Результат интеллектуальной деятельности: Динамическое устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и, в частности, к устройствам для очистки и шумоглушения выхлопных газов судовых двигателей.

Известен комплексный глушитель-очиститель отработавших газов, включающий корпус, снабженный диффузором и конфузором (коническими крышками) с входным и выпускным патрубками, съемной крышкой, фильтрующей вставкой, состоящей из плоских, зигзагообразных и конусных перфорированных кожухов, образующих между собой и внутренней поверхностью корпуса полости, между плоскими перфорированными кожухами крышки и днища корпуса установлены параллельно движению отработавших газов вертикальные зигзагообразные контейнеры с перфорированными стенками, образующие между собой зигзагообразные газовые каналы, вышеуказанные полости и зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами шлаковой пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм [Патент РФ №2465471, МПК F01N 3/08, 2012].

Недостатками известного устройства являются громоздкая конструкция, обусловленная потребностью значительного объема гранулированного шлака, и невозможность его регенерации без отключения от двигателя, что увеличивает гидравлическое сопротивление аппарата, требует значительного пространства для его размещения, создает затруднения в его эксплуатации и, таким образом, снижает его эффективность.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является комплексное устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя, содержащее корпус, снабженный коническими крышками, съемной боковой крышкой, входным и выпускным газовыми и озоновым патрубками, штуцерами подачи промывочной воды и слива загрязненной воды, соответственно, внутри которого снизу вверх расположены поддон, смесительная камера, камера очистки, состоящая из нескольких секций, каждая из которых содержит опорную решетку, на которой установлена фильтрующая вставка (адсорбер), состоящая из вертикальных зигзагообразных контейнеров с перфорированными стенками, образующих между собой зигзагообразные газовые каналы, при этом зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, внутри камеры очистки над каждой секцией установлены распределители промывочной воды, представляющие собой перфорированные снизу трубы, соединенные со штуцерами промывочной воды, а в смесительной камере устроен распределитель озона, представляющий собой перфорированную сверху трубу, соединенную через патрубок с озонатором [Патент РФ №2536749, МПК F01N 3/08, 2014].

Основными недостатками известного устройства являются сложная конструкция зигзагообразных контейнеров, невозможность его удовлетворительной работы во всем диапазоне нагрузок двигателя, низкая поглотительная способность адсорбента, обусловленная тем, что процесс окисления NO_X озоном осуществляется в зоне адсорбции на поверхности и в порах гранул пемзы, что увеличивает концентрацию кислорода в этой зоне, который также адсорбируется гранулами пемзы, снижая тем самым удельную поверхность адсорбента для проведения адсорбции самих NO_X, и невозможность существенного уменьшения концентрации СО₂, что, в конечном итоге, снижает эффективность очистки выхлопных газов.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности динамического устройства для очистки выхлопных газов судового двигателя.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое динамическое устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя содержит смесительно-окислительную камеру, представляющую собой вертикальный полый цилиндрический корпус с тангенциальным патрубком входа выхлопных газов, расположенным в верхней части корпуса, и патрубком выхода выхлопных газов, расположенным в нижней части корпуса, снабженного верхней торцевой крышкой, коаксиальным патрубком входа озоновоздушной смеси в ней и коническим днищем со сливным штуцером, абсорбер, представляющий собой вертикальный полый цилиндрический корпус с коническим днищем со сливным штуцером, съемной крышкой, патрубком входа выхлопных газов, расположенным в нижней части корпуса и соединенным с патрубком выхода выхлопных газов смесительно-окислительной камеры, патрубком выхода выхлопных газов и патрубком подачи абсорбционной воды с душирующим устройством, расположенными в верхней части корпуса, адсорбер, представляющий собой вертикальный цилиндрический корпус с коническим днищем со сливным штуцером, съемной крышкой, патрубком входа выхлопных газов, соединенным с патрубком выхода выхлопных газов абсорбера, байпасным патрубком, расположенными в верхней части корпуса адсорбера, патрубком выхода очищенных выхлопных газов, расположенным в нижней части корпуса под углом, равным или больше углу естественного откоса воды α, соединенным с байпасным трубопроводом, снабженным клапаном и трубопроводом выхода очищенных выхлопных газов с каплеотбойником, внутри корпуса адсорбера помещены сверху вниз адсорбционные секции, состоящие из горизонтальных опорных решеток, уложенных на опорные уголки и заполненных гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, причем над каждой адсорбционной секцией установлены распределители промывочной воды, состоящие из штуцера с душируюшим устройством, соединенные с коллектором промывочной воды через вентили, а сливные штуцеры смесительно-окислительной камеры, абсорбера и адсорбера соединены через вентили с коллектором кислой воды, снабженным на выходе гидрозатвором высотой Н.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид динамического устройства для очистки выхлопных газов судового двигателя (ДУОВГ), на фиг. 2 - поперечный разрез камеры озонового окислителя, на фиг. 3, 4 - узлы Б и В (стыковка опорной решетки в адсорбере и каплеотбойное устройство в выходном трубопроводе).

ДУОВГ содержит: смесительно-окислительную камеру 1, состоящую из полого вертикального цилиндрического корпуса 2 с тангенциальным патрубком входа выхлопных газов 3, расположенным в верхней части корпуса 2, патрубком выхода выхлопных газов 4, расположенным в нижней части корпуса 2, снабженного верхней торцевой крышкой 5 с коаксиальным патрубком входа озоновоздушной смеси 6 и коническим днищем 7 со сливным штуцером 8; абсорбер 9, состоящий из полого вертикального цилиндрического корпуса 10 с коническим днищем 11 со сливным штуцером 12 и съемной крышкой 13, патрубком входа выхлопных газов 14, расположенным в нижней части корпуса 10 и соединенным с патрубком выхода выхлопных газов 4 камеры 1, патрубком выхода выхлопных газов 15 и патрубком подачи абсорбционной воды 16 с душируюшим устройством 17, расположенными в верхней части корпуса 10; адсорбер 18, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса 19 с коническим днищем 20 со сливным штуцером 21 и съемной крышкой 22, патрубком входа выхлопных газов 23, соединенным с патрубком выхода выхлопных газов 15 абсорбера 9, байпасным патрубком 24, расположенными в верхней части корпуса 19, патрубком выхода очищенных выхлопных газов 25, расположенным в нижней части корпуса 19 под углом, равным или больше углу естественного откоса воды α, соединенным с байпасным трубопроводом 26, снабженным клапаном 27 и трубопроводом выхода очищенных выхлопных газов 28 с каплеотбойником 29, внутри корпуса 19 помещены сверху вниз по ходу выхлопных газов адсорбционные секции 30, состоящие из горизонтальных опорных решеток 31, уложенных на опорные уголки 32 и заполненных гранулами пемзы 33, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, причем над каждой адсорбционной секцией 30 установлены распределители промывочной воды 34, состоящие из штуцера 35 с душируюшим устройством 36, соединенные с коллектором промывочной воды 37 через вентили 38, а сливные штуцеры 8, 12, 21 соединены через вентили 39 с коллектором кислой воды 40, снабженным на выходе гидрозатвором 41 высотой Н.

В основе работы предлагаемого ДУОВГ лежит использование в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов гранулированной шлаковой пемзы и в качестве окислителя - озона для ускорения процесса очистки. Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO₂, Al₂O₃, MnO) с модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А.С. и др. - М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А.К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам шлаковой пемзы основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NO_x, SO_x, СО_х), а высокая пористость их структуры позволяет использовать гранулы шлаковой пемзы в качестве эффективного звукопоглощающего материала [В.Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II. - М.: Стройиздат, 1978, с. 391]. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов выхлопных газов, широко доступны и дешевы. Для повышения скорости адсорбции и, соответственно, уменьшения объема шлаковой пемзы в предлагаемом устройстве производится предварительное окислении вредных компонентов выхлопных газов - оксидов азота, оксидов серы и оксидов углерода (NO_x, SO_x, СО_х) до NO₂, SO₃, СО₂, у которых кислые свойства более высокие, чем у оксидов, активным окислителем-озоном [Ежов B.C. Механизм процессов окисления оксидов азота при синхронной очистке и утилизации газообразных выбросов теплогенерирующих установок. Энергосбережение и водоподготовка. №3, 2008. - С. 48-58]. Для снижения концентрации кислорода (О₂) и диоксида углерода (CO₂) в выхлопных газах после окисления оксидов азота (NO_x) озоном используется абсорбция O₂, СО₂, NO_x водой, которые растворяются в абсорбционной воде [Справочник химика. - М. - Л.: Химия 1965, с. 316] со снижением температуры выхлопных газов, что увеличивает скорость адсорбции NO_x в гранулах шлаковой пемзы.

Предлагаемое ДУОВГ работает следующим образом (рассматривается вариант максимальной нагрузки двигателя при закрытом клапане 27). Выхлопные газы из газового коллектора (на фиг. 1-4 не показан) через тангенциальный патрубок входа выхлопных газов 3 поступают в смесительно-окислительную камеру 1, образуя закрученный газовый поток, в котором выхлопные газы интенсивно смешиваются с озоновоздушной смесью, поступающей из патрубка 6, куда он подается из озонатора или озонового коллектора (на фиг. 1-4 не показаны). Ввиду высокой реакционной способности озона и интенсивного смешения в камере 1, помимо процесса смешения озона с выхлопными газами, происходит окисление большей части содержавшихся в выхлопных газах монооксидов азота (NO) до диоксидов (NO₂), диоксидов серы (SO₂) до серного ангидрида (SO₃) и монооксида углерода (СО) до диоксида углерода (СО₂) с расходом всего озона и конденсация некоторой части паров воды, после чего газовая смесь, обогащенная кислородом (О₂) и диоксидом азота (NO₂), через патрубки 4 и 14 поступает в нижнюю зону абсорбера 9, а образовавшийся кислый конденсат через штуцер 8 поступает в коллектор кислой воды 40. Абсорбер 9 сверху орошается через душирующее устройство 17 абсорбционной водой, которая при контакте с выхлопными газами поглощает образовавшиеся NO₂, CO₂, O₂, SO₂ (если в газе присутствуют SO₂), в результате чего в выхлопных газах на выходе из абсорбера 9 их концентрация значительно снижается. Кроме того, в процессе абсорбции абсорбционная вода поглощает мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), нагревается, в результате охлаждения выхлопных газов, и через штуцер 12 поступает в коллектор кислой воды 40. Далее, частично очищенные и охлажденные выхлопные газы через патрубки 15 и 23 поступают в верхнюю зону адсорбера 18 и проходят через адсорбционные секции 30, заполненные гранулами 33 шлаковой пемзы диаметром от 5 до 10 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков (диаметр гранул 33 назначен из стандартной номенклатуры размеров гранул шлаковой пемзы). В процессе движения через адсорбционные секции 30 выхлопные газы через отверстия в опорных решетках 31 заполняют свободное пространство между гранулами шлаковой пемзы 33, находящиеся в газовой смеси NO_x, SO_x, СО_х контактируют с гранулами 33, адсорбируясь на поверхности их пор, причем оставшиеся NO₂, SO₃, СО₂ адсорбируются значительно быстрее, чем NO, SO₂, СО, ввиду указанных выше обстоятельств. При этом концентрация NO₂, SO₃, СО₂ и О₂ в газовом потоке после их поглощения в абсорбере 9 значительно меньше, чем после смесительно-окислительной камеры 1, что интенсифицирует процесс адсорбции собственно NO гранулами шлаковой пемзы 33 в адсорбере 18. Поток выхлопных газов, проходя адсорбционные секции 30 и многократно попадая на поверхность гранул 33 и вовнутрь их, очищается от остатка вредных примесей (NO_x, SO_x, СО_х), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 33. Адсорбированные из отработавших газов оксиды азота, диоксиды серы, оксиды углерода в порах гранул 33 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента-гранул 33 шлаковой пемзы [Неницеску К. Общая химия. - М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом (кислород присутствует в выхлопных газах в результате избытка воздуха, подаваемого на сжигание топлива, и подачи озоно-воздушной смеси) со скоростью большей, чем в газовой фазе, с образованием легкорастворимых в воде NO₂ и SO₃. Адсорбированные NO₂, SO₃, СО₂, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды, образующейся в порах гранул 33 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в выхлопных газах, с образованием соответствующих кислот HNO₃, H₂SO₄ и Н₂СО₃. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 33 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.). После очистки в последней по ходу газа секции 30 очищенные до требуемой степени очистки выхлопные газы выводятся из адсорбера 18 через патрубок выхода очищенных выхлопных газов 25 и трубопровод 28, установленные под углом, равным или большим углу естественного откоса воды α, проходят через каплеотбойник 29, где освобождаются от уносимых капель воды, которые стекают под действием сил тяжести в конусное днище 20 и выбрасываются в атмосферу. Одновременно с процессом очистки выхлопных газов в ДУОВГ происходит глушение их шума путем поглощения звука высокопористой структурой гранул 33, которые находятся в адсорбционных секциях 30.

Байпасный трубопровод 26 с клапаном 27 служат для регулирования нагрузки ДУОВГ. При малой нагрузке двигателя ДУОВГ работает при открытом клапане 27, малых расходах озона и абсорбционной воды в камере 1 и абсорбере 9. При увеличении нагрузки двигателя увеличивают расход озона и абсорбционной воды в этих аппаратах и если этого недостаточно, то прикрывают клапан 27 и частично очищенные и охлажденные выхлопные газы поступают в адсорбер 18, в котором процесс их очистки происходит аналогично вышеописанному. При следующем увеличении нагрузки клапан 27 прикрывают еще и большая часть частично очищенных выхлопных газов поступает в адсорбер 18 и так до полного максимума нагрузки двигателя при закрытом клапане 27, когда все выхлопные газы проходят через адсорбер 18.

При падении активности гранул 33 их подвергают регенерации - очистке поверхности и пор гранул шлаковой пемзы 33 в адсорбционных секциях 30 адсорбера 18 от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей. Процесс регенерации осуществляется путем промывки гранул 33 из коллектора промывочной воды 37 водой, подаваемой через штуцеры 38, и удаления грязной воды из конического днища 20 через штуцер 39 в коллектор кислой воды 40. При этом конструкция ДУОВГ позволяет проводить процесс регенерации адсорбента (гранул шлаковой пемзы 33) без отключения от двигателя.

В коллекторе кислой воды 40 собирается кислый конденсат из смесительно-окислительной камеры 1, абсорбционная и промывочная воды, насыщенные кислыми компонентами и шламом из абсорбера 9 и адсорбера 18, образующими кислую воду. Высота Н гидрозатвора 41 коллектора кислой воды 40 выбирается из условий предотвращения проскока выхлопных газов через штуцеры 8, 12, 21. Так как кислая вода содержит значительные примеси вредных веществ (HNO₃ H₂SO₄, Н₂СО₃ шлам и пр.), то в зависимости от уровня санитарных требований места пребывания судна кислая вода либо сбрасывается в бассейн либо подвергается очистке на судне (например, на анионитовых фильтрах) и повторно используется.

Размеры и производительность аппаратуры ДУОВГ определяют такими, чтобы они обеспечивали эффективную очистку выхлопных газов во всем диапазоне нагрузок двигателя. Расход озона в камере 1, плотность орошения в абсорбере 9, число адсорбционных секций 30, объем гранул шлаковой пемзы 33, живое сечение секций 30, расход промывочной воды и периодичность промывки в адсорбере 18 определяются в зависимости от мощности судового двигателя, допустимого сопротивления ДУОВГ, расхода и типа топлива, требуемых степени очистки и снижения уровня звуковой мощности выхлопных газов.

Таким образом, динамическое устройство для очистки выхлопных газов судового двигателя позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить выхлопные газы от вредных примесей (NO_x, SO_x, СО_х, частицы сажи и пр.) и одновременно снизить их шум до требуемого уровня во всем диапазоне нагрузок двигателя, используя в качестве окислителя озон, в качестве абсорбента воду, адсорбента и шумопоглотителя - гранулы шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков с модулем основности М>1, и производить регенерацию адсорбента без отключения от двигателя.