Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано в транспортных средствах, в промышленных, гражданских и других объектах для улавливания диоксида углерода, далее углекислый газ, или двуокись углерода, или СОг, с последующей его декарбонизацией путём захоронения или переработки.

Изменение климата - одна из наиболее насущных проблем нашего времени. Для того чтобы сохранить экосистему нашей планеты, в ближайшие десять лет необходимо существенно сократить объемы выбросов двуокиси углерода, в соответствии с целями Парижского соглашения по климату, продолжая при этом удовлетворять потребности постоянно растущего населения.

Углекислый газ продолжает накапливаться в атмосфере со скоростью примерно 40 гигатонн в год. Для достижения целей, поставленных соглашением, потребуется сократить выбросы - это является необходимым компонентом стратегии «углеродной нейтральности» в любой стране.

Основными источниками выбросов двуокиси углерода в атмосферу являются тепловые электростанции, автотранспорт, самолеты и суда с тепловыми двигателями, металлургическая и цементная промышленность. По оценкам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) на электростанции, работающие на ископаемом топливе, и крупные промышленные объекты приходится до 60% мировых выбросов углекислого газа. На транспорт приходится больше 20% выбросов.

К парниковым газам, кроме углекислого, также относятся метан и закись азота, которая разрушает стратосферный озоновый слой, защищающий нас от пагубного воздействия ультрафиолетовых солнечных лучей. На нее приходится около 6% от объема радиационного воздействия долгоживущих парниковых газов. Закись азота по парниковому действию в 300 раз превосходит действие диоксида углерода.

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) В настоящее время удаление парниковых газов из выбросов тепловых двигателей обходится дорого. Многие развивающиеся страны по этой причине продолжают эксплуатацию старых тепловых электростанций и строят новые.

Для сокращения выбросов парниковых газов в этих странах должны быть применены способы недорогого извлечения диоксида углерода и закиси азота из дымовых газов тепловых машин на электростанциях и транспорте. Наряду с развивающимися промышленно развитые страны также нуждаются в удешевлении способов очистки выхлопных газов различных тепловых машин, потребляющих ископаемое углеводородное топливо.

Доля угля в мировом топливно-энергетическом балансе составляет 42,8%, тогда как у газа - 18,5%. Во многих странах значение угля для электроэнергетики гораздо выше: в Польше - 95%, ЮАР - 90%, Австралии - 86%, Китае - 81%, Англии - 60%, Германии - 54%, США - 52%, Японии - 30%. Использование угля для производства электроэнергии в мире к 2030 г. увеличится до 4,5 млрд, тонн условного топлива и уголь будет оставаться главным источником производства электроэнергии.

Энергоустановки являются первыми кандидатами для улавливания СОг. Имеются следующие варианты и применения технологии улавливания. Способ эффективного улавливания СОг заключается в создании концентрированного потока СОг высокого давления, который можно легко транспортировать к месту хранения. Хотя, весь газовый поток, содержащий низкие концентрации СОг, можно транспортировать и закачивать под землю, расходы на энергию и другие связанные с этим расходы, как правило, делают подобный подход непрактичным. Поэтому для целей транспортировки и хранения необходимо создавать почти чистый поток СОг.

Сегодня уже функционируют применения для сепарации СОг в крупных промышленных установках, включая установки для переработки природного газа и производства аммиака. В настоящее время СОг, как правило, абсорбируется для очистки других потоков промышленных газов. Абсорбция используется для целей хранения лишь в нескольких случаях; чаще всего СОг выбрасывается в атмосферу. Процессы улавливания всегда применялись для получения коммерчески выгодных количеств СОг из потоков дымовых газов, образующихся в результате сжигания

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) угля или природного газа. Сегодня, однако, на крупных энергоустановках (например, 500 МВт) отсутствуют какие-либо применения для улавливания СОг.

Существуют три основные концептуальные технологии улавливания СОг, образующегося из первичного ископаемого топлива (уголь, природный газ или нефть), биомассы или смеси этих видов топлива (см. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Улавливание и хранение двуокиси углерода. 2005 г., 66 с. ISBN 92-9169-419-3, с. 24):

1. Системы улавливания после сжигания (см. Патент RU 2676642 Cl BOID 53/02, опубл.09.01.2019 г., Бюл.1, или Патент RU 2689620 Cl BOID 53/14, опубл.28.05.2019 г., Бюл.16) отделяют СОг от дымовых газов, образующихся в воздухе в результате сжигания первичного топлива. В этих системах обычно используется жидкий растворитель для захвата небольшой доли СОг (обычно 3-15 % по объему), присутствующего в потоке дымового газа, в котором главной составляющей является азот (из воздуха).

В современной энергоустановке, работающей на угольной пыли или энергоустановке с комбинированным циклом природного газа, в существующих в настоящее время системах улавливания после сжигания обычно применяется органический растворитель, такой как моноэтаноламин.

Недостаток способа - концентрацию диоксида углерода в продуктах сгорания (дымовых газах) способ не увеличивает и это сохраняет сложности отделения СОг от азота, поступающего из воздуха при окислении горючего. Улавливание представляет собой самый затратный и самый энергоемкий этап всего процесса.

2. В системах улавливания до сжигания осуществляется обработка первичного топлива в реакторе с потоком, насыщенным воздухом или кислородом, для создания смеси, состоящей главным образом из окиси углерода и водорода («синтетический газ»). Дополнительный водород наряду с СОг образуется в результате реакции окиси углерода с потоком во вторичном реакторе. После этого получившаяся смесь водорода и СОг может быть разделена на газовый поток СОг и поток водорода.

Недостаток способа - первоначальные этапы преобразования топлива являются более сложными и дорогостоящими по сравнению с системами, действующими после сжигания. Массогабаритные характеристики установки,

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) реализующей способ, не позволяют широко применить их на транспорте. Концентрации СОг недостаточно - на практике 15-60 % по объему после осушения газов.

3. Системы сжигания с пониженной долей инертных газов и увеличенной долей окислителя. Способны повысить концентрацию СОг свыше 99%, после осушения газов.

В системах сжигания с обогащением топлива кислородом вместо воздуха для сжигания первичного топлива используется кислород для получения дымового газа, который состоит главным образом из водяного пара и углекислого газа. Затем водяной пар удаляется посредством охлаждения и компрессии газового потока. Остается высокообогащенная диоксидом углерода смесь газов.

Сжигание топлива с обогащением кислородом требует сепарации кислорода от воздуха в начале технологической цепочки, при этом в большинстве современных конструкций предполагается использование кислорода с чистотой в 95-99 %. Системы сжигания с обогащением топлива кислородом находятся на демонстрационном этапе. Проводятся исследования по применению систем с обогащенным кислородом топливом в газотурбинных системах, однако концептуальные разработки подобных применений находятся пока на стадии исследований, так как обогащение кислородом приводит к недопустимому повышению температуры рабочих процессов.

В виду температурных ограничений способа он может применяться пока только к тепловым машинам внешнего сгорания. По этой причине устройство тепловых двигателей данного типа содержит разделитель атмосферного воздуха, внешнюю камеру сгорания в которой используется кислород высокой степени очистки (95-99%), механизм преобразования тепла в механическую энергию, устройство сепарации обогащенных углекислом газом продуктов сгорания и его накопления.

Применительно к двигателям внутреннего сгорания, горение топлива в чистом кислороде приводит к слишком высокой температуре пламени, поэтому на практике продукты сгорания топлива в кислороде разбавляются путем смешивания с СОг из отходящих дымовых газов. По причине того, что рециркулируемый СОг добавляется не до, а после сгорания топлива, сохраняются высокотемпературные зоны горения, которые не позволяют использовать этот

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) способ в поршневых двигателях внутреннего сгорания из-за невозможности реализации раздельного сгорания в кислороде и охлаждения продуктов сгорания холодным СОг. Поэтому смешение продуктов горения с рециркулируемым СО2 пока реализовано только на экспериментальных и демонстрационных газовых турбинах, в которых наличие жаровых труб в камере сгорания обеспечивает разделение процессов сгорания топлива в кислороде и охлаждение продуктов сгорания путем смешения с рециркулируемым СОг.

Современные системы улавливания после или до сжигания, предназначенные для энергоустановок, могут улавливать 85-95 % образующегося СОг. Возможна более высокая эффективность улавливания, хотя сепараторы становятся значительно большими по размеру, более энергоемкими и более дорогостоящими. Для улавливания и компрессии требуется больше энергии приблизительно на 10-40 % по сравнению с аналогичной установкой без улавливания, в зависимости от типа данной системы. Ввиду сопутствующих выбросов двуокиси углерода чистый объем захваченного СОг составляет приблизительно 80-90 %.

В аналогах существует проблема разделения в продуктах сгорания СОг и азота, потому что азот имеет большую долю в продуктах сгорания, что затрудняет их разделение. В существующих методах потребление энергии варьируется от 1 до 10 ГДж на тонну в зависимости от концентрации углекислого газа на входе.

В выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания поршневого типа содержится 12-17% СОг, а в двигателях газотурбинного типа - 3-5% углекислого газа. Поэтому, отделение низко концентрированного СОг из этой массы воздуха, к примеру, криогенной дистилляцией, приводит к избыточным расходам энергии на охлаждение азота и кислорода воздуха до температуры конденсации СОг в жидкость. Другие методы также энергоемки из-за низкой концентрации углекислого газа.

Попыткой решения этой проблемы является способ повышения концентрации СОг путем выделения кислорода из воздуха и его подачи в камеру сгорания с минимальным количеством остаточных газов, что приводит к многократному повышению доли СОг в продуктах сгорания.

Известна система, в которой для понижения температуры вокруг зоны горения топлива в кислороде и предотвращения деструкции камеры сгорания,

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) зону горения окружают флюидом СОг - диоксидом углерода, находящегося в особой форме агрегатного состояния вещества Способ, который реализует эта система, выбран в качестве прототипа ( см. R. J. Allam, Rodney John (Chippenham, GB), Brown, Jr.; Glenn William (Durham, NC), Palmer; Miles R.(Chapel Hill, NC), “System and Method for High Efficiency Power Generation Using a Carbon Dioxide Circulating Working Fluid”. USA Patent 8,959,887 B2, 24 February 2015).

В прототипе реализован рекуперируемый цикл Брайтона высокого давления с использованием рабочего тела в виде сверхкритического флюида СОг с газокислородным режимом горения топлива.

В прототипе диоксид углерода находится в сверхкритическом состоянии. В применении к веществам, находящимся в таком состоянии используется специальный термин — сверхкритический флюид (от английского слова fluid, то есть «способный течь»), В современной литературе принято сокращенное обозначение сверхкритических флюидов — СКФ. Сверхкритические флюиды - форма агрегатного состояния вещества, отличная и от жидкого, и от газообразного. Сверхкритические флюиды представляют собой нечто среднее между жидкостью и газом. Они могут сжиматься как газы (обычные жидкости практически несжимаемы) и, в тоже время, способны растворять твердые вещества, что газам не свойственно.

Этот цикл начинается с сжигания в камере сгорания газообразного топлива с кислородом и горячим рабочим телом в виде рециркулируемого сверхкритического СОг. При этом в зоне горения в присутствии СКФ-СОг. должна быть максимальная концентрация кислорода. Горение в присутствии СКФ-СОг служит двойной цели: понижения температуры пламени сгорания до приемлемого уровня и разбавления продуктов сгорания таким образом, что рабочее тело цикла представляет собой преимущественно СОг. Давление в камере сгорания может достигать примерно 30 МПа, а сырье для сжигания состоит примерно на 95% рециркулированного СОг по массе.

Камера сгорания обеспечивает выхлоп под высоким давлением, который может подаваться в турбодетандер, работающий при большом перепаде давлений. Из детандера выходит отработанная смесь в виде докритического СОг, преимущественно смешанная с водой, полученной при сжигании. Эта жидкость поступает в теплообменник экономайзера, который охлаждает выходную часть

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) детандера до температуры ниже 65° С против потока СОг, который возвращается в камеру сгорания. После выхода из теплообменника экономайзера выхлоп расширителя дополнительно охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, с помощью центральной системы охлаждения, что позволяет удалять жидкую воду из рабочего тела.

Оставшееся рабочее тело почти чистого СОг затем переходит на стадию сжатия и откачки. Система сжатия состоит из обычного центробежного компрессора с промежуточным охлаждением и давлением на входе ниже СОг критического давления. Рабочее тело в виде СОг сжимается и затем охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в доохладителе компрессора. На этом этапе комбинация сжатия и охлаждения рабочего тела позволяет достичь плотности, превышающей 500 кг/м ³ . В этом состоянии СОг поток может быть перекачан до необходимого высокого давления сгорания с помощью многоступенчатого центробежного насоса. Наконец, рабочее тело под высоким давлением отправляется обратно через теплообменник экономайзера для повторного нагрева и возврата в камеру сгорания.

Чистый СОг продукт, полученный при добавлении топлива и кислорода в камеру сгорания, удаляется из потока высокого давления; в этот момент СОг - продукт высокого давления и высокой чистоты, готовый к секвестрации или утилизации без необходимости дальнейшего сжатия.

В прототипе система обеспечивает поток продуктов сгорания, содержащий СОг при давлении, по меньшей мере, примерно 8 МПа и температуре, по меньшей мере, примерно 800°С, что при высоком КПД решает проблему устранения потерь в типовых системах удаления СОг на его сжатие для закачки в трубопровод, хотя и создает сложности из-за чрезмерного давления рабочего тела, сопряженного с высокой температурой. По температурной и силовой напряженности камера сгорания прототипа подобна ракетным реактивным двигателям, что влияет на рабочий ресурс, надежность и стоимость ее изготовления.

Камера сгорания, как и турбина системы, по этой причине нетипична, не стандартна - для новой системы компанией Toshiba была спроектирована особая турбина и особая камера сгорания, соответствующие уникальным физическим условиям.

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) Таким образом, технологию невозможно применить на действующих, типовых электростанциях в результате их модернизации, так же как, например, посредством модернизации угольных ТЭС создаются более эффективные станции с парогазовыми установками, имеющими КПД до 65%. Парк старых действующих ТЭС не может быть переведен на новую технологию - требуется создание новых ТЭС и ликвидация старых, но работоспособных станций. Это существенный недостаток прототипа, препятствующий реализации этой технологии в небогатых развивающихся странах.

К недостаткам можно отнести и то, что сверхкритическая углекислота представляет собой очень сильный растворитель. Из-за экстремальных температуры и давления, при которых она используется, к конструкционным материалам предъявляются весьма жёсткие требования. Сообщается, что, один из самых стойких сплавов титана, никеля, хрома и алюминия, контактирующий со сверхкритическим СОг при температуре 750°С, утоньшается на 1-2 мкм в год). Это означает, что такие ТЭС при эксплуатации могут столкнуться с еще неизвестными проблемами (см. Алексей Батырь. Сверхкритический подход. Энергознание.

Как известно, увеличение степени сжатия является наиболее прямым способом увеличения общей выходной мощности системы, использующей цикл Брайтона, что и реализуется в системе, принятой за прототип. Однако, для получения, сжатого СОг, пригодного для закачивания в трубопровод, не обязательно использовать камеру сгорания с давлением около 300 бар, так как конденсация углекислого газа возможна и за счет его охлаждения, с последующей рекуперацией затраченного холода, причем за счет дарового тепла отходящих газов в холодильнике абсорбционного типа.

Целью данного изобретения является повышение концентрации углекислого газа и как следствие сокращение затрат на его отделение от других компонентов отработанных газов.

Поставленная цель достигается тем, что сжигают углеводородное топливо в камере сгорания, подавая кислород с примесью азота и рециркулируемое рабочее тело, а из продуктов сгорания выделяют и удаляют, образовавшиеся водяной пар и углекислый газ, согласно данному заявлению, обедняют азот и одновременно азот

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) замещают добавлением рециркулируемого рабочего тела, смешиваемое с кислородом до камеры сгорания и имеющее газообразное состояние, которое, или по отдельности, или в виде смеси газов, представляет собой - углекислый газ, водяной пар, углеводороды или производные углеводородов, или иные вещества, которые имеют температуру конденсации выше температуры конденсации углекислого газа. При этом обогащение выполняют или пропорционально, или с избытком, или с недостатком.

При подаче углекислого газа удаляют воду и прирост углекислого газа от сгоревшего топлива, и остаток углекислого газа возвращают в подаваемую смесь газов.

В качестве заменителя азота, кроме углекислого газа, может быть использован водяной пар, углеводороды или производные углеводородов, или другие вещества, которые имеют температуру конденсации равную или выше температуры конденсации углекислого газа. Вышеуказанные компоненты могут быть применены или по отдельности, или в виде смеси.

При подаче заменителя азота в виде углекислого газа - продукты сгорания с заменителем азота охлаждают до температуры конденсации воды. Затем воду удаляют, получая концентрат углекислого газа, из которого извлекают прирост углекислого газа от сгоревшего топлива, после чего остаток углекислого газа возвращают в камеру сгорания.

При подаче заменителя азота в виде водяного пара - продукты сгорания с заменителем азота охлаждают до температуры конденсации воды. Оставшийся углекислый газ с примесями и прирост воды отделяют и удаляют, после чего воду в виде пара возвращают в камеру сгорания.

При подаче заменителя азота в виде углеводородов, например, алканов, алкенов, алкинов, алкадиенов, циклоалканов, - продукты сгорания топлива и его гидратации, гидрирования и пиролиза, такие, например, как этилен и пропилен, с заменителями азота, охлаждают до температуры их конденсации, а оставшийся углекислый газ с примесями и водой удаляют, после чего углеводороды, отделенные от продуктов синтеза, например, этилена и пропилена, возвращают в камеру сгорания в виде газа или пара вместе с новой порцией углеводородов, компенсирующих убыль.

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) При подаче заменителя азота в виде производных углеводородов, например, спиртов, таких как этанол и метанол, - продукты сгорания топлива, его дегидратации, дегидрирования, пиролиза, такие, например, как этилен и 1,3- бутадиен охлаждают до температуры их конденсации, а оставшийся углекислый газ с примесями и водой удаляют. После этого производные углеводородов, за вычетом продуктов синтеза, например, таких как этилен и 1,3 -бутадиен, возвращают в камеру сгорания в виде газа или пара вместе с новой порцией производных углеводородов, компенсирующих убыль.

При подаче заменителя азота в виде иных веществ, которые имеют температуру конденсации выше температуры конденсации углекислого газа, - продукты сгорания с заменителями азота, охлаждают до перехода заменителей в конденсированную фазу и оставшуюся газовую фазу в виде углекислого газа с примесями удаляют. При этом заменитель азота возвращают в камеру сгорания в виде газа или пара, а удаляемый углекислый газ конденсируют в теплообменнике разделителя воздуха, например, за счет испарения криогенных азота и кислорода.

Предложенный способ реализуется в устройстве для концентрирования углекислого газа, содержащее систему подачи топлива, камеру сгорания, разделитель воздуха на кислород и азот, систему подачи кислорода в камеру сгорания и систему изъятия азота в депо для складирования, разделитель продуктов сгорания и депо для их складирования с каналами транспортирования, накопитель газа (рабочего тела), заменяющий азот и систему его подачи в камеру сгорания, канал транспортирования в виде ответвление в камеру сгорания, согласно данного заявления, на входе камеры сгорания установлен смеситель кислорода с рециркулируемым рабочим телом. Оба этих устройства могут быть размещены или в поршневом двигателе, или в газотурбинном двигателе парогазовой установки, или в печных агрегатах, например, таких как металлургические домны или цементные печи.

Устройство для концентрирования углекислого газа может быть снабжено вентилем для регулирования величины подачи в канале транспортирования, или в канале ответвления, или в обоих каналах, или во всех каналах транспортирования и ответвления одновременно.

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) Устройство для концентрирования углекислого газа может быть снабжено теплообменником, в котором испарение азота и/или кислорода используется для конденсирования углекислого газа, выделяемого из продуктов сгорания.

В исполнении для автомобильного транспорта устройство для концентрирования углекислого газа может быть выполнено с криогенным разделителем воздуха на жидкий кислород и газообразный азот, использующим запас криогенного азота.

По каналам транспортирования после ответвления удаляются излишки компонентов, а через ответвление заменитель азота завершает кругооборот цикла, попадая в камеру сгорания.

Каналы транспортирования и ответвления, снабжённые вентилями для регулирования подачи продуктов, позволяют поддерживать работу камеры сгорания в оптимальном режиме и эффективно удалять накопленный углекислый газ.

Благодаря предварительному смешиванию кислорода и газа, заменяющего азот, исключается кислородное сжигание топлива, создающее высокотемпературные нагрузки на камеру сгорания.

В дальнейшем предлагаемое решение поясняется рисунками, на которых: Fig.1 - структурно показан способ, когда диоксид углерода (СОг) заменяет азот; Fig.2 - структурно показан способ, когда вода (НгО) заменяет азот;

Fig.3 - структурно показан способ, когда гидрокарбоны (НС) заменяют азот;

Fig.4 - структурно показан способ, когда спирты заменяют азот;

Fig.5 - представлена структурная схема устройства для концентрирования углекислого газа.

На фигурах обозначенные позиции имеют следующие значения: 1 - источник топлива С ; 2 - камера сгорания; 3 - смеситель, например, Ог и СОг; 4 - накопитель кислорода Ог; 5 - разделитель отработанных газов; 6 - накопитель воды НгО; 7 - накопитель СОг; 8 - накопитель азота N2; 9 - источник углекислого газа СОг; 10 - депо для излишков диоксида углерода СОг; И - смеситель кислорода Ог и воды НгО; 12 - источник воды НгО; 13 - источник топлива СН4 и НС; 14 - смеситель НС и Ог; 15 - источник гидрокарбонов НС; 16 - разделитель НгО, НС, НС*,СОг;17 - разделитель гидрокарбонов НС и НС*; 18 - депо гидрокарбонов НС; 19 - источник топлива СН4 и спирты; 20 - смеситель Спиртов

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) и кислорода Ог; 21 - источник спиртов; 22 - разделитель дымовых газов на воду НгО, Спирты, НС*, СОг; 23 - разделитель Спиртов и гидрокарбонов НС*; 24 - баллоны для воды НгО, или гидрокарбонов НС, или Спиртов, или диоксида углерода СОг; 25 - вентиль регулирования величины подачи СОг для сброса в депо 27; 28 - вентиль регулирования величины подачи лишней воды НгО; 29 - вентиль регулирования величины подачи воды НгО, возвращаемой по ответвлению в камеру сгорания 2; 30 - депо для сброса лишней воды; 31 - вентиль регулирования величины подачи гидрокарбона НС в депо; 32 - вентиль регулирования величины подачи гидрокарбона в ответвлении для возврата в камеру сгорания 2; 33 - депо для сброса лишнего гидрокарбона НС; 34 - вентиль регулирования величины подачи спирта в депо; 35 - вентиль регулирования величины подачи спирта в ответвление для возврата в камеру сгорания 2; 36 - депо для сброса лишнего спирта; 37 - депо для накопления азота N2, получаемого из воздуха; 38 - разделитель продуктов сгорания и синтеза.

Рабочее тело в виде СОг, или НгО, или НС, или Спирты в смесителе 3 перемешиваются с кислородом О2 (см. Fig.5).

Устройство концентрирования углекислого газа по предложенному способу работает следующим образом.

Из источника 1 топливо подаётся в камеру сгорания 2, а в смеситель 3 подаётся из накопителя 4 кислород Ог и углекислый газ СОг. В камере 2 эта смесь сгорает и продукты сгорания переходят в разделитель отработанных газов 5 (cM.Fig.l) или разделитель 38 продуктов сгорания и синтеза (Fig.5). В разделителе 5 образуются две фракции НгО, которые переходит в накопитель воды 6 и изымаются из цикла, и СОг, которая переходит в накопитель диоксида углерода 7 (cM.Fig.l). Основной поток диоксида углерода перемещается в источник углекислого газа 9, а его излишек изымается в депо 10 для излишков диоксида углерода СОг.

По каналам транспортирования 9, 12, 15 и 21 из разделителя 38 выходят НгО, НС, СОг и Спирты.

Перекрывая вентили регулирования величины потока 25, 28, 31, 34 ограничивают сброс в депо 27, 30, 33, 36 Спиртов, НгО, НС и СОг. А вентилями 26, 29,32, 35 управляют величиной потока в ответвлениях для возврата в камеру сгорания 2.

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) На Fig. 2,3,4 показаны циклы работы с НгО, НС и Спиртами соответственно.

Во всех компонентах, отображенных на рисунках присутствует остаточный азот. Его долевое содержание определяется качеством разделителя воздуха и обычно это небольшой процент - до 3% от кислорода. Поэтому в силу небольшого содержания остаточного азота он на фигурах не обозначен, хотя присутствует. Появляющийся излишек сепарируется при конденсации углекислого газа и выводится из контура. Также на фигурах введены обозначения НС - гидрокарбоны, углеводороды, а НС* - изменённые НС в камере сгорания под действием температуры, давления, катализаторов.

Таким образом, для решения проблемы, как предлагается в данной заявке, азоту подбирается замена, такая, что газ, заменяющий азот, должен иметь температуру конденсации близкую к температуре конденсации углекислого газа, желательно более высокую.

Такими веществами могут быть вода, спирты и другие производные углеводородов, определенные группы углеводородов, и, наконец, сам углекислый газ. Список подходящих заменителей шире, но многие вещества в настоящее время не проходят по экологическим или экономическим причинам - к примеру, термически очень устойчивый бромистый водород, другие соединения брома или сам бром, а также некоторые фторуглероды, моноэтаноламин и его аналоги.

Таким образом, для достижения результата в виде повышения доли углекислого газа в сепарируемых продуктах сгорания, предлагается после разделения воздуха, заменять удаляемый азот углекислым газом, водой, спиртами и другими производными углеводородов, углеводородами - пропаном, бутаном и т.п., которые следует смешивать в камере сгорания с кислородом в стандартной концентрации 21% по объему, с отклонениями от этой концентрации в сторону повышения или понижения, задаваемыми технологическими потребностями эксплуатации газовых турбин и поршневых двигателей внутреннего сгорания. Для многократного использования заменителя азота необходима циркуляция рабочего тела.

В целях сокращения затрат на удаление СОг, образующимся при сжигании топлива, в топливной смеси, полностью или частично, азот заменяют диоксидом углерода. При этом используют отходящие газы, которые возвращают в двигатель.

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) Перед возвращением из них удаляют прирост СОг и добавляют израсходованный кислород в требуемом количестве. В двигателе к газам добавляют топливо, формируя топливную смесь.

Таким образом состав сжигаемой далее в двигателе топливной смеси, представляет смесь СОг, кислорода, частиц топлива и негорючих газов (N2, НгО, Аг). В топливной смеси доля СОг превышает долю кислорода, а доля кислорода превышает долю прочих негорючих газов, что после сгорания смеси максимально повышает в отходящих газах концентрацию СОг, и, таким образом, сокращает затраты на очистку отходящих газов от той доли СОг и прочих газов, которая получена в результате окисления углеводородного топлива.

При этом способе нет возрастания температуры сгорающей смеси до экстремальных значений для деталей тепловых машин, как при использовании в топливной смеси повышенной концентрации кислорода.

Предлагаемый способ позволяет максимально возможно увеличить содержание СОг в отходящих газах поршневых двигателей внутреннего сгорания и в газовых турбинах, поскольку не повышает температуру рабочего процесса до неприемлемых величин.

Способ может применяться на тепловых электростанциях, судах, железнодорожном, автомобильном и авиационном транспорте, что сократит выбросы не только СОг, но и другого парникового газа - N2O, который опаснее СОг в 300 раз.

Не все транспортные средства, реализующие предлагаемый способ, имеют возможность размещать агрегаты по сепарации воздуха на кислород и азот, чтобы подавать Ог в замкнутый поток СОг (из камеры сгорания снова в камеру сгоранию). Поэтому для таких транспортных средств вместо установки по выделению кислорода из воздуха используют запас готового жидкого Ог, хранимый в сосудах Дьюара.

Себестоимость одной тонны Ог при массовом производстве составляет 40- 60 долларов, что экономически приемлемо, так как добавляет около 1 цента к стоимости 1 л израсходованного топлива. Отходящий газ (продукты сгорания), после очистки от паров воды, представляет собой технически чистый СОг.

При наличии дополнительного запаса жидкого азота, а также воды, потребляемой для предварительного охлаждения отходящих газов (до

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) температуры около 35°С), диоксид углерода замораживается до жидкого состояния и помещается в накопитель транспортного средства, а жидкий кислород, переходит в газовую фазу и поступает в двигатель в составе топливной смеси. Азот и вода испаряются и выбрасываются в атмосферу.

На заправочных станциях транспортные средства сгружают накопленный жидкий СОг и заправляются водой и жидкими кислородом и азотом.

Твердый диоксид углерода (сухой лёд) может транспортироваться к месту долговременного депонирования или секвестрации в термостатических емкостях при атмосферном давлении, что сокращает материалоёмкость и стоимость тары. Перемещение твердой углекислоты из зоны низкого давления в зону высокого давления многократно проще закачки газообразного диоксида углерода в емкости с давлением, требуемая величина которого доходит до 70 бар.

Наиболее экономным способом транспортировки углекислого газа считаются трубопроводный и морской транспорт. Чтобы ввести в трубопровод, утилизируемый СОг, необходимо повысить его давление до 60-70 бар. За счет испарения кислорода, поступающего в двигатель из криогенного разделителя воздуха, а также за счет испарения части азота, углекислый газ сжижается в теплообменниках практически без повышения давления. Тогда с несущественными затратами он, как жидкость, впрыскивается в трубопровод или сосуд со сжатым СОг, где испаряется и обращается в газ с требуемым давлением.

Способ реализуется при помощи устройства, которое может применяться в виде модуля или группы модулей, подключаемых к действующим тепловым электростанциям, контейнеровозам и другим видам водного транспорта, к тепловозам железных дорог, автомобильным контейнеровозам, самолетам и дирижаблям. Модули к грузовым автомобилям включают в себя сосуды Дьюара для хранения криогенных запасов Ог, N2 и СОг, а также емкости с водой для предварительного охлаждения испарением воды продуктов сгорания.

Модули к железнодорожным тепловозам содержат устройства криогенного разделения воздуха, что упрощает решение задачи замораживания СОг. При этом тепловозы с модулями становятся мобильными пунктами раздачи криогенных кислорода и азота для центров заправки грузовых и легковых автомобилей.

Модули к большегрузному водному транспорту, например, к контейнеровозам и сухогрузам, имеют массогабаритные характеристики,

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) позволяющие накапливать СОг на длительное время в больших объемах. В отдельных портах устанавливают терминалы для приема, накопленного СОг и его закачки в трубопроводы, транспортирующие СОг к местам захоронения. Сброс накопленного СОг целесообразно производить не только в портах погрузки и разгрузки, но и на маршрутах движения судов, благодаря специализированным судам.

В устройство входит генератор кислорода из атмосферного воздуха, например, криогенный, в виде турбодетандера, испаритель жидких кислорода и азота с теплообменником для обращения углекислого газа в жидкость или лед, испаритель воды с теплообменником для охлаждения до комнатной температуры отходящих газов и сепарации паров воды, накопитель криогенного СОг, устройство хранения топлива, трубопроводная система рециркуляции СОг, для варианта с относительно легким транспортом - накопители Ог, N2 и воды.

Формула реакции:

7С0г + 2Ог + СН ₄ => 8СОг + 2НгО (1)

После очистки отходящих газов от воды и изъятия единицы СОг остаток - 7С0г, как в начале цикла.

Тяжелые углеводороды в виде газа или пара используются в качестве заменителя азота в газо-топливной смеси. В поршневых ДВС смесь состоит из тяжелых углеводородов на 80% и больше, с соответствующей долей кислорода 20% и меньше. В газовых турбинах в жаровых трубах используется соотношение углеводородов и кислорода как 80 к 20, а на выходе из жаровых труб на пути к лопаткам турбины отходящий газ разбавляется порцией углеводородов, которая в 3-4 раза больше чем первоначальная порция газо-топливной смеси.

Отходящий после турбины газ охлаждается до температуры ниже 100°С и больше 0°С, очищается от воды, сжимается при постоянной температуре до температуры образования жидкой фракции большей части углеводородов и сепарируется на жидкую фракцию тяжелых углеводородов и на газообразный СОг в смеси с газообразной частью углеводородов.

Смесь газов из СОг и углеводородов, подвергается дальнейшему сжатию и охлаждению, до образования жидкой фазы СОг и газообразных остатков продуктов разложения тяжелых углеводородов на легкие углеводороды. Жидкий СОг отправляется в накопитель, а тяжелые углеводороды, после очистки от

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) твердых фракций, вместе с газообразными продуктами разложения тяжелых углеводородов, используют для образования новой газо-топливной смеси. Цикл повторяется.

Цель предлагаемого способа - остановить карбонизацию атмосферы путем улавливания выбросов от сжигания ископаемого топлива. В этом случае способ не влияет на снижение уровня, ранее накопленного техногенного углекислого газа. Вместе с тем, предлагаемый способ является также способом удаления углекислого газа из атмосферы, когда вместо ископаемого топлива сжигается биотопливо, полученное из возобновляемых биоресурсов. В этом случае техногенный углерод выводится из атмосферы и достигается главная цель декарбонизации природы.

При использовании биотоплива в предлагаемом способе реализуется концепция вывода СОг из атмосферы, известная как BECCS.

Идея BECCS заключается в улавливании углерода растениями; сжигании растений для получения энергии; улавливании углерода в дымовой трубе; и захоронении углерода под землей. The idea behind BECCS is to capture carbon with trees; bum trees for energy; capture carbon at the smokestack; and bury carbon underground. URL: http://carbon.ycombinator.com/.

Лучший вариант реализации представляет собой устройство для концентрирования углекислого газа в дымовых газах от тепловых машин поршневого типа на тепловых электростанциях, морском и железнодорожном транспорте, которые, как общеизвестно, работают по термодинамическим циклам Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Устройство содержит камеру сгорания, трубопроводную систему рециркуляции СОг (ответвление от канала транспортирования СОг), из камеры сгорания в камеру сгорания в качестве газа заменяющего азот, накопитель газа - циркулирующего (оборотного) СОг, систему подачи кислорода в камеру сгорания, систему подачи топлива в камеру сгорания, модули в виде криогенного генератора кислорода из атмосферного воздуха в виде турбодетандера, испаритель жидких кислорода и азота с теплообменником для обращения прироста углекислого газа в жидкость или лед, накопитель замороженного СОг, испаритель воды с теплообменником для охлаждения до комнатной температуры отходящих газов и

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) сепарации паров воды, устройство хранения топлива, вентили регулирования подачи СОг, в канале транспортирования и в канале ответвления.

Устройство компонуется посредством соединения действующего агрегата с камерой сгорания и выше указанных модулей - присоединением к впускной и выпускной системам. К примеру, действующая тепловая электростанция с поршневым двигателем внутреннего сгорания, потребляющей природный газ, оснащается модулями подачи в камеру сгорания газо-топливной смеси, содержащей углекислый газ, замещающий азот, и модулями сепарации СОг от дымовых газов турбины.

При электрической мощности 55 МВт, тепловая мощность такой электростанции составляет 100 МВт, при к.п.д около 55%, что, к примеру, обеспечивается установками компании Wartsila. Средняя удельная теплота сгорания природного газа - 45,2 МДж/кг, что дает расход топлива округленно равный 2,2 кг/с. Соответственно, максимальный расход кислорода, с учетом избытка, не превышает 8,8 кг/с. При производстве кислорода объемом более 1000 м ³ /ч (1429 кг/ч) выгодно использовать криогенные разделители воздуха. В больших разделителях воздуха расход электроэнергии составляет 0,3 кВт-ч/м ³ кислорода или 0,21 кВт-ч/кг. При расходе в 8,8 кг/с затраты энергии равны 1,847 кВт-ч или 6,65 Мдж/с, что дает 12% мощности электрогенератора станции. Вместе с тем, при реализации способа на станции, использующей схему тригенерации, холод, производимый теплом отходящих газов, без значительного уменьшения КПД, может использоваться для конденсирования СОг, в жидкость или лёд.

Устройство работает без использования сверхвысоких температур и давлений. В качестве рециркулируемого рабочего тела вместо сверхкритического флюида СОг (четвёртое агрегатное состояние вещества) применяется рабочее тело в газообразном состоянии.

ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26)