Класифікація пристроїв для очищення відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згоряння від частинок сажі

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАНЇНИ

ЖИТОМИРСЬКИЙ  ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра автомобілів і механіки технічних  систем 
 
 
 

 БАЛЮК Владислав Юрійович 
 

Класифікація  пристроїв для  очищення відпрацьованих газів двигуна  внутрішнього згоряння від частинок сажі 
 

РЕФЕРАТ 

зі спеціальності  05.22.20 – експлуатація  та ремонт засобів транспорту до вступного іспиту в аспірантуру 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Житомир

2010

 

ЗМІСТ

 
 
 

 

ВСТУП

     Природа – цілісна система з безліччю збалансованих зв'язків. Порушення цих зв'язків приводить до зміни сталих у природі кругообертах речовин та енергії. Сучасним суспільством у виробництво й споживання залучається така кількість речовин та енергії, що у сотні разів перевершує біологічні потреби людини. Сьогодні виробнича діяльність людства пов’язана з використанням різноманітних природних ресурсів, які охоплюють більшість сьогодні хімічних елементів. Високий рівень і швидке наростання антропогенного навантаження на навколишнє природне середовище являється основною причиною сучасної екологічної кризи. Самі гострі проблеми даної кризи пов'язані зі станом атмосфери, гідросфери й літосфери.

     На сьогоднішній день зменшення забруднення атмосферного повітря токсичними речовинами, які виділяються промисловими підприємствами та автомобільними транспортом, є однією з найважливіших проблем, які стоять перед людством. Забруднення повітря дуже сильно впливає на людину й навколишнє середовище. Матеріальний збиток, що викликаний забрудненням повітря, важко оцінити, однак навіть за неповним даними він вже є досить великим. Автомобіль не розкіш, а засіб пересування. Без автомобіля сьогодні немислиме існування людства. При інтенсивній урбанізації й рості мегаполісів автомобільний транспорт став самим несприятливим екологічним фактором в охороні здоров'я людини й природного середовища в місті. Таким чином, автомобіль стає конкурентом людини за життєвий простір.

     За  останні десятиліття людство  остаточно переконалося, що першим винуватцем забруднення атмосферного повітря – одного з основних джерел життя на нашій Планеті, є дітище науково-технічного прогресу – автомобіль. Автомобіль, поглинаючи настільки необхідний для протікання життя кисень, разом з тим інтенсивно забруднює повітряне середовище токсичними компонентами, що наносять відчутну шкоду всьому живому й неживому.

     Одним з компонентів у складі відпрацьованих газів автомобіля є сажа. Сажа являє собою аморфне тіло без кристалічних решіток. У відпрацьованих газах дизельного двигуна сажа складається з невизначених часток з розмірами 0,3...100 мкм.

     Причина утворення сажі полягає в тому, що енергетичні умови в циліндрі дизельного двигуна виявляються недостатніми, щоб молекула палива зруйнувалася повністю. Більш легкі атоми водню дифундують у багатий киснем шар, вступають із ним у реакцію і «ізолюють» інші вуглеводневі атоми від контакту з киснем.

     Вплив частинок сажі на організм людини розкрито ще неповністю, але точно відомо, що перебуваючи у зваженому стані, вони абсорбують на своїй поверхні найсильніші канцерогенні речовини (бенз(а)пірен), що надзвичайно небезпечно для людського організму. У зв'язку з цим норми викидів сажі у відпрацьованих газах постійно стають жорсткішими.

     Розроблено  безліч способів та пристроїв для рішення завдання по зниженню концентрації сажі у відпрацьованих газах автомобілів і промисловості в цілому. На сторінках даного реферату буде проведено аналіз найбільш відомих винаходів і патентів по цій темі, а також виведена їх класифікація. Даний аналіз та класифікація із зазначенням позитивних та негативних показників різних типів пристроїв дадуть змогу правильно обрати шлях для створення нових способів та пристроїв для очищення відпрацьованих газів ДВЗ від сажі, а також можуть слугувати хорошим посібником для людей, які тільки починають ознайомлюватись з даним питанням. 

 

 

1. Короткий  аналіз пристроїв  для очищення газів  від дисперсних частинок у промисловості

     Другим  після автотранспорту забруднювачем  атмосфери є промисловість великих міст. До складу її викидів крім сажі також входить велика кількість і інших зважених частинок – пилу. Тому приступити до вивчення способів і пристроїв очищення відпрацьованих газів автомобілів без аналізу пристроїв очищення промислових газів від пилу й сажі через її більш ранній розвиток буде неправильним.

     Перші спроби обмежити забруднення повітряних просторів великих міст відносяться ще до початку середніх віків. Законодавчі заходи, що видавалися під тиском громадськості, протягом тривалого часу носили паліативний характер. На зорі промислового виробництва на початку XIX століття потужні клуби диму, що виривалися з фабричних труб й обплутували темною завісою міста, розглядалися як свого роду індекс виробництва й свідчили про процвітання країни. У результаті бурхливий розвиток промисловості з безплановим розміщенням промислових підприємств вже в середині позаминулого століття приводило до створення для населення зовсім нестерпних умов.

     Із  часом відповідне законодавство  обмежило граничну концентрацію пилу та сажі в повітряних викидах, що позитивно вплинуло на стан атмосферного повітря.

     Однак з укрупненням промислового виробництва  зросла абсолютна кількість дисперсного матеріалу, що викидався. Ця обставина, а також складність контролю над дійсною забрудненістю повітряних викидів й, у першу чергу, недосконалість пристроїв для уловлювання забруднювачів сприяють великому забрудненню атмосферного повітря.

     Перший  патент на конструкцію пиловловлювача-циклона був виданий в 1880 р., а перший електрофільтр був побудований тільки в 1906 р. Сьогодні існує й застосовується на практиці велика кількість пристроїв для очищення викидів різної конструкції, дія яких заснована на використанні різних фізичних принципів. За принципом дії дані пристрої можна розділити на чотири групи: гравітаційні, інерціонні (сухі та мокрі), вловлювачі й фільтри контактної дії, електричні вловлювачі й фільтри [1]. Існує також багато різновидів «мокрих» фільтрів, в яких дисперсні забруднювачі поглинаються рідкими плівками або відокремлюється при промиванні газів рідинами.

     Гравітаційні  вловлювачі діють на принципі використання гравітаційних сил, або сил ваги, що зумовлюють осідання з повітря дисперсних часток. На цьому принципі заснований устрій камери пилоосідання.

     Інерціонні вловлювачі (сухі та мокрі) діють на принципі використання інерційних сил, що виникають при зміні напряму руху забрудненого повітряного або газового потоку. До таких пристроїв відносяться циклони різноманітної конструкції, відцентрові скруббери та циклони-промивачі, струминні вловлювачі типу ротоклон і вловлювачі Вентурі.

     Вловлювачі  й фільтри контактної дії затримують дисперсні частинки при пропущенні забрудненого повітря або газу через сухі або змочені пористі матеріали: тканину, шар синтетичних волокон, папір, дротяну сітку, шари зернистих матеріалів, керамічних і металевих кілець тощо.

     Електричні  вловлювачі й фільтри очищають повітря (або газ) від зважених у ньому часток (пил, туман, сажа) шляхом їх іонізації  при проходженні через електричне поле.

     Найбільш широко використовувана апаратура для виділення механічних домішок з газів представлена на рисунку 1, де наочно показана область застосування того або іншого типу апарата залежно від дисперсного складу часток, які вловлюються. Необхідність у такій великій кількості типів поглиначів пояснюється різноманіттям умов вловлювання.

Рис. 1. Діапазон застосування різних апаратів залежно  від розміру дисперсних часток

     Звертає на себе увагу те, що для вловлювання високодисперсних аерозолів (розміром менше 1 мкм) використовуються в основному фільтри контактної дії. Такі апарати вимагають періодичної заміни фільтруючого матеріалу й розраховані на малі концентрації дисперсної фази при малій швидкості фільтрації, тобто мають порівняно малу продуктивність й економічно дорогі. Головним недоліком таких фільтрів є зміна в часі продуктивності, гідравлічного опору й ефективності вловлювання. Тому не завжди представляється можливим з повною вірогідністю оцінити їхню працездатність. Крім того, слід зазначити, що існують труднощі добування з фільтруючого матеріалу осаджених аерозольних часток, що необхідно, наприклад, в установках, призначених для контролю навколишнього середовища, з метою проведення подальших аналізів, а також складність експлуатації при вловлюванні аерозолів, що містять отруйні, радіоактивні, займисті й інші шкідливі й небезпечні речовини.

     Електричні  фільтри відрізняються незначним  гідравлічним опором, досить високою  ефективністю вловлювання й надійністю роботи. Однак для вловлювання  в цих апаратах аерозольних часток розміром менш 1 мкм необхідна ретельна підготовка газів, які очищаються: попереднє (грубе) очищення, зволоження й охолодження газів, а також укрупнення зважених частинок. Це в свою чергу значно ускладнює схеми очищення.

     У теорії та практиці електростатичного осадження доказано, що сучасні електрофільтри не можуть забезпечити ефективність близьку до 100%, тому що не всі дрібні частки досягають електродів-осаджувачів через малу швидкість їхнього дрейфу та турбулентності газового потоку, а великі частки легко зриваються зі стінок і несуться потоком. Слід зазначити, що деякі продукти мають такі фізичні властивості, які виключають можливість ефективного вловлювання їхніх зважених часток в електрофільтрах. Прикладом тому є активна сажа, легка за вагою, що має дуже малий питомий електричний опір.

     Отже  представляється доцільним, використовуючи підготовку газу перед електрофільтрами, забезпечити осадження укрупнених часток у більш простих та економічних апаратах, наприклад, мокрого типу. В останні роки значний розвиток у вітчизняній промисловості та за рубежем одержали мокрі способи очищення.

     Апарати мокрого очищення, застосовувані в промисловості, мають наступні переваги.

     По-перше, вони мають більш високу ефективність уловлювання дисперсних частинок у порівнянні із сухими механічними апаратами. Деякі типи мокрих фільтрів (скруббери Вентурі) можуть бути застосовані для часткового очищення газів від високодисперсних часток.

     По-друге, мокрі фільтри можуть не тільки успішно  конкурувати з такими високоефективними  пиловловлювачами, як волокнисті та тканинний фільтри, але й використовуватися в тих випадках, коли останні не можуть бути використані, наприклад, при високій температурі й підвищеній вологості газів, при небезпеці загоряння й вибуху газів, які очищаються, або частинок, що уловлюються.

     По-третє, апарати мокрого очищення газів  одночасно зі зваженими частками можуть уловлювати пароподібні й  газоподібні компоненти.

     Недоліками даних фільтрів є складність реалізації даного способу очищення й залучення додаткового рідинного фільтрування робочого тіла.

     У ряді випадків вибір очисного обладнання визначається обсягом газу, що очищається, і техніко-економічними обґрунтуванням. Наприклад, фільтри з матерії та електрофільтри застосовуються, як правило, у тих випадках, коли вартість матеріалу, що вловлюється, окупає витрати на їх обладнання. Та потрібно не забувати, що обсяг цих фільтрів такий великий, що їхнє використання часто пов'язане з будівництвом спеціальних приміщень.