CC BY
169
УДК 621.43.068.4
АНАЛИЗ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЖИДКОСТНОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ
В.М. Семикин, научн. сотр., ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН
Украины
Аннотация. Представлены основные методы нейтрализации отработавших газов дизелей. Показана область применения и необходимость повышения эффективности жидкостной нейтрализации отработавших газов дизелей.
Ключевые слова: токсичность отработавших газов дизелей, методы нейтрализации, жидкостная нейтрализация.
Введение
Экологическая проблема защиты окружающей среды, прежде всего атмосферного воздуха, от вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) приобрела сейчас особое значение. В частности, доля вредных выбросов с отработавшими газами (ОГ) транспортных ДВС во многих городах достигает 80 % общих выбросов вредных веществ в атмосферу. В местах концентрации транспорта, а также при эксплуатации оборудования с ДВС в ограниченных пространствах (шахтах, рудниках, теплицах, цехах и т.д.) эта проблема становится одной из первостепенных. Широкое использование дизелей на транспорте, а также для специальных машин и оборудования побуждает к дальнейшему поиску рациональных способов снижения токсичности этих двигателей. Наряду с совершенствованием конструкции двигателей и используемых топлив, необходимо повышать эффективность систем нейтрализации ОГ. Для дизелей это, в первую очередь, относится к уменьшению эмиссии наиболее вредных компонентов ОГ - твердых частиц (ТЧ) и оксидов азота (N0,,), приведенная токсичность которых вместе составляет свыше 95 % суммарной токсичности ОГ дизелей.
Состояние проблемы
Для обеспечения постоянно ужесточающихся требований по ограничению токсичности
ОГ во многих случаях невозможно обойтись без использования систем нейтрализации ОГ. Для нейтрализации ОГ дизелей применяются следующие физико-химические методы обработки ОГ: каталитическая, термическая, плазменная и жидкостная нейтрализации ОГ, фильтрация, а также комбинированные способы нейтрализации [1 - 5].
Нейтрализация ОГ дизелей имеет некоторые особенности, так как ОГ дизелей содержат большее количество кислорода и имеют более низкую температуру по сравнению с бензиновыми двигателями. Использование в дизелях нейтрализаторов тройного действия, нашедших широкое применение в бензиновых двигателях, принципиально невозможно из-за больших коэффициентов избытка воздуха. Существенно большая эмиссия сажи и оксидов серы в дизельных двигателях по сравнению с бензиновыми затрудняет применение в них фильтров ОГ и каталитических нейтрализаторов, что вызвано засорением фильтров ТЧ и «отравлением» каталитического слоя нейтрализатора соединениями серы. В настоящее время нашли применение каталитические окислительные и восстановительные нейтрализаторы ОГ дизелей.
Термические нейтрализаторы, осуществляющие дожигание продуктов неполного сгорания топлива, предназначены в основном для снижения эмиссии углеводородов СН и СО. Кроме того, термические нейтрализаторы окисляют SО2 до SО3 и альдегиды.
Температура в реакционной камере этих нейтрализаторов 900 - 1000 К. При высоких температурах наблюдается также частичное догорание сажи.
Для снижения эмиссии ТЧ применяют фильтрацию ОГ дизелей. Основная масса ТЧ имеет линейный размер 0,05 - 1,0 мкм, поэтому применяют фильтры с фильтрующими элементами, выполненными из металлокерамики, металлических волокон, металлической сетки, спеченной с металлическим порошком. Известны также центробежные и инерционные уловители и электростатические фильтры. Наибольшее применение нашли керамические фильтры.
В последние годы получила развитие плазменная нейтрализация ОГ дизелей, базирующаяся на обработке потока ОГ низкотемпературной плазмой, создаваемой при помощи различных электрических разрядов (коронных, барьерных, поверхностных, тлеющих и др.). В этих условиях происходят химические реакции превращения токсичных компонентов ОГ (N0,, СО, СН, ТЧ, оксидов серы и т.д.) в безвредные или менее вредные. Перспективным техническим решением является объединение низкотемпературной плазмы с катализаторами, что позволяет существенно повысить эффективность метода.
Цель и постановка задачи
Цель данной работы - анализ области применения и целесообразности использования жидкостной нейтрализации отработавших газов дизелей в современных условиях.
Анализ особенностей и области применения жидкостной нейтрализации ОГ дизелей
Метод жидкостной нейтрализации ОГ является наиболее простым и экономичным способом физико-химического воздействия на ОГ дизелей и заключается в пропускании ОГ через слой рабочей жидкости (РЖ) или рас-пыливании РЖ в потоке ОГ. При этом происходят растворение или улавливание вредных веществ ОГ. В качестве РЖ используется вода или водные растворы химических реактивов. Вода интенсивно поглощает СО2 и N0^ ТЧ, ароматические углеводороды, оксиды серы, альдегиды и другие водорастворимые компоненты ОГ. Температура РЖ в
жидкостных нейтрализаторах обычно равна 300 - 320 К.
Основными преимуществами жидкостной нейтрализации ОГ дизелей являются:
- возможность одновременного улавливания дисперсных частиц и нейтрализации токсичных газообразных и водорастворимых компонентов ОГ;
- охлаждение ОГ до температуры 40 - 80 °С, что важно при работе во взрывоопасных средах;
- эффективное искрогашение, что обеспечивает пожаро- и взрывобезопасность;
- обеспечение нейтрализации ОГ в начальный момент после пуска холодного двигателя;
- снижение интенсивности запаха ОГ;
- снижение уровня шума выхлопа дизеля;
- возможность дальнейшего использования извлекаемых из РЖ растворимых компонентов ОГ и дисперсных частиц.
Основные недостатки жидкостной нейтрализации ОГ дизелей:
- трудность смачивания очень мелких частиц (доли мкм);
- низкая эффективность нейтрализации газообразных компонентов ОГ;
- большие масса и габаритные размеры;
- унос паров РЖ потоком газов;
- необходимость периодической замены и утилизации РЖ, что усложняет и удорожает эксплуатацию;
- проблемы коррозии;
- замерзание РЖ при отрицательных температурах.
Особенности жидкостной нейтрализации ОГ дизелей определяют и ограничивают область применения данного метода. Наиболее эффективна реализация преимуществ жидкостной нейтрализации ОГ дизелей в стационарных условиях. Снижение загрязнения атмосферы в промышленных зонах обеспечивают путем применения систем жидкостной нейтрализации ОГ для испытательных станций дизелей и для стационарных дизельных энергоустановок.
Системы жидкостной нейтрализации ОГ применяются также для судовых дизельных установок, где в качестве РЖ используется забортная вода, а масса и габаритные размеры не столь существенно влияют на выбор метода нейтрализации.
Для дизелей транспортных средств, работающих в зонах с ограниченным воздухообменом и в закрытых помещениях (например, в цехах, теплицах, трюмах и т.д.), где определяющими являются экологические требования, применяются комбинированные многоступенчатые системы нейтрализации, в состав которых входит ступень жидкостной нейтрализации ОГ.
Для специального подземного оборудования с дизелями и для дизельных погрузочнотранспортных машин исходя из условий обеспечения требований пожаро- и взрыво-безопасности жидкостный нейтрализатор ОГ является обязательной составляющей применяемых систем нейтрализации. В большинстве случаев это каталитическая и жидкостная ступени нейтрализации ОГ.
При эксплуатации систем жидкостной нейтрализации ОГ дизелей рабочую жидкость, которую можно рассматривать в качестве сменного фильтрующего элемента, необходимо утилизировать. Возможны несколько вариантов организации этого технологического процесса: централизовано на специальных очистных станциях; непосредственно на месте эксплуатации системы нейтрализации и комбинированный. Причем, каждый из них обуславливает выбор метода очистки РЖ, а также финансовые и материальные затраты на их осуществление.
Выводы
Преимущества жидкостной нейтрализации ОГ дизелей определяют область применения данного метода, особенно в тех случаях, где эти качества являются определяющими. Это обеспечивает жидкостной нейтрализации ОГ дизелей свою постоянную «техническую нишу».
В современных условиях наиболее эффективно применение жидкостной нейтрализации ОГ для испытательных станций дизелей, для автономных стационарных дизельных энергоустановок и транспортных дизелей, которые используются в местах с ограниченным воздухообменом и в закрытых помещениях, а также для судовых дизельных установок. Жидкостные нейтрализаторы ОГ являются обязательной составляющей систем нейтрализации для специальных подземных установок с дизелями, для дизельных погру-
зочно-транспортных машин и специального самоходного оборудования, которые работают во взрывоопасной среде (шахтах, рудниках и т.д.). Поэтому для таких специфических условий эксплуатации жидкостная нейтрализация ОГ дизелей будет востребована и в перспективе.
Усовершенствование жидкостной нейтрализации ОГ дизелей путем преодоления и уменьшения влияния недостатков метода, а также повышение эффективности нейтрализации наиболее вредных компонентов ОГ дизелей - ТЧ и N0, обеспечат целесообразность дальнейшего использования данной технологии.
Одним из важных факторов для успешной эксплуатации систем жидкостной нейтрализации ОГ дизелей является необходимость разработки эффективной и экономичной системы очистки РЖ с последующей утилизацией извлекаемых из ОГ компонентов.
Литература
1. Жегалин О.И. Снижение токсичности ав-
томобильных двигателей / О.И. Жегалин, П.Д. Лупачев. - М.: Транспорт, 1985. - 120 с..
2. Марков В.А. Токсичность отработавших
газов дизелей / В.А. Марков, Р.М. Баширов, И.И. Габитов. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 с.
3. Бородин Ю.С. Нейтрализация отработав-
ших газов дизелей с помощью плазменной технологии / Ю.С. Бородин, П.Я. Перерва, А.П. Кудряш, В.М. Семи-кин, В.П. Мараховский // Авиационнокосмическая техника и технология: Сб. научн. тр. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т «ХАИ». - 2000. - Вып.19. -С.11-13.
4. «Чистый» дизель // Анализ технического
уровня и тенденций развития двигателей внутреннего сгорания: Научно-
информ. отчет. - М.: Информцентр-НИИД. - 2000.- Вып.35 - С. 111-113.
5. Воробьев-Обухов А. Плазматрон - нейтра-
лизатор / А. Воробьев-Обухов, В. Стрелков // За рулем. - 2001.- № 3. - С. 56-57.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 декабря 2007 г.
