
О нас \| История и Успехи \| Миссия \| Манифест
Сети МСоЭС

  Члены МСоЭС
  Как стать
  членом МСоЭС
Дела МСоЭС

  Программы МСоЭС
  Проекты и кампании
   членов МСоЭС

СоЭС-издат

  Новости МСоЭС
  "Экосводка"
  Газета "Берегиня"
  Журнал Вести СоЭС
  Библиотека
  Периодика МСоЭС
Предыдущий выпуск | Архив | Следующий выпуск
*******************************************************************
*  П Р О Б Л Е М Ы  Х И М И Ч Е С К О Й  Б Е З О П А С Н О С Т И  *
*******************************************************************
****       Х И М И Я *  И *  Ж И З Н Ь              ***************
*******************************************************************
**                      Сообщение UCS-INFO.858, 12 апреля 2002 г. *
*******************************************************************
                                      К Дню химической безопасности
                                                          28 апреля

                  АВТОМОБИЛЬ: БЛАГО ИЛИ ЗЛО?

    Никогда еще человечество не обладало столь мощными средствами
насилия над природой и не было столь беззащитно перед последствиями
своих деяний.
    Автомобиль - благо или зло? Жизнь человека индустриальной эпохи уже
невозможно представить без этого детища цивилизации. С автомобилем время и
расстояния переходят в иное качественное состояние. Но как говорится, если
где-то выигрываешь, смотри в чем проиграешь. Количество блага
уравновешивается количеством вреда. Скорость жизни за счет ее сокращения
(не безобидны для здоровья продукты автомобильной отработки). Хочется до
предела сократить время пути к достижению "автомобильного рая", то есть
сделать наших железных "мустангов" максимально экологичными. А для этого
необходимо немало творчески поработать, чтобы технически обеспечить
выполнение "не мягких" существующих законодательных норм и более жестких
норм будущего.
    Разработка принципиально нового экологически чистого и одновременно
высокоэкономичного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) связана с глубокими
проработками и длительными исследованиями, в результате которых появилась
единая экологическая программа ДВС. В ее рамках на серийных образцах
реализуются новые решения, получены многообещающие результаты, позволяющие
выполнять все более и более ужесточаемые нормативы, особенно по оксидам
азота (N0х) и твердым частицам.
    За последние 30 лет благодаря разработкам заводов и институтов
отечественной и зарубежной автомобильной промышленности улучшены показатели
двигателей по токсичности и расходу топлива: концентрация вредных веществ в
отработавших газах дизелей стала значительно ниже по сравнению с
бензиновыми двигателями по окиси угле-рода в 7-8 раз, по углеводородам в
1,2-1,4 раза. Это, вместе с повышением на 25-30% топливной экономичности,
подтверждает целесообразность дизелизации грузовых и легковых автомобилей.
Кроме того снижена дымность отработавших газов (ОГ) в 1,3-1,5 раза и
токсичность на 20-30%, что позволило обеспечить серийный выпуск
отечественных автомобильных дизелей в соответствии с действующими в РФ
стандартами и нормами ЕЭК ООН.
    К наиболее эффективным мероприятиям, улучшающим процессы
смесеобразования и сгорания топлива в цилиндре дизеля, направленных на
снижение эмиссии твердых частиц и окислов азота, можно отнести:
 - оптимизацию начала впрыска;
 - охлаждение нагнетаемого воздуха;
 - изменение формы камеры сгорания, характеристики впрыска, завихрения
   воздуха;
 - применение наддува;
 - уменьшение сгорания масла;
 - введение электронной системы впрыска;
 - применение  рециркуляции отработавших газов;
 - улучшение состава топлива.
    Повышение дымности, происходящее из-за  уменьшения времени сгорания
частиц углерода при слишком большом опережении впрыска топлива, является
следствием большего теплоотвода в стенки, что приводит к снижению
температуры газа. Капли впрыскиваемого топлива существенно охлаждают
пламя, что задерживает сгорание частичек углерода. Последняя порция
впрыскиваемого топлива содержит обычно наиболее крупные капли.
Образующиеся из них частички углерода не имеют достаточно времени и
условий для сгорания. Не полностью сгоревшее топливо и образует
"досаждающий" всем дым. Но дым еще не все беды автомобильного мира.
    Труднее обстоят дела со снижением выбросов окислов азота (NOx).
Эмиссия NOx резко возрастает с увеличением температуры газов в цилиндре
при сгорании. Введение промежуточного охлаждения наддувочного воздуха в
дизелях с турбонаддувом помогает снизить выбросы NOx благодаря уменьшению
температуры воздуха на впуске. Однако это приводит к увеличению удельного
расхода топлива и дымности отработавших газов. Получается как бы
замкнутый круг. Снижая дымность, мы увеличиваем содержание окислов азота,
и наоборот. Какой же выход? И главное, есть ли он?
    Ответом служит работа в направлении совершенствования автомобильных
дизельных двигателей. Совершенствование подразумевает увеличение срока
службы, повышение надежности и эксплуатационных качеств, сокращение
потребления горючего, уменьшение выброса отработавших газов. Последнее
достигается, главным образом, за счет турбонаддува, охлаждения подаваемого
воздуха, впрыска топлива под давлением. Благодаря давлению повышается
плотность воздуха и соответственно содержание в нем кислорода, это
обусловливает снижение температуры сгорания топлива, следовательно,
повышается эффективность процесса его сгорания.
    Применение топлива с пониженным содержанием серы (от 0,3 до 0,05%)
существенно уменьшает количество несгоревших твердых частиц в отработавших
газах. Аналогичный эффект достигается и за счет уменьшения расхода масла,
вследствие охлаждения подаваемого воздуха. Устройства дополнительной
рециркуляции отработавших газов позволяют понижать содержание в них
окислов азота.
    В университете города Лиде(?????) (Великобритания) проводились
исследования, в результате которых выявлено влияние степени совершенства
дизеля с неразделенной камерой сгорания на качественный и количественный
состав отработавших газов. Эти характеристики (качество и количество)
обусловливаются степенью абсорбции полициклических ароматических
углеводородов (ПАУ) твердыми частицами (сажей), неизменно находящимися в
дизельных топливах. По известным гипотезам, источниками образования
ПАУ могут быть:
 - полициклические компаунды, содержащиеся в топливе и сгорающие не
   полностью вследствие несовершенства рабочего процесса;
 - химические реакции при образовании сажи;
 - пиролиз разветвленных тяжелых углеводородов в зонах переобогащенного
   заряда и в защемленных объемах с недостаточной для сгорания температурой.
    Все три возможных механизма образования ПАУ в отработавших газах
являются следствием неполноты сгорания рабочего заряда в дизеле.
Исследование проведено на двух дизелях: фирмы Peffer, выпущенном 25 лет
тому назад, и современном дизеле фирмы Регkins модель.4.236. Оба дизеля
испытывались на одной и той же партии дизельного топлива А2 с циановым
числом 48 единиц, содержанием водорода 13,1%; плотностью 859 кг/м3 и
суммарным содержанием полициклических соединений 1,6%. Установлено, что
увеличенный общий выброс углеводородов у Peffer устаревшей конструкции
хорошо коррелируется (согласуется) с повышенным содержанием ПАУ в твердых
частицах отработавших газов этого дизеля. При этом в дизеле с современной
организацией рабочего процесса доля невыгоревших легких ПАУ существенно
уменьшена, а относительное содержание тяжелых ПАУ явно возросло, притом
что произошло значительное уменьшение их абсолютного выброса по сравнению
с выбросом аналогичных ПАУ в отработавших газах дизеля Peffer. Установлено
также, что содержание в отработавших газах тяжелых ПАУ сильно зависит от
режима дизеля и возрастает с увеличением нагрузки при низкой частоте
вращения коленчатого вала. Обоснованный вывод таков: основным источником
ПАУ на твердых частицах в отработавших газах дизелей являются
полициклические соединения несгоревшего топлива
    Каковы же методы очистки отрабо-тавших газов?
    Считать очисткой метод, основанный на уменьшении концентрации вредных
составляющих за счет усиленной вентиляции можно лишь относительно, если
речь идет о работе механизмов, оснащенных дизель-ными двигателями, в
закрытых и полузакрытых помещениях, в горных выработках и в шахтах. При
этом абсолютное количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ, в
том числе и сажи, остается неизменным.
    Дожигание несгоревших продуктов - кажется один из тех путей, который
позволит существенно снизить содержание вредных компонентов в отработавших
газах. Но каким из известных науке методов дожигания воспользоваться -
пламенным или каталитическим? Применяемые сейчас пламенные дожигатели не
уничтожают сажу полностью. Это объясняется малым временем ее нахождения
в зоне высоких температур. Увеличение же размеров высокотемпературного
тракта приводит к неприемлемым габаритам дожигателя. Кроме того,
пламенные дожигатели требуют дополнительного расхода топлива, жаропрочных
материалов; они сложны в эксплуатации и пожароопасны, так как температура
продуктов по выходе из пламенного дожигателя может достигнуть 800-900 .
    Проводились исследования по каталитическому дожиганию. В качестве
катализаторов применяли окись кобальта на носителе из пористого кварцевого
камня, платину и марганец с окисью меди на - окиси алюминия.
    Отрабатывался еще один метод - фильтрация. Но и здесь результат
зависит от того, какой выбрать путь. Какие фильтры использовать? Фильтров
для сажи оказалось множество, какой лучше? Исследовались фильтры
инерционные, адсорбционные, скрубберы, электрофильтры, механические
фильтры и комбинированные очистители.
    При этом каждую группу фильтров можно разбить еще на группы по ряду
признаков. Какой из инерционных фильтров лучше справляется с задачей -
ударный барабанный или отражательный? Действие всех инерционных фильтров
основано на резком гашении скорости сажевых частиц, летящих в потоке
газов, за счет механических препятствий и последующем удалении
заторможенных частиц в специальный бункер. Такие фильтры могут задерживать
только крупные частицы (значительно больше 1 мкм) и обеспечивают низкую
степень очистки газов от сажи.
    Более эффективными инерционными фильтрами являются циклоны и
мультициклоны. Однако и здесь есть свои ограничения. Эти установки
оказываются мало эффективными при удалении из больших объемов газа
незначительного количества (до 1 г/нм3) мельчайших частиц размером
от 0,1 до 1,0 мкм.
    Интересным представляется процесс работы центробежного сажеуловителя.
Устройство его предельно простое. Он содержит цилиндрический корпус с
тангенциальным входным и осевым выходным патрубками. Корпус окружен
пылесборной камерой в виде бункера-дозатора, заполненного кварцевым
песком и сообщенного кольцевым зазором с входным патрубком. При этом в
облако пыли из улавливаемых кварцевых частиц попадает мелкая сажевая
фракция. Для исключения проскока сажи в выходной патрубок на режимах
повышенного сажевыделения включается электровибратор, что приводит к
увеличению подачи кварцевого песка в зону очистки. Электронагревательные
элементы, размещенные в песке бункера-дозатора, сжигают сажу с
поверхности частиц песка, чем исключается периодическая смена песка.
    Знакомство с адсорбционными фильтрами полезно в познавательном плане.
Как знать, в каком направлении может пойти развитие идеи. А идея
использования высокопористых материалов в качестве наполнителей неплохая.
Обычно применяются высокопористые материалы с развитой удельной
поверхностью: активированный уголь, пемза, силикагель. Однако есть одно
"но". Такие фильтры при высокой степени фильтрации очень быстро
забиваются сажей и требуют слишком частой очистки.
    Пропускание отработавших газов двигателей внутреннего сгорания через
водные растворы различных веществ частично уменьшает содержание сажи в
выхлопе, а также обеспечивает химическое связывание некоторых газообразных
составляющих выхлопа (альдегиды), но имеет недостатки: из-за частой
смены раствора и больших габаритов.
    Электрическая очистка газов основана на способности взвешенных в газе
частиц приобретать заряд под действием электрического поля и затем
притягиваться к электродам. К преимуществам электрофильтров следует
отнести малый расход электроэнергии и достигающую временами 100% очистку
выхлопа от са-жи. Их недостатками являются большие габариты, необходимость
предварительного охлаждения газов, частая ручная очистка, высокая
стоимость изготовления.
    Механические фильтры получили наибольшее распространение, так как более
полно задерживают твердые и жидкие фракции отработавших газов на слое
фильтрующего материала, проницаемого для газа. Несмотря на принципиальное
конструктивное сходство, механические фильтры различаются материалом
фильтрующих элементов. Наиболее часто в них используются такие материалы,
как асбест, стеклоткани, специальные волокнистые материалы, керамика,
металлокерамика, минеральная шерсть, гофрированная бумага со специальной
пропиткой, активированные минералы - известняк, гипс, пористые минеральные
смеси. Ничего особо мудреного в способах отделения частиц при механическом
фильтровании аэрозолей нет - обычные процессы: столкновение, улавливание
(непосредственный захват) и диффузия.
    Но несмотря на конструктивную простоту есть и у механических фильтров
свои "тонкие места". Механические фильтры требуют очистки и частой замены
фильтрующих элементов. При всем этом к ним (механическим фильтрам)
предъявляются такие требования, как температуростойкость, малое
сопротивление газовому потоку, механическая проч-ность, относительно
высокая плотность, невысокая стоимость. Всем этим требованиям отвечают
керамические пористые материалы (силикаты). Их преимущества перед другими
материалами: низкая стоимость, простота изготовления, химическая стойкость,
длительный срок службы.
    И апофеозом очистки на современном этапе можно считать комбинированные
очистители. К ним относят механические фильтры с каталитическими
нейтрализаторами, скруб6еры с адсорбционными фильтрами и каталитические
фильтры. Именно они обеспечивают наиболее эффективное решение проблемы
очистки отработавших газов.
    Так что, вполне резонно считать, что на ближайшие годы одним из путей
совершенствования экологических показателей дизелей будет разработка и
производство антитоксичных устройств, комбинированного действия.
    Статья подготовлена по материалам собственной научной разработки
"ИЗВЕСТНЫЕ ПУТИ И ДОСТИГНУТЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЕЙ".
        Н.Суменков, Рязань, февраль, 2002 года

     ЗЕЛЕНЫЙ ЛУЧ, No 10, 13 апреля 2002 года, beam@ryazaneco.ryazan.ru

**************************************************************
* Бюллетень выпускается Союзом "За химическую Безопасность"  *
*                       (http://www.seu.ru/members/ucs)      *
* Редактор и издатель Лев А.Федоров.   Бюллетени имеются на  *
* сайте:        http://www.seu.ru/members/ucs/ucs-info       *
* ***********************************                        *
*      Адрес:  117292 Москва, ул.Профсоюзная, 8-2-83         *
*      Тел: (7-095)-129-05-96, E-mail: lefed@online.ru       *
**************************     Распространяется              *
* "UCS-PRESS" 2002 г.    *     по электронной почте          *
**************************************************************
Предыдущий выпуск | Архив | Следующий выпуск
Подпишитесь на электронный бюллетень "Химия и жизнь"