способ очистки газообразных продуктов сгорания

Формула изобретения

Способ очистки газообразных продуктов сгорания, заключающийся в дожигании газообразных продуктов сгорания, их последующей конденсации путем охлаждения и последующем отборе образующейся жидкости из продуктов сгорания, отличающийся тем, что дожигание продуктов сгорания проводят при избыточном кислороде, каждый компонент газообразных продуктов сгорания сжижают посредством охлаждения и сжатия путем доведения его температуры, давления и удельного объема до значений меньше критических Т_кр, Р_кр , V_кp, каждую образованную жидкость отводят от продуктов сгорания отдельно, причем сжижение компонентов газообразных продуктов сгорания производят поочередно, начиная с компонента, имеющего наибольшее значение критической температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу обработки газообразных продуктов сгорания, более конкретно к способу для очистки подобных продуктов, и может быть использовано для систем очистки от токсичных компонентов выхлопных газов и отходящих производственных вентиляционных выбросов, в частности для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ улавливания оксидов азота из отходящих газов. Сущность его состоит в том, что отходящие газы, содержащие оксиды азота и насыщенные парами воды, охлаждают в холодильнике-конденсаторе ниже точки росы, а затем пропускают через слой гранул фракционного состава 0,5-5,0 мм при высоте слоя не менее 1,0 см. При этом в исходных газах поддерживают соотношение NO_x/H₂O таким, что после охлаждения концентрация азотной кислоты в конденсате не превышает 10 мас.% [Заявка на изобретение РФ 95108619, МПК B01D 53/04, опубл. 20.06.1997, авторы Устинов О.А., Кудрякова З.Н., Якунин С.А., Полянский А.И., Кожев А.И., Балуев В.А. «Способ улавливания оксидов азота»].

Недостатком данного способа является низкая степень очистки, которая не позволяет очистить газовые выбросы от других вредных компонентов, как, например, оксид углерода (CO), диоксид углерода (CO₂ ), углеводороды (C_nH_m).

Известен способ очистки газообразных продуктов сгорании, согласно которому газообразные продукты сгорания дожигают в каталитической камере и охлаждают до температуры, соответствующей конденсации веществ, образующихся при горении. Указанные газообразные продукты охлаждают до температуры в интервале от 3 до 6°C. Образующуюся в результате конденсации указанных продуктов жидкость собирают [патент РФ № 2258148, МПК F01N 3/04, опубл. 10.08.2005, Бил № 22, авторы Бруззо Виталь «Способ и устройство очистки газообразных продуктов сгорания»].

Недостатком данного способа является низкая степень очистки выхлопных газов.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом является повышение степени очистки газообразных продуктов сгорания.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки газообразных продуктов сгорания, заключающемся в дожигании газообразных продуктов сгорания, их последующей конденсации путем охлаждения и последующем отборе образующейся жидкости из продуктов сгорания, дожигание продуктов сгорания проводят при избыточном кислороде, каждый компонент газообразных продуктов сгорания сжижают посредством охлаждения и сжатия путем доведения его температуры, давления и удельного объема до значений меньше критических T_кр , P_кр, V_кp, каждую образованную жидкость отводят от продуктов сгорания отдельно, причем сжижение компонентов газообразных продуктов сгорания производят поочередно, начиная с компонента, имеющего наибольшее значение критической температуры.

Способ очистки газообразных продуктов сгорания заключается в дожигании продуктов сгорания при избыточном кислороде, поочередном доведении каждого вредного компонента до критической точки, начиная с компонента, имеющего наибольшую критическую температуру, сжижении и отводе каждого компонента отдельно от остальных продуктов сгорания.

Способ очистки газообразных продуктов сгорания реализуется следующим образом.

Сущностью предлагаемого технологического решения является способ очистки газообразных продуктов сгорания от вредных компонентов путем их поочередного сжижения и отделения друг от друга на примере выхлопных газов дизеля предлагаемого состава, (см. таблицу).

Наименование газа	Критическое давление, МПа	Критическая температура, °C	Плотность при критическом давлении и температуре, кг/м-1
Метан CH 4	4,64	-82,5	162
Этан C2H6	4,86	32,1	200
Пропан C3H8	4,07	96,8	226
Бутан C4H10	3,55	152,1	228
Пентан C5H12	3,3	197,2	232
Водяной пар H2O	22,11	374,1	324
Оксид углерода CO	3,5	-140,2	301
Диоксид углерода CO2	7,38	31,1	468
Закись азота N2O	7,255	36,43	453
Монооксид азота NO	6,54	-93	520
Диоксид азота NO2	10,1	158	560
Сернистый ангидрид SO2	8,04	157,5	524

Для каждого газа существуют определенные значения температуры и давления, при которых он может быть обращен в жидкость. Температура, при повышении которой газ не может быть обращен в жидкость при сколь угодно большом давлении, называется критической T_кр . Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре T_кр, называется критическим давлением p_кр . Критические параметры токсичных газовых компонентов в составе отработавших газов представлены в таблице. При реализации данного способа каждый компонент газообразных продуктов сгорания сжижают посредством охлаждения и сжатия путем доведения его температуры, давления и удельного объема до значений меньше критических T _кр, P_кр, V_кр, каждую образованную жидкость отводят от продуктов сгорания отдельно, причем сжижение компонентов газообразных продуктов сгорания производят поочередно, начиная с компонента, имеющего наибольшее значение критической температуры T_кр. Последовательность сжижения вредных компонентов продуктов сгорания будет выглядеть следующим образом:

Водяной пар H₂O (374,1°C) пентан C₅H₁₂ (197,2°C) диоксид азота NO₂ (158°C) сернистый ангидрид SO₂ (157,5°C) бутан C₄H₁₀ (152,1°C) пропан C₃H₈ (96,8°C) закись азота N₂O (36,43°C) этан C₂H₆ (32,1°C) диоксид углерода CO₂ (31,1°C) метан CH₄ (-82,5°C) монооксид азота NO (-93°C) оксид углерода CO (-140,2°C).

Температура выхлопных газов, на примере дизеля, на выходе составляет порядка 300-500°C. Первым отделяют водяной пар H₂O. Охлаждают продукты сгорания до температуры ниже критической T_кр =374,1°C и производят сжатие. Поднимают давление до величины, требуемой для сжижения водяного пара. Сжиженный водяной пар отводят от остальных продуктов сгорания в отдельную емкость. Производят охлаждение газов до температуры меньше 197,2°C и сжатие, в результате чего пентан C₅H₁₂ переходит в жидкое состояние. Эта жидкость отводится от остальных продуктов сгорания. Производят дальнейшее охлаждение газов до температуры меньше 158°C и сжатие. При этой температуре диоксид азота NO₂ превращается в жидкость. Отводят жидкий диоксид азота от газообразных продуктов сгорания. Еще охладив выхлопные газы до температуры ниже 157,5°C и сжав продукты сгорания, произойдет сжижение сернистого ангидрида SO₂. Отводят его от остальных продуктов сгорания. Охлаждая далее до температуры меньше 152,1°C и сжимая продукты сгорания, сжижают и отводят в отдельную емкость бутан C₄H₁₀. Производят дальнейшее охлаждение оставшихся продуктов сгорания до температуры меньше 96,8°C и их сжатие. В результате чего пропан C ₃H₈ переходит из газообразного состояния в жидкое. Отводят сжиженный пропан от газообразных продуктов сгорания. Следующим компонентом, который сжижается и отводится, является закись азота N₂O. Охлаждают газ до температуры меньше 36,43°C и производят сжатие, что приводит к сжижению N ₂O. После отвода этого компонента приступаем к дальнейшему охлаждению газовых выбросов. Достигнув температуры меньше 32,1°C и сжав газообразные продукты сгорания, этан C₂H ₆ превращается в жидкость. Жидкий этан отводится от остальных газов. Далее следует резко понизить температуру газовых выбросов до значения меньше минус 82,5°C и сжать продукты сгорания. Это приведет к сжижению метана CH₄. Отводят его в отдельную емкость. Производят дальнейшее охлаждение до температуры меньше минус 93°C, соответствующей критической температуре монооксида азота NO, и сжатие продуктов сгорания. Монооксид азота NO переходит из газообразного состояния в жидкое. Отводят эту жидкость от газов. Последующее охлаждение до температуры меньше минус 140,2°C и сжатие газообразных продуктов сгорания позволяют превратить в жидкость и отделить последний оставшийся вредный компонент - оксид углерода CO. Отвод каждого конкретного компонента, находящегося в жидком состоянии, производится в отдельную, для каждого свою, емкость. После удаления всех вредных компонентов из продуктов сгорания очищенный газ выпускается в атмосферу.

Как видно из таблицы, метан CH₄, монооксид азота NO и оксид углерода CO имеют наиболее низкие значения критических температур. Поэтому целесообразно проводить дожигание продуктов сгорания при избыточном кислороде, которое позволит окислить эти компоненты до компонентов, более благоприятных для сжижения. Окисление проходит по следующим реакциям:

1. CH ₄+2O₂ CO₂+2H₂O

2. 2NO+O ₂ 2NO₂

3.

Таким образом, не потребуется охлаждения газовых выбросов до минусовых температур. В этом случае охлаждение продуктов сгорания целесообразно и дешево проводить водой.

Чем ниже температура компонента газа, тем меньшее давление потребуется для превращения газа в жидкость. После поочередного сжижения и сбора вредных компонентов продуктов сгорания их утилизируют. Собранные жидкие компоненты можно использовать в производственных целях.

Предлагаемый способ очистки газообразных продуктов сгорания позволяет достигнуть устранения до 99,8% всех токсичных выбросов и обеспечить экологическую безопасность работы двигателей внутреннего сгорания и других энергетических установок.