Системы нейтрализации отработанных газов

В мировой практике разрабатываются следующие мероприятия снижения токсичности продуктов сгорания газа:
• впрыск топлива + подача вторичного воздуха в выпускной трубопровод + рециркуляция отработавших газов;
• трехкомпонентный нейтрализатор без обратной связи + рециркуляция отработавших газов;
• трехкомпонентный нейтрализатор с обратной связью + рециркуляция отработавших газов.
Ряд зарубежных исследователей, отмечая, что реальное выполнение жестких американских и европейских стандартов возможно лишь при помощи трехкомпонентных нейтрализаторов с обратной связью, считает, что более оправданным, с экологической точки зрения, было бы установление требований, которые можно удовлетворить при помощи двигателей, работающих на бедных или очень бедных (α > 1) смесях и для дожигания углеводородов снабженных окислительными нейтрализаторами. И хотя эффективность снижения выбросов вредных веществ, в том числе оксидов азота, в таких двигателях может достигать лишь 75% (против 90% в случае трехкомпонентных нейтрализаторов), возможная экономия топлива могла бы составить 8-28%.
Фильтры-нейтрализаторы каталитического типа созданы в США в 1974 г. на основе платины и ее родственников — родия и палладия. Платиновые катализаторы ускоряют разные химические реакции в миллион раз; эти процессы пока не объяснимы.
В 2000 г. 80% двигателей автомобилей выпускалось с платиновыми катализаторами. К 2005 г. законодательством США поставлена цель — практически полностью ликвидировать вредные компоненты отработавших газов. В настоящее время появились очистители-нейтрализаторы с платино-палладиево-родиевыми катализаторами для дизелей.
В Японии все транспортные средства, работающие на бензине и дизельном топливе, имеют нейтрализаторы каталитического типа. Следует отметить, что платиновая группа металлов относится к редкой и дорогой группе металлов.
В начале XX века один грамм платины на мировом рынке стоил 15,8 долл., т. е. в 1,6 раза дороже золота. В конце 1990-х годов в России получали ежегодно около 20 т платины, 40 т палладия и 10 т других металлов платиновой группы.
Палладий — самый близкий к платине металл. На мировом рынке стоит ориентировочно в 3 раза дешевле платины. Спрос возрос в связи с производством нейтрализаторов.
Родий — металл платиновой группы. Запасы оцениваются всего в несколько десятков тонн, а ежегодная добыча измеряется несколькими сотнями килограммов. Родий используется в нейтрализаторах для катализаторных сеток.
Назначение каталитических нейтрализаторов состоит в том, чтобы выходящие из цилиндров отработавшие газы уже в выпускной системе, то есть до выхода в атмосферу, были нейтрализованы. Такое устройство в несколько раз уменьшает токсичность выхлопных газов. Проходя через нейтрализатор, несгоревшие углеводороды окисляются до нетоксичных окислов, а оксиды азота восстанавливаются до азота и кислорода. Трудности использования этих устройств связаны с тем, что отработавшие газы проходят по выпускной системе с большой скоростью и температура их изменяется в широких пределах, а сами нейтрализаторы подвергаются значительным внешним механическим и термическим нагрузкам, поскольку устанавливаются в выпускной системе, расположенной под автомобилем.
Чтобы химические реакции в нейтрализаторе протекали быстро, применяют катализаторы, они значительно увеличивают скорость реакции, но сами в ней не участвуют. Используются катализаторы на основе благородных металлов: платины, палладия и родия.
В любом катализаторе есть так называемый активный слой, нанесенный на инертное тело — носитель. Распространение получили, в основном, моноблочные носители из нержавеющей стали, как правило, из гофрированной фольги, и керамические. В керамических носителях на 1 см приходится до 300 параллельных сквозных каналов, а в металлических — до 800. Эти каналы, дополнительно покрытые неровным промежуточным слоем — подложкой, и создают большую активную поверхность, на которой во много раз быстрее протекают химические реакции. Монолитный блок носителя с подложкой и катализатором называют реактором (рис. 5.2). Его размещают в металлическом корпусе из нержавеющей стали с входной и выходной горловинами, для уменьшения шума, потерь тепла и перегрева наружных стенок корпус делают с двойными стенками и слоем термоизоляции.

Существуют еще гранулированные носители. Их применяют в нейтрализаторах для грузовых автомобилей. В последнее время используют в основном нейтрализаторы на моноблочном носителе, которые имеют меньшие габариты, вес, аэродинамическое сопротивление и быстрее прогреваются до выхода на рабочий режим.
Каталитические нейтрализаторы бывают двух видов: окислительные и трехкомпонентные или так называемые бифункциональные. Первые уменьшают выбросы оксидов углерода и углеводородов на 80-90%, вторые снижают количество оксидов углерода, углеводородов и оксидов азота на 70-80%.
Окислительные нейтрализаторы на автомобилях с бензиновыми двигателями действуют как дожигатели продуктов неполного сгорания и снабжаются устройствами подачи дополнительного воздуха для поддержания реакции окисления. Это могут быть нагнетатели, пульсары или эжекторы.
В трехкомпонентном нейтрализаторе происходит, с одной стороны, восстановление оксидов азота до азота и кислорода, с другой — окисление оксидов углерода и углеводородов. Чтобы эти процессы протекали эффективно, нужно поддерживать состав горючей смеси в чрезвычайно узких пределах. Состав смеси регулируется с помощью датчика содержания кислорода, называемого λ-зонд. Этот датчик фиксирует изменение концентрации кислорода в отработавших газах и подает сигнал в электронный блок управления подачей топлива, и уже электроника корректирует подачу топлива и восстанавливает оптимальный, с точки зрения процессов нейтрализации, состав смеси (см. рис. 5.3).
В выхлопных газах дизельных двигателей концентрация оксидов углерода и углеводородов значительно ниже, чем у двигателей с искровым зажиганием, однако они в больших количествах выбрасывают оксиды азота и твердые частицы — в основном сажу. Поэтому на дизелях устанавливают не только окислительные нейтрализаторы, но и сажевые фильтры и системы рециркуляции (см. рис. 5.4). Рециркуляция продуктов сгорания во впускном режиме может уменьшить количество свободного кислорода в смеси, снизить максимальную температуру цикла и концентрацию окислов азота на 40—50% на режимах малых и средних нагрузок. Мощностные и экономические показатели двигателей при этом могут несколько снижаться.
Сажевый фильтр представляет собой монолитный блок с большим числом заглушенных с одного конца параллельных каналов с пористыми стенками. Отработавшие газы проходят через пористые стенки из одного канала в другой и выходят с противоположной стороны через его незаглушенный конец. Фильтры делают из пенокерамики и пенометалла, поскольку поры этих материалов соизмеримы с размерами частиц дизельной сажи и задерживают их.

Однако использование систем нейтрализации связано со значительными материальными, техническими и организационными затратами. Во-первых, их можно устанавливать только на двигателях, работающих на неэтилированном бензине. Достаточно всего раз заправиться этилированным топливом, чтобы нейтрализатор полностью вышел из строя. Во-вторых, увеличивается расход топлива. В-третьих, значительно более строгие требования предъявляются к конструкции и технологии изготовления приборов питания зажигания и, что очень важно, к соблюдению установленных регулировок. В-четвертых, используются дорогостоящие металлы. Стоимость автомобиля неизбежно возрастает. Например, в современных автомобилях, выпускаемых в США и Европе, на системы нейтрализации и электронные устройства экологического назначения приходится до 15% стоимости всей машины. Одного каталитического нейтрализатора хватает, в среднем, на 80 тыс. километров пробега автомобиля. Тем не менее, все промышленно развитые страны давно используют нейтрализаторы, их годовой выпуск достиг более 50 млн штук.

Экологическая обстановка в России требует срочного оснащения всех автомобилей и тракторов системами каталитических нейтрализаторов и сажевыми фильтрами. Внедрение нейтрализаторов связано с решением ряда проблем. Главных из них две: каталитический нейтрализатор может работать только при применении неэтилированного бензина, которого в России выпускается около 50% от общего производства, и неудовлетворительное техническое состояние части автомобильного парка.
Следует отметить, что проблема нейтрализации продуктов сгорания несколько притупляется из-за малого количества автомобилей в ряде регионов, где они практически не оказывают вредного воздействия на атмосферу.
Важная народнохозяйственная проблема, решение которой требует больших ресурсов, — обеспечить транспорт неэтилированным бензином без свинцовых антидетонационных присадок, позволяющих применять нейтрализаторы. В этилированный бензин для повышения октанового числа добавляется в основном высокотоксичный тетроэтилсвинец, от 0,17 до 0,37 граммов на литр. Эта присадка бензина не выводится из организма человека или домашнего животного и загрязняет почву на расстояние 150-200 метров от трассы.
В течение последних тридцати лет в развитых странах разрабатываются и применяются транспортные законодательства, регламентирующие выброс токсичных веществ с отработавшими газами. Установлены нормы выброса оксида углерода, углеводородов и оксидов азота для каждого транспортного средства, для дизелей регламентированы еще выбросы твердых частиц и дымность.