Комбинированный каталитический нейтрализатор

Предложенное устройство направлено на совершенствование метода каталитической очистки отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может найти применение в двигателестроении, машиностроении, энергетике.
Известно использование катализаторов для нейтрализации вредных компонентов отработанных газов после процессов сгорания. Например, в устройстве (патент на ПМ №212266, бюл. №20 от 13.07.2022) предложено автоматически регистрировать и регулировать температуру каталитических реакций. На качество каталитических реакций существенное влияние оказывает состав продуктов сгорания, поступающих в полость катализатора, и, в первую очередь, продукты неполного сгорания углеводородов (твердые частицы в виде сажи), которые быстро забивают пористые каталитические блоки. Вследствие этого эффективность работы катализаторов быстро снижается и требуется их частая замена и регенерация. Известны устройства для снижения и регулирования выбросов сажи в зависимости от режима работы двигателя, с механизмом газораспределения (пат. №2391522, бюл. №16 от 10.06.2010), устройство повышения надежности и удобства в эксплуатации конструктивными доработками (пат. №2756492, бюл. №28 от 30.09.2021), устройство, в котором последовательно установлены блоки фильтрации твердых частиц и каталитический блоки (пат. №2727283, бюл. №21 от 21.07.2020). Известен мультициклонный нейтрализатор газов (пат. №2272157, бюл.8 от 20.03.2006), в котором перед каталитическими блоками использован мультициклон, состоящий из отдельных циклонов, предварительно очищающих за счет действия центробежных сил от взвешенных частиц продуктов сгорания. Данное устройство принято нами за прототип. Основные недостатки прототипа следующие. Использование сухих центробежных пылеуловителей в циклонах в качестве предварительной ступени очистки перед катализатором недостаточно эффективна, т.к. центробежная сила эффективно влияет на сепарацию только для крупных твердых частиц загрязнителей, а средние и мелкие частицы остаются в газовом потоке и забивают (закупоривают) пористую массу катализатора.
Вследствие этого катализатор быстро выходит из строя и требуется его замена и регенерация. Для устранения отмеченных недостатков и снижения забивания пористых каталитических блоков продуктами недогоревших углеводородов для продления срока службы катализаторов предложен комбинированный каталитический нейтрализатор, содержащий цилиндро-конический корпус с торцевой крышкой, входные и выходные патрубки, поперечную перегородку, пористые каталитические блоки в верхней части и мультициклонные блоки предварительной очистки в нижней части, в котором над полостью отдельных циклонов, под перегородкой установлен коллектор водораспределителя с центробежно-струйными форсунками, расположенными по диаметру и коаксиально-трубчатую форсунку в центральной части с тангенциальными осевыми щелями, в верхней части над перегородкой расположен каталитический пористый блок с регулированием площади прохода газа, в зависимости от режима работы двигателя, внутри каталитического блока установлен подвижный поршень с пружиной и направление продольных тангенциальных щелей выполнено совпадающим с направлением вращения исходного потока газа и вращением жидкости из центробежно-струйных форсунок.
Предложенное устройство представлено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, где
фиг. 1 - поперечный разрез устройства,
фиг. 2 - сеч. А-А - поперечное сечение коллектора водораспределителя,
фиг. 3 - сеч. Б-Б - поперечное сечение центральной трубчатой форсунки,
фиг. 4 - поперечный разрез центробежно-струйной форсунки,
фиг. 5 - направление векторов вращения газа и орошающей жидкости.
Здесь: 1 - цилиндро-конический корпус, 2 - патрубок подвода отработанного газа, 3 - коллектор подвода воды, 4 - камера каталитической нейтрализации, 5 - катализатор, 6 - верхнее днище, 7 - отводная камера с крышкой, 8 - патрубок отвода очищенного воздуха, 9 - пружина, 10 - подвижный поршень, 11 - центробежно-струйная форсунка, 12 - патрубок подвода воды, 13 - полая радиальная спица, 14 - юбка, 15 - трубчатая форсунка, 16 - нижнее днище, 17 - патрубок отвода шлама, 18 - тангенциальная продольная щель.
Предложенный каталитический нейтрализатор представляет собой цилиндро-конический корпус 1 с коническим нижним днищем 16, имеющим патрубок отвода шлама 17. Цилиндро-конический корпус 1 имеет патрубок подвода исходного отработанного воздуха 2, поступающего от камеры сгорания и расположенный тангенциально. В верхней части цилиндро-конического корпуса 1 расположен коллектор подвода воды 3, к которому подводится вода через патрубок 12. В коллекторе 3 в кольцевом направлении установлены несколько центробежно-струйных форсунок 11, через которые в пространство цилиндро-конического корпуса 1 поступает вода в виде конического факела распыла, который вращается за счет установленной в корпусе форсунки винтовой втулки 18.Через коллектор 3, коаксиально цилиндро-коническому корпусу 1 проходит кольцевая юбка 14, которая обеспечивает проход отработанного воздуха в полость камеры каталитической нейтрализации 4. Камера нейтрализации 4 расположена над коллектором 3 и внутри нее находится стакан из пористого катализатора 5. Стакан 5 одним концом упирается в корпус коллектора 3, а другим концом в верхнее днище 6. Внутри стакана 5 находится подвижный поршень 10, над которым установлена пружина 9. Верхнее днище 6 имеет сквозные отверстия для прохода воздуха в полость отводной камеры 7 снабженной отводным патрубком 8.
В центральной части коллектора подвода воды 3 коаксиально расположена трубчатая форсунка 15, подвод воды к которой осуществляется через полые радиальные спицы 13. На трубчатой форсунке 15, в нижней части, ниже среза кольцевой юбки 14 имеются вертикальные щели 19, выполненные тангенциально. Расположение патрубка подвода исходного отработанного воздуха 2, тангенциальных продольных щелей 18, выполнены так, чтобы обеспечивалось спутное вращение подаваемого воздушного потока, подаваемого вращение воды в факеле распыла и вращение воды, истекающего из тангенциальных продольных щелей 18.
Предложенное устройство работает следующим образом. Отработавшие газы, после сгорания в камере двигателя, поступают в патрубок подвода 2. Тангенциальное расположение патрубка 2 обеспечивает закрутку потока газа в пространстве корпуса 1. Возникающие центробежные силы отбрасывают взвешенные частицы загрязняющих веществ к стенке корпуса 1. Далее, слой пристеночного шлама сползает вниз к нижнему днищу 16 и удаляется через патрубок отвода шлама 17. Центробежные силы воздействуют, в основном, на крупные частицы сажи, а средние и мелкие частицы, ввиду малого воздействия центробежных сил, остаются в центральной части цилиндро-конического корпуса 1. Для интенсификации процесса пылеулавливания и эффективного центробежного разделения средних и мелких частиц, реализуется мокрое пылеулавливание. Одновременно с началом работы двигателя, начинает подаваться под давлением вода через патрубок 12 в коллектор 3 подвода воды. Из коллектора подвода воды 3 вода поступает в центробежно-струйные форсунки 11, где закручиваются в винтовой втулке 18 и в виде конической закрученной пелены разбрызгиваются в пространство между цилиндро-коническим корпусом 1 и юбкой 14. Закрутка воды тангенциальных щелей 18 обеспечивает вращение конической пелены в соответствии с закруткой основного потока газа (фиг. 5). Мелкие и средние частицы сажи, смачиваясь с каплями жидкости, интенсивно отбрасываются к стенке цилиндро-конического корпуса 1. Вода, находящаяся в коллекторе 3, по полым радиальным спицам 13 поступает к центральной трубчатой форсунке 15 и через вертикальные тангенциальные щели 19 начинает истекать в виде плоских закрученных вихрей и смачивает мелкие частицы сажи, обеспечивая наиболее полную очистку газа от твердых частиц. Кроме мокрой очистки отработанных газов от взвешенных частиц, впрыск воды через форсунки 11 и 15 осуществляет и абсорбционную очистку от газовых загрязнителей таких, как оксид азота и диоксид азота. Такая предварительная очистка отработанных газов существенно снижает нагрузку на катализатор 5 и значительно продляет его срок работы.
После предварительной очистки газов, они проходят через юбку 14 между спицами 13 и поступают в камеру каталитической нейтрализации. В камере нейтрализации создается давление газа, которое определяется режимом работы двигателя. Это давление перемещает поршень 10, сжимая пружину 9 и освобождая поверхность катализатора 5 для прохода воздуха, в зависимости от режима работы двигателя. Регулирование площади катализатора позволяет обеспечить равномерность нагрузки каталитического воздействия при различных расходах газа. В дальнейшем, газ из пространства под слоем катализатора 5 проходит через него, очищается от загрязнителей, проходит в отводную камеру с крышкой 7 и удаляется через патрубок 8.
Таким образом, использование центробежной сепарации в сочетание с мокрой очисткой и абсорбцией позволяет существенно снизить закупоривание сажей пористых каталитических блоков, уменьшить нагрузку на катализатор и осуществлять регулирование процесса очистки в зависимости от режима работы двигателя. Все это позволит существенно продлить срок службы катализаторов.