Реферат Отчет: 180 стр., 11 рис., 12 табл., 72 источника
Скачать 2.36 Mb.
|
Обезвреживание отработавших газов дизелей Критическими компонентами, необходимыми для выполнения дизельными двигателями перспективных экологических стандартов Евро-5 и Евро-6, являются высокоэффективные каталитические нейтрализаторы и фильтры дисперсных частиц [25-42]. 1.3.1 Каталитические реакторы восстановления NOx. В дизеле из-за большого избытка кислорода в широком диапазоне рабочих режимов сложно осуществить каталитическое восстановление NOx. Это связано с тем, что восстановительный потенциал СО, СН и Н2 в основном используется в процессах окисления. Для выполнения требований действующих и перспективных экологических стандартов в отношении выбросов NOx в настоящее время существует ряд альтернативных концепций каталитического восстановления: неселективное каталитическое восстановление (NSCR), селективное каталитическое восстановление (SCR); бедный NOx адсорбер (LNT). Анализ, выполненный в рамках данной работы, показывает, что наиболее перспективной концепцией контроля NOx в ОГ дизелей автомобилей массой более 3,5 т является селективное каталитическое восстановление (SCR). В соответствие с требованиями ТЗ были проанализированы два варианта SCR, использующие два восстановителя, аммиак и водород. 1.3.1.1 SCR-процесс с NH3 в качестве восстановителя. Наиболее часто в качестве восстановителя используется аммиак. В этом случае SCR система состоит из каталитической системы и системы дозирования и впрыска мочевины. Водный раствор мочевина впрыскивается в поток ОГ на некотором расстоянии от входа в нейтрализатор. Распыленная мочевина формирует аммиак (NH3) в результате гидролиза и восстанавливает NOx на ванадиевом SCR катализаторе на керамическом носителе. Аммиак, не использованный в SCR, окисляется в катализаторе, контролирующем его проскок через SCR. По данным [34] ванадий имеет очень высокую селективность к азоту и широкое температурное «окно». Данные приведенные в таблице 1.3 дают представление об основных размерах SCR и катализатора контролирующего утечку NH3 двигателей Volvo, Caterpillar, Cummins. Таблица 1.3 - Основные размеры SCR и катализатора контролирующего утечку NH3.
Ниже приведены три основные реакции между компонентами NOx и аммиаком, обеспечивающие конверсию оксидов азота: 4NH3 + 4 NO + O2 → 4N2 + 6 H2O 4NH3 + 2 NO + 2 NO2 → 4N2 + 6 H2O 8NH3 + 6 NO2 → 7N2 + 12 H2O Анализ приведенных реакций показывает, что эффективность конверсии NOx существенно зависит от отношения NO2/NO и достигает максимума при температуре ~250оС, когда это отношение равняется 1, который может обеспечить снижение выбросов NOx на 76-88%. 1.3.1.2 SCR-процесс с Н2 в качестве восстановителя. Водород является отличным восстановителем и высокоэффективен при введении в различные катализаторы, такие как трехкомпонентный катализатор, NOx адсорбирующий катализатор и селективно восстановительный катализатор. Анализ показывают, что водород значительно улучшает конверсию NO на Ag/Al2O3 катализаторе в широком диапазоне температур. Кроме того, водород уменьшает потери эффективности SCR катализатора, связанные с повышенной объемной скоростью и присутствием серы. Наконец, присутствие водорода в продуктах бедного сгорания позволяет ускорить процесс включения холодного катализатора. Известно несколько работ по восстановлению NO с использованием H2 в условиях избытка кислорода [39-41]. Сильной стороной этого восстановителя является то, что реакция начинается при низкой температуре 100C, что очень важно при холодном пуске двигателя. Ниже перечислены реакции, происходящие в смеси NO-H2-O2: 2 NO + 4 H2 +O2 N2 + 4 H2O 2 NO + 3 H2 + O2 N2O + 3 H2O H2 + 1/2 O2 H2O Несмотря на многообещающие результаты, полученные в реакции селективного восстановления NOx водородсодержащими смесями, необходима дополнительная работа по исследованию других химических композиций смешанных систем, нанесенных на подложку, которые будут хорошо работать в широком диапазоне температур с меньшей активностью реакции окисления водорода. 1.3.2. Дизельный окислительный каталитический нейтрализатор. Конструкция дизельного окислительного нейтрализатора существенно отличается от своих аналогов для бензиновых двигателей. Это связано: - с наличием в ОГ дизелей дисперсных частиц и соединений серы (преимущественно SO2); - относительно низкой температурой ОГ; - определенными отличиями в составе катализатора (он обладает высокой активностью в реакциях окисления СО и СН и минимально окисляет SO2). Кроме того, дизельный окислительный нейтрализатор можно использовать как часть системы селективного восстановления оксидов азота, в комбинации с которым удаляет избыточный аммиак на выходе в соответствии с формулой: NH3 + O2 = N2 + H2O На рисунке 1.4 сравниваются коэффициенты конверсии СН бензинового двигателя и дизеля. Очевидно, что у дизельного двигателя конверсия начинается при существенно более низких температурах. Это обусловлено высоким коэффициентом избытка воздуха (наличием большого количества кислорода) и композицией дизельного топлива.  Рисунок 1.4 - Изменение коэффициентов конверсии СН бензинового и дизельного двигателей в зависимости от температуры. Анализ показывает, что окислительный катализатор обеспечивает существенное снижение выбросов СО, СН и вредных частиц. Однако, уменьшение выбросов частиц в основном зависит от выбранного испытательного цикла и содержания серы в топливе. Использование топлив с низким содержанием серы существенно облегчает решение этой проблемы. 1.3.3 Дизельные фильтры ОГ. Снижение выброса ДЧ является важной проблемой дизельных двигателей. С одной стороны, стандарты на выброс частиц становятся все более жесткими, с другой стороны, современные фильтры частиц подходящие для массового использования в двигателях транспортных средств еще не полностью соответствуют перспективным требованиям. Анализ условий работы дизеля показывает, что при создании фильтров должны быть решены две задачи: - обеспечена эффективная фильтрация потока ОГ с частицами размером от 200 нм до10мкм; - обеспечено периодическое и/или непрерывное удаление аккумулированных частиц путем их окисления (регенерация фильтра). Для решения первой задачи предлагались разные системы фильтрации из разных фильтрующих материалов: керамики, стали, металлокерамики и волокон с каталитическим или тефлоновым покрытием. Отработавшие газы проходят сквозь ткань фильтра или пористые стенки. При этом частицы удерживаются или откладываются на стенках фильтра в процессе абсорбции. По мере работы фильтр все больше забивается частицами, его эффективность уменьшается. Это ведет к увеличению сопротивления, росту противодавления на выпуске и ухудшению топливной экономичности дизеля. По данным [43] увеличение противодавления на 1 дюйм ртутного столба при скорости автомобиля 65 км/ч приводит к потере топливной экономичности на 1%. При достижении критического сопротивления фильтр необходимо регенерировать. Продолжительность работы фильтра до регенерации зависит от концентрации дисперсных частиц в ОГ, размеров и характеристик фильтра, содержания серы в топливе и других факторов и обычно не превышает нескольких часов. Существует несколько способов регенерации: термическая, регенерация с помощью присадок к топливу, снижающих температуру окисления дисперсных частиц до 300-400оС и регенерация диоксидом азота (NO2), получаемым каталитическим окислением NO. Термическая (активная) регенерация. Существует много способов увеличения температуры ОГ в течение короткого промежутка времени. В большинстве случаев это увеличивает расход топлива на ~3% и более. Наиболее эффективным способом активной термической регенерации является использование горелки установленной в выпускной системе перед фильтром. В этом способе температура 500-600оС, требуемая для окисления частиц, может быть достигнута почти на всех скоростных и нагрузочных режимах. Регенерация оксидантами. Специальные присадки позволяют уменьшить температуру воспламенения сажи до 250оС [44]. Многие металлорганические присадки на основе меди, железа (например, ферроцен), кальция, марганца и церия подходят для этой цели и могут добавляться в топливо или вводиться непосредственно перед фильтром. Проблемой этого подхода является то, что влияние веществ, которые выбрасываются в окружающую среду в этом процессе недостаточно исследовано, например, в случае тяжелых металлов и соединений железа. Этот тип регенерации фильтра частиц сегодня испытывается на его совместимость с окружающей средой. Низкотемпературная (пассивная) регенерация диоксидом азота. На сегодня наиболее успешный подход по выжиганию сажи в фильтре обеспечивает непрерывно регенерируемый фильтр (CRT) предложенный ф. Johnson Matthey. Концепция процесса базируется на явлении, впервые опубликованном в статье [45], в которой было показано, что NO2 окисляет сухой углерод сажи при температуре фильтра порядка 250оС: 2 NO2 + C → CO2 + 2 NO NO2 + C → CO + NO Дело в том, что диоксид азота, который может быть получен при каталитическом окислении содержащегося в ОГ монооксида азота, в соответствии с формулой: NO + ½ O2 → NO2 обладает более высокой, чем кислород воздуха, способностью окислять дисперсные частицы, что позволяет добиться устойчивой регенерации. При этом, взаимодействуя с углеродом, диоксид углерода снова образует монооксид азота. Низкотемпературное окисление дисперсных частиц с помощью NO2 обеспечивает пассивную регенерацию (с непрерывным удалением частиц). Следует отметить, что пассивная регенерация осуществляется без подачи топлива в ОГ. При активной регенерации для подвода дополнительного тепла в ОГ, как правило, требуется подача топлива в ОГ. Выполненный анализ показывает, что для повышения топливной экономичности двигателя целесообразно максимально использовать непрерывную пассивную регенерацию для поддержания сажевой нагрузки на фильтр на низком уровне и сделать активную регенерацию по возможности более редкой. Активную регенерацию целесообразно используется в двух случаях: - оцениваемый уровень сажи достигает высокого уровня и требует регенерации; - система продолжительно работает в режиме пассивной регенерации и требует глубокой очистки для устранения сажевых отложений в фильтре. 1.4 Выбор концепции ПСН Выполненный анализ экологических стандартов транспортных средств и технологий нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов ДВС, в том числе дизелей, до уровня перспективных экологических стандартов, сравнительная оценка вариантов возможных решений, патентные исследования, позволили выбрать концепцию типовой перспективной системы нейтрализации ОГ. Концепция типовой ПСН предусматривает создание для базового четырехтактного дизеля с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом экологического класса 4 мощностью около 100 л.с., работающего на топливе с низким содержанием серы перспективной четырехкомпонентной системы нейтрализации ОГ в составе: - окислительного каталитического нейтрализатора, установленного на выпускном коллекторе двигателя. Каталитическое покрытие нейтрализатора обеспечивает очистку отработавших газов от СН и СО не ниже, чем на 60% (при температуре 350оС), дисперсных частиц от органических фракций и окисление NO в NO2 в количестве не менее, чем на 50% при температуре не выше 350оС для осуществление пассивной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц (сажевого фильтра); - фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц, установленного непосредственно за окислительным нейтрализатором и оборудованного системой активной регенерации, включающей в себя топливный бак, насос-дозатор, форсунку и смеситель. Каталитическое покрытие фильтра и дозированная периодическая подача топлива на его вход обеспечивают повышение температуры ОГ до 550-850оС, при которой происходит сгорание накопленных частиц сажи (активная регенерация фильтра). При пониженной до 300оС температуре диоксид азота (NO2), поступающий из окислительного нейтрализатора с ОГ и дополнительно формируемый каталитическим покрытием самого фильтра, обеспечивает его постоянную пассивную регенерацию. Применение активной и пассивной регенерации позволяет сократить расход топлива, затрачиваемый на регенерацию фильтра; - селективно-восстановительной системы каталитической нейтрализации, установленной непосредственно за фильтром-нейтрализатором дисперсных частиц, и оборудованной системой дозирования восстанавливающего реагента. В соответствии с ТЗ эта система выполнена в двух вариантах. Вариант А – в качестве восстановителя используется водород, который подается форсункой из баллона в смеситель, установленный на заданном расстоянии от входа в нейтрализатор, и обеспечивает на его каталитическом покрытии очистку отработавших газов от NOx не менее, чем на 50% (при температуре 350оС и выше). Вариант Б - в качестве восстановителя используется водный раствор карбамида, который подается форсункой из бака в смеситель, установленный на расстоянии обеспечивающем равномерное распределение восстановителя на входе в нейтрализатор. В результате гидролиза распыленный карбамид формирует аммиак (NH3), который обеспечивает на каталитическом покрытии нейтрализатора очистку отработавших газов от NOx не менее, чем на 50% (при температуре 350оС и выше). Избыточный аммиак, проскакивающий селективно-восстановительный нейтрализатор, устраняется дополнительным окислительным нейтрализатором (только для выполнения стандартов Евро-6). Анализ показывает, что по сравнению с альтернативной концепцией расположения элементов ПСН – дизельный окислительный нейтрализатор + селективно-восстановительный нейтрализатор + каталитический фильтр-нейтрализатор [64], принятая концепция позволяет использовать пассивную (низкотемпературную) регенерацию сажевого фильтра, что обеспечивает меньший расход топлива на регенерацию и соответственно меньшие выбросы парникового газа СО2. По сравнению с другой возможной альтернативой - дизельный окислительный нейтрализатор + каталитический фильтр-нейтрализатор + бедный NOx адсорбер [65], принятая схема обеспечивает: повышенную конверсию NOx при высоких температурах ОГ, характерных для двигателей АТС полной массой более 3,5 т; меньший расход топлива, связанный с восстановлением NOx и периодической десульфатацией адсорбера; пониженную склонность к отравлению серой; повышенную долговечность. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Реферат Отчет 41 с., 1 ч., 24 рис., 1 табл., 24 источника Учебное и научное астрономическое оборудование Астрономической обсерватории ниаи им. В. В. Соболева Математико-механического факультета... | | Реферат Отчет 118 с., 7 ч., 30 рис., 12 табл., 43 источника, 1 прил Центральной проблемой водородной энергетики являются большие затраты на хранение и транспортировку водорода. Наиболее безопасными... |
| Реферат Отчет 65 с., 3 ч., 26 рис., 8 табл., 53 источника Фазовый химический состав, эффективный заряд атомов, рентгеновская эмиссионная спектроскопия, спектроскопия отражения рентгеновских... | | Реферат (18 стр., рис., 3 табл.) Объектом исследования являлись системы централизованного и локального водоотведения мо ракитинское |
| Реферат Отчет с. 22, рис., 3 табл Объектом исследования являлись системы централизованного водоснабжения мо г п. Одоев | | Реферат. Отчет…23с., рис., 4 табл Объектом исследования являлись системы централизованного и локального водоотведения мо кожинское |
 | Реферат Отчет 35 с., 3 главы, 16 рис., 1 табл., 12 источников, 5 прил Объектом разработки является программа восстановления каркасных 3D объектов по 2D проекциям | | Реферат Отчет 16 с., 1 ч., 8 рис., 0 табл Минералогия почв, палеопочвы, глинистые минералы, аллофаны, каолинит, галлуазит, органно-минеральные соединения |
| Реферат Пояснительная записка: с., рис., табл., приложений, источников.... Пояснительная записка: с., рис., табл., приложений, источников | | Реферат Пояснительная записка содержит: 90 стр., 53 рис., 26 табл., 12 источников информации Телефонная сеть, оборудование связи, программный комплекс, база данных, клиентское приложение, паспортно-отчетная документация |
| Реферат Объем: 119 стр., 16 рис., 7 табл., 7 использованных источников ... | | Реферат Отчет 50 с., 1 ч., 22 рис., 14 табл., 22 источн., 2 прил Переработка, зерно, ферменты, ресурсосбережение, безопасность, технологии, методы, хлебобулочные, макаронные, мучные кондитерские... |
| Реферат Отчет представлен на 51 с., состоит из 5 ч., 12 рис., 2 табл Ключевые слова: цианобактерии, прохлорофиты, инфузории, тройственный симбиоз, pbcv-вирус, выделение, очистка, культивирование, лскм,... | | Реферат Пояснительная записка 100 стр., 18 рис., 15 табл., 1 прил., 15библ ... |
| Отчет 119 с., 8 рис., 9 табл., 33 источника. Ключевые слова Научно-образовательный комплекс, научно-инновационный проект, инвестиционный проект, интеллектуальная собственность, инновационная... | | Реферат Тычинин И. А. Разработка приложения для портативных устройств... Тычинин И. А. Разработка приложения для портативных устройств с использованием qt framework, квалификационная работа на степень бакалавра... |
