РЕАКТОР ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ТОКСИЧНЫХ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК F01N3/08 

Изобретение относится к системам обезвреживания токсичных выхлопных газов автомобилей, а также может быть использовано для очистки токсичных газов стационарных двигателей внутреннего сгорания.

Известны термические нейтрализаторы, в которых осуществляются процессы пламенного дожигания оксида углерода до диоксида, а также окисление несгоревших в цилиндре углеводородов и альдегидов [1]. Реакция окисления проводится при температуре 500-600^oC с подачей дополнительного воздуха и снижает концентрацию углеводородов примерно в 2 раза и оксида углерода в 2-3 раза. Термореакторы встраивают в выхлопную систему двигателя.

Недостатками известных термореакторов является неполная очистка выхлопных газов.

Известны каталитические реакторы, в которых нейтрализация токсичных выбросов достигается благодаря использованию каталитических процессов [2], которые позволяют не только уменьшить содержание оксида углерода и углеводородов, но одновременно осуществлять восстановление азота. Использование каталитических нейтрализаторов U-13, U-32 позволило снизить концентрацию CO на 80%, углеводородов - на 70%, NO_x - на 50%. В качестве катализаторов используют платину, палладий, родий, рутений и другие металлы. Каталитические реакторы выполняются в виде двухкамерного аппарата, в первой камере нейтрализуются оксиды азота, во второй - оксиды углерода и углеводороды.

Недостатками известных каталитических реакторов являются необходимость их смены или очистки из-за отравления катализатора осаждающимся свинцом и другими веществами, выгорание катализатора и недостаточная эффективность очистки газов.

Известен каталитический нейтрализатор [3], содержащий корпус с входными и выходными патрубками и каталитический блок, соосно устанавливаемый в корпусе, в котором газ проходит по каналам, образованным навитыми по спирали плоской и гофрированной лентами, поверхность которых покрыта катализатором.

Недостатком известного каталитического реактора является быстрый износ катализатора и недостаточная эффективность очистки отработанных газов.

Известен реактор для нейтрализации токсичных выхлопных газов [4], устанавливаемый в начале выхлопной системы, содержащий корпус, ультрафиолетовый излучатель в виде УФ-лампы из кварцевого стекла, вмонтированной в корпус (прототип).

Недостатками известного реактора являются неполная очистка выхлопных газов и малый срок службы реактора из-за окислительной коррозии металла, из которого изготовлен реактор.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности очистки выхлопных газов от токсичных веществ и увеличение срока службы реактора.

Поставленная цель достигается путем использования в качестве источника высокой энергии импульсной ультрафиолетовой лампы (УФ-лампы) длиной в зависимости от мощности автомобиля от 50 до 150 см, излучающей сплошной спектр УФ-излучения (фиг. 1) в интервале 190-420 нм. Реактор имеет 2 ступени: в первой происходит атомизация молекул (А), во второй - рекомбинация (Р) с образованием новых нетоксичных молекул.

В первой ступени под действием УФ-излучения происходит атомизация, т.е. распад молекул веществ, содержащихся в выхлопных газах, с появлением большого количества активных атомов: N^•, O^•, C^•, Pb^•, Cl^•, H^• и других (разложение оксидов: N₂O ←→ 2N^•+ O^•; и т.п.). УФ-реактор с непрерывным спектром излучения имеет набор частот, удовлетворяющий перечисленные реакции.

Во второй ступени происходит рекомбинация атомов, приводящая к образованию наиболее устойчивых прочных молекул: N₂, CO₂, PbO₂, H₂O. Итогом этих двух процессов является детоксикация выхлопных газов автомобилей. Схема реактора изображена на фиг. 2. Первая ступень содержит следующие элементы: корпус реактора 1, изготовленный из кислотостойкого материала, в качестве которого используют нержавеющую сталь, кислотостойкую пластмассу, внутреннее кислотостойкое покрытие обычной стали и другие, необходимые для защиты корпуса от окислительной коррозии кислотообразующими оксидами, например NO₂, N₂O₃, и атомарными окислителями, например кислородом, хлором и другими; патрон для электропроводки 2; цилиндрический ксеноновый УФ-излучатель 3. Очищаемый газ проходит по кольцевому пространству между корпусом и УФ-излучателем со скоростью 0,1-0,5 м/с. Более низкая скорость необходима в случае присутствия в выхлопных газах смолистых веществ. Вторая ступень также имеет корпус 4 (меньшего диаметра) из кислотостойкого материала, цилиндрический фильтр 5, предназначенный для очистки выхлопных газов от твердых частиц и ловушки для них 6. Струи газа, направляемые лопатками 8, двигаются спиралеобразно по касательной, благодаря чему возникают центробежные силы, фильтруются в газопровод 7 и одновременно очищают фильтр, что улучшает его производительность. Твердые частицы диоксида свинца и других твердых веществ центробежными силами отбрасываются на стенки корпуса и попадают в ловушку 6 для твердых частиц. Очищенный газ далее проходит через выхлопную систему автомобиля и выпускается в атмосферу.

Пример. УФ-реактор длиной 0,5 м был установлен в газоходе автомобиля ВАЗ-2108 перед глушителем. Для обеспечения потребности в кислороде выхлопные газы разбавлялись воздухом при температуре 22^oC в объеме 10-15% от количества выхлопных газов двигателя. Результаты анализа составов газов приведены в табл. 1, согласно которой эффективность очистки от формальдегида, тетраэтилсвинца (ТЭС), бензпирена (C₂₀H₁₂) и смолистых веществ составила 100%. Эффективность очистки от NO₂ - 99,8%, от CO - 99,9%.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности очистки выхлопных газов при помощи УФ-реактора.

Основными преимуществами очистки выхлопных газов автомобилей с помощью УФ-реактора являются высокая эффективность очистки при меньшем расходе материалов, низкая стоимость реактора и увеличение межремонтного периода.

Список литературы
1. Herrin, R.I Lean. Thermal Reactor Performance Characteristics - A Society Study, SAE Paper 760319 (1996).

2. Путилов А.В. Адсорбционно-каталитические методы очистки газовых сред. - М.: Химия, 1984.

3. Патент Великобритании N 1450799, кл. B 1 F, опубл. 1977.

4. Заявка Франции N 2481945, кл. B 01 D 53/34, опубл. 1981.

Реактор состоит из УФ-лампы длиной 50-150 см, имеющей сплошной спектр излучения в интервале 190-420 нм, вмонтированной в корпус из кислотостойкого материала. Очищаемый газ проходит в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом со скоростью 0,1-0,5 м/с. При этом происходит атомизация молекул газа с последующей рекомбинацией, приводящей к образованию стабильных молекул N₂, CO₂, PbO₂. Реактор снабжен направляющими лопатками, создающими спиралеобразное движение, приводящее к возникновению центробежных сил, отбрасывающих твердые частицы (PbO₂) на стенки корпуса, улавливаемые в ловушке. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки при меньшем расходе материалов. 2 ил., 1 табл.

Реактор для нейтрализации токсичных выхлопных газов автомобилей, устанавливаемый в начале выхлопной системы, содержащий ультрафиолетовый излучатель в виде УФ-лампы из кварцевого стекла, вмонтированной в корпус, отличающийся тем, что длина лампы составляет в зависимости от мощности автомобиля от 50 до 150 см, лампа имеет сплошной спектр УФ-излучения в интервале 190 - 420 нм, лампа вмонтирована в корпус из кислотостойкого материала так, что очищаемый газ проходит со скоростью 0,1 - 0,5 м/с в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом, причем твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса и далее в ловушку для сбора твердых частиц.