Підвищення паливно-економічних та екологічних показників багаторежимних енергоустановок

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. У світі експлуатується приблизно 1 млрд. багаторежимних енергоустановок (БЕУ) з двигунами поршневого типу. Вказані БЕУ є визначальними в споживанні традиційних нафтових палив (витрачається понад 50% нафти, що видобувається). Всіма розвиненими країнами світу найближчим часом планується зниження споживання нафтових моторних палив на 10-20%. Тому актуальними є питання підвищення паливної економічності БЕУ і застосування в них альтернативних енергоносіїв.

БЕУ є одним з основних джерел забруднення навколишнього середовища (НС). Серед усіх екологічних проблем, пов'язаних з використанням БЕУ, однією з найбільш гострих і найменш вирішених є проблема забруднення атмосфери канцерогенними речовинами, рівні викидів яких з відпрацьованими газами (ВГ) особливо різко стали зростати при використанні високоароматизованих нафтових палив. При цьому необхідний комплексний аналіз екологічних показників БЕУ, з урахуванням сумарної канцерогенності ВГ, що дозволить правильно оцінювати рівень їхньої екологічної безпеки й обґрунтовувати наукові принципи екологізації з урахуванням санітарно-гігієнічних факторів, а також міжнародних норм.

Актуальність представленої дисертації визначається тим, що вона відповідно до діючих законів України "Про енергозбереження" і "Про охорону навколишнього природного середовища" спрямована на забезпечення зниження споживання традиційних нафтових палив і рівнів канцерогенного забруднення атмосфери на основі застосування альтернативних і композитних палив з підвищеним водневим показником, що забезпечують покращання паливно-економічних і екологічних показників БЕУ.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення паливно-економічних та екологічних показників багаторежимних енергоустановок, з урахуванням зниження канцерогенної небезпеки відпрацьованих газів, за рахунок застосування альтернативних і композитних палив, у тому числі використання водню як додаткового енергоносія.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

1. Аналіз сучасної паливно-екологічної проблеми і перспектив заміщення нафтових палив у БЕУ альтернативними енергоносіями.

2. Розрахунково-експериментальна оцінка ступеня впливу виду альтернативних і композитних палив на паливну економічність та екологічні показники БЕУ.

3. Розробка комплексної методики визначення ефективності використання водню як додаткового енергоносія.

4. Створення комбінованих систем діагностики канцерогенних вуглеводнів (КВ) у ВГ енергоустановок з підвищеною вірогідністю і надійністю.

5. Розробка комплексних методик інтегральної оцінки екологохімічної небезпеки (ЕХН) БЕУ з урахуванням сумарної канцерогенності ВГ і обґрунтування раціональних методів підвищення їхньої експлуатаційної паливної економічності та екологічної безпеки.

1. Особливості процесу спалювання палив і утворення шкідливих речовин у багаторежимних енергоустановках

Показано, що найбільший внесок у екологічну небезпеку БЕУ роблять викиди з відпрацьованими газами NOx, твердих частинок (ТЧ) і канцерогенних вуглеводнів. Тому необхідність врахування сумарної канцерогенності відпрацьованих газів БЕУ при інтегральній оцінці їхньої екологічної безпеки, а також створення високонадійних систем уловлювання КВ і вимірювання їхніх рівнів у відпрацьованих газах БЕУ є цілком обґрунтованими.

Наведено комплексний аналіз паливно-ресурсної бази, фізико-хімічних властивостей і структури вуглеводневих палив. Відзначено, що істотний вплив на збільшення канцерогенності ВГ чинять підвищені рівні ароматичних вуглеводнів (АВ) у сучасних нафтових паливах.

Одним із пріоритетних шляхів вирішення проблеми зменшення споживання нафтових палив, підвищення паливної економічності БЕУ і зниження канцерогенного забруднення атмосфери міст розглядається використання природного газу, спиртових і композитних палив, із застосуванням водню як додаткового енергоносія. Зазначені палива характеризуються підвищеними водневими показниками, високими антидетонаційними якостями і широким діапазоном збіднення горючих сумішей. Найбільш ефективним є їхнє застосування в двигунах з підвищеним ступенем стискання і примусовим запалюванням збіднених паливних сумішей.

Над вирішенням паливно-екологічних проблем енергоустановок з поршневими двигунами працювали і працюють відомі вчені і спеціалісти: Л.М. Шабад, О.Я. Хесіна, В.О. Звонов, Ю.Ф. Гутаревич, А.П. Марченко, Ф.І. Абрамчук, І.В. Парсаданов, О.І. П'ятничко, В.П. Матейчик та ін.

На підставі узагальнення даних з розглянутої проблеми, у тому числі результатів досліджень у ряді науково-дослідних організацій, а також у результаті оцінки сучасної екологічної ситуації в містах, сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження.

2. Удосконалені системи діагностики теплотехнічних і екологічних показників БЕУ при стендових випробуваннях модельних зразків, у тому числі з використанням сучасних комп'ютерних газоаналізаторів; модернізована фільтраційна система уловлювання ТЧ і КВ з додатковим застосуванням рідкого поглинача (бензольної пастки) при частковому відборі ВГ досліджуваних енергоустановок, а також удосконалена технологія витягу КВ з відібраних фільтрів (з використанням додаткової ультразвукової установки) для подальшого спектрального аналізу рівнів вмісту КВ (БП) у пробах

Відносний інтервал невизначеності при спектральному визначенні рівнів вмісту БП у пробах не перевищував 10 %.

З наведених даних випливає, що концентрації БП різко зростають при низьких коефіцієнтах надлишку повітря (б < 1) і зростанні частоти обертання двигуна. Мінімізація рівнів викидів БП забезпечується при використанні збіднених сумішей метану з повітрям (б > 1,2) і при інтенсифікації запалювання, наприклад, форкамерно-факельного.

Встановлено, що істотний вплив на збільшення викидів КВ і NОх з ВГ двигунів чинить (рис. 2) зростання вмісту АВ у сучасних нафтових паливах (ГОСТ Р51105-97). Тому необхідна розробка методів більш ефективного спалювання зазначених палив і екологічно прийнятного їхнього використання в БЕУ, наприклад, із застосуванням водню як додаткового енергоносія.

Експериментально встановлено інгібуючий вплив добавок водню в композитних вуглеводнево-воднево-повітря-них паливних сумішах на процеси утворення і рівні викидів КВ (БП) з продуктами спалювання. Надзвичайно важливим є те, що невеликі добавки водню () істотно підвищують повноту вигоряння палива (г) та інгібують процеси утворення БП при спалюванні збіднених вуглеводнево-повітряних сумішей (рис. 3).

Тому доцільним є підтримка ефективного рівня вмісту водню в паливній суміші при використанні палив з підвищеним вмістом АВ, у тому числі шляхом застосування водню як додаткового енергоносія.

3. Результати розрахункових досліджень фізико-хімічних і теплотехнічних показників композитних паливно-повітряних сумішей, у тому числі з використанням вуглеводнево-водневих палив (ВВП), а також рівнів утворення і викидів NOх і БП з відпрацьованими газами БЕУ при використанні нафтових або альтернативних, у тому числі композитних, палив

Добавки водню до паливної суміші супроводжуються збільшенням водневого показника, відповідною зміною стехіометричних коефіцієнтів і абсолютного значення повної ентальпії палив.

Зазначений критерій характеризує зменшення рівнів вмісту активного водню () у високоароматизованому паливі з урахуванням зростання рівнів викидів КВ при збільшенні частки ароматичних вуглеводнів понад 30%. Одним зі шляхів мінімізації рівнів викидів КВ, а також ТЧ з продуктами спалювання палив з підвищеним вмістом АВ є використання водню як додаткового енергоносія.

Розрахункові дослідження, проведені числовим методом, показали, що: при зниженні значень коефіцієнтів надлишку повітря (особливо при б < 0,25) істотно зростають рівні утворення БП для всіх досліджуваних палив; найбільш високі рівні утворення БП спостерігаються при використанні нафтового палива; більш низькі рівні утворення БП - при використанні палив з підвищеним вмістом водню; зростання тиску у циліндрі двигуна призводить до істотного збільшення рівнів утворення БП.

Для попереднього числового аналізу рівнів утворення NOx при використанні композитних палив доцільним є застосування рівноважної моделі визначення термодинамічних параметрів процесів їх спалювання з оцінкою кінетики утворення NOx з додатковим використанням даних із індикаторних діаграм двигунів, у тому числі: часу утворення NO і середнього тиску газів у циліндрах БЕУ у діапазоні температур Т ? 1700 К.

4. Узагальнені дані за результатами комплексних екологічних досліджень ряду модифікацій БЕУ відповідно до міжнародних вимог з урахуванням рівнів викидів КВ при використанні нафтових і альтернативних палив

Для можливості проведення таких досліджень розроблена більш ефективна повнопоточна фільтраційна система уловлювання КВ з продуктів спалювання палив, що забезпечує (за рахунок додаткового використання бензольних пасток) контроль відсутності проскакування КВ з газами, що залишають систему.

Для кількісного аналізу рівнів вмісту КВ у ВГ автомобілів проводився спектрально-флуоресцентний аналіз відібраних проб з використанням спектрометра ДФС-24. На підставі результатів проведених досліджень експериментально встановлено, що БП є надійним показником сумарної канцерогенності ВГ досліджуваних енергоустановок з двигунами поршневого типу.

Проведені дослідження показали, що максимальні рівні викидів БП в атмосферу здійснюються енергоустановкою, що обладнана дизелем (32 мкг/км), і двигунами типу ЗМЗ - при використанні традиційних бензинів (7_9 мкг/км). Суттєве зниження рівнів викидів БП (1-0,2 мкг/км) забезпечується при використанні газоподібних палив, збіднених паливних сумішей з форкамерно-факельним запалюванням, розподіленого упорскування бензину у циліндри двигунів, окисних і біфункціональних систем нейтралізації ВГ; екологохімічна небезпека БЕУ визначається більш ніж на 90% рівнями викидів NOх і КВ; використання енергоносіїв з підвищеним вмістом водню (природний газ, бензоводневі і бензоспиртові суміші та ін.) забезпечує істотне зниження рівнів викидів NOх і КВ з ВГ енергоустановок.

Встановлено, що в умовах експлуатації БЕУ при використанні збіднених бензоводневоповітряних сумішей (частка водню складає мас.) забезпечується: зменшення витрати нафтового палива до 40% (за рахунок заміщення бензину воднем і підвищення експлуатаційної економічності БЕУ); суттєве зниження викидів з ВГ: NOx - у 8 разів, а канцерогенних вуглеводнів (БП) - більш ніж на порядок.

Розроблено методику оцінки економічної ефективності використання композитних палив, у тому числі добавок водню до збіднених вуглеводнево-повітряних паливних сумішей. Розглянуто зміни питомих вартісних витрат () на композитні енергоносії по відношенню до вартості одиниці маси вуглеводневого палива.

Висновки

енергоустановка паливний композитний

У дисертаційному дослідженні поставлена і вирішена важлива науково-практична задача, спрямована на підвищення паливно-економічних та екологічних показників багаторежимних енергоустановок, з урахуванням зниження канцерогенної небезпеки відпрацьованих газів, при застосуванні альтернативних і композитних палив, у тому числі водню як додаткового енергоносія. Розв'язання даної задачі дозволило одержати такі наукові і практичні результати:

1. На основі аналізу результатів проведених розрахункових і експериментальних досліджень обґрунтовано доцільність заміщення нафтових палив альтернативними енергоносіями з підвищеними водневими показниками, застосування яких у БЕУ забезпечує не тільки економію нафтових паливних ресурсів, але й підвищує екологічну безпеку БЕУ (~ у 3 рази (бензин А80 + 20% СН3ОН), ~ у 6,5 разів (природній газ), ~ у 8 разів (СН3ОН), у 10 разів (бензин А80 + 10% Н2)), з одночасним покращенням паливно-економічних показників, наприклад для природного газу ~ у 2 рази.

2. Встановлено ступінь інгібуючого впливу добавок водню в композитних паливних сумішах на процеси утворення і рівні викидів в атмосферу канцерогенних інгредієнтів з ВГ енергоустановок. Виявлено, що при використанні в камерах згоряння БЕУ збіднених вуглеводнево-воднево-повітряних паливних сумішей () викиди БП в атмосферу зменшуються на порядок і більше.

3. Запропоновано критерій, що характеризує зміну рівнів активного вмісту водню в сучасних нафтових високоароматизованих паливах (). Зазначений критерій дозволяє не тільки оцінити інтенсивність збільшення рівнів утворення і викидів КВ в атмосферу при зростанні вмісту АВ у паливах, але і дає можливість визначити раціональні рівні добавок водню до паливних сумішей.

4. Розроблено методику оцінки економічної ефективності використання композитних палив, у тому числі добавок водню до збіднених паливних сумішей, що дозволяє розрахувати економічно виправдані рівні добавок додаткових енергоносіїв до нафтових палив.

5. Створено і впроваджено удосконалені комбіновані системи діагностики КВ (БП) у ВГ енергоустановок, що дозволило з більшою вірогідністю і надійністю визначати екологохімічні показники БЕУ і їхню інтегральну екологічну безпеку.

6. Встановлено, що при використанні як базових нафтових, так і композитних палив між масовими рівнями викидів БП і сумарної канцерогенністю ВГ спостерігається позитивний, практично лінійний, кореляційний зв'язок. Це дає підставу стверджувати, що БП є надійним індикатором сумарної канцерогенності відпрацьованих газів БЕУ.

7. Розроблено і впроваджено нові комплексні методики і наведені узагальнені результати інтегральної оцінки екологічної безпеки енергоустановок з двигунами поршневого типу з урахуванням сумарної канцерогенності ВГ, а також - чисельної оцінки екологічного збитку від забруднення атмосфери міст токсичними і канцерогенними складовими ВГ енергоустановок з використанням результатів їхніх випробувань відповідно до міжнародних норм.

Література

1. Канило П.М. Эколого-химическая опасность легковых автомобилей с различными ДВС / П.М. Канило, М.В. Шадрина // Автомобильный транспорт: Сб. науч. тр. - Х.: ХНАДУ. - 2005. - Вып. 17. - С. 35-39.

2. Канило П.М. Анализ эффективности и перспектив применения водорода в автомобильном транспорте / П.М. Канило, М.В. Шадрина // Проблемы машиностроения. - 2006. - Т.9, № 2. - С. 79-85.

3. Канило П.М. Эколого-химические показатели автомобильных ДВС с учетом канцерогенности отработавших газов / П.М. Канило, М.В. Шадрина // Двигатели внутреннего сгорания. - 2006. - № 2. - С. 154-159.

4. Канило П.М. Анализ уровней образования оксидов азота в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания при использовании композитных топлив / П.М. Канило, К.В. Костенко, М.В. Шадрина // Проблемы машиностроения. - 2007. - Т.10, № 2. - С. 83-88.

5. Канило П.М. Интегральные эколого-химические показатели автомобилей с поршневыми двигателями / П.М. Канило, М.В. Сарапина // Автомобильный транспорт: Сб. науч. тр. - Х.: ХНАДУ - 2007. - Вып. 20. - С. 68-74.

6. Эколого-экономический анализ эффективности использования газообразных энергоносителей в автомобильном транспорте / П.М. Канило, К.В. Костенко, М.В. Сарапина, М.А. Костыркин // Автомобильный транспорт: Сб. науч. тр. - Х.: ХНАДУ. - 2007. - Вып. 21. - С. 98-107.

7. Канило П.М. Пути улучшения экологических показателей автомобилей при использовании высокоароматизированных нефтяных топлив / П.М. Канило, К.В. Костенко, М.В. Сарапина // Автомобильный транспорт: Сб. науч. тр. - Х.: ХНАДУ. - 2008. - Вып. 22. - С. 31-37.

Размещено на Allbest.ru