Плазматрон-нейтрализатор

ТЕХНИКА

/НОВИНКИ

ПЛАЗМАТРОН-НЕЙТРАЛИЗАТОР

ЧЕРНЫЙ ДЫМ ОТ ТРУБЫ ДИЗЕЛЯ - КАК СПРАВИТЬСЯ С НИМ?

МАТЕРИАЛЫ РУБРИКИ ПОДГОТОВИЛИ / АЛЕКСЕЙ ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ, ВИТОЛЬД СТРЕЛКОВ

Ладно бы чадили только престарелые грузовики и автобусы. Нередко современная легковушка предательски выплевывает темное облачко... Эффективное лекарство от этого недуга дизеля еще не найдено. Крайне сложно одновременно уменьшить выбросы токсичных компонентов и снизить дымность выхлопа.

Если сравнить состав отработавших газов бензиновых двигателей и дизелей (см. табл.), то становится ясно, что "дизельный" выхлоп в первую очередь необходимо очищать от окислов азота, диоксида серы и сажи. Токсичные компоненты составляют 0,2-5% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бенз(а)пирен.

Современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров. Их ресурс ограничен, а стоимость высока из-за использования катализаторов на основе благородных материалов (платина, палладий, иридий и др.). Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов - использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в... России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, основанного на плазменных технологиях.

Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.

Принципиальная схема одного из вариантов разрядного устройства показана на рисунке. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую стеклянную или керамическую трубку 2, используемую в качестве диэлектрического барьера, и два электрода - центральный 3 и внешний 4 - в виде металлической сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство подается ток от источника, формирующего импульс напряжения длительностью 250-350 мкс. Барьерный разряд возникает при электрическом напряжении 0,5-35 кВ и частоте следования импульсов 50-2000 Гц.

Как происходит процесс нейтрализации газов в системе и очистка их от сажи? Отработавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реакторе к этим газам "подмешивают" масло. Под действием электрического разряда в трубках разрядного устройства частички сажи активно абсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся как бы в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом удается обеспечить очень высокую эффективность поглощения частичек сажи - до 100% во всем диапазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших газов можно направить во впускной коллектор дизеля (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе.

Физическая и химическая сущность явлений, происходящих под действием барьерного разряда в плазмохимическом реакторе, изучена пока недостаточно. Однако упрощенно процесс можно представить следующим образом. При подаче напряжения в электроразрядное устройство в нем создается неравновесная слабоионизированная низкотемпературная плазма, которая воздействует на отработавшие газы. В результате многостадийных химических реакций оксиды азота, серы и углерода разлагаются на нетоксичные молекулы кислорода, азота, серы и углерода. Одновременно происходит конверсия (превращение) оксида азота в его диоксид, который связывается радикалом ОН в азотную кислоту в виде аэрозоля. Аналогичные реакции протекают с диоксидом серы и оксидом углерода, приводя к образованию аэрозолей. Аэрозоли улавливают в достаточно простых электрофильтрах, обеспечивающих степень очистки до 98-99%.

Судя по лаконичным сообщениям зарубежной печати, в Японии проходит испытания микроавтобус, на котором установлен дизельный двигатель "Ниссан-LD 20" мощностью 48,5 кВт/66 л. с., оборудованный нейтрализатором с плазмохимическим реактором.

По предварительным расчетам, плазменная очистка обойдется в 1,5-2 раза дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройствах. Не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако к промышленному выпуску плазмохимических реакторов (а значит, их широкому использованию) можно будет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электропитание реактора. В опытных и экспериментальных системах они достигают 4-5% и более от мощности дизеля.

Схема плазменного нейтрализатора: 1 - узел подвода отработавших газов; 2 - кварцевая трубка (диэлектрик); 3 - центральный электрод; 4 - внешний электрод.