Система рекуперации углекислого газа в процессе метанирования для судовой энергетической установки Российский патент 2024 года по МПК F02D19/08 F01N3/08 B01D53/92 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам обработки продуктов сгорания топлива, входящего в их состав углекислого газа с целью его выделения, рекуперации путем метанирования, получения метана и его дальнейшего хранения и использования на судах в качестве топлива или запасенной энергии.

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. Гущин, П.А. Плазменно-каталитические превращения углекислого газа и метана в условиях СВЧ-разряда: специальность 05.17.07 "Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ": автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Гущин Павел Александрович. - Москва, 2008. - 26 с. - EDN MBTEZO.

Данная диссертация рассматривает плазмохимические процессы углеводородного сырья, конверсии углекислого газа на электродах, изготовленных из различных металлов и сплавов и предлагает простую в изготовлении конструкцию плазменно-каталитического реактора конверсии газов с низкой энерго- и материалоемкостью и большим ресурсом работы, однако, не предполагает улавливания углекислого газа непосредственно у источника его выбросов (потребителя углеводородного топлива, судового двигателя внутреннего сгорания), а так же не рассматривает возможности протекания реакции путем достижения необходимых условий в дополнительном цилиндре, которому сообщается механическая энергия потребителем углеводородного топлива в присутствии катализаторов на УНТ (железо, никель). Кроме того, работа упомянутой установки нацелена так же на превращения углеводородных топлив с целью получения синтез газа, что не является основной целью у системы рекуперации углекислого газа в процессе метанирования для судовых двигателей внутреннего сгорания, так как в системе достигаются условия для возобновления углеводородного топлива из продуктов сгорания (углекислого газа).

2. Покусаева, Я.А. Гидрирование диоксида углерода на Fe-, Со- и Ni-содержащих катализаторах в газовой фазе и сверхкритических условиях: специальность 02.00.15 "Кинетика и катализ": диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук / Покусаева Яна Андреевна, 2020. - 128 с. - EDN DEDLLQ.

Данная диссертация рассматривает процесс каталитического гидрирования диоксида углерода на металлах триады железа (Fe, Со, Ni), нанесенных на углеродные носители: Сибунит и углеродные нанотрубки, изучена каталитическая активность железосодержащих катализаторов в реакции водяного газа и синтезе углеводородов С1-С12, а Со- и Ni-содержащих - в реакции прямого метанирования (реакции Сабатье), продемонстрировано влияние внесения хрома в катализатор на селективное протекание реакции водяного газа в связи с отсутствием формирования фазы карбидов железа на поверхности катализаторов, влияние проведения реакции гидрирования диоксида углерода в сверхкритических условиях на селективность образования углеводородов; методом магнитометрии необходимость присутствия фазы карбида Хегга на поверхности катализатора для селективного гидрирования диоксида углерода в углеводороды. Однако в данной диссертации не предполагается процесс улавливания углекислого газа непосредственно у источника его выбросов (потребителя углеводородного топлива, судового двигателя внутреннего сгорания), а так же процессы отделения метана от образующихся водяных паров и система подготовки, хранения и дальнейшего использования метана с его последующим улавливанием и повторной рекуперацией углекислого газа с целью получения метана, характеризующегося как возобновляемое углеводородное топливо.

По патентной информации

Известен «Способ рекуперации двуокиси углерода» по патенту РФ №2402373, МПК BO1D 53/14, опубл. 12.12. 2006. В данном патенте рассматривается способ рекуперации двуокиси углерода из газовых потоков, содержащих двуокись углерода, содержит стадию абсорбции с жидкостью, стадию регенерации абсорбирующей жидкости, представленной раствором амина. Однако данный патент не предусматривает превращения углекислого газа в метан в процессе метанирования в дополнительном цилиндре, улавливаемого непосредственно у источника выбросов (потребителя углеводородного топлива, судового двигателя внутреннего сгорания), рассматривая лишь возможность регенерации абсорбирующей его жидкости для повторного улавливания.

Известен «Способ улавливания углекислого газа из дымового газа электростанции и установка для его осуществления» по патенту РФ №2015101909, МПК BO1D 53/14, опубл. 10.08. 2016. Данный патент предусматривает улавливание углекислого газа непосредственно у источника выбросов углекислого газа (потребителя углеводородного топлива) использованием раствора амина, термическим разложением смешанного раствора, возвращением водного раствора композиционного сорбента в качестве сорбента для рециркуляции, охлаждение отделенного углекислого газа, осуществление сепарации для удаления воды и получения углекислого газа с чистотой, превышающую 99%, его осушение, сжатие и конденсация. Однако данный патент не рассматривает возможности полезного использования полученного углекислого газа в процессе метанирования в дополнительном цилиндре в присутствии температуры, давления и катализатора с целью получения при смешивании с водородом метана для его повторного использования в качестве топлива, при сгорании которого в потребителе углеводородного топлива (судовом двигателе внутреннего сгорания) возможна повторная рекуперация углекислого газа, что делает подобное углеводородное топливо возобновляемым, а его использование устраняет выбросы углекислого газа в атмосферный воздух.

Известен «Способ получения метана из атмосферного диоксида углерода» по патенту РФ №2533710, МПК С07С 9/04, С07С 1/12, B01J 23/60, B01J 20/04, B01J 20/06, опубл. 20.11.2014. Данный патент рассматривает способ получения метана из атмосферного диоксида углерода и характеризуется использованием механической смеси термически регенерируемого сорбента карбоната калия, закрепленного в порах диоксида титана, использует альтернативную возобновляемую энергию для синтеза топлив. Однако данный патент не предусматривает получение метана достижением необходимых давлений и температур в присутствии катализатора в дополнительном цилиндре, приводимом в работу приводным устройством от двигателя внутреннего сгорания, являющегося источником выбросов углекислого газа, а также возможность повторной рекуперации углекислого газа после использования полученного метана в качестве топлива в потребителе углеводородного топлива (судовом двигателе внутреннего сгорания).

Известен «Способ получения метана и его производных» по патенту РФ №2218320, МПК С07С 1/12, C10G 2/00, опубл. 10.12.2003. Данный патент рассматривает способ получения углеводородов использованием водного раствора гетерополикислоты, свинцовых или медных пластин, последующее восстановление анионного комплекса, пропусканием через раствор под давлением 700-800 мм. рт.ст. углекислого газа в концентрации не более 60% по объему до получения метана или одного из насыщенных углеводородов для получения их в промышленных объемах. Однако данный патент не рассматривает способ улавливания и отделения углекислого газа из состава отработавших газов источника выбросов углекислого газа (потребителя углеводородного топлива, судового двигателя внутреннего сгорания), не использует дополнительный цилиндр, в котором в присутствии температуры, давления и катализатора при смешивании с водородом образуется метан с возможностью его повторного использования в качестве топлива, при сгорании которого в потребителе углеводородного топлива (судовом двигателе внутреннего сгорания) возможна повторная рекуперация углекислого газа, что делает подобное углеводородное топливо возобновляемым, а его использование устраняет выбросы углекислого газа в атмосферный воздух.

Перечисленные патенты решают задачи по улавливанию углекислого газа, его рекуперации, повышению эффективности процессов получения метана из углекислого газа, рекуперации углекислого газа, однако, не включают в себя одновременно ряд требуемых для решения задач, среди которых: повышение экологичности путем выделения из состава отработавших газов углекислого газа, рекуперация углекислого газа в присутствии температуры, давления и катализатора при смешивании с водородом, образование метана, его отделение от водяных паров, хранение и использование в качестве топлива для питания потребителя (судового двигателя внутреннего сгорания) с возможностью повторной рекуперации, что делает данное углеводородное топливо возобновляемым; работу двигателя внутреннего сгорания более экологически чистой, энергетически выгодной и эффективной.

Технической задачей предлагаемого изобретения является:

- повышение экологичности работы судовой энергетической установки путем выделения углекислого газа;

- получение метана из выделенного углекислого газа и водорода и его дальнейшее использование в качестве топлива;

- повышение энергетических, экологических и экономических показателей двигателя внутреннего сгорания использованием метана, полученного в ходе рекуперации углекислого газа в процессе метанирования.

Для достижения технической задачи предлагается система рекуперации углекислого газа в процессе метанирования для судовой энергетической установки, содержащая блок предварительной очистки отработавших газов, блок выделения газообразного углекислого газа, блок подготовки углекислого газа, блок подготовки газообразного водорода, блок получения газообразного метана и блок подготовки метана к хранению и использованию для питания двигателя внутреннего сгорания, при этом блок предварительной очистки отработавших газов включает соединенный с двигателем внутреннего сгорания выхлопной коллектор, соединенный со скруббером для приема и увлажнения отработавших газов, направляющий предварительно очищенные отработавшие газы в блок выделения газообразного углекислого газа, включающий газораспределительное устройство, причем газораспределительное устройство соединено с выходом в атмосферу, что позволяет выбрасывать очищенные отработавшие газы, выделенный углекислый газ поступает в блок подготовки углекислого газа, что включает в себя компрессор, доставляющий углекислый газ в дополнительный цилиндр для метанирования, блок подготовки газообразного водорода, включающий в себя резервуар для хранения сжатого водорода, редукционный клапан, понижающий давления сжатого водорода до необходимого и доставляющих водород в дополнительный цилиндр для метанирования, блок получения газообразного метана включает в себя дополнительный цилиндр для метанирования, соединенный с блоками подготовки газообразного водорода и углекислого газа, приводимый в движение от приводного устройство, причем приводное устройство соединено через фланец отбора мощности с двигателем внутреннего сгорания, и конденсатор, отделяющий метан от водяных паров после реакции метанирования, блок подготовки метана к хранению и использованию включает в себя систему сжижения метана, соединенную с резервуаром для хранения метана, причем метан из резервуара может поступать в топливную систему в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания.

ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Технический результат заключается в получении метана из углекислого газа, входящего в состав отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, путем его рекуперации, что полностью устраняет выбросы углекислого газа при работе двигателей внутреннего сгорания судовой энергетической установки и позволяет использовать полученный метан в качестве топлива с возможностью повторной рекуперации углекислого газа в дополнительном цилиндре до метана в процессе метанирования.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность изобретения заключается в том, что производят рекуперацию углекислого газа в процессе метанирования с целью получения метана из отработавших газов судовой энергетической установки: использование как рекуперационный процесс и использование газовой составляющей смеси - углекислого газа. Конструктивное решение предлагаемой системы обеспечивает экологическую очистку отработавших газов, разделение газовой смеси на очищенные отработавшие газы и углекислый газ, его трансфер к компрессору и после вместе с газообразным водородом к дополнительному цилиндру, способному образовывать метан, и его последующему использованию полученного метана в качестве топлива для питания потребителей углеводородного топлива (двигателей внутреннего сгорания) с возможностью повторной рекуперации углекислого газа из состава отработавших газов, образовавшихся при сгорании полученного метана.

Установка имеет в своем составе двигатель внутреннего сгорания, выхлопной коллектор, скруббер, газоразделительное устройство, компрессор, резервуар для сжатого водорода, редукционный клапан, дополнительный цилиндр для метанирования, конденсатор, система сжижения метана, резервуар для хранения метана.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.

На рисунке изображена принципиальная схема системы.

Блок предварительной очистки отработавших газов содержит соединенный с двигателем внутреннего сгорания выхлопной коллектор 1, направляющий в скруббер 2 для приема предварительной очистки отработавшие газы.

Блок выделения газообразного углекислого газа включает газоразделительное устройство 3, способное отделить углекислый газ из состава отработавших газов, причем очищенные отработавшие газы направляются на выход в атмосферу.

Блок подготовки углекислого газа включает компрессор 4, направляющий полученный ранее углекислый газ в дополнительный цилиндр для метанирования.

Блок подготовки газообразного водорода включает резервуар для хранения сжатого водорода 5, соединенный с редукционным клапаном 6.

Блок получения газообразного метана включает в себя цилиндр для метанирования 7, сообщающийся с конденсатором 10, соединенный с приводным устройством 9, сообщающимся с фланцем отбора мощности 8.

Блок подготовки метана к хранению и использованию включает в себя систему сжижения метана 11, резервуар для хранения метана 12, сообщающийся с топливной системой, направляющей метан к двигателю внутреннего сгорания.

РАБОТА СИСТЕМЫ

Судовой двигатель внутреннего сгорания в ходе своей эксплуатации производит отработавшие газы, которые направляются по выхлопному коллектору 1 в скруббер 2, где происходит барботирование их и очистка, после предварительно очищенные отработанные газы направляются в газоразделительное устройство 3, производящее отделение углекислого газа из состава отработавших газов, после чего отработавшие газы, очищенные от вредных веществ и углекислого газа направляются на выход в атмосферу, а углекислый газ поступает в компрессор 4, откуда направляется в дополнительный цилиндр для метанирования 7. Водород из резервуара для хранения сжатого водорода 5 поступает на редукционный клапан, понижая давления до необходимого, после чего поступает в дополнительный цилиндр для метанирования 7 вместе с углекислым газом. В дополнительном цилиндре 7, приводимом в работу приводным устройством 9, получающем энергию с фланца отбора мощности 8 двигателя внутреннего сгорания, в присутствии температуры, давления и катализатора происходит образование метана и воды, разделяемых в конденсаторе 10. После отделения метана от воды он поступает в систему сжижения метана 11, где происходит его сжижения с целью последующего хранения в резервуаре для хранения метана 12, откуда он может поступать в топливную систему двигателя для его питания в качестве основного или дополнительного топлива. Углекислый газ, образовавшийся при сгорании метана вновь проходит рекуперацию до метана в процессе метанирования.

Изобретение может быть использовано в системах обработки продуктов сгорания двигателей внутреннего сгорания. Система рекуперации углекислого газа в процессе метанирования для судовой энергетической установки содержит блок предварительной очистки отработавших газов «мокрым» способом, блок выделения газообразного углекислого газа, блок подготовки углекислого газа, блок подготовки газообразного водорода, блок получения газообразного метана и блок подготовки метана к хранению и использованию для энергопитания судового двигателя внутреннего сгорания. Блок предварительной очистки отработавших газов «мокрым» способом включает соединенный с двигателем внутреннего сгорания выхлопной коллектор (1), соединенный со скруббером (2) для приема и увлажнения отработавших газов. Выход скруббера (2) соединен с газоразделительным устройством (3), входящим в состав блока выделения газообразного углекислого газа. Газоразделительное устройство (3) выполнено с возможностью сообщения с компрессором (4) и выходом очищенных отработавших газов в атмосферу. Блок подготовки углекислого газа включает компрессор (4) для создания необходимого давления на впуске в дополнительный цилиндр для метанирования. Блок подготовки газообразного водорода включает резервуар (5) для хранения сжатого водорода и редукционный клапан (6), понижающий давление водорода на входе в дополнительный цилиндр (7) для метанирования до необходимого для метанирования давления. Блок получения газообразного метана включает дополнительный цилиндр (7) для метанирования, приводимый в движение коленчатым валом двигателя через фланец (8) отбора мощности и приводное устройство (9) и соединяемый с конденсатором (10) для отделения метана от водяного пара. Блок подготовки метана к хранению и использованию включает систему (11) сжижения метана и резервуар (12) для хранения метана. Резервуар (12) для хранения метана связан с топливной системой двигателя внутреннего сгорания и осуществляет одновременную подачу дизельного топлива и метана в установленном соотношении. Технический результат заключается в устранении выбросов углекислого газа при работе двигателя и в использовании полученного метана в качестве топлива для двигателя. 1 ил.

Система рекуперации углекислого газа в процессе метанирования для судовой энергетической установки, содержащая блок предварительной очистки отработавших газов «мокрым» способом, блок выделения газообразного углекислого газа, блок подготовки углекислого газа, блок подготовки газообразного водорода, блок получения газообразного метана и блок подготовки метана к хранению и использованию для энергопитания судового двигателя внутреннего сгорания, при этом блок предварительной очистки отработавших газов «мокрым» способом включает соединенный с двигателем внутреннего сгорания выхлопной коллектор, соединенный со скруббером для приема и увлажнения отработавших газов, выход которого соединен с газоразделительным устройством, блок выделения газообразного углекислого газа включает газоразделительное устройство, установленное с возможностью сообщения с компрессором и выходом очищенных отработавших газов в атмосферу, блок подготовки углекислого газа включает компрессор для создания необходимого давления на впуске в дополнительный цилиндр для метанирования, блок подготовки газообразного водорода включает резервуар для хранения сжатого водорода, редукционный клапан, понижающий давление водорода на входе в дополнительный цилиндр для метанирования до необходимого для метанирования, блок получения газообразного метана включает дополнительный цилиндр для метанирования, приводимый в движение коленчатым валом двигателя через фланец отбора мощности и приводное устройство и соединяемый с конденсатором для отделения метана от водяного пара, блок подготовки метана к хранению и использованию включает систему сжижения метана и резервуар для хранения метана, причем резервуар для хранения метана связан с топливной системой двигателя внутреннего сгорания и осуществляет одновременную подачу дизельного топлива и метана в установленном соотношении.