Концепция комплексной системы очистки вредных выбросов тепловозных дизелей

Свечников А.А., Носырев Д.Я.

ФГБОУ ВПО Самарский государственный университет путей сообщения, Россия

Концепция комплексной системы очистки вредных выбросов тепловозных дизелей

В настоящее время для снижения токсичности отработавших газов дизелей теоретически разрабатываются и практически используются различные методы и схемы их реализации. [1, 2, 3] Исследование различных методов снижения токсичности отработавших газов и практика их применения свидетельствует о том, что удовлетворение современных жестких требований, предъявляемых к экологическим показателям дизелей, возможно только при реализации целого комплекса мероприятий по снижению эмиссии токсичных компонентов. Для решения проблем экологической безопасности тепловозных дизелей была разработана концепция комплексной системы очистки вредных выбросов тепловозных дизелей. [4, 5] Рассмотрим работу данной концепции на примере выхлопных газов дизеля, предлагаемого состава. (См. таблицу 1).

Таблица 1

Критические параметры токсичных газовых компонентов в составе отработавших газов

Наименование газа	Критическое давление, МПа	Критическая температура, ºС	Плотность при критическом давлении и температуре, кг/м^-1
Метан СН₄	4,64	-82,5	162
Этан С₂Н₆	4,86	32,1	200
Пропан С₃Н₈	4,07	96,8	226
Бутан С₄Н₁₀	3,55	152,1	228
Пентан С₅Н₁₂	3,3	197,2	232
Водяной пар Н₂О	22,11	374,1	324
Оксид углерода СО	3,5	-140,2	301
Диоксид углерода СО₂	7,38	31,1	468
Закись азота N₂O	7,255	36,43	453
Монооксид азота NO	6,54	-93	520
Диоксид азота NО₂	10,1	158	560
Сернистый ангидрид SO₂	8,04	157,5	524

Для каждого газа существует определенные значения температуры и давления, при которых он может быть обращен в жидкость. Температура, при повышении которой газ не может быть обращен в жидкость при сколь угодно большом давлении называется критической Ткр. Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре Ткр, называется критическим давлением Ркр. Критические параметры токсичных газовых компонентов в составе отработавших газов представлены в таблице 1. [6]

При реализации данной концепции системы очистки газообразные продукты сгорания предварительно охлаждают. Охлажденный газ пропускают, например, через уловитель мелкодисперсных частиц сажи и аэрозолей, в результате чего происходит очистка отработавших газов от твердых частиц. [7, 8] Затем каждый компонент газообразных продуктов сгорания сжижают по средством охлаждения и сжатия путем доведения его температуры, давления и удельного объема до значений меньше критических Tкр, Ркр, Vкр, каждую образованную жидкость отводят от продуктов сгорания отдельно, причем сжижение компонентов газообразных продуктов сгорания производят поочередно, начиная с компонента, имеющего наибольшее значение критической температуры Ткр. Последовательность сжижения вредных компонентов продуктов сгорания будет выглядеть следующим образом:

Водяной пар Н₂О (374,1 ºС) → пентан С₅Н₁₂ (197,2 ºС) → диоксид азота NO₂ (158 ºС) → сернистый ангидрид SO₂ (157,5 ºС) → бутан С₄Н₁₀ (152,1 ºС) → пропан С₃Н₈ (96,8 ºС) → закись азота N₂O (36,43 ºС) → этан С₂Н₆ (32,1 ºС) → диоксид углерода СО₂ (31,1 ºС) → метан СН₄ (-82,5 ºС) → монооксид азота NO (-93 ºС)→ оксид углерода СО (-140,2 ºС).

Температура выхлопных газов тепловозного дизеля на выходе составляет порядка 300-500 ºС. Первым отделяют водяной пар Н₂О. Охлаждают продукты сгорания до температуры ниже критической Ткр=374,1 ºС и производят сжатие. Поднимают давление до величины, требуемой для сжижения водяного пара. Сжиженный водяной пар отводят от остальных продуктов сгорания в отдельную емкость. Производят охлаждение газов до температуры меньше 197,2 ºС и сжатие, в результате чего пентан С₅Н₁₂ переходит в жидкое состояние. Эта жидкость отводится от остальных продуктов сгорания. Производят дальнейшее охлаждение газов до температуры меньше 158 ºС и сжатие. При этой температуре диоксид азота NO₂ превращается в жидкость. Отводят жидкий диоксид азота от газообразных продуктов сгорания. Придерживаясь подобного принципа, сжижаются и отводятся все остальные вредные компоненты продуктов сгорания. Отвод каждого конкретного компонента, находящегося в жидком состоянии, производится в отдельную, для каждого свою емкость. После удаления всех вредных компонентов из продуктов сгорания очищенный газ выпускается в атмосферу.

Как видно из таблицы 1 метан СН₄, монооксид азота NO и оксид углерода СО имеют наиболее низкие значения критических температур. Поэтому целесообразно проводить дожигание продуктов сгорания при избыточном кислороде, которое позволит окислить эти компоненты до компонентов более благоприятных для сжижения. Окисление проходит по следующим реакциям:

1. СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О

2. 2NO + O₂ → 2NO₂

3. CO + O₂ → CO₂

Таким образом, не потребуется охлаждения газовых выбросов до минусовых температур. В этом случае охлаждение продуктов сгорания целесообразно и дешево проводить водой. Сжижение газов можно производить либо в системе теплообменников за счет охлаждения водой, либо в турбодетандере за счет произведения газом механической работы на турбине.

Чем ниже температура компонента газа, тем меньшее давление потребуется для превращения газа в жидкость. После поочередного сжижения и сбора вредных компонентов продуктов сгорания их утилизируют. Собранные жидкие компоненты можно использовать в производственных целях. Для более качественной очистки газообразных продуктов сгорания охлаждение можно проводить до температур кристаллизации газов. На основе данной концепции очистки можно использовать разные комбинации методов очистки вредных выбросов тепловозных дизелей.

Предлагаемая система очистки вредных выбросов тепловозных дизелей позволит достигнуть устранения до 99,8% всех вредных веществ и обеспечить экологическую безопасность работы двигателей внутреннего сгорания тепловозов.

Литература

1. Экологическая безопасность тепловозных дизелей в эксплуатации: Учебное пособие/ Носырев Д.Я., Сковородников Е.И., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. – Самара: СамГАПС, 2004. – 139с.

2. Малов Р.В. Проблема уменьшения выброса вредных веществ тепловозами // Железнодорожный транспорт. -1982. - №5. – С. 39-41.

3. Гиевой С.А. Снижение вредных выбросов при эксплуатации автотракторных дизелей путем применения сажевого фильтра: Дис… канд. техн. наук. – Саратов, 2003, 184 с.

4. Приоритетная справка на выдачу патента № 2011117994 от 04.05.2011 Носырев Д.Я., Плетнев А.И., Свечников А.А., «Способ очистки газообразных продуктов сгорания»;

5. Приоритетная справка на выдачу патента № 2011125871 от 23.06.2011 Носырев Д.Я., Свечников А.А., «Способ комплексной очистки газообразных продуктов сгорания»

6. Теория горения и взрыва: Учебно-методическое пособие/ Катин В.Д. – Москва, 2005. – 183с.

7. Носырев Д.Я., Плетнев А.И., Свечников А.А. Устройство для пылеулавливания// Патент на полезную модель № 106557 по кл. B01D45/18 от 14.02.2011. Опубликовано: 20.07.2011. Бюл. №20.

8. Свечников А.А., Носырев Д.Я. Устройство для пылеулавливания // Материалы докладов конкурса УМНИК / НП РЦИТТ. – 2011. – С. 127 – 128.