Amoniaku veikiančio laivo eigos dyzelinio variklio degimo ciklo optimizavimas
Slavinskas, Stasys | |
Sprendžiant klimato kaitos problemą būtina mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų (ŠESD) emisijas, o laivybos sektorius patiria spaudimą dėl didelės priklausomybės nuo iškastinio kuro. Atsižvelgiant į Europos Sąjungos (ES) ir Tarptautinės jūrų organizacijos (TJO) reglamentus dėl klimato neutralumo iki 2050 metų, jūrų transporto dekarbonizavimas reikalauja pereiti prie atsinaujinančių, mažai anglies išskiriančių atsinaujinančios kilmės degalų. Amoniakas yra viena iš perspektyvų, nes jis neišskiria CO2 emisijų degimo metu. Tačiau jo naudojimas laivų dyzeliniuose varikliuose yra komplikuotas dėl azoto oksidų (NOx) intensyvaus susidarymo ir nesudegusio amoniako (NH3) aukštų emisijų, taip pat šiltnamio efektą sukeliančių dujų (ŠESD), įskaitant N2O emisijas. Todėl būtina optimizuoti degimo procesą, kad būtų laikomasi aplinkosaugos reglamentų, tokių kaip MARPOL 73/78. Disertaciniame darbe tiriamas laivo eigos dyzelinio variklio „Wartsila 6L46“ degimo ciklas ir emisijos, naudojant 5% dyzelino ir 95% amoniako dvejopo kuro mišinį. Optimizavus amoniako įpurškimo slėgį (500–2000 bar) ir įpurškimo fazes (-25° atstumas nuo viršutinio rimties taško (VRT) iki -5° VRT) buvo pagerintas variklio energetinis efektyvumas ir sumažintos emisijos. Įpurškimo slėgio padidinimas sutrumpino degimo trukmę nuo 90° iki 25–40° atstumo, palyginti su dyzelino degimo ciklu. Esant 1000 bar amoniako įpurškimo slėgiui, energetinis efektyvumas padidėjo 4,6 %, o ŠESD emisijos sumažėjo 24 % (45 %, palyginti su dyzelino degimo ciklu). Tyrimas taip pat atskleidė NOx sumažėjimą esant DeNOx procesui, nors, priešingai teigiamam rezultatui, N2O emisijos padidėjo. Optimali dvejopo kuro įpurškimo fazė, esant amoniako įpurškimui -10° ir dyzelino -3° avpk VRT, lėmė 47 % ŠESD emisijų sumažėjimą. Tačiau, optimizuoto amoniako degimo ciklo nesudegusio NH3 emisijos sudaro reikšmingą kiekį, siekiantį 1,5 g/kWh. Tyrimuose modifikavus variklį veikti dvejopu kuru su amoniaku, įvertintos emisijos esant plačiam variklio apkrovos režimui, naudojant MARPOL VI priedo E2 ciklo metodiką. Rezultatai patvirtino atitiktį 2030 metų CO2 ir ŠESD mažinimo tikslams, nustatytiems TJO ir ES. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai leido sudaryti rekomenduojamą tyrimų seką, paremtą metodiniais sprendimais, siekiant efektyviai modifikuoti laivų dyzelinius variklius veikti dvejopu kuru su amoniaku.
Tackling the climate crisis necessitates swift reductions in greenhouse gas (GHG) emissions, with the maritime sector under pressure due to its heavy reliance on carbon-intensive fuels. In line with EU and IMO regulations for climate neutrality by 2050, decarbonizing maritime transport requires a transition to renewable, low-carbon alternatives. Ammonia offers potential as it eliminates CO2 emissions during combustion. However, its use in marine diesel engines introduces challenges, including increased nitrogen oxides (NOx), unburnt ammonia (NH3), and GHGs like N2O, demanding optimization to meet environmental standards such as MARPOL 73/78. In the dissertation investigates the combustion cycle and emissions of a Wartsila 6L46 marine diesel engine using a 5% diesel and 95% ammonia dual-fuel mixture. Optimizing ammonia injection pressure (500 to 2000 bar) and timing phases (-25° crank angle degrees (CAD) to -5° CAD before top dead centre (TDC)) significantly improved performance and emissions. Higher pressures shortened combustion duration from 90° to 25-40° CAD. At 1000 bar injection pressure, thermal efficiency increased by 4.6%, GHG emissions were reduced by 24% (45% compared to diesel-only combustion). The study also demonstrated NOx reduction through the DeNOx process, though N2O emissions increased. The optimal injection phase, with ammonia injection at -10° and pilot diesel at -3° CAD TDC, with a 7° CAD difference between diesel and ammonia injections, resulted in a 47% reduction in GHG emissions. However, unburnt NH3 emissions (1.5 g/kWh) remain a concern. Furthermore, after modifying the engine for dual-fuel operation, emissions were evaluated across various load conditions using the MARPOL Annex VI E2 cycle. The results confirmed compliance with the 2030 CO2 and GHG reduction targets set by the IMO and EU. Overall, the research results presented in the dissertation facilitated the development of a recommended research sequence, supported by methodological solutions, for modifying marine diesel engines to operate on dual fuel with ammonia.