PL B1. Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych i sposób oczyszczania spalin silników spalinowych. WYSOCKA ANNA, Kraków, PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B01D 53/94 ( ) F01N 3/035 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych i sposób oczyszczania spalin silników spalinowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/06 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/12 (73) Uprawniony z patentu: WYSOCKA ANNA, Kraków, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ZYGMUNT WYSOCKI, Kraków, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Ludwik Hudy PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych i sposób oczyszczania spalin silników spalinowych, zwłaszcza silników spalinowych napędzanych paliwami zawierającymi olej rzepakowy i olej zwierzęcy. Silniki Diesla, dla których paliwem może być olej napędowy, olej rzepakowy i olej zwierzęcy, cieszą się obecnie dobrą opinią przede wszystkim ze względu na niską emisję dwutlenku węgla. Nowoczesne pojazdy z silnikami Diesla spełniają obowiązujące obecnie normy, które dopuszczają zaledwie ułamek maksymalnych emisji z początku lat dziewięćdziesiątych. Tak duże zmniejszenie emisji szkodliwych substancji nie byłoby możliwe bez podwyższenia ciśnienia wtrysku, nawrotu spalin, turbodoładowania oraz katalizatorów. Jednak w przyszłości należy spodziewać się jeszcze mniejszych wartości granicznych, które będą zmuszać do jeszcze większego ograniczenia emisji spalin. Norma Euro IV stawia wymóg zmniejszenia dopuszczalnej obecnie wielkości emisji szkodliwych cząsteczek o połowę. Podobnie o prawie połowę będą musiały ulec zmniejszeniu wielkości emisji H x C y i NO x. Po wejściu w życie w październiku 2005 normy Euro IV, innowacje techniczne stosowane w silnikach nie będą już wystarczać. Nieodzowne stanie się bardziej skuteczne oczyszczanie spalin, dzięki filtrom cząsteczek i ewentualnemu, dodatkowemu katalizatorowi DeNOx. Obecnie stosowane katalizatory DeNOx do samochodów osobowych to katalizatory zbiornikowe, regenerujące się przy krótkotrwałej pracy na bogatszej mieszance. Jednak przepustowość takich katalizatorów jest niewielka, a gdy paliwo jest zasiarczone, przestają one działać. Obecne katalizatory nie są również przystosowane do oczyszczania spalin z dużą zawartością sadzy. Celem wynalazku jest stworzenie instalacji, do oczyszczania spalin silników o wysokim natężeniu przepływu spalin sięgającym 200 tys. m 3 /h i zawierających zanieczyszczenia stałe, sadzę, lotne związki organiczne, tlenki azotu i węgla oraz fosforu, która byłaby bardziej wydajna od obecnie znanych instalacji, i która ponadto spełniałaby, przewidziane normami w najbliższych latach, podwyższone wymagania ochrony środowiska naturalnego. Istotą wynalazku jest to, iż w instalacji do oczyszczania spalin silników spalinowych, zawierającej reaktor katalityczny i układ filtrujący z filtrem ceramicznym wychwytującym sadzę i zanieczyszczenia stałe i filtrem ceramicznym wychwytującym pył i drobne zanieczyszczenia, przez którą są przepuszczane spaliny silników spalinowych, filtr ceramiczny wychwytujący sadzę i zanieczyszczenia stałe oraz filtr wychwytujący pył i drobne zanieczyszczenia tworzą filtr wielofunkcyjny, w którym jest umieszczony filtr ceramiczny z wsadem chemicznie aktywnym wychwytujący związki chemiczne, przy czym filtr wielofunkcyjny jest połączony z reaktorem katalitycznym. Korzystnie, filtr wielofunkcyjny jest umieszczony przed reaktorem katalitycznym, a jego wyjście jest podłączone do wejścia reaktora katalitycznego. Korzystnie, reaktor katalityczny jest reaktorem termicznym. Korzystnie, reaktor katalityczny jest reaktorem katalitycznym rewersyjnym albo przepływowym albo rewersyjno-przepływowym. Korzystnie, za reaktorem katalitycznym znajduje się wentylator lub pompa zasysająco-tłocząca. Korzystnie, reaktor katalityczny ma dodatkowe wejścia, którymi doprowadza się kontrolowaną ilość tlenu, amoniaku i/lub mocznika. Istotą wynalazku jest również to, że w sposobie oczyszczania spalin silników spalinowych w instalacji do oczyszczania spalin silników spalinowych, zawierającej reaktor katalityczny i układ filtrujący z filtrem ceramicznym wychwytującym sadzę i zanieczyszczenia stałe i filtrem ceramicznym wychwytującym pył i drobne zanieczyszczenia, z filtra ceramicznego wychwytującego sadzę i zanieczyszczenia stałe oraz filtra wychwytującego pył i drobne zanieczyszczenia tworzy się filtr wielofunkcyjny, w którym umieszcza się filtr ceramiczny z wsadem chemicznie aktywnym wychwytujący związki chemiczne, przy czym filtr wielofunkcyjny łączy się z reaktorem katalitycznym, a spaliny doprowadza się do filtra wielofunkcyjnego, w którym wychwytuje się sadzę i zanieczyszczenia stałe oraz pył i drobne zanieczyszczenia, a oczyszczone wstępnie spaliny uchodzące z filtra wielofunkcyjnego dopala się w reaktorze katalitycznym. Korzystnie, w reaktorze katalitycznym przeprowadza się bezpłomieniowe utlenianie mieszaniny związków organicznych i innych związków zawartych w spalinach w temperaturze około 500 C. Korzystnie, w reaktorze katalitycznym przeprowadza się redukcję związków azotu NO x do azotu cząsteczkowego N 2 przez dodanie amoniaku lub mocznika w ściśle określonej ilości.

3 PL B1 3 Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy instalacji do oczyszczania spalin, fig. 2 przedstawia budowę filtra wielofunkcyjnego i fig. 3 przedstawia schemat blokowy algorytmu procesu ciągłego nadzorowania stanu filtra wielofunkcyjnego. Spaliny wydzielane przez silniki Diesla 11, 16, 17 są kierowane z układów wydechowych 12 silników linią przesyłową 13, 19 do instalacji oczyszczania spalin przedstawionej na fig. 1. Linią przesyłową w rozumieniu przedstawionego rozwiązania jest układ rur, duktów, różnego rodzaju zaworów i przepustnic oraz łączników, które służą do transportu spalin, pary wodnej i cząstek lotnych. Objętość mieszaniny gazów doprowadzonej do poszczególnych gałęzi 21, 31 instalacji do oczyszczania spalin jest regulowana za pomocą przepustnic lub zaworów 14, 15. Informacje, dotyczące składu, temperatury i podciśnienia, pod którym są zasysane spaliny, mogą być przekazywane w sposób znany za pomocą zespołu czujników do układu sterującego niepokazanych na rysunku. Przepływ spalin, tak przez filtr wielofunkcyjny 70, 170, składający się z filtra ceramicznego 22, 32 wychwytującego sadzę i inne zanieczyszczenia, filtra ceramicznego 23, 33 z wsadem chemicznie aktywnym wychwytującym związki chemiczne, filtra 24, 34 wychwytującego pył i drobne zanieczyszczenia, jak i przez reaktor katalityczny 25, 35, jest wymuszany wentylatorem 28, 38 lub pompą zasysająco-tłoczącą. Sadza i inne zanieczyszczenia 41, 45 osadzone w filtrze ceramicznym 22, 32 wychwytującym sadzę i inne zanieczyszczenia są co określony czas wypalane, a ceramiczny wsad filtra po regeneracji jest z powrotem zasypywany do filtra. Z kolei związki chemiczne szkodliwe dla środowiska naturalnego, a przede wszystkim fosfor, są wiązane, w filtrze ceramicznym 23, 33 do wychwytywania związków chemicznych, z takimi związkami chemicznymi jak tlenek wapnia CaO 44, 48 i odbierane w postaci związków 42, 46 nieszkodliwych dla środowiska naturalnego. Pył i drobne zanieczyszczenia 43, 47 są okresowo usuwane z filtra 24, 34 najczęściej razem z wkładem filtrującym. Reaktor katalityczny 25, 35 instalacji do oczyszczania spalin może być reaktorem termicznym, reaktorem przepływowym, reaktorem rewersyjno-przepływowym lub innego typu reaktorem katalitycznym i mieć budowę modułów katalitycznych umieszczonych jeden w drugim lub modułów przegrodzonych ścianką działową. W reaktorze katalitycznym 25, 35 następuje bezpłomieniowe utlenianie mieszaniny związków organicznych w zakresie temperatur od 100 C do 600 C, korzystnie w temperaturze poniżej 500 C ale nie mniej niż 250 C, oraz redukcja związków azotu NO x do azotu cząsteczkowego N 2, a produkty katalizy są usuwane cyklicznie lub w sposób ciągły. Temperatura bezpłomieniowego utleniania jest regulowana ilością spalin, amoniaku 26, 36 i/lub mocznika i gazu obojętnego, przykładowo dwutlenku węgla o odpowiednio niskiej temperaturze. Redukcja tlenku azotu zawartego w spalinach może odbywać się również dzięki powstawaniu amoniaku, który wytwarzany jest w katalizatorze pod wpływem dodatku wodnego roztworu mocznika do gorących spalin z silnika. Dokładna ilość dawki mocznika i/lub amoniaku obliczana jest przez układ sterujący. Spaliny po oczyszczeniu w reaktorze katalitycznym 25, 35, jako mieszanina gazów 27, 37, zawierająca dwutlenek węgla, cząsteczkowy azot i nieszkodliwe substancje, jest kierowana liniami przesyłowymi 29, 39 do wymiennika ciepła 50, a następnie do atmosfery przez komin 60. Czynnik wymiany ciepła jest doprowadzany do wymiennika ciepła 50 doprowadzającą linią przesyłową 51, a odprowadzany odprowadzającą linią przesyłową 52. Czynnik wymiany ciepła może być wodą wykorzystywaną do ogrzewania domów i mieszkań. Figura 2 przedstawia schematycznie budowę filtra wielofunkcyjnego 70, 170, którego wielkość jest uzależniona od natężenia przepływu spalin. Składa się on z obudowy 73 posiadającej otwór 71 wlotowy spalin i otwór 72 wylotowy wstępnie oczyszczonych spalin. Na wejściu filtra wielofunkcyjnego 70, 170 znajduje się filtr ceramiczny 75, na którym osadza się głównie węgiel w postaci sadzy I większe zanieczyszczenia stałe, pokazany schematycznie na Fig. 1 jako filtr ceramiczny 22, 32 wychwytujący sadzę i zanieczyszczenia stałe. Osadzający się węgiel cząsteczkowy z czasem zapełnia pory filtra ceramicznego 75, który musi być cyklicznie wymieniany lub regenerowany. Kolejnym filtrem jest filtr ceramiczny 76, pokazany schematycznie na Fig. 1 jako filtr ceramiczny 23, 33 z wsadem chemicznie aktywnym wychwytujący związki chemiczne, którego wypełniaczem jest w szczególności tlenek wapnia CaO, zwany potocznie wapnem palonym. Wapń zawarty w tlenku wapnia wiąże fosfor zawarty w spalinach, a także odsiarcza spaliny i reaguje z innymi gazowymi składnikami kwaśnymi, jak chloro- czy fluorowodory. Po zmniejszeniu się własności adsorbujących filtra 76 jest on wymieniany na nowy, a wypełniacz w postaci nieszkodliwej substancji może być wykorzystywany na podsypkę dróg. Kolejnym filtrem, idąc od otworu wlotowego, jest filtr 77 wstępnego oczyszczania spalin z pyłów i drobnych zanieczyszczeń, które nie zostały wychwycone przez pierwszy i drugi filtr ceramiczny. Po filtrze 77 wstępnego oczyszczania jest zainstalowany filtr 78 średniozagęszczony. Natomiast na wyjściu

4 4 PL B1 filtra wielofunkcyjnego 70, 170 znajduje się filtr 79 dokładnego oczyszczania spalin, który zatrzymuje pył i najdrobniejsze zanieczyszczenia. Filtr 77 wstępnego oczyszczania spalin z pyłów i drobnych zanieczyszczeń, filtr 78 średniozagęszczony i filtr 79 dokładnego oczyszczania spalin, zostały na Fig. 1 schematycznie przedstawione jako filtr 24, 34 wychwytujący pył i drobne zanieczyszczenia. Ponadto filtr jest wyposażony w czujniki 81, 82, 83, , 86, w tym w czujniki podciśnienia, czujniki temperatury i czujniki składu spalin przepływających przez poszczególne segmenty filtra wielofunkcyjnego 70, 170, Informacje przekazywane przez czujniki 81, 82, 83, kierowane są do układu sterującego niepokazanego na rysunku, który w sposób ciągły nadzoruje proces oczyszczania spalin oraz stan filtra wielofunkcyjnego 70, 170. Algorytm procesu nadzorowania stanu filtra wielofunkcyjnego 70, 170 jest przedstawiony na fig. 3 na schemacie blokowym. Proces nadzorowania rozpoczyna się od startu 91 w momencie uruchomienia silnika lub silników Diesla pokazanych na fig. 1. W kroku 92 są przeprowadzane odczyty, przykładowo podciśnienia, po czym w kroku 93, odczyty są ze sobą porównywane. Jeżeli okaże się w kroku 94. że różnice we wskazaniach odczytanych z odpowiednich czujników różnią ponad dopuszczalne wartości, to w kroku 95 jest przekazywana informacja o potrzebie wymiany lub oczyszczenia nadmiernie zanieczyszczonego filtra lub jego podzespołu, po czym następuje kolejny odczyt wartości. Proces oczyszczania spalin silników spalinowych polega na wytrąceniu ze spalin węgla cząsteczkowego w pierwszej fazie, a następnie odsiarczeniu i związaniu związków fosforu po przepuszczeniu spalin przez filtr wielofunkcyjny składający się z filtra ceramicznego wychwytującego sadzę i większe zanieczyszczenia, filtra ceramicznego z wsadem chemicznie aktywnym wychwytujący związki chemiczne i filtrów wstępnego i dokładnego oczyszczania wychwytujących pył i drobne zanieczyszczenia. Wstępnie oczyszczone spaliny kieruje się do reaktora katalitycznego celem bezpłomieniowego utlenienia niespalonych związków organicznych, a także celem redukcji związków azotu do azotu cząsteczkowego przez doprowadzenie mocznika i/lub amoniaku. Zastrzeżenia patentowe 1. Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych, zawierająca reaktor katalityczny i układ filtrujący z filtrem ceramicznym wychwytującym sadzę i zanieczyszczenia stałe i filtrem ceramicznym wychwytującym pył i drobne zanieczyszczenia, przez którą są przepuszczane spaliny silników spalinowych, znamienna tym, że filtr ceramiczny (22, 32) wychwytujący sadzę i zanieczyszczenia stałe oraz filtr (24, 34) wychwytujący pył i drobne zanieczyszczenia tworzą filtr wielofunkcyjny (70, 170), w którym jest umieszczony filtr ceramiczny (23, 33) z wsadem chemicznie aktywnym wychwytujący związki chemiczne, przy czym filtr wielofunkcyjny (70, 170) jest połączony z reaktorem katalitycznym (25, 35). 2. Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych według zastrz. 1, znamienna tym, że filtr wielofunkcyjny (70, 170) jest umieszczony przed reaktorem katalitycznym (25, 35), a jego wyjście jest podłączone do wejścia reaktora katalitycznego (25, 35). 3. Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych według zastrz. 1, znamienna tym, że reaktor katalityczny (25, 35) jest reaktorem termicznym. 4. Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych według zastrz. 1, znamienna tym, że reaktor katalityczny (25, 35) jest reaktorem katalitycznym rewersyjnym albo przepływowym albo rewersyjno-przepływowym. 5. Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych według zastrz. 1, znamienna tym, że za reaktorem katalitycznym (25, 35) znajduje się wentylator (28, 38) lub pompa zasysająco-tłocząca. 6. Instalacja do oczyszczania spalin silników spalinowych według zastrz. 1, znamienna tym, że reaktor katalityczny (25, 35) ma dodatkowe wejścia (26, 36), którymi doprowadza się kontrolowaną ilość tlenu, amoniaku i/lub mocznika. 7. Sposób oczyszczania spalin silników spalinowych w instalacji do oczyszczania spalin silników spalinowych, zawierającej reaktor katalityczny i układ filtrujący z filtrem ceramicznym wychwytującym sadzę i zanieczyszczenia stałe i filtrem ceramicznym wychwytującym pył i drobne zanieczyszczenia, znamienny tym, że z filtra ceramicznego wychwytującego sadzę i zanieczyszczenia stałe oraz filtra wychwytującego pył i drobne zanieczyszczenia tworzy się filtr wielofunkcyjny, w którym umieszcza się filtr ceramiczny z wsadem chemicznie aktywnym wychwytującym związki chemiczne, przy czym filtr

5 PL B1 5 wielofunkcyjny łączy się z reaktorem katalitycznym, a spaliny doprowadza się do filtra wielofunkcyjnego, w którym wychwytuje się sadzę i zanieczyszczenia stałe oraz pył i drobne zanieczyszczenia, a oczyszczone wstępnie spaliny uchodzące z filtra wielofunkcyjnego dopala się w reaktorze katalitycznym. 8. Sposób oczyszczania spalin silników spalinowych według zastrz. 7, znamienny tym, że w reaktorze katalitycznym przeprowadza się bezpłomieniowe utlenianie mieszaniny związków organicznych i innych związków zawartych w spalinach w temperaturze około 500 C. 9. Sposób oczyszczania spalin silników spalinowych według zastrz. 7, znamienny tym, że w reaktorze katalitycznym przeprowadza się redukcję związków azotu NO x do azotu cząsteczkowego N 2 przez dodanie amoniaku lub mocznika w ściśle określonej ilości.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)