibil i a emisiilor poluante ale motorului.

Fig. 6

Programul MEEP

Determinarea emisiilor

poluante coninute n

gazele de evacuare ale

motoarelor navale

Programul DEEPC

Predicia coninutului de emisii poluante din

gazele de evacuare ale

motoarelor cu ardere

intern (n general)

Programul MERLIN

Simularea motorului

(sistemul termo-fluid)

Simularea

sistemului

de injecie

Fig. 5

8.5. Metode de control i reducere a emisiilor poluante

Metodele de reducere a emisiilor poluante din gazele de evacuare ale motoarelor navale se clasific n dou categorii eseniale: metode primare, implicnd modificri constructiv-funcionale ale motorului i o a doua categorie constnd n tratamente efectuate asupra gazelor de evacuare din motor, sau, alternativ, n modificarea caracteristicilor operaionale ale navei. O trecere n revist a principalelor metode de reducere a acestor emisii poluante este redat mai jos: reglaj general al motorului; modificarea avansului la injecia combustibilului; modificarea caracteristicilor injeciei; creterea presiunii de supraalimentare; scderea temperaturii aerului de supraalimentare; injecie n mai multe puncte ale camerei de ardere; tratarea aerului necesar arderii; umidificarea aerului la admisia n motor; emulsii combustibil-ap, etc. Aa cum a reieit din cele prezentate anterior, atenia cea mai mare este acordat emisiilor de NOx din gazele de evacuare ale motoarelor navale. Cele mai eficiente metode de reducere a acestor emisii poluante sunt cele primare i anume: creterea raportului de

comprimare spre valorile 1620; reducerea avansului la injecie; durat scurt i distinct a injeciei de combustibil, msuri prin care ciclul motoarelor cu ardere intern navale se apropie tot mai mult de ciclul diesel original, prin ndeprtarea de ciclul Seilinger (cu aport mixt de cldur, la volum i la presiune constant). Acest lucru este posibil mai ales pentru noile generaii de motoare construite, pentru care parametrii ca raportul curs/alezaj, presiune maxim admisibil i durat minim a injeciei pot fi modificai din faza de concepie. n continuare prezentm succint cteva metode uzuale de reducere a concentraiei de NOx din gazele de evacuare ale motoarelor navale.

Fig. 1

Injecia direct de ap. Este o metod binecunoscut de reducere a coninutului de NOx. Se pot utiliza, n acest scop, mai multe metode: injecia de ap n camera de ardere nainte de ptrunderea ncrcturii proaspete n cilindru, injecia de ap sub forma emulsiei ap-combustibil, sau injecia de ap la presiune nalt, la un moment optim, direct n cilindru, aceasta din urm fiind i metoda cea mai recent practicat n scopul menionat. Figura 1 prezint principiul i echipamentul necesar injeciei de ap n cilindrul motor, n timp ce figura 2 prezint selecionarea momentului aceste injecii. Prin alegerea judicioas a acestui moment, care se poate suprapune parial peste injecia de combustibil, este posibil reducerea cantitii de NOx, cu mult mai mult dect prin oricare alt metod de injecie a apei. Metoda este aplicabil motoarelor funcionnd cu orice tip de combustibil; acest procedeu a fost testat la anduran pe banc, fiind pregtit pentru teste n probe de mare. Pn n momentul de fa nu s-a nregistrat nici o influen negativ, iar reducerea substanial a emisiilor a fost stabilizat n timp.

Recircularea gazelor de evacuare. Dei i aceast metod este cunoscut de mult timp, utilizarea sa n cazul motoarelor navale prezint limitri datorate coninutului de sulf din combustibilii navali. De aceea, metoda se prezint ca foarte avantajoas pentru motoarele funcionnd pe combustibili gazoi, ceea ce constituie, de altfel, o tendin de modernitate n domeniul naval. Procedeul s-a dezvoltat, pentru combustibili cu coninut redus de sulf, prin montarea unui dispozitiv special pe traseul de evacuare, n care gazele de evacuare sunt rcite, apa condensat este purjat i astfel cantitatea total de gaze de evacuare este micorat. Procesul descris trebuie realizat ct mai departe de componentele i agregatele aferente motorului, pentru c apa condensat este nociv acestora, chiar i la un coninut foarte redus de sulf. Acest procedeu a fost testat la anduran cu rezultate foarte bune pentru instalaiile de propulsie navale cu combustibili gazoi. Figura 3 prezint schema de utilizare a metodei.

Fig. 2

Fig. 3

Reducerea catalitic selectiv. Este metoda cea mai eficient de reducere a coninutului substanelor poluante din emisiile chimice ale motoarelor navale, al crei principiu este ilustrat n figura 4.

Metoda este aplicabil motoarelor funcionnd cu orice tip de combustibil (diesel, greu, gazos). Aplicarea reducerii catalitice s-a dovedit a fi eficient n special pentru combustibilii navali grei, nregistrdu-se totui unele probleme legate de apariia sulfatului de calciu (CaSO4) ce rezult din uleiul de ungere, ceea ce nu afecteaz ns procesul reducerii catalitice a oxizilor de azot; rezolvarea practic a acestei probleme const n reducerea consumului de lubrifiant i n instalarea unor suflante (ventilatoare) permanente n instalaie. Metoda se bazeaz pe conversia oxizilor de azot, prin utilizarea amoniacului, n azot i ap, conform reaciilor:

4 4 4 6

2 4 3 6

3 2 2 2

2 3 2 2 2

NO NH O N H O

NO NH O N H O

. (1)

Aceste reacii se produc spontan la aproximativ 80oC. Deoarece n motoarele navale moderne temperatura gazelor de evacuare este mai redus, este necesar prezena unui catalizator. Dei exist mai muli furnizori de asemenea catalizatori, nici unul nu poate ndeplini n totalitate cerinele impuse acestuia, privind: preul, gabaritul, randamentul, cderea de presiune, tendina de mbcsire, nocivitate, timpul de nclzire, recircularea catalizatorilor, sigurana privind operarea cu amoniacul, disponibilitate i fiabilitate. Dintre aceste cerine, cea mai important, exceptnd costurile, este, n momentul de fa, problema gabaritic, amplasarea la nav putnd ridica probleme. n acest sens indicm, n figura 5, montarea

Fig. 5

reductorului catalitic KATAPAC construit de firma Sulzer pe tubulatura de evacuare a unui motor naval lent tip 5RTA52, constatndu-se dimensiunile deosebite ale acestuia, ca i amplasarea n vecintate a unui tanc de uree, utilizat drept catalizator. Concepia reductorului catalitic, subordonat drastic cerinelor de reducere dimensional, a condus la prezentarea acestuia ca mixer static, prin considerarea calitii amoniacului drept prim cerin. Aceasta a determinat realizarea reductorului cu o structur intern tip fagure. Aceast structur prezint avantaje mari i n ceea ce privete cderea de presiune redus (aproximativ 20 mbar maximum), reinerea particulelor din gazele de evacuare, pre (100 000 US$/MW putere instalat); materialul utilizat este oelul, a crui nclzire este mai rapid dect a materialelor ceramice utilizate n alte domenii, putnd fi, de asemenea, reciclat. O problem rmas n studiu, pentru reductorul prezentat, o constituie aceea a posibilitii de dezactivare a catalizatorului, datorit unor componente din gazele de evacuare, cum ar fi alcaliile, metale grele, etc. n ceea ce privete dificultile pe care le prezint utilizarea amoniacului, acestea au fost surmontate prin nlocuirea cu o substan coninnd amoniac, cum ar fi ureea, a crei utilizare nu comport nici un grad de nocivitate. Figura 6 prezint principiul de funcionare al reductorului catalitic selectiv, cu utilizarea ureei drept agent reductor. Atunci cnd ureea este nclzit la aproximativ 275oC, are loc o reacie de piroliz, rezultnd amoniac gazos i acid cianic, conform reaciei chimice:

2 2 3NH CO NH HNCOt

o

. (2)

n continuare, acidul reacioneaz cu apa coninut n gazele de evacuare: HNCO H O NH CO 2 3 2. (3)

Se obin, aadar, dou molecule de amoniac i una de bioxid de carbon. Aceasta din urm este foarte stabil i nu particip n continuare la reacia amoniacului; menionm c acest surplus de CO2 este nesemnificativ fa de cel produs n procesul de ardere. Cele dou molecule de amoniac reacioneaz mai departe cu monoxidul de azot NO la suprafaa catalizatorului, reacia fiind eterogen (se desfoar n stadii diferite), conform urmtoarelor reacii chimice:

2 2 12

2 33 2 2 2 2 2NO NH O CO N H O CO . (4)

Fig. 6

Deoarece masa molar a ureei, 2(NH2)CO, este 60, iar a monoxidului de azot, NO, este 30, rezult c 0.5 kmol de uree vor reaciona cu 1 kmol de monoxid de azot, adic 1 kg de uree poate reduce, teoretic, 1 kg de NO, n condiii determinate. Consumul teoretic de uree, valabil pentru orice motor, este dat de formula:

,10273 6

21

c

d

dM

TcC

d

dM gaNO

uree (5)

n care:

dM

d

uree

[kg/h] este debitul de uree;

CNO [ppm] este concentraia de monoxid de azot;

c1 1339 . ppm/mg/Nm3 este factorul de conversie pentru condiii standard;

T [k] este temperatura absolut a gazelor;

dM

d

ga

[m3/h] este debitul de gaze arse evacuate din motor;

c2 este constanta catalizatorului. n realitate, nu toat cantitatea de uree va reaciona cu NOx, o parte reacionnd chimic cu mici cantiti de SO3, etc., prezent n gazele de evacuare, cu un efect reductiv superior, aplicat, suplimentar, i altor emisii poluante. De menionat c prin metoda reducerii catalitice selective, 9095% din coninutul NOx din gazele de evacuare pot fi reduse. Vom meniona coninutul foarte redus de emisii poluante n gazele de evacuare ale motoarelor funcionnd pe combustibili gazoi. n ceea ce privete oxizii de sulf (SOx), aa cum s-a menionat deja anterior, nu pot fi redui din gazele de evacuare prin controlul procesului de ardere, deoarece sulful coninut n combustibilii navali este complet oxidat n acest proces, deci unica modalitate de reducere a oxizilor de sulf este aceea de utilizare a combustibililor cu coninut redus de

sulf, ceea ce conduce ns la o cretere a costurilor cu 1020% (atunci cnd se face trecerea de la un combustibil cu 3.5% sulf la unul cu1% sulf). Un aspect funcional deja amintit este ns acela c sulful are proprieti lubrificatoare foarte bune, iar lipsa sa din combustibil conduce la necesitatea de funcionare foarte prudent a motorului. Reducerea coninutului de particule din gazele de evacuare este posibil fie prin utilizarea unor combustibili superiori, cu creterea corespunztoare a costurilor, sau prin aditivarea celor existeni, ceea ce s-a testat pe motoare navale. O metod mai practic este aceea de mrire a presiunii de injecie, n acest fel mbuntindu-se calitatea amestecului aer-combustibil, ceea ce conduce la scderea coninutului de particule, cu implicaii ns asupra fiabilitii echipamentului de injecie. Reducerea ratei de ungere constituie o alt surs de reducere a emisiei de particule. Ca i n cazul oxizilor de sulf, bioxidul de carbon (CO2) nu poate fi diminuat prin controlul procesului de ardere, cantitatea acestuia fiind totdeauna aceeai pentru o cantitate de combustibil ars dat. Evident, rmne ca metod de baz n reducerea bioxidului de carbon micorarea consumului motorului, aceasta constituind preocuparea de baz a constructorilor i utilizatorilor navali. De asemenea, utilizarea unor combustibili cu raport carbon/hidrogen redus poate constitui o modalitate de reducere a emisiei; n aceast privin, deoarece funcionarea motorului nu este afectat, trebuie ca exploatarea s-i spun cuvntul decisiv.

Dei emisia de monoxid de carbon (CO) nu constituie o problem major pentru gazele de evacuare ale motoarelor navale, prin coninutul su nerelevant n general, modalitatea de determinare a cilor de reducere a monoxidului de carbon o constituie experimentarea modelului jetului de combustibil asociat cu micarea de swirl a aerului n cilindru. Riscul care poate apare ns n utilizarea unor metode ce ar duce la scderea coninutului de CO din gazele de evacuare este acela de a se atinge astfel creteri nedorite ale consumului de combustibil i ale solicitrilor termice ale motorului. De asemenea, reducerea emisiilor de hidrocarburi nearse (HC) nu constituie un obiectiv major actual, pentru motoarele navale. O cretere a nivelului de HC poate fi cauzat de deficiene n concepia i/sau execuia sistemului de injecie. Astfel de deficiene pot fi vibraia acului injectorului, producnd postinjecia, diametre necores-punztoare ale pulverizatorului sau pot apare atunci cnd jeturile de combustibil sunt dirijate direct ctre cmaa cilindrului. n afara acestor metode primare, se vehiculeaz tot mai mult ideea utilizrii unor sisteme de tratare ulterioar a gazelor de evacuare (exhaust gas aftertreatment), cu toate complicaiile constructiv-tehnologice i financiare pe care acestea le implic.

8.6. Propuneri de standarde pentru emisiile poluante ale motoarelor navale Importana celor prezentate anterior face ca interesul legislativ i cel referitor la standarde pentru emisiile poluante ale motoarelor navale s se concentreze asupra limitrilor oxizilor de azot i de sulf, dei este posibil ca i nivele prohibitive pentru bioxidul de carbon, hidrocarburi i particule s intre n vigoare ntr-un viitor nu foarte ndeprtat. Pn n prezent s-au avansat mai multe propuneri pentru nivelele limitative de oxizi de azot i de sulf, unele avnd un carater mai regional, altele internaional, cele mai importante fiind formulate de ctre IMO. Propunerile acestui organism internaional sunt nc n discuie, dei o propunere a sa a fost deja adoptat, aceea referitoare la reducerea pn n anul 2000 cu 30% a emisiilor totale de NOx i cu 50% a celor de SOx pentru industria naval mondial. Acest lucru este cumulativ n urmtorii ani, pe msura rennoirii flotelor. Unificarea restriciilor impuse emisiilor poluante din gazele de evacuare ale motoarelor navale n seturi de regulamente unitare corespunde punctului de vedere al industriei navale, IMO considernd c organismul cel mai abilitat n acest sens este MEPC, care ar putea lua n consideraie implementarea i acordarea respectivelor reguli n operaiunile maritime, cu reflectarea n costul transporturilor navale i flexibilitatea operaional. Este deci evident organizarea unei activiti de elaborare, similar aceleia ce a condus la importantul document care este Convenia MARPOL 73/78. Un exemplu de propunere n evaluarea nivelului oxizilor de azot din gazele de evacuare ale motoarelor navale l constituie elaborarea unei formule de calcul, bazat pe msurarea nivelului poluant pe categorii de motoare (lente i semirapide), comun att pentru propunerea european ct i pentru cea japonez: NO x nx

y [g/kWh], (6)

n care coeficienii x i y sunt indicai n tabelul 1, iar n [rot/min] este turaia motorului.

Tabelul 1

Originea x y

EUROMOT*: a). La regim nominal b). Pe caracteristice elicei

30.97 34.23

0.167 0.167

JAPONIA: La regim nominal

45.00

0.2

Valorile din acest tabel indic faptul c limitele propuse de specialitii japonezi sunt ceva mai largi, mai ales pentru motoare lente, n domeniul turaiilor mari propunerile fiind ns convergente. Diferenele anterioare sunt cauzate de punctele de vedere diferite ntre constructorii navali din cele dou zone asupra extrapolrii bazelor de date asupra emisiilor poluante. Un exemplu de propuneri zonale l constituie cele ale organismului CARB (Californian Air Ressources Board), privind navele noi i cele existente, pentru care diferenele fa de EUROMOT sunt sensibile. De aceea, cu ocazia ntrunirii IMO din septembrie 1993, s-a realizat un pas important, acela al unificrii limitrilor recomandate de organismele specializate europene i japoneze. Aadar, activitile viitoare se vor concentra asupra urmtoarelor obiective: studii i evaluri ale nivelului poluant; analize economice;

testarea echipamentelor pentru efectuarea determinrilor la bordul navelor. ndeplinirea acestor obiective va conduce la o mai rapid intrare n vigoare a unei legislaii corespunztoare.