Анализ эмиссии окислов азота современными транспортными средствами при использовании в камере сгорания водорода или других природных и искусственных топлив *

Представлены расчетные исследования равновесной эмиссии окислов азота на выхлопе карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания. Температура процесса окисления топлив составляет 1 400 °С, давление для карбюраторных и дизельных двигателей - 60 атм и 80 атм соответственно. Исследования проведены для природных и искусственных видов топлива: водорода, этанола, метанола, бензина, дизельного топлива и метана, - при коэффициенте избытка воздуха, соответствующем температуре окисления топлив 1 400 °С. Применялась методика расчета равновесного состава, основанная на константе равновесия и уравнениях сохранения массы. Показано, что с ростом давления от 1 атм до 60 атм для карбюраторных двигателей и до 80 атм для дизельных двигателей реакция образования диоксида азота смещается в сторону увеличения NO₂. На образование NO увеличение давления не влияет в силу того, что реакция проходит без изменения объема. Определено, что основным загрязняющим компонентом атмосферы является NO. Однако целесообразно шире использовать топлива, характеризующиеся наименьшим выходом диоксида азота (метан и метанол), поскольку наиболее опасной для человека является двуокись азота (NO₂), относящаяся к химическим веществам 2-го класса опасности. Установлено, что снижение температуры окисления с использованием водорода в качестве топлива для электрохимических генераторов тока позволит снизить эмиссию окислов азота более чем на порядок по сравнению с лучшими результатами для ДВС.

1. Sun, J. Oxides of nitrogen emissions from biodiesel-fuelled diesel engines / J. Sun, J.A. Caton, T.J. Jacobs // Progress in Energy and Combustion Science. -2010. -Vol. 36. - Iss. 6. - P. 677-695.

2. TomiC, M., Effects of accelerated oxidation on the selected fuel properties and composition of biodiesel / M. Tomic [et al.] // Fuel. - 2019. - Vol. 235. - P. 269-276.

3. Miller, B.G. Formation and Control of Nitroge n. Clean Coal Engineering Technology (Second Edition) / B.G. Miller. - Butterworth-Heinemann, 2017. -P. 507-538.

4. Ringsmuth, A.K. Can photosynthesis enable a global transition from fossil fuels to solar fuels, to mitigate climate change and fuel-supply limitations / A.K. Ringsmuth, M.J. Landsberg, B. Hankamer // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2016. - Vol. 62. - P. 134-163.

5. Ganesh, I. Solar fuels vis- Г-vis electricity generation from sunlight: The current state-of-the-art (a review) / I. Ganesh // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2015. - Vol. 44. - P. 904-932.

6. Chong, H.S., Park, Y., Kwon, S., Hong, Y. Analysis of real driving gaseous emissions from light-duty diesel vehicles / H.S. Chong [et al.] // Transportation Research Part D: Transport and Environment. - 2018. -65. - P. 485-499.

7. Miller, B. Nitrogen oxides formation and control. Fossil Fuel Emissions Control Technologies / B. Miller.- Butterworth-Heinemann, 2015. - P. 243-280.

8. Артамонова, В.Г. Интоксикации веществами раздражающего действия (хлор, хлороводород, сернистый ангидрид, сероводород, оксиды азота) / В.Г. Артамонова, Н.А. Мухин // Профессиональные болезни. - М.: Медицина, 2004. - 480 с.

9. Shelef, M. Prospects of hydrogen-fueled vehicles / M. Shelef, C.A. Kukkonen // Progress in Energy and Combustion Science. - 1994. - Vol. 20. - Iss. 2. - P. 139-148.

10. Verhelst, S. Methanol as a fuel for internal combustion engines / S. Verhelst [et al.] // Progress in Energy and Combustion Science. - 2019. - Vol. 70. - P. 43-88.

11. Dell, R.M. Chapter 3: Unconventional Fuels / R.M. Dell, P.T. Moseley, D.A.J. Rand. - Towards Sustainable Road Transport, Academic Press, 2014. - P. 86-108.

12. Simmonsn, W.A. Estimations of primary nitrogen dioxide exhaust emissions from chemiluminescence NOx measurements in a UK road tunnel / W.A. Sim-monsn, P.W. Seakinsn // Science of the Total Environment. - 2012. - 438. - P. 248-259.

13. Khann, T. Comparison of real-world and certification emission rates for light duty gasoline vehicles / T. Khann, H.C. Frey // Science of The Total Environment. - 2018. - Vol. 622. - P. 790-800.

14. Warnatz, J. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation / J. Warnatz, U. Maas, R.W. Dibble. - Springer, 2006. - 378 p.

15. Lefebvre A.H., Ballal D.R. Gas Turbine Combustion: Alternative Fuels and Emissions. 3rd Edition / A. H. Lefebvre, D.R. Ballal. - CRC Press, 2010. - 538 p.

16. Reid, H. Staggering reductions in atmospheric nitrogen dioxide across Canada in response to legislated transportation emissions reductions / H. Reid, J. Aherne // Atmospheric Environment. - 2016. - Vol. 146. - P. 252-260.

17. Huang, X. Emission factors of air pollutants from CNG-gasoline bi-fuel vehicles: Part II. CO, HC and NOx / X. Huang [et al.] // Science of the Total Environment. - 2016. - Vol. 565. - P. 698-705.

18. Lenner, M. Nitrogen dioxide in exhaust emissions from motor vehicles / M. Lenner // Atmospheric Environment. - 1987. - Vol. 21. - Iss. 1. - P. 37-43.

19. Баскаков, А.П. Котлы и топки с кипящим слоем / А.П. Баскаков, В.В. Манцев, И.В. Распопов. -М.: Энергоатомиздат, 1996. - 352 с.

20. Зельдович, Я.Б. Окисление азота при горении / Я.Б. Зельдович, П.Я. Садовников, Д.А. Франк-Каменецкий. - М.-Л.: Издательство АН СССР, 1947. - 148 с.

21. Краткий справочник физико- химических величин. 12-е издание / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. - М.: ООО ТИД «АРИС», 2010. - 240 с.

22. Жуховицкий, Л.А. Физическая химия / Л.А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман. - М.: Металлургия. 2001. - 688 с.

23. Карапетьянц, М.Х. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ / М.Х. Карапетьянц, М.Л. Карапетьянц. -М.: Химия.1968. - 470 с.

24. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена: Учебное пособие для энергомашиностроительных спец. вузов / В.Н. Афанасьев, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; под ред. B. И. Крутова и Г.Б. Петражицкого. - М.: Высш. школа, 1986. - 383 с.

25. Киреев, В.А. Методы практичеких расчетов в термодинамике и химических реакциях / В.А. Киреев. - М.: Химия, 1975.

26. Мунц, В.А. Основы горения: Учебное пособие / В.А. Мунц, Е.Ю. Павлюк. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. - 102 с.

27. Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов / В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др.; под ред. В.В. Померанцева. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 312 с.

28. Глушко, В. П. Термодинамические константы веществ / В.П. Глушко. - М.: АН СССР.1978. - 534 с.

29. Баскаков, А. П. Нагрев и охлаждение металлов в кипящем слое / А.П. Баскаков. - М.: Металлургия, 1974. - 272 с.

30. Горбачева, Л. А. Что смог столичный нам готовит / Л. А. Горбачева // Энергия. - 2011. - № 1. - С. 48-52.

31. Литвинова, Н.А. Влияние выбросов автотранспорта на заболеваемость и риск здоровью населения г. Тюмени / Н.А. Литвинова, С. А. Молотилова // Экология человека. - 2018. - № 8. - С. 11-16.

32. Sinay, J. Reduction of the NOx emissions in vehicle diesel engine in order to fulfill future rules concerning emissions released into air / J. Sinay, M. Puskar, M. Kopas // Science of the Total Environment. - 2018. -Vol. 624. - С. 1421-1428.

33. Verhels, S. Methanol as a fuel for internal combustion engines / S. Verhels [et al.] // Progress in Energy and Combustion Science. - 2019. - Vol. 70. - P. 43-88.

34. Salvi B.L., Subramanian K.A., Panwar N.L. Alternative fuels for transportation vehicles: A technical review / B.L. Salvi, K.A. Subramanian, N.L. Panwar // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2013. -Vol. 25. - P. 404-419.

35. He, L. Real-world gaseous emissions of high-mileage taxi fleets in China / L. He [et al.] // Science of the Total Environment. - 2019. - 659. - P. 267-274.

36. Miller, J.A. Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion / J.A. Miller, C.T. Bowman // Progress in Energy and Combustion Science. - 1989. -Vol. 15. - No. 4. - P. 287-338.

37. Wunning J. A., Wunning J. G. Flameless oxidation to reduce thermal NO-formation // Progress in Energy and Combustion Science. -1997. - Vol. 23. - No. 1. -P. 83-94.

38. Smoot, L.D. NOx control through reburning / L.D. Smoot, S.C. Hill, H. Xu // Progress in Energy and Combustion Science. - 1998. - Vol. 24. - No. 5. - P. 385-408.

39. Glarborg, P. Fuel nitrogen conversion in solid fuel fired systems / P. Glarborg, A.D. Jensen, J.E. Johnsson // Progress in Energy and Combustion Science. - 2003. - Vol. 29. - No. 2. - P. 89-113.

40. Konnov, A.A. NOx Formation, Control and Reduction Techniques / Handbook of Combustion. Vol. 2: Combustion Diagnostics and Pollutants / A.A. Konnov. - Wiley, 2010. - P. 439-464.

41. Glarborg, P. Modeling nitrogen chemistry in combustion / P. Glarborg [et al.] // Progress in Energy and Combustion Science. - 2018. - Vol. 67. - P. 31-68.

42. Sobrino, F.H. Critical analysis on hydrogen as an alternative to fossil fuels and biofuels for vehicles in Europe / F.H. Sobrino, C.M. Monroy, J.L.H. Perrez // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2010. -Vol. 14. - P. 772-780.

43. Bernaya, C. Prospects of different fuel cell technologies for vehicle applications / C. Bernaya, M. Mar-chanda, M. Cassir // Journal of Power Sources. - 2002. -Vol. 108. - P. 139-152.

44. Reid, H. Staggering reductions in atmospheric nitrogen dioxide across Canada in response to legislated transportation emissions reductions / H. Reid, J. Aherne // Atmospheric Environment. - 2016. - Vol. 146. - P. 252-260.

45. Щеклеин, С.Е. Исследование влияния вида топлива на энергетические показатели электрохимического генератора в составе когенерационной установки / С.Е. Щеклеин, А.М. Дубинин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). - 2018. - № 16-18. - С. 12-22.

46. Shcheklein, S.E. Stoichiometric analysis of air oxygen consumption in modern vehicles using natural and synthetic fuels / S.E. Shcheklein , A.M. Dubinin // 2018 IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2018. - Vol. 177. - No. 1. - P. 012020.