namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»nami-145Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTНейтрализация ненормируемых токсичных компонентов отработавших газов дизелейNeutralization of non-normative toxic diesel exhaust componentsПанчишныйВ. И.PanchishnyiV. I.

канд. техн. наук, Ведущий эксперт Экспертного совета

г. Москва 125438

PhD (Eng), leading expert of Expert Council

Moscow 125438

vladimir.panchishnyi@nami.ruГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian Federation202015072020024454Copyright © Панчишный В.И., 20202020Панчишный В.И.Panchishnyi V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/145Введение

Введение. В перечне веществ, содержащихся в отработавших газах (ОГ) дизелей, выделяются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), включая бенз-α-пирен (БаП) и альдегиды (RСНO). Удельная токсичность этих соединений на несколько порядков превосходит токсичность нормируемых современными экологическими стандартами выбросов СО, НС, NOx и дисперсных частиц. Из-за сложности анализа реальная токсикологическая опасность БаП и RCOH и методы борьбы с ними остаются недостаточно изученными.

Цель исследования – разработать метод анализа БаП и RCOH в ОГ дизелей и предложить методы их обезвреживания.

Методология и методы

Методология и методы. В статье представлены результаты разработок аналитических средств оценки выбросов БаП и RСНO с ОГ некоторых отечественных дизелей. Применительно к анализу ПАУ в ОГ дизелей доработана операция пробоподготовки для определения по методу Шпольского, а для анализа RСНO предложена оригинальная методика раздельного и суммарного контроля с использованием 2,4-динитрофенилгидразина.

Результаты и научная новизна. Используя эти аналитические методы определены раздельные и интегральные (Правило ООН № 49) выбросы БаП и RCНO с ОГ широко распространённых в Российской Федерации дизелей Д-120, ММЗ-245.9 и ЯМЗ-236А. Исследования показали, что по токсикологическому эффекту выбросы БаП и RCНO сопоставимы с выбросами NOx, в связи с чем необходима их нейтрализация. Для решения этой задачи предложено использовать технологию каталитической нейтрализации БаП и RCНO на алюмоплатиновых и алюмопалладиевых металлоблочных катализаторах.

Практическая значимость

Практическая значимость. Проведённый комплекс исследований показал, что при обработке ОГ на таких катализаторах интегральный выброс БаП и альдегидов снижается более, чем на 80%. Результаты работы подтверждены путём каталитической нейтрализации этих соединений в ОГ дизелей, работающих на традиционных дизельных топливах и конвертированных для работы на диметилэфире.

Introduction

Introduction. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), including benz-α-pyrene (BaP) and aldehydes (RCHO), are highlighted in the list of substances contained in the diesel engines exhaust gas. The specific toxicity of these compounds exceeds the toxicity of CO, HC, NOx emissions by several orders of magnitude, as well as of dispersed particles normalized by modern environmental standards. Because of the analysis complexity the methods of eliminating the real toxicological BaP and RCHO hazards remain poorly understood.

The purpose of the study was to develop a method of BaP and RCHO analysis in diesel exhaust gas. Methodology and research methods. The article presents the results of the analytical means development to estimate BaP and RCHO emissions in some domestic diesel engines exhaust gases. To determine PAHs in diesel engines exhaust gas by the Shpolsky method the operation of sample preparation was improved and an original methodology of separate and total control using 2,4-dinitrophenylhydrazine was proposed to analyze RCHO.

Scientific novelty and results. To determine separate and integral (UN Regulation No. 49) emissions of BaP and RCHO from the exhaust gas of the D-120, MMZ-245.9 and YaMZ-236A diesel engines that are widespread in the Russian Federation the above analytical methods were used. Studies have shown that the toxicological effect of BaP and RCHO emissions is comparable to NOx emissions, and therefore, their neutralization is necessary. The technology of catalytic oxidation of BaP and RCHO on alumina-platinum and alumina-palladium metal-block catalysts was proposed to solve this problem.

Practical significance

Practical significance. The complex of studies showed that being processed by such catalysts, the integral emission of BaP and aldehydes in exhaust gas decreased by more than 80%. The results of the work were confirmed by the catalytic neutralization of diesel exhaust gases converted to work on dimethylether.

дизельотработавшие газыполициклические ароматические углеводородыбенз-α-пиренальдегидыгетерогенный окислительный катализалюмоплатиновые и алюмопалладиевые металлоблочные катализаторыdieselexhaust gasespolycyclic aromatic hydrocarbonsbenz-α-pyrenealdehydesh geneous oxidative catalysisalumina-platinum and alumina-palladium metal-block catalystsReferencesВершков Л.В., Грошев В.Л., Гаврилов В.В., Бурцева Н.Н. Временная методика определения предотвращённого экологического ущерба. – М., 1999. – 173 с.Vershkov L.V., Groshev V.L., Gavrilov V.V., Burtseva N.N. [Temporary methodology for determining prevented environmental damage]. Moscow, 1999. 173 p. (In Russian)Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338.03, Минздрав России. – М., 2003. – 330 с.[Maximum allowable concentration (MPC) of pollutants in the atmospheric air of populated areas. Hygienic standards GN 2.1.6.1338.03, Ministry of Health of Russia]. Moscow, 2003. 330 p. (In Russian)Шабад Л.М., Смирнов Г.А., Хесина А.Я. Определение канцерогенных полициклических ароматических углеводородов в отработавших газах автомобильных двигателей / Сборник «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств», ч. II. – Харьков, 1977. – С. 390–397.Shabad L.M., Smirnov G.A., Khesina A.Ya. [Determination of carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons in the exhaust gases of automobile engines]. [“Protection of the air basin from pollution by toxic emissions of vehicles”: collection of papers, part II]. Kharkov, 1977, pp. 390–397. (In Russian)Альтман Л.В., Брызгалова Н.И., Масленковский Л.Г., Жегалин О.И., Хитрово С.С. Определение полициклических ароматических углеводородов в отработавших газах дизелей / Труды всесоюзной научной конференции «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств», ч. I. – Харьков, 1977. – С. 3–13.Al’tman L.V., Bryzgalova N.I., Maslenkovskiy L.G., Zhegalin O.I., Khitrovo S.S. [Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in diesel exhaust]. [“Protection of the air basin from pollution by toxic emissions of vehicles”: collection of papers, part I]. Kharkov, 1977, pp. 3–13. (In Russian)Хесин А.И., Скудатин М.Е., Ушмодин В.Н. Канцерогенная опасность автомобильных шин // Национальная безопасность и геополитика России. – 2003. № 10-11 (51-52). – С. 51–52.Khesin A.I., Skudatin M.E., Ushmodin V.N. [Carcinogenic danger of automobile tires]. Natsional’naya bezopasnost’ i geopolitika Rossii, 2003, no. 10-11 (51-52), pp. 51–52. (In Russian)Кутенёв В.Ф., Семенихин А.Н., Смирнов Г.А., Топунов В.Н. К вопросу об эффекте конструкции двигателя на эмиссию бенз-а-пирена с отработавшими газами // Международный сборник научных работ ВЗМИ. – М., 1980. – С. 28–35.Kutenev V.F., Semenikhin A.N., Smirnov G.A., Topunov V.N. [On the effect of engine design on the emission of benz-a-pyrene with exhaust gases]. Mezhdunarodnyy sbornik nauchnykh rabot VZMI, Moscow, 1980, pp. 28–35. (In Russian)Смирнов Г.А., Филипосянц Т.Р., Кратко А.П. Исследования бенз(а)пирена и основных токсичных компонентов в отработавших газах дизельных двигателей / Труды всесоюзной научной конференции «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств», ч. II. – Харьков, 1977. – С. 313–331.Smirnov G.A., Filiposyants T.R., Kratko A.P. [Studies of benzo (a) pyrene and major toxic components in diesel engine exhaust]. [“Protection of the air basin from pollution by toxic emissions of vehicles”: collection of papers, part II]. Kharkov, 1977, pp. 313–331. (In Russian)Ассад М.С., Грушевский В.В., Пенязыков О.Г., Тарасенко И.Н. Выбросы полициклических ароматических углеводородов в продуктах сгорания автомобильных бензиновых двигателей // Доклады Национальной академии наук Беларуси. – 2018. – Т. 62, № 3. – С. 341–346.Assad M.S., Grushevskiy V.V., Penyazykov O.G., Tarasenko I.N. [Emission of polycyclic aromatic hydrocarbons contained in combustion products of gasoline engines]. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2018, vol. 62, no. 3, pp. 341–346. (In Russian)Анисимов М.Ю. Исследование процессов образования бенз(а)пирена в камерах сгорания авиационных ГТД: автореферат дисс. ... канд. техн. наук. – Самара, 1991. – 16 с.: ил.Anisimov M.Yu. [Study of the formation of benz(a) pyrene in the combustion chambers of aircraft gas turbine engines. Cand. eng. sci. diss. abstr.]. Samara, 1991. 16 p. (In Russian)Орлов М.Ю. Исследование влияние химсостава топлива на образование и выброс бенз(а)пирена при сжигании углеводородных топлив в камерах сгорания ГТД: автореферат дисс. … канд. техн. наук. – Самара, 1994. – 24 с.: ил.Orlov M.Yu. [Study of the influence of the chemical composition of fuel on the formation and release of benz(a)pyrene during the combustion of hydrocarbon fuels in gas turbine combustion chambers. Cand. eng. sci. diss. abstr.]. Samara, 1994. 24 p. (In Russian)Маслеева О.В., Курагина Т.И., Пачурин Г.В. Повышение экологичности окружающей среды за счёт применения мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2010 12(1-9):2302-2305.Masleeva O.V., Kuragina T.I., Pachurin G.V. [Improving the environmental friendliness through the use of mini-TPS with gas piston engines]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, 2010 12 (1-9):2302-2305. (In Russian)Шкаликова В.П. Некоторые эксплуатационные характеристики работы двигателей на топливах с добавками спирта // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. – 2004. – № 2 (9). – С. 5–7.Shkalikova V.P. [Some operational characteristics of the operation of engines on fuels with additives of alcohol]. Vestnik RUDN. Seriya: Inzhenernye issledovaniya, 2004, no. 2 (9), pp. 5–7. (In Russian)Марков В.А., Гайворонский А.И., Девянин С.Н., Пономарёв Е.Г. Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля // Автомобильная промышленность. – 2006. – № 2. – С. 1–3.Markov V.A., Gayvoronskiy A.I., Devyanin S.N., Ponomarev E.G. [Rapeseed oil as an alternative diesel fuel]. Avtomobil’naya promyshlennost’, 2006, no. 2, pp. 1–3. (In Russian)Zarante P.H.B., Sodré J.R. Comparison of aldehyde emissions simulation with FTIR measurements in the exhaust of a spark ignition engine fueled by ethanol // Heat Mass Transfer 54, 2079–2087 (2018). https://doi.org/10.1007/s00231-018-2295-5.Zarante P.H.B., Sodré J.R. Comparison of aldehyde emissions simulation with FTIR measurements in the exhaust of a spark ignition engine fueled by ethanol. Heat Mass Transfer 54, 2079–2087 (2018). https://doi.org/10.1007/s00231-018-2295-5.Лернер М.О., Хесина А.Я., Гончаров В.В., Бакалейник А.М., Арамян П.А. Влияние группового состава топлива и антидетонаторов на концентрацию окиси углерода и бенз(а)пирена в отработавших газах ДВС / Труды всесоюзной научной конференции «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств», ч. II. – Харьков, 1977. – С. 78–92.Lerner M.O., Khesina A.Ya., Goncharov V.V., Bakaleynik A.M., Aramyan P.A. [The effect of the group composition of fuel and antiknock on the concentration of carbon monoxide and benzo (a) pyrene in the exhaust gases of the internal combustion engine]. [“Protection of the air basin from pollution by toxic emissions of vehicles”: collection of papers, part II]. Kharkov, 1977, pp. 78–92. (In Russian)Гуреев А.А., Камфер Г.М. Испаряемость топлив для поршневых двигателей. – М.: Химия, 1982. С. 190–200.Gureev A.A., Kamfer G.M. [Piston engine fuel volatility]. Moscow, Khimiya Publ., 1982, pp. 190–200. (In Russian)Панчишный В.И. Каталитическое обезвреживание отработавших газов двигателей внутреннего сгорания / Сборник «Проблемы кинетики и катализа. Глубокое каталитическое окисление углеводородов». – М.: Наука, 1981. – Т. 18. – С. 145–168.Panchishnyi V.I. [Catalytic treatment of exhaust gases of internal combustion engines]. [“Problems of kinetics and catalysis. Deep catalytic oxidation of hydrocarbons”: collection of papers]. Moscow, Nauka Publ., 1981. Vol. 18, pp. 145–168. (In Russian)Dykyj J., Svoboda J., Wilhoit R.C., Frenkel M., Hall K.R. Vapor Pressure and Antoine Coefficients for Hydrocarbons and Sulfur, Selenium, Tellurium, and Halogen Containing Organic Compounds, vol. IV/20A. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999. – 773 p.Dykyj J., Svoboda J., Wilhoit R.C., Frenkel M., Hall K.R. Vapor Pressure and Antoine Coefficients for Hydrocarbons and Sulfur, Selenium, Tellurium, and Halogen Containing Organic Compounds, vol. IV/20A. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999. 773 p.Панчишный В.И., Альтман Л.В., Масленковский Л.Г. Определение альдегидов в выхлопе методом газовой хроматографии / Сборник «Системы и средства снижения токсичности отработавших газов дизелей». – М.: ЦНИИТЭИ Тракторосельхозмаш, 1980. Вып. № 4. – С. 6–9.Panchishnyi V.I., Al’tman L.V., Maslenkovskiy L.G. [Determination of aldehydes in the exhaust by gas chromatography]. [“Systems and means for reducing the toxicity of diesel exhaust gases”: collection of papers]. Moscow, TsNIITEI Traktorosel’khozmash Publ., 1980. Issue no. 4, pp. 6–9. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.