Главная » 2013 » Октябрь » 23 » Скачать Научные основы проектирования системы обезвреживания отработавших газов тепловозов. Булаев, Владимир Григорьевич бесплатно
17:31
Скачать Научные основы проектирования системы обезвреживания отработавших газов тепловозов. Булаев, Владимир Григорьевич бесплатно
Научные основы проектирования системы обезвреживания отработавших газов тепловозов
Диссертация
Автор: Булаев, Владимир Григорьевич
Название: Научные основы проектирования системы обезвреживания отработавших газов тепловозов
Справка: Булаев, Владимир Григорьевич. Научные основы проектирования системы обезвреживания отработавших газов тепловозов : диссертация доктора технических наук : 05.26.03 Москва, 2005 308 c. : 71 06-5/78
Объем: 308 стр.
Информация: Москва, 2005
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ОТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ТЕПЛОВОЗОВ И СПЕЦИАЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
11 Влияние вредных выбросов от тепловозов на загрязнение атмосферного воздуха
12 Нормирование выброса вредных веществ от подвижного состава и роль железнодорожного транспорта в загрязнении окружающей среды
13 Воздействие вредных выбросов от специального подвижного с состава на загрязнение окружающей среды и воздуха рабочей зоны
14 Состав отработавших газов дизелей тепловозов и специального подвижного состава и влияющие на него факторы
15Оценка токсичности тепловозов и специального подвижного состава
16 Способы уменьшения вредных выбросов от двигателей внутреннего сгорания
17Оценка влияния вредных выбросов от путевых машин на загазованность тоннеля при ремонтных работах
Выводы
2ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ И ДЫМНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 8ЧН 26/26 И
1Д12-400Б
21 Методика экспериментальной оценки токсичности отработавших газов тепловозов
22 Описание экспериментальной установки и методики измерения опытных данных
23Экспериментальные исследование состава отработавших газов тепловозных дизелей 8ЧН 26/26 (ЗА-6Д49) и 1Д12-400Б
240ценка вредных выбросов от тепловозов ТГМ6А и ТГМ23Д 71 Выводы
3ИССЛЕДОВАНИЕЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ И СПЕЦИАЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
31 Аналитические исследования влияния перепуск отработавших газов на качество свежего заряда
32 Исследование изменения токсичности отработавших газов при частичной их рециркуляции во всасывающую систему дизеля
33 Анализ результатов работы тепловозного дизеля с рециркуляцией отработавших газов
34 Результаты испытаний дизеля 1Д12-400 Б с рециркуляцией газов
35Исследование влияния изменения угла опережения впрыска топлива на токсичность тепловозных дизелей
36Оценка влияния изменения угла опережения впрыска топлива на концентрацию оксида азота и энерго - экономические характеристики дизелей 6ЧН21/21и 1Д12-400Б
Выводы
4ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
ДИЗЕЛЕЙ С ГРАНУЛИРОВАННЫМИ КАТАЛИЗАТОРАМИ
41 Обоснование типа реактора каталитического нейтрализатора отработавших газов тепловозных дизелей
42Описание экспериментальной установки и методики экспериментальных исследований
43 Исследование гидродинамики полупсевдоожиженного слоя катализатора в реакторах с переменным поперечным сечением
Выводы t 5 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РЕАКТОРЕ С БЛОЧНЫМИ СОТОВЫМИ КАТАЛИЗАТОРАМИ НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
51 Основные расчетные уравнения
52Исследование течения газа в диффузоре нейтрализатора (1-зона)
53Исследование течения газа в реакторе (III- зона течения)
54Исследование течения газа в области концентрических цилиндров
II-зона)
55Исследования течения Газой смеси в эжекторе нейтрализатора
IV -зона) ф Выводы
6 ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РЕАКТОРЕ
С БЛОЧНЫМИ КАТАЛИЗАТОРАМИ
61 Структура носителей
62Описание экспериментальной установки и методика исследований
63 Исследование гидродинамики реактора с блочными катализаторами
64 Оценка воздействия засаживания сотового каталитического блока
• на создаваемое противодавление
Выводы
7 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ! РАБОТЫ НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ТЕПЛОВОЗОВ И СПЕЦИАЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
71Исследование эффективности работы каталитического нейтрализатора
72 Исследование теплообмена в полупсевдоожиженном слое катализатора
73 Исследование стабильности и долговечности работы катализаторов при ходовых испытаниях нейтрализатора
74 Разработка и испытание комбинированной системы обезвреживания отработавших газов
75 Результаты промышленных испытаний каталитического нейтрализатора тепловоза типа ТГМ6А
76Разработка нейтрализатора отработавших газов для дизелей специального подвижного состава и автотранспорта
Выводы
8РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ РЕГЕНЕРАЦИИ КАТАЛИЗАТОРОВ И ИХ ВНЕДРЕНИЕ
81 Исследование процесса отложения соединений серы на катализаторе
82 1Исследования процесса накопления соединений серы на гранулированных катализаторах
83 Разработка методов восстановления активности катализаторов
84 Исследование процесса отложения соединений серы на поверхности сотового каталитического блока
Выводы
Введение:
Многие страны мира, в том числе и Россия, подписали ряд программных документов, которые определили согласованную политику по обеспечению устойчивого развития и сохранения биосферы Земли.
В «Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» отмечается, что устойчивое развитие страны - объективное требование времени. Один из важнейших путей реализации этой программы - безопасность сферы обитания (техносферы). При этом главнейшей задачей является обеспечение промышленной безопасности, которая становится особенно актуальной на предприятиях, подверженных опасным воздействиям природного и техногенного характера.
По мере развития транспорта загрязнение воздушной среды постоянно увеличивается. Если в 70 - 80 годы прошлого века доля вины за загрязнение окружающей среды делилась поровну между промышленностью и транспортом, то к концу века наметилась устойчивая тенденция увеличения роли транспорта, в том числе и железнодорожного. Несмотря на то, что железнодорожный транспорт из всех видов транспорта оказывает наименьшее негативное воздействие на природную среду, его доля в загрязнении природной среды остается высокой. Это происходит в результате выброса вредных веществ от подвижного состава, многочисленных производственных и подсобных предприятий, обслуживающих перевозочный процесс. Суммарный выброс вредных веществ от подвижного состава по разным оценкам составляет от 0,5 до 3 млн. тонн в год; наблюдается устойчивая тенденция ухудшения экологической обстановки. Снижение выброса вредных веществ от железнодорожного транспорта - объективное требование времени, потому что с этим непосредственно связана промышленная безопасность железнодорожной отрасли. Поэтому с конца 50-х - начала 60-х годов интенсивно развиваются научные исследования по снижению вредных выбросов от транспортных средств с приводом от двигателей внутреннего сгорания как путем совершенствования их рабочего процесса, так и созданием систем обезвреживания отработавших газов. Большую роль в теоретическом и практическом решении проблемы сыграли труды Н.З. Битколова, В.А. Звонова, О.И. Жегалина, A.A. Кабанова, М.М. Конорева, Е.Е. Коссова, В.Ф. Кутенева, В.А. Маркова, Ю.Н.Панкова, В.Н. Панчишного, H.H. Патрахальцева, Н.М.Поповой, В.И. Смайлиса,
Э.А. Улановского, С.С. Филатова, Г.А. Фофанова и многих других.
Их исследования доказали, что для максимального снижения токсичности отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания необходимо применять комплексные средства обезвреживания вредных выбросов. Результаты научных исследований и позволили перейти от испытаний единичных образцов к созданию комбинированных систем обезвреживания отработавших газов.
Диссертационная работа посвящена научному обоснованию технического решения актуальной проблемы - созданию систем обезвреживания отработавших газов для маневровых тепловозов промышленного назначения и специального подвижного состава. Решение этой проблемы имеет важное народнохозяйственное значение и позволит значительно оздоровить условия труда и повысить промышленную безопасность отрасли.
Цель работы - повышение промышленной безопасности тягового железнодорожного подвижного состава.
Основные задачи работы:
1. Изучение состояния проблемы промышленной безопасности при эксплуатации тепловозов в производственных условиях с ограниченным воздухообменом и определение рациональных способов снижения их негативного воздействия;
2. Разработка методики испытаний тепловозов на токсичность и на ее основе установление количественного выброса вредных веществ от тепловозов типа ТГМ6А и ТГМ23Д;
3. Оценка влияния параметров рециркуляции отработавших газов, изменения угла опережения впрыска топлива на снижение концентрации оксидов азота как компонента, определяющего токсичность тепловозных дизелей;
4. Теоретическое обоснование конструктивных параметров нейтрализатора с гранулированным катализатором для тепловозных двигателей с газотурбинным наддувом;
5. Разработка конструкции нейтрализатора отработавших газов с применением сотовых катализаторов для дизелей тепловозов и специального подвижного состава и создание математической модели происходящих в реакторе газодинамической процессов;
6. Обоснование параметров систем обезвреживания отработавших газов для тепловозов промышленного транспорта;
7. Разработка новых технических решений регенерации отработанных катализаторов для их повторного использования и продления срока эксплуатации. Проверка эффективности работы в производственных условиях;
8. Проведение стендовых и промышленных исследований по определению эффективности работы разработанных систем обезвреживания отработавших газов тепловозов промышленного транспорта и специального подвижного состава;
9. Оценка гигиенической и экономической эффективности систем обезвреживания для тепловозов промышленного назначения.
Методологической основой диссертации послужили исследования концепции эксплуатации тепловозов и специального подвижного состава, изложенной в трудах отечественных и зарубежных ученых. В работе применены принципы и методы математического моделирования, теории подобия, математической статистики, теории размерностей, промышленного эксперимента.
Информационно-аналитическую базу исследования составляют: аналитическая информация, опубликованная в специальных научных изданиях, рекомендациях, материалах научно-практических конференций, и фактические материалы, собранные автором в процессе исследований.
Достоверность и обоснованность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждены данными многократных стендовых исследований натурных образцов, практикой опытной эксплуатации и работоспособностью предложенных автором конструктивных и технических решений систем по обезвреживанию отработавших газов дизелей тепловозов, специального подвижного состава и автотранспорта.
Объектом исследования являются тепловозы промышленного транспорта в части обезвреживания отработавших газов.
Предметом исследования являются промышленная безопасность и системы обезвреживания отработавших газов двигателей тепловозов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика испытаний тепловозов на токсичность и проведена количественная оценка выбросов вредных веществ от тепловозов ТГМ6А и ТГМ 23Д.
2. Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность создания для тепловозных дизелей с газотурбинным наддувом систем обезвреживания отработавших газов с применением каталитических нейтрализаторов с по-лупсевдоожиженным слоем гранулированного катализатора; получены критериальные уравнения для расчета параметров реактора.
3. Разработана математическая модель нейтрализатора с блочными сотовыми катализаторами, в комплексе описывающая течение газа в реакторе с учетом теплопроводности, диффузии и выделенного тепла при окислительных процессах, позволяющая прогнозировать изменение концентрации вредных веществ при движении отработавших газов по каналам блока, а также время отложения сажи на торцевой поверхности блока и его каналах.
4. Теоретически обоснован процесс отложения сажи на поверхности блочного сотового катализатора, получены аналитические и эмпирические зависимости для прогнозирования роста противодавления в выпускном тракте двигателя при отложении сажи на торцевой поверхности и в каналах каталитического блока, а также от количества установленных блоков.
5. Разработана технология водной и химической регенерации гранулированных и сотовых катализаторов, применяемых в каталитической ступени систем обезвреживания отработавших газов дизелей, позволяющая продлить срок их эффективной работы в полтора-два раза.
Практическое значение работы заключается в повышении промышленной безопасности тепловоза как источника загрязнения окружающей среды, разработке систем обезвреживания отработавших газов для маневровых тепловозов промышленного назначения, специального подвижного состава и автотранспорта, разработке методов регенерации катализаторов, позволяющих продлить срок их эффективной работы в полтора-два раза.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использовались на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации систем обезвреживания отработавших газов для маневровых тепловозов типа ТГМ6А, ТГМ23Д, специального подвижного состава (путеукладчик УК25/18, снегоуборочная машины СМ-2, автотранспорта (автобус «Икарус»).
Системы обезвреживания отработавших газов спроектированы и изготовлены для тепловозов, которые переданы в опытную и постоянную эксплуатацию на: Магнитогорский металлургический комбинат (ТГМ6А № 762, № 1502, № 1503); Владимирскую ППЖТ (ТГМ 6А № 1505); Салдинский металлургический комбинат (ТГМ6А № 1625); Первоуральский новотрубный завод (ТГМ6А № 2062); Челябинский металлургический завод (ТГМ6А № 2063); Руставский металлургический завод (ТГМ6А №2067).
Разработан входящий в систему обезвреживания нейтрализатор ОГ с применением сотовых катализаторов для: маневрового тепловоза ТГМ23Д (Муромский тепловозостроительный завод), путеукладчика УК25/18, снегоуборочной машины СМ-2 (ПМ-14, ПМС-174, Свердловская железная дорога); нейтрализатором оборудован автобус типа «Икарус» АТП-4 МОАП (Екатеринбург).
Конструкции нейтрализаторов и методики регенерации катализатора защищены патентами и авторскими свидетельствами №№ 2201511, 1746001, 1749501, 1751380, 1658456, 1726802, 1476167, 1320467, 1590606. Результаты исследования используются в учебном процессе в Уральском государственном университете путей сообщения по следующим дисциплинам: «Основы нейтрализации отработавших газов ДВС», «Безопасность жизнедеятельности», «Охрана окружающей среды», «Безопасность труда».
Экологоэкономический ущерб, наносимый окружающей природной среде при эксплуатации одного тепловоза типа ТГМ 6А, составляет 602,698 тыс. руб./год. Основную долю ущерба наносят выбросы оксидов азота.
Основные научные положения, выносимые па защиту:
1. Аналитические и эмпирические зависимости для выбора конструктивных параметров, используемого в системах обезвреживания тепловозных дизелей с газотурбинным наддувом, каталитического нейтрализатора с полупсевдоожи-женным ( заторможенным) слоем гранулированного катализатора;
2. Математическая модель нейтрализатора с сотовыми каталитическими блоками, в комплексе описывающая теплопередачу, диффузионные и каталитические процессы с учетом выделенного тепла при окислительных процессах продуктов неполного сгорания топлива;
3. Методы водной и химической регенерации для повторного использования гранулированных и сотовых катализаторов в каталитическом нейтрализаторе систем обезвреживания отработавших газов.
Личный вклад автора заключается в разработке методики испытаний те пловозов на токсичность и дымность отработавших газов; постановке задач экс перимента; в теоретическом обосновании возможности создания нейтрализато ров для тепловозных дизелей с газотурбинным наддувом; в разработке матема тической модели газодинамических процессов в нейтрализаторе с сотовыми ка тализаторами; в разработке технологий регенерации катализаторов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всесоюзных научно-технических конференциях по каталитической очистке отходящих газов (Алма-Ата, 1973 и 1977 гг., Тбилиси, 1987 г.), конференциях по охране труда (Казань, 1974 г., Каунас, 1982 г.), всесоюзных совещаниях по проблеме 0.85.03 ГКНТ СМ СССР (Алма-Ата, 1976 и 1981 гг.), теоретическом семинаре в ЦНИИ МПС (Москва, 1978 г.), координационном совещании «Экологическая технология» (Свердловск, 1979 г.), заседании научно-технической комиссии по вопросу предупреждения загрязнения атмосферного воздуха выбросами тепловых двигателей и тепловых установок железнодорожного транспорта (Москва, 1981 г.), научно-технической конференции «Уралэкология. Техноген-2000», «Уралэкология.
Техноген. Металлургия-2001» (Екатеринбург, 2000 и 2001 гг.), первой конференции работников промышленного железнодорожного транспорта Урала (Екатеринбург, 2002 г.), Всероссийской конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, 2003 г.), Общероссийской научно-производственной конференции «Техническое состояние и перспективы совершенствования промышленного тягового подвижного состава» (Москва, 2003 г.), Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2004 г.), научно-технической конференции «Проблемы путевого хозяйства на промышленном транспорте» (Екатеринбург, 2004 г.), на других конференциях и семинарах.
Конструкция нейтрализатора отмечена медалью ВВЦ.
Публикации. Научные положения и материалы исследований опубликованы в 49 печатных работах, включая 8 патентов и авторские свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 3 10 страницах, из них 289 страниц основного текста, в том числе 54 таблицы и 88 рисунков. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов по главам, заключения, списка использованных литературных источников из 171 наименования и 6 приложений.
