СПОСОБ ОЧИСТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CLEANING AND DISPOSAL OF WORKING GASES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
2
2
2
4
3
2
3
2
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)), покрывающей поверхность насадки, находящейся в съемном перфорированном контейнере с образованием нитрита кальция (Ca(NO)), сульфата кальция (CaSO), нитрата кальция (Ca(NO)) и углекислого кальция (СаСО), 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)).
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:
3
2
С+O→СО+O;
1,85
3
8
3
2
2
2
(СН):СН+4O→3СO+4НO+O;
3
2
2
СО+O→СO+O;
2
3
3
2
SO+О→SO+O.
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:
3
2*
2
NO+O→NO+O.
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.
2
2
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 NO, SO, 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».