1. Wstęp teoretyczny

W procesie spalania paliwa poza pożądaną przez nas energią uzyskujemy także szkodliwe

dla środowiska substancje takie jak: 𝐶𝑂, 𝑁𝑂

𝑥

, 𝑆𝑂

2

, 𝐶

𝑛

𝐻

𝑚

, pary metali ciężkich, takich jak

rtęć, ołów czy kadm.

W celu eliminacji tych związków chemicznych stosuje się urządzenia zwane

katalizatorami. Procesy w nich zachodzące to redukcja tlenków azotu (𝑁𝑂

𝑥

) oraz

utlenianie tlenku węgla i węglowodorów. Katalizator to substancja czynna którą pokryty

jest nośnik lub warstwa pośrednia. Katalizatory których zasada działania opiera się na

utlenianiu wykorzystują metale z grupy platynowców (platyna, pallad, rod). W przypadku

redukcji stosuje się złoto, iryd, chrom oraz platynowce.

Nośniki dzielimy na ceramiczne i metaliczne. Do największych zalet nośników

ceramicznych możemy zaliczyć ich odporność na korozję, wysoką temperaturę topnienia,

dużą powierzchnię aktywną oraz łatwość kształtowania. Wadą tych nośników jest niska

odporność na wstrząsy oraz gwałtowne zmiany temperatury. Natomiast nośniki

metaliczne charakteryzują się łatwością przekazywania ciepła, co powoduje zwiększona

odporność na skokowe zmiany temperatur. Kolejnymi zaletami są małe opory

hydrauliczne i duża wytrzymałość mechaniczna.

Z katalizatorami mamy do czynienia na co dzień, występują one we wszystkich

nowoczesnych samochodach a konkretnie w ich układach wydechowych (m.in. ze

względu na rygorystyczne normy dotyczące emisji spalin).

Aby ograniczyć emisję 𝑁𝑂

𝑥

, 𝐻𝐶, 𝐶𝑂 powstałych w wyniku spalania zachodzącego w

tłokowych silnikach spalinowych z zapłonem iskrowym wykorzystuje się trójfunkcyjne

katalizatory TWC (three-way catalysts). Jeżeli spalana mieszanka w katalizatorze

trójfunkcyjnym ma skład w przybliżeniu stechiometryczny katalizator ma bardzo wysoką

skuteczność konwersji 𝑁𝑂

𝑥

, 𝐻𝐶, 𝐶𝑂. Charakter działania katalizatora TWC jest

redukcyjno-utleniający.

Katalizatory są wykorzystywane także w turbinach gazowych, gdzie największym

problemem jest usuwanie dużych ilości 𝑁𝑂

𝑥

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

80,00%

90,00%

100,00%

0

500

1000

1500

Sku

teczn

o

ść

d

o

p

ala

n

ia

Ilość dopalanego powietrza l/h

wyk.1 Zależność skuteczności dopalania CO od ilości

powietrza dopalanego

0 W

800 W

300

320

340

360

380

400

420

440

460

480

500

0

500

1000

1500

Te

m

p

eratura

°

C

Ilość powietrza dopalanego

wyk.2 Zależność temp. przed i za katalizatorem od ilości

powietrza dopalanego dla obciążenia 800W

Temperatura przed katalizatorem

Temperatura za katalizatorem

2. Opracowanie wyników

a) wyznaczenie współczynniku nadmiaru powietrza λ

λ=

21

21−𝑂

2

,

gdzie 𝑂

2

to zawartość tlenu w spalinach przed katalizatorem.

Przykładowe obliczenie dla obciążenia 800 W:

λ=

21

21−𝑂

2

=

21

21−0,71

= 1,035

b) Przeliczenie poziomu CO (przed i za katalizatorem) na odniesiony do referencyjnej zawartości

tlenu O2 = 3%

𝐶𝑂

𝑝𝑟𝑧𝑒𝑑/𝑧𝑎

𝑟𝑧𝑒𝑐𝑧𝑦𝑤𝑖𝑠𝑡𝑒

= 𝐶𝑂

𝑝𝑟𝑧𝑒𝑑/𝑧𝑎

𝑧𝑚𝑖𝑒𝑟𝑧𝑜𝑛𝑒

∙

21 − 3

21 − 𝑂

2

𝑤 𝑠𝑝𝑎𝑙𝑖𝑛𝑎𝑐ℎ

Przykładowe obliczenie dla obciążenia 800W i ilość powietrza dopalanego 500 l/h za kat.

𝐶𝑂

𝑧𝑎

𝑟𝑧𝑒𝑐𝑧𝑦𝑤𝑖𝑠𝑡𝑒

= 18330 𝑝𝑝𝑚 ∙

21 − 3

21 − 0

= 15711 𝑝𝑝𝑚

c) Wyznaczenie skuteczności dopalania zanieczyszczeń

𝑆

𝐶𝑂

= (1 −

𝐶𝑂

𝑧𝑎 𝑘𝑎𝑡

𝑟𝑧𝑒𝑐𝑧𝑦𝑤𝑖𝑠𝑡𝑒

𝐶𝑂

𝑝𝑟𝑧𝑒𝑑 𝑘𝑎𝑡

𝑟𝑧𝑒𝑐𝑧𝑦𝑤𝑖𝑠𝑡𝑒

) ∙ 100%

Przykładowe obliczenie dla obciążenia 0W i ilości powietrza dopalanego 1000 l/h

𝑆

𝐶𝑂

= (1 −

114 𝑝𝑝𝑚

31680 𝑝𝑝𝑚

) ∙ 100% = 99,64%

3. Zestawienie wyników

4. Wnioski

Po przeprowadzeniu pomiarów możemy jednoznacznie stwierdzić, że katalizator
skutecznie umożliwia zmniejszenie emisji tlenku węgla do atmosfery.

Proces dopalania CO jest tym skuteczniejszy im większą ilość dodatkowego powietrza
dostarczymy.

Warto zauważyć, że im większe obciążenie silnika agregatu tym większa ilość powietrza
jest potrzebna aby w satysfakconujący sposób dopalić pozostały w spalinach CO.

Wraz ze wzrostem ilości doprowadzonego powietrza rośnie temperatura za katalizatorem.
Przyczyną tego zjawiska jest reakcja spalania zachodząca w katalizatorze, która jest tym
intensywniejsza im większa ilość tlenu zawartego w powietrzu dojdzie do katalizatora.

Warte zaznaczenia jest to, że część dostarczonego tlenu nie ulegnie spaleniu i zostanie
wydalona wraz ze spalinami (dla obciążenia 0W i strumienia powietrza 1500 l/h zawartość
tlenu w spalinach wyniosła aż 4,33%).

Na wykresie 1. możemy zauważyć dynamiczny wzrost skuteczności dopalania CO wraz ze
wzrostem ilości dopalanego powietrza, skuteczność ta jest bliska 100% przy odpowiednio
dużym strumieniu powietrza.

Podsumowując należy podkreślić, że katalizator mimo dosyć prostej budowy jest
urządzeniem bardzo skutecznie ograniczającym emisję tlenku węgla do atmosfery. W
czasach których żyjemy wysoki nacisk kładzie się na rozwiązania przyjazne środowisku,
dlatego warto ograniczać emisję szkodliwych substancji choćby przez katalizatory
montowane w układach wydechowych pojazdów. Mimo poniesionych jednorazowych
kosztów (w katalizatorze występują kosztowne metale szlachetne, toteż urządzenia te są
pożadąne przez złodziei) warto je stosować w trosce o stan naszej atmosfery.

Moc, W

Ilość powietrza
dopalanego, l/h

Współczynnik
λ

CO2 rzeczywiste
przed, 𝑝𝑝𝑚

CO2 rzeczywiste
za, 𝑝𝑝𝑚

𝑆

𝐶𝑂

, %

0

0

1,035

31680

24489

22,70%

500

31680

353

98,89%

1000

31680

114

99,64%

1500

31680

97

99,69%

800

0

1,0048

35156

34586

1,62%

500

35156

15711

55,31%

1000

35156

329

99,06%

1500

35156

154

99,56%