• Наукоград

КОНСТРУКЦИЯ СИСТЕМ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ДЛЯ БОЛЬШИХ МОТОРОВ


Рубрика Научные исследования и технологии

УДК 621.43

AFTERTREATMENT SYSTEMS DESIGN FOR LARGE ENGINES APPLICATION

В. Н. Каминский, доктор технических наук, профессор Р. В. Каминский, кандидат технических наук

А. Ю. Титченко,

А. В. Лоик

АО «НПО «Турботехника», г. Протвино, Московская область

В статье дан обзор конфигураций систем нейтрализации отработавших газов для применения на больших двигателях. Дано определение набора ключевых технических решений, обзор существующих технологий снижения выбросов с отработавшими газами.

Ключевые слова: окислительный катализатор, сажевый фильтр, восстановительный катализатор

V. N. Kaminsky, Doctor of Technical Sciences, Professor R. V. Kaminsky, Candidate of Technical Sciences

A. V. Loik, A. Yu. Titchenko

JSC Scientific-Production Association Turbotekhnika, Protvino, Moscow Region.

The article describes aftertreatment system configurations for large engines application, presents the definition of key technical solutions and review of existing technologies for reducing exhaust emissions. Keywords: Oxidation catalyst, particulate filter, selective NOx catalytic converter

Введение

Еще недавно нас удивляли темпы внедрения экологических норм для легковых и грузовых автомобилей. Сегодня подобные ограничения выбросов вредных веществ активно распространяются на другие области применения ДВС − стационарные установки малой энергетики, силовые агрегаты локомотивов, основные и вспомогательные двигатели для флота. Двигатели для этих областей применения часто называют «большими двигателями», также в ходу термин «внедорожные двигатели off-highway». Условная граница больших двигателей по отраслевой классификации начинается с мощности 560 кВт и распространяется до огромных 80–100 мВт. Правую часть диапазона мощностей занимают двигатели, относящиеся к малой энергетике и флоту.

Сегодня темп развития малой энергетики заметно вырос. Как ни парадоксально, наряду с тенденцией увеличения доли энергии, извлекаемой из возобновляемых источников, растет количество станций с поршневыми двигателями и так называемым когенерационным циклом производства, когда в дело идет не только механическая энергия вращения коленчатого вала двигателя, но и тепловая энергия от систем охлаждения и выпуска отработавших газов.

Наибольшую популярность в наступающем веке электромобилей приобретают станции с газовыми поршневыми двигателями. Вот так-то!

Мастодонты промышленного мира индустриальной эпохи — Caterpillar, Cummins, Perkins, MAN Diesel&Turbo, GE Power, Siemens, Mitsubishi Heavy Industries, Wärtsilä — выпускают сверхэффективные газовые агрегаты мощностью от 15 до 30 мВт с высокотехнологичными системами управления и мониторинга [1]. Их газопоршневые двигатели уверенно обходят газотурбинных конкурентов аналогичной мощности в части сохранения эффективности в широком диапазоне нагрузок, в быстроте старта, качестве вырабатываемой электроэнергии. Из таких агрегатов строятся электростанции с суммарной мощностью до 200 мВт для покрытия периодических провалов генерации возобновляемой энергетики.

Еще один фактор, способствующий развитию распределенной сети балансировочных станций, – это растущий локальный спрос на энергию для зарядки того самого электротранспорта. Такая ситуация объясняет усилия законодателей в направлении предотвращения загрязнения природной среды от источников с длительным циклом работы. Расширение транспортных, энергетических сетей, освоение удаленных территорий необходимо осуществлять с минимальными экологическими издержками. Традиционно в мире используются две основные системы нормирования: директивы Европейского Союза с уровнями нормирования Stage I – Stage IV и стандарты Агентства по защите окружающей среды США-ЕРА (Environmental Protection Agency) с уровнями Tier I – Tier IV. В зависимости от области применения силовых установок применяются различные варианты законодательства. Например, для флота применяются стандарты Международной морской организации – IMO (International Maritime Organisation) [2]. Также действуют локальные отраслевые стандарты, например TA Luft в Германии, который среди прочего ограничивает выбросы вредных веществ в тепловой энергетике.

Существенными с точки зрения реализуемости являются ограничения выбросов дисперсных частиц PM (Particulate Matter) и оксидов азота NOx. Допустимые концентрации выбрасываемых вредных веществ верхних уровней экологических стандартов таковы, что применение систем нейтрализации является обязательным.

Особые требования к системам нейтрализации больших двигателей определяются спецификой их рабочих процессов − высокими значениями КПД и соответственно низкими температурами отработавших газов, минимальными допустимыми значениями противодавления, медленными переходными режимами.

Обзор применяемых методов

Сравнивая устройство существующих систем нейтрализации из мира больших двигателей с «меньшими братьями» из автотранспорта, можно обнаружить более широкий набор используемых методов снижения выбросов вредных веществ. Наряду с классическим каталитическим методом применяются жидкостные способы обработки, использующие различные химические эффекты обработки, методы механического отсева загрязнителей и более экзотические решения. Часто методы комбинируются в особо сложных системах. Таковыми, например, являются системы нейтрализации для судовых двигателей, работающих на тяжелом HFO-топливе (Heavy Fuel Oil).

Однако большинство вариантов основано на использовании каталитического ядра в качестве основного средства обработки. Схема ядра, как правило, складывается из следующих базовых последовательных компонентов:

  • окислительный катализатор с большой загрузкой металлов платиновой группы, у которого самый широкий список функций: конверсия углеродсодержащих компонентов СО и СН, частичное доокисление NO до NO2 для обеспечения быстрой реакции на последующем восстановительном катализаторе, регулирование температуры потока для периодической регенерации сажевого фильтра и расширения диапазона работы восстановительного катализатора;

  • сажевый фильтр, ответственный за накопление дисперсных частиц;

  • восстановительный катализатор с подачей раствора мочевины, ответственный за конверсию оксидов азота.

Кроме того, в систему могут включаться дополнительные катализаторы, такие как гидролизный катализатор (ускоряющий разложение раствора мочевины), окислительный катализатор на выходе из восстановительного модуля (предотвращающий проскок аммиака).

В современных системах четкое разделение модулей по функциям может отсутствовать. Производители катализаторов научились наносить несколько функциональных слоев на один носитель, таким образом, получаются модули, обеспечивающие протекание различных типов каталитических реакций в одном компактном объеме. Распространенный пример такого гибридного модуля − сажевый фильтр с окислительным покрытием, заменяющий пару отдельных блоков.

Для того чтобы не запутаться в методах, приведем простой алгоритм выбора каталитической схемы (табл. 1).

Выбор каталитической схемы

Что касается типов каталитических покрытий, то на данном технологическом этапе нет разнообразия предложений. В покрытиях окислительного типа используются металлы редкоземельной группы – платина Pt и палладий Pd. В покрытиях трехкомпонентного типа помимо Pt/Pd добавляется родий Rh. В покрытиях восстановительного типа для характерного температурного диапазона больших двигателей используют пентаоксид ванадия V2O5 с добавками оксида вольфрама WO3.

Эффективные температурные диапазоны работы различных катализаторов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Температурные диапазоны работы катализаторов

Особенности устройства

А) Тип основы/носителя катализатора. После выбора каталитической схемы зададимся типом основы катализатора −структуры, на которую наносится активный слой. В связи с отсутствием устоявшейся терминологии встречаются разные названия такой структуры – «блок катализатора», «субстрат», «носитель». Существует много типов, но реальное применение для больших двигателей нашли носители из кордиерита, карбида кремния, армированного стекловолокна. Каналы такого носителя покрываются высокопористой подложкой из глинозема Al2O3, оксида титана TiO2 и проч. Именно на подложку, в свою очередь, наносится активный слой. Получается каталитический блок, или просто – катализатор. Компаниями Ceram и Johnson Matthey производятся иные по конструкции катализаторы. И носитель, и подложка, и катализатор представляют собой единую структуру, без отдельных слоев. Такие катализаторы называются экструдатами. Считается, что их эффективность несколько выше.

Также для нас важно знать, что в системах для больших двигателей применяются катализаторы двух типов сечений − круглого и квадратного, с очень большим выбором габаритных размеров и плотности каналов. Значения плотности каналов больше 300 ячеек на квадратный дюйм практически не применяются. Носители квадратного сечения находят большее применение в системах больших двигателей, позволяя более экономно использовать отведенное пространство. На рис. 1 показан вариант генераторной установки с компактной каталитической группой.

Рис. 1. Генераторная установка с компактной каталитической группой

Б) Необходимые объемы катализаторов. Найдем значения необходимых объемов катализаторов, задавая ключевые параметры потока. Потоковая нагрузка на катализатор характеризуется важным параметром частоты замещения объема ω [ч–1]. Можно быть уверенным в правильном и полном протекании химических реакций окисления-восстановления при значениях ω, не превышающих 150 000 ч-1 в рабочем диапазоне температур. Очевидно, что уменьшение параметра ω приводит к росту объема активной зоны катализатора:

V= Gv/ω, (1)

где V − объем катализатора, м3;

Gv − объемный расход отработавших газов, м3/ч.

Также важным физическим параметром системы является средняя скорость потока через заданное сечение на режиме максимального расхода отработавших газов:

Wср = (4×Gm)/(1,3×(273/(273+T)) × S) [м/с], (2)

где Wср − средняя скорость в сечении м/с;

Gm − массовый расход отработавших газов кг/с;

Т − температура °С;

S −сечение м2.

С точки зрения ограничения противодавления системы и предотвращения избыточной неравномерности потока мы должны минимизировать среднюю скорость с учетом возможностей пространственной компоновки. Проверить вносимое противодавление ∆Р катализаторов возможно следующим образом [4]:

где G − расход отработавших газов, м3/с;

F − площадь фронтального сечения каталитического блока, м2;

γo − удельный вес газа при нормальных условиях, =1,2 кг/м3;

g − ускорение свободного падения, 9,8 м/с2;

T0 − нормальная температура отработавших газов, 273 К;

T – текущая температура отработавших газов, К;

– коэффициент трения;

L – длина канала, м;

dг – гидравлический диаметр канала.

Неравномерность потока оценивается безразмерным коэффициентом деформации γ:

где Wi − локальная скорость в i-том канале каталитического блока, м/с;

Wср − средняя скорость в сечении, м/с;

n − количество каналов.

При коэффициенте деформации, равном 1, поток идеален – все локальные скорости равны. Реальные значения должны находятся в диапазоне 0,7–0,98.

Далее рассмотрим выбор параметров вспомогательных систем, обеспечивающих эффективную работу каталитической группы. Это система подачи реагента (восстановительной среды) для катализатора NOx и система регенерации сажевого фильтра, срабатывающая при заполнении его емкости.

В) Система подачи реагента. Имея дело с большими двигателями, мы встречаемся с очень большими расходами отработавших газов. Поэтому прямое и качественное распыление реагента в патрубок выпускной системы связано с применением дорогостоящих высокопроизводительных насосов и форсунок высокого давления. Обычно используется более дешевый метод подачи реагента в виде аэрозоля. Сжатый воздух подмешивается в специальной камере.

Таким образом, мы можем начать процесс проектирования с определения основных параметров насосной станции.

Во-первых, необходимо рассчитать теоретический расход реагента. Зная сырой выброс и задавая значение выброса NOx на выходе системы, сделать это несложно [3]:

где V u – расход реагента (раствора мочевины), л/ч;

Ne − мощность двигателя, кВт;

mNO2 – разность между выходом NO2 из двигателя и выходом NOx после системы, г/кВт*ч;

Mu – молярная масса мочевины ((NH2)2CO) = 60,07 г/моль;

MNO2 – молярная масса NO2 = 46,01 г/моль;

Cu – концентрация раствора мочевины в % по весу;

ρu – плотность мочевины =1,1 кг/л;

ξ − табличный коэффициент, учитывающий температуру потока;

υ – табличный коэффициент, учитывающий скорость потока.

Два последних коэффициента выбираются на основе опытных данных. Для случая оптимального диапазона температур 300–450 °С и объемной скорости до 150 000 ч–1 коэффициенты ξ и υ можно принять равными 1. Дополнительно следует обратить внимание на величину концентрации раствора Cu. В большинстве случаев применяется реагент под торговой маркой AdBlue − это 32,5% раствор, получивший распространение в автотранспорте. Встречаются другие варианты. Так, Wärtsilä рекомендует для своих судовых систем 40% раствор [3]. Обыкновенно расход реагента не превышает 10% расхода топлива.

Во-вторых, определяем необходимый расход воздуха по эмпирической формуле:

Va=0,007Ne+15 (6)

где Va − объемный расход сжатого воздуха 4-6 атм. через систему подачи реагента, м3/ч;

Ne − мощность двигателя, кВт.

Регулирование подачи аэрозоля (реагента с воздухом) обеспечивается изменением производительности насоса или применением форсунки с электромагнитным клапаном (рис. 2).

Рис. 2. Размещение узлов подачи реагента

Г) Система регенерации сажевого фильтра. Регенерация осуществляется путем периодического повышения температуры потока до значений выгорания сажи. На порог выгорания влияет работа самого первого в системе окислительного катализатора, который, кроме прочего, доокисляет часть входящего потока NO до NO2. При достаточном содержании NO2 в отработавших газах температура выгорания снижается с обычных 600 до 350 °С. Поэтому крайне желательно устанавливать отдельный окислительный катализатор на входе в систему. Повышение температуры достигается подачей вторичного топлива либо в катализатор, либо в специальную камеру сгорания. Количество вторичного топлива зависит от физических параметров носителя катализатора, расхода и температуры потока отработавших газов.

Оба узла подачи жидкостей в поток отработавших газов нуждаются в применении специальных конструктивных решений для обеспечения равномерного смешивания и испарения. Для этого предусматриваются прямые участки трубопроводов. Для того чтобы ограничить длину этих участков, предусматривается установка завихрителей потока с радиальными направляющими лопатками, установленными под углом к оси трубопровода. На рис. 3 показана возможность уменьшения длины трубопровода за счет завихрения потока.

Рис. 3. Уменьшение длины трубопровода при установке завихрителя

Выводы и рекомендации по применению технических решений

На основе изложенного короткого обзора технических решений можно сделать следующие выводы, касающиеся конструкции обсуждаемого изделия:

  • в связи с особой требовательностью катализаторов к температурным диапазонам (табл. 2) следует максимально эффективно использовать теплоту отработавших газов. Для этого каталитическая группа системы должна быть размещена как можно ближе к двигателю и скомпонована в единый компактный узел с теплоизолированным корпусом (рис. 4);

Рис. 4. Компактная компоновка катализаторов

  • подсистема подачи реагента в восстановительный катализатор должна обеспечить достаточную точность дозирования для поддержания эффективности во всем рабочем диапазоне расходов и температур потока. Дополнительно точное дозирование позволит избежать применения дорогостоящего катализатора проскока аммиака;

  • к системе управления и диагностики должны предъявляться особые требования по предотвращению аварийных ситуаций и своевременному предупреждению о падении эффективности преобразования вредных веществ. Количество датчиков, показания которых могут использоваться в качестве сигналов обратной связи, должно быть максимальным. Контроль давления и температуры должен осуществляться на входе и на выходе каждого катализатора. Также эти параметры должны непрерывно определяться в каналах подачи реагента и вторичного топлива системы регенерации сажевого фильтра.

Ну и самая главная рекомендация – при разработке большой системы нейтрализации для двигателей мегаваттного класса (перед утверждением конструкции) необходимо очень тщательно рассчитать и смоделировать поведение всех узлов, иначе цена ошибки проектирования будет очень высока. А там, где выполнить точный расчет трудно, — предусмотреть простые и выполнимые запасные варианты модификации конструкции.

Рисунки А. Ю. Титченко

Литература

1. Proctor D. Quick Start, High Efficiency, Grid Balance — Engines on an Up Cycle // POWER magazine 04/01/2018 [Electronic resourse]. URL: www.powermag.com.

2. Chatterjee D., Rusch K. SCR Technology for Off-highway (Large Diesel Engine) Applications, MTU Friedrichshafen GmbH, Maybachplatz.

3. Wärtsilä Environmental Product Guide − a16. 30 October 2015.

4. Панчишный В. И. Расчет сопротивления каталитического блока // Труды НАМИ. 2013. Вып. 252. С. 125–133.

#окислительныйкатализатор #сажевыйфильтр #восстановительныйкатализатор #системынейтрализации

© 2015-2019  Научно-публицистический журнал. ISSN 2313-7533

Использование материалов, опубликованных в журнале «Наукоград Наука Производство Общество», допускается только с письменного разрешения редакции.