4. Методы снижения выбросов окислов азота
Разработанные методы снижения выбросов NOx подразделяются на методы предварительной и вторичной очистки [1,2,3]. Уменьшение выбросов NOx перед направлением в выхлопное отверстие двигателя называется методом предварительной обработки, а уменьшение выбросов NOx после направления в выхлопное отверстие двигателя называется методом последующей обработки. Рециркуляция отработавших газов (EGR), впрыск топлива с электронным управлением, модификация двигателя, увеличение времени впрыска, распыление воды в камере сгорания, улучшение свойств топлива, использование топливных присадок и т.д. — это методы предварительной обработки для снижения выбросов NOx. Катализаторы с ловушкой NOx (LNT) и система селективного каталитического восстановления являются примерами методов доочистки. Это исследование посвящено системам рециркуляции выхлопных газов (EGR), катализаторам, улавливающим обедненные NOx (LNT), и системам селективного каталитического восстановления (SCR), которые были разработаны для предотвращения выбросов NOx и широко используются в дизельных двигателях. Поскольку они являются наиболее эффективными методами устранения выбросов NOx, основное внимание уделяется этим трем системам. Каждая система контроля выбросов NOx рассматривается подробно в свете текущей информации.
EGR — это система, разработанная для включения части выхлопных газов в цилиндре в процесс сгорания с всасываемым воздухом. Целью здесь является снижение конечной температуры сгорания и, следовательно, значений выбросов NOx за счет ухудшения характеристик сгорания, поскольку высокая температура оказывает основное влияние на образование выбросов NOx. Использование системы рециркуляции отработавших газов снижает количество кислорода в цилиндре и, следовательно, приводит к снижению давления и температуры в конце сгорания. Уменьшение количества кислорода подавляет образование NOx. Рециркулирующий в цилиндр отработавший газ, содержащий большое количество СО2 и Н2О, увеличивает удельную теплоемкость всасываемой смеси, что снижает значения температуры в процессах сжатия и сгорания. Вытеснение части кислорода во всасываемой смеси отходящими выхлопными газами снижает коэффициент избытка воздуха и увеличивает задержку воспламенения за счет разбавления топливно-воздушной смеси. Это замедляет смешивание кислорода с топливом и, следовательно, скорость сгорания.
Ловушка обедненных NOx (LNT). Технология улавливания обедненных NOx (LNT), также называемая каталитическим нейтрализатором NOx (NAC), катализатором накопления NOx (NSC) или катализатором хранения/восстановления NOx (NSR), представляет собой метод, используемый для преобразования выбросов NOx при особо низких температурах выхлопных газов. При низких температурах выхлопных газов выбросы NOx в составе выхлопных газов поглощаются поверхностью катализатора и высвобождаются, когда температура выхлопных газов достигает высоких значений.
Поверхность покрытия в катализаторе LNT состоит из катализатора окисления, абсорбента в сочетании с щелочными металлами и катализатора восстановления. В катализаторах LNT обычно присутствуют платина и родий, поддерживаемые структурой Al2O3 с компонентом, обладающим способностью накапливать NOx, таким как карбонат бария (BaCO3). Реакции в катализаторе LNT происходят в двух разных циклах: обедненный и обогащённый. В обедненном цикле NO поглощается
аккумулирующим компонентом и преобразуется в NO2 путем окисления на поверхности катализатора и сохраняется в нитратной форме на поверхности. В обогащенном цикле накопленные NOx высвобождаются с поверхности и превращаются в N2 на поверхности катализатора через CO, CH и H2, которые образуются из-за неполного сгорания. Все реакции, происходящие в катализаторе LNT, приведены в следующих уравнениях:
6. NO + 1/2 O2 → NO2
7. BaCO3 +NO2 + 1/2 O2 → Ba(NO3)2 + CO2
8. Ba(NO3)2 → BaO + 2NO + 1/2 O2
9. Ba(NO3)2 → BaO + 2NO2 + 1/2 O2
10. NO2 + CO → NO + CO2
11. NO + CO/CH → 1/2 N2 + CO2 / H2O
В уравнении 6, выбросы NO при низких температурах выхлопных газов окисляются на платиновом катализаторе и преобразуются в форму NO2. Выбросы NO2 затем поглощаются в форме нитрата бария, которая обладает свойством накопления выбросов NOx (уравнение 7). Когда емкость накопителя заполнена, регенерация запускается путем повышения температуры выхлопных газов до высоких уровней. В процессе регенерации хранящиеся соединения азота становятся термодинамически неустойчивыми и разлагаются на формы NO и NO2 (уравнения (
и (9)). В присутствии CO, CH и H2 высвобожденные компоненты NO и NO2 затем реагируют на катализаторе с образованием N2.
Селективное каталитическое снижение выбросов здесь в качестве восстановителя используется аммиак (NH3), который, как правило, обладает высокой эффективностью. Аммиак получают из водного раствора мочевины. Чтобы предотвратить возгорание из-за высоких температур выхлопных газов. водный раствор мочевины состоит из 67 % очищенной воды (H2O) и 33 % раствора мочевины ((NH2)2CO). Водный раствор мочевины является наиболее часто используемым восстановителем в системах SCR. В частности, при высоких температурах отработавших газов (350–450°C) выбросы NOx в отработавших газах могут быть эффективно устранены с помощью водного раствора мочевины. Однако при низких температурах отработавших газов ниже 200°C эффективность преобразования снижается, и аммиак накапливается на выпускном трубопроводе и поверхностях катализатора. Температуры выше 600°C являются серьезной проблемой для системы NH3-SCR.Потому что, высокие температуры могут вызвать возгорание восстановителя до того, как он достигнет катализатора, и в то же время вызвать деформацию катализатора. Активный рабочий диапазон системы NH3-SCR находится в диапазоне температур выхлопных газов от 200 до 600°C. Максимальная эффективность преобразования может быть достигнута при температуре около 350°С.
В системе NH3-SCR водный раствор мочевины, распыляемый на выхлопной газ, сначала подвергается реакциям термолиза и гидролиза под воздействием высокой температуры (уравнения (12) и (13)). Эти реакции приводят к образованию двух молекул аммиака из одной молекулы мочевины.
12. (NH2)2CO → NH3 + HNCO
13. HNCO + H2O → NH3 + CO2
Основные реакции, протекающие в системе после реакций термолиза и гидролиза, представлены в уравнениях. (14)–(16).
14. 2NO + 2NO2 + 4NH3 → 4N2 + 6H2O
15. 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
16. NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
Уравнение 14 обеспечивает наибольшую эффективность конверсии в реакциях конверсии, протекающих в системе NH3-SCR. Эта реакция обычно происходит, когда катализатор окисления дизельного топлива (DOC) присутствует перед системой NH3-SCR. DOC преобразует выбросы NO в форму
NO2, и когда содержание NO и NO2 в выхлопных газах приближается друг к другу, в системе NH3-SCR достигается более высокая эффективность. Поэтому система NH3-SCR обычно требует DOC, и они используются вместе в приложениях. Уравнение 15 возникает, когда перед системой NH3-SCR нет никакого DOC, и выбросы NO включаются в большом количестве на выходе выхлопных газов. Если катализатор DOC больше необходимого и, следовательно, подавляющее большинство выбросов NO преобразуется в NO2, уравнение 16 реализуется. С точки зрения эффективности это уравнение демонстрирует наихудшие характеристики преобразования.
Селективное каталитическое восстановление NOx углеводородами (CH-SCR). По сравнению с NH3- SCR системы CH-SCR остались на втором плане из-за их низкой эффективности, но катализаторы, в которых углеводороды используются в качестве восстановителя, разрабатываются с 1980 г.
В качестве альтернативы восстановителю NH3 в системах SCR использование углеводородов улучшает характеристики системы SCR при низкой температуре. Использование дизельного топлива или несгоревших углеводородов в потоке выхлопных газов упрощает систему и снижает ее стоимость. Помимо дизельного топлива, кислородсодержащие УВ, такие как этанол, метанол и пропанол, высокоэффективны в конверсии NOx.
Просмотр сообщений
