Испытательные реакторы для исследований автомобильных выхлопов

В Altamira Instruments мы постоянно сталкиваемся с запросами на реактивные блоки и оборудование для определения характеристик, которые полезны для тестирования реальных или имитируемых выхлопов различных типов двигателей автомобилей, от бензиновых двигателей легковых автомобилей до больших дизельных грузовиков. Хотя каждый случай является особым, благодаря многолетнему опыту мы научились делать устройства полезными для конкретных тестов и, таким образом, предоставлять нашим клиентам надежное испытательное оборудование.

История

Подсчитано, что более 65% всех загрязнителей воздуха в больших странах поступает от дорожных транспортных средств, и только 1% от промышленных источников. Для предотвращения устанавливается контроль за загрязнителями, выбрасываемыми мобильными источниками.

Первые каталитические нейтрализаторы для автомобилей появились в начале-середине 70-х годов и в совокупности известны как двусторонние каталитические нейтрализаторы, поскольку они были разработаны только для контроля выбросов углеводородов и CO. Дальнейшие усовершенствования в 1980-х годах привели к добавлению контроля оксидов азота и разработке используемых в настоящее время трехходовых каталитических нейтрализаторов.

В 1990 году было решено поэтапно вводить ограничения на содержание серы и другие выбросы дизельного топлива.

Моделирование

Оборудование, необходимое для характеристики и оценки каталитических нейтрализаторов, требует использования реального образца катализатора (т.е. не измельченного образца) и моделирования реальных условий, возникающих в выхлопных газах:

•    Очень высокие скорости потока
•    Быстрые перепады температуры порядка сотен градусов во время работы
•    Сложные смеси различного состава, включая углеводородное топливо, неизрасходованные углеводороды, оксиды углерода и т.д
•    Быстро меняющийся состав газа (от очень “богатой” топливной смеси до очень “бедной” топливной смеси) всего за доли секунды

Кроме того, тестирование выхлопных газов дизельного топлива может также включать:

•    Образование и выгорание твердых частиц (сажи)
•    Моделирование процесса селективного каталитического восстановления (SCR)

Altamira Instruments обладает обширным опытом в проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию как блоков определения характеристик, так и реакторных установок BenchCAT, которые отвечают всем этим требованиям.

Образцы

Катализаторы для контроля выхлопа в основном представляют собой сотовую монолитную разновидность. Altamira Instruments впервые разработала свой монолитный держатель в начале 90-х годов, чтобы разместить однодюймовые монолитные сердечники в нашей линейке систем определения характеристик AMI. Для реакторных испытательных установок мы обычно используем реакторы, в которых могут размещаться одно-, двух- и трехдюймовые монолитные сердечники. Наши реакторы изготавливаются либо из нержавеющей стали, либо, что более типично, из кварца. Последний может быть использован для исследований при температуре до 1000 °C.

Контроль

В выхлопных газах двигателя обычно встречаются очень высокие скорости потока. При проектировании испытательной установки для моделирования таких реакций важно достичь высоких скоростей потока при сохранении контроля температуры катализатора. Для двухдюймового монолита типичны скорости потока порядка 200 оборотов в минуту (7 футов/мин).

На рис. 1 показана упрощенная схема испытательной установки, работающей с высокими скоростями потока и быстрыми изменениями температуры. Инертные газы, такие как N₂, Ar или CO, и испаренная вода поступают из общей магистрали с высокой скоростью потока. Сначала они сталкиваются с подогревателем, в котором температура доводится до 100-200 °C, а затем последовательно подключаются два встроенных технологических нагревателя, которые позволяют нагревать поток до 800-900 °C. 

Химически активные газы добавляются при более низких скоростях потока непосредственно перед реактором. Реактор размещен внутри многозонной печи для предотвращения потерь тепла. Используя это устройство, можно не только достичь высоких температур при высоких скоростях потока, но и имитировать большие изменения температуры, которые могут наблюдаться в каталитическом нейтрализаторе. В таблице 1 приведены некоторые типичные контролируемые изменения температуры, которых мы можем добиться в наших испытательных установках.

Переключение

Одной из основных проблем при оценке катализаторов выхлопных газов является быстро меняющийся состав выхлопной смеси. В зависимости от конкретных условий катализатор может работать либо в окислительном режиме для окисления углеводородов и CO, либо в восстановительном режиме для уменьшения NOx. В этом и заключается роль так называемых трехсторонних катализаторов. Чтобы имитировать эти быстрые изменения в составе выхлопных газов, Altamira Instruments разработала методы быстрого переключения. На рисунке 2 показана схема реактора BenchCAT, специально разработанного для изучения изменения состава топлива на монолитном катализаторе. Серия регуляторов массового расхода используется для регулировки двух типов подачи: “богатой” подачи с высоким содержанием топлива и “бедной” подачи с высоким содержанием кислорода. Две подачи одновременно проходят через высокоскоростной переключающий клапан, который выбирает, какая из двух подач поступает в реактор. Ранние системы были способны достигать скорости переключения 1 Гц (1 в секунду). Благодаря усовершенствованным механизмам и программному обеспечению мы теперь можем достигать частоты переключения до 5 Гц.

Твердые частицы

Особую озабоченность производителей дизельных двигателей вызывает контроль твердых частиц или сажи, образующихся при сгорании, который в настоящее время также регулируется Законом о чистом воздухе. Таким образом, успешный катализатор должен быть способен сжигать любую образующуюся сажу.  И снова компания Altamira Instruments стала лидером в разработке технологий подачи сажи на катализатор. В одном случае – см. рис. 3 – псевдоожиженный слой использовался для подачи контролируемого количества сажи на катализатор.

Испытательная установка для подачи твердых частиц к катализатору через псевдоожиженный слой.

Анализ

Анализ продуктов в режиме реального времени имеет решающее значение для оценки катализаторов выбросов. Altamira Instruments может интегрировать практически любые аналитические приборы в наши системы BenchCAT. Некоторые примеры нашего опыта включают интеграцию следующего:
•    Масс-спектрометры различных производителей
•    Газовый хроматограф-масс-спектрометр (ГХ-МС)
•    Датчики кислорода
•    Лямбда-датчики соотношения воздуха и топлива
•    Инфракрасный анализатор Fuji Instrumentation ZRE NDIR, способный измерять концентрацию компонентов NOx, SO₂, CO, СО₂, CH₄ и O₂ в пробе газа
•    California Analytical Instruments (CAI) 600 Хемилюминесцентный анализатор NO/NOx
•    Анализатор общего содержания углеводородов CAI 301 FID
•    Инфракрасные спектрометры с преобразованием Фурье (FTIR)
•    Анализатор кислорода CAI 602P с насосом-паком для отбора проб

AMI

В дополнение к нашим испытательным реакторам Altamira может также предоставить оборудование для определения характеристик, подходящее для изучения катализаторов, контролирующих выбросы. Эти системы основаны на линейке приборов AMI, которая в различных вариантах выпускается с 1984 года. Наша текущая линейка, AMI-300, может быть непосредственно использована или, в некоторых случаях, адаптирована для исследований выбросов. Некоторые из наших клиентов используют наши устройства определения характеристик для изучения емкости для хранения кислорода (OSC) и поведения катализатора в условиях быстрого переключения.