Исследование эффективности очистки газов энергоустановок от вредных веществ с помощью фильтров-нейтрализаторов на базе авиационных методов и технологий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Кутыш, Алексей Иванович

• Кутыш, Алексей Иванович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кутыш, Алексей Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I.

КРАТКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК.

1.1. Образование вредных веществ в энергоустановках и способы их снижения.

1.1.1. Несгоревшие углеводороды.

1.1.2. Окись углерода.

1.1.3. Окись азота.

1.1.4. Дым и другие частицы.

1.1.5. Способы и устройства снижения эмиссии газообразных вредных веществ и твердых частиц.

1.1.6. Моделирование процессов горения в камере сгорания энергоустановки.

1.2. Постановка задач исследования.

ГЛАВА И.

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ЭНЕРГОУСТАНОВОК С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА.

2.1. Комплексный способ очистки отработавших газов энергоустановок от газообразных вредных веществ и твердых частиц.

2.2. Устройство очистки отработавших газов энергоустановки с автоматической регенерацией фильтрующего элемента.

2.2.1. Описание принципиальной схемы устройства очистки.

2.2.2. Алгоритм работы системы автоматической регенерации фильтрующего элемента.

2.2.3. Расчет геометрических параметров кольцевой камеры сгорания.—.

2.2.4. Фильтрующий элемент с петлевым движением отработавших газов

ГЛАВА III.

НОВЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ЭНЕРГОУТАНОВОК

И ИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

3.1. Выбор фильтрующего материала.

3.2. Разработка метода расчета перепада давления и коэффициента сопротивления проницаемых пластин.

3.3. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик металлокерамических фильтрующих элементов, изготовленных на базе микронных сеток, волокон и порошков, их анализ и корреляция.

ГЛАВА IV.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВЩИХ ГАЗАХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК И СПОСОБЫ ИХ СНИЖЕНИЯ

4.1. Описание экспериментального стенда для исследования экологических характеристик энергоустановок и системы измерений.

4.2. Экспериментальные исследования эмиссии газообразных вредных веществ и каталитического способа ее снижения

4.3. Экспериментальные исследования эффективности очистки отработавших газов энергоустановок от твердых частиц с помощью металлокерамических фильтров-нейтрализаторов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование эффективности очистки газов энергоустановок от вредных веществ с помощью фильтров-нейтрализаторов на базе авиационных методов и технологий»

Несмотря на то, что большинство промышленных предприятий приостановило свою деятельность, экологическое состояние воздушного бассейна крупных городов России продолжает ухудшаться. Причиной тому является автотранспорт. Его доля в объеме всех выбросов вредных веществ в воздушный бассейн города существенно возросла и в настоящее время составляет 80 - 85%.

В автомобильном парке Москвы насчитывается около 3 млн. легковых автомашин и порядка 500 тысяч грузовых машин и автобусов, из которых не менее 100 тысяч оборудованы дизельными двигателями. Следует подчеркнуть, что в отработавших газах (ОГ) дизельных двигателей, кроме обычных газообразных вредных веществ (СО, NOx и СХНУ), .свойственных ОГ двигателей с искровым зажиганием, содержатся соединения серы и твердые частицы (в том числе и частицы сажи), на поверхности которых адсорбированы канцерогенные углеводороды (СХНУ) и окислы азота (NOx).

Важность очистки ОГ дизельных двигателей от твердых частиц заключается в следующем. По данным исследований фирмы КХД частицы с размерами 0,7-8 мкм (рис. 1), попадая в дыхательные пути, осаждаются в легких и могут вызывать канцерогенные последствия. На рис. 1. диапазон размеров частичек, попадающих в дыхательные пути, выделен желтым цветом. Причем частиц с такими размерами, примерно, половина всех частиц, содержащихся в ОГ.

Частички с размерами более 8 мкм при вдыхании в легкие не попадают благодаря естественной самозащите дыхательных органов человека.

Представляет определенный интерес состав частичек, которые задерживаются механическими фильтрами.

Твердые частички, содержащиеся в ОГ дизельных двигателей, состоят из частичек, поддающихся регенерации: сажи (углерода), несгоревших углеводородных соединений топлива и моторного масла (причем часть углеводородных соединений адсорбируется на поверхности частичек сажи) и воды и из частичек, не поддающихся регенерации: сульфатов, окислов металлов, окалины и пыли неорганического происхождения. .

Количественное содержание этих частичек в общем объеме твердых частичек показано на диаграмме (рис.2).

Среди углеводородных соединений наибольшую канцерогенную активность имеют всевозможные бенз(а)пирены, однако они в ОГ дизельных двигателей присутствуют в незначительных количествах.

Наличие сульфатов среди твердых частиц объясняется главным образом присутствием серы в топливе и может быть снижено за счет использования малосернистого топлива.

Наличие остальных твердых частичек является результатом протекания процессов окисления металлов теплонапряженных деталей, механического разрушения металла под действием высоких температур и вибраций, а также связано с присутствием пыли в "воздухе, которую не удалось отфильтровать при подаче последнего в камеру сгорания (КС) дизеля.

В настоящее время в России применяются только окислительные нейтрализаторы, которые производят очистку ОГ дизельных двигателей преимущественно от газообразных вредных веществ и практически не очищают их от сажевых и других твердых частиц. Причем используемые в них катализаторы, выполненные из неблагородных металлов, весьма быстро теряют свою активность, так как отравляются соединениями серы.

Механические фильтры для очистки ОГ дизельных двигателей от твердых частиц в России пока серийно не производятся и не применяются.

Трудность очистки ОГ от твердых частиц с помощью механических фильтров, прежде всего, состоит в том, что размеры этих частиц изменяются в очень широком диапазоне: от 0,03 - 0,07 мкм до 20 - 30 мкм и выше.

Еще одна трудность такой очистки связана с тем, что фильтрация газов связана с гидравлическим сопротивлением потоку, которое снижает мощность энергоустановки. Чтобы обеспечить высокую эффективность очистки ОГ от твердых частиц, необходимо решить ряд нетривиальных задач по снижению гидравлического сопротивления фильтра с учетом значительного изменения газодинамических параметров и состава газов при изменении режимов работы дизеля. Например, с увеличением нагрузки на дизель концентрация кислорода в ОГ уменьшается, а температура ОГ и содержание в них твердых частиц растет, причем содержание последних в ОГ растет в несколько, а иногда и в несколько десятков раз.

Кроме того, увеличение температуры потока ОГ сопровождается возрастанием эффективности окислительных процессов, что приводит к интенсивному разрушению металлов, из которых выполнены фильтры.

Следует подчеркнуть, что на режимах, характеризуемых большой нагрузкой на дизель, за счет экзотермических реакций окисления СО и СхНу на нейтрализаторе происходит неуправляемый процесс нагрева реакционной смеси и фильтрующего элемента (ФЭ) до весьма большой температуры (950 - 1000) С, поэтому возникает необходимость использования термостойких фильтрующих материалов.

В течение нескольких часов непрерывной очистки газов поры фильтра заполняются твердыми-частицами при температуре 250 - 550 С, что сопровождается значительным ростом перепада давления и соответствующим снижением мощности дизеля. Чтобы значительно не потерять в мощности перепад на ФЭ ограничивают, а при достижении определенного значения этого перепада его необходимо подвергать регенерации от сажевых частиц путем кратковременного нагрева до температуры 600 - 650 С и ее поддержания в течение 8-10 минут с целью полного сгорания сажи.

Эти особенности фильтрации газов дизеля необходимо учитывать при выборе фильтрующего материала и марки металла, из которого изготовлены проницаемые пластины.

С этой точки зрения представляют интерес металлические проницаемые пластины переменной пористости для очистки ОГ дизельного двигателя от твердых частиц. Применение такого проницаемого материала для изготовления из него ФЭ ставит ряд задач, которые необходимо решить.

Во-первых, закон изменения размеров пор (пористости) по толщине проницаемой пластины оказывает сильное влияние на ее гидравлические характеристики и на ее способность улавливать твердые частицы (сажеемкость). В связи с этим необходимо установить оптимальный закон изменения пористости по толщине проницаемой пластины, который обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление и максимальную сажеемкость при условии улавливания как можно более широкого диапазона размеров частиц.

Во-вторых, необходимо исследовать степень очистки ОГ от твердых частиц и газообразных вредных веществ.

В-третьих, необходимо исследовать эффективность процесса регенерации пластин за счет ввода в поток ОГ и сжигания дополнительного топлива. Важными характеристиками этого процесса, которые необходимо определить, являются время и степень регенерации проницаемых пластин.

Отсутствие ощутимого прогресса в решении проблемы очистки ОГ дизеля от вредных веществ с помощью механических фильтров ввиду чрезвычайной сложности задачи предпринимаются попытки ее решения за счет улучшения рабочего процесса в ДВС, например, за счет улучшения качества смеси жидкого топлива и воздуха.

Применение специальных насосов-форсунок либо специальных форсунок и одного насоса с коллектором, развивающим давление впрыска жидкого топлива до 1800 атм., удалось существенно улучшить качество смеси, полноту сгорания и в итоге создать дизели, удовлетворяющие требованиям европейского Стандарта (EURO-III) по экологическим показателям. Кроме того, удалось увеличить его экономичность на 5 - 7%.

Улучшение экологических показателей дизелей достигается также рециркуляцией ОГ с их предварительным охлаждением до 200 С. При этом экономичность дизеля немного падает, примерно на (1 - 2)%.

Из этих примеров видно, что улучшение рабочего процесса достигается путем реализации непростых технических решений, которые заметно удорожают дизель. Так стоимость двигателя, удовлетворяющего требованиям EURO-III за счет применения насосов-форсунок, увеличивается на (20 - 30)%. Кроме увеличения стоимости, ухудшаются его весовые показатели и надежность, т. к. присутствие на борту автомобиля источника такого высокого давления небезопасно для людей при его эксплуатации.

Поэтому экологические показатели EURO-IV во вновь проектируемых дизелях, на наш взгляд, будут достигнуты, скорее всего, применением фильтров-нейтрализаторов нового поколения, в которых будут реализованы нетривиальные технические решения.

Основными проблемами, от решения которых зависит успешная реализация такого способа очистки ОГ, являются:

• создание камеры сгорания, в которой обеспечивается надежное воспламенение и устойчивое горение дизтоплива при почти атмосферном давлении;

• отсутствие фильтрующих материалов с заданными гидравлическими характеристиками, способными выдерживать многоциклические тепловые нагрузки с большими температурными градиентами;

• отсутствие конструкторских решений и технологий, обеспечивающих надежную и полную регенерацию ФЭ;

• отсутствие конструкторских решений при разработке фильтров-нейтрализаторов, обеспечивающих удовлетворительный ресурс ФЭ.

Существуют еще проблемы в создании средств контроля, автоматизации и управления процессом регенерации ФЭ. Эти проблемы являются важными, но не главными и, на наш взгляд, могут быть успешно решены на основании известных или новых, более эффективных, технических решений.

Можно с уверенностью констатировать, что в настоящее время ни одной западной фирме не удалось пока решить все эти проблемы и создать надежно функционирующее устройство очистки ОГ дизелей.

При создании устройства очистки в рамках данного договора были реализованы следующие преимущества.

1. Более низкие исходные значения перепада давления на ФЭ достигаются благодаря использованию пористых металлов, степенью проницаемости по толщине фильтрующих пластин и гидравлическими характеристиками которых можно управлять целенаправленно. Причем можно управлять не только размерами пор, но . и законом изменения размеров пор по толщине фильтрующих пластин. Разработана специальная технология изготовления таких проницаемых пластин с управляемой пористостью и проницаемостью по их толщине.

2. Более высокая степень очистки ОГ как от СО, так и от СХНУ обеспечивается применением встроенного нейтрализатора на базе тонкослойных каталитических покрытий из благородных металлов.

3. Существенное сокращение времени регенерации ФЭ обеспечивается применением ФЭ специальной конструкции с петлевой схемой движения исходных ОГ.

4. Увеличение экономичности процесса регенерации достигается за счет сокращения времени регенерации ФЭ;

• сокращения удельного времени регенерации ФЭ из-за увеличения времени непрерывной работы между очередными регенерациями ФЭ;

• предварительного подогрева смеси топлива и воздуха до подачи ее в КС.

5. Существенное увеличение ресурса работы фильтра-нейтрализатора дости- ■ гается за счет значительного сокращения общего времени регенерации ФЭ и существенного снижения неравномерности температурного поля перед ФЭ, благодаря применению выравнивателя потока.

6. Более высокая надежность воспламенения смеси и устойчивость горения в КС обеспечиваются

• применением камер сгорания специальных конструкций (индивидуальной и кольцевой);

• применением двух свечей различных типов (свечи накаливания и искровой свечи);

• применением предварительной подготовки смеси с помощью карбюратора, в котором реализован новый способ смешения жидкости и газа.

7. Более низкая стоимость устройства достигается благодаря уменьшению абсолютной поверхности ФЭ, то есть благодаря уменьшению количества пористого металла, при сохранении относительно большей рабочей поверхности ФЭ.

На автотранспортных средствах используются как дизельные двигатели, так и двигатели с искровым зажиганием. Процессы горения углеводородного топлива и составы ОГ у этих двигателей существенно различны, кроме того, состав ОГ зависит от режима работы.

В табл. 1 приведено сопоставление экспериментальных данных из работы [2] о количестве газообразных вредных веществ и сажи, образующихся в ОГ двигателей с искровым зажиганием и дизельных двигателей при сгорании 1 м3 обычного топлива.

Таблица 1. Сопоставление экспериментальных данных о количестве газообразных вредных веществ и сажевых частиц, образующихся в ОГ двигателей с искровым зажиганием (ДИЗ) и дизельных двигателей (ДЦ) [2].

Загрязнитель Количество вещества*в г/м3

ДИЗ ДЦ

СО 200 25

СхНу 25 8

NOx 20 36 sox 1 30

Сажа 1 3

Из табл. 1 видно, что в двигателях с искровым зажиганием образуется больше СО и СХНУ, а в дизельных двигателях - больше NOx, SOx и сажи.

Следует подчеркнуть, что в двигателях с искровым зажиганием дожигание СО и СХНУ приходится осуществлять за счет ввода дополнительного воздуха в поток ОГ, поскольку кислород в них либо отсутствует полностью, либо его концентрация на большинстве режимов работы двигателя очень мала (меньше 2 - 3%). В дизельных двигателях СО и СхНу дожигаются почти полностью за счет кислорода ОГ, а сажа сохраняется, так как их температура не достаточна для начала процесса сублимации и последующего ее окисления. Частицы сажи и другие твердые частиц можно улавливать с помощью фильтрующего элемента (ФЭ), а затем периодически дожигать при более высокой температуре (температуре сублимации). К сожалению, дожигаются только твердые частицы органического происхождения, а твердые частицы, не поддающиеся регенерации путем нагрева, остаются в порах ФЭ, постепенно увеличивая его гидравлическое сопротивление.

В табл. 2 приведены данные о содержании газообразных вредных веществ в ОГ двигателей с искровым зажиганием и дизельных двигателей при различных режимах езды, выраженные в процентах по объему [2].

Таблица 2. Экспериментальные данные о содержании газообразных вредных веществ в ОГ ДИЗ и ДД соответственно при различных режимах езды, выраженные в % по объему [2].

Загрязнитель Постоянная скорость Ускорение Замедление Медленное движение

ДИЗ ДД ДИЗ ДД ДИЗ ДД ДИЗ ДД

СО 1,8 - 2,5 од 2,0 - 5,0

СХНУ 0,1 0,01 0,2 0,02 1,0 0,03 0,5 0,04

NOx 0,065 0,025 од 0,085 0,002 0,003 0,003 0,06

Из табл. 2 видно, что на всех режимах по всем показателям двигатель с искровым зажиганием проигрывает дизельному двигателю, кроме режимов медленного движения, при которых содержание NOx в ОГ дизельного двигателя выше, чем содержание NOx в ОГ двигателя с искровым зажиганием.

Типичный состав ОГ при сгорании 1 кг дизельного топлива в 25,4 кг воздуха на одном из номинальных режимов при а ~ 1,72 приведен на рис. 3.

Из рис. 3 видно, что в ОГ дизельного двигателя достаточно кислорода для полного дожигания СО, СХНУ и сажи. Однако их концентрации слишком малы, чтобы ожидать заметного подогрева ОГ.

Суммарное количество вредных веществ составляет порядка 0,25% от количества ОГ.

В зависимости от режима работы двигателя концентрация вредных веществ в ОГ может изменяться в несколько раз, а для некоторых из них - в несколько десятков раз. Это хорошо видно из рис. 4, где показаны типичные зависимости концентраций [СХНУ], [СО] и [М7] в ОГ ДИЗ от состава смеси топлива и воздуха, и из рис. 5, где показана зависимость концентрации [СО] в ОГ дизельного двигателя от крутящего момента (нагрузки). Двигатель с искровым зажиганием обычно работает на смеси, близкой к стехиометрической, или на богатой, что обеспечивает плавность и надежность работы. Поскольку в холодном двигателе с искровым зажиганием топливо испаряется медленно, то для создания легко воспламеняемой смеси ее обогащают путем закрытия воздушной заслонки. При этом значение коэффициента избытка воздуха может уменьшаться до а = 0,4. Такое обогащение смеси на режимах запуска и холостого хода сопровождается увеличенной эмиссией СО и СХНУ (рис. 4).

При движении автомобиля оборудованного двигателем с искровым зажиганием может работать на режимах со значениями а, существенно превосходящими его стехиометрическое значение, при которых имеют место низкие значения эмиссии СО и СхНу и умеренные значения эмиссии N0. По крайней мере, с такими значениями а, при которых нет перебоев в воспламенении смеси. Однако максимальная мощность двигателя с искровым зажиганием достигается при составах смеси, близких к стехиометрическим, то есть тогда, когда эмиссия N0 становится максимальной [3].

В отличие от двигателя с искровым зажиганием в дизельном двигателе не предусматривается регулирование количества воздуха, поступающего в цилиндры, а, следовательно, и а. Дизельный двигатель всегда работает на режимах, на которых значение а больше единицы. На режимах холостого хода а в несколько раз больше единицы, а на номинальных режимах его значение приближается к единице. Поскольку в ОГ дизельных двигателей на любых режимах работы всегда имеется избыток кислорода, поэтому никакими химическими способами не удается полностью конвертировать NOx, следовательно, не представляется возможным эффективно применять каталитические нейтрализаторы для уменьшения содержания NOx.

Важнейшим направлением совершенствования дизельных двигателей является улучшение их топливной экономичности. Добиться этого можно преимущественно за счет повышения температуры рабочего цикла. Однако, чем выше температура цикла, тем интенсивнее идет образование NOx.

Как видно из рис. 6, уменьшить выбросы NOx можно ценой увеличения удельного расхода топлива. Однако при этом, как правило, возрастает дымность ОГ. При разработке дизельного двигателя стремятся перенести точку пересечения кривых NOx и непрозрачности, изображенных на рис. б, как можно дальше вниз и влево. В тех случаях, когда низкая токсичность и высокая прозрачность ОГ имеют особо важное значения, для уменьшения NOx приходится идти на увеличение удельного расхода топлива, а твердые частицы задерживать с помощью фильтров.

Из формы кривых, приведенных на рис. 4, рис. 5 и рис. 6, видно, что снижение эмиссии газообразных вредных веществ и твердых частиц в ОГ двигателя с

16 искровым зажиганием и дизельного двигателя до приемлемого уровня на всех возможных режимах работы зависит от многих факторов, а его реализация представляет сложную задачу, которая может быть решена путем использования только целого ряда нетривиальных технических решений.

В разделе 1 отчета приведен краткий обзор современного состояния как по применяемым способам очистки ОГ двигателей с искровым зажиганием и дизельных двигателей от газообразных вредных веществ и твердых частиц.

Рис. 1. Кривая рассеивания размеров частичек [1] j / w . • >римыа

НС i-i4 могорногоЧ масла* "ТГ

Щщ

1Й1 V гСшлно | к.

0,.и , иы (SO4-) 'С t и «Анеусгэчйачмимд^ проведенных е СШД щщ

ЩЩЩШ ШШШЩ шл-ачанншев сляеаыз частичте

Рис. 2. Состав твердых частичек, содержащихся в ОГ дизельного двигателя г

18

Воздух: 25,4 кг Д изгои л иво: 1 кг

Компо- % Компо- % нент нент n2 74,8

Ar 1,3 о2 23,2 С 86 н2о 0,646 Н2 13 со 2 0,05 S 0,2 н2 Ne + Я20| J 0,8

Не ► 0,004

Кг

Хе

ОГ: 26,4 кг

Компо- % нент n2 Ar о2 н2о со2 71,9 1,25 9,4 5,2 12

НС ' 0,01 со 0,006

NO Л 0,227 сажа 0,0004

S02 0,0066

2 0,25

Рис. 3. Типичный состав ОГ при сгорании 1 кг дизельного топлива в 25,4 кг воздуха.

Рис. 4. Зависимость концентрации [НС], [СО] и [NO] в ОГ ДИЗ от коэффициента избытка воздуха [3].

СО] ppm 6000

5000

4000

3000

2000

1000

0 20 40 60 80 Мл Рис. 5. Эффективность очистки ОГ от СО по нагрузке на дизель ЗИЛ-645. л =100%

NOx ф н о о

ВС £ о. со о п. tc и К

Зона экономичной регулировки двигателя тТ.УД

Зона возможной регулировки с помощью СФН

Рис. 6. Качественное изменение содержания NOx в ОГ и их непрозрачности по удельному расходу топлива в дизельных двигателях [1].

Г Л А В A I

КРАТКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Легковые и грузовые автомобили являются основными источниками загрязнения воздуха крупных городов. В табл. 1.1 показана относительная значимость подвижных и стационарных источников загрязнения атмосферы крупного города.

Таблица 1.1. Загрязнение атмосферы крупного города автомобилями [3].

Загрязняющее вещество Эмиссия автомобиля в г/км пробега Эмиссия транспорта в %% от полной эмиссии

Неотрегулированные автомобили Новые и отрегулированные автомобили

NOx 2,5 1,88 60-75

СО 56,25 9,4 90

СхНу 5,63 1,5 60-80

Для снижения эмиссии вредных веществ от автомобилей поэтапно вводятся предельно допустимые нормы на основные токсичные компоненты, которые представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Нормы содержания вредных веществ в ОГ дизельных двигателей грузовиков полной массой свыше 3,5 т.

Компонент* EURO-I EURO-II EURO-III EURO-IV EURO-V

СО 4,5 4,0 2,1 1,5 1,5

НС 1,1 1Д 0,66 0,46 0,46

NOx 8,0 7,0 5,0 3,5 2,0

Твердые частицы 0,36 0,15 0,1 0,02 0,02 - размерность г/кВт. ч

Из табл. 1.2 видно, что в соответствии с нормативными требованиями содержание вредных веществ в отработавших газах дизельных двигателей существенно снижается.

Степень нормативного снижения содержания СО и НС в отработавших газах дизельных двигателей по годам наглядно видна из рис. 1.1.

В частности, за период с 1993 г. по 2008 г. содержание окиси углерода (СО) и углеводородов (.НС) в ОГ должно быть снижено соответственно в 3 раза и в 2,4 раза.

Кроме того, должно быть в 5 раза уменьшено содержание в ОГ твердых частиц (см. рис, 1.1). Очевидно, что только за счет улучшения рабочего процесса в КС дизеля, с помощью которого были достигнуты требования Стандарта EURO-III, нельзя получить прогнозируемое уменьшение содержания твердых частиц в ОГ: потребуется применить механические фильтры. В связи с этим актуальность создания надежно работающих фильтров возрастает [4].

Несмотря на то, что в дизельных двигателях, удовлетворяющих требованиям Стандарта EURO-III, произошло значительное снижение эмиссии вредных веществ, проблема их дальнейшего уменьшения сохраняется, т. к. удельный объем таких двигателей пока очень маленький и в эксплуатации остается подавляющее количество двигателей, удовлетворяющих требованиям Стандартов EURO-II и EURO-I. Причем более 60% из них удовлетворяют требованиям только Стандарта EURO-I. В этих дизельных двигателях уменьшить выбросы вредных веществ можно только путем установки фильтров-нейтрализаторов.

Таким образом, актуальность создания надежно работающих фильтров-нейтрализаторов возрастает не только из-за необходимости удовлетворения перспективных экологических Стандартов, но, прежде всего, из-за необходимости экологической модернизации устаревших дизельных двигателей.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Кутыш, Алексей Иванович

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработан метод расчета перепада давления на проницаемых пластинах и коэффициента их сопротивления, который можно использовать при проектировании фильтров для очистки отработавших газов дизельных энергоустановок от твердых частиц, так как он позволяет учитывать не только геометрические параметры и структуру пластин, но и режимные факторы энергоустановок (нагрузки и обороты).

2. Несмотря на то, что все металлокерамические проницаемые пластины, изготовленные на базе микронных сеток, волокон и порошков, обладают более низким гидравлическим сопротивлением по сравнению с пористой керамикой, при выборе фильтрующего материала для фильтров дизельных энергоустановок приоритет необходимо отдать проницаемым пластинам, изготовленным на базе микронных порошков из фехраля, так как они обладают максимальной термостойкостью, более дешевые в изготовлении и могут быть легко адаптированы к серийному производству.

3. Обобщенные зависимости, предложенные для расчета коэффициентов сопротивления металлокерамических проницаемых пластин различных типов, можно использовать при выборе фильтрующего материала, который будет использоваться при проектировании фильтров различного назначения.

4. Применение входного окислительного нейтрализатора каталитического типа, установленного перед фильтрующим элементом, позволяет уменьшить нагрузку на фильтрующий элемент, т. к. на поверхности катализатора, температура которого превышает температуру его зажигания, интенсивно сгорают мелкие частицы сажи, являющиеся основной причиной роста перепада давления на фильтрующем элементе.

5. Применение дополнительного выходного окислительного нейтрализатора каталитического типа, позволяет увеличить эффективность очистки газов за счет снижения выбросов газообразных вредных веществ на режимах регенерации фильтрующего элемента.

157

6. Дешевый катализатор (типа оксида хрома), нанесенный на поверхность фильтрующего элемента, по эффективности очистки газов энергоустановок от твердых частиц не уступает платиновому катализатору, установленному перед фильтрующим элементом.

7. Преимущество окислительного нейтрализатора с платиновым покрытием по сравнению с дешевым катализатором, нанесенным на поверхность фильтрующего элемента, состоит в меньшей тепловой инерционности, что позволяет ему раньше достигать высокой эффективности очистки газов энергоустановок от газообразных вредных веществ и твердых частиц на нестационарных режимах нагрева фильтрующего элемента при запуске энергоустановки.

8. Окислительные нейтрализаторы с платиновым покрытием можно рекомендовать как универсальное средство очистки отработавших газов дизельных энергоустановок от газообразных вредных веществ (оксида углерода и углеводородов) и сажевых частиц для применения в устройствах очистки с принудительной системой регенерации фильтрующего элемента, позволяющей поддерживать температуру окислительного нейтрализатора выше температуры зажигания его катализатора на режимах малых нагрузок.

9. Предлагаемый каталитический способ можно рекомендовать для очистки газов авиационных газотурбинных двигателей при их стендовых испытаниях и стационарных газотурбинных установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кутыш, Алексей Иванович, 2003 год

1. Сажевые фильтры с системами очистки для дизельных двигателей фирмы KXD ДОЙТЦ. Изд. АО КХД. Силовые агрегаты и авиационная техника. Кельн. Заказ № 00311529. 13 с.

2. Борьба с загрязнением атмосферы мототранспортом путем модификации топлива // ЭПТ. М.: ВИНИТИ. 1991. № 4. С. 8 13.

3. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ. / Ред. Н. А. Чигир. М.: Машиностроение. 1981. 407 с.

4. Кутыш И.И., Рыбаков В.В., Кутыш А.И. О реальной возможности создания экологически чистых дизельных двигателей с помощью фильтров нового поколения. «Конверсия в машиностроении». № 2, 2002. С. 71-79.

5. Henein N. A. and Bolt J. Correlation of air charge temperature and ignition delay for several fuels in a diesel engine // Presented at International SAE Engineering Congress. Detroit. Michigan. Paper. 690252. 1969.

6. Perez J. M. and Lander E. W. Exhaust emission characteristics of precombus-tion chamber engine // SAE Paper 680421. 1968.

7. Зельдович Я. Б., Садовников П. Я., Франк-Каменецкий Д. А. Окисление азота при горении. М. Л. Изд-во АН СССР. 1947. 145 с.

8. Newhall Н. К. and Shahed S. М. Kinetics of nitric oxide formation in high pressure flames // Thirtennth Symposium (International) on Combustion. Pp. 381 -389. The Combustion Institute. 1970.

9. Lavoie G. A., Heywood J. B. and Kech J. C. Combust. Sci. Technol. 1970. Pp. 313-326.

10. Abthoff J. and Luther H. Automob. Techn. Z. 71. 1969. № 4. Pp. 124 130.

11. Torpey P. M., Whitehead M. J. and Wright M. Experiments in the control of diesel .emissions // Paper С 124/7. Presented at Conference on Air Pollution in Transport Engines. Institute of Mechanical Engineers. Solihull. England. November 9-11. 1971.

12. Houben M., Lepperhoff G. Untersuchungen zur RuBbildung wahrend der dieselmotorischen Verbrennung // «MTZ: Motortechn. Z.» 1990. Vol. 51, № 9. XI XVI.

13. Muller E., Wiedemann В., Preuss A. W., Schadlich H. K. Diesel-Partikelfiltersystem mit additivgestutzter Regeneration // Automobiltechnische Zeitschrift. 1990. 91, № 12. Pp. 674 679.

14. Odaka Matsuo. EGR Application Method for Heavy-Duty Diesel Vehicles and its Effects Under Actual Driving Conditions // Найнен Кикан. 1989. Vol. 28, № 362. Pp. 17-23.

15. Real-Time Measurement of Low Concentration Smoke with Diesel Opacimeter / Saito Keizo// Найнэн кикан-Internal Combustion Engine. 1989. - 28, № 362. Pp. 10- 16.

16. Исследование возможности применения экологически чистого двигателя // ЭИ. «Экологические проблемы на транспорте». ВИНИТИ. 1992. № 12. С. 3 10.

17. Neue Omnibusse bei der KVB: Moderne Technik fur Fahrgast und Umwelt // Stadtverkehr. -1990. № 4. Pp. 40 41.

18. MAN le Diesel et les particules // Ingenieurs de l'automobile. 1990. № 661. Pp. 91-96.

19. Caton J. A., Ruemmele P., Kelso D. Т., Epperly W. R. Performance and fuel Consumption of a Single Cylinder, Direct - Injection Disel Engine Using a Platinum Fuel Additive. «SAE Techn. Pap. Ser.» 1991. № 910229. 11 p.

20. Neuer RuBfilter von SHW. «MTZ: Motortechn. Z.» 1991. Vol. 52, № 11. P. 555.

21. Montano R. M., Robinson J., Haskew J. W., Schivley C. D. Simultaneous reduction of soot and NOx in diesel engines by homogeneous catalysis of group platinum metals // SAE Techn. Paper Series. 1989. № 891634. Pp. 1 10.

22. Hayashi K., Ogura Y., Kobashi K., Somi H., Fukami A. Pegeneration carabil ty of wall-flow monolith diesel particulate filter with electric heater//SAE Techn. Papers. 1990. № 900603. Pp. 203 210.

23. Газета «АВТОРЕВЮ», №12 (268). 2002. C.30.

24. SAE Techn. Paper Ser. 1991. № 910327. Pp. 121 134.

25. RuBfilter von Deutz Service im GroBversuch // MTZ. 1991. Vol. 52, № 1. P. 12.

26. Газета «АВТОРЕВЮ», №21 (184). 1998.

27. Технический отчет «Саморегенерирующиеся фильтры-нейтрализаторы для дизелей». ООО НПФ «НЕЙТРАЛЬ ЭКО». 2001. С. 13.

28. Per smettere difumare / Guaglio Elio // HP Transports 1990. 17, № 5. Pp. 31 33.

29. Bony A. A., Chapman M. and Schneyer Y. P. Computer simutation of combustion processes in a stratified charge engine П Acta Astronautica. Pergamon Press. 1976. V. 3. Pp. 293 307.

30. Reitz R. D. Assesment of Wall Heat Transfer Models far Premixed Charge Engine Combustion Conputation // «SAE Techn. Pap. Ser.» 1991. № 0267. Pp. 1 -17.

31. Jungbliith G., Nosne G. Ein quasidimensionales Modell zur Beschreibung des ottomotorischen Verbrennungsablaufes // «MTZ: Motortechn. Z.» 1991. 52, № 5. Pp. 262 267.

32. Басевич В. Я., Веденеев В. И., Арутюнов В. С. Моделирование задержек самовоспламенения метано-воздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания // ФГВ. 1994. Т. 30, № 2. С. 7 14.

33. Авторское свидетельство СССР № 918462, кл. F01 N3/00, 1982

34. Патент Великобритании № 1361267, кл. F1B, 1974.

35. Патент Франции № 2116666, кл. F01 N3/00, 1972.

36. Per smettere di fumare. Guaglio Elio. HP transporti, 1990. 17. № 5. Pp. 31-33

37. MAN le Diesel et les particules. Ingenieurs de l'automobile, 1990. № 661. Pp. 91-96

38. Патент РФ № 2049242, кл. F01 N3/18, 1991

39. Чжен П. Отрывные течения в 3-х томах. Под ред. Голубинского А.И. Изд-во «Мир». М.: 1973 г.

40. Ужов В.Н., Мягков Б.И. Очистка промышленных газов фильтрами. М.: Изд-во «Химия», 1970. 320 с.

41. Кутыш И. И. Патент РФ на изобретение «Фильтрующий элемент с петлевым движением отработавших газов» № 2094623. 1997. БИ. № 30.

42. Кутыш И.И. Способы и устройства очистки газов энергоустановок. Учебн. пособие для вузов. М.: «Информ-Знание», 2001. 352 с.

43. Кутыш И.И. Численные методы решений экологических задач. М.: ЗАО «ВЭКОНТ», 1999. 243 с.

44. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т. 1/ Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова.- М.: Энергоатомиздат, 1987. 560 с.

45. Васильев В.А. и др. Высокоскоростное затвердевание расплава / Под ред. Б.С. Митина. М.: «СПИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ». 1998. 400 с.

46. Ergun, S., and Orning, A. A., Fluid Flow through Randomly Packed Columns and Fluidised Beds, Ind. Eng. Chem., vol. 41, p. 179, 1949.

47. Ergun, S., Fluid Plow through Packed Columns, Chem. Eng. Prog., vol. 48, p. 89, 1952.

48. Burke, S. P., and Plummer, W. В., Gas Flow through Packed Columns, Ind. Eng. Chem., vol. 20, p. 196, 1928.

49. Morcom, A. R., Fluid Flow through Granular Materials, Trans. Inst. Chem. Eng., vol. 24, p. 30, 1946.

50. Hicks, R. E., Pressure Drop in Packed Beds of Spheres, Ind. Eng. Chem. Fund., vol. 9, p. 500, 1970.

51. Blake, P. E., The Resistance of Packing to Fluid Flow, Trans. AIChE, vol. 14, p. 415, 1922.

52. Carmen, P. С., Fluid Flow through Granular Beds, Trans. AIChE, vol. 29, p. 150, 1937.

53. Kozeny, J., Uber Kapillars Leitung des Wassers in Boden, Ber. Wien Akad., vol. 136, p. 271, 1927.

54. Davies C.N., Proc. Inst. Mech. Eng., IB, 185 (1952).

55. Sullivan R., Hertel K., Advances in Colloid Science. V. 1, N 4. 1942. P. 37-80.

56. Huppel J., A.I.Ch. E. J., 5, 114 (1959).

57. Langmuir I., The Collected Works. V. 10, London, 1961. P. 394.

58. Whitby K.T., Jordan R.C., Algren A.B., ASHRAE J., 4, N 6, 79 (1962).

59. Кутыш И.И., Кутыш А.И. Новые металлокерамические фильтры для очистки газов дизельных двигателей и их гидравлические характеристики. «Конверсия в машиностроении». № 4, 2002. С. 32 37.

60. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. 4-е изд., перераб. и доп. JI.: Машиностроение. 1989. 701 е., ил.

61. Кутыш И.И., Кутыш А.И. Экспериментальные исследования эмиссии газообразных вредных веществ в дизельных двигателях и каталитического способа ее снижения. «Конверсия в машиностроении». № 5, 2002. С. 88 -93.

62. Струков Г.В., Кедров В.В., Классен Н.В. Новый бестоковый метод нанесения тонкослойных покрытий из благородных металлов на металлические подложки. «Гальванотехника и обработка поверхности», т. VII, № 3. 1999. С. 24-32.

63. Решение о выдаче патента РФ по заявке № 2002104343/06 (004651) от 20.02.02 г. на изобретение «Способ очистки отработавших газов дизельных двигателей от газообразных вредных веществ и твердых частиц».