ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2286201

СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Имя изобретателя: Макаров Александр Александрович (RU); Макаров Александр Михайлович 
Имя патентообладателя: Закрытое акционерное общество "ЭКАТ"
Адрес для переписки: 614990, г.Пермь, ул. Букирева, 15, ПГУ, пат.пов. А.А.Онорину
Дата начала действия патента: 2004.01.20 

Изобретение относится способу и устройству для очистки технологических, выхлопных и вентиляционных газов от примесей органических веществ, сажи, окислов азота. Способ включает каталитическое окисление органических веществ и продуктов их разложения обработкой электрическим полем с одновременной каталитической обработкой газового потока каталитическим покрытием, размещенным на осадительных электродах. Обработку электрическим полем осуществляют ионизацией газового потока коронным разрядом с генерацией озона, атомарного кислорода, заряженных частиц аэрозолей и радикалов. Осадительные электроды выполнены из газопроницаемых пеноматериалов. Каталитическое покрытие синтезировано с бимодальным распределением пористости с типом кристаллизации агломератов коралловидной формы. Устройство содержит осадительные электроды с каталитическим покрытием, выполненные с возможностью прямого пропускания электрического тока или с вмонтированными в них теплогенерирующими элементами для нагрева каталитического покрытия до температуры, необходимой для каталитической обработки газового потока. Изобретение позволяет обеспечить высокую эффективность очистки воздуха - 98% от органических соединений, 39% от сажевых частиц, 90% от оксидов азота и снизить энергозатраты при малой материалоемкости.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к каталитической очистке газовых выбросов дизельных двигателей и промышленных предприятий, а именно к способу и устройству очистки выхлопных газов дизельных двигателей и выбросов промышленных предприятий от органических соединений и продуктов их разложения, оксидов азота, сажи, оксида углерода, озона.

Известен принцип токонагрева каталитических блоков, в том числе и из пеноматериалов, используемых в автомобильных нейтрализаторах при холодном пуске двигателя для достижения температуры процесса (пат. Германии 4241494). Известен также способ очистки газовых выбросов дизельных двигателей одновременно от диоксида азота и сажи по реакции NO2+С--> N+CO2 (заявка ЕПВ 1170472). Известно устройство и способ для обработки отходящих газов промышленных установок от токсичных примесей с использованием плазменного разряда (патент США 6274006), заключающийся в деструкции оксидов азота и летучих органических соединений под действием высоковольтного электрического разряда. Известен способ и устройство очистки газового потока от токсичных примесей введением в газовый поток ионов и радикалов гидроксила, кислорода, перекиси водорода и других генерацией ультрафиолетовым облучением или высоковольтным разрядом (патент США 6264899).

Известен каталитический реактор дожига газовых выбросов, содержащих пары, продукты разложения и неполного сгорания органических соединений, включающий корпус с входной и выходной газопроницаемыми стенками, размещенный внутри корпуса жаропрочный носитель с каталитически активным веществом на основе оксидов металлов и металлов платиновой группы, в котором носитель выполнен в виде блока из трех последовательно установленных пакетов пластин, изготовленных из жаропрочного высокопористого ячеистого материала с пористостью 70-96% и удельной поверхностью 10-50 м2 /г, используется способ каталитического окисления (патент СССР 1819399, 1992). Рабочая температура газа в данном реакторе, при которой осуществляется дожиг, составляет 350-400°С, концентрация углеводородов в газе - 230-1000 мг/м3. Такой реактор требует предварительного нагрева очищаемого воздуха.

В выбранном нами прототипе «Способ и устройство для очистки отходящего воздуха (заявка Германии 10027862, МПК7 F 24 F 3/16, D 01 d 53/86) на предприятиях химической промышленности, в лакокрасочном производстве и на животноводческих хозяйствах отходящий воздух пропускают через конденсатор, где подвергают обработкой переменным электрическим полем. Для повышения эффективности очистки и минимизации потребления энергии предусмотрена одновременная каталитическая обработка воздуха благодаря тому, что электроды конденсатора оснащены покрытием диэлектриком с металлическим катализатором или окисью азота. Перед поступлением в конденсатор отходящий воздух подвергается нагреву электрической дугой или ультрафиолетовым излучением. Недостатком данного устройства являются большие затраты энергии в случае малых концентраций нейтрализуемых соединений на нагрев всего воздушного потока. Кроме того, в данном устройстве невозможно одновременное проведение как окислительных, так и восстановительных реакций, необходимых в случае нейтрализации соединений азота в воздухе. Наличие большого количества сажи в выхлопных газах дизельных двигателей и минеральной составляющей в выбросах промышленных предприятий требуют установки входного фильтра, увеличивающего сопротивление потоку очищаемого газа и требующего постоянной регенерации поверхности пластин конденсатора.

Задачей изобретения является создание способа и устройства для высокоэффективной очистки выхлопных газов дизельных двигателей и выбросов промышленных предприятий от органических соединений и продуктов их разложения, оксидов азота, сажи, оксида углерода, озона.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ очистки газовых выбросов, заключающийся в каталитическом окислении органических веществ и продуктов их разложения обработкой электрическим полем с одновременной каталитической обработкой газового потока каталитическим покрытием, размещенным на электродах, и отличительных существенных признаков, таких как обработку электрическим полем осуществляют ионизацией газового потока коронным разрядом с генерацией озона, атомарного кислорода, заряженных частиц аэрозолей и радикалов, причем каталитическое покрытие размещено на осадительных электродах, выполненных из газопроницаемых пеноматериалов, и синтезировано с бимодальным распределением пористости с типом кристаллизации агломератов коралловидной формы, за счет чего на поверхности осадительных электродов с каталитическим покрытием осуществляют процесс одновременного окисления органических соединений, сажи, восстановление оксидов азота и озона.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в пункте 2 формулы изобретения, а именно устройство для осуществления способа очистки газовых выбросов, как описано выше, отличается тем, что осадительные электроды с каталитическим покрытием выполнены с возможностью прямого пропускания электрического тока или с вмонтированными в них теплогенерирующими элементами для нагрева каталитического покрытия до температуры, необходимой для каталитической обработки газового потока. При этом устройство содержит вертикальный корпус.

Вышеприведенная совокупность признаков позволяет получить технический результат - повышение эффективности очистки и снижение энергозатрат.

Устройство работает следующим образом. Температура, необходимая для поддержания каталитического дожига органических соединений, оксидов углерода и азота в воздушном потоке, достигается непосредственным нагревом каталитических блоков (джоулевым теплом при прямом пропускании электрического тока через каталитические блоки либо посредством специализированных теплогенерирующих элементов, вмонтированных в блоки). При этом вся потребляемая для нагрева энергия выделяется в требуемом месте - на поверхности каталитического блока, где и происходит окисление сорбированных каталитической поверхностью с заданным размером пор из газовой фазы органических соединений. В вертикальной камере создается тяга за счет конвекции, и газовые выбросы поступают в следующую камеру. Для обеспечения требуемой производительности возможно принудительное нагнетание. За счет электрофильтрации происходят осаждение и агрегация частиц сажи на каталитических блоках, где происходит реакция NO x+С--> N2+CO2. Кроме того, генерируемый коронным разрядом электродов озон, ионы и радикалы окисляют остатки органических соединений и продуктов их разложения и оксида углерода, при этом, проходя через каталитические блоки, на выходе полностью разлагается до кислорода, воды и углекислого газа. Разложение озона и рекомбинация образующихся при коронном разряде радикалов на каталитических блоках происходит с выделением тела, что поддерживает необходимую для каталитических реакций температуру на блоках.

Устройство для осуществления предлагаемого способа показано на фиг.1.

Устройство содержит разъемный корпус 1 с нижним забором очищаемого воздуха. В корпусе расположена сборка нагреваемых каталитических блоков на основе пеноматериалов с поджатыми контактами 2. Далее каталитические блоки на основе пеноматериалов образуют камеру 3 с коронирующим электродом 4.

Предлагаемый способ в данном устройстве реализуется следующим образом. Каталитическая очистка происходит на высокоразвитой поверхности нагреваемой каталитической секции окисления органических соединений, монооксида азота и оксида углерода, содержащей газопроницаемый каталитический блок из пеноматериала с каталитическим покрытием на основе оксидов алюминия и окислов редкоземельных и переходных металлов по всему объему блока. Покрытие оксида алюминия на пеноматериалах синтезировано с бимодальным распределением пористости, при особом типе кристаллизации агломератов коралловидной формы. Пористость получена в результате упаковки кристаллитов оксида алюминия в «коридор из пор» - широкие сквозные поры, необходимые для свободного массопереноса реагентов не только в структуре носителя - пеноматериала, но и в поверхностном слое оксида алюминия, имеющего в данном случае удельную поверхность 10 м2/см3 или 100000 м-1. В этом случае каталитические реакции идут в наиболее эффективной кинетической области, исключая медленную диффузионную составляющую константы скорости реакции. Заявляемый в способе нагрев каталитических блоков обеспечивает необходимую температуру именно в месте протекания каталитической реакции на поверхности блоков между сорбированными молекулами окисляемого соединения и кислорода. В этом случае энергия расходуется только на нагрев материала блоков и не требует нагрева всего объема газа до температуры реакции. Потерянное на нагрев газа тепло используется в заявляемом способе на обеспечение конвективного потока газа через устройство в случае отсутствия принудительного нагнетания и может быть использовано для подогрева входящего неочищенного газа в рекуперативном теплообменном устройстве.

В ионизационной камере со стенками из пеноматериала с каталитическим покрытием поток газа поддерживается эффектом, возникающим при коронном электрическом разряде («ионный ветер»). Образующиеся в объеме камеры озон-ионы и радикалы разлагаются и рекомбинируются при похождении газового потока через каталитические блоки, высвобождая полученную при ионизации энергию в форме тепла, поддерживающего температуру непосредственно на каталитической поверхности блоков. Улавливание и агрегация сажевых частиц за счет эффекта электрофильтрации происходит также на поверхности блоков. Образующееся сажевое покрытие на блоках выгорает, восстанавливая диоксид азота

Технические решения, последовательно применяемые друг за другом в предлагаемом способе и реализуемые в предлагаемом устройстве, дают синергетический эффект, обеспечивающий высокую эффективность очистки воздуха (98% от органических соединений, 39% от сажевых частиц и 90% от оксидов азота) и существенную экономию энергозатрат при малой материалоемкости.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления представляют собой сочетание различных воздействий на объект (газовые выбросы) в определенной последовательности и при определенных условиях, а также совокупность технических средств и их взаимосвязей для осуществления способа. Перечисленная совокупность признаков заявляемого способа и устройства позволяет по сравнению с прототипом обеспечить высокую эффективность очистки воздуха от органических соединений, аммиака, оксида углерода и озона и оптимальные условия работы каталитических блоков. Поиск, проведенный по источникам патентной и научно-технической информации, не выявил решений, содержащих признаки, идентичные полной совокупности существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, следовательно, предлагаемый способ и устройство соответствует критериям новизны и существенного отличия от прототипа и аналогов.

Сущность заявляемых технических решений для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод об их соответствии критерию «изобретательский уровень».

Возможность использования заявляемых технических решений в промышленности позволяет сделать вывод об их соответствии критерию «промышленная применимость».

Система испытана на дизельном двигателе R6S310DR производства Чехии, установленном на тепловозе ЧМЭ-3 №5106 Свердловского управления РЖД и двигателе 12D49 производства Коломенского машиностроительного завода локомотива BR232, г.Коттбус, Германия. Результаты испытаний на реостатном стенде, при нагрузке двигателя показали уменьшение выброса окислов азота на отдельных режимах испытательного цикла на 90% и сажи на 39% только при включенном напряжении центрального электрода.

 

Примеры конкретного выполнения заявляемого способа, параметры устройства и его составляющих частей приведены в фиг.1-5 и таблицах 1-2.

Таблица 1

Температура блоков на основе пеноматериала при нагреве блоков прямым пропусканием тока
Размер блока, мм Напряжение, В Ток, А Мощность, Вт Время нагрева, мин Температура, °С
100×70×40 24 18,5 444 1 100
100×70×40 24 21,5 516 1 220
100×70×40 24 22,8 547,2 1 300
100×70×40 24 24 578 1 340
100×70×40 24 25 600 1 360
100×70×40 24 30 720 1 420
100×70×40 24 35 840 1 480
100×70×40 24 36 864 1 500
100×70×40 24 39,5 948 1 530
100×70×40 24 41 984 1 555
100×70×40 24 42 1008 1 580
100×70×40 24 43 1032 1 610
Таблица 2

Эффективность работы устройства по дожигу акролеина в газовых выбросах химического реактора синтеза смолы при разных режимах и давлении 133 Па
Концентрация акролеина, мг/м 3 Степень очистки, %
До блока После
60,3 7,3 87,9
71,1 6,0 91,5
110,4 7,6 93,1
98,1 3,1 96,98
115,7 3,8 96,7
136,4 3,1 97,7
53,5 0,95 98,2

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Патент Германии №4241451.

2. Заявка ЕПВ 1170472, МПК7 F 01 N 3/08.

3. Патент США 6274006, МПК7 В 01 J 19/08.

4. Патент США 6264899, МПК7 В 01 J 19/08.

5. Патент СССР 1819399, 1992.

6. Заявка Германии 10027862, МПК 7 F 24 F 3/16, D 01 d 53/86.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ очистки газовых выбросов, заключающийся в каталитическом окислении органических веществ и продуктов их разложения обработкой электрическим полем с одновременной каталитической обработкой газового потока каталитическим покрытием, размещенным на электродах, отличающийся тем, что обработку электрическим полем осуществляют ионизацией газового потока коронным разрядом с генерацией озона, атомарного кислорода, заряженных частиц аэрозолей и радикалов, причем каталитическое покрытие размещено на осадительных электродах, выполненных из газопроницаемых пеноматериалов, и синтезировано с бимодальным распределением пористости с типом кристаллизации агломератов коралловидной формы, за счет чего на поверхности осадительных электродов с каталитическим покрытием осуществляют процесс одновременного окисления органических соединений, сажи, восстановление оксидов азота и озона.

2. Устройство для осуществления способа очистки газовых выбросов по п.1, отличающееся тем, что осадительные электроды с каталитическим покрытием выполнены с возможностью прямого пропускания электрического тока или с вмонтированными в них теплогенерирующими элементами для нагрева каталитического покрытия до температуры, необходимой для каталитической обработки газового потока.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что содержит вертикальный корпус.

 

Версия для печати
Дата публикации 24.02.2007гг


вверх