Экологическая безопасность в техносфере

Экологическая  безопасность в техносфере Реферат

Технические и эксплуатационные методы
обеспечения экологической безопасности

Содержание:

1.
Совершенствование двигателей внутреннего сгорания

.
Альтернативные двигатели АТС

.
Альтернативные виды топлив для автомобилей. Топливные присадки

. Фильтры и
катализаторы выхлопных газов

. Устройства
для локальной очистки воздуха над магистралями

1. Совершенствование двигателей внутреннего сгорания

Эксплуатационные мероприятия осуществляются в процессе
эксплуатации транспортных средств и направлены на поддержание их состояния на
уровне заданных экологических нормативов за счет технического контроля и
высококачественного обслуживания.

Конструкторско-технические мероприятия позволяют внедрить современные
инженерные, санитарно-технические и технологические средства защиты окружающей
среды от вредных воздействий на предприятиях и объектах транспорта, технические
новшества в конструкции подвижного состава.

Конструкторско-технические мероприятия, осуществляемые на подвижном
составе, группируются по направлениям: повышение экономичности двигателей,
снижение массы конструкции, уменьшение сопротивления движению, снижение
токсичности отработавших газов, использование экологически более чистых видов
топлива, применение электрической энергии.

Повышение экономичности двигателей достигается совершенствованием их
конструкции и позволяет сократить потребление топлива и соответственно снизить
выбросы загрязняющих веществ. Одновременно обеспечивается сбережение
топливно-энергетических ресурсов, что является еще одной важной экологической
задачей.

Работы по совершенствованию конструкции интенсивно ведутся как для
карбюраторных двигателей, так и для дизелей. К настоящему времени в этой
области предложено много технических решений, и поиски продолжаются.

Улучшение рабочего процесса двигателя достигается применением различных
устройств в карбюраторе. К таким устройствам относится ограничитель разрежения,
действующий на режиме принудительного холостого хода, позволяющий снизить
расход топлива и масла.

Наибольшее применение получили экономайзеры
принудительного холостого хода, снижающие расход топлива на 1,5-2% и содержание
оксида углерода в отработавших газах в 2,1 раза за период замедления. Почти все
современные карбюраторы оснащены электронным управлением смесеобразованием, что
позволяет поддерживать оптимальный состав топливно-воздушной смеси на различных
режимах работы двигателя, повышает топливную экономичность и уменьшает выброс
загрязняющих веществ до 5%.

Несмотря на достигнутый высокий уровень технического совершенствования
систем питания с карбюраторами они имеют ограниченный предел адаптации к
различным режимам работы двигателя. В связи с этим широкое распространение
получили системы питания с электронных впрыском топлива.

Большинство зарубежных
и новые отечественные двигатели оснащаются системой с микропроцессорным
управлением впрыскиванием бензина и электронным зажиганием. Доля легковых,
автомобилей, снабженных системами впрыска топлива, составляет в мире около 80%,
а с учетом дизельных двигателей — 90%.

Причинами такого распространения систем
впрыска являются повышение топливной экономичности и снижение токсичности
отработавших газов. Применение электронных систем впрыска топлива с точным
дозированием топлива по отдельным цилиндрам на всех режимах работы двигателя
позволяет повысить мощность двигателя на 10-30% и снизить расход топлива на
20-30%.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время исследовательские и
практические работы по совершенствованию существующих двигателей проводятся по
следующим основным направлениям: улучшение системы зажигания, изменение
процессов подачи топлива в цилиндры двигателей, установка дополнительных
приборов, уменьшающих содержание вредных компонентов в отработавших газах.

Система зажигания оказывает существенное влияние на процессы сгорания топлива.
Известно, что система искрового зажигания рабочей смеси с помощью традиционного
распределителя-прерывателя не всегда удовлетворяет современным требованиям,
связанным с полнотой сгорания топлива.

Существенное улучшение в этом отношении дает применение бесконтактного
электронного зажигания, которое обеспечивает более мощный разряд на свечах
зажигания и отличается большей стабильностью работы. В последнее время система
электронного зажигания получает все большее распространение.

На некоторых
новейших моделях зарубежных автомобилей эта система дополняется микро-ЭВМ,
которая автоматически изменяет момент опережения, зажигания смеси в зависимости
от нагрузки на двигатель и скорости движения, оптимизирует расход топлива и
состав отработавших газов.

Для улучшения процесса сгорания топлива в цилиндре широкое применение
находит так называемое форкамерное, или факельное, зажигание. Сущность
форкамерного зажигания состоит в том, что в малой форкамере богатая смесь
поджигается как обычно электрической искрой, а образующийся при этом мощный
факел пламени зажигает основную часть более бедной рабочей смеси в цилиндре,
что сопровождается улучшением сгорания топлива.

Изменение процессов подачи топлива в цилиндры достигается рядом приемов.
Первый из них — это попытка установки на двигателе двух карбюраторов вместо
одного. Выше отмечалось, что при работе двигателя на холостом ходу содержание в
выхлопе ряда токсичных веществ увеличивается.

Чтобы сократить количество этих
веществ при работе двигателя на холостом режиме, нужно отрегулировать
карбюратор на обедненную или бедную смесь (1 ч. бензина примерно на 20 ч.
воздуха), но тогда двигатель не будет развивать необходимой мощности при работе
с нагрузкой и не обеспечит надлежащей тяги и скорости.

Позднее были разработаны новые, более сложные конструкции карбюраторов,
способных в одном блоке совмещать указанные функции и готовить необходимый
состав рабочей смеси на любой режим работы двигателя.

Второй прием состоит в изменении клапанного механизма с целью более
тонкого распыления и лучшего перемешивания смеси при поступлении ее в цилиндры.
В ряде новых конструкций предусматривается регулирование высоты подъема
впускных клапанов в зависимости от нагрузки, что улучшает процесс заполнения
цилиндров смесью и сгорания ее.

Третий прием состоит в отказе от традиционного карбюратора и замене его
приборами (форсунками) для непосредственного впрыска топлива во впускной
трубопровод или в цилиндры. Эта система, впервые примененная в 1934 г.- на
спортивных автомобилях, обеспечивает наилучшее распыление топлива и
перемешивание его с воздухом, а также равномерное распределение смеси по
отдельным цилиндрам. При этом способе не наблюдается оседания топлива в виде
капель на стенках впускного трубопровода.

Система непосредственного впрыска особенно эффективна в сочетании с
электронным управлением, которое автоматически дозирует топливо в зависимости
от режима работы двигателя. Установлено не только снижение токсичности газов и
экономия топлива, но и повышение мощности двигателей на 10-20%.

Некоторые устройства впрыска позволяют образовывать в зоне свечи
обогащенную смесь (легко воспламеняемую от искры), а в остальной полости камеры
сгорания — бедную. Такое послойное смесеобразование обеспечивает надежную
работу двигателя при результирующей обедненной смеси.

Разрабатываются и другие приемы для снижения токсичности отработавших
газов на существующих типах двигателей. Однако многие разработки не получили
пока не только распространения, но и общего признания.

Отмечая положительные качества упомянутых выше конструкционных изменений,
следует все же признать, что они не дают кардинального решения задачи. Кроме
того, нужно иметь в виду, что подобные предложения можно осуществить на вновь
выпускаемых автомобилях.

Переделка же двигателей на действующих автомобилях
практически не реальна. Поэтому важным направлением признается разработка
различных типов нейтрализаторов токсичности отработавших газов, которые можно
устанавливать не только на новых, но и на эксплуатируемых автомобилях с
небольшими переделками.

Использование электроники для управления системами двигателей

Одно из условий экономного расходования топлива и минимального выброса
веществ в окружающую среду двигателями различных типов и назначения — точное
выдерживание во всех возможных режимах работы оптимальных параметров систем
двигателя, определяющих его токсичность и экономичность.

Управление составом смеси с помощью электронных систем более легко
осуществить при системе впрыска бензина, которая по сравнению с карбюратором
имеет ряд преимуществ: равномерное распределение смеси по цилиндрам двигателя,
более точное дозирование топлива, возможность автоматизации процессов пуска и
прогрева, отключение подачи топлива в режиме принудительного холостого хода
двигателя, коррекции подачи топлива в зависимости от параметров окружающей
среды [1, 138].

Эти преимущества дают возможность повысить энергетические показатели
двигателя, улучшить его топливную экономичность и пусковые качества, снизить
токсичность ОГ по некоторым веществам. Причинами, препятствующими
поверхностному применению систем электронного впрыска, являются сложность конструкции,
более высокая стоимость и в ряде случаев меньшая надежность в эксплуатации.

Особый интерес представляют системы питания с обратной связью, т. е.
изменения состава смеси с учетом состава ОГ. Такие системы широко используют
для поддержания состава смеси, близкого к стехиометрическому, что необходимо
для последующей эффективной нейтрализации вредных веществ в ОГ, а также для
поддержания состава смеси на пределе эффективного обеднения в двигателях,
работающих на сильно обедненных смесях топливовоздушных смесей.

Электронные системы зажигания на первом этапе применения в двигателях
обеспечивали более мощную энергию разряда на свече зажигания, в последующем, их
стали широко использовать для оптимальных значений угла опережения зажигания в
зависимости от режима работы двигателя, изменения этого режима во времени, состава
смеси и других параметров.

В последнее время начинают получать распространение
комплексные системы регулирования БД с использованием мини-эвм, которые
управляют составом смеси, углом опережения зажигания, интенсивностью
рециркуляции ОГ, показателями работы двигателя в режиме холостого хода, в
зависимости от различных параметров, характеризующих работу и техническое
состояние двигателя, состояние окружающей среды.

Наряду с обеспечением оптимальных параметров управления двигателями в
ряде электронных систем предусмотрено диагностирование технического состояния
основных систем двигателя и выдача сигналов отклонении параметров от нормы.
Такие системы позволяют снизить количество выбросов и расхода топлива не только
за счет обеспечения оптимальных параметров систем двигателя, но и из-за
своевременного выявления и устранения неисправностей и отклонений регулировок
от оптимальных.

Применение дизелей и жесткие нормы выбросов вредных веществ
предопределили интенсивные работы по использованию электронных систем управления
в этих двигателях. На первом этапе электронные системы применяли для более
точного поддержания частоты вращения и обеспечения оптимальных углов опережения
впрыскивания, особенно в стационарных дизелях или дизель-генераторных
установках для прецизионного контроля частоты вращения и минимального
отклонения от заданной величины при изменении нагрузки.

В настоящее время на транспортных дизелях электронные системы
контролируют работу и обеспечивают управление большим количеством параметров с
использованием микрокомпьютеров. Преимущества таких систем по сравнению с
механическими следующие: получение скоростных характеристик дизеля любой формы,
оптимальных для данных условий движения; снижение вредных выбросов и расхода
топлива путем оптимизации угла опережения впрыскивания; отклонение части
цилиндров в режиме холостого хода; обеспечение необходимого запаса цикловой
подачи топлива при пуске. Часто такие системы наряду с управлением
диагностируют техническое состояние основных систем дизеля.

2. Альтернативные двигатели АТС

Необходимость охраны среды обитания от загрязнения отработавшими газами
автомобилей и требования топливной экономичности поставили перед конструкторами
транспортных средств вопрос: насколько бензиновые (карбюраторные) двигатели
перспективны для будущего автомобильного транспорта и какие двигатели могут
прийти им на смену.

В качестве альтернативных карбюраторному стали предлагаться дизели,
роторный двигатель, газовая турбина, паровая поршневая машина, паровая турбина,
двигатель «внешнего» сгорания (Стирлинга), инерционный двигатель и некоторые
другие.

Дизельный двигатель. Считается, что в борьбе за уменьшение загрязнения воздушного
бассейна дизельные двигатели могут сыграть существенную роль. Относясь к классу
двигателей внутреннего сгорания, дизель отличается от карбюраторного двигателя:
имеет более высокие степени сжатия, которые обеспечивают самовоспламенение
топлива, ввиду этого отпадает надобность в системах электрического зажигания;
вместо карбюратора используются топливные форсунки, осуществляющие под большим
давлением впрыск топлива в цилиндры.

В табл. 15 приводится сравнение токсичности отработавших газов у
карбюраторных двигателей и дизельных.

Как видно из табл. 1, дизельный двигатель выделяет значительно меньше
окиси углерода и углеводородов. В его отработавших газах содержится даже меньше
окислов азота, если по этому компоненту его сравнивать с бензиновыми
двигателями с особо высокой степенью сжатия.

Однако крупными недостатками
дизелей являются дымность, неприятный запах и более высокий уровень шума. Тем
не менее, более высокая тепловая экономичность дизелей (эксплуатационный к.п.д.
30-35% вместо 20-25% у карбюраторных двигателей), способность работать на более
дешевом (дизельном) топливе, возможность получения относительно больших мощностей
предопределили дизелю доминирующее положение в мировом грузовом автомобильном
парке и парке автобусов.

В нашей стране осуществляется дизелизация грузового и автобусного парков
и разрабатываются меры по использованию дизелей на легковых автомобилях.
Ведутся серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по
дальнейшему совершенствованию дизелей: повышению топливной экономичности,
удельной мощности, надежности и долговечности, а также снижению металлоемкости,
токсичности отработавших газов.

Одна из важных мер, позволяющих достичь
поставленных целей,- применение так называемого турбонаддува, т. е. постановка
на дизель специального турбокомпрессора для нагнетания в цилиндры большего
количества воздуха. На лучших образцах получен к. п. д., равный 45%.

Повышению экологических показателей дизелей способствует применение
турбонаддува и рециркуляции отработавших газов.

Турбонаддув обеспечивается сжатием воздуха перед поступлением его в
цилиндры дизеля. В результате происходит хорошее наполнение цилиндров. Мощность
двигателя повышается, а топливная экономичность возрастает на 4-6%. Турбонаддув
применяют на грузовых автомобилях семейств КамАЗ и МАЗ, а также на
карбюраторных автомобилях.

Рециркуляция представляет собой перепуск части отработавших I газов во
впускной трубопровод двигателя. Ее целесообразно использовать в допустимых
пределах при работе двигателя на малых и средних нагрузках. Применение 10%
рециркуляции позволяет снизить содержание оксидов азота в отработавших газах
примерно на 30-40% и улучшить процесс смесеобразования без существенного
изменения расхода I топлива, хотя дымность несколько возрастает.

Оснащение дизелей современными электронными системами управления в
сочетании с турбонаддувом, рециркуляцией и высокоэффективной фильтрацией
отработавших газов позволяет удовлетворять требования норм токсичности на
уровнях Евро I и Евро III. Так, установка на автопоезд МАЗ-АТ98 двигателя MAN с
микропроцессорной системой оптимального управления подачей топлива или дизеля
Detroit Gummins с электронным впрыском обеспечивает выполнение жестких
требований в первом случае — Евро-II, а во втором — Евро-III (табл. 2).

Роторный двигатель. Это — бензиновый двигатель, имеющий принципиально иную
конструкцию основного силового агрегата. У роторного двигателя нет цилиндров и
шатунно-кривошипной группы. Вместо поршней с их возвратно-поступательными
движениями он имеет вращающийся ротор, который передает крутящий момент через
зубчатую передачу. В роторном двигателе нет клапанов, а лишь впускное и
выпускное отверстия.

Не разбирая подробно конструкционные и технико-экономические
характеристики этого двигателя (меньшая масса, компактность, высокооборотность,
большая удельная мощность на единицу массы, простота производства, отсутствие
вибраций, способность работать на топливе с низким октановым числом и др.),
отметим, что он дает несколько менее токсичный выхлоп в результате меньшего
содержания окислов азота.

В силу конструкционных особенностей и компактности
роторный двигатель облегчает установку дополнительных приборов для очистки
отработавших газов и улучшает протекание реакций в них ввиду более высокой
температуру отработавших газов (несмотря на более низкую температуру сгорания).

Давно запатентованный немецким механиком Ванкелем роторный двигатель в
течение многих лет дорабатывался в ФРГ, где небольшое их производство было
начато лишь в 1964 г. Японские промышленники, приобретшие лицензию на двигатель
Ванкеля, затратили много времени на его доводку и лишь к середине 60-х годов
создали работоспособную конструкцию. В 1967 г.

С 1970 г. автомобили с роторными двигателями начали выпускаться фирмой
«Ситроен» во Франции. Концерн «Дженерал моторе», перекупивший лицензию у
Японии, также проводил работы над усовершенствованием двигателя Ванкеля и
намечал с 1974 г. расширить выпуск автомобилей с роторным двигателем. Однако
позднее этот концерн отказался от продолжения работ над указанным двигателем.

В связи с энергетическим кризисом производство автомобилей с роторными
двигателями не получило большого развития, за исключением упомянутой выше фирмы
в Японии, которая вложила в исследования и организацию производства этих
двигателей большие капиталы и которая продолжает их выпуск, совершенствуя
одновременно конструкцию.

Главная причина лежит в меньшей экономичности роторного двигателя по
сравнению с традиционным поршневым. Кроме этого, до конца не удалось преодолеть
существенные конструкционные трудности с обеспечением необходимой плотности
между корпусом (блоком) двигателя и ротором по мере износа их в процессе
эксплуатации.

У нас в стране также проводятся исследования и разработка роторных
двигателей. В течение ряда лет ведутся работы на Волжском автомобильном заводе,
где совместно с Автомобильным и моторным институтом (НАМИ) разработаны и
изготовлены экспериментальные образцы роторного двигателя, предназначенного для
установки на автомобили ВАЗ «Жигули».

Газотурбинный двигатель. В течение последних 25-30 лет проводятся исследования
и экспериментальное конструирование газотурбинных двигателей для автомобилей.
Газовые турбины, как известно, широко применяются на воздушном транспорте. Они
имеют малую массу, рекордную удельную мощность, компактность, малое число
подвижных частей, плавность работы и другие качества.

Попытки применить газотурбинный двигатель на автомобиле предприняты
давно. Еще в 1959 г. в СССР был создан экспериментальный автобус, оборудованный
газотурбинным двигателем. Во время его испытаний были обнаружены существенные
недостатки, среди которых важное место занимала низкая топливная экономичность
двигателя, а также трудности приспособления его к условиям работы транспортного
средства (малая приемистость, невозможность динамического торможения).

Из зарубежных стран интерес к этому двигателю проявили США,
Великобритания, Швеция. К настоящему моменту в мире построены сотни
газотурбинных экспериментальных автомобилей.- Многие конструкторы считают
газовую турбину более перспективной для тяжелых грузовых автомобилей и
автобусов, хотя имеются прецеденты создания и легковых автомобилей.

В СССР в 1970 г. был изготовлен карьерный самосвал грузоподъемностью 120
т с газовой турбиной мощностью 880 кВт. Позднее на новой модели грузового
автомобиляМАЗ-6422 проходил испытания новый отечественный газотурбинный
двигатель мощностью 260 кВт.

70-х годах компания «Вильяме» (США) разработала
газовую турбину для массового легкового автомобиля мощностью 60 кВт. В качестве
достоинств этого двигателя называли отсутствие вибрации, малошумность,
возможность работы без системы водяного охлаждения и достаточно чистые
отработавшие газы.

Тогда же были опубликованы прогнозы, согласно которым в США
в 1980 г. намечалось выпускать 50 тыс. автомобилей с газотурбинными
двигателями. Однако прогнозы эти не оправдались. Основная причина заключается в
меньшей экономичности созданных газовых турбин против карбюраторного двигателя,
особенно дизеля.

Недостаточный к.п.д. газотурбины связан с относительно невысокой
температурой рабочего процесса.

Повышение этой температуры требует применения дорогих жаропрочных
металлов и сложных конструкций турбинных лопаток. В этом смысле большой интерес
представляют сообщения печати об испытании в Швеции экспериментального
автомобиля с газовой турбиной, в конструкции которой использована жаропрочная
керамика. Пока же газотурбинный двигатель остается сложным по конструкции и
дорогим.

Что касается отработавших газов, то результаты большинства испытаний
говорят о существенно меньшей их токсичности в части окиси углерода и
углеводородов. Об удельном весе окислов азота приводятся противоречивые данные:
по одним сведениям окислов азота у газовых турбин меньше, чем у дизелей и
карбюраторных двигателей, по другим — больше. Дальнейшие эксперименты позволят
устранить это противоречие.

Таким образом, пока недостаточно оснований считать газовую турбину
серьезной альтернативой традиционным автомобильным поршневым двигателям
внутреннего сгорания.

Паровой двигатель. Требование сохранить в чистоте воздушный бассейн заставило
некоторых конструкторов снова вернуться к почти забытой идее создания парового
автомобиля. Во Франции и в ряде других, стран они появились более 100 лет
назад.

Тихоходные, но работоспособные паровые «омнибусы» в Париже совершали
рейсы еще в 1873 г. Тогда же были созданы и легковые автомобили с паровыми
двигателями. Один экземпляр такого автомобиля на четыре места, построенного
французской фирмой «Жардне-Серполле», можно видеть сейчас в национальном музее
в Праге.

Паровая машина, размещенная под полом автомобиля, позволяла ему
развивать скорость 65 км/ч. Паровые автомобили продолжали выпускаться и
работать много лет спустя и после создания двигателя внутреннего сгорания и
были окончательно сняты с производства в начале 30-х годов (в Великобритании).

В США, Японии, Австралии и ряде европейских стран сделаны попытки создать
образцы современных паровых автомобилей разных категорий. Так, в США еще в 1968
г. были построены две модели легковых автомобилей. Конструкция их включает
водотрубный парогенератор, двигатель — паровую машину высокого давления,
вспомогательную машину низкого давления (для приведения в действие водяного
насоса и вентилятора радиатора).

Двигатель внешнего сгорания (двигатель Стирлинга)

Современный двигатель внешнего сгорания представляет собой герметически
закрытый цилиндр, заполненный над поршнем сжатым гелием или водородом. При
сгорании топлива газ через стенку цилиндра нагревается и опускает поршень.
Отработавший газ направляется в камеру охлаждения, а поршень возвращается в
исходное положение. После этого порция холодного газа поступает в камеру
расширения (над поршнем) для нагрева и рабочего хода.

Помимо высокого к. п. д., равного 35-40% и более, двигатель внешнего
сгорания может работать на любом топливе и дает минимальное загрязнение воздуха
окисью углерода и углеводородами, поскольку горелка работает в стабильном
режиме с оптимальным соотношением топлива и воздуха. Он практически бесшумен.

Полагают, что при использовании тепла, например, расплавленного лития,
такой двигатель может вообще обходиться без сжигания топлива, что важно и
реально при работе в черте города. Фирма «Филипс» разработала аккумуляторы
тепла энергоемкостью до 23 кВт-ч.

К настоящему моменту построено достаточно много опытных образцов
двигателя Стирлинга мощностью от 7 до 265 кВт, предназначенных для автомобилей,
автобусов, судов и в качестве стационарных. Испытания таких двигателей ведутся
в США, ФРГ, Швеции, Нидерландах и других странах.

Инерционный двигатель (маховик) — самый древний двигатель, так как
гончарный круг, которому более 5 тыс. лет, по существу является маховиком. Идея
использования кинетической энергии маховика для движения не нова. Более 100 лет
назад русский инженер В.И.

Рефераты:  Как узнать свой процент жира и изменить его - Лайфхакер

Основу двигателя на этих машинах представлял маховик массой 1,5 т (10% от
массы автобуса), который перед началом движения в течение 25 мин раскручивался
электродвигателем до 3000 об/мин и «запасал» 9 кВт- ч энергии. После
раскручивания обратимый электродвигатель, соединенный с маховиком, работал уже
как динамомашина, питая тяговые двигатели жиробуса, который мог развивать скорость
до 50 км/ч и проходить путь до следующей подзарядки (раскручивания) до 5 км.

Фактически скорость жиробуса составляла 20-25 км/ч. На пути 2,5 км он
расходовал 60% запаса энергии и требовал подзарядки. Поэтому зарядные
устройства были размещены через 1,0-1,2 км, что соответствовало и требованиям
размещения остановок для пассажиров.

Большим преимуществом маховика является его экологическая чистота, имея в
виду отсутствие токсичных отходов и практическую бесшумность, а также высокий
к. п. д. Но самым главным недостатком следует признать его малую энергоемкость,
а следовательно, незначительный пробег между подзарядками.

Тем не менее,
исследования и эксперименты с этим типом двигателя продолжаются. В США,
например, спроектирован супермаховик массой 100 кг, который, по расчетам
авторов, при 30 000 об/мин может обеспечить пробег легковому автомобилю 160 км.
Хотя реализация такого проекта принципиально возможна, предстоит решить немало
сложных научно-технических задач и определить экономическую целесообразность его
применения в массовом производстве.

Оригинальный легковой автомобиль разработан и выпущен в конце 70-х годов
в США. Автомобиль шестиместный с экономичным двигателем мощностью 44 кВт. В
багажнике смонтирован тяжелый стальной маховик диаметром 950 мм и массой 231
кг. Вращаясь на магнитных подшипниках в вакууме, маховик при 15 000 об/мин
развивает мощность 100 кВт.

Через электрогенератор эта мощность передается
тяговому электродвигателю, а затем на ведущие передние колеса. Начальная
раскрутка маховика производится от внешней электросети. Данный автомобиль может
работать как: обыкновенный на двигателе внутреннего сгорания при остановленном
маховике; электромобиль от маховика, обеспечивающего запас хода в 36 км при
скорости 48 км/ч; машина от двигателя внутреннего сгорания и маховика
одновременно.

В границах населенных пунктов водитель может выключать двигатель и
использовать только энергию маховика, а за их пределами — экономичный двигатель
внутреннего сгорания, резко повышая мощность силовой установки за счет
подключения энергии маховика при кратковременной необходимости ускорить разгон
или поднять скорость движения на крутом подъеме, при обгоне и в других
ситуациях (до 151 км/ч). Нетрудно понять, что такой сложный автомобиль дорог
как в устройстве, так и в эксплуатации.

Одним из альтернативных видов АТС являются электротяговые. Проводятся
даже разработки большого электробуса. В перспективе предусматривается работа по
снижению массы силового агрегата и прежде всего за счет использования
криогенных емкостей для жидкого водорода.

Несмотря на отмеченные вышенедостатки, топливные элементы
обладают исключительными качествами: автономностью и высоким к. п. д. Поэтому
работа над их совершенствованием продолжается во многих развитых странах. Ряд
исследователей ожидают, что переход от свинцовых аккумуляторов к топливным
элементам позволит в будущем снизить эксплуатационные расходы на 50%.

Серьезной альтернативой автомобилю и автобусу в городских условиях в
дополнение к трамваю и метро могут стать транспортные средства на магнитной
подвеске. Научные и проектные разработки в этойобласти развернуты во
многих развитых странах, но в наибольшей степени они продвинуты в ФРГ и Японии.

В ФРГ построена модель вагона на магнитной подвеске с линейным
электродвигателем и испытана на экспериментальном кольце протяженностью 1 км,
где она развивала скорость 150-220 км/ч. Созданы и другие образцы моделей иполномасштабных
вагонов, а также проект поезда на 300 пассажиров для движения со скоростью 400
км/ч. В 1982 г.

В Японии на протяжении ряда последних лет была проведена большая
исследовательская и экспериментальная работа по созданию аналогичных
транспортных средств. В 1978 г. полномасштабная модель вагона с линейным
двигателем на отрезке протяженностью 3,1 км развила скорость 261 км/ч, в
следующем году- 364 км/ч, а в 1980 г.- 517 км/ч. В г.

3. Альтернативные виды топлив для автомобилей.Топливные присадки

Одним из важнейших направлений борьбы за сохранение чистоты воздушного
бассейна следует признать поиск более «чистого» топлива для транспортных
двигателей. В этом отношении наряду с кардинальными предложениями делаются
попытки создать присадки и примеси к обычному топливу, которые могли бы снизить
токсичность отработавших газов автомобилей.

Прежде всего, напомним, что большинство сортов применяемого ныне бензина
содержит в качестве антидетонационной присадки тетраэтилсвинец (0,41-0,82 г/л).
Бензин с такой присадкой называют этилированным. Необходимость применения
этилированных топлив диктуется прежде всего экономическими условиями.

Их
использование позволяет поднять степень сжатия рабочей смеси в цилиндрах и тем
самым повысить топливную экономичность двигателей, т. е. при прочих равных
условиях сократить потребление топлива. Но это обстоятельство в определенном
смысле отвечает и экологическим требованиям, поскольку сокращение расходе
топлива сопровождается и сокращением выбросов других токсических веществ.
Однако в присадке содержится соединение свинца, которое в больших концентрациях
вредно.

Дефицит жидкого топлива нефтяного происхождения, а также достаточно большое
количество вредных веществ в ОГ при его использовании способствуют поиску
альтернативных видов топлива. С учетом специфики автомобильного транспорта
сформулированы пять основных условий перспективности новых видов топлива:
наличие достаточных энерго-сырьевых ресурсов, возможность массового
производства, технологическая и энергетическая совместимость с транспортными
силовыми установками, приемлемые токсические и экологические показатели
процесса энергоиспользования, безопасность и безвредность эксплуатации.

По мнению специалистов, в наибольшей степени этим требованиям
удовлетворяют углеводородные газы естественного происхождения и синтетические
топлива-спирты. В ряде работ в качестве перспективных видов топлива названы
водород и такие азотсодержащие соединения, как аммиак и гидразин.

Спирты

Метанол, этанол — еще один вид альтернативного топлива для ДВС, причем к
идее использования спиртов в качестве моторного топлива обращались неоднократно
на всем протяжении развития ДВС. По данным, приведенным в 1902 г. на
Интернациональном конкурсе в Париже демонстрировали более 70 двигателей,
работающих на спиртах и их смесях.

В 1905-1907 гг. Геологический комитет США
провел более 2000 опытов по оценке экономичности работы поршневых двигателей на
спиртах. Этот же вопрос подробно изучался и русскими учеными, которые в 1910 г.
указывали на перспективность спиртовых топлив в связи с неизбежным истощением
нефтяных ресурсов.

Недостаток метанола — низкая энергоемкость. Поэтому при применении
метанола вместо бензина для сохранения дальности пробега по топливу бак для
метанола должен быть в 2 раза больше. Запуск двигателя на чистом метаноле, особенно
зимой, затруднен. По некоторым данным, метанол усиливает коррозию всех видов
металла, особенно в присутствии воды.

В настоящий момент стоимость метанола
выше стоимости бензина. И тем не менее у нас и во многих зарубежных странах,
особенно не обладающих собственными ресурсами нефти, развернуты
научно-экспериментальные и практические работы по изысканию экономичного
производства и использования метанола на автомобильном транспорте.

Важное качество метанола состоит в том, что в отработавших газах в 2-3
раза меньше токсичных компонентов, чем при использовании бензина. Однако
отмеченные выше недостатки и малые ресурсы метанола практически не позволяют
использовать его сегодня как самостоятельное топливо.

Поэтому его применяют в
качестве добавки к бензину. В экспериментах использовались смеси с содержанием
метанола от 5 до 30%. При этом концентрация окиси углерода в отработавших газах
снижается на 14-72%. Смесь метанол-бензин несколько снижает мощностные
характеристики двигателей.

Но следует иметь в виду, что добавка метанола,
например, в количестве 15% повышает октановое число смеси с 88 до 95,8. При
соответствующей переделке двигателя с целью повышения на нем степени сжатия
можно получить даже экономию на расходе топлива.

В качестве недостатков смеси как топлива отмечают склонность ее к
расслоению, в особенности при попадании в смесь воды и при понижении
температуры. Метанол ядовит.

Производство метанола в настоящее время невелико. Но имеются
предположения, что в ближайшей перспективе производство его увеличится с 1-2%
по отношению к выпуску бензина до 15%. Особенно большие надежды на метанол
возлагаются в странах, имеющих большие ресурсы растительной биомассы.

Так, в
Бразилии уже теперь все автомобили работают на смесях с содержанием метанола в
количестве 2-10%. Существуют предположения, что удельный вес метанола в
автомобильном топливе Бразилии будет непрерывно возрастать и уже в ближайшее
время в этой стране достигнет в среднем 20%, а к 2000 г. автомобильное топливо
на 75% будет состоять из метанола.

Наряду с метанолом и водно-метанольными смесями перспективно
использование в двигателях бензометанольных смесей. Оптимальной является
10-15%-я добавка метанола к бензину, когда снижение эксплуатационных
показателей из-за высокой теплоты испарения и коррозионной агрессивности
метанола незначительно.

В то же время следует отметить низкую стабильность
таких смесей, особенно при попадании воды, когда происходит ее расслоение. В
качестве стабилизирующих присадок в этом случае используют спирты с большим
молекулярным весом и разветвленной структурой.

Фирма «Arco» (США) выпускает бензометанольное топливо марки ESA
(85% метанола и 15% бензина), которое охотно используют вместо бензина жители
Калифорнии. Стабилизирующая добавка — метил-3-бутиловый эфир. Как показывает
практика, новое топливо снижает процентное содержание несгораемых углеводородов
в ОГ на 28%, количество испаряющегося топлива 36; содержание NOx в ОГ — 26, СО
— на 25%.

Испытания НАМИ бензометанольной смеси (79% бензина, 14% метанола и 7%
изобутанола) показали уменьшение выбросов NOx и CmHn при практически неизменных
выбросах СО [1].

Таким образом, перспектива использования метанола в качестве
альтернативного топлива в чистом виде или добавками к бензину неоспорима.
Стоимость метанола оценивается по-разному: по одним оценкам он дешевле бензина,
по другим — на 8 — 70% дороже, что, по-видимому, связано с технологией производства
и перевозками. В 1992 г. во всем мире было получено 22864 тыс. т метанола (в
1989 г. — 21 млн т), в том числе:

США — 4752 тыс. т, Канада — 2055, Южной и
Центральной Америке — 1610, Африке, Среднем и Ближнем Востоке -3261 тыс. т. В
Японии в 1989 г. произведено 1665 тыс. т метанола (в 1984 г. — 1357 тыс. т). В
то же время Япония ежегодно ввозит 1645 тыс. т метанола.

Основными поставщиками
метанола в Японию являются Канада, Южная Африка, Новая Зеландия, Малайзия. По
данным [143, 144], в настоящее время в Японии эксплуатируются мусоросборники с
метанольным двигателем, запас хода которых при разовой заправке (емкость бака
для горючего 180 л) — 500 км; в Бразилии 4 млн автомобилей различного
назначения работают на метаноле.

По мнению специалистов, остаются, однако, нерешенными следующие
технические проблемы:

) система подачи метанола в камеры сгорания;

) надежность и долговечность каталитических конверторов для метанола;

) возможность применения в ДД;

) возможность дальнейшего снижения вредных примесей в ОГ.

Что касается этанола, получаемого в основном из растительного сырья, то
он, будучи аналогом метанола и, имея соответствующие характеристики (октановое
число 106 ед., низшая теплота сгорания — 25 МДж/кг), может быть использован для
питания двигателей с искровым зажиганием в чистом виде и в смеси с бензином.

При использовании в чистом виде особенности работы, экономические и
экологические показатели работы двигателей близки к таковым при использовании
метанола. Использование смеси этанола и бензина (10 — 20% этанола) для
двигателей с искровым зажиганием показало уменьшение выбросов СО на 26,5%, CmHn
на 4,5 и NOx на 5,7%.

Аммиак в обычных условиях представляет собой токсичный газ с резким запахом.
Однако при его сгорании образуется только один токсичный компонент — окислы
азота, причем в значительно меньших количествах, чем при сгорании других видов
углеводородного топлива. Это объясняется существенно более низкой температурой
рабочего процесса.

Сырьевые ресурсы для производства аммиака велики, а стоимость его
невысока. Но для работы на этом топливе двигатели должны быть изменены в связи
с необходимостью повышения степени сжатия, усиления системы зажигания и
подогрева рабочей смеси во впускном коллекторе.

Для активизации процесса в
некоторых опытах применялся впрыск запального топлива, факел которого ускоряет
поджигание основной аммиачной смеси и ее горение. К недостаткам аммиака следует
отнести то, что он как щелочь агрессивен в отношении меди, бронзы и некоторых
других металлов, сплавов и материалов, попадая в атмосферу, он сам является
загрязнителем воздуха.

Водород с точки зрения сохранения окружающей среды представляет идеальное
топливо. Сгорая в чистом кислороде, он превращается в воду. Если его получать
из воды путем электролиза, то процесс замыкается: вода — водород — вода.
Ресурсы этого топлива колоссальны и постоянно

Пока еще не найдено надежного и экономичного пути использования водорода,
но, несмотря на большие сложности и трудности, разработкой этой проблемы заняты
значительные научно-инженерные силы во всем мире

Биотопливо. Наиболее популярным заменителем бензина ныне служит биоэтанол,
который получают сбраживанием кукурузы, сахарного тростника, пшеницы и др.
Стоимость биоэтанола в зависимости от сырья составляет от 160 $/м3
до 800-900 $/м3 [1].

Добавки этанола в бензин (до 20%) улучшают его
качество. Автомобиль может работать на любых смесях бензина и спирта, и даже на
чистом спирте. Мнение об экологической чистоте спирта опровергается некоторыми
исследованиями, показавшими, что в продуктах сгорания спирта больше альдегидов,
оказывающих вредное воздействие на организм человека, чем при сгорании бензина.
Так что заметного улучшения чистоты воздуха при переходе на спирт ожидать не
приходится.

Биодизель можно получить путем этерификации метиловым спиртом из любого
растительного масла. Биодизель можно заливать в обычные ДВС в чистом виде или смешивать
с минеральным дизельным топливом. Биодизель обладает рядом преимуществ, среди
которых повышение цетанового числа и уменьшение токсичности выхлопа.

Учитывая
преимущества этого топлива, многие страны стали наращивать его производство.
Западная Европа планирует к 2021 г произвести 8,3 млн. т. биодизеля [2]. Одна
из самых перспективных культур для производства биодизеля — рапс. Для
выращивания рапса требуются огромные площади пахотных земель.

Таким образом,
возникает конфликт «топливо или продукты питания» [3]. Следует помнить и о
производстве и обслуживании огромного парка машин, обеспечивающих выращивание,
сбор и переработку растительной массы, и о топливе, которое сжигают эти машины.

Наряду с технологиями получения биотоплива из растительной массы начинают
развиваться и технологии переработки лигноцеллюлозных отходов. Их превращают
пиролизом в жидкое органическое топливо — бионефть. Завод компании «Dynamotive Energy Systems» (Канада) может перерабатывать в сутки 200т сырья, в
качестве которого могут служить кукурузные отходы, древесина, солома и т.п. Из
тонны биомассы получают 580…800кг бионефти [2].

Биогаз — это биометан или биоводород, который получают из бытовых и
промышленных органических отходов, навоза и т.п. методами ферментации. В ЕС
планируется к 2021 г произвести из биогаза 15 млн. т. нефтяного эквивалентного
топлива. В Швеции на биогазе ездят почти 800 автобусов и первый в мире поезд
[2].

двигатель топливо выхлопной экологичность

4. Фильтры и катализаторы выхлопных газов

Методы обезвреживания отработавших газов начали разрабатывать в СССР и за
рубежом еще в 30-х годах, но практическое применение нейтрализаторы получили
лишь 30 лет спустя.

Нейтрализатор — это небольшой прибор, предназначенный для снижения
токсичности отработавших газов путем дожигания продуктов неполного сгорания
(СО, СН, С) и разложения окислов азота на составные элементы — азот и кислород.

Первоначально полагали, что такие приборы будут просты в изготовлении,
эксплуатации и дешевы. В Калифорнии (США) в 1959 г. был принят штатный закон,
устанавливающий сроки оборудования всех действующих автомобилей этими
приборами. Подобные предложения позднее были разработаны и в ряде других штатов
США, а также в некоторых странах Европы.

Различают два типа нейтрализаторов: термические и каталитические

В термореакторе (рис. 5), устанавливаемом за выпускным трубопроводом,
осуществляется процесс пламенного дожигания окиси углерода СО и превращения ее
в углекислый газ СОг, а также сжигание несгоревших в цилиндре углеводородов и
альдегидов. Для интенсификации процесса дожигания в камеру термореактора
подается дополнительный воздух.

На новых автомобилях термореакторы стали делать встроенными в выпускную
систему двигателя с соответствующими изменениями в этой части конструкции
двигателя.

Каталитические нейтрализаторы, помимо окисления СО и СН, могут
осуществлять еще и разложение окислов азота NО.

В Советском Союзе в основном разрабатывается семейство каталитических
нейтрализаторов. В Центральной научно-исследовательской лаборатории токсичности
двигателей (ЦНИИЛТД) Министерства тракторного и сельскохозяйственного
машиностроения СССР — одном из ведущих исследовательских учреждений страны в
этой области спроектированы и испытаны нейтрализаторы марок Н-13 для
автомобилей «Волга», ГАЗ-24 и Н-32 для автобусов ЛИАЗ-677.

Расширенные
испытания, проведенные на базе одного из московских таксопарков, показали, что
разработанная система снижает уровень СО в отработавших газах на 80%, СН — на
70%, а N0 — на 50%. В целом токсичность выхлопа уменьшается в 10 раз.
Сконструированы подобные системы для грузовых автомобилей ЗИЛ и ГАЗ, а также
для автопогрузчиков.

Нейтрализаторы, разработанные в ЦНИИЛТД, позволяют достичь
уровня токсичности отработавших газов, удовлетворяющего самым строгим
требованиям. Процесс окисления СО и СН по существу беспламенный и протекает при
прохождении отработавших газов через слой носителя (например, керамических
гранул) катализатора.

Лучшим катализатором оказалась платина, но этот дорогой и дефицитный
материал не может широко применяться. Предприняты поиски других, более дешевых
и доступных катализаторов. Исследования показали, что в известной степени
платину могут заменить палладий, радий, рутений, а также окись меди, окись
хрома, окись никеля, двуокись марганца и др.

В нейтрализаторах советского производства используется окись алюминия.

Как и в термореакторе, процесс окисления СО и СН требует подачи
дополнительного воздуха, а процесс восстановления окиси азота N0* не требует
подачи воздуха. Современные каталитические нейтрализаторы выполняются в виде
двухкамерного реактора (рис. 6). В одной из них осуществляется окисление СО и
СН, а во второй — восстановление NОх)

Эти нейтрализаторы применяются на автомобилях с бензиновыми и дизельными
двигателями. Одна из трудностей состоит в том, что в отработавших газах дизелей
содержится 10% и более кислорода, в присутствии которого реакция восстановления
окиси азота не происходит, а для окисления СО этого кислорода недостаточно.

По мере эксплуатации созданных приборов обнаружились и другие
неблагоприятные факторы. Так, при наличии бензинового двигателя с высокой
степенью сжатия и поэтому работающего на этилированном бензине, поверхность
катализатора быстро обволакивается свинцом.

У дизелей на катализаторе
осаждается сажа и сера, что существенно ослабляет действие катализатора и после
определенного пробега он практически выходит из строя. Эффективность действия
каталитического нейтрализатора существенно зависит от температуры в реакторе.

Низкотемпературные реакторы работают при 100-300°С, а высокотемпературные — при
300-600°С и более. На первых моделях из-за высокой температуры корпус реактора
достаточно быстро прогорал и требовал замены. Позднее этот дефект был устранен,
для чего потребовалось усложнение и удорожание реактора.

Работы по созданию новых типов и конструкций нейтрализаторов продолжают
во многих странах, но требования надежности и долговечности привели пока лишь к
усложнению подобных приборов.

Одно из направлений состоит в снижении токсичности отработавших газов в
результате их рециркуляции, т. е. повторного засасывания в цилиндры (вместе с
порцией новой горючей смеси) с целью дожигания СО и СН и снижения количества
окислов азота непосредственно в цилиндрах двигателя. Однако это ведет к
некоторому ухудшению характеристик двигателя, не говоря уже об усложнении
конструкции двигателя.

Катализаторы отработавших газов в выпускной системе бензиновых двигателей

В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально
задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии.
Именно 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 соответствии 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 NOх — на 24%. Аналогичные требования были узаконены в Японии и в
Европе.

Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и
зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения
ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто
невозможно.

В 1975 году на американских машинах появились первые катализаторы
отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного
типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только
два токсичных компонента — СО и СН.

Рефераты:  Требования безопасности к системам, находящимся под давлением | Рефераты KM.RU

В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора
мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель
катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.

Ну и, наконец, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов
(СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая
на «съедение» готовому к работе катализатору.

Система каталитического дожигания работает следующим образом.

Для дожигания лишнего СО необходима температура около 800 градусов.
Естественно, что в середине выпускного тракта такой температуры нет.
Катализатор как раз и служит такой печкой, которая работает на бензине и дает
нужную температуру. Устройство его — керамические пластины с сотовой структурой
для увеличения поверхности.

Покрыты платиново-родиевым сплавом, который и есть
катализатор. При попадании паров бензина при температуре около 300 градусов
происходит каталитическая реакция окисления углеводорода — паров бензина- с
выделением тепла. При этом температура повышается до необходимых 800 градусов и
СО дожигается.

Процессом подачи бензина управляет лямбда-зонд, дающий сигнал на
Мотроник о необходимости обеднить или обогатить смесь. Состав выхлопа можно
представить упрощенно следующим образом 100% = %(2СО О2) CO2.
Лямбда-зонд как раз и измеряет содержание О2 в выхлопе.

Если сгорание
СО неполное, то % (2CO О2) в выхлопе увеличивается. Датчик
содержания кислорода-лямбда-зонд, подает сигнал на обогащение смеси.
Температура сгорания в цилиндрах повышается, на катализатор попадает большее
количество бензина и температура возрастает.

Разрушение может начаться по причине спекания керамических пластин
катализатора. Происходит это чаще всего при несоблюдении условий эксплуатации.
Например, при попытке завести автомобиль «с толчка», если двигатель не
заводится — на катализатор попадает чистый бензин.

В этом случае после того,
как двигатель заведется, температура на пластинах растет очень резко. Керамика
трескается, могут появиться мелкие керамические частицы. При малейшем нарушении
фаз газораспределения (изношенный ремень, распредвал) керамические частицы
могут на некоторых режимах работы засасываться в цилиндры из выпускного тракта.

Использование: очистка отработавших газов химических и
топливно-энергетических процессов, а также транспортных газовых выбросов для
снижения эмиссии оксидов азота и продуктов неполного сгорания в атмосферу.
Сущность изобретения: очистку газов осуществляют в две стадии обработкой на
блочных высокопористых катализаторах: на первой стадии осуществляют окисление
газов и используют оксидный катализатор на основе перовскита, а на второй
стадии осуществляют восстановление при использовании катализатора на основе
модифицированного цеолита с одновременным введением водорастворимых
NH-содержащих восстановителей.

Описание изобретения

Изобретение относится к технологии комплексной газоочистки и может быть
использовано для детоксикации оксидов азота и продуктов неполного сгорания в
отходящих газах стационарных топливно-энергетических установок и двигателей
внутреннего сгорания бензинового или дизельного транспорта.

Основной традиционный способ очистки выхлопных газов основывается на
использовании единого мультифункционального катализатора, который осуществляет
наряду с окислением CO, углеводородов, сажевых аэрозольных частиц одновременное
восстановление NOx до нейтральных молекул [1-3].

Для этого используются многокомпонентные каталитические системы,
содержащие благородные металлы (Pt, Rh, Ir, Pb, Ru и промоторы, нанесенные на
блочные носители и фильтры сотовой структуры [4 и 5].

Однако упомянутые каталитические методы не являются универсальными, они
содержат дорогостоящие активные компоненты, склонные к отравлению и уносу. К
тому же для нестационарных дизельных установок, работающих при пониженных
температурах, в окислительных режимах, с большим содержанием твердых частиц и
полиароматических углеводородов, а также серы, хлора существующие методы не
могут обеспечивать достаточно полной защиты.

Наибольшее значение для очистки дизельных выхлопных газов с избытком
кислорода приобретает проблема нейтрализации наиболее токсичных компонентов —
оксидов азота (De-NOx). В этих условиях даже наиболее совершенные сажевые
регенерируемые фильтры-катализаторы, несмотря на использование благородных
металлов, не решают проблемы De-NOx требуемым образом.

Для подавления оксидов азота в теплоэнергетических выбросах широкое
распространение получил метод селективного каталитического восстановления (СКВ)
аммиаком как восстанавливающим агентом [9].

Однако применение метода СКВ аммиаком или углеводородными
восстановителями в нестационарных транспортных условиях с обедненной топливной
смесью существенно осложняется.

Известен способ низкотемпературного селективного некаталитического
восстановления (СНВ), где в качестве восстановителя используют соединения типа
карбамида или его производных, бикарбоната аммония и др., которые удобно
вводить в реакционное пространство в виде водного раствора [10 и 11].

В этом методе восстановитель-карбамид вводят на поверхность носителей и
селективно расходуют в реакции нейтрализации до полного истощения. Этот метод
имеет ряд существенных преимуществ перед СКВ: отпадает необходимость постоянно
поддерживать требуемое соотношение реагентов, отсутствие дорогостоящего и
нестабильного катализатора, отравляющегося примесями серы, возможность работы
при избытке кислорода.

Однако рассматриваемый метод некаталитического восстановления не лишен
многих существенных недостатков.

Значительным недостатком способа является высокое газодинамическое
сопротивление используемых гранулированных носителей фракционного состава 0,5 —
5,0 мм, что создает низкие скорости пропускания газа 0,1-0,3 м/с, неприемлемые
для очистки выхлопных газов.

Кроме того, используемые гранулированные носители [10, 12, 13] не
обладают необходимой механической прочностью, влаго- и кислостойкостью (табл.
4). В процессе эксплуатации они достаточно быстро разрушаются, что приводит
дополнительно к резкому повышению сопротивления слоя гранул и забиванию
реактора.

Носители с низкой пористостью [12 и 14] имеют малый запас емкости
восстановителя. Основным наиболее важным недостатком описанного метода СНВ
является низкая степень улавливания монооксида азота — основного компонента
топливным газов. Поэтому при использовании карбамида, хотя конверсия по NO2 и
достигает 98%, конверсия по NO остается низкой 20-30%.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и
достигаемому результату является двухстадийный способ очистки газов, включающий
использование двух слоев катализаторов [16].

На первой стадии на оксидном цинкхромовом катализаторном слое
осуществляется окисление метана, вводимого в качестве восстановителя в
кислородсодержащую газовую среду. На второй стадии, очищаемые от оксидов азота
газы в восстановительных условиях пропускают через второй слой оксидного
алюмо-медь-никель-литиевого катализатора.

Недостатком данного способа является нерациональное расходование
восстановительного агента — метана, особенно для обедненных топливных выбросов
и дороговизна второго катализатора.

Использование катализаторов дожига перед катализаторами СКВ также не
целесообразно [9].

Основная задача изобретения заключается в увеличении срока службы
используемых пористых материалов и эффективности очистки в отношении не только
NO2, и NO, но и продуктов неполного сгорания. Предварительное окисление в
дизельных выбросах твердых сажевых частиц и органической фракции особенно важно
для предотвращения забивания пор и каналов носителя, содержащего
восстановитель.

С целью устранения указанных недостатков в предлагаемом способе очистки
газов, включающем их обработку в две последовательные стадии с использованием
двух катализаторов, предлагается осуществлять процесс в сочетании с
некаталитическим восстановлением оксидов азота.

Согласно изобретению в способе очистки отработавших газов, включающем их
обработку в две стадии с использованием соответствующего катализатора на каждой
стадии новым является то, что на первой стадии осуществляют окисление и
используют оксидный катализатор, а на второй стадии осуществляют восстановление
оксидов азота при введении водорастворимых NH-содержащих реагентов и используют
катализатор-адсорбент.

Дополнительными отличиями являются:

использование на каждой стадии катализаторов на блочных пористых
керамических носителях или фильтрах сотовой структуры повышенной прочности на
основе модифицированных или цеолитов, или гликозема, или кордиерита;

использование на первой стадии в качестве катализатора перовскита на
носителе;

использование на первой стадии в качестве катализатора формованных с
электропроводящими добавками блоков или фильтров с удельным сопротивлением
0,1-2,0 кОмсм;

использование в качестве электропроводящей добавки перовскита;

повышение температуры блочного катализатора первой стадии или фильтра на
100-300oC при проведении первой стадии обработки;

использование в качестве модификаторов переходных металлов в количестве
1-20 мас.%;

использование в качестве водорастворимых NH-содержащих реагентов
карбамида, бикарбоната аммония и др. или их смесей;

пропускание окисленных газов перед второй стадией обработки через
теплообменник и охлаждение их до точки росы;

впрыскивание перед второй стадией обработки в поток очищаемого газа воды
или водных растворов восстановителей в количестве 50-100 г/м3, содержащих
50-400 г/л реагентов.

На первой стадии для дожигания токсичных продуктов используется
эффективный катализатор полного окисления на блочном носителе.

На второй стадии для нейтрализации NOx используется метод
низкотемпературного селективного восстановления водорастворимыми соединениями,
введенными на поверхности второго слоя катализатора на носителе.

Для реализации двухстадийного способа очистки предложено использовать
блочные носители и катализаторы повышенной пористости с параллельными каналами
сотовой регулярной структуры и газопроницаемыми стенками между каналами для
фильтрации газа.

Преимуществом используемых носителей на основе глинозема, кордиерита,
цеолитов (природных и синтетических) является сочетание высоких прочностных
характеристик сотовых блоков и пористостью стенок каналов (50-70%), что
позволяет использовать их в качестве эффективных катализаторов и
фильтров-катализаторов (табл. 1, 2, 3).

Для осуществления 1-й стадии необходимо сочетание эффективной
окислительной способности и стабильности. Этими свойствами обладают
термостойкие многокомпонентные оксиды со структурой типа перовскита следующего
состава ABO3, где A — редко- и щелочноземельные элементы; B — переходные
элементы, например, не содержащие благородных металлов.

В значительном числе публикаций отмечаются их уникальные каталитические,
термические и электрофизические свойства, причем эффективность их в реакциях
окисления CO, HC сравнима с платиновыми катализаторами [17, 18].

Отличительной особенностью данного способа является использование
сочетания высоких каталитических, электро- и теплопроводных свойств этих
материалов. Будучи нанесены на пористый керамический блок или экструдированы в
виде сотовых керамических структур, перовскиты с высокой металлической или
полупроводниковой проводимостью придают керамическому блоку электропроводящие
свойства.

Таким образом, нанесенный каталитический блок или сажевый фильтр
становятся проводящими с удельным сопротивлением 0,1-2 км/см и могут быть нагреты
на 100-300oC электрическим током. В результате эффективность
терморегулируемого катализатора резко возрастает, и газоочистка может
проводиться уже на холодном двигателе. Результаты работы такого каталитического
дожигателя представлены в табл. 3.

Положительной особенностью данного способа является возможность
осуществлять очистку бензиновых и дизельных выхлопных газов от CO, HC, а при
использовании фильтра для улавливания твердых аэрозольных частиц с нагреваемым
катализатором и дополнительную очистку от сажевых частиц и полиорганических
соединений со степенью очистки 80-90%.

В результате решается основная задача DeNOx, т.к. улавливание и
нейтрализация NO протекают наиболее трудно.

В этом заключается новизна и логическая связь стадий данного способа
очистки. Поэтому способ относится к комплексной очистке газовых выбросов, где
наряду с дожиганием в комплексе решается задача удаления наиболее токсичных
компонентов — оксидов азота.

Чтобы устранить недостатки известных вариантов метода СНВ и добиться
новых положительных результатов очистки, на 2-й стадии способа были внесены
следующие существенные изменения.

. Заменяли гранулированный слой носителя на монолитные механически более
прочные кислото- и влагостойкие блоки, что позволяет увеличить ресурс очистной
системы (табл. 4).

. Сотовые высокопористые блочные носители не только предотвращают
забивание реактора, но и значительно снижают газодинамическое сопротивление,
что позволяет увеличить линейную скорость потока с 0,1-0,3 м/с [10] до 1,5-2,0
м/с без снижения эффективности, а следовательно, сократить габариты установки
(табл. 5).

. Высокая плотность каналов адсорбента-нейтрализатора дает возможность
увеличить поверхность контакта с очищаемым газом и, как следствие,
эффективность очистки (табл. 4, 5).

. Осуществление непрерывной разбрызгивающей подачи раствора
восстановителей или воды в виде тумана, дополнительно улавливающих оксиды
азота, способствует их нейтрализации на поверхности пористого носителя (табл.
6).

. Введение модифицирующих добавок в цеолиты в виде переходных металлов
(меди, железа, марганца и др., 1-20 мас. %) способствует адсорбции и окислению
части монооксида азота в диоксид и тем самым в дополнении к окислению на первой
стадии облегчает его улавливание и нейтрализацию.

Таким образом, в данном
способе задача более полной нейтрализации NO решается с помощью двух
катализаторов на основе перовскитов на 1-й стадии и модифицированных цеолитов
на второй стадии. Необходимость использования катализаторов оправдывается
возможным повышением температуры на 1-й стадии (выше 400oC), когда
полнота окисления оксида азота определяется термодинамикой.

Пример 1. Смесь окисляющегося газа с воздухом, разбавленным азотом (50%),
содержащую монооксид углерода (1%CO) или пропилен (2%), или метан (3%), или 0,1
NO пропускали через реактор, содержащий 45 мл блочного сотового катализатора,
нанесенного на пористую керамику на основе глинозема (Г), кордиерита (К) или
цеолита (Ц), характеристики которых представлены в табл. 1.

Нанесенные образцы содержали 20-30% катализатора (100-150 г/л), введенного
в поры носителя совместно с пластификатором и связующим методом вакуумной
пропитки. Перовскитные катализаторы готовились разложением нитратов или
соосажденных гидроксидов соответствующих металлов при 900oC.

Объемная скорость потока газа составляла 5000 ч-1, температура
устанавливалась с помощью внешней печи или с использованием проводящего
блочного нагревателя-катализатора. Использовался хроматографический анализ
газов. В табл.2 представлены результаты каталитической эффективности
превращения, выраженные в температурах достижения 90% и 50% конверсии (в
скобках).

Пример 2. Иллюстрирует очистку дизельных газов судового двигателя Л-160,
Шкода (6ЧНСП 16/22, 5, мощностью 140 кВт). На 1-й окислительной стадии блочный
катализатор и фильтр располагались после турбины и исследовались при
температуре отходящих газов — 190oC (без подогрева)

, а также при 300
и 400oC с использованием нагревателя-катализатора. На второй стадии
после охлаждения газов в теплообменнике до 30-40oC исследовались два цеолитных
блочных катализатора. В табл. 3 представлены степени конверсии токсичных
продуктов выхлопных газов дизельного двигателя при различных температурах 1-ого
слоя блочного (Б.) катализатора.

В табл. 3 приведены усредненные результаты за несколько часов работы (при
оборотах двигателя 5500-7500 об/мин) в начальный период и в скобках через 20 ч
работы системы очистки.

Пример 3. Преимущества, подтверждающие высокие прочностные характеристики
блочных носителей и катализаторов в предлагаемом способе улавливания оксидов
азота раствором карбамида, представлены в табл. 4. Степень разрушения носителей
в реакторе с высотой слоя 120 мм определяли по фракционированному анализу
гранул носителя размером 2 мм и монолитных блоков после проведения
последовательных циклов введения раствора восстановителей, осушки носителей и
проведения реакции восстановления NO2.

Таким образом, при использовании блочных катализаторов на высокопрочных
керамических пористых носителях и применении смеси восстанавливающих веществ
(карбамид бикарбонат аммония, 1:1) существенно повысится ресурс работы
нейтрализатора оксидов азота.

Пример 4. Сопоставление данных по эффективности очистки от оксидов азота
на различных носителях и катализаторах после предварительной окислительной
стадии и охлаждения газов ниже точки росы (высота слоя носителя 120 мм,
температура реакции 30oC, обработка раствором карбамида, 200 г/л).

Предлагаемый способ позволяет таким образом решить главную задачу
изобретения — добиться высокой эффективности и стабильности газоочистки.

Пример 5. Влияние на эффективность очистки подачи воды или раствора
карбамида путем впрыскивания в поток газов. Предварительно окисленные на первой
стадии газы (NOx 0,1 мг/л) охлаждались до 30-40oC и на второй стадии
восстановления перед катализатором-адсорбентом впрыскивалась вода или раствор
восстановителей 50-100 г/м3 (концентрация раствора 200 г/л).

Носитель, катализатор — конверсия оксидов азота, %

Б. цеолит 6 без 1-ой стадии, охлаждения и впрыскивания — 70

Б. цеолит 6 без впрыскивания — 93

Б. цеолит 6, 50 г воды/м3 — 98

Б. цеолит 6, 50 г раствора/м3 — 98

Б. цеолит 7 без впрыскивания — 92

Б. цеолит 7, 100 г раствора/м3 — 97

Табл. 6 дополнительно иллюстрирует необходимость использования в
предлагаемом способе очистки совокупности операций: двухстадийной очистки,
охлаждения газов и впрыскивания водного раствора восстановителей. При этом
обеспечивается непрерывное и постоянное введение реагентов и снижение
температуры процесса.

Сопоставительный анализ данного способа с разделением стадий окисления и
восстановления и сочетанием каталитических и некаталитических реакций по
сравнению с известными способами и прототипом показывает большую эффективность,
полноту и стабильность предлагаемого энергосберегающего способа очистки.

Способ очистки воздуха от токсичных компонентов и фильтрующий
модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов

Имя патентообладателя: ООО «Экоспецстройснаб»

Адрес для переписки: 101000, Москва, ул. Мясницкая, 13, ООО
«Экоспецстройснаб» (ЭССС)

Дата начала действия патента: 2000.11.21

Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от
загрязняющих веществ и может быть использовано для систем очистки от токсичных
компонентов выхлопных газов. Предложены способ очистки воздуха от токсичных
компонентов, включающий пропускание очищаемого воздуха через фильтр, улавливающий
твердые частицы и аэрозоли, и через слой сорбента в фильтрующем модуле, через
слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и
меди, при этом очищаемый воздух перед подачей в фильтрующий модуль нагревают до
температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину T = 5-30º,
и фильтрующий модуль для
очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов, включающий
цилиндрический корпус и расположенный в нем слой сорбента и слой
окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди,
при этом слой катализатора выполнен в виде полого цилиндра, а слой сорбента,
поглощающего углеводороды и другие органические соединения, размещен внутри
цилиндрического каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с
корпусом.

Описание изобретения

Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от
загрязняющих веществ и может быть использовано для систем очистки от токсичных
компонентов выхлопных газов выбрасываемой в атмосферу вентиляционной вытяжки из
многоэтажных, наземных и подземных гаражей-стоянок закрытого типа, станций
техобслуживания, автодорожных тоннелей, складских помещений и терминалов с
заездом внутрь автомобильного транспорта, а также для очистки приточной
вентиляции помещений в случае забора воздуха в местах его высокого загрязнения
выхлопными газами бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания.

Главными загрязняющими веществами воздуха для рассматриваемых объектов с
концентрациями, существенно превышающими ПДК, являются окись углерода СО,
оксиды азота NO и NO2, углеводороды и другие органические соединения, двуокись
серы SO2, а также аэрозоли и частицы сажи и пыли.

Известны установки и способы для очистки (регенерации) воздуха в закрытых
помещениях для очистки воздуха, подаваемого в помещения, от загрязняющих
веществ, присутствующих в повышенных концентрациях в атмосфере в местах его
забора, и для очистки воздушно-газовых смесей, являющихся отходящими газами
различных производств и ТЭЦ и автомобильного выхлопа.

Например, известны способы очистки отходящих газов различных производств,
в частности, образующихся при плазменной обработке материалов, содержащих
оксиды азота, углерода и пр. (RU, патент 2035976, кл. B 01 D 53/02, 1995), или
для очистки воздуха от свинца, олова, канифоли и других соединений, выделяющихся
при электротехнических работах (RU, патент 2112587, кл. B 01 D 53/02, 1998).

Способы предусматривают адсорбцию загрязняющих веществ специальными
сорбентами. Способы непригодны для очистки воздуха от окиси углерода, так как
она не адсорбируется на используемых в этих способах сорбентах.

Широко известен способ очистки выхлопных газов двигателей внутреннего
сгорания путем глубокого каталитического окисления окиси углерода и
углеводородов с их превращением в углекислый газ и воду, а также способ
каталитического восстановления окислов азота до азота на базе проведения
реакций на поверхности катализаторов.

Аналогичный способ применяется для очистки отходящих газов различных
производств и ТЭЦ. Разработанные на основе этого способа нейтрализаторы
выхлопных газов устанавливаются в настоящее время практически на всех
зарубежных автомобилях и на автомобилях некоторых отечественных марок.

Соответствующие устройства очистки отходящих газов широко используются для
оборудования промышленных установок. Все эти способы и устройства предполагают
протекание каталитических реакций при высоких температурах (200-400oC)
и, как правило, с использованием дорогостоящих катализаторов на основе
благородных металлов (платина, родий, палладий).

Наиболее близким к предлагаемому способу очистки воздуха от токсичных
компонентов по технической сущности является способ очистки воздуха, описанный
в патенте (ЕР 0438282 B1, кл. B 01 D 53/04, 1991), посвященном производству
особо чистого азота из воздуха для нужд электронной промышленности.

Удаление паров воды из воздуха на 1-й стадии очистки осуществляют сначала
путем его сжатия до 10 атм. с разогревом с последующим охлаждением и отделением
жидкой воды, затем путем пропускания воздуха через слой сорбента, поглощающего
воду и CO2 (окись алюминия, силикагель, цеолиты и их комбинация).

Очистку
воздуха от СО (вторая стадия) осуществляют пропусканием воздуха (после
обезвоживания) через слой окислительно-восстановительного катализатора типа
гопкалита на основе окислов переходных металлов (никель, марганец и медь),
работающих при низких температурах (-20 — 50oC) (по прототипу при
5-20oС)

, при этом СО превращается в CO2. Для очистки от водорода
воздух пропускают через слой катализатора на основе нанесенного палладия (для
превращения H2 в H2O). Затем воздух повторно пропускают через новый слой
сорбента, поглощающего воду и CO2. Из очищенного таким образом воздуха затем
выделяют чистый азот. Производительность способа очистки воздуха 8,4 м3/час.

Существенными недостатками способа-прототипа являются его сложность,
высокая энергоемкость и очень низкая производительность, что делает его неприемлемым
для очистки больших объемов воздуха. Важно отметить, что при очистке воздуха от
токсичных компонентов не требуется удаления из воздуха паров воды, CO2 и
водорода, так как вода и CO2 нетоксичны, а водород присутствует в воздухе в
чрезвычайно малых концентрациях (5·10-5 об. %).

В способе-прототипе удаление
воды на первой стадии очистки помимо решения задачи получения высокочистого
воздуха позволило избежать отравления парами воды
окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов переходных металлов,
так как известно, что такие катализаторы (в том числе гопкалит) резко снижают
каталитическую активность под воздействием адсорбируемой на его поверхности
воды (см.

Рефераты:  Лирические отступления в романе А.С. Пушкина Евгений Онегин. Сочинение. Литература. 2009-01-12

Для высокообъемных газовых потоков (порядка 500-600 м3/час — в прототипе
8,4 м3/час) путь, выбранный в прототипе, неприемлем. Например, объемная емкость
окиси алюминия составляет от 0,07 до 0,1 мг-экв/г, а установка компрессора и
другого необходимого оборудования дополнительно усложняет и удорожает процесс.

Окислительно-восстановительный катализатор отравляется также и органическими
соединениями, в частности углеводородами. В способе-прототипе не предусмотрена
очистка воздуха от органических соединений, так как их концентрация в воздухе
невелика, тем не менее, это привело к необходимости периодической регенерации
или замены катализатора, что также усложняет и удорожает процесс, а при очистке
воздуха, содержащего углеводороды и другие органические соединения в больших
количествах, катализатор будет отравляться очень быстро и необратимо.

Наиболее близким к предлагаемому фильтрующему модулю для очистки воздуха
от газообразных токсичных компонентов является фильтрующий модуль
(фильтр-поглотитель см. Установка ФП-300; Техническое описание и инструкция по
эксплуатации; ВД 250.503.000 ТО, К-6583), предназначенный для очистки воздуха,
подаваемого в закрытые помещения, в которых находятся люди, от загрязняющих и
отравляющих веществ различного происхождения.

Известный фильтрующий модуль (фильтр-поглотитель ФП-300) представляет
собой цилиндрический корпус с размещенными в нем по ходу воздушного потока
противоаэрозольным фильтром (для очистки воздуха от пыли, дыма и т.п.) и слоем
сорбента, выполненного в виде полого цилиндра и расположенного вдоль боковых
стенок корпуса модуля.

Сорбирующий слой в фильтрующем модуле выполнен из
активного хемосорбента, который во время прохождения через него загрязненного
воздуха способен адсорбировать токсичные компоненты и удерживать их. Активный
хемосорбент имеет специфические свойства, обеспечивающие удержание на его
поверхности ряда отравляющих веществ за счет протекания химических реакций с
веществом хемосорбента.

Известный фильтрующий модуль отличается высокой
производительностью вследствие высокой химической активности и
газопроницаемости хемосорбента: объемный расход воздуха через установку в
рабочем режиме очистки — 600 м3/час, при объединении 2 и 3 фильтрующих модулей
в одну установку — 1200 и 1800 м3/час, соответственно.

Однако данный
фильтрующий модуль не рассчитан на очистку воздуха, содержащего большие
количества окиси углерода, окислов азота и углеводородов, поскольку был
предназначен для извлечения высокотоксичных веществ иной природы при их малых
исходных концентрациях.

Задачей изобретения является создание более простого и дешевого способа
очистки воздуха от токсичных компонентов, который позволит существенно повысить
производительность процесса при высокой эффективности очистки воздуха,
содержащего большие концентрации окиси углерода, окислов азота, углеводородов и
других органических соединений, уменьшить энергозатраты и избежать
необходимости периодической регенерации катализатора.

Задачей изобретения является также разработка фильтрующего модуля для
очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов, в частности
вентиляционных выбросов из закрытых помещений от токсичных компонентов
выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, обладающего высокой
производительностью и высокой эффективностью очистки воздуха.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:

способом очистки воздуха от токсичных компонентов, включающим его
пропускание через слой сорбента, а затем через слой
окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди,
в котором перед пропусканием воздуха через слои сорбента и катализатора его
отфильтровывают от твердых частиц и аэрозолей, а затем нагревают до
температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину T, равную
5-30oC, а в качестве сорбента используют сорбент, поглощающий
углеводороды и другие органические соединения.

В качестве сорбента можно использовать активированный уголь.

В качестве катализатора можно использовать гопкалит.

Слой сорбента и слой катализатора можно поместить в фильтрующий модуль.

Фильтрующим модулем для очистки воздуха от газообразных токсичных
компонентов, включающим цилиндрический корпус и расположенный в нем слой
сорбента, причем в фильтрующем модуле содержится дополнительный слой окислительно-восстановительного
катализатора на основе окислов марганца и меди, при этом слой катализатора
выполнен в виде полого цилиндра, а слой сорбента, поглощающего углеводороды и
другие органические соединения, размещен внутри каталитического слоя, и оба слоя
установлены коаксиально с корпусом.

Слои сорбента и катализатора могут быть отделены друг от друга инертным
разделительным слоем.

Слой сорбента может быть выполнен из активированного угля.

Слой катализатора может быть изготовлен из гопкалита.

Фильтрующий модуль может дополнительно содержать блок принудительного
нагревания очищаемого воздуха.

Главным отличием предлагаемого способа от известного (прототипа) является
принципиально иной путь решения проблемы предотвращения отравления катализатора
на основе окислов переходных металлов парами воды. В прототипе воду из воздуха
удаляют перед пропусканием через катализатор.

В предлагаемом способе отравление
катализатора водяными парами предотвращается небольшим повышением температуры
очищаемого воздуха относительно температуры воздуха окружающей среды, что
приводит к относительному смещению адсорбционно-десорбционного равновесия на
поверхности катализатора и существенно предотвращает конденсацию на нем водяных
паров.

Специально проведенные нами экспериментальные исследования, направленные
на изучение адсорбционно-десорбционных процессов на поверхности катализатора и
влияния на них температуры и влажности очищаемого воздуха, показали, что при
нагревании воздуха, поступающего на катализатор, адсорбционно-десобционное равновесие
на поверхности катализатора смещается в сторону десорбции с нее молекул воды,
что позволяет беспрепятственно протекать на поверхности катализатора
окислительно-восстановительным процессам.

Важным результатом наших исследований
было установление того факта, что при нагревании очищаемого воздуха наиболее
важной характеристикой является не сама температура нагретого воздуха, а
разность температур T между температурой нагретого воздуха и температурой
воздуха, поступающего в систему очистки из внешней среды.

Хотя очевидно, что
чем выше T, тем больше смещение равновесия в сторону десорбции воды с
поверхности катализатора, и тем больше его устойчивость к воздействию влаги
воздуха, однако степень нагрева не может быть сколь угодно большой из
соображений экономии энергии, расходуемой на нагрев.

Минимальная допустимая
величина нагрева T зависит от температуры и влажности воздуха, поступающего в
систему очистки, и от свойств катализатора. При использовании в качестве
катализатора окислов меди, марганца, их смеси или готового катализатора
гопкалита воздух, подаваемый на катализатор, должен иметь температуру на 5-30oC
выше, чем температура воздуха окружающей среды.

Гопкалиты — общее название нескольких марок катализаторов, содержащих
окислы марганца, меди и др.

Разработанный нами принципиально новый путь предотвращения отравления
катализатора парами воды в предлагаемом способе позволил существенно упростить
процесс и снизить его энергоемкость.

Другим отличием предлагаемого способа от прототипа является наличие операции
предочистки (до пропускания воздуха через слой катализатора) от углеводородов и
других органических соединений пропусканием очищаемого воздуха через слой
сорбента, поглощающего эти соединения.

Пропускание очищаемого воздуха через
слой сорбента позволяет не только осуществлять очистку воздуха от углеводородов
и других органических соединений, являющихся токсичными компонентами, но и
предотвращать протекание в каталитическом слое реакций превращения этих
органических соединений, предохраняя тем самым катализатор от отравления, то
есть введение этой операции в предлагаемый способ позволило повысить
эффективность очистки воздуха и избежать стадии регенерирования катализатора.

Слой сорбента и слой катализатора удобно поместить в фильтрующий модуль.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом: поступающий в систему
очистки воздух предварительно очищают на фильтре, улавливающем твердые частицы
и аэрозоли, затем нагревают в блоке принудительного нагревания до температуры,
которая превышает температуру окружающего воздуха на величину T = 5-30ºC,
и затем подогретый
воздух последовательно пропускают через сорбционный и каталитический слои,
после чего очищенный воздух поступает на выход.

Предлагаемый способ позволяет, по сравнению с прототипом, существенно повысить
производительность очистки (не менее 600 м3/час), упростить процесс, снизить
энергозатраты и избежать необходимости периодической регенерации катализатора.
Способ обеспечивает высокую эффективность очистки воздуха — достигается
десятикратное снижение концентрации вредных компонентов в вентиляционных
выбросах гаражей.

Отличием предлагаемого фильтрующего модуля от известного (прототипа)
является наличие в нем дополнительного каталитического слоя, выполненного из
окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди.
Снабжение фильтрующего модуля дополнительным каталитическим слоем, в котором
протекают реакции окисления СО до CO2 и восстановления окислов азота до
молекулярного азота при низких температурах (-20 — 50oC), позволило
эффективно очищать воздух от указанных токсичных веществ при сохранении высокой
производительности модуля.

Отличием является также то, что содержащийся в предлагаемом фильтрующем
модуле слой сорбента выполняет двойную функцию: благодаря адсорбции на нем углеводородов
и других органических соединений, во-первых, осуществляется очистка воздуха от
органических токсичных веществ, и во-вторых, предотвращается попадание этих
органических веществ на катализатор и протекание на нем реакций их превращений,
что предохраняет каталитический слой от отравления.

Как уже отмечалось, катализаторы на основе окислов переходных металлов
легко адсорбируют на своей поверхности пары воды, что резко снижает
каталитическую активность. При эксплуатации предлагаемого фильтрующего модуля
возможны следующие пути решения проблемы сохранения активности катализатора.

Первый путь — наиболее распространенный — замена каталитического слоя
после определенного срока работы фильтрующего модуля. Продолжительность срока
сохранения катализатором высокой активности будет зависеть от влажности
воздуха, его температуры и природы катализатора.

Второй путь, использованный в способе очистки воздуха, описанном в ЕР
0438282 B1, — удаление воды из воздуха перед пропусканием его через фильтрующий
модуль. На сегодняшний день для больших объемов воздуха такой путь практически
непригоден.

Третий путь — наиболее эффективный — снабжение предлагаемого фильтрующего
модуля дополнительным элементом — блоком принудительного нагревания очищаемого
воздуха, что позволяет избежать периодической замены каталитического слоя и, в
то же время, не требует операции удаления воды из очищаемого воздуха.

Предлагаемый фильтрующий модуль предназначен для очистки воздуха от
газообразных токсичных компонентов. Если очищаемый воздух загрязнен твердыми
частицами и аэрозолями, его перед подачей в фильтрующий модуль пропускают через
фильтр, улавливающий такие примеси.

Предлагаемый фильтрующий модуль состоит (см. фиг.) из цилиндрического
металлического корпуса (1) с крышкой (2) и дном (3). Корпус имеет три отверстия
диаметром условного прохода 150 мм: два торцевых (4), для входа, и одно боковое
(5), для выхода воздуха.

Одно из торцевых отверстий может либо закрываться
заглушкой (6), либо, при необходимости, подсоединяться к соседнему модулю. В
корпусе (1) помещаются сорбент (7), катализатор (8), разделительные
перфорированные перегородки (9). Выходное отверстие (5) соединяется с патрубком
для выхода воздуха (10). С помощью эластичных муфт (11) несколько модулей при
необходимости соединяются между собой.

Адсорбционный (7) и каталитический (8) слои выполнены в виде полых
цилиндров, при этом слой сорбента размещен внутри каталитического слоя, и оба
слоя установлены коаксиально с корпусом.

Предлагаемый фильтрующий модуль работает следующим образом. Через входное
отверстие (4) воздух поступает в полое пространство модуля и последовательно
проходит сначала через сорбционный слой (7) и затем через каталитический слой
(8), после чего через боковое отверстие (5) поступает на выход.

Предлагаемый фильтрующий модуль обеспечивает высокую эффективность
очистки воздуха (достигается десятикратное снижение концентрации газообразных
токсичных компонентов в вентиляционных выбросах гаражей) при производительности
600 3/час на один модуль.

Формула изобретения

1. Способ очистки воздуха от токсичных компонентов, включающий его
пропускание через слой сорбента, а затем через слой
окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди,
отличающийся тем, что перед пропусканием воздуха через слои сорбента и катализатора
его отфильтровывают от твердых частиц и аэрозолей и затем нагревают до
температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину T, равную
5-30oC, а в качестве сорбента используют сорбент, поглощающий
углеводороды и другие органические соединения.

. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют
активированный уголь.

. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве катализатора
используют гопкалит.

. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что слой сорбента и слой
катализатора помещают в фильтрующий модуль.

. Фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных
компонентов, включающий цилиндрический корпус и расположенный в нем слой
сорбента, отличающийся тем, что он содержит дополнительный слой
окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди,
при этом слой катализатора выполнен в виде полого цилиндра, а слой сорбента,
поглощающего углеводороды и другие органические соединения, размещен внутри
каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с корпусом.

. Фильтрующий модуль по п.5, отличающийся тем, что слои сорбента и
катализатора отделены друг от друга инертным слоем.

. Фильтрующий модуль по п.5 или 6, отличающийся тем, что слой сорбента
выполнен из активированного угля.

. Фильтрующий модуль по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что слой
катализатора изготовлен из гопкалита.

. Фильтрующий модуль по любому из пп.5-8, отличающийся тем, что он
дополнительно содержит блок принудительного нагревания очищаемого воздуха.

5. Устройства для локальной очистки воздуха над магистралями

Комплекс очистки воздушной среды над транспортной магистралью (патент RU (11) 2115066 (13) C1)

Комплекс очистки воздушной среды над транспортной магистралью
предназначен для снижения содержания вредных газов в крупных городах с
интенсивным движением транспорта. Короба установлены по краям проезжей части
магистрали и соединены трубопроводами с вентилятором и фильтром, а
энергопитание вентилятора осуществляется за счет выступающей части вала за
поверхность транспортной магистрали, способной взаимодействовать с колесами
транспорта, причем вал соединен с генератором вентилятора.

Описание изобретения

Предложение относится к устройствам повышения экологической безопасности
вблизи транспортных магистралей. Предложение может быть использовано
преимущественно в больших городах с интенсивным движением транспорта.
Преимущественное использование предложение имеет вблизи перекрестков, где
наблюдается скопление значительного числа автомашин с работающими двигателями,
что приводит к интенсивному скоплению окиси и закиси углерода, значительно
превышающих предельно допустимую норму и воздействие на окружающих жителей в
домах по обе стороны от проезжей части, а также на пешеходов, скапливающихся на
переходах у перекрестков.

Широко используются газоанализаторы работниками ГАИ для определения
степени загрязнения окружающей среды выхлопными газами путем их установки у
выхлопной трубы и последующей регулировки системы поджига и подачи топлива. По
определению вредных составляющих с помощью прибора газоанализатора, см.

,
например, Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины. / Под ред.
Комарского М.И. — М.: Машиностроение, 1968, с. 228 и 229. Такая регулировка
позволяет снизить в продуктах горения окись углерода и, в идеале, получить
только двуокись углерода, но и она является вредным отравляющим организм газом.

Более близким устройством по конструктивным признакам и достигаемому
эффекту являются технологические процессы по химической обработке деталей
(Справочник металлиста. Т. 3. — М.: Машиностроение, с. 123-135). Практически
все детали долговременного пользования покрываются либо гальванически, либо
лакокрасочным покрытием.

Эта совокупность процессов применяется, например, в
автомобилестроении (автозавод ЗИЛ, АЗЛК, ФОРД и др.). Источники газовыделения
оснащаются коробами над источниками газовыделения с трубопроводами и
вентилятором с источником энергопитания и фильтрами.

К недостаткам известных устройств газоотбора можно отнести:

энергозатраты из централизованной сети энергоснабжения;

охват коробом всей площади газовыделения, что невозможно использовать для
транспортных магистралей.

Целью предложения является устранение указанных недостатков, а именно:

оптимальное размещение коробов для снижения загазованности.

Поставленная цель достигается тем, что короба размещаются над проезжей
частью транспортной магистрали по ее краям в зоне остановки транспорта у
светофоров, а источник энергопитания выполнен в виде по крайней мере одного
вала, установленного перпендикулярно проезжей части транспортной магистрали и
соединенного с генератором вентилятора, причем вал размещен в желобе с уклоном
в сторону сливной магистрали и выступает за верхнюю поверхность транспортной
магистрали.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез транспортной магистрали; на фиг.
2 — разрез по А-А; на фиг. 3 — совмещенная пневмоэлектрическая схема.

Комплекс содержит короба 1 (показано 3 короба: посредине и по краям
проезжей части). Короба выполнены в виде угловых форм с углом, который не
позволяет удерживаться за счет трения снегу. Короба 1 закреплены на
трубопроводах 2 с отверстиями 3 в площади коробов 1.

Концы трубопровода 2
закреплены на осветительных стойках или силовых стойках линий электропередач 4.
Трубопровод 2 у стоек 4 опускается вниз и одним концом соединен с вентилятором
5, а другой конец соединен с фильтром, который выполнен в виде изогнутой части
трубопровода 6 в сливной магистрали 7, причем конец трубопровода 8 расположен
ниже поверхности водной среды 9.

На проезжей части магистрали 10 в желобе 11,
который имеет уклон 12 в сторону сливной магистрали 13, расположен вал 14,
соединенный с генератором 15. Генераторы соединены с блоком распределительным
16, содержащим буферный аккумулятор и соединение с вентилятором 5.

Указанный
блок 16 имеет также выход для отбора аварийного питания 17 для различных целей.
Функционально блок 16 питает постоянным напряжением вентилятор 5, и излишки
электроэнергии отдает либо в сеть города, либо в дополнительные аккумуляторы
для аварийного использования. Разделительная полоса условно показана
выступающей частью 18, как и пешеходная — 19.

Действует комплекс следующим образом. Вентилятор 5 постоянно работает,
если он принудительно не отключен. Воздушный поток проходит через трубопровод 2
и засасывает воздушную массу через отверстия 3. Воздушная масса засасывает с
выхлопными газами, и смесь попадает через изогнутый конец 6 трубопровода,
барботируется через водную среду, и поступает в атмосферу очищенный воздух.

Окись и двуокись углерода будут образовывать кислоты, которые вынесутся водной
средой сливной магистрали 7. Энергия питания генераторов 15 поступает за счет
вращения валов 14 проезжающими автомашинами, а когда нет проезжающих автомашин,
то питание идет за счет блока 16 с аккумулятором.

Замечания к использованию комплекса:

. Валы желательно устанавливать на уклонах-спусках, чтобы отбор энергии
от автомашин был незначительным.

. Летом грязь и пыль через зазоры в желобе 11 будет смываться и через
уклоны 12 попадать в сливные магистрали 13. Даже при засорении силовое
воздействие колеса с поверхностью вала 14 заставит его прокрутиться. Зимой,
когда температура около 0oC, будет происходить такой же процесс.

. Короба 1 должны быть выполнены прозрачными для достаточной освещенности
днем, летом.

. Вдоль короба могут быть установлены трубы с отверстиями 3, чтобы засос
воздушной массы был по большей площади.

. Короба могут быть установлены на всей протяженности возможной длины
«пробки», а на оптимальной длине машин может быть установлена на
коробах 1 общая прозрачная пластина для повышения сбора отработанных газов.

. При жилых домах по сторонам проезжей части до 15 этажей достаточно
иметь два боковых короба, а при высотных домах — не менее трех.

Таким образом, достигается поставленная цель: очистка воздуха от вредных
газов при собственном источнике питания, который способен обеспечить и
аварийное питание каких-либо объектов.

Формула изобретения

Комплекс очистки воздушной среды над транспортной магистралью, содержащий
размещенные над транспортной магистралью короба с трубопроводами, вентилятором
и источником его энергопитания при соединении трубопровода с атмосферой через
фильтр, отличающийся тем, что короба размещены, по крайней мере, по краям
транспортной магистрали преимущественно в зоне остановки транспорта у
светофоров, а источник энергопитания выполнен в виде, по крайней мере, одного
вала, установленного перпендикулярно проезжей части транспортной магистрали и
соединенного с генератором вентилятора, при этом вал установлен в желобе и
выступает за верхнюю поверхность транспортной магистрали.

Литература

Правовая литература

1.
Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 14 марта 2009 года №32-ФЗ. //
Собрание законодательства Российской Федерации, 2002, №2, ст. 133

. Федеральный
закон «Об отходах производства и потребления» от 8 ноября 2007 года №258-ФЗ

. Федеральный
закон «Об экологической экспертизе» от 22 августа 2004 года №122-ФЗ, от 30
декабря 2008 года №309-ФЗ

. Федеральный
закон «Об охране атмосферного воздуха» от 22 августа 2004 года №122-ФЗ, от 9
мая 2005 года №45-ФЗ.

. Повестка
дня на 21 век. Документ ООН

. Мы, народы:
роль ООН в 21 веке. Доклад Генерального секретаря ООН

. Глобальный
зеленый новый курс. Аналитический доклад UNEP 2009 г.

. Конвенция о
биологическом разнообразии

Учебная литература

1. Пузанова Т.А.
Экология. Экономика, 2021.

. Шимова
О.С., Соколовский Н.С. Экономика природопользования. М. ИНФРА — М, 2009.

. Экология и
экономика природопользования. Под ред. Э.В. Гирусова. М. ЮНИТИ-ДАНА, 2021.

. Колесников
С.И. Экологические основы природопользования. М. Издательско-торговая
корпорация «Дашков и К», 2021.

. Фомишин
С.В. Международные экономические отношения. М. Юркнига, 2004.

. Ерофеев
Б.В. Экологическое право. М. ИД «Форум», 2009.

.
Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С., Рейф И.Е. Перед главным вызовом цивилизации.

. Медоуз Д.,
Рандерс Й. Пределы роста. 30 лет спустя. М. Академкнига,07.

. Планета
Земля: будущее. Спб.: Амфора, 2008

. Браун Л.
Экоэкономика: как создать экономику, оберегающую планету. М. Весь Мир 2003.

. И.С.
Ковалева «Экологическое право». Учебное пособие. Курс лекций. — М.: Книжный
мир, 2009 — 144с.

Периодические издания

1.
Коммерсантъ Business Guide №228

. Как помочь
природе. Домашний очаг. Журнал. Август ’08, стр. 136-151

. Экология и
жизнь. Журнал. 1996 — 2009.

Оцените статью
Реферат Зона
Добавить комментарий