CN112081645A - 一种矿井防爆柴油机尾气净化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿井防爆柴油机尾气净化装置及方法，装置包括净化腔体、金属滤芯、球形底盖、净化筒和支腿，净化腔体内设有将净化腔体分隔为颗粒物捕集室和气体催化室的金属挡板，颗粒物捕集室的一侧设有进气口，气体催化室一侧设有出气口，金属滤芯设在颗粒物捕集室内，净化筒设在气体催化室内，净化腔体上设有高温高压人孔，用于取放金属滤芯。主要优点体现在：1)金属滤芯容污量大，阻力小；表面涂覆聚四氟乙烯涂层，易清洗，克服了传统滤芯难以清洗的缺点；2)利用尾气中还原性与氧化性危害物质共存的特性，制备过渡金属氧化物催化剂，以“害”消“害”；3)避免了尿素等外界还原剂及电气设备的使用，简化装置结构。

Description

一种矿井防爆柴油机尾气净化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种尾气净化装置及方法，尤其是一种适用于井下空气净化的矿井防爆柴油机尾气净化装置及方法。
背景技术
车辆尾气是空气污染的重要污染源之一，为此世界各国均对车辆尾气的排放作了严格规定，因此，如何能够使机动车尾气达标排放，减少颗粒物和有害气体的排放是一个重要的研究热点。地面柴油机尾气净化技术较为成熟，但是由于煤矿作业环境的特殊性，不能直接运用于井下防爆柴油机尾气净化。由于经常性爬坡和高负荷运行，矿井柴油机排放的碳黑颗粒物量远远高于地面柴油机。传统的柴油机尾气净化技术采用蜂窝陶瓷净化碳黑颗粒物，容污量小、易堵塞，且再生过程复杂困难(高温煅烧、高压气体喷吹)，不适用于矿井柴油机尾气净化；煤矿井下电气设备需要严格符合煤安标准，而普遍使用于NOx净化的SCR系统需要使用尿素计量喷射装置，不符合煤矿电气设备使用要求，因此需要设计出一种符合煤矿安全标准的新型NOx净化技术；煤矿井下环境复杂，危害物质，尤其是易燃气体的排放，可能会导致安全事故的发生。车用尿素添加剂可以有效降解NOx，但是会造成氨气(易燃易爆)泄漏。因此，矿井柴油机尾气净化技术中应避免此类还原剂的使用。根据以上可知，急需设计一种不仅要实现尾气高效净化的矿井防爆柴油机尾气净化技术，也要满足阻力小且容污量大、易清洗、无外部电气设备及车用尿素添加剂使用的要求。
发明内容
技术问题：本发明目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、安全高效、便于拆装和清洗、无外界电气设备及还原添加剂使用的矿井防爆柴油机尾气净化装置。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种矿井防爆柴油机尾气净化装置，包括净化腔体、金属滤芯、球形底盖、净化筒和支腿，所述的净化腔体内设有将净化腔体分隔为颗粒物捕集室和气体催化室的金属挡板，所述颗粒物捕集室的一侧设有进气口，所述气体催化室一侧设有出气口，所述的金属滤芯为表面涂覆有聚四氟乙烯涂层的改性金属滤芯，设在颗粒物捕集室内，所述的净化筒内装有非贵金属颗粒催化剂，设在气体催化室内，净化腔体的顶部设有阶梯法兰，阶梯法兰的台肩顶部位于颗粒物捕集室上方，上面设有高温高压人孔，净化腔体的底板上设有螺纹孔座，金属滤芯与净化筒通过螺纹孔座连接固定在底板上，球形底盖与底板焊接相连，形成球形腔体；尾气由进气口进入颗粒物捕集室，经金属滤芯过滤后，通过螺纹孔座进入球形腔体，再通过气体催化室底部的螺纹孔座进入气体催化室内进行净化，最后由排气口排出，支腿呈三角形焊接在净化腔体的下部。
所述的金属滤芯的过滤精度为2～10μm。
所述的金属滤芯至少有一个，过滤风速在2m/s之内，金属滤芯的个数N1通过下式计算得到：
Figure BDA0002693098760000011
其中：Q为柴油机排气量(m3/s)，S为金属滤芯的过滤面积(m2)。
所述的净化筒为多个，净化风速在0.8m/s之内，净化筒个数N2通过下式计算得到：
Figure BDA0002693098760000021
其中：Q为柴油机排气量(m3/s)，S为净化筒的净化面积(m2)。
所述的净化筒包括外筒、内筒、上端盖、下端盖、管箍、带颈平焊法兰、法兰盲板和密封圈；所述的外筒与内筒分别由圆孔冲孔板首尾焊接而成，外筒与内筒之间充填有颗粒催化剂；所述的外筒和内筒的底部与下端盖焊接，外筒的顶部与带颈平焊法兰焊接，内筒的顶部与上端盖焊接；所述法兰盲板与带颈平焊法兰通过螺丝连接，法兰盲板与带颈平焊法兰之间设有密封圈；所述的管箍焊接在上端盖上。
所述的圆孔冲孔板的圆孔直径小于颗粒催化剂的粒径；内筒的半径为外筒半径的1/2～4/5。
上述装置的矿井防爆柴油机尾气净化方法：将尾气引入进气口，尾气进入颗粒物捕集室，由表面涂覆聚四氟乙烯涂层的金属滤芯进行物理拦截，尾气中的极大多数黑烟颗粒被拦截粘附在金属滤芯表面，含有少量超细烟颗粒的气体则通过螺纹孔座进入球形腔体，再通过气体催化室底部的螺纹孔座进入气体催化室内，经净化筒内的非贵金属颗粒催化剂进行净化，最后由排气口排出；所述非贵金属颗粒催化剂的活性成分为Cu、Fe和Co的金属氧化物，粒径目数为2～16目之间。
所述金属滤芯涂覆聚四氟乙烯纳米涂层的过程如下：
步骤(1)使用无水乙醇清洗金属滤芯数次，并在50℃环境下烘干；
步骤(2)将聚四氟乙烯底漆、面漆经100目筛网进行过滤；
步骤(3)将底漆装入喷枪料斗内，以0.4～0.5MPa洁净干燥的压缩空气为雾化动力，将金属滤芯从恒温干燥箱取出后立即喷涂；喷涂时使喷枪喷射方向与金属滤芯(3)表面保持垂直并保持200～250mm距离，喷枪以约20cm/s速度移动；同时使用0.5MPa左右高压气体喷吹喷涂过的区域，以防止涂料堵塞滤芯孔；表面喷涂完成后将滤芯放回恒温箱中，并将温度升至150℃后保持10min，温升速率为10℃/min；
步骤(4)用酒精清洗喷枪，干燥后装入过滤后的面漆；待滤芯自然冷却至40℃后重复以上步骤喷涂面漆，以25℃/min速率升温至380℃后保持10min。
所述活性成分为Cu、Fe和Co的复合金属氧化物的非贵金属颗粒催化剂制备过程如下：
步骤(1)将摩尔质量比为1:2:1的醋酸铁、醋酸铜和醋酸钴的原料加入去离子水中，原料与去离子水的质量比为1:15，机械搅拌10min；
步骤(2)将0.2M的Na2CO3溶液逐滴加入步骤(1)获得的溶液中，Na2CO3与原料摩尔质量比为1:2，随后老化30min；
步骤(3)将步骤(2)所得溶液过滤，并反复用无水乙醇和去离子水进行清洗，获得的固体前驱体在50℃环境下干燥24h，最后在400℃环境中煅烧3h，最后得到的黑色粉末即为Fe、Cu、Co复合金属氧化物粉末催化剂；
步骤(4)采用质量分数为25％的碱性硅溶胶作为粘结剂，将Fe、Cu、Co复合金属氧化物粉末催化剂与碱性硅溶胶的质量比为1:5搅拌混合，得到浆状体；随后浆状体通过压片机挤压成型，得到的成型体在50℃环境下干燥24h，并在400℃环境下煅烧3h，即可得到颗粒状催化剂。
有益效果：由于采用上述技术方案，本发明通过聚乙烯醇涂层进行表面改性，将金属滤芯拦截过滤性能和聚乙烯醇涂层不沾性进行有机结合，降低滤芯表面对亲油性固体颗粒物粘附力，使得滤芯通过清水冲洗即可再生；同时提高滤芯耐腐蚀性和使用寿命；制备铁铜钴复合金属氧化物催化剂并有效应用，突破了柴油机尾气净化只使用贵金属催化剂的固有思路，克服了贵金属催化剂易中毒失活的缺点，在提高有害气体净化效率的同时将成本大大降低。主要体现在：1)金属滤芯容污量大，阻力小；表面涂覆聚四氟乙烯涂层，易清洗，克服了传统滤芯难以清洗的缺点；2)利用尾气中还原性与氧化性危害物质共存的特性，制备过渡金属氧化物催化剂，以“害”消“害”；3)避免了尿素等外界还原剂及电气设备的使用，简化装置结构。直接利用尾气中的CO和碳黑颗粒作为还原剂，以害消害，放弃沿用尿素、氨等传统还原剂，缩小设备体积同时避免了氨气的二次污染；净化效果优异，实验结果显示，本装置碳黑颗粒物消除率可达95％以上，CO与NOx消解率分别达到72％、91％以上，远远高于地面柴油机尾气净化系统的净化效率。本发明无电气设备引入，符合矿用防爆柴油机通用技术标准和煤安标准，填补了矿井柴油机尾气净化装置的空白，其结构简单、安全高效、便于拆装和清洗、无外界电气设备及还原添加剂使用，能改善矿井的工作环境，具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的矿井防爆柴油机尾气净化装置结构示意图。
图2是图1中的净化筒结构示意图。
图3是图2中的A-A结构示意图。
图4(a)是黑烟净化前与净化后比对效率图。
图4(b)是无滤芯和加滤芯不透光度比较示意图。
图4(c)是无滤芯和加滤芯光吸收系数比较示意图。
图5(a)是CO净化效率示意图。
图5(b)是NOX净化效率示意图。
图中：1、腔体；2、进气口；3、金属滤芯；4、底板；5、球形盖体；6、净化筒；7、支腿；8、出气口；9、法兰；10、金属挡板；11、高温高压人孔；12、圆孔冲板；13、带颈平焊法兰；14、盲板法兰；15、内筒；16、上端盖；17、外筒；18、密封圈；19、下端盖；20、管箍。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明的矿井防爆柴油机尾气净化装置，主要由净化腔体1、金属滤芯3、球形底盖5、净化筒6和支腿7构成，所述的净化腔体1内设有将净化腔体1分隔为颗粒物捕集室和气体催化室的金属挡板10，所述颗粒物捕集室的一侧设有进气口2，所述气体催化室一侧设有出气口8，所述的金属滤芯3为表面涂覆有聚四氟乙烯涂层的改性金属滤芯，设在颗粒物捕集室内，金属滤芯3的过滤精度为2～10μm。所述的净化筒6内装有非贵金属颗粒催化剂，设在气体催化室内，净化腔体1的顶部设有阶梯法兰9，阶梯法兰的台肩顶部位于颗粒物捕集室上方，上面设有承受温度为500℃、压力为0.5MPa的高温高压人孔11，净化腔体1的底板4上设有螺纹孔座，金属滤芯3与净化筒6通过螺纹孔座连接固定在底板4上，球形底盖5与底板4焊接相连，形成球形腔体；尾气由进气口2进入颗粒物捕集室，经金属滤芯3过滤后，通过螺纹孔座进入球形腔体，再通过气体催化室底部的螺纹孔座进入气体催化室内进行净化，最后由排气口8排出，支腿7呈三角形焊接在净化腔体1的下部。
所述的金属滤芯3至少有一个，按过滤风速在2m/s之内，金属滤芯3的个数N1通过下式计算得到：
Figure BDA0002693098760000041
其中：Q为柴油机排气量(m3/s)，S为金属滤芯的过滤面积(m2)。
所述的净化筒6为多个，按净化风速在0.8m/s之内，净化筒个数N2通过下式计算得到：
Figure BDA0002693098760000042
其中：Q为柴油机排气量(m3/s)，S为净化筒的净化面积(m2)。
所述的净化腔体1为圆柱体，金属滤芯3与净化筒6根据所需数量在圆柱体内均匀分布，两两之间距离大于2厘米。
图2图3所示，所述的净化筒6包括外筒17、内筒15、上端盖16、下端盖19、管箍20、带颈平焊法兰13、法兰盲板14和密封圈18；所述的外筒17与内筒15分别由圆孔冲孔板12首尾焊接而成，所述的圆孔冲孔板12的圆孔直径小于颗粒催化剂的粒径；内筒15的半径为外筒17半径的1/2～4/5。外筒17与内筒15之间充填有颗粒催化剂；所述的外筒17和内筒15的底部与下端盖19焊接，外筒17的顶部与带颈平焊法兰13焊接，内筒15的顶部与上端盖16焊接；所述法兰盲板14与带颈平焊法兰13通过螺丝连接，法兰盲板14与带颈平焊法兰13之间设有密封圈18；所述的管箍20焊接在上端盖19上。
本发明的矿井防爆柴油机尾气净化方法：将尾气引入进气口2，尾气进入颗粒物捕集室，由表面涂覆聚四氟乙烯涂层的金属滤芯3进行物理拦截，尾气中的极大多数黑烟颗粒被拦截粘附在金属滤芯3表面，含有少量超细烟颗粒的气体则通过螺纹孔座进入球形腔体，再通过气体催化室底部的螺纹孔座进入气体催化室内，经净化筒6内的非贵金属颗粒催化剂进行净化，最后由排气口8排出；所述非贵金属颗粒催化剂的活性成分为Cu、Fe和Co的金属氧化物，粒径目数为2～16目之间。
所述金属滤芯3涂覆聚四氟乙烯纳米涂层的方法如下：
步骤(1)使用无水乙醇清洗金属滤芯数次，并在50℃环境下烘干；
步骤(2)将聚四氟乙烯底漆、面漆经100目筛网进行过滤；
步骤(3)将底漆装入喷枪料斗内，以0.4～0.5MPa洁净干燥的压缩空气为雾化动力，将金属滤芯从恒温干燥箱取出后立即喷涂；喷涂时使喷枪喷射方向与金属滤芯(3)表面保持垂直并保持200～250mm距离，喷枪以约20cm/s速度移动；同时使用0.5MPa左右高压气体喷吹喷涂过的区域，以防止涂料堵塞滤芯孔；表面喷涂完成后将滤芯放回恒温箱中，并将温度升至150℃后保持10min，温升速率为10℃/min；
步骤(4)用酒精清洗喷枪，干燥后装入过滤后的面漆；待滤芯自然冷却至40℃后重复以上步骤喷涂面漆，以25℃/min速率升温至380℃后保持10min。
所述活性成分为Cu、Fe和Co的复合金属氧化物的非贵金属颗粒催化剂制备方法如下：
步骤(1)将摩尔质量比为1:2:1的醋酸铁、醋酸铜和醋酸钴的原料加入去离子水中，原料与去离子水的质量比为1:15，机械搅拌10min；
步骤(2)将0.2M的Na2CO3溶液逐滴加入步骤(1)获得的溶液中，Na2CO3与原料摩尔质量比为1:2，随后老化30min；
步骤(3)将步骤(2)所得溶液过滤，并反复用无水乙醇和去离子水进行清洗，获得的固体前驱体在50℃环境下干燥24h，最后在400℃环境中煅烧3h，最后得到的黑色粉末即为Fe、Cu、Co复合金属氧化物粉末催化剂；
步骤(4)采用质量分数为25％的碱性硅溶胶作为粘结剂，将Fe、Cu、Co复合金属氧化物粉末催化剂与碱性硅溶胶的质量比为1:5搅拌混合，得到浆状体；随后浆状体通过压片机挤压成型，得到的成型体在50℃环境下干燥24h，并在400℃环境下煅烧3h，即可得到颗粒状催化剂。
实施例1、
颗粒物捕集室内设置一个表面涂覆聚四氟乙烯涂层改性的金属滤芯3，一个金属滤芯3设在颗粒物捕集室内中部，单支金属滤芯3过滤面积为1.5m2；净化腔体1内设置2个装有颗粒催化剂的净化筒6，单支净化筒净化面积为0.8m2。净化筒6内的颗粒催化剂活性成分为Cu、Fe和Co的金属氧化物，制备的颗粒催化剂为5目，使用量为2kg。
实施例2、
颗粒物捕集室内设置两个表面涂覆聚四氟乙烯涂层改性的金属滤芯3，两个金属滤芯3对称分布，单支金属滤芯3过滤面积为1.5m2；净化腔体1内设置4个装有颗粒催化剂的净化筒6，单支净化筒净化面积为0.8m2。净化筒6内的颗粒催化剂活性成分为Cu、Fe和Co的金属氧化物，制备的颗粒催化剂为5目，使用量为2kg。
采用潍柴HS4105ZLD型四缸柴油机，并以1000r/min转速进行试验。尾气先进入颗粒物捕集室内，先由改性后的金属滤芯3进行物理拦截，使尾气中的极大多数黑烟颗粒被拦截粘附在金属滤芯3表面，含有少量超细烟颗粒的气体则通过球形腔体进入气体催化系统。
如图4(a)所示，尾气经过颗粒物过滤系统净化后，黑烟明显改善，肉眼几乎看不到黑烟，图4(b，c)所示，使用烟度计对安装颗粒捕集器前后柴油机尾气进行分析，尾气不透光光度下降95.7％，光吸收系数降低96.8％。进入气体催化室内的气体则在颗粒催化剂上发生如下化学反应，从而实现超细烟颗粒、一氧化碳与氮氧化物的协同净化：
O+C+NOX→CO2+N2；2CO+O2＝2CO2；C+O2＝CO2
结果表明，经过气体催化后，一氧化碳与二氧化氮净化效果明显，如图5(a，b)所示，一氧化碳消解率可达72.2％；二氧化氮消解率可达91.2％。最后，净化后的气体通过排气口排出。

Claims (9)

1.一种矿井防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于：它包括净化腔体(1)、金属滤芯(3)、球形底盖(5)、净化筒(6)和支腿(7)，所述的净化腔体(1)内设有将净化腔体(1)分隔为颗粒物捕集室和气体催化室的金属挡板(10)，所述颗粒物捕集室的一侧设有进气口(2)，所述气体催化室一侧设有出气口(8)，所述的金属滤芯(3)为表面涂覆有聚四氟乙烯涂层的改性金属滤芯，设在颗粒物捕集室内，所述的净化筒(6)内装有非贵金属颗粒催化剂，设在气体催化室内，净化腔体(1)的顶部设有阶梯法兰(9)，阶梯法兰的台肩顶部位于颗粒物捕集室上方，上面设有高温高压人孔(11)，净化腔体(1)的底板(4)上设有螺纹孔座，金属滤芯(3)与净化筒(6)通过螺纹孔座连接固定在底板(4)上，球形底盖(5)与底板(4)焊接相连，形成球形腔体；尾气由进气口(2)进入颗粒物捕集室，经金属滤芯(3)过滤后，通过螺纹孔座进入球形腔体，再通过气体催化室底部的螺纹孔座进入气体催化室内进行净化，最后由排气口(8)排出，支腿(7)呈三角形焊接在净化腔体(1)的下部。
2.根据权利要求1所述的矿井防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于：所述的金属滤芯(3)的过滤精度为2～10μm。
3.根据权利要求1所述的矿井防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于：所述的金属滤芯(3)至少有一个，过滤风速在2m/s之内，金属滤芯(3)的个数N1通过下式计算得到：
Figure FDA0002693098750000011
其中：Q为柴油机排气量(m3/s)，S为金属滤芯的过滤面积(m2)。
4.根据权利要求1所述的矿井防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于：所述的净化筒(6)为多个，净化风速在0.8m/s之内，净化筒个数N2通过下式计算得到：
Figure FDA0002693098750000012
其中：Q为柴油机排气量(m3/s)，S为净化筒的净化面积(m2)。
5.根据权利要求1所述的矿井防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于：所述的净化筒(6)包括外筒(17)、内筒(15)、上端盖(16)、下端盖(19)、管箍(20)、带颈平焊法兰(13)、法兰盲板(14)和密封圈(18)；所述的外筒(17)与内筒(15)分别由圆孔冲孔板(12)首尾焊接而成，外筒(17)与内筒(15)之间充填有颗粒催化剂；所述的外筒(17)和内筒(15)的底部与下端盖(19)焊接，外筒(17)的顶部与带颈平焊法兰(13)焊接，内筒(15)的顶部与上端盖(16)焊接；所述法兰盲板(14)与带颈平焊法兰(13)通过螺丝连接，法兰盲板(14)与带颈平焊法兰(13)之间设有密封圈(18)；所述的管箍(20)焊接在上端盖(19)上。
6.根据权利要求5所述的矿井防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于：所述的圆孔冲孔板(12)的圆孔直径小于颗粒催化剂的粒径；内筒(15)的半径为外筒(17)半径的1/2～4/5。
7.权利要求1所述装置的矿井防爆柴油机尾气净化方法，其特征在于：将尾气引入进气口(2)，尾气进入颗粒物捕集室，由表面涂覆聚四氟乙烯涂层的金属滤芯(3)进行物理拦截，尾气中的极大多数黑烟颗粒被拦截粘附在金属滤芯(3)表面，含有少量超细烟颗粒的气体则通过螺纹孔座进入球形腔体，再通过气体催化室底部的螺纹孔座进入气体催化室内，经净化筒(6)内的非贵金属颗粒催化剂进行净化，最后由排气口(8)排出；所述非贵金属颗粒催化剂的活性成分为Cu、Fe和Co的金属氧化物，粒径目数为2～16目之间。
8.权利要求7所述的矿井防爆柴油机尾气净化方法，其特征在于：所述金属滤芯(3)涂覆聚四氟乙烯纳米涂层的过程如下：
步骤(1)使用无水乙醇清洗金属滤芯数次，并在50℃环境下烘干；
步骤(2)将聚四氟乙烯底漆、面漆经100目筛网进行过滤；
步骤(3)将底漆装入喷枪料斗内，以0.4～0.5MPa洁净干燥的压缩空气为雾化动力，将金属滤芯从恒温干燥箱取出后立即喷涂；喷涂时使喷枪喷射方向与金属滤芯(3)表面保持垂直并保持200～250mm距离，喷枪以约20cm/s速度移动；同时使用0.5MPa左右高压气体喷吹喷涂过的区域，以防止涂料堵塞滤芯孔；表面喷涂完成后将滤芯放回恒温箱中，并将温度升至150℃后保持10min，温升速率为10℃/min；
步骤(4)用酒精清洗喷枪，干燥后装入过滤后的面漆；待滤芯自然冷却至40℃后重复以上步骤喷涂面漆，以25℃/min速率升温至380℃后保持10min。
9.权利要求7所述的矿井防爆柴油机尾气净化方法，其特征在于：所述活性成分为Cu、Fe和Co的复合金属氧化物的非贵金属颗粒催化剂制备过程如下：
步骤(1)将摩尔质量比为1:2:1的醋酸铁、醋酸铜和醋酸钴的原料加入去离子水中，原料与去离子水的质量比为1:15，机械搅拌10min；
步骤(2)将0.2M的Na2CO3溶液逐滴加入步骤(1)获得的溶液中，Na2CO3与原料摩尔质量比为1:2，随后老化30min；
步骤(3)将步骤(2)所得溶液过滤，并反复用无水乙醇和去离子水进行清洗，获得的固体前驱体在50℃环境下干燥24h，最后在400℃环境中煅烧3h，最后得到的黑色粉末即为Fe、Cu、Co复合金属氧化物粉末催化剂；
步骤(4)采用质量分数为25％的碱性硅溶胶作为粘结剂，将Fe、Cu、Co复合金属氧化物粉末催化剂与碱性硅溶胶的质量比为1:5搅拌混合，得到浆状体；随后浆状体通过压片机挤压成型，得到的成型体在50℃环境下干燥24h，并在400℃环境下煅烧3h，即可得到颗粒状催化剂。
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