Спосіб очищення вихлопних газів двигунів та пристрій для його здійснення

1. Спосіб очищення вихлопних газів двигунів від шкідливих домішок, що включає подачу води в пристрій очистки вихлопних газів, перетворення води в пару, адсорбцію парою води частинок твердих і рідких домішок з утворенням крапельних конгломератів, збір цих конгломератів на фільтрі, а також контактування з каталізаторами газоподібних домішок з наступним їх окисленням до вуглекислого газу і відновленням до атомарного азоту, який відрізняється тим, що очистку газів здійснюють в дві послідовно виконувані стадії шляхом пропускання вихлопних газів через послідовно з'єднані реакційну камеру і фільтр-збірник, причому на першій стадії очистки подають воду пульверизацією з наступними пароутворенням, взаємодією пари води і окису вуглецю з утворенням вуглекислого газу і водню та відновленням цим воднем окислів азоту, а на другій стадії очистки утворені крапельні конгломерати і сірчисті домішки збирають на фільтрі-збірнику. 2. Пристрій очищення вихлопних газів, що має фільтр-збірник, який містить корпус, патрубки і кришки з боку входу і виходу газів, встановлені співвісно в корпусі гвинтову направляючу, зовнішні A (54) СПОСІБ ОЧИЩЕННЯ ВИХЛОПНИХ ГАЗІВ ДВИГУНІВ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ 37389 торів на основі сплавів і солей благородних металів. Наприклад, гранульований каталізатор ШПАК0,5, достатній для одного легкового автомобіля, вміщує приблизно 14 г хлористого паладію, або 7,5 г чистого паладію або платини. Але навіть дорогі каталітичні нейтралізатори не очищають вихлопні гази від канцерогенних домішок, оскільки впливають лише на окис вуглецю і окисли азоту. Сажа, смоли та інші механічні домішки в газах швидко виводять з ладу каталізатор, який потрібно замінювати через 80 тис. км пробігу при роботі на неетильованому бензині. Присутність тетраетилсвинцю в пальному і у вихлопних газах скорочує на порядок і без того коротке "життя" каталізатора. Відомий пристрій для реалізації способу очистки вихлопних газів, що містить корпус з ребрами на внутрішній поверхні і встановлену в ньому трубу, що має ребра на зовнішній поверхні, причому ребра корпусу і труби взаємно розміщені в міжреберних проміжках, покриті шаром каталізатора і виконані у вигляді кільцевих або гвинтових поверхонь з однаковим кроком по довжині корпусу [3]. Корпус закритий кришками, задня з яких має кільцеву пилоуловлюючу камеру. Недоліками даного пристрою є: складність конструкції корпусу через наявність внутрішніх ребер, підвищений гідродинамічний опір руху вихлопних газів і необхідність частого розбирання конструкції пристрою для очистки пилоуловлюючої камери від наповнюючих її механічних домішок. Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу є спосіб очистки вихлопних газів, який передбачає регулярну подачу води для пароутворення з метою зниження температури вихлопних газів, що зменшує шум вихлопу і виключає прогоряння корпусу, і з метою зниження димлення, оскільки механічні домішки вихлопних газів (як тверді, так і рідкі), потрапляючи в середовище "м'якої" водяної пари і рухаючись по спіралі, стають центрами конденсації [4]. При цьому навіть найдрібніші частинки укрупнюються до краплеподібних конгломератів, на які потім діють відцентрові сили, відкидаючи їх на фільтр. Прототипом запропонованого пристрою для очистки вихлопних газів взято пристрій, що містить корпус з вихідною кришкою, розташовану в корпусі трубу з зовнішніми гвинтовими поверхнями і з перфорацією між ними, а також з випарником на початку труби, виконаним у вигляді розсікача відпрацьованих газів, всередині якого знаходиться ємкість для води [5]. При цьому корпус виконаний з термостійкого матеріалу, а всередині корпусу встановлений змінний циліндричний фільтруючий елемент, виконаний з термостійкого діелектрика. На внутрішній поверхні фільтруючого елементу встановлені сітчасті електроди-каталізатори. Крім того, каталізатори нанесені на гвинтові поверхні. Використовується високовольтне джерело для створення плазмового розряду між електродамикаталізаторами з метою допалювання незгорілих вуглеводнів і створення місцевого нагріву до 800...1000°С, що необхідно для окислення окису вуглецю і відновлення окислів азоту при наявності нікель-хромового каталізатора згідно реакції 2CO+2NO=2CО2+N2 (1) Недоліки даного способу і пристрою для його реалізації полягають з тому, що: 1) використову ються одночасно два суперечливі процеси в одному корпусі: пароутворення для зниження температури вихлопних газів і місцевий нагрів газів з допомогою високовольтного джерела, що створює плазмовий розряд між електродами-каталізаторами при температурі 800...1000°С; ці два суперечливі процеси знижують ефективність дії один одного і зумовлюють додаткові витрати енергії; 2) пристрій має підвищену складність конструкції і, відповідно, підвищену складність його ремонту; 3) для очистки фільтру від шару налиплих конгломератів часто потрібна його заміна і, відповідно, часте розбирання пристрою; 4) джерело високої напруги знижує безпеку експлуатації пристрою. При розробці способу і пристрою за винаходом автори керувались такими даними. В об'ємі екологічно шкідливих речовин, що містяться у вихлопних газах, окис вуглецю СО досягає в карбюраторних двигунах 80%, а в дизельних - 25% [2] (див. таблицю). При цьому в загальній масі вихлопного газу СО складає до 12%, останнє характерне для карбюраторних двигунів при роботі на багатих сумішах. Сажа сорбує в собі частину екологічно шкідливих речовин. В цілому, вихлопні гази дизельних двигунів порівняно з карбюраторними містять майже в 2,5 раза менше екологічно шкідливих речовин і в 8 разів менше СО, однак це не знімає проблему очистки вихлопних газів дизелів, враховуючи також значну кількість в них діоксиду сірки (SО2). Таблиця Вміст екологічно шкідливих речовин у вихлопних газах (у кг/1000 л пального) Речовина СО Cm Hm NOx Сажа SO2 Всього Карбюраторний двигун 200 25 20 1 1 247 Дизель 25 8 36 3 30 102 Задачею, на вирішення якої направлені винаходи, є розробка ефективної і економічної технології очистки вихлопних газів двигунів внутрішнього згоряння від шкідливих для навколишнього середовища домішок. Спосіб очистки вихлопних газів і пристрій для його здійснення, згідно з винаходом, створені для вирішення поставленої задачі, дозволяють досягнути технічного результату, який полягає в підвищенні якості і спрощенні технології очистки за рахунок використання більш надійного і ефективного пристрою. Крім того, підвищується безпека його експлуатації. Суть запропонованого способу полягає в тому, що у відомому способі очистки вихлопних газів, який включає подачу води в пристрій очистки газів, перетворення води в пару, адсорбцію парою води частинок твердих і рідких домішок з утворенням крапельних конгломератів, збір цих конгломератів на фільтрі, а також контактування з каталізаторами газоподібних домішок з наступним їх окисленням до вуглекислого газу і відновленням до атомарного азоту, згідно з винаходом, очистку газів 2 37389 здійснюють в дві послідовно виконувані стадії шляхом пропускання вихлопних газів через послідовно з'єднані реакційну камеру і фільтр-збірник, причому на першій стадії очистки подають воду пульверизацією з наступними пароутворенням, взаємодією пари води і окису вуглецю з утворенням вуглекислого газу і воднію і відновленням цим воднем окислів азоту, а на другій стадії очистка утворені крапельні конгломерати і сірчисті домішки збирають на фільтрі-збірнику. Вказаний технічний результат досягається також заявленим пристроєм для очистки газів. Суть його полягає в тому, що відомий пристрій для очистки вихлопних газів, що має фільтр-збірник, який містить корпус, патрубки і кришки з боку входу і виходу газів, встановлені співвісно в корпусі гвинтову направляючу, зовнішні гвинтові поверхні якої покриті каталізаторами, знімний сорбційний фільтр, конічний елемент, розташований з боку виходу газів і утворюючий разом з кришкою і торцем сорбційного фільтру кільцевий пилозбірник, а також бачок для води, відповідно запропонованому технічному рішенню, додатково включає розташовану між двигуном і фільтром-збірником і з'єднану з ними патрубками реакційну камеру, виконану у вигляді як мінімум однієї продовгуватої і розширеної від кінців до середини ємкості, що містить всередині каталізатори і з'єднана з боку двигуна з бачком для води трубопроводом, кінець якого і патрубок двигуна утворюють пульверизатор, а конічний елемент фільтра-збірника має трубчастий вивід, встановлений з можливістю обертання навколо своєї осі і жорстко з'єднаний з гвинтовою направляючою. Реакційна камера може бути виконана зігнутою відносно своєї поздовжньої осі з метою кращого завихрення газів. Для зручності заміни каталізатори в камері можна виконати в формі стрижнів, закріплених на її стінці в отворах. Оскільки фільтр періодично потрібно очищати від конгломератів, зовнішні краї поверхонь гвинтової направляючої доцільно виконати у вигляді скребка, контактуючого з внутрішньою поверхнею фільтра. Для більш ефективного поглинання сорбційним фільтром конгломератів різної природи він може бути виконаний секційним і складатися з кількох циліндрів, розташованих співвісно і послідовно і виготовлених з різних сорбційних матеріалів. Сорбційний фільтр може бути також виконаний з кількох циліндрів, виготовлених з різних матеріалів і розташованих коаксіально. Запропоновану двостадійну очистку вихлопних газів можна здійснювати лише з допомогою пристрою за винаходом, який додатково містить реакційну камеру, тобто винаходи зв'язані між собою єдиним винахідницьким замислом. Рішень, що характеризуються сукупністю ознак винаходів, в доступних джерелах інформації не знайдено і порівняльний аналіз запропонованих способу і пристрою з прототипами дозволяє зробити висновок про те, що вони відрізняються від відомих технологій очистки і конструкцій наявністю нових суттєвих ознак, тобто пре їхню відповідність критерію "новизна". При вивченні інших технічних рішень в даній області техніки не виявлено впливу сукупності відрізняючих ознак винаходів на підвищення якості очистки, що свідчить про творчий характер рішень, тобто про відповідність критерію "винахідницький рівень". Перша стадія очистки вихлопного газу полягає в тому, що із двигуна, вихлопний газ, що має високу температуру, подається через патрубок в реакційну камеру для його завихрення і хімічної реакції. В реакційну камеру методом пульверизації подається вода, яка, перетворюючись на пару, взаємодіє під впливом високої температури газу з окисом вуглецю (як реакція водяного газу): СО+Н2О=СО2+Н2 (2) Реакція відбувається в присутності залізного каталізатора (Fe2O3). Водень, який утворюється при реакції (2), відновлює окис азоту: 2Н2+2NO=N2+2К2О (3) Застосування в реакційній камері (на першій стадії очистки) також нікель-хромового каталізатора буде сприяти вилученню шкідливих домішок СО і NО за рахунок їх взаємодії згідно з реакцією (1). Друга стадія очистки здійснюється в іншому по конструкції корпусі (в фільтрі-збірнику замість глушника), який вміщує фільтр і гвинтову направляючу, В цей корпус надходить очищений в необхідній мірі від СО і NО вихлопний газ разом з залишками парів води (Н2О) та крапельними конгломератами що утворились до надходження в корпус. Завдяки наявності на зовнішніх гвинтових поверхнях направляючої каталізаторів тут відбувається утворення центрів конденсації парів SO2 та відповідних крапельних конгломератів, які повинні відкидатись під дією відцентрової сили на фільтр і в кільцевий пилозбірник. Крім того, сам фільтр як сорбент (наприклад, цеоліт або активоване вугілля) поглинає SО2. Після цього очищений вихлопний газ виходить в атмосферу. Для виконання першої стадії очистки потрібно на 20 л пального для карбюраторних двигунів до 4 л води, а для дизельних двигунів - до 1 л води, що не становить технічних труднощів для реалізації запропонованого способу очистки. На наведеннях рисунках зображена конструкція заявленого пристрою: на фіг. 1 представлена загальна схема пристрою; на фіг. 2 показана реакційна камера (або її частина) в розрізі; на фіг. 3 зображено в розрізі фільтр-збірник; на фіг. 4 і 5 показані в розрізі варіанти конструкції сорбційного фільтру. Пристрій для очистки вихлопних газів (фіг. 1) включає в себе патрубок 1, що з'єднує реакційну камеру 2 з двигуном 3, звідки вихлопні гази подаються в пристрій. На виході пристрою розташований фільтр-збірник 4, вхід якого з допомогою патрубка 5 з'єднаний з виходом реакційної камери. На виході фільтра-збірника є патрубок 6, через який очищені гази виходять в атмосферу. Кожна ємкість реакційної камери (якщо їх більше, ніж одна) з'єднана з боку двигуна трубопроводом 7 з бачком 8 для води. Всередині кожної ємкості поряд із зрізаним під кутом кінцем 10 патрубків 1 і 9 розміщений кінець 11 трубопроводу 7, щоб методом пульверизації подавати воду (фіг.2). В стінках реакційної камери розташовані отвори 12, через які вставлені і закріплені стрижні 13, оснащені каталізаторами. Кожна ємкість реакційної камери виконана такою, що розширюється по поперечному перерізу від кінців до її середини і 3 37389 зігнута відносно поздовжньої осі для стимулювання ще більшого завихрення газів. Всередині фільтра-збірника 4 (фіг. 3) співвісно розташовані гвинтова направляюча 14 і знімний сорбційний фільтр 15, а в кінці фільтра-збірника встановлений співвісно йому конічний елемент 16, діаметр основи якого менше внутрішнього діаметра фільтра 15 з метою утворення між внутрішньою поверхнею вихідної кришки 17 фільтра-збірника, зовнішньою поверхнею конічного елемента 16 і торцем 18 фільтра 15 кільцевого пилозбірника 19 для збору крапельних конгломератів. Крім того, конічний елемент 16 виконаний лійкоподібним, а трубчата частина 22 його виступає з фільтразбірника назовні. При цьому зовнішня кромка 20 передньої частини гвинтової направляючої опирається на внутрішню поверхню конусної вхідної кришки 21 фільтра-збірника, а зовнішня кромка 20 задньої частини гвинтової направляючої опирається на внутрішню поверхню конічного елемента 16 і жорстко з нею з'єднана, наприклад, зварюванням. Зовнішня частина трубчатого виводу 22 має виступи для можливості обертання вручну, наприклад, з допомогою відповідного ключа,, конічного елемента 16 і жорстко зв'язаної з ним гвинтової направляючої 14. У вихідній кришці 17 фільтразбірника виконана зливна лійка 23 з отвором 24, який закривається гвинтовою пробкою 25, Для очистки кільцевого пилозбірника 19 конічний елемент 16 має жорстко зв'язаний з ним важільочисник 26, який огинає внутрішню поверхню кільцевого пилозбірника. Конструкція фільтра 15 (фіг. 4) може складатись з кільцевих циліндрів, наприклад, з трьох 27, 28 і 29, виконаних з сілікагелю, цеоліту та активованого вугілля і розташованих співвісно і послідовно. Кільцеві циліндри, наприклад, 30 і 31 можуть розташовуватись і коаксіально (фіг. 5). Пристрій за винаходом працює таким чином. Вихлопний газ з двигуна 3 надходить через патрубок 1 в першу ємкість реакційної камери 2 і методом пульверизації засмоктує воду з бачка 8. Чим більше подається пального, тим більше утворюється вихлопного газу і тим інтенсивніше він рухається над кінцем 11 трубопроводу 7 і, відповідно, тим більше він засмоктує води в реакційну камеру. Подача води може бути поставлена також в залежність від подачі багатої або бідної суміші пального. Вода, розпилюючись в реакційній камері, перетворюється під дією високої температури газу в пару і в присутності залізного каталізатора взаємодіє з окисом вуглецю CO згідно з формулою (2). Водень, що утворюється при цьому, буде відновлювати окис азоту NО згідно з формулою (3). Якщо в реакційну камеру помістити нікельхромовий каталізатор, то останній буде сприяти виконанню реакції (1). На цьому закінчується виконання першої стадії очистки. З реакційної камери 2 вихлопний газ, очищений від СО і NО, але який ще містить в собі пару води, поступає по патрубку 5 у фільтр-збірник 4 для виконання другої стадії очистки. Під впливом каталізаторів, розміщених на зовнішніх гвинтових поверхнях направляючої, утворюються центри конденсації шкідливих домішок, наприклад для SО2 і тетраетилсвинцю. Крім того, останні будуть безпосередньо поглинатися фільтром-сорбентом 15, а також вступати в реакцію: SО2+С=СО2+S, (4) якщо фільтр або його частина зроблені з активованого вугілля. Під впливом парів води тверді (сажа) і рідинні частинки шкідливих домішок і інші центри конденсації будуть перетворюватися в крапельні конгломерати. Рухаючись по гвинтових поверхнях направляючої 14 потік газу буде закручуватися, а виникаючі відцентрові сили будуть відкидати крапельні конгломерати на фільтр 15 і в кільцевий пилозбірник 19. На цьому закінчується друга стадія очистки вихлопного газу. Фільтр 15 може виконуватися з кількох по довжині і по діаметру частин у вигляді циліндрів (фіг. 4 і 5), виготовлених з різних поруватих матеріалів, наприклад, з цеоліту (як сорбента для SO2 ) і активованого вугілля (тоді можлива реакція (4) для вилучення SO2). Крім того, в радіально протилежних місцях цих циліндрів можуть бути установлені попарно магніти для притягування іонних частинок і крапельних конгломератів шкідливих домішок на фільтр. Вода, яка збирається в кільцевому пилозбірнику 19 з крапельних конгломератів, переходить самопливом в зливну лійку 23 і випускається назовні через отвір 24 при знятті пробки 25. Для того, щоб рідше розбирати фільтр-збірник для очистки від конгломератів, відкривається отвір 24 і з допомогою ключа, який вставляється у виступи трубчатого виводу 22, вручну повертається конічний елемент 16 разом з важелем-очищувачем 26 і гвинтовою направляючою і 4. Очищувач 26 зішкрібає конгломерати з поверхні кільцевого пилозбірника і вони висипаються через отвір 24. Крім того, зовнішня кромка 20 гвинтової направляючої, оскільки виконана так, що торкається внутрішньої поверхні фільтра 15 і однобоко загострена, буде зішкрібати частинки прилиплих конгломератів з внутрішньої циліндричної поверхні фільтра 15, і потім ці частинки подаються гвинтовою направляючою 1 14 як шнеком у зливну лійку 23 і через отвір 24 виштовхуються назовні. Вищеописане видалення конгломератів із фільтра-збірника проводиться в кінці робочого дня. Запропонований спосіб очистки вихлопних газів і пристрій для його здійснення усувають відмічені вище недоліки відомих технічних рішень (прототипу і аналогів), тому що: 1) спрощують конструкцію пристрою і підвищують його надійність, оскільки відсутні складні електричні елементи і висока напруга; 2) різко знижують частоту зняття пристрою для його розбирання і очистки від забруднень конгломератами і, відповідно, знижують експлуатаційні витрати на його функціонування; 3) підвищують якість очистки газу від СО і NО, оскільки для цього одночасно застосовують два методи: запропонований згідно з формулами (2) і (3) і відомий згідно з формулою (1); 4) підвищують якість очистки газу від SO2, тому що для цього застосовують одночасно також два або три методи: через поглинання фільтром сорбентом, через збір крапельних конгломератів і через реакцію (4). 4 37389 Джерела інформації 1. Марцелюк-Кухарук М.Г. Каталитическая очистка выбросных газов от окиси углерода: Сб. науч. тр. "Роль химии в охране окружающей среды": - К.: Наук. думка, 1989. - С. 76. 2. Подгорный А.Н. и др. Перспективы снижения токсичности выбросов поршневых двигателей // Охрана окружающей среды промышленного региона. – К.: Наук. думка, 1980. - С. 126. 3. А.с. СРСР № 785534, кл. F 01 N 3/00, Бюл. № 45, 1980. 4. Егин Н. Фактор чистого воздуха // Изобретатель и рационализатор. – 1991. - № 1. - С. 10 прототип. 5. А.с. СРСР № 1188343, кл. F01N3/00, Бюл. № 40, 1985 - прототип. Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 5 37389 Фіг. 4 Фіг. 5 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6