ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
GAS-RECYCLING DEVICE

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к газоперерабатывающему устройству для окисления метана, в частности, газоперерабатывающему устройству для окисления метана, выделяемого домашним скотом.
Предпосылки к изобретению
Метан, как известно, является мощным парниковым газом, вклад которого в глобальное потепление значительно выше, чем углекислого газа. Домашний скот, как известно, является значительным источником метана, который выделяется при отрыжке и метеоризме, и это может иметь прямые экономические последствия для производителей животноводческой продукции, так как с них могут взимать налоги в зависимости от их углеродного следа.
По этим причинам желательно уменьшать выбросы метана от домашнего скота.
Сущность изобретения
В широком смысле настоящее изобретение предлагает устройство для снижения содержания метана в газообразных выбросах от животных, таких как домашний скот. Это может быть достигнуто путем создания устройства, которое может носить на себе животное, и которое способно втягивать газообразные выбросы животного в реакторную камеру, в которой предусмотрены перерабатывающие средства для окисления метана, присутствующего в выбросах. Основными продуктами процесса окисления являются, как правило, углекислый газ и вода, вклад которых в глобальное потепление считается более низким, чем метана.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается перерабатывающее устройство для переработки метана, включающее:
реакторную камеру;
датчик обнаружения присутствия метана;
средства нагнетания для направления внешних газов в реакторную камеру, когда датчик обнаруживает присутствие метана выше заданного порогового значения;
перерабатывающие средства, выполненные с возможностью окисления метана; а также
позиционирующие средства для позиционирования устройства на животном.
Как правило, средства нагнетания выполнены с возможностью направлять внешние газы в реакторную камеру, когда датчик обнаруживает присутствие метана выше 100 промилле, возможно, выше 150 промилле. Средства нагнетания могут быть снабжены, например, осевым вентилятором. Средства нагнетания могут способствовать захвату устройством метана, обнаруженного датчиком, прежде чем он рассеется в воздух.
Наличие датчика для обнаружения метана позволяет устройству активироваться только при обнаружении заданного уровня метана. Это позволяет эффективно использовать любые источники питания (например, батареи), которые необходимы для питания устройства.
Обычно реакторная камера имеет объем менее 200 мл, возможно, менее 150 мл. Реакторная камера может быть связана с выпускной частью устройства.
Как правило, перерабатывающие средства содержат нагревательный элемент, которым может быть, например, провод. В некоторых случаях провод выполнен витым.
Предпочтительно, нагревательный элемент представляет собой металлический резистивный нагревательный элемент. Металлический резистивный нагревательный элемент, как правило, содержит металлический сплав, выбранный из группы, включающей никель-хромовые сплавы, никель-железные сплавы, железо-хром-алюминиевые сплавы, нержавеющую сталь, сплавы вольфрама или медно-никелевые сплавы. Предпочтительно, нагревательный элемент в качестве основного компонента содержит никель. Например, нагревательный элемент может быть снабжен нихромовым проводом.
В некоторых вариантах осуществления изобретения нагревательный элемент может быть расположен внутри реакторной камеры.
В этих вариантах осуществления устройство может содержать средства фильтрации, которые выполнены с возможностью препятствовать проникновению в реакторную камеру одного или нескольких газообразных веществ, отличных от метана (то есть в реакторную камеру средствами нагнетания направляются не обязательно все внешние газы, а только некоторые). Это способствует увеличению концентрации метана в реакторной камере до уровня выше нижнего предела взрываемости метана (как правило, это около 4% от объема воздуха, в зависимости от температуры и давления), так что метан становится окисленным, когда он проходит над нагревательным элементом. Средства фильтрации могут включать одно или более из следующих веществ: древесный уголь, активированный уголь или сильное основание, такое как гидроксид калия. Эти средства фильтрации, главным образом, препятствуют прохождению углекислого газа, а для препятствования прохождению других газообразных веществ могут применяться другие средства фильтрации.
В других вариантах осуществления устройство может содержать средства улавливания, выполненные с возможностью улавливания метана, прежде чем он поступит в реакторную камеру, например, путем поглощения метана. Такие средства улавливания, как правило, допускают прохождение азота и кислорода в реакторную камеру. Таким образом, с помощью средств нагнетания в реакторную камеру направляются не все внешние газы, а только некоторые.
Такие средства улавливания могут быть снабжены пористым материалом, таким как цеолит. Наличие средств улавливания позволяет повысить концентрацию метана, прежде чем он поступит в реакторную камеру. Метан может высвобождаться из средств улавливания под действием дополнительного нагревательного элемента, который выполнен с возможностью нагрева средств улавливания. В некоторых вариантах осуществления для ограничения количества углекислого газа, поступающего в средства улавливания, и, таким образом, увеличения пропускной способности средств улавливания для улавливания метана, между средствами нагнетания и средствами улавливания может быть предусмотрен фильтр углекислого газа.
Считается, что цеолиты более эффективно улавливают метан, когда метан падает на цеолит на более высокой скорости и, следовательно, при более высоком парциальном давлении. Это показывает еще одно потенциальное преимущество снабжения устройства средствами нагнетания.
В других вариантах осуществления перерабатывающие средства могут дополнительно содержать катализатор, при этом катализатор расположен внутри реакторной камеры. Как правило, катализатор содержит одно или более из следующих веществ: палладий, медь или диоксид кремния.
В этих вариантах осуществления катализатор предназначен для облегчения превращения метана в углекислый газ и воду. Катализатор, как правило, находится в тепловом контакте с нагревательным элементом, например, проводом.
Предпочтительно, нагревательный элемент представляет собой металлический резистивный нагревательный элемент. Металлический резистивный нагревательный элемент, как правило, содержит металлический сплав, выбранный из группы, включающей: никель-хромовые сплавы, никель-железные сплавы, железо-хром-алюминиевые сплавы, нержавеющую сталь, сплавы вольфрама или медно-никелевые сплавы. Предпочтительно, нагревательный элемент содержит никель в качестве своего основного компонента. Например, нагревательный элемент может быть снабжен нихромовым проводом.
Как правило, позиционирующие средства устройства на животном выполнены с возможностью прикрепления устройства к носу животного (так, чтобы преобразовывать метан, высвобождаемый при выдохах животного). Таким образом, позиционирующие средства устройства на животном могут содержать носовое кольцо, выполненное с возможностью прикрепления к животному, такому как крупный рогатый скот. В других вариантах осуществления позиционирующие средства устройства могут содержать зажим, например, два противоположных друг другу упругих захвата, выполненных с, возможностью удержания между ними части тела, например, септы животного.
Устройство предпочтительно располагать так, чтобы оно могло захватывать метан, выдыхаемый изо рта животного (например, крупного рогатого скота), так как он, как правило, представляет собой основную часть метана, выдыхаемого животным.
В других вариантах осуществления устройство может быть выполнено для присоединения, например, с помощью зажима, к хвосту животного, чтобы устройство могло обрабатывать газы, испускаемые при метеоризме.
Устройства в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения могут служить в качестве средств получения данных о выдыхании метана животными, такими как крупный рогатый скот, которые могут быть важны для фермеров, а также фармацевтических компаний, пищевых/кормовых компаний и правительственных организаций.
Во втором аспекте настоящего изобретения предлагается перерабатывающее устройство для переработки метана, включающее:
реакторную камеру, содержащую перерабатывающие средства, выполненные с возможностью окисления метана;
метаноудерживающий компонент;
средства, вызывающие выброс метана из метаноудерживающего компонента в реакторную камеру;
датчик, выполненный с возможностью обнаружения присутствия метана в газах с наружной стороны от перерабатывающего устройства для переработки метана;
средства нагнетания, выполненные с возможностью подачи газа с наружной стороны устройства на метаноудерживающий компонент, когда датчик обнаруживает присутствие метана выше заданного порогового значения; а также
позиционирующие средства для позиционирования устройства на животном.
Как правило, метаноудерживающий компонент содержит камеру, содержащую пористый материал, выполненный с возможностью обратимо поглощать метан. Как правило, пористым материалом является природный цеолит.
Обычно между средствами нагнетания и метаноудерживающим компонентом имеется фильтр углекислого газа, выполненный с возможностью препятствовать прохождению углекислого газа к метаноудерживающему компоненту.
Предпочтительно, средства, вызывающие выброс метана из метаноудерживающего компонента в реакторную камеру, содержат нагревательный элемент.
Реакторная камера, датчик, средства нагнетания, перерабатывающие средства и позиционирующие средства могут соответствовать любому из эквивалентных компонентов устройства в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Далее изобретение описано ниже с помощью примеров со ссылкой на следующие чертежи, на которых:
На фиг. 1 показан схематический вид спереди первого варианта осуществления перерабатывающего устройства для переработки метана в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения;
На фиг. 2 показан схематический вид сзади устройства, показанного на фиг. 1;
На фиг. 3 показан поперечный разрез устройства, показанного на фиг. 1;
На фиг. 4 показан поперечный разрез второго варианта осуществления перерабатывающего устройства для переработки метана в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.
Как показано на фиг. 1-3, перерабатывающее устройство 10 для переработки метана содержит корпус 12,  снабженный реакторной камерой 14 и батарейный отсеком 16. Корпус дополнительно содержит метановый датчик 18, расположенный на передней стороне перерабатывающего устройства, и средства 20 нагнетания, расположенные рядом с метановым датчиком 18 на передней стороне перерабатывающего устройства. Средства 20 образованы осевым вентилятором, который выполнен с возможностью подачи газа с наружной стороны устройства к реакторной камере 14.
На задней стороне перерабатывающего устройства 10 имеется выпускная часть 22, выполненная с возможностью направлять поток газа из реакторной камеры 14 по направлению к наружной стороне устройства 10.
В реакторной камере 14 расположен каталитический слой, содержащий палладий. Каталитический слой находится в тепловом контакте с нихромовым проводом нагревательного элемента 24.
Противоположные друг другу захваты 28a, b выполнены с возможностью удержания между ними септы крупного рогатого скота. Натяжительный стержень 29 позволяет притягивать противоположные захваты 28a, b ближе друг к другу.
При использовании устройства противоположные друг другу захваты 28a, b располагают по обе стороны от септы крупного рогатого скота и натяжительным стержнем 29 затягивают таким образом, чтобы противоположные захваты  28a, b надежно удерживали септу между собой. Перерабатывающее устройство 10 ориентируют так, чтобы передняя сторона устройства была обращена ко рту крупного рогатого скота. Когда датчик 18 обнаруживает концентрацию метана больше, чем, например, 200 промилле, приводят в действие средства 20 нагнетания, чтобы направлять выдыхаемый крупным рогатым скотом газ в реакторную камеру 14. Катализатор в реакторной камере 14 нагревают до температуры, например, 600-700°C с помощью нагревательного элемента 24 с нихромовым проводом. Метан, проходя через катализатор, окисляется с образованием, главным образом, водяного пара и углекислого газа, которые выводятся из устройства через выпускную часть 22.
Таким образом, поток газа через устройство следует по пути, обозначенному стрелкой А-А.
Альтернативный вариант осуществления перерабатывающего устройства для переработки, показанный на фиг. 4, отличается от варианта осуществления по фиг. 1-3 тем, что между средствами 20 нагнетания и выпускной частью 32 вместо катализатора предусмотрен фильтр 30. Фильтр 30 поглощает газы, такие как углекислый газ, которые также присутствуют в выдохе крупного рогатого скота, с тем чтобы увеличить концентрацию метана в газе, направляемом в выпускную часть 32.
В этом варианте осуществления реакторная камера находится внутри выпускной части 32. Реакторная камера содержит нагревательный элемент 34 с нихромовым проводом.
Другие особенности этого альтернативного варианта осуществления перерабатывающего устройства такие же, как и в варианте осуществления по фиг. 1-3, и обозначены одинаковыми номерами позиций.
При использовании устройства противоположные друг другу захваты 28a,b располагают по обе стороны от септы крупного рогатого скота и натяжительным стержнем 29 затягивают таким образом, чтобы противоположные захваты 28a,b надежно удерживали септу между собой. Перерабатывающее устройство 10' ориентируют так, чтобы передняя сторона устройства была обращена ко рту крупного рогатого скота. Когда датчик 18 обнаруживает концентрацию метана больше, чем, например, 200 промилле, приводят в действие средства 20 нагнетания, чтобы направлять выдыхаемый крупным рогатым скотом газ через фильтр 30 в выпускную часть 32.
Фильтр 30 извлекает из потока газа углекислый газ, чтобы увеличить концентрацию метана в воздухе до уровня выше нижнего предела взрываемости метана, который составляет примерно 4% по объему, в зависимости от температуры и давления. После того как поток газа поступает в выпускную часть 32, он проходит через нагревательный элемент 34 с нихромовым проводом, который нагревается до температуры 700-800°С. Нагревательный элемент 34 вызывает окисление метана в газовом потоке с образованием, главным образом, углекислого газа и водяного пара, которые затем выводятся из устройства через выпускную часть 32.
Таким образом, поток газа через устройство следует по пути, обозначенному стрелкой B-B.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 4, фильтр 30 снабжен камерой, содержащей частицы цеолита, которые выполнены с возможностью улавливания метана и углекислого газа и пропускания при этом азота и кислорода в реакторную камеру 32. После того, как частицы цеолита достигают точки насыщения (то есть они больше не способны поглощать углекислый газ или метан), активируется нагревательный элемент фильтра (не показан). Это приводит к тому, что уловленный метан выбрасывается в реакторную камеру 32 при относительно высокой концентрации, так что он может окисляться, проходя через нагретый нихромовый провод 34. Такая конструкция способствует обеспечению того, что концентрация метана в реакторной камере 32 будет выше нижнего предела взрываемости метана.
В дальнейшей модификации этого варианта для увеличения способности частиц цеолита улавливать метан между средствами 20 нагнетания и камерой 30, содержащей цеолит, предусмотрен дополнительный фильтр (не показан), выполненный с возможностью ограничивать количество углекислого газа, поступающего в камеру 30, содержащую цеолит.