комплексный способ и устройство для очистки и утилизации отработавших газов

Формула изобретения

1. Комплексный способ очистки и утилизации отработавших газов, включающий 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, отличающийся тем, что 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)₂), покрывающей поверхность насадки, находящейся в съемном перфорированном контейнере с образованием нитрита кальция (Ca(NO)₂)₂, сульфата кальция (CaSO₄), нитрата кальция (Ca(NO₃)₂ ) и углекислого кальция (СаСО₃), которые остаются на поверхности насадки в съемном контейнере.

2. Устройство для комплексной очистки и утилизации отработавших газов, включающее 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, отличающееся тем, что в газовом коллекторе помещена секция доочистки, представляющая собой съемный перфорированный контейнер, заполненный насадкой, покрытой слоем гидроокиси кальция (Са(ОН)₂).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и, в частности, к способам и устройствам для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающий 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 в устройстве, содержащем оребренную колонку, соединенную своим нижним торцом со смесительной камерой и поддоном, верхним торцом с газовым коллектором, озонатор, трубку подачи озоновоздушной смеси, соединенную с озоновоздушным коллектором и озонатором [1].

Основными недостатками известного способа являются низкая технологическая и экономическая эффективность процесса очистки, обусловленные низкой скоростью реакции окисления окиси азота в двуокись, происходящей в смесительной камере в газовой фазе, отсутствием достаточного охлаждения отработавших газов, вытекающей из-за этого невозможностью улавливания и использования находящихся в них водяных паров для абсорбции окислов азота образовавшимся конденсатом с последующим улавливанием кислого конденсата и невозможностью утилизации тепла отработавших газов.

Основными недостатками известного устройства являются низкая надежность и эффективность его работы, обусловленные отсутствием абсорбционной секции для поглощения окислов азота, серы, частиц сажи и сепарационной секции для улавливания уносимых капель влаги конденсата, насыщенного кислотными компонентами.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ очистки и утилизации отработавших газов, включающий озонирование потока воздуха, смешение отработавших газов с озоновоздушной смесью, охлаждение этой смеси потоком наружного воздуха, который используется для обогрева, до температуры ниже точки росы с конденсацией большей части водяных паров, контакт отработавших газов с конденсатом, насыщенным озоном, кислородом и кислотными компонентами, который абсорбирует окислы азота, окислы серы с одновременным их окислением в газовой и жидкой фазах, рециркуляцию и смешение большей части кислого конденсата с озоном и кислородом воздуха во время подъема эрлифтом, вывод другой части конденсата в накопительную емкость, сепарацию уносимых капель конденсата и удаление очищенных газов в атмосферу в устройстве, содержащем оребренные колонки, соединенные нижними торцами со смесительной камерой и поддоном, верхними с газовым коллектором, внутри которого размещены отбойные пластины, входные и выходные патрубки, причем каждая колонка разделена на абсорбционно-охладительную секцию, заполненную насадкой, в центре которой помещена подъемная труба эрлифта, соединенная с озонатором и десорбционно-распределительной тарелкой, и полую сепарационно-охладительную секцию, кожух с вентилятором, закрывающий колонки с тыльной стороны, накопительную емкость, соединенную с поддоном через гидрозатвор [2].

Основным недостатком известного способа является невозможность очистки отработавших газов от двуокиси углерода и его утилизации, а также доочистки отработавших газов от окислов азота и окислов серы, находящихся в газовой фазе, после сепарационно-охладительной секции, что снижает технологическую и экономическую эффективность очистки.

Основным недостатком известного устройства является отсутствие узла очистки отработавших газов от двуокиси углерода с одновременной его утилизацией и доочистки их от окислов азота и окислов серы, находящихся в газовой фазе, что снижает эффективность его работы.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности очистки отработавших газов с одновременной утилизацией улавливаемых окислов азота, окислов серы, двуокиси углерода и паров воды.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый комплексный способ включает в себя 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 полученной смесью 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, окончательная очистки 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) ₂), покрывающей поверхность насадки, находящейся в съемном перфорированном контейнере с образованием нитрита кальция (Ca(NO) ₂)₂, сульфата кальция (CaSO₄), нитрата кальция (Са(NO)₃)₂ и углекислого кальция (СаСО₃), которые остаются на поверхности насадки в съемном контейнере.

Технический результат достигается еще и тем, что устройство для комплексной очистки и утилизации отработавших газов включает 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 сепарацинно-охладительная секция, в газовом коллекторе помещена секция доочистки, представляющая собой перфорированный контейнер, заполненный насадкой, покрытой слоем гидроокиси кальция (Са(ОН)₂), кожух с вентилятором, закрывающий тыльную сторону колонок, накопительную емкость, соединенную с поддоном через гидрозатвор.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображено устройство для комплексной очистки и утилизации отработавших газов; на фиг.2 - разрез по А-А.

Устройство содержит оребренные колонки 1, соединенные своими нижними торцами со смесительной камерой 2 и поддоном 3, снабженным дренажным штуцером 4, верхними торцами с газовым коллектором 5, внутри которого помещена секция доочистки 6, входной и выходной патрубки 7 и 8, соответственно, каждая из колонок 1 разделена внутри горизонтальной перфорированной десорбционно-распределительной тарелкой 9 на абсорбционно-охладительную секцию 10, заполненную насадкой (например, кольцами Рашига), с трубкой эрлифта 11 в центре, устье которой примыкает к кромке центрального отверстия в десорбционно-распределительной тарелке 9, а в нижний торец коаксиально пропущена на некоторую высоту трубка подачи озоновоздушной смеси 12, соединенная с озоновоздушным коллектором 13 и озонатором 14, и на полую сепарационно-охладительную секцию 15, причем тыльная сторона колонок 1 закрыта кожухом 16, выполненным в форме усеченной пирамиды с патрубком горячего воздуха 17 и вентилятором 18 у ее вершины, а в газовом коллекторе 5 помещен съемный перфорированный контейнер 19, заполненный насадкой 20, покрытой слоем гидроокиси кальция (Са(ОН)₂) 21, накопительную емкость 22, соединенную через гидрозатвор 23 и дренажный штуцер 4 с поддоном 3, дренажные вентили 24 и 25.

Предлагаемый комплексный способ очистки и утилизации отработавших газов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания через входной патрубок 7 поступают в смесительную камеру 2, где их скорость резко падает, смешиваются с озоном и кислородом воздуха, выделяющегося из рециркуляционного конденсата, стекающего по насадке абсорбционно-охладительных секций 10 и равномерно распределяются по всем колонкам 1, поднимаются вверх, одновременно охлаждаются потоком наружного воздуха через оребренные стенки колонок 1 до температуры ниже точки росы (80-90)°С, значение которой принято для обеспечения конденсации большей части водяных паров, находящихся в отработавших газах, конденсат которых далее используется в качестве абсорбента окислов азота и серы и возможности проведения реакции труднорастворимой окиси азота (NO) в легкорастворимую двуокись азота (NO₂). Параллельно вышеописанным процессам в абсорбционно-охладительных секциях 10 происходит улавливание конденсатом частиц сажи, межфазный контакт свежего и рециркуляционного конденсата с газовой смесью, химическое взаимодействие окислов азота, окислов серы, находящихся в отработавших газах, озона, кислорода, воды между собой в газовой и жидкой фазах, абсорбция образовавшихся двуокиси азота (NO ₂) и серного ангидрида (SO₃) конденсатом (Н ₂О) с образованием азотной (HNO₃) и серной (H ₂SO₄) кислот. Образовавшаяся смесь кислого конденсата с механическими примесями стекает в поддон 3, смешивается там с предыдущим кислым конденсатом, откуда часть его, равная количеству сконденсировавшихся водяных паров, вместе со шламом через штуцер 4 и гидрозатвор 20, высота которого выбирается такой, чтобы предотвратить прорыв газов в дренажные линии, выводится в накопительную емкость 22, а другая часть заполняет нижние участки труб эрлифта 11, куда одновременно по трубкам подачи озоновоздушной смеси 12 через коллектор 13 и озонатор 14 подают озоновоздушную смесь, полученную при обработке воздуха в озонаторе 14, подаваемого, например, воздушным компрессором, в результате чего образуется газожидкостная эмульсия, которая поднимается по подъемной трубе эрлифта 11 и разливается из ее устья на поверхность десорбционно-распределительной тарелки 9, где из нее частично десорбируются растворенные озон и кислород в результате барботажа отработавших газов, поднимающихся из абсорбционно-охладительной секции 10, через слой конденсата на тарелке 9, слив насыщенного кислого конденсата через отверстия в тарелке 9 вниз на насадку абсорбционно-охладительной секции 10, где процесс происходит аналогично вышеописанному, а очищенные от части окислов и сажи отработавшие газы с примесью озона и кислорода поднимаются далее вверх в полую сепарационно-охладительную секцию 15, где продолжаются процессы охлаждения, конденсации оставшихся водяных паров, взаимодействия оставшихся окислов с озоном и кислородом в газовой и жидкой фазах, абсорбции образовавшихся NO₂ и SO₃ частицами конденсата, осаждение их под действием силы тяжести на тарелку 9, после чего частично очищенные отработавшие газы из колонок 1 поступают в газовый коллектор 5 и в съемный перфорированный контейнер 19, заполненный насадкой 20, покрытой слоем гидроокиси кальция (Са(ОН)₂ ) 21, с которым протекают реакции взаимодействия оставшихся окислов азота, окислов серы, кислотных компонентов в уносимых каплях конденсата, двуокиси углерода (CO₂), находящегося в значительных количествах (до 14%) в отработавших газах, с образованием нитрита кальция (Ca(NO₂)₂), нитрата кальция (Ca(NO)₃)₂, сульфата кальция (CaSO ₄) и углекислого кальция (СаСО₃), которые остаются в слое 21, постепенно меняя его химический состав, после чего очищенные газы через выходной патрубок 8 удаляются в атмосферу [3, с.483], [4, с.406], [5, с.227]. Требуемый для охлаждения наружный воздух поступает на фронтальную часть колонок 1, омывает их, нагреваясь при этом, и вентилятором 18 через патрубок 17 подается для обогрева транспортного средства (в зимний период) или выбрасывается в атмосферу (в летний период). По мере наполнения накопительной емкости 22 собранный кислый конденсат со шламом сливают в специальные резервуары, расположенные, например, на заправочных станциях, откуда доставляют на специализированные предприятия для переработки и утилизации содержащихся в нем компонентов (HNO₃, H₂SO₄, вода, сажа и др.). При падении активности слоя 21 насадки 20 съемный контейнер 19 заменяют на новый, заполненный регенерированной насадкой. Процесс регенерации заключается в очистке насадки 20 от слоя, содержащего смесь нитрита кальция, нитрата кальция, сульфата кальция, углекислого кальция, которые используются в сельском хозяйстве в качестве удобрений [5, с.227] и повторном покрытии насадки 20 слоем гидроокиси кальция (гашеной известью) 21.

Размеры устройства (диаметр, высота, число колонок 1), мощность и производительность вентилятора 18, озонатора 14, объем емкости 22, поглотительная способность секции доочистки 6, расход воздуха на окисление и циркуляцию газожидкостной эмульсии определяются мощностью двигателя внутреннего сгорания, расходом топлива и требуемой степенью очистки отработавших газов.

Таким образом, предлагаемый комплексный способ и устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов утилизовать их тепло, очистить отработавшие газы от вредных примесей, включая двуокись углерода, используя в качестве абсорбента конденсат водяных паров, содержащихся в отработавших газах, а в качестве химически активного поглотителя гашеную известь, и утилизовать уловленные компоненты.