ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТЫ АВТОТРАНСПОРТА

Автомобили являются одним из основных источников загрязнения воздуха оксидами азота, углеводородами, парами несгоревших углеводородов и при использовании сернистых топлив окислами серы, кроме того, при использовании дизельного топлива в выбросах появляются частички сажи. Топочные газы также являются источником углекислого газа, сопровождающих парниковый эффект. Применяемый в настоящее время трехступенчатый катализ, не может снизить концентрацию оксидов азота NO_x в выхлопных газах из-за высокой концентрации в них кислорода.

Низкотемпературная плазма, стимулирующая селективное католическое уменьшение NO_x, окисление углеводородов и применение уловителей сажи, находит все широкое применение, которое базируется на процессах генерации плазмой O- и OH-радикалов при наличии паров воды, активно реагирующих с углеводородами и монооксидом азота NO.

В конверсии выхлопных газов автомобильного транспорта находит применение барьерный разряд, в котором в качестве диэлектрика используется кварцевое стекло или оксид алюминия, выдерживающие достаточно высокую температуру, учитывая, что разрядные промежутки сравнительно короткие, целесообразно применять несколько параллельных промежутков. Их широкое использование, может способствовать применению современных, относительной просты источников напряжения.

Существуют ряд технологий, чтобы снизить уровень NO_x и SO_x от дизельного двигателя. Хотя эти технологии могут удалить 99% SO_x и 90% NO_x, они обладают рядом недостатков; две отдельные технологии для удаления NO_x и SO_x, требуют высоких затрат на установку, а также на техническое обслуживание. Установки занимают большое пространство и требуют большого хранения аммиака для удаления NO_x. С другой стороны, было использовано технология низкотемпературной плазмы (НТП) для одновременного удаления NO_x, SO_x и снижения энергопотребления.

Следует заметить, что в настоящее время в конверсии автомобильных выбросов может применяться лавиностримерный разряд с импульсами напряжения длительностью фронта импульса в несколько наносекунд. Реализация такого подхода вязано со сложностью изготовления и эксплуатации источников напряжения, когда сони работают с разрядными промежутками до нескольких сантиметров без снижения свойств лавиностримерных разрядов. Одной такой возможностью реализации осуществления разрядов с формированием лавин и стримеров может быть барьерный разряд или импульсный разряд с короткими фронтами и длительностью.

В таких разрядах происходит образование электронов, ионов, химически активных частиц и электромагнитные излучения, влияющие на углеводородные радикалы и вредные компоненты в выхлопных газах. В разряде происходит столкновении частиц и электронов с основанными компонентами O₂, H₂O, CO₂, N₂

e + O₂ => O + O + e

e + O₂ => O + O + e

e + N₂ => N + N + e

e + N₂ => N + N + e

e + H₂O => OH + H + e

e + CO₂ => O + CO + e

Появившиеся при этом первичные радикалы в реакциях с молекулами могут образовывать вторичные радикалы, например:

O + H₂O=>OH + OH

Среди газофазных реакций, возникающих в газоразрядной низкотемпературной плазме лавиностримерного разряда появляются реакции, которые приводят к снижению концентрации монооксида азота, среди которых можно выделить следующие:

NO + O + М => NO₂ +М;

O + O₂ +M => O₃ + M;

O₃ + NO => NO₂ + O₂ ;

O + NO₂  => NO + O₂

O + NO₂  +M =>NO₃ +M;

NO + NO₃ => NO₂ +NO₂;

NO + OH + M => HNO₂ + M;

NO₂ + OH + M => HNO₃ + M;

Наличие углеводородов также влияет на конверсию NO. Например, при наличии в выхлопных газах пропилена возможна следующая схема реакций:

O + C₃H₆ =>CH₂CO + CH₃ + H

H + O₂ => HO₂

CH₃ + O₂ => CH₃O₂

CH₃O₂ + NO => NO₂ + CH₃O

CH₃O + O₂ => CH₃O₂ + O

HO₂ + NO => NO₂ + OH

Таким образом, наличие углеводородов не дает возможности атомам кислорода участвовать в реакции. В результате степень конверсии монооксида азота в диоксид азота существенно возрастает.

Обычно при применении катализаторов к газовой смеси добавляется аммиак, чтобы на поверхности катализатор проходили следующие важные реакции:

4NO + 4NH₃ + O₂ => 4N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃ => 7N₂ +12H₂O

При высоких концентрациях диоксида азота может идти реакция с образованием твердых солей аммония:

2NO₂+2NH₃→N₂+H₂O + NH₄NO₂

Среди проблем при использовании для конверсии автомобильных выбросов диэлектрического барьерного разряда необходимо отметить образование побочных продуктов (в основном, угарного газа, альдегидов и других органических соединений), хотя концентрация крупных органических молекул в выхлопных газах уменьшается и происходит окисление твердых частиц сажи. Для полного разложения и окисления имеющихся в выхлопных выбросах автомобилей углеводородов требуется существенно большая мощность разряда.

На рисунке 1 показано зависимость степени конверсии оксидов азота NO_x, % от температуры выхлопных газов

Рисунок 1. зависимость степени конверсии оксидов азота NO_x, % от температуры выхлопных газов

Кривые: 1 - использование только катализатора;

2 -  использование лавиностримерного разряда;

3 - соответствует комбинированному применению газоразрядной плазмы и катализатора.

Список литературы:

1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992 – 536 с.
2. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука. 1991 – 224 с.