基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置

1.本发明属于尾气处理和环保技术领域，具体涉及一种基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，特别适用于煤矿井下柴油车尾气机外净化处理。


背景技术：

2.为满足矿井生产的多种需要，各煤矿企业广泛应用载重能力强、运输效率高、安全性好的矿山柴油车辆(如无轨胶轮车等)作为井下主要辅助运输设备。矿山柴油车辆以内燃机为牵引动力，当空燃比(a/f)小于14.3时，柴油得不到充分燃烧，就会产生大量的co(一氧化碳)、hc(碳氢化合物)、nox(氮氧化物)、pm(微粒)等有毒有害尾气成分。由于井下巷道断面积大、风量小、风速低，且工作面多为微速通风，使得矿山燃油车辆排放的尾气无法及时疏散而产生积聚，且当多种成分同时出现、相互作用时，会对井下人员的健康安全产生极大威胁。因此，必须采取措施以减少煤矿井下柴油车尾气污染。
3.目前，柴油车尾气后处理技术主要包括机内净化技术和机外净化技术，由于机内净化技术对nox和pm的净化效果之间存在平衡关系，因此更有必要发展柴油车尾气机外净化技术。单一的机外净化技术只针对某一种或某几种尾气成分，而且降低柴油车nox排放和pm排放之间是矛盾的，一般有利于降低nox排放的技术都会使pm排放增加，而减少pm排放的技术又可能增加nox排放。目前已有的尾气后处理装置普遍存在尾气净化效率低、尾气净化效果差、尾气颗粒物积聚导致装置堵塞失效、催化系统中有毒有害气体泄漏导致二次污染等问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，可以将煤矿井下柴油车排放尾气中的nox、pm等有毒有害成分的浓度降低至浓度限值以下，也可以避免尾气后处理装置因颗粒物积聚导致的管道堵塞、失效等问题，还可以避免nh3等有毒有害气体泄漏导致的二次污染等问题，以达到减少煤矿井下柴油车尾气排放、提高尾气净化效率的目的。
5.为此，本发明所采用的技术方案为：一种基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，包括水箱、颗粒物捕集器，以及由前到后依次相连的进气管、高速旋转尾气分离器、尾气催化器、循环式nox选择性催化还原系统、排气管；
6.所述高速旋转尾气分离器包括由前到后依次相连的laval管、喉管、旋流管与第一沉积管，所述laval管为收缩段，旋流管为扩张段，laval管与进气管相连，第一沉积管通过第一管路与水箱相连，通过第二管路与颗粒物捕集箱相连；喉管内安装有用于连通laval管与旋流管的溢流管，旋流管内安装有与旋流管等长的内旋涡流体和外旋涡流体，且内旋涡流体的前端插入溢流管内；第一、第二管路上分别设置有流量自动调节阀，在第一管路的末端安装喷淋器，第一沉积管上设有压力传感器，用于反馈信号以控制流量自动调节阀；
7.所述尾气催化器内设波浪形孔道和直孔道，中轴线以下孔道全部为波浪形孔道且
孔道前端开口、末端闭口，中轴线以上孔道分为波浪形孔道与直孔道且孔道为前端闭口、末端开口，所述直孔道沿着尾气催化器的内壁排列，中轴线以下孔道之间在波峰处相互连通，中轴线以上波浪形孔道之间在波峰处连通并与直孔道对应位置相互连通，与中轴线相邻的两个孔道相互连通，且中轴线上相邻的孔道的波峰处连接中轴线下相邻的孔道的波谷处，所有孔道内壁上均涂覆有钙钛矿型催化剂；
8.所述循环式nox选择性催化还原系统包括nh3储存罐、nh3回收箱，以及由前到后依次相连的多组分混合管、旋流反应器和第二沉积管，多组分混合管与第二沉积管通过回流管相连，第二沉积管通过第三管路与水箱相连，通过第四管路与nh3回收箱相连，nh3储存罐通过第五管路与多组分混合管相连，第二沉积管内部末端附近设有电动挡板门，第三、第四、第五管路上分别设置有流量自动调节阀，在第三、第五管路的末端安装喷淋器；多组分混合管上设有用于监测nox浓度的nox传感器、用于监测内部压力和nh3喷射压力的压力传感器，第二沉积管上设有用于监测nox浓度的nox传感器、用于监测nh3浓度的nh3传感器，用于反馈信号以控制电动挡板门及各自对应的流量自动调节阀。
9.作为上述方案的优选，所述第一管路、第三管路上设置有计量表。
10.进一步优选为，所述nh3回收箱内装有四氯化碳与稀硫酸混合液，四氯化碳在下层，稀硫酸在上层，第四管路为干燥管且干燥管直通nh3回收箱底部，以防nh3倒吸或逸出。
11.进一步优选为，所述钙钛矿型催化剂选用镧系钙钛矿型催化剂。
12.进一步优选为，所述第一沉积管上还设置有设有温度传感器。
13.进一步优选为，所述旋流反应器由laval管、喉管、旋流管、溢流管、内旋涡流体和外旋涡流体组成，并且连接结构与高速旋转尾气分离器中的连接结构相同。
14.进一步优选为，所述直孔道沿着尾气催化器的上半圆内壁排满。
15.本发明的有益效果：(1)能显著改善尾气中颗粒物的过滤效果，避免或减少颗粒物的堵塞导致装置失效的问题，减少煤矿井下柴油车尾气排放、提高尾气净化效率、避免尾气颗粒物堵塞、减少有毒有害气体二次污染的功能，提高了尾气后处理装置的使用寿命；(2)能避免或减少nh3泄漏引发的二次污染问题，提高nh3与nox的反应速率，避免了还原剂的浪费，节约了使用成本，减少了对井下作业人员的健康威胁，有利于营造良好的井下工作环境；(3)设计合理、安装方便、所需成本低。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图。
17.图2为高速旋转尾气分离器的结构示意图。
18.图3为尾气催化器的结构示意图。
具体实施方式
19.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
20.如图1所示，一种基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，主要由水箱3、颗粒物捕集器4，以及由前到后依次相连的进气管1、高速旋转尾气分离器a、尾气催化器b、循环式nox选择性催化还原系统c、排气管2组成。
21.结合图1、图2所示，高速旋转尾气分离器a主要由laval管5、喉管6、旋流管7、第一
沉积管8、溢流管9、内旋涡流体10、外旋涡流体11组成。
22.laval管5、喉管6、旋流管7与第一沉积管8由前到后依次相连。laval管5为收缩段，旋流管7为扩张段，laval管5与进气管1相连，第一沉积管8通过第一管路与水箱3相连，通过第二管路与颗粒物捕集箱4相连。颗粒物捕集箱4用于捕集所述的高速旋转尾气分离器a的第一沉积管8中沉积下来的颗粒物。
23.喉管6内安装有用于连通laval管5与旋流管7的溢流管9，旋流管7内安装有内旋涡流体10和外旋涡流体11。内旋涡流体10、外旋涡流体11与旋流管7等长，内旋涡流体10、外旋涡流体11均为圆柱螺旋弹簧状。内旋涡流体10的前端插入溢流管9内，内旋涡流体10的后端抵在旋流管7的后壁上。外旋涡流体11的前端抵在旋流管7的前壁上，外旋涡流体11的后端抵在旋流管7的后壁上。旋流管7结合内旋涡流体10和外旋涡流体11构成的旋流结构，可利用强大的离心力实现尾气中固体颗粒物在高速旋转下的分离。
24.喉管6起到连接laval管5与旋流管7的作用。尾气经laval管5、溢流管9进入旋流管7，并在内旋涡流体10、外旋涡流体11的共同作用下形成高速旋转，且溢流管与内、外双旋涡流体结构能显著增强尾气的高速旋转。
25.第一、第二管路上分别设置有流量自动调节阀12，在第一管路的末端安装喷淋器。第一沉积管8上设有压力传感器，用于监测第一沉积管8内部的压力变化，反馈信号以控制流量自动调节阀12，对水流量进行更好地控制与调节，从而控制水的喷射压力。第一沉积管8上还设置有设有温度传感器，用于监测尾气温度变化并对异常高温情况及时做出响应。
26.经过高速旋转的尾气到达第一沉积管时，压力传感器将电信号分别传输给流量自动调节阀、水箱与颗粒物捕集箱，第一沉积管与水箱连接管连接处的流量自动调节阀用于调节水的流量，通过喷淋器进行喷洒，同时第一沉积管与颗粒物捕集箱连接管连接处的流量自动调节阀打开，使颗粒物沉降至颗粒物捕集箱内。
27.结合图1、图3所示，尾气催化器b内设波浪形孔道13和直孔道14。中轴线以下孔道全部为波浪形孔道13且孔道前端开口、末端闭口；中轴线以上孔道分为波浪形孔道13与直孔道14两种，且孔道为前端闭口、末端开口，直孔道14沿着尾气催化器b的内壁排列。
28.波浪形孔道向上突起的最高点处为波峰，向下凹陷的最低点处为波谷。中轴线以下孔道之间在波峰处相互连通(见波峰处的贯通白线)。中轴线以上波浪形孔道之间在波峰处连通并与直孔道对应位置相互连通(见波峰处的贯通白线)。与中轴线相邻的两个孔道相互连通，且中轴线上相邻的孔道的波峰处连接中轴线下相邻的孔道的波谷处(见与中轴线垂直相交的四条竖直通道)。尾气从中轴线以下孔道流入，在波谷处部分颗粒物由于惯性、重力等作用发生沉降进而从尾气中分离出来，尾气中剩余成分进入中轴线以上孔道，经过进一步过滤、反应后从中轴线以上孔道的末端流出。
29.为最大限度地利用内腔布置孔道，以增大尾气与催化剂的接触面积和反应路线，中轴线以上孔道除设置波浪形孔道外，还利用尾气催化器的内壁布设直孔道。中轴线以下孔道主要通过波谷沉积颗粒物，因此不需要设置直孔道。尾气下进上出，所有孔道相互连通，以确保尾气顺畅流出。
30.所有孔道内壁上均涂覆有钙钛矿型催化剂，最好选用镧系钙钛矿型催化剂。直孔道14最好沿着尾气催化器b的上半圆内壁排满。
31.如图1所示，循环式nox选择性催化还原系统c主要由nh3储存罐15、nh3回收箱16、多
组分混合管17、旋流反应器18、第二沉积管19、回流管20组成。多组分混合管17、旋流反应器18和第二沉积管19由前到后依次相连。
32.多组分混合管17与第二沉积管19通过回流管20相连。第二沉积管19通过第三管路与水箱3相连，第二沉积管19通过第四管路与nh3回收箱16相连。nh3储存罐15通过第五管路与多组分混合管17相连。第二沉积管19内部末端附近设有电动挡板门(图中未示出)。第三、第四、第五管路上分别设置有流量自动调节阀12(图中未示出)，流量自动调节阀12最好设置在相应管路的末端附近，在第三、第五管路的末端安装喷淋器。nh3回收箱16用于收集循环式nox选择性催化还原系统c中未参与反应的nh3。
33.多组分混合管17上设有nox传感器和压力传感器。nox传感器用于监测nox的浓度变化，压力传感器用于监测多组分混合管内部的压力变化，并对nh3的喷射压力进行监测，以对nh3流量进行更好的控制与调节。当nox浓度超过浓度限值时，nox传感器将电信号迅速传输给相应的流量自动调节阀和nh3储存罐，流量自动调节阀调节nh3流量，通过喷淋器进行喷洒。
34.第二沉积管19上设有nox传感器和nh3传感器，用于反馈信号以控制电动挡板门及各自对应的流量自动调节阀12。nox传感器用于监测nox的浓度变化，nh3传感器用以监测nh3的浓度变化。当nox浓度仍超过浓度限值时，nox传感器将电信号传输至流量自动调节阀、电动挡板门与回流管，此时电动挡板门关闭，尾气经回流管重新流入到多组分混合管中。当nox浓度降低至浓度限值以下时，nox传感器将电信号传输至流量自动调节阀，喷淋器停止喷洒。当nh3浓度超过浓度允许限值时，nh3传感器将电信号传输至流量自动调节阀、水箱与nh3回收箱，第三管路上的流量自动调节阀调节水的流量，通过喷淋器进行喷洒，同时第四管路上的流量自动调节阀打开，将nh3回收至nh3回收箱内。当nh3浓度降低至浓度限值以下时，nh3传感器将电信号传输至第三管路上的流量自动调节阀与电动挡板门，喷淋器停止喷洒，电动挡板门打开，尾气排出。
35.最好是，第一管路、第三管路上还设置有计量表21。
36.nh3回收箱16内装有四氯化碳与稀硫酸混合液，四氯化碳在下层，稀硫酸在上层，第四管路为干燥管且干燥管直通nh3回收箱16底部，以防nh3倒吸或逸出。
37.旋流反应器18最好由laval管5、喉管6、旋流管7、溢流管9、内旋涡流体10和外旋涡流体11组成，并且连接结构与高速旋转尾气分离器a中的laval管5、喉管6、旋流管7、溢流管9、内旋涡流体10和外旋涡流体11的连接结构相同，在此不再赘述。旋流反应器既能促进尾气中nox与nh3的反应速率，又能使二者充分混合、反应。
38.本发明所需解决的主要技术问题是：如何最大程度地降低煤矿井下柴油车排放尾气中nox与pm的浓度至浓度限值以下，如何避免或减少煤矿井下柴油车尾气净化过程中颗粒物的积聚，如何在保证nh3与nox充分反应的前提下避免或减少nh3的泄漏。

技术特征：
1.一种基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，其特征在于：包括水箱(3)、颗粒物捕集器(4)，以及由前到后依次相连的进气管(1)、高速旋转尾气分离器(a)、尾气催化器(b)、循环式nox选择性催化还原系统(c)、排气管(2)；所述高速旋转尾气分离器(a)包括由前到后依次相连的laval管(5)、喉管(6)、旋流管(7)与第一沉积管(8)，所述laval管(5)为收缩段，旋流管(7)为扩张段，laval管(5)与进气管(1)相连，第一沉积管(8)通过第一管路与水箱(3)相连，通过第二管路与颗粒物捕集箱(4)相连；喉管(6)内安装有用于连通laval管(5)与旋流管(7)的溢流管(9)，旋流管(7)内安装有与旋流管(7)等长的内旋涡流体(10)和外旋涡流体(11)，且内旋涡流体(10)的前端插入溢流管(9)内；第一、第二管路上分别设置有流量自动调节阀(12)，在第一管路的末端安装喷淋器，第一沉积管(8)上设有压力传感器，用于反馈信号以控制流量自动调节阀(12)；所述尾气催化器(b)内设波浪形孔道(13)和直孔道(14)，中轴线以下孔道全部为波浪形孔道(13)且孔道前端开口、末端闭口，中轴线以上孔道分为波浪形孔道(13)与直孔道(14)且孔道为前端闭口、末端开口，所述直孔道(14)沿着尾气催化器(b)的内壁排列，中轴线以下孔道之间在波峰处相互连通，中轴线以上波浪形孔道之间在波峰处连通并与直孔道对应位置相互连通，与中轴线相邻的两个孔道相互连通，且中轴线上相邻的孔道的波峰处连接中轴线下相邻的孔道的波谷处，所有孔道内壁上均涂覆有钙钛矿型催化剂；所述循环式nox选择性催化还原系统(c)包括nh3储存罐(15)、nh3回收箱(16)，以及由前到后依次相连的多组分混合管(17)、旋流反应器(18)和第二沉积管(19)，多组分混合管(17)与第二沉积管(19)通过回流管(20)相连，第二沉积管(19)通过第三管路与水箱(3)相连，通过第四管路与nh3回收箱(16)相连，nh3储存罐(15)通过第五管路与多组分混合管(17)相连，第二沉积管(19)内部末端附近设有电动挡板门，第三、第四、第五管路上分别设置有流量自动调节阀(12)，在第三、第五管路的末端安装喷淋器；多组分混合管(17)上设有用于监测nox浓度的nox传感器、用于监测内部压力和nh3喷射压力的压力传感器，第二沉积管(19)上设有用于监测nox浓度的nox传感器、用于监测nh3浓度的nh3传感器，用于反馈信号以控制电动挡板门及各自对应的流量自动调节阀(12)。2.根据权利要求1所述的基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，其特征在于：所述第一管路、第三管路上设置有计量表(21)。3.根据权利要求1所述的基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，其特征在于：所述nh3回收箱(16)内装有四氯化碳与稀硫酸混合液，四氯化碳在下层，稀硫酸在上层，第四管路为干燥管且干燥管直通nh3回收箱(16)底部，以防nh3倒吸或逸出。4.根据权利要求1所述的基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，其特征在于：所述钙钛矿型催化剂选用镧系钙钛矿型催化剂。5.根据权利要求1所述的基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，其特征在于：所述第一沉积管(8)上还设置有设有温度传感器。6.根据权利要求1所述的基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，其特征在于：所述旋流反应器(18)由laval管(5)、喉管(6)、旋流管(7)、溢流管(9)、内旋涡流体(10)和外旋涡流体(11)组成，并且连接结构与高速旋转尾气分离器(a)中的连接结构相同。7.根据权利要求1所述的基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，其特征在于：所述直孔道(14)沿着尾气催化器(b)的上半圆内壁排满。

技术总结
本发明公开了一种基于旋流结构的煤矿井下柴油车尾气后处理装置，包括水箱、颗粒物捕集器、进气管、高速旋转尾气分离器、尾气催化器、循环式NOx选择性催化还原系统、排气管；高速旋转尾气分离器包括Laval管、喉管、旋流管与第一沉积管；尾气催化器内设波浪形孔道和直孔道；循环式NOx选择性催化还原系统包括NH3储存罐、NH3回收箱，以及由前到后依次相连的多组分混合管、旋流反应器和第二沉积管。将煤矿井下柴油车排放尾气中的NOx、PM等有毒有害成分的浓度降低至浓度限值以下，避免尾气后处理装置因颗粒物积聚导致的管道堵塞，避免NH3泄漏导致的二次污染，以达到减少煤矿井下柴油车尾气排放、提高尾气净化效率的目的。提高尾气净化效率的目的。提高尾气净化效率的目的。


技术研发人员：聂文 刘承艺 华贇 程卫民 颜霄 于丰宁 朱子廉 廉洁 蒋晨旺 程传兴 张浩男
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/4