Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояние проблемы уменьшения загрязнения атмосферного воздуха от вредных выбросов тепловозов и специального подвижного состава 13
1.1. Влияние вредных выбросов от тепловозов на загрязнение атмосферного воздуха 13
1.2. Нормирование выброса вредных веществ от подвижного состава и роль железнодорожного транспорта в загрязнении окружающей среды 19
1.3. Воздействие вредных выбросов от специального подвижного с состава на загрязнение окружающей среды и воздуха рабочей зоны .. 30
1.4. Состав отработавших газов дизелей тепловозов и специального подвижного состава и влияющие на него факторы 32
1.5.Оценка токсичности тепловозов и специального подвижного соста ва 37
1.6. Способы уменьшения вредных выбросов от двигателей внутрен него сгорания 41
1.7.Оценка влияния вредных выбросов от путевых машин на загазованность тоннеля при ремонтных работах 43
Выводы 47
2. Исследование токсичности и дымности отработавших газов тепловозных дизелей 8ЧН 26/26 и 1Д12-400Б 48
2.1 Методика экспериментальной оценки токсичности отработавших газов тепловозов 48
о
2.2. Описание экспериментальной установки и методики измерения опытных данных 60
2.3. Экспериментальные исследование состава отработавших газов тепловозных дизелей 8ЧН 26/26 (ЗА-6Д49) и 1Д12-400Б 63
2.4.Оценка вредных выбросов от тепловозов ТГМ6 А и ТГМ23 Д... 71
Выводы 77
Исследованиеэффективности методов снижения содержания оксидов азота дизелей тепловозов и специального подвижного состава 78
3.1 Аналитические исследования влияния перепуск отработавших газов на качество свежего заряда 78
3.2 Исследование изменения токсичности отработавших газов при частичной их рециркуляции во всасывающую систему дизеля 83
3.3 Анализ результатов работы тепловозного дизеля с рециркуляцией отработавших газов 86
3.4. Результаты испытаний дизеля 1Д12-400 Б с рециркуляцией газ о в 95
3.5. Исследование влияния изменения угла опережения впрыска топлива на токсичность тепловозных дизелей 100
3.6.Оценка влияния изменения угла опережения впрыска топлива на концентрацию оксида азота и энерго - экономические
характеристики дизелей 6ЧН21/2ІИ 1Д12-400Б 102
В ы вод ы 107
4. Теоретическое обоснование и расчет основных параметров нейтрализатора отработавших газов дизелей с гранулированными катализаторами 108
4.1 .Обоснование типа реактора каталитического нейтрализатора отработавших газов тепловозных дизелей 108
4.2.Описание экспериментальной установки и методики экспериментальных исследований 112
4.3. Исследование гидродинамики полупсевдоожиженного слоя катализатора в реакторах с переменным поперечным сечением 118
Выводы 144
5. Математическая модель газодинамических процессов в реакторе с блочными сотовыми катализаторами нейтрализатора отработавших газов 145
5.1. Основные расчетные уравнения 145
5.2.Исследование течения газа в диффузоре нейтрализатора (1-зона). 158
5.3.Исследование течения газа в реакторе (III- зона течения) 164
5.4.Исследование течения газа в области концентрических цилиндров (II-зона) 176
5.5.Исследования течения Газой смеси в эжекторе нейтрализатора (IV -зона) 177
Выводы 181
6. Исследование гидродинамических процессов в реакторе с блочными катализаторами 182
6.1. Структура носителей 182
6.2.Описание экспериментальной установки и методика исследова ний 183
6.3. Исследование гидродинамики реактора с блочными катализаторами.. 188
6.4. Оценка воздействия засаживания сотового каталитического блока на создаваемое противодавление 191
Выводы 203
7. Оценка эффективностии работы нейтрализатора отработавших газов тепловозов и специального подвижного состава
7.1.Исследование эффективности работы каталитического нейтрализатора 204
7.2. Исследование теплообмена в полупсевдоожиженном слое
катализатора 214
7.3. Исследование стабильности и долговечности работы катализаторов при ходовых испытаниях нейтрализатора 216
7.4. Разработка и испытание комбинированной системы обезвреживания отработавших газов 221
7.5. Результаты промышленных испытаний каталитического нейтрализатора тепловоза типа ТГМ6А 225
7.6.Разработка нейтрализатора отработавших газов для дизелей специального подвижного состава и автотранспорта 228
Выводы 232
8. Разработка новых методов регенерации катализаторов и их внедрение 233
8.1. Исследование процесса отложения соединений серы на катализаторе 233
8.2. 1.Исследования процесса накопления соединений серы на гранулированных катализаторах 237
8.3. Разработка методов восстановления активности катализаторов 250
8.4. Исследование процесса отложения соединений серы на
поверхности сотового каталитического блока 265
Выводы 270
Заключение 271
Литература
- Воздействие вредных выбросов от специального подвижного с состава на загрязнение окружающей среды и воздуха рабочей зоны
- Экспериментальные исследование состава отработавших газов тепловозных дизелей 8ЧН 26/26 (ЗА-6Д49) и 1Д12-400Б
- Исследование влияния изменения угла опережения впрыска топлива на токсичность тепловозных дизелей
- Исследование гидродинамики полупсевдоожиженного слоя катализатора в реакторах с переменным поперечным сечением
Введение к работе
Актуальность работы. Многие страны мира, в том числе и Россия, подписали ряд программных документов, которые определили согласованную политику по обеспечению устойчивого развития и сохранения биосферы Земли.
В «Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» отмечается, что устойчивое развитие страны - объективное требование времени. Один из важнейших путей реализации этой программы - безопасность сферы обитания (техносферы). При этом главнейшей задачей является обеспечение промышленной безопасности, которая становится особенно актуальной на предприятиях, подверженных опасным воздействиям природного и техногенного характера.
По мере развития транспорта загрязнение воздушной среды постоянно увеличивается. Если в 70 - 80 годы прошлого века вина за загрязнение окружающей среды делилась поровну между промышленностью и транспортом, то к концу века наметилась устойчивая тенденция увеличения доли транспорта, в том числе и железнодорожного. Несмотря на то, что железнодорожный транспорт из всех видов транспорта оказывает наименьшее негативное воздействие на природную среду, его доля в загрязнении природной среды остается высокой. Это происходит в результате выброса вредных веществ от подвижного состава, многочисленных производственных и подсобных предприятий, обслуживающих перевозочный процесс. Суммарный выброс вредных веществ от подвижного состава по разным оценкам составляет от 0,5 до 3 млн тонн в год; наблюдается устойчивая тенденция ухудшения экологической обстановки. Снижение выброса вредных веществ от железнодорожного транспорта - объективное требование времени, потому что с этим непосредственно связана промышленная безопасность железнодорожной отрасли. Поэтому с конца 50-х - начала 60-х годов интенсивно развиваются научные исследования по снижению вредных выбросов от транспортных средств с приводом от двигателей внутреннего сгорания как путем совершенствования их рабочего процесса, так и созданием систем обезвреживания отработавших газов. Большую роль в теоретическом и практическом решении проблемы сыграли труды Н.З. Битколова, В.А. Звонова, О.И. Жегалина, А.А. Кабанова, М.М. Конорева, Е.Е. Кос сова, В.Ф. Кутенева, В.А. Маркова, Ю.Н. Панкова, В.Н. Панчишногоі ІОЙ.нЛідарЯййДфцева.
Н.М. Поповой, В.И. Смайлиса, Э.А. Улановского, С.С. Филатова, Г.А. Фофанова и многих других.
Их исследования доказали, что для максимального снижения токсичности отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания необходимо применять комплексные средства обезвреживания вредных выбросов. Результаты научных исследований позволили перейти от испытаний единичных образцов к созданию комбинированных систем обезвреживания отработавших газов.
Диссертационная работа посвящена научному обоснованию технического решения актуальной проблемы - созданию систем обезвреживания отработавших газов для маневровых тепловозов промышленного назначения и специального подвилшого состава. Решение этой проблемы имеет важное народнохозяйственное значение и позволит значительно оздоровить условия труда и повысить промышленную безопасность отрасли.
Цель работы - повышение промышленной безопасности тягового железнодорожного подвижного состава.
Основные задачи работы:
1. Изучение состояния проблемы промышленной безопасности при
эксплуатации тепловозов в производственных условиях с ограниченным
воздухообменом и определение рациональных способов снижения их
негативного воздействия.
-
Разработка методики испытаний тепловозов на токсичность и на ее основе установление количественного выброса вредных веществ от тепловозов типа ТГМ6А и ТГМ23Д.
-
Оценка влияния граничных параметров рециркуляции отработавших газов, изменения угла опережения впрыска топлива на снижение концентрации оксидов азота как компонентов, определяющих токсичность тепловозных дизелей для применения в системах обезвреживания отработавших газов
-
Теоретическое обоснование для тепловозных двигателей с газотурбинным наддувом конструктивных параметров нейтрализатора с гранулированным катализатором, используемых в системах обезвреживания отработавших газов.
5. Разработка конструкции нейтрализатора отработавших газов с
применением сотовых катализаторов для дизелей тепловозов и специального
подвижного состава и создание математической модели происходящих в
реакторе газодинамической процессов.
., 4
-
Обоснование для тепловозов промышленного транспорта параметров систем обезвреживания отработавших газов, воздействующая на все нормируемые вредные компоненты.
-
Разработка новых технических решений регенерации отработанных катализаторов для их повторного использования и продления срока эксплуатации. Проверка эффективности работы в производственных условиях
-
Проведение стендовых и промышленных исследований по определению эффективности работы разработанных систем обезвреживания отработавших газов тепловозов промышленного транспорта и специального подвижного состава.
9. Оценка гигиенической и экономической эффективности систем
обезвреживания для тепловозов промышленного назначения.
Методологической основой диссертации послужили исследования концепции эксплуатации тепловозов и специального подвижного состава, изложенной в трудах отечественных и зарубежных ученых. В работе применены принципы и методы математического моделирования, теории подобия, математической статистики, теории размерностей, промышленного эксперимента.
Информационно-аналитическую базу исследования составляют: аналитическая информация, опубликованная в специальных научных изданиях, рекомендациях, материалах научно-практических конференций, и экспериментальные материалы, полученные автором в процессе исследований.
Достоверность и обоснованность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждены данными многократных стендовых исследований натурных образцов, практикой опытной эксплуатации и работоспособностью предложенных автором конструктивных и технических решений систем по обезвреживанию отработавших газов дизелей тепловозов, специального подвижного состава и автотранспорта.
Объектом исследования являются тепловозы промышленного транспорта в части обезвреживания отработавших газов.
Предметом исследования являются промышленная безопасность и системы обезвреживания отработавших газов двигателей тепловозов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика испытаний тепловозов на токсичность и проведена количественная оценка выбросов вредных веществ от тепловозов ТГМ6А и ТГМ 23Д.
2. Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность
создания для тепловозных дизелей с газотурбинным наддувом систем
обезвреживания отработавших газов с применением каталитических нейтра
лизаторов с полупсевдоожиженным слоя гранулированного катализатора;
получены критериальные уравнения для расчета параметров реактора.
3, Разработана математическая модель нейтрализатора с блочными
сотовыми катализаторами, в комплексе описывающая течение газа в реакторе с
учетом теплопроводности, диффузии и выделенного тепла при окислительных
процессах, позволяющая прогнозировать изменение концентрации вредных
веществ при движении отработавших газов по каналам блока, а также время
отложения сажи на торцевой поверхности блока и его каналах.
3. Теоретически обоснован процесс отложения сажи на поверхности
блочного сотового катализатора, получены аналитические и эмпирические
зависимости для прогнозирования роста противодавления в выпускном тракте
двигателя при отложении сажи на торцевой поверхности и в каналах
каталитического блока, а также от количества установленных блоков.
4. Разработана технология водной и химической регенерации
гранулированных и сотовых катализаторов, применяемых в каталитической
ступени систем обезвреживания отработавших газов дизелей, позволяющая
продлить срок их эффективной работы в полтора-два раза.
Практическое значение работы заключается в повышении промышленной безопасности тепловоза как источника загрязнения окружающей среды, разработке систем обезвреживания отработавших газов для маневровых тепловозов промышленного назначения, специального подвижного состава и автотранспорта, разработке методов регенерации катализаторов, позволяющих продлить срок их эффективной работы в полтора-два раза.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использовались на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации систем обезвреживания отработавших газов для маневровых тепловозов типа ТГМ6А, ТГМ23Д, специального подвижного состава (путеукладчик УК25/18, снегоуборочная машины СМ-2, автотранспорта (автобус «Икарус»).
Системы обезвреживания отработавших газов спроектированы и изготовлены для тепловозов, которые нереданы в опытную и постоянную эксплуатацию на: Магнитогорский металлургический комбинат (ТГМ6А № 762, № 1502, № 1503); Владимирскую ППЖТ (ТГМ 6А № 1505); Салдинский металлургический комбинат (ТГМ6А № 1625); Первоуральский новотрубный
завод (ТГМ6А № 2062); Челябинский металлургический завод (ТГМ6А № 2063); Руставский металлургический завод (ТГМ6А №2067).
Разработан входящий в систему обезвреживания нейтрализатор ОГ с применением сотовых катализаторов для: маневрового тепловоза ТГМ23Д (Муромский тепловозостроительный завод), путеукладчика УК25/18, снегоуборочной машины СМ-2 (ГТМ-14, ПМС-174, Свердловская железная дорога); нейтрализатором оборудован автобус типа «Икарус» АТП-4 МОАП (Екатеринбург).
Конструкции нейтрализаторов и методики регенерации катализатора защищены патентами и авторскими свидетельствами №№ 2201511, 1746001, 1749501, 1751380, 1658456, 1726802, 1476167, 1320467, 1590606. Результаты исследования используются в учебном процессе в Уральском государственном университете путей сообщения по следующим дисциплинам: «Основы нейтрализации отработавших газов ДВС», «Безопасность жизнедеятельности», «Охрана окружающей среды», «Безопасность труда».
Экологоэкономический ущерб, наносимый окружающей природной среде при эксплуатации одного серийного тепловоза типа ТГМ 6А, необорудованного системой обезвреживания отработавших газов и потребляющего 160 тонн дизельного топлива в год, составляет 602,698 тыс. руб./год, а при сжигании 1 кг - У= 3,76 руб/кг. Основной ущерб наносят выбросы оксидов азота.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Аналитические и эмпирические зависимости для выбора конструктивных параметров, используемого в системах обезвреживания тепловозных дизелей с газотурбинным наддувом, каталитического нейтрализатора с полу-псевдоожиженным (заторможенным) слоем гранулированного катализатора.
-
Математическая модель нейтрализатора с сотовыми каталитическими блоками, в комплексе описывающая теплопередачу, диффузионные и каталитические процессы с учетом выделенного тепла при окислительных процессах продуктов неполного сгорания топлива.
3. Методы водной и химической регенерации для повторного
использования гранулированных и сотовых катализаторов в каталитическом
нейтрализаторе систем обезвреживания отработавших газов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всесоюзных научно-технических конференциях по каталитической очистке отходящих газов (Алма-Ата, 1973 и 1977 гг., Тбилиси, 1987 г.), конференциях по охране труда (Казань, 1974 г., Каунас, 1982 г.), всесоюзных совещаниях по
проблеме 0.85.03 ГКНТ СМ СССР (Алма-Ата, 1976 и 1981 гг.), теоретическом семинаре в ЦНИИ МПС (Москва, 1978 г.), координационном совещании «Экологическая технология» (Свердловск, 1979 г.), заседании научно-технической комиссии по вопросу предупреждения загрязнения атмосферного воздуха выбросами тепловых двигателей и тепловых установок железнодорожного транспорта (Москва, 1981 г.), научно-технической конференции «Уралэкология. Техноген-2000», «Уралэкология. Техноген. Металлургия-2001» (Екатеринбург, 2000 и 2001 гг.), первой конференции работников промышленного железнодорожного транспорта Урала (Екатеринбург, 2002 г.), Всероссийской конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, 2003 г.), Общероссийской научно-производственной конференции «Техническое состояние и перспективы совершенствования промышленного тягового подвижного состава» (Москва.
-
г.), Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2004 г.), научно-технической конференции «Проблемы путевого хозяйства на промышленном транспорте» (Екатеринбург.
-
г.), на других конференциях и семинарах.
Конструкция нейтрализатора отмечена медалью ВВЦ в 2001 г.
Публикации. Научные положения и материалы исследований опубликованы в 49 печатных работах, включая 8 патентов и авторские свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 310 страницах, из них 289 страниц основного текста, в том числе 54 таблицы и 88 рисунков. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов по главам. заключения, списка использованных литературных источников из 171 наименования и 6 приложений.
Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук М.А. Шевандину, Г.В. Бутакову, Т.А. Тибилову, Ю.С. Рыбакову, кандидагу технических наук А.А. Вершинину, кандидату физико-математических наук Н.П.Чуеву, а также инженерам Н.В.Воропаевой, А.А. Доброриз, Ю.М. Козлову, Е.М.Тарасову и сотрудникам экспериментально - исследовательских отделов Людиновского и Муромского тепловозостроительных заводов за помощь в проведении исследований и при подготовке диссертации.
Воздействие вредных выбросов от специального подвижного с состава на загрязнение окружающей среды и воздуха рабочей зоны
Продолжительное время загрязнение окружающей среды, вредными выбросами от транспортных дизелей, используемых на железнодорожном транспорте, в частности, тепловозах, специальном подвижном составе, представлялось неизбежным и допустимым. Однако резкое ухудшение экологической ситуации во многих странах мира заставило общественность обратить внимание и на этот источник загрязнения окружающей среды.
В последнее время усилилось внимание к чистоте воздуха. Европейский союз выпустил директиву 96/62, в которой указаны предельные величины содержания в окружающем воздухе таких вредных составляющих, как диоксида серы (SO2), оксидов азота (NOx), свинца и твердых частицы. Указанные ограничения на чистоту воздуха распространяются на железнодорожные станции и прилегающие к ним территории. Более поздняя директива ЕС 98/С9105 ужесточила предельные величины содержания некоторых вредных веществ, присутствующих в окружающем воздухе. Так, предельная концентрация оксидов азота установлена равной 40 мкг/м3, сажи -20- мкг/м3 [1]. Указанные величины соответствуют усредненной предельной концентрации вредных составляющих в течение года и подлежат постепенному вводу в действие в 2005-2010 гг. Чтобы качество окружающего воздуха соответствовало указанным требованиям, необходимо резко уменьшит поступление вредных веществ в атмосферу от тепловозов, специального подвижного состава и другой железнодорожной техники с приводом от ДВС.
Железнодорожный транспорт является основным потребителем жидкого углеводородного топлива в стране. Только для осуществления перево зочного процесса расходует в год от 3620 до 4414 тыс. т нефтепродуктов, что обеспечивает по разным оценкам выброс в атмосферу от 432 тыс. т до 1 млн. т вредных веществ. Основным источником выделения вредных веществ на железнодорожном транспорте являются тепловозы, дизель - поезда, автодрезины, специальный подвижной состав и другие средства механизации с приводом от ДВС. Несмотря на то, что во многих странах, в том числе и в России, наблюдается общая тенденция снижение доли тепловозной тяги в перевозочном процессе вклад в общий объем загрязнений от железно дорожного транспорта остается весьма значительным и оценивается в 6% от общего количества выбросов от передвижных источников в стране.
В настоящее время железнодорожный транспорт еще не может полностью обойтись без тепловозов. В общей сложности на железных дорогах мира их насчитывается более 90 тыс. ед., в том числе в Европе (без стран бывшего СССР) примерно 30%, В Северной и Южной Америке тоже 30% [1J. В России только на подъездных путях промышленных предприятий эксплуатируется более 28,5 тыс. тепловозов.
Широкое внедрение тепловозной тяги в нашей стране началось в 50-е годы XX столетия. Практически сразу началось ощущаться их негативное воздействие на окружающий воздух, в частности, при эксплуатации тепловозов на маневрово-вывозной работе на металлургических предприятиях страны, а также при эксплуатации тепловозов в тоннелях и карьерах, т.е. в условиях с ограниченным воздухообменом. В этот же период начали проводиться работы по оценке уровня загрязнения ОГ тепловозов окружающей среды и воздуха рабочей зоны.
Так, при одновременном движении двух встречных поездов с тепловозной тягой через тоннель (Забайкальская железная дорога) содержание СО в воздушной среде тоннеля достигает 310 мг/м3 , то есть выше санитарных требований ГОСТ 12.1.005-88 в 15,5 раза. Через 10 минут после прохождения поездов концентрация СО снижается до 170- мг/м т.е. превышение составляет 8,5 раза.
В атмосфере одного их тоннелей Донецкой железной дороги, длина которого около 2000 м, после прохождения поезда с тепловозной тягой (время прохождения 4 минуты) содержание вредных компонентов превышает санитарные требования в несколько раз (СО в 7-9 раз, SO2 в 7-Ю раз, NOx в 4-14 раз). При существующей вентиляции (вентилятор производительностью Q = 3000 м3 /мин, 180 тыс.м3/ч) нормальные санитарно - гигиенические условия в тоннеле обеспечиваются через 40-45 минут. В то время как через тоннель поезда проходят каждые 15-20 минут. При такой интенсивности движения в атмосфере тоннеля происходит монотонное увеличение содержания вредных веществ.
При следовании поездов через загазованные тоннели токсичные вещества попадают через различные неплотности в кабину машинистов тепловозов, пассажирские вагоны в концентрациях значительно превышающих требования ГОСТ 12.1.005-88. Так при движении состава через 12 минут после прохождения предыдущего поезда в кабине локомотива концентрация СО превышала нормы в 5 pa3,S02- в 1,5 раза, NOx более чем в 100 раз.
Исследованиями ВНИИЖГА было установлено, что при прохождении через сахалинские тоннели тепловоза ТГ 16 содержание вредных веществ в воздухе головной кабины превышает существующие санитарные нормы: СО в 1,8-3,1 раза, SO2 в 1,8 раза, NOx в 1,6 раза, а в машинном отделении тепловоза СО в 1,4-3,5 раза, SO2 в 1,4- 6,6 раза.
Высокая загазованность воздуха тоннелей ухудшает работу обслуживающего персонала (путейских рабочих, членов локомотивных бригад и т.д.). Нахождение рабочих в загазованном тоннеле вызывает у них появление головной боли, повышенное сердцебиение, удушие, боли в животе и рвоту. Кроме того, ядовитые вещества, присутствующие в ОГ, раздражают слизистую оболочку глаза, легкие. Вызывает необратимые изменения в сердечнососудистой системе.
Экспериментальные исследование состава отработавших газов тепловозных дизелей 8ЧН 26/26 (ЗА-6Д49) и 1Д12-400Б
Для определения количества выбрасываемых вредных веществ из выпускной системы двигателя при эксплуатации тепловоза необходимо знать расход ОГ, концентрацию вредных веществ в них на каждом исследуемом режиме, а также продолжительность последних, включая и неустановившиеся.
Учитывая, что на тепловозе обеспечивается работа дизеля в достаточно узком диапазоне изменения мощности (поле отклонения мощности по тепловозной характеристике) и частоты вращения коленчатого вала, можно принять массу выбрасываемых газов на каждом режиме (позиции контроллер) постоянной в соответствии с техническими условиями на поставку дизеля.
Изучением распределения времени работы тепловозов при их работе в различных условиях занимались многие ученые: к.т.н. A.M. Белостоцкий [51], к.т.н. В.А. Лямин [50], д.т.н. А.И. Володин и к.т.н. Г.А.Фофанов [52,53] и другими.
Исследованиями было установлено, что в общем балансе рабочего времени доля холостого хода для маневровых тепловозов составляет 50-60%, что хорошо согласуется с данными зарубежных исследователей [1]. Близко к этим результатам были получены данные во ВНИТИ таблица 2.2.
Анализ приведенных выше данных показывает, что характерным длявсех типов маневровых тепловозов является значительная доля холостого хода и переходных режимов. Под нагрузкой маневровые тепловозы работают преимущественно на 1-5-ой позициях контроллера, т.е. в области низких и средних нагрузок (табл.2.2, рис.2.3).
Для определения содержания вредных веществ в составе ОГ необходимо использовать метод непосредственного измерения их концентраций в отобранных на соответствующих режимах работы дизеля пробах газа. Важным моментом в цикле для дизеля является продолжительность одной фазы (ступени) цикла. Она выбирается из условия стабилизации теплового состояния цилиндропоршневой группы дизеля, которая обуславливает стабилизацию состава ОГ. По произведенным автором наблюдениям, тепловая стабилизация дизеля 8ЧН 26/26 при наборе нагрузки по позициям контроллера про исходит в пределах 10 минут. По данным других исследователей, стабилизация состава ОГ с момента запуска тепловозного дизеля происходит за 5-15 минут (СО-15, СН-5, оксиды азота-10 минут) [13]. При смене нагрузки на коленчатом валу дизеля в сторону увеличения рейки топливных насосов практически мгновенно выходят на заданное положение, а воздухоснабжение двигателя в этом случае значительно отстает из-за инерционности турбокомпрессора. За счет этого резко ухудшается смесеобразование и, как следствие, происходит физическая и химическая неполнота сгорания топлива. Все это приводит, в основном, к увеличению концентраций продуктов неполного сгорания топлива (сажа, СО, углеводороды и т.д.) Однако по данным д.т.н. В.И.Смайлиса [40] концентрация определяющего компонента ОГ дизелей оксидов азота существенно уменьшается по сравнению с соответствующим конечным уровнем установившейся нагрузки. Таким образом, общее токсическое воздействие ОГ на организм человека на переходных режимах может быть слабее по сравнению с предшествующим установившимся режимом. Известно, что переходные режимы тепловозных дизелей неблагоприятны в отношении дымности выхлопа при быстром приеме нагрузки дизелем [55]. В практике работы тепловозов изменение режима работы должно производиться плавно с выдержкой на каждой позиции контроллера не менее 5 секунд (ТУ на поставку тепловозов). Кроме того, в последние годы в конструкцию регулятора введен корректор подачи топлива по давлению наддува, что благоприятно отразилось на снижении дымности на переходных режимах. К этому следует добавить, что в соответствии с ГОСТ 24028-80, ГОСТ Р50953-96 дымность ОГ тепловозного дизеля на переходных режимах не нормируется.
Проведенные автором исследования состава ОГ показали, что на переходных режимах концентрация СО в 3-5 раз превышает концентрацию, характерную для предшествующего установившегося режима. Затем концентрация быстро стабилизируется на уровне установившегося режима. О времени
стабилизации концентраций вредных веществ в ОГ при смене режима рабо ты в первом приближении можно судить по стабилизации частоты вращения коленчатого вала дизеля. Измерения, проведенные на тепловозе ТГМ 6А, показали, что при наборе позиций контроллера нарастающим итогом стабилизация оборотов коленчатого вала дизеля 8 ЧН 26/26 происходит в пределах 3-Ю секунд (табл. 2.3). При мгновенном переводе рукоятки контроллера с первой позиции на восьмую позицию частота вращения вала стабилизируется через 30 с. (табл. 2.3, 2.4).
Точно период стабилизации концентраций вредных веществ можно установить только при использовании быстродействующих газоанализаторов. Применение дискретного анализа не решает полностью проблемы. Поэтому содержание вредных веществ в составе ОГ на переходных режимах можно принять как среднеарифметическое значение между концентрациями на предшествующем и последующем установившихся режимах. Эту величину примем при расчете выброса вредных веществ за цикл испытаний. Таким образом, испытания на токсичность дизеля тепловоза можно проводить на стационарных режимах, а оценку токсичности неустановившихся режимов производить по среднеарифметическим концентрациям.
Таким образом, продолжительность каждой фазы при испытании дизеля на токсичность по предложенной методике может быть принята равной 10 минутам. Позднее такая же минимальная продолжительность цикла была принята в ГОСТ 30574-98. Отбор проб газа для определения концентраций вредных веществ в ОГ производился на последних 2-3 минутах исследуемого режима, что соответствует требованиям современного ГОСТ 30574-98. Такая же продолжительность фазы принята в испытательном цикле фирмы ЕМД США [И].
Исследование влияния изменения угла опережения впрыска топлива на токсичность тепловозных дизелей
Кривая изменения перепада давления в зависимости от скорости воз -душного потока в реакторе с полупсевдоожиженным слоем имеет много общего с кривой перепада давления в конических аппаратах, в частности, наличие на кривой больших пиков давления. Этому моменту в наших условиях необходимо уделять особое внимание, так как нестационарность режимов работы двигателя тепловоза вызывает частый переход зерен катализатора из неподвижного состояния в псевдоожиженное. Если этот переход будет связан с большим перепадом давления, то это неизбежно отразится отрицательно на работе дизеля, в частности, на работе турбокомпрессора, поэтому необходимо точно знать, когда наступить перепад давления в слое катализатора.
На основании анализа происходящего процесса общая функциональная зависимость для определения максимального перепада давления в аппаратах с неременным поперечным сечением запишется в следующем виде: где дрмлх -максимальное давление в слое, АР -текущее давление в слое, So - площадь входного сечения реактора; //« - высота неподвижного слоя; рч - плотность твердого материала; р г - плотность газа; цс - динамическая вязкость. Степень влияния каждого переменного на величину перепада давления в момент перехода слоя в фонтанирующее состояние различна.
При обработке результатов исследований установлено, что на величину перепада давления оказывает сильное влияние высота слоя, выраженная прямо или косвенно через геометрические симплексы Sc/So; HQ/СІЦ. Зависимость АР = /(#,,) в первом приближении следует оценить как линейную, а ДДІЛХ = t{H0ld4 )и Д млх = f(Sc/S0)- как близкую к квадратичной (рис.4.5). Подобные данные были получены в работах [110,116]. Из приведенных данных следует, что в реакторе с переменным сечением нерационально иметь большие высоты неподвижного слоя, так как переход твердых частиц в подвижное состояние связан со значительными энергетическими затратами, ведущим к резкому возрастанию противодавления в выхлопном тракте.
Результаты исследований показывают, что слой катализатора в нейтрали- заторе должен находиться в пределах 100 - 120 мм (рис.4.5- 4.9).
Установлено, что размер частиц катализатора очень мало влияет на величину создаваемого противодавления (рис.4.8). Характер зависимости создаваемого противодавления от критерия Аг представлен на рис. 4.9, где видно, что с ростом величины значения критерия Аг его влияние на создаваемое противодавление уменьшается. Наиболее слабое влияние числа Архимеда наблюдается при больших высотах слоя.
Таким образом, целесообразно найти зависимость максимального перепада давления в ректоре в зависимости от критерия Архимеда и симплексов, учитывающих геометрические параметры аппарата и характеристики газа. Общее число переменных в уравнении (4.4) равно семи, число первичных размерностей (м, кг, с. С) равно четырем. Согласно я-теореме [61] эта зависимость может быть выражена соотношением между тремя критериями подобия.
Путем обработки уравнения 4.4 методом анализа размерностей получено критериальное уравнение в общем виде Обработка полученных экспериментальных данных (рис.4.3.) с использованием метода наименьших квадратов позволила получить частные параметры уравнения (4.5): / \0,16/ s0IS
Из полученного соотношения видно, что диаметр частиц слабо влияет на перепады давления. Это полностью согласуется с теоретическими и практическими данными, полученными для цилиндрических аппаратов [110]. Влияние критерия Архимеда на перепад давления в слое также мало, несмотря на то, что он изменялся в широких пределах.
Полученное выражение позволяет определить перепад давления в слое зернистого материала в период его перехода в фонтанирующее состояние с максимальной погрешностью, равной ± 7% и среднестатистической погрешностью + 4,57 %.
Полученное критериальное уравнение проверено для частиц сферической формы d ч=3-5 мм в диапазоне изменения чисел Рейнольдса Re - 300 - 500 и Архимеда Аг = (1,5 -г- 6,79) 10 6, симплекса Sa/S(=(3,5 -ь 5,3).
В отличие от реакторов с постоянным поперечным сечением в аппаратах с переменным сечением на скорость начала фонтанирования (начало перехода во взвешенное состояние) большое влияние оказывают геометрические характеристики слоя твердых частиц. Внешний фонтан образуется при достижении в верхнем сечении слоя первой критической скорости (начало движения). В нижнем сечении слоя скорость газового потока в этот момент превышает даже скорость уноса [110]. Эта особенность присуща только аппаратам с переменным поперечным сечением.
На основе анализа происходящего физического процесса в реакторе в общем случае функциональная зависимость для определения критической скорости фонтанирования выглядит следующим образом Wo=f(H0;y; S0; 5в;рч;р г;ц г) (4.7) Нахождение истинного, т. е. интегрального значения критерия Re весьма затруднительно из-за переменного сечения слоя по высоте реактора и сложности учета неравномерности газораспределения, которое обусловлено наличием центрального фонтанирующего слоя.
Исследование гидродинамики полупсевдоожиженного слоя катализатора в реакторах с переменным поперечным сечением
В связи с изложенным, возникает задача оптимизации диаметра отверстий в блоке сотового катализатора. При выборе большого диаметра канала увеличивается поток газа, но при этом может произойти снижение эффективности очистки газов за счет их проскока без контакта непосредственно с каталитически активными центрами. При выборе малого диаметра, то есть при большем количестве отверстий (каналов) на единицу торцевой поверхности блока, при эксплуатации может произойти «засаживание» (забивание) каналов. При забивании каналов блока сажей резко возрастает противодавление, создаваемое в выхлопном тракте двигателя. Как отмечалось выше, такое явление особенно опасно для дизелей с газотурбинным наддувом.
Рассмотрим задачу изменения концентрации С (x,t), обозначающую суммарную концентрацию смеси сажи, несгоревших частичек топлива и масла, а также смолообразующих веществ, способных в силу липкости (вязкости) и шероховатости стенок каналов осаждаться на внутренней поверхности каналов блока [133,134].
Отработавшие газы входят в нейтрализатор с параметрами: р - плотность, р -давление, и - скорость, Т- температура. Далее, вытекая из диффузора с измененными параметрами, они встречаются с диафрагмой каталитического блока, то есть со всей поверхностью каталитического сотового блока площадью S2. Площадь сечения торцов стенок всех каналов каталитического блока S, = 0,2S2.
Изменение концентрации С налипающих веществ зависит от площади сечения, концентрации, скорости газового потока. Таким образом, баланс массы (концентрации) сажи и налипающих компонентов можно записать в виде баланса массы липких компонентов в общем виде: GdC=-kjCds, (6.8) где G - объемный расход газа, G = uS2; Si - площадь торцевой поверхности каталитического блока; ds - элемент площади, то есть ds = 2п rdr; kj= Const. -коэффициент пропорциональности, учитывающий налипающие свойства компонентов при их контакте с торцом стенки канала; С - содержание (концентрация) компонентов.
Далее, на участке № (длина участка стабилизации параметров потока газа в канале) происходит интенсивное перемешивание газа с начальными (входными) параметрами и газа с параметрами рь ри и/, Т\ с концентрацией уменьшенной за счет отложения части компонентов на торцевой поверхности стенок канала блока. Для определения численных величин данных параметров газа, необходимо решить задачу о течении газа с внезапным сужением (скачком сечения). Течение в цилиндрических каналах с общим направлением оси и с разными площадями описывается следующей системой уравнений [5]: канала аналогично уравнению (6.8), только переменная здесь не площадь, а абсцисса х. Проведя дальнейшие математические преобразования уравнения (6. IIі) получаем выражение для определения количества сажи и других компонентов, налипающих в канале блока: где ы\ -скорость в канале каталитического блока;— - скорость изменения кон центрации по оси х; кг - коэффициент пропорциональности, учитывающий свойства компонентов к налипанию. Интегрируя уравнение (6.12), получим в качестве решения экспоненциальное изменение концентрации компонентов по длине канала: к2х С = Ае " " , (6.13) где «iep - средняя скорость газа внутри канала, которую можно считать постоянной; А - постоянная интегрирования.
Найдем А из условия равномерного перемешивания газа разных концентраций примесей при входе в каналы (в основу можно положить дымность ОГ, являющуюся начальными условиями при входе перемешенного газа в каналы сотового каталитического блока).
Будем считать, что в каждом канале блока газ течет с одинаковой сред -ней концентрацией. Концентрация компонентов способных к налипанию и вошедших с ОГ в каналы блока после перемешивания будет:
Применяя формулу (6.17) для определения количества смеси, отложенной на стенках канала каталитического блока, за определенный период эксплуатации (в основу можно положить объем ОГ, прошедших через блок и дымность ОГ), с учетом равномерного распределения осажденного на стенках каналов, например, сажи, можно рассчитать время полного «засаживания» каналов каталитического блока.
С помощью полученных критериальных уравнений (гл.4,5) был произведен расчет основных параметров реактора каталитических нейтрализаторов с гранулированным и блочным катализаторами. Исходными величинами при расчете параметров реактора были - допустимое противодавление в выпускном тракте двигателей, габаритные размеры, необходимый объем катализатора, который определялся по общепринятой методике [28,38].
Принималось во внимание, что для получения минимального износа зерен катализатора и хорошей газоаэродинамики полупсевдоожиженного слоя скорость газового потока в реакторе должна быть в пределах W - 6-7 м/с (гл.4). Реактор нейтрализатора был разделен на две зоны, что обеспечивает в нем течение газа в режиме идеального вытеснения [115]. Высота слоев в зонах - 120 мм, надслоевого пространства - 80 и 60 мм для нижнего и верхнего слоев соответственно. При таких параметрах реактора в нем возможно кратковременное создание скорости газового потока до Ж=10 м/с [113,115].
Конструкция разработанного нейтрализатора представлена на рис.7.1. Он состоит из корпуса пирамидальной формы 1 с наружной асбестовой изоляцией для уменьшения потерь тепла. Внутри корпуса нейтрализатора установлен секционированный реактор 2, в котором размещается катализатор 4 на поддерживающей решетке 3. В нижней части нейтрализатора предусмотрен температурный компенсатор. Нейтрализатор на тепловозе устанавливается вместо выхлопного патрубка непосредственно на турбоком 204 прессор. При этом не требуется каких-либо переделок в конструкции тепловоза и в выпускной системе.
Испытания нейтрализатора проводились с несколькими типами катализаторов - окисными «АзИНЕФТЕХИМ-670», П-7, МПК-1 и палладие-вым «ШПАК-0,5». Эффективность работы катализаторов определялась с помощью химического анализа проб газа, отобранных до и после нейтрализатора с последующим анализом их на газоанализаторах и хроматографах. Одновременно проводилось измерение основных параметров дизеля.
Результаты испытаний нейтрализатора с окисным катализатором «АзИНЕФТЕХИМ-670» представлены на рис. 7.2, анализ которых показывает, что при хорошо прогретом катализаторе и стабилизировавшемся процессе очистки, снижение концентрации токсичных компонентов выхлопа происходит при работе дизеля под нагрузкой уже на первой позиции контроллера.
