Реферат Отчет: 180 стр., 11 рис., 12 табл., 72 источника
Скачать 2.36 Mb.
|
1.5 Теоретические исследования процессов нейтрализации токсичных компонентов ОГ в макетах типовых ПСН Принципиальная схема четырехкомпонентной системы нейтрализации отработавших газов, разрабатываемой в соответствии с принятой концепцией для дизеля экологического класса 4 мощностью около 100 л.с., показана на рисунке 1.5.  Рисунок 1.5 - Принципиальная схема четырехкомпонентной системы нейтрализации ОГ, вариант Б: 1 – дизель; 2 – резервуар с карбамидом; 3 – электронный блок управления; 4 – дозатор; 5 – форсунка; 6 – баллон с сжатым воздухом; 7 – дизельный окислительный катализатор (DOC) 8 - фильтр с непрерывной регенерацией дисперсных частиц (DPF) ; 9 – селективно-восстановительный катализатор (SCR) с финишным окислительным катализатором (для Евро-6). Оптимизация конструкции такой системы позволяет обеспечить эффективное окисление СО, СН и частиц, восстановление NOx, пассивную (а при необходимости и активную) регенерацию фильтра и окисление аммиака, проскочившего через селективно-восстановительный каталитический нейтрализатор, в котором в качестве восстановителя используется раствор карбамида и, в конечном счете, выполнить указанным дизелем перспективные экологические требования. В результате обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной работы, разработан и апробирован методический подход, позволяющий определять на стадии разработки параметры основных элементов ПСН. Подход заключается в комбинированном применении: - методик расчета, базирующихся на созданных математических моделях физических и химических процессов в катализаторах и фильтре; - экспериментального метода, в том числе, используемого в модельных условиях на экспериментальном стенде, созданном в рамках данной работы, и на моторном стенде при испытаниях и исследованиях ПСН. 1.5.1 Моделирование процессов в дизельном окислительном катализаторе. Модель дизельного окислительного катализатора (DOC) базируется на физической и химической теориях, которые описывают химическую кинетику и характеристики переноса тепла и массы в дизельном окислительном катализаторе в одномерной постановке. Уравнения модели получены в результате применения законов сохранения массы, вещества и энергии к дизельному окислительному катализатору. Подробное описание модели приведено в промежуточном отчете [10]. Ниже дано ее краткое описание. Каталитические реакции. Предполагается, что в дизельном окислительном катализаторе протекают три основные химические реакции: СО + ½ О2 → СО2 (1) С3Н6 + 9/2 О2 → 3 СО2 + 3 Н2О (2) NO + ½ O2 → NO2 (3) Окисление моноксида углерода в диоксид углерода является упрощенным и поясняется уравнением (1). Окисление углеводорода дается уравнением (2). Допускалось, что оксиды азота (NOx) включают в себя только оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2). Основные уравнения. Основными дифференциальными уравнениями модели являются одномерные уравнения сохранения массы, энергии, вещества и уравнение баланса энергии на стенке нейтрализатора. Граничные и начальные условия. Для решения основных дифференциальных уравнений, необходимо задать граничные и начальные условия. Граничными условиями являются концентрации выше по потоку от дизельного окислительного катализатора и температура отработавших газов на входе в него. Начальные условия для температуры на твердой стенке выбираются равными окружающей температуре. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными подтверждает достоверность разработанной модели дизельного окислительного катализатора. Модель позволяет рассчитывать концентрацию вредных выбросов на выходе из катализатора в зависимости от его геометрии и температуры, коэффициенты конверсии СО,СН,NO. 1.5.2 Моделирование процессов в селективно-восстановительном катализаторе. Технология селективно-восстановительной нейтрализации отработавших газов (SCR) позволяет восстанавливать оксиды азота непосредственно в молекулярный азот с помощью восстановителя – аммиака или водорода. Вследствие токсичности и сложности регулирования подачи аммиака, обычно используют нетоксичный и достаточно широко распространенный карбамид (мочевину) [46]. Мочевина подается в виде 32,5% (по массе) водного раствора, которая впрыскивается на вход SCR нейтрализатора. Моделирование селективно-восстановительного катализатора включает решение двух задач - моделирование впрыска карбамида и моделирование всех каталитических реакций происходящих в каталитических нейтрализаторах. При использовании в качестве восстановителя водорода первая задача не решается, учитывая высокую скорость смешения водорода с ОГ благодаря высокому коэффициенту диффузии и турбулентному переносу водорода. Поэтому при моделировании принимается гомогенное распределение водорода на входе в катализатор. 1.5.2.1 Моделирование впрыска карбамида. Моделирование впрыска карбамида включает рассмотрение течения с многофазными явлениями. Поэтому оно требует одновременного решения уравнений сохранения для газовой и жидкой фазы. В настоящей работе модель жидкой фазы струи карбамида базируется на «Методе дискретных капель» (МДК) [46]. Основные уравнения модели впрыска карбамида, в том числе переноса тепла и массы, испарения приведены в промежуточном отчете [10]. Формирование аммиака (NH3) из капель водного раствора карбамида осуществляется за несколько основных реакционных шагов по схеме [47]. После испарения твердый карбамид (NH2)2CO термически разлагается на аммиак и изоциановую кислоту (HCNO) в соответствии со следующим стехиометрическим уравнением реакции:  1.5.2.2 Моделирование катализатора. Каталитический нейтрализатор блочного типа состоит из нескольких тысяч индивидуальных каналов сформированных твердой матрицей носителя. Внутри индивидуальных каналов происходят следующие явления: конвективный и диффузионный перенос газа, перенос в пограничном слое, диффузия внутри пористой среды, накопление на поверхности и каталитическая конверсия на активных реакционных центрах. Кроме того, все каналы взаимодействуют в радиальном направлении в результате теплопроводности через твердые стенки. Разработанная в рамках данного проекта одномерная модель селективно-восстановительного катализатора базируется на допущении, что один канал моделирует поведение всего каталитического блока. Это подразумевает равномерное распределение потока и температуры на входе в SCR нейтрализатор. Основные уравнения модели и уравнения переноса тепла и массы приведены в промежуточном отчете [10]. Каталитические реакции (аммиак). Выбросы NOx можно в значительной степени устранить из отработавших газов дизеля за счет использования метода селективного, каталитически поддерживаемого восстановления. В присутствии кислорода аммиак селективно вступает в реакцию с NOx, продуцируя безвредный азот и водяной пар. В разработанной модели учитываются следующие три общие SCR реакции:  Первая реакция учитывает только восстановление NO при стехиометрическом соотношении с аммиаком. Эту реакцию называют «стандартной SCR-реакцией», так как моноксид азота в типичных ОГ двигателя является основным компонентом NOx (NO/NOx ≈ 90%). Вторая реакция учитывает восстановление NO и NO2. Эту реакция называется «быстрой SCR-реакцией» в соответствии с экспериментальными исследованиями [49], которые показали увеличение скорости реакции восстановления в присутствии NO2. При отношениях NO2/NOx превышающих 50% восстановление оксидов азота снова понижается [50] из-за включения «медленной SCR-реакции» (третьей реакции), восстанавливающей только NO2. Помимо SCR-реакций в SCR системах важны еще две каталитические реакции. Окисление аммиака и гидролиз изоциановой кислоты. При температурах выше 500оС окислительные свойства SCR катализаторов становятся резко выраженными. Поэтому в модели применена следующая формула окисления:  Изоциановая кислота, являющаяся одним из продуктов термического разложения карбамида, реагирует с паром в присутствии твердых металлических катализаторов:  и продуцирует аммиак и диоксид углерода. Каталитические реакции (водород). Водород является отличным восстановителем и высокоэффективен при введении в различные катализаторы, такие как трехкомпонентный катализатор, NOx адсорбирующий катализатор и в селективно восстановительный катализатор, в том числе SCR [35]. Исследования 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. В разработанной модели используются следующие три 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 Восстановление оксида азота водородом в присутствии кислорода является упрощенным и поясняется первым уравнением. Окисление оксида азота до диоксида азота дается вторым уравнением. Наконец, третье уравнение описывает процесс образования воды в реакции водорода и кислорода. Разработанная модель позволяет рассчитывать концентрацию вредных выбросов на выходе из катализатора, коэффициент конверсии NOx в зависимости от температуры и расхода ОГ, геометрии катализатора. Результаты сравнительных экспериментальных исследований подтверждают достоверность модели физических и химических процессов, происходящих в обоих катализаторах. 1.5.3 Моделирование процессов в дизельном фильтре-нейтрализаторе. При создании дизельного фильтра-нейтрализатора (DPF) должны быть решены две задачи: - обеспечена эффективная фильтрация потока отработавших газов от дисперсных частиц; - обеспечено периодическое и/или непрерывное удаление аккумулированных частиц путем их окисления (регенерация фильтра). Конструктивными параметрами, влияющими на эффективность работы фильтра, являются: - геометрия фильтра (длина, ширина); - микроструктура (пористость, диаметр пор); - геометрия каналов (плотность ячеек, толщина стенки, асимметрия). Чтобы поддерживать приемлемый уровень противодавления на выпуске и предотвратить фильтр от закупоривания, собранное вещество частиц должно периодически удаляться (необходима регенерация фильтра). Обычным методом определения уровня сажи является измерение расхода ОГ и падения давления в фильтре и сравнение с корреляцией между падением давления, расходом и уровнем заполнения сажей. Поэтому важно установить характеристики падения давления в DPF. 1.5.3.1 Моделирование потери давления. Основным источником противодавления фильтра являются газодинамические потери, возникающие при прохождении через фильтр потока отработавших газов. В чистом фильтре (без сажи) эти потери складываются из газодинамических потерь связанных с прохождением потока через пористые стенки фильтра и потерь давления в каналах фильтра. В фильтре, заполненном сажей, прохождение потока через слой сажи и изменение пористости стенок дополнительно увеличивают противодавление. В чистом фильтре имеется несколько источников потери давления: - сужение потока на входе во входные каналы фильтра; - трение при течении ОГ по входному и выпускному каналам (без течения через пористую стенку); - трение потока в пористой стенке (это наиболее важный источник потерь давления в фильтре); - расширение потока на выходе из выпускных каналов. Разные газодинамические механизмы, связанные с течением газа в DPF, оказывают влияние на общее падение давления. В целом, течение через пористую стенку вносит наибольший вклад в общую потерю давления в фильтре. Основные уравнения модели газодинамических потерь в фильтре приведены в промежуточном отчете [10]. Общее падение давления в фильтре рассчитывается путем сложения потерь давления во всех элементах фильтра. 1.5.3.2 Моделирование регенерации. При постоянной работе двигателя из-за загрязнения фильтра увеличивается противодавление, и соответственно ухудшается топливная экономичность и мощность двигателя. Поэтому необходима непрерывная и/или периодическая регенерация фильтра. Установка дизельного окислительного катализатора перед типичным фильтром ОГ обеспечивает регенерацию фильтра при температурах ниже 300оС. Дизельный окислительный катализатор (DOC) конвертирует часть, покидающих двигатель, NO в NO2 для последующего вступления в реакцию с ДЧ в расположенном ниже по потоку фильтре. Этот процесс является непрерывным и система не нуждается в обслуживании или сложной стратегии активной регенерации [55]. Для дополнительного улучшения пассивной и активной регенерации, применяют фильтры с каталитическим покрытием [56]. Улучшение обеспечивает повторное окисление NO и формированием в фильтре дополнительных NO2, которые вступают в реакцию с сажей, а также в результате прямой реакции кислорода с углеродом на катализаторе. Разработанная в рамках данного проекта, модель регенерации учитывает два основных процесса: - каталитическое окисление частиц углерода кислородом, который содержится в потоке ОГ (активная регенерация): С + α1О2 → 2(α1 – 0,5)СО2 + 2(1 - α1)СО - реакцию диоксида азота с частицами углерода захваченными фильтром (пассивная регенерация): С + α2NO2 → α2NO + (2 - α2)CO + (α2 – 1)CO2 где α1 и α2 – коэффициенты завершенности двух рассматриваемых реакций; их значения зависят от температуры и они принимаются с учетом экспериментальных данных [57]. Основные уравнения модели регенерации приведены в промежуточном отчете [10]. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными подтверждает достоверность разработанной модели сажевого фильтра. Разработанная модель позволяет рассчитывать изменение потерь давления в фильтре, в том числе при регенерации.
Основными элементами перспективной системы нейтрализации отработавших газов дизельного двигателя являются окислительный катализатор, фильтр отработавших газов, система подачи восстановителя, селективно-восстановительный катализатор. Их конструкция не должна оказывать негативного влияния на кривую крутящего момента, мощность и акустические характеристики двигателя.
В соответствии с разработанной методикой основные параметры нейтрализатора (фронтальная площадь, объем и позиция в системе выпуска) выбираются исходя из конструктивных соображений и общих рекомендаций [58], которые базируются на статистическом анализе катализаторов аналогичного назначения. Эти параметры проверяются и уточняются с помощью математической модели физических и химических процессов в катализаторе, приведенной в разделе 1.5.1 настоящего отчета. Фронтальная площадь каталитического нейтрализатора влияет на противодавление выпускной системы и соответственно на мощностные показатели и топливную экономичность двигателя. Ее величина выбирается с учетом номинальной мощности двигателя с помощью графика. Зависимости фронтальной площади катализатора от мощности для современных двигателей европейских автомобилей приведена на рисунке 1.6. Объем каталитического нейтрализатора зависит от требуемой эффективности конверсии отработавших газов, а также гарантируемой пропускной способности.  Рисунок 1.6 – Изменение фронтальной площади катализатора в зависимости от мощности двигателей европейских автомобилей. Для выполнения экологических норм Евро-4 и Евро-5 в современных двигателях применяют каталитические нейтрализаторы с удельным объемом порядка 0,70-1,15 л/л рабочего объема двигателя [34,59,60]. Больший объем увеличивает массу катализатора, что, в свою очередь, увеличивает продолжительность его прогрева после холодного пуска. С другой стороны, увеличение объема при сохранении плотности ячеек и загрузки металлами платиновой группы увеличивает геометрическую поверхность катализатора, что благоприятно для повышения его эффективности, особенно на повышенных скоростных и нагрузочных режимах. Для предварительного выбора объема и последующего расчета окислительного катализатора рекомендуется воспользоваться статистическими данными, приведенными на рисунке 1.7. На этом рисунке приведена зависимость объема каталитического нейтрализатора от мощности двигателей европейских автомобилей.  Рисунок 1.7 - Изменение объема катализатора в зависимости от мощности двигателей европейских автомобилей. Позиция каталитического нейтрализатора в выпускной системе влияет на температуру катализатора, долговечность, продолжительность его включения после холодного пуска и активность катализатора на режимах малых нагрузок и холостого хода. Последний фактор особенно важен для выполнения экологических норм Евро-5 и Евро-6. Поэтому позиция его выбирается с учетом возможности компоновки в моторном отсеке автомобиля и ограничения максимальной допустимой температуры Тмах = 600оС. Величина температуры окислительного катализатора проверяется и место его установки уточняется с помощью математической модели [61]. В том случае если расчетная величина температуры превышает максимально допустимую величину (600оС) позиция окислительного катализатора в выпускной системе двигателя должна быть изменена (удалена от двигателя) на такое расстояние, при котором требование по максимально допустимой температуре будет выполнено. Анализ результатов расчета окислительного каталитического нейтрализатора и их экспериментальная проверка, выполненные в рамках настоящей работы [10,11], подтверждают адекватность разработанной методики расчета и позволяют рекомендовать ее для предварительного выбора основных параметров нейтрализатора на стадии проектирования. |
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... |
