Способ и устройство для очистки и утилизации отработавших газов

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам и устройствам для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - повышение эффективности и надежности очистки отработавших газов с одновременной утилизациеи их тепла и улавливаемых компонентов. Способ включает охлаждение отработавших газов, смешение их с озоновоздушной смесью, конденсацию водяных паров, контакт полученной смеси с рециркуляционным конденсатом, насыщенным озоном, кислородом и кислотными компонентами, абсорбцию окислов азота и окислов серы с одновременным их окислением в газовой и жидкой фазах, отбор части кислого конденсата с последующей его утилизацией, сепарацию очищенных отработавших газов от капель конденсата, удаление их в атмосферу в устройстве, состоящем из озонатора, оребренных колонок, состоящих из абсорбционно-охладительной и сепарационно-охладительной секций и соединенных со смесительной камерой, поддоном, газовым коллектором, входным и выходным патрубками, воздушными и дренажными линиями с гидрозатвором, накопительной емкостью. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и, в частности, к способам и устройствам для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающий охлаждение отработавших газов и абсорбцию вредных примесей нейтрализующей жидкостью в устройстве, содержащем трубу отвода отработавших газов, нейтрализатор, состоящий из корпуса с крышкой и размещенными в нем секциями первичного газораспределения, теплообменной и абсорбционной [1].

Недостатками известного способа и устройства являются низкая технологическая и экономическая эффективность процесса очистки, обусловленная необходимостью использования химических реагентов и невозможностью утилизации тепла отработавших газов.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающий 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 в устройстве, содержащем оребренную колонку, соединенную своим нижним торцом со смесительной камерой и поддоном, верхним торцом с газовым коллектором, озонатор, трубку подачи озоновоздушной смеси, соединенную с озоновоздушным коллектором и озонатором [2].

Основными недостатками известного способа являются низкая технологическая и экономическая эффективность процесса очистки, обусловленные низкой скоростью реакции окисления окиси азота в двуокись, происходящей в смесительной камере в газовой фазе, отсутствием достаточного охлаждения отработавших газов, вытекающей из этого невозможностью улавливания и использования находящихся в них водяных паров для абсорбции окислов азота образовавшимся конденсатом с последующим улавливанием кислого конденсата и невозможностью утилизации тепла отработавших газов.

Основными недостатками известного устройства являются низкая надежность и эффективность его работы, обусловленные отсутствием абсорбционной секции для поглощения окислов азота, серы, частиц сажи и сепарационной секции для улавливания уносимых капель влаги конденсата, насыщенного вредными примесями.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности и надежности процесса очистки отработавших газов с одновременной утилизацией их тепла путем использования нагретого ими воздуха для отопления транспортного средства и утилизации улавливаемых компонентов путем использования конденсата паров воды в качестве абсорбента.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки и утилизации отработавших газов (ОГ), включающем 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.

Технический результат также достигается тем, что в устройстве для очистки и утилизации ОГ, включающем озонатор, оребренные колонки, каждая из которых соединена своим нижним торцом со смесительной камерой и поддоном, а верхним торцом - с газовым коллектором, входной и выходной патрубки, трубку подачи озоновоздушной смеси, соединенную с озоновоздушным коллектором и озонатором, каждая колонка разделена внутри перфорированной десорбционно-распределительной тарелкой на абсорбционно-охладительную и на полую сепарационно-охладительную секции, внутри газового коллектора помещены под углом к горизонту сепарационные пластины, абсобционно-охладительная секция заполнена насадкой с трубкой эрлифта в центре, устье которой примыкает к кромке центрального отверстия тарелки, а в нижний торец коаксиально введена трубка подачи озоновоздушной смеси, тыльная сторона колонок и смесительной камеры закрыта кожухом, выполненным в форме усеченной пирамиды с патрубком горячего воздуха и вентилятором у ее вершины, устройство содержит накопительную емкость, соединенную через гидрозатвор и дренажный штуцер с поддоном.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показано устройство для очистки и утилизации ОГ, а на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.

Устройство содержит оребренные колонки 1, соединенные своими нижними торцами со смесительной камерой 2 и поддоном 3, снабженным дренажным штуцером 4, верхними торцами с газовым коллектором 5, внутри которого под некоторым углом к горизонту помещены сепарационные пластины 6, входным и выходным патрубками 7 и 8, соответственно, каждая из колонок 1 разделена внутри горизонтальной перфорированной десорбционно-распределительной тарелкой 9 на абсорбционно-охладительную секцию 10, заполненную насадкой (например, кольцами Рашига), с трубкой эрлифта 11 в центре, устье которой примыкает к кромке центрального отверстия в десорбционно-распределительной тарелке 9, а в нижний торец коаксиально пропущена на некоторую высоту трубка подачи озоновоздушной смеси 12, соединенная с озоновоздушным коллектором 13 и озонатором 14 и на полую сепарационно-охладительную секцию 15, причем тыльная сторона колонок 1 смесительной камеры 2 закрыта кожухом 16, выполненным в форме усеченной пирамиды с патрубком горячего воздуха 17 и вентилятором 18 у ее вершины, накопительную емкость 19, соединенную через гидрозатвор 20 и дренажный штуцер 4 с поддоном 3, дренажные вентили 21 и 22.

Предлагаемый способ очистки и утилизации отработавших газов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания через входной патрубок 7 поступают в смесительную камеру 2, где их скорость резко падает, смешиваются с озоном и кислородом воздуха, выделяющегося из рециркуляционного конденсата и стекающего по насадке секций 10 и распределяется по абсорбционно-охладительным секциям 10 каждой из колонок 1, поднимаются вверх, одновременно охлаждаются потоком наружного воздуха через оребренные стенки колонок 1 до температуры ниже точки росы (80-90)С, значение которой принято для обеспечения конденсации большей части водяных паров, находящихся в отработавших газах, конденсат которых далее используется в качестве абсорбента окислов азота и серы и возможности проведения реакции труднорастворимой окиси азота (NO) в легкорастворимую двуокись азота (NO₂), равновесие которой сдвигается вправо при температуре ниже 100С и полностью протекает в сторону образования NO₂ [3, с.347]. Параллельно вышеописанным процессам в секциях 10 происходит улавливание конденсатом частиц сажи, межфазный контакт свежего и рециркуляционного конденсата с газовой смесью, химическое взаимодействие окислов азота, окислов серы, находящихся в отработавших газах, озона, кислорода, воды между собой в газовой и жидкой фазах, абсорбция образовавшихся двуокиси азота (NO₂) и серного ангидрида (SO₃) конденсатом (Н₂О) с образованием азотной и серной кислот (HNO₃ и H₂SO₄), причем присутствие озона и кислот в газовой смеси и конденсате многократно увеличивает скорость реакции окисления NO в NO₂ [4, с.80], [5, с.10, 14]. Образовавшаяся смесь кислого конденсата с механическими примесями стекает в поддон 3, смешивается там с предыдущим кислым конденсатом, откуда часть его, равная количеству сконденсировавшихся водяных паров, вместе со шламом через штуцер 4 и гидрозатвор 20, высота которого выбирается такой, чтобы предотвратить прорыв газов в дренажные линии, выводится в накопительную емкость 19, а другая часть заполняет нижние участки труб эрлифта 11, куда одновременно по трубкам подачи озновоздушной смеси 12 через коллектор 13 и озонатор 14 подают озновоздушную смесь, полученную при обработке воздуха в озонаторе 14, подаваемого, например, воздушным компрессором, в результате чего образуется газожидкостная эмульсия с развитой межфазной поверхностью, что обеспечивает высокую скорость массообмена между газовой и жидкой фазами и, соответственно, интенсивное поглощение озона и кислорода конденсатом [6, с. 483], высокую скорость химического взаимодействия между компонентами смеси с конечным поглощением окислов азота и окислов серы конденсатом, движение эмульсии за счет своего малого удельного веса вверх по трубе эрлифта 11 [7, с.8], разлив ее из устья трубы эрлифта 11 на поверхность десорбционно-распределительной тарелки 9, где из нее частично десорбируются растворенные озон и кислород в результате барботажа отработавших газов, поднимающихся из абсорбционно-охладительной секции 10, через слой конденсата на тарелке 9, слив насыщенного кислого конденсата через отверстия в тарелке 9 вниз на насадку абсорбционно-охладительной секции 10, где процесс происходит аналогично вышеописанному, а очищенные от большей части окислов и сажи отработавшие газы с примесью озона и кислорода поднимаются далее вверх в полую сепарационно-охладительную секцию 15, продолжается процессы охлаждения, конденсации оставшихся водяных паров, взаимодействия оставшихся окислов с озоном и кислородом в газовой и жидкой фазах, абсорбции, образовавшихся NО₂ и SO₃, частицами конденсата, осаждение их под действием силы тяжести на тарелку 9, после чего очищенные отработавшие газы на выходе из колонок 1 ударяются о сепарационные пластины 6, которые задерживают уносимые частицы конденсата, стекающие вниз по стенкам колонок 1 и через коллектор 5 и выходной патрубок 8 удаляются в атмосферу. Требуемый для охлаждения наружный воздух поступает на фронтальную часть колонок 1, омывает их, нагреваясь при этом, и вентилятором 18 через патрубок 17 подается для обогрева транспортного средства (в зимний период) или выбрасывается в атмосферу (в летний период). По мере наполнения накопительной емкости 19 собранный кислый конденсат со шламом сливают в специальные резервуары, расположенные, например, на заправочных станциях, откуда доставляют на специализированные предприятия для переработки и утилизации содержащихся в нем компонентов (HNO₃, H₂SO₄, вода, сажа и др.).

Размеры устройства (диаметр, высота, число колонок 1), мощность и производительность вентилятора 18, озонатора 14, объем емкости 19, расход воздуха на окисление и циркуляцию газожидкостной эмульсии определяется мощностью двигателя внутреннего сгорания и расходом топлива.

Удельные затраты и эффективность предлагаемого способа и устройства для очистки и утилизации отработавших газов можно проиллюстрировать следующим примером. При степени очистки продуктов сгорания 1 кг дизельного топлива, равной 70-80%, расход воздуха на окисление окислов азота и циркуляцию газожидкостной эмульсии составит 0,2 м³ (2% от теоретического расхода воздуха на сжигание), расход электроэнергии на озонатор 14-20 Вт, количество уловленных окислов азота 2 г, конденсата водяных паров 1 кг.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания позволяет при минимальных энергетических затратах, без применения химических реагентов, очистить отработавшие газы от вредных примесей, используя в качестве абсорбента конденсат водяных паров, содержащихся в отработавших газах, и утилизовать их тепло для обогрева транспортного средства.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка Франции №214285, МКл. F01N3/00, 1973.

2. Патент США №3835645, МКл. F01N3/10, 1974.

3. Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1985, 448 с.

4. Кондратьев В.И. Химические процессы в газах. - М.: Наука, 1981, 263 с.

5. Кузнецов И.С. Новые методы очистки газов от окислов азота. - Киев.: Укр. НИНТИ, 1971, 47 с.

6. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М.: Высшая школа, 1972, 493 с.

7. Порало В.В. Воздушно-газовые подъемники жидкости. - М.: Машиностроение, 1969, 160 с.

Формула изобретения

1. Способ очистки и утилизации отработавших газов, включающий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Устройство для очистки и утилизации отработавших газов, включающее озонатор, оребренные колонки, каждая из которых соединена своим нижним торцом со смесительной камерой и поддоном, а верхним торцом - с газовым коллектором, входной и выходной патрубки, трубку подачи озоновоздушной смеси, соединенную с озоновоздушным коллектором и озонатором, отличающееся тем, что каждая колонка разделена внутри перфорированной десорбционно-распределительной тарелкой на абсорбционно-охладительную и на полую сепарационно-охладительную секции, внутри газового коллектора помещены под углом к горизонту сепарационные пластины, абсорбционно-охладительная секция заполнена насадкой с трубкой эрлифта в центре, устье которой примыкает к кромке центрального отверстия тарелки, а в нижний торец коаксиально введена трубка подачи озоновоздушной смеси, тыльная сторона колонок и смесительной камеры закрыта кожухом, выполненным в форме усеченной пирамиды с патрубком горячего воздуха и вентилятором у ее вершины, устройство содержит накопительную емкость, соединенную через гидрозатвор и дренажный штуцер с поддоном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2