автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности очистки отработавших газов судовых дизелей путем совершенствования каталитических нейтрализаторов

На правах рукописи

Печенникова Дарья Сергеевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ

05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 2013

6 Е'5.'0Н ¿013

005061087

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технически университет им. И.И.Ползунова (АлтГТУ)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Новоселов Александр Леонидович ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова (АлтГТУ)»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юр Геннадий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Федюнин Павел Иванович

Ведущее предприятие: Государственное научное учреждение

Сибирский физико-технический институт аграрных проблем Сибирского отделения Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится « 28 » июня 2013 года в 15-30 на заседании дйссертационног совета Д223.008.01 в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водног транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФБОУ ВП «НГАВТ» (тел/факс (383)2224976, email: ese_sovet@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Новосибирск государственная академия водного транспорта».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учрежден] просим направлять по указанному адресу на имя и.о. ученого секретаря диссертаций ного совета

Автореферат разослан «24» мая 2013 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета Д223.008.01 ^MflMM^t —~ Ю.В.Дёмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Дизели различных модификаций и размерностей нашли широкое применение в качестве главных и вспомогательных в составе силовых установок на речном и морском транспорте. В общем балансе вредных выбросов с отработавшими газами двигателей транспорта различного назначения на долю морского и речного приходится 4,1%. До 40% вредных веществ, выбросы до 34% общих выбросов оксида углерода (СО), до 6,4% оксидов азота (NOx) и до30% твердых частиц (ТЧ), включая сажу.

Требованиями стандарта ГОСТ Р 51249-99 ограничены выбросы компонентов отработавших газов по удельным показателям: NOx - до 9,43 г/(кВт-ч); СО - до 3,0 г/(кВт-ч); ТЧ - до 0,15 г/(кВт-ч) и углеводородов С„НУ - до 1,0 г/(кВт-ч). Свои ограничения накладывает "Технический Кодекс по выбросам окислов азота от судовых дизельных двигателей" (в составе приложения MARPOL 73/78).

В действительности, например, судовые дизели серии 6ЧСПН 15/18, по уровням выбросов с отработавшими газами превышают требования норм стандарта ГОСТ Р 51249-99: по NO, - в 1,34 раза; по СО - в 3,89 раза; по СХНУ - в 0,52 раза; по ТЧ - в 2,7 раза. Это говорит о том, что существует проблема снижения вредных выбросов дизелей судовых главных и вспомогательных и ее необходимо решать.

Проблема расширяется в случае постановки судов на рейды и входа в порты иностранных государств, где могут существовать свои санитарные нормы, предельно-допустимые концентрации компонентов, входящих в состав отработавших газов дизелей, в воздухе, предъявляются отдельные требования к загрязнению воздуха в зоне акватории портов.

Все это свидетельствует об актуальности работ, направленных на решение важнейшей народнохозяйственной и экологической проблемы снижение вредных выбросов ДВС в окружающую среду.

Решение проблемы путем совершенствования рабочих процессов дизелей, применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) альтернативных топлив и присадок к ним не исключает развития пути каталитической очистки отработавших газов.

Вопросы повышения эффективности каталитической очистки газов связаны в основном со следующими направлениями:

- разработкой конструкций нейтрализаторов и компоновкой в них каталитических блоков очистки;

- выбором типов и составов каталитических материалов для обеспечения эффективной очистки отработавших газов;

- обеспечением условий в каждой из ступеней очистки, температуры и состава газов для эффективной очистки отработавших газов.

Снижение вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания является важнейшей задачей, от решения которой зависит экологическое состояние планеты, здоровье населения, сохранение генофонда и культурных ценностей, обеспечение экологической безопасности. Экологическая проблема поставлена в один ряд с проблемами сохранения мира, обеспечения населения планеты продуктами питания. Именно поэтому каждый из отдельных шагов, направленных на снижение вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания в атмосферу имеет определенную значимость и актуальность.

В последние десятилетия идет интенсивное использование в практике эксплуатация двигателей внутреннего сгорания метода каталитической нейтрализации их отработавших газов. Появляются новые каталитические материалы для изготовления матриц нейтрализаторов.

Комплексный подход к решению проблемы очистки отработавших газов дизелей обеспечивает повышение экологической безопасности и конкурентоспособности дизелей.

Целью работы явилось повышение эффективности очистки отработавших газов судовых дизелей за счет выбора каталитических материалов, рациональный компоновки каталитических

блоков и селективного воздействия на процессы очистки от отдельных компонентов.

Задачами исследования явились следующие:

1. Разработать математическую модель многоступенчатой очистки отработавших г зов судовых двигателей в каталитическом нейтрализаторе;

2. Установить рациональную последовательность очистки отработавших газов в кат литических нейтрализаторах;

3. Определить возможности повышения качества очистки отработавших газов за сч селективного воздействия на процессы очистки от отдельных компонентов;

4. Разработать составы каталитических блоков нейтрализаторов для получения их основе ресурсосберегающих и малоотходных технологий;

5. Разработать конструкцию высокоэффективного каталитического многоступенчат го нейтрализатора отработавших газов для судна проекта 515, 544, обеспечивающего эк логическую безопасность;

6. Создать конструкцию стенда для испытаний каталитических нейтрализаторов суд вых дизелей;

7. Обосновать состав каталитических материалов для отдельных ступеней нейтрал затора отработавших газов судового дизеля.

Объектом исследования явились процессы очистки отработавших газов дизелей каталитических нейтрализаторах.

Предметом исследования явились закономерности изменения состава отработавш газов в каталитических нейтрализаторах от состава каталитических блоков, порядка и компоновки и селективного воздействия на процессы очистки отдельных компонентов.

Научная новизна включает:

- научное обобщение исследований по использованию отдельных материалов для оч стки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах;

- установление рациональной последовательности очистки отдельных материалов д очистки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах;

- определение возможности повышения качества очистки отработавших газов дизелей;

- создание методики выбора каталитических материалов для очистки отработавши газов дизелей;

- получение экспериментальных материалов, подтверждающих возможности повыше! i эффективности очистки газов в каталитических нейтрализаторах;

- создание конструкций и обеспечение параметров многоступенчатого катапитическог нейтрализатора отработавших газов для судового дизеля 6ЧН 15/18;

- получение регрессионных моделей, связывающих состав материалов с качестве! ными характеристиками очистки газов.

Настоящая работа выполнялась по заказу Министерства образования и науки РФ, рамках Федеральной научно-технической программы «Экология» СО РАН, программы п теме: «Фундаментальное исследование возможностей замещения благородных металлов катализаторах очистки газов от вредных веществ», выполняемых при непосредственно участии автора в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ).

Практическая значимость работы. Предложена методика определения состава м териалов полученных по технологии самораспространяющегося высокотемпературног синтеза для каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Решению практиче» задач компоновки каталитических нейтрализаторов подчинены результаты исследовани рациональной последовательности очистки отработавших газов дизелей от отдельных ко понентов и определения мероприятий по селективной очистке.

Получено 2 положительных решения на выдачу патентов РФ на конструкции каталитич ских нейтрализаторов. Результаты исследований использованы ООО Алтайречфлот, а предл женная конструкция нейтрализатор прошла стевдовые и эксплуатационные испытания.

Реализация и внедрение результатов исследований. Разработанные регрессионные модели, результаты расчетно-экспериментальных исследований, предложения по конструкциям нейтрализаторов и техническая документация переданы в ООО Алтайречфлот и ХК ОАО «Барнаултрансмаш» для использования при создании нейтрализаторов отработавших газов для главных и вспомогательных дизелей речного флота.

Созданные при выполнении работы образцы нейтрализаторов, выпущенные учебные пособия и методические материалы используются в учебном процессе на кафедрах «Автомобили и тракторы», «Двигатели внутреннего сгорания» АлтГТУ.

Апробадия работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийских, республиканских, отраслевых и межотраслевых научно-технических конференциях и семинарах в 2009-2012 годах Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, на Всероссийской научно-технической конференции в г. Рубцовске, Всероссийской научно-практической конференции ученых, аспирантов, специалистов и студентов в г. Бийске, Всероссийских и городских конференциях молодых ученых в г. Барнауле.

Автор награжден почетными грамотами за участие в VII-ой, VIII-ой, IX-ой Всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2010,2011,2012", секция "Автомобили, транспорт, сельхозмашины".

Публикапии. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, получено 2 положительных решения на выдаче патентов Российской Федерации, в том числе 9 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы, насчитывающего 312 наименований, изложена на 212 страницах, включающих 29 рисунков, 39 таблиц.

В соответствии с содержанием, на защиту выносятся:

1. Методика выбора каталитических материалов для очистки отработавших газов судовых дизелей в нейтрализаторах и результаты ее применения;

2. Результаты математического моделирования многоступенчатой очистки отработавших газов дизеля в каталитическом нейтрализаторе;

3. Результаты экспериментального исследования по определению рациональной последовательности очистки отработавших газов судового дизеля в каталитическом нейтрализаторе;

4. Результаты экспериментального исследования по повышению эффективности очистки газов судового дизеля в нейтрализаторе за счет селективного воздействия на процессы;

5. Результаты использования разработанных составов каталитических блоков нейтрализатора отработавших газов для дизеля;

6. Результаты экспериментальных и стендовых испытаний каталитических нейтрализаторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимых на защиту.

В первой главе Рассмотрен состав отработавших газов судовых дизелей. Состав отработавших газов, в том числе судовых, изучен отечественными зарубежными учеными: Б.А. Адамовичем, В.Г. Булаевым, ИЛ Варшавским, О.И. Демочкой, О.И. Жегалиным, П.Д Пугачевым, H.A. Китросским, В.А. Звоновым, С.В. Истоминым, A.B. Колчиным, А.Р. Кульчицким, B.C. Ку-кисом, В.Н. Ложкиным, Г.В. Медведевым, АА. Мельберт, С.Н. Павловым, В.А. Романовым, В.И. Смайлисом, С.С. Филатовым и другими отечественными и зарубежными авторами. К основным токсичным компонентам относятся: оксиды азота NO, N02, N203, N205 или суммарно -NOx; углеводороды суммарно - СХНУ; оксид углерода СО; твердые частицы ТЧ.

Последствия влияния вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания у связань с загрязнением окружающей среды токсичными, канцерогенными веществами, твердым частицами.

Удельные выбросы судовыми дизелями размерности 15/18 составляют: по оксид; азота NOx- 10...15 г/(кВт-ч), по оксидам углерода СО - 8...9 г/(кВт-ч), по твердым частиц;. ТЧ - 1,3... 1,36 г/(кВт-ч) в диапазоне нагрузок от 100% до 30%.

Таким образом, на долю водного транспорта с двигателями внутреннего сгоран приходится значительное количество выбросов вредных веществ и задача по их снижена является актуальной.

Анализ отечественной и зарубежной литературы, отражающей как разработанные ране пути снижения уровней вредных выбросов с отработавшими газами дизелей, так и новые пути совершенствовании рабочих процессов дизелей и каталитических нейтрализаторов, позвол определить основные направления: конструктивные; топлива и присадки; регулировка дизеля нейтрализация газов, которая включает в себя: выбор технологии очистки газов КН; выбор тех нологий создания условий очистки; выбор технологий создания рабочей среды; обьединени функций ступеней очистки за счет выбора материалов; организация селективной очистки газов.

Согласно решению Конвенции трансграничном загрязнении воздуха на большие рас стояния (CLRTAP) ограничения, касающиеся вредных выбросов, оговорены Хельсински (1985 г.), Женевским (1991 г.),Софийским (1988 г.), Ословским (1994 г.), Гетеборским (199 г.) протоколами.

Введение отечественных стандартов, ограничивающих вредные выбросы судовь привело к ужесточению допустимых нормативов, унификация моделей дизелей в предел -типоразмерного ряда строится на единых принципах организации индикаторного процес и конструктивных решений, а улучшение показателей одной группы дизелей связана с мо дернизацией всех моделей типоразмеров.

Стратегия снижения уровней вредных выбросов дизелей сводится во многом к реше нию двуединой задачи снижения токсичности отработавших газов и повышение топливно э ко но нич настиг

В настоящее время для очистки отработавших газов тепловых двигателей в издели ■ (сажевых фильтрах и каталитических нейтрализаторах) используется четыре ведущих тип материалов, полученных на основе металлов, неорганических соединений, органическ соединений и композитов. Особенностью материалов для очистки газов является наличи комплекса специфичных физических, физико-механических и функциональных свойств.

Анализ материалов, изложенных в главе 1, свидетельствует о том, что в связи с уже стечением норм вредных выбросов с отработавшими газами дизелей, одним из налравле ний их снижения является каталитическая очистка. К устройствам каталитических нейтра лизаторов и материалам, применяемым для очистки газов сложился целый ряд требований предъявляемых ЕЭК ООН, которые необходимо учитывать на стадии проектирования.

В связи с выше изложенным сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе изложены требования к моделированию каталитического нейтрализатора.

Усовершенствована математическая модель, путем ввода отдельных кинетическ уравнений реакций, описывающих процессы, происходящие в отдельных ступенях катали тического нейтрализатора.

Особенность моделирования процессов способствующих повышению качества очист ки газов в пористых проницаемых СВС- блоках заключается в том, что при определеннь температурах в реакторах нейтрализаторов лидирующими оказываются реакции с низшим значениями энергии активации.

По результатам математического моделирования процессов уменьшения вредных вы бросов в нейтрализаторах отработавших газов, проведенного в работе, была проверена н адекватность математическая модель с учетом схемы предложенной автором конструкци

многоступенчатого каталитического нейтрализатора для селективной очистки отработавших газов для дизеля.

Последовательность математического моделирования процессов, происходящих в ступенях каталитического нейтрализатора:

- ввод исходных данных двигателя, на который предполагается установить нейтрализатор;

- ввод габаритных показателей нейтрализатора;

- расчет массовых показателей нейтрализатора;

- расчет противодавления нейтрализатора;

- расчет механической фильтрации нейтрализатором;

- расчет балансов содержания кислорода, углерода, и водорода в отработавших газах;

- расчет концентраций основных компонентов отработавших газов;

- расчет парциальных давлений компонентов отработавших газов;

- расчет констант прямых и обратных реакций;

- расчет изменения концентраций вредных веществ в составе ОГ;

- расчет состава газов в реакторе нейтрализатора;

- расчет теплового состояния блоков.

Использованная модифицированная модель процессов способствующих повышению качества очистки газов в пористых проницаемых СВС блоках с достоверностью отражает, уровни содержания в отработавших газах каталитических нейтрализаторах с селективной очисткой оксидов азота на 8,79%, оксида углерода на 9,95%, углеводородов на 11,41% и твердых частиц на 15,89%.

В третьей главе изложена методология оценки и выбора укрупнено представлена на рисунке 1. Используя результаты оценок по опубликованным данным, собственных исследований, экспертных оценок, обобщенный критерий оценки и выбора материалов, используя метод теории операций и математической логики разработан алгоритм расчета.

Обобщенный приведенный критерий оценки:

где i, j, t, m, z - число критериев оценки по группам; v - общее число критериев оценки, ki, kj, к,, ки, kz - весовые коэффициенты.

В соответствии с целями и задачами исследования проведение экспериментов потребовало установление общности в подходе с одной стороны и базирования на требованиях стандартов с другой. В этой связи при разработке методики проведения экспериментальных исследований были взяты комплектации базового каталитического нейтрализатора, обеспечивающие необходимые воздействия на каталитическую очистку отработавших газов дизеля 6ЧН 15/18.

Последовательно были проведены стендовые испытания по определению совершенствования очистки газов при использовании из элементов: БФС блок фильтрации твердых частиц (включая сажу); БОУ блок очистки от оксида углерода; БУВ блок очистки от углеводородов; БОА блок очистки от оксидов азота.

По следующей последовательности: 1. БФС-БОУ-БУВ-БОА; 2. БФС-БУВ-БОА-БОА; 3. БФС-БОА-БУВ-БОУ; 4. БФС-БОА-БОУ-БУВ; 5. БОА-БОУ-БФС-БУВ; 6. БОА-БУВ-БОУ-БФС; 7. БОА-БОУ-БУВ-БФС; 8. БОА-БФС-БОУ-БУВ; 9. БОУ-БУВ-БФС-БОА; 10. БОУ-БУВ-БОА-БФС; 11. БОУ-БОА-БФС-БУВ; 12. БОУ-БФС-БОА-БУВ; 13. БУВ-БОУ-БФС-БОА; 14. БУВ-БОУ-БОА-БФС; 15. БУВ-БФС-БОУ-БОА; 16. БУВ-БОА-БОУ-БФС.

Перечисленные выше эксперименты в общей сложности характеризовались большим количеством факторов и сложно поддаются математическому планированию. Объясняется зто и тем, что оценочные показатели вредных выбросов определялись только по экспериментальным данным, полученным в результате испытаний по ГОСТ 30574-98.

Методика оценки и выбора средств снижении вредных выбросов судовых дизелей

Законодательства, ограничивающие выбросы ПДКЛДВ

X

Результаты исследований выбросов ДВС

Анализ Изучение

практического условий экс

применения плуатации

СНОГ техники

Экологические критерии_

Эпох ОКСИДЫ азота эся углеводороды Эсо оксид углерода Эс сажа

Экономические критерии_

Кт расход топлива КР стоимость ремонта Ко окупаемость_

[ Э„ шумность [

-сф) '

| Э„ уровень запаха! Кгм расход смазки I

Техник о-зкономические критерии

Кг-т стоимость СМОг|

Технико-технологические критерии

Н, габарти Н0 щхяоводительносп

ГТ7

масса

Не

Тт технологичность Ттт трудоемкость Тс сложность обслуживания Т„ материалоемкость

Ф

Эксплуатационные критерии

М, надежность М^ эстетичность Мвс все сезонность Мд диагносто пригодность МэртЭргономичность Мю квалификация обслуживания

Оценка по критерию Вальда

-{Обобщенный параметр оценки

ч

х

I Оценка по критерию Сзвиджа

X

I Принятие решения по выбору ведущих СНОГ

Рисунок 1 - Методика оценки и выбора устройства каталитического нейтрализатора для судового дизеля

Экспериментальные исследования проведены на экспериментальной установке ОАО X "Барнаултрансмаш". Установка была оборудована измерительной аппаратурой и приборам согласно ГОСТ Р 52160-2003, ГОСТ Р 51249 - 99 и дооборудовалась специальной измери тельной аппаратурой, в том числе, по ГОСТ 30574-98 для измерения дымности и токсичн ста дизелей. Для проведения стендовых испытаний, по определению совершенствования очи стой газов, согласно принятой программе, установка была доукомплектована каталитичеекг > нейтрализатором, конструкция которого разработана автором.

Устройство экспериментальной установки, оборудованной согласно ГОСТ 30574-98, ГОСТ Р 51249 - 99 на судовые двигатели, представлено на рисунке 2.

Разработанный кассетный каталитический нейтрализатор имеет более высокую технологичность изготовления вследствие того, что он обеспечивает функциональное назначение однотипными перегородками и блоками одной формы.

Предлагаемое выполнении кассетного каталитического нейтрализатора относит его к классу многоступенчатых, так как в нейтрализаторе существует несколько ступеней очист-

ки отработавших газов, к разряду комбинированных, так как в качестве ступеней очистки используются пористые проницаемы металлокерамические каталитические блоки и порис-

1 - пьезодатчик,2 - преобразователь, 3 - записывающий блок, 4 - осциллограф, 5 - преобразователь сигналов, 6 - обрабатывающий блок, 7 - ресивер, 8 - газовый счетчик, 9, 10 - измерительные комплексы, 11 - дымомер, 12 и 17 - краны, 13 - печатающее устройство, 14 - гидравлический тормоз, 15 - измерительное устройство, 16 - рама, 18 и 22 - газоотоборники, 19,21, 29, 30 - термопары, 20 - пилотная установка, 23 - турбокомпрессор, 24 - газоанализатор, 25 и 27 - коллекторы, 26 - дизель 6ЧН 15/18,28 - радиатор

Рисунок 2 - Экспериментальная установка с дизелем 6ЧН 15/18

Устройство поясняется на рисунке 3, где изображен продольный по оси разрез каталитического нейтрализатора для дизеля. Стрелками на чертеже показаны движения отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе.

В результате проведения экспериментальных исследований были получены данные о физических, физико-механических и функциональных свойствах пористых проницаемых СВС-каталитических материалов при добавлении в шихту руд полиметаллов, сведения в таблице 2.

Обнаружена возможность замены дорогостоящих редкоземельных элементов в составе шихты для получения каталитических материалов высокотемпературным синтезом размолами руд монацита, бастнезита, лопарита и цеолита с незначительным изменением функциональных свойств.

Оценка функциональных свойств каталитических материалов с добавками размола руд показала, что по сравнению с базовым материалом при замещении РЗМ в составе шихты можно добиваться результатов: снижение выбросов СО на 47...80% (против 84%); сни-

жение выбросов ИОх на 44...67% (против 50%); снижение выбросов СХНУ на 56...84°/ (против 58%); снижение выбросов ТЧ на 93,8...99% (против 91%).

12 32 8 9 10 30 26 1 " К0РПУС

\ / / / / 2,5,6 - фланцы

» 1 ШЯЯ^ШШВГ л 3 - входной патрубок

4 - выходной патрубок

7 - торцевые крышки

8 - внешние стенки

9 - внутренние стенки

10 - теплоизоляция

11 - распирающий барабан

12 и 13 - поперечные перегородки 14- глухие окна

15 - сквозные окна

16 и 17 - пористые блоки фильтрации тверды частиц

18 - цилиндрические патроны

19 и 20 - полости 21,22 - стенки

23 - кислородные датчики

24 - датчики давления

25 - пористые блоки окисления

26 - пористые блоки восстановления

27 - шпильки

28 и 29 - кассеты

30 -полость приема газов

31 - полость распределения газов

32 - полость выпуска газов

33 и 34 - полости 35 - блок очистки от оксида серы

Рисунок 3 - Каталитический нейтрализатор (продольный разрез)

Таблица 2 - Сравнение результатов оценки возможности замещения благородных металлот и РЗМ в каталитических СВС-материалах____\

Отдельные характеристики Варианты СВС материалов

Базовый С-2 С монацитом М-34 С бастнезитом М-24 С лопаршом М-14 С цеолитом М-44

Содержание компонентов шихты, в п »центах по массе

Окалина легированной стали (18ХНВА, 18-ХНМА, 40ХНМА и др.) 47,5 47,5 47,5 47,5 47;5

Оксид хрома 18 10,5 10,5 10,5 10,5

Хром ПХ1 по ТУ 88276 6,9 5,2 5,2 5,2 5,2

Никель ПНКОТ1 по ГОСТ 972279 12,4 5,4 5,4 5,4 5,4

Алюминий по ТУ - 48522-87 марки АСД-1 12,9 12,4 12,4 12,4 12,4

Медь (отходы) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

Руды материалов 17,0 17,0 17,0 17,0

Иридий 0,2

Ролий 0,1

функциональные каталитические свойства

Снижение концентраций СО, % 84 80 72 62 47

Снижение концентраций ИОх, % 50 67 64 50 44

Снижение концентраций СхНу, % 58 84 78 70 56

Снижение концентраций ТЧ, % 91 99 95,9 96 93,8

В четвертой главе приведена программа экспериментальных исследований, баз; рующаяся на теоретической проработке и результатах математического моделирован; процессов очистки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах, содержали блоки: фильтрующий для очистки твердых частиц; восстановительный для очистки от о|

10

сидов азота; окислительный для очистки от продуктов неполного сгорания.

При анализе вариантов комбинаций каталитических блоков, исходя из организации желательной технологии очистки следует признаны наиболее предпочтительными варианты 1, 2, 3, 4. Здесь надо иметь ввиду что возможны объединения в одни блоки БОУ и БУВ. Испытания вариантов 5-16 показали неконкурентоспособность конструкций и показатель снижения вредных выбросов для них по своему значению оказался т)н<0,500.

Все исследования, результаты которых описаны в данной главе проведены в идентичных условиях, на данном оборудовании. Исключение составили условия окружающей среды.

Оценка уровней вредных выбросов дизеля ЗД6Н-235С2, установление превышений норм выбросов по отдельным компонентам отработавших газов, обнаружение доли выброса отдельных компонентов в суммарной токсичности послужило основой определения направлений развития систем каталитической нейтрализации отработавших газов.

Сделаны выводы, что вредные выбросы с отработавшими газами дизеля ЗД6Н-235С2 превышают уровням требования для судовых дизелей по ТЧ в 2,7 раза, что свидетельствует о необходимости введения мероприятий по снижению вредных выбросов.

Вариант I компоновки ступеней очистки отработавших газов представлял последовательную установку в реакторе нейтрализатора: БФС - блока фильтрации твердых частиц (включая сажу); БОУ - блока очистки газов от оксида углерода; БУВ - блока очистки газов от углеводородов; БОА - блок очистки газов от оксидов азота.

При этом БФС был изготовлен из материала М-43, БОУ - из материала М-14; БУВ - из материала М-24; БОА - из материала М-34. Ступени имели варианты оснащения для селективной очистки : БФС - М-40; БОУ - М-10; БУВ - М-20; БОА - М-30. Перечисленные варианты оснащения являлись «нулевыми». При такой компоновке достигнут суммарный показатель снижения вредных выбросов п„=0,680 (при варианта П л«= 0,673; при варианта III и ¡у ^ 0,575). При осуществлении испытаний варианта I компоновки обнаружено, что в общей токсичности отработавших газов дизеля на долю СО приходятся 1,3%, на долю СХНУ - 0,3%; на долю N0* - 94% и на долю ТЧ - 4,4%.

Оценочные показатели удельных выбросов вредных веществ приведены в таблице 3. Здесь кроме результатов оценки удельных выбросов при комплектации каталитического нейтрализатора приведены данные о кратности превышения норм Приложения VI МАРПОЛ 73/78.

Таблица 3 - Оценочные показатели удельных выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизеля ЗД6Н-235С2 при комплектации нейтрализатора в варианте I _

Оценочные показатели вредных выбросов Величины оценочных показателей, г/(кВт-ч) Кратность превышения норм

Допустимые уровни Выбросы веществ

ГОСТ 30574-98, ГОСТ Р 51249-99 Приложение VI МАРПОЛ 73/78 Действ, выбросы без КН Выбросы КН Вариант I ГОСТ 30574-98, ГОСТ Р 51249 - 99 Приложение VI МАРПОЛ 73/78

q™ NO* 9,43 8,18 10,076 3,299 0,35 0,4

Рм со 3,00 - 11,698 2,17 0,72 -

1,00 - 1,570 0,447 0,45 -

РоцТЧ 0,15 - 0,406 0,138 0,92 -

QonSOx - 6 7,0 1,96 - 0,33

С точки зрения обеспечения возможностей активной очистки отработавших газов, рассматриваемая система располагает возможностями организации селективной очистки газов.

В результате испытаний дизеля по внешней скоростной характеристике в диапазоне ' 1100... 1900 мин"1 обнаружены закономерности изменения выбросов азота, углеводородов, оксида углерода и твердых частиц (см. рисунок 4). Здесь же показаны результаты очистки отработавших газов в каталитических блоках при их установке в реакторе нейтрализатора по варианту I. С ростом частоты вращения коленчатого вала по внешней скоростной характеристике возрастают и выбросы продуктов неполного сгорания СО, СХНУ,ТЧ, так как вре-

мя, отводимое на рабочий процесс в цилиндре дизеля сокращается. Эффективность по внешней скоростной характеристике при 1100... 1500 мин"1 составляет соответственно: по СО - е 1,63...2,00...2,27 раза; по ОД, - в 6...2,85...3,55 раза; по N0, - в 2,10...2,15...2,30 раза; по ТЧ в 1,65...3,81...4,22 раза.

1100 1

Рисунок 4 - Эффективность очистки отработавших газов дизеля 6ЧН 15/18 в каталитическом нейтрализаторе по внешней скоростной характеристике при последовательности блоков очистки: от ТЧ, от СО, от ОД, от NOx.; -о- без КН; -Д- с КН (вариант I)

50 iv'poi, % 100 Рисунок 5 - Эффективность очистки отработавших газов дизеля 6ЧН 15/18 в каталитическом нейтрализаторе по нагрузочной характеристике (п=1900 мин") при последовательности блоков очистки: от ТЧ, от СО, от СХНУ, от NOx.; -о- без КН;-Д-сКН (вариант!)

В результате испытаний дизеля по нагрузочной характеристике 1900 мин"' также обнару жены закономерности выбросов Ж)х ,СО, СХНУ, ТЧ (см. рисунок 5). Здесь показаны результат^ очистки отработавших газов в каталитических блоках нейтрализатора при их установке по в» рианту I. С ростом нагрузки при 1900 мин1 эффективность очистки отработавших газов н сколько возрастает, что объясняется ростом температуры в реакторе.

Эффективность снижения выбросов с отработавшими газами составила при ре/реиет0; 5 100% составила соответственно: СО в 12,50...4,80...3,10 раза; по СХНУ в 3,77...2,85...2,7;

раза; поNOx в 2,22...3,30...2,81 раза; по ТЧ в 2,06...3,13...4,05 раз.

Если приведенный к СО выброс нормируемых компонентов без нейтрализатора составлял 602077 г/ч, то установка КН в комплектации I привела к снижению выбросов до 191573,2 г/ч. Данный вариант компоновки обеспечивает эффективность очистки 68%.

Оценка эффективности очистки отработавших газов в рассматриваемой системе была произведена с учетом показателей относительной агрессивности веществ: Асо=1; Асн=1>26; Амох=49; Атч=41,5; ASOx= 10,95. Для/-го вещества в составе отработавших газов дизеля суммарный^приведенный к СО выброс определяется:

-Л, = 191573,2>г/,.

/=i

А показатель эффективность нейтрализации отработавших газов в комплектации с блоком из материала М-34 составляет:

т}и =1-^=0,67998 « 0,680.

Проведенные экспериментальные исследования по совершенствованию очистки отработавших газов судовых двигателей 6ЧН 15/18 в каталитических нейтрализаторах позволили сделать вывод о рациональной компоновке блоков, в связи с тем, что выбросы по вредным веществам удовлетворяют ГОСТ Р 51249 - 99 и ГОСТ 30574-98.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана математическая модель, позволяющая производить оценку селективной очистки на различных катализаторах с погрешностью до 16%, что означает удовлетворительную сходимость модели.

2. Установлена рациональная последовательность очистки отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе, заключающаяся в последовательном расположении БФС -блок фильтрации твердых частиц (включая сажу), БОУ - блок очистки от оксида углерода, БУВ - блок очистки от углеводородов, БОА - блок очистки от оксидов азота.

3. Определено, что повышение качества очистки отработавших газов за счет селективности снижения вредных выбросов по компонентам достигает по компонентам: NOx - 68,10%; СО - 81,26%; СХНУ - 71,65%; ТЧ - 55,85%.

4. Разработаны составы каталитических блоков на основе ресурсосбережения высокоэффективной технологии на основе высокотемпературного синтеза с достижением степени очистки:

-от твердых частиц на основе руды цеолита (снижение 89,5.. .93,5);

-от оксидов азота на основе руды монацита (снижение 42.. .67%);

-от углеводородов на основе руды бастнезита (снижение 57.. .78%);

-от оксида углерода на основе руды лопарита (снижение 39. ..62%).

5. Разработана конструкция многоступенчатого каталитического нейтрализатора для судна проекта 515, 544 с двигателем 6ЧН 15/18, обеспечивающая снижение суммарной токсичности дизеля в 3,12 раза.

6. Создана конструкция стенда для испытаний, позволяющая провести стендовые испытания для установления соответствия уровней выбросов по стандартам ЕЭК ООН, и пилотную установку, позволяющую выявить наиболее эффективные составы каталитических материалов и установить рациональную последовательность очистки газов.

7. Обоснован содержание в составе каталитических материалов для отдельных ступеней очистки: руды монацита 17% по масс.; руды бастнезита 17% по масс.; руды лопарита 17% по масс.; руды цеолита 17% по масс.; иридий 0,2% по масс.; родий 0,1% по масс.

8. Эксплуатационные испытания показали, что за 2000 часов без разбора и без регенерации к концу теряется 30-35% эффективной очистки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

а) в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Печенникова, Д.С. Очистка отработавших газов дизеля на катализаторах на основе р ды монацита / Д.С. Печенникова, А.Е. Бакланов, Т.В. Новоселова // Ползуновский Вестник 2012.-№3/1.-С. 158-161.

2. Печенникова, Д.С. Применение руды бастнезита в каталитических материалах для от стки отработавших газов дизелей / Д.Н. Титов, A.JI. Новоселов, Д.С. Печенникова // Ползуно ский Вестник - 2012. - № 3/1. - С. 166-169.

3. Печенникова, Д.С. Применение СВС-фильтров для очистки отработавших газов дизелей А.Е. Бакланов, Д.Н. Титов, Г.В. Медведев, АЛ. Новоселов, Д.С. Печенникова, H.IL Тубалов, МЛ. К ломеец // Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: м териалы XI Междунар. Конф., 18-21 сенг. 2012 г. Усть-Каменогорск: ВКГТУ. - Т. 1. - С. 37-39.

4. Печенникова, Д.С. Оценка уровня шума гусеничных машин / А.Л. Новосело А.Н. Салмин, Г.В. Медведев, A.A. Новоселов, Д.С. Печенникова// Научные проблемы транспо та Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - №2. - С. 338-342.

5. Печенникова, Д.С. Уровни звукового давления на экипажи гусеничных машин A.A. Новоселов, А.Н. Салмин, A.A. Мельберт, Д.С. Печенникова // Научные проблемы тран порта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - №2. - С. 346-350.

6. Печенникова, Д.С. Использование раствора соли церия при каталитической нейтрализа11 отработавших газов / A.JI. Новоселов, А А Новоселов, Г.В. Медведев, Д.С. Печенникова // Научнь проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - №1. - С. 364-366.

7. Печенникова, Д.С. Влияние турбулизации отработавших газов дизеля на качество очистки в каталитическом нейтрализаторе / A.A. Новоселов, АЛ. Новоселов, Д.С. Печеннико // Ползуновский вестник. - 2011. - № 42. - С. 193-195.

8. Печенникова, Д.С. Снижение шумносги дизелей гусеничных машин / A.A. Новосело Д.С. Печенникова // Вестник Сибирского отделения Академии военных наук. - 2011. - № 10. С. 288-294.

9. Печенникова, Д.С. Экспериментальный комплекс для контроля эффективности проц; сов очистки отработавших газов -дизельных двигателей в каталитических нейтрализаторах АЛ. Новоселов, В.В. Бразовский, Г.В. Медведев, Д.С. Печенникова II Ползуновский вестник. 2010.-№1,-С. 76-79.

б) в других изданиях:

1. Печенникова, Д.С. Использование СВСтехнологии для получения пористых проницаемь блоков каталитических нейтрализаторов / Д.С. Печенникова, A.A. Жуйкова, A.A. Новосело A.B. Унгефук // Ползуновский альманах. - 2011. - № 2. - С. 136-138.

2. Печенникова, Д.С. Влияние иридия на свойства каталитических СВСматериалов , i очистки газов / Г.В. Медведев, A.A. Мельберт, Д.С. Печенникова // Современная техника и техн лопш: проблемы, состояние и перспективы: Материалы I всероссийской научно-технической кон: ренции 23-25 ноября 2011г. / Под ред. к.т.н., профессора АЛ. Площаднова / Рубцовский индусгр альный институт. - Рубцовск, - 2011. - С. 128-133.

3. Печенникова, Д.С. Очистка отработавших газов дизеля пористыми СВС-фильтрами A.A. Новоселов, A.A. Мельберт, Д.С. Печенникова // Современная техника и технологии: пробл мы, состояние и перспективы: Материалы I всероссийской научно-технической конференции 23-ноября 2011г. / Под ред. к.т.н., профессора A.R Площаднова / Рубцовский индустриальный инсти

- Рубцовск, - 2011. - С. 138-141.

4. Печенникова, Д.С. Влияние составов шихты и дозировки компонентов на физические физико-механические свойства СВС-каталитических материалов / A.A. Новоселов, Д.С. Пече никова A.A. Мельберт // Влияние коррозии на свойства материалов для очистки газов автотракго ной техники; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT АЛ. Новоселова / Российская акаде транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, - 2011. - С. 79-90.

5. Печенникова, Д.С. Возможности каталитической очистки отработавших газов диз

A.A. Новоселов, A.A. Мельберт, Д.С. Печенникова // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT A.JI. Новоселова/ Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, -2011.-С. 30-39.

6. Печенникова, Д.С. Возможности замещения благородных металлов интерметалл идам и на основе церия в каталитических нейтрализаторов // Д.С. Печенникова,

A.A. Мельберт, M.JI. Тихомиров / Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT A.JI. Новоселова/ Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011. - С. 25 - 30.

7. Печенникова, Д.С. Нормирование уровней вредных выбросов дизелей / АЛ. Новоселов, Д.С. Печенникова, Ю.Г. Максимейко // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей; под ред д.т.н., профессора, академика PAT AJI. Новоселова / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова Барнаул: Изд-во АлтГТУ, - 2011. - С. 5-11.

8. Печенникова, Д.С. Влияние характеристик материалов на качество очистки отработавших газов дизеля от оксида углерода в каталитическом нейтрализаторе / A.JI. Новоселов, д.С. Печенникова, A.B. Логинов // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT A.JI. Новоселова / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, - 2011. - С. 48-56.

9. Печенникова, Д.С. Содержание иридия в каталитических блоках и качество очистки отработавших газов дизеля / А.Л. Новоселов, A.A. Новоселов, Д.Н. Титов, Д.С. Печенникова,

B.В. Деркачев // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT А.Л. Новоселова / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Издво АлтГТУ, - 2009. - С. 41-46.

10. Печенникова, Д.С. Стенд для испытаний каталитических нейтрализаторов для дизелей/ Г.В. Медведев, A.A. Унгефук, А.Н. Салмин, Д.С. Печенникова // Экологические проблемы энергоустановок с тепловыми двигателями: Сб. статей / Под ред. д.т.н., профессора, A.A. Мельберт / Российский союз научных и инженерных организаций, АлгГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, - 2008. - С. 33-39.

Подписано в печать 21.05.2013. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл.п.л. 0,93 Тираж 150 экз. Заказ 575/2013. Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии: JIP № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 65638, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ И.И. ПОЛЗУНОВА

На правах рукописи

04201ЗВ^Вб^

Печенникова Дарья Сергеевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный изобретатель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Новоселов Александр Леонидович

Барнаул 2013

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АлтГТУ Алтайский государственный технический университет им.

И.И. Ползунова

БАП бенз-а-пирен (С20Н12)

ГТН Газотурбинный наддув

Две Двигатель внутреннего сгорания

ЕСЕ К-49 - Правила ЕЭК ООН испытаний двигателей на содержание

вредных выбросов в отработавших газах

ЕЭК ООН - Европейская экономическая комиссия Организации

объединенных наций

КН Каталитический нейтрализатор отработавших газов

КПД Коэффициент полезного действия

МАДИ Московский автомобильно-дорожный институт

(технический университет)

МИИТ Московский институт инженеров транспорта (в настоящее

время Московский университет инженеров транспорта)

НАМИ Национально-исследовательский автомоторный институт

ОГ Отработавшие газы

ПАУ Полициклические ароматические углероды

пдв Предельно-допустимые выбросы

пдк Предельно-допустимые концентрации

свс Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

ТКР турбокомпрессор

тнвд Топливный насос высокого давления

тпи Томский политехнический университет

тч Твердые частицы в составе отработавших газов

цниди Центральный научно-исследовательский дизельный

институт

ЦНИТА Центральный научно-исследовательский институт

топливной аппаратуры

ямз ОАО «Автодизель» (Ярославский моторный завод)

СХНУ Углеводороды (суммарно)

со Оксид углерода

N0, Оксиды азота (суммарно)

80х Оксиды серы (802 - сернистый ангидрид)

Оглавление

Список принятых сокращений и обозначений..................................... 2

Оглавление.......................................................................................................... 3

Введение............................................................................................................. 5

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ГЛАВНЫХ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состав отработавших газов дизелей...................................... 11

1.2 Основные пути снижения уровней вредных выбросов с отработавшими газами дизелей................................................ 19

1.3 Нормирование уровней вредных выбросов с отработавшими газами судовых дизелей......................................................... 25

1.4 Условия очистки газов в каталитических нейтрализаторах и сажевых фильтрах для судовых дизелей.................................... 31

1.5 Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования..................... 39

Глава 2

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

РАЗДЕЛЬНОЙ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРАХ

2.1. Моделирование способов воздействия на качество очистки отработавших газов............................................................... 41

2.2. Усовершенствование модели каталитической очистки отработавших газов дизеля..................................................... 42

2.3. Описание программы по расчету каталитического нейтрализатора и результаты моделирования.............................. 59

2.4. Оценка адекватности моделирования процессов каталитической

очистки газов и результаты эксперимента.................................. 63

2.5 Выводы по главе 2........................................................... 65

Глава 3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ДИЗЕЛЕМ 6ЧН 15/18, ЕЁ ОСНАЩЕНИЕ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

3.1 Оценка и выбор средств снижения вредных выбросов судовых дизелей.............................................................................. 66

3.2 Методика проведения экспериментального исследования......... 73

3.3 Экспериментальная установка для стендовых испытаний каталитических нейтрализаторов............................................. 74

3.4 Разработка многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов для дизеля................................................ 76

3.5 Пилотная установка для одновременного проведения сравнительных испытаний различных СВС - материалов.............. 83

3.6 Разработка составов пористых проницаемых материалов для ступеней очистки газов в каталитическом нейтрализаторе............ 86

3.7 Методика обработки данных об удельных оценочных выбросах дизелей.............................................................................. 94

3.8 Оценка погрешностей измерений и расчетов........................ 98

3.9 Обработка экспериментальных данных................................. 100

3.10 Выводы по главе 3......................................................... 102

Глава 4

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРАХ

4.1 Оценка возможностей каталитической очистки отработавших газов дизеля........................................................................ 103

4.2 Результаты экспериментального исследования влияния характеристик пористых материалов сажевых фильтров на качество очистки отработавших газов дизелей....................................... 115

4.3 Результаты экспериментальной оценки влияния характеристик материалов на качество очистки отработавших газов дизеля от оксида углерода в каталитическом нейтрализаторе..................... 124

4.4 Результаты экспериментальной оценки влияния характеристик материалов на качество очистки отработавших газов дизеля от оксидов азота в каталитическом нейтрализаторе........................ 132

4.5 Результаты экспериментальной оценки влияния характеристик материалов на качество очистки отработавших газов дизеля от углеводородов в каталитическом нейтрализаторе........................ 140

4.6 Результаты экспериментальной оценки влияния компоновки каталитических блоков в реакторе нейтрализаторы на качество очистки отработавших газов дизеля.......................................... 145

4.7 Выводы по главе 4............................................................ 171

Общие выводы по работе.............................................................. 172

Список литературы..................................................................... 173

ВВЕДЕНИЕ

Дизели различных модификаций и размерностей нашли широкое применение в качестве главных и вспомогательных в составе силовых установок на речном и морском транспорте. В общем балансе вредных выбросов с отработавшими газами двигателей транспорта различного назначения на долю морского и речного происходит 4,1%. До 40% вредных веществ, выбросы до 34% общих выбросов оксида углерода (СО), до 6,4% оксидов азота (NOx) и до 30% твердых частиц (ТЧ), включая сажу.

Требованиями стандарта ГОСТ Р 51249-99 ограничены выбросы компонентов отработавших газов по удельным показателям: NOx - до 9,43 г/(кВт-ч); СО - до 3,0 г/(кВт-ч); ТЧ - до 0,15 г/(кВт-ч) и углеводородов СХНУ - до 1,0 г/(кВт-ч). Свои ограничения накладывает "Технический Кодекс по выбросам окислов азота от судовых дизельных двигателей" (в составе приложения MARPOL 73/78.

В действительности, например, судовые дизели серии 6ЧСПН 15/18, по уровням выбросов с отработавшими газами превышают требования норм стандарта ГОСТ Р 51249-99: по NOx - в 1,34 раза; по СО - в 3,89 раза; по СХНУ - в 0,52 раза; по ТЧ - в 2,7 раза. Это говорит о том, что существует проблема снижения вредных выбросов дизелей судовых главных и вспомогательных и ее необходимо решать.

Проблема расширяется в случае постановки судов на рейды и входа в порты иностранных государств, где могут существовать свои санитарные нормы, предельно-допустимые концентрации компонентов, входящих в состав отработавших газов дизелей, в воздухе, предъявляются отдельные требования к загрязнению воздуха в зоне акватории портов.

Все это свидетельствует об актуальности работ, направленных на решение важнейшей народнохозяйственной и экологической проблемы - снижение вредных выбросов ДВС в окружающую среду.

Решение проблемы путем совершенствования рабочих процессов дизелей, применения водотопливных эмульсий (ВТЭ) альтернативных топлив и присадок к ним не исключает развития пути каталитической очистки отработавших газов.

Вопросы повышения эффективности каталитической очистки газов связаны в основном со следующими направлениями:

- разработкой конструкций нейтрализаторов и компоновкой в них каталитических блоков очистки;

- выбором типов и составов каталитических материалов для обеспечения эффективной очистки отработавших газов;

- обеспечением условий в каждой из ступеней очистки, температуры и состава газов для эффективной очистки отработавших газов.

Снижение вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания является важнейшей задачей, от решения которой зависит экологическое состояние планеты, здоровье населения, сохранение генофонда и культурных ценностей, обеспечение экологической безопасности продуктов питания. Экологическая проблема поставлена в один ряд с проблемами сохранения мира, обеспечения населения планеты продуктами питания. Именно поэтому каждый из отдельных шагов, направленных на снижение вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания в атмосферу имеет определенную значимость и актуальность.

В последние десятилетия идет интенсивное использование в практике эксплуатация двигателей внутреннего сгорания метода каталитической нейтрализации их отработавших газов. Появляются новые каталитические материалы для изготовления матриц нейтрализаторов.

Комплексный подход к решению проблемы очистки отработавших газов дизелей обеспечивает повышение экологической безопасности и конкурентоспособности дизелей.

Целью работы явилось повышение эффективности очистки отработавших газов судовых дизелей за счет выбора каталитических материалов, рацио-

нальный компоновки каталитических блоков и селективного воздействия на процессы очистки от отдельных компонентов.

Задачами исследования явились следующие:

1. Разработать математическую модель многоступенчатой очистки отработавших газов судовых двигателей в каталитическом нейтрализаторе;

2. Установить рациональную последовательность очистки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах;

3. Определить возможности повышения качества очистки отработавших газов за счет селективного воздействия на процессы очистки от отдельных компонентов;

4. Разработать составы каталитических блоков нейтрализаторов для получения их на основе ресурсосберегающих и малоотходных технологий;

5. Разработать конструкцию высокоэффективного каталитического многоступенчатого нейтрализатора отработавших газов для судна проекта 515, 544, обеспечивающего экологическую безопасность;

6. Создать конструкцию стенда для испытаний каталитических нейтрализаторов судовых дизелей;

7. Обосновать состав каталитических материалов для отдельных ступеней нейтрализатора отработавших газов судового дизеля.

Объектом исследования явились процессы очистки отработавших газов дизелей в каталитических нейтрализаторах.

Предметом исследования явились закономерности изменения состава отработавших газов в каталитических нейтрализаторах от состава каталитических блоков, порядка их компоновки и селективного воздействия на процессы очистки отдельных компонентов.

Научная новизна включает:

- научное обобщение исследований по использованию отдельных материалов для очистки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах;

- установление рациональной последовательности очистки отдельных ма-

териалов для очистки отработавших газов в каталитических нейтрализаторах;

- определение возможности повышения качества очистки отработавших газов судовых дизелей;

- создание методики выбора каталитических материалов для очистки отработавших газов дизелей;

- получение экспериментальных материалов, подтверждающих возможности повышения эффективности очистки газов в каталитических нейтрализаторах;

- создание конструкций и обеспечение параметров многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов для судового дизеля 6ЧН 15/18.

Настоящая работа выполнялась по заказу Министерства образования и науки РФ, в рамках Федеральной научно-технической программы «Экология» СО РАН, программы по теме: «Фундаментальное исследование возможностей замещения благородных металлов в катализаторах очистки газов от вредных веществ», выполняемых при непосредственном участии автора в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ).

Практическая значимость работы. Предложена методика определения состава материалов полученных по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Решению практических задач компоновки каталитических нейтрализаторов подчинены результаты исследований рациональной последовательности очистки отработавших газов дизелей т отдельных компонентов и определения мероприятий по селективной очистке.

Получено 2 положительных решения на выдачу патентов РФ на конструкции каталитических нейтрализаторов. Результаты исследований использованы ООО Алтайречфлот, а предложенная конструкция прошла стендовые и эксплуатационные испытания.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Разработанные регрессионные модели, результаты расчетно-экспериментальных исследований, предложения по конструкциям нейтрализаторов и техническая документация переданы в ООО Алтайречфлот и ОАО ХК«Барнаултрансмаш» для использования при создании нейтрализаторов отработавших газов для главных и вспомогательных дизелей речного флота.

Созданные при выполнении работы образцы нейтрализаторов, выпущенные учебные пособия и методические материалы используются в учебном процессе на кафедрах «Автомобили и тракторы», «Двигатели внутреннего сгорания» АлтГТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийских, республиканских, отраслевых и межотраслевых научно-технических конференциях и семинарах в 2009-2012 годах Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, на Всероссийской научно-технической конференции в г. Рубцовске, Всероссийской научно-практической конференции ученых, аспирантов, специалистов и студентов в г. Бийске. Всероссийских и городских конференциях молодых ученых в г. Барнауле.

Автор награжден почетными грамотами за участие в УП-ой, УШ-ой, 1Х-ой Всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2010, 2011, 2012", секция "Автомобили, транспорт, сельхозмашины".

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работы, получено 2 положительных решения на выдачу патентов Российской Федерации, в том числе 9 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы, насчитывающего 312 наименований, изложена на 208 страницах, включающих 29 рисунков, 39 таблиц.

В соответствии с содержанием, на защиту выносятся:

1. Методика выбора каталитических материалов для очистки отработавших газов судовых дизелей в нейтрализаторах и результаты ее применения;

2. Результаты математического моделирования многоступенчатой очистки отработавших газов дизеля в каталитическом нейтрализаторе;

3. Результаты экспериментального исследования по определению рациональной последовательности очистки отработавших газов судового дизеля в каталитическом нейтрализаторе;

4. Результаты экспериментального исследования по повышению эффективности очистки газов судового дизеля в нейтрализаторе за счет селективного воздействия на процессы;

5. Результаты использования разработанных составов каталитических блоков нейтрализатора отработавших газов для судового дизеля;

6. Результаты экспериментальных и стендовых испытаний каталитических нейтрализаторов.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ГЛАВНЫХ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ

СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состав отработавших газов дизелей

Главные и вспомогательные дизели в составе судовых силовых установок выбрасывают в окружающую среду значительное количество вредных веществ, оказывая тем самым отрицательные воздействия на экологическую обстановку в районах водоемов, портов, ремонтных баз, а также негативно воздействуя на флору и фауну водных бассейнов.

Отработавшие газы дизелей представляют собой смесь газообразных, жидких и твердых (в виде аэрозольных частиц) соединений органического происхождения и являются предметом пристального изучения с применением новейших методов исследований: оптической спектроскопии, рентгеноструктур-ного анализа, масс-спектрометрии, хроматографии, атомно-адсорбционного анализа, лазерного индицирования [3, 4, 7, 8, 9]. Общее число разных соединений, обнару