Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Характеристика основных источников загрязнений и способов борьбы с ними 8
1.2. Структура и свойства материалов, применяемых в качестве носителей катализаторов очистки 15
1.3. Подходы к описанию структуры и моделированию пористых сред 20
1.4. Параметры пористой структуры , 30
1.5. Обзор различных подходов к описанию структуры ВПЯМ 34
1.6. Фильтрация в пористых средах 38
1.7. Конструкции реакторов каталитической очистки газов 44
1.8. Постановка задачи исследования 48
Глава 2. Материалы и методики исследования 50
2.1. Высокопористые ячеистые материалы с развитой поверхностью 50
2.2. Методики исследования структуры ВПЯМ и катализаторов на его основе 59
2.3. Методика проведения численного моделирования 63
Глава 3. Модель структуры и расчет некоторых макроскопических свойств носителей катализаторов на основе ВПЯМ 68
3.1. Геометрия структуры ВПЯМ 68
3.2. Распределение ячеек ВПЯМ по размерам 71
3.3. Исследование каталитического покрытия 73
3.4. Расчет тепло- и электропроводности ВПЯМ 83
3.5. Проверка модели и полученных зависимостей 85
Глава 4. Математические модели процессов, происходящих в устройстве каталитического обезвреживания газовых выбросов 90
4.1. Математическая модель течения газовой смеси сквозь ВПЯМ-катализатор 90
4.2. Численная реализация математических моделей . 95
Глава 5. Разработка и оптимизация устройств очистки газовых выбросов 103
5.1. Каталитические системы очистки выхлопных газов двигателей 103
5.2. Установки термокаталитического обезвреживания газовых выбросов 121
Общие выводы 145
Список использованной литературы 146
- Структура и свойства материалов, применяемых в качестве носителей катализаторов очистки
- Методики исследования структуры ВПЯМ и катализаторов на его основе
- Распределение ячеек ВПЯМ по размерам
- Численная реализация математических моделей
Введение к работе
Актуальность темы. Промышленные производства, выбрасывая широкий спектр вредных веществ в различных сочетаниях, таких как угарный газ, сажа, алифатические и ароматические углеводороды различных классов, включая канцерогенные, спирты, кетоны, эфиры, альдегиды, гетеросоединсния, оксиды азота и пр., являются источниками загрязнения атмосферного воздуха. Подобные загрязнения резко ухудшают состояние окружающей среды и здоровье населения.
Существуют различные подходы к решению таких проблем. В частности, рациональные методы сжигания топлива, альтернативные источники энергии, а также методы очистки газов, в том числе: адсорбционный, мембранный, микробиологический, термический, каталитический. Среди данных методов каталитическое сжигание является важным элементом борьбы с загрязнением воздуха во всем мире. Каталитическое сжигание - подходящий метод в очистке воздуха от низких концентраций летучих органических соединений в газовых выбросах предприятий, на рабочих местах и в жилищах.
На эффективность катализатора и каталитического процесса в целом значительно влияют характеристики используемого носителя катализатора: пористая структура, форма и размер структурных элементов, условия тепло- и массообмена, а также гидродинамические характеристики.
Одними из наиболее перспективных по совокупности характеристик носителей катализаторов являются высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ). Активные исследования по применению высокопористых материалов в качестве носителей катализаторов начались лишь в последние годы, хотя сам класс материалов известен с середины XX века. Имеется ряд математических моделей структуры пористых материалов, в том числе и ВПЯМ, позволяющих проводить расчеты устройств на их основе с использованием вычислительной техники. При этом основными свойствами, по которым определяется
5 адекватность моделей, является соответствие экспериментальным данным механических и прочностных свойств материала.
Существует потребность в построении моделей гидравлических, фильтрационных свойств материалов, описывающих тепло- и массообмен, гидродинамические характеристики, взаимодействие газового потока и каталитического слоя. Известны теоретические модели строения структуры ВПЯМ, позволяющие описать некоторые из этих свойств. Это физические модели, основанные на геометрическом соответствии ячейки ВПЯМ и ячейки модели. Однако существующие модели ячейки ВПЯМ не могут полностью описать дальний порядок структуры материала без применения подгоночных параметров, что требует значительного числа экспериментальных данных.
Кроме характеристик катализатора и его носителя, принципиальной частью систем каталитической очистки является конфигурация реактора. Возрастание требований к материалам и конструкциям, усложнение и удорожание технологических процессов подводит к необходимости развития более точного прогнозирования свойств и параметров работы устройств каталитической очистки газовых выбросов с использованием методов математического моделирования. Исследования по теории химических реакторов получили широкое распространение. Этому способствовало представление об основных процессах в химическом реакторе, развитие теории и экспериментальных исследований по кинетике реакций, широкое применение вычислительной техники. Поэтому расчет и оптимизация конструкций каталитических реакторов для очистки газовых выбросов с использованием ВПЯМ в качестве носителей катализаторов является актуальной проблемой.
Целью данной работы являлась разработка способов расчета и оптимизации конструкций каталитического дожига с использованием ВПЯМ. Расчёт и оптимизация с использованием предложенных методов устройств очистки газовых выбросов.
Поставленные цели достигались путем решения следующих задач: а) выбор модели элементарной ячейки ВПЯМ, наиболее полно отражающей исследуемые функции материала; б) разработка модели тепло- и массообмена в ВПЯМ- блоке; в) разработка способов расчета и оптимизации конструкций каталитических реакторов обезвреживания газовых выбросов, использующих ВПЯМ, методом компьютерного моделирования.
Научная новизна. В работе разработана физическая модель ВПЯМ, основанная на максимальном геометрическом соответствии структуры ф элементарной ячейки ВПЯМ модельной. Принятая модельная ячейка в виде объемно-центрированной кубической (тетракисдодекаэдр), является изотропной и пространственно-периодической, что позволяет распространить полученные для нее закономерности на весь объем материала. С помощью полученной модели разработаны методы расчета и оптимизации каталитических узлов на основе ВПЯМ различных устройств очистки газовых выбросов.
Практическая значимость. Определены условия оптимальной области работы сложнооксидных каталитических блоков на основе ВПЯМ, показана возможность их применения в промышленных каталитических реакторах и W нейтрализаторах выхлопных газов дизельного двигателя.
Разработаны и находятся в опытной эксплуатации конструкции устройств каталитической очистки: а) очистки выхлопа дизельного двигателя маневрового тепловоза от сажи и NOx с использованием каталитических блоков на основе ВПЯМ; б) локальной очистки газов и воздуха от паров и аэрозолей органических веществ, оксида углерода, аммиака и озона на промышленных предприятиях.
Получена 95-99% очистка газовых выбросов от токсичных соединений.
7 Положения выносимые на защиту;
1. Модель структуры ВПЯМ, геометрически близкая к реальной, позволяющая описывать процессы взаимодействия ВПЯМ с внешней средой как в ближнем, так и в дальнем порядке структуры.
2. Модели процессов взаимодействия ВПЯМ и протекающего сквозь него газового потока, позволяющие моделировать работу узлов каталитической очистки газовых выбросов на основе ВПЯМ и прогнозировать режимы и параметры их работы.
3. Методика расчета гидравлических и температурных параметров узлов ф каталитических реакторов обезвреживания газовых выбросов на основе разработанных моделей с использованием коисчноэлементных численных методов, позволяющая моделировать работу реакторов любой сложности.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и изложены на следующих международных и российских конференциях и семинарах; Junior Euromat'96, Лозанна, Швейцария, 1996 г.; конференции по пеноматериалам Metfoam'99, Бремен, Германия, 1999 г.; российско-голландском семинаре по катализу «Катализ для устойчивого развития», Новосибирск, Россия, 2002 г; научно- техническая конференция Экологические проблемы промышленных регионов. 4l «Уралэкология-Техноген» Екатеринбург, 2003 г.; конференция по пеноматериалам Metfoam'03, Берлин, Германия, 2003 г; XVH Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Казань, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, 1 патент РФ.
Структура и свойства материалов, применяемых в качестве носителей катализаторов очистки
Впервые катализаторы очистки газов в виде пакетов с множеством тонких фарфоровых трубок и стержней, расположенных в шахматном порядке и покрытых платиной (0,06-0,07мм), были разработаны в 50-е годы в США [6].
Однако, более совершенными в конструктивном отношении по газодинамическим характеристикам, механически прочными и термически устойчивыми, оказались монолитные керамические носители с регулярными сквозными отверстиями (сЬ-1-2мм) в виде сот различной формы [7].
Замена гранулированных носителей монолитными сотовыми позволяет, из-за большего развития поверхности катализаторов (до 4 раз в единице объема), сократить массу катализатора и объем реакторов почти вдвое [8].
В работе [9] показано, что в кинетической области реакций блочные катализаторы всегда эффективнее, причем наиболее выгодны блоки с большим числом тонких отверстий. Однако, блочные катализаторы в виде массива параллельных каналов не могут обеспечить однородность процесса по сечению блока - необходимо поперечное выравнивание состава потоков в отдельных каналах, что возможно при разрыве системы сплошных каналов. Регулярная система сравнительно коротких каналов с разрывом между ними обеспечивает доступность поверхности каждого блока, что улучшает использование внутренней поверхности каталитического слоя, а также позволяет уменьшить внешнее диффузионное сопротивление в каналах. Наибольший интерес представляет структура носителя, состоящего из хорошо обтекаемых потоком элементов слоя, обеспечивающих наименьшее его гидравлическое сопротивление [10]. Пограничный слой набегающего потока регулярно разрушается, в результате чего массо- и теплообмен между ядром потока и поверхностью определяется толщиной пограничного слоя в неустановившемся режиме [11].
Все проницаемые блочные материалы можно разбить на две группы: материалы с неорганизованной и организованной макроструктурами. Первая группа состоит из проницаемых порошковых материалов, макроструктуры которых, несмотря на определённые статические закономерности, образованы случайным расположением структурообразующих элементов (частицы или волокна). Проницаемые порошковые материалы (ППМ) обладают пористостью 20-45% и размером каналов 10-200 мкм, а проницаемые волокнистые материалы (ПВМ) 30-80% и 20-300 мкм соответственно [12].
Вторая группа состоит из сетчатых, ячеистых и проницаемых сотовых материалов, макроструктуры которых организованы по заранее известному алгоритму. Проницаемые сетчатые материалы (ІЇСМ), получаемые прессованием и спеканием заранее изготовленных сеток, обладают пористостью 20-80%о и размером каналов 20-200 мкм [12], являются как бы Щ организованными волокнистыми макроструктурами. Высокопроницаемые ячеистые материалы (ВПЯМ), получаемые дублированием ячеистых полимерных материалов путём нанесения на них неорганического покрытия с последующим спеканием, имеют пористость 75-97% и размером каналов 200 5000 мкм. Высокопроницаемые сотовые материалы (ВПСМ), получаемые экструдированисм порошковых пластических масс через фильеры с последующей сушкой и спеканием, имеют пористость 50-80% и размер каналов 800-7000 мкм. Проволочная путанка, перфорированные гофрированные ленты, сворачиваемые в соты, полые металлические трубки — во многом повторяют свойства ПСМ и ВПСМ, и поэтому не выделены в отдельный класс проницаемых материалов. Следует подчеркнуть, что в области предельно высокой пористости (более 90%) существуют только ВПЯМ.
По комплексу физико-механических и гидродинамических свойств ВПЯМ и ВПСМ, обладающие относительно большими размерами каналов (0.2-7 мм) и относительно высокой прочностью, можно использовать для решения проблем высокопроизводительных процессов фильтрации и катализа. Подтверждением сказанного являются данные таблицы 1.5 по гидравлическим потерям на блочных носителях с типичными для практики геометрическими размерами и макроструктурами при объёмной скорости газового потока 105 ч"1 (при оценке учтены потери, связанные лишь с вязким трением).
Что касается первого параметра, то и сотовые, и ячеистые носители, как уже было сказано, обладают высокой и легко регулируемой, за счёт изменения размеров каналов, проницаемостью. По второму параметру, который предопределяется как макроструктурой носителя, так и химическим составом материала, блочные носители сотовой структуры на сегодняшний день имеют лучшие показатели, чем ячеистые. Третий параметр, определяемый химическим составом материала, практически не зависит от макроструктуры и поэтому может быть одинаковым для обоих классов сравниваемых материалов.
Для оценки четвёртого параметра ВПЯМ и ВПСМ, имеющих высокие значения пористости и размеров каналов, необходимо провести анализ тепло- и массопереноса в таких материалах. Величина коэффициента тепло- и массопереноса при течении газов в проницаемых структурах зависит от многих факторов. Наиболее существенным из них являются: причина движения (естественная или вынужденная конвекция), режим течения (ламинарный или турбулентный), линейная скорость, теплофизические параметры газа, геометрическая форма и размеры каналов. Интенсивность процессов тепло- и массообмена между газовым потоком и поверхностью характеризуется критерием Нуссельта (Nu), который для широкого спектра геометрических конфигураций каналов и различных режимов течения газов при вынужденной конвекции можно оценить по следующим формулам [13].
Методики исследования структуры ВПЯМ и катализаторов на его основе
Параметрами пенополиуретана, исчерпывающим образом характеризующими структуру материала, являются средний размер ячейки и плотность. Методика их измерения приведена в соответствующих нормативных документах [100-102]. Поскольку при изготовлении различных ВПЯМ структура исходного ППУ воспроизводится в готовом материале, те же структурные параметры будут, очевидно, характеризовать и ВПЯМ. Структура ВПЯМ обладает, кроме того, рядом особенностей, отличающих ее от структуры пенополиуретановой матрицы: наличие канальной пористости и микропористости перемычек, различие в состоянии их поверхности и формы, зависящих от конкретного вида и технологии получения ВПЯМ. Описание основных особенностей структуры ВПЯМ и некоторые количественные оценки структурных параметров приведены в [12].
Основными критериями выбора опорных характеристик структуры являлись отработанность методики измерения параметра, ее точность и удобство, а также известная или предполагаемая степень влияния того или иного параметра на проницаемость материала. Общепринятыми при описании свойств пористых проницаемых материалов являются такие параметры, как пористость и характерный размер поры. По критерию предложенному Черемским [21] о разделении общего объема нор пористого тела, принципом разделения является относительность размеров пор и основных элементов структуры скелета пористого тела. Поры, размеры которых значительно превышают элементы структуры, предложено называть макропорами. Мезопоры соизмеримы с элементами структуры. Поры существенно меньше структурных частиц относятся к микропорам.
Пористость (суммарная) ВПЯМ включает в себя, как отмечалось выше, три относительно независимых типа: микропористость стенок перемычек, канальную пористость (мезопоры) и пространство внутри ячеек материала, называемое в дальнейшем макропористостью ВПЯМ. К важнейшим факторам, определяющим каталитические свойства композиций, относятся такие их параметры как величина удельной поверхности и ее фрактальная размерность, размеры частиц и их распределение по размерам. Очень сильное влияние на характеристики каталитических материалов оказывает их физико-химическое состояние в момент получения и в ходе эксплуатации, а также термическая предыстория. Различные взаимодействия активных покрытий с носителями, а также структурное состояние самого носителя, способны изменять как состояние их поверхности, дефектную структуру, так частично и фазовый, химический состав. Поэтому, для получения катализаторов с заданными эксплуатационными характеристиками необходимы данные, как о параметрах пористой структуры, так и о структурном состоянии носителя, оксидного слоя, активного покрытия.
Структурное состояние и фазовый состав образцов были определены с помощью рассеяния нейтронов на дифрактометрах Д-2 и Д-3, установленных на горизонтальных каналах реактора ИВВ-2М. На дифрактометре Д-3 пучок нейтронов с длиной волны 0,243 им формировался с помощью двойного кристалла-мопохроматора (пирографит (002) - германий (111)). Для отсечения кратных гармоник использовался фильтр из монокристаллов пиролитического графита. На дифрактометре Д-2 пучок нейтронов с длиной волны 0,181 нм формировался с помощью двойного кристалла-монохроматора (германий (111) - пирографит (004)),
Изучение рассеяния нейтронов в области малых углов было выполнено на дифрактометрах Д-2 и Д-6. В случае дифрактометра Д-2 при измерениях использовался коллиматор с окном (1 х 40) мм2 с расходимостью 30 угловых минут. Минимальный угол регистрации равен 1,3 угловым градусам, что соответствует вектору рассеяния q — Aiz&m&lA. = 0,7 нм" .
На дифрактометре Д-6 для формирования нейтронного пучка и фильтрации его от быстрых нейтронов и реакторного /-излучения был использован изогнутый неитроновод прямоугольного сечения. Средняя длина волны составляла 0,478 им. Минимальный угол регистрации равен 16 угловым минутам, что соответствует вектору рассеяния q — 4 я-sin (9/Я = 0,06 им"1.
Все измерения проводились при комнатной температуре. Расчет неитронограмм выполнен с помощью программы профильного анализа "Fullprof [103]. Для обработки данных малоугловых измерений использовались соотношения из [104].
По данным неитронограмм ы определялась плотность амплитуды рассеяния нейтронов элементарной ячейки у-А120з- Из сравнения дифракционных линий различных образцов с нанесенным вторичным носителем определяется тип кристаллической структуры образца (пространственная группа).
Угловые зависимости интенсивности малоуглового рассеяния нейтронов измерялись на всех шести образцах. Затем величины интенсивностей были переведены в абсолютные единицы, количественно характеризующие взаимодействие нейтрона со средой - макроскопические сечения рассеяния. В качестве эталонного образца использовалось органическое стекло (полимстилметакрилат).
Исследование суммарной пористости ВПЯМ производилось методом ртутной порометрии. В основе метода лежит свойство ртути (как жидкость не смачивающая поверхность большинства твёрдых тел) заполнять поры лишь при приложении внешнего давления.
Исследование пористой структуры катализаторов проведено с использованием отечественной ртутно-порометрической установки ПА-ЗМ производства технологического института им, Ленсовета г. Санкт-Петербург. Средняя относительная ошибка определения объёмов пор для тех или иных диапазонов находится в пределах 5-7%.
Исследования но теории химических реакторов получили широкое распространение с конца 50-х годов 20 века. Этому способствовало представление об основных процессах в химическом реакторе, развитие теории и экспериментальных исследований но кинетике реакций, широкое применение вычислительной техники. Впервые моделирование было использовано в аэро- и гидромеханике [107]. В химической технологии физическое моделирование широко используют для изучения тепловых и диффузионных процессов [108]. В химическом реакторе протекают химические реакции, и происходит перенос тепла и вещества. Их взаимное влияние и результаты процесса зависят от размера и типа реактора. Для изучения этих процессов используют преимущественно математическое моделирование [109]. Математическая модель может быть знаковой, представленной уравнением, и реальной, представленной в физическим объекте, например компьютере. Схема математического моделирования химических процессов в каталитическом. реакторе показана на рис. 2.4 [110].
В каталитическом реакторе необходимо обеспечить наилучшие условия протекания процесса, для чего в реакторе имеются дополнительные элементы, кроме каталитических блоков: устройства ввода и вывода, смесители и разделители потоков, теплообменники. Поэтому реактор можно представить как некую химико-технологическую схему. Аппаратурное оформление исследованных в работе проточных реакторов довольно просто, однако в реакторах данного типа всегда присутствуют градиенты скорости, температуры и концентраций в каталитическом блоке. Из-за невозможности контроля возникающих неоднородностсй в данном случае нельзя определить систематические ошибки.
В проточном реакторе измеряют степень превращения от времени контакта и кинетические модели протекающих в нем реакции практически неразличимы, поэтому химическая кинетика процессов дожита в реакторах в данной работе не рассматривалась. Для расчета параметров математических моделей процесса в каталитическом блоке необходимо знать геометрические размеры и структуру каталитического блока, скорость, температуру и ф концентрации реагентов в потоке на входе в катализатор, кинетические и термохимические данные реакции, физико-химические свойства веществ, эффективные параметры переноса тепла и вещества. Последние определяются экспериментально. Определение гидравлических и энергетических характеристик устройств производилось методом численного моделирования с помощью программы конечно-элементного моделирования Ansys (аттестована Госатомнадзором России).
Распределение ячеек ВПЯМ по размерам
Будем считать подвижность и поверхностное натяжение всех границ ячеек в пене, формирующей структуру ВПЯМ, одинаковыми. Тогда распределение объемов ячеек в подавляющем большинстве случаев будет соответствовать наиболее вероятному разбиению объема на области при заданном среднем объеме области (v). Функция распределения ячеек по объемам f0(v) может быть найдена из условия максимума информационной энтропии [113].
Электронно-микроскопические исследования показали, что исходный гидроксид алюминия имеет слоистую, высокопористую поверхность (рис. 2.2). Выявлен большой разброс размеров полученных кристаллитов от 1,093 мкм до 47,0 мкм. Регулирование микропористости, удельной поверхности, распределения пор и их объема слоя оксида алюминия, полученном из бемита, можно осуществить посредством контроля размеров, морфологии и упаковки исходных кристаллитов гидроксида, регулированием процессов образования центров кристаллизации и условий ее проведения. Условия термообработки гидроксида определяет размер и фазовый состав образующихся агломератов. Основной вклад в поровое пространство образованного покрытия вносят мезопоры.
Бимодальное распределение размеров пор в покрытии оксида алюминия различных модификаций При низкой температуре прокаливания система микропор состоит из плоских параллельных пор с размером не более 2 нм, параллельных граням исходных кристаллов. При дальнейшем нагревании эта система пор заменяется цилиндрической системой с той же ориентацией. Пористость образуется вследствие упаковки, возникающих при термообработке кристаллитов оксида алюминия, причем макропористость развивается за счет конечного размера образующихся агломератов.
Развитие мелких пор в процессе нагрева образует «коридор из пор» -широкие сквозные поры, необходимые для свободного массопереноса реагентов не только в структуре носителя - высокопористого ячеистого материала, но и в поверхностном слое оксида алюминия. Такого типа носители, обеспечивают замечательные свойства материала в качестве носителя в гетерогенном катализе.
Исследования характеристик каталитического покрытия распределение пор, удельная поверхность, объемы сорбирующих пор (табл. 3.3) показывают, что их абсолютные значения не будут оказывать такого значительного влияния па макроскопические характеристики как макроструктура ВПЯМ. В исследованных каталитических блоках, как видно на рис. 3.3, всегда имеется свободная поверхность ВПЯМ, контактирующая с газовым потоком. Таблица 3.3 Поровые характеристики различных форм покрытий ЛІ2О3 па ВПЯМ
С помощью методик упругого когерентного и не когерентного рассеяния нейтронов на дифрактометре Д-3 получена информация о пористой структуре катализаторов, изучен эффект малоуглового рассеяния нейтронов на ВПЯМ с покрытием У-АІ2О3. Расчет нейтронограммы (рис. 3.5) показывает, что образец № 5 (таб.: 2.1.) имеет кубическую структуру (пространственная группа Fd3m).
Параметр решетки приближенно равен а = 0.79 нм. Согласно [105] в элементарной ячейке у- фазы окиси алюминия содержится 10.667 формульных единиц. Эти данные позволяют определить необходимую нам в дальнейшем плотность амплитуды рассеяния нейтронов элементарной ячейки у-А120з : Р= (Щ лгЬАі+No-bo)) I К (3.12) где Nfu - число формульных единиц в элементарной ячейке, NA! и N0 число атомов алюминия и кислорода в формульной единице, V - объем элементарной ячейки. Подставляя в (3.12) указанные выше значения структурных параметров получим: р= (10.667-(2-0.345 + 3-0.58)) / (7.9)3 - 5.26 см"2.
Расчет показывает, что при этом сохранился и параметр решетки. Тогда, в случае образца № 6 для средней амплитуды рассеяния нейтронов элементарной ячейкой можно взять то же значение, что и для образца № 5, т.е. р = 5.26 см2.
Расчет нейтронограммы показывает, что основные дифракционные линии соответствуют кубической структуре, (пространственная группа Fm3m). Параметр решетки равен, примерно, a = 0.351 нм. Слабые линии (отмечены стрелками на рис. 3.6) соответствуют рассеянию нейтронов на поликристаллическом слое у-А120з, нанесенном на нихромовый носитель. Итак, нихромовый ВІТЯМ имеет кубическую структуру с параметром решетки, равным 0.351 нм. Эти данные хорошо согласуются с приведенными в справочной литературе. Угловые зависимости интенсивности малоуглового рассеяния нейтронов измерены на всех шести образцах. Затем величины интенсивностей были переведены в абсолютные единицы, количественно характеризующие взаимодействие нейтрона со средой - макроскопические сечения рассеяния. За эталонный образец взят полиметилметакрилат.
Численная реализация математических моделей
Нейтрализатор выхлопных .сазов дизельного двигателя, в отличие от нейтрализатора выхлопных газов карбюраторного двигателя в настоящее время не выпускается ни одной фирмой в мире по следующим причинам: 1. Состав выхлопных газов дизеля всегда содержит избыток воздуха (кислорода), что делает проблематичным восстановление оксидов азота. 2. В выхлопе дизеля всегда присутствует сажа, окислить которую до диоксида углерода весьма сложно. 3. В зависимости от качества топлива, в выхлопе всегда присутствует диоксид серы, которая или выводит из строя (сульфатирует) каталитические блоки, или окисляется до более токсичного и агрессивного триоксида серы (серный ангидрид). 4. Температура выхлопных газов дизеля существенно ниже выхлопных газов карбюраторного двигателя и резко меняется при различных режимах работы двигателя.
Исследования процесса протекания газового потока через блок ВПЯМ, показали, что проницаемость блока целиком и полностью определяется свойствами ВПЯМ и не зависит от характеристик потока. Результаты экспериментального исследования газодинамических характеристик носителей катализаторов показали, что сквозные отверстия в пластинах ВПЯМ резко снижают сопротивление газовому потоку при его больших скоростях, не меняя характера течения газа через ВПЯМ и химического взаимодействия компонентов газа с каталитической поверхностью ВПЯМ. Расчетная модель, построенная на данных экспериментальных исследований, показала, что наличие отверстий в ВПЯМ до определенного диаметра равнозначно кажущемуся увеличению диаметра ячейки, а наличие промежутков определенной длины между пластинами ВПЯМ, вне зависимости от их расположения, равнозначно кажущемуся снижению плотности ВПЯМ.
Ведущие мировые фирмы (Engelhard, Haldor Topsoe A/S) выпускают мелкими сериями сажевые фильтры и дожигатели топлива и оксида углерода, стоимость которых составляет $5000 за единицу, при этом эти устройства требуют использования малосернистого топлива (содержание серы менее 0,05%) и весьма требовательны в квалификации персонала в эксплуатации.
В результате проведенных в РИТЦ ПМ исследований показано, что структура ВПЯМ эффективно улавливает наиболее мелкие частицы в газах с коэффициентом фильтрации твердой фазы 95%. Каталитические блоки на основе нихромового ВПЯМ были установлены в коллекторе выхлопных газов блока цилиндров двигателя Камаз-740 рабочим объемом 10,85 л, мощностью 210 л.с. Испытания показали, что эффективность дожига монооксида в дизельном двигателе находится в сильной зависимости от температуры газов, определяемой нагрузкой, поэтому в данном случае целесообразна конструкция дожигателя с постоянной оптимальной температурой 450-500С. Это позволило бы так же резко снизить дымность выхлопа, так как в ходе испытаний было отмечено наличие сажи в выхлопе только при пуске двигателя и холостом ходу.
В РИТЦ ПМ разработана концепция блочного катализатора, в котором температура, необходимая для поддержания каталитического дожига вредных примесей в воздушном потоке, достигается пропусканием через нихромовый ВПЯМ электрического тока. При этом вся потребляемая для нагрева энергия выделяется в требуемом месте - на поверхности каталитического блока, где и происходит окисление сорбированных каталитической поверхностью из газовой фазы органических соединений. Проведенные эксперименты показали, что при пропускании тока в блоках из нихромового ВПЯМ, в них развиваются значительные градиенты температуры, как вблизи токоподводов, так и от осевой линии параллельной направлению проходящего тока. Разрушение происходит в плоскости перпендикулярной к направлению пропускания тока. Анализ поверхности разрушения показывает, что оно происходит с подплавлением перемычек ВПЯМ. Первоначально плавятся перемычки, близкие к осевой линии, далее разрушение распространяется к периферии в силу возрастания плотности тока и температуры в остающихся перемычках. Это объясняется большим градиентом температур, низкой теплоемкостью и большой излучательной поверхностью ВПЯМ. При таких больших градиентах температуры в ВПЯМ создаются значительные механические напряжения. Внешняя часть образцов испытывает растяжение, а внутренняя - сжатие. При больших скоростях нагрева разрушение может начинаться в хрупких периферических областях образцов ВПЯМ. Анализ структур изломов показал, что в таких случаях может происходить перегрев и усадка в центральной части, ее отрыв от периферической. Учитывая сказанное, дальнейшие эксперименты проводили с использованием тепловой изоляции боковых поверхностей ВПЯМ. Для согласования электрических параметров БК с электрическими параметрами источника электропитания автомобиля необходимо было оптимизировать конструктивно- геометрические параметры блоков ВПЯМ в нейтрализаторах.
