Улучшение экологической чистоты рабочих процессов дизельных энергоустановок путем нейтрализации оксидов азота отработавших газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Кашкин, Михаил Вячеславович

• Кашкин, Михаил Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кашкин, Михаил Вячеславович

Перечень условных сокращений.

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы. Снижения вредных выбросов дизельных энергетических установок.

1.1. Состав и степень воздействия отработавших газов энергетических установок на окружающую среду.

1.2. Оценка степени загрязнения окружающей среды токсичными компонентами.

1.3. Нормирование токсичности вредных выбросов двигателей.

1.4. Методы и средства, направленные на улучшение экологических показателей двигателей.

1.5. Способы и технические решения, применяемые для восстановления оксидов азота.

1.6. Выводы и задачи исследования.

Глава 2. Моделирование и исследование конструктивных размеров нейтрализатора.

2.1 Алгоритм и методика расчета нейтрализатора оксидов азота.

2.2 Выводы.

Глава 3. Методика экспериментальных исследований и применяемое оборудование.

3.1. Общая методика экспериментальных исследований.

3.2. Объект исследований, экспериментальная установка, измерительная аппаратура.

3.3. Методика исследований газодинамических параметров работы нейтрализатора.

3.4. Методика исследований эксплуатационных показателей дизеля

ГАЗ 544.10 при установке нейтрализатора оксидов азота.

3.5. Погрешность измерений.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований показателей работы нейтрализатора оксидов азота.

4.1. Исследование показателей работы дизеля ГАЗ 544.10.

4.2. Исследование газодинамических показателей работы нейтрализатора оксидов азота.

4.3. Результаты экспериментальных исследований нейтрализации оксидов азота.

4.4. Оптимизация параметров работы нейтрализатора и повышение эффективности восстановления оксидов азота.

4.5. Нормативно-техническая документация по применению нейтрализатора оксидов азота.

Глава 5. Экономическое обоснование внедрения нейтрализатора оксидов азота.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение экологической чистоты рабочих процессов дизельных энергоустановок путем нейтрализации оксидов азота отработавших газов»

Двигатели тракторов и автомобилей, представляющие основу мобильного обеспечения сельскохозяйственного производства Российской Федерации, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды.

Вредные выбросы автотракторных двигателей сокращают урожайность до 25% и снижают качество сельскохозяйственных культур, приводят к серьезным заболеваниям сельскохозяйственных животных. Поэтому наряду с улучшением топливно-экономических показателей двигателей внутреннего сгорания снижение токсичности их отработавших газов становится важнейшей проблемой.

Работа двигателей внутреннего сгорания осуществляется по разомкнутому циклу, соответственно выбросы в окружающую среду ОГ исключить нельзя. Существующие методы совершенствования рабочего процесса и топливной аппаратуры, оснащение двигателей системами нейтрализации и другими антитоксичными устройствами уменьшают выброс продуктов неполного сгорания -оксидов углерода СО, углеводородов CnHm, сажи и улучшают топливно-энергетические показатели энергетических установок, но, как правило приводят, к росту содержания оксидов азота NOx в ОГ. Кроме того, предлагаемые методы требуют значительных затрат, что приводит к значительному усложнению эксплуатации энергоустановок, увеличении их стоимости.

С точки зрения экологической опасности, оксиды азота NOx характеризуются по непосредственному воздействию на окружающую среду как наиболее активные токсичные вещества по сравнению с углеводородами, сажей и оксидами углерода. По предельно допустимым концентрациям ПДК в воздухе оксиды азота относятся к веществам 2-го класса опастности.

С наличием в атмосфере оксидов азота N0X связаны кислотные дожди, фотохимический промышленный смог, снижение концентрации озона. Поэтому задача нейтрализации оксидов азота имеет особое значение.

Альтернативным методом является восстановление оксидов азота N0X, но без добавок восстановителя - задача крайне трудная. Необходимо использовать такой восстановитель, который мог бы быть легко окислен до СОг и воды. Из наиболее перспективных и доступных восстанавливающих агентов следует рассматривать метан, пропан, а также оксид углерода. Несмотря на интенсивные исследования в ряде стран, к настоящему времени осуществлен и внедряется в практику лишь процесс каталитического восстановления аммиаком.

В связи с этим улучшение экологических показателей энергетических установок, путем разработки метода и средства нейтрализации оксидов азота NOx ОГ, весьма актуальна. Цель работы

Целью диссертации является улучшение экологической чистоты энергетических установок путем разработки и использования устройства нейтрализации оксидов азота ОГ дизельного двигателя. Научная новизна работы

Научная новизна диссертации заключается в решении проблемы снижения выбросов оксидов азота с ОГ двигателей мобильной автотракторной техники при использовании нейтрализатора, не требующего больших затрат на эксплуатацию.

В процессе решения данной проблемы были представлены:

- методика расчета и обоснование оптимальных конструктивных параметров нейтрализатора оксидов азота ОГ;

- математическая модель, полученная по результатам лабораторных исследований, позволяющая оценить влияние скорости подачи раствора аммиака и скоростного режима работы двигателя на степень восстановления оксидов азота ОГ.

Практическая ценность работы:

- разработана и испытана конструкция нейтрализатора оксидов азота ОГ, позволяющая при эксплуатации дизельных энергетических установок уменьшить выброс оксидов азота до нормируемых значений;

- разработан алгоритм, позволяющий осуществить расчет и выбор оптимальных размеров конструкции нейтрализатора оксидов азота ОГ;

- разработана нормативно-техническая документация применения устройства нейтрализации оксидов азота ОГ дизельных энергетических установок;

- получены зависимости изменения основных параметров работы нейтрализатора оксидов азота ОГ на различных скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля, которые обеспечивают улучшение экологических показателей автомобильного дизеля ГАЗ 544.10.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Кашкин, Михаил Вячеславович

ВЫВОДЫ

1. Исследованием современных методов и способов снижения содержания наиболее токсичного компонента ОГ дизельных энергетических установок - оксидов азота, установлено, что наиболее эффективным и экономически целесообразным способом является применение внешней физико-химической очистки ОГ.

2. Разработана конструкция, новизна которой подтверждена патентом РФ № 2265733 F 01 N 3/08 от 10.12.2005 г., и выполнен опытный образец нейтрализатора оксидов азота ОГ дизельных двигателей, реализующие способ высокотемпературного гомогенного восстановления оксидов азота, при внедрении которых достигается эффективная очистка ОГ от оксидов азота - до 80 . 90 %.

3. Разработаны алгоритм, методика и пакеты прикладных программ, позволяющие осуществлять расчет и выбор оптимальных параметров конструкции нейтрализатора в зависимости от режима работы двигателя.

4. Проведены комплексные исследования, в том числе во многофакторной постановке, по изучению влияния режимов работы дизеля на параметры работы нейтрализатора; получена математическая модель позволяющая оценить уровень снижения концентрации оксидов азота в ОГ в зависимости от режима работы двигателя и скорости подачи аммиака. Экспериментальными исследованиями дизеля ГАЗ 544.10 подтверждена работоспособность и целесообразность внедрения разработанного устройства нейтрализации оксидов азота ОГ.

5. Разработана нормативно-техническая документация по применению нейтрализатора оксидов азота ОГ дизельных энергетических установок. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПбГАУ, Тверской ГСХА и в производство ООО «Дельта-Инвест» и ООО «Диадема». Экономическая эффективность предлагаемого способа нейтрализации оксидов азота определена путем оценки ущерба, причиняемого годовыми выбросами оксидов азота в атмосферный воздух одним автомобилем, и составляет 2067 рублей.

95

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кашкин, Михаил Вячеславович, 2007 год

1. Анциферов В.Н., Макаров А.А., Ханов A.M. Экологические технологии: высокопористые ячеистые материалы в каталитических технологиях очистки газов / Инженерная экология. - 2003. - №3. - С.20-25.

2. Анализ технического уровня ДВС. вып.26 / Под ред. Давтяна Р.И. -М.:Информцентр-НИИД. 1998. - 115 с.

3. Балацкий О.Ф. Экономика чистого воздуха. Киев: Навукова думка, 1979. -295 с.

4. Битколов Н.З. Жидкостные нейтрализаторы дизельного выхлопа двигателей / Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути ее снижения: Доклады участников симпозиума. М.: Наука. - 1966. - С. 229-266.

5. Бордуков В.Т. Стандарты и нормы по эмиссии вредных веществ / Двига-телестроение. 2003. -№1. - С. 37^Ю.

6. Бордуков В.Т. По страницам зарубежных изданий. Нормы (стандарты) эмиссии Япония // Двигателестороение. - 2003. - №2. - С.39 - 56.

7. Бобров JI.H., Носков А.С., Матрос Ю.Ш., Славинская Е.М. Селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком в нестационарном режиме // Химическая технология. Киев. - №5. - 1989. - С. 80-85.

8. Воробьев-Обухов А.Н., Стрелков В. Черный дым от трубы дизеля как справиться с ним? / За Рулем. - 2001. - №3. - С.56.

9. Воробьев-Обухов А.Н. Евро с большой буквы // За Рулем. 2005. - №8. -С.200-205.

10. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей // Под ред. В.Н. Лазарева. В Зт. Л.: Химия. 1976. С.198.

11. Гзовский М. Твердый курс евро // За Рулем. 2002. - №5. - С.76-77.

12. Гнатюк Е.В., Жуков Г.И., Максимова А.А. Исследование жидкостного нейтрализатора НЖ-180 с двигателем ЯМЗ-238 // Двигатели внутреннего сгорания. Омск. - 1974. - С. 85-96.

13. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие. М.:Изд-во РУДН, 1998. - 214с.

14. Гриневич В.И., Иванова Н.В., Костров В.В. Экологические технологии: использование низкотемпературной плазмы для очистки отходящих газов // Инженерная экология. 2002. - №2. - С.38^3.

15. Грехов Л.Н. Революция с воспламенением от сжатия. Топливная аппаратура нового поколения // За Рулем. -2002. -№10. -С.64-66.

16. Грехов Л.В., Марков В.А., Павлов В.А. Исследование возможности получения повышенных давлений впрыскивающей топливной аппаратуры разделенного типа в автотракторных дизелях / Вестник МГТУ. Машиностроение. -1997. -№1. -С.92 -103.

17. Гетманец Г.В., Лиханов В.А. Социально экологические проблемы автомобильного транспорта. - М.: Аспол, 1993. - 340 с.

18. Гнатюк Е.В., Жуков Г.И., Максимова А.А. Исследование жидкостного нейтрализатора НЖ-180 с двигателем ЯМЗ-238 // Двигатели внутреннего сгорания. Омск. - 1974. - С. 85-96.

19. ГОСТ 14846 81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. М.: Изд. стандартов. 1981. С.53.

20. ГОСТ 17.2.2.05 86. Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения дымности отработавших газов тракторных и комбайновых дизелей. М.: Изд. стандартов. 1986. С.7.

21. Дьяченко Н.Х., Костин А.К., Пугачев Б.П. Теория двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1974. - 552 с.

22. Демочка О.И., Соколов Ю.А. Токсичность отработавших газов двигателей автотракторного типа и средства ее снижения. М.: ЦНИИТЭИтракторо-сельхозмаш, 1974.-42 с.

23. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний: ГОСТ 1484681. Введен 01.01.82.-М., 1984-55 с.

24. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. - 120с.

25. Жегалин О.И., Сайкин A.M., Френкель А.И. Методы снижения токсичности отработавших газов тракторных дизелей. М.: ЦНИИТЭИтракторосель-хозмаш, 1976.-30 с.

26. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. - 199 с.

27. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1981. - 160 с.

28. Зельдович Я.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука. 1980. С.32.

29. Защита окружающей среды от вредных выбросов автомобильного транспорта; Учеб. пособие / Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г. К.: УМК ВО при Минвузе УССР, 1989.-128с.

30. Кашкин М.В. Анализ методов снижения выбросов оксидов азота // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Сб. науч. тр. Киров.: ВГСХА, 2004. Вып. 4. С 24 - 27.

31. Кашкин М.В. Общая методика определения основных размеров устройства для нейтрализации оксидов азота // Международная научная конференция. -СПб.: СЗ НИИЭСХ, 2005. С 243 - 248.

32. Кирпатовский И.П. Охрана природы. М.: Химия. 1980. 376с.

33. Кутенев В.Ф., Свиридов Ю.Б. Экологические проблемы автомобильного двигателя и пути оптимального их решения // Двигателестроение. 1990. -№10. С.55-62.

34. Кулиш О.Н. Разработка и промышленное внедрение методом некаталитической очистки газовых выбросов от окислов азота аминосодержащими восстановителями // Диссертация на соиск. учен. степ, д.т.н., Москва. 1996.

35. Колчин А.В. Обеспечение экологической безопасности тракторных и комбайновых дизелей II Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2004. -№2.-С. 2-5.

36. Каталитические нейтрализаторы / Экология и промышленность России. -2001. -№1. -С.4-6.

37. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.:Колос, 1994. - 224с.

38. Луканин В.Н., Шатров В.А. Теплотехника / Учеб. для ВУЗов. М.: Высш. шк.-2002.-671 с.

39. Малов Р.В. Рабочие процессы и экологические качества ДВС // Автомобильная промышленность. 1992. - №9. - С. 10-15.

40. Малов Р.В. О невозможности нейтрализации отработавших газов дизельного двигателя методом пламенного дожигания / Труды ЛАНЭ. М.: Знание. -1969.-28 с.

41. Магарил Е.Р., Резник А.Г. интегральная оценка токсичности отработавших газов // Автомобильная промышленность. 1998. - №3. - С.9 -11.

42. Марков В.А., Баширов P.M. Токсичность отработавших газов дизелей. Уфа, изд. БГАУ. 2000. - 144 с.

43. Мельников С.В., Алешкин В.Р. Планирование экспермента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Л.: Колос. - 1980. - 168с.

44. Методы снижения токсичности отработавших газов судовых малотоксичных дизелей. / Grohe Ote // Hansa. 1990-127. -№22. - С. 1526-1530.

45. Методические указания к РГР по гидрогазодинамике. С- Петербург 2001.

46. Николаенко А.В., Салова Т.Ю. Способ и устройство для снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизелей // Тез. докл. научн-практ. конф. ВНИПТИМЭСХ «Экология и сельскохозяйственная техника». СП.-Павловск. 1998.-С. 214-216.

47. Новые типы каталитических нейтрализаторов / Truex T.I., Searles R.A., Sun D.C. // Platinum Metals Rew. 1992 - 36. - №36. - C. 2-11.

48. Овсянников M.K., Орлова Е.Г., Емельянов П.С. Основы гидромеханики. -М.-2003.- 145с.

49. Орлова М.Н. Исследование процесса некаталитической очистки газовых выбросов от окислов азота в присутствии диоксида серы с использованием аминосодержащих восстановителей. М. Автор. 1995. - С. 16.

50. Основы промышленной экологии: Автомоб. транс.: Учеб. пособие / М.М. Болбас, Е.Л. Савич. Под общ. ред. М.М. Болбаса. Мн.: Высш. шк., 1993. - 235 с.

51. ОСТ 37.001.0544 86. Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения. М.: Изд. стандартов. - 1986. - С. 17.

52. Погорелов С.Д., Сайкин A.M., Френкель А.И. Методы снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей // Исследование эксплуатационных качеств сельскохозяйственных тракторов: Тр. Кишинев, с.х. ин-та. -Кишинев, 1977.-С.60-66.

53. Подчинок В.М., Усин В.В. // Автомобильная промышленность. 2001. -№1. -С.38.

54. Петров Р.Л., Васильев М.В. Присадки к топливу // Автомобильная промышленность. 2000. - №6. - С. 33-35.

55. Патент РФ. Способ очистки газов от оксидов азота / Николаенко А.В., Салова Т.Ю. // 6 В 01 D 53/56. № 97107918. - 13.05.1997.

56. Патент РФ. Нейтрализатор отработавших газов энергетических установок/ Салова Т.Ю., Кашкин М.В. //F 01 N 3/08. № 2265733. - 10.12.2005.

57. Салова Т.Ю., Громова Н.Ю. и др. Основы экологии. Аудит и экспертиза техники и технологии: Учебник для вузов. СПб.: Лань, 2004. - 336 с.

58. Салова Т.Ю. Установление эксплуатационных допусков на регулировочные параметры топливной аппаратуры тракторных дизелей по составу отработавших газов. Автореф. Л.: Пушкин. 1988. - С.16.

59. Салова Т.Ю., Кашкин М.В. Оптимизация конструктивных параметров нейтрализатора отработавших газов энергетических установок // Материалы Международной научно-теоретической конференции. СПб.: СПбГПУ - 2004. -С. 51 -53.

60. Селиванов Н.И., Кирин B.C. Испытание и регулирование автотракторных двигателей: Учеб. пособ. Красноярск: Изд. Каснояр. гос. аграр. ун-та, 1997. 150 с.

61. Сердюк Д.В., Сердюк В.В., Ашкинази JI.A., Данилов A.M. Катализаторы горения бензинов и дизельных топлив // Автомобильная промышленность. -2001.-№5.-С. 23-26.

62. Смайлис В.И. Теоретические и экспериментальные основы создания малотоксичных дизелей / Дис. на соиск.уч. степени д-ра техн. JI. 1988.

63. Смайлис В.И. Проблемы снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей // Двигателестроение. 1979. - № 1. - С. 19 - 21.

64. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. JL: Машиностроение, 1972. -186 с.

65. Семенов Б.Н., Смайлис В.И., Быков В.Ю. Возможности сокращения выброса окислов азота с отработавшими газами быстроходного форсированного дизеля при сохранении высокой топливной экономичности / Двигателестроение. 1986. - №9. - С.3-6.

66. Снижение выбросов окислов азота с отработавшими маолооборотных судовых дизелей // MER: Mar. Eng. Rew. 1991 - Febr. - С. 10-14.

67. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Под. общ. ред. д.т.н. Некрасова Б.Б. Изд. 2-е. Минск.: Высш. шк. 1985. 498с.

68. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. JL: Машиностроение. - 1990. - 352 с.

69. Чертков Я.Б. Моторные топлива. Новосибирск: Наука, 1987. - 208с.

70. Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод / Часть 1. Основыме-ханики жидкости и газа. М. - 2003. - 157с.

71. Экологический контроль и аудит состояния агроэкосистем: Учеб. пособие / Громова Н.Ю., Салова Т.Ю. Под общ. Ред. Ходырева А.А. Индикатор,2000. - 75 с.

72. Lepperhoff G., Schommers J.Einfluss des Schmierols auf die PAN Emis-siontn von Verbrennungsmotoren // MTZ. - 1986. - Jg.47. - №9. - S.367 - 371.

73. Linke H. Ausblick: Renaissance des Diesels in den 90 er Jahreu / Krafthand.- 1990.- №5. -P. 176-179.

74. Jakobs R., Westbrooke K. Aspects of Influencing Oil Consumption in Diesel Engine for Low Emissions // SAE Technical Paper Series. 1990. - № 900587. -P. 1—18.

75. Tsujimura K., Kobayashi S. The Effect of Injection Parameters and Swirl on Diesel Combustion with High Pressure Fuel Injection // SAE Technical Paper Series.- 1991.-№ 910489.-P.13.