Патент на изобретение №2237816
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) РЕАКТОР НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам очистки и обезвреживания воздушной среды от вредных веществ – твердых частиц и токсичных газов. Реактор содержит ультрафиолетовый излучатель, выполненный в виде, по меньшей мере, одной УФ-лампы из кварцевого стекла со сплошным спектром излучения в интервале 190-420 нм, длиной 50-150 см, которая вмонтирована в корпус из кислотостойкого материала так, что очищаемый газ проходит со скоростью 0,1-0,5 м/с в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом, причем твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса и далее в ловушку. Реактор снабжен гасителем скорости нестационарных газовых потоков, установленным в корпусе на входе в реактор и выполненным в виде тонкостенного цилиндра, имеющего внутри лопатки с углом наклона не менее 80
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам очистки и обезвреживания воздушной среды от вредных веществ – твердых частиц и токсичных газов в условиях стационарных и нестационарных пылегазовых потоков, и может быть использовано в системах нейтрализации отработавших газов ДВС, в системах очистки отходящих газов металлургических агрегатов, в системах вытяжной и приточной вентиляции кабин и салонов транспортных средств, производственных и бытовых помещений. Известны установки и комбинированные устройства очистки воздуха от токсичных газов, в т.ч. и загрязненных твердыми частицами [Патент RU 2173639 C1, кл. В 60 Н 3/06, F 24 F 3/16, опубл. 2001, Патент RU 2145668 C1, кл. F 01 N 3/10, опубл. 2000], которые представляют собой модульную (блочную) конструкцию, обязательно содержащую корпус с входным и выходным отверстиями, в котором размещены фильтры-пылеулавливатели, каталитические и сорбционные нейтрализаторы, и, при необходимости, вентилятор, индикаторы, шумоизоляцию и т.д. Однако известные устройства не универсальны, их области применения ограничены. Так, если каталитический реактор (Патент RU 2145668) работает при повышенных температурах, то низкотемпературный катализатор (Патент RU 2173639) – в диапазоне температур отапливаемых помещений. Другими недостатками известных устройств, при достаточно высокой степени очистки, являются ограниченная пылеемкость фильтрующих элементов, разрушение гранул сорбента, что обуславливает потребность в расходуемых материалах, необходимость их замен и регенерации. Эти недостатки повышают трудоемкость обслуживания этих устройств в эксплуатации, не позволяют их использовать в непрерывном рабочем режиме. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является реактор нейтрализации выхлопных газов автомобилей [Патент RU 2155874 C1, кл. F 01 N 3/08, опубл. 2000]. Долговечность рабочего элемента этого устройства пылеемкостью не ограничена, расходуемые материалы не требуются – сорбент отсутствует, температура окружающего воздуха и очищаемого газа на работоспособность не влияет. Реактор устройства состоит из двух ступеней. Первая – содержит УФ-лампу (длиной 50-150 см, в зависимости от мощности автомобиля), вмонтированную в корпус из кислотостойкого материала. При прохождении газа в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом со скоростью 0,1-0,5 м/с происходит атомизация молекул токсичных компонентов газа с последующей рекомбинацией, приводящей к образованию стабильных молекул 2, CO2, РbO2. Вторая ступень реактора, имеющая корпус меньшего диаметра, снабжена направляющими лопатками и ловушкой соответственно для инерционного отделения и улавливания твердых частиц и цилиндрическим фильтром, через который газ фильтруется в газопровод. Вместе с тем прототип предназначен только для очистки выхлопных газов ДВС, в частности стационарных ДВС, в которых диапазон скоростей истечения отработавших газов не превышает пятикратного отношения максимальной скорости к минимальной, тогда как в современных автотранспортных средствах максимальные и минимальные значения скоростей отработавших газов в зависимости от режима движения различаются в 6-8 раз. Причем зависимость габаритов реактора от длины 50-150 см УФ-ламп, рекомендуемых для применения, делают затруднительным использование реактора в системах выпуска отработавших газов легковых автомобилей массового производства, более мощных, в частности, чем автомобили семейства ВАЗ, размеры газоходов которых практически не отличаются. Также недостатком его конструкции является отсутствие устройства удаления твердых частиц из реактора, что не позволяет использовать реактор в непрерывном рабочем режиме производственных процессов. Задачей данного изобретения является создание конструкции реактора нейтрализации токсичных газовых выбросов, эффективно действующего как при движении пылегазовых потоков с относительно постоянными скоростями, так и в диапазоне 8-10-кратного изменения скоростей нестационарных пылегазовых потоков. Дополнительной задачей изобретения является создание конструкции реактора нейтрализации токсичных газовых выбросов с применением одного типоразмера УФ-ламп для автомобилей массового производства. Дополнительной задачей изобретения является создание конструкции реактора нейтрализации токсичных газовых выбросов, снабженного устройством удаления твердых частиц. Технический результат – создание универсального реактора для нейтрализации токсичных газовых выбросов в широком диапазоне свойств пылегазовых потоков, создание единой конструкции реактора для ДВС автомобилей массового производства, расширение области применения реактора, в частности использование реактора в непрерывном рабочем режиме в производственных процессах для очистки от вредных веществ отходящих газов, близких по составу к выхлопным газам, в системах приточной и вытяжной вентиляции. Указанный технический результат достигается тем, что реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов, содержащий ультрафиолетовый излучатель, выполненный в виде, по меньшей мере, одной УФ-лампы из кварцевого стекла со сплошным спектром излучения в интервале 190-420 нм, длиной 50-150 см в зависимости от мощности газовых выбросов, которая вмонтирована в корпус из кислотостойкого материала так, что очищаемый газ проходит со скоростью 0,1-0,5 м/с в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом, причем твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса и далее в ловушку, снабжен гасителем скорости пылегазовых потоков, установленным в корпусе на входе в реактор и выполненным в виде тонкостенного цилиндра, имеющего внутри лопатки с углом наклона не менее 80 Кроме того, внутренний диаметр тонкостенного цилиндра гасителя скорости и внутренний диаметр приемной трубы глушителя системы выпуска ДВС автомобиля имеют соотношение 3:1. Кроме того, корпус имеет газоход в виде конического закручивающего поток устройства, а ловушка снабжена кольцевой щелью для удаления твердых частиц. Сущность предлагаемого технического решения проиллюстрирована графическим материалом, где на фиг.1 изображена схема реактора, на фиг.2 дано место I реактора с элементами гасителя скорости на фиг.1; на фиг.3 – фронтальная проекция места I реактора с элементами гасителя скорости на фиг.2; на фиг.4 – сечение А-А реактора на фиг.3; на фиг.5 – вариант установки реактора в систему выпуска ДВС легкового автомобиля. Реактор содержит цилиндрический корпус 1, гаситель скорости газовых потоков 2 в виде тонкостенного цилиндра 3, имеющего внутри лопатки 4 с углом наклона не менее 80 Гаситель скорости 2 пылегазового потока вышеуказанной конструкции позволяет на порядок снизить величину вектора скорости потока и уменьшить до 1,5-2,0 раз интервал отношений максимального значения скорости к минимальному, таким образом, что поступающий в реактор пылегазовый поток, в частности, со скоростями 1-10 м/с после гасителя 2, имеющего, например, диаметр тонкостенного цилиндра 150 мм, еще до поступления в кольцевое пространство между УФ-лампой 8 и корпусом 1 будет иметь в осевом направлении скорости 0,2-0,3 м/с. Снижение скорости пылегазового потока и сужение интервала между минимальным и максимальным значениями происходит за счет, соответственно: а) изменения направления движения потока с прямолинейного на винтовое и появления касательной составляющей скорости при взаимодействии пылегазового потока с лопатками 4, установленными под углом к направлению его движения, и б) преобразования части кинетической энергии потока в потенциальную энергию деформации сдвига упругих колец 5. Т.к. детали реактора контактируют с агрессивной средой, которой является пылегазовый поток, поступающий в реактор с температурой до 900 Назначение лопаток 4 изменять направление пылегазового потока с прямолинейного на винтовое внутри корпуса 1 с сохранением движения потока вдоль оси корпуса 1 в сторону УФ-лампы 8. Лопатки 4 установлены внутри тонкостенного цилиндра 3 к продольной оси корпуса 1 под углом 80 Упругие кольца 5 преобразуют кинетическую энергию потока в потенциальную энергию деформации сдвига и, одновременно, обеспечивают герметичное соединение корпуса 1 и гасителя 2. Т.к. прочностные свойства резины – материала, из которого изготовлены упругие кольца 5, при повышении температуры снижаются, то для ограничения деформации упругих колец 5 (под воздействием пылегазового потока) тонкостенный цилиндр 3 имеет в диаметрально противоположных точках упоры 6, которые вставлены в выполненные в корпусе 1 две диаметрально расположенные сквозные прорези 7. Длина прорезей 7 по дуге окружности 42-45 Таким образом, вне вышеуказанного интервала скоростей гаситель 2 работает как жесткий лопаточный завихритель, сообщающий потоку винтовое движение. Причем в случае движения пылегазового потока со скоростью ниже 4-5 м/с снижение его скорости вдоль оси реактора происходит только за счет появления касательной составляющей. Предпочтительные размеры для внутренних диаметров тонкостенного цилиндра 3 и корпуса 1 реактора 150-250 мм, что обеспечивает возможности применения реактора в одиночном исполнении в системах выпуска стационарных и автотранспортных ДВС, а также в групповых и батарейных отечественных аппаратах для систем вытяжной и приточной вентиляции. Размеры элементов гасителя скорости 2 связаны численными соотношениями с внутренним диаметром D тонкостенного цилиндра 3: сторона h сечения упругого кольца 5 равна 0,06D, ширина Н тонкостенного цилиндра 3-0,06D+5 мм, величина угла смещения При расчете размеров элементов гасителя скорости пылегазовых потоков использовались уравнения законов сохранения количества движения и механической энергии твердых тел и газов, закона Гука для деформации сдвига и учитывались следующие параметры: диапазон скоростей до 25 м/с и плотность 1,2 кг/м3 пылегазового потока, масса гасителя скорости и угол наклона его лопаток, модуль сдвига резины G=23-27 кг/см2. Размеры газоходов системы выпуска ДВС автомобилей массового производства находятся в пределах 50-80 мм, скорость движения отработавших газов в них 1-10 м/с. При применении реактора в системе выпуска автомобиля внутренний диаметр тонкостенного цилиндра 3 гасителя скорости 2 и диаметр приемной трубы 13 глушителя ДВС имеют соотношение 3:1 (фиг.5). Скорость прямолинейного движения потока вначале снижается за счет перехода от меньшего диаметра приемной трубы 13 к большему диаметру тонкостенного цилиндра 3 (пропорционально отношению квадратов диаметров газоходов). Далее поток взаимодействует с гасителем скорости 2 так, что осевая скорость прохождения выхлопных газов ДВС в кольцевом пространстве между УФ-лампой 8 и корпусом 1 не превысит 0,1 м/с. Это позволяет применить один типоразмер УФ-ламп длиной 50 см в реакторах для систем выпуска отработавших газов автомобилей массового производства. К корпусу 1 на выходе из реактора жестко присоединен, например, посредством резьбового соединения газоход 9, в котором размещены цилиндрический фильтр 10 и ловушка 11. Внутренний диаметр цилиндрического фильтра 10 выполнен в 2-4 раза меньшим, чем внутренний диаметр корпуса 1. Поэтому газоход 9 выполнен в виде конического закручивающего поток устройства с углом наклона спирали 80 Реактор работает следующим образом. Процесс нейтрализации токсичного пылегазового потока проходит в реакторе четыре стадии. На первой стадии пылегазовый поток проходит гаситель скорости 2. Взаимодействуя с лопатками 4, поток получает винтовое движение, часть его кинетической энергии переходит в потенциальную энергию деформации сдвига упругих колец 5. В результате скорость потока снижается на порядок и уменьшается до 1,5-2,0 раз интервал отношений максимального значения скорости к минимальному. Причем при скоростях пылегазового потока до 5 м/с кинетическая энергия потока не превышает потенциальную энергию предварительно деформированных упругих колец 5 и гаситель скорости 2 работает как жесткий лопаточный завихритель. На второй и третьей стадиях под действием излучения УФ-лампы 8 в двигающемся со скоростью 0,1-0,5 м/с пылегазовом потоке между корпусом 1 и УФ-лампой 8 происходит атомизация молекул токсичных газов и рекомбинация активных атомов N, О, С, Рb в устойчивые молекулы N2, СО2, PbO2, H2O. На четвертой стадии смесь очищенного от токсичных элементов газа и твердые частицы поступают в газоход 9 в виде конического закручивающего поток устройства, после которого пылегазовый поток, имеющий вращательное и поступательное движение, попадает в цилиндрический фильтр 10, через который газ фильтруется в соответствующую воздушную среду. Под действием центробежных сил частицы диоксида свинца, сажи, минеральной пыли и другие твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса 1, концентрируются в периферийной зоне ловушки 11. Благодаря интенсивному вращению газа со скоростью 16-20 м/с происходит эффективная очистка фильтра 10. При применении реактора в непрерывном рабочем режиме производственных процессов твердые частицы удаляются через кольцевую щель 12, выполненную в периферийной зоне ловушки 11. Конструктивные особенности реактора при различных характеристиках пылегазового потоков приведены в таблице. Реактор в сравнении с прототипом универсален, осуществляет очистку пылегазовых потоков, двигающихся не только с относительно постоянными скоростями (п.п.2 и 4 табл.), но и в условиях 8-10-кратного изменения скоростей (п.п.1 и 3 табл.) с эффективностью не менее 99,8%. Реактор для систем очистки токсичных газов ДВС имеет один типоразмер УФ-ламп 50 см (п.1 табл.). Реактор для систем очистки отходящих газов в производствах с непрерывным технологическим циклом снабжен устройством удаления до 80% объема уловленных твердых частиц (п.4 табл.). Эффективность централизации токсичных газов УФ-излучателем принималась по данным патента RU 2155874. Приближенный расчет степени пылеотделения проводился по критерию подобия Стокса для циклонного процесса очистки газов вязкостью 183 Предложенный реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов является универсальным и может быть использован в машиностроении, электроэнергетике, металлургическом и химическом производстве для очистки газовых потоков с широким диапазоном свойств, загрязненных твердыми частицами и недоокисленными газовыми выбросами. Конструкция реактора позволяет его применять в системах выпуска отработавших газов легковых автомобилей массового производства. Параллельное объединение реакторов в батарейные мультициклоны обеспечивает очистку практически любых объемов пылегазовой среды. Отсутствие в реакторе расходуемых элементов и наличие устройства удаления твердых частиц позволяют использовать его в непрерывном рабочем режиме. Формула изобретения
1. Реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов, содержащий ультрафиолетовый излучатель, выполненный в виде, по меньшей мере, одной УФ-лампы из кварцевого стекла со сплошным спектром излучения в интервале 190-420 нм, длиной 50-150 см в зависимости от мощности газовых выбросов, которая вмонтирована в корпус из кислотостойкого материала так, что очищаемый газ проходит со скоростью 0,1-0,5 м/с в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом, причем твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса и далее в ловушку, отличающийся тем, что он снабжен гасителем скорости нестационарных газовых потоков, установленным в корпусе на входе в реактор, и выполненным в виде тонкостенного цилиндра, имеющего внутри лопатки с углом наклона не менее 80 2. Реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр тонкостенного цилиндра гасителя скорости и внутренний диаметр приемной трубы глушителя системы выпуска ДВС автомобиля имеют соотношение 3:1. 3. Реактор нейтрализации токсичных газовых выбросов по п.1, отличающийся тем, что корпус имеет газоход в виде конического закручивающего поток устройства, а ловушка снабжена кольцевой щелью. РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||