Устройство для очистки выбросов двигателей внутреннего сгорания от оксидов азота с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы и поглотителя Российский патент 2019 года по МПК F01N3/08 B01D53/94 

Устройство предназначено для очистки выбросов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) от оксидов азота с помощью низкотемпературной плазмы, генерируемой частотным стримерным наносекундным разрядом, и поглотителем. Изобретение может быть использовано для очистки выбросов стационарных дизельных установок, автотранспорта, морского транспорта, а также стационарных и подвижных газотурбинных установок.

Основными элементами таких устройств являются частотный высоковольтный генератор, реакторные камеры и камеры с сорбентом/катализатором [1]. Принцип действия таких устройств заключается в следующем. В реакторной камере под действием частотных высоковольтных импульсов определенной амплитуды и длительности, генерируемых генератором импульсного напряжения, образуется низкотемпературная неравновесная плазма. Термин низкотемпературная неравновесная плазма (ННП), характеризуемая высокой энергией электронов (до 10-15 эВ) и температурой ионов, близкой к температуре окружающей среды, широко используется в данной области техники. В ННП происходит конверсия оксида азота (NO), являющимся основным компонентом оксидов азота (NO_x) в выбросах двигателей в диоксид азота (NO₂) или другие оксиды азота, а также азотную кислоту (HNO₃). Далее в камерах с сорбентом/катализатором происходит дальнейшая очистка выбросов от оксидов азота и азотной кислоты.

Имеется целый ряд патентов, в которых описываются установки для очистки выбросов дизельных двигателей, имеющих реакторную камеру и камеру с сорбентом/катализатором, (см. например [2-7]). Однако во всех этих устройствах игнорируется тот факт, что большая часть оксидов азота конвертируется в реакторной камере не в оксиды азота, а в азотную кислоту (HNO₃) [1], в результате чего катализатор NO_x будет работать недостаточно эффективно. Для устранения данного недостатка в [6], [7] предлагается добавлять в тракт очистки дизельное топливо, что ведет к увеличению расхода топлива.

Наиболее близким к данному техническому решению является устройство по патенту [8].

Согласно патенту, устройство состоит из двух камер, образующих единый модуль, реакторную камеру и камеру с сорбентом. По центру через обе камеры проходит высоковольтный электрод, подключенный к источнику высокого напряжения через коаксиальный ввод. В процессе очистки выбросы дизельного двигателя проходят через реакторную камеру, где генерируется азотная кислота, после чего проходят через слой сорбента в камере с сорбентом. Недостатком данного устройства является отсутствие изоляции на высоковольтном электроде, расположенном внутри сорбента, ограничивающем амплитуду импульсов, генерируемых генератором импульсного напряжения, так как нарабатываемая в реакторной камере азотная кислота резко снижает электрическую прочность сорбента. Ограничение амплитуды импульса генератора импульсного напряжения снижает энергетическую эффективность работы устройства [9].

Технический результат изобретения заключается в повышении степени очистки выбросов двигателя внутреннего сгорания от оксидов азота.

Технический результат достигается за счет выполнения устройства для очистки выбросов двигателя внутреннего сгорания от оксидов азота с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы и поглотителя, в качестве которого может выступать γ-Al₂O₃ или V₂O₅, включающего n последовательных модулей, электрически подключенных к одному генератору импульсов, каждый из модулей образован реакторной камерой и камерой с поглотителем, причем длина каждого последующего модуля равномерно уменьшается относительно длины предыдущего, а диаметр каждого последующего модуля на 1-5% меньше диаметра предыдущего. В ином исполнении изобретения высоковольтный электрод, проходящий через поглотитель, имеет керамическую изоляцию, которая имеет ту же электрическую прочность, что и воздушный промежуток в реакторной камере того же модуля.

Конструкция обеспечивает устройству высокие энергетические характеристики, поскольку внедрение энергии генератора импульсного напряжения в плазму осуществляется с более высокими значениями КПД. Кроме того, наличие керамической изоляции на электроде внутри поглотителя повышает надежность работы устройства и повышает энергетическую эффективность работы устройства.

Конструкция предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. В устройстве выбросы (отработанные газы) через патрубок (10) проходят многомодульную камеру (M₁---M_n), в которой каждый модуль образован реакторной камерой (8, 6, 4) и камерой с поглотителем (7, 5, 3), причем длина каждого последующего модуля равномерно уменьшается относительно предыдущего, а диаметр каждого последующего модуля на 1-5% меньше предыдущего. При этом все модули питаются от одного генератора импульсного напряжения (14) через коаксиальный ввод (1). Центровка единого высоковольтного электрода осуществляется коаксиальным вводом (1) и опорным изолятором 15. Очищенный от оксидов азота воздух выбрасывается через патрубок (2).

Реакторные камеры образованы внешним низко потенциальным трубчатым электродом, например для модуля M₁ - (11), заземленным через индуктивность (12) на корпус двигателя (13) и высоковольтным электродом (8), образованным рядом звездообразных дисков, расположенных с зазором не менее 5 мм друг от друга. Поглотитель в камере с поглотителем (7) изолирован от проходящего через них высоковольтного электрода керамической изоляцией (9), имеющую туже электрическую прочность, что и воздушный промежуток в реакторной камере. Таким образом, возникновение центров проводимости, образующихся вследствие насыщения поглотителя кислотой в процессе плазменной очистки выбросов ДВС, не влияет на электрическую прочность многомодульной конструкции. Все это позволяет улучшить как энергетические характеристики устройства, так и поднять эффективность очистки выбросов ДВС от оксидов азота.

Подтверждением справедливости эффективности заявленного устройства являются результаты экспериментов по очистке выбросов ДВС от оксидов азота одно и двух модульными устройствами.

Пример 1

Очистка ДВС от оксидов азота установкой с одиночными модулями с диаметром 140 мм (M₁) (позиция 7, 8 на фиг. 1) и 120 мм (М₂) (позиция 5.6 на фиг. 1) и установкой с двумя этими модулями, включенными последовательно по потоку газа (позиция М₁, М₂ на фиг. 1) и подсоединенными к одному генератору высоковольтных импульсов (позиция 14 на фиг. 1).

На фиг. 2 представлены осциллограммы тока (I), напряжения (U) и внедряемой в плазму мощности (P=U⋅T) для модуля М₁ (а), для модуля М₂ (б) и совместно модулей M₁ и М₂, подключенных к одному и тому же генератору импульсных напряжений (14).

Во всех опытах использовался один и тот же генератор импульсного напряжения с выходной емкостью 2,2 нФ. При амплитуде выходного импульса 40 кВ запасенная в конденсаторах энергия составляет 1.6 Дж, При заданной частоте следования импульсов 673 Гц отбираемая как модулями M₁ и М₂ по одиночке, так и одновременно включенными обоими модулями от сети мощность составляла 1070 Вт.

Вводимая в плазму за импульс энергия (W) может быть определена из осциллограмм как W=∫P⋅dt.

Из осциллограмм следует, что для модуля M₁ W≈0.3Дж, (рис. 2.(а)) т.е. КПД передачи энергии от ГИН в плазму составляет 18%.

Для модуля М₂ (рис. 2.(б)) W≈0.6 Дж т.е. КПД внедрения в газ энергии составляет 38%.

При совместном использовании модулей M₁ и М₂ (рис. 2(в)) W≈0.9 Дж т.е. КПД внедрения в плазму энергии увеличивается до 60%.

Данные по очистке выбросов ДВС мощностью 5 кВ представлены в таблицах: модуль M₁ (таблица 1), модуль М₂ (таблица 2), модуль M₁ + модуль М₂ (таблица 3). Расход выбросов ДВС во всех опытах составлял 24 м³/ч.

Результаты экспериментов показывают, что в модулях идут следующие основные плазмохимические и химические реакции.

В реакторной камере:

Анализ выхлопа после реакторной камеры показал наличие 2.5% азотной кислоты (HNO₃).

В камере с поглотителем:

На выходе камеры с поглотителем не детектируется HNO₃, но наблюдается убыль Al₂O₃.

Таким образом, два последовательно включенных модуля уменьшающегося диаметра позволяют довести энергию, вводимую в плазму до 60% по сравнению с 18% у модуля М₁ и 38% для модуля М₂. Степень очистки с помощью двух последовательно включенных модулей M₁ и М₂ составляет 92% т.е увеличивается на 37% по сравнению модулем M₁ и на 15% по сравнению с модулем М₂. При этом во всех опытах энергия, отбираемая от сети, была одинакова.

При этом уменьшение диаметра последующих модулей более чем на 5% от диаметра предыдущего уменьшает эффективность очистки выбросов ДВС, в связи с чем представляется нецелесообразным.

Пример 2

В примере рассматривается очистка выбросов ДВС от оксидов азота одним модулем длиной 1.2 м и двумя модулями длиной 0.8 м и 0.4 м соответственно, соединенных последовательно по газу.

На фиг. 3 представлены осциллограммы тока (I), напряжения (U) и внедряемой в плазму мощности (P=U⋅T) для модуля длиной 1.2 м (фиг. 3а) и двух модулей длиной 0.8 м и 0.4 м соединенных последовательно по газу (фиг. 3б) и последовательно по напряжению. В обоих опытах использовался один и тот же генератор импульсного напряжения с выходной емкостью 1.5 нФ. Амплитуда импульсного напряжения составляла 45 кВ, частота следования импульсов 673 Гц. Запасаемая в конденсаторах энергия составляла 1.5 Дж, мощность, отбираемая от сети- 1 кВт.

Из осциллограмм следует, что для модуля длиной 1.2 м W≈0.7Дж, (фиг. 2.а) т.е. КПД передачи энергии от генератора импульсного напряжения в плазму составляет 46%.

При совместном использовании двух модулей (фиг. 3б) W≈0.85 Дж т.е. КПД передачи энергии от генератора импульсного напряжения в плазму составляет 56%.

В таблице 4 представлены данные по очистке выбросов ДВС одним модулем длиной 1.2 м, а в таблице 5 двумя модулями длиной 0.8 и 0.4 м соответственно, соединенных последовательно.

Из таблиц следует, что использование двух модулей увеличивает степень очистки выбросов ДВС на 7%, а внедряемую в плазму энергию на 10% при одинаковой отбираемой от источника мощности.

Представленная на фиг. 4 временная диаграмма очистки выбросов ДВС от оксидов азота иллюстрирует уровень выбросов при отключенной (1) и работающей (2) двухмодульной установке мощностью 5 кВт (частота следования импульсов f=800 Гц, амплитуда импульса 45кВ, выходная емкость генератора импульсного напряжения 1.5 мкФ).

Литература

1. Ponizovskiy A.Z. PhD, Kugel T.V. Smirnov A.S. Rindin I.E.

Purification of exhausts of diesel engines from nitrogen oxides using plasma systems nanosecond corona discharge 11^th Int. Sympos. on Non-Thermal/ Thermal Plasma Pollution Control Tech. &Sust. Energy Montegrotto Terme, Italy, July 1-5, p. 87.

2. US 6,775,972 B2.

3. Pat. App. Pub. US 2004/0175305 A1.

4. US 6,955,041 B2.

5. Pat. App. Pub. US 2004/0231321 A1.

6. US 7,081,231 B1.

7. Патент РФ 2403955.

8. Патент РФ №2361095 от 19.12.2007.

9. Понизовский А.З., Гостеев С.Г., Локтев Г.В., Маевский В.А. Мельников В.Э., Понизовский Л.З. Филиппов С.Н. Наносекундная импульсная корона как инструмент очистки дизельных двигателей от сажи и оксидов азота. 31 Всероссийский семинар «ОЗОН И ДРУГИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ОКИСЛИТЕЛИ. НАУКА И ТЕХНОЛОГИИ», Москва, 2-3 июня 2010 г стр. 90-105.

Устройство предназначено для очистки выбросов двигателей внутреннего сгорания от оксидов азота с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы, генерируемой частотным стримерным наносекундным разрядом, и поглотителя. Устройство для очистки выбросов двигателя внутреннего сгорания от оксидов азота с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы и поглотителя включает n последовательных модулей, электрически подключенных к одному генератору импульсного напряжения, каждый из модулей образован реакторной камерой и камерой с поглотителем, причем длина каждого последующего модуля последовательно и равномерно уменьшается относительно длины предыдущего, а диаметр каждого последующего модуля на 1-5% меньше диаметра предыдущего. При использовании изобретения повышается степень очистки выбросов двигателей внутреннего сгорания от оксидов азота. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 5 табл.

1. Устройство для очистки выбросов двигателя внутреннего сгорания от оксидов азота с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы и поглотителя, включающее n последовательных модулей, электрически подключенных к одному генератору импульсов, каждый из модулей образован реакторной камерой и камерой с поглотителем, причем длина каждого последующего модуля последовательно и равномерно уменьшается, а диаметр каждого последующего модуля на 1-5% меньше диаметра предыдущего.

2. Устройство по п. 1, в котором высоковольтный электрод, проходящий через поглотитель, имеет керамическую изоляцию.

3. Устройство по п. 2, в котором керамическая изоляция имеет ту же электрическую прочность, что и воздушный промежуток в реакторной камере того же модуля.