Система очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу Российский патент 2023 года по МПК F02G1/04 B01D47/06 

Изобретение относится к системам очистки отработавших газов двигателей автономных энергетических установок, работающих по замкнутому циклу.

Известен аппарат для мокрой очистки газов, содержащий корпус с входным патрубком в нижней части, патрубком для выхода очищенного газа в верхней части, перфорированную опорную решетку со слоем насадки, установленную на штоке с возможностью вертикального перемещения, оросительное устройство, размещенное над насадкой, загрузочный дозатор насадки, размещенный в верхней части корпуса, и жалюзийный водоотбойник, закрепленный на штоке под опорной решеткой, при этом опорная решетка имеет коническую поверхность с углом откоса, равным углу естественного откоса насадки, а входной патрубок подведен тангенциально (Патент РФ №2054306, опубл. от 14.07.1992.).

Недостатком данного устройства является относительно низкая степень эффективности очистки отработавших газов и необходимость периодической замены насадки.

Известен аппарат для очистки газов, содержащий корпус с входным тангенциальным патрубком, оросители и поддон со сливным отверстием, при этом на внутренней поверхности корпуса выполнены по винтовой линии выступы треугольного профиля, а угол при вершине выступа выбран таким, что пленка жидкости многократно огибает его (Патент РФ №2179058, опубл. от 10.02.2002, Бюл. №4).

Недостатком данного аппарата является его низкая эффективность очистки в сравнении с барботажными скрубберами и отсутствие эффективного поглощения диоксида углерода в связи с использованием воды для очистки отработавших газов.

Известно устройство пенного скруббера (барботажно-пенного аппарата) для очистки газов от вредных примесей, в состав которого входит зона пенообразования, расположенная внутри корпуса скруббера и состоящая из слоя раствора, через который проходят очищаемые газы под давлением, при этом увеличение расхода очищаемого газа приводит к росту скорости газов в корпусе скруббера и, соответственно, к росту высоты пенного слоя в зоне пенообразования скруббера, что улучшает условия реакции между контактирующими средами (Патент РФ №2317846, опубл. от 27.02.2008, Бюл. №6).

Известна система очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, включающая емкость для хранения сухого нейтрализующего вещества, емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора, линию подачи сухого нейтрализующего вещества из емкости для его хранения в емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора, линию подачи нагретой охлаждающей воды от двигателя автономной энергетической установки в емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора с расположенным на ней регулирующим вентилем, контактный теплообменник для очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки водным нейтрализующего раствором, линию подачи водного нейтрализующего раствора с циркуляционным насосом из емкости-дозатора для приготовления водного нейтрализующего раствора в контактном теплообменнике, линию подачи отработавших газов от двигателя автономной энергетической установки в контактный теплообменник, линию подачи очищенных отработавших газов из контактного теплообменника в двигатель автономной энергетической установки для использования в замкнутом цикле энергетической установки, линию слива химически грязного водного нейтрализующего раствора с циркуляционным насосом из контактного теплообменника в хранилище (емкость) химически грязного водного нейтрализующего раствора (Патент РФ №2766659, опубл. от 15.03.2022, Бюл. №8).

Недостатками данного технического решения являются низкая эффективность реакции между отработавшими газами и водным нейтрализующим раствором в виде малой площади контакта реагирующих сред и использования водного раствора карбамида для нейтрализации вредных компонентов отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, который эффективен для удаления серы и окислов азота, но не эффективен для удаления углекислого газа (СО₂) из состава отработавших газов, высокая влажность очищенных отработавших газов, при этом приготовление водного раствора карбамида требует точной дозировки и принятия специальных мер предосторожности - перчаток, респираторов и защитных очков у обслуживающего персонала.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности реакции между отработавшими газами и водным нейтрализующим раствором для удаления углекислого газа из состава отработавших газов двигателя энергетической установки, безопасности работы обслуживающего персонала с нейтрализующим раствором и снижении влажности очищенных отработавших газов, подаваемых в двигатель автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу.

Для достижения этого технического результата система очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, включающая емкость для хранения сухого нейтрализующего вещества, емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора, линию подачи сухого нейтрализующего вещества из емкости для его хранения в емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора, линию подачи нагретой охлаждающей воды от двигателя автономной энергетической установки в емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора с расположенным на ней регулирующим вентилем, контактный теплообменник для очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки водным нейтрализующим раствором, линию подачи водного нейтрализующего раствора с циркуляционным насосом из емкости-дозатора для приготовления водного нейтрализующего раствора в контактный теплообменник, линию подачи отработавших газов от двигателя автономной энергетической установки в контактный теплообменник, линию подачи очищенных отработавших газов из контактного теплообменника в двигатель автономной энергетической установки для использования в замкнутом цикле энергетической установки, линию слива химически грязного водного нейтрализующего раствора с циркуляционным насосом из контактного теплообменника в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора, снабжена контактным теплообменником для очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, выполненным в виде скруббера цилиндрической формы, нижняя часть которого заканчивается усеченным конусом, внутри полости скруббера в верхней его части установлен каплеуловитель-осушатель, в средней части полости скруббера размещены щелевые тарелки, над которыми установлена горизонтальная перфорированная труба, подсоединенная к линии подачи водного нейтрализующего раствора из емкости-дозатора, компрессором, расположенным на линии подачи отработавших газов от двигателя автономной энергетической установки в скруббер, присоединенной к скрубберу в его нижней части под щелевыми тарелками, при этом линия подачи очищенных отработавших газов из скруббера в двигатель автономной электростанции подсоединена к скрубберу выше уровня каплеуловителя-осушателя, линия слива химически грязного водного нейтрализующего раствора из скруббера в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора подсоединена к нижней части скруббера в области дна усеченного конуса, в качестве сухого нейтрализующего вещества используется гашеная известь, а в качестве водного нейтрализующего раствора используется известковое молоко, получаемое в емкости-дозаторе путем перемешивания воды и гашеной извести с помощью смесительного устройства, установленного внутри емкости-дозатора.

Введение в состав системы очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, контактного теплообменника, выполненного в виде скруббера цилиндрической формы, нижняя часть которого заканчивается усеченным конусом, внутри полости скруббера в верхней его части установлен каплеуловитель-осушатель, в средней части полости скруббера размещены щелевые тарелки, над которыми установлена горизонтальная перфорированная труба, подсоединенная к линии подачи водного нейтрализующего раствора из емкости-дозатора, компрессора, расположенного на линии подачи отработавших газов от двигателя автономной энергетической установки в скруббер, присоединенной к скрубберу в его нижней части под щелевыми тарелками, линии подачи очищенных отработавших газов из скруббера в двигатель автономной электростанции, подсоединенной к скрубберу выше уровня каплеуловителя-осушателя, линии слива химически грязного водного нейтрализующего раствора из скруббера в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора, подсоединенной к нижней части скруббера в области дна усеченного конуса, а также применение в качестве сухого нейтрализующего вещества используется гашеная известь и применение в качестве водного нейтрализующего раствора известкового молока, получаемого в емкости-дозаторе путем перемешивания воды и гашеной извести с помощью смесительного устройства, установленного внутри емкости-дозатора, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности формирования зоны пенообразования над щелевыми тарелками за счет прохождения отработавших газов, подаваемых под давлением компрессора, расположенного на линии подачи отработавших газов, через известковое молоко - водный нейтрализующий раствор, которое поступает в зону пенообразования по горизонтальной перфорированной трубе, что обеспечивает повышение эффективности реакции между отработавшими газами и водным нейтрализующим раствором для удаления углекислого газа из состава отработавших газов двигателя энергетической установки за счет увеличения площади контакта реагирующих сред в зоне пенообразования и использования известкового молока для удаления углекислого газа из состава отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, снижения влажности очищенных отработавших газов, подаваемых в двигатель автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, за счет использования в верхней части скруббера каплеуловителя-осушателя для улавливания водяных паров, выходящих из зоны пенообразования в составе очищенных отработавших газов, а также повышение безопасности работы обслуживающего персонала с нейтрализующим раствором за счет использования в качестве нейтрализующего раствора водного раствора гашеной извести - известкового молока, имеющего низкий уровень химического воздействия на обслуживающий персонал.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема системы очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, где:

1 - скруббер (контактный теплообменник для очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки);

2 - линии подачи отработавших газов от двигателя автономной энергетической установки в скруббер;

3 - линия подачи очищенных отработавших газов из скруббера в двигатель автономной энергетической установки;

4 - щелевые тарелки;

5 - горизонтальная перфорированная труба для подачи водного нейтрализующего раствора (известкового молока);

6 - линия подачи водного нейтрализующего раствора из емкости-дозатора для приготовления водного нейтрализующего раствора в скруббер;

7 - емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора - известкового молока;

8 - емкость для хранения сухого нейтрализующего вещества (гашеной извести);

9 - регулирующий вентиль линии подачи нагретой охлаждающей воды от двигателя автономной энергетической установки в емкость-дозатор;

10 - каплеуловитель-осушатель;

11 - нижняя часть скруббера в виде усеченного конуса;

12 - линия слива химически грязного водного нейтрализующего раствора из скруббера в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора;

13 - циркуляционный насос линии слива химически грязного водного нейтрализующего раствора из скруббера в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора;

14 - хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора (емкость для продуктов очистки отработавших газов);

15 - компрессор;

16 - смесительное устройство;

17 - линия подачи сухого нейтрализующего вещества (гашеной извести) из емкости для его хранения в емкость-дозатор;

18 - линия подачи нагретой охлаждающей воды от двигателя автономной энергетической установки в емкость-дозатор;

19 - контрольный люк;

20 - зона пенообразования;

21 - двигатель автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу;

22 - циркуляционный насос линии подачи водного нейтрализующего раствора (известкового молока).

Предлагаемая система очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, работает следующим образом.

К скрубберу 1 в нижней его части под щелевыми тарелками 4 подсоединена линия подачи отработавших газов 2 от двигателя 21 автономной энергетической установки, по которой из двигателя 21 в скруббер 1 подаются отработавшие газы.

В полости скруббера по ходу движения отработавших газов снизу вверх, отработавшие газы проходят через зону пенообразования 20, расположенную над щелевыми тарелками 4. Для образования пены в зону пенообразования 20 из горизонтальной перфорированной трубы 5 подается водный нейтрализующий раствор в виде известкового молока, который собирается на щелевых тарелках 4, установленных в средней части полости скруббера 1. Водный нейтрализующий раствор в виде известкового молока подается в горизонтальную перфорированную трубу 5 по линии подачи водного нейтрализующего раствора 6 из емкости-дозатора 7.

Отработавшие газы от двигателя 21, поступающие по линии подачи отработавших газов 2, за счет высокого давления, создаваемого компрессором 15, проходят через щели щелевых тарелок 4 и «взбивают» в пену раствор водного нейтрализующего раствора (известкового молока) в зоне пенообразования 20. За счет образования пены известкового молока резко увеличивается площадь контакта реагирующих сред в зоне пенообразования 20, что обеспечивает повышение эффективности реакции между отработавшими газами и водным нейтрализующим раствором для удаления углекислого газа из состава отработавших газов двигателя 21 энергетической установки, работающей по замкнутому циклу.

Химическая реакция нейтрализации углекислого газа известковым молоком:

При этом энтальпия реакции определяется следующим образом:

После очистки отработавших газов от углекислого газа, они подаются в двигатель 21 автономной энергетической установки из скруббера 1 по линии подачи очищенных отработавших газов 3, которая подсоединена к скрубберу 1 выше уровня каплеуловителя-осушателя 10. За счет прохождения очищенных отработавших газов через каплеуловитель-осушатель 10, расположенный в верхней части скруббера 1, происходит улавливание водяных паров из состава очищенных отработавших газов, выходящих из зоны пенообразования 20, что обеспечивает снижение влажности очищенных отработавших газов, подаваемых в двигатель 21 автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу.

Очищенные и осушенные отработавшие газы используются для организации нового цикла автономной энергетической установки.

Нижняя часть скруббера 1 выполнена в виде усеченного конуса 11, в которой скапливаются продукты реакции известкового молока и отработавших газов в виде хлопьев (пульпа) химически грязного водного нейтрализующего раствора. Из нижней части скруббера 1, в виде усеченного конуса 11, периодически с помощью циркуляционного насоса 13, по линии слива химически грязного водного нейтрализующего раствора 12, подсоединенной к нижней части скруббера 1 в области дна усеченного конуса 11, хлопья химически грязного водного нейтрализующего раствора удаляются из скруббера 1 в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора 14. Для оценки наполнения и опорожнения хранилища 14 используется контрольный люк 19.

Как отмечалось выше, в качестве водного нейтрализующего раствора используется известковое молоко, получаемое в емкости-дозаторе 7 путем перемешивания воды и гашеной извести с помощью смесительного устройства 16, установленного внутри емкости-дозатора 7. Для этого из емкости для хранения сухого нейтрализующего вещества (гашеной извести) 8 по линии подачи сухого нейтрализующего вещества 17 гашеная известь по- дается в емкость-дозатор 7, в которую одновременно подается вода по линии подачи нагретой охлаждающей воды 18 от двигателя 21 автономной энергетической установки. Регулирование количества подаваемой воды осуществляется с помощью регулирующего вентиля 9.

В емкости-дозаторе 7 путем перемешивания воды и гашеной извести с помощью смесительного устройства 16 происходит образование известкового молока, из которого с помощью циркуляционного насоса 22 по линии подачи водного нейтрализующего раствора 6 известковое молоко подается в горизонтальную перфорированную трубу 5 в зону пенообразования 20, расположенную над щелевыми тарелками 4.

Использование в качестве нейтрализующего раствора водного раствора гашеной извести - известкового молока, с одной стороны, имеющего низкий уровень химического воздействия на обслуживающий персонал, обеспечивает повышение безопасности работы обслуживающего персонала с нейтрализующим раствором, а с другой стороны, обеспечивает повышение эффективности реакции между отработавшими газами и водным нейтрализующим раствором для удаления углекислого газа из состава отработавших газов двигателя энергетической установки, поскольку раствор гашеной извести наиболее эффективен для удаления углекислого газа (СО₂) и окислов углерода из состава отработавших газов.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Патент РФ №2054306, опубл. от 14.07.1992.

2. Патент РФ №2179058, опубл. от 10.02.2002, Бюл. №4.

3. Патент РФ №2317846, опубл. от 27.02.2008, Бюл. №6.

4. Патент РФ №2766659, опубл. от 15.03.2022, Бюл. №8 - прототип.

Изобретение относится к системам очистки отработавших газов двигателей автономных энергетических установок, работающих по замкнутому циклу. В полости скруббера по ходу движения отработавших газов снизу вверх, отработавшие газы проходят через зону пенообразования 20, расположенную над щелевыми тарелками 4. Для образования пены в зону пенообразования 20 из горизонтальной перфорированной трубы 5 подается водный нейтрализующий раствор в виде известкового молока по линии подачи водного нейтрализующего раствора 6 из емкости-дозатора 7, который собирается на щелевых тарелках 4, установленных в средней части полости скруббера 1. Отработавшие газы от двигателя 21, поступающие по линии подачи отработавших газов 2, за счет высокого давления, создаваемого компрессором 15, проходят через щели щелевых тарелок 4 и «взбивают» в пену раствор водного нейтрализующего раствора (известкового молока) в зоне пенообразования 20. За счет образования пены известкового молока резко увеличивается площадь контакта реагирующих сред в зоне пенообразования 20, что обеспечивает повышение эффективности реакции между отработавшими газами и водным нейтрализующим раствором для удаления углекислого газа из состава отработавших газов двигателя 21 энергетической установки, работающей по замкнутому циклу. При реализации изобретения обеспечивается повышение эффективности реакции между отработавшими газами и водным нейтрализующим раствором для удаления углекислого газа из состава отработавших газов двигателя энергетической установки, безопасность работы обслуживающего персонала с нейтрализующим раствором и снижение влажности очищенных отработавших газов. 1 ил.

Система очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, включающая емкость для хранения сухого нейтрализующего вещества, емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора, линию подачи сухого нейтрализующего вещества из емкости для его хранения в емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора, линию подачи нагретой охлаждающей воды от двигателя автономной энергетической установки в емкость-дозатор для приготовления водного нейтрализующего раствора с расположенным на ней регулирующим вентилем, контактный теплообменник для очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки водным нейтрализующего раствором, линию подачи водного нейтрализующего раствора с циркуляционным насосом из емкости-дозатора для приготовления водного нейтрализующего раствора в контактный теплообменник, линию подачи отработавших газов от двигателя автономной энергетической установки в контактный теплообменник, линию подачи очищенных отработавших газов из контактного теплообменника в двигатель автономной энергетической установки для использования в замкнутом цикле энергетической установки, линию слива химически грязного водного нейтрализующего раствора с циркуляционным насосом из контактного теплообменника в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора, отличающаяся тем, что снабжена контактным теплообменником для очистки отработавших газов двигателя автономной энергетической установки, выполненным в виде скруббера цилиндрической формы, нижняя часть которого заканчивается усеченным конусом, внутри полости скруббера в верхней его части установлен каплеуловитель-осушатель, в средней части полости скруббера размещены щелевые тарелки, над которыми установлена горизонтальная перфорированная труба, подсоединенная к линии подачи водного нейтрализующего раствора из емкости-дозатора, компрессором, расположенным на линии подачи отработавших газов от двигателя автономной энергетической установки в скруббер, присоединенной к скрубберу в его нижней части под щелевыми тарелками, при этом линия подачи очищенных отработавших газов из скруббера в двигатель автономной энергетической установки подсоединена к скрубберу выше уровня каплеуловителя-осушателя, линия слива химически грязного водного нейтрализующего раствора из скруббера в хранилище химически грязного водного нейтрализующего раствора подсоединена к нижней части скруббера в области дна усеченного конуса, в качестве сухого нейтрализующего вещества используется гашеная известь, а в качестве водного нейтрализующего раствора используется известковое молоко, получаемое в емкости-дозаторе путем перемешивания воды и гашеной извести с помощью смесительного устройства, установленного внутри емкости-дозатора.