Экология транспорта. Учебное пособие

2.3.2. Устройства и приборы для нейтрализации вредных веществ

отработавших газов двигателей

Использование самых совершенных рабочих процессов и способов смесеобразования не обеспечивают в полной мере действующие нормативные трбования к экологичности двигателей.

Для снижения токсичности отработавших газов в выпускных системах ДВС устанавливают устройства и приборы (рис. 1), обеспечивающие их физикохимическую очистку практически без изменений в конструкции двигателей.

Термореактор имеет массивный корпус, изготовленный из материала с большой теплоемкостью, который нагревается отработавшими газами до высокой температуры при работе двигателя на больших нагрузках. На малых нагрузках реакция поддерживается за счет накопленного тепла и тепла, выделяемого при экзотермических реакциях окисления окиси углерода и углеводородов. Однако термореакторы не нашли широкого применения из-за низкой эффективности.

В практике распространение получили нейтрализаторы, в частности каталитические, которые классифицируются по типу используемого катализатора и материалу блока-носителя катализатора.

Катализаторы — это вещества, которые сами не участвуют в термохимических реакциях, но, ослабляя молекулярные связи в газах, обеспечивают протекание реакций с меньшими энергетическими затратами на активизацию. Например, реакция доокисления СО в СО2 в присутствии катализатора протекает при температуре 180–200 °С, а в обычных условиях начинается при 600 °С.

Активность (способность ускорять тот или иной химический процесс) катализатора характеризуется степенью очистки (нейтрализации) исходных веществ в реакции при определенной температуре:

где В0 и В — начальная и конечная концентрация исходных веществ (например, окиси углерода, углеводородов в реакциях нейтрализации отработавших газов).

31

Рис. 1. Устройства очистки отработавших газов двигателей

32

Помимо активности катализатора, очень важными его свойствами является селективность, т.е. способность ускорять только те реакции, конечные продукты которых нетоксичны.

В окислительных и восстановительных реакциях могут применяться относительно дешевые окисные катализаторы на основе меди, марганца, никеля, хрома и др. Однако такие катализаторы менее долговечны, а их эффективность ниже, чем у катализаторов, действующих на основе благородных металлов (платина, палладий, родий, рутений, осмий, иридий).

Платина и палладий убыстряют окисление окиси углерода и углеводородов, а родий способствует уменьшению содержания оксидов азота. Добавление осмия и иридия позволяет уменьшить образование аммиака и серного ангидрида в побочных реакциях.

Температура активации, т.е. тепловое состояние, при котором начинает действовать нейтрализатор, составляет приметно 200 °С. При этом время разогрева достигает нескольких минут. Следовательно, в условиях городской езды дорогостоящий нейтрализатор может вообще не начать работать. Чтобы ускорить процесс разогрева, в нейтрализатор вводят электроподогреватель. Тогда при мощности около 1,5 кВт на разогрев затрачивается менее 10 секунд. В нейтрализаторы вводят иногда адсорберы, которые поглощают углеводороды в «холодном состоянии», а после разогрева нейтрализатора окисляются им.

Каталитические нейтрализаторы конструктивно состоят из входных и выходных патрубков, корпуса и заключенного в него решетчатого реактора с катализатором.

Наибольшее распространение получили гранулированные и блочные (монолитные) носители. Гранулированные носители изготовляют из оксида алюминия в форме гранул диаметром 2–5 мм. Чем меньше размеры гранул, тем выше степень превращения. Но следует учитывать, что с уменьшением размеров гранул возрастает гидравлическое сопротивление нейтрализатора. Однако достоинством таких нейтрализаторов является возможность замены вышедшего из строя катализатора и исполнения реактора сложной конфигурации.

Блочные носители представляют собой спеченные из тугоплавких окислов (окиси алюминия, кордиерита) компактные тела, пронизанные большим числом параллельных сквозных каналов. Сечение канатов обычно прямоугольное или треугольное. Гидравлический диаметр каната 1–2 мм. Блочная структура носителя снижает гидродинамическое сопротивление по сравнению с эквивалентной по эффективности засыпкой гранулированного катализатора. При этом более рационально используется его активная поверхность.

Таким образом, каталитические нейтрализаторы вполне эффективны в окислении окиси углерода и углеводородов, но им присущи следующие недо-

33

статки: относительно высокая стоимость, пониженная активность в области низких температур, возникновение термических напряжений при нагреве каталитического блока во время пуска двигателя, низкая эффективность удаления окислов азота, низкая стойкость к действию соединений серы, гидродинамическое старение катализатора.

В институте катализа им. Борескова РАН разработано принципиально новое поколение катализов, используемых в качестве носителя стекловолокна и стеклоткани. Стекловолокнистые катализаторы (СВК) представляют собой тканый стекловолокнистый материал, пропитанный благородными металлами и другими соединениями, обеспечивающими требуемую каталитическую активность.

Если в традиционном блочном катализаторе частицы благородного металла (платины) расположены на поверхности катализатора, то в СВК платина встраивается в объем стекловолокна. Это обеспечивает, во-первых, более прочную связь металла с материалом носителя и возможность уноса (износа) металла в отличие от традиционных систем предотвращает практически полностью. Во-вторых, платина находится в метастабильной форме, что обеспечивает существенное повышение ее активности (в традиционных катализаторах создание этой формы платины практически невозможно).

Разработанные СВК по сравнению с традиционными типами каталитических нейтрализаторов обеспечивают:

снижение содержания благородных металлов (в частности, платины) на 1–2 порядка и, как следствие, снижение стоимости конвертера;

более высокую активность в реакциях восстановления NOx и окисления СО и СН;

более широкий диапазон рабочих температур («температурное окно»), что важно для решения проблемы холодного пуска двигателя;

отсутствие дезактиваций соединениями серы, что обеспечивает стабильную долговременную эксплуатацию СВК;

отсутствие образования побочных продуктов восстановления (например, закиси азота NO2);

отсутствие потерь платины при эксплуатации;

высокую термостабильность катализатора при резких скачках темпе-

ратуры.

Система рециркуляции отработавших газов (СРОГ) позволяет искус-

ственно увеличить долю остаточных газов в цилиндре двигателя. Это достигается за счет соединения выпускного и впускного трубопроводов рециркуляционным, в котором устанавливается заслонка. На впуск могут возвращаться как неохлаждаемые отработавшие газы, так и охлаждаемые — это так называемые

34

«горячая» и «холодная» рециркуляции. СРОГ используется для снижения выбросов NOx при работе двигателя на повышенных нагрузках.

Применение «холодной» рециркуляции отработавших газов с позиции снижения содержания NOx более эффективно. Однако с практической точки зрения конструкция такой системы рециркуляции значительно сложнее и дороже.

Исследования показали, что использование СРГО на двигателе Д-240 обеспечивает снижение суммарного выброса оксидов азота на 30,4 %, углеводородов — примерно на 20 %, окиси углерода — на 6,3 %. При этом экономические показатели ухудшаются не более чем на 2–3 %.

Основной вопрос, который необходимо решать при оборудовании двигателя СРГО, — разработка автоматически регулируемого привода, изменяющего закон управления перепуском отработавших газов в зависимости от режима работы двигателя.

Современные системы нейтрализации отработавших газов сочетают в себе методы и средства воздействия на рабочий процесс (обеспечивающие в основном эффективное снижение выбросов NOx и сажи) и средства физико-химической очистки (обеспечивающие эффективное снижение выбросов СО, СНх, а также уменьшение запаха отработавших газов и их слезоточивого действия).

Системы нейтрализации отработавших газов с бензиновыми двигателями и искровым зажиганием подразделяются на замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые (без таковой). Однако в практике применяют и различные варианты их сочетаний в зависимости от требований к токсичности, топливной экономичности и стоимости автомобиля.

2.3.3. Использование малотоксичных топлив

Перспективные топлива для двигателей внутреннего сгорания — это любой химический источник энергии, использование которого в традиционных или разрабатываемых автотракторных двигателях позволяет в какой-либо степени решить энергоэкологическую проблему.

Автомобильные бензины. С 2003 года вступил в силу законопроект, запрещающий производство и использование этилированных бензинов, что позволит уменьшить загрязнение атмосферы высокотоксичными соединениями свинца.

Переход на неэтилированные бензины связан с изменением их углеводородного состава. В частности, в таких бензинах возрастает содержание ароматических углеводородов, из которых особенно вреден бензол. Причем, на каждый процент роста количества бензола в топливе, его содержание в несгоревших углеводородах отработавших газов увеличивается на 0,7–0,8 %, а для остальных ароматических соединений — лишь на 0,07–0,08 %. Поэтому содержание бензола

35

в бензине внесено во многие спецификации на неэтилированные бензины европейских стран и регламентируется на уровне не более 5 % (об.). В наших бензинах этот показатель составляет 2–7 % (об.).

По ТУ 38.403-58-171-96 выпускаются неэтилированные автомобильные бензины с улучшенным экологическими свойствами (городские) следующих марок: АИ-80ЭК, АИ-92 ЭК, АИ-95 ЭК, АИ-98 ЭК. В первых двух марках содержание бензола не более 3 % (об.), в последних двух — не более 5 % (об.)

Уменьшить содержание бензола в бензине можно несколькими путями:

исключить из каталитического риформинга фракцию, выкипающую при температурах 60–85 °С, в которой бензола более 20 % (об.). В этом случае содержание бензола в товарных бензинах уменьшается почти в 3 раза;

увеличить в товарных бензинах долю высокооктановых компонентов (алкилат, изомеризат, спирт, эфир) или вводить нетоксичные антидетонаторы;

снизить жесткость процесса риформинга;

экстракция и химическая конверсия бензина каталитического рифор-

минга.

Со второй половины 2003 года выпускаются экологичные бензины, в марках которых есть слово «евро» (например, Аи-95 Евро, Аи-98 Евро). В бензины добавляется кислородосодержащая добавка, что способствует уменьшению загрязнения окружающей среды на 37 % по сравнению с обычными бензинами. Новое топливо позволяет существенно снизить образование паровых пробок в жаркие дни и на 2–4 % повысить экономичность работы двигателя. Технология и оборудование для производства указанных бензинов разработаны российскими специалистами. При этом экологичный бензин продается на АЗС по цене обычного.

Дизельное топливо. Исследованиями, выполненными в НАМИ, доказано, что на количество вредных выбросов в отработавших газах дизелей влияет сернистость дизельного топлива, его плотность, фракционный состав и цетано-

вое число.

Например, повышение плотности с 800 до 865 кг/м3 ведет к повышению цикловой подачи не менее чем на 10 %, что сопровождается ростом количества твердых частиц в отработавших газах на 100–150 %, оксида углерода — на 50– 80 %, углеводородов — на 200–300 %. Повышение температуры выкипания «хвостовых» фракций дизельного топлива с 300 до 380 °С увеличивает количество твердых частиц на 150 %, дымность — на 1,5–2,0 % и удельный расход топлива на 1 % на каждые 10 °С роста температуры конечной точки кипения. Увеличение цетанового числа топлива снижает количество вредных выбросов. Так, увеличение его с 40 до 62 единиц приводит к снижению выбросов оксида углерода на 50–60 %, углеводородов на 50–70 %. твердых частиц на 50 %. Вы-

36

бросы оксидов азота остаются практически без изменения, так как они в основном зависят от конструктивных особенностей камеры сгорания.

Использование экологически более чистого дизельного топлива марки Л по ТУ 38.101148-90, которое отличается от стандартного летнего топлива более низким содержанием серы (0,05–0,1 вместо 0,20–0,50 % масс) и кислотностью (3 вместо 5 мг/100 см3), позволяет снизить количество токсичных компонентов в отработавших газах.

Экологически и экономически выгодный способ снижения эмиссии вредных веществ в отработавших газах — использование присадок, обеспечивающих ингибирование сажеобразования (антидымные), повышение цетанового числа (инициирующие), моюще-диспергирующих, депрессорных и др. Присадки, которые способствуют снижению расхода топлива в эксплуатационных условиях, принадлежат к экологически эффективным.

Газообразное топливо. К газообразным топливам относятся пропанбутановые смеси, природный и генераторный газ.

Природный газ по сравнению с жидким топливом имеет два основных преимущества:

высокие моторные свойства, в частности, его октановое число обеспечивает возможность использования высоких степеней сжатия (до 14 в малоразмерных двигателях) и поэтому более высокую экономичность по сравнению с бензиновыми двигателями, изменение экономичности по сравнению с экономичностью «дизелей» зависит от способа их конвертации для работы на природном газе;

двигатели, работающие на природном газе, обеспечивают малые выбросы газообразных веществ: оксидов углерода в 15–20 раз, а оксидов азота в 5–10 раз меньше, чем после сгорания бензина. В атмосферу с отработавшими газами практически не поступают высокомолекулярные углеводороды, сера, бензол, олефины и альдегиды.

Главный горючий компонент сжатых природных газов (СПГ) — метан, который характеризуется наивысшей критической температурой (–82 °С), поэтому при нормальных температурах (даже при высоком давлении) эти газы не могут быть сжижены — для этого необходимы низкие температуры.

В соответствии с ТУ 51-166-83 «Газ горючий природный сжатый, топливо для газобаллонных автомобилей», для заправки автомобилей предназначены две марки СПГ:

А с содержанием метана 95 ± 5 % и азота 0–4 % объема;

Б с содержанием метана 90 ± 5 % и азота 4–7 % объема.

При использовании СПГ в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Трудность пуска определяется высокой температу-

37

рой воспламенения метана, а также тем, что в процессе воспламенения после нескольких вспышек на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Сжиженные нефтяные газы (СНГ) — газы, критическая температура которых выше обычной температуры их применения. Такие газы используют в сжиженном виде при повышенном давлении (до 1,5–2,0 МПа).

Основными компонентами сжиженных нефтяных газов являются пропан и бутан. Кроме того, в них содержится небольшое количество этана и пропилена. При 20 °С бутан сжижается при давлении 0,103 МПа, а пропан — 0,716 МПа. Поэтому для обеспечения сохранения жидкого состояния при более высоких температурах (до 40–50 °С) пропан-бутановая смесь хранится в топливном баллоне под давлением 1,0–1,3 МПа.

Пропан-бутановые смеси характеризуются высоким коэффициентом объемного расширения: при увеличении температуры на 10 °С давление в газовом баллоне повышается на 0,6–0,7 МПа, поэтому баллоны заполняют сжиженным газом не более чем на 90 % объема. Масса баллонов составляет 64–67 кг. Особенностью компонентов СНГ является также отсутствие запаха. Для обнаружения утечек смеси в нее добавляют специальные продукты — одоранты, обладающие специфическим сильным запахом, в количестве 0,2–0,3 г на 1000 м3 газа. Запах при этом ощущается при содержании газа в воздухе менее 0,5 % объема.

В соответствии с ГОСТ 20448-80 СНГ выпускаются трех марок:

СПБТЗ — смесь пропана и бутана техническая зимняя, содержащая не менее 75 % пропана и не более 20 % бутана;

СПБТЛ — смесь пропана и бутана техническая летняя, содержащая 34 % пропана и 60 % бутана;

БТ — технический бутан.

Первые две марки используют для газобаллонных автомобилей, а технический бутан — для коммунально-бытовых нужд.

Потерю мощности двигателя при работе на сжиженном газе компенсируют за счет повышения степени сжатия. Кроме того, при использовании СНГ мощность снижается значительно меньше, чем при использовании СНГ.

Генераторный газ — газ производимый из возобновляемого сырья с энергетическим КПД производства более 60 %. При этом генераторный газ может производиться на небольших транспортных установках, совмещенных с ДВС, что позволяет обходиться без емкостей для хранения газа.

Средний состав генераторного газа, получаемого из древесных чурок (% об.): СО — 21, Н2 — 16, СН4 — 2, СО2 — 10, N2 — 50. Теплота сгорания газа около 5 МДж/м3, теплотворная способность горючей смеси с воздухом —

38

2.39 МДж/м3. Работы по созданию мобильных, установок, газогенераторы которых работают на торфе и древесине, успешно проводятся в нашей стране.

Альтернативные топлива включают однокомпонентные топлива и топливные смеси.

Однокомпонентные топлива характеризуются широкой сырьевой базой, а также улучшенными токсическими характеристиками и в некоторых случаях экономичностью процесса энергоиспользования в сравнении с обычным топливом. Они могут использоваться в современных ДВС без их значительной модификации. В качестве таких перспективных топлив можно отметить следующие: биогаз, синтетические спирты, водород, аммиак.

Биогаз — газ, полученный в результате переработки отходов производства. Так, при переработке навоза крупного рогатого скота, свиней, овец и коз в количестве более 200 млн условных голов можно получить за год 990 млн тонн высококачественных органических удобрений и не менее 70 млрд м3 биогаза, что равноценно 15 млн тонн жидкого топлива. Из 1 тонны сухого органического вещества (навоз свиней) при анаэробной обработке можно получить 360 м3 биогаза, или 300 кг условного топлива.

Достоинством получения биогаза является возобновление биомассы, которая является органическим отходом сельскохозяйственного производства. В результате брожения биомассы обеспечивается получение метана и углекислого газа. Процесс протекает в закрытых резервуарах (метантанках) при различных температурах. Максимальная мощность резервуара объемом 1 тыс. м3 равна 3,5–5 млн. м3 метана, или 5–7 тыс. тонн условного топлива в год.

Из синтетических спиртов как возможных заменителей бензина рассматривают метанол и этанол. Как и большинство альтернативных топлив не нефтяного происхождения, спирты в значительной степени отличаются от традиционных бензинов по физико-химическим и моторным качествам. С точки зрения энергетических перспектив предпочтительнее получение метанола из угля, а этанола из биомассы.

Широкое применение спиртовых топлив сдерживается пока высокой их ценой по сравнению с бензинами (стоимость метанола при получении из природного газа, бурого и каменного угля превышает стоимость эквивалентного количества бензина соответственно в 1,1, 1,8 и 2,5 раза). В силу низкой воспламеняемости заменить ими дизельное топливо без серьезных переделок двигателя пока невозможно. Однако применение метанола и этанола позволяет существенно снизить содержание токсичных компонентов в отработавших газах ДВС.

Водород имеет наиболее высокую массовую теплоту сгорания среди химических топлив: по этому показателю он превосходит нефтяные топлива примерно в 2,5–3 раза, а спирты в 5–6 раз. Кроме того, преимуществом водородно-

39

го топлива является отсутствие токсичных углеводородных составляющих в отработавших газах двигателей и возможность расширения диапазона обеднения смеси, что положительно сказывается на экономичности и токсичности двигателя. Однако из-за очень низкой плотности водорода система его хранения на борту автомобиля становится громоздкой и тяжелой.

Водород может быть получен из нефти, газа, угля и воды путем восстановления его с помощью легких металлов или электролиза. Среди многочисленных способов выделения водорода из водородосодержащих газов практическое применение получил метод низкотемпературной конденсации и фракционирования, в котором расход энергии на концентрирование водорода от 70 до 90 % составляет около 22 кВт·ч на 1000 м3, водорода. Вследствие высокой стоимости водорода его применения в качестве основного автомобильного топлива пока еще обходится в два с лишним раза дороже, чем других топлив.

Аммиак получают синтетическим путем из азота воздуха и водорода в присутствии катализатора. Сырьевые ресурсы для производства аммиака велики, а стоимость его ниже, чем водорода. Но для работы на этом топливе двигатели должны быть частично конструктивно изменены. Кроме того, к недостаткам аммиака следует отнести то, что он как щелочь агрессивен в отношении меди, бронзы и некоторых сплавов. Поэтому аммиак пока еще не используется в качестве топлива

Топливные смеси представляют собой композиции, включающие традиционное топливо с добавкой одного или нескольких компонентов, улучшающих его энергоэкологические показатели. По сравнению с однокомпонентными топливами добавка их в традиционное топливо являются частичным решением, которое, однако, может быть реализовано в ближайшее время на существующей технологической базе.

Из топливных смесей для двигателей представляют интерес смеси теплив с синтетическими спиртами и различными высокоэнергетическими и антидетонационными компонентами.

Биодит — биотопливо для дизельных двигателей, представляют собой смесь рапсового масла (30 %) и дизельного топлива (70 %). По сравнению с дизельным топливом у биодита примерно в 10 раз большая вязкость и на 7 % выше плотность.

Для сгорания 1 кг биодита требуется 13 кг воздуха, т.е. почти на 1,5 кг меньше, чем для сгорания 1 кг чистого дизельного топлива. Это связано с тем, что в биодите содержится больше кислорода.

Препятствием к широкому использованию биодита в качестве топлива для ДВС является выращивание рапса и переработка его в масло в недостаточном количестве.

40