Сажевые фильтры
Существует большое количество различных конструкций сажевых фильтров. Основные типы фильтров приведены ниже:
• центробежные уловители;
• механические фильтры;
• электрические фильтры;
• комбинированные фильтры.
Центробежные фильтры наиболее простые по конструкции. Принцип их действия заключается в закручивании потока газов и отбрасывании твердых частиц за счет центробежных сил на периферию. Однако этот тип фильтра имеет низкую по отношению к твердым частицам отработавших газов дизелей эффективность – до 30%, что объясняется мелкодисперсностью частиц.
В механических фильтрах отделение твердых частиц происходит при пропускании потока газа через фильтрующий материал. В качестве фильтрующего материала может применяться керамика, проволочные и волокнистые материалы. При достаточно высокой (до 90 %) степени улавливания механические фильтры имеют большие недостатки – они создают противодавление на выпуске двигателя, быстро забиваются и требуют регенерации. Системы регенерации очень сложны, и это ограничивает применение механических фильтров.
Действие электрических фильтров основано на пропускании газа в электрическом поле, в результате чего на поверхности осадительных электродов осаждаются твердые частицы. Основное преимущество электрических фильтров – высокая степень улавливания сажи (до 99,9 %) при незначительном противодавлении. Недостатки этого фильтра – быстрое загрязнение изолятора электрода сажей, приводящее к резкому снижению эффективности очистки, а также зависимость степени очистки от режима работы дизеля.
Антидымные присадки
Для уменьшения выделения сажи в процессе сгорания к топливу добавляют антидымные присадки, которые представляют собой металлосодержащие органические соединения. Механизм действия присадок изучен недостаточно. Полагают, что присадки оказывают каталитическое воздействие на выгорание сажи. Возможно так же, что присадки уменьшают образование твердых частиц в процессе сгорания. Наиболее эффективны присадки на основе бария, кальция, марганца, железа и других металлов. Недостатки этого способа - высокая стоимость присадок, а также загрязнение атмосферы продуктами сгорания самих присадок.
Использование природного газа в качестве топлива
Природный газ является одной из альтернатив дизельному топливу, кроме того его применение снижает выбросы вредных веществ. Газ подается в цилиндры двигателя в смеси с воздухом и воспламеняется либо запальной порцией дизельного топлива (10…15% номинальной подачи), либо специальной искровой системой зажигания. Хранение запаса газа для питания дизеля тепловоза может осуществляться в сжатом или сжиженном виде. Возможно хранение сжиженного природного газа в специальных криогенных емкостях, которые устанавливаются в отдельной криогенной секции тепловоза. Недостатками, которые препятствуют широкому внедрению этого способа, являются сложность перевозки запаса сжиженного газа на тепловозе, взрывоопасность и сложность сжижения газа перед заправкой, кроме того использование газа существенно увеличивает стоимость тепловоза и делает более дорогой его эксплуатацию.
Добавление испаренного метанола на впуск дизеля
Метанол так же считают одним из возможных заменителей дизельного топлива в будущем. Данный способ позволяет заменять часть (до 40 %) дизельного топлива и уменьшать на 30...50% выбросы оксидов азота и твердых частиц с отработавшими газами. Метанол, являющийся жидкостью при нормальных условиях, испаряется в специальном устройстве – испарителе и подается во впускной трубопровод дизеля. Возможно испарение метанола в потоке горячего наддувочного воздуха, при этом снижается его температура, что приводит к увеличению коэффициента наполнения и снижению температуры цикла. Использование данного способа требует установки на тепловозе отдельной топливной системы, которая обеспечивает хранение, очистку, подачу, испарение и дозирование метанола. Являясь химически агрессивным веществом, метанол способствует увеличению износа деталей цилиндро-поршневой группы.
В табл.11 приведены приближенные (на основе экспертных оценок) характеристики эффективности различных методов снижения вредных выбросов. Эти данные необходимо будет использовать для проведения оценки эффективности выбранного метода.
Таблица 11
Сравнительная оценка эффективности различных методов снижения выбросов вредных веществ (за 100 % принят исходный дизель)
| № | Метод снижения выбросов токсичных веществ | Изменение уровня выбросов, % | Изменение расхода топлива, % | |||
| СО | СН | NOx | Сажа | |||
| 1 | Уменьшение угла опережения впрыска топлива на 5…10° | 110… 120 | 105… 110 | 75…50 | 140… 190 | 102…110 |
| 2 | Рециркуляция отработавших газов | 120… 210 | 95… 120 | 75…20 | 100… 150 | 103…110 |
| 3 | Уменьшение температуры воздуха во впускном коллекторе | 90 | 95 | 85 | 90…95 | 98…99 |
| 4 | а) Впрыск воды б) Водотопливные эмульсии | 70…100 80…100 | 100…110 100…105 | 50…80 45…75 | 80…90 70…100 | 100…105 97…100 |
| 5 | Обогащение воздуха на впуске топливом | 60…70 | 60…70 | 90…95 | 50…70 | 95…97 |
| 6 | Каталитическая нейтрализация | 10…35 | 10…35 | 100 | 60…90 | 100 |
| 7 | Сажевые фильтры | 100 | 100 | 100…95 | 50…5 | 100…105 |
| 8 | Антидымные присадки | 100 | 100 | 100 | 35…80 | 100 |
| 9 | Использование природного газа | 110… 120 | 100 | 90 | 50…55 | 20/70 |
| 10 | Добавление испаренного метанола на впуск 50+50 % (ДТ+М) | 150… 200 | 200… 300 | 60…70 | 50…60 | 60…75/ 80…50 |
| Примечания: к п. 6: Каталитическая нейтрализация без аммиака. к пп. 9 и 10: В числителе – относительный расход дизтоплива, в знаменателе – альтернативного топлива (за 100 % принят расход ДТ исходным дизелем). | ||||||
Экономическая эффективность выбранного метода снижения уровня выбросов вредных веществ рассчитывается по формуле (кроме пп. 9 и 10 табл 11), грн/год:
Э = У1 – У2 + lт·(Gт1 – Gт2), (14)
где У1 и У2 – ущерб от выброса вредных веществ до и после применения на тепловозе какого-либо способа снижения уровня вредных выбросов, соответственно, грн/год;
lт – цена дизтоплива, грн/т;
Gт1 и Gт2 – годовой расход дизельного топлива тепловозами, т/год.
В случае применения на тепловозе альтернативных топлив, например, природного газа или метанола для расчета экономической эффективности необходимо пользоваться формулой, грн/год:
Э = У1 – У2 + lт·(Gт1 – Gт2) – lат·Gат, (15)
где lат – цена альтернативного топлива, грн/т;
Gат – годовой расход альтернативного топлива, т/год.
5. ВОЗМОЖНЫЕ ТЕМЫ ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
В зависимости от специальной части дипломного проекта в разделе "Экологические показатели локомотивов" необходимо выполнить оценку вредного воздействия на окружающую среду по одному из следующих направлений:
• тепловое загрязнение атмосферы;
• выбросы диоксида углерода;
• расходование атмосферного кислорода;
• выбросы вредных веществ на единицу перевозочной работы при движении тепловоза с составом по перегону;
• загрязнение верхнего строения пути продуктами износа рельсов, бандажей, тормозных колодок.
Оценка вредного воздействия может быть проведена для следующих условий: