СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ОТ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ГАЗООБРАЗНЫХ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 1996 года по МПК F01N3/10 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к защите воздушного бассейна от твердых частиц (ТЧ) и газообразных вредных веществ (ГВВ), образующихся при сжигании углеводородного топлива, в том числе и тяжелого (типа соляры, мазута и др.), в различных энергетических установках: ДВС (преимущественно в дизелях), котлах ТЭС, ТЭЦ и т.д.

Известен способ очистки отработавших газов (ОГ) от ТЧ путем пропускания ОГ через фильтрующий элемент (ФЭ) (см. L'automobile е l'ambiente. Scolari P. ATA -Ingegneria automotoristica, 1990, 43, N 4, с.244-263. [1] При таком способе очистки ФЭ быстро забивается ТЧ, что сопровождается резким ростом его гидравлического сопротивления и противодавления на выходе из энергоустановки, а также соответствующим падением ее мощности. Это обстоятельство требует замены ФЭ или его регенерации. Кроме того, таким способом нельзя очистить ОГ от ГВВ.

Известно, что скорость реакций при окислении сажи резко возрастает, когда температура процесса окисления становится выше 550 600^oС. Однако температура ОГ на выходе из большинства энергоустановок редко достигает лишь 450^oС, поэтому устойчивый пиролиз ТЧ невозможен. Для регенерации ФЭ необходимо либо повысить температуру ОГ, либо снизить температуру равновесного процесса окисления сажи путем применения катализаторов из металлов переходной группы. Применение катализаторов энергетически более выгодно. Катализатор может быть использован в виде присадок и смешан с топливом до подачи его в цилиндры двигателя (см. Performance and fuel Consumption of a Single - Cylinder, Direct Injection Disel Engine Using a Platinum Fuel Additive. Caton J. A. Ruemmele P. Kelso D. T. Epperly W.R. "SAE Techn. Pap. Ser", 1991, N 910229, 11 р.) [2] или введен непосредственно в камеру сгорания (КС) в виде пара (Simultaneous reduction of soot and NOx in disel engines by homogeneous catalysis of group platinum metals/Montano R.M. Robinson J. Haskew J.W. Schivley C.D.// SAE Techn. Paper Series. 1989. N 891634, pp. 1-10) [3]
Снижение концентрации ГВВ и ТЧ в ОГ при сжигании топлива в цилиндрах двигателя с использованием катализатора происходит из-за увеличения полноты сгорания топлива. Однако ожидать существенного снижения ГВВ и ТЧ таким способом нельзя, т. к. остаются нерешенными проблемы плохого перемешивания топлива и воздуха, качественного распыливания топлива, неравномерности температурного поля и т. д. В цилиндрах ДВС, кроме того, процесс горения топлива является существенно неравновесным.

Известен также способ очистки ОГ от ГВВ и ТЧ путем пропускания ОГ через ФЭ, на поверхность которого нанесен катализатор (1. Per smettere di fumare/Guaglio Elio// HP transporti, 1990, 17, N 5, pp.31-33 [4] MAN le Disel et les particules//Ingenieurs de l'auto- mobile, 1990, N 661, pp. 91-96 [5]). Высокая эффективность очистки OГ от ГВВ таким способом достигается при температурах катализатора 350 400^oС, а от ТЧ при 400 450^oС и выше. Однако в некоторых энергоустановках, например в ДВС, температура потока ОГ на режимах малой нагрузки может быть существенно ниже 350^oС, при этом интенсивность процессов каталитического окисления сажи очень снижается, резко растут отложения сажи на его поверхности, которые, в свою очередь, препятствуют проникновению к ней кислорода ОГ. Кроме того, в процессе работы энергоустановки происходит потеря эффективности очистки вследствие истирания катализатора ТЧ, загрязнения его пор, а также отравления примесями и спекания катализатора под действием тепловых нагрузок.

Недостатки каталитических методов устраняются в другом способе, согласно которому ФЭ без катализатора нагревают до температуры не менее 650^oС. При этом резко ускоряются процессы окисления сажи.

Повышение температуры потока ОГ осуществляется или с помощью электрического нагревателя, или с помощью сжигания дополнительного топлива в кислороде, содержащемся в ОГ (Regeneratiom capabilyty of wall-flow monolith diles particulate filter with electric heater/ Hayashi K. Ogura Y. Kobashi K. Somi H. Fukami A.//SAE Techn. Papers, 1990, N 900603, pp. 203 210 [6]).

Способ очистки OГ от ГВВ и ТЧ, в котором регенерация ФЭ осуществляется путем его нагрева ОГ до температуры не ниже 650^oС за счет подачи в поток и сжигания дополнительного топлива (см. Sauberer Diesel RuSfilter-Regenerationssystem von Zeuna- Starkep/Kugland P. Ulter A. Zelmans R.// Verkehr und Technik, 1989, N12, pp.453 457), принят в качестве прототипа [7]
Поскольку регенерация ФЭ длится порядка 7 8 мин через каждые примерно 8 10 ч непрерывной работы энергоустановки, то расход топлива, идущего на регенерацию ФЭ, составляет порядка 4% от расхода основного топлива, т.е. этот способ весьма экономичен.

Момент начала процесса регенерации ФЭ определяется уровнем противодавления на выходе из энергоустановки. Для этого измеряют перепад давления на ФЭ и сравнивают с заданными его значениями. Если значение измеренного перепада давления превышает его заданное максимальное значение, то производят подачу дополнительного топлива в поток ОГ до пропускания его через ФЭ и его сжигание, что позволяет нагреть ФЭ до температуры не ниже 650^oС до тех пор, пока измеренный перепад давления на ФЭ не станет меньше его заданного минимального значения.

К существенным недостаткам этого метода очистки ОГ можно отнести тот факт, что очистка ОГ от ГВВ осуществляется кратковременно, т.е. только на режимах регенерации ФЭ, а на остальных режимах работы энергоустановки при пониженной температуре потока ОГ происходит очистка ОГ только от ТЧ.

Задачей данного изобретения является увеличение эффективности очистки 0Г от ГВВ и ТЧ, экономичности процесса регенерации ФЭ и ресурса работы ФЭ.

Поставленная задача решается благодаря тому, что производят непрерывный ввод химически активных веществ (ХАВ), содержащих металлы переходной группы, в поток ОГ до пропускания его через ФЭ. Причем энергия потока должна быть достаточной для нагрева и диссоциации ХАВ. Энергетическое состояние потока ОГ может оцениваться температурой, которая после ввода ХАВ в поток ОГ, их перемешивания и выравнивания температурного поля должна быть выше температуры диссоциации ХАВ. В качестве ХАВ, содержащих металлы переходной группы, могут использоваться карбонилы на базе металлов переходной группы. Карбонилы обладают тем замечательным свойством, что их диссоциация с образованием твердой фазы в виде высокоактивных мелкодисперсных химически чистых металлов переходной группы, выполняющих роль катализаторов, и газовой фазы в виде моноокиси углерода происходит при температуре, начиная с 200 220^oС и выше.

Очень важно, что температура потока ОГ на выходе из большинства энергоустановок практически всегда, даже на режимах холостого хода, превосходит эту температуру диссоциации ХАВ. Появляющаяся в процессе диссоциации карбонилов моноокись углерода не может заметно увеличить общее количество СО, содержащееся в ОГ, т.к. массовый расход карбонилов, достаточный для полной конверсии СО и С_xН_y в ОГ, составляет, как правило, 0,002 0,006% от расхода ОГ через энергоустановку.

При таком способе реализуются все основные преимущества летящего катализатора:
независящая от времени эффективность очистки ОГ от ГВВ;
низкие, постоянные по времени, потери полного давления потока ОГ, связанные с присутствием в ОГ летящего катализатора;
возможность использования дешевых катализаторов, поскольку стандартные катализаторы на базе благородных металлов (типа платины) из-за появления отложений на их поверхности со временем становятся по эффективности очистки хуже дешевых (типа железа или никеля), но с чистой поверхностью и др.

В качестве ХАВ могут также использоваться топливные растворы карбонилов на базе переходных металлов. Это позволяет, с одной стороны, снизить токсичность карбонилов за счет их разбавления топливом при хранении и обращении с ними, с другой стороны, увеличить ресурс работы ФЭ. Увеличение ресурса работы ФЭ происходит по следующей причине. Т.к. сгорание топлива, содержащегося в ХАВ, а следовательно, и сажи на поверхности ФЭ происходит уже начиная с 370^oС, то частичная регенерация ФЭ наблюдается на всех режимах работы энергоустановки, при которых температура потока ОГ равна или превышает указанную температуру. Это приводит к увеличению временного интервала между режимами основной регенерации ФЭ путем нагрева ФЭ и потока ОГ перед ним до температуры не менее 650^oС, а следовательно, и ресурса работы ФЭ, т.к. ФЭ при том же времени службы подвергается воздействию высокой температуры меньшее число раз или он при том же количестве нагревов до температуры не менее 650^oС будет служить дольше.

Частицы металлов переходной группы будут постепенно накапливаться в порах ФЭ и снижать его ресурс работы, причем такой ФЭ практически не поддается регенерации. Этот недостаток можно устранить, если в качестве карбонилов использовать карбонилы на базе ферромагнетиков и, воздействуя на поток ОГ магнитным полем при температуре потока ниже температуры Кюри ферромагнетиков, улавливать частицы катализатора из потока ОГ до пропускания его через ФЭ.

На номинальных режимах работы энергоустановок, когда концентрация кислорода в ОГ понижается до нескольких процентов по объему, могут возникать большие трудности с воспламенением дополнительного топлива, что потребует ограничения диапазона номинальных режимов, на которых возможна регенерация ФЭ. Чтобы исключить эти трудности и расширить диапазон этих номинальных режимов работы энергоустановок, одновременно с подачей дополнительного топлива в поток ОГ необходимо ввести газ, содержащий кислород, в этот поток. Следовательно, таким способом может быть увеличена эффективность процесса регенерации ФЭ.

При увеличении температуры потока ОГ на режимах регенерации ФЭ выше 650^oС будут расти скорости реакций окисления сажи, С_xН_y и СО, однако одновременно будет падать экономичность процесса регенерации. Т.к. при указанной температуре процессы окисления протекают весьма интенсивно, то экономически целесообразно поддерживать температуру ФЭ на режимах его регенерации, близкой к 650^oС за счет регулирования подачи дополнительного топлива и(или) газа, содержащего кислород. Причем регулирование подачи дополнительного топлива и газа, содержащего кислород, с целью поддержания температуры ФЭ, близкой к 650^oС, осуществляется таким образом, чтобы коэффициент избытка окислителя был близок к единице. Под коэффициентом избытка окислителя понимается отношение действительного количества окислителя к теоретически необходимому для осуществления полного сгорания топлива.

Процесс сгорания топлива не начнется до тех пор, пока не произойдет его смешение за счет диффузии и контакт с кислородом ОГ и кислородом вводимого в поток газа на молекулярном уровне. От качества их смешения зависит полнота сгорания и эффективность сжигания дополнительного топлива. Однако путь смешения не всегда возможно реализовать в пределах ограниченных длин выхлопного тракта. Поэтому для увеличения эффективности процесса сжигания дополнительного топлива его необходимо предварительно смешать с газом, содержащим кислород, с целью получения гомогенной топливно-газовой смеси (ТГС) до момента подачи их в поток ОГ и сжигания.

Расход дополнительного топлива можно существенно снизить за счет подогрева ТГС, например, отработавшими газами до ввода ее в поток ОГ и сжигания, в результате чего будет увеличена экономичность процесса сжигания дополнительного топлива.

Заявляемый способ характеризуется следующими признаками:
использованием новых веществ, т.е. ХАВ, содержащих металлы переходной группы;
новыми действиями, такими как
а) непрерывный ввод в поток ОГ ХАВ, содержащих металлы переходной группы, до пропускания его через ФЭ;
б) ввод газа, содержащего кислород, в этот поток;
в) предварительное смешение дополнительного топлива и газа, содержащего кислород, перед вводом их в поток OГ;
г) предварительный подогрев ТГС и др.

температурными режимами:
а) при которых осуществляется ввод ХАВ, содержащих металлы переходной группы, в поток ОГ;
б) при которых воздействуют на поток ОГ магнитным полем и др.

Использование указанной совокупности отличительных признаков с требуемой целью автору не известно.

Схема устройства очистки ОГ от ТЧ и ГВВ ( далее устройство), в котором реализуется предлагаемый способ очистки, показана на фиг.1.

Устройство содержит корпус 1, форсунку 2 для ввода ХАВ 35, чувствительные элементы 4 и 5, установленные в корпусе 1, датчиков 6 и 7 температуры OГ до камеры сгорания T*1

и после нее T*2 соответственно, приемники полного давления 8 и 9 датчика 10 перепада давления ΔP^* на ФЭ 11, дозаторы 12, 13 и 14 соответственно ХАВ 35, газа, содержащего кислород 36, и топлива 37, электромагнитные клапаны (ЭМК) 15 и 16, установленные в магистралях подачи газа, содержащего кислород, 36 и топлива 37 соответственно, исполнительные органы (ИО) 17. 20 дозаторов 13 и 14 и ЭМК 15 и 16 соответственно, блоки сравнения (БС) 21.24, задатчики (ЗД) 25.27, блок управления (БУ) 28, в котором осуществляется коррекция поступающего сигнала, контур создания электромагнитного поля, включающий источник постоянного тока (ИПТ) 29, соленоид 30, ферромагнитный сердечник 31 и выключатель 32, а также электронный блок зажигания (ЭБЗ) 42, свечу 41, газоанализатор (ГА) 43, измеритель непрозрачности (ИН) ОГ 46, пробоотборники 44 и 45. Кроме того, в конце магистралей подачи газа, содержащего кислород, 36 и топлива 37 установлены камера смешения 38, теплообменник 39, форсунка 3 для ввода ТГС и стабилизатор пламени 40. Дозатор 12 одновременно выполняет также роль запорного вентиля.

Реализация предложенного способа в устройстве (фиг. 1) осуществляется следующим образом.

ОГ 33 поступают на вход устройства с произвольной температурой T*1

, значение которой определяется датчиком 6 с помощью чувствительного элемента 4.

Концентрации кислорода [O₂] и окиси углерода [CO] в ОГ измеряются ГА 43 с помощью пробоотборника 44, а степень непрозрачности потока ОГ ИН 46 с помощью того же пробоотборника.

Перепад давления ΔP^* на ФЭ 11 регистрируется датчиком 10 с помощью приемников полного давления 8 и 9.

ЭМК 15 и 16 нормально закрыты.

Выключатель 32 замыкает цепь контура, создающего электромагнитное поле у полюсов сердечника 31.

ХАВ 35 поступают в поток ОГ 33 через дозатор 12 и форсунку 4 устройства, когда температура потока ОГ T*1

выше температуры диссоциации ХАВ 35. В противном случае дозатор 12 закрыт. Регулирование подачи ХАВ 35 осуществляется дозатором 12. Под действием энергии потока ОГ ХАВ диссоциируют с образованием мелкодисперсных частиц катализатора и СО. После завершения реакций окисления СО и С_xН_y и газификации мелких частиц сажи на поверхности летящего катализатора последний под действием электромагнитных сил извлекается из поток OГ и удерживается этими же силами вблизи сердечника 31, а поток ОГ движется дальше и проходит через ФЭ 11, подвергаясь очистке от более крупных ТЧ. Очищенные от ТЧ и ГВВ ОГ 34 выбрасываются в атмосферу.

Накопление ТЧ в порах ФЭ 11 сопровождается ростом перепада давления. Значения сигнала датчика 10 ΔP^* постоянно сравнивается в БС 23 с сигналом ЗД 26, соответствующим максимально допустимому перепаду давления ΔP*max

и в БС 24 с сигналом ЗД 27, соответствующим минимальному перепаду давления ΔP*min на чистом ФЭ 11.

Если сигнал датчика 10 превысит сигнал задатчика 27, то БС 24 выдает сигнал на ИО 19 и ИО 20, которые открывают соответствующие ЭМК 15 и ЭМК 16. БС 21 одновременно подает сигнал через БУ 28 на ИО 17 и ИО 18 соответствующих дозаторов 13 и 14. Причем БУ 28 формирует сигнал, пропорциональный разности сигналов ЗД 25 и датчика 6, который, в свою очередь, через ИО 17 и ИО 18 обеспечивает соответствующую величину открытия дозаторов 13 и 14.

Топливо 37 и газ, содержащий кислород, 36 предварительно смешиваются в камере смешения 38 с целью получения гомогенной ТГС, которая вначале подогревается отработавшими газами в теплообменнике 39, а затем подается через форсунку 3 в область стабилизатора пламени 40. Воспламенение ТГС осуществляется свечей 41. Высоковольтные импульсы свечи 41 генерируются ЭБЗ 42 от ИПТ 29.

В процессе регенерации ФЭ 11 его температура поддерживается близкой к заданной. Для этого измеряется датчиком 7 с помощью чувствительного элемента 5 температура ОГ за КС T*2

, т.е. температура ОГ перед ФЭ 11. Сигнал датчика 7 сравнивается с сигналом ЗД 25 в БС 22. Если значение температуры потока ОГ T*2 не соответствует заданному значению, что устанавливается в БС 22, то в БУ 28 происходит коррекция сигнала, поступающего из БС 21, с помощью сигнала БС 22, которая обеспечивает увеличение или уменьшение расходов газа, содержащего кислород, 36 и топлива 37 за счет соответствующего открытия или прикрытия дозаторов 13 и 14 с помощью ИО 17 и 18.

В процессе регенерации перепад давления ΔP^* на ФЭ 11 снижается. Если сигнал датчика 10 станет меньше сигнала ЗД 26, то БС 23 подает сигнал на ИО 19 и ИО 20, которые закрывают ЭМК 15 и ЭМК 16, прекращая подачу газа, содержащего кислород, 36 и дополнительного топлива 37 в поток ОГ 33. Регенерация ФЭ 11 завершена.

Были проведены эксперименты с целью получения экологических характеристик устройства путем его установки в выхлопном тракте дизеля ЗИЛ-645.

В качестве ХАВ 35 использовалось пентакарбонилжелезо [Fe(CO)₅] т.к. оно наиболее дешевое и наименее токсичное по сравнению с другими карбонилами на базе ферромагнетиков и, кроме того, температура Кюри железа весьма высокая (768^oС), что позволяет иметь значительный запас по температуре потока ОГ на всех возможных режимах работы энергоустановок до момента потери ферромагнитных свойств летящим катализатором.

В качестве газа, содержащего кислород, 36 использовался воздух, а в качестве топлива сжиженная пропано-бутановая смесь.

Температура потока ОГ 33 на входе в устройство задавалась нагрузкой на двигатель и в процессе экспериментов изменялась в диапазоне от 150 до 640^oС. С изменением нагрузки изменяется не только температура потока ОГ, но и состав ОГ, а следовательно, и концентрации ГВВ и ТЧ. Эффективность очистки ОГ от ГВВ оценивалась по измеренным значениям только концентрации [CO] в потоке ОГ с помощью ГА 43 и пробоотборников 44 и 45 без ввода и при вводе в него ХАВ 35, а эффективность очистки ОГ от ТЧ по измеренным значениям степени непрозрачности потока ОГ до ФЭ 11 и после него с помощью ИН 46 и пробоотборников 44 и 45 также без ввода и при вводе в поток ОГ ХАВ.

Вначале были проведены эксперименты с целью определения исходных термодинамических и экологических характеристик дизеля ЗИЛ-645.

По данным этих измерений были построены графики, представленные на фиг. 2. Исходные характеристики на графиках (фиг.2) обозначены сплошными линиями. В частности, на фиг. 2а изображена зависимость изменения температуры потока ОГ до КС T*1

по нагрузке на двигатель при различных оборотах ротора двигателя (далее просто оборотах), на фиг. 2б и 2в зависимости изменения концентрации [O₂] и [CO] пo нагрузке на двигатель при различных оборотах соответственно, а на фиг. 2г зависимость изменения расхода воздуха через двигатель по оборотам. Нагрузка на двигатель оценивалась величиной крутящего момента на гидротормозе М_кр в процентах, а обороты величиной , вычисленной как отношение действительных оборотов n к максимальным оборотам n_max в процентах (n_max= 2700 об/мин), т.е. . Эксперименты были проведены при следующих значениях
Из графиков (фиг. 2б и 2в) видно, что концентрации [O₂] и [СО] практически не зависят от оборотов и целиком определяются только нагрузкой на двигатель, а для температуры T*1 наблюдается расслоение характеристик по оборотам (см. фиг. 2а). Это расслоение характеристик на наш взгляд объясняется относительным ростом теплоотдачи от выхлопной трубы в окружающую среду при уменьшении оборотов. Пропорционально оборотам снижается расход ОГ через двигатель, причем его изменение по оборотам и качественно и количественно очень близко к изменению расхода воздуха по оборотам (см. фиг. 2г), т. к. расход топлива через двигатель на всех возможных режимах работы двигателя может увеличить расход воздуха всего лишь в диапазоне от 2 до 5 по массе. Следовательно, при той же поверхности трубы снижение расхода ОГ по трубе приводит к относительно более быстрому охлаждению потока ОГ. Изоляция трубы подтвердила эти предположения. В результате такого мероприятия все характеристики стали укладываться на одну линию (на фиг.2а корреляция этого случая теплообмена изображена пунктиром).

Для наглядности экспериментальные точки, корреляции которых изображены пунктирами, на графиках не показаны.

Затем были проведены эксперименты с целью определения исходных характеристик и экологических характеристик ФЭ 11 без ввода ХАВ 35.

Уставка ЗД 25 соответствовала заданной температуре потока за KC T*2

, равной 650^oС, а уставки ЗД 26 и ЗД 27 соответствовали ΔP*min, равному 2000 Па, и заданному допустимому значению ΔP*max, равному 20000 Па. В процессе этих экспериментов измерялись температура потока ОГ до КС T*1 и после KC T*2 помощью датчиков 6 и 7 и чувствительных элементов 4 и 5 соответственно, перепад полного давления на ФЭ ΔP^* с помощью датчика 10 и приемников полного давления 8 и 9 и непрозрачность ОГ до и после ФЭ 11 с помощью ИН 46 и пробоотборников 44 и 45.

Электронная система управления обеспечивала подачу воздуха 36, топлива 37, поддержание заданной температуры потока ОГ за KС T*2

, т.е. перед ФЭ 11, путем регулирования подачи топлива 37 и (или) воздуха 36 с помощью дросселей 14 и 13 соответственно при достижении заданного допустимого значения ΔP*max на ФЭ 11 и прекращение подачи воздуха 36 и топлива 37 путем отключения ЭМК 15 и ЭМК 16 соответственно при достижении в процессе регенерации ФЭ 11 заданного минимального значения ΔP*min на этом ФЭ 11.

ЭБЗ обеспечивал генерирование высокочастотных импульсов и поддержание с помощью свечи 41 горения за стабилизатором пламени 40.

Дозатор 12 был полностью закрыт.

На графиках (фиг. 3), построенных по данным этих экспериментов, показаны сплошными линиями процессы забиваемости ФЭ 11 ТЧ и его регенерации путем нагрева потока ОГ перед ним без ввода ХАВ в этот поток (фиг. 3а и 3б), а также эффективность очистки ОГ от ТЧ без ввода ХАВ в тот же поток (фиг. 3в).

Для оценки влияния на расход дополнительного топлива коэффициента избытка окислителя α, который при вводе воздуха 36 определялся с учетом действительной концентрации [O₂] в ОГ, был проведен прямой эксперимент. На одном и том же режиме работы дизеля (n=1300 об/мин, M_кр=40% T*1

= 250 C, G_г=62,8 г/с) для осуществления нагрева потока ОГ перед ФЭ 11 до температуры 650^oС при α = 1 необходимо 0,58 г/с топлива, а при α = 1, 3 0,755 г/с. То есть поддержание α = 1 в зоне горения дополнительного топлива позволяет сэкономить его расход.

Предварительное смешение воздуха 36 и топлива 37 до ввода их в поток на указанном режиме при α = 1 в зоне горения снизило расход дополнительного топлива еще примерно на 3% а их предварительный подогрев в теплообменнике 39 до ввода в поток ОГ снизил расход дополнительного топлива примерно на 10% по сравнению с предыдущим случаем. Расход дополнительного топлива при этом достиг минимального значения и составил 0,506 г/с. Очевидно, что на режиме работы дизеля с большой нагрузкой положительное влияние предварительного подогрева топливно-воздушной смеси (ТВС) на расход дополнительного топлива будет более значительным.

Наконец были проведены эксперименты по влиянию ввода Fe(CO)₅ 35 в поток ОГ на характеристики дизеля ЗИЛ-645 и ФЭ 11.

Контур, обеспечивающий создание электромагнитного поля, был замкнут.

При проведении экспериментов выполнялось условие, что ввод Fe(CO)₅ можно производить тогда, когда энергия потока достаточна для осуществления диссоциации Fe(CO)₅. Поскольку при вводе ХАВ в поток ОГ должны произойти их смешение с ОГ и нагрев, то температура потока ОГ, при которой начинается их диссоциация, должна быть установлена с учетом этого обстоятельства. Для определения этой температуры в устройство вместо ОГ подавался чистый воздух, температуря которого могла регулироваться. Температура потока воздуха, при которой начиналась диссоциация Fe(CO)₅, определялась по обнаружению СО газоанализатором 43 с помощью пробоотборника 44. Было установлено, что диссоциация Fe(CO)₅ c учетом указанных процессов начиналась при температуре 228^oС. Если вводить Fe(CO)₅ в поток ОГ, температура которого ниже этой температуры, то Fe(CO)₅ будет без диссоциации вместе с ОГ выбрасываться в окружающую среду, нанося ей дополнительный урон, т.к. Fe(CO)₅ относится к вредным веществам. На графике (фиг. 2а) эта температура обозначена горизонтальной линией 52, ниже которой диссоциация Fe(CO)₅ невозможна.

На графике фиг. 2в приведены экспериментальные данные (обозначены пунктиром), полученные при вводе Fe(CO)₅ в поток ОГ. Pacход Fe(CO)₅ поддерживался постоянным и на номинальном режиме работы дизеля (, M_кр=80%) составил 0,02% от расхода основного топлива, т.е. 0,0024 г/с, а на режимах холостого хода ( и М_кр=20%) его относительное значение возрастало до 0,24%
Из графиков фиг. 2в видно, что, начиная с нагрузки M_кр=40% эффективность очистки ОГ от СО превышает 85% Увеличение эффективности очистки ОГ от СО с увеличением нагрузки возрастает прежде всего из-за роста температуры потока ОГ.

Ввод Fе(CO)₅ позволил почти на 40% увеличить время забиваемости пор ФЭ 11 (фиг. За), а также увеличить эффективность очистки OГ от ТЧ (пунктирная линия) за счет сгорания мелкодисперсных частиц с размерами меньше 1 мкм на поверхности летящего катализатора, которые в порах ФЭ 11 почти не задерживаются.

По мере забиваемости пор ФЭ 11 эффективность очистки ОГ от ТЧ растет (см. фиг. 3в, сплошные и пунктирные линии).

Эффективность улавливания мелкодисперсных частиц Fe оценивалась как отношение количества Fe, удерживаемого сердечником 31, и Fe, образовавшегося в результате реакции диссоциации
Fe(CO)₅⇄ Fe+5CO.
Зная секундный расход Fe(CO)₅ и время подачи Fe(CO)₅ в поток ОГ определялась масса поданного Fe, содержащаяся в этом ХАБ, а масса Fe, удерживаемая сердечником 31, за то же время взвешиванием.

Определенная таким способом эффективность улавливания летящего катализатора (Fe) была равна 0,998. Под эффективностью улавливания понимается отношение массы железа, полученной путем взвешивания, к массе поданного железа.

Ресурс работы ФЭ 11 за счет сгорания мелкодисперсных ТЧ на поверхности летящего катализатора до момента пропускания потока через ФЭ 11 и за счет поддержания температуры ФЭ в процессе его регенерации на минимально возможном для интенсивного сгорания сажи уровне возрос в среднем примерно в 2 раза.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить нe только большую по сравнению с прототипом эффективность очистки ОГ от ТЧ за счет сгорания мелкодисперсных ТЧ на поверхности летящего катализатора, но и эффективную очистку ОГ от ГВВ (СО и С_xН_y) на поверхности летящего катализатора, увеличить не меньше чем в 2 раза ресурс работы ФЭ при минимально возможной потере экономичности дизеля.

Полученный мелкодисперсный порошок химически чистого железа может использоваться как ценный товарный продукт, компенсирующий затраты на приобретение дополнительного топлива и ХАВ.

Использование: в области охраны окружающей среды, а точнее в защите воздушного бассейна от твердых частиц и газообразных вредных веществ, образующихся при сжигании углеводородного топлива, в том числе и тяжелого /типа соляры, мазута и др./, в различных энергетических установках: двигателях внутреннего сгорания /преимущественно в дизелях/, котлах, ТЭС, ТЭЦ и т.д. Сущность изобретения: в поток отработавших газов до пропускания его через фильтрующий элемент, производят непрерывный ввод химически активных веществ, способствующих конверсии газообразных вредных веществ и сгоранию мелкодисперсных твердых частиц. Причем ввод химически активного вещества осуществляется при температуре потока отработавших газов выше температуры диссоциации химически активных веществ. Реализация предложенного способа позволяет существенно увеличить эффективность очистки отработавших газов, экономичность процесса регенерации и ресурс работы фильтрующего элемента. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ очистки отработавших газов от твердых частиц и газообразных вредных веществ путем пропускания потока отработавших газов через фильтрующий элемент, измерения перепада давления на фильтрующем элементе и, если этот перепад давления превышает его заданное максимальное значение, производят регенерацию фильтрующего элемента путем его нагрева отработавшими газами до температуры не менее 650°С за счет подачи в поток до пропускания его через фильтрующий элемент и сжигания дополнительного топлива до тех пор, пока перепад давления на фильтрующем элементе не станет меньше его заданного минимального значения, отличающийся тем, что производят непрерывный ввод химически активных веществ в поток отработавших газов до пропускания его через фильтрующий элемент, причем ввод осуществляют при температуре потока выше температуры диссоциации химически активных веществ. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве химически активных веществ используют карбонилы на базе металлов переходной группы. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве химически активных веществ используют топливные растворы чистых карбонилов. 4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что в качестве карбонилов используют карбонилы на базе ферромагнетиков и воздействуют магнитным полем на поток отработавших газов до пропускания последнего через фильтрующий элемент, причем воздействуют магнитным полем при температуре потока ниже температуры Кюри ферромагнетиков. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в поток отработавших газов одновременно подают дополнительное топливо и газ, содержащий кислород. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что температуру потока отработавших газов перед фильтрующим элементом поддерживают близкой к 650^oС за счет такого регулирования подачи дополнительного топлива и/или газа, содержащего кислород, при котором коэффициент избытка окислителя в зоне горения с учетом концентрации кислорода в отработавших газах поддерживается около единицы. 7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что дополнительное топливо и газ, содержащий кислород, смешивают до момента подачи их в поток отработавших газов. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что топливно-газовую смесь подогревают отработавшими газами до ввода ее в поток отработавших газов.