Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние экологической безопасности операторов мобильной техники в системе «человек - машина - среда». цель и задачи исследования 11
1.1. Уровень загрязнения окружающей среды дизелями мобильной техники 11
1.2. Состав отработавших газов, их уровень и влияние на условия труда и окружающую среду 20
1.3. Состояние нормирования вредных выбросов различных типов дизелей 31
1.4. Существующие технологии нейтрализации отработавших газов 37
1.5. Составы катализаторов и анализ существующих конструкций каталитических нейтрализаторов 49
Цель и задачи исследования 58
ГЛАВА 2. Оценка экологической безопасности дизелей мобильных машин 60
2.1. Методика оценки и выбора инженерных средств повышения экологической безопасности сельскохозяйственной техники ... 60
2.2. Эколого-экономическая оценка безопасности мобильных машин 68
2.3. Инвариантность конструкций нейтрализаторов и поиск новых технических решений 76
Выводы по главе 2 84
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процессов каталитической очистки 86
3.1. Особенности процессов каталитической очистки в пористых проницаемых блоках 86
3.2. Моделирование процессов очистки газов в каталитическом нейтрализаторе 89
3.3. Результаты определения основных параметров конструкций каталитических нейтрализаторов 103
3.4. Описание программы по расчету каталитического нейтрализатора 107
Выводы по главе 3 109
ГЛАВА 4. Разработка многофункциональных каталитических нейтрализаторов 110
4.1. Выбор типа катализатора и его влияние на эффективность очистки 110
4.2. Выбор технологии получения и формы носителя катализатора 116
4.3. Оценка эффективности каталитических блоков нейтрализаторов 121
4.4. Развитие конструкций многоступенчатых каталитических нейтрализаторов 124
Выводы по главе 4 130
ГЛАВА 5. Программа проведения исследований... 133
5.1. Результаты проведенных исследований и измерений 133
5.2. Оценка погрешностей измерений и расчетов при проведении экспериментальных исследований 148
5.3. Методика обработки данных по испытательным циклам... 152
Выводы по главе 5 155
ГЛАВА 6. Результаты стендовых и полевых испытаний каталитических нейтрализаторов 156
6.1. Эффективность каталитических нейтрализаторов отработавших газов 156
6.2. Ресурс каталитических нейтрализаторов с пористыми проницаемыми блоками 186
6.3. Оценка возможностей пламя- и искрогашения, снижения шумности выпуска дизелей при использовании СВС-структур в нейтрализаторах 192
6.4. Результаты оценки мероприятий по улучшению экологических характеристик дизелей мобильных машин высевающих комплексов 196
6.5. Технико-экономическая оценка результатов исследований 199
Выводы по главе 6 204
Основные выводы по работе 206
- Уровень загрязнения окружающей среды дизелями мобильной техники
- Методика оценки и выбора инженерных средств повышения экологической безопасности сельскохозяйственной техники
- Моделирование процессов очистки газов в каталитическом нейтрализаторе
- Выбор технологии получения и формы носителя катализатора
Введение к работе
В настоящее время для агропромышленного производства остаются актуальными вопросы повышения надежности техники, улучшения условий труда, снижения травматизма и заболеваемости. Ведущие производители тракторов и сельскохозяйственных машин обращают особое внимание не только на совершенствование конструкций и повышение надежности техники, но и на устранение их вредного воздействия на окружающую среду и человека. Необходимость повышения безопасности труда в растениеводстве и животноводстве, увеличение энергонасыщенности, появление новой техники и технологий, широкое использование в составе агрегатов мобильных машин с дизелями требует разработки инженерных методов и технических средств очистки отработавших газов от токсичных компонентов.
Главными причинами, определяющими высокие показатели производственного травматизма и профессиональной заболеваемости сельских механизаторов являются:
- старение основных производственных фондов, износ которых выше среднего по России (40,6 %), в том числе машин и оборудования - 70...85 % (по России 57 %), более 90 % действующих в агропромышленном производстве машин и механизмов не отвечают требованиям охраны труда, 80 % травм и аварий в сельскохозяйственном производстве происходит при обслуживании техники;
- несовершенство техники, в том числе мобильных машин с дизелями,
выбрасывающими в окружающую среду с отработавшими газами до 35 кг
оксида углерода (СО); 11 кг углеводородов (СХНУ); 51 кг оксидов азота (NOx);
44,5 кг диоксида серы (S02); 5 кг твердых частиц (ТЧ) на одну тонну со
жженного дизельного топлива;
- отсутствие инженерных методов защиты окружающей среды и механи
заторов от вредного воздействия токсичных веществ, входящих в отработав-
шиє газы дизелей мобильных машин в составе машинно-тракторных агрегатов (МТА).
Удельный ущерб от вредных выбросов в атмосферу составляет по основным токсичным компонентам: СО - 99,4 дол./т; СХНУ - 255,6 дол./т; NOx - 284 дол./т; S02- 191,7 дол./т; ТЧ - 170,7 дол./т; несгоревшего топлива - 397,72
дол./т [44].
Общий баланс вредных выбросов с отработавшими газами двигателей
внутреннего сгорания в мире представлен данными таблицы 1.
Таблица 1— Общий баланс вредных выбросов с отработавшими газами
двигателей внутреннего сгорания в мире
В балансе загрязнения окружающей среды средствами энергетики в мире двигатели внутреннего сгорания занимают ведущее место, их доля составляет 51,4 %, в то время как на тепловые электростанции приходится 15,7 %, а на долю промышленных предприятий — 14,1 %.
В настоящее время Россия, в связи с вступлением в Европейское экономическое сообщество, включается в осуществление широкого круга мероприятий, направленных на защиту окружающей среды в глобальном масштабе.
Из сферы агропромышленного производства России в связи со стойкой утратой трудоспособности и выходом на инвалидность ежегодно выбывает около 75 тысяч работающих трудоспособного возраста. Процент травматизма
в растениеводстве распределяется таким образом: обработка почвы - 2,7 %, посев - 1,8 %, кошение на свал, подбор и обмолот - валков 12 %, сволакивание соломы — 5,5 %, послеуборочная обработка зерна — 2,4 %, транспортные работы с использованием колесных тракторов - 9,4 %, техническое обслуживание мобильной техники - 50,4 %. В настоящее время в сельском хозяйстве нередки ситуации, когда работающие в условиях техногенного загрязнения окружающей среды, подвергаются одновременному комбинированному воздействию ряда вредных веществ: пестицидов, тяжелых металлов, микротоксинов, радионуклидов, вредных выбросов с отработавшими газами двигателей транспортных средств. При комплексном воздействии смеси загрязнителей даже при содержании каждого из них ниже уровня ПДК, как правило, выявляется усиление токсического воздействия на организм человека, увеличивается вероятность отравления. Профессиональная заболеваемость сельских тружеников привела к тому, что за 10...12 лет до наступления пенсионного возраста 70 % обученных и высококвалифицированных механизаторов оставляют работу трактористов. По данным Всероссийского научно-исследовательского института охраны труда (ВНИИОТ) Минсельхоза России до пенсионного возраста не доживают около 75 % механизаторов. Они гибнут в результате несчастных случаев на производстве, в результате полученных профессиональных заболеваний, росту которых способствует несовершенство техники и технологий в сельскохозяйственном производстве. Существующий дискомфорт на рабочих местах по ряду гигиенических показателей (параметрам шума, вибрации, загазованности и других факторов) наблюдается из-за того, что средства безопасности разрабатываются после того, как техника производится и поставляется в сельское хозяйство.
Цель работы состоит в повышении экологической безопасности и улучшении условий труда сельских механизаторов за счет снижения уровня вредных выбросов в окружающую среду и повышения пожаробезопасности пу-
тем каталитической очистки отработавших газов дизелей сельскохозяйственных тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин.
Объектом исследования явились процессы очистки отработавших газов дизелей мобильных машин в составе агрегатов.
Научная новизна включает:
обобщение исследований по уменьшению вредных выбросов машин, повышении экологической безопасности и улучшении условий труда в сельском хозяйстве;
математическую модель процесса очистки отработавших газов каталитическим нейтрализатором, позволяющую прогнозировать уровни вредных выбросов и определять конструктивные параметры нейтрализаторов;
- экспериментальные данные использования пористых проницаемых
СВС-материалов в качестве каталитических блоков для очистки отрабо
тавших газов;
- оценку эффективности СВС-материала для очистки газов и повышение
уровня безопасности труда сельского механизатора.
Настоящая работа проводилась по заказу Минобразования РФ, в рамках Федеральной научно-технической программы «Экология», научно-технических программ «Алтай» Минобразования РФ, научно-исследовательской работы по теме: «Разработка математических моделей и направлений в области наук о рисках, повышения устойчивости технических систем и объектов и снижение техногенного воздействия на окружающую среду», выполняемых при непосредственном участии автора в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ) в период с 1990 по 2004 годы.
Практическая значимость работы.
На основе разработанных алгоритмов, математических моделей создана расчетная методика для решения практических задач нейтрализации вредных
веществ в системах выпуска и определения параметров каталитических нейтрализаторов.
Предложены новые материалы для получения каталитических блоков нейтрализаторов, получено 15 патентов РФ на конструкции каталитических нейтрализаторов.
Результаты исследования использованы НПО «Алмаз», а предложенные конструкции нейтрализаторов в различное время прошли стендовые и полевые испытания.
Реализация результатов работы. Разработанная математическая модель, результаты расчетно-экспериментальных исследований, предложения по конструкциям нейтрализаторов и частично документация переданы ОАО «Ал-тайдизель», выпущены малыми сериями Алтайским научно-технологическим парком.
Созданные при выполнении работы образцы нейтрализаторов, выпущенные учебные пособия и методические материалы используются в учебном процессе на кафедрах «Двигатели внутреннего сгорания», «Автомобили и тракторы», «Безопасность жизнедеятельности» АлтГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на всесоюзных, республиканских, межотраслевых и отраслевых научно-технических и научно-практических семинарах и конференциях в АлтГТУ в 1990 - 2003 годах, Иркутской сельскохозяйственной академии, Санкт-Петербургском, Новосибирском и Алтайском государственных аграрных университетах, международных конференциях «Совершенствование быстроходных дизелей» в г. Барнауле в 1993 году, «Совершенствование мощност-ных экономических и экологических показателей ДВС» в г. Владимире в 1991...1996 годах. Каталитические нейтрализаторы демонстрировались на Алтайской и Сибирской ярмарках, ярмарке в г. Лейпциге в 1997 г., ВВЦ и выставке «Конверсия» в г. Москве в 1996 г., ЭКСПО - 97 в г. Москве и отмечены дипломами и медалями.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 95 печатных работ, в том числе получено 15 патентов Российской Федерации, выпущено два учебных пособия и монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа представ
лена на 270 страницах, включает 33 таблицы, 81 рисунок, список литературы
из 201 наименования и 6 приложений.
В соответствии с содержанием работы диссертант представляет к защите результаты комплекса исследований по уменьшению вредных выбросов дизелей мобильных машин в составе сельскохозяйственных агрегатов, повышения пожаробезопасности методами каталитической нейтрализации, а именно:
результаты научного обобщения по методам уменьшения вредных выбросов двигателей мобильных машин и методам их каталитической очистки;
математическую модель процесса очистки газов в каталитическом нейтрализаторе и ее использование в повышении экологической безопасности сельскохозяйственной техники;
- результаты исследований по оценке экологической безопасности опе
раторов в системе «человек-машина-среда»;
составы материалов для получения СВС-пористых проницаемых каталитических блоков и составы насыпных катализаторов для нейтрализаторов отработавших газов дизелей мобильных машин;
результаты исследований по эффективности каталитической очистки отработавших газов в существующих и предложенных автором устройствах с использованием ресурсосберегающих и безотходных СВС-технологий.
%
*
Уровень загрязнения окружающей среды дизелями мобильной техники
Уменьшение вредных выбросов мобильной техники является важнейшей задачей, от решения которой зависят экологическое состояние планеты, здоровье населения, сохранение генофонда и культурных ценностей. Экологическая проблема поставлена на уровень проблем сохранения мира, обеспечения населения планеты продуктами питания. Именно поэтому каждый из отдельных шагов, направленных на улучшение экологического состояния окружающей среды, имеет определенную значимость.
Мировой автомобильный парк оценивается приблизительно в 450...500 млн автомобилей, а мировой парк мобильных сельскохозяйственных машин достиг 90 млн единиц, выбрасывающих ежегодно до 260 млн т СО, более 70 млн т СХНУ и более 15 млн т NOx.
В Российской Федерации стационарные источники, включая дизель-генераторы, ежегодно выбрасывают до 35,7 млн т вредных веществ; на долю автомобильного транспорта приходится около 20 млн т в год, на долю двигателей сельскохозяйственных, военных машин, морского, речного и железнодорожного транспорта до 10 млн т в год.
Установлено, что суммарная мощность эксплуатируемых в странах СНГ поршневых двигателей составляет 1,3... 1,6 млрд кВт. При этом они выбрасывают с отработавшими газами в год около 29,4 млн т СО или 68 % от его валового выброса, 2,0 млн т NOx или 31 % от их валового выброса, 6,0 млн СХНУ или 42 % от их валового выброса [1, 19, 21, 22, 23, 36, 38, 44, 51, 57, 60, 74, 80, 137].
Учитывая, что тракторы и МТА представляют основную часть из всего многообразия сельскохозяйственной техники как по количественному составу, так и по времени их использования в течение года, в данной работе рассматриваются вопросы воздействия на окружающую среду именно мобильной сельскохозяйственной техники.
Дизели воздействуют на окружающую среду многогранно, и степень этого воздействия во многом связана с особенностью их конструкций, видом применяемого топлива, регулировками топливной аппаратуры, режимами эксплуатации, рельефом местности, метеорологическими условиями, плотностью населения и т. д.
С одной стороны, дизели используют значительное количество кислорода (по данным [51] расход кислорода на сжигание топлива в 2000 г. составил 57 млрд т, в то время, как в 1960 г. составлял лишь 12 млрд т), с другой - вредными выбросами в атмосферу губительно воздействуют на окружающую сре ДУ В сельскохозяйственном производстве России до 97 % полевых работ выполняется агрегатами с мобильными машинами, двигатели которых выбрасывают в окружающую среду огромное количество вредных веществ. Значительная часть работ в животноводстве выполняется с использованием мобильной техники. Во всех случаях вредные выбросы оказывают отрицательное влияние на условия труда в сельскохозяйственном производстве.
Во введении показаны масштабы профессиональных заболеваний сельских механизаторов в связи с несовершенством техники.
На 01.01.03 года в России парк сельскохозяйственных машин с дизелями составлял: тракторов — 2580 тыс. шт., зерноуборочных комбайнов - 720 тыс. штук. В то же время, при изменении форм собственности в сельском хозяйстве произошли негативные процессы в области охраны труда: - ослабление контроля за техническим состоянием транспортных и других энергетических средств; старение основных фондов, в результате чего изношенная мобильная техника не отвечает требованиям, в том числе по выбросам вредных веществ в атмосферу; масштабы загрязнения окружающей среды по оценочным данным в последние 10 лет сократились лишь за счет уменьшения парка мобильных машин в сельскохозяйственном производстве; совершенствование новой сельскохозяйственной техники (в том числе тракторной) не отвечают требованиям международных норм, а остановилось на уровне 1986 года в области соблюдения требований по экологической безопасности и охране труда.
В условиях использования средств механизации сельского хозяйства, при рассмотрении проблемы уменьшения экологического воздействия мобильной техники на окружающую среду необходимо связывать условия окружающей среды, рельефа местности, режимов эксплуатации дизелей, виды выполняемых работ, внутрицилиндровых процессов с процессами образования оксидов азота (NOx), оксида углерода (СО), углеводородов (СХНУ), сажи (Сж) и твердых частиц (ТЧ), альдегидов, бенз- а - пирена (БАП), установлением соответствия уровней вредных выбросов нормам [38], обусловленным предельно допустимыми концентрациями (ПДК) и предельно допустимыми выбросами (ВДВ). Анализ литературы показал, что для решения проблемы необходимо: - определить целенаправленные действия по решению экологической безо пасности, основанные на глубоком понимании процессов образования и очистки отработавших газов, искро- и пламявыделения из выхлопных труб дизелей; - определить ведущие методы воздействия на рабочие процессы каталитиче ских нейтрализаторов - глушителей - пламягасителей и использовать их для решения отдельных аспектов проблемы; - осуществить математическое моделирование процессов в реакторах ката литических нейтрализаторов и использовать его результаты при формиро вании комплексных средств снижения вредных выбросов (ССВВ). Такой подход к решению проблемы поможет в каждом конкретном случае ответить на следующие вопросы. 1. Позволят ли созданные или выбранные ССВВ решить задачи повышения экологической безопасности мобильных машин и обеспечения безопасности труда сельских механизаторов? 2. Будут ли решены задачи уменьшения вредного воздействия мобильной техники на флору и фауну и как это отразится на величине экономического ущерба, наносимого окружающей среде? 3. Каковы новые трудности, возможности, побочные эффекты при использовании рекомендуемых ССВВ применительно к средствам механизации сельского хозяйства? Система «человек - машина - среда» настоящего исследования представляет собой совокупность подсистем, объединенных информационным процессом, действия которых отвечают общей цели и способствуют выработке решений при заданном множестве входных и начальных состояний. Рассматриваемая система является сложной, так как каждый ее элемент имеет сложное описание.
Методика оценки и выбора инженерных средств повышения экологической безопасности сельскохозяйственной техники
Вопросы оценки средств снижения вредных выбросов дизелей мобильных машин могут быть решены с различной достоверностью многими методами. Но основными требованиями к методу оценки являются: достоверность данных; простота проведения операций; всесторонность и понятность критериев оценки; возможность проверки результатов выбора другими методами и использование их в результирующем выборе. В литературе имеются примеры неоднозначной оценки по необоснованным группам критериев [23, 38, 44, 49, 51,59,60,74,76,145].
В основу выбора оценки были положены методы теории операций, их принципы и методология [26]. В отличие от подобных методик, использованных, например, в [112, 115], рассмотрен универсальный подход и определены обоснованные группы критериев. Структура метода приведена на рисунке 2.1. Обобщенный критерий имеет вид коэффициенты весомости критериев соответственно экологических, экономических, технико-экономических, технико-технологических, эксплуатационных; , к, I, v, w — количество оценочных критериев; Q - общее количество критериев. Для оценки средств ССВВ необходимо располагать определенным объемом информации. С учетом объявленной эффективности и описания характеристик отдельных ССВВ вся информация была разделена на группы: 1. Средства нейтрализации вредных выбросов: жидкостная [1, 23]; пламенная нейтрализация [1, 156]; эжекционное дожигание [1, 23, 156]; каталитическая [1, 5, 7, 23, 38, 39, 40, 68, 69, 186]; термокаталитическая [1, 156, 181, 182] нейтрализация; подача воздуха в коллекторы [156]; фильтры с пропиткой [156, 175]; ультрадисперсные [156]; керамические [1]; дожигание в системе выпуска и т.д. 2. Применение топлив и присадок к ним: бензина с дизельным топливом [1], метанола с дизельным топливом [172], водорода на впуск [22, 99], водорода с топливом [53, 57, 119], антидымных присадок с топливом [6, 22], топлив широкофракционного состава [1, 115], газообразных добавок к топливам [88], сжиженных газов [59, 138] , водяного пара [115], воды с топливом [163], водотопливных эмульсий (ВТЭ) [1], природных газов в качестве топлив [115] и др. 3. Способы воздействия на рабочий процесс: изменение регулировки угла начала подачи топлива [22, 35, 183], фаз газораспределения [60], степени сжатия [22], давления наддувочного воздуха [1, 22], противодавления на выпуске [60], продолжительности подачи топлива [59, 76, 150], надпоршневого зазора [22], организация двойной подачи топлива [76, 163], двухфазной подачи топлива [22, 152], межцилиндрового перепуска отработавших газов [22, 59, 150], в том числе с охлаждением [22], с подачей воды, аммиака [76, 149], количество остаточных газов [59], нанесение катализаторов и ТЗП [22, 24, 60]. 4. Рабочие процессы дизелей: М-процесс [1, 22, 44, 80, 83]; FM-процесс [44,80,137]; Н-процесс [44, 80, 137]; процесс "Skwish-Lip" [80]; Vigom-процесс [44, 80, 136]; предкамерный процесс [1, 44, 80, 125]; вихрекамерный процесс [22, 44, 80]; с объемным смесеобразованием [81]; эталонный процесс фирмы AVL. В результате оценки средств нейтрализации вредных выбросов дизелей можно рекомендовать применение каталитической нейтрализации отработавших газов, подачу воздуха в выпускной коллектор, применение пористых проницаемых каталитических блоков нейтрализации отработавших газов, применение каталитического дожигания (таблица 2.1). Следующим этапом явилась оценка возможности применения присадок и новых топлив. Сравнивая результаты этой оценки, (таблица 2.2), можно отметить, что наиболее перспективными являются пути применения антидымных присадок в топливо на основе соединений бария и стронция, сжиженных газов в качестве топлива, присадок водяного пара к воздуху на впуске. В таблице 2.3 приведены результаты сравнения рабочих процессов дизелей с точки зрения уменьшения их вредных выбросов. Большинство из приведенных методов воздействия на рабочий процесс было апробировано автором совместно с сотрудниками кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» АлтГТУ, ОАО «Алтайдизель» и ОАО «Барнаултранс маш», что дало возможность использовать в полной мере информацию при их оценке. Из сравниваемых методов можно выделить дросселирование выпус ка, увеличение давления подачи топлива и применение корректоров подачи топлива, хотя могут успешно применяться и сочетания методов.
Моделирование процессов очистки газов в каталитическом нейтрализаторе
Пористые проницаемые блоки, полученные СВС-процессом пока не находят широкого применения в каталитических нейтрализаторах и сажевых фильтрах для очистки отработавших газов дизелей, также остаются не исследованными и процессы очистки, происходящие в них.
Пористые проницаемые блоки как фильтрующий материал привлекательны тем, что имеют высокую прочность, лучшую сопротивляемость термическим напряжениям и ударам, хорошую воспроизводимость таких свойств как пористость, проницаемость, извилистость пор, возможность формообразования в процессе изготовления, возможность введения катализаторов в процессе приготовления шихты.
Стенку пористого проницаемого СВС-блока можно рассматривать в качестве фильтрующего элемента отработавших газов. Поскольку пористые фильтры, как правило, содержат в своем составе металлы-катализаторы, то правильно их следует называть пористыми каталитическими фильтрами (ПКФ). Несмотря на простоту конструкции ПКФ, пока не удалось разработать достаточно удовлетворительной теории их работы - выразить эффективность очистки и гидравлическое сопротивление через физические параметры ПКФ: пористость, размеры и форму фильтров, наличие тупиковых пор, средний диаметр пор, извилистость, шероховатость пор и другие.
Такое положение вызвано тем, что пористые фильтрующие материалы образованы хаотически или не до конца упорядоченно расположенными частицами металлов, оксидов неправильных геометрических форм и различных размеров. В этих условиях понятия «поры» как некоторого канала, ограниченного твердыми стенками не имеет физического смысла. Под влиянием чисто эмпирических методов разработки ПКФ и из-за отсутствия выявленных функциональных зависимостей между структурой ПКФ и показателями фильтрации и очистки сложилось мнение о том, что существует свобода выбора сочетаний гидравлического сопротивления и эффективности очистки. Есть мнения о том, что подбором компонентов шихты и режимов СВС-процесса можно добиться изготовления ПКФ, имеющих различные гидравлические сопротивления при заданной эффективности очистки газов от токсичных веществ и твердых частиц. То есть существуют утверждения об управляемости процессами образования пор и создания упорядоченных структур пористых материалов, получаемых СВС-технологиями. Основной причиной неоднозначности положения является отсутствие установленных закономерностей в структурах пористых, проницаемых СВС-материалов, а также течении отработавших газов по порам. По данным В. В. Евстигнеева и С. Ю. Соломенцева сложная конфигурация внутренних пор обеспечивает фильтрацию частиц по своим размерам, которые в несколько раз меньше, чем размеры пор. При рассмотрении процесса фильтрации твердых частиц из отработавших газов дизелей в пористых проницаемых СВС-блоках необходимо учитывать, что существует одновременно целый ряд явлений: изменение состояния газов; доокисление продуктов неполного сгорания; теплопередача и теплообмен; диффузия в порах; поглощение твердых частиц фильтрующим материалом; инерционный захват твердых частиц; пульсации потока газов и другие. Полнота представлений приближает создаваемую модель к действительной картине фильтрации и позволяет добиваться сходимости результатов моделирования с данными эксперимента. При движении газов вдоль пористой стенки, течение газов можно разделить на области: - область очень тонкого слоя вблизи пористого проницаемого блока — пограничного или пристеночного слоя, где трение играет существенную роль и для которого необходимо использовать уравнения динамики вязкого вещества, где составляющая скорости в направлении движения вдоль стенки возрастает от нуля у стенки до скорости потока; - область течения вне этого слоя, где трением можно пренебречь и для которого справедливы уравнения идеальной жидкости.
Выбор технологии получения и формы носителя катализатора
В результате проведения лабораторных испытаний было установлено, что решающее влияние на эффективность работы нейтрализаторов, при условии сохранения одинаковых температур в зонах реакций и времени нахождения газов в слое катализатора, оказывает тип катализатора. Здесь, прежде всего, обращает на себя внимание тот факт, что в зависимости от типа катализатора в различных диапазонах температур можно получать различную эффективность нейтрализатора по очистке отработавших газов.
Данные о рабочих диапазонах катализаторов приведены в таблице 4.1. Предварительно было установлено, что наиболее эффективным оказался катализатор, состоящий из пяти долей по массе платины и одной доли - родия. Испытания, проведенные автором, показали, что наибольший интерес в процессе снижения выбросов СО, представляет катализатор из оксида меди на носителе из глинозема А1203, стабильно снижающий выбросы этого компонента отработавших газов на 90...98 % при о температуре 180...320 С (рисунок 4.1). Стабильно уменьшение выбросов СО при температурах 200...400 С наблюдалось при использовании катализатора из палладия на керамической основе, при температурах ОГ 200...500 С - палладия на А1203, при температурах ОГ 280...600 С - платины на керамике. При 500...750 С активно работает катализатор из платины на носителе из А12Оз, снижая уровни содержания СО на 51...100 % в зависимости от наличия свободного кислорода в ОГ дизеля. Было обнаружено, что по температуре начала работы наиболее предпочтителен катализатор на основе оксида меди. Однако он плохо работал на режимах средних и больших нагрузок дизелей. наибольшая активность наблюдалась для шариковых платиновых о катализаторов в диапазоне температур от 500 до 750 С, а для палладиевых - от 400 до 600 С. Для достижения таких температур необходимо было вводить подогрев отработавших газов дизелей. Катализаторы на основе оксидов меди уменьшали содержание о углеводородов в диапазоне температур от 200 до 400 С на 60...80 %. Влияние некоторых типов катализаторов на эффективность снижения уровня углеводородов показана на рисунке 4.2. Было обнаружено, что особенностью восстановления оксидов азота в отработавших газах дизелей является наличие большого количества кислорода в зонах восстановительных реакций. Незначительное содержание углеводородов и оксида углерода, даже при условии их полного окисления, не позволяет связать весь свободный кислород. На рисунке 4.3 показано влияние типов катализаторов на эффективность восстановления оксидов азота в ОГ дизелей. Именно поэтому в нейтрализаторы было рекомендовано подавать газы, например аммиак, между ступенями окисления и восстановления. Подача аммиака позволяла не только поднять температуры в реакторе, но и связать значительное количество свободного кислорода в составе отработавших газов. Данное мероприятие привело к резкому повышению эффективности КН по снижению выбросов оксидов азота. Было выявлено, что наибольший интерес представляли катализаторы из платины и ее соединений на носителе из А1203 и керамики, работающие в диапазоне температур от 100 до 350 С. Катализаторы из палладия незначительно уступали платиновым.
