Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы. Снижения вредных выбросов дизельных энергетических установок 8
1.1. Состав и степень воздействия отработавших газов энергетических установок на окружающую среду 8
1.2. Оценка степени загрязнения окружающей среды токсичными компонентами 11
1.3. Нормирование токсичности вредных выбросов
двигателей 14
1.4. Методы и средства, направленные на улучшение экологических показателей двигателей 17
1.5. Способы и технические решения, применяемые для восстановления оксидов азота 27
1.6. Выводы и задачи исследования 31
Глава 2. Моделирование и исследование конструктивных размеров нейтрализатора 33
2.1 Алгоритм и методика расчета нейтрализатора оксидов азота 33
2.2 Выводы 50
Глава 3. Методика экспериментальных исследований и применяемое оборудование 51
3.1. Общая методика экспериментальных исследований 51
3.2. Объект исследований, экспериментальная установка, измерительная аппаратура 52
3.3. Методика исследований газодинамических параметров работы нейтрализатора 62
3.4. Методика исследований эксплуатационных показателей дизеля
ГАЗ 544.10 при установке нейтрализатора оксидов азота 64
3.5. Погрешность измерений 66
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований показателей работы нейтрализатора оксидов азота 69
4.1. Исследование показателей работы дизеля ГАЗ 544.10 69
4.2. Исследование газодинамических показателей работы нейтрализатора оксидов азота 73
4.3. Результаты экспериментальных исследований нейтрализации оксидов азота 79
4.4. Оптимизация параметров работы нейтрализатора
и повышение эффективности восстановления оксидов азота 82
4.5. Нормативно-техническая документация по применению нейтрализатора
оксидов азота 89
Глава 5. Экономическое обоснование внедрения нейтрализатора оксидов азота 91
Выводы 94
Литература 95
Приложение
- Состав и степень воздействия отработавших газов энергетических установок на окружающую среду
- Алгоритм и методика расчета нейтрализатора оксидов азота
- Общая методика экспериментальных исследований
- Исследование показателей работы дизеля ГАЗ 544.10
Введение к работе
Двигатели тракторов и автомобилей, представляющие основу мобильного обеспечения сельскохозяйственного производства Российской Федерации, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды.
Вредные выбросы автотракторных двигателей сокращают урожайность до 25% и снижают качество сельскохозяйственных культур, приводят к серьезным заболеваниям сельскохозяйственных животных. Поэтому наряду с улучшением топливно-экономических показателей двигателей внутреннего сгорания снижение токсичности их отработавших газов становится важнейшей проблемой.
Работа двигателей внутреннего сгорания осуществляется по разомкнутому циклу, соответственно выбросы в окружающую среду ОГ исключить нельзя. Существующие методы совершенствования рабочего процесса и топливной аппаратуры, оснащение двигателей системами нейтрализации и другими антитоксичными устройствами уменьшают выброс продуктов неполного сгорания -оксидов углерода СО, углеводородов CnHm, сажи и улучшают топливно-энергетические показатели энергетических установок, но, как правило приводят, к росту содержания оксидов азота NOx в ОГ. Кроме того, предлагаемые методы требуют значительных затрат, что приводит к значительному усложнению эксплуатации энергоустановок, увеличении их стоимости.
С точки зрения экологической опасности, оксиды азота NOx характеризуются по непосредственному воздействию на окружающую среду как наиболее активные токсичные вещества по сравнению с углеводородами, сажей и оксидами углерода. По предельно допустимым концентрациям ПДК в воздухе оксиды азота относятся к веществам 2-го класса опастности.
С наличием в атмосфере оксидов азота NOx связаны кислотные дожди, фотохимический промышленный смог, снижение концентрации озона. Поэтому задача нейтрализации оксидов азота имеет особое значение.
Альтернативным методом является восстановление оксидов азота NOx, но без добавок восстановителя - задача крайне трудная. Необходимо использовать
такой восстановитель, который мог бы быть легко окислен до СОг и воды. Из наиболее перспективных и доступных восстанавливающих агентов следует рассматривать метан, пропан, а также оксид углерода. Несмотря на интенсивные исследования в ряде стран, к настоящему времени осуществлен и внедряется в практику лишь процесс каталитического восстановления аммиаком.
В связи с этим улучшение экологических показателей энергетических установок, путем разработки метода и средства нейтрализации оксидов азота NOx ОГ, весьма актуальна. Цель работы
Целью диссертации является улучшение экологической чистоты энергетических установок путем разработки и использования устройства нейтрализации оксидов азота ОГ дизельного двигателя. Научная новизна работы
Научная новизна диссертации заключается в решении проблемы снижения выбросов оксидов азота с ОГ двигателей мобильной автотракторной техники при использовании нейтрализатора, не требующего больших затрат на эксплуатацию.
В процессе решения данной проблемы были представлены:
методика расчета и обоснование оптимальных конструктивных параметров нейтрализатора оксидов азота ОГ;
математическая модель, полученная по результатам лабораторных исследований, позволяющая оценить влияние скорости подачи раствора аммиака и скоростного режима работы двигателя на степень восстановления оксидов азота ОГ.
Практическая ценность работы:
разработана и испытана конструкция нейтрализатора оксидов азота ОГ, позволяющая при эксплуатации дизельных энергетических установок уменьшить выброс оксидов азота до нормируемых значений;
разработан алгоритм, позволяющий осуществить расчет и выбор оптимальных размеров конструкции нейтрализатора оксидов азота ОГ;
разработана нормативно-техническая документация применения устройства нейтрализации оксидов азота ОГ дизельных энергетических установок;
получены зависимости изменения основных параметров работы нейтрализатора оксидов азота ОГ на различных скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля, которые обеспечивают улучшение экологических показателей автомобильного дизеля ГАЗ 544.10.
Состав и степень воздействия отработавших газов энергетических установок на окружающую среду
Наряду с различными естественными явлениями, ведущими к загрязнению окружающей среды, все большее значение в этом процессе приобретает деятельность человека, связанная с освоением природных богатств, развитием и совершенствованием промышленности, сельского хозяйства, строительства, транспорта и других сфер.
Проблема снижения загрязнения природной среды давно перешагнула границы отдельных государств и даже целых континентов, приобрела международный характер и стала общей для всех стран Мира. Вредные вещества, попадающие в атмосферу, разносятся воздушными потоками на огромные пространства, не считаясь с государственными границами.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ.
По своей природе ОГ двигателей внутреннего сгорания представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны [73].
Основными нормируемыми токсичными компонентами ОГ двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводороды. Кроме того, с ОГ в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты (таблица 1.1). Общая масса токсичности ОГ приходится на долю пяти основных компонентов: NOx, СО, CnHm, альдегидов RCHO, диоксида серы SOx [74].
По степени воздействия на организм человека токсичные вещества разделяют на четыре класса [42]. К первому классу из вредных выбросов ДВС относится только бенз(а)пирен. Второй класс включает десять веществ: оксиды азота NOx, триоксид серы SO3, аэрозоль серной кислоты H2SO4, бензол, фенантрен, фенол и другие. К третьему классу относится 33 вещества, к четвертому - 40.
Таким образом, основными токсичными компонентами ОГ двигателей вне зависимости от их типа, класса, размерности и конструктивных особенностей являются оксиды азота NOx и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).
Около 42% оксидов азота NOx, выбрасываемых в атмосферу, приходится на автомобильный транспорт [81]. Причем, сорт сжигаемого топлива не оказывает существенного влияния на образование оксидов азота в камере сгорания (КС) двигателя. Из оксидов азота NOx, содержащихся в ОГ, 80...90% приходится на монооксид N0 и 10...20% - на диоксид N02. Содержание других газообразных оксидов азота (N2O, N2O3, N204, N205) в ОГ ничтожно мало. Монооксид азота является нестабильным компонентом. В атмосфере при нормальных условиях NO окисляется до N02 в течении от 1 до 100 часов.
Все оксиды азота, взаимодействуя с парами воды в воздухе, образуют азотистую HN02 и азотную HNO3 кислоты, которые разрушают легочную ткань, вызывая хронические заболевания. При концентрациях в воздухе более 0,0013% NOx действуют как острый раздражитель слизистых оболочек, а при концентрациях 0,004...0,008% - могут вызвать отек легких [42]. Наибольшую опасность оксиды азота представляют в качестве активного компонента смога. Причем, токсикологический эффект воздействия NOx на человека в десять раз выше, чем у монооксида углерода СО.
Наиболее распространенный диоксид азота N2O - газ красно-бурого цвета, который при больших концентрациях обладает удушливым запахом, и воздействует на слизистые оболочки глаз и носа, а также на нервную и сердечно -сосудистую системы человека, кроветворные органы и печень.
В ОГ ДВС обнаружено более 20 различных ПАУ. Наиболее представительными из них являются неканцерогенные - пирен, флуорантен и слаботоксичный хризен, а наиболее опасными - бензо(Ь)флуорантен, бен-зо(])флуорантен, фенантрен СиНю и, особенно, бенз(а)пирен С20Н12 [83]. В КС дизеля ПАУ адсорбируются на присутствующих в ОГ частицах сажи.
Многие вредные выбросы ОГ двигателей вызывают повреждение растений и сельскохозяйственных культур. Оксиды азота оказывают негативное влияние на сельскохозяйственные культуры. При низких концентрациях N20 в атмосфере отмечается снижение темпа роста растений, а при концентрациях 0,0002...0,0003% и более - их серьезные повреждения [27, 44]. Причем наиболее чувствительны к загрязнениям атмосферы злаки, бобовые, свекла.
Алгоритм и методика расчета нейтрализатора оксидов азота
Программа экспериментальных исследований включала контрольные испытания двигателя на соответствие его регулировочных параметров требованиям ГОСТ и ТУ [26, 73] и исследование показателей токсичности СО, CnHm, NOx, С (сажа) работы дизеля ГАЗ 544.10 на различных скоростных и нагрузочных режимах работы.
Кроме того, были проведены исследования газодинамических параметров потока ОГ в конструкции нейтрализатора на основных эксплуатационных режимах работы дизеля и оценка эффективности восстановления оксидов азота разработанным устройством нейтрализации ОГ.
Снятие характеристик автомобильного дизельного двигателя ГАЗ 544.10 и обработка результатов тормозных испытаний, проводилось согласно ГОСТ 14846-81 [22].
При проведении испытаний производились замеры: расходов топлива, воздуха и ОГ; крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала; температуры ОГ; осуществлялась запись индикаторных диаграмм; производились измерения сопротивлений элементов системы нейтрализатора; контролировался температурный режим работы дизеля, давление в смазочной системе. В ходе испытаний проводился отбор проб ОГ на анализ количественного состава компонентов, система отбора проб, пробоподготовки и метрологического обеспечения газового анализа соответствовала ГОСТ 17.2.2.05-97 [23].
Анализ состава ОГ проводился согласно ГОСТ 17.2.2.05-97 и методикам на содержание: углеводородов и оксидов углерода - инфракрасным методам; оксидов азота - электрохимическим методам; сажи - оптическим методом, быстродействующей газоаналитической системой «BOSCH ESA 3.250». Для измерения и регистрации контролируемых параметров была создана установка на базе дизеля ГАЗ 544.10 оснащенная соответствующими датчиками и приборами.
Величины предельных относительных ошибок (апр) однократных измерений определялись, исходя из паспортных данных о точности используемых приборов.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Автотранспортного и электромеханического колледжа администрации Санкт-Петербурга».
Объектом стендовых испытаний является, разработанная конструкция нейтрализатора оксидов азота относящаяся к области машиностроения, а именно, к системам снижения токсичности отработавших газов энергетических установок в составе с дизельным двигателем ГАЗ 544.10.
На основании изучения предыдущей модели устройства для снижения выбросов оксидов азота и последних достижений в области конструирования нейтрализаторов [5, 14, 38, 40, 41, 51, 62] был создан опытный образец нейтрализатора (рис.3.1), защищенный патентом РФ № 2265733 F 01 N 3/08 [63]. Нейтрализатор оксидов азота ОГ энергетических установок содержит разъемный цилиндрический корпус 1, имеющий входной 2 и выходной 3 патрубки. Внутри, соосно корпусу 1 с помощью продольных ребер жесткости 4, установлена цилиндрическая смесительная камера 5, выполненная в виде трубы 6, которая образует с корпусом 1 кольцевой канал 7 и с соплом 8 входного патрубка 2 кольцевое отверстие 9. К входному патрубку 2 жестко закреплено конусообразное суживающееся сопло 8, внутри которого соосно с ним установлена трубка 10 подачи газа-восстановителя. На выходе из цилиндрической смесительной камеры 5 установлена трубка 11 противодавления. Выходное сечение суживающегося конусообразного сопла 8, находится в одной вертикальной плоскости соосно с входным сечением цилиндрической смесительной камеры 5. Нейтрализатор отработавших газов энергетических установок устанавлива ется в выхлопную трубу транспортного средства вблизи от выпускного коллектора и соединяется с дополнительной емкостью для хранения газа - восстановителя.
Установка для исследования показателей рабочего процесса нейтрализатора оксидов азота и его экологических показателей создана на базе автомобильного дизельного двигателя ГАЗ 544.10 Горьковского автомобильного завода. Стенд оснащен системами, обеспечивающими его функционирование на всех режимах исследований, а также контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, позволяющей контролировать и регистрировать все необходимые для работы и проведения исследований параметры двигателя и системы очистки ОГ
Общая методика экспериментальных исследований
Исследования газодинамических показателей разработанного устройства нейтрализации оксидов азота в ОГ дизеля ГАЗ 544.10, проводились согласно ГОСТ 14846-81 и ГОСТ 18509-88 [22] на установке, созданной на базе дизеля ГАЗ 544.10 и тормозного стенда КИ-2139, укомплектованной контрольно - измерительными приборами (рис. 3.1...3.8, табл. 3.1).
Методикой предусматривалось проведение сравнительных исследований газодинамических параметров работы нейтрализатора оксидов азота на основных скоростных режимах работы дизеля ГАЗ 544.10 посредством снятия внешних скоростных характеристик от 1600 мин"1 до 2900 мин"1. При проведении испытаний на каждом режиме в трехкратной повторности снимались показатели. При этом на каждом режиме проводились следующие измерения: осуществлялся контроль температуры ОГ на входе в нейтрализатор, полных и статических давлений в основных сечениях устройства, расход воздуха двигателем, расход топлива, частоты вращения к.в. двигателя и нагрузки тормозного стенда.
Для контроля газодинамических параметров на объекте испытаний (рис. 3.9, 3.10) в основных сечениях были вмонтированы трубки, с помощью которых предполагалось произвести замеры полных и статических давлений. Давление замеряли пружинными манометрами.
С целью определения газодинамического сопротивления нейтрализатора, было также измерено давление ОГ до и после нейтрализатора. Измерение давления на выпуске осуществлялось с помощью манометра.
Подвод газов к прибору выполнен из выхлопного трубопровода ОГ двигателя через трубопровод малого сечения, чем исключено влияние колебаний давления в коллекторе на показания прибора. Температура газов на выпуске измерялась при помощи хромель-капелевой термопары, установленной в нейтрализаторе в начале смесительной камеры, а в качестве регистрирующего при давление ОГ измеренное манометром, рбар - атмосферное давление измеренное барометром.
Исследование экологических показателей работы дизеля ГАЗ 544.10 и степени эффективности работы разработанного устройства нейтрализации ОГ проводилось согласно ГОСТ 18509-88 на установке созданной на базе дизеля ГАЗ 544.10 и тормозного стенда КИ - 2139, укомплектованной контрольно-измерительными приборами (рис. 3.1-3.13).
Методикой предусматривалось проведение сравнительных исследований работы дизеля на режимах номинальной мощности (п=2800 мин"1), максимального крутящего момента (п=1800 мин"1) и промежуточном режиме (п=2300 мин" х) с установленным нейтрализатором оксидов азота при подаче газа-восстановителя (аммиака) и без подачи газа.
В ходе исследований осуществлялся контроль крутящего момента на к.в. двигателя, частоты вращения к.в., температурного режима работы дизеля, давление в системе смазки, противодавления в выпускной системе, расхода аммиачного раствора, температуры ОГ и концентрации токсичных компонентов в ОГ.
Анализ ОГ проводился непрерывным, быстродействующим газоанализатором «BOSCH ESA 3.250» с выводом данных по содержанию токсичных компонентов: оксидов азота, оксида углерода, диоксида углерода, углеводородов, кислорода, сажи (дымность) на монитор компьютера.
Обработка результатов тормозных испытаний дизельного двигателя ГАЗ 544.10 и снятие его характеристик проводились согласно ГОСТ 18509-80 [22, 23].
Оценку точности всех измерений производят на основании теории случайных ошибок, согласно которой при числе измерений N 30 вероятность того или иного показания прибора описывается распределением Стьюдента.
Для прямых измерений, в которых используют приборы с установленным классом точности, действительные значения измеряемой величины и погрешности измерения определяют из следующих соображений.
За истинное значение измеряемой величины принимается математическое ожидание (выборочно среднее) ряда повторных измерений. где: ХІ - результаты і-го измерения; N - число повторных измерений. Средняя квадратичная погрешность математического ожидания при этом определяется по формуле: Ite-J)2 N(N-l) ххч, uulIUw„vm.m JI1Uw.. . и x- определяется доверительный интервал случайной погрешности математического ожидания /3 и доверительный интервал погрешности математического ожидания % ±Р : " or X где: ta - коэффициент Стьюдента. Для N=3 и заданной вероятности Ф = 0,95 величина t2-4,3. Доверительный интервал истинной погрешности прямого измерения определялся по приближенной формуле: a = yjj32+A2 где: Д - основная погрешность измерительного прибора.
Исследование показателей работы дизеля ГАЗ 544.10
Эффективность предотвращения ущерба от воздействия загрязняющих веществ оценивается экономическим эффектом. Экономический эффект определяется снижением отрицательного воздействия на окружающую среду, улучшением ее состояния, уменьшением уровня загрязнения, увеличением количества и улучшением качества пригодных к использованию земельных, лесных и водных ресурсов [65, 84].
Экономический результат от внедрения средозащитных мероприятий Р определяется суммой: P = n + AD (5.1) где 77- предотвращение экономического ущерба, П=УГУ2, У- экономическая оценка ущерба, наносимого окружающей среде, руб; AD - годовой прирост от улучшения производства, руб.
Экономическая эффективность от внедрения средства очистки ОГ определяется равенством: R=P-3 (5.2) где 3 - затраты на установку средств очистки, уменьшающих выброс вредных веществ, руб.
Экономическая оценка ущерба У, причиняемого годовыми выбросами вредных веществ в атмосферный воздух, определяется по формуле: У=уа-а-М( (5.3) где у — константа зависящая от курса рубля, руб/усл; а - показатель относительной опасности загрязнения над различной территорией; а - константа, учитывающая природно-климатические условия; Mt — приведенная масса годового выброса в t-u году, усл. т/год.
Приведенная масса годового выброса определяется по формуле: где і - вид загрязняющего вещества, учитываемого при установлении источнику загрязнений лимита на выброс вредных веществ; mit - лимит выброса /-го вредного вещества в натуральном измерении предприятием в t году значения которых устанавливаются в соответствии с этапами достижения нормативов ПДВ, т/год; к( - коэффициент приведения, учитывающий относительную опасность /-го вредного вещества: к,=— — (5.5) где ПДКссі - среднесуточные ПДК /-го вредного вещества в воздухе населенных мест, мг/м . Лимит выброса /-го вредного вещества источником загрязнений в t-u году можно определить по формуле: Щ, = Щ (5.6) где т, - объем выброса /-го вредного вещества за определенный период в год предшествующий расчетному периоду (базовый объем), т; т"д - годовой объем ПДВ /-го вредного вещества источником загрязнений, достижение которого намечается через Глет (нормативный объем), т; Т- количество лет, необходимое для достижения ПДВ.
Результаты расчета экономической эффективности предлагаемого способа нейтрализации оксидов азота, для одного автомобиля, представлены в таблице 5.1.
Годовой экономический эффект от применения нейтрализатора оксидов азота составляет 2067 рублей на один автомобиль. Срок окупаемости внедряемого средства составит 2 года.
1. Исследованием современных методов и способов снижения содержа ния наиболее токсичного компонента ОГ дизельных энергетических установок - оксидов азота, установлено, что наиболее эффективным и экономически целе сообразным способом является применение внешней физико-химической очи стки ОГ.
2. Разработана конструкция, новизна которой подтверждена патентом РФ № 2265733 F 01 N 3/08 от 10.12.2005 г., и выполнен опытный образец нейтрализатора оксидов азота ОГ дизельных двигателей, реализующие способ высокотемпературного гомогенного восстановления оксидов азота, при внедрении которых достигается эффективная очистка ОГ от оксидов азота - до 80 ... 90 %.
3. Разработаны алгоритм, методика и пакеты прикладных программ, позволяющие осуществлять расчет и выбор оптимальных параметров конструкции нейтрализатора в зависимости от режима работы двигателя.
4. Проведены комплексные исследования, в том числе во многофакторной постановке, по изучению влияния режимов работы дизеля на параметры работы нейтрализатора; получена математическая модель позволяющая оценить уровень снижения концентрации оксидов азота в ОГ в зависимости от режима работы двигателя и скорости подачи аммиака. Экспериментальными исследованиями дизеля ГАЗ 544.10 подтверждена работоспособность и целесообразность внедрения разработанного устройства нейтрализации оксидов азота ОГ.
5. Разработана нормативно-техническая документация по применению нейтрализатора оксидов азота ОГ дизельных энергетических установок. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПбГАУ, Тверской ГСХА и в производство ООО «Дельта-Инвест» и ООО «Диадема». Экономическая эффективность предлагаемого способа нейтрализации оксидов азота определена путем оценки ущерба, причиняемого годовыми выбросами оксидов азота в атмосферный воздух одним автомобилем, и составляет 2067 рублей.
