1. Wprowadzenie:

   1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze zjawiskiem katalizy, obserwacja działania katalizatora spalin oraz pomiar skuteczności dopalania zanieczyszczeń (tlenku węgla).

1. Kataliza i katalizatory

Katalizatorem nazywa się substancję, która zmienia szybkość przemiany substratu w produkt, bez zmiany stechiometrii tej przemiany i bez wpływu na stan równowagi, a proces zmiany nosi nazwę katalizy.

Istotą działania katalizatora jest zmniejszenie energii aktywacji, dzięki czemu katalizator zwiększa szybkość reakcji heterogenicznej ( kataliza zachodząca na granicy fazy stałej i gazowej).

Katalizatorami węglowodorów i CO są platynowce o następującej kolejności aktywności w całkowitym utlenianiu węglowodorów: ruten, rod, pallad, platyna. W urządzeniach technicznych katalizatory są nanoszone na nośniki o dużej powierzchni właściwej.

1. Spalanie katalityczne

Spalanie katalityczne może być uważane za szczególny przypadek utleniania całkowitego.

Głównymi zaletami spalania katalitycznego są:

- mała emisja NO_x i sadzy,

- niska temperatura spalania,

- bardzo duża sprawność,

- szeroki zakres palności mieszanin paliwowo – powietrznych.

1. Podsumowanie

Katalizatory zwiększają szybkość reakcji i umożliwiają rozszerzenie przedziału palności mieszanin w fazie gazowej.

Na powierzchni katalizatora zachodzą heterogeniczne reakcje katalityczne, które podtrzymują homogeniczne reakcje w fazie gazowej, zachodzące – w zależności od paliwa i składu mieszaniny – w bardzo niskich temperaturach, zwykle ok. 600 ÷ 700^oC.

Katalizatory znalazły zastosowanie w procesach spalania niskokalorycznych gazów odpadowych, w domowych urządzeniach grzewczych, turbinach gazowych, a także w technikach oczyszczania spalin.

1. Schemat stanowiska:

1. Oporniki

2. Watomierz

3. Autotransformator

4. Generator prądotwórczy

5. Silnik spalinowy

6. Rotametr

7. Zawór dławiący

8. Punkty poboru spalin do analizy składu

9. Katalizator

10. Termopara

1. Wykaz przyrządów pomiarowych:

1. Rotametr - pomiar natężenia przepływu płynów;

2. Watomierz – pomiar mocy czynnej;

3. Analizator – badanie składu spalin pod kątem zawartości tlenu i tlenku węgla;

4. Termopara - pomiar temperatury katalizatora;

1. Tabela pomiarowa:

Obciążenie sinika	Strumień powietrza dopalającego	Zawartość tlenu w spalinach przed katalizatorem	Zawartość tlenu w spalinach za katalizatorem	Zawartość tlenku węgla w spalinach przed katalizatorem	Zawartość tlenku węgla w spalinach za katalizatorem	Temperatura przed katalizatorem	Temperatura za katalizatorem
P	qpow	O2,przed	O2,za	COprzed	COza	tprzed	tza
W	l/h	%	%	ppm	ppm	^oC	^oC
0	0	0,33	0,09	43500	42660	318	267
	500		0,06		900	383	397
	1000		1,94		160	427	464
	1500		3,95		100	425	466
600	0	0,23	0,05	45530	44850	415	412
	500		0,06		25050	414	418
	1000		0,95		870	460	492
	1500		2,47		600	469	511

1. Przykładowe obliczenia ( dla O_{2, przed} = 0,33 %, O_2,za = 0,09 %, CO_przed = 43500 ppm, CO_za = 42660 ppm):

   1. Wyznaczenie współczynnika nadmiaru powietrza – λ :

$\mathbf{\lambda =}\frac{\mathbf{21}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}} = \frac{21}{21 - 0,09} \approx 1,00$

gdzie:

λ – współczynnik nadmiaru powietrza

21 – zawartość tlenu w powietrzu (w procentach)

O₂ – zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

1. Przeliczenie poziomu CO (przed i za katalizatorem) na odniesiony do referencyjnej zawartości tlenu O₂ =3% :

$$\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{\text{przed}}}^{\mathbf{3\%}}\mathbf{=}\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{\text{przed}}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{21 - 3}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}} = 43500 \bullet \frac{18}{21 - 0,33} \approx 37881\ \text{ppm}$$

$$\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{\text{za}}}^{\mathbf{3\%}}\mathbf{=}\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{\text{za}}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{21 - 3}}{\mathbf{21 -}\mathbf{O}_{\mathbf{2}}} = 42660 \bullet \frac{18}{21 - 0,09} \approx 36723\ \text{ppm}$$

gdzie:

CO^3% - przeliczona zawartość CO w spalinach (ppm)

CO – zmierzona zawartość CO w spalinach (ppm)

3 – referencyjna zawartość tlenu w spalinach (w procentach)

1. Wyznaczenie skuteczności dopalania zanieczyszczeń:

$$\mathbf{S}_{\mathbf{\text{CO}}}\mathbf{= 1 -}\frac{\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{\text{za}}}^{\mathbf{3\%}}}{\mathbf{\text{CO}}_{\mathbf{p}\mathbf{\text{rzed}}}^{\mathbf{3\%}}} = 1 - \frac{36723}{37881} \approx 3\ \%$$

gdzie:

S_CO – skuteczność dopalania CO (w procentach)

CO^3%_za – przeliczona zawartość CO w spalinach za katalizatorem(ppm)

CO^3%_przed – przeliczona zawartość CO w spalinach przed katalizatorem(ppm)

1. Wyniki obliczeń:

P	qpow	tprzed	tza	λ	COprzed^3%	COza^3%	SCO
W	l/h	^oC	^oC		ppm	ppm	%
0	0	318	267	1,00	37881	36723	3
	500	383	397	1,00		773	98
	1000	427	464	1,10		151	100
	1500	425	466	1,23		105	100
600	0	415	412	1,00	39457	38535	2
	500	414	418	1,00		21533	45
	1000	460	492	1,05		781	98
	1500	469	511	1,13		583	99

1. Wykresy:

1. Rys. 1 - skuteczność dopalania CO (S_CO) w funkcji ilości powietrza dopalającego (q_pow)

2. Rys. 2 - skuteczność dopalania CO (S_CO) w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza (λ)

3. Rys. 3 – wykres temperatury przed katalizatorem (seria 1 i seria 3) oraz za katalizatorem (seria 2 i seria 4) w funkcji ilości powietrza dopalającego (q_v)

1. Wnioski i obserwacje:

Z wykresu zarówno nr 1 jaki i wykresu nr 2 wynika, że skuteczność procesu dopalania CO zależy ściśle od ilości dostarczonego powietrza do układu. Warto zwrócić uwagę na to, że przy współczynniku λ równemu 1,05 sprawność procesu osiąga wartość bliską 100% i dalsze zwiększenie wartości tego współczynnika nie wpływa na skuteczność dopalania CO, a może za to wpływać na pogorszenie redukcji NO.

Im mniejsze jest obciążenie silnika tym wydajność całego procesu jest większa (wykresy nr 1 i 2).

Zwiększenie ilości powietrza dopalającego wpływa na skuteczniejsze dopalanie CO, co przekłada się na zwiększenie temperatury za katalizatorem (wykres nr 3).