СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, РАБОТАЮЩЕЙ В РЕЖИМЕ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ Российский патент 2020 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к области анаэробной энергетики и может быть использовано в воздухонезависимых энергоустановках с тепловыми двигателями и особенно в судовых энергетических установках подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха.

Известен способ получения искусственной газовой смеси для энергетической установки, работающей в режиме рециркуляции; отработанных газов, включающий отбор из рециркуляционного потока газовой смеси, состоящей из CO2, O2 и паров воды, части потока, компримирование его до давления 1,6 - 2,0 МПа, двухступенчатое охлаждение смеси от 320К до 220К ÷ 222К, при этом в первой ступени охлаждение смеси от 320К до 240К проводят за счет теплообмена с обратным потоком обогащенного O2 с удалением воды, а во второй ступени охлаждение осушенного потока до 220К ÷ 222К выполняют за счет испарения жидкого O2 и теплообмена с газифицированным O2, который нагревают до температуры 237К ÷ 238К, сепарацию газовой смеси при том же давлении компримирования на жидкую CO2 и несконденсированную газовую смесь O2 и CO2, которую дросселируют и соединяют с газифицированным O2, после чего обратный поток, обогащенный кислородом, нагревают до 305К ÷ 310К в процессе его теплообмена с компримированным потоком и смешивают с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную газовую смесь с оптимальной концентрацией O2 в смеси направляют в энергетическую установку (см. патент RU 2542166).

Основным недостатком указанного способа является опасность намораживания углекислоты на теплообменной поверхности конденсатора в зоне кипения жидкого O2 в виду того, что в процессе теплопередачи участвуют примерно равные расходы осушенного потока газовой смеси и газифицируемого кислорода.

Наиболее близким по технологической сущности и достигаемому эффекту к заявленному изобретению является способ получения искусственной газовой смеси для энергетической установки, работающей в режиме рециркуляции отработанных газов, включающий отбор из рециркуляционного потока газовой смеси, состоящей из CO2, O2 и паров воды, части потока, компримирование его до давления 1,6 - 2,0 МПа, двухступенчатое охлаждение смеси от 320К до 220К, при этом в первой ступени охлаждение смеси от 320К до 240К проводят за счет теплообмена с обратным потоком обогащенного O2 с удалением воды, а во второй ступени охлаждение осушенного потока до 220К ÷ 222К осуществляют за счет теплообмена с жидкой CO2, которую циркулируют под давлением равным давлению компримированного потока и расходом от 9 до 12 раз большим расхода газифицированного O2, при этом жидкую CO2 в процессе теплообмена с осушенным потоком газовой смеси нагревают до 237К ÷ 238К, после чего охлаждают до 218К ÷ 220К за счет испарения жидкого O2 и теплообмена с газифицированным O2, который нагревают до температуры 235К ÷ 236К, осуществляют сепарацию потока газовой смеси с температурой 220К ÷ 222К и давлением 1,6 ÷ 2,0 МПа на жидкую CO2 и несконденсированную газовую смесь O2 и CO2 при этом жидкую CO2 направляют на хранение, а поток несконденсированной газовой смеси дросселируют и соединяют с потоком газифицированного O2, после чего обогащенный O2 обратный поток направляют в первую ступень, где нагревают до 305К ÷ 310К и смешивают с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную газовую смесь с оптимальной концентрацией O2 направляют в энергетическую установку (см. патент RU 2699850).

Недостаток известного способа заключается в длительности и технологической сложности процесса захолаживания и выхода на рабочий режим, а также в необходимости поддерживать в криогенной емкости для хранения жидкого O2 повышенное избыточное давление, а, следовательно, подавать жидкий O2 в криогенную установку с более высокой температурой кипения.

Решаемая задача: упрощение технологического процесса, повышение надежности и эффективности способа получения газовой смеси криогенного цикла сжижения CO2.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения искусственной газовой смеси для энергетической установки, работающей в режиме рециркуляции отработанных газов, включающем отбор из рециркуляционного потока газовой смеси, состоящей из CO2, O2 и паров воды, части потока, компримирование его до давления 1,6 - 2,0 МПа, двухступенчатое охлаждение смеси от 320К до 220К, при этом в первой ступени охлаждение смеси от 320К до 240К проводят за счет теплообмена с обратным потоком обогащенного O2 с удалением воды, а во второй ступени охлаждение осушенного потока до 220К ÷ 222К осуществляют за счет теплообмена с жидкой CO2, которую циркулируют под давлением равным давлению компримированного потока и расходом от 9 до 12 раз большим расхода газифицированного O2, при этом жидкую CO2 в процессе теплообмена с осушенным потоком газовой смеси нагревают до 237К ÷ 238К, после чего охлаждают до 218К ÷ 220К за счет испарения жидкого O2 и теплообмена с газифицированным O2, который нагревают до температуры 235К ÷ 236К, осуществляют сепарацию потока газовой смеси с температурой 220К ÷ 222К и давлением 1,6 ÷ 2,0 МПа на жидкую CO2 и несконденсированную газовую смесь O2 и CO2 при этом жидкую CO2 направляют на хранение, а поток несконденсированной газовой смеси дросселируют и соединяют с потоком газифицированного O2, после чего обогащенный O2 обратный поток направляют в первую ступень, где нагревают до 305К ÷ 310К и смешивают с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную газовую смесь с оптимальной концентрацией O2 направляют в энергетическую установку, отличающийся тем, что в начале весь расход циркуляционного потока жидкой CO2 охлаждают до 218К ÷ 220К в процессе теплообмена с потоком жидкого O2 за счет испарения части жидкого O2, при этом расход жидкого O2 соответствует расходу для получения оптимального состава искусственной газовой смеси, требующейся для работы энергетической установки, после чего в процессе теплообмена с осушенным потоком газовой смеси поток жидкой CO2 нагревают до 237К ÷ 238К и вновь охлаждают до температуры 220К ÷ 222К за счет полного испарения жидкого O2 и теплообмена с газифицированным O2, который нагревают до 235К ÷ 236К, а осушенный поток газовой смеси охлажденный до 220К ÷ 222К в процессе теплообмена с жидкой CO2 при давлении 1,6 ÷ 2,0 МПа разделяют на жидкую CO2 и несконденсированную газовую смесь O2 и CO2, при этом поток несконденсированной газовой смеси эжектируют и за счет эжекции смешивают с потоком газифицированного O2, после чего обогащенный O2 обратный поток направляют для теплообмена в первую ступень, где нагревают до температуры 305К ÷ 310К и соединяют с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную искусственную газовую смесь направляют в энергетическую установку.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию новизны.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема криогенной системы, работающей по данному способу.

Криогенная система включает:

- компрессор 1 для сжатия газовой смеси, отбираемой из рециркуляционного потока, поступающего из энергетической установки по трубопроводу 2;

- теплообменник - предконденсатор 3, выполняющий функцию первой ступени охлаждения компримированного потока;

- сепаратор - адсорбер 4 для удаления влаги;

- теплообменник - конденсатор 5, выполняющий функцию второй ступени охлаждения осушенного компримированного потока;

- сепаратор 6, обеспечивающий разделение охлажденной смеси на жидкую CO2 и несконденсированную смесь O2 и CO2;

- криогенную емкость 7 для хранения жидкой CO2;

- насос 8 для циркуляции жидкой CO2 под давлением, равным давлению компримированного потока газовой смеси;

; - теплообменник 9, обеспечивающий первоначальное охлаждение жидкой CO2 за счет частичного испарения расхода жидкого O2;

- теплообменник 10, обеспечивающий полное испарение расхода жидкого O2 и газификацию жидкого кислорода в процессе теплообмена с циркуляционным потоком жидкой CO2;

- криогенная емкость 11 для хранения жидкого O2;

- вентиль 12 для регулирования расхода жидкого O2;

- эжектор 13 для эжекции из сепаратора 6 несконденсированной газовой смеси;

- вентиль 14 для отвода жидкой CO2 из сепаратора 6 в емкость 7 для хранения;

- смеситель потоков 15 и трубопровод 16 подачи искусственной газовой смеси в энергетическую установку, а также датчики контроля за режимом работы криогенной системы, а именно:

- датчик 17 содержания O2 в искусственной газовой смеси.

Способ работы осуществляют следующим образом.

В криогенную систему по трубопроводу 2 поступает из энергетической установки, двигатель которой работает, например, по нагрузочной характеристике, расход газовой смеси с давлением 0,11-0,13 МПа и температурой 300К, состоящей из CO₂ (74%-76%), O₂ (21% ÷ 22%) и паров воды (5% ÷ 4%). Часть расхода, порядка от 9% до 11%, сжимают в компрессоре 1 до давления 1,6-2,0 МПа и охлаждают до температуры 320К в водяном охладителе (на чертеже не показан), после чего производят двухступенчатое охлаждение смеси - вначале от 320К до 240К в теплообменнике - предконденсаторе 3 за счет теплообмена с обратным потоком, обогащенного O2, с удалением влаги на температурном уровне 270К - 275К в сепараторе - адсорбере 4, а затем охлаждение осушенного потока от 240К до 220К ÷ 222К осуществляют в теплообменнике - конденсаторе 5 за счет теплообмена с жидкой CO2, которую циркулируют с помощью насоса 8, подключенного к криогенной емкости 7 для хранения жидкой CO2, под давлением равным давлению компримированного потока с расходом от 9 до 12 раз большим расхода газифицированного кислорода, при этом вначале весь расход циркуляционного потока жидкой CO2 охлаждают до 218К ÷ 220К в теплообменнике 9 за счет частичного испарения жидкого O2, который подают из криогенной емкости 11 для хранения жидкого O2 с помощью регулирующего вентиля 12 с таким расходом, чтобы получить оптимальную концентрацию O2 в искусственной газовой смеси для работы энергетической установки, после чего поток жидкой CO2 нагревают до температуры 237К ÷ 238К в теплообменнике - конденсаторе 5 за счет теплообмена с осушенным потоком газовой смеси, и вновь охлаждают до температуры 220К ÷ 222К в теплообменнике 10 потоком кислорода, поступающим из теплообменника 9, за счет полного испарения жидкого O2 и теплообмена с газифицированным O2, который нагревают до 235 ÷ 236К, при этом весь поток жидкой CO2 после теплообменника 10 возвращают в криогенную емкость 7 для хранения жидкой CO2. Так как циркуляционный расход жидкой CO2 на порядок больше, чем расход газифицированного O2, то это позволяет с высокой эффективностью провести процесс конденсации газовой смеси в теплообменнике - конденсаторе 5, а самое главное - осуществить передачу тепла от жидкой CO2 к O2 в диапазоне температур от 93К до 235К ÷ 236К без образования твердой фазы CO2 на теплопередающих поверхностях теплообменников 9 и 10. Охлажденный же до температуры 220К ÷ 222К компримированный поток из теплообменника - конденсатора 5 направляют в сепаратор 6, где при том же давлении 1,6 - 2,0 МПа из смеси отделяют около 68% - 72% жидкую CO2, которую по мере ее накопления отводят с помощью вентиля 14 в криогенную емкость 7, где она находится под давлением 1,6 - 2,0 МПа и температуре 220К ÷ 222К, а несконденсированную в сепараторе 6 газовую смесь из O2 и CO2 направляют в эжектор 13, в котором за счет эжекции смешивают с газифицированным в теплообменнике 10 кислородом, после чего обратный поток, обогащенный O2, нагревают до температуры 305 ÷ 310К в теплообменнике - предкондесаторе 3 в процессе теплообмена с компримированным потоком и смешивают в смесителе 15 с частью рециркуляционного потока, оставшегося после отбора из рециркуляционного потока расхода для компримирования, после чего полученную искусственную газовую смесь с оптимальной концентрацией O2, которую контролируют по датчику 17, по трубопроводу 16 возвращают в энергетическую установку, при этом поддерживают равенство расхода отработанных газов, поступающих в криогенную систему и расхода искусственной газовой смеси, отводимой из криогенной системы.

В предлагаемом способе, как видно из описания, двукратное охлаждение потока жидкой CO2 позволяет встроить в циркуляционный контур криогенную емкость 7 для хранения жидкой CO2, что позволяет сократить время захолаживания и упростить технологию работы криогенной системы в штатном режиме, а замена процесса дросселирования несконденсированной газовой смеси O2 и CO2 на эжектирование позволяет повысить термодинамическую эффективность теплообмена в теплообменниках 9 и 10.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает поставленную цель повышения надежности и эффективности криогенного технологического процесса сжижения CO2 в сочетании с обеспечением его стабильности при изменении рабочего режима энергетической установки.

Изобретение относится к области анаэробной энергетики и может быть использовано в воздухонезависимых энергоустановках с тепловыми двигателями и особенно в судовых энергетических установках подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха. Изобретение позволяет упростить технологический процесс, повысить надежность и эффективность получения искусственной газовой смеси криогенного цикла сжижения CO₂ для воздухонезависимых энергетических установок, работающих в широком диапазоне нагрузок, что достигается за счет того, что в начале весь расход циркуляционного потока жидкой CO₂ охлаждают до 218÷220К в процессе теплообмена с потоком жидкого O₂ за счет испарения части жидкого O₂, при этом расход жидкого O₂ соответствует расходу для получения оптимального состава искусственной газовой смеси, требующейся для работы энергетической установки, после чего в процессе теплообмена с осушенным потоком газовой смеси поток жидкой CO₂ нагревают до 237÷238К и вновь охлаждают до температуры 220÷222К за счет полного испарения жидкого O₂ и теплообмена с газифицированным O₂, который нагревают до 235÷236К, а осушенный поток газовой смеси охлажденный до 220÷222К в процессе теплообмена с жидкой CO₂ при давлении 1,6÷2,0 МПа разделяют на жидкую CO₂ и несконденсированную газовую смесь O₂ и CO₂, при этом поток несконденсированной газовой смеси эжектируют и за счет эжекции смешивают с потоком газифицированного O₂, после чего обогащенный O₂ обратный поток направляют для теплообмена в первую ступень, где нагревают до температуры 305÷310К и соединяют с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную искусственную газовую смесь направляют в энергетическую установку. 1 ил.

Способ получения искусственной газовой смеси для энергетической установки, работающей в режиме рециркуляции отработанных газов, включающий отбор из рециркуляционного потока газовой смеси, состоящей из CO₂, O₂ и паров воды, части потока, компримирование его до давления 1,6-2,0 МПа, двухступенчатое охлаждение смеси от 320 до 220К, при этом в первой ступени охлаждение смеси от 320 до 240К проводят за счет теплообмена с обратным потоком обогащенного O₂ с удалением воды, а во второй ступени охлаждение осушенного потока до 220÷222К осуществляют за счет теплообмена с жидкой CO₂, которую циркулируют под давлением, равным давлению компримированного потока, и расходом, от 9 до 12 раз большим расхода газифицированного O₂, при этом жидкую CO₂ в процессе теплообмена с осушенным потоком газовой смеси нагревают до 237÷238К, после чего охлаждают до 218÷220К за счет испарения жидкого O₂ и теплообмена с газифицированным O₂, который нагревают до температуры 235÷236К, осуществляют сепарацию потока газовой смеси с температурой 220÷222К и давлением 1,6÷2,0 МПа на жидкую CO₂ и несконденсированную газовую смесь O₂ и CO_2, при этом жидкую CO₂ направляют на хранение, а поток несконденсированной газовой смеси дросселируют и соединяют с потоком газифицированного O₂, после чего обогащенный O₂ обратный поток направляют в первую ступень, где нагревают до 305÷310К и смешивают с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную газовую смесь с оптимальной концентрацией O₂ направляют в энергетическую установку, отличающийся тем, что в начале весь расход циркуляционного потока жидкой CO₂ охлаждают до 218÷220К в процессе теплообмена с потоком жидкого O₂ за счет испарения части жидкого O₂, при этом расход жидкого O₂ соответствует расходу для получения оптимального состава искусственной газовой смеси, требующейся для работы энергетической установки, после чего в процессе теплообмена с осушенным потоком газовой смеси поток жидкой CO₂ нагревают до 237÷238К и вновь охлаждают до температуры 220÷222К за счет полного испарения жидкого O₂ и теплообмена с газифицированным O₂, который нагревают до 235÷236К, а осушенный поток газовой смеси, охлажденный до 220÷222К в процессе теплообмена с жидкой CO₂ при давлении 1,6÷2,0 МПа, разделяют на жидкую CO₂ и несконденсированную газовую смесь O₂ и CO₂, при этом поток несконденсированной газовой смеси эжектируют и за счет эжекции смешивают с потоком газифицированного O₂, после чего обогащенный O₂ обратный поток направляют для теплообмена в первую ступень, где нагревают до температуры 305÷310К и соединяют с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную искусственную газовую смесь направляют в энергетическую установку.