Методи знешкодження відпрацьованих газів

Нейтралізатор – це невеликий прилад, призначений для спалювання токсичних відпрацьованих газів шляхом допалювання продуктів неповного згорання (СО, СН, SО) і розкладання окислів азоту на складові елементи – азот і кисень. Відомі рідинні, каталітичні, термічні та комбіновані нейтралізатори.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів ґрунтується на розчиненні або хімічній взаємодії токсичних компонентів відпрацьованих газів при пропусканні їх через рідину певного складу: воду, водний розчин сульфіту натрію, водний розчин двовуглекислої соди.

На рис. 8.1 наведена схема рідинного нейтралізатора, яка застосо-вується з двотактним дизельним двигуном. Відпрацьовані гази надходять в нейтралізатор трубою 1 і через колектор 2 потрапляють в бак 3, де всту-пають в реакцію з робочою рідиною. Очищені гази проходять через фільтр 4, сепаратор 5 і викидаються в атмосферу. При випаровуванні рідину доливають в робочийбак здодаткового бака 6.

Рисунок 8.1 – Схема рідинного нейтралізатора:

1 – впускна труба; 2 – колектор; 3 – робочий бак з рідиною;

4 – фільтр; 5 – сепаратор; 6 – додатковий бак

Пропускання відпрацьованих газів через воду приводить до зменшення запаху, альдегіди поглинаються з ефективністю до 5%, а ефективність очищення від сажі досягає 60…80%. При цьому трохи зменшується вміст бензапірену у відпрацьованих газах. Температура газів після рідинного очищення складає 40...80°С, приблизно до цієї жтемпе-ратури нагрівається і робоча рідина. При зниженні температури процес очищення протікає інтенсивніше.

Рідинні нейтралізатори не потребують часу для виходу на робочий режим після пуску холодного двигуна. Недоліки рідинних нейтралізаторів:

- велика маса і габарити;

- необхідність частої заміни робочого розчину;

- неефективність відносно СО;

- мала ефективність (50%)відносно NO₂;

- інтенсивне випаровування рідини.

Проте використання рідинних нейтралізаторів в комбінованих системах очищення може бутираціональним, особливо дляустановок, відпрацьовані газияких повинні мати низьку температуру при надход-женні в атмосферу.

При розрахунку рідинного нейтралізатора визначають його основні розміри і необхідну кількість розчину для роботи протягом певного часу. Нейтралізатор, який застосовується для дизельних автосамоскидів МАЗ, – це металева стальна конструкція прямокутної форми висотою 530 мм, шириною 608 мм з вмістом у робочому баку 55 л розчину.

Середні значення концентрацій шкідливих компонентів відпрацьованих газів до і після рідинного нейтралізатора, одержані на самоскиді МАЗ-5335, наведені в табл. 8.1.

Таблиця 8.1 – Ефективність очищення газів рідинними нейтралізаторами

Каталітична нейтралізація відпрацьованих газів ДВЗ на поверхні твердого каталізатора відбувається за рахунок хімічних перетворень (реакції окислення або відновлення), внаслідок яких утворюються нешкідливі або малошкідливі для навколишнього середовища і здоров’я людини сполуки.

Каталізатори на основі благородних металів (платина, паладій, рутеній, радій тощо) найбільш широко використовують для очищення відпрацьованих газів ДВЗ. Ці каталізатори характеризуються хорошою селективністю в реакціях нейтралізації токсичних компонентів, низькими температурами початку ефективної роботи, достатньою температуростійкістю, довговічністю і здатністю стійко працювати при високих швидкостях газового потоку. Основний недолік каталізаторів цього типу – їх висока вартість.

Для нейтралізації відпрацьованих газів NO_x, CO і C_nH_m застосовують двоступеневий каталітичний нейтралізатор (рис. 8.2).

Відпрацьовані гази надходять до відновлюваного каталізатора 3, на якому нейтралізація окислів азоту відбувається за реакцією (для ДВЗ з іскровим запалюванням NO_x на 99% складається з NO)

;

.

Для забезпеченнявідновлювального середовища передпершимступенем нейтралізатора двигун повинен бути відрегульованим для роботи з α (кутом випередження запалювання суміші), близькимдо стехіометричного. При α > 1,05 активність каталізатора різко зменшується (середовище стає окислювальним).

Після відновлювального каталізатора до відпрацьованих газів для створення окислювального середовища підводиться через патрубок 4 вторинне повітря. На окислювальному каталізаторі відбувається нейтра-лізація продуктів неповного згоранняСО іC_nH_m. Основними процесами є окислення окису вуглецюівуглеводнів:

;

.

Рисунок 8.2 – Схема двокамерного каталітичного нейтралізатора:

1 – впускний патрубок; 2 – корпус; 3 – каталізатор нейтралізації окислів азоту; 4 – патрубок для додаткового повітря; 5 – каталізатор окислення CO і C_nH_m; 6 – випускний патрубок

Результати випробувань автомобіля з двоступеневим каталітичним нейтралізатором (в 1-му ступені – мідно-нікелевий сплав, у 2-му – платина) наведені в табл. 8.2.

Каталітичнінейтралізатори конструктивно складаються з вхідного і вихідногопристроїв,корпусуі вміщеногов ньому реактора.

Таблиця 8.2 – Ефективність роботи каталітичного двокамерного нейтралізатора

Розробленікаталітичнінейтралізатори(рис. 8.З) для відпрацьованих газів ДВЗ транспортнихзасобів з бензиновими і дизельними двигунами. Каталітичні нейтралізаторизнижують у відпрацьованих газах (ВГ) вміст СО на 70...90%,C_nH_m – на 50...85%. ОсновніпараметрикаталітичнихнейтралізаторівдляавтобусаЛІАЗ-5256 такі: об’ємреактора2,5 дм³; довжина 553 мм; ширина307 мм; висота 243 мм; маса15 кг.

Рисунок 8.3 – Каталітичний нейтралізатор для бензинового ДВЗ:

1 – вхідний патрубок; 2 – реактор; 3 – корпус; 4 – вихідний патрубок

Схема встановлення каталітичного нейтралізатора в системі ДВЗ наведена на рис. 8.4. Відпрацьовані гази від двигуна 1 надходять випускною трубою 2 до каталітичного нейтралізатора 3, після чого викидаються в атмосферу. Для підтримання необхідної температури газів унейтралізаторі використовується електронний блок 4, який регулюєклапаном 5 подання повітря через ресивер6 ізворотнийклапан7 з атмосфери внейтралізатор.

Рисунок 8.4 – Схема встановлення каталітичного нейтралізатора:

1 – двигун; 2 – випускна труба; 3 – каталітичний нейтралізатор; 4 – елек-тронний блок; 5 – регулювальний клапан; 6 – ресивер; 7 – зворотний клапан

Рисунок 8.5 – Схема термічного реактора:

1 – жарова труба; 2 – повітряний прошарок; 3 – шар азбесту;

4 – трубопровід для повітря

Термічні нейтралізатори, встановлені за випускним трубопроводом, здійснюють полум’яне допалювання окису вуглецю СО і перетворення його у вуглекислий газ СО₂, а також спалювання неспалених в циліндрі вуглеводнів і альдегідів. Для інтенсифікації допалювання в камеру термореактора подається додаткове повітря. Реакція окислення проходить при температурі 500...600°С і зменшує наявність вуглеводнів приблизно в 2 рази, а окису вуглецю – в 2...3 рази.

На нових автомобілях термореактори розміщують у випускній системі двигуна з відповідними змінами в цій частині конструкції двигуна для нейтралізації картерних газів.

Схема термічного реактора наведена на рис. 8.5. Це – жарова труба 1, в якій забезпечується збільшення часу перебування відпрацьованих газів шляхом неодноразової зміни їх руху. Ця труба повітряним прошарком 2 і шаром кераміки чи азбесту 3 ізольована від корпусу. Перед тим, як відпрацьовані гази надходять в термічний реактор, до них в певному співвідношенні підмішується повітря через трубопровід 4.

Внаслідок хорошої теплоізоляції, а також виділення тепла в деяких режимах при окисленні СО і C_nH_m в жаровій трубі підтримується темпе-ратура, яка забезпечує ефективне окислення продуктів неповного згорання.

Одна з різновидностей термічних реакторів – полум’яні доспалювачі, в яких підтримується горіння шляхом подання палива і повітря. При попа-данні відпрацьованих газів в такі доспалювачі відбувається допалювання продуктів неповного згорання у факелі полум’я.

На бензинових двигунах – перспективні термічні реактори, які пра- цюють на сильно збіднених паливно-повітряних сумішах. В цьому випадку виключається необхідність подання додаткового повітря. Ефективним при цьому є використання також комбінованих нейтралізаторів термічного і каталітичного, при яких забезпечується зниження всіх основних шкідливих речовин бензинових двигунів.

Для вловлювання сажі у відпрацьованих газах дизельних двигунів застосовується декілька конструкцій пристроїв, які використовують як принцип електростатичного очищення, так і метод фільтрації.

Одним з кращих конструктивних рішень вважається установка фільтрів регенеративного типу. Фільтр (рис. 8.6, а) – це сотова конструкція з вічками прямокутного перерізу.

Матеріал фільтра – пористий кордієрит – має достатню міцність, стійкість до агресивних хімічних речовин, опір до оплавлення і утворення тріщин при теплових впливах, а також термічну стабільність. Фільтр (рис. 8.6, б), виконаний у вигляді декількох послідовнорозташованих пористих перегородок, має високу ефективність очищення.

Накопичені у фільтрі частинки необхідно видаляти переважно термічним окисленням. Для цього відхідні гази нагрівають до 460°С ібільше, що приводить до загорання накопиченої сажі.

Дані, одержані при проведенні експерименту з дизелем робочим об’ємом 2,3 л, для визначення концентрації основних домішок у відпрацьованих газах дизеля наведені в табл. 8.3.

Рисунок 8.6 – Схеми фільтрів-сажовловлювачів з сотовою (а) і багатошаровою(б) насадками

Таблиця 8.3 – Ефективність очищення газів керамічним фільтром

Сажовловлювачі дизельних ДВЗ повинні забезпечувати ресурс 10000 км і більше при незначному збільшенні гідравлічного опору, що забезпечується періодичною (приблизно через 100 км пробігу) регенерацією фільтроелементу. Конструктивно фільтроелементи виконують у вигляді багатоканальних моноблоків, об’ємно-дротяних елементів або у вигляді намотаних на перфоровану трубу склокерамічних ниток, які допускають регенерацію при 600°С.

Для попередження викидів парів бензину з паливної системи, основна частина яких надходить в атмосферу, коли двигун не працює, на автомобілях установлюють систему знезаражування випаровувань палива з карбюратора і паливного бака, яка складається з трьох основних вузлів (рис. 8.7):

- герметичного паливного бака 1 зі спеціальною ємністю 3 для компенсації теплового розширення палива;

- кришки 2 паливно-заправної горловини бака з двостороннім запобіжним клапаном для запобігання надлишкового тиску чи розрідження в баку;

- адсорбера 6 для поглинання парів палива при вимкнутому двигуні з системою повернення 5 парів у впускний тракт двигуна під час його роботи. Як адсорбер використовують активоване вугілля.

Рисунок 8.7 – Схема вловлювання парів палива бензинового ДВЗ:

1 – паливний бак; 2 – кришка паливно-заправної горловини;

3 – компенсувальна ємність; 4 – карбюратор; 5 – поворотний клапан;

6 – адсорбер