Курсовая работа (курсовой проект) по дисциплине Основы технологий химических производств

• Название: Курсовая работа (курсовой проект) по дисциплине Основы технологий химических производств
• Дата: 27.02.2023
• Размер: 61.27 Kb.
• Имя файла: 10488067.docx
• Тип: Курсовая; #958721

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(ФГБОУ ВО «КНИТУ»)

Кафедра КМИЦ «Новые технологии»

Направление 20.03.01. Техносферная безопасность

Профиль Безопасность жизнедеятельности в техносфере

Группа 1273-Ц45

КУРСОВАЯ РАБОТА (КУРСОВОЙ ПРОЕКТ)

по дисциплине «Основы технологий химических производств»

на тему «Технологическая схема производства нитроаммофоски «

Исполнитель	(подпись)	Ю.В.Бурчин (Ф.И.О.)
Руководитель	(подпись)	В.И.Петров должность, (Ф.И.О.)
Нормоконтроль	(подпись)	Н.Г.Бакиров должность, (Ф.И.О.)

Казань

З А Д А Н И Е

на курсовую работу (проект) студенту кафедры КМИЦ «Новые технологии»

Тема работы (проекта):__ Массообменные процессы, основанные на переносе вещества из одной фазы в другую ____________________________
Исходные данные к проекту: ____________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Содержание расчетно-пояснительной записки (включая перечень подлежащих разработке вопросов, включая вопросы стандартизации и контроля качества) __________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________
Перечень графического материала (схемной документации) _____________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Консультанты по проекту:_______________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________
Дата выдачи задания «___»___________2020 г.
Руководитель проекта _____________________(_В.И.Петров________)
Задание принял к исполнению______________(_ А.Т.Аскаров ___________)

ЛИСТ НОРМОКОНТРОЛЕРА

1. 
   Лист является обязательным приложением к пояснительной записке дипломного (курсового) проекта.
   
2. 
   Нормоконтролер имеет право возвращать документацию без рассмотрения в случаях:
   

• 
  нарушения установленной комплектности;
  
• 
  отсутствия обязательных подписей;
  
• 
  нечеткого выполнения текстового и графического материала.
  

3. 
   Устранение ошибок, указанных нормоконтролером, обязательно.
   

ПЕРЕЧЕНЬ

замечаний и предложений нормоконтролера по дипломному (курсовому) проекту, студента
1273-Ц44, А.Т.Аскаров

(группа, инициалы, фамилия)

Лист (страница)	Условное обозначение (код ошибок	Содержание замечаний и предложений со ссылкой на нормативный документ, стандарт или типовую документацию

Дата _______________2020 г. Нормоконтролер _________________________________

(подпись) (фамилия, инициалы)

Содержание

ПЕРЕЧЕНЬ 3

Исходные данные 6

1. Очистка газов от оксидов азота 7

2. Способ очистки отходящих газов от оксида азота (I) 8

3. Установка контактных экономайзеров как способ уменьшения выбросов оксидов азота 12

Список литературы 27

Исходные данные

Значения концентраций NO_x на входе и выходе, а также расхода отходящих газов приведены в таблице 2.

Вариант	7
Расход отходящих газов, м3/ч	150
Концентрация оксидов азота на входе, мг/м3	30
Концентрация оксидов азота на выходе, мг/м3	10

1. Очистка газов от оксидов азота
В условиях агломерационного производства 99% оксидов азота выделяется в процессе спекания и охлаждения агломерата. В газах, отходящих от зон спекания, содержание оксидов азота составляет 160–290 мг/м³, от зон охлаждения 20 мг/м³. Удельный выход оксидов азота – около 0,4 кг на 1 т агломерата.

Из технологических мероприятий по сокращению выхода оксидов азота от агломерационных машин наиболее перспективным является рециркуляция газов, для осуществления которой часть газов, отсасываемых от агломашины специальным дымососом, подается под зонт, герметично укрывающий аглоленту сверху. Использование агломерационных газов хвостовой части машины для рециркуляции позволяет сократить общий расход выбрасываемых газов, снизить их запыленность при поступлении на очистку, частично использовать тепло газов, сократить расход топлива на спекание и уменьшить вредные выбросы СО и NO_x.

Из методов очистки газов агломерационного производства наиболее перспективным представляется восстановление оксидов азота аммиаком. Этот процесс протекает селективно, так как аммиак реагирует только с N0₃ и не реагирует со свободным кислородом, содержащимся в дымовых газах. Реакция восстановления NO_x требует применения катализатора (предпочтителен V₂0₅). Для этого катализатора характерна оптимальная объемная скорость газов 20000–25000 ч»¹ при оптимальной температуре 240–280°С. При восстановлении оксида азота в неподвижном слое катализатора обязательна предварительная очистка газов от пыли (до 0,1 г/м³) и влаги. Достигаемая степень очистки 85–90%.

Кассету, заполненную катализатором с толщиной слоя -350 мм, помещают в газовый поток с линейной скоростью 2–3 м/с при температуре 250–300°С, запыленности не более 0,1 г/м³ и влажности не более 35% (по объему). Перед слоем катализатора в газоход вводится аммиак с равномерным распределением его по сечению, а после кассеты ставится датчик концентрации оксидов азота в газе, по показанию которого может автоматически увеличиваться и уменьшаться подача аммиака в газоход.

Для очистки запыленного газа перспективно применение аппарата с кипящим слоем катализатора.

При восстановлении оксидов азота аммиак необходимо дозировать с учетом коэффициента избытка 1,2 против стехиометрического количества, так как при недостатке аммиака снизится степень очистки.

2. Способ очистки отходящих газов от оксида азота (I)

Настоящее изобретение относится к способу очистки отходящих газов промышленных производств от оксида азота (I) методом каталитического разложения N2 с использованием в качестве катализаторов кристаллических силикатов со структурой высококремнеземистых цеолитов.

Оксид азота (I) является экологически вредным неорганическим соединением. Присутствие N2О в атмосфере приводит к разрушению озонового слоя Земли и способствует возникновению парникового эффекта.

Ежегодный прирост концентрации N2О в атмосфере составляет 0,2% Основными источниками загрязнения окружающей среды оксидом азота (I) являются сжигание природного топлива и процессы горения биомассы. Кроме того, оксид азота (I) в значительных количествах содержится в выбросах таких крупнотоннажных производств, как получение азотной кислоты, азида натрия, пропилена, искусственного шелка и др.

Учитывая приведенные выше данные, встает вопрос об удалении оксида азота (I) из отходящих газов несмотря на сравнительно низкое его содержание в промышленных выбросах (5% и ниже). Наиболее доступен и прост метод каталитического разложения N2О до азота и кислорода.

Наиболее близким к заявляемому способу по техническим признакам и достигаемому эффекту является метод удаления оксида азота (I) из анестезирующих газов путем разложения N2О на каталитических контактах, основу которых составляют оксиды Fe, Сr, Со, Mn. По этому способу оксид азота (I), содержащийся в анестезирующем газе после его использования, пропускают над катализатором, состоящим из одного или более вышеперечисленных оксидов, нанесенных на носитель, в качестве которого используют оксиды Al, Si либо Тi. Полное превращение N2О происходит при температурах 480 560C и временах контакта не менее 8 секунд. Недостатками этого способа являются: проведение процесса при высокой концентрации оксида азота (I) в исходном газе: 50 70 об. что неприемлемо для подавляющего большинства промышленных выбросов; большие времена контакта (8 сек.), требуемые для полного разложения N2О; наличие в продуктах реакции оксидов азота NO и NO2 (5–10 ppm).

В основу настоящего изобретения положена задача создания такого способа очистки отходящих газов от оксида азота (I), который позволил бы добиться полной утилизации N2О (независимо от концентрации N2О в исходной смеси) в относительно мягких условиях (умеренные температуры, небольшие времена контакта) без образования вредных побочных продуктов, таких как оксиды азота NO и NO2.

Эта задача решается тем, что предлагается способ удаления N2О из отходящих газов путем разложения оксида (I) в присутствии силикатного катализатора со структурой высококремнеземистых цеолитов. Согласно изобретению процесс разложения ведут при температуре 250 800C, времени контакта реакционной смеси с катализатором 0,05 10 сек, и при использовании в качестве катализатора кристаллических силикатов со структурой высококремнеземистых цеолитов состава: уEl2OnxFe2O3 SiO2, где y 10–5 510–2, х 10–5 210–2, El – по крайней мере один из элементов 2, 3, 4, 5 периода Периодической системы, n валентность элемента, либо железосиликатов состава хFe2O3SiO2, где х 10–5 2 10–2. Если в силикат введено более одного элемента, то «у» представляет собой сумму мольных коэффициентов соответствующих оксидов элементов, введенных в силикат.

Способ разложения N2 с использованием в качестве катализатора кристаллических силикатов прост в технологическом исполнении и осуществляется следующим образом. Способ получения катализатора традиционен и основан на следующей технологии. Смесь, состоящую из источника кремния, источника железа, в необходимых случаях источника Еl, щелочи органических поверхностно-активных соединений гомогенизируют, затем помещают в автоклав, где в гидротермальных условиях ее выдерживают в течение 1–30 суток при температуре 80 200C. После завершения кристаллизации осадок отфильтровывают, промывают дистиллированной водой и сушат. Полученные таким образом силикат отжигают при температуре 550 800C для удаления органических включений и при необходимости проводят также декатионирование растворами NH4OН + NH4Cl или растворами неорганических кислот. В некоторых случаях необходимый элемент в силикатную матрицу вводят, используя методом ионного обмена, либо пропитки.

Катализатор, полученный таким способом, загружают в реактор с внутренним диаметром 7 мм. Объем катализатора 2 см³, фракционный состав 0,5 – 1,0 мм. На катализатор, нагретый до заданной температуры, подается в выбранной скоростью реакционная смесь, состоящая из оксида азота (I) и инертного газа, в качестве которого используют гелий. В некоторых случаях в реакционную смесь вводится также молекулярный кислород.

Cостав смеси до и после реактора определяется с помощью хроматографического анализа, на основании чего рассчитывают степень превращения оксида азота (I):
Х (Cн Cк)/Cн,
где Сн концентрация оксида азота (l) на входе в реактор, мольн.

Cк концентрация оксида азота (l) на выходе из реактора, мольн.

Отличительным признаком предлагаемого способа удаления оксида азота (l) из отходящих газов по сравнению с известным способом является то, что в качестве катализатора применяются кристаллические силикаты со структурой высококремнеземистых цеолитов. Использование таких катализаторов позволяет работать с меньшими концентрациями N2, проводить реакцию при более низких температурах и меньших временах контакта, что в свою очередь ведет к уменьшению загрузки катализатора и следовательно к уменьшению габаритов реактора. Кроме того, в предлагаемом способе не образуются побочные вредные продукты, такие как NO и NO2, что также является существенным преимуществом по сравнению с известным способом.

Для лучшего понимания настоящего изобретения приводятся следующие конкретные примеры.

Пример 1. Силикат состава 10–2Al2O32.610–3 Fe2O3SiO2 cо структурой ZSM-5 в количестве 2 см³ загружают в реактор, прокаливают в токе гелия при температуре 550C в течение двух часов, после чего опускают температуру до 400C и со скоростью 1 см³/сек подают реакционную смесь состава: оксид азота (I) 5 мольн. остальное гелий. Состав реакционной смеси периодически анализируют с помощью хроматографа. В продуктах реакции присутствует только N2 и О2. Конверсия N2O cоставляет 100%.

Примеры 2 16. Реакцию ведут аналогично примеру 1, за исключением того, что варьируют при этом температуру проведения реакции и время контакта реакционной смеси с катализатором. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Пример 17. Реакцию проводят как в примере 1, за исключением того, что реакционная смесь имеет следующий состав: оксид азота (I) 0,1 мольн. остальное гелий. Конверсия N2О при этом составляет 100%.

Пример 18. Реакцию проводят как в примере 1, за исключением того, что исходная смесь состоит только из оксида азота (l). Конверсия N2 при этом составляет 100%.

Пример 19. Реакцию проводят как в примере 1, за исключением того, что в реакционную смесь, наряду с оксидом азота (l) (5 мольн.) и гелием, вводится молекулярный кислород (20 мольн.). Конверсия N2О при этом составляет 100%.

Примеры 20 37. Реакцию проводят как в примере 1, за исключением того, что варьируют химических состав катализаторов и их структуру. Характеристики катализаторов и результаты испытаний представлены в таблице 2.

3. Установка контактных экономайзеров как способ уменьшения выбросов оксидов азота

Проблема загрязнения атмосферы токсичными оксидами азота относится к наиболее актуальным, но и наиболее трудно решаемым. Для котлов апробированными методами снижения выбросов NO_X в атмосферу являются рециркуляция продуктов сгорания в топку, двухстадийное сжигание топлива и впрыск воды или пара в зону максимальных температур. Все эти методы наряду со снижением выбросов NO_X на 20–30% имеют и недостатки: необходимость дымососа рециркуляции, сооружение дополнительных газоходов, увеличение расхода электроэнергии на тягу, возрастание потерь теплоты от химической неполноты сгорания топлива. Так, при 40%-й рециркуляции КПД котла снижается примерно на 2%. В связи с этим в эксплуатационных условиях степень рециркуляции продуктов сгорания редко превосходит 15–20%. Рециркуляция является одним из наиболее доступных средств подавления образования оксидов азота в топке.

Двухстадийное сжигание – наиболее легко осуществимый из применяемых методов предотвращения образования оксидов азота. Эффективность его весьма высока и достигает 45–50% снижения; к недостаткам этого метода можно отнести необходимость точного и оперативного регулирования горелок, в т.ч. по ярусам, возможное возрастание выбросов СО, сажи, бенз(а) пирена в атмосферу. Поэтому обычно ограничиваются 20% снижением выбросов оксидов азота. Еще сложнее и дороже метод впрыскивания влаги в реакционную зону. При той же результативности он ведет к пережогу топлива. Как известно [1], в газовых котельных применяются контактные экономайзеры, обеспечивающие глубокое охлаждение продуктов сгорания газа ниже точки росы и тем самым повышающие коэффициент использования топлива на 10–15%.

Установленные для утилизации теплоты уходящих газов контактные экономайзеры, как показали многолетние наблюдения, благодаря прямому контакту дымовых газов и орошающей воды способны одновременно выполнять задачу очистки газов от твердых включений и части газов, растворимых в воде. Методы очистки отходящих газов от оксидов азота абсорбцией в полых распылительных аппаратах известны в химической технологии и применяются при производстве азотной кислоты. Использование их для очистки продуктов сгорания топливосжигающих установок нецелесообразно с экономической точки зрения. Например, для очистки 24 тыс. м³/ч газов необходима установка шести форсуночных абсорберов диаметром 2,5 м с общим объемом 420 м³. Однако при использовании контактных теплоутилизаторов, имеющих развитую поверхность вследствие загрузки слоя керамическими кольцами или другими насадочными элементами и обеспечивающих выполнение двух полезных функций, эти проблемы теряют остроту.

Рассмотрим кратко вопросы растворимости оксидов азота и попытаемся сделать из них практические выводы. Диоксид азота, в 7,6 раза более токсичный, чем моноксид (максимальные разовые ПДК составляют соответственно 0,085 и 0,6 мг/м³), полностью растворяется в воде с образованием смеси азотной и азотистой кислот. Растворимость моноксида азота, который на воздухе окисляется до диоксида, составляет 7,38 мл/100 г. при нулевой температуре и существенно уменьшается с повышением температуры [2]. Так, при 20°C она составляет 4,71, а при 100°C – 2,6 мл/100 г. В качестве примера приведем некоторые результаты натурных испытаний контактного экономайзера, установленного за котлом ДКВР-10. Экономайзер работал с коэффициентом избытка воздуха 1,1 при расходе воды 20 т/ч. При номинальной нагрузке котла через него проходило около 10 тыс. м³/ч продуктов сгорания, что позволяло растворять в воде до 700 г/ч моноксида азота.

При исходном (перед экономайзером) содержании диоксида азота 20–30 мг/м³ и оксида азота до 150 мг/ м³ на выходе из экономайзера диоксид азота в дымовых газах практически отсутствовал, а содержание моноксида азота составляло 65–70 мг/м³. Эффективность использования контактного аппарата в целях очистки выбросов в атмосферу от оксидов азота может быть оценена величиной КПД очистки: где Т и Т ґ – количества единиц токсичности, приходящихся на суммарное содержание оксидов азота в продуктах сгорания и поглощенных в контактном аппарате соответственно. Здесь под количеством единиц токсичности понимается отношение фактической концентрации вредного вещества в выбросах к его же максимальной разовой ПДК.

Путем несложных вычислений с учетом суммирования вредностей получаем, что для приведенного выше примера КПД очистки составляет 72,5%. При установке контактного экономайзера за аппаратами химической технологии и топливосжигающим оборудованием, отличающимся меньшим теплонапряжением и более длительным пребыванием продуктов сгорания в агрегате, эффективность контактных устройств может быть значительно выше, так как доля диоксида азота в сумме оксидов азота, содержащихся в продуктах сгорания, зависит от характеристики интенсивности охлаждения дымовых газов H_л/V_т (H_л – площадь лучевоспринимающей поверхности, V_т – объем топки), коэффициента избытка воздуха б и теплонапряжения топочного объема q_V.

Количественные характеристики этих зависимостей установлены в [3]. По сравнению с котлами стекловаренные печи, например, характеризуются более высокими коэффициентами избытка воздуха. Так, реальное значение, измеренное в газоходе стекловаренной печи, достигает 3,5 и более, а суммарное содержание оксидов азота в неразбавленных газах – 230–250 мг/м₃. Видимо, этим можно объяснить содержание в уходящих газах печи около 120 мг/м₃.

При столь высоком содержании диоксида азота эффективность очистки с помощью контактного экономайзера составила бы около 94%, а NO_X за установкой не превышало бы 50 мг/м³, причем содержание диоксида азота снизилось бы до нуля. Использование контактных экономайзеров в качестве очистных аппаратов позволяет частично окупить затраты на строительство очистных сооружений за счет улучшения использования топлива, что существенно изменяет экономические показатели очистки.

Следует, однако, учитывать, что эффективная очистка отходящих газов контактным способом приводит к некоторому ухудшению качества воды, контактировавшей с газами. Проведенные исследования показали, что, как правило, увеличивается содержание свободной углекислоты и снижается рН. Для нейтрализации воздействия кислой среды целесообразно некоторое подщелачивание контактирующей с газами воды. Следовательно, контактные аппараты позволяют достаточно эффективно очищать продукты сгорания газа от оксидов азота.

С уменьшением единичной мощности агрегата и увеличением коэффициента избытка воздуха эффективность метода возрастает. Если рассматривать экономическую эффективность данного метода лишь с точки зрения защиты воздушного бассейна, то экономические показатели могут оказаться неконкурентоспособными с иными методами, применяемыми в настоящее время. В случае же использования горячей воды, получаемой в контактных экономайзерах, стоимость уменьшения выбросов оксидов азота с дымовыми газами окажется значительно ниже.

Система нейтрализации отработавших газов.

Экологическая чистота выхлопа закладывается в конструкцию двигателя и автомобиля на стадии проектирования. В эксплуатации характеристики токсичности должны оставаться стабильными. Регулировка токсичности у двигателей современных автомобилей в большинстве случаев или не требуется, или ограничена. В то же время у двигателей автомобилей прошлых лет выпуска, особенно с карбюраторами, токсичность выхлопа напрямую связана с техническим состоянием системы питания и зажигания и их регулировкой. Ремонт двигателя не может считаться квалифицированным и качественным, если токсичность выхлопа двигателя после ремонта превышает установленные допустимые пределы.

Автомобили загрязняют атмосферу углеводородами и оксидами азота на 30%, оксидами углерода на 90%. При неблагоприятных условиях в приземных слоях атмосферы образуются ядовитые туманы (смоги). В отработавших газах автомобильных двигателей насчитывается свыше 100 различных компонентов, большинство из которых токсичны. Бензиновые двигатели по сравнению с дизельными обладают большей токсичностью. Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NО), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина – свинец. В отработавших газах обнаружен акреолин, который поступает в окружающую среду (особенно при работе дизельных двигателей). Он имеет запах пригорелых жиров (при содержании более 0,004 мг/л), вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а также воспаление слизистой оболочки глаз.

Оксид углерода образуется в бензиновых двигателях при сгорании топливовоздушных смесей с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода, возникающей при высоких температурах. В обычных условиях СО – бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому легко распространятся в атмосфере. Механизм токсического действия СО определяется способностью превращать часть гемоглобина крови в карбоксигемоглобин, вызывающий нарушение тканевого дыхания. Наряду с этим СО оказывает влияние на тканевые биохимические процессы, влекущие за собой нарушение жирового и углеводного обмена, витаминного баланса. Токсический эффект СО связан с его непосредственным влиянием на клетки центральной нервной системы. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Острые отравления наблюдаются при вдыхании воздуха с концентрацией СО более 2,5 мг/л в течение 1 ч.

Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления в цилиндрах двигателя. Повышение максимальной температуры рабочего цикла и избыток кислорода – основные факторы, способствующие образованию оксидов азота. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их воздухом оксид азота превращается в диоксид.

Оксид азота NO – бесцветный газ, диоксид азота NO2 – газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие диоксида азота способствует развитию заболеваний легких. Симптомы отравления проявляются через шесть часов в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.

Причиной образования углеводородов СН является неоднородность состава горючей смеси в камере сгорания двигателя, а также неравномерность температуры и давления в различных ее частях. В некоторых зонах сгорания топливо практически не сгорает, так как происходит обрыв цепной реакции окисления углеводородов. В низко нависших над асфальтом облаках СН и NO под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона. Озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов (СН) – они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги. Образуется стойкое облако мутного смога.

Некоторые углеводороды СН являются канцерогенными веществами (бензопирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NО участвуют в формировании кислотных дождей. В отработавших газах дизельного двигателя обнаружено канцерогенное вещество диоксин (циклический эфир), представляющий собой бесцветную горючую жидкость. Диоксины и близкие им соединения во много раз токсичнее таких ядов, как кураре и цианистый калий.

В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером 1–5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2–20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает поражения органов пищеварения, центральной и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.

О проблеме загазованности крупных городов впервые заговорили в США, где эта проблема встала после второй мировой войны связи с высокой степенью автомобилизации. В конце 1960 гг., когда мегаполисы Америки и Японии стали задыхаться от смога, законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации. В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствие с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН – на 87%, СО – на 82% и NО – на 24%. Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.

Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но добиться существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств невозможно. И в начале 1970 гг. появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов, двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента – СО и СН. Происходившие реакции представляли из себя окисление (дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа и воды.

Принципиально конструкция нейтрализаторов с течением времени не менялась и представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение. Химикам известно множество катализаторов – медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась платина. Ею, в чистом виде или с добавлением палладия, стали покрывать керамические соты нейтрализаторов.

Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность керамических сот наносится подложка толщиной 20–60 микрон с развитым микрорельефом. Под давлением ужесточения законодательства прогресс пошел дальше. Применение каталитических нейтрализаторов (КН) потянуло за собой распространение бессвинцовых бензинов, поскольку содержащийся в обычном этилированном бензине тетраэтилсвинец (ТЭС) «отравлял» платину, сводя на нет ее каталитическое действие. Автопроизводители стали переводить двигатели на неэтилированный бензин, а нефтяные кампании – увеличивать долю его выпуска. На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода – это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

С окислами азота NO ним боролись понижая температуру сгорания горючей смеси – оснащали двигатели устройствами рециркуляции отработавших газов в камере сгорания (EGR). Позднее появились трехкомпонентные системы, каталитический слой которых, как правило, содержит не только платину и палладий, но и добавку редкоземельного элемента родия. В результате химических реакций на поверхности разогретого до 600–800°C катализатора вредные компоненты СО, СН, NО превращаются в воду, углекислый газ и азот.

Носителем в нейтрализаторе служит керамика – монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка. Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами – до 20 тысяч кв. м. Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой площади, составляет всего 2–3 грамма. Керамика выдерживает температуру до 800–850°C. Но при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может оплавиться – тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя. Особенно проблематично использование керамических каталитических нейтрализаторов с карбюраторными двигателями.

В качестве носителей каталитического слоя используются и тончайшие металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и расширить температурный диапазон до 1000–1050°C. C появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, возросли требования к каталитическим нейтрализаторам – они должны выдерживать жесткие условия, с которыми керамика не справляется.

Основную массу токсичных соединений современные двигатели выбрасывают сразу после холодного старта. Поэтому нейтрализатор стараются разместить ближе к выпускному коллектору, где он быстрее выходит на рабочий температурный режим. Появились нейтрализаторы с металлическими электрообогреваемыми сотами, которые сразу после поворота ключа в замке зажигания раскаляются при пропускании сильных токов в сотни ампер. Широкое использование нейтрализаторов стимулировало рост рынка благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет на нужды автомобильной промышленности.

Помимо нейтрализатора, на многих японских и американских двигателях устанавливают термические реакторы. Такие устройства позволяют при подмешивании к отработавшим газам воздуха доокислить СО и СН, снижая их концентрацию за счет реакции с кислородом воздуха при температуре свыше 500°C. Реакторы эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН, поэтому применяются как дополнительные устройства перед нейтрализатором. Кроме того, часто применяют и рециркуляцию отработавших газов с целью снижения выбросов окислов азота. Рециркуляция предполагает отбор выхлопных газов в количестве до 10–12% и подачу их на вход двигателя на режимах средних и полных нагрузок.

Для эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора нужно выдерживать состав горючей смеси в диапазоне так называемого стехиометрического отношения воздух / топливо, значение которого лежит в узких пределах 14.5–14.7. Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее – окислов азота. Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно управляя смесеобразованием, получая информацию о процессе сгорания, через организацию обратной связи. Для этого в выпускной коллектор поместили кислородный датчик – так называемый лямбда-зонд.

Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. По результатам анализа, которым занимается электроника, можно корректировать состав смеси в ту или иную сторону. В качестве кислородного датчика в подавляющем большинстве систем топливодозирования используется датчик на основе двуокиси циркония. Чувствительным элементом лямбда-зонда является колпачок, сделанный из керамической двуокиси циркония.

Внутренняя и внешняя поверхности колпачка покрыты платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом. Принцип работы лямбда-зонда состоит в генерировании электродвижущей силы (э.д.с.), величина которой определяется соотношением парциальных давлений (содержанием свободного кислорода в отработавших газах и в окружающем воздухе). Особенностью «циркониевого» датчика является то, что при незначительных изменениях состава смеси э.д.с. на выходе скачком изменяется от нескольких милливольт до почти одного вольта. Такая характеристика датчика определяет алгоритм работы всей системы автоматического регулирования. Датчик работает в диапазоне температур 350–900°C. Для расширения диапазона применяют датчики с электронным подогревом.

Упрощенный алгоритм работы системы коррекции модно представить в следующем виде: обогащенная смесь – сгорание – увеличение сигнала зонда – уменьшение расчетной длительности впрыска – впрыск – обедненная смесь – сгорание – уменьшение сигнала зонда – увеличение расчетной длительности впрыска – впрыск. Весь цикл непрерывно повторяется, состав смеси в системе с контуром обратной связи непрерывно изменяется.

В режиме замкнутого контура система работает только после достижения двигателем определенной температуры и прогрева кислородного датчика. Исключения составляют следующие режимы: режим максимальной мощности, режим торможения двигателем, режим ускорения, режим прогрева. На этих режимах сигнал кислородного датчика не учитывается. Введение контура коррекции проще всего реализуется в электронных системах впрыска дискретного действия. В таких системах происходит непрерывная коррекция длительности импульсов управления форсунками в соответствии с сигналами, поступающими от кислородного датчика.

В системах непрерывного действия, имеющих электронный блок управления, точная коррекция состава смеси также не вызывает затруднений и осуществляется посредством циклического изменения в небольших пределах тока, подаваемого блоком в обмотки электрогидравлического регулятора.

Наиболее сложным с точки зрения количества дополнительных конструктивных изменений в этом плане являются системы К-Джетроник и карбюраторы. В системе К-Джетроник точная коррекция состава смеси осуществляется посредством изменения давления в нижних камерах дозатора-распределителя. Такие системы (условное название К-лямбда) в достаточной степени отличаются от базовой версии. Давление топлива в нижних камерах системы К-лямбда не равно системному и может регулироваться благодаря перепуску топлива обратно в топливный бак через так называемый частотный клапан. Для управления этим клапаном используется сигнал изменяемой скважности, вырабатываемый специально вводимым в эту систему электронным блоком (скважность – отношение времени действия сигнала к времени периода повторения). Подобный принцип используется в карбюраторах с электронным управлением.

Развитием систем коррекции являются адаптивные системы с возможностью «самообучения» в процессе эксплуатации. Суть работы таких систем заключается в том, что по мере изменения характеристик различных систем и компонентов двигателя в процессе эксплуатации (например, загрязнение форсунок, уменьшение компрессии, подсос воздуха) в специальной области памяти блока управления накапливаются «поправочные коэффициенты», используемые процессором при расчете длительности времени впрыска на различных установившихся режимах. Это позволяет поддерживать стехиометрический состав смеси даже при значительных отклонениях в состоянии системы. Если обычные системы с регулированием обладают возможностью коррекции количества впрыскиваемого топлива в пределах 10–15% от базового расчетного значения, то адаптивные системы способны обеспечить диапазон до 40–50%.

Борьба с выхлопами дизеля.

Дизельный выхлоп в первую очередь необходимо очищать от окислов азота, диоксида серы и сажи. Токсичные компоненты составляют 0,2–5,0% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы. Сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бензопирен. Сравнительно низкий уровень СО, СН и окислов азота в отработавших газах дизеля не требовал в прошлом установки специальных устройств для снижения токсичности. Однако ужесточение норм токсичности коснулось и дизелей – на многих моделях автомобилей с дизельными двигателями появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию отработавших газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр. Такие фильтры через определенное время подвергаются регенерацией кислородом. Во время такой регенерации увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу, а также возрастает тепловая напряженность двигателя.

В разработанной «Фольксвагеном» системе нейтрализации дизельного выхлопа регенерация происходит благодаря использованию диоксида азота, который содержится в катализаторе окисления. Катализатор окисления, расположенный рядом с двигателем, очищает отработавшие газы от СО и СН. В это время во втором катализаторе интенсивно образуется двуокись азота, необходимый для окисления твердых частиц. Для снижения в отработанных газах окислов азота использован накопительный катализатор окислов азота. Этот катализатор имеет специальное покрытие, которое позволяет ему как губке впитывать в себя поступающие из двигателя окислы азота. Через определенные промежутки времени необходимо очищать катализатор богатой горючей смесью.

Система очистки отработавших газов дизелей, созданная «Пежо», включает в себя блок управления работой двигателя, датчики давления, систему дозировки специальной присадки к топливу, систему питания Common rail и фильтр, который очищает от сажи и выполняет функцию катализатора. В качестве фильтрующего материала фильтра-катализатора используется карбид кремния, который имеет пористую структуру, где и накапливаются частицы сажи. Очистка фильтра осуществляется путем подачи топлива в цилиндры с запозданием, чем обеспечивается повышение температуры отработавших газов. Для снижения температуры регенерации фильтра применяется специальная присадка, подмешиваемая к топливу. Очистка фильтра происходит по команде блока управления двигателем после каждых 400–500 км пробега. Необходимость очистки фильтра определяется блоком управления на основании показаний двух датчиков давления на входе и выходе фильтра.

Таким образом, современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров. Их ресурс ограничен, а стоимость высока из-за использования катализаторов на основе благородных металлов. Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов – использование низкотемпературной плазмы, которая состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный), а также из нейтральных атомов и молекул.

Отработавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реакторе к этим газам «подмешивают» масло. Под действием электрического разряда в трубках разрядного устройства частички сажи активно адсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает циркулировать по замкнутому контуру. В результате удается обеспечить высокую эффективность поглощения частичек сажи – до 100% во всем диапазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших газов можно направить во впускной коллектор (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе. К промышленному выпуску плазмохимических реакторов можно будет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электропитание реактора. В опытных системах они достигают 4–5% и более от мощности дизеля.

Список литературы

1. 
   Бояринова, С. Мониторинг среды обитания [Электронный ресурс] : учебное пособие / С. Бояринова. – Железногорск : ФГБОУ ВО СПСА ГПС МЧС России, 2017. - 21.
   
2. 
   Гурова Е.Ю., Маканникова М.В. Системы защиты среды обитания: сборник учебно-методических материалов для направления подготовки 20.03.01. - Благовещенск: Изд-во Амур. гос. ун-та, 2017. – 30 с.
   
3. 
   Зубрева Н.П. Теория и практика защиты окружающей среды ; под ред. проф. Н.И. Зубрева. М.; Желдориздат, 2004. 392 с
   
4. 
   Лапин В.Л., Мартинсен А.Г., Попов В.М. Основы экологических знаний инженера. – М.: Экология, 1996.
   
5. 
   Луканин В. Н» Трофименко Ю.В. Экологически чистая автомобильная энергоустановка: понятие и количественная оценка // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Автомобильный и городской транспорт. – 1994. Т. 18.
   
6. 
   Небел Б. Наука об окружающей среде: как устроен мир.: В 2 т. – М.: Мир, 1993.
   
7. 
   Медоуз Д. X., МедоузД. Л., Рандерс Й. За пределами роста. – М.: Прогресс, 1994.
   
8. 
   Серов Г.П. Экологическая безопасность населения и территорий Российской Федерации (Правовые основы, экологическое страхование и экологический аудит). – М.: Издательский центр Аккил, 1998.
   
9. 
   Системы защиты среды обитания : учебное пособие : в 2 томах / Д. А. Кривошеин. — Том 1. — Москва : Академия, 2014. — 350 с.
   
10. 
    Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. – М.: Мысль, 1990.