Объективный анализ состава ОГ дизелей показывает, что одной из главных составляющих токсичности отработавших газов являются оксиды азота (NOх) [1]. Значение этих компонентов возрастает с заменой вихрекамерных дизелей на двигатели с непосредственным впрыском топлива, осуществляемой повсеместно в целях повышения топливной экономичности двигателя.
Применяемые на подземном самоходном оборудовании двухступенчатые системы обезвреживания ОГ (каталитические и жидкостные) не решают проблемы сокращения выбросов NOх. Оксиды азота могут улавливаться в жидкостном нейтрализаторе в пределах не более 3–10 % от общего количества содержания их в ОГ.
Известные трехступенчатые каталитические нейтрализаторы для автомобилей, обезвреживающие оксиды азота, дают положительный эффект только при дефиците свободного кислорода в ОГ, что характерно для карбюраторных двигателей. У дизелей в ОГ всегда содержится избыток кислорода в количестве не менее 3–5 % (часто достигает 15–18 %), при котором каталитические реакции восстановления NOх протекать не могут. В этом направлении ведутся работы, однако они не вышли за пределы лабораторных исследований.
Активное обезвреживание NOх химическим методом не применимо в подземных условиях из-за высокой токсичности аммиака и сложности необходимого оборудования.
Одним из наиболее перспективных решений проблемы может быть перевод дизелей на питание водо-топливной эмульсией (ВТЭ). При работе дизеля на ВТЭ сокращается содержание оксидов азота с ОГ в 3–5 раз при резком снижении дымности выхлопа.
По данным специальных экспериментов, проведенных в ЦНИДИ, наличие воды во впрыскиваемой струе топлива понижает на 200–300 0К максимальные локальные температуры пламени, что и дает эффект по снижению образования NO.
Механизм снижения дымности ОГ основывается на изменении процесса выгорания сажи в пламени. Вода, подаваемая в составе ВТЭ, в условиях высоких температур диссоциирует на ионы Н+ и ОН-, которые способствуют быстрому окислению частиц углерода (сажи).
При замене топлива водо-топливной эмульсией достигаются также дополнительные положительные эффекты:
- снижается теплонапряженность деталей дизеля, увеличивается их надежность (крышка цилиндра, клапана, поршень, поршневые кольца, гильза цилиндра);
- резко снижаются нагароотложения на поверхности камеры сгорания, выпускных клапанах, в выпускном коллекторе;
- уменьшается вероятность закоксовывания распылителя.
Для приготовления ВТЭ используются специальные устройства — диспергаторы (механические, гидравлические, ультразвуковые или иные). Конструктивно они не являются сложными, но размещение их на транспортном средстве затруднительно. Проблема, в принципе, разрешается путем организации приготовления ВТЭ на стационарных диспергаторах.
Для обеспечения требуемой дисперсности и временной стабильности ВТЭ, приготовленной на базе стандартных дизельных топлив, должны использоваться специальные добавки-эмульгаторы. Обычно для этого применяют различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), вводимые в зависимости от их типа и технологии приготовления ВТЭ в исходное топливо, воду или в топливо и воду одновременно в количествах, обычно не превышающих 1 процента. Эмульгаторы этого типа не являются особо дефицитными, однако их доставка, хранение и дозировка несколько усложняют эксплуатацию дизельного оборудования.
Из-за наличия воды в составе ВТЭ ее объемная теплотворная способность значительно ниже, чем у чистого дизельного топлива. В связи с этим для сохранения мощности дизеля цикловая подача ВТЭ должна быть пропорционально увеличена. Однако запас по цикловой подаче у топливных насосов высокого давления обычно не превышает 20–30 %, что вынуждает ограничиваться использованием лишь относительно низкоконцентрированной ВТЭ с содержанием воды не более 20–25 % [2].
Для адаптации дизеля к работе на экологически более эффективных высококонцентрированых ВТЭ с содержанием воды 40–50 % требуется либо снизить его мощность либо установить на нем топливный насос высокого давления с большей производительностью.
В условиях наземного дизельного оборудования могут иметь место также трудности, связанные с расслоением и вымораживанием воды из состава ВТЭ при низких отрицательных температурах. Для условий подземных горных выработок, где температура воздуха практически всегда положительна, такой проблемы практически не существует.
В целом, взвешивая все достоинства и недостатки ВТЭ применительно к ее использованию на дизельном оборудовании подземного назначения следует оценить ее безусловно «положительно», как единственный способ, радикально разрешающий проблему выбросов оксидов азота.
При использовании водо-топливных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания практический интерес представляют обратные (вода в масле) эмульсии. Эмульсия получается в результате наличия двух конкурирующих процессов: диспергирования дисперсной фазы с образованием отдельных капель и коалесценции этих капель с образованием большого объема дисперсной фазы.
Коалесценция эмульсии дизельного топлива и воды происходит со скоростью, соизмеримой со скоростью диспергирования. Поэтому для создания устойчивых эмульсий применяются специальные вещества — эмульгаторы (стабилизаторы).
При выборе эмульгатора предпочтительно наличие однокомпонентных эмульгаторов. Однокомпонентный эмульгатор должен иметь товарную форму в виде концентрата в дизельном топливе. Эмульгатор должен быть химически и физически инертен к материалу топливной аппаратуры. Эмульгаторы должны быстро и без остатка растворяться в соответствующем компоненте ВТЭ. В зависимости от способа подачи в дизель получаемая ВТЭ должна обладать седиментационной стабильностью от 4 до 24 ч и стойкостью к коалесценции 5–40 суток.
Устойчивость эмульсии к коалесценции и седиментации характеризуется, соответственно, объемом Qк водной фазы и объемом Qс отстоя (верхнего, слабо концентрированного слоя эмульсии) в течение 6 дней и оценивается по проценту выделившейся чистой фазы в столбе эмульсии 120 мм.
Устойчивость концентрата дает положительные результаты при использовании оксиэтилированных на 3 моля первичных жирных спиртов АП-3 и С-5А. Сочетание указанных веществ позволяет получить стабильность эмульсии. В таблице 13 приведены характеристики эмульсии при применении диспергатора УЗДН-1.
Оптимальный состав ВТЭ по всей вероятности будет при 60 % С-5А и 40 % АП-3. Приготовление ВТЭ возможно в заводских условиях, исходя из необходимого ее количества.
Эмульгатор вводится в эмульсию из расчета 0,75 % активного вещества (ПАВ) на массу эмульсии. Навески эмульгатора производятся весовым способом, а топливо и вода дозируются объемным методом с использованием мерной посуды.
Топливо с введенным эмульгатором и вода двукратно пропускались через дисмембратор при расходе 60л/час. Плотность ВТЭ контролировалась ареометром.
Таблица 1
Характеристики устойчивости ВТЭ
|
№ п/п |
Состав эмульгатора, % |
Qк, мл |
Qс, мл |
|
|
С-5А |
АП-3 |
|||
|
1 |
100 |
0 |
0 |
30 |
|
2 |
70 |
30 |
0 |
10 |
|
3 |
60 |
40 |
0 |
4 |
|
4 |
50 |
50 |
0,2 |
6 |
|
5 |
30 |
70 |
2 |
7 |
Установка для приготовления ВТЭ (рисунок 1) представляет собой дисмембратор 5, соосно соединенный через упругую муфту 9 с электродвигателем 10. Дисмембратор и двигатель крепятся на раме 11. Дисмембратор представляет собой герметичный цилиндрический корпус 4, внутри которого расположены два диска 6. На встречных лопастях дисков в шахматном порядке установлены штифты 7. Один диск закреплен на полом валу 2, жестко закреп ленном в корпусе, другой диск закреплен на вращающемся валу 8.
Рис. 1. Стенд для приготовления ВТЭ: 1 — сливное отверстие; 2 — полый вал; 3 — подача воды и топлива; 4 — корпус; 5 — дисмембратор; 6 — диски; 7 — штифты; 8 — вращающийся вал; 9 — муфта; 10 — электродвигатель; 11 — рама
Подача дизельного топлива и воды осуществляется через полый вал в центр невращающегося диска.
Приготовление ВТЭ происходит следующим образом: крутящий момент передается от двигателя через муфту на вращающийся вал дисмембратора. При вращении дисков одного относительно другого штифтами образуются зоны завихрения, в которых и происходит смешивание воды и топлива. Готовая ВТЭ удаляется через сливное отверстие 1 в нижней части корпуса.
Изменения концентрации токсичных компонентов в ОГ дизеля Д-240 при работе на дизельном топливе и ВТЭ с процентным содержанием воды gв=0, 20, 30 и 40 % (по массе) представлены на рисунках 63–64. Содержание в ОГ NO2 снижается от 1,5 до 5 раз при применении ВТЭ gв=30 % и от 2 до 10 раз при применении ВТЭ gв=40 %, дымность снижается от 2 до 5 раз. Содержание CO на режимах от Ре=0,3 МПа до Ре=0,6 МПа остается практически неизменным, однако на режимах, близких к холостому ходу, или высоких нагрузках содержание оксида углерода в ОГ начинает расти, причем тем больше, чем больше концентрация воды в ВТЭ.
Из приведенных данных следует, что оптимальным составом ВТЭ для дизеля Д-240 является эмульсия с содержанием воды до 30 % (по массе). Применение эмульсии с более высокой концентрацией воды ограничено, вследствие возрастания образования оксида углерода, особенно на режимах, близких к холостому ходу.
При работе дизеля на ВТЭ каталитические нейтрализаторы сохраняют эффективность очистки газов на уровне, характерном для работы дизеля на дизельном топливе.
Литература:
1. Смайлис В. И. Критерии технико-гигиенической оценки двигателей внутреннего сгорания как источника загрязнения воздуха. Сб. «Совершенствование рабочего процесса дизелей». Труды ЦНИДИ, вып.57. — Л., 1968. — 134 c.
2. Циборовский Я. Основы процессов химической технологии. — М.: Химия, 1967. — 164 c.
