XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Дизельные энергетические установки (ДЭУ) являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Вредные выбросы поршневых энергоустановок сокращают урожайность (до 25%) и снижают качество сельскохозяйственных культур, особенно в придорожной зоне крупных автомагистралей, и приводят к серьезным заболеваниям сельскохозяйственных животных. Поэтому наряду с улучшением экономических показателей ДЭУ снижение токсичности их отработавших газов (ОГ) является важнейшей задачей.

Отработавшие газы ДЭУ представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, которые содержат около 280 компонентов, среди которых можно выделить содержащиеся в воздушном заряде азот и кислород , продукты полного сгорания топлива и вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (оксиды азота ), продукты неполного сгорания топлива (монооксид углерода , углеводоро­ды , дисперсные твердые частицы, сажа), а также оксиды серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации [1] .

Известны различные способы очистки ОГ от токсичных их компонентов. Сюда можно отнести способ очистка отработавших газов от пыли путем пропуска­ния потока отработавших газов через фильтрующий элемент [1,2]. При таком способе очистки фильтрующий элемент быстро заполняется твер­дыми частицами, что сопровождается резким ростом гидравлического сопротивления, поэтому требует его замены или регенерации. Кроме того, таким способом нельзя очистить отработавшие газы от газообраз­ных вредных веществ ( ).

Известны также способы каталитической очистки путем пропуска­ния отработавших газов только через каталитический реактор или путем их пропускания через каталитический реактор с последующим дожиганием неокисленных компонентов в пламенном реакторе за счет ввода в поток отработавших газов вторичного воздуха. Оба спо­соба имеют общий недостаток, заключающийся в том, что в процессе эксплуатации систем очистки на поверхности катализатора происходит отложение несгоревших углеводородных соединений топлива и масла, сульфидов, сульфатов, сажи и смол. При этом затрудняется контакт катализатора с отработавшими газами, в результате чего снижается эффективность очистки.

Указанные недостатки частично устраняются за счет обратной про­дувки фильтрующего элемента или нейтрализатора [1], что по­зволяет поддерживать работоспособность системы очистки. Однако та­кая регенерация фильтрующего элемента существенно усложняет кон­струкцию.

Более простыми средствами решается проблема регенерации ката­лизатора путем подачи топлива на каталитическую поверхность нейт­рализатора. Вместе с топливом сгорают все твердые частицы органи­ческого происхождения, которые присутствуют на каталитической поверхности нейтрализатора. В то же время осуществление такого способа не выгодно экономически, поскольку сгорание топлива чрезмерно по­вышает температуру катализатора. Кроме того, неполное сгорание топ­лива вызывает повышенное содержание углеводородов в отработавших газах и образование нагара и кокса на поверхности катализатора, что может привести к его дезактивации.

Таким образом, все известные способы каталитической очистки запыленных отработавших газов от газообразных вредных веществ, в которых не предусмотрена регенерация катализатора, имеют постепенно убывающую (практически до нуля) эффективность очистки по мере роста отложений твердых частиц на его поверхности.

Более экономичен по сравнению с другими каталитический способ восстановления оксидов азота с применением аммиака. Процесс восстановления оксидов азота в кислородосодержащих газовых смесях с применением аммиака можно провести в одну стадию строго избирательно на платиновых, палладиевых и никелевых катализаторах:

Фирма Sandia National Laboratories в университете штата Колорадо (США) провела разработку теорети­ческой модели химической кинетики восстановления аммиаком [3]. Установлено, что важной особенностью процесса является нали­чие цепной реакции, начинающейся с взаимодействия аминогруппы ( ), с . При высоких температурах (более 1500 К) этот процесс протекает так, что возрастает концентрация и увеличивается содержание . При низких температурах (менее 1000 К) скорость реакции мала из-за обрывов реакционной цепи. Существует узкий оптимальный диапазон температур (10001500 К), в котором эффек­тивно обеспечивается восстановление с образованием молеку­лярного . Компоненты (например, гидразин или мочевина), уча­ствующие в процессе и являющиеся источником , способствуют интенсификации восстановления . Химические соединения, кото­рые могут представлять источник быстрого образования , способ­ствуют переходу аммиака в . Такое же влияние оказывает добав­ление в смесь водорода или перекиси водорода. В присутствии избы­точного водорода оптимальный диапазон температур восстановления сдвигается в область более низких температур, а добавление воды вызывает обратный эффект [2].

Известно, что температура ОГ на выходе из выпускного коллектора дизельных энергоустановок находится в пределах от 600…900 K. В связи с этим для обеспечения наивыгоднейшего протекания процесса восстановления оксидов азота аммиаком в нейтрализаторе необходимо поднять температуру ОГ до оптимального диапазона температур.

В качестве устройства, обеспечивающего повышение температуры ОГ перед поступлением в каталитический нейтрализатор можно использовать вихревую трубу, где повышение температуры выпускных газов перед катализатором основано на использовании эффекта разделения ОГ в вихревом потоке на две части - нагретую и охлажденную [4]. Сжатые отработавшие газы при давлении и температуре попадают в трубу через сопла тангенциально, т. е. по касательной к внутренней поверхности трубы. Поступивший в трубу поток рабочего тела совершает вращательное движение по отношению к оси трубы и перемещается по перифе­рии трубы от соплового сечения к горячему торцу, и происходят сложные газодинамические и тепловые процессы, зависящие от формы и соот­ношения геометрических размеров элементов трубы. При этом возникает неравно­мерное поле температур и слои газов, находящиеся вблизи оси, оказываются более холод­ными, чем входящий сжатый ОГ, а периферийные слои закрученного потока нагрева­ются и направляются в сторону горячего конца трубы [5].

Рис. Конструктивная схема классической противоточной вихревой трубы

Таким образом, использование системы нейтрализации оксидов азота с применением аммиака обеспечивает улучшение общей экологической безопасности в окружающей среде. При этом применение вихревой трубы позволяет повысить температуру ОГ перед катализатором и, тем самым, увеличить эффек­тивность процесса восстановление с образованием молеку­лярного .

Литература

Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана.‒ 376 с.

Потапов А.И. и др. Пути решения экологических проблем автотранспорта. – СПб., 2006. – 568 с.

Miller Y.A., Branch M.C., Kee К.Н. Chemical Kinetic Model for the Selective Reduction of Nitric Oxide by Ammonia. Y. Combustion and Flam. 1981. №43. Pp. 81-98.

Зейнетдинов Р.А., Котлова О. Ю. К вопросу об эффективности вихревой трубы в дизельных двигателях//Известия международной академии аграрного образования. – 2016. - №27. – С. 12-14.

Бродянский В.М. Термодинамические основы криогенной техники. ‒ М.: Энергия, 1980. ‒ 446 с.