КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области химии, а именно к устройствам и системам для каталитической очистки и охлаждения выхлопных газов дизельных двигателей и может применяться для очистки и охлаждения выхлопов стационарных дизель-генераторов.
Очистка выхлопов дизельных генераторов является важной экологической и экономической задачей. Задачами такой очистки является окисление содержащихся в выхлопах вредных примесей - монооксида углерода (СО), углеводородов и сажи, а также удаление оксидов азота и серы. Кроме того, при расположении дизель-генераторов в городской черте актуальным является также охлаждение очищенных выхлопных газов перед их сбросом в атмосферу.
Наиболее эффективным для решения этой задачи является подход, основанный на проведении реакций окисления СО, углеводородов и сажи в слое катализатора с последующей промывкой выхлопных газов водой, для поглощения оксидов азота и серы, а также для охлаждения газов.
Известна система для очистки и охлаждения выхлопных газов, содержащий входной патрубок, завихритель, выходной патрубок, корпус, катализатор, отличающийся тем, что входной патрубок расположен на модуле каталитической очистки, который расположен под углом не менее 45° к горизонту и выполнен в виде металлического корпуса с расположенными внутри перегородками, причем между перегородками в несколько ярусов размещены каталитические блоки, выполненные в виде сот из металлической фольги, на которую нанесен слой катализатора, кроме того, дополнительно содержит промежуточный патрубок, прикрепленный к модулю каталитической очистки и модулю мокрой очистки, который выполнен в виде цилиндрического металлического корпуса с расположенным в нижней части баком с наклонным днищем и патрубками на стенках бака, а в верхней части расположена разгонная камера, выполненная в виде спирали Архимеда, и коаксиально расположенный лопаточный аппарат, состоящий из лопаток и разделяющий камеру на две кольцевые полости, причем лопатки образуют вертикальные, сужающиеся к центру каналы для разгона газового потока, а над лопаточным аппаратом у его кромки тангенциально по ходу вращения газового потока расположены четыре трубки, кроме того, модуль мокрой очистки содержит сепарационную камеру с центральной трубой, снабженную каплеотбойным кольцом, внутренними устройствами в форме усеченных конусов, образующих коаксиальные кольцевые камеры, отделяющие бак от остального объема модуля мокрой очистки, в крышке бака расположен датчик уровня. (Патент РФ на полезную модель №89625, F01N 3/02, 2009.12.10).
Применение описанной системы обеспечивает возможность эффективной очистки и охлаждения выхлопных газов дизельных двигателей.
Недостатком такой системы являются возможное снижение эффективности очистки газов в результате неоднородного распределения газового потока по объему слоя катализатора, высокое гидравлическое сопротивление при больших расходах газа, а также риск закупорки каталитического нейтрализатора сажей, содержащейся в выхлопных газах.
Перед авторами ставилась задача разработать простую и удобную в эксплуатации каталитическую систему каталитической очистки и охлаждения выхлопных газов дизельных двигателей, обеспечивающую высокий уровень однородности распределения потока выхлопных газов по объему катализатора, низкое гидравлическое сопротивление при больших расходах реакционной смеси, а также минимальный риск закупорки проходов в слоях катализатора сажей.
Задача решается тем, что предложена система для каталитической очистки и охлаждения выхлопных газов дизельных двигателей, состоящая из входного и выходного патрубков для ввода и вывода потока выхлопных газов, герметичного корпуса, каталитического нейтрализатора и водного скруббера, в которой каталитический нейтрализатор и водный скруббер находятся внутри единого герметичного корпуса, снабженного входным и выходным патрубком, каталитический нейтрализатор выполнен по меньшей мере из одного горизонтального осесимметричного кольца из призматических каталитических блоков с попеременно чередующимися слоями гибкого микроволокнистого каталитического материала, в виде тканных, либо плетеных либо прессованных плоских полотен, и слоями проницаемого для реакционного потока объемных структурообразующих элементов, при этом внутренний объем кольца соосно соединен со входным патрубком с одной стороны кольца и перекрыт герметичной непроницаемой для потока газов перегородкой с другой стороны кольца, а блоки в кольце ориентированы таким образом, что плоскости слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала и слоев объемных структурообразующих элементов в блоках расположены вертикально по направлению от вертикальной оси симметрии кольца к внешней боковой поверхности кольца. Объемный структурообразующий элемент может быть выполнен в виде металлической равномерно гофрированной сетки либо металлической сетки объемного плетения, а микроволокнистый каталитический материал может быть выполнен на основе стеклотканевого носителя. Каталитическая система может быть выполнена из двух и более осесимметричных колец из каталитических блоков, последовательно расположенных одно над другим вдоль общей вертикальной оси симметрии. Каталитическая система может дополнительно содержать внутренний и внешний газораспределительный элементы. При этом внутренний газораспределительный элемент может быть выполнен в виде двух сплошных непроницаемых для потока выхлопных газов дисков, расположенных во внутреннем пространстве кольца каталитических блоков перпендикулярно оси симметрии кольца, имеющих диаметр 0.46-0.70 от диаметра внутреннего пространства кольца и находящихся на расстоянии 0.40-0.70 и 0.75-1.0 высоты кольца соответственно от нижней плоскости кольца. Внешний газораспределительный элемент может быть выполнен в виде кольцеобразной частично проницаемой для потока выхлопных газов перегородки с долей свободного прохода 0.3-0.6, поверхность которой параллельна оси симметрии кольца блоков, а высота составляет 0.4-0.6 высоты кольца блоков. Дополнительно система может содержать внешний и/или внутренний каплеотбойник.
Технический эффект полезной модели заключается в том, что радиальное расположение каталитических блоков позволяет формировать компактную каталитическую систему с большим сечением для прохода потока выхлопных газов, что обеспечивает снижение скорости потока внутри блоков и соответствующее снижение гидравлического сопротивления каталитической системы потоку реакционной смеси, а также снижение риска забивки объема катализатора сажей. Вертикальная ориентация плоскостей слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала и слоев объемных структурообразующих элементов в блоках обеспечивает перераспределение потоков внутри блоков по оси кольца блоков и, таким образом, позволяет минимизировать неоднородности распределения потока по объему слоя катализатора даже при наличии существенной осевой неоднородности распределения потока вдоль оси симметрии кольца блоков. При этом исходная осевая неоднородность распределения потока может быть дополнительно минимизирована за счет использования внутреннего и внешнего газораспределительных элементов.
Система поясняется Фиг.1 и 2. Стрелками показаны линии движения реакционного потока.
На Фиг.1 изображен пример устройства каталитического нейтрализатора, состоящего из трех горизонтально расположенных колец 1-3, каждое из которых состоит из восьми каталитических блоков прямоугольного сечения 4. Кольца расположены последовательно одно над другим вдоль общей вертикальной оси симметрии 5. Внутреннее сечение нижнего кольца в плоскости, перпендикулярной оси симметрии кольца, сверху соединено с патрубком для подачи выхлопных газов, а снизу перекрыто непроницаемой для реакционного потока перегородкой 6. Плоскости слоев гибкого микроволокнистого каталитического материала 7 и слоев объемных структурообразующих элементов 8 в блоках расположены вертикально по направлению от вертикальной оси симметрии кольца к внешней боковой поверхности кольца. Поток выхлопных газов может подаваться через входной патрубок во внутреннюю часть кольца, после чего он проходит в горизонтальном направлении сквозь каталитические блоки через проходы, образованные слоями проницаемого для реакционного потока объемных структурообразующих элементов, где поток контактирует с микроволокнистым катализатором. Прореагировавший поток выходит с внешней стороны системы. Во внутреннем пространстве системы расположен внутренний газораспределительный элемент, состоящий из горизонтальных дисков 9 и 10. Снаружи системы расположен внешний газораспределительный элемент, представляющий собой перфорированное кольцо 11.
На Фиг.2 изображен пример устройства системы для каталитической очистки и охлаждения выхлопных газов дизельных двигателей, включающей вышеописанный каталитический нейтрализатор, расположенный в одном герметичном корпусе 12 с вихревым скруббером 15. Система снабжена патрубками для ввода и вывода выхлопных газов 13 и 14, внутренним 16 и внешним 17 каплеотбойниками, а также патрубками для подачи охлаждающей воды 18 и отвода отработанной воды 19. Исходные выхлопные газы с высокой температурой подаются в каталитический нейтрализатор 1-3 через верхний патрубок 13, где происходит окисление СО и углеводородов, а также частичное окисление сажи. Выходящие из нейтрализатора газы проходят через орошаемый водой вихревой скруббер 15, где происходит интенсивное контактирование газового потока с водой, за счет чего происходит охлаждение газа и удаление из него остаточной сажи, а также оксидов азота и серы.
Расположение каталитических блоков в несколько слоев в форме радиальных колец позволяет сформировать каталитическую систему с большим боковым сечением для прохода реакционного потока, что обеспечивает снижение скорости потока внутри блоков и соответствующее снижение гидравлического сопротивления системы потоку реакционной смеси. Известно, что гидравлическое сопротивление каталитических блоков потоку, движущемуся в любом направлении вдоль поверхности объемных структурообразующих элементов является относительно невысоким по сравнению с сопротивлением при течении потока сквозь слои структурообразующих элементов и слои катализатора. По этой причине, вертикальное расположение указанных слоев по радиальным направляющим обеспечивает не только горизонтальное течение потока сквозь каталитический блок с минимальным гидравлическим сопротивлением, но также и возможность вертикального перераспределения потока внутри блоков при наличии вертикальной неоднородности потока на входе в блоки, типичной для радиальных каталитических систем, с соответствующим повышением однородности распределения потока по объему каталитической системы и общему повышению эффективности работы каталитической системы. При этом отсутствие неоднородности распределения потока по радиальным направляющим обеспечивается общей осевой симметричностью системы.
Минимизация исходной неоднородности распределения потока по оси кольца блоков может дополнительно осуществляться за счет применения внутреннего и внешнего газораспределительных элементов. Обтекание потоком внутреннего газораспределительного элемента, состоящего из двух горизонтальных дисков, перпендикулярных оси симметрии кольца блоков, вызывает локальное увеличение статического давления в этой области системы и выравнивает распределение давления вдоль оси кольца блоков. Внешний газораспределительный элемент, выполняемый в виде кольцеобразной частично проницаемой для потока выхлопных газов перегородки, поверхность которой параллельна оси симметрии кольца блоков, позволяет повысить статическое давление на выходе кольца блоков и обеспечить постоянную величину перепада статического давления по высоте слоя катализатора
Оптимальным диаметром дисков внутреннего газораспределительного элемента является величина в диапазоне 0.46-0.7 от внутреннего диаметра кольца блоков. Меньший диаметр дисков приводит к снижению эффективности распределения потока, больший - к избыточному росту гидравлического сопротивления. Диски внутреннего газораспределительного элемента располагаются на расстоянии 0.40-0.70 и 0.75-1.0 высоты кольца блоков соответственно от нижней плоскости кольца. Иное расположение дисков приводит к возникновению вторичных неоднородностей потока, ухудшающих равномерность распределения потока по объему каталитических блоков. Оптимальная высота внешнего газораспределительного элемента составляет 0.4-0.6 от высоты кольца блоков, оптимальная величина доли свободного прохода в нем - 0.3-0.6. Большее значение высоты внешнего газораспределительного элемента и меньшее значение доли его свободного прохода приводит к избыточному росту гидравлического сопротивления системы, напротив, меньшая высота и большая доля свободного прохода - к снижению эффективности выравнивания потока по высоте системы.
Применение описанной системы обеспечивает очистку выхлопных газов дизельных двигателей с высокой эффективностью, с минимальным гидравлическим сопротивлением и минимальным риском снижения работоспособности системы в результате закупорки проходов в слоях катализатора сажей.