Снижение выброса твердых частиц с отработавшими газами ДВС за счет повышения эффективности работы каталитического нейтрализатора

Полный текст

Введение Одним из основных направлений повышения технического уровня поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время является снижение выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами (ОГ). Это обусловлено как с активизацией деятельности по сохранению динамического равновесия биосферы нашей планеты, так и с новыми данными о влиянии токсичных выбросов на организм человека и окружающую среду (ОС), значительным увеличением выпуска транспортных средств с поршневыми ДВС. В первую очередь сказанное относится к дизелям, работа которых в плане воздействия на ОС среди прочего сопровождается выбросом в атмосферу твердых частиц (РМ), являющихся смесью сажи, несгоревших углеводородов, сульфатов и других включений. Способность полициклических углеводородов, вследствие их физических свойств и величин молекул, адсорбироваться на саже, несмотря на то, что в количественном соотношении доля этих примесей очень мала, существенно повышает экологическую опасность для организма человека выбрасываемых с ОГ частиц. Помимо этого, твердые частицы в совокупности с другими вредными веществами вызывают загрязнение сооружений и почвы, коррозию и эрозию материалов. Все это указывает на необходимость принимать меры по снижению их отрицательного влияния на окружающую среду. Целью проведенной научной работы являлась оценка возможности повышения эффективности снижения выбросов твердых частиц с ОГ за счет возможной стабилизации их температуры перед каталитическим нейтрализатором (КН). Методы и средства проведения исследований Объектом исследования служили выбросы РМ с ОГ дизеля 4ЧН13/15, установленного на испытательном стенде (рис. 1). Двигатель жидкостного охлаждения мощностью 118 кВт (160 л.с.) является представителем модельного ряда двигателей серии «Т», разрабатываемых в ООО «ЧТЗ-Уралтрак» для комплектации тракторов и другой техники. Рис. 1. Дизель 4ЧН13/15 на стенде Эксперименты проводились с КН типа «КНД-Рила» (рис. 2), который предназначен для снижения концентрации вредных компонентов ОГ дизелей и может устанавливаться на любые транспортные средства, дорожно-строительное оборудование или на дизель-генераторы. Рис. 2. Нейтрализатор отработавших газов типа «КНД-Рила» Рабочим веществом нейтрализатора «КНД-Рила» является катализатор типа «РИЛА», который представляет собой нанесенные на гранулированный носитель (оксид алюминия) металлы и окиси металлов. Не содержит драгоценных металлов (золото, платина). Катализатор нечувствителен к каталитическим ядам, включая диоксид серы, что позволяет использовать стандартное, а не специальное дизельное топливо с низким (менее 50 ррм) содержанием серы. Нейтрализатор предназначен для обезвреживания основных вредных компонентов ОГ - твердых частиц и оксидов азота. Катализатор не является фильтром для снижения дымности, а действует как химически активный катализатор, который дожигает органические вещества и самую вредную часть ОГ, в которой содержатся тяжелые нефтяные фракции с высокой канцерогенностью. Катализатор начинает действовать при температуре ОГ выше 220 °С и устойчиво работает при температуре газов выше 280 °С. Известно, что эффективность нейтрализации ОГ, проходящих через КН, существенно зависит от их температуры. При этом наиболее эффективно преобразования происходят в диапазоне температур от 400 до 800 °С [1]. Для уменьшения колебаний температуры ОГ, поступающих в КН на различных режимах работы двигателя, и поддержания ее в благоприятном для работы нейтрализатора диапазоне авторами был создан теплообменник кожухо-трубного типа (стабилизатор температуры отработавших газов), принципиальное устройство которого показано на рисунке 3, а техническая характеристика приведена в таблице. Рис. 3. Устройство, предназначенное для стабилизации температуры отработавших газов [2]: 1, 7 - впускной и выпускной патрубки; 2, 5 - тепловые компенсаторы с крышками; 3 - трубки; 4 - корпус; 6 - теплоаккумулирующее вещество Корпус стабилизатора температуры ОГ выполнен из нержавеющей стали 12Х17Т, во внутренней полости которой расположены теплообменные трубки. В верхней части корпуса имеются две заправочных пробки, совмещенные с компенсаторами теплового расширения теплоаккумулирующего вещества и входом термопар. Таблица 1 Техническая характеристика стабилизатора температуры отработавших газов Наименование Характеристика Тип СТОГ Кожухо-трубный Площадь поверхности теплообмена, м2 1,48 Газодинамическое сопротивление при продувке воздухом с температурой 25±10 ОС при расходе 570±10 м3/ч, кПа Не более 2,4 Количество трубок в кассете 235 Теплоаккумулирующее вещество LiОН Масса стабилизатора температуры ОГ/ТАВ, кг 10/4,5 С целью снижения пожароопасности и потерь теплоты с наружной поверхности стабилизатор температуры ОГ его корпус был закрыт асбестовой теплоизоляцией (на рис. 3 не показана). Как видно из таблицы, в качестве теплоаккумулирующего вещества был использован гидроксид лития, основные свойства которого приведены ниже: · температура плавления - 744 К; · теплота фазового перехода - 1080, кдж/кг; · удельная массовая теплоемкость: - твердой фазы - 2,88, кДж/(кг К); - жидкой фазы - 3,65, кДж/(кг К); · плотность: - твердой фазы - 1460, кг/м3; - жидкой фазы - 1490, кг/м3; · коэффициент теплопроводности: - твердой фазы - 2,46, кг/ Вт/(м К); - жидкой фазы - 1,35, кг/ Вт/(м К). Гидроксид лития был выбран потому, что он прежде всего имеет практически оптимальную температуру фазового перехода с точки зрения возможности стабилизации температуры ОГ на оптимальном уровне для обеспечения эффективной работы КН. Кроме этого, он характеризуется весьма значительной теплотой фазового перехода, достаточно близкими величинами плотности в твердом и жидком состояниях. Последнее свойство облегчает разработку конструкции стабилизатора температуры ОГ, так как не требует создания объемных дополнительных расширительных полостей. Достаточно высокая теплопроводность и теплоемкость являются дополнительными доводами в пользу выбора гидрата лития. Для определения содержания твердых частиц в ОГ использовался гравиметрический метод. Суть метода заключается в пропускании разбавленных в определенной пропорции отработавших газов через стекловолокнистый фильтр с фторуглеродным покрытием или фильтр с фторуглеродной основой мембранного типа, который взвешивается до и после эксперимента. Фильтр должен иметь покрытие диоктилфтолат толщиной 0,3 мм, степень улавливания не менее 95 % при скорости потока газа от 35 до 80 см/с. Испытательный комплекс для определения выбросов твердых частиц с ОГ дизелей различных типов включает в себя [4] разбавительный туннель МТ-120 разработанный институтом TUV-UVMV (Чехия) (рис. 4а), систему пробоотбора на нагрузочном стенде, весы Mettler Toledo AX26DR для взвешивания фильтров (в климатической камере на виброизолирующем фундаменте, имеющие точность - 2 мкг) (рис. 4б), фильтры - Pall Flex. а) б) Рис. 4. Система для измерения выбросов твердых частиц: а - туннель МТ-120, б - весы «Mettler Toledo» для взвешивания фильтров (в климатической камере на виброизолирующем фундаменте) Рис. 5. Схема системы отбора проб с разбавлением потока изокинетическим пробоотборником и частичным отбором проб: ЕР - выпускная труба, DT - туннель для разбавления, ISP - изокинетический пробоотборник, ТТ - подводящий патрубок, DPT - датчик давления, FC1 - регулятор расхода, PB - нагнетательный насос, DAF - воздушый фильтр, FM1 - расходомер воздуха, PSP - пробоотборник, PTT - патрубок, SB - вытяжной насос, BV - шаровый затвор, FH - фильтродержатель, FC3 - регулятор, Р - насос для перекачки пробы, FM3 - расходомер Общая схема комплекса приведена на рис. 5. Пробоотборник является изокинетической системой, в которой скорость и давление потока в отводящем патрубке должны совпадать с соответствующими параметрами основного потока ОГ. Для этого требуется обеспечить наличие невозмущенного и однородного потока у входа в пробоотборник, что достигается использованием у входа резонатора и трубы с прямым участком. Условие равенства скоростей и давлений обеспечивается регулятором расхода FC1, который считывает сигнал датчика давления DPT и управляет вытяжным насосом SB. Коэффициент разделения потока пропорционален отношению площадей поперечных сечений труб ЕР и ISP. Разбавляющий воздух проходит через фильтр DAF, его температура поддерживается в диапазоне 25±5 °С. Температура стенок туннеля DT не должна превышать 52 °С, для обеспечения этого условия использована система терморегулирования с микропроцессорным управлением. Система отбора проб необходима для осаждения на фильтре для отбора вредных частиц. Расход пробы контролируется регулятором FC3, работа которого аналогична регулятору FC1. Испытательный комплекс управляется с помощью компьютера, на котором установлено специальное программное обеспечение для автоматического управления, обработки сигналов датчиков и вывода на дисплей промежуточных результатов испытаний. Обработка результатов испытаний проводилась в соответствии с ГОСТ 18509-88 [5]. Исследование проводилось при работе дизеля по испытательным циклам для двигателей с изменяющейся частотой вращения по Правилу ЕЭК ООН № 96-02. Методика оценки влияния стабилизации температуры ОГ на эффективность работы КН в отношении выброса твердых частиц с ОГ заключалась в определении усредненной степени превращения твердых частиц за испытательный цикл: , где и - концентрации РМ в ОГ двигателя перед и после КН. Обсуждение результатов На рис. 6 представлены значения усредненной степени превращения твердых частиц в ОГ при работе дизеля 4ЧН13/15 при работе по испытательному циклу в соответствии с Правилом ЕЭК ООН № 96-02. Рис. 6. Значения степеней превращения твердых частиц в отработавших газах дизеля 4ЧН13/15 при работе при работе по испытательному циклу в соответствии с Правилом ЕЭК ООН № 96-02: 1 - без стабилизатора температуры отработавших газов перед каталитическим нейтрализатором; 2 - со стабилизатором температуры отработавших газов перед каталитическим нейтрализатором Как видно, стабилизация температуры ОГ перед КН обеспечила относительное улучшение степени превращения твердых частиц на 56,7 %. Причиной полученного эффекта послужило заметное сокращение диапазона колебаний температуры ОГ в КН (на выходе из него минимальная температура, зафиксированная в испытательном цикле, увеличилась со 188 до 297 °С, а максимальная снизилась с 631 до 577 °С). Заключение Представленные результаты убедительно свидетельствуют о целесообразности применения стабилизатора температуры ОГ в комплексе с КН с целью снижения выбросов твердых частиц.

Об авторах

В. С Кукис

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

д.т.н.

Е. А Омельченко

Омский автобронетанковый инженерный институт

Email: idem74@mail.ru
к.т.н.

Список литературы

Дополнительные файлы