Introduction of water to reduce NOx emissions

Sammanfattning

Bakgrunden till detta examens arbete är behovet av att få lägre emissioner och då

speciellt NOx emissioner. I detta arbete är olika NOx reduktions metoder beskrivna och

utvärderade. Tyngdpunkten har lagts på de ”våta NOx reduktions teknologierna” och då

speciellt teknologier för att befukta insugsluften. Detta arbete består av en litteratur

studie, genomgång av test resultat från motor tester med dessa teknologier samt

simuleringar.

NOx reduktionen genom at introducera vatten eller vatten ånga till förbränningen

åstadkoms genom att sänka den maximala temperaturen i förbränningsrummet och

genom att tillsätta inert media med hög värmekapacitet vilket också reducerar

syrekoncentrationen. NOx formationen är främst beroende av förbränningstemperaturen

men också syretillgången och genom att reducera dessa kan NOx emissionerna minskas.

Orsaken till den minskade temperaturen är den ökade massan och den ökade

värmekapaciteten från det tillsatta vattnet eller ångan.

När vatten introduceras till insugsluften är det viktigt att ha bra och effektiv förångning

för att nå en hög absolut luftfuktighet och undvika korrosion. Vatten förångningen är

beroende av vatteninsprutnings munstyckenas utformning samt den rådande

temperaturen och trycket. Det är utmanande att uppnå bra förångning samt hög absolut

luftfuktighet på en motor med mycket högt laddtryck som tillexempel på den

undersökta 2-stegs överladdade Wärtsilä 20V32C motorn. Det höga laddtrycket och den

relativt låga temperaturen på grund av det låga tryckförhållandet över den andra

kompressorn begränsar den maximala absoluta luftfuktigheten samt gör förångningen

av vattnet långsam. Utifrån simulerings resultat och luftfuktighetsberäkningar bör det

vara möjligt att uppnå den önskade luftfuktigheten men det ställer stora krav på vatten

insprutnings systemet och designen av det. Laddtrycket ökar med ökad mängd vatten

vilket kan göra det nödvändigt att ändra på turbo laddar specifikationen. Det här och

andra prestanda parametrar som påverkas av befuktningen av luften simulerades i GTPower

i förberedelse för ett motor test som kommer att ske 2009.

En undersökning av Humid Air Motor systemet (HAM) och Wärtsiläs luftbefuktnings

system har också utförts. Undersökningen av HAM systemet på fartyget Mariella visade

att en NOx reduktion på närmare 70 % i IMO E3 cykeln kan uppnås. De ?osannolikt

bra? resultaten rapporterade från HAM systemet är förklarade och förklaringen ligger

huvudsakligen i de temperaturer och tyck som används. Från undersökningen av

Wärtsiläs luftbefuktnings system kan begränsningen i NOx reduktion huvudsakligen

förklaras av förångningen samt laddtrycks temperaturen som används.

I en jämförelse mellan alla ”våta NOx reduktions teknologier” utvärderade i studien

uppvisar Emulsions teknologin de bästa helhets egenskaperna. Bland de övriga är det

ganska jämnt men ”ång-befuktning” har de sammantaget sämsta egenskaperna.

Intressanta nya ”våta NOx reduktions teknologier” och nya sätt att tillämpa dessa

teknologier påträffades under litteraturstudien som tillexempel ?omedelbar blandning av

vatten och bränsle? och sen direkt insprutning av vatten. Förslag på fortsatt arbete,

förbättringar och intressanta förslag på nya tester är också presenterade i detta arbete.