Система комплексного вторичного использования отработавших газов судовой энергетической установки Российский патент 2023 года по МПК F01N3/04 F01N3/08 B63H21/00 F02M26/00 H01M8/22 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам обработки горючей смеси перед впуском в судовой двигатель и для питания судовых водородных аккумуляторных батарей и может быть использовано для очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, фильтрации с выделением водорода и его последующему использованию как одного из двух необходимых веществ (наравне с кислородом) для питания водородных аккумуляторных батарей и получения электроэнергии, способной питать судовых потребителей и брать на себя часть нагрузки с вспомогательных дизельгенераторов или же полностью исключить необходимость в них.

Существуют энергетические установки замкнутого цикла на основе тепловых двигателей, работающих в режиме рециркуляции отработавших газов, в которых в качестве компоненты топлива двигателей используется искусственная газовая смесь, составленная очищенными отработанными газами. Существуют также устройства для получения технического водорода для использования его в двигателях внутреннего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ:

По научно-технической информации

1. Вагнер Виктор Анатольевич. Основы теории и практика использования альтернативных топлив в дизелях: РГБ ОД 71:95-5/488 Данная диссертация предусматривает использование водорода в дизельных двигателях как основного топлива, способного заменить углеродные топлива, однако, не рассматривает возможность отказа от ДВС в пользу водородных аккумуляторных батарей.

2. Мисбахов Ринат Шаукатович. Влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газовых и дизельных двигателей: диссертация … кандидата технических наук: 05.04.02 / Мисбахов Ринат Шаукатович; [Место защиты: Казан, гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева]. - Казань, 2010.- 165 с: ил. РГБ ОД, 61 10-5/2367. Данная диссертация изучает влияние добавок водорода в состав топливо-воздушной смеси и подтверждает ранее полученные результаты о равных положительных и ряде отрицательных свойств, получаемых при данном процессе (а именно некоторое повышение эффективности и экологичности при ухудшении детонационных свойств). Равно с прошлым источником не рассматривает возможности постепенного ухода от ДВС и углеродных топлив.

3. Костенко Светлана Сергеевна. Моделирование фильтрационных режимов окисления смесей метана в присутствии паров воды: диссертация... кандидата физико-математических наук: 01.04.17 / Костенко Светлана Сергеевна; [Место защиты: Ин-т проблем хим. физики РАН]. - Черноголовка, 2010. - 148 с: ил. РГБ ОД, 61 10-1/415. Данная диссертация рассматривает возможности конверсии метана с выделением водорода, что является не самым экологически чистым способом его получения. В свою очередь, применяемая в установке патента реакция электролиза является несколько более энергозатратной, но совершенно экологически чистой.

4. Нефедьева Анна Вениаминовна. Научное обоснование выбора способа хранения водорода для морских электроэнергетических установок с прямым преобразованием энергии: диссертация кандидата технических наук: 05.08.05. - Санкт-Петербург, 2002.- 143 с: ил. РГБ ОД, 61 03-5/2560-3. Данная работа подтверждает актуальность и необходимость поиска различных решений ухода от углеродных топлив и ДВС в пользу более экологически чистых процессов.

По патентной информации Известна «Энергоустановка с генератором водорода» по патенту РФ на полезную модель №104384, опубл. 10.05.2011 г., МПК Н01М 8/06. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ДВС, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена.

Известна «Установка получения водорода (варианты)» по патенту РФ на изобретение №2672416, МПК С01В 3/02, С07С 7/12, опубл. 14.11.2018 г. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ГТУ, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена.

Известен «Способ получения технического водорода и его использования в двигателях внутреннего сгорания» по патенту РФ на изобретение №2179251, МПК F02B 43/12, опубл. 10.02.2002 г. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ДВС, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена. Имеет ряд существенных конструктивно обоснованных недостатков.

Известны «Система и способ изменения интервалов между вспышками в цилиндрах двигателя с рециркуляцией отработавших газов (варианты)», Патент РФ на изобретение №2700969 Форд Глобал Технолоджиз, ЛЖ (US). МПК FOIL 13/00, F02D 23/0, F02M 26/43. Опубл. 24.09.2019 г. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ДВС, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена.

Известен «Способ получения водорода с помощью термической диссоциации воды или низкотемпературных диссоциирующих веществ, содержащих в составе водород, с применением микроволнового излучения» по патенту РФ на изобретение №2647291, МПК С25В 1/02, C02F 1/30, опубл. 15.03.2018 г. Данный патент предусматривает получение водорода при крайне высоким температурах (до 3000 градусов Цельсия), что является небезопасным при применении подобной технологии на судах.

Перечисленные в данных патентах системы не обладают комплексным решением, включающим несколько выполняемых задач.

Известен «Способ получения искусственной газовой смеси для двигателя внутреннего сгорания, работающего в режиме рециркуляции отработавших газов и устройство для его осуществления» по патенту РФ №2287069, МПК F02B 47/10, опубл. 10.11.2006 г. Согласно изобретению способ получения ИГС для двигателя внутреннего сгорания, работающего в режиме рециркуляции отработанных газов, включает

отвод отработавших газов от двигателя, двухступенчатую очистку, путем мокрой очистки от примесей и последующего удаления диоксида углерода с одновременным обогащением кислородом. При этом отработавшие газы охлаждают и в полном объеме подвергают мокрой очистке, затем разделяют их на два потока регулируемого объема. Один из потоков дополнительно охлаждают и осушают, обеспечивают его контактный теплообмен с жидким кислородом с получением газообразного кислорода и вымораживанием фракций воды и диоксида углерода. После отделяют и выводят твердые фракции воды и диоксида углерода. Полученную охлажденную и обогащенную кислородом газовую смесь соединяют с другим потоком охлажденных и осушенных отработавших газов с получением охлажденной ИГС, которую дополнительно подогревают перед подачей в двигатель внутреннего сгорания.

Известен «Способ приготовления искусственной газовой смеси для ДВС, работающего в режиме рециркуляции отработавших газов» по патенту РФ №2158833, МПК F02B 47/10, F02M 25/10, опубл. 2000 г. Способ включает в себя отвод отработавших газов от двигателя, обработку отработавших газов посредством реагента, состоящую из поглощения углекислого газа и выделения кислорода, и подачу искусственной газовой смеси на впуск двигателя.

Обработку отработавших газов производят посредством разделения отработавших газов на две регулируемые части. Одну из частей орошают путем дозированного впрыска воды, пропускают падающий поток отработавших газов через набор пластин реагента, очищают от твердых частиц, продуктов химических реакций и капельной влаги. После чего смешивают со второй частью потока отработавших газов и охлаждают. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности приготовления искусственной газовой смеси для дизеля.

Известен «Способ получения искусственной газовой смеси для энергетической установки, работающей в

режиме рециркуляции отработанных газов» по патенту РФ №2730270, МПК F02G 1/04, опубл. 21.08.2020 г. 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 СО₂ для воздухонезависимых энергетических установок, работающих в широком диапазоне нагрузок, что достигается за счет того, что в начале весь расход циркуляционного потока жидкой СО₂ охлаждают до 218÷220К в процессе теплообмена с потоком жидкого О₂ за счет испарения части жидкого О₂, при этом расход жидкого О₂ 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 СО₂ нагревают до 237÷238К и вновь охлаждают до температуры 220÷222К за счет полного испарения жидкого О₂ и теплообмена с газифицированным О₂, который нагревают до 235÷236К, а осушенный поток газовой смеси охлажденный до 220+222К в процессе теплообмена с жидкой СО₂ при давлении 1,6÷2,0 МПа разделяют на жидкую СО₂ и несконденсированную газовую смесь О₂ и СО₂, при этом поток несконденсированной газовой смеси эжектируют и за счет эжекции смешивают с потоком газифицированного О₂, после чего обогащенный О₂ 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.

Перечисленные патенты решают задачи по рециркуляции отработанных газов, однако, не соответствуют задаче, поставленной предлагаемым изобретением.

Имеющиеся системы не включают в себя сразу ряд выполняемых задач, среди которых: повышение экологичности путем очистки газов, повторное их использование путем рециркуляции, выделение и последующее использование водорода, что может считаться повторным использованием отработанных газов с вторичным преобразованием, повышающим эффективность и экологичность работы двигателя.

Технической задачей предлагаемого изобретения является:

- повышение экологичности работы судовой энергетической установки путем очистки отработавших газов;

- выделение из отработавших газов водорода и последующее его

использование;

- вторичное преобразование отработавших газов и повторное их использование путем рециркуляции.

Для достижения технической задачи предлагается система комплексного вторичного использования отработавших газов судового двигателя внутреннего сгорания, содержащая блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом, блок выделения газообразного водорода, блок вторичного использования очищенных отработанных газов и блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей, при этом блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом включает соединенный с двигателем внутреннего сгорания скруббер для приема и увлажнения отработанных газов, электролизер, вход в который соединен со скруббером, а выход с графеновым лабиринтным фильтром, блок выделения газообразного водорода включает графеновый лабиринтный фильтр, установленный с возможностью сообщения с компрессором и впускным коллектором блока вторичного использования очищенных отработанных газов, а блок вторичного использования очищенных отработанных газов включает впускной коллектор для ввода очищенных отработанных газов в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и выпускной коллектор для выхода оставшегося объема очищенных отработанных газов в атмосферу, блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей содержит компрессор, криогенератор, систему хранения водорода, компрессор воздуха высокого давления, воздухоразделительную установку, устройство подачи кислорода, аккумуляторные водородные батареи, причем блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом непосредственно связан с ДВС, движителем, валогенератором, а аккумуляторные водородные батареи через главный распределительный щит (ГРЩ) связаны с потребителями энергии.

ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Технический результат заключается в получении газовой смеси, позволяющей эффективно работать судовой энергетической установке и получении водорода для энергопитания аккумуляторных батарей, а также в получении электроэнергии, способной питать судовых потребителей и брать на себя часть нагрузки с вспомогательных дизельгенераторов или же полностью исключить необходимость в них.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность изобретения заключается в том, что производят комплексное вторичное использование отработанных газов судовой энергетической установки: использование как рециркуляционный процесс и использование газовой составляющей смеси - водорода. Конструктивное решение предлагаемой системы обеспечивает экологическую очистку отработанных газов, разделение газовой смеси на водород и кислород, фильтрации полученной смеси газов через графеновый лабиринтовый фильтр с выделением водорода, его трансферу к компрессору и криогенератору, способному сжижать выделенный водород, и его последующему использованию как одного из двух необходимых веществ (наравне с кислородом) для питания водородных аккумуляторных батарей и получения электроэнергии, способной питать судовых потребителей и брать на себя часть нагрузки с вспомогательных дизельгенераторов или же полностью исключить необходимость в них.

Очищенные отработанные газы, из которых уже выделен водород, могут быть снова направлены во впускной тракт двигателя, что в свою очередь повысит его эффективность, мощность и экологичность путем увеличения заряда воздуха и улучшения его состава повышенным содержанием кислорода.

Установка имеет в своем составе двигатель внутреннего сгорания, скруббер, электролизер, фильтр, содержащий графеновые мембраны, компрессор, криогенератор, воздухоразделительное устройство, водородные аккумуляторные батареи, главный распределительный щит, движитель, валогенератор и потребителей электроэнергии.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На рисунке изображена принципиальная схема системы.

Блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом содержит соединенный с двигателем внутреннего сгорания скруббер 1 для приема и увлажнения отработанных газов, электролизер 2, вход в который соединен со скруббером, а выход с графеновым лабиринтным фильтром 3.

Блок выделения газообразного водорода включает графеновый лабиринтный фильтр 3, установленный с возможностью сообщения с компрессором и впускным коллектором 10 блока вторичного использования очищенных отработанных газов.

Блок вторичного использования очищенных отработанных газов включает впускной коллектор 10 для ввода очищенных отработанных газов в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и выпускной коллектор для выхода оставшегося объема очищенных отработанных газов в атмосферу.

Блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей содержит компрессор 4, криогенератор 5, систему хранения водорода хранения водорода 6, компрессор воздуха высокого давления 7, воздухоразделительную установку 8, устройство подачи кислорода, аккумуляторные водородные батареи 9.

Блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом непосредственно связан с ДВС, движителем, валогенератором, а аккумуляторные водородные батареи 9 через главный распределительный щит (ГРЩ) связаны с потребителями энергии.

РАБОТА СИСТЕМЫ

Судовой двигатель внутреннего сгорания в ходе своей эксплуатации производит отработанные газы, что направляются по выхлопному коллектору в скруббер 1, где происходит барботирование их и очистки, после предварительно очищенные отработанные газы с повышенным содержанием водяных паров в своем составе проходят через встроенный в коллектор электролизер 2, который путем воздействия электрического тока проводит диссоциацию имеющихся водяных паров на кислород и водород. Для выделения водорода смесь газов проводят через лабиринтовый фильтр 3, содержащий графеновые матрицы, не пропускающие никаких газов, кроме водорода. Благодаря конструктивному решению очищенные отработанные газы возвращаются обратно во впускной коллектор двигателя 10, а выделенный водород направляется в компрессор 4, где производится его сжатие и подготовка к сжижению в криогенераторе 5, где будет продолжено его сжатие и охлаждение до тех пор, пока он не перейдет как вещество в жидкое состояние. Сжиженный водород направляется к водородным аккумуляторным батареям 9, к ним же подводится кислород, полученный путем его сепарации в воздухоразделительном устройстве 8. Протекающая химическая реакция соединения водорода и кислорода создает разность потенциалов и соответственно электрический ток, поступающий через судовые электросети к главному распределительному щиту (ГРЩ), от него -к судовым потребителям электроэнергии.

Изобретение относится к двигателестроению. Технический результат - повышение экологичности работы судовой энергетической установки, получение водорода для энергопитания аккумуляторных батарей, предназначенных для получения электроэнергии для питания судовых потребителей. Предложена система комплексного вторичного использования отработавших газов судовой энергетической установки, включающая соединенный с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) скруббер 1 для приема и увлажнения отработанных газов, электролизер 2 для производства водорода из воды, присутствующей в отработавших газах, графеновый лабиринтный фильтр 3. Часть очищенных отработанных газов после графенового лабиринтного фильтра 3 вводится во впускной коллектор 10 ДВС, а часть выводится через выпускной коллектор в атмосферу. Водород, отделенный в графеновом лабиринтном фильтре 3, поступает в компрессор 4, криогенератор 5, систему хранения водорода и далее в аккумуляторные водородные батареи 9, в которые также поступает кислород из системы, включающей компрессор высокого давления 7, воздухоразделительную установку 8 и устройство подачи кислорода. Аккумуляторные водородные батареи 9 через главный распределительный щит связаны с потребителями энергии. 1 ил.

Система комплексного вторичного использования отработавших газов судовой энергетической установки, содержащая блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом, блок выделения газообразного водорода, блок вторичного использования очищенных отработанных газов и блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей, при этом блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом включает соединенный с двигателем внутреннего сгорания скруббер для приема и увлажнения отработанных газов, электролизер, вход в который соединен со скруббером, а выход с графеновым лабиринтным фильтром, блок выделения газообразного водорода включает графеновый лабиринтный фильтр, установленный с возможностью сообщения с компрессором и впускным коллектором блока вторичного использования очищенных отработанных газов, а блок вторичного использования очищенных отработанных газов включает впускной коллектор для ввода очищенных отработанных газов в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и выпускной коллектор для выхода оставшегося объема очищенных отработанных газов в атмосферу, блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей содержит компрессор, криогенератор, систему хранения водорода, компрессор воздуха высокого давления, воздухоразделительную установку, устройство подачи кислорода, аккумуляторные водородные батареи, причем блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом непосредственно связан с ДВС, движителем, валогенератором, а аккумуляторные водородные батареи через главный распределительный щит (ГРЩ) связаны с потребителями энергии.