Способ очистки и утилизации отработавших газов и устройство для его реализации

Изобретение относится к способам и устройствам для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. В способе, включающем озонирование потока воздуха в озонаторе (3), смешение отработавших газов с озоновоздушной смесью, охлаждение этой смеси в охладителе-конденсаторе (8) до температуры ниже точки росы с конденсацией большей части водяных паров, последующую сепарацию смеси в сепараторе (9) с извлечением из нее водяной и сажевой фаз и удаление очищенных отработавших газов в атмосферу, согласно изобретению, перед охлаждением в смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью распыляют воду с помощью форсунок (4), а перед удалением очищенных отработавших газов в атмосферу их разбавляют воздухом, пропуская через эжектор (11); расход распыляемой воды предпочтительно регулировать в зависимости от изменения нагрузки на двигатель внутреннего сгорания при помощи датчика (13) нагрузки, который через блок (12) управления соединен с устройством (5) регулирования расходом воды. Повышается эффективность очистки и утилизации отработавших газов за счет осуществления реакции некаталитического окисления вредных веществ в потоке отработавших газов при высокой температуре, а также за счет разбавления очищенных газов перед выпуском атмосферным воздухом. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретения относятся к двигателестроению, а именно к способам и устройствам для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известны способ очистки и утилизации отработавших газов и устройство для его осуществления, RU 2227215 С2, опубл. 20.04.2004. Способ включает озонирование потока воздуха в озонаторе, смешение отработавших газов с озоновоздушной смесью, охлаждение отработавших газов через оребренные стенки колонок потоком наружного воздуха и удаление очищенных газов в атмосферу; отработавшие газы смешивают с озоновоздушной смесью, десорбированной из рециркуляционного конденсата, охлаждают до температуры ниже точки росы с конденсацией большей части водяных паров, находящихся в отработавших газах, параллельно контактирующих с рециркуляционным конденсатом, насыщенным озоном, кислородом и кислотными компонентами, стекающим по насадке абсорбционно-охладительной секции, который улавливает частицы сажи, абсорбирует окислы азота и окислы серы с одновременным их окислением в газовой и жидкой фазах и образованием насыщенного кислого конденсата, смешением кислого конденсата со свежим конденсатом, образующимся в результате конденсации водяных паров, стекающего в поддон, откуда его часть отводится через гидрозатвор в накопительную емкость, а другая часть смешивается с озоновоздушной смесью, образуя газожидкостную эмульсию, и поднимается с одновременным поглощением озона и кислорода, их химическим взаимодействием с компонентами конденсата по подъемной трубе эрлифта на десорбционно-распределительную тарелку, где из эмульсии в результате барботажа отработавших газов через нее десорбируется часть озоновоздушной смеси, и рециркуляционный конденсат через отверстия в десорбционно-распределительной тарелке орошает насадку абсорбционно-охладительной секции, контактирует в противотоке со встречным газовым потоком, стекая в поддон, а очищенные от большей части вредных примесей отработавшие газы смешиваются с десорбированной озоновоздушной смесью, проходят через полую сепарационно-охладительную секцию, где параллельно с их дальнейшим охлаждением и конденсацией водяных паров происходит их окончательная очистка путем дальнейшего поглощения озона и кислорода, их химического взаимодействия с компонентами конденсата и сепарация уносимых капель.

Недостатком как способа, так и устройства является невысокая эффективность очистки отработавших газов, вследствие невозможности их очистки от двуокиси углерода и его утилизации, а также от окислов азота и окислов серы, находящихся в газовой фазе после сепарационно-охладительной секции.

Известны комплексный способ и устройство для очистки и утилизации отработавших газов, RU 2286469 С2, опубл. 27.10.2006. Способ включает озонирование потока воздуха в озонаторе, смешение отработавших газов с озоновоздушной смесью, охлаждение этой смеси потоком наружного воздуха до температуры ниже точки росы с конденсацией большей части водяных паров, смешение свежего конденсата с рециркуляционным конденсатом, насыщенным озоном, кислородом и кислотными компонентами, во время неоднократного подъема эрлифтом, абсорбцию окислов азота, окислов серы с образованием соответствующих кислот с одновременным их окислением в газовой и жидкой фазах, поглощение частиц сажи, вывод части насыщенного конденсата из поддона, окончательное охлаждение и продолжение очистки в сепарационно-охладительной секции, удаление очищенных отработавших газов в атмосферу; при этом окончательная очистка отработавших газов от оставшихся окислов азота, окислов серы, большей части двуокиси углерода и уносимых капель конденсата, насыщенного кислотными компонентами, происходит в результате их взаимодействия в секции доочистки с гидроокисью кальция (Са(ОН)₂), покрывающей поверхность насадки, находящейся в съемном перфорированном контейнере с образованием нитрита кальция (Ca(NO)₂)₂, сульфата кальция (CaSO₄), нитрата кальция (Ca(NO₃)₂) и углекислого кальция (СаСО₃), которые остаются на поверхности насадки в съемном контейнере. Устройство включаете оребренные колонки, соединенные нижними торцами со смесительной камерой и поддоном, верхними с газовым коллектором и выходным патрубком, внутри каждой колонки помещены абсорбционно-охладительная секция, заполненная насадкой, в центре которой помещена подъемная труба эрлифта, соединенная с озонатором и десорбционно-распределительной тарелкой, и полая сепарационно-охладительная секция, кожух с вентилятором, закрывающим тыльную сторону колонок, накопительную емкость, соединенную с поддоном через гидрозатвор; в газовом коллекторе помещена секция доочистки, представляющая собой съемный перфорированный контейнер, заполненный насадкой, покрытой слоем гидроокиси кальция (Са(ОН)₂).

Данные технические решения приняты в качестве прототипов, соответственно, способа и устройства согласно настоящей заявке.

Недостатком как способа, так и устройства RU 2286469 С2 является невысокая эффективность очистки отработавших газов вследствие низкой эффективности процессов некаталитического окисления вредных веществ в потоке отработавших газов, т.к. во время реакции в поток отработавших газов подается озонированный конденсат, который понижает температуру газовой смеси, а при понижении температуры уменьшается интенсивность реакции. Кроме того, перед выпуском очищенных газов отсутствует их разбавление атмосферным воздухом, вследствие чего остается следность шлейфа и характерный запах.

Задачей настоящих изобретений является повышение эффективности очистки и утилизации отработавших газов.

Согласно изобретению в части способа в способе очистки и утилизации отработавших газов, включающем озонирование потока воздуха в озонаторе, смешение отработавших газов с озоновоздушной смесью, охлаждение этой смеси до температуры ниже точки росы с конденсацией большей части водяных паров, последующую сепарацию смеси с извлечением из нее водяной и сажевой фаз и удаление очищенных отработавших газов в атмосферу; перед охлаждением в смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью распыляют воду, а перед удалением очищенных отработавших газов в атмосферу их разбавляют воздухом. Расход воды, распыляемой в смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью, можно регулировать в зависимости от изменения нагрузки на двигатель внутреннего сгорания; сепарация смеси может быть осуществлена в фазовом разделителе типа скруббер.

Согласно изобретению в части устройства в устройстве для реализации способа, содержащем выхлопной тракт двигателя внутреннего сгорания, озонатор, присоединенный к выхлопному тракту, охладитель-конденсатор, соединенный с входом сепаратора, накопительную емкость, соединенную с первым выходом сепаратора, и выходной патрубок, соединенный со вторым выходом сепаратора, в выхлопном тракте после места присоединения к нему озонатора далее по ходу потока отработавших газов установлено устройство для распыления воды, а выходной патрубок выполнен в виде эжектора. Устройство для распыления воды может быть выполнено в виде форсунок, в которые вода подается насосом из емкости запаса воды; устройство может быть снабжено датчиком нагрузки на двигатель внутреннего сгорания, который через блок управления соединен с устройством регулирования расходом воды, подаваемой на устройство для распыления воды; в устройстве может быть использован охладитель-конденсатор рекуперативного типа с водяным охлаждением.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленным способу и устройству для его реализации, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретений условию патентоспособности «Новизна».

В результате реализации заявленных способа и устройства достигается технический результат, состоящий в повышении эффективности процессов некаталитического окисления вредных веществ в потоке отработавших газов, благодаря тому, что реакция некаталитического окисления при смешении отработавших газов с озоновоздушной смесью осуществляется при высокой температуре, выше 250°С, в результате повышается эффективность реакции окисления. Кроме того, перед выпуском очищенных газов их разбавляют атмосферным воздухом, вследствие чего уменьшается следность шлейфа и устраняется характерный запах. Как следствие, повышается эффективность очистки и утилизации отработавших газов.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретений на достигаемый ими технический результат.

Указанные обстоятельства позволяют сделать вывод о соответствии заявленных способа и устройства для его реализации условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Сущность изобретений в части способа и устройства для его реализации поясняется чертежами, где изображено:

на фиг. 1 - схема, иллюстрирующая процесс очистки и утилизации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания;

на фиг. 2 - блок-схема устройства для реализации способа.

При реализации способа очистки и утилизации отработавших газов высокотемпературные продукты сгорания, отработавшие газы, поступают в протяженный выхлопной тракт, состоящий из пяти участков.

На первом участке отработавшие газы смешивают с озоновоздушной смесью, полученной путем озонирования потока воздуха в озонаторе. Наличие озона активизирует процессы некаталитического окисления вредных веществ в потоке отработавших газов при температуре выше 250°С в соответствии со следующими химическими реакциями:

С+O₃→СО+O₂;

(СН_1,85):С₃Н₈+4O₃→3СO₂+4Н₂O+O₂;

СО+O₃→СO₂+O₂;

SO₂+О₃→SO₃+O₂.

Таким образом, в составе отработавших газов существенно уменьшится количество взвешенных частиц, углеводородов, окиси углерода и окиси серы.

На втором участке в горячую смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью распыляют воду. Вода испаряется, охлаждая горячую смесь до температуры 200°С. В этих условиях происходит интенсивное окисление оксида азота NO по химической реакции:

NO+O₃→NO_2*+O₂.

Расход воды, распыляемой в смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью, регулируют в зависимости от изменения нагрузки на двигатель внутреннего сгорания.

При достаточно протяженном выхлопном тракте степень окисления оксида азота достигает 50%.

На третьем участке полученную смесь газов в газоохладителе-конденсаторе охлаждают до температуры ниже точки росы, при этом большая часть водяных паров в виде конденсата отделяется от газовой смеси.

На четвертом участке газовую смесь сепарируют, при этом происходит окончательное отделение от газа конденсата в виде водяной и сажевой фаз. При этом в конденсате растворяются NO₂, SO₂, аэрозоли масла взвешенных частиц и углеводородов. Конденсат сливается в накопительную емкость, затем конденсат утилизируют. Таким образом, происходит очистка отработавших газов от вредных веществ. В частности, газовую смесь сепарируют в фазовом разделителе типа скруббер.

На пятом участке очищенные отработавшие газы разбавляют атмосферным воздухом и удаляют в атмосферу. Таким образом, устраняют неприятный запах выхлопа двигателя внутреннего сгорания в районе выброса.

Устройство для осуществления способа очистки и утилизации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания содержит выхлопной тракт 2 двигателя 1 внутреннего сгорания, озонатор 3, присоединенный к выхлопному тракту 2, охладитель-конденсатор 8, соединенный с входом сепаратора 9, накопительную емкость 10, соединенную с первым выходом сепаратора 9, и выходной патрубок, соединенный со вторым выходом сепаратора 9. В качестве охладителя-конденсатора, в частности, использован охладитель-конденсатор 8 рекуперативного типа с водяным охлаждением.

В выхлопном тракте 2 после места присоединения к нему озонатора 3 далее по ходу потока отработавших газов установлено устройство 4 для распыления воды, а выходной патрубок выполнен в виде эжектора 11.

Устройство 4 для распыления воды выполнено в виде форсунок 4, в которые вода подается насосом 6 из емкости 7 запаса воды. Устройство содержит датчик 13 нагрузки на двигатель внутреннего сгорания, который через блок 12 управления соединен с устройством 5 регулирования расходом воды, подаваемой на устройство 4 для распыления воды.

Реализация способа очистки и утилизации отработавших газов с помощью описанного устройства осуществляется следующим образом.

При сгорании топлива в двигателе 1 внутреннего сгорания образуются высокотемпературные продукты сгорания с температурой более 250°С, отработавшие газы, которые поступают в протяженный выхлопной тракт 2. В выхлопной тракт 2 из озонатора 3 подается озоновоздушная смесь, полученная путем озонирования потока воздуха в озонаторе 3. Наличие озона и высокая температура активизируют процессы некаталитического окисления вредных веществ. При этом в составе отработавших газов существенно уменьшается количество взвешенных частиц, углеводородов, окиси углерода и окиси серы.

Далее в выхлопном тракте 2 по ходу потока отработавших газов в горячую смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью при помощи устройства 4 для распыления воды, выполненного в виде форсунок 4, распыляют воду. Воду в форсунки 4 подают насосом 6 из емкости 7 запаса воды. Расход распыляемой воды регулируют в зависимости от изменения нагрузки на двигатель внутреннего сгорания при помощи датчика 13 нагрузки на двигатель внутреннего сгорания, который через блок 12 управления соединен с устройством 5 регулирования расходом воды. Вода испаряется, охлаждая горячую смесь до температуры 200°С. Вода превращается в водяные пары, которые связывают продукты неполного сгорания топлива в комплексные соединения. В этих условиях происходит интенсивное окисление оксида азота NO.

Далее газовая смесь из выхлопного тракта 2 поступает в газоохладитель-конденсатор 8, где ее охлаждают до температуры ниже точки росы, при этом большая часть водяных паров в виде конденсата отделяется от газовой смеси.

Из газоохладителя-конденсатора 8 смесь подают в сепаратор 9, в котором происходит окончательное отделение от газа конденсата в виде водяной и сажевой фаз. При этом в конденсате растворяются NO2, SO2, аэрозоли масла, взвешенных частиц и углеводородов. Конденсат сливается в накопительную емкость 10, затем конденсат утилизируют. Таким образом, происходит очистка отработавших газов от вредных веществ. В частности, газовую смесь сепарируют в фазовом разделителе 9 типа скруббер.

Очищенные отработавшие газы пропускают через эжектор 11, где они разбавляют атмосферным воздухом, а затем удаляют в атмосферу. Таким образом, устраняют неприятный запах выхлопа двигателя внутреннего сгорания в районе выброса.

Для реализации способа очистки и утилизации отработавших газов и изготовления устройства для его осуществления использованы обычные конструкционные материалы и оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

1. Способ очистки и утилизации отработавших газов, включающий озонирование потока воздуха в озонаторе, смешение отработавших газов с озоновоздушной смесью, охлаждение этой смеси до температуры ниже точки росы с конденсацией большей части водяных паров, последующую сепарацию смеси с извлечением из нее водяной и сажевой фаз и удаление очищенных отработавших газов в атмосферу, отличающийся тем, что перед охлаждением в смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью распыляют воду, а перед удалением очищенных отработавших газов в атмосферу их разбавляют воздухом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расход воды, распыляемой в смесь отработавших газов с озоновоздушной смесью, регулируют в зависимости от изменения нагрузки на двигатель внутреннего сгорания.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сепарацию смеси осуществляют в фазовом разделителе типа скруббер.

4. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее выхлопной тракт двигателя внутреннего сгорания, озонатор, присоединенный к выхлопному тракту, охладитель-конденсатор, соединенный с входом сепаратора, накопительную емкость, соединенную с первым выходом сепаратора, и выходной патрубок, соединенный со вторым выходом сепаратора, отличающееся тем, что в выхлопном тракте после места присоединения к нему озонатора далее по ходу потока отработавших газов установлено устройство для распыления воды, а выходной патрубок выполнен в виде эжектора, при этом устройство снабжено датчиком нагрузки на двигатель внутреннего сгорания, который через блок управления соединен с устройством регулирования расходом воды, подаваемой на устройство для распыления воды.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что устройство для распыления воды выполнено в виде форсунок, в которые вода подается насосом из емкости запаса воды.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что использован охладитель - конденсатор рекуперативного типа с водяным охлаждением.