Способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК F01N3/04 

Изобретение относится к автомобильной промышленности, в частности к очистке отработавших газов дизеля.

Известен способ очистки отработавших газов, когда эти газы поступают в скрубер с водой, расширяются, охлаждаются, смешиваются с водой через эжектор и после циклонного отделения выбрасываются в атмосферу.

Известно также устройство для очистки газов, содержащее закрытую емкость в выхлопной трубе двигателя, которая заполнена керамическими гранулами.

Основной недостаток вышеприведенных способа и устройства заключается в том, что абсорбционная способность воды по газовым компонентам отработавших газов ограничена, поэтому степень очистки

тазов водой достаточна мала, и при этом возникает проблема по нейтрализации контактной воды, что приводит к Дополнительным затратам и усложняет конструкцию устройства

Уетройст&о для сухой фильтраций и окисления отработавших газов имеет большое гидравлическое сопротивление, которое снижает эффективную мощность двигателя. Кроме того, возможен вторичный выброс отложившейся сажи и механических примесей.

Известен способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания путем их пропускания через фильтр из активированного угля, в частности кокса,и затем перед выпуском в атмосферу - пропускание через рыхлую насадку.

Ч Ю Ј

ч VJ

СО

Известны способ и устройство из авт.св. № 1320467. кл. F 01 N 3/04, 1985, Способ заключается в том, что отработавшие газы обрабатывают водным раствором, который подают на фильтрующий элемент, а газы пропускают через два фильтрующих элемента и затем выпускают их в атмосферу.

Устройство для реализации описанного способа содержит корпус с впускным, выпускным и сливным патрубками и два фильтрующих элемента, а также подводящую трубку с рапыливающими отверстиями, связанную с источником водного раствора.

Известные способ и устройство не обеспечивают высокой эффективности очистки отработавших газов. Указанные решения приняты за прототип.

Цель изобретения - повышение эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания путем получения водного раствора;подачи его на первый фильтрующий элемент, выполненный в виде колец Рашига из природного шлама с кок- сом,последовательного пропускания газов, через первый и второй, фильтрующие элементы и выпуска их в атмосферу, при этом водный раствор получают путем добавления в воду электролитэ,осуществления элек- тролиза воды и выделения щелочной основы, причем водный раствор подают перед пропусканием отработавших газов. В качестве электролита используют сульфат алюминия или хлористый натрий, для коагуляции и осаждения солей, при этом используют сажу, содержащуюся в отработавших газах, для абсорбции токсичных их компонентов.

Устройство для очистки отработавших газов, содержащее корпус с впускным, выпускным и сливным патрубками и первым и вторым фильтрующими элементами и подводящую трубку с распыливающими отверстиями, связанную с источником водного раствора, дополнительно содержит вентилятор, электролизер с подводящим и отводящим трубопроводами, насос, установленный в подводящем трубопроводе, и перепускной патрубок. Вентилятор ус-, тановлен на впускном патрубке и сообщен с двигателем, электролизер подключен через отводящий и подводящий трубопроводы к источнику водного раствора, а через перепускной патрубок Связан с размещенной между фильтрующими элементами подводящей трубкой с возможностью подачи в последнюю водного раствора и корпус через сливной патрубок сообщен с источни ком водного раствора. Первый

фильтрующий элемент выполнен в виде колец Рашига из природного шлама с коксом, а второй -в виде каплеотделительной рыхлой насадки. При пропускании отработавших газов

через фильтр из активированного угля, в частности кокса, происходит адсорбция токсичных компонентов в микропорах кокса, где их концентрация достигает более высокого содержания, чем в исходном газе. По

мере достижения максимальной концентрации токсичных компонентов газа в порах кокса его поглотительная способность снижается, Для восстановления поглотительной способности сорбента необходимо или

5 снизить концентрацию компонентов газа в микропорах сорбента или удалить адсорбированные газы, что достигается регенерацией путем продувки сорбента острым паром или промывкой в специальном рас0 творителе. Кроме того, активированный: уголь, в частности кокс, является восстановителем, и поэтому в его среде происходит окисление окиси углерода СО в диоксид углерода , а окиси азота N0 - в диоксид

5 азота N02, который, соединяясь с водой, образует азотную и азотистую кислоты, наносящие значительный ущерб окружающей среде.

В продуктах сгорания жидкого топлива

0 присутствует сера, которая приводит к образованию в атмосфере серной и сернистой кислоты. Таким образом, существующие способы очистки отработавших газов, снижая концентрацию отдельных его компо5 нентов, например СО, сажи, усиливают токсическое влияние других компонентов, таких как NO, SQ2, и требуют периодической регенерации насадок, что усложняет конструкцию устройства и условия эксплуатации.

0 в предлагаемом способе и устройстве для очистки отработавших газов их очистка производится мокрым способом. На микропористую насадку подают активированную воду, смачивающую поверхность микропор,

5 а газ, находящийся в порах, растворяется в этой воде, которая постоянно смывается.

Таким образом, поглотительная способность сорбента практически не снижается. Одновременно диоксиды азота и серы ак0 тивно соединяются с водой и не выбрасываются в атмосферу/Образовавшиеся кислоты нейтрализуются активированной водой. При активации воды в электрическом поле. высокого напряжения и отборе воды с отри5 цательного электрода, ее щелочность по показателю рН увеличивается с 6 до 13-14, поэтому образовавшаяся кислота нейтрализуется щелочной водой, отчего отпадает необходимость в химических нейтрализаторах. Вода, циркулирующая в системе очистки отработавших газов, переносит содержащуюся в них сажу на поверхность насадки, что увеличивает адсорбционную способность устройства. Электролизер изготовлен такй образом, что вода, проходя через него, разделяется на два потока, положительно заряженный поток (от катода) подается на насадку, а отрицательно заряженный поток возвращается в сливной бак.

Насадка первого фильтра изготовлена из композиционного материала, шлама и кокса в форме колец Рашига. В химической промышленности и энергетике широко применяются керамические кольца, так называемые кольца Рашига, которые используются для увеличения поверхности контакта двух сред. Кольца Рашига представляют собой полые втулки, у которых отношение внешнего диаметра к высоте составляет 0,8-1,0. Форма колец обеспечивает при максимальной поверхности контакта в единице объемасравнительно небольшое гидравлическое сопротивление.

Отличие предлагаемых колец Рашига от известных состоит в том, что они изготовле- . ны из композиционных материалов-шлама с коксом. Такое сочетание макро- и микропористого материала найдено экспериментальной селекцией. Критерием подбора материала были сравнительная степень очистки выхлопных газов и стабильность адсорбционной способности насадки, т.е. восстанавливаемость насадки в результате смывания пор насадки активированной водой, а также ее химическая и тепловая стойкость.

.На чертеже изображена принципиальная схема устройства для очистки отработавших газов.

Устройство для очистки отработавших газов содержит вентилятор 1, установленный после глушителя, корпус 2 с впускным патрубком 3. Внутри устройства размещены первый и второй фильтрующие элементы 4, 5, элемент 5 соединен с выпускным патрубком б, на конце которого установлен эжектор 7. Активированная вода подается на элемент 4 насосом 8 через электролизер 9 по перепускному патрубку с подводящей трубкой 11 с распыливающими отверстиями. Вода с фильтра 4 стекает в поддон устройства 2, объединенного сливным патрубком 12 с баком 13 воды. Бак 13 оснащен горловиной 14 для заливки воды и подводящим и отводящим трубопроводами 15 и 16. Трубопровод 15 служит для соединения бака 13 с насосом 8, а трубопровод 16 - для соединения с электролизером 9 по отделенному потоку. Электролизер 9 содержит два патрубка 17 и 18, размещенных один в

другом. На перфорированной поверхности внутреннего патрубка 17 установлена полупроницаемая мембрана 19. Внутри каждого патрубка установлены электроды 20 и 21. На 5 внешнем патрубке 18 смонтирован штуцер 22 для слива воды. На электроды 20 и 21 электролизера 9 подается напряжение от блока питания, содержащего прерыватель 23, индукционную катушку 24, выпрямитель

0 25 и регулятор напряжения 26.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Отработавшие газы после глушителя подаются вентилятором 1 в корпус 2 через

5 патрубок 3. Газы, проходя через элемент 4, смоченный активированной водой, очищаются от твердых включений и сажи, а также от токсичных компонентов СО, СН, которые адсорбируются материалом насадки, мелко0 пористым коксом с шламом и водой.

Одновременно снижается температура отработавших газов, что вызывает конденсацию влаги. Очищенный газ после элемента 4 пропускают через элемент 5 для

5 отделения влаги и через патрубок 6 и эжектор 7 выбрасывают в атмосферу.

Эжектор 7 служит для создания разряжения в корпусе 2 при движении автомобиля. Вода на элемент 4 подается насосом 8 из

0 бака 13 через электролизер 9 и перепускной патрубок 10с под водя щей трубкой 11. Вода, проходя через электролизер 9, активируется в результате образования диполей и ориентации потока. В электролизере

5 производится разделение активированной воды на два потока. Поток от катода подается на фильтрующий элемент 4, и поток от анода возвращается в бак 13 по трубопроводу 16. Активированная вода, подаваемая

0 на фильтрующий элемент 4, стекает в поддон и вместе с сажей поступает в бак 13, а оттуда забирается насосом 8 и подается через электролизер 9 .на фильтрующий элемент 4.

5 Таким образом происходит циркуляция воды, которая переносит отделившуюся сажу с поддона на элемент 4, Одновременно активируется не только вода, но и сажа, ко-. торая является хорошим адсорбентом.

0 Активация воды происходит в электролизере 9 при подаче напряжения 16-18 кВ на электроды 20 и 21. Под действием электростатического поля образуются диполи молекул, которые под действием того же поля

5 приобретают определенную ориентацию. Одновременно происходит диссоциация молекул воды. У катода группируется щелочная основа воды, а у анода - кислотная. Последняя выводится из электролизера через штуцер 22. Щелочная основа воды, смачивая насадку, абсорбирует сажу, окиси углерода, азота, углеводород альдегидов, которые затем выносятся водой из зоны очистки. При это образующиеся кислоты нейтрализуются щелочной основой воды, а соли осаждаются в поддоне устройства электролитом сульфатом алюминия или поваренной соли, предварительно добавленного в воду бачка 13.

Прерыватель 23 применяется в том случае, когда источником питания является постоянный ток для получения высокого напряжения в индукционной катушке 24. В том случае, когда источником питания является переменный ток, необходимость в прерывателе отпадает, Выпрямитель 25 служит для получения постоянного тока высокогь напряжения. Регулятором напряжения 26 устанавливают оптимальное значение напряжения в зависимости от молекулярно- примесного состава воды.

Пример выполнения способа, применительно к дизельному двигателю Раба-Ман от автобуса Икарус.

Перед пуском двигателя заполняют бак 13 водой и добавляют электролит (раствор сульфата алюминия) в количестве 1 мг/л. Включают центробежный вентилятор 1 и насос 8 устройства. Подают напряжение на электроды 20 и 21 электролизера 9, регулятором 26 устанавливают напряжение 16 кВ. Таким образом происходит смачивание элемента А активированной водой и ее продувка воздухом от вентилятора 1. Пускают двигатель. Отработавшие газы после глушителя всасываются вентилятором 1 и нагнетаются в устройство 2, у которого площадь проходного сечения в зоне очистки на порядок больше, чем площадь сечения патрубка на выходе из. глушителя, поэтому скорость потока отработавших газов в устройстве 2 на порядок меньше, чем на выходе глушителя, - около 1 м/с. Отработавшие газы поступают на смоченный элемент, изготовленный из композиционного материала шлама и кокса в виде колец Рашига. При контакте газов с мокрым фильтрующим элементом их температура снижается с 350 до 40-45°С. Токсичные компоненты газа окиси углерода, азота, углеводорода адсорбируются материалом насадки. В его микропорах происходит растворение этих компонентов в пленке активированной воды, При растворении указанных компонентов образуются кислоты и соли, которые смываются поступающей водой с поверхности элемента 4 в поддон устройства. Растворенные соли под дейст- . вием электролита коагулируют и выпадают осадок. На нижней поверхности элемента 4 осаждаются мелкие частицы сажи вместе с

конденсированным над ней бензоапире- ном. Адсорбированная сажа смывается водой и сливается в поддон устройства 2, оттуда забирается насосом 8 и через электролизер 9 подается на элемент4, на которой постепенно накапливается слой сажи, являющийся хорошим адсорбентом токсичных компонентов газа и их восстановителем. Очищенные отработавшие газы пропускают

через второй фильтрующий элемент, являющийся одновременно каплеотделителем, где отделяют и удерживают мелкие частицы влаги и выбрасывают в атмосферу.

При пропускании воды чере.з электролизер9 в электрическом поле высокого напряжения образуются ориентированные диполи молекул вод. При этом у разноименных электродов ориентация диполей противоположная. У катода образовавшиеся

диполи воды имеют щелочную характеристику, а у анода - кислотную.

Так, при напряжении электрического тока 16-20 кВ показатель щелочности воды у катода 12-13 ед., тогда как показатель щелочности в исходной воде 6 ед. При увеличении напряжения электрического тока свыше 20 к.В не наблюдается заметного роста показателя щелочности воды, а при снижении напряжения тока ниже 16 кВ щелочность

активированной воды уменьшается до 10 ед. Ориентированные диполи воды с катода подают на элемент 4, а диполи воды с анода сливают в бак 13. Ориентированные диполи воды с катода обладают высокой сорбционной способностью к газам, почти на порядок выше по сравнению с необработанной водой. Активированная вода, смачивая поры насадки, активно поглощает адсорбированные газы, 02, СО, О, СН, которые диссоции-.

руют в пленке воды, окисляются, образуя кислоты. Последние нейтрализуются щелочной основой i активированной воды, в результате ч его получаются нерастворимые соли, осаждаемые с помощью электролита в

поддоне устройства.

По мере накопления сажи на элементе 4 и увеличения ее гидравлического сопротивления До 1200 Па, при котором начинает

снижаться полезная мощность двигателя, что соответствует пробегу автомобиля 700- 1000 км, вскрывают устройство 2, удаляют сажу и отдельно осевшие соли, а насадку промывают. После этого собирают устройство, в бачок 13 заливают воду и продолжают эксплуатацию очистного устройства.

Полученную высококачественную сажу можно использовать как сырье для получения красителей, в резинотехнической промышленности и т.д.

Формула изобретения

1. Способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания путем получения водного раствора, подачи его на пер- выйфильтрующий элемент, последовательного пропускания отработавших газов через первый и второй фильтрующие элементы и выпуска, их в атмосферу, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности, водный раствор получают путем добавления в воду электролита, осуществления электролиза воды и выделения щелочной основы, а водный раствор подают перед пропусканием отработавших газов.

2. Способ по п. 1. о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в качестве электролита используют сульфат алюминия или хлористый натрий.

3. Устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с впускным, выпускным и сливным патрубками и первым и вторым фильтрующими элементами и подводящую трубку с распиливающими отверстиями, связанную с источником водного раствора,

отличающееся тем, что, с. целью повышения эффективности, оно дополнительно содержит вентилятор, электролизер с подводящим и отводящим трубопроводами, насос, установленный в подводящем трубопроводе,и перепускной патрубок, вентилятор установлен на впускном патрубке и сообщен с двигателем электролизер под- ключей через отводящий и подводящий трубопроводы к источн ику водно го раствора, а через перепускной патрубок связан с размещенной между фильтрующими элементами подводящей трубкой с возможностью подачи в последнюю водного раствора, корпус через сливной патрубок сообщен с источником водного раствюра.

А, Устройство по п.З, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что первый фильтрующий элемент выполнен в виде колец Рашига из природного шлама с коксом,

5. Устройство по пп.З и 4, о т л и ч а ю- щ ё е с я тем, что второй фильтрующий элемент выполнен в виде каплёотдели- тельной рыхлой насадки.

Использование: автомобильная промышленность, очистка отработавших газов дизеля. Сущность изобретения: способ очистки отработавших газов включает мокрую очистку газов от сажи, окислов углерода, азота, углеводорода на фильтрующем элементе, выполненном из колец Рашига, изготовленных из композиционного материала- природный шлам и кокс. На фильтрующий элемент подается активированная вода, имеющая высокую сорбционную способность. Активация воды производится в электрическом поле высокого напряжения. Устройство для очистки отработавших газов дополнительно оснащено вентилятором, установленным после глушителя, корпусом с фильтрующими элементами для контактной очистки, электролизером для активации воды, а также снабжено насосом с баком для циркуляции и подачи активированной воды на первый фильтрующий элемент. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.. ч Чя е