Результаты лабораторных, стендовых и опытно-промышленных испытаний системы снижения токсичности отработавших газов (сстог) дизельных двигателей карьерных автосамосвалов

По этим характеристикам, с учетом длины каналов 10 можно определить аэродинамическое сопротивление ИТМО-РУ (ру), которое согласно опытным исследованиям соответствует сопротивлению фильтра без тепло-аккумулирующего элемента.

Лабораторные исследования конструкции показали высокую эффективность ее работы в широком диапазоне условий, возможность многократного (более 1000 раз) использования влагопоглотителя и длительное время использования теплоаккумулирующего элемента, соизмеримое с сроком службы самого устройства.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шерстов В.А., Киселев В.В., Ефремов В.Т. Влияние теплового режима россыпных шахт на простудную заболеваемость горнорабочих// Исследование и рекомендации по совершенствованию разработки полезных ископаемых северных и восточных районов СССР. 4.2 Разработка угольных, россыпных и рудных месторождений. - Якутск, 1974.

|— Коротко об авторах-

Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет),

Веселов А.П. - кандидат технических наук, Министерство энергетики,

Туча Н.А. - кандидат технических наук, ОАО «Уренгойгазпром», Полторыхин С.Н. - аспирант, Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).

- © М.М. Конорев, В.И. Прибылев,

2006

УДК 622.817

М.М. Конорев, В.И. Прибылев

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ, СТЕНДОВЫХ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ

234

ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ (ССТОГ) ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ

Выхлопные газы технологического автотранспорта являются одним из основных факторов загрязнения атмосферы карьеров и прилегающих территорий токсичными газообразным и аэрозольными примесями.

В многочисленных работах по обезвреживанию отработавших газов исследованы различные способы и средства, включая жидкостную, плазменную, каталитическую и термо-ка-талитическую нейтрализацию, инерционную, электрическую и магнитную очистку, рециркуляцию ОГ, изменение угла опере-жения вспрыска топлива, применение механических фильтров, введение антидымных и других присадок к топливу, подачу в цилиндры двигателя воды (пара) с топливом или всасываемым воздухом, добавлением в ОГ перед выпуском их в атмосферу воздуха, твердых или жидких окислителей [1-5]. Однако, эффективность известных отечественных нейтрализаторов не превышает 20 % от суммарной токсичности ОГ. Причем относительно основных токсичных компонентов ОГ дизелей - сажи и окислов азота - нейтрализаторы неэффективны.

За рубежом в нейтрализаторах используются так называемые бифункциональные трехкомпонентные) катализаторы, изготовленные на основе металлов платиновой группы и редкоземельных элементов. Нейтрализаторы с такими катализаторами дороги и предназначены главным образом для легковых автомобилей.

Приведенные исследования позволяют сделать вывод об ограниченности применения нейтрализаторов для обезвреживания ОГ дизельного автотранспорта. В этой связи перспективным является способ очистки отработавших газов дизелей с помощью перевозимой горной массы.

В ряде работ [6, 7] приводятся результаты исследований, свидетельствующие об адсорбционной способности горных пород, в частности, в работе [7] отмечается, что 1 г пыли связывает до 0,09 мг СО и 0,11 - 0,18 мг ЫОх. Процесс десорб-

235

ции ядовитых газов в естественных условиях происходит очень медленно. Лабораторными исследованиями ВНИИБТГ установлено, что за 195 суток хранения кварцевого порошка десорбировало всего 60% оксидов азота. Поэтому ожидать самопроизвольной десорбции связанных горной массой ядовитых газов, которая могла бы отрицательно сказаться на состоянии атмосферного воздуха, нет оснований.

Способ обезвреживания отработавших газов, основанный на пропускании их через перевозимую горную массу, впервые стали применят в 60-е годы ХХ века на самоходных вагонетках с дизельным приводом на шведском горнодобывающем предприятии «Кируна». Горная масса выполняет по отношению к ОГ роль естественного фильтра, обновляясь после каждого транспортного цикла. Проходя через навал горной массы, ОГ частично освобождаются от сажи за счет инерционного осаждения ее на стенках фильтрационных каналов. В результате химического и адсорбционного связывания, а также окисления горючих компонентов, происходит улавливание газообразных токсичных компонентов ОГ. Эффективность химических реакций зависит от минерального состава адсорбционных процессов, а главным образом от пористости горной массы. Каталитический эффект увеличивается в местах ввода ОГ в горную массу, на участках с повышенной температурой. При взаимодействии горячих ОГ с холодной горной массой (в осенне-зимний период) происходит улавливание окислов азота за счет растворения последних в конденсате, образующемся из содержащихся в ОГ паров воды и выпадающем на поверхности кусков горной массы.

Схема выпуска ОГ через газовыводящие патрубки, установленные на внутренней поверхности передней и боковой стенок грузовой платформы, предложена Институтом горного дела УрО РАН [8]. Опытно-промышленные испытания системы снижения токсичности отработавших газов на автосамосвалах БелАЗ -7522, -7523, -549, -7519 были проведены на карьерах_

Рис. 1. Принципиальная схема грузовой платформы автосамосвала БелАЗ с устройством для ввода ОГ в перевозимую горную массу: 1

- грузовая платформа; 2 - наклонная полка; 3 - внутренние полости; 4 -газовыпускные отверстия; 5 - направляющий патрубок; 6 - пластины

комбината «Магнезит», «Ураласбест», Навоийского горно-металлургического комбината, Оленегорского, Качарского ГОКов, Приаргунского горно-химического объединения. Эффективность очистки отработавших газов от оксидов азота и углерода составила в среднем 20-40 %, сажи - 60-70 % в зависимости от перевозимой горной массы. Полученные результаты позволили произвести сравнительную оценку эффективности снижения суммарной токсичности выброса с использованием перевозимой горной массы и нейтрализатора НКД-241, которая составила соответственно 32 % и 20 %. Первая система заметно эффективнее.

Принципиальная схема системы снижения токсичности дизелей представлена на рис. 1. Отличие схемы выпуска от штатной заключается в том, что в газовыпускной тракт карьерного автосамосвала вводятся дополнительно направляющие патрубки, которые устанавливаются на внутренней поверхности грузовой платформы (наклонных полках) и посредством отверстий, выполненных в стенках наклонных полок, имеют аэродинамическую связь с газораспределительными каналами плат

237

Рис. 2. Схема экспериментальной установки УМТЗ: 1 - стендовый дизельный двигатель 6ДМ-21; 2 - патрубок; 3 - вентиль; 4 - холодильник; 5 -термометр; 6 - охлаждаемая колонка; 7 - горная масса; 8 - сажемер; 9 -газоанализатор

формы. Заводские отверстия, через которые отработавшие газы выбрасываются в атмосферу, закрываются заглушками. Для исключения сверхнормативного противодавления, которое может возникнуть при транспортировании консистентной горной массы, в системе выпуска ОГ предусмотрен предохранительный клапан.

Оценка эффективности системы снижения токсичности отработавших газов включает определение физико-химических процессов очистки отработавших газов от токсичных ингредиентов при их фильтрации через горную массу на моделирующей установке в лабораторных условиях и определение эффективности очистки отработавших газов в ходе промышленных испытаний на горнодобывающем предприятии на авто самосвалах, оборудованных ССТОГ.

Исследование физико-химических процессов очистки отработавших газов проводилось на экспериментальной уста-

238

новке Уральского турбомоторного завода (рис. 2), включающей стендовый дизельный двигатель 6ДМ-21 1, отработавшие газы которого пропускаются через холодильник 4 с целью предварительного охлаждения до 200 °С и охлаждаемую колонку 6, заполненную слоем горной массы, и далее на газоанализатор 9 или сажемер 8. В экспериментах использовался комплексный газоанализатор Horiba Motor Exhaust Gas Analiser Mexa 8120F и сажемер ИНА-109. Точность анализа гарантировалась регулярной поверкой с помощью стандартных образцов газовых смесей.

Цель экспериментов - оценка эффективности очистки отработавших газов от загрязняющих токсичных компонентов (окиси углерода, оксидов азота, углеводородов, сажи) при пропускании их через бурый уголь и цеолит, и анализ возможности возгорания угля при этом. В процессе эксперимента оценивалась адсорбционная способность угля и различных фракций цеолита по отношению к углеводородам и возможные условия десорбции.

Оценка физико-химических процессов и эффективности снижения токсичности отработавших газов проводилась на угле и цеолите при различном гранулометрическом составе и температуре в зоне взаимодействия отработавших газов с горной массой.

Испытания при высоких температурах (250°С) показали, что снижение концентрации оксидов углерода и азота наблюдается только в первые 5-10 минут и составляет в среднем 5-20 %. Возгорание угля отмечается при температуре ОГ на входе в колонку +180 °С. Изменение гранулометрического состава слоя горной массы несущественно влияет на снижение концентрации, а увеличение толщины слоя повышает продолжительность действия горной м ассы на компоненты отработавших газов. Анализ проб отработавших газов, отобранных при высокой температуре, позволил установить отсутствие каталитического и хемосорбционного действия в контакте газов со слоем горной массы и сделать вывод о ведущей роли адсорбции.

Эксперименты, проведенные при температуре до 25 °С, подтвердили эффективность снижения токсичности отрабо-

239

тавших газов на 20-30 % с одновременным увеличением продолжительности снижающего действия до 50 мин (рис. 3). Мощность дизеля при испытании - 900 л.с., количество оборотов коленчатого вала - 1500 мин-1._

С сн, ррт

1200

700

200

Скох, ррт 5000

3000

С со, ррт

/

\ Со-800р

"-- н = 500 ррт 200 мм

*С0=6500 2_ рргл па ]ООмМ

-1

Со=к$00 рргп Н 3 200 .мм

С~АЪ00(>Р т Л^ОС^ 1

Р,1ГГ) И = гоомм

240

Рис. 3. Изменение токсичности отработавших газов при их фильтрации через бурый уголь (1) и цеолит (2) при Т=25°: Со - исходная концентрация; Н - высота слоя породы

Измерения снижения концентрации сажи, проведенные на образцах угля и цеолита с помощью сажемера, показали 70-80 % очистку. Высокая эффективность угля и цеолита по снижению концентрации сажи, значительная продолжительность снижающего действия относительно газообразных компонентов ОГ, установление градиента концентраций между сорбатом и сорбентом позволяют сделать вывод об активной роли сажи в сокращении токсичности выбросов. Являясь чистым углеродным материалом с развитой поверхностью, сажа, накапливаясь на поверхности горной массы, может создавать определенный сорбционный потенциал. При высоких температурах он проявляется кратковременно до разогрева слоя горной массы.

Оценка возможной последующей десорбции токсичных ингредиентов из горной массы производилась по специальным методикам продувкой экспериментальных образцов горячим воздухом с целью вытеснения адсорбированных компонентов. Десорбционная обработка не показала даже следов исследуемых компонентов в десорбирующем газе. Следовательно, нет оснований ожидать самопроизвольной десорбции, которая бы заметно загрязняла атмосферный воздух.

Промышленные испытания проводились в автохозяйстве рудоуправления №2 ППГХО. Испытания заключались в одновременном отборе проб отработавших газов в выхлопной трубе двигателя на входе ОГ в навал перевозимой горной массы и на выходе газов из навала в кузове во время движения автосамосвала на подъем и определении концентрации ЫОх и СО в пробах. Навал горной массы в кузове перед отбором проб накрывался брезентом для предотвращения рассеивания газа в атмосфере. Пробы отбирались в полиэтиленовые емкости с последующей их обработкой на газоопределителе ГХ-4 с индикаторными трубками в соответствии с ТУ 12.43.01.166-86.

241

Степень очистки отработавших газов оценивалась в процентах по результатам анализа газовых проб до и после очистки, как арифметическая средняя концентрация в пробах за весь период испытаний. Замер аэродинамического сопротивления системы снижения токсичности производился сфигманометром по всем операциям рабочего цикла на различных породах.

В ходе испытаний установлено, что сопротивление системы выпуска ОГ, включающей выхлопную трубу, газопрово-дящие полости грузовой платформы, газовыпускные патрубки и навал транспортируемой горной массы, не превышает допустимого - 115 мм рт. ст. для БелАЗ-7522. так, при транспортировании крупнокусковой руды и вскрышных пород максимальное значение противодавления составило на горизонтальном участке - 20 мм рт.ст.; при транспортировании песка на горизонтальном участке - 40 мм рт.ст., на подъеме - до 80 мм рт.ст.

Для БелАЗ-7523 при транспортировании крупнокусковой породы противодавление - 35 мм рт.ст, при транспортировании песка - до 120 мм рт.ст., что существенно выше допустимых 42 мм рт.ст. Поэтому система снижения токсичности отработавших газов оборудуется клапаном предельного давления, рассчитанным на это допустимое противодавление.

Следует отметить положительный опыт эксплуатации системы снижения токсичности отработавших газов на карьере Центрального рудоуправления Навоийского ГМК, где все кузова 110 т автосамосвалов оборудуются указанной системой.

Техническая характеристика ССТОГ с использованием перевозимой горной массы

Область применения - дизельные двига-

тели автосамосвалов типа БелАЗ;

Число газовыпускных патрубков - 8-16 (в зависимости от грузоподъемности автосамосвала);

Объемный расход ОГ через патрубок, мм/с - 0,1.

Скорость истечения ОГ через патрубок

при работе дизеля на номинальном режиме, м/с -

10

242

Эффективность очистки, %:

оксиды азота (ЫОх) - 30 - 40

оксид углерода (СО) - 20 - 40

сажа с бенз(а)переном (С9С20Н12) - 60 - 70

Степень снижения токсичности ОГ за транспортный цикл

- 30

Противодавление ОГ за турбиной, мм вод.ст. - <

600

Снижение грузовместимости кузова, % -

0,3

Удельная трудоемкость монтажа системы, человекос-мен - 2

Стоимость оборудования одного

автосамосвала (в ценах 1990 г.), руб

- 300

Срок службы - соответст-

вует сроку службы грузовой платформы

По результатам проведенных лабораторных, стендовых и опытно-промышленных испытаний системы снижения токсичности отработавших газов двигателей карьерных автосамосвалов можно сделать вывод о том, что разработанная система снижения токсичности дизелей с использованием перевозимой горной массы в первую очередь по оксидам азота и саже с адсорбирующимся на ней бенз(а)пиреном представляет один из наиболее перспективных вариантов практической реализации задачи по улучшению санитарно-гигиенического состояния атмосферы в карьерах.

Эффективность системы по снижению токсичности отработавших газов составляет по оксидам азота - 32 %, по оксиду углерода - 38 %, по саже - 70 %.

В течение всего периода опытно-промышленной эксплуатации автосамосвалов, образованных системой снижения токсичности отработавших газов, механических повреждений направляющих патрубков системы при загрузке и разгрузке кузова, а также их засорения горной массой не наблюдалось.

243

Экономический эффект за счет сокращения ущерба, наносимого окружающей среде в пересчете на один автосамосвал составит 2,6-4,3 тыс. руб. в год

Система не оказывает отрицательного влияния на погрузочную и универсальную характеристики работы дизеля и эксплуатируется во всех климатических зонах, при любых температурах и влажности окружающего воздуха.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жегалин О.И., Френкель А.И., Сайкин А.М. Снижение токсичности отработавших газов двигателей // Промышленный транспорт, - 1978, - №5.

- С. 26-28.

2. Каталитические нейтрализаторы транспортных двигателей / Жегалин О.И., Панчишный В.И., Сайкин А.М. и др. - М.: Машиностроение, 1979. - 80 с.

3. Сайкин А.М. Системы очистки отработавших газов автосамосвала БелАЗ-540А//Автомобильный транспорт. - 1976, - №3. - С. 31-33.

4. Френкель А.И., Тимофеевский А.А., Сайкин А.М. Каталитические дизельные нейтрализаторы НКР-241 //Безопасность труда в промышленности. - 1976, - №3, - С. 29-30.

5. А.с. 495444 СССР, МКИ 20/Р3/14, В019/08 Нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания / А.фанасьев К.М., Филатов С.С. (СССР) - №2044574/24-6. Заяв. 12.07.74. Опубл. 15.12.75, Бюл. изобр. 1975.- №46.

6. Кабиладзе К.Е. Адсорбция окислов азота рудной пылью и метод их определения // Горный журнал. - М.: Недра, 1958. - №12. - С. 55-61.

7. Недин В.В., Гагауз Ф.Г. Исследование адсорбции ядовитых газов дисперсной пылью // Вентиляция и очистка воздуха. - М.: недра, 1969. №2.

- С. 60-71.

8. Опыт применения нетрадиционного метода снижения токсичности выбросов в атмосферу карьеров технологическим автотранспортом. / М.М.Конорев, С.М.Росляков, А.А.Киенко и др. // Горный журнал. - 1992.-№3. - С. 15-19.

9. Конорев М.М. К вопросу снижения сверхнормативных загрязнений аимосферы карьеров технологическим автотранспортом// Энергосбережение на карьерном автомобильном транспорте. Материалы международного научно-технического семинара, -2003. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН. -С.85-99.

— Коротко об авторах-

Конорев Михаил Максимович — доктор технических наук, заведующий лабораторией «Экология горного производства», Прибылев В.И. — научный сотрудник,

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.