Исследование опасного влияния маломерных судов и автотранспорта на среду обитания в зонах их совместного воздействия 36

• Название: Исследование опасного влияния маломерных судов и автотранспорта на среду обитания в зонах их совместного воздействия 36
• Дата: 29.03.2023
• Размер: 0.93 Mb.
• Имя файла: Khqi_VKR_Hahlenov_16.01.23_.docx
• Тип: Исследование; #1024127
• страница: 3 из 11

1.2 Образование вредных веществ в выбросах судовых дизелей в процессе горения топливовоздушной смеси

Экологическая обстановка в морских и речных акваториях во многом зависит от количества выбросов токсичных компонентов судовых главных силовых установок и вспомогательных дизель-генераторов. Судовой дизель, вырабатывая механическую энергию за счет окисления топлива воздухом, в процессе работы осуществляет непрерывный тепломассообмен с окружающей атмосферой. Он вбирает воздух и потребляет топливо, затем выбрасывает отработавшие газы, состоящие из части воздуха и продуктов окисления топлива. Таким образом, воздух, поступающий в цилиндр дизеля, совершает определенный термодинамический цикл, претерпевая при этом химические изменения, в результате чего превращается в сложную газовую смесь с множеством компонентов.

Четыре компонента: N₂, О₂, СО₂ и Н₂О составляют свыше 99,0-99,9 % объема газа, остальные 0,1-1,0 % объема составляют примеси, угрожающие окружающей среде [11]. Применительно к судовым дизелям принято считать, что около 98 % отработавших газов, являющихся неотъемлемой частью их разомкнутого цикла, состоит из веществ в газообразном состоянии, включающих в свой состав окиси углерода СО, азота NO_x, серы SO_x и углеводородов C_xH_y [12]. Кроме того, с отработавшими газами в атмосферу выбрасываются вредные вещества в твёрдом и жидком состоянии. Твёрдая фаза представлена в основном продуктами неполного сгорания топлива в виде сажи. В состав жидкой фазы входят мелкодисперсные сферические частички смазочных веществ и не полностью окислившегося топлива.

Причина образования в отработавших газах вредных веществ - горение топлива. Характерной особенностью дизеля является периодичное горение предварительно неперемешанных топлива и окислителя. Указанное обстоятельство обусловливает наличие гомофазного и диффузионного типов горения: первый определяется сгоранием топливовоздушной смеси, образовав­шейся за период задержки воспламенения, второй - сгоранием остального количества топлива в диффузионном фронте пламени.

Необходимым условием совершенного протекания реакции горения в дизеле является тщательное предварительное смешивание топлива с воздухом. Наилучшее смешение обеспечивается, когда топливо находится в газообразном или парообразном состоянии. Для получения качественной смеси из жидкого топлива необходимо осуществить его предварительное распыливание и испарение. Распыленные частицы топлива находятся в среде горячего воздуха, быстро нагреваются и испаряются. Пары топлива, возникающие при испарении частиц, диффундируют в окружающее пространство, в результате чего образуется горючая смесь.

Первичные очаги пламени в камере сгорания дизеля появляются одновременно в нескольких точках, т. е. воспламенение топлива в дизеле является многоочаговым. Первичные очаги вызывают нагрев близлежащих участков смеси и общее повышение температуры в цилиндре, что ускоряет испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных реакций в образующейся горючей смеси. Большая скорость сгорания топлива в первый период, обусловленная многоочаговым воспламенением, - характерная особенность рабочего цикла дизеля. дальнейшем часть топлива, поступающего в среду горящего факела, воспламеняется практически мгновенно. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны, в процессе сгорания происходит постепенное загрязнение среды образующимися инертными газами. Скорость сгорания при этом зависит от интенсивности подачи топлива в цилиндр и условий поступления кислорода в зону горения. Последняя часть подаваемого топлива обычно сгорает на линии расширения в условиях недостатка кислорода.

Процесс образования вредных веществ протекает в камере сгорания и в потоке отработавших газов (последнее - в ходе охлаждения газов как за счет естественной теплоотдачи, так и перемешивания с атмосферным воздухом). Данное обстоятельство сказывается, в частности, на распаде CxHy на легкие и тяжелые (конденсируемые при температуре окружающей среды) углеводороды и образовании сернистых соединений, что необходимо учитывать при оценке эмиссии вредных веществ.

Эффективность процесса горения в цилиндрах дизелей во многом определяется организацией высокоэффективного рабочего процесса. Наиболее узким местом в теории и практике ор­ганизации рабочего процесса остаются вопросы смесеобразования, включающие в себя формирование и развитие топливного факела, его взаимодействие с воздушным зарядом и со стенкой камеры сгорания, нагрев и испарение капель топлива, смешение паров топлива с воздухом, прогрев смеси до температуры самовоспламенения.

Впрыснутое топливо в виде струи, состоящей из значительного количества капель диаметром от 1 до 100 мкм, распределенных в объеме струи, распространяется по камере сгорания от сопла распылителя [11]. Скорость распространения топлива монотонно уменьшается, при ее начальном значении на срезе сопла 250-280 м/с. Пространство между каплями заполнено воздухом и парами топлива, которые составляют 90-95 % объема струи [13]. Воспламенение топли­ва происходит в средней части оболочки струи, где в первую очередь достигается благоприятное соотношение между топливом и воздухом. От очага воспламенения горение распространяется по наружной оболочке струи по направлению к вершине, как бы догоняя ее. В момент охвата горением всей наружной оболочки топливной струи заканчивается быстрое (кинетическое) сгорание и происходит спад в скорости выделения тепла. Время охвата пламенем всей наруж­ной оболочки топливной струи не превышает 35-40 % от продолжительности топливоподачи и 20 % - от продолжительности всего процесса сгорания.

Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах, в зависимости от механизма их образования можно разделить на группы [14, 15]:

- углеродосодержащие вещества - продукты полного и неполного сгорания топлив (углекислый газ, окислы углеводорода, углеводороды, в том числе полициклические ароматические (ПАУ), сажа);

- вещества, механизм образования которых непосредственно не связан с процессом сгорания топлива (оксиды азота - по термическому механизму);

- вещества, выброс которых связан с примесями, содержащимися в топливе (соединения свинца, серы, других тяжелых металлов), воздухе (кварцевая пыль, аэрозоли), а также образующимися в процессе износа деталей (оксиды металлов).

Рассмотрим подробнее механизмы образования веществ, содержание которых в отработавших газах дизелей нормируется или предполагается нормировать в будущем.

Монооксид углерода СО - образуется в ходе предпламенных реакций, при сгорании угле­водородного топлива с некоторым недостатком воздуха, а также при диссоциации СО₂ (при температуре более 2 000 К). Образование СО является одним из принципиально возможных направлений реакций в механизме горения (окисления) углеводородов, которое можно представить в виде

RH→R→RO₂→RCHO→RCO→CO

Диоксид углерода СО₂ - нетоксичное, но вредное вещество в связи с фиксируемым повышением его концентрации в атмосфере планеты и его влиянием на изменение климата. Основная доля образовавшихся в камере сгорания СО окисляется до СО₂, не выходя за пределы камеры сгорания. Наибольший вклад в образование СО₂ вносит необратимая реакция:

СО + ОН^* -СО₂ + Н^*

Окисление угарного газа СО в углекислый газ СО₂ происходит в выпускной трубе. Величина выбросов СО₂ зависит от физико-химических и теплофизических свойств топлив и их расхода.

Углеводороды CxHy - несколько десятков веществ, образующихся в результате:

- реакций цепочно-теплового взрыва - пиролиза и синтеза (ПАУ, альдегиды, фенолы);

- неполноты сгорания в результате нарушения процесса горения (из-за прекращения реакций окисления углеводородов при низких значениях температуры, неоднородности топливо-воздушной смеси, пропусков зажигания в отдельных циклах или цилиндрах двигателя (несгоревшие компоненты топлива и масла).

Наиболее токсичны из углеводородов ПАУ. Максимальный уровень токсичности (агрессивность х концентрация) имеет бенз(а)пирен С₂₀Н₁₂. Гипотетическая реакция образования С₂₀Н₁₂ при пиролизе углеводородных топлив при температуре более 873 К может быть записана в виде [16]:

С₆Н₂ + 3С₂Н₂ + 4С₂Н→С₂₀Н₁₂,

где С₆Н₂ - полирадикал, представляющий собой зародыш сажи; С₂Н₂, С₂Н - элементные строительные блоки.

В состав твердых частиц входят нерастворимые (твердый углерод, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты, асфальты, соединения свинца) и растворимые в органиче­ских растворителях (смолы, фенолы, альдегиды, лак, нагар, тяжелые фракции, содержащиеся в топливе и масле) вещества. Твердые частицы в отработавших газах дизелей с наддувом состоят на 68-75 % из нерастворимых веществ, на 25-32 % - из растворимых [17].

Сажа (твердый углерод) С является основным компонентом нерастворимых твердых частиц. Образуется при объемном пиролизе (термическом разложении углеводородов в газовой или паровой фазе при недостатке кислорода). Образование сажи протекает в несколько стадий [81]:

- образование зародышей;

- рост зародышей до первичных частиц шестиугольных пластинок графита;

- увеличение размеров частиц до сложных образований - конгломератов, включающих 100-150 атомов углерода;

- выгорание.

Важный процесс, определяющий уровень эмиссии сажи при горении, - ее выгорание в высокотемпературном газовом потоке при температуре 850-920 К. В процессе выгорания значимыми являются диффузия и сорбция на поверхности конгломератов сажи твердых иглообразных образований ПАУ, что позволяет отнести ее к классу опасных загрязнителей [6].

Сера S, содержащаяся в моторном топливе, во время горения интенсивно окисляется в диоксид серы SO₂ по механизму, сходному с механизмом образования СО. Диоксид серы SO₂ может окисляться (с существенно меньшей скоростью) до сернистого ангидрида SO₃ по уравнению

4SO₂ + 2O₂→4SO₃

Далее происходит реакция SO₃ с парами воды, приводящая к образованию серной кислоты H₂SO₄. Реакция протекает на стенках камеры сгорания при температуре ниже 815 К [9].

Оксиды азота NO_x представляют собой набор следующих соединений: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ и N₂O₅. Преобладает NO - 90 % всех выбросов дизельного двигателя. Условия образования оксидов при горении до сих пор не исследованы в достаточной мере и требуют глубокой проработки весьма сложной химической кинетики процесса в сочетании с детальным изучением тепломассообмена и его влияния на кинетику. В 1960-1970-е гг. в большинстве публикаций в качестве основной модели образования NO принималась «термическая» схема [19, 20]. Согласно этой схеме, выход NO определяется реакцией между атомом кислорода и молекулой азота. При этом количество атомарного кислорода определяется диссоциацией молекулы О₂. Эти процессы имеют очень большой энергетический барьер Е = 561кДж/моль и, следовательно, определяются температурой процесса. Однако исследования, проведенные в течение последних 20 лет, показали следующее [13, 17, 21]:

- образование NO в пламени имеет место не после окончания реакции горения, а непосредственно в зоне горения и зависит от ряда других химических реакций в пламени. При этом собственно образование NO происходит не только в результате реакции атомарного кислорода с молекулой азота, но и в результате ряда других реакций;

- образование кислорода в пламени происходит не только за счёт диссоциации О₂, но и в ходе ряда других реакций; концентрация атомарного кислорода в зоне горения на 1-2 порядка выше равновесной, определяемой из условий диссоциации молекулярного кислорода, и в пламени углеводородов составляет 0,4-0,8 %;

- максимальная температура в ядре зоны горения существенно ниже расчётной теоретической вследствие наличия сверхравновесных концентраций промежуточных продуктов реакций и теплообменных процессов;

- зависимость выхода NO от температуры значительно слабее, чем это предполагалось ранее.

В настоящее время приближенно, до детальной разработки процесса, можно отметить три основные группы источников образования оксида азота при горении. В камере сгорания окислы азота NO могут образовываться:

- при высокотемпературном окислении азота воздуха (термический NO);

- в результате низкотемпературного окисления азотосодержащих соединений топлива (топливный NO);

- из-за столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).

В камере сгорания доминирует термический NO, образующийся из молекулярного азота во время горения бедной топливовоздушной смеси и смеси, близкой к стехиометрической, за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания. При сгорании бедных и умеренно богатых смесей (а > 0,8) реакции происходят по цепному механизму [20]:

O + N₂ → NO + N

N + O₂ → NO + O'

N + OH → NO + H

В бедных смесях выход NO определяется максимальной температурой (2 800-2 900 К) цепочно-теплового взрыва, кинетикой образования. В богатых смесях выход NO перестает зависеть от максимальной температуры взрыва и определяется кинетикой разложения. При горении бедных смесей значительное влияние на образование NO оказывает неравномерность температурного поля в зоне продуктов сгорания и присутствие паров воды, которая в цепной реакции окисления N₂ является ингибитором.

Диоксид азота (NO₂) представляет собой красно-бурый газ с неприятным запахом, сильно действующий на слизистые оболочки. Он получается, как промышленный продукт в процессе производства азотной кислоты.

Монооксид азота (NO) - бесцветный газ, на воздухе немедленно окисляющийся до NO₂.

В результате исследований [20, 22] были получены данные, позволившие выявить основные факторы, определяющие содержание NO_x в продуктах сгорания при импульсном горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя:

- увеличение доли топлива, сгорающего в диффузионном режиме, при постоянстве общего количества периодически подаваемого топлива, обусловливает увеличение поверхности фронта диффузионного горения Fд, а также концентрации сажи и, до определенного момента, NOx;

- увеличение количества сгорающего топлива при его непрерывной подаче приводит к увеличению поверхности F_д, а также концентрации сажи и, до определенного момента, NOx в продуктах сгорания;

- с момента резкого роста содержания сажи в продуктах сгорания начинается процесс уменьшения концентрации NO_x в продуктах сгорания независимо от способа подачи топлива;

- выход NOx пропорционален величине поверхности F_д до момента интенсификации процесса сажеобразования, при котором влияние поверхности компенсируется снижением температуры горения;

- подвижность реакции образования NO при диффузионном горении высокая, что позволяет в расчетах учитывать только реакцию разложения, считая скорость реакции образования NO бесконечно большой.

Таким образом, увеличение в отработавших газах дизеля концентрации как NOx, так и сажи связано с увеличением площади поверхности диффузионного горения, определяемой увеличением цикловой подачи топлива (что можно косвенно оценить по коэффициенту избытка воздуха α), а также сокращением периода задержки воспламенения. Период задержки воспламенения представляет собой подготовительную фазу к процессу сгорания в цилиндре двигателя с воспламенением от сжатия и зависит от функции впрыска топлива, температуры начала впрыска, условий смешивания паров топлива с воздухом и качества топлива. Параметры впрыска, в свою очередь, определяются давлением впрыска топлива, степенью дробления топлива, длиной струи и скоро­стью полета топливной струи. В общей длительности периода задержки могут быть выделены:

1) физическая составляющая, зависящая в основном от параметров впрыска и условий смешения паров топлива с воздухом;

2) химическая составляющая, определяемая свойствами топлива.

Процессы воспламенения от сжатия жидких топлив, впрыскиваемых в нагретый воздух, сильно осложнены неоднородностью получающейся при этом горючей смеси. Однако доказано, что химические реакции, предшествующие воспламенению распыленных жидких топлив, не отличаются существенно от реакций, развивающихся в однородных смесях, и сам процесс воспламенения всегда происходит в газовой фазе [13]. Воспламенение распыленного жидкого топлива произойдет только после того, когда топливо, хотя бы частично, испарится, и его пары будут перемешаны с воздухом, причем образующаяся смесь будет состоять из чистых паров топлива, а на внешних границах факела - из чистого воздуха. Этим объясняется наличие некоторого периода задержки воспламенения, обычно оцениваемого как интервал времени от начала подачи топлива до начала заметного повышения давления в результате сгорания. Образующаяся смесь неоднородна по температуре, т. к. теплота, расходуемая на испарение топлива и дальнейшее нагревание его паров, заимствуется из окружающего нагретого воздуха.

Основные особенности процесса сгорания в дизелях связаны, во-первых, со способом смесеобразования при впрыске топлива в цилиндр в конце такта сжатия, причем частично впрыск продолжается и в течение периода сгорания, и, во-вторых, со значительно более высокими давлением и температурой сжатия.

Процесс сгорания можно разделить на следующие три фазы, не считая подготовительной:

- первая фаза - фаза начального или быстрого горения, в течение которой сгорает в основном топливо, впрыснутое в цилиндр в течение периода задержки воспламенения;

- вторая фаза - фаза основного горения, в течение которой скорость тепловыделения примерно пропорциональна скорости поступления топлива;

- третья фаза - фаза диффузионного догорания.

Необходимо подчеркнуть, что характер и скорость тепловыделения в каждой из этих фаз могут существенно изменяться в зависимости от конструктивных особенностей камеры сгорания, особенностей процесса смесеобразования и характера движения воздушного заряда.

Особенности горения в дизеле связаны с периодичной подачей в камеру сгорания предварительно неперемешанных топлива и окислителя, что предопределяет наличие двух типов горения - быстрого (взрывного) и диффузионного. Характеристики первого типа горения обусловливаются процессом распространения пламени по предварительно подготовленной за период задержки воспламенения топливовоздушной смеси, кинетикой (аналогично горению в двигате­ле внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием). Характеристики второго типа горения определяются макрокинетическими процессами, связанными с неоднородностями концентраций реагентов и температуры в зоне реакции и вызванными этим процессами тепло- и массопереноса (диффузией). При этом диффузионный фронт пламени стабилизируется на изостехио- метрической поверхности (где α = 1), поскольку в данном случае скорость химических реакций наибольшая [17]. При отклонении от этой поверхности один из реагентов (топливо или окислитель) становится недостающим, что приводит к уменьшению скорости реакций. В связи с вышеизложенным выделяют две фазы горения в дизеле: фазы нестационарного формирования диффузионного фронта пламени и фазы квазистационарного диффузионного горения. Таким образом, характерной особенностью горения топлива в дизеле является наличие диффузионного режима в течение всего процесса горения. В этом основное отличие от горения гомофазных смесей, у которых можно отметить наличие только процесса распространения пламени (в чистом виде или одновременно с объемным воспламенением).

Уровень концентрации вредных веществ в отработавших газах судовых дизелей является следствием качества протекания физико-химических процессов при подготовке и сгорании топливовоздушной смеси. Однако в настоящее время не все особенности протекания данных процессов подробно изучены. В связи с этим для уменьшения неполноты сгорания и снижения концентраций токсичных компонентов в отработавших газах основное внимание необходимо уделять факторам, оказывающим непосредственное влияние на предпламенные процессы и процессы сгорания: состояние топливной аппаратуры, распылителей форсунки, качество смесеобразования и протекания рабочего процесса, положение угла опережения впрыска топлива, значение цикловой подачи топлива.