Технические науки/4. Транспорт

Д.т.н. М.К. Ибатов, Пак И.А., Шегай-Н. Е.Р., Аскаров Б.Ш., Абатова А.Н.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Пути обеспечения экологической безопасности

автотранспорта

Одним из важных направлений повышения экологической безопасности карьерных автотранспортных средств является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов в системе их выпуска. К известным способам очистки токсичных компонентов отработавших газов можно отнести жидкостную, термическую и каталитическую системы нейтрализации, каждая из которых имеет свои недостатки и преимущества. Определяющую роль в выборе способа очистки играет конкретное рассмотрение всей совокупности условий и технико-экономический расчет.

Жидкостные нейтрализаторы не могут получить широкого распространения на автомобильном транспорте, так как они не чувствительны к нейтрализации окиси углерода, который является одним из самых токсичных компонентов отработавших газов, вызывающим головную боль и тошноту при содержании в воздухе, а при больших концентрациях - наступает смертельный исход. Кроме того, такие недостатки жидкостных нейтрализаторов, как большие вес и габаритные размеры, дороговизна химических реагентов, сложность в обслуживании, затруднения при отрицательных температурах из-за возможности замерзания раствора и другие, не позволяют применить этот способ нейтрализации для большегрузных дизельных автосамосвалов.

Особо необходимо остановиться на окислительных методах нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов, т.е. на способах термической и каталитической нейтрализации. В Карагандинском государственном техническом университете на протяжении целого ряда лет проводились исследования по совершенствованию этих методов, разработке и промышленному внедрению экспериментальных образцов нейтрализаторов.

Термическая нейтрализация является одним из перспективных путей снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей большегрузных карьерных автосамосвалов. Все токсичные компоненты выхлопа дизельных двигателей по сути являются продуктами неполного сгорания топлива и представляют собой вещества (окись углерода, альдегиды, углеводороды и др.), способные окисляться, исключая окислы азота, до и при высокой температуре и наличии свободного кислорода в газовой смеси. Кроме того, в термических системах нейтрализации отсутствуют дополнительные затраты на дорогостоящий катализатор.

Основное содержание рабочего процесса в термическом нейтрализаторе в конечном счете сводится к проведению химической реакции окисления обезвреживаемого компонента кислородом с образованием нетоксичных или менее токсичных продуктов. Конструктивные параметры и режимные характеристики термических нейтрализаторов должны обеспечить достаточно полное завершение этой реакции и в тоже время отвечать условиям технико-экономической целесообразности.

Основными недостатками термических нейтрализаторов являются: нечувствительность к окислам азота; наряду с обезвреживанием отработавших газов термические нейтрализаторы за счет наличия дополнительного очага пламени обычно генерируют новые токсичные компоненты; дополнительный расход топлива; высокие температурные условия работы деталей и узлов термического нейтрализатора предопределяют более жесткие требования к материалам, из которых они изготовлены; относительно сложная конструкция и большие габаритные размеры нейтрализаторов.

Поскольку метод термического дожигания основан на способности горючих компонентов отработавших газов окисляться при определенной температуре и наличии свободного кислорода в газовой смеси, возникает вопрос какова минимальная граница концентрации кислорода в выхлопе, достаточная для осуществления реакции окисления продуктов неполного сгорания топлива.

В связи с этим, нами были выполнены расчеты, которые показывают, что полное и достаточное количество кислорода, необходимое для реакции сгорания окиси углерода составляет 66,53 кг/ч. Такое количество кислорода составляет около 2% объема отработавших газов. Результаты, проведенных нами промышленных испытаний карьерных автосамосвалов семейства БелАЗ показывают, что концентрация кислорода в выхлопе на режиме максимальной нагрузки составляет от 10,0 до 13,8% по объему. Таким образом, содержание кислорода в выхлопе дизельного двигателя карьерного автосамосвала БелАЗ-549 на всех режимах его работы (так как режиму максимальной нагрузки соответствует минимальное содержание кислорода) вполне удовлетворяет потребностям реакции окисления продуктов неполного сгорания, осуществляемых в термическом нейтрализаторе.

Скорость химических реакций, в том числе реакций окисления и восстановления, имеющих место при нейтрализации отработавших газов, можно увеличить в несколько десятков и даже сотен раз, если вести их в присутствии катализатора - вещества, вступающего в реакцию с исходным продуктом и образующего с ним промежуточные соединения, распадающиеся с выходом конечных продуктов и катализатора. Таким образом, хотя цепь реакций и идет через катализатор, но сам он при этом не расходуется. Этот принцип лежит в основе работы всех каталитических нейтрализаторов.

Отработавшие газы пропускают через нейтрализатор, заполненный катализатором. Продукты неполного сгорания топлива в присутствии катализатора быстро окисляются до конечных окислов. Окислы азота могут на специальных катализаторах восстанавливаться до азота и кислорода. Но эффективная работа этих нейтрализаторов начинается с температуры отработавших газов около 300⁰С и выше, т.е. необходимо время подогрева нейтрализатора прежде чем он начнет обезвреживать токсичные компоненты.

Кроме того, в КарГТУ на основании проведенных исследований была разработана эффективная система каталитической нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов для унифицированного ряда дизельных двигателей мощностью от 130 до 360 кВт. Такая система может быть использована в указанном диапазоне мощностей для любого дизельного двигателя без изменения конструктивных элементов. При этом с ростом мощности двигателей необходимо лишь наращивать ступени нейтрализаторов.

Анализ проведенных лабораторно-стендовых и промышленных испытаний показывает, что разработанная система каталитической нейтрализации при достаточно высокой эффективности снижения токсичности отработавших газов (по окиси углерода до 98%) обладает высокой надежностью в эксплуатации. Кроме того, низкое аэродинамическое сопротивление нейтрализатора за счет высоко развитой поверхности катализатора и его подвижности в слое снижает опасность закоксовывания каталитической массы продуктами выхлопа и тем самым исключается опасность возникновения потерь мощности двигателем, что в условиях промышленной эксплуатации дизельных большегрузных автотранспортных средств, работающих на транспортировке горной массы на крутых уклонах, может привести к опасным последствиям.

Таким образом, проблема обеспечения экологической безопасности автотранспорта требует ускоренного развития теоретических основ и практических рекомендаций по совершенствованию систем нейтрализации отработавших газов. При этом, выбор системы нейтрализации для каждого конкретного случая должен решаться на основе всестороннего технико-экономического анализа.