Методы снижения токсичности отработавших газов автомобилей

Методы, используемые для снижения токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием, делятся на две основные категории: конструктивные методы и очистка отработавших газов. Основные промышленно развитые страны стремятся внедрить у себя (или уже приняли) строгие нормы предельной токсичности отработавших газов. Выполнение этих норм требует использования систем снижения токсичности, включающих трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который уже доказал свою эффективность в США, Европе и Японии

Снижение токсичности методом дозирования топлива

Рабочая смесь, качество которой определяется коэффициентом избытка воздуха λ, оказывает решающее влияние на состав отработавших газов.

Двигатель обеспечивает получение максимального крутящего момента при λ = 0,9 – эта величина обычно программируется для режима полной нагрузки двигателя. Оптимальная топливная экономичность достигается при смесях, характеризующихся λ = 1,1. Это совпадает с возможностью получения низких выбросов CO и CH. Однако выбросы оксидов азота (NO_x) при этом оказываются максимальными. Коэффициент избытка воздуха λ = 0,9 … 1,05 выбирается для режима холостого хода двигателя.

Слишком обедненная смесь приводит к появлению пропусков воспламенения, а так как смесь постепенно обедняется и далее, это влечет за собой быстрое увеличение выбросов СН.

Для предотвращения работы двигателя на сверхвысоких оборотах, когда требуется постоянное использование богатой смеси, осуществляется полное прекращение подачи топлива к двигателю.

Системы впрыска топлива позволяют добиться более точного контроля за составом смеси и значительно снизить количество выбросов отработавших газов.

Снижение токсичности отработавших газов точным смесеобразованием

Однородность смеси, ее послойное распределение и температура в зоне свечи являются основными факторами при определении способности смеси к воспламенению и последующему сгоранию с соответствующим влиянием на состав отработавших газов.

Однородные смеси и регулируемое послойное смесеобразование (богатая смесь у свечи зажигания и бедная смесь вблизи стенок камеры сгорания) представляют два пути совершенствования процесса смесеобразования.

На двигателях с одноточечным впрыском топлива для предотвращения отложения пленки топлива на стенках впускного трубопровода используется предварительный нагрев воздуха и впускного трубопровода.

Равномерное распределение

Максимальный коэффициент полезного действия (к.п.д.) двигателя может быть достигнут только при одинаковом коэффициенте избытка воздуха в каждом цилиндре.

Рециркуляция отработавших газов как способ снижения токсичности отработавших газов

Отработавшие газы направляются обратно в камеру сгорания для снижения максимальной температуры сгорания с целью снижения образования NO_x. Оптимизация системы EGR может также приводить к снижению расхода топлива. Система EGR используется любым из двух способов:

— внутренней рециркуляцией отработавших газов, обеспечиваемой соответствующей установкой фаз газораспределения (перекрытия клапанов);

— внешней рециркуляцией отработавших газов с применением управляемых клапанов.

Изменение фаз газораспределения

Большой угол перекрытия клапанов (при раннем открытии впускного клапана) позволяет увеличить внутреннюю рециркуляцию отработавших газов и поэтому может помочь в снижении выбросов NO_x. Однако, так как рециркулирующие отработавшие газы вытесняют свежую топливовоздушную смесь, то раннее открытие впускного клапана также ведет к уменьшению максимального крутящего момента. Кроме того, чрезмерная рециркуляция отработавших газов, особенно при работе двигателя на холостом ходу, может стать причиной перебоев в зажигании, что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов углеводородов (НС). Оптимальным решением является применение изменяемых фаз газораспределения, когда фазы газораспределения варьируются для оптимального приспосабливания процесса сгорания к условиям работы двигателя.

Влияние степени сжатия на количество токсичных компонентов отработавших газов

Ранее считалось, что повышение термического коэффициента полезного действия (к.п.д.) путем роста степени сжатия представляется эффективным мероприятием для улучшения топливной экономичности. Однако при этом одновременно увеличивается и максимальная температура сгорания, которая вызывает более высокую концентрацию выбросов NO_x.

Конструкция камеры сгорания

Снижение выбросов CH обеспечивается компактной камерой сгорания, имеющей минимальную площадь поверхности с отсутствием выемок. Центральное расположение свечи зажигания обеспечивает короткий путь распространения пламени, позволяя получить быстрое и относительно полное сгорание рабочей смеси, что приводит, кроме низких выбросов CH, к пониженному расходу топлива. Турбулизация рабочей смеси в камере сгорания обеспечивает более быстрое сгорание. Кроме создания двигателей, способных работать на обедненных смесях, оптимизация формы камеры сгорания дает возможность снизить концентрацию CH при λ = 1.

Создания вихревого движения смеси во впускном канале и оптимизация формы камеры сгорания позволяют использовать переобедненные рабочие смеси (λ = 1,4…1,6). Такие двигатели характеризуются низкой токсичностью и очень хорошей экономичностью, они не нуждаются в каталитической очистке отработавших газов. Разработки в области снижения выбросов NO_x у двигателей, работающих на переобедненных смесях, еще находятся в начальной стадии. Такие двигатели вплоть до настоящего времени с успехом применялись в Европе и Японии. Имелось только несколько моделей, использующих концепцию обедненных смесей, когда достигался компромисс между токсичностью отработавших газов и расходом топлива.

Система зажигания автомобилей

Конструкция свечи зажигания, ее положение в камере сгорания, а также энергия и продолжительность искрового разряда – все эти параметры оказывают существенное влияние на воспламенение смеси, продолжительность ее сгорания, а поэтому и на токсичность компонентов отработавших газов. Важность этих факторов возрастает в прямой зависимости от обеднения смеси (λ > 1,1). Установка момента зажигания оказывает решающее влияние как на токсичность, так и на расход топлива. При выборе момента зажигания приходится (иногда в ущерб расходу топлива) для снижения выбросов CH и NO_x выбирать более поздние углы опережения зажигания. Вместе с подачей в избытке кислорода это поднимает температуру в выпускной системе и позволяет дожигать СО и СН.

Этот метод приводит к снижению выбросов NO_x и несгоревших углеводородов, но за счет увеличенного расхода топлива. С другой стороны, если выбирается слишком большое опережение зажигания, это приводит к увеличению расхода топлива и выбросов NO_x и СН.

Вентиляция картера двигателя

Концентрация углеводородов в картере двигателя может во много раз превышать регистрируемую в отработавших газах. Система регулирования вентиляции картера перепускает картерные газы во впускной тракт двигателя, откуда они попадают в камеру сгорания для дожигания. Раньше эти газы выпускались неочищенными непосредственно в атмосферу; сейчас наличие системы снижения токсичности картерных газов является обязательным требованием.

Лекция 11. ОЧИСТКА И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ

1. Проектирование предприятия важный этап охраны природы

2. Классификация методов очистки отходящих газов

3. Механические методы очистки с использованием гравитационных и центробежных сил, методы фильтрации

4. Промывные методы очистки газов

5. Электростатические, адсорбционные, каталитические и термические методы очистки газов

Важным природоохранным этапом является стадия проектирования предприятия. Если на ее стадии будут решены вопросы охраны окружающей среды, то бед будет гораздо меньше. Поэтому проекты проходят тщательную санитарную и экологическую экспертизу.

При проектировании предприятий в проект следует включать создание малоотходных технологий, совершенствование конструкций аппаратов и оборудования, разработку систем очистки и рекуперации выбросов, определение допустимых выбросов, разработку мероприятий по созданию санитарно-защитных зон.

При планировании предприятий необходимо иметь в виду следующее.

В городах не разрешается размещать промышленные предприятия, распространяющие пылевидные и газообразные выбросы. Эти предприятия следует располагать вдали от городов, с подветренной стороны по отношению к ближайшему жилому району и отделять от границ жилых районов санитарно-защитными зонами.

Для уменьшения задымления, запыления и отравления газами воздуха предприятия должны располагаться на возвышенных местах, хорошо обдуваемых ветрами. Это увеличивает высоту выброса дыма и газов, а, следовательно, и их разбавление.

Кто же контролирует, то есть заставляет предприятия очищать отходящие газы. Это, в первую очередь, санитарно-эпидемиологические станции (СЭС), которые осуществляют как предупредительный, так и текущий контроль. Существует государственная инспекция по охране атмосферного воздуха. Она рассматривает схемы размещения предприятий, контролирует источники загрязнения воздуха и следит за соблюдением ПДВ. На предприятиях существуют отделы или службы охраны природы, промышленные санитарные лаборатории.

Главным методом достижения ПДК является метод “высоких труб”, когда из рабочей зоны воздух откачивается вытяжной вентиляцией и без очистки выбрасывается в атмосферу через трубу определенной высоты. Но атмосфера в данном случае от вредных выбросов не очищается. Конечно, за счет химических процессов, происходящих в атмосфере, часть этих загрязнителей нейтрализуется. Другие же скапливаются в атмосфере, а потом оседают или в виде дождей выпадают на землю и на наши головы, загрязняя водные объекты.

Но существуют и активные методы очистки газов. Они подразделяются на:

1. Механические методы:

1.1. Очистка в сухих механических пылеуловителях

1.2. Очистка в мокрых пылеуловителях

1.3. Очистка газов в фильтрах

2. Промывные (абсорбционные) методы

3. Электростатический метод

4. Адсорбционные методы

5. Каталитические методы

6. Термические методы

Механические методы очистки. В этих методах используются эффект действия гравитационных или центробежных сил, а также фильтрация через пористые перегородки.

Наиболее просты по конструкции и в эксплуатации пылеосадительные камеры, в которых частицы пыли отделяются от газового потока под действием силы тяжести. Главное предназначение аппарата — обеспечение определенного времени пребывания газового потока в обособленном пространстве и непрерывное или периодическое отведение осевшей пыли.

Существуют также инерционные пылеуловители, циклоны. Принцип работы циклона. Газ подается в цилиндрическую камеру по тангенсальной направляющей. Вращаясь внутри циклона, газ вначале опускается вниз камеры, а затем по центральному патрубку выходит наружу. Частицы пыли отбрасываются центробежной силой к стенке аппарата и осыпаются в бункер.

Фильтрационная очистка. Тонкая механическая очистка отходящих газов достигается путем фильтрации через пористую перегородку из тканевых и нетканых материалов. Наиболее распространены тканевые фильтры, например рукавные.

Промывные или мокрые способы.На промывке газов жидкостью основана их мокрая очистка от аэрозолей. Это универсальный метод очистки отходящих газов от пыли, дыма и тумана с любым размером частиц. Поэтому он чаще всего применяется в качестве последнего этапа очистки после механического удаления примесей. К мокрым пылеулавливающим аппаратам относятся скрубберы, барботажные и пенные аппараты, струйные газопромыватели, аппараты Вентури. Мокрые способы очистки газов применяются, например, при очистке от сернистого газа и сероводорода. Причем, на улавливании этих газов основано производство серной кислоты и гидросульфида натрия.

По такой же схеме можно очистить газ от оксида азота:

На мокром улавливании основано также производство некоторых редких металлов, таких как индий, кадмий, и др. В данном случае, например, при производстве цинка индий переходит в возгоны, т.е. в газ, который затем улавливается как в дистиллировочном аппарате. Эти возгоны собирают, а затем используют в качестве полупродукта для производства металла.

Но мокрые способы очистки газов имеют и недостатки. При очистке получают разбавленные растворы и шламы, которые затем нужно куда-то утилизировать. Кроме этого из-за высокой коррозионной активности газов и полученных растворов оборудование приходится делать в коррозиостойком исполнении и по возможности герметичным, что удорожает стоимость этого оборудования.

Электростатическая очистка газов. Данный способ реализуется в аппаратах, называемых электрофильтрами. Основными функциональными устройствами электрофильтров являются осадительный и коронизирующий электроды. Между ними создается электрическое поле высокого напряжения (30-100 кВ). Поскольку коронизирующие электроды изготавливаются из относительно тонких стержней, то около них создается поле высокой напряженности, вызывающее интенсивную ионизацию газовых молекул. Этот процесс и вызывает образование вокруг электродов светящейся короны. Под действием электрического поля заряженные аэрозольные частицы движутся от коронизирующего электрода к осадительному, прилипают к нему, отдавая свой заряд, а затем осыпаются в пылесборную камеру.

Адсорбционные методы. Адсорбция – диффузионный процесс, в котором происходит взаимодействие между газом и поверхностью твердых тел. Адсорбционные методы используют для очистки газов с невысоким содержанием газообразных и парообразных примесей. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию).

В качестве адсорбентов используют пористые материалы синтетического и природного происхождения с высокоразвитой внутренней поверхностью:

— селикагели – гидратированные аморфные кремнеземы (SiO₂ .nH₂O);

— алюмогель – активный оксид алюминия (Al₂O₃ .nH₂O), получаемый прокаливанием различных гидроксидов алюминия;

— цеолиты – алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов;

— иониты — высокомолекулярные соединения.

Методы каталитической очистки газов. Суть каталитических процессов газоочистки заключается в химическом преобразовании подлежащих обезвреживанию примесей в другие продукты в присутствии специальных катализаторов, роль которых сводится к увеличению скорости химических взаимодействий. Катализатор обеспечивает взаимодействие на его поверхности преобразуемых веществ, образование промежуточных поверхностных соединений катализатора и реагирующих веществ с последующим формированием продуктов катализа и восстановлением поверхности катализатора. В качестве катализаторов используют металлы платиновой группы (платина, палладий, рутений, родий) или более дешевые, но менее эффективные и стабильные в эксплуатации составы, включающие никель, хром, медь, цинк, ванадий, церий и другие элементы.

Термическая очистка газов. Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей, продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Их преимуществом является простота используемой аппаратуры и универсальность использования – независимо от состава обрабатываемых газов.

Термическая очистка широко применяется в лакокрасочных производствах, процессах получения некоторых видов химической, электротехнической и электронной продукции, пищевой промышленности, окраске деталей и других процессах. Прямое сжигание используют, когда концентрация горючих веществ в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. Процесс проводят в топочных устройствах, промышленных печах и в открытых факелах. В некоторых случаях отходящие газы со значительным содержанием горючих компонентов могут быть использованы как топливо.

Дата добавления: 2016-01-26 ; просмотров: 4513 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ