Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Introduction of water to reduce NOx emissions
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.).
2009 (Swedish)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Introduktion av vatten för reduktion av NOx emissioner (Swedish)
Abstract [sv]

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.

Abstract [en]

The background for this master thesis is the need for lower emissions, especially NOx

emissions. Different NOx reduction methods are described and evaluated in this study.

The focus is on the “wet NOx reduction technologies” and especially the ones where the

inlet air is humidified. The evaluation consists of a literature study, test investigation

and simulations.

The NOx reduction effect with the introduction of water (or vapour) is achieved by

reducing the local maximum combustion temperatures in the combustion chamber and

also by reducing the concentration of oxygen by the addition of inert media with high

specific heat (vapour). NOx formation is dependent of mainly the combustion

temperature but also the availability of oxygen and by reducing the temperature and/or

the oxygen concentration the NOx emissions will therefore be reduced. The reason for

the reduced temperature is the increased heat capacity and the increased mass from the

added water.

When water is introduced to the inlet air it is important to have sufficient evaporation to

get high absolute humidity and to avoid corrosion. The evaporation is dependent on

mainly the nozzle design, temperature and pressure. It is challenging to get good

evaporation of the injected water and to reach high absolute humidity on a highly

boosted engine like the investigated 2-staged turbo charged Wärtsilä 20V32C engine.

The high pressure and the relatively low temperature due to the low pressure ratio over

the second compressor are limiting the maximum possible humidity and makes the

evaporation slow. According to results obtained from simulations and calculations it can

be possible to reach the desired humidity but there will be very high demands on the

water injection system and the design of it. The receiver pressure increases with

increased water to fuel ratio which can make turbo charger re-matching necessary. This

and other performance parameters affected by the humidification was simulated in GTpower

in preparation for an engine test in 2009.

A practical investigation of the Humid Air Motor (HAM) system and Wärtsilä’s inlet air

humidification system was carried out. The investigation of the HAM system on the

Mariella ship showed that NOx emissions are reduced close to 70% in the IMO E3

cycle. The “mysteriously good” results reported from the HAM system are explained

and the explanations can mainly be found in the temperature and pressure used. From

the investigation of Wärtsilä’s inlet air humidification system the limitation in

performance can mainly be found in the evaporation and the charge air temperature.

In a comparison between all the wet-technologies evaluated in the study, the Emulsion

technology and has the best overall results. It is quite equal between the other wettechnologies

but “humidification with steam” is the wet-technology with the worst over

all properties.

Interesting findings from the literature about new or different ways of using the wettechnologies

are presented like instantaneous mixing of water and fuel or late direct

water injection. Suggestions for further work, improvements and interesting things to

test are also presented in this thesis work.

Place, publisher, year, edition, pages
2009.
Series
MMK 2009:25 MFM118
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-99618OAI: oai:DiVA.org:kth-99618DiVA: diva2:542446
External cooperation
Wärtsilä Finland OY, Göran Hellén
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2012-08-01 Created: 2012-08-01 Last updated: 2012-08-01Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Martin Axelsson(4823 kB)1902 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4823 kBChecksum SHA-512
b63bf588dcb39f81a84d734dc0a5c71d3db7a5b9a58790c28af45e1f56d4f2e909dcaf7f1f591d74d52c06a671b8020e712904eef7b8f9e3db540aeb0ba5a428
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Machine Design (Dept.)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1902 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 186 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf