Лекция №12 Экологическая безопасность ЭУТТ. Физико-химические основы образования токсичных веществ в составе продуктов сгорания. Методы снижения концентраций токсичных компонентов в составе отработавших газов

Лекция №12 Экологическая безопасность ЭУТТ. Физико-химические 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 транс­портно-технических 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-а-пирен).

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 - dпр= 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 a = 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 пламенно-ионизационного детектирования (ПИД). В анализаторах с пламенно-ионизацион­ным 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, a = 0,7...0,8, со­держание СО достигает максимальных значений – 10…12%. По мере обед­нения смеси и перехода в область бедных смесей a =1,1, концентрация оксида углерода интенсивно уменьшается. При a = 1,1…1,15 составляет (0,3-0,5)%. При дальнейшем обеднении смеси, a = 1,17...1,2, чаще наблюдается некоторое возрастание концентрации оксида углерода.

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 a = 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.

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 a = 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.

Рисунок 50 – Характеристика токсичности отработавших газов при изменении частоты вращения

При переходе работы двигателя к средним нагрузкам и близ­ко к максимальным исполь­зуются обедненные смеси a = 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 a = 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 сниже­ние 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 a = 3…4, концентрация СО в отработавших газах составляет 150...200 чнм. По мере перехода к более высоким нагрузкам, с обогащением смеси a = 2, концентрация СО возрастает и на пре­дельных по мощности нагрузках, при a = 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 a = 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 a = 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 a = 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 a = 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 a = 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 a = 0,8…0,95 и a = 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 a = 1,05...1,1, при которых всегда имеет место избыток кислорода. Такие смеси обладают высо­кой физико-химической 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 a = 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 a = 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 a = 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.