Устройство для утилизации углекислого газа
CARBON DIOXIDE UTILIZATION DEVICE

Изобретение относится к электрохимическим технологиям, а именно к устройствам для утилизации углекислого газа и может найти применение для очистки воздуха рабочих помещений, сокращения газовых выбросов промышленных предприятий, охраны окружающей среды и уменьшения парникового эффекта.
Известна установка для улавливания углекислого газа из дымового газа электростанции (патент РФ № 2600348, 2016 г.), включающая в себя: абсорбционную колонну, седиментационный резервуар, содержащий наклонные пластины, регенерационную колонну, газожидкостный сепаратор, осушитель, компрессор и конденсатор; богатый раствор, поступающий из донной части абсорбционной колонны в седиментационный резервуар, содержащий наклонные пластины, для разделения на слои; выход для газа из газожидкостного сепаратора, последовательно соединенный с осушителем, компрессором, конденсатором и резервуаром для хранения жидкого углекислого газа, соответственно; при этом выход для донного потока из седиментационного резервуара, содержащего наклонные пластины, соединен со входом для первой среды второго теплообменника с помощью трубопровода, в котором находится насос для богатого раствора; слив для супернатанта из седиментационного резервуара, содержащего наклонные пластины, соединен со входом резервуара для хранения циркулирующего абсорбционного раствора с помощью трубопровода; выход резервуара для хранения циркулирующего абсорбционного раствора соединен с распылительным трубопроводом яруса распыления в абсорбционной колонне с помощью трубопровода, в котором находится насос для циркулирующего абсорбционного раствора;выход для первой среды второго теплообменника соединен со входом для первой среды первого теплообменника с помощью трубопровода; выход для первой среды первого теплообменника соединен со входом, расположенным в верхней части регенерационной колонны, с помощью трубопровода; выход для газа, расположенный вверху второго теплообменника, соединен с трубопроводом, связывающим первый теплообменник и охладитель; выход для газа, расположенный в верхней части регенерационной колонны, соединен со входом для второй среды первого теплообменника с помощью трубопровода; выход для второй среды первого теплообменника соединен со входом охладителя с помощью трубопровода; выход из охладителя соединен со входом газожидкостного сепаратора с помощью трубопровода; выход для жидкости, расположенный в нижней части регенерационной колонны, соединен со входом для второй среды второго теплообменника с помощью трубопровода, в котором находится насос для бедного раствора; выход второй среды из второго теплообменника соединен со входом резервуара для хранения циркулирующего абсорбционного раствора с помощью трубопровода, в котором находится фильтр; слив для конденсата из газожидкостного сепаратора соединен со входом резервуара для хранения циркулирующего абсорбционного раствора с помощью трубопровода; резервуар хранения раствора для хранения водного раствора композитного абсорбента соединен со входом резервуара для хранения циркулирующего абсорбционного раствора с помощью трубопровода, в котором находится насос для раствора.
Недостатками известной установки являются ее высокая сложность и энергозатратность.
Известна установка для утилизации углекислого газа в животноводческом помещении (патент РФ № 2567211, 2015 г.), которая содержит компрессор для закачивания газа, блок очистки, систему трубопроводов, емкость для хранения газа, воздухозаборники, установленные в нижней части животноводческого помещения, вентилятор, соединенный системой трубопроводов с воздухозаборниками, накопительную емкость для загрязненного воздуха с обратным клапаном для предотвращения выхода загрязненного воздуха из накопительной емкости, компрессор для сжатия загрязненного воздуха, ресивер для накопления загрязненного воздуха, соединенный трубопроводом с компрессором, ресивер для накопления газа, соединенный с блоком очистки. При этом блок очистки выполнен в виде мембранного фильтрационного блока с мембранным картриджем, обеспечивающим отделение углекислого газа и очистку воздуха, состоящим из пористого полимерного волокна с газоразделительным слоем. Емкость для хранения газа выполнена в виде баллонов для последующего использования в качестве консерванта.
Недостатком известной установки является не высокая степень утилизация углекислого газа и ограниченная область ее применения.
Известно устройство (патент РФ № 2444387, 2012 г.), включающее корпус, имеющий камеру, содержащую слой поглотителя углекислого газа, очищающего воздух, проходящий через слой поглотителя от углекислого газа. Устройство включает в себя нагнетающий элемент, приводимый в действие без применения электричества, который втягивает воздух в очиститель, пропуская воздух через слой поглотителя. Нагнетающий элемент содержит двигатель и распределитель. Распределитель сообщается по текучей среде с двигателем. Для приведения в действие двигателя через него подается текучая среда.
Недостатком известного устройства является необходимость постоянной смены и утилизации поглотителя углекислого газа.
Известно устройство (заявка Великобритании № 2341615, 2000 г.), содержащее горизонтально расположенный цилиндрический корпус, с установленными в нем электродами, в которых выполнены верхние газоотводящие и нижние соосные отверстия, диэлектрические прокладки, размещенные между электродами с образованием ряда межэлектродных промежутков, верхнюю и пропущенную через нижние отверстия в электродах, нижнюю перфорированные трубы для подачи исходного электролита и отвода продуктов электролиза, газоотводящий патрубок, блок электропитания и узел крепления.
Недостатками известного устройства являются невозможность утилизации диоксида углерода в газообразном состоянии и невысокая степень утилизации его в растворенном виде.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство для утилизации углекислого газа (прототип) (патент JP № 2016191141, 2016 г.), содержащее рабочий корпус, в котором вертикально установлены электроды, блок электрического питания, систему растворения углекислого газа в воде, соединенную с системой подачи исходного электролита в рабочий корпус и систему отвода продуктов электролиза. Электропитание подключено ко всем электродам, при этом катод и анод чередуются друг с другом.
2
2
3
-
Недостатками известного устройства являются невысокая степень утилизация растворенного в воде углекислого газа. Это связано с тем, что при электролизе электролит нагревается и растворенный в нем углекислый газ переходит из растворенного в газообразное состояние и выходит их раствора. Часть СОнаходится в растворе в виде угольной кислоты (НСО), которая не стабильна и при нагревании распадается на воду и углекислый газ, который также улетучивается из раствора. Следовательно, в прототипе значительная часть углекислого газа выделяется из газированной воды и не утилизируется, что снижает экономическую эффективность работы устройства. Кроме того, известное устройство требует для работы большого расхода воды, что также существенно снижает экономическую эффективность его работы.
Задача, на решение которой направлено изобретение устройства заключается в повышении эффективности работы устройства. Поставленная задача решается следующим образом. Предложенное устройство содержит систему подготовки воды для растворения углекислого газа, предусматривающую ее деаэрацию, умягчение, охлаждение при избыточном давлении. После чего подготовленная вода поступает в рабочий корпус, где происходит растворение подаваемого в него углекислого газа и одновременная его утилизацией из раствора в процессе электролиза. Для повышения степени растворения углекислого газа и замедления процесса выхода газа из растворенного в газообразное состояние раствор в процессе электролиза охлаждает система охлаждения. Выделяющиеся в процессе электролиза газы поднимаются в верхнюю часть корпуса, где собираются системой сбора газообразных продуктов электролиза и направляются в систему выделения из них углекислого газа, соединенную с системой его подачи в рабочий корпус для полной утилизации по замкнутому циклу. Это повышает степень утилизации углекислого газа в предложенном устройстве по сравнению с прототипом. Аналогичным образом, система отвода воды с твердыми продуктами электролиза направляет ее в систему очистки и возврата в систему ее повторной подготовки по циклической схеме, добавляя в случае необходимости небольшое количество воды, потерянной в процессе утилизации углекислого газа. Это существенно снижает объем расходуемой воды при утилизации углекислого газа и повышает эффективность работы устройства.
Технический результат, заключается в повышении степени утилизации углекислого газа и снижении объема используемой при этом воды. Он достигается за счет того, что устройство содержит рабочий корпус, вертикально установленные электроды, блок электрического питания подключенный ко всем электродам, при этом анод и катод чередуются друг с другом, систему подачи воды в рабочий корпус, систему отвода продуктов электролиза, систему подготовки воды для растворения углекислого газа соединенную с системой ее подачи в рабочий корпус; система растворения углекислого газа в воде размещена внутри рабочего корпуса и совмещена с системой электролиза, устройство имеет системы охлаждения воды внутри рабочего корпуса, подачи в него углекислого газа, отвода газообразных продуктов электролиза, соединенную с системой выделения из них неутилизированного углекислого газа, соединенную с системой его подачи в рабочий корпус; система отвода из рабочего корпуса воды с твердыми продуктами электролиза соединена с системой ее очистки, соединенной с системой подготовки воды для растворения углекислого газа; при этом системы подачи углекислого газа в рабочий корпус и отвода их него газообразный продуктов электролиза выполнены в виде перфорированной трубы, пропущенной через отверстия в нижней и верхней частях электродов соответственно а системы подачи воды в рабочий корпус и отвода из него воды с твердыми продуктами электролиза выполнены в виде перфорированной трубы, пропущенной через отверстия в верхней и нижней частях электродов соответственно.
Таким образом, заявляемая совокупность признаков является существенной и необходимой для достижения поставленной цели.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит рабочий корпус 1, вертикально установленные электроды 2, блок электрического питания 3, подключенный ко всем электродам, систему подготовки воды 4 для растворения углекислого газа, систему растворения углекислого газа в воде размещенную внутри рабочего корпуса 1, включающую системы подачи в рабочий корпус воды 5, углекислого газа 6 и охлаждения воды 7; системы отвода газообразных продуктов электролиза 8, выделения из них не утилизированного углекислого газа 9, его возврата 10, соединенную с системой подачи углекислого газа 6; системы отвода воды с твердыми продуктами электролиза 11, очистки от них воды и ее возврата 12, соединенную с системой подготовки воды для растворения углекислого газа 4.
Работа устройства для утилизации углекислого газа заключается в следующем.
Вода подготовленная в системе подготовки 4 для эффективного растворения в ней углекислого газа (деаэрированная, умягченная, охлажденная и находящаяся в состоянии избыточного давления) закачивается сверху в рабочий корпус 1 системой подачи воды 5 в пространства между размещенными в нем электродами 2, подключенными к блоку питания 3. Снизу в рабочий корпус 1 закачивается углекислый газ системой его подачи 6, в результате чего происходит растворение углекислого газа в воде при одновременной его утилизации из раствора в процессе электролиза. Для повышения степени растворения углекислого газа и замедления его выхода из растворенного состояния в газообразное в процессе электролиза рабочий раствор охлаждается системой охлаждения 7. Выделяющиеся в процессе электролиза газы (кислород и водород) и не утилизированный углекислый газ поднимаются в верхнюю часть рабочего корпуса 1, где собираются системой сбора газообразных продуктов электролиза 8, соединенной с системой отделения неутилизированного углекислого газа 9. После чего отделенный углекислый газ направляется в систему его возврата 10, соединенную с системой подачи углекислого газа 6 в рабочий корпус 1 для полной утилизации по замкнутому циклу. Аналогичным образом, система отвода воды с твердыми продуктами электролиза 11, расположенная в нижней части корпуса 1 направляет ее в систему очистки и возврата 12, которая переправляет очищенную воду для повторной подготовки для растворения углекислого газа 4 по замкнутому циклу.
Таким образом, представленное изобретение позволяет повысить степень утилизации углекислого газа, снизить объем используемой при этом воды и тем самым повысить эффективность работы устройства.