Экологическая безопасность ЭУТТ. Физико- продуктов сгорания. Методы снижения концентраций токсичных
advertisement
Лекция №12 Экологическая безопасность ЭУТТ. Физикохимические основы образования токсичных веществ в составе продуктов сгорания. Методы снижения концентраций токсичных компонентов в составе отработавших газов Общая часть. В качестве энергетических установок для стационарных и транспортнотехнических модулей широко используются тепловые двигатели. Основными структурными составляющими топлива для энергетических установок, используемых на автомобилях, тракторах, строительно-дорожной технике и других силовых модулях, является углерод и водород. В качестве окислителя при сгорании топлива используется атмосферный воздух. Теоретически, при сгорании стехиометрической топливно-воздушной смеси, составляющими продуктами отработавших газов являются азот – N2, диоксид углерода -СО2 и водяной пар – Н2О. Основными токсичными компонентами в составе продуктов сгорания являются: окись углерода - СО, углеводородные соединения – CnHm, альдегиды – СН2(СНО), окись азота- Nox и канцерогенные вещества (бенз-апирен). Большинство из них, результат отклонений в организации смесеобразования, распределения смеси и процесса сгорания. Предельные концентрации токсичных компонентов в составе отработавших газов регламентируются ГОСТами. Умелое использование всех доступных на сегодня мероприятий воздействия на повышение качества смесеобразования, обеспечение более равномерного распределения состава смеси по цилиндрам, применение качественных топлив, использование обедненных смесей, усиление степени турбулизации смеси, повышение степени сжатия позволяют существенно снизить содержание токсичных компонентов в составе отработавших газов. Вместе с тем полное исключение их присутствия остается практически невозможным. Более того, отдельные составляющие из перечисленных имеют противоположный механизм и условия образования в процессе сгорания. Так, повышение интенсивности выгорания основных составляющих топлива и эффективности использования теплоты, приводит к повышению температурного режима протекания химических реакций и способствует усилению процесса образования окислов азота. Основной причиной повышенной концентрации окиси углерода и углеводородных соединений в составе отработавших газов является необходимость использование обогащенных смесей, на режимах холостого хода, малых нагрузок и для обеспечения получения максимальной мощности при полном открытии дросселя. Причиной образования альдегидных соединений является вялое низкотемпературное протекание химических реакций в пристеночных слоях топливно-воздушной смеси. Окислы азота образуются на режимах максимальных температур и присутствия избыточного кислорода (использование обедненных смесей). В целях обеспечения защиты окружающей среды от отравляющих веществ, поступающих с выбросами отработавших газов транспорта, сегодня серьезно обсуждается вопрос о дополнительном оборудовании транспортных средств специальными устройствами, обеспечивающими уничтожение или нейтрализацию отдельных токсичных компонентов. Частичного решения данного вопроса более легко достигнуть при нейтрализации окиси углерода и исключения в составе отработавших газов углеводородных соединений. Более сложным, а практически остается нерешенным вопрос по нейтрализации окислов азота. Следует отметить, что практическое использование дополнительных устройств по нейтрализации токсичных составляющих, всегда сопровождается повышением давления в системе выпуска, требует дополнительных энергетических затрат и сопровождается ухудшением топливно-экономических показателей. Оксид углерода - прозрачный без запаха газ. Легче воздуха, не растворим в воде. Поступая в организм и поглощаясь гемоглобином крови, оксид углерода разрушает кровяные тельца, тем самым блокирует питание организма кислородом. В результате наступает кислородное голодание, нарушение функционирования центральной нервной системы, с возможной потерей равновесия и сознания. Оксиды азота. Азот - это стойкий инертный газ. Вступает в реакцию окисления только с высоко активным атомарным кислородом, при высоких значениях температуры, с образованием оксида азота NО. В процессе выпуска и в условиях атмосферы оксид азота NO легко окисляется до устойчивого соединения диоксида азота – NО2. При малых концентрациях не имеет запаха, хорошо растворяется в воде с образованием кислот. Углеводороды - это различные конечные и промежуточные углеводородные соединения. Наиболее активными в составе CH являются олефины. Вступая в реакцию с оксидами азота под воздействием солнечного облучения, они образуют озон и другие фотооксидаты - биологически активные вещества, вызывающие тяжелые формы заболевания органов дыхания и глаз. Наносят большой ущерб растительному и животному миру. Альдегиды: акролеин, формальдегид - бесцветный газ с неприятным запахом, поражает дыхательную и нервную систему, почки и печень. Сажа - хорошо адсорбирует тяжелые полициклические ароматические углеводороды, обладающие канцерогенными свойствами. Крупные частицы от 2-х до10 мкм легко выводятся из организма в процессе дыхания. Мелкие от 0,5 до 2-х мкм оседают на легких дыхательной системы. Образование основных токсичных компонентов. Оксид углерода является основным промежуточным компонентом процесса окисления углеводородного топлива. Основной причиной его образования и появления в составе ОГ является использование обогащенных топливом смесей и недостаток кислорода на конечной стадии окисления. Углеводороды - являются продуктом неполного окисления углеводородных соединений. Это происходит при использовании обогащенных топливом смесях и недостатке кислорода. При использовании стехиометрических и бедных смесей основным фактором обосновывающим присутствие углеводородов в ОГ является образование мертвой зоны в прилегающих к стенкам слоях топливно-воздушной смеси -пр= 0,05…0,35 мм. Окись азота – образуется в период особых условий рабочего цикла. Механизм образования окислов азота носит чисто термический характер. Определяющим фактором является наличие избыточного кислорода на стадии достижения максимальных значений температур, выше 2000 К. Сажа - является специфическим компонентом дизельных двигателей. Образуется в камере сгорания в результате неполного сгорания крупных частиц распыленного топлива, с местным значением коэффициента избытка воздуха = 0,3…0,7. Молекулы углеводородов образуют сажевые частицы, содержащие и высокомолекулярные соединения. Образование сажи происходит в большинстве на режимах максимальной мощности и режимах перехода, при запаздывании притока воздуха и жестко регламентированной подачей топлива. Появление сажевых частиц в отработавших газах бензиновых двигателях с внешним гомогенным смесеобразованием связано только с нарушением работы цилиндропоршневой группы и переброской масла в камеру сгорания. Полимеризация тяжелых фракций топлива и масла в процессе сгорания приводит к появлению в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей высокомолекулярных канцерогенных углеводородов, (бенз(а)пирен) и другие. Полимеризация происходит в условиях недостатка кислорода при температурах 700-1000К. Условия сохраняются в пристеночных зонах камеры сгорания и цилиндров. Сопутствие условий в механизме образования сажи и полимеризации высокомолекулярных углеводородов усугубляется тем, что сажа, параллельно с ее образованием и образованием ПАУ, является мощным адсорбентом углеводородных соединений и обеспечивает их сохранность при высоких температурах цикла. Нормирование вредных выбросов в отработавших газах двигателей обусловлено требованием экологической безопасности для окружающей среды. Конкретные значения норм определяется достигнутым уровнем конструктивного совершенства двигателей и регламентируется стандартами. Обнаружение, контроль и оценка концентрации особо вредных нормируемых компонентов выполняется с использованием методов измерений установленных согласно ГОСТам. Для обнаружения, контроля и оценки концентрации СО в ОГ используются методы инфракрасной спекрографии (ИКС). Их работа базируется на селективном поглощении инфракрасного излучения в области длин волн 4,7 мкм. Для оценки концентрации суммарных углеводородов в отработавших газах двигателей использование получили метод ИКС и метод пламенноионизационного детектирования (ПИД). В анализаторах с пламенноионизационным детектором используется эффект изменения электрической проводимости водородного пламени с присутствием углеводородов. При определении содержания окислов азота распространение получили инструментально-аналитические методы. Наиболее надежные результаты дают хемилюминесцентные анализаторы. Принцип их действия основан на предварительном окислении окиси азота NО озоном О3 с образованием возбужденной молекулы О2, которая при переходе в устойчивое состояние выделяет избыточную энергию в виде светового кванта. Основным методом оценки содержания бенз(а)пирена в ОГ является фильтрация анализируемого газа с последующей обработкой фильтров. Определение концентрации бенз(а)пирена проводится на основе измерения флуоресценции раствора пробы в бензине, замороженном в жидком азоте. Для установления состава и концентраций компонентов в отработавших газах используют соответствующую, прошедшею аттестацию и поверочные испытания аппаратуру. Более широкая информация по вопросам токсичности отработавших газов и анализ влияния факторов представлены в разделе «Характеристики токсичности ДВС». Характеристики токсичности энергетических установок Анализ характеристик изменения концентрации токсичных компонентов в составе отработавших газов Анализ изменения концентрации оксида углерода – СО. Количество оксида углерода в ОГ карбюраторного двигателя, прежде всего, зависит от используемого состава смеси. При подаче смеси обогащенной топливом, = 0,7...0,8, содержание СО достигает максимальных значений – 10…12%. По мере обеднения смеси и перехода в область бедных смесей =1,1, концентрация оксида углерода интенсивно уменьшается. При = 1,1…1,15 составляет (0,3-0,5)%. При дальнейшем обеднении смеси, = 1,17...1,2, чаще наблюдается некоторое возрастание концентрации оксида углерода. ÑÎ 2 % -3 Ñn Í m ·10 % ÑÎ 2 12 240 220 11 10 CO% NOx ì 200 Ñn Í m 9 180 8 160 NOx ã7 140 CO 3 6 120 5 100 4 3 2 1 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 a Рис.48 Характеристика токсичности отработавших газов при изменении состава смеси Однако, при использовании богатых смесей с повышенной концентрацией составляющих топлива, молекула водорода требующая одного атома кислорода, находясь рядом с молекулой углерода С, имеет приоритет первоочередного окисления. В результате недостаток кислорода, поступившего в составе атмосферного воздуха, в первую очередь сказывается на окисление углерода с повышением количества имеющих место реакций неполного окисления и концентрации оксида углерода. При использовании стехиометрических и более бедных смесей = 1,0...1,15 содержание оксида углерода определяется неравномерностью распределения топлива по цилиндрам, локальной неравномерностью состава заряда в объеме цилиндра в сочетании с неполным использованием воздуха из-за несовершенства организации качественного смесеобразования. ÑÎ 2 % -3 12 ÑÎ 2 11 NOx ì 220 9 200 Ñn Í m 8 180 160 7 140 6 CO, O2 % 240 10 ã 3 Ñn Í m ·10 % 120 5 100 4 CO O2 3 2 1 0.4 0.5 0.6 0.7 h v Рисунок 49 – Характеристика токсичности отработавших газов при изменении нагрузки. На рис. 49 показан характер изменения концентрации СО в зависимости от нагрузочного режима работы двигателя с учетом изменения коэффициента избытка воздуха (состава смеси), при котором обеспечивается приемлемая топливная экономичность и достижение максимальной мощности в соответствии с заданным режимом работы. На режиме холостого хода и малых нагрузок, при достаточно высоком коэффициенте разбавления свежей смеси остаточными газами, используется состав смеси = 0,8-0,9 при котором обеспечивается надежное воспламенение смеси и устойчивая работа двигателя. Процентное содержание оксида углерода составляет 4-5%. Повышению концентрации содержания оксида углерода на этих режимах способствует также низкие значения давление и температуры в конце сжатия и в процессе сгорания смеси. ÑÎ 2 % CO2 12 NOx ì -3 Ñn Í m .10 % 11 160 10 140 Cn Hm ã 120 3 7 6 5 CO, O2 % O2 NOx 3 2 CO 1 1400 2200 3000 3800 n ì èí - 1 Рисунок 50 – Характеристика токсичности отработавших газов при изменении частоты вращения При переходе работы двигателя к средним нагрузкам и близко к максимальным используются обедненные смеси = 1.1...1.15 и концентрация содержания оксида углерода зависит от совершенства организации качества смесеобразования и газодинамического состояния заряда на участке сгорания. На режиме работы двигателя с полным открытием дросселя, где для достижения максимальной мощности используется мощностной состав смеси = 0.85-0.9, концентрация содержания оксида углерода несколько возрастает. На рис. 50 показан характер изменения содержания оксида углерода в отработавших газах в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Следует отметить, что такая зависимость для различных двигателей может быть неоднозначной. Более характерной является сниже- ние содержания оксида углерода в отработавших газах по мере повышения частоты вращения. В дизельных двигателях содержание оксида углерода не велико и, как правило, обусловлено качеством распыливания топлива, распределения впрыска по объему камеры сжатия, теплового состояния двигателя. Максимальных значений содержания СО в ОГ дизельного двигателя достигает при работе на режимах полных нагрузок. При низких нагрузках, малой порции цикловой подачи топлива и, соответственно, среднем по двигателю коэффициенте избытка воздуха = 3…4, концентрация СО в отработавших газах составляет 150...200 чнм. По мере перехода к более высоким нагрузкам, с обогащением смеси = 2, концентрация СО возрастает и на предельных по мощности нагрузках, при = 1,35...1,45, концентрация СО достигает значений 0,2...0,5%, это 2000...5000 чнм. Влияние скоростного режима работы двигателя в значительно меньшей мере оказывает влияние на выброс СО с отработавшими газами. Анализ изменения концентрации углеводородов – СН. Содержание и концентрация углеводородных соединений в составе отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей всегда обусловлено не выгоранием части топлива, из-за ухудшения условий качества смесеобразования и изменения состава горючей смеси. Для карбюраторных двигателей при анализе характеристики по составу смеси, значения максимальных концентраций углеводородов достигается при использовании богатых и переобогащенных смесей. Это легко объясняется недостатком кислорода при изменении подачи топлива. Поэтому, по мере обеднения смеси и перехода к стехиометрическому составу и = 1,1...1,15 содержание углеводородов в ОГ резко уменьшается до определенного уровня и в дальнейшем остается постоянным. Такой уровень концентрации углеводородов в отработавших газах двигателя уже определяется только качеством смесеобразования, равномерностью распределения состава смеси по цилиндрам и тепловым состоянием двигателя. При обеднении смеси = 1,18...1,22 можно наблюдать резкое увеличение концентрации углеводородов в составе отработавших газов, что объясняется обычным увеличением числа пропусков воспламенения смеси или случаев гашения пламени в процессе горения. При изменении нагрузки и скоростного режима работы двигателя концентрация углеводородов определяется теми же причинами. Повышенные концентрации углеводородов при низких нагрузках объясняется использованием обогащенных смесей, при высокой концентрации остаточных газов. По мере повышения нагрузки, давления и температуры в конце сжатия, осуществляется переход к работе с условиями, при которых обеспечивается эффективное использование обедненных смесей. Улучшение физико-химических условий протекания сгорания и некоторый избыток воздуха обеспечивают более полное выгорание топлива. Использование мощностного состава смеси = 0,9 для получения максимальной мощности, как и при анализе концентрации оксида углерода приводит к параллельному повышению концентрации углеводородов. В дизельных двигателях концентрация углеводородов в отработавших газах обусловлена правильной организацией смесеобразования. Зависит от типа смесеобразования с учетом особенностей топливной аппаратуры и назначения двигателя. Характер изменения концентрации углеводородов в отработавших газах дизельного двигателя с учетом нагрузочного или скоростного режима не носит какого-то определенного направления. По мере изменения нагрузочного или скоростного режима работы двигателя, значения концентрации углеводородов колеблется в пределах 50-100 чнм и больше зависит от локальных физико-химических и газодинамических условий протекания рабочего процесса на заданном режиме. Анализ изменения концентрации оксида азота. Как указывалось при рассмотрении механизма образования токсичных веществ, в процессе окисления топлива, оксид азота наиболее интенсивно образуются в условиях высокотемпературного протекания реакций окисления при наличии избыточного кислорода. Эти два параметра и определяют изменение концентрации N0x в отработавших газах при изменении состава смеси, нагрузки, скоростного режима работы двигателя и изменения других регулировочных параметров протекания рабочего процесса (угла опережения зажигания, опережения впрыска топлива, регулировок системы питания). Более высокие значения температуры и давления достигаются при использовании мощностных смесей = 0,8...0,9 на режимах полной загрузки двигателя. Однако, вследствие отсутствия одного из ранее названных условий, отсутствие избыточного кислорода при использовании богатых смесей, позволяет сдерживать протекание реакций с образованием окислов азота. При использовании более бедных смесей = 1,1...1,17 с низким теплосодержанием, рабочий процесс окисления протекает при существенно более низких значениях температуры. Это способствует ограничению температурного уровня и протекания реакций окисления азота при наличии избыточного кислорода. Следовательно, при использовании составов смеси = 0,8…0,95 и = 1,12...1,17 концентрация окислов азота значительно ниже предельно максимальных. Достижение максимальных значений концентрации оксидов азота в отработавших газах наблюдается при использовании обедненных смесей = 1,05...1,1, при которых всегда имеет место избыток кислорода. Такие смеси обладают высокой физикохимической активностью и при сгорании позволяют достигнуть пороговых значений температур протекания реакций окисления азота, при наличии избыточного кислорода. Этими же причинами объясняется характер изменения концентрации оксидов азота в зависимости от загрузки двигателя. При малых нагрузках, с более низким коэффициентом наполнения и большим коэффициентом остаточных газов, при использовании обогащенных смесей, значения концентрации оксидов азота невысокие. По мере загрузки двигателя, и с переходом к использованию экономических составов смеси = 1,07...1,15, концентрация окислов азота в отработавших газах возрастает и достигает максимальных значений. При переходе к предельным нагрузкам, с включением систем обогащения смеси = 0,85...0,9, содержание оксида азота в составе отработавших газов несколько уменьшается. С ростом частоты вращения коленчатого вала двигателя количество оксидов азота меняется незначительно и может, как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от согласования всех других факторов. Для дизельных двигателей, где всегда присутствует избыточный кислород, основным фактором, определяющим концентрацию окислов азота в отработавших газах, является степень загрузки двигателя, которая определяется увеличением цикловой подачи топлива, с возрастанием значений температуры и давления на участке сгорания. Следует отметить, что большой избыток воздуха в продуктах сгорания топлива (даже при максимальной загрузке при = 1,4…1,45), реакция окисления азота может протекать как в процессе догорания, так и на выпуске. Одним из эффективных мероприятий способствующих сокращению концентрации окислов азота в отработавших газах является уменьшение угла опережения впрыска и использование рециркуляции отработавших газов.
