Математическое моделирование процессов в каталитических фильтрах при очистке отходящих газов дизельных двигателей от сажи

• Автор: Павлова, Татьяна Леонидовна
• Шифр специальности: 05.17.08, 02.00.15
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 143 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ САЖЕВЫХ ФИЛЬТРОВ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Формирование и структура сажевых частиц
1.2. Методы подавления выбросов сажевых частиц в выхлопных газах дизельных двигателей
1.2.1. Керамические сотовые блоки с фильтрацией потока через стенку
1.2.2. Керамические пены или высокопористые ячеистые материалы
1.2.3. Фильтры с навивкой керамической нити на перфорированные стальные трубки
1.3. Методы регенерации фильтров
1.3.1. Использование каталитических добавок в топливо
1.3.2. Использование каталитических покрытий материала фильтра
1.3.3. Использование катализаторов для окисления N0,
содержащегося в выхлопных газах до N02 с последующим газофазным окислением сажи диоксидом азота
1.4. Моделирование механизмов осаждения сажевых частиц
1.5. Моделирование кинетики окисления сажевых частиц
1.5.1. Кинетические уравнения
1.5.2. Методы исследования активности катализаторов в реакциях окисления сажи27
1.5.3. Кинетические параметры
1.6. Математическое моделирование сажевых фильтров
1.7. Заключение к литературному обзору и постановка задач диссертации
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Объекты исследования
2.1.1. Блоки с волокнистой структурой
2.1.2. Дизельная сажа
2.1.3. Модельная сажа
2.2. Установки, использованные в работе
2.2.1. Стенд для измерения гидравлического сопротивления блоков
2.2.2. Моторный стенд
2.2.3. Каталитическая установка с проточным реактором. Методики и условия проведения экспериментов
2.2.4. Термический анализ. Методики и условия проведения экспериментов
2.3. Физико-химические методы исследования
2.3.1. Химический анализ образцов
2.3.2. Сканирующая электронная микроскопия
2.3.3. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМВР)47
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
3.1. Исследования материала с волокнистой структурой (вспененный кварц) ТЗМК-10 и ТЗМК
3.1.1. Структура материала
3.1.2. Гидравлическое сопротивление на чистых блоках
3.2. Исследования дизельной сажи, собранной в волокнистом фильтре
3.2.1. Распределение сажи в волокнистом фильтре, полученной в условиях моторного стенда
3.2.2. Физико-химические свойства дизельной сажи
3.3. Определение кинетических параметров окисления модельной сажи
3.3.1. Определение кинетических параметров окисления модельной сажи из
экспериментов ТПО

3.3.2. Определение кинетических параметров окисления модельной сажи и
октадекана из экспериментов ДТА
ГЛАВА 4.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ САЖЕВЫХ ФИЛЬТРОВ
4.1. Формулировка математической модели
4.2. Проверка адекватности модели
4.2.1. Сопоставление расчетов и экспериментальных данных по испытаниям некаталитического фильтра
4.2.2. Сопоставление расчетов и экспериментальных данных по испытаниям каталитического фильтра
4.3. Сравнение фильтрующих материалов
4.4. Оценка параметров модели
4.4.1. Оценка параметров модели для муллитового фильтра
4.4.2. Оценка параметров модели для кварцевого фильтра
4.5. Результаты математического моделирования
4.5.1. Муллитовый фильтр
4.5.1.1.Активная регенерация. Фильтрация отходящих газов
4.5.1.2.Активная регенерация. Окисление сажи
4.5.1.3.Влияние параметров модели на заполнение муллитового фильтра сажей
4.5.1 АПассивная регенерация
4.5.2. Кварцевый фильтр
4.5.2.1.Влияние параметров модели на заполнение кварцевого фильтра сажей
4.5.2.2.Активная регенерация кварцевого фильтра
4.5.2.3.Пассивная регенерация кварцевого фильтра
4.5.3. Влияние полидисперсности частиц сажи на показатели заполнения кварцевого фильтра
4.5.4. Влияние катализаторов на регенерацию кварцевого фильтра
4.5.5. Моделирование циклических режимов заполнения фильтра сажей и
регенерации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 5. РЕГЕНЕРАЦИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА ПРИ НАЛИЧИИ УГЛЕВОДОРОДОВ В САЖЕ
5.1. Регенерация фильтра при постоянной входной температуре
5.2. Регенерация фильтра в режиме программируемого подъема входной температуры117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ
ВЫВОДЫ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ
1. АЛГОРИТМ
2. БЛОК-СХЕМЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
БЛАГОДАРНОСТИ

Введение
Процессы горения различных видов топлив широко распространены во многих областях хозяйственной деятельности: промышленное производство, котельные, ТЭЦ, тепловые двигатели, используемые на автомобилях, судах, железнодорожном и авиационном транспорте, а также в различных стационарных установках.
В результате реализации процессов горения происходит образование не только нетоксичных продуктов полного сгорания (СО2 и паров воды ЕЬО), но и вредных веществ: продуктов неполного сгорания (СО, углеводородов, частиц сажи), продуктов окисления азота, серы и свинца. В состав частиц сажи входит углерод, сульфаты, оксиды металлов и углеводороды, некоторые из которых, включая полиароматические соединения, обладают хорошо известными мутагенными и канцерогенными свойствами. По этой причине, правительства США, Японии и Европейских стран снижают допустимые пределы выбросов таких частиц для пассажирских, легковых и грузовых автомобилей. Обеспечение допустимого в настоящее время в США и Европейских странах содержания вредных веществ в выхлопных газах дизельных двигателей (ЕВРО-5) требует серьезных технологических мер, позволяющих уменьшить концентрацию сажи и не превысить рекомендуемые нормы. Дальнейшие улучшения в конструкции и в условиях эксплуатации двигателя, будут недостаточными, поэтому для сокращения массы сажевых частиц, попадающих в атмосферу, требуется применение каталитического устройства для последующей очистки выхлопных газов [1-5].
В настоящее время такими каталитическими устройствами являются различные типы фильтров, которые изготавливаются из высокопористых материалов, таких как кордиерит, карбид кремния, керамические или металлические пены или волокна. Конструктивно фильтры представляют собой блоки в виде дисков с системой каналов внутри или сплошных дисков без каналов.
Задача разработки новых и усовершенствования существующих каталитических фильтров для улавливания и дальнейшего окисления частиц сажи является актуальной, но непростой задачей. Она требует знаний и о процессах, отвечающих за накопление частиц г,яжи в фильтрах, приводящее как к дальнейшему повышению эффективности улавливания частиц, так и к росту перепада давления, и о процессах регенерации фильтров. В этом случае наиболее целесообразным подходом к решению такой задачи является применение методов математического моделирования с использованием адекватных математических моделей, способных учесть механизмы улавливания полидисперсных частиц сажи пористыми волокнистыми материалами и материалами с пеноструктурой, правильно оценить рост перепада давления в фильтре, описать процессы окисления частиц сажи, имеющей сложный состав, различньми катализаторами.

Для низкотемпературного (каталитического) окисления характерно горение всего объема сажи, скорость окисления пропорциональна несгоревшей массе сажи, порядок реакции по саже близок к 1. Процесс не лимитируется диффузией Оа()5 [56]. Поэтому можно сделать вывод, что величина порядка реакции по саже будет находиться в пределах от 0,7 до 1 в зависимости от того, какой механизм окисления реализуется в данном случае.
В работе [38] порядок реакции по саже найден равньм 0,5 для некаталитического окисления и равным 0,8 для окисления на Р1/Се2г02 катализаторе.
1.6. Математическое моделирование сажевых фильтров
В [56] приводится модель, разработанная авторами для процессов улавливания сажи фильтрами из керамических пористых материалов (керамическая пена). Фильтры представляют собой диски, размещаемые по линии выхлопа автомобиля. Модель включает нестационарные дифференциальные уравнения баланса тепла и массы в каталитическом фильтре, а также уравнения, учитывающие механизмы улавливания частиц, кинетику реакции окисления сажи, уравнение для перепада давления. Уравнения баланса массы состоят из уравнений по газовой фазе для концентраций частиц сажи, кислорода и углекислого газа в газовой фазе, а также из уравнения для твердой фазы, описывающего изменение количества сажи, уловленной в фильтре. Однофазное уравнение теплового баланса учитывает конвективный теплоперенос, перенос тепла теплопроводностью и тепловыделение в результате реакции окисления сажи.
В литературе наблюдается недостаток информации о теоретических подходах к фильтрации частиц через вспененные структуры. Поэтому, описанный в данной статье подход для фильтрации частиц был адаптирован из концепций и уравнений, которые предлагались для волокнистых фильтров другими исследователями [33], [34]. Вспененная структура была представлена в виде эквивалентной волокнистой структуры с помощью введения эквивалентного диаметра волокна, с1/.
В статье предполагается, что механическое улавливание дизельных частиц состоит из механизмов инертного соударения, перехвата и диффузии. Использовались выражения для вкладов каждого из механизмов в общую эффективность улавливания частиц для одного волокна [34]. Как уже отмечалось, эти выражения верны только для чистых волокон и не принимают во внимание возможность для размещенных частиц попасть обратно в газовый поток. По этой причине в статье данных авторов вводится модифицированное число Фруда, Тч-', полученное из обычного числа Фруда 7ч- заменой гравитационной составляющей величиной, обратно пропорциональной толщине слоя частиц, размешенных на волокне.