РЕАКТОР НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ Российский патент 2004 года по МПК F01N3/08 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам очистки и обезвреживания воздушной среды от вредных веществ - твердых частиц и токсичных газов в условиях стационарных и нестационарных пылегазовых потоков, и может быть использовано в системах нейтрализации отработавших газов ДВС, в системах очистки отходящих газов металлургических агрегатов, в системах вытяжной и приточной вентиляции кабин и салонов транспортных средств, производственных и бытовых помещений.

Известны установки и комбинированные устройства очистки воздуха от токсичных газов, в т.ч. и загрязненных твердыми частицами [Патент RU 2173639 C1, кл. В 60 Н 3/06, F 24 F 3/16, опубл. 2001, Патент RU 2145668 C1, кл. F 01 N 3/10, опубл. 2000], которые представляют собой модульную (блочную) конструкцию, обязательно содержащую корпус с входным и выходным отверстиями, в котором размещены фильтры-пылеулавливатели, каталитические и сорбционные нейтрализаторы, и, при необходимости, вентилятор, индикаторы, шумоизоляцию и т.д.

Однако известные устройства не универсальны, их области применения ограничены. Так, если каталитический реактор (Патент RU 2145668) работает при повышенных температурах, то низкотемпературный катализатор (Патент RU 2173639) - в диапазоне температур отапливаемых помещений.

Другими недостатками известных устройств, при достаточно высокой степени очистки, являются ограниченная пылеемкость фильтрующих элементов, разрушение гранул сорбента, что обуславливает потребность в расходуемых материалах, необходимость их замен и регенерации. Эти недостатки повышают трудоемкость обслуживания этих устройств в эксплуатации, не позволяют их использовать в непрерывном рабочем режиме.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является реактор нейтрализации выхлопных газов автомобилей [Патент RU 2155874 C1, кл. F 01 N 3/08, опубл. 2000]. Долговечность рабочего элемента этого устройства пылеемкостью не ограничена, расходуемые материалы не требуются - сорбент отсутствует, температура окружающего воздуха и очищаемого газа на работоспособность не влияет. Реактор устройства состоит из двух ступеней. Первая - содержит УФ-лампу (длиной 50-150 см, в зависимости от мощности автомобиля), вмонтированную в корпус из кислотостойкого материала. При прохождении газа в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом со скоростью 0,1-0,5 м/с происходит атомизация молекул токсичных компонентов газа с последующей рекомбинацией, приводящей к образованию стабильных молекул N₂, CO₂, РbO₂. Вторая ступень реактора, имеющая корпус меньшего диаметра, снабжена направляющими лопатками и ловушкой соответственно для инерционного отделения и улавливания твердых частиц и цилиндрическим фильтром, через который газ фильтруется в газопровод.

Вместе с тем прототип предназначен только для очистки выхлопных газов ДВС, в частности стационарных ДВС, в которых диапазон скоростей истечения отработавших газов не превышает пятикратного отношения максимальной скорости к минимальной, тогда как в современных автотранспортных средствах максимальные и минимальные значения скоростей отработавших газов в зависимости от режима движения различаются в 6-8 раз. Причем зависимость габаритов реактора от длины 50-150 см УФ-ламп, рекомендуемых для применения, делают затруднительным использование реактора в системах выпуска отработавших газов легковых автомобилей массового производства, более мощных, в частности, чем автомобили семейства ВАЗ, размеры газоходов которых практически не отличаются. Также недостатком его конструкции является отсутствие устройства удаления твердых частиц из реактора, что не позволяет использовать реактор в непрерывном рабочем режиме производственных процессов.

Задачей данного изобретения является создание конструкции реактора нейтрализации токсичных газовых выбросов, эффективно действующего как при движении пылегазовых потоков с относительно постоянными скоростями, так и в диапазоне 8-10-кратного изменения скоростей нестационарных пылегазовых потоков.

Дополнительной задачей изобретения является создание конструкции реактора нейтрализации токсичных газовых выбросов с применением одного типоразмера УФ-ламп для автомобилей массового производства.

Дополнительной задачей изобретения является создание конструкции реактора нейтрализации токсичных газовых выбросов, снабженного устройством удаления твердых частиц.

Технический результат - создание универсального реактора для нейтрализации токсичных газовых выбросов в широком диапазоне свойств пылегазовых потоков, создание единой конструкции реактора для ДВС автомобилей массового производства, расширение области применения реактора, в частности использование реактора в непрерывном рабочем режиме в производственных процессах для очистки от вредных веществ отходящих газов, близких по составу к выхлопным газам, в системах приточной и вытяжной вентиляции.

Указанный технический результат достигается тем, что реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов, содержащий ультрафиолетовый излучатель, выполненный в виде, по меньшей мере, одной УФ-лампы из кварцевого стекла со сплошным спектром излучения в интервале 190-420 нм, длиной 50-150 см в зависимости от мощности газовых выбросов, которая 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, снабжен гасителем скорости пылегазовых потоков, установленным в корпусе на входе в реактор и выполненным в виде тонкостенного цилиндра, имеющего внутри лопатки с углом наклона не менее 80° к продольной оси корпуса, а снаружи два жестко закрепленных упругих кольца из теплостойкой резины на основе кремнийорганических каучуков, наружные поверхности каждого из которых неподвижно соединены с корпусом, и упоры для осуществления предварительного сдвига внутренних поверхностей колец относительно наружных, вставленные в прорези корпуса, ограничивающие деформацию упругих колец в пределах дуги окружности 42-45°.

Кроме того, внутренний диаметр тонкостенного цилиндра гасителя скорости и внутренний диаметр приемной трубы глушителя системы выпуска ДВС автомобиля имеют соотношение 3:1.

Кроме того, корпус имеет газоход в виде конического закручивающего поток устройства, а ловушка снабжена кольцевой щелью для удаления твердых частиц.

Сущность предлагаемого технического решения проиллюстрирована графическим материалом, где на фиг.1 изображена схема реактора, на фиг.2 дано место I реактора с элементами гасителя скорости на фиг.1; на фиг.3 - фронтальная проекция места I реактора с элементами гасителя скорости на фиг.2; на фиг.4 - сечение А-А реактора на фиг.3; на фиг.5 - вариант установки реактора в систему выпуска ДВС легкового автомобиля.

Реактор содержит цилиндрический корпус 1, гаситель скорости газовых потоков 2 в виде тонкостенного цилиндра 3, имеющего внутри лопатки 4 с углом наклона не менее 80° к продольной оси корпуса 1, жестко соединенные с цилиндром 3. Гаситель скорости 2 установлен на входе в реактор в корпусе 1 на двух упругих резиновых кольцах 5, наружные поверхности которых неподвижно соединены с корпусом 1. Положение гасителя скорости 2 в плоскости, перпендикулярной продольной оси реактора, фиксируется диаметрально расположенными упорами 6, вставленными в прорези 7 корпуса 1. Также в корпусе 1 вмонтирован цилиндрический ксеноновый УФ-излучатель (УФ-лампа) 8. УФ-лампа 8 выполнена из кварцевого стекла со сплошным спектром излучения в интервале 190-420 нм, длиной 50-150 см в зависимости от мощности газовых выбросов. Далее реактор имеет газоход 9, цилиндрический фильтр 10, ловушку 11 с кольцевой щелью 12 удаления твердых частиц.

Гаситель скорости 2 пылегазового потока вышеуказанной конструкции позволяет на порядок снизить величину вектора скорости потока и уменьшить до 1,5-2,0 раз интервал отношений максимального значения скорости к минимальному, таким образом, что поступающий в реактор пылегазовый поток, в частности, со скоростями 1-10 м/с после гасителя 2, имеющего, например, диаметр тонкостенного цилиндра 150 мм, еще до поступления в кольцевое пространство между УФ-лампой 8 и корпусом 1 будет иметь в осевом направлении скорости 0,2-0,3 м/с. Снижение скорости пылегазового потока и сужение интервала между минимальным и максимальным значениями происходит за счет, соответственно: а) изменения направления движения потока с прямолинейного на винтовое и появления касательной составляющей скорости при взаимодействии пылегазового потока с лопатками 4, установленными под углом к направлению его движения, и б) преобразования части кинетической энергии потока в потенциальную энергию деформации сдвига упругих колец 5.

Т.к. детали реактора контактируют с агрессивной средой, которой является пылегазовый поток, поступающий в реактор с температурой до 900°С и обладающий высокими абразивными свойствами, то их рекомендуется изготавливать из термостойких материалов, в частности упругие кольца 5 из резины на основе кремнийорганических каучуков, УФ-лампу 8 из кварцевого стекла, а на рабочие поверхности металлических деталей: корпуса 1, цилиндра 3, лопаток 4, газохода 9, фильтра 10 и ловушки 11 - наносить кислотостойкие противоизносные покрытия, например, из алюмооксидной керамики.

Назначение лопаток 4 изменять направление пылегазового потока с прямолинейного на винтовое внутри корпуса 1 с сохранением движения потока вдоль оси корпуса 1 в сторону УФ-лампы 8. Лопатки 4 установлены внутри тонкостенного цилиндра 3 к продольной оси корпуса 1 под углом 80° (не менее). При меньших углах лопатки 4 не обеспечивают оптимальные соотношения по величине осевой и касательной составляющих скоростей тангенциального движения пылегазового потока в корпусе 1 реактора для эффективного процесса УФ-нейтрализации токсичных газов и отделения (сепарации) твердых частиц.

Упругие кольца 5 преобразуют кинетическую энергию потока в потенциальную энергию деформации сдвига и, одновременно, обеспечивают герметичное соединение корпуса 1 и гасителя 2. Т.к. прочностные свойства резины - материала, из которого изготовлены упругие кольца 5, при повышении температуры снижаются, то для ограничения деформации упругих колец 5 (под воздействием пылегазового потока) тонкостенный цилиндр 3 имеет в диаметрально противоположных точках упоры 6, которые вставлены в выполненные в корпусе 1 две диаметрально расположенные сквозные прорези 7. Длина прорезей 7 по дуге окружности 42-45° цилиндрической поверхности корпуса 1, что соответствует углу сдвига при деформации упругих колец 5 под воздействием пылегазового потока, имеющего скорость 21-25 м/с. Одновременно, каждый упор 6 смещен относительно края соответствующей прорези 7 так, чтобы внутренние поверхности упругих колец 5 имели предварительный сдвиг относительно наружных. Угол смещения упоров 6 соответствует углу сдвига при деформации упругих колец 5 под воздействием пылегазового потока, двигающегося со скоростью 4-5 м/с.

Таким образом, вне вышеуказанного интервала скоростей гаситель 2 работает как жесткий лопаточный завихритель, сообщающий потоку винтовое движение. Причем в случае движения пылегазового потока со скоростью ниже 4-5 м/с снижение его скорости вдоль оси реактора происходит только за счет появления касательной составляющей.

Предпочтительные размеры для внутренних диаметров тонкостенного цилиндра 3 и корпуса 1 реактора 150-250 мм, что обеспечивает возможности применения реактора в одиночном исполнении в системах выпуска стационарных и автотранспортных ДВС, а также в групповых и батарейных отечественных аппаратах для систем вытяжной и приточной вентиляции.

Размеры элементов гасителя скорости 2 связаны численными соотношениями с внутренним диаметром D тонкостенного цилиндра 3: сторона h сечения упругого кольца 5 равна 0,06D, ширина Н тонкостенного цилиндра 3-0,06D+5 мм, величина угла смещения упоров где D и другие линейные размеры выражены в м, - в градусах, ρ_г, ρ_n - плотности материала гасителя скорости и пылегазового потока, соответственно, г/см³ и г/м³.

При расчете размеров элементов гасителя скорости пылегазовых потоков использовались уравнения законов сохранения количества движения и механической энергии твердых тел и газов, закона Гука для деформации сдвига и учитывались следующие параметры: диапазон скоростей до 25 м/с и плотность 1,2 кг/м³ пылегазового потока, масса гасителя скорости и угол наклона его лопаток, модуль сдвига резины G=23-27 кг/см².

Размеры газоходов системы выпуска ДВС автомобилей массового производства находятся в пределах 50-80 мм, скорость движения отработавших газов в них 1-10 м/с. При применении реактора в системе выпуска автомобиля внутренний диаметр тонкостенного цилиндра 3 гасителя скорости 2 и диаметр приемной трубы 13 глушителя ДВС имеют соотношение 3:1 (фиг.5). Скорость прямолинейного движения потока вначале снижается за счет перехода от меньшего диаметра приемной трубы 13 к большему диаметру тонкостенного цилиндра 3 (пропорционально отношению квадратов диаметров газоходов). Далее поток взаимодействует с гасителем скорости 2 так, что осевая скорость прохождения выхлопных газов ДВС в кольцевом пространстве между УФ-лампой 8 и корпусом 1 не превысит 0,1 м/с. Это позволяет применить один типоразмер УФ-ламп длиной 50 см в реакторах для систем выпуска отработавших газов автомобилей массового производства.

К корпусу 1 на выходе из реактора жестко присоединен, например, посредством резьбового соединения газоход 9, в котором размещены цилиндрический фильтр 10 и ловушка 11. Внутренний диаметр цилиндрического фильтра 10 выполнен в 2-4 раза меньшим, чем внутренний диаметр корпуса 1. Поэтому газоход 9 выполнен в виде конического закручивающего поток устройства с углом наклона спирали 80° к оси корпуса 1. Это позволяет в зоне цилиндрического фильтра 9 и ловушки 10 сохранить соотношение осевой и касательной скоростей пылегазового потока и обеспечивает его скорость вращения 16-20 м/с для эффективного отделения и удаления твердых частиц, а также очистки фильтра. Предпочтительный объем ловушки 1000-1200 см³ в реакторах для систем выпуска отработавших газов ДВС. При такой емкости ловушка не требует очистки в течение 100 ч работы двигателя, что соответствует периодичности ТО-1. Для работы в непрерывном рабочем режиме производственных процессов ловушка 11 снабжена кольцевой щелью 12 удаления твердых частиц. Кольцевая щель 12 расположена в периферийной зоне ловушки 11. Размеры ловушки выполнены таким образом, чтобы периодичность ее очистки была кратной длительности производственного цикла.

Реактор работает следующим образом. Процесс нейтрализации токсичного пылегазового потока проходит в реакторе четыре стадии. На первой стадии пылегазовый поток проходит гаситель скорости 2. Взаимодействуя с лопатками 4, поток получает винтовое движение, часть его кинетической энергии переходит в потенциальную энергию деформации сдвига упругих колец 5. В результате скорость потока снижается на порядок и уменьшается до 1,5-2,0 раз интервал отношений максимального значения скорости к минимальному. Причем при скоростях пылегазового потока до 5 м/с кинетическая энергия потока не превышает потенциальную энергию предварительно деформированных упругих колец 5 и гаситель скорости 2 работает как жесткий лопаточный завихритель. На второй и третьей стадиях под действием излучения УФ-лампы 8 в двигающемся со скоростью 0,1-0,5 м/с пылегазовом потоке между корпусом 1 и УФ-лампой 8 происходит атомизация молекул токсичных газов и рекомбинация активных атомов N, О, С, Рb в устойчивые молекулы N₂, СО₂, PbO₂, H₂O. На четвертой стадии смесь очищенного от токсичных элементов газа и твердые частицы поступают в газоход 9 в виде конического закручивающего поток устройства, после которого пылегазовый поток, имеющий вращательное и поступательное движение, попадает в цилиндрический фильтр 10, через который газ фильтруется в соответствующую воздушную среду. Под действием центробежных сил частицы диоксида свинца, сажи, минеральной пыли и другие твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса 1, концентрируются в периферийной зоне ловушки 11. Благодаря интенсивному вращению газа со скоростью 16-20 м/с происходит эффективная очистка фильтра 10. При применении реактора в непрерывном рабочем режиме производственных процессов твердые частицы удаляются через кольцевую щель 12, выполненную в периферийной зоне ловушки 11.

Конструктивные особенности реактора при различных характеристиках пылегазового потоков приведены в таблице. Реактор в сравнении с прототипом универсален, осуществляет очистку пылегазовых потоков, двигающихся не только с относительно постоянными скоростями (п.п.2 и 4 табл.), но и в условиях 8-10-кратного изменения скоростей (п.п.1 и 3 табл.) с эффективностью не менее 99,8%. Реактор для систем очистки токсичных газов ДВС имеет один типоразмер УФ-ламп 50 см (п.1 табл.). Реактор для систем очистки отходящих газов в производствах с непрерывным технологическим циклом снабжен устройством удаления до 80% объема уловленных твердых частиц (п.4 табл.).

Эффективность централизации токсичных газов УФ-излучателем принималась по данным патента RU 2155874. Приближенный расчет степени пылеотделения проводился по критерию подобия Стокса для циклонного процесса очистки газов вязкостью 183·10^-7-329·10^-7 Па·с при плотности твердых частиц от 1,8 до 2,65 г/см и их размерах 4-8 мкм [Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1977, с.330-333].

Предложенный реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов является универсальным и может быть использован в машиностроении, электроэнергетике, металлургическом и химическом производстве для очистки газовых потоков с широким диапазоном свойств, загрязненных твердыми частицами и недоокисленными газовыми выбросами. Конструкция реактора позволяет его применять в системах выпуска отработавших газов легковых автомобилей массового производства. Параллельное объединение реакторов в батарейные мультициклоны обеспечивает очистку практически любых объемов пылегазовой среды. Отсутствие в реакторе расходуемых элементов и наличие устройства удаления твердых частиц позволяют использовать его в непрерывном рабочем режиме.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам очистки и обезвреживания воздушной среды от вредных веществ - твердых частиц и токсичных газов. Реактор содержит ультрафиолетовый излучатель, выполненный в виде, по меньшей мере, одной УФ-лампы из кварцевого стекла со сплошным спектром излучения в интервале 190-420 нм, длиной 50-150 см, которая 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. Реактор снабжен гасителем скорости нестационарных газовых потоков, установленным в корпусе на входе в реактор и выполненным в виде тонкостенного цилиндра, имеющего внутри лопатки с углом наклона не менее 80° к продольной оси корпуса, а снаружи два жестко закрепленных упругих кольца из теплостойкой резины на основе кремнийорганических каучуков, наружные поверхности каждого из которых неподвижно соединены с корпусом, и упоры для осуществления предварительного сдвига внутренних поверхностей колец относительно наружных, вставленные в прорези корпуса, ограничивающие деформацию упругих колец в пределах дуги окружности 42-45°. Изобретение позволяет расширить область применения реактора. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов, содержащий ультрафиолетовый излучатель, выполненный в виде, по меньшей мере, одной УФ-лампы из кварцевого стекла со сплошным спектром излучения в интервале 190-420 нм, длиной 50-150 см в зависимости от мощности газовых выбросов, которая 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, отличающийся тем, что он снабжен гасителем скорости нестационарных газовых потоков, установленным в корпусе на входе в реактор, и выполненным в виде тонкостенного цилиндра, имеющего внутри лопатки с углом наклона не менее 80° к продольной оси корпуса, а снаружи - два жестко закрепленных упругих кольца из теплостойкой резины на основе кремнийорганических каучуков, наружная поверхность каждого из которых неподвижно соединена с корпусом, и упоры для осуществления предварительного сдвига внутренней поверхности колец относительно наружной, вставленные в прорези корпуса, ограничивающие деформацию упругих колец в пределах дуги окружности 42-45°.2. Реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр тонкостенного цилиндра гасителя скорости и внутренний диаметр приемной трубы глушителя системы выпуска ДВС автомобиля имеют соотношение 3:1.3. Реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов по п.1, отличающийся тем, что корпус имеет газоход в виде конического закручивающего поток устройства, а ловушка снабжена кольцевой щелью.