КОМПЛЕКСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
INTEGRATED DEVICE TO CLEAN EXHAUST GASES OF MARINE ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и, в частности, к устройствам для очистки и шумоглушения выхлопных газов судовых двигателей.
Известно устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, которое одновременно выполняет функцию шумоглушителя, содержащее корпус с входным и выпускным патрубками и фильтрующей вставкой, состоящей из перфорированных пластин, между которыми помещены, разделенные сетчатыми элементами, слои металлической путанки и активированного угля [А.с. СССР №1705602, MКлF01N 3/08, 1992].
Основными недостатками известного устройства являются невозможность очистки отработавших газов от оксидов азота и оксидов серы, которые не сорбируются активированным углем, его низкая механическая прочность и невозможность регенерации, что уменьшает срок эксплуатации известного устройства и снижает эффективность его работы.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является комплексный глушитель-очиститель отработавших (выхлопных) газов, включающий корпус, снабженный диффузором и конфузором (коническими крышками) с входным и выпускным патрубками, съемной крышкой, фильтрующей вставкой, состоящей из плоских, зигзагообразных и конусных перфорированных кожухов, образующих между собой и внутренней поверхностью корпуса полости, между плоскими перфорированными кожухами крышки и днища корпуса установлены параллельно движению отработавших газов вертикальные зигзагообразные контейнеры с перфорированными стенками, образующие между собой зигзагообразные газовые каналы, вышеуказанные полости и зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами шлаковой пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм [Патент РФ №2465471, МКл. F01N 3/08, 2012].
Основными недостатками известного устройства являются громоздкая конструкция, обусловленная потребностью значительного объема гранулированного шлака и невозможность его регенерации без отключения от двигателя, что увеличивает гидравлическое сопротивление аппарата, требует значительного пространства для его размещения, создает затруднения в его эксплуатации и таким образом снижает его эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности комплексного устройства для очистки выхлопных газов судового двигателя.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое комплексное устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя содержит корпус, снабженный коническими крышками, съемной боковой крышкой, входным и выпускным газовыми и озоновым патрубками, штуцерами подачи промывочной воды и слива загрязненной воды, соответственно, внутри которого снизу вверх расположены поддон, смесительная камера, камера очистки, состоящая из нескольких секций, каждая из которых содержит опорную решетку, на которой установлена фильтрующая вставка, состоящая из вертикальных зигзагообразных контейнеров с перфорированными стенками, образующих между собой зигзагообразные газовые каналы, при этом зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, внутри камеры очистки над каждой секцией установлены распределители промывочной воды, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные со штуцерами промывочной воды, а в смесительной камере устроен распределитель озона, представляющий собой перфорированную сверху трубу, соединенную через патрубок с озонатором.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид комплексного устройства для очистки выхлопных газов судового двигателя (КУОВГСД), на фиг.2 - разрез, на фиг.3 - узел А (компоновка КУОВГСД и устройство контейнеров).
КУОВГСД содержит корпус 1, снабженный коническими крышками 2 и 3, съемной боковой крышкой 4, входным и выпускным газовыми и озоновым патрубками 5, 6, 7, штуцерами подачи промывочной воды и слива загрязненной воды 8, 9, 10 соответственно, внутри которого снизу вверх расположены поддон 11, смесительная камера 12, камера очистки 13, состоящая из нескольких секций 14 (на фиг.1-3 показана двухсекционная камера очистки), каждая из которых содержит опорную решетку 15, на которой установлена фильтрующая вставка, состоящая из вертикальных зигзагообразных контейнеров 16 с перфорированными стенками, образующих между собой зигзагообразные газовые каналы 17, при этом зигзагообразные контейнеры 16 заполнены гранулами пемзы 18, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, внутри камеры очистки 13 над каждой секцией 14 установлены распределители промывочной воды 19, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные со штуцерами промывочной воды 8, 9, а в смесительной камере 12 устроен распределитель озона 20, представляющий собой перфорированную сверху трубу, соединенную через патрубок 7 с озонатором 21.
3
2
x
x
x
x
x
x
2
3
2
В основе работы предлагаемого КУОВГСД лежит использование в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов гранулированной шлаковой пемзы и в качестве окислителя - озона для ускорения процесса очистки. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO, Al, MnO) с модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С.и др. -М.: Стройизд.,1989, с.423; Домокеев А.К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с.163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NO, SO, CO), а высокая пористость их структуры позволяет использовать гранулы шлаковой пемзы в качестве эффективного звукопоглощающего материала [В. И. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II. - M.: Стройиздат, 1978, с.391]. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов выхлопных газов, широко доступны и дешевы. Для повышения скорости адсорбции и, соответственно, уменьшения объема шлаковой пемзы в предлагаемом устройстве производится предварительное окислении вредных компонентов выхлопных газов - оксидов азота, оксидов серы и оксидов углерода (NO, SO, CO) до NO, SO, CO, у которых кислые свойства более высокие, чем у оксидов, активным окислителем - озоном [Ежов B.C. Механизм процессов окисления оксидов азота при синхронной очистке и утилизации газообразных выбросов теплогенерирующих установок. Энергосбережение и водоподготовка. №3, 2008. - С.48-58.J.
Предлагаемый КУОВГСД работает следующим образом.
2
2
3
x
x
x
2
3
2
2
x
x
x
2
3
2
3
2
3
2
4
2
3
Выхлопные газы судового двигателя через входной патрубок 5 поступают в смесительную камеру 12, где они смешиваются с озоном, поступающим из распределителя озона 20, куда он подается из озонатора 2. Ввиду высокой реакционной способности озона в камере 12, помимо процесса смешения озона с выхлопными газами, происходит окисление значительной части, содержавшихся в выхлопных газах монооксидов азота (NO) до диоксидов (NO), диоксидов серы (SO) до серного ангидрида (SO) и монооксида углерода (СО) до диоксида углерода (СОз), после чего газовая смесь через отверстия в опорной решетке 15 поступает в зигзагообразные газовые каналы 17 первой секции камеры очистки 13. В первой секции камеры 13 скорость газов резко падает и они равномерно распределяются по зигзагообразным газовым каналам 17, двигаясь также зигзагообразно, что значительно турбулизирует их потоки и позволяет проникать через отверстия в стенках вертикальных перфорированных зигзагообразных контейнеров 16, заполненных гранулами 18 шлаковой пемзы диаметром от 5 до 10 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков (диаметр гранул 18 назначен из условий максимального заполнения полостей зигзагообразных контейнеров 16 и стандартной номенклатуры размеров гранул шлаковой пемзы). Выхлопные газы через отверстия в перфорированных зигзагообразных контейнерах 16 заполняют свободное пространство между гранулами шлаковой пемзы 18, находящимися в газовой смеси NOx NO, SO, CO контактируют с гранулами 18, адсорбируясь на поверхности их пор, причем NO, SO, CO адсорбируются значительно быстрее, чем NO, SO, СО ввиду указанных выше обстоятельств. Поток выхлопных газов, проходя зигзагообразные газовые каналы 17 и многократно попадая на поверхность гранул 18 и вовнутрь их? очищается от вредных примесей (NO, SO, CO), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 18. Адсорбированные из отработавших газов оксиды азота, диоксиды серы, оксиды углерода в порах гранул 18 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента - гранул 18 шлаковой пемзы [Неницеску К. Общая химия. - М.: Мир, 1968, с.298], поэтому окисляются кислородом (кислород присутствует в отработавших газах в результате избытка воздуха, подаваемого на сжигание топлива) со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легкорастворимых в воде NO и SO. Кроме того, в газах присутствует озон, поступающий из смесительной камеры, который многократно интенсифицирует процесс окисления вышеуказанных вредных компонентов. Адсорбированные NO, SO, CO, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды, образующейся в порах гранул 18 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в выхлопных газах, с образованием соответствующих кислот HNO, HSO и HCO. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 18 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего частично очищенные выхлопные газы из газовых каналов 17 поступают во вторую секцию 14 камеры очистки, где происходят аналогичные процессы, после чего очищенные до требуемой степени выхлопные газы через выходной патрубок 6 выбрасываются в атмосферу. При этом одновременно с процессом очистки выхлопных газов в КУОВГСД происходит глушение их шума путем поглощения звука высокопористой структурой гранул 18, которые находятся в зигзагообразных контейнерах 16.
При падении активности гранул 18 их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы 18 от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем промывки гранул 18 из распределителей промывочной воды 19 водой, подаваемой через штуцеры 8 и 9 и удалении грязной воды из поддона 11 через штуцер 10. При этом конструкция КУОВГСД позволяет проводить процесс регенерации загрузки (гранул шлаковой пемзы 18) контейнеров 16 без отключения от двигателя.
Размеры КУОВГСД, число секций 14 в камере очистки 13, расход озона, суммарный объем гранул шлаковой пемзы 18, число перфорированных зигзагообразных контейнеров 16, их длина, высота и ширина, ширина газовых каналов 17, расход промывочной воды определяются в зависимости от мощности судового двигателя, расхода и типа топлива, требуемых степени очистки и снижения уровня звуковой мощности выхлопных газов.
Таким образом, предлагаемое комплексное устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить выхлопные газы от вредных примесей и одновременно снизить до требуемого уровень их звуковой мощности, используя в качестве окислителя озон, в качестве адсорбента и шумопоглотителя гранулы шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков с модулем основности М>1 и производить регенерацию адсорбента без отключения от двигателя.