Улучшение экологических показателей дизеля за счет добавления к основному заряду водородосодержащих газовых смесей

Защита окружающей среды и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов являются важнейшими мировыми проблемами. Одним из источников загрязнения природной среды все в большей степени становятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Ежегодно с отработавшими газами (ОГ) двигателей в атмосферу поступает более 10 миллионов тонн загрязняющих веществ. В большинстве стран проблема снижения выбросов с ОГ ДВС в настоящее время выросла до «уровня неотложных социально-экономических проблем. Одновременно с этим по-прежнему остается актуальной проблема снижения эксплуатационного расхода топлива установок с ДВС.

Общепризнанно, что одним из радикальных направлений в решении указанных проблем является дизелизация. Мировой опыт эксплуатации дизелей показывает, что основными токсическиш! компонентами ОГ этих двигателей являются оксиды азота и сажа.

Топливная экономичность и токсичность ОГ дизелей в условиях эксплуатации изначально определяется совершенством их конструкции. При этом одним из основных путей решения проблем экономии топлива и снижения выбросов с ОГ токсичных продуктов сгорания является совершенствование процесса сгорания.

Значительное число известных методов улучшения процесса сгорания основано на предположении неизменности характеристик топлива, участвующего в этом процессе, и химизма (кинетики) его окисления. Однако за последние годы наметилась тенденция к поиску новых нетрадиционных путей подхода к решению проблемы на основе метода, предусматривающего известную трансформацию характеристик топлива, а, следовательно, и процесса его сгорания в дизеле, а также влияние на кинетический механизм окисления за счет повышения реакционной способности углеводородно-воздушной среды путем введения в нее реакционно активных компонентов, имеющих более низкую энергию активации в реакциях окисления углеводородов. Одним из возможных путей активации (промотирования) процесса сгорания топлива в камере сгорания (КС) дизеля с целью более полного превращения его химической энергии в полезную работу дизельного цикла и снижения содержания вредных веществ в продуктах сгорания является предварительная термохимическая переработка (газификация) твердого топлива растительного происхождения с последующим использованием этих продуктов в качестве активирующих добавок к основному заряду.

Начиная с начала 80-х годов, в мировой исследовательской практике отмечается определенный интерес к решению проблемы токсичности и экономичности ДВС, в частности, дизелей именно этим путем. В России работы по этому направлению проводятся в МГТУ им. Н. Э. Баумана, НИКТИД, РУДН и др. организациях и научно-исследовательских цсчирах. К сожалению, но достигнутому уровню все эти работы до настоящего времени еще не вышли из стадии поисково-опытных разработок, а многие аспекты исследуемой проблемы не нашли своего рационального решения.

Настоящая работа посвящена исследованию возможностей дальнейшего совершенствования рабочих процессов дизеля путем введения активных (водородосодержащих) продуктов термохимического преобразования твердого топлива в цилиндры двигателя, а также изучению условий оптимального функционирования системы переработки твердого топлива биологического происхождения с учетом требований рациональной организации рабочего процесса дизеля по показателям токсичности, топливной экономичности.

На защиту выносятся: физико-химический механизм термохимического преобразования твердого биотоплива в водородосодержащие газообразные продуктыметодика определения содержания основных горючих компонентов в составе синтезированной газовой смеси с учетом условий организации процессов термохимической конверсии биотопливаустановленные пределы оптимального содержания конверсионных продуктов в топливно-воздушной смеси, при которых достигается одновременное улучшение экологических и экономических качеств дизеляэкспериментальные материалы по эколого-экономическим показателям дизеля при его работе с добавками к основному заряду продуктов термохимического преобразования биотопливарекомендации по организации рабочего процесса дизеля, работающего с добавками к основному заряду, поступающему в цилиндры, продуктов термохимической газификации твердого топлива растительного происхождения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. В проведенном исследовании аналитически обоснована и экспериментально подтверждена возможность совершенствования рабочего процесса дизеля путем введения добавок водородосодержащих г азовых смесей в его рабочее пространство и выявлены основные условия повышения реакционной способности этих смесей по эффекту воздействия на параметры дизельного цикла, обуславливающие экологические и топливно-экономические показатели двигателя.

2. Разработана методика по оценке качественного состава конечных (целевых) продуктов термохимического преобразования (газификации) твердой биомассыдревесины в зависимости от условий организации данного процесса.

3. На основе проведенного аналитического исследования выявлены механизмы индивидуального воздействия активных компонентов продуктов термохимической переработки древесины на основные кинетические параметры рабочего цикла дизеля.

4. На основе разработанной методики предложена наиболее рациональная схема конструктивного оформления реактора для термохимического преобразования деревины в водородосодержащие газовые смеси (синтез-газ), реализующего принцип конверсии углеродного топлива по схеме обращенного процесса газификации.

5. На основании данных исследования установлено, что качественный состав конверсионных продуктов, в частности по водородосодержанию, в основном определяется производительностью реактора. Выявлено, что оптимальные условия, обуславливающие максимальный выход конверсионного водорода, обеспечиваются при Gr = 2.4 кг/ч.

6. Данными, полученными на основе разработанной регрессионной модели, установлено, что во всем диапазоне изменения нагрузочного режима работы дизеля 2 Ч 8,5/11 добавление к основному заряду, поступающему в цилиндры, 0,2 г/к Вт-ч водорода позволяет снизить удельный эффективный расход дизельного топлива на 5 г/кВт-ч.

7. Предложенный метод организации рабочего процесса дизеля 2 Ч 8,5/11, работающего совместно с термохимическим преобразователем (газификатором) твердой биомассы, обеспечивает на режиме номинальной мощности снижение содержания в ОГ сажи до 55%, оксидов азота до 20%, удельного эффективного расхода топлива до 5,5%.

8. Достоинством данного метода и реализующих его средств является возможность их использования на любых типах дизелей, в том числе и находящихся в эксплуатации, а также дешевизна и доступность сырьевого продукта для получения этих средств.

Таким образом, в работе предложено новое решение актуальных научно-практических задач улучшения санитарно-гигиенических и топливно-экономических характеристик дизеля на основе совершенствования его рабочего процесса путем применения реакционно способных продуктов конверсии твердой биомассы, что в целом обеспечивает улучшение экологической обстановки, боле рациональное использование энергоносителей, а также способствует уменьшению засоряем ости среды промышленными отходами растительного происхождения за счет их утилизации.

В заключение следует заметить, что перечисленные выводы, сформулированные на основе аналитического исследования, не являются бесспорными и их правомерность (или уточнение) требует соответствующего экспериментального подтверждения.

Однако проведение подобного предварительного аналитического исследования методически оправдано тем, что полученные результаты и выводы позволяют более обоснованно и целенаправленно сформулировать задачи, методику и программу последующих экспериментальных исследований (главы 3 и 4). В частности, полученные данные анализа обосновывают методическую целесообразность в разработке измерительной системы для проведения натурных исследований, в схеме которой предусматривалась бы возможность обязательной регистрации тех из рассмотренных параметров (факторов), которые определяют характер протекания рабочих процессов в дизеле. Это позволит оценить правомерность допущений, принятых при проведении аналитического исследования, а также выявить количественный уровень активирующего воздействия водородосодержащих продуктов конверсии биомассы на экологические и топливно-экономические показатели дизеля и возможные рациональные границы и необходимые условия, при которых реализуется наибольшая эффективность этого воздействия.

Схема, иллюстрирующая экологическую взаимосвязь ДВС с окружающей средой.

Акустическое засорение атмосферы.

Глава 3.

Экспериментальная установка и оборудование. Методика проведения исследований.

Оценка погрешностей измерении.

3.1. Задачи экспериментальных исследований.

В соответствии с задачами диссертационной работы при проведении экспериментальных исследований предусматривалось: исследование эффективности процесса термохимической переработки древесины (березовая щепа) в газогенераторе по выходу целевых продуктовН2, СО и СН4- сопоставление данных аналогического. исследования посоставу конверсионных газообразных продуктов с результат ами эксперимента: исследование эффективности воздействия продуктов конверсии на изменения экологических и топливно-экономических показателей дизеля в широком диапазоне варьирования его режимных параметров.

3.2. Экспериментальная установка и оборудование.

Экспериментальная установка была создана в лаборатории ДВС МГТУ им. Н. Э. Баумана на базе дизельгенератора с двигателем типа 2 Ч 8,5/11 мощностью 9,2 кВт при частоте вращения 1500 мин1 (рис. 3.1). Функциональная схема установки позволяла осуществлять работу одного реактора (газогенератора) в автономном режиме, а также совместную работу газогенератора с дизелем. Схема генератора, работающего по схеме обращенного процесса газификации, показана на рис. 2.5.

Конструкция генератора позволяла осуществлять процесс термохимической переработки любого вида биологических отходов в соответствии с технологическим циклом, изложенным в разделе 2.2.

Реактор был установлен на отдельном основании. Подача воздуха для организации процесса газификации биомассы (древесной щепы) осуществлялась от автономного электрического компрессора (вентилятора). Количество подаваемого в реактор воздуха регулировалось изменением параметров электрического гока в схеме питания электрического вентилятора, а измерение расхода воздуха производилось ротаметром 2 (рис. 3.1). Твердое топливо в газогенератор загружалось через верхний люк.

Подаваемые в двигатель продукты газификации твердого топлива проходили две ступени очистки от примесей (фильтр грубой предварительной очистки циклонного типа и фильтр тонкой очистки). После очистки конверсионные продукты подвергались охлаждению в теплообменнике 6. Интенсивность охлаждения регулировалась за счет изменения расхода охлаждающей жидкости (воды) через теплообменный контур холодильника. В течение всего цикла испытаний температура синтезированных газовых смесей, поступающих в дизель, поддерживалась на уровне температуры воздуха моторного отсека (бокса).

Состав конверсионных продуктов определялся химическим анализом с помощью хромотографа типа «Газохром 3101». Контроль состава продуктов проводился по трем горючим компонентам: Нг, СО и СИ4. Состав инертных составляющих конверсионных продуктов определялся расчетом.

Двигатель оснащался штатной системой измерения (расходов воздуха, топлива и конверсионных продуктов, а также частоты вращения, температуры ОГ, воздуха, масла, охлаждающей жидкости и т. д.).

Запуск газогенератора (розжиг) осуществлялся с помощью факельного устройства, а далее процесс горения (термохимической переработки древесины) поддерживался автономно.

220 В.

220 В.

Краткая характеристика энергетической установки.

1. Тип двигателя.

2. Диаметр цилиндра дизеля, мм.

3. Ход поршня, мм.

4. Мощность двигателя, кВт.

5. Частота вращения, мин-'.

6. Тип газогенератора.

10. Диаметр газогенератора, мм.

11. Высота газогенератора, мм.

12. Максимальный расход биотоплива, кг/кВт-ч.

13. Масса газогенератора при полной загрузке твердым топливом, кг.

Четырехтактный вихрекамерный дизель с жидкостной системой охлаждения.

85 110.

9,2 1500.

С реактором с обращенным процессом газификации.

7. Производительность генератора, м3/ч 80 -100.

8. Топливо основное.

9. Другие виды топлив.

Древесные и растительные отходы.

Брикеты из опилок, торфа, бурый уголь сланцы.

650 1600.

1,2−1,4 220.

3.3. Методика проведения исследований.

Перед проведением исследований были выполнены наладочные работы для отработки мобильного запуска газогенератора с определением границ устойчивой сю работы по расходу газа. При этом производилась предварительная оценка качества газогенераторных газов по цвету пламени газовой горели. При нормальной работе генератора пламя имело голубую окраску. Появление желтой окраски указывало на присутствие в газе сажистых частиц, что было не допустимо по условиям проведения эксперимента. В дальнейшем состав генераторного газа контролировался химическим анализом.

Методика проведения исследований на установке с дизелем, работающим совместно с газогенератором, предусматривала выполнение следующих работ: снятие исходных (штатных) нагрузочных характеристик дизеляснятие нагрузочных характеристик дизеля при различных расходах газогенераторных продуктов, подмешиваемых к основному воздушному заряду на впуске в двигатель.

Снятие характеристик дизеля с подачей во впускной коллектор продуктов термохимической переработки твердого топлива осуществлялось следующим образом. Дизель прогревался до рабочего уровня температуры масла и выводился на нагрузочный режим 0,5 Ре&bdquo-, после чего производился пуск реактора с подачей конверсионных газов в выпускную систему стенда. Реактор выводился на заданную производительность и требуемый состав продуктов конверсии, а затем эти продукты направлялись во впускной коллектор дизеля.

Расчет состава газовых смесей. Подобная необходимость возникала при определении отдельных компонентов смеси, получаемой в результате сгорания топлива и при смешивании продуктов сгорания с воздухом. Согласно [85] массовая доля газа в смеси ^ определятся как:

Общеметодические вопросы т где: т* - масса газат — масса весей смеси.

Мольная доля газа r? определяется как:

Г.-М!,.

1 М ' где: Mi — число молей газа;

М — число молей всей смеси. Соотношение между мольными и массовыми долями:

Р И и" «где: р, ц, p?, щ — плотность и молекулярная плотность смеси и отдельного газа, соответственно.

Средняя молекулярная масса смеси |асм определяется по формуле: п f-4'M = ' i=l.

Объемный расход газового потока V0, приведенный к нормальным условиям, определяется по формуле:

V = v^ v О «рт' О где: V, Р, Т — измеренные объемный расход, давление и температура газовР0, То — давление и температура при нормальных условиях. Измерение расхода газовой смеси и содержания в ней Нг, СО и СШ. Измерение расхода продуктов конверсии представляло определенные трудности в силу того, что эти продукты имели относительно высокую температуру и содержали некоторое количество дисперсной фазы (сажистых частиц). В качестве измерительного устройства использовались ротаметры, изготовленные согласно РД 50−213−80 «Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными устройствами» [77].

Измерение температуры и давления потока газа производилось с помощью термопар и дифференциальных манометров в соответствии с правилами их подключения согласно РД 50−213−80.

Газовый анализ продуктов термохимической переработки дизельного топлива производился на хроматографе «Газохром — 3101». Отбор пробы газа осуществлялся из автономной магистрали с помощью медицинского шприца с объемом 1 см³. После введения пробы газа в хроматограф регистрировались показания миллиамперметра хроматографа и на основании данных тарировки определялась объемная концентрация Н2, СО, СН4:

CHj =0,06 An, % об.

Ссо =0,267 Дп2, % об.

Ctu =0,275 An, % об. где: 0,06- 0,267−0,275 — тарировочные коэффициенты, определяемые по тарировочному графику (рис. 3.4).

Тарировка хромотографа проводилась с помощью образцовых смесей ТУ-6−16−2956−87.

СО, %об.

СНч. %об.

СН4.

СО.

20 40 60 Ап, дел.мА.

Рис. 3.4. Тарировка хроматографа «Газохром 3101»:

Сн, -0,06.

Ссо =0,267 С&trade- = 0,275.

— тарировочные коэффициенты.

3.4. Оценка погрешностей измерений.

При проведении экспериментальных исследований путем непосредственных измерений регистрировались параметры, перечисленные в таблице 3.1.