Jak działa system SCR i jak bardzo jest skomplikowany ? Przeczytaj ten krótki artykuł.

System SCR:

Silniki Diesla są szeroko stosowane w wielu dziedzinach, takich jak motoryzacja, generacja mocy silników lokomotyw okrętowych itp., ze względu na dużą moc wyjściową i sprawność cieplną. Mimo że silniki wysokoprężne dają więcej korzyści, należy wziąć pod uwagę niedogodności ludzi spowodowane emisją zanieczyszczeń z tych silników. Głównymi zanieczyszczeniami emitowanymi przez silniki wysokoprężne są cząstki stałe, dym i tlenki azotu (NOx). Spośród tych zanieczyszczeń tlenki azotu są uważane za najbardziej szkodliwe dla zdrowia człowieka. Emisje tlenków azotu (NOx) poważnie przyczyniają się do zanieczyszczenia powietrza, które jest poważnym problemem środowiskowym. Emisje NOx reagują z wilgocią w powietrzu, tworząc kwas azotowy, przyczyniając się do zakwaszenia gleby i wody na wrażliwych obszarach. Próbuje się wielu technik kontrolowania emisji NOx z silnika Diesla. W niniejszej pracy emisje kontrolowane przez doczyszczanie spalin. W metodzie oczyszczania spalin roztwór mocznika jest rozpylany w strumieniu spalin o temperaturze od 3000C do 450oC. Przy tak wysokiej temperaturze spalin mocznik zaczyna się rozkładać i tworzyć amoniak. Amoniak i zeolit działają redukująco i przekształcają tlenki azotu (NO i NO2) w wolny azot (N2) i parę wodną (H2O.

Słowo kluczowe: kontrola emisji, silnik Diesla, mocznik, zeolit

1. WSTĘP

   Silniki spalinowe podczas procesu spalania generują niepożądane emisje. W tym przypadku zarówno silniki ZI, jak i ZS są w równym stopniu odpowiedzialne za to samo. Emisje emitowane do otoczenia zanieczyszczają atmosferę i powodują poważne problemy. Głównymi przyczynami emisji są niestechiometryczne spalanie, dysocjacja azotu oraz zanieczyszczenia w paliwie i powietrzu. Emisje budzące obawy to: niespalone węglowodory (HC), tlenki azotu (NOx), tlenki węgla (COx), tlenki siarki (SOx) i stałe cząstki węgla. Marzeniem inżynierów i naukowców jest opracowanie takich silników i paliw, aby generowała bardzo mało szkodliwych emisji, które mogłyby być wpuszczane do otoczenia bez większego wpływu na środowisko.

   Jednak przy obecnej technologii nie jest to możliwe, a oczyszczanie spalin oraz redukcja emisji spalin w cylindrach są bardzo ważne. W przypadku oczyszczania spalin polega on głównie na zastosowaniu konwerterów termicznych lub katalizatorów oraz pochłaniaczy cząstek stałych. Późno,

   wzrost gospodarczy i przemysłowy spowodował znaczne obniżenie jakości otaczającego powietrza. Głównymi źródłami emisji z silnika są układ wydechowy silnika oraz inne ze skrzyni korbowej. Ta pierwsza jest główną przyczyną zanieczyszczenia powietrza. Głównymi składnikami gazów spalinowych silnika są niespalone węglowodory, dwutlenek węgla, tlenek węgla, tlenki azotu i cząstki stałe.

   Silniki wysokoprężne (z zapłonem samoczynnym) mogą pracować przy wyższych stopniach sprężania, co skutkuje wyższą sprawnością cieplną w porównaniu z silnikami benzynowymi (z zapłonem iskrowym). W rezultacie silniki Diesla mogą zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych w oparciu o ten sam przejechany przebieg w porównaniu z silnikami benzynowymi. Jednym z wyzwań dla silnika Diesla jest usuwanie NOx (tlenków azotu) ze spalin, które są głównym źródłem kwaśnych deszczy i smogu chemicznego. Może również powodować problemy z oddychaniem u ludzi. Selektywna redukcja katalityczna (SCR) NOx jest obiecującą technologią redukcji NOx. Niektóre z głównych branż katalitycznych to Johnson Mathey India Pvt Ltd, Cats Direct, Emitec Emission Controls Private Limited, Automotiev Merchandising Corporation, Gencat Limited i Cummins India Limited.

   1. 1. Selektywna redukcja katalityczna

         Systemy selektywnej redukcji katalitycznej są najbardziej efektywnymi i najczęściej stosowanymi dostępnymi procesami redukcji NOx po spalaniu. SCR wykorzystują reakcję chemiczną, w której odparowany amoniak (NH3) jest wtryskiwany przez siatkę wtrysku amoniaku do spalin przed przepływem przez moduły katalityczne. Celem jest przekształcenie tlenków azotu (NOx) w azot i wodę. Kluczem do optymalizacji reakcji chemicznej w SCR jest osiągnięcie jednorodności natężenia przepływu spalin.

      2. Historia i ewolucja

         Selektywna redukcja katalityczna (SCR) NOx przy użyciu amoniaku jako środka redukującego została opatentowana w Stanach Zjednoczonych przez Englehard Corporation w 1957 r. Rozwój technologii SCR kontynuowano w Japonii i Stanach Zjednoczonych na początku lat 60., a badania koncentrowały się na tańszych i trwalszych czynniki katalityczne. Pierwszy system SCR na dużą skalę został zainstalowany przez firmę IHI Corporation w 1978 r. Komercyjne systemy selektywnej redukcji katalitycznej są zwykle stosowane w dużych kotłach użytkowych, kotłach przemysłowych i komunalnych kotłach na odpady stałe i wykazano, że redukują one NOx o 70-95%. Nowsze

         zastosowania obejmują silniki wysokoprężne, takie jak te znajdujące się na dużych statkach, lokomotywach spalinowych, turbinach gazowych, a nawet samochodach.

         Selektywna redukcja katalityczna (SCR) to metoda przekształcania szkodliwych emisji tlenków azotu (NOx) z silników Diesla w drodze reakcji katalitycznej w łagodny azot gazowy i wodę. SCR może zapewnić niemal zerową emisję NOx, kwaśnych deszczy i zanieczyszczeń powodujących smog oraz gazów cieplarnianych w nowoczesnym silniku Diesla, który jest czysty na autostradzie. Ten rysunek ilustruje zaprojektowaną wcześniej geometrię katalizatora, składającą się z rur o ściankach 5 mm, aby uniknąć erozji. Konwersja SO2 zbliżała się do 2% dla niektórych z tych konstrukcji, co nie było problemem dla wczesnych węgli o niskiej zawartości siarki.

         1. Tlenki Azotu

            Tlenki azotu są powszechnie występującymi zanieczyszczeniami atmosferycznymi pochodzącymi głównie z procesów spalania w wysokich temperaturach. NOx powstają podczas spalania paliwa w wysokich temperaturach w powietrzu, zarówno z azotu w powietrzu, jak iw paliwie. Poza samochodami i wytwarzaniem energii elektrycznej, za wysoką emisję NOx odpowiedzialne są różne zakłady chemiczne, takie jak zakłady mocznika, zakłady kwasu azotowego, huty, turbiny gazowe, kotły opalane paliwem, przemysł cementowy, hutniczy i podgrzewacze procesowe. Naturalne emisje NOx pochodzą z bakterii działanie w glebie. W atmosferze tlenki azotu mogą przyczyniać się do powstawania ozonu fotochemicznego (smogu), mogą pogarszać widoczność i mieć konsekwencje zdrowotne; są zatem uważane za zanieczyszczenia.

         2. Formacja Nox

            Emisje NOx nie tworzą się w znacznych ilościach, dopóki temperatura płomienia nie osiągnie 2800 F. Jednak po przekroczeniu tego progu dalszy wzrost temperatury powoduje szybki wzrost szybkości tworzenia się NOx. Produkcja NOx jest najwyższa przy stosunku spalania paliwa do powietrza wynoszącym 57% O2 (2545% nadmiaru powietrza). Niższe poziomy nadmiaru powietrza ograniczają reakcję na tlen, a wyższe poziomy nadmiaru powietrza obniżają temperaturę płomienia, spowalniając szybkość reakcji.

            Redukcja NOx jest obecnie przedmiotem największej troski. Wytwarzany termicznie NOx ma największy udział w tego typu emisjach. Termiczne NOx powstają podczas procesu spalania, gdy azot i tlen są obecne w podwyższonych temperaturach. Te dwa pierwiastki łączą się, tworząc NO lub NO2. NOx jest generowany przez wiele procesów spalania innych niż praca kotła. Łączy się z innymi zanieczyszczeniami w atmosferze i tworzy O3, substancję znaną jako ozon w warstwie przyziemnej.

            NOx w palnikach kotłów można zredukować za pomocą technologii wstępnego spalania lub dopalania. Technologia dopalania umożliwia powstawanie NOx, a następnie rozkłada je w gazach spalinowych (proces zwany redukcją katalityczną). Ta metoda jest zwykle ograniczona do większych urządzeń o rozmiarach użytkowych.

         3. Efekt Nox

            Emisja tlenków azotu budzi duże obawy ze względu na ich wpływ na lokalne zanieczyszczenie powietrza, jak również na regionalne zagrożenia dla środowiska, takie jak kwaśne deszcze, tworzenie się smogu fotochemicznego (ozonu). NOx przyczyniają się do tworzenia ozonu

            i kwaśne deszcze poprzez złożone reakcje chemiczne. Ozon troposferyczny jest niebezpiecznym fotochemicznym zanieczyszczeniem powietrza, które ma niekorzystny wpływ na uprawy; powoduje choroby skóry i prowadzi do innych problemów środowiskowych, które mogą wynikać głównie z tlenku azotu.

         4. Technologie kontrolne firmy Nox

   Dostępnych jest wiele metod kontroli emisji NOx. Dzieli się je głównie na trzy kategorie:

   • Kontrola przed spalaniem,

   • Kontrola podczas procesu spalania

   • Kontrola po spalaniu (technika kontroli po spalaniu).

     Przeprowadzono wiele badań w celu kontrolowania emisji NOx poprzez modyfikację spalania i technologie dopalania. Denitrogeneracja, polegająca na usuwaniu azotu z paliwa przed spalaniem.

     Kontrola podczas spalania zmniejsza szybkość powstawania NOx poprzez dodanie pewnej ilości gazu obojętnego lub obniża temperaturę spalania poprzez modyfikacje spalania, które obejmują niski nadmiar powietrza, obniżoną temperaturę podgrzewania powietrza, recyrkulację spalin, wtrysk wody i palnik o niskiej emisji NOx.

     W technice kontroli dopalania stężenie NOx jest redukowane poprzez reakcję NOx z określonym związkiem w obecności katalizatorów lub bez katalizatora, w zależności od rodzaju i warunków procesu reakcji. Proces dopalania redukcji emisji NOx obejmuje metody mokre, ponieważ sorpcja (nie skomercjalizowana), a metoda sucha obejmuje reakcje katalityczne, takie jak Selektywna redukcja katalityczna (SCR) i Selektywna redukcja niekatalityczna (SNCR).

     Niektóre technologie kontroli NOx podano poniżej,

   • AdBlue

   • katalizator

   • Recyrkulacja spalin

   • Palnik Lo-Nox

   • Selektywna redukcja niekatalityczna

   • Selektywna redukcja katalityczna

   • Mokrej płuczki

     Rysunek 1. Selektywna redukcja katalityczna