Введение к работе
Актуальность темы
Экологические проблемы крупных городов осложняются высокими темпами роста автомобильного парка. Доля автомобилей с дизельными двигателями в мир составляет примерно 15%. Их популярность связана с тем, что дизельные двигатели лучше бензиновых по КПД и экономичности, однако при этом количество сажи, выбрасываемой в атмосферу, в несколько раз больше, чем при работе бензинового двигателя. Одним из перспективных подходов к очистке отходящих газов дизельных двигателей от частиц сажи является использование каталитических фильтров различной конструкции. По мере заполнения фильтра сажей, растет перепад давления в выпускной системе, поэтому фильтр необходимо периодически регенерировать. Температура начала окисления сажи на воздухе составляет 600 - 650 С, в присутствии катализатора её можно снизить до температуры отходящих газов (ОГ), равной 250 - 350 С.
Эксплуатация каталитических фильтров еще далека от совершенства, поэтому задача разработки новых и усовершенствования существующих фильтров для улавливания и дальнейшего окисления частиц сажи является актуальной. Анализ литературных данных показал, что эффективность работы фильтра зависит от следующих основных факторов: физико-химических свойств частиц сажи и катализаторов ее окисления, типа фильтрующего материала, конструкции фильтра. Из-за многообразия факторов, влияющих на работу фильтров, решение вышеназванной задачи только экспериментальными методами представляется трудоемким. Наиболее целесообразным дополнением является применение методов математического моделирования, это позволит существенно снизить количество экспериментов. Существующие математические модели процессов в каталитических сажевых фильтрах - это двухфазные модели тепло- и массопереноса, учитывающие основные механизмы улавливания частиц сажи и ее каталитическое окисление. В подавляющем большинстве работ рассчитывается только регенерация конкретных фильтров и не учитывается стадия фильтрации отходящих газов. Для более точного расчета эффективности удаления сажи из потока ОГ, изменения перепада давления и эффективности регенерации фильтра необходимо учитывать также полидисперсность частиц сажи и волокон материала фильтра, наличие углеводородов (УВ), адсорбированных на поверхности частиц сажи, цикличность процессов улавливания и окисления сажи.
Целью данной работы является разработка и развитие методов математического моделирования процессов очистки отходящих газов дизельных двигателей от сажи в пористых каталитических фильтрах; исследование эффективности работы фильтров различной конструкции в зависимости от параметров выхлопных газов, типов фильтрующих материалов и свойств катализаторов окисления сажи.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Получение исходных данных для моделирования: экспериментальное изучение физико-химических свойств дизельной сажи; изучение динамики
осаждения сажи в пористом материале фильтра; оценка кинетических параметров окисления модельной сажи на катализаторах CeO2ZB-Al2O3, Pt/CeO2/0-Al2O3, Fe-Mn-K-O/y-Al2O3 и смеси модельной сажи с УВ на примере октадекана на катализаторе Fe-Mn-K-O/y-Al2O3; изучение структуры и аэродинамических свойств пористых материалов на примере волокнистого кварца.
-
Построение математической модели, учитывающей полидисперсность частиц сажи и волокон материала фильтра, совместное окисление сажи и адсорбированных на её поверхности УВ, цикличность процессов улавливания и окисления сажи. Разработка алгоритма решения нестационарной задачи для системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, определение параметров модели на основе описания экспериментальных данных, разработка программного обеспечения для реализации алгоритма, верификация модели.
-
Математическое моделирование процессов осаждения частиц сажи в каталитических фильтрах и окислительной регенерации фильтров. Исследование влияния конструкции, материала фильтра, катализаторов, параметров выхлопных газов на эффективность работы фильтров.
-
Изучение эффективности работы фильтров в зависимости от полидисперсности частиц сажи и волокон материала фильтра, цикличности процессов улавливания.
-
Математическое моделирование окислительной регенерации фильтра при наличии адсорбированных углеводородов на саже.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработана детальная математическая модель, описывающая динамику процессов в каталитических сажевых фильтрах. Модель учитывает полидисперсность частиц сажи и волокон материала фильтра, каталитическое окисление сажи совместно с адсорбированными на её поверхности углеводородами, цикличность процессов улавливания и каталитического окисления сажи.
Установлено, что после прохождения отходящих газов, содержащих полидисперсные частицы сажи, через фильтр снижается концентрация крупных и средних частиц сажи. Средний диаметр частиц сажи в ОГ после фильтра уменьшается.
Показано, что при чередовании процессов фильтрации ОГ и регенерации фильтра, процесс можно считать установившимся, начиная с третьего цикла.
Установлено, что при наличии адсорбированных углеводородов на саже, регенерация фильтра с фиксированной входной температурой может привести к значительным перегревам. При регенерации фильтра в условиях программируемого подъема входной температуры перегревов не наблюдается.
Практическая ценность
На основе детальной математической модели процессов в каталитическом сажевом фильтре создана программа расчета на ПК, которая может эффективно использоваться при разработке новых и оптимизации существующих фильтров с учетом физико-химических характеристик фильтрующей среды, а также за счет организации режимов регенерации без необходимости проведения трудоемких экспериментов и пилотных испытаний. Изучено влияние конструктивных особенностей и материала фильтра на эффективность его работы при различных параметрах отходящих газов. Полученные в результате численного анализа данные являются основой при разработке новых и оптимизации существующих фильтров.
Положения, выносимые на защиту
-
-
Построение математической модели, учитывающей полидисперсность частиц сажи и волокон материала фильтра, совместное окисление сажи и адсорбированных на её поверхности УВ, цикличность процессов улавливания и окисления сажи. Разработка алгоритма решения нестационарной задачи для системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, определение параметров модели на основе описания экспериментальных данных, разработка программного обеспечения для реализации алгоритма, верификация модели.
-
Результаты математического моделирования процессов осаждения частиц сажи в каталитических фильтрах и окислительной регенерации фильтров.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1-ой Международной школе-конференции по катализу для молодых ученых «Каталитический дизайн - от исследований на молекулярном уровне к практической реализации» (Новосибирск, Россия, декабрь 2003 г.), на Сибирской конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ангарск, апрель 2003 г.), на Всероссийской конференции «Химреактор-16» (Казань, июнь 2003 г.), на 1-ой Всероссийской конференции «Химия для автомобильного транспорта» (Новосибирск, октябрь 2004 г.), на Международной конференции «Наноструктурированные катализаторы и каталитические процессы для инновационной энергетики и устойчивого развития» (Новосибирск, июнь 2011 г.).
Публикации. Результаты работы представлены в 8 публикациях, включая 3 статьи в рецензируемых научных журналах и 5 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, двух приложений и списка литературы. Диссертация изложена на 143 страницах, содержит 64 рисунка, 17 таблиц. Список литературы содержит 90 наименований.
Похожие диссертации на Математическое моделирование процессов в каталитических фильтрах при очистке отходящих газов дизельных двигателей от сажи
-
