11.4. Вловлювання аерозолів, що викидаються дизельним двигуном
Для вловлювання сажі в дизельних ДВЗ відомо декілька конструкцій пристроїв, що використовують як принцип електростатичного очищення, так і метод фільтрації.
Суть проблеми, пов’язаної з вловлюванням частинок сажі з потоку вихлопних газів, полягає в тому, що ці частинки дуже малих розмірів − діаметр половини з них менше 5 мкм, густина їх також низка − 0,05 г/см3. Як правило, вихід аерозоля складає від 0,1 до 0,5% маси палива. Отже, традиційні фільтри швидко забиватимуться.
Одним з кращих конструктивних рішень для зниження вмісту твердих частинок у вихлопі дизельних двигунів вважається установка фільтрів регенеративного типу. Фільтр (рис. 11.6, а) є стільниковою конструкцією з чарунками прямокутного перетину. Пористий матеріал фільтру володіє достатньою механічною міцністю, стійкістю до агресивних хімічних речовин, опором до оплавлення і утворення тріщин при теплових діях, а також термічною стабільністю.
Фільтр (рис. 11.6, б), виконаний у вигляді декількох послідовно розташованих пористих перегородок, володіє підвищеною ефективністю очищення.
Р
ис. 11.6.
Схема фільтрів-сажевловлювачів
а − з сотовою насадкою; б − з багатошаровою насадкою
Частинки, що накопичилися у фільтрі, слід періодично видаляти переважно термічним окисленням. Для цього відхідні гази нагрівають до 450°С і вище, що призводить до займання сажі, що накопичилася. Дані, отримані при проведенні експерименту з дизелем робочим об’ємом 2,3 л, по визначенню концентрації основних домішок у відпрацьованих газах дизеля, приведені в табл. 11.5.
Таблиця 11.5
Експериментальні дані випробувань дизельного двигуна
Схема випуску відпрацьованих газів |
Концентрація, г/км |
|||
Вуглеводні CnHm |
СО |
NOx |
тверді частинки |
|
Без фільтру |
0,312 |
0,937 |
0,784 |
0,169 |
З чистим керамічним фільтром |
0,337 |
0,931 |
0,700 |
0,031 |
Сажевловлювачі дизельних ДВЗ повинні забезпечувати ресурс 10000 км і більше при незначному збільшенні гідравлічного опору, що забезпечується періодичною (приблизно через 100 км пробігу) регенерацією фільтроелементу. Конструктивно фільтроелементи виконують у вигляді багатоканальних моноблоків, об’ємно-дротяних елементів і у вигляді намотаних на перфоровану трубу склокерамічних ниток, що допускають регенерацію при 600°С.
Розділ 12 Оцінка ефективності очищення газових викидів
12.1. Оцінка ефективності пристроїв для очищення газових викидів
Екологічна досконалість очисного устаткування визначається відношенням досягаємого рівня знешкодження і екологічно прийнятного рівня забруднення біосфери. Об’єктивним критерієм останнього служить темп природної зміни якості атмосфери, що характеризується параметром мінливості R:
,
де C0 і τ − початкова концентрація речовини і час спостереження за її зміною.
Оцінка ефективності роботи очисних пристроїв по ГДК зручна, але екологічно малоінформативна. Проте не це перешкоджає розповсюдженню санітарно-гігієнічного методу оцінки ефективності очисних пристроїв, заснованого на порівнянні досягаємого рівня знешкодження з ГДК. Неузгодженість в тому, що обробка викидів сучасними методами дозволяє зменшити концентрації шкідливих домішок більш ніж на 95%, та все ж їх значення залишаються на 4...5 порядків вище і більше за нормативи ГДК.
Подальше пониження концентрацій забруднювачів до рівня, порівняного з ГДК, обійшлося б дуже дорого.
Так, наприклад, мінімальна кількість енергії, необхідна для конденсації одиниці маси (1 кг) гомогенної домішки, чисельно рівна роботі процесу ізотермічного оборотного стиснення її об’єму від парціального тиску рп до тиску насичення pнас:
,
де А − робота стиснення, Дж/кг;
R − газова стала, Дж/(кг∙К);
Т − абсолютна температура суміші, К.
Прийнявши за порядком величини тиску газових викидів і рнас близькими до атмосферного, а ГДКcд забруднювача близько 10-5% об. (10-7 об. доль), обчислимо співвідношення витрат енергії K на компресію домішки з концентрацією, порівнянною з ГДКcд, наприклад, 10-4% об. (10-6 об. доль) і із звичайною для промислових гомогенних забруднювачів концентрацією 10-1 % об. (10-3 об. доль). Парціальний тиск домішки в даних випадках складе: р1=101325∙10-6=0,1013 Па і р2=101325∙10-3=101,325 Па, а співвідношення витрат енергії буде рівне:
.
Таким чином, енергетичні затрати на видалення однакової кількості забруднювача за допомогою конденсації логарифмічно зростають з пониженням його концентрації. Аналогічна залежність характерна і для сорбційних методів очищення, основою яких також є конденсація домішок.
Хімічні (у тому числі і термоокислювальні) методи обробки викидів характеризуються зростанням витрат енергії з пониженням початкових концентрацій забруднювачів як на одиницю оброблюваної маси, так і на процес в цілому внаслідок зменшення швидкості реакції:
,
де а і β − стехіометричні коефіцієнти рівняння реакції з вихідними реагентами А і В;
w, k − швидкість і константа швидкості прямої реакції.
Для забезпечення колишнього ступеня завершеності при уповільненні перетворення речовин необхідно підвищити температурний рівень процесу, компенсуючи коефіцієнт проскакування забруднювача через n-ий апарат; пониження концентрації забезпечується збільшенням константи швидкості реакції або інтенсифікувати процес за рахунок підведення механічної енергії.
У ряді випадків для очищення пилогазових викидів застосовують термохімічні, термокаталітичні, хемосорбційні і інші способи обробки, які по суті є скомбінованими з розглянутих вище. Процеси, що відбуваються при цьому, матимуть ще складніший характер, проте принцип зростання затрат енергії із збільшенням глибини очищення справедливий і для них.
З цієї причини рівень знешкодження пилогазових викидів встановлюється виходячи з економічних міркувань, а не по екологічних або санітарно-гігієнічних вимогах.
У економічно допустимих межах досконалість сучасних пилогазоочисних пристроїв прийнято оцінювати за ступінем (коефіцієнтом) очищення:
,
де Mн, Сн, Vн − маса, середня концентрація забруднювача і витрата газових викидів до очищення;
Mк, Ск, Vк − те ж, після очищення.
У ряді конкретних випадків можна прийняти з достатньою для практичних розрахунків точністю Vн=Vк; тоді
.
Якщо відхідні гази послідовно обробляються в декількох апаратах, то коефіцієнт очищення визначають з виразу:
,
де εn=100-ηn − коефіцієнт проскакування забруднювача через n-ий апарат;
ηn − коефіцієнт очищення в n-му апараті;
N − кількість апаратів.
Ці співвідношення справедливі для викидів, що містять один гомогенний забруднювач, при обробці якого не утворюється нових токсичних сполук. Для багатокомпонентних сумішей ці формули можна застосовувати, якщо спосіб знешкодження має однакові коефіцієнти очищення по всіх інгредієнтах. Проте на практиці доводиться мати справу з селективністю очисних пристроїв по забруднювачах.
Можливість використання того або іншого типу пристрою для знешкодження викидів певного складу встановлюється за повним коефіцієнтом очищення, для підрахунку якого необхідні дані про селективні коефіцієнти очищення даного апарату.
Стосовно гомогенних газових викидів вираз для визначення селективних (парціальних) коефіцієнтів очищення представляється дещо в іншому вигляді, ніж для пилогазових викидів, оскільки склад гомогенних забруднювачів на відміну від дисперсних зручніше відносити до всієї кількості відхідних газів:
.
Якщо початкові і кінцеві витрати газових викидів можна прийняти однаковими, то
.
Тут − Miн, ΔМi − вихідна і вловлена кількість i-того забруднювача;
Ciн, Ciк − початкова і кінцева концентрації i-того забруднювача у складі газових викидів.
Після вирішення питання про селективні коефіцієнти очищення можна підрахувати повний коефіцієнт очищення η∑ (склад забруднювачів повинен бути заданий або визначений заздалегідь):
.
Менше всього розроблена проблема оцінки досконалості способів обробки, пов’язаних з хімічними перетвореннями забруднювачів. Ігнорування конкретних властивостей вихідних реагентів і термодинамічно можливого набору кінцевих продуктів може обернутися тяжкими наслідками, оскільки часто продукти реакції не нешкідливі, а іноді і токсичніші, ніж вихідні компоненти.
Такі помилки типові при оцінці методу термічного знешкодження, який часто розглядається як універсальний засіб. Якщо термознешкодженню піддаються токсичні органічні речовини − альдегіди, кетони, органічні кислоти, ароматичні сполуки, молекули яких містять тільки атоми С, Н і О, то при правильній організації процесу спалювання вони майже повністю окислюються до практично нешкідливих СО2 і H2O. Разом з тим в процесі горіння утворюються оксиди азоту NO і NO2, які самі по собі менш токсичні, ніж вихідні сполуки, але по дії на біосферу можуть бути прирівняні з формальдегідом, акролеїном, оксидами сірки і іншими сполуками, що беруть участь в утворенні сульфатних і фотохімічних смогів. Формальний розрахунок ступеня знешкодження по початкових забруднювачах може показати картину глибокого очищення шкідливих викидів, тоді як облік оксидів азоту, що утворилися, допоможе виявити реальну ситуацію. Якщо ступінь очищення викидів виявиться при цьому недостатнім (наприклад, при високих концентраціях оксидів азоту, характерних для енергетичних парогенераторів і високотемпературних печей), то може виникнути питання про двоступінчате очищення і, отже, про додаткові витрати засобів. При такому варіанті рішення задачі повний коефіцієнт очищення можна підрахувати за формулою:
,
що враховує результати обох ступенів знешкодження.
Коефіцієнт очищення служить перш за все показником інтенсивності процесів, що протікають в очисному пристрої. Показників екологічної або санітарно-гігієнічної досконалості апаратів знешкодження на даний час немає, а їх розробка пов’язана з ускладненнями принципового характеру, які зазначались раніше. Сумнівно також, що такого роду показники виявляться кориснішими, оскільки застосовувати некомпетентно можна як прості, так і найскладніші методики розрахунків.