Способ очистки отработавших газов от твердых частиц

 

Использование: охрана окружающей среды, а точнее защита воздушного бассейна от твердых частиц, образующихся при сжигании углеводородного топлива в различных энергетических установках, двигателях внутреннего сгорания, преимущественно дизельных, котлах ТЭЦ, ТЭЦ и т.д. Сущность изобретения: очистка отработавших газов от твердых частиц заключается в том, что очистку отработавших газов осуществляют путем пропускания потока отработавших газов через фильтрующий элемент, измерения перепада давления на фильтрующем элементе и, если перепад давления превышает его заданное максимально допустимое значение, производят регенерацию фильтрующего элемента путем нагрева фильтрующего элемента отработавшими газами до температуры не менее 650^oC, т.е. температуры, при которой осуществляется интенсивное горение сажи на его поверхности, за счет подачи в поток отработавших газов до пропускания его через фильтрующий элемент и сжигания в кислороде отработавших газов дополнительного топлива до тех пор, пока перепад давления не станет меньше его заданного минимально допустимого значения. Кроме того, поток отработавших газов вначале пропускают через устройство выравнивания потока, а затем через фильтрующий элемент 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к защите воздушного бассейна от твердых частиц (ТЧ), образующихся при сжигании углеводородного топлива в различных энергетических установках: ДВС (преимущественно в дизелях), котлах ТЭС, ТЭЦ и т.д.

ТЧ представляют собой несгоревшие конденсированные остатки топлива и моторного масла, содержащие канцерогенные углеводородные соединения, золу от топлива и масла, сульфиды и сульфаты, пыль, продукты износа металлов, окалину и конечно же частицы сажи (углерода) с адсорбированными на их поверхности канцерогенами.

Известен способ очистки отработавших газов (ОГ) от ТЧ путем пропускания ОГ через фильтрующий элемент (ФЭ) (Ужов В.Н. Мягков В.И. Очистка промышленных газов фильтрами. М. Химия, 1970, с. 319) [1] (L'automobile e l'ambiente. Scolari P. ATA Ingegneria automotoristica. 1990, 43, N 4, pp. 244 263) [2] При таком способе очистки ФЭ быстро забирается ТЧ, что сопровождается резким ростом его гидравлического сопротивления и противодавления на выходе из энергоустановки, а также соответствующим падением ее мощности. Это обстоятельство требует замены ФЭ или его регенерации.

Некоторые ТЧ, такие как конденсированные остатки топлива и моторного масла, а также сажа, можно при достаточном нагреве газифицировать, а затем равновесно окислить до Н₂О и СО₂. Известно, что скорости реакций окисления сажи и других углеводородных частиц резко возрастают, когда температура процесса окисления становится выше 550 600^oC. Однако температура потока ОГ на выходе из большинства энергоустановок редко достигает лишь 450^oС, поэтому для устойчивого окисления ТЧ поток ОГ необходимо подогревать.

Недостатки рассмотренного способа очистки ОГ от ТЧ устраняются в другом способе, в соответствии с которым регенерация ФЭ осуществляется путем его нагрева ОГ до температуры не менее 650^oС за счет ввода в поток ОГ и сжигания в кислороде ОГ дополнительного топлива.

Неконтролируемый рост гидравлического сопротивления ФЭ из-за забивания его пор ТЧ может привести к значительной потере мощности энергоустановки. Поэтому необходимо ограничивать величину противодавления на выходе из энергоустановки и в нужный момент включать систему регенерации. С другой стороны неконтролируемая регенерация ФЭ может привести к перегреву ФЭ, уменьшению его ресурса работы, чрезмерному расходу дополнительного топлива и существенному снижению экономичности энергоустановки. Эти недостатки устраняются в способе (Sauberer Disel RuSfilter Refenerationssystem von Zeuna-Starker/Kugland P. Ulter A. Zelmans R.//Verkehr und Technik, 1989, N 12, pp. 453 457) [3] при котором регенерация ФЭ осуществляется путем его нагрева до температуры не ниже 650^oC за счет подачи в поток ОГ и сжигания в кислороде ОГ дополнительного топлива, а момент начала процесса регенерации ФЭ определяется заданным уровнем противодавления на выходе из энергоустановки. Для этого измеряют перепад давления на ФЭ и сравнивают с его заданными максимально и минимально допустимыми значениями. Если значение измеренного перепада давления превышает его заданное максимально допустимое значение, то производят подачу дополнительного топлива в поток ОГ, до пропускания его через ФЭ, и его сжигание в кислороде ОГ до тех пор, пока измеренный перепад давления на ФЭ не станет меньше его заданного минимального допустимого значения.

Этот способ принят в качестве прототипа.

Недостатком такого процесса регенерации ФЭ является большая температурная неравномерность потока ОГ. Так как обычно ввод дополнительного топлива осуществляют локально через ограниченное число форсунок, то за стабилизатором пламени в области этих форсунок имеют место очень высокие температуры потока порядка 1300 1600^oC, а вне стабилизатора и вне области форсунок - максимум 450^oC. Из-за ограниченного расстояния между стабилизатором пламени и ФЭ поток ОГ не успевает выравняться за счет турбулентного перемешивания горячей части и другой относительно холодной части потока. Температурная неравномерность непосредственно перед ФЭ достигает 600 - 800^oC, которая приводит к локальному перегреву ФЭ, снижению его ресурса. Если поддерживать среднемассовую температуру потока перед ФЭ равной 650^oC, то большинство поверхности ФЭ (приблизительно 60 70) не достигает температуры 650^oC, достаточной для интенсивного окисления сажевых частиц, катастрофически падает эффективность регенерации ФЭ, существенно растет время регенерации и расход дополнительного топлива, а следовательно падает экономичность энергоустановки. Попытка увеличить регенерируемую поверхность ФЭ приводит к увеличению среднемассовой температуры потока ОГ, а следовательно к общему перегреву ФЭ, и дополнительному снижению его ресурса работы.

Задачей изобретения являются увеличение экономичности процесса регенерации ФЭ и ресурса работы последнего.

Указанная задача решается применением устройства выравнивания потока ОГ. Устройство устанавливается между камерой сгорания (КС) дополнительного топлива и ФЭ. После завершения процесса сгорания дополнительного топлива в КС существенно неравномерный по скорости и температуре поток ОГ вначале пропускают через это устройство, а затем через ФЭ.

Простейшим устройством выравнивания потока ОГ может служить перфорированная труба, установленная вдоль оси потока.

Эта труба делит весь поток ОГ на две части. Внутри перфорированной трубы течет горячий поток, а снаружи относительно холодный. Эти потоки имеют различное количество движения. Благодаря отверстиям потоки обмениваются количеством движения и за счет этого выравниваются. Однако путь выравнивания в таком устройстве достаточно велик. Более эффективным устройством выравнивания потока ОГ может служить система кольцевых стабилизаторов, установленных вдоль оси потока. Путь выравнивания в таком устройстве зависит от числа кольцевых стабилизаторов. Чем оно больше, тем меньше путь выравнивания потока ОГ.

Так как скорость реакций окисления сажи и несгоревших конденсированных углеводородов достаточно велика при 550 600^oC, то экономически целесообразно поддерживать температуру потока ОГ не выше 650^oC. Для этого измеряют температуру потока ОГ перед ФЭ и, если эта температура выше 650^oC, то уменьшают подачу дополнительного топлива в поток ОГ и наоборот, если эта температура ниже 650^oC, то увеличивают подачу дополнительного топлива. Точность поддержания температуры потока ОГ перед ФЭ около 650^oC зависит как от точности измерения температуры потока, так и от точности регулирования подачи дополнительного топлива. Обычно точность поддержания заданной температуры потока ОГ не превышает 5 что в нашем случае составляет порядка 50^oC.

Предлагаемый способ характеризуется использованием устройства выравнивания потока ОГ перед ФЭ; поддержанием температуры потока ОГ перед ФЭ близкой к 650^oC.

Cхема устройства очистки ОГ от ТЧ (далее устройство), в котором реализуется предлагаемый способ очистки, показана на фиг. 1.

Устройство содержит корпус 1, форсунку 2 для ввода дополнительного топлива 7, стабилизатор пламени 30 свечу 4, дозатор топлива 5, электромагнитный клапан (ЭМК) 6, исполнительные органы (ИО) 8 и 9 ЭМК 6 и дозатора 5 соответственно, электронный блок зажигания (ЭБЗ) 10, устройство выравнивания потока ОГ 12, ФЭ 13, чувствительные элементы 14 и 29 соответственно датчика температуры 11 и термометра 30, приемники полного давления 15 и 16 датчика перепада давления 17, задатчик (3) максимально допустимого значения перепада давления на ФЭ 18 блока сравнения (БС) 19, 3 минимально допустимого перепада давления на ФЭ 20 БС 21, блоки управления (БУ) 24, 26 и 27, 3 температуры 23 БС 22.

Реализация предложенного способа в устройстве (фиг. 1) осуществляется следующим образом.

ОГ 25 поступают на вход устройства с произвольной температурой, которая определяется режимом работы энергоустановки. ОГ вначале пропускают через устройство выравнивания потока ОГ 12, а затем через ФЭ 13. Очищенные от ТЧ ОГ 28 поступают в атмосферу. ЭБЗ 10 непрерывно вырабатывает высокочастотные импульсы высокого напряжения, однако сгорания дополнительного топлива не происходит, т.к. ЭМК 6 нормально закрыт, а дозатор 5 открыт.

Перепад давления на ФЭ 13 регистрируется датчиком 17 с помощью приемников полного давления 15 и 16.

В БС 19 поступают сигналы от датчика перепада давления 17 и от З 18, где сравниваются. Если перепад давления на ФЭ 13 окажется больше максимально допустимого значения, то после сравнения соответствующих им сигналов БС 19 выдает сигнал ИО 8 через БУ 26 на открытие ЭМК 6. Дополнительное топливо 7 через дозатор 5 и форсунку 2 поступает внутрь стабилизатора 3, где смешивается с ОГ 25. Образовавшаяся топливно-газовая смесь воспламеняется искрой от свечи 4. Если температура ФЭ, измеренная датчиком 11 с помощью чувствительного элемента 14, выше (ниже 650^oC, то после сравнения сигналов от датчика 11 и З 23 БС 22 выдает сигнал ИО 9 через БУ 24 на прикрытие (открытие) дозатора 5.

В процессе регенерации ФЭ 13 из-за выгорания сажи перепад давления на ФЭ уменьшается. Сигнал от датчика перепада давления 17, кроме БМ 19, одновременно поступает и в БС 21, где сравнивается с сигналом 3 минимально допустимого значения перепада давления 20. Если перепад давления на ФЭ 13 станет ниже его заданного минимально допустимого значения, то после сравнения соответствующих им сигналов БС 21 выдает сигнал ИО 8 через БУ 27 на закрытие ЭМК 6, который отсекает доступ дополнительного топлива 7 к форсунке 2. Регенерация ФЭ 13 завершена.

Были проведены эксперименты с целью получения характеристик устройства, установленного в выхлопном тракте дизеля ЗИЛ-645.

В качестве дополнительного топлива 7 использовалось дизтопливо, а в качестве устройства выравнивания потока ОГ 12 трехступеньчатая система кольцевых стабилизаторов (Клячкин А.Л. Теория воздушно-реактивных двигателей. М. Машиностроение, 1969, с. 262-265).

ФЭ был выполнен из пористого металла марки 12Х18Н10Т с никелевым покрытием.

Температура потока ОГ 25 на входе в устройство очистки задавалась нагрузкой на дизель.

В процессе экспериментов регистрировались поля температур потока ОГ перед ФЭ 13 термометром 30 с помощью чувствительного элемента 29, который имел возможность перемещаться вдоль радиуса трубы корпуса 1. На графике (фиг. 2) сравнивается поле температур 31 потока ОГ перед ФЭ 13 при отсутствии устройства выравнивания потока ОГ 12 с полем температур 32 перед ФЭ 13 при использовании этого устройства. Из графика (фиг. 2) видно, что использование устройства выравнивания потока ОГ 12 позволило уменьшить неравномерность поля температур потока ОГ перед ФЭ 13 более, чем в 7 раз.

Кроме того, время регенерации ФЭ 13 с 7,6 мин при отсутствии устройства выравнивания потока ОГ 12 уменьшилось до 2,4 мин в случае использования этого устройства, т.е. время регенерации ФЭ 13 уменьшилось в 3,2 раза. Во столько же раз снизился расход дополнительного топлива.

Ресурс ФЭ 13 оценивался временем работы ФЭ 13 до момента появления прогаров в пористом металле. Момент прогара регистрировался по резкому уменьшению перепада давления на ФЭ 13 с помощью датчика перепада давления 17, после которого рост перепада давления на ФЭ 13 по времени работы дизеля не наблюдался.

Ресурсные испытания ФЭ 13 показали, что применение устройства выравнивания потока ОГ 12 перед ФЭ 13 позволило увеличить ресурс работы ФЭ 13 почти в 8,7 раза.

Таким образом, предложенный способ позволяет не только увеличить по сравнению с прототипом экономичность энергоустановки, но существенно увеличить и ресурс работы ФЭ.

Формула изобретения

1. Способ очистки отработавших газов от твердых частиц путем пропускания потока отработавших газов через фильрующий элемент, измерения перепада давления на фильтрующем элементе и сравнения с его заданными максимально и минимально допустимыми значениями, если этот перепад давления превышает его заданное максимально допустимое значение, производят нагрев фильтрующего элемента отработавшими газами до температуры не менее 650^oС за счет подачи в поток до пропускания его через фильтрующий элемент и сжигания в кислороде отработавших газов дополнительного топлива до тех пор, пока перепад давления на фильтрующем элементе не станет меньше его заданного минимально допустимого значения, отличающийся тем, что поток отработавших газов вначале пропускают через устройство выравнивания потока, а затем через фильтрующий элемент.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют температуру фильтрующего элемента и поддерживают ее близкой к 650^oС путем регулирования подачи дополнительного топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2