AP08856680 «Численное моделирование каталитических систем очистки отходящих газов автотранспорта и промышленных предприятий с использованием квантово-химических расчётов и параллельных вычислений»

Руководитель проекта – Болатбек ХУСАИН, заведующий сектора инжиниринга, кандидат технических наук, доктор философии (PhD), b.khusain@ifce.kz, 8(727)272-09-16

Актуальность

Актуальность проекта заключается в цифровизации процесса подбора оптимальных параметров каталитического нейтрализатора путем замены многочисленных сложных экспериментов математической виртуальной моделью химических процессов очистки токсичных выбросов в нейтрализаторе, что позволит значительно уменьшить издержки.

Цель проекта

Построение динамических математических моделей процессов очистки токсичных выбросов автотранспортных средств и промышленных предприятий в каталитических нейтрализаторах и создание на их основе программного обеспечения с применением параллельных вычислений, позволяющего подбор наиболее эффективного состава активной фазы для обеспечения максимальной степени очистки, в зависимости от их геометрии и исходных данных.

Задачи проекта:

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

  1. Создание стенда для проведения экспериментальных исследований влияния каталитической активности компонентов, нанесённых на поверхность блоков нейтрализатора, геометрии блоков и внешних условий на эффективность действия при очистке выхлопных газов автотранспорта и промышленных производств от токсичных составляющих;
  2. Исследования физико-химических свойств нейтрализаторов и факторов, влияющих на их активность для нахождения оптимального состава активной фазы;
  3. Установление закономерностей протекания химических процессов (экспериментально, и с помощью квантово-химических расчётных методов) в ходе функционирования нейтрализаторов и действия различных факторов, влияющих на их активность, с последующей разработкой рекомендаций для построения математических (численных) моделей;
  4. Построение динамических математических моделей каталитических систем очистки отходящих газов автотранспорта и промышленных предприятий с использованием экспериментальных данных, квантово-химических расчётов и параллельных вычислений.

Ожидаемые результаты по проекту:

Результатом решения вышеперечисленных задач станет создание программного обеспечения, позволяющего посредством комплексного математического моделирования химических процессов нейтрализации токсичных газов с использованием параллельных вычислений определять оптимальную конфигурацию и состав активной фазы каталитического нейтрализатора, для обеспечения максимальной степени очистки токсичных выбросов и эффективности его работы.

Суть проекта

Загрязнение атмосферного воздуха является одной из главных проблем современной экологии. В связи с этим, в последнее время все больше внимания уделяется проблеме выбросов в атмосферу загрязняющих веществ. Планируемое в ближайшем будущем ужесточение регламентирующих нормативов приведет к тому, что большинство нейтрализаторов токсичных газов не будет соответствовать новым требованиям. Следовательно, всё большую актуальность должны приобретать мероприятия, направленные на повышение эффективности работы нейтрализаторов, в том числе, и каталитических.

Для Казахстана, как и для других стран, проблема выброса в атмосферу продуктов сгорания различных видов топлива (газ, продукты нефтепереработки или уголь) является актуальной, и даже с ростом электротранспорта не перестанет оставаться таковой. Для производства электроэнергии еще долгие годы минеральное сырье будет востребованным, а именно его использование является основным источником вредных выбросов.

Источники вредных выбросов можно разделить на мобильные (автомобильный, железнодорожный, авиатранспорт) и стационарные (печное, котельное оборудование со стационарными горелками и электрогенераторы на двигателях внутреннего сгорания – ДВС). Отличительной особенностью работы нейтрализаторов на ДВС (бензиновые и дизельные) автотранспорта является нестабильный состав выхлопных газов, меняющийся вместе с изменением режима работы двигателя (изменение нагрузки, различия в настройках подачи топлива и воздушной смеси в двигатель и т.д.). На стационарных генераторах с ДВС режимы работы, как правило, более постоянны и комфортны для работы каталитических нейтрализаторов. Однако, на практике, при работе таких устройств приходится мириться с отсутствием возможности настройки оптимального соотношения топливо-воздушной смеси вследствие заводских предустановок производителя оборудования. Примерно аналогичная картина наблюдается на других стационарных загрязнителях (печи подогрева, котельни), где также практически невозможно влиять на процесс горения посредством настройки температурного режима и соотношения топливо-окислитель. Поэтому возникает необходимость дополнительного изменения соотношения кислорода и продуктов неполного сгорания, а также температуры и скорости потока газа для нормальной работы нейтрализаторов уже на выходе из источника загрязнения, что часто вызывает серьёзные технологические трудности. Как показывает практика, многие стационарные источники загрязнения сильно отличаются как по составу и скорости отходящих газов, так и по температурным режимам. Всё это требует точной наладки, причём, непосредственно на территории установки, многих параметров блоков каталитического нейтрализатора, включая такие, как сопротивление потоку газа, количество кислорода в газе, температура, пыле- и сажеобразование, а также хорошую переносимость самим нейтрализатором климатических условий, порой достаточно жёстких, ввиду резко-континентального климата Казахстана. При этом для производств желательна минимизация или полное отсутствие дополнительных расходов на поддержание режимов эксплуатации нейтрализаторов.

В то же время, настройка и анализ функционирования нейтрализаторов для каждого источника загрязнения атмосферы является индивидуальной, требует значительных финансовых и трудозатрат. Значительное уменьшение издержек возможно путём создания на пилотной установке (стенде) условий, моделирующих реальные процессы, а затем и математических моделей для их описания с целью подбора наиболее подходящего каталитического нейтрализатора, состава его активной фазы и аппаратного оформления. Решению этих проблем и посвящена данная работа.

Ожидаемые и достигнутые результаты:

Ожидаемые результаты за 2021 год

2.2 Будут синтезированы и испытаны каталитически активные композиты.

Будут исследованы физико-химические характеристики нейтрализаторов и факторы, влияющие на их активность: будут испытаны каталитически активные композиты для выбора оптимального состава для использования в нейтрализаторах; будут исследованы физико-химические характеристики оптимальных каталитически активных композитов при варьировании состава (химического, фазового); температуры; геометрии блоков; будет изучена морфология поверхности блоков нейтрализаторов.

2.3 Будут проведены квантово-химические расчеты для определения термохимических параметров, констант равновесия реакции восстановления NO сернистым газом и метаном при варьировании температуры. Будут выданы рекомендации для построения математических моделей.

2.4 На основе результатов, полученных при решении задач 2, 3 будут разработаны математические модели процессов каталитической очистки отходящих газов. Будет разработан последовательный вычислительный алгоритм и на его основе параллельный алгоритм расчетов модели процессов каталитической очистки отходящих газов. Будет проведена оценка адекватности и достоверности математических моделей при варьировании параметров. Будут получены сравнительные результаты между расчётами и экспериментом.

Будет подана в печать 1 статья в рецензируемое зарубежное и (или) отечественное издание с ненулевым импакт-фактором (рекомендованное КОКСОН).

Достигнутые результаты за 2021 год

2.2 Продолжено проведение исследований физико-химических свойств нейтрализаторов и факторов, влияющие на их активность, для нахождения оптимального состава активной фазы:

  • синтезируются и испытываются каталитически активные композиты;
  • исследуются физико-химические характеристики нейтрализаторов и факторы влияющие на их активность;
  • испытываются каталитически активные композиты для выбора оптимального состава для использования в нейтрализаторах;
  • исследуются физико-химические характеристики оптимальных каталитически активных композитов при варьировании состава (химического, фазового); температуры; геометрии блоков;
  • изучается морфология поверхности блоков нейтрализаторов.

Результаты:

С целью изучения возможности замещения в нейтрализаторах дорогостоящих благородных металлов был проведён синтез ванадий содержащих оксидных каталитически активных фаз.

Установлено:

– каталитическая активность обусловлена образованием в системе комплекса V2O5 с оксидом алюминия.

– увеличение содержания оксида V2O5  с ростом температуры прокаливания.

При исследовании влияния термической обработки на морфологию поверхности первичного носителя – фольги Х15Ю5 – обнаружено, что в исходном состоянии поверхность фольги Х15Ю5 однородна, а при прогреве (900 оС) однородность поверхности нарушается, на ней появляются кристаллические структуры с признаками огранки.

2.3. Продолжены работы (экспериментальные и с помощью квантово-химических расчётов) по установлению закономерностей протекания химических процессов при функционировании нейтрализаторов и действия факторов, влияющих на их активность. Продолжена работа по разработке рекомендации для построения математических моделей.

Проведены экспериментальные исследования по влиянию на протекание химических процессов в ходе функционирования нейтрализаторов:

  • количества кислорода в составе выхлопных газов;
  • температуры и времени контакта.

Расчётные методы:

Проводились квантово-химические расчеты для определения термохимических параметров, констант равновесия реакции восстановления NO сернистым газом и метаном при варьировании температуры.

Продолжена работа по разработке рекомендации для построения математических моделей.

Результаты:

Ванадий содержащая система проявляет высокую активность в окислении модельного предельного углеводорода (метана) и является термостабильной в интервале температур от 300 до 700 оС.

С помощью квантово-химических расчётов межмолекулярных комплексов NO с восстановителями SO2, CH4, H2S, СО: .

– уcтановлено, что при моделировании из различных стартовых состояний межмолекулярные комплексы NO – CH4 не образуются;

– определены структура и свойства комплекса ON-SO2 и активация связей  N – O и S – O, а также образование связей S-N и O-O;

– показано, что при моделировании газового потока в нейтрализаторе возможность восстановления NO при взаимодействии с метаноми сернистым газом, можно не учитывать.

2.4. Продолжено построение динамических математических моделей каталитических систем очистки отходящих газов автотранспорта и промышленных предприятий с использованием экспериментальных данных, квантово-химических расчётов и параллельных вычислений.

На основе результатов, полученных при решении задач 2, 3 разрабатывались математические модели процессов каталитической очистки отходящих газов автотранспорта и промышленных предприятий.

Разрабатывался последовательный вычислительный алгоритм и на его основе параллельный алгоритм расчетов модели процессов каталитической очистки отходящих газов.

Проводилась оценка адекватности и достоверности математических моделей при варьировании параметров.

Продолжена:

  • работа по сравнению результатов расчетов и эксперимента.
  • разработка программного модуля с визуализацией результатов моделирования;
  • продолжена работа по созданию установочного пакета программного обеспечения;
  • разработка Программ и Методик тестирования программных модулей и проведение их тестирования.
  • разработка программной документации для программного обеспечения согласно ЕСПД;
  • работа по регистрации авторских прав на разработанное программное обеспечение в Министерстве Юстиции РК;

Результаты:

1. Продолжается использование метода решеточных уравнений Больцмана для моделирования потока газа в ограниченной среде с учетом геометрии сечения каналов в корпусе нейтрализатора.

2. Модифицировано программное обеспечение с целью оптимизации построения моделей (геометрии) модулей  нейтрализаторов с учетом площади сечения каналов и их формы:

  • продолжен переход на платформу Unity с модификацией интерфейса, для обеспечения возможности полного построения модели геометрии модуля нейтрализатора по задаваемым параметрам;
  • доработано меню настроек для анализа аэродинамики;

3. Продолжена разработка раздела программного обеспечения для анализа влияния химических параметров на функционирование нейтрализаторов.

4. Продолжается доработка программного модуля с визуализацией результатов моделирования с использованием анализа результатов сравнения расчётных и экспериментальных данных

5. Производится оптимизация установочного пакета программного обеспечения.

Согласно постановлению Правительства РК от 22.10.2021 № 758 о внесении изменений в Правила базового и программно-целевого финансирования научной и (или) научно-технической деятельности, а также грантового финансирования научной и (или) научно-технической деятельности и коммерциализации результатов научной и (или) научно-технической деятельности подготовлены и сданы краткие сведения о реализации проекта в соответствии с календарным планом через информационную систему центра экспертизы.

Члены исследовательской группы:

  1. Хусаин Б. – Researcher ID N-4918-2017, Scopus ID 57189662379, Researcher ID in PublonsN-4918-2017, ORCID 0000-0001-9588-1012
  1. А.Р. Бродский – Web of Science ResearcherID N-7894-2017, Scopus ID 7005293963, ORCID 0000-0001-6216-4738
  2. И.А. Шлыгина – Web of Science ResearcherID AAQ-4518-2020, Scopus ID 6506266927, ORCID 0000-0002-0883-1007
  3. А.С. Сасс – Scopus ID 7004103761, ORCID 0000-0003-4049-6314
  4. К. Рахметова – Web of Science ResearcherID N-4918-2017, Scopus ID 56485971900, ORCID 0000-0002-2098-3169
  5. В. Цыганков – ORCID 0000-0001-6421-1382
  6. Е. Асанхан – ORCID 0000-0002-6097-9308
  7. А.Б. Хусаин – ORCID 0000-0002-0899-6872
  8. Е. Кумаров – ORCID 0000-0002-3643-5378
  9. Ж. Мейірбек – ORCID 0000-0002-9147-1793

Список публикаций и патентов:

  1. Б.Х. Хусаин, А.Р. Бродский, А.С. Сасс, В.И. Яскевич, К.С. Рахметова Исследование отравления и регенерации каталитических нейтрализаторов токсичных компонентов выхлопных газов промышленных предприятий и автотранспор-та // Доклады НАН РК. -2021. -№4. – С.143-149. отечественное рецензированное издание с импакт-фактором в Каз.БЦ – 0,087, рекомендованно КОКСОН.