RU2616136C1 - Device for removing carbon dioxide - Google Patents
Device for removing carbon dioxide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2616136C1 RU2616136C1 RU2016110323A RU2016110323A RU2616136C1 RU 2616136 C1 RU2616136 C1 RU 2616136C1 RU 2016110323 A RU2016110323 A RU 2016110323A RU 2016110323 A RU2016110323 A RU 2016110323A RU 2616136 C1 RU2616136 C1 RU 2616136C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- outlet
- gas
- heat exchanger
- condensation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к судостроению, а именно к воздухонезависимым судовым энергетическим установкам подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха. Изобретение может быть использовано в энергетических установках с различными тепловыми двигателями - поршневыми двигателями внутреннего сгорания, газотурбинными двигателями, двигателями с внешним подводом теплоты, работающими на углеводородном горючем. Изобретение может быть использовано также в установках конверсии углеводородного топлива для использования в водород-кислородных топливных элементах электрохимических генераторах энергетических установок.The invention relates to shipbuilding, namely to non-volatile marine power plants of underwater vehicles operating without access to atmospheric air. The invention can be used in power plants with various heat engines - reciprocating internal combustion engines, gas turbine engines, engines with external heat supply, operating on hydrocarbon fuel. The invention can also be used in hydrocarbon fuel conversion plants for use in hydrogen-oxygen fuel cells in electrochemical generators of power plants.
Известна система очистки отработавших газов (пат JP №10-305211, опубл. 17.11.1998 г.) для использования на подводных транспортных средствах, оснащенных тепловым двигателем, которая включает коллектор отвода отработавших газов, охладитель-теплообменник для пропускания отводимых отработавших газов, газоохладитель - фазовый разделитель для конденсации и отделения пара от газовой смеси, и ожижитель отработавших газов для сжижения диоксида углерода, средства выведения сжиженных фракций компонентов отработавших газов - сжиженного пара и диоксида углерода, а также источник кислорода в виде емкости со средствами подачи его в двигатель для соединения с топливом. Сжиженные фракции под давлением, превосходящим давление внешней среды, удаляют через выпускное отверстие за борт.A known exhaust gas purification system (US Pat. No. 10-305211, publ. 11/17/1998) for use on underwater vehicles equipped with a heat engine, which includes an exhaust manifold, a cooler-heat exchanger for passing exhaust gases, gas cooler a phase separator for condensation and separation of steam from the gas mixture, and an exhaust gas liquefier for liquefying carbon dioxide, means for removing the liquefied fractions of the components of the exhaust gases - liquefied steam and carbon dioxide a hydrogen, as well as an oxygen source in the form of a container with means for supplying it to the engine for connection with fuel. The liquefied fractions under pressure exceeding the pressure of the external environment are removed through the outlet overboard.
Недостатком является негативное влияние на экологию вследствие удаления продуктов сгорания за борт. Искусственная газовая смесь не используется в системе, затраты кислорода возрастают, а мощность двигателя дополнительно расходуется на обеспечение работы насоса.The disadvantage is the negative impact on the environment due to the removal of combustion products overboard. Artificial gas mixture is not used in the system, oxygen consumption increases, and engine power is additionally spent on ensuring the operation of the pump.
Известен контур удаления диоксида углерода и обогащения кислородом, связанный с источником кислорода (пат. RU №2287069, опубл. 10.11.2006 г.), который выполнен в виде набора холодильных испарителей для вымораживания диоксида углерода из отработавших газов, которые соединены с криогенной емкостью, а также с абсорбером продуктов очистки отработавших газов и через осушитель и газовый холодильник - со смесителем газовых потоков, который через упомянутый сепаратор-теплообменник соединен с впускным коллектором искусственной газовой смеси. Источником кислорода выбрана криогенная емкость, в которой размещен жидкий кислород. В контуре обеспечивают контактный теплообмен части отработавших газов с жидким кислородом с получением газообразного кислорода и вымораживанием фракций воды и диоксида углерода, отделяют и выводят твердые фракции воды и диоксида углерода.Known circuit removal of carbon dioxide and oxygen enrichment associated with an oxygen source (US Pat. RU No. 2287069, publ. 10.11.2006), which is made in the form of a set of refrigeration evaporators for freezing carbon dioxide from exhaust gases that are connected to a cryogenic tank, and also with an absorber of exhaust gas purification products and through a dehumidifier and a gas cooler - with a gas flow mixer, which is connected through an aforementioned separator-heat exchanger to the intake manifold of an artificial gas mixture. A cryogenic tank in which liquid oxygen is placed is selected as an oxygen source. The circuit provides contact heat exchange of a part of the exhaust gases with liquid oxygen to produce gaseous oxygen and freezing out water and carbon dioxide fractions, and solid fractions of water and carbon dioxide are separated and removed.
Недостатком является использование для только дизельного двигателя, наличие дополнительных фазовых преобразований, в частности замораживание, и удаление продуктов сгорания за борт.The disadvantage is the use for only a diesel engine, the presence of additional phase transformations, in particular freezing, and the removal of combustion products overboard.
Известна система удаления продуктов сгорания (пат. RU №2070985, опубл. 27.12.1996), включающая компрессор с входом и выходом, охладитель газов за компрессором, конденсатор первой ступени с охлаждающей полостью и полостью продуктов сгорания, сепаратор с газовой полостью и полостью продуктов сгорания, льдогенератор, имеющий внутреннюю полость и газовую рубашку, шлюзовую камеру с входными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды и выходными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды, откачивающий насос, трубопровод. Система хранения и подачи окислителя содержит криогенную емкость хранения окислителя, криогенный насос, конденсатор второй ступени с кислородной полостью и полостью продуктов сгорания, морозильник до системы удаления с охлаждающей полостью и полостью продуктов сгорания, устройство понижения давления и трубопровод. Емкость хранения жидкого окислителя через последовательно соединенные между собой трубопроводом криогенный насос, кислородную полость конденсатора второй ступени, устройство понижения давления, охлаждающие полости конденсатора первой ступени и морозильника подключены к смесительной камере. Вход компрессора через газовую полость морозильника подключен к клапану регулирования рециркуляции. Входной канал для продуктов сгорания шлюзовой камеры через последовательно соединенные трубопроводом внутреннюю полость льдогенератора, полость продуктов сгорания сепаратора, полости продуктов сгорания конденсатора второй и первой ступеней, охладитель газов за компрессором подключен к выходу компрессора. Газовая рубашка льдогенератора подключена трубопроводом с автоматическим клапаном к входу компрессора. Газовая полость сепаратора подключена к трубопроводу системы хранения и подачи окислителя на участке между конденсатором первой ступени и морозильником. Устройство сепарации масла, топлива и воды охладителя системы газовыхлопа, газовая полость морозильника и выходной канал шлюзовой камеры для забортной воды трубопроводами с невозвратными клапанами параллельно подключены к откачивающему насосу. Автоматические клапаны управляющими связями подключены к системе автоматического управления, а шлюзовая камера через выходной канал для продуктов сгорания и входной канал для забортной воды соединена с забортным пространством.A known system for removing combustion products (US Pat. RU No. 2070985, publ. 12/27/1996), including a compressor with inlet and outlet, a gas cooler behind the compressor, a first stage condenser with a cooling cavity and a cavity of combustion products, a separator with a gas cavity and a cavity of combustion products , an ice maker having an internal cavity and a gas jacket, a lock chamber with inlet channels for solid combustion products and sea water and outlet channels for solid combustion products and sea water, a pump out pump, pipeline. The oxidizer storage and supply system contains a cryogenic oxidizer storage tank, a cryogenic pump, a second stage condenser with an oxygen cavity and a cavity of combustion products, a freezer to a removal system with a cooling cavity and a cavity of combustion products, a pressure reduction device and a pipeline. The storage capacity of the liquid oxidizer through a cryogenic pump connected in series with each other, the oxygen cavity of the second stage condenser, a pressure reducing device, the cooling cavities of the first stage condenser and the freezer are connected to the mixing chamber. The compressor inlet through the gas cavity of the freezer is connected to a recirculation control valve. The input channel for the combustion products of the lock chamber through the internal cavity of the ice maker, the cavity of the products of combustion of the separator, the cavity of the products of combustion of the condenser of the second and first stages, the gas cooler behind the compressor is connected to the compressor output. The gas jacket of the ice maker is connected by piping with an automatic valve to the compressor inlet. The separator gas cavity is connected to the pipeline of the oxidizer storage and supply system in the area between the first stage condenser and the freezer. A device for separating oil, fuel and water from a gas exhaust system cooler, a gas cavity of a freezer, and an outlet channel of a lock chamber for overboard water are connected in parallel to a pump out by pipelines with non-return valves. Automatic valves with control connections are connected to the automatic control system, and the lock chamber is connected to the outboard space through the outlet channel for combustion products and the inlet channel for sea water.
Недостатками являются наличие дополнительных фазовых преобразований, ухудшающих тепловую эффективность системы, наличие дополнительных устройств, усложняющих конструкцию и снижающих надежность системы, а также требующих дополнительных расходов полезной мощности. Использование для замораживания углекислого газа одного лишь «холода» жидкого кислорода может не обеспечить надежную работоспособность системы в течение длительного периода эксплуатации.The disadvantages are the presence of additional phase transformations that degrade the thermal efficiency of the system, the presence of additional devices that complicate the design and reduce the reliability of the system, as well as requiring additional costs of useful power. Using only “cold” liquid oxygen to freeze carbon dioxide may not provide reliable system performance for a long period of operation.
Известно, что природный газ является наиболее перспективным моторным топливом, поскольку он значительно дешевле дизельного топлива и бензина, а также при его сгорании образуется меньшее количество вредных компонентов в отработанных газах (Седых А.Д., Роднянский В.М. Политика Газпрома в области использования природного газа в качестве моторного топлива. Газовая промышленность. 10, 1999, стр. 8-9). Известно, что для транспортных средств наиболее целесообразно применять сжиженный природный газ, поскольку в данном случае топливные системы имеют меньшие массогабаритные характеристики, чем у транспортных средств со сжатым природным газом (Чириков К.Ю., Пронин Е.Н. Перспективы применения СПГ на транспорте. Газовая промышленность. 10, 1999. стр. 28-29).It is known that natural gas is the most promising motor fuel, since it is much cheaper than diesel fuel and gasoline, and also when it is burned, less harmful components are formed in the exhaust gases (Sedykh A.D., Rodnyansky V.M. natural gas as a motor fuel. Gas industry. 10, 1999, p. 8-9). It is known that for vehicles it is most advisable to use liquefied natural gas, since in this case the fuel systems have lower weight and size characteristics than vehicles with compressed natural gas (Chirikov K.Yu., Pronin E.N. Prospects for the use of LNG in transport. Gas industry. 10, 1999. pp. 28-29).
Известна аэробная энергоустановка с двигателем Стерлинга для подводной лодки (п. 2187676, д. пр. 21.05.2001.), которая содержит, в частности, емкость с криогенным горючим, емкость с криогенным окислителем - кислородом, экономайзер, через который проходят магистрали газообразных компонентов топлива - горючего и окислителя, и линия отработанных газов, теплообменник-охладитель отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой, сепаратор, расположенный на линии отработанных газов, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ. Отработанные газы охлаждают сначала природным газом и кислородом, а затем забортной водой до температуры окружающей среды. Затем из них в сепараторе отделяют Н2О, а оставшийся кислород и СО2 из отработанных газов смешивают с кислородом, после чего эта смесь поступает через экономайзер в камеру сгорания. Подмешивание части отработанных газов в новую порцию кислорода позволяет утилизировать отработанные газы внутри подводной лодки. Природный газ и кислород нагреваются, переходят в газообразное состояние с повышением давления, охлаждая теплоноситель контура охлаждения двигателя, после чего поступают в экономайзер, где перегреваются до высокой температуры ввиду теплообмена с отработанными газами, выходящими из камеры сгорания. Затем природный газ и кислород поступают в камеру сгорания, где происходит реакция горения.Known aerobic power plant with a Stirling engine for a submarine (p. 2187676, etc. pr. 21.05.2001.), Which contains, in particular, a tank with cryogenic fuel, a tank with cryogenic oxidizing agent - oxygen, an economizer through which the gaseous components pass fuel - fuel and oxidizer, and an exhaust gas line, an exhaust gas heat exchanger-cooler through which an overboard water line passes, a separator located on the exhaust gas line, and is used as a cryogenic fuel with izhenny natural gas. The exhaust gases are cooled first with natural gas and oxygen, and then with seawater to ambient temperature. Then, H 2 O is separated from them in a separator, and the remaining oxygen and CO 2 from the exhaust gases are mixed with oxygen, after which this mixture enters the combustion chamber through an economizer. Mixing part of the exhaust gases into a new portion of oxygen allows you to utilize the exhaust gases inside the submarine. Natural gas and oxygen heat up, turn into a gaseous state with increasing pressure, cooling the coolant of the engine cooling circuit, and then enter the economizer, where they overheat to high temperature due to heat exchange with exhaust gases leaving the combustion chamber. Then, natural gas and oxygen enter the combustion chamber, where the combustion reaction occurs.
Недостатком является отсутствие системы удаления избыточного количества отработавших газов, непрерывно образующихся в системе при добавлении в нее определенного количества горючего и окислителя.The disadvantage is the lack of a system for removing excess exhaust gases continuously generated in the system when a certain amount of fuel and oxidizing agent is added to it.
Известна аэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводной лодки (п. 2187677, д. пр. 21.05.2001.), в которой удаление углекислого газа происходит растворением отработанных газов, кроме кислорода, в забортной воде с последующим ее удалением за борт, а избыточный кислород возвращают в камеру сгорания двигателя Стирлинга, что обеспечивает утилизацию продуктов сгорания углеводородного топлива. Установка снабжена барботажной камерой, частично заполненной забортной водой, к которой подсоединена линия отработанных газов, а магистраль забортной воды снабжена сбросным отводом с регулирующим вентилем. Продукты сгорания - отработанные газы удаляют из камеры сгорания в экономайзер. После экономайзера отработанные газы поступают в барботажную камеру, где, проходя через слой забортной воды, очищаются от углекислого газа, который растворяется в воде. Остаточный кислород из газовой части камеры засасывается через эжектор в магистраль окислителя. Для удаления из барботажной камеры раствора СО2 и забортной воды предусмотрена напорная линия с насосом.A well-known aerobic power plant with a Stirling engine for a submarine (p. 2187677, etc. pr. 21.05.2001.), In which carbon dioxide is removed by dissolving the exhaust gases, except oxygen, in sea water, followed by its removal overboard, and excess oxygen return to the combustion chamber of the Stirling engine, which ensures the disposal of the combustion products of hydrocarbon fuel. The unit is equipped with a bubbler chamber partially filled with seawater, to which an exhaust gas line is connected, and the seawater line is equipped with a waste outlet with a control valve. Combustion products - exhaust gases are removed from the combustion chamber to the economizer. After the economizer, the exhaust gases enter a bubble chamber, where, passing through a layer of sea water, they are cleaned of carbon dioxide, which dissolves in water. Residual oxygen from the gas part of the chamber is sucked through the ejector into the oxidizer line. A pressure line with a pump is provided to remove the CO 2 solution and sea water from the bubble chamber.
Недостатком является снижение кпд установки пропорционально глубине погружения вследствие возрастающего сопротивления забортной воды за насосом удаления из барботажной камеры,The disadvantage is the reduction in the efficiency of the installation in proportion to the depth of immersion due to the increasing resistance of the seawater behind the pump to remove from the bubble chamber,
Известна аэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводной лодки (п. 2187680, д. пр. 21.05.2001.), которая снабжена теплообменником-ожижителем остаточного кислорода из отработанных газов, адсорбером для вымораживания СО2 и Н2О, расположенным на магистралях горючего и окислителя, а также теплообменником-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой. Линия отработанных газов последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, адсорбер и теплообменник-ожижитель остаточного кислорода, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ. Утилизации и хранения продуктов сгорания углеводородного топлива осуществляют внутри подводной лодки. Кислородная магистраль проходит сначала через теплообменник-ожижитель, где сжижают остаточный кислород отработанных газов, который сливают в емкость хранения кислорода, а потом совместно с магистралью сжиженного природного газа проходит через адсорбер, где вымораживают СО2 и Н2О из отработанных газов. Продукты сгорания - отработанные газы удаляют из камеры сгорания в экономайзер. После которого они поступают в теплообменник-охладитель, где охлаждаются забортной водой до температуры окружающей среды. Затем, отработанные газы поступают в адсорбер, где из них вымораживают СО2 и Н2О, а оставшийся кислород из отработанных газов подают в теплообменник-ожижитель для конденсации.Known aerobic power plant with a Stirling engine for a submarine (p. 2187680, etc. pr. 21.05.2001.), Which is equipped with a heat exchanger-fluidizer of residual oxygen from the exhaust gases, an adsorber for freezing СО 2 and Н 2 О, located on the fuel and oxidizer, as well as a heat exchanger-cooler for exhaust gases through which passes the line with sea water. The exhaust gas line passes sequentially through an economizer, an exhaust gas heat exchanger-cooler, an adsorber and a residual oxygen heat exchanger-fluidizer, and liquefied natural gas is used as a cryogenic fuel. Utilization and storage of products of combustion of hydrocarbon fuels is carried out inside the submarine. Oxygen line passes through the first heat exchanger liquefier where liquefied residual oxygen of the exhaust gas which is poured into oxygen storage tank, and then together with the manifold of the liquefied natural gas passes through the adsorber where freeze CO 2 and H 2 O from the exhaust gases. Combustion products - exhaust gases are removed from the combustion chamber to the economizer. After which they enter the heat exchanger-cooler, where they are cooled with seawater to ambient temperature. Then, the exhaust gases enter the adsorber, where they freeze CO 2 and H 2 O, and the remaining oxygen from the exhaust gases is fed to a heat exchanger liquefier for condensation.
Недостатком является наличие процесса вымораживания СО2 и Н2О, поскольку на перемещение твердой фракции, хранение или удаление расходуется полезная мощность.The disadvantage is the presence of a freezing process of CO 2 and H 2 O, since the useful power is spent on moving the solid fraction, storage or disposal.
Известна система удаления углекислого газа для энергетической установки подводного аппарата с газотурбинным двигателем (RU, п. 2542166, д. пр. 04.12.13), принятая за прототип и которая выполнена с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,0-1,6 МПа. В системе после компрессора для создания указанного давления последовательно установлены охладитель газов повышенного давления, влагоотделитель - адсорбер, трехкамерный конденсатор углекислого газа с двумя охлаждающими камерами, сепаратор жидкого СО2, устройством понижения давления и смеситель холодных потоков, а также емкости для хранения жидкого СО2, теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления энергетической установкой. При этом камера отработанных газов конденсатора соединена с сепаратором, который одной своей камерой соединен через устройство понижения давления со смесителем холодных потоков, а другой камерой соединен с емкостью хранения жидкого СО2. Первая охлаждающая камера конденсатора соединена со смесителем холодных потоков, который соединен через вторую охлаждающую камеру конденсатора с ресивером-смесителем, соединенным с двигателем. Конденсатор углекислого газа системы удаления выполнен в виде трехкамерного газогазового неконтактного теплообменника. Криогенная емкость хранения жидкого окислителя выполнена с возможностью хранения жидкого СО2 после израсходования окислителя из емкости и снабжена трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2.A known carbon dioxide removal system for the power plant of an underwater vehicle with a gas turbine engine (RU, p. 2542166, etc. pr. 04.12.13), adopted as a prototype and which is made with the ability to work at a working gas pressure of 1.0-1.6 MPa . In the system after the compressor, to create the specified pressure, a high-pressure gas cooler, a water separator — an adsorber, a three-chamber carbon dioxide condenser with two cooling chambers, a liquid CO 2 separator, a pressure reduction device and a cold flow mixer, as well as containers for storing liquid CO 2 are installed in series. heat-insulated pipelines with fittings, including automatic valves, which are connected by control links to the automatic control system of the power plant Application Serial. In this case, the condenser exhaust gas chamber is connected to a separator, which is connected by one chamber through a pressure reducing device to a cold flow mixer, and the other chamber is connected to a liquid CO 2 storage tank. The first cooling chamber of the condenser is connected to a cold flow mixer, which is connected through the second cooling chamber of the condenser to a receiver-mixer connected to the engine. The carbon dioxide condenser of the removal system is made in the form of a three-chamber gas-gas non-contact heat exchanger. The cryogenic storage capacity of the liquid oxidizer is configured to store liquid CO 2 after the oxidizer has been used up from the tank and is equipped with a pipe and fittings for receiving liquid CO 2 .
Недостатками являются повышенные габариты и выполнение блока конденсации и сепарации в виде отдельно стоящих конденсатора и сепаратора жидкой фазы углекислого газа, что увеличивает затраты на создание рабочего давления в двух камерах и тепловые потери за счет увеличения общей площади поверхности аппаратов и трубопроводов. Также существует риск обмерзания очищенной газовой фракции в устройстве понижения давления.The disadvantages are the increased dimensions and the implementation of the condensation and separation unit in the form of a separate condenser and a separator of the liquid phase of carbon dioxide, which increases the cost of creating working pressure in two chambers and heat loss due to an increase in the total surface area of the apparatus and pipelines. There is also a risk of freezing of the purified gas fraction in the pressure reduction device.
Техническим результатом является уменьшение затрат полезной мощности и повышение кпд.The technical result is to reduce the cost of useful power and increase efficiency.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для удаления углекислого газа, включающем последовательно установленные компрессор для создания рабочего давления с подводом отработанных газов, охладитель отработанных газов повышенного давления с входом и выходом забортной воды, влагоотделитель - адсорбер, блок конденсации углекислого газа и сепарации жидкого СО2 с двумя охлаждающими камерами, устройство понижения давления, соединенное со смесителем холодных потоков, а также емкости хранения жидкого СО2 и теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, при этом первая охлаждающая камера блока конденсации и сепарации, выполненная с входом для подвода жидкого кислорода, соединена своим выходом со вторым входом смесителя холодных потоков, выход которого соединен со второй охлаждающей камерой блока конденсации и сепарации, выполненной с выходом для отвода газовой смеси из устройства, согласно изобретению устройство выполнено с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,2-1,6 МПа и снабжено теплообменником-испарителем, который выполнен с входом для подвода криогенно-жидкого горючего из емкости его хранения и выходом для отвода газообразного горючего из устройства и установлен перед блоком конденсации и сепарации, который выполнен в виде трехкамерного конденсатора-сепаратора, охлаждаемая камера которого выполнена с возможностью сепарации жидкого СО2 и снабжена выходом для отвода жидкого СО2, соединенным с емкостью хранения жидкого СO2, при этом своим входом охлаждаемая камера соединена с теплообменником-испарителем, а выходом газообразной фазы через устройство понижения давления, выполненное в виде турбодетандера, она соединена с первым входом смесителя холодных потоков.The technical result is achieved by the fact that in the device for removing carbon dioxide, which includes a sequentially installed compressor for generating working pressure with a supply of exhaust gases, a high pressure exhaust gas cooler with inlet and outlet of seawater, a water separator — adsorber, carbon dioxide condensation unit and liquid CO separation 2 with two cooling chambers, a pressure reducing device connected to a cold flow mixer, as well as storage tanks for liquid CO 2 and insulated pipelines with valves including automatic valves, wherein the first cooling chamber of the condensation and separation unit, made with an input for supplying liquid oxygen, is connected with its output to the second input of the cold flow mixer, the output of which is connected to the second cooling chamber of the condensation and separation unit, made with an outlet for discharging the gas mixture from the device, according to the invention, the device is configured to operate at a working gas pressure of 1.2-1.6 MPa and is equipped with a heat exchanger-evaporator, which th adapted inlet for supplying cryogenic liquid fuel from the tank storage and output for discharging gaseous fuel from the apparatus and installed before the condensation and separation unit, which is designed as a three-chamber condenser-separator, a cooling chamber which is capable of separating liquid CO 2 and It is provided with an outlet for withdrawing liquid CO 2 connected to a storage capacity of liquid CO 2, with its input connected to the cooling chamber, an evaporator heat exchanger, and the gaseous phase outlet through yc decompression roystvo formed as a turboexpander, it is connected to a first input of the mixer cold streams.
Влагоотделитель - адсорбер может быть выполнен двухсекционным, с возможностью поочередной работы каждой из секций.Desiccant - adsorber can be made two-section, with the possibility of alternate operation of each of the sections.
Теплообменник-испаритель может быть выполнен в виде неконтактного теплообменника.The heat exchanger-evaporator can be made in the form of a non-contact heat exchanger.
Конденсатор-сепаратор может быть выполнен в виде газогазового неконтактного кожухотрубного теплообменника.The condenser-separator can be made in the form of a gas-gas non-contact shell-and-tube heat exchanger.
Турбодетандер может быть выполнен ротационным с возможностью выработки дополнительной полезной мощности.The turboexpander can be rotational with the possibility of generating additional useful power.
Турбодетандер может быть соединен с генератором для получения электроэнергии.A turboexpander can be connected to a generator to generate electricity.
Управляемые клапаны могут быть выполнены с возможностью их подключения управляющими связями к системе автоматизированного управления.Controlled valves can be made with the possibility of their connecting control links to the automated control system.
Емкость хранения жидкого СО2 может быть выполнена в виде емкости хранения жидкого кислорода после израсходования кислород из емкости, снабженной трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2 и выгрузки жидкого СО2.The storage capacity of liquid CO 2 can be made in the form of a storage capacity of liquid oxygen after oxygen has been consumed from a tank equipped with a pipe and fittings for receiving liquid CO 2 and unloading liquid CO 2 .
Емкость хранения жидкого СО2 может быть снабжена трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2 и выгрузки жидкого СО2.The storage capacity of liquid CO 2 can be provided with piping and fittings for receiving liquid CO 2 and unloading liquid CO 2 .
Принципиальная схема устройства удаления углекислого газа из контура воздухонезависимой энергетической установки подводного аппарата, работающей с применением криогенного углеводородного горючего, представлена на фиг. 1. Отработанные газы являются продуктами сгорания или продуктами конверсии криогенного углеводородного горючего из рабочего цикла воздухонезависимой энергетической установки, работающей на криогенном углеводородном горючем посредством его сжигания или конверсии, т.е. разложения, с образованием паров воды и углекислого газа. В устройстве для удаления углекислого газа, выполненном с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,2-1,6 МПа, последовательно установлены компрессор 1 для создания в системе указанного давления, охладитель газов повышенного давления 2, влагоотделитель - адсорбер 3, теплообменник-испаритель горючего 4, конденсатор-сепаратор углекислого газа 5 с двумя охлаждающими камерами, турбодетандер 6, смеситель холодных потоков 7, а также криогенные емкости хранения жидкого СО2 и жидкого окислителя (не показаны).A schematic diagram of a device for removing carbon dioxide from a circuit of an air-independent power unit of an underwater vehicle operating using cryogenic hydrocarbon fuel is shown in FIG. 1. Exhaust gases are combustion products or conversion products of cryogenic hydrocarbon fuel from the duty cycle of a non-volatile power plant operating on cryogenic hydrocarbon fuel by combustion or conversion, i.e. decomposition, with the formation of water vapor and carbon dioxide. In the device for removing carbon dioxide, made with the possibility of working at a working gas pressure of 1.2-1.6 MPa, a
Устройство для удаления углекислого газа обеспечивает удаление из состава отработанных газов углекислого газа путем его сжижения и возврат в цикл несвязанного остаточного кислорода, содержащегося в отработанных газах. Рабочее давление газа 1,2-1,6 МПа обеспечивает устойчивое сжижение углекислого газа в конденсаторе-сепараторе 5 при фиксированном расходе жидкого охладителя - кислорода благодаря более высокой температуре конденсации в соответствии с диаграммой его фазовых состояний. На фиг. 2 представлена кривая фазовых состояний СО2 в логарифмической шкале давлений.A carbon dioxide removal device removes carbon dioxide from the exhaust gas by liquefying it and returns unbound residual oxygen contained in the exhaust gas to the cycle. The gas working pressure of 1.2-1.6 MPa provides a stable liquefaction of carbon dioxide in the condenser-
Понижение рабочего давления отработанных газов по сравнению с прототипом связано с получением более низкой температуры конденсации углекислого газа в конденсаторе-сепараторе 5 за счет дополнительного охлаждения отработанных газов в теплообменнике-испарителе горючего 4.The decrease in the working pressure of the exhaust gases in comparison with the prototype is associated with obtaining a lower temperature of carbon dioxide condensation in the condenser-
Рабочее давление отработанных газов 1,2-1,6 МПа создают компрессором 1. Камеры отработанных газов охладителя 2, влагоотделителя - адсорбера 3, охлаждаемая камера теплообменника-испарителя 4 и охлаждаемая камера конденсатора-сепаратора 5 выполнены с возможностью работы при давлении 1,2-1,6 МПа. Охладитель 2 выполнен в виде газоводяного неконтактного теплообменника с возможностью охлаждения забортной водой, снабжен патрубками для входа и выхода забортной воды и предназначен для охлаждения потока отработанных газов, нагретого после повышения компрессором 1 давления до 1,2-1,6 МПа. Влагоотделитель - абсорбер 3 предназначен для осушки охлажденных отработанных газов также при рабочем давлении 1,2-1,6 МПа и может быть выполнен двухсекционным, с возможностью поочередной работы каждой из секций.The exhaust gas working pressure of 1.2-1.6 MPa is created by the
Теплообменник-испаритель горючего 4 выполнен в виде неконтактного теплообменника с рабочим давлением 1,2-1,6 МПа в охлаждаемой камере и с охлаждающей камерой, снабженной входом для подвода криогенно-жидкого горючего из емкости его хранения и выходом для отвода газообразного горючего из устройства. Теплообменник-испаритель горючего 4 предназначен для охлаждения отработанных газов после компрессора 1 и газификации криогенно-жидкого горючего для обеспечения его подачи в двигатель или установку конверсии. Установка теплообменника-испарителя горючего 4 перед конденсатором-сепаратором 5 позволяет предварительно снизить температуру отработанных газов на 30-40°С и тем самым, в соответствии с диаграммой состояний, уменьшить необходимое рабочее давление до 1,2-1,6 МПа в конденсаторе-сепараторе 5 для сжижения углекислого газа при его охлаждении вскипающим кислородом. Это уменьшает затраты полезной мощности на работу компрессора.The fuel heat exchanger-
Вход охлаждающей камеры теплообменника-испарителя горючего 4 может быть соединен с криогенной емкостью хранения жидкого горючего (не показано).The cooling chamber inlet of the fuel heat exchanger-
Конструкция конденсатора-сепаратора 5 обеспечивает охлаждение отработанных газов и сжижение углекислого газа из них в охлаждаемой камере двумя холодными потоками двух охлаждающих камер при рабочем давлении 1,2-1,6 МПа. Выполнение блока конденсации и сепарации в виде единой конструкции конденсатора-сепаратора 5 обеспечивает устойчивость конденсации и сжижения углекислого газа в требуемом количестве при фиксированном расходе кислорода и уменьшение тепловых потерь и потерь полезной мощности на работу компрессора.The design of the condenser-
Конденсатор-сепаратор 5 выполнен, например, в виде трехкамерного газогазового неконтактного теплообменника с двойным разнонаправленным фазовым переходом сред. Конденсатор-сепаратор 5 может быть выполнен кожухотрубным. Охлаждаемая камера с отработанными газами выполнена с возможностью работы при давлении 1,2-1,6 МПа и своим входом последовательно соединена с выходом охлаждаемой камеры с отработанными газами теплообменника-испарителя 4, а выходом газообразной фазы с остаточным кислородом через устройство понижения давления, выполненное в виде турбодетандера 5, она соединена с первым входом смесителя холодных потоков 6. Охлаждаемая камера конденсатора-сепаратора 5 выполнена с возможностью сепарации жидкого СО2 и снабжена выходом для отвода жидкого СО2, соединенным с емкостями хранения жидкого СО2. При этом первая охлаждающая камера конденсатора-сепаратора 5 выполнена с входом для подвода жидкого кислорода и соединена своим выходом со вторым входом смесителя холодных потоков 6, выход которого соединен с входом второй охлаждающей камеры. При этом вторая охлаждающая камера конденсатор-сепаратора 5 выполнена с выходом для отвода очищенной и обогащенной кислородом газовой смеси из устройства. Вход первой охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5 может быть соединен через криогенный насос с криогенной емкостью хранения жидкого окислителя (не показано).The condenser-
Турбодетандер 6 может быть выполнен ротационным. Использование в качестве устройства понижения давления турбодетандера 6 обеспечивает выработку дополнительной полезной мощности. К турбодетандеру 6 может быть подключен генератор (не показано), что обеспечивает компенсацию затрат полезной мощности дополнительной выработкой электроэнергии. Турбодетандер 6 также за счет турбулентного движения газа предотвращает возможное обмерзание очищенной газообразной фазы при резком понижении его давления.
Криогенная емкость хранения жидкого окислителя (не показано) соединена через криогенный насос с входом первой охлаждающей камерой конденсатора-сепаратора 5, вторым входом смесителя холодных потоков 6, второй охлаждающей камерой конденсатора-сепаратора 5, что обеспечивает охлаждение и сепарацию отработанных газов в охлаждаемой камере конденсатора-сепаратора 5. Также при этом происходит обогащение искусственной газовой смеси кислородом перед ее подачей через патрубок выхода для отвода газовой смеси из устройства к потребителю, например в камеру сгорания двигателя или в установку конверсии.The cryogenic storage capacity of the liquid oxidizer (not shown) is connected through the cryogenic pump to the inlet of the first cooling chamber of the condenser-
Емкость хранения жидкого кислорода выполнена с возможностью хранения жидкого СО2 после израсходования кислорода и снабжена трубопроводами и арматурой приема жидкого СО2, а также для его выгрузки при необходимости (не показано). Использование криогенной емкости для попеременного хранения жидкого окислителя и жидкого СО2 становится возможным благодаря близким термодинамическим условиям криогенного хранения жидкого кислорода и жидкого СО2, и их взаимной химической инертности. Это позволяет отказаться от использования компенсационных цистерн. Для обеспечения замещения одной криогенной среды другой криогенные емкости выполняют идентичными по форме и размеру, при этом их количество должно быть не менее двух, одна из которых изначально пуста.The storage capacity of liquid oxygen is made with the possibility of storing liquid CO 2 after oxygen consumption and is equipped with pipelines and fittings for receiving liquid CO 2 , as well as for its unloading if necessary (not shown). The use of a cryogenic tank for alternately storing a liquid oxidizing agent and liquid CO 2 becomes possible due to the close thermodynamic conditions of cryogenic storage of liquid oxygen and liquid CO 2 , and their mutual chemical inertness. This eliminates the use of compensation tanks. To ensure the replacement of one cryogenic medium with another, cryogenic containers are identical in shape and size, while their number must be at least two, one of which is initially empty.
Устройство снабжено регулируемыми автоматическими клапанами (не показано), которые выполнены с возможностью их подключения управляющими связями к системе автоматического управления, контроля и защиты энергетической установки. Все клапаны и механизмы оснащены исполнительными механизмами, дистанционно управляемыми системой автоматического управления воздухонезависимой установки, что обеспечивает функционирование устройства с оптимальными для текущего режима технико-экономическими характеристиками, устойчивость регулирования и аварийно-предупредительные сигнализацию и защиту.The device is equipped with adjustable automatic valves (not shown), which are made with the possibility of connecting control links to the automatic control system, control and protection of the power plant. All valves and mechanisms are equipped with actuators that are remotely controlled by an automatic control system of an air-independent installation, which ensures the functioning of the device with optimal technical and economic characteristics for the current mode, stability of regulation and alarm and protection systems.
Устройство работает следующим образом. Поток отработанных газов после сгорания углеводородного горючего в тепловом двигателе или разложения углеводородного горючего в установке конверсии и после их предварительной очистки и осушки направляют в компрессор 1, в котором повышают давление отработанных газов до 1,2-1,6 МПа с одновременным ростом температуры газов до 250-300°С. Нагретые отработанные газы поступают в охладитель 2, где их охлаждают до температуры 40°С. Из охладителя 2 поток газов направляют также под давлением 1,2-1,6 МПа через влагоотделитель - адсорбер 3 в охлаждаемую камеру теплообменника-испарителя горючего 4. В его охлаждающую камеру из криогенной емкости хранения подают сжиженное горючее, например сжиженный природный газ, где горючее, испаряясь, охлаждает поток отработанных газов, понижая их температуру на 30-40°С. Газифицированное горючее при этом направляют в тепловой двигатель или установку конверсии через выход для отвода газообразного горючего охлаждающей камеры.The device operates as follows. The flow of exhaust gases after combustion of hydrocarbon fuel in a heat engine or decomposition of hydrocarbon fuel in the conversion unit and after their preliminary cleaning and drying is directed to
Дополнительно охлажденные до 0-10°С отработанные газы поступают в охлаждаемую камеру конденсатора-сепаратора 5. На вход первой охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5 направляют в количестве, необходимом для работы теплового двигателя или установки конверсии, жидкий кислород из криогенной емкости хранения окислителя. В конденсаторе-сепараторе 5 за счет теплообмена с первым холодным потоком кислорода отработанные газы охлаждают при исходном давлении 1,2-1,6 МПа до температуры конденсации СО2 -45 - -55°С, соответствующей рабочему давлению 1,2-1,6 МПа по диаграмме фазовых состояний. Образованную жидкую фазу в виде жидкого СО2 отводят из охлаждаемой камеры в криогенные емкости хранения жидкого СО2, а очищенную газообразную фазу с остаточным кислородом направляют в турбодетандер 6, в котором давление газообразной фазы понижают до 0,1 МПа, после чего направляют ее на первый вход смесителя холодных потоков 7 для обогащения газообразным кислородом, поступающим на второй вход смесителя холодных потоков 7 из первой охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5. Затем из смесителя холодных потоков 7 второй холодный поток газообразной фазы и кислорода направляют во вторую охлаждающую камеру конденсатора-сепаратора 5 для конденсации и сепарации углекислого газа. Затем через патрубок выхода второй охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5 нагретую очищенную и обогащенную кислородом газовую смесь направляют по трубопроводу в составе искусственной газовой смеси в камеру сгорания двигателя или в реактор установки конверсии. При понижении давления газообразной фазы турбодетандером 5 осуществляют выработку дополнительной полезной мощности.Additionally, the exhaust gases cooled to 0-10 ° C enter the cooled chamber of the condenser-
Количество жидкого кислорода, подаваемого в конденсатор-сепаратор 5, дозируется строго в зависимости от нагрузки двигателя с тем, чтобы обеспечить требуемую концентрацию кислорода в искусственной газовой смеси 22-28 об. % в зависимости от типа двигателя и режима работы. Остаточный кислород в отработанных газах циркулирует в замкнутом контуре. Кислород находится в криогенной емкости в жидком состоянии под давлением, близким к атмосферному (0,1 МПа) и с температурой - 180°С. В случае использования устройства для удаления продуктов конверсии углеводородного горючего количество кислорода дозируется в строгом соответствии с нагрузкой установки конверсии.The amount of liquid oxygen supplied to the condenser-
Таким образом, изобретение уменьшает затраты полезной мощности в устройстве для удаления углекислого газа и повышает его кпд.Thus, the invention reduces the cost of useful power in a device for removing carbon dioxide and increases its efficiency.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016110323A RU2616136C1 (en) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Device for removing carbon dioxide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016110323A RU2616136C1 (en) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Device for removing carbon dioxide |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2616136C1 true RU2616136C1 (en) | 2017-04-12 |
Family
ID=58642812
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016110323A RU2616136C1 (en) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Device for removing carbon dioxide |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2616136C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110296576A (en) * | 2019-06-13 | 2019-10-01 | 天津大学 | A kind of industrial smoke collecting carbonic anhydride and waste heat recycle integrated system |
| RU2799261C1 (en) * | 2022-12-26 | 2023-07-04 | Акционерное общество "Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения "Малахит" | Underwater vehicle power unit |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2070985C1 (en) * | 1992-12-25 | 1996-12-27 | Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н.Крылова | Closed-cycle diesel engine power plant with removal of combustion products in solid form |
| RU2158833C2 (en) * | 1998-06-29 | 2000-11-10 | Военный инженерно-технический университет | Method of preparation of artificial gas mixture for internal combustion engine working in mode of recirculation of exhaust gases |
| US6286315B1 (en) * | 1998-03-04 | 2001-09-11 | Submersible Systems Technology, Inc. | Air independent closed cycle engine system |
| RU2287069C2 (en) * | 2004-10-20 | 2006-11-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Санкт-Петербургское Морское Бюро Машиностроения "Малахит" | Method of and device for producing artificial gas mixture for internal combustion engine operating at recirculation of exhaust gases |
| RU2352876C1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт имени академика А.Н. Крылова" (ФГУП "ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова") | System of liquefying carbon dioxide from mixture of exhaust gases, used in air-independent hydrocarbon fuel power station |
| RU2542166C1 (en) * | 2013-12-04 | 2015-02-20 | ОАО "Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения "Малахит" (ОАО "СПМБМ "Малахит") | Power plant of underwater vehicle |
-
2016
- 2016-03-21 RU RU2016110323A patent/RU2616136C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2070985C1 (en) * | 1992-12-25 | 1996-12-27 | Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н.Крылова | Closed-cycle diesel engine power plant with removal of combustion products in solid form |
| US6286315B1 (en) * | 1998-03-04 | 2001-09-11 | Submersible Systems Technology, Inc. | Air independent closed cycle engine system |
| RU2158833C2 (en) * | 1998-06-29 | 2000-11-10 | Военный инженерно-технический университет | Method of preparation of artificial gas mixture for internal combustion engine working in mode of recirculation of exhaust gases |
| RU2287069C2 (en) * | 2004-10-20 | 2006-11-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Санкт-Петербургское Морское Бюро Машиностроения "Малахит" | Method of and device for producing artificial gas mixture for internal combustion engine operating at recirculation of exhaust gases |
| RU2352876C1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт имени академика А.Н. Крылова" (ФГУП "ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова") | System of liquefying carbon dioxide from mixture of exhaust gases, used in air-independent hydrocarbon fuel power station |
| RU2542166C1 (en) * | 2013-12-04 | 2015-02-20 | ОАО "Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения "Малахит" (ОАО "СПМБМ "Малахит") | Power plant of underwater vehicle |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110296576A (en) * | 2019-06-13 | 2019-10-01 | 天津大学 | A kind of industrial smoke collecting carbonic anhydride and waste heat recycle integrated system |
| RU2799261C1 (en) * | 2022-12-26 | 2023-07-04 | Акционерное общество "Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения "Малахит" | Underwater vehicle power unit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tan et al. | A new boil-off gas re-liquefaction system for LNG carriers based on dual mixed refrigerant cycle | |
| JP6991264B2 (en) | Ship | |
| JP6802810B2 (en) | Ship | |
| RU2597930C1 (en) | Liquefied gas processing system for ship | |
| JP5890748B2 (en) | Liquid hydrogen production equipment | |
| US9003828B2 (en) | Method and system for production of liquid natural gas | |
| CN103097237A (en) | Boil-off gas reliquefaction device | |
| CN103547787A (en) | System for supplying fuel to high-pressure natural gas injection engine having excess evaporation gas consumption means | |
| WO2002097252A1 (en) | Lng regasification process and system | |
| RU2542166C1 (en) | Power plant of underwater vehicle | |
| CN115711360B (en) | Deep cooling type evaporation gas reliquefaction system | |
| CN102093921A (en) | Offshore natural gas liquefying method and device | |
| KR20180043525A (en) | Power generating and desalination composite plant | |
| CN101787314A (en) | Process for compact natural gas liquefying and floating production | |
| KR101246901B1 (en) | Engine system using brown gas, ship comprising the same and engine operating method using brown gas | |
| RU2616136C1 (en) | Device for removing carbon dioxide | |
| WO2018144024A1 (en) | Liquid natural gas regasification and power generation heat optimization system | |
| CN113188291A (en) | Carbon dioxide liquefaction system, carbon dioxide liquefaction and liquefied natural gas vaporization combined treatment system and low-carbon-emission ship | |
| RU2615042C1 (en) | Device for removing carbon dioxide | |
| RU2187680C1 (en) | Anaerobic power plant with stirling engine for submarine | |
| CN214792180U (en) | Carbon dioxide liquefaction system, carbon dioxide liquefaction and liquefied natural gas vaporization combined treatment system and low-carbon-emission ship | |
| CN202030720U (en) | Offshore natural gas liquefaction device | |
| RU2799261C1 (en) | Underwater vehicle power unit | |
| RU2352876C1 (en) | System of liquefying carbon dioxide from mixture of exhaust gases, used in air-independent hydrocarbon fuel power station | |
| RU2823394C1 (en) | Power system for non-nuclear submarine with organic rankine cycle unit |