То, что отработавшие газы (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (бензиновых, газовых, дизельных) как транспортных средств различного назначения, так и электрогенерирующих установок и спецтехники, содержат загрязняющие атмосферный воздух вещества, хорошо известно. Среди более чем 200 компонентов, содержащихся в отработавших газах ДВС, есть как вредные, так и токсичные.
Известно и то, какой вред окружающей среде и человеку они наносят. Во многих случаях альтернативы использованию ДВС в качестве приводов для электрогенерирующих установок просто нет. Поэтому производителям двигателей и электростанций на их базе, проектировщикам систем энергоснабжения и эксплуатационщикам приходится предусматривать, разрабатывать и использовать различные технологии и оборудование для очистки ОГ, чтобы выполнять требования экологических нормативов.
Согласно «Методике расчёта выделений загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных дизельных установок» (НИИ АТМОСФЕРА, С-Пб, 2000 г.), используемой для оценки воздействия отработавших газов на окружающую среду и расчета величин выбросов загрязняющих веществ при сгорании дизельного топлива в двигателях ДГУ, в ОГ содержатся следующие загрязняющие вещества: оксид углерода; диоксид азота; оксид азота; керосин; черный углерод (сажа); диоксид серы; формальдегид; бенз(а)пирен.
Одними из наиболее значимых нормируемых компонентов в отработавших газах дизелей, например, транспортных средств, «вклад» которых в целом составляет 80-90% вредных выбросов в атмосферу городов, являются сажа и оксиды азота (NOx). Образование NOx обусловлено взаимодействием при высокой температуре в цилиндрах ДВС азота с кислородом воздуха, при этом при температуре выше 1370 °C происходит его резкий рост. Поскольку дизель работает при высокой степени сжатия, то по определенным причинам горение «облака» впрыснутого топлива начинается по краям, там, где оно смешивается с воздухом. Далее уже начинает гореть и его середина, но все равно оно полностью не сгорает и остается немало воздуха, который вступает в реакцию с азотом. Из-за этого также остается и достаточное количество топлива, которому не хватило кислорода для полноценного сгорания, что приводит к появлению NOx, сажи и несгоревших углеводородов.
Оксид азота NO — бесцветный газ, плохо растворимый в воде и достаточно быстро окисляющийся до NO2. Диоксид азота NО2 — газ красновато-бурого цвета, который при больших концентрациях обладает удушливым запахом. По различным оценкам суммарное содержание NOx в ОГ дизельных ДВС доходит до 10%, бензиновых – до 9%, а газовых – до 8%. Оксиды азота представляют серьезную опасность для здоровья человека, причем токсикологический эффект воздействия NОх на человека примерно в десять раз выше, чем у монооксида углерода СО. Небольшие концентрации оксидов азота в атмосфере приводят к постепенному отравлению организма, причем каких-либо нейтрализующих его средств нет. Они воздействуют на слизистые оболочки глаз и носа (при концентрациях в воздухе более 0,0013% NОх действуют как острый раздражитель слизистых оболочек), а также на нервную и сердечно-сосудистую системы человека, кроветворные органы и печень. Оксиды азота, взаимодействуя с парами воды в воздухе, образуют азотистую HNО2 и азотную HNO3 - кислоты, которые разрушают легочную ткань, вызывая хронические заболевания, а при концентрациях 0,004-0,008% могут вызвать отек легких. Наибольшую опасность оксиды азота представляют в качестве активного компонента смога. Так, соединяясь с несгоревшими олефиновыми углеводородами, они образуют токсичные нитроолефины, вызывающие заболевания дыхательных путей и нервные расстройства.
Осознанная необходимость снижения негативного воздействия отработавших газов ДВС обусловила введение и постоянное ужесточение экологических нормативов, которые стимулировали производителей ДВС на совершенствование экологических характеристик создаваемых двигателей и разработку технологий и оборудования для очистки отработавших газов.
В таблице 1 приведены абсолютные нормативные значения, зафиксированные при введении очередных экологических нормативов, устанавливаемых Правилами ЕЭК ООН, для дизелей тяжёлых коммерческих грузовиков (категория транспортных средств N3, предназначенных для перевозки грузов с максимальной массой более 12 т.).
Таблица 1
| Экологический стандарт | Год введения в ЕС | Норматив (г/кВт×ч) | |||
| CO | NOx | CH | PM | ||
| Euro-0 | 1988–1992 | 12.3 | 15.8 | 2.6 | – |
| Euro-I | 1992–1995 | 4.9 | 9.0 | 1.23 | 0.40 |
| Euro-II | 1995–1999 | 4.0 | 7.0 | 1.1 | 0.15 |
| Euro-III | 1999–2005 | 2.1 | 5.0 | 0.66 | 0.1 |
| Euro-IV | 2005–2008 | 1.5 | 3.5 | 0.46 | 0.02 |
| Euro-V | 2008–2012 | 1.5 | 2.0 | 0.46 | 0.02 |
| Euro-VI | 2014–2015 | 1.5 | 0.4 | 0.13 | 0.01 |
Данные, представленные в таблице 1, наглядно показывают, что имеется существенное ужесточение ограничений на выброс нормируемых компонентов в отработавших газах, в том числе и оксидов азота, при этом изменение норм на выбросы оксидов азота при переходе от уровня Euro-III к уровню Euro-IV составило 30%, при переходе от уровня Euro-IV к уровню Euro-V – 42%, а при переходе от уровня Euro-V к уровню Euro-VI – уже 80%.
Универсального решения, обеспечивающего максимальную эффективность очистки ОГ от всех содержащихся в них вредных и токсичных веществ, в силу особенностей физико-химических процессов их образования при сгорании углеводородного топлива, не существует, поэтому, как правило, используются комбинированные системы очистки.
Основными способами, используемыми для снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами ДВС, в настоящее время являются: рециркуляция отработавших газов (EGR - Exhaust Gas Recirculation) и селективная каталитическая нейтрализация (SCR - Selective Catalytic Reduction).
Система EGR, суть работы которой заключается в подаче некоторой части отработанных газов из выпускного коллектора во впускной, хорошо зарекомендовала себя в режиме частичных нагрузок ДВС, однако при этом происходит ухудшение параметров рабочего процесса (снижается удельная мощность и приемистость двигателя), повышение выброса частиц и дымности отработавших газов, вследствие чего падает ресурс сажевого фильтра, сильнее загрязняется моторное масло, повышается требовательность к качеству топлива (опасность перехода серы из топлива в коррозийную серную кислоту), как правило, более интенсивная работа системы охлаждения и повышение расхода топлива в среднем на 3–6%.
Принцип работы системы селективной каталитической нейтрализации основан на химических реакциях взаимодействия оксидов азота и аммиака.
Из бака, предназначенного для содержания восстановителя оксидов азота - водного раствора мочевины, жидкость направляется в форсунку, через которую она впрыскивается в горячий поток отработавших газов. Под воздействием высокой температуры водный раствор мочевины преобразуется: вода переходит из жидкого состояния в газообразное, а мочевина распадается на аммиак NH3 и углекислый газ CO2. Данные преобразования происходят в две стадии и описываются следующими химическими формулами:
(NH2)2CO → NH3 + HNCO
HNCO + H2O → NH3 + CO2
Далее все продукты реакций вместе с потоком отработавших газов попадают в катализатор, где токсичные оксиды азота взаимодействуют с аммиаком, в результате чего в атмосферу уносятся безвредные вещества, являющиеся её естественными компонентами: углекислый газ, азот и пары воды.
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (протекает при температуре более 250°С)
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (протекает при температуре от 170°С до 300°С)
Техническая реализация принципа действия SCR обеспечивается специальным образом создаваемой системой очистки ОГ.
К основным компонентам системы очистки ОГ, реализующей селективную каталитическую нейтрализацию, относятся:
- Бак мочевины
- Управляющий модуль (включает в себя блок управления, насос и фильтр)
- Трубопровод мочевины
- Подогрев бака мочевины
- Форсунка впрыска мочевины
- Датчики температуры ОГ и мочевины, 2NOx
- Окислительный и восстановительный катализатор
Преимущество системы SCR, которая в последнее время получает всё большее распространение, связано с тем, что она не только позволяет добиваться соблюдения требований экологических стандартов Euro-IV и Euro-V, но и сохранить при этом традиционную концепцию двигателей без серьезных изменений в конструкции, т.е. с меньшими затратами. Система SCR, в отличие от EGR, гораздо меньше вмешивается в работу двигателя и имеет срок эксплуатации, сопоставимый со сроком его службы. Фактически все что нужно — это вовремя восполнять расход водного раствора мочевины, что впрочем, составляет дополнительные расходы на эксплуатацию ДВС.
Напоминаем, что ЭКОЭНЕРГОТЕХ готов изготовить систему SCR в соответствии с Вашими требованиями.
