Устройство для криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза

Полезная модель относится к области очистки газов, в частности, бизогаза, а именно к устройствам для очистки и криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза, содержащего сероводород и аммиак, состоящим из очистителя потока и криогенного отделителя углекислого газа из потока, последовательно соединенных между собой трубопроводом.
В технике известны устройства, использующиеся для криогенной очистки газовых потоков.
Известны устройства для очистки криогенных газов, содержащие адсорбционный элемент, расположенный в ванне с жидким криоагентом (патент на изобретение РФ № 2111425, кл. F25B43/00 (Установка для глубокой очистки криогенных газов от микропримесей, содержащая последовательно соединенные рекуперативный теплообменник и адсорбер, помещенные в ванну с жидким азотом, отличающаяся тем, что внутренняя полость адсорбера разделена на две сообщающиеся внизу зоны вертикальной перегородкой, а верхняя часть его обечайки служит сердечником, на который навит рекуперативный теплообменник с секцией для прохождения паров испаряющегося в ванне жидкого азота, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру ванны с жидким азотом по высоте навивки теплообменника)и патент на изобретение РФ № 2256857 кл. F25B3/00 (Устройство для глубокой очистки криогенных газов, содержащее цилиндрическую ванну с жидким криоагентом, в которую помещен цилиндрический адсорбер с навитым по его высоте рекуперативным теплообменником, соединенным с патрубком подачи газа на очистку в адсорбер через рекуперативный теплообменник, патрубок вывода очищенного газа из адсорбера, трубопровод для отвода паров испаряющегося в ванне жидкого криоагента, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком регенерации адсорбера, имеющим измеритель его сопротивления газовому потоку, накопитель очищенного газа, соединенный с патрубком вывода очищенного газа, и трубопровод для удаления микропримесей из цилиндрического адсорбера, и двумя цилиндрическими металлокерамическими многослойными фильтропатронами, которые коаксиально установлены внутри цилиндрического адсорбера, причем объем между фильтропатронами заполнен адсорбентом)), позволяющие задерживать примеси из газового потока на адсорбенте при низких температурах.
Недостатком данных устройств является невозможность отделения углекислого газа от сопутствующих ему в биогазе сероводорода и аммиака, поскольку они имеют близкие температурные диапазоны существования жидкой фазы и величин температур плавления.
Метансодержащий газ используется в качестве топлива, а углекислый газ – в производственной деятельности. Оба продукта не должны содержать дурнопахнущих и токсичных примесей – сероводорода и аммиака, содержание которых в «сыром» биогазе может составлять до 0,5 и 1,0 об.%. Выделение же углекислого газа из биогаза также необходимо, поскольку его наличие (которое может составлять 25 – 55 об.%) существенно снижает теплотворную способность биогаза.
Сложность криогенного отделения токсичных примесей (сероводорода и аммиака) от углекислого газа заключается в близости температурных диапазонов существования этих газов в жидком состоянии ( = -78°С  = -65°С; = -60°С;  = -82°С;  = -38,5°С;  = -75°С). Это обстоятельство не позволяет получить как чистый углекислый газ, так и чистый метансодержащий газ только криогенным способом.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Известно устройство для криогенного отделения углекислого газа с использованием охлаждающей системы, состоящим из адсорбционного осушителя газового потока и конденсатора углекислого газа охлаждающего типа, последовательно соединенных между собой трубопроводами (патент на изобретение РФ № 2554697 кл. F25J3/06 (Охлаждающая система (50 – нумерация соответствует описанию аналога) для конденсации двуокиси углерода (CO) в потоке топочного газа, содержащая контур (51) охлаждения, содержащий хладагент, причем упомянутый контур охлаждения содержит многоступенчатый компрессор (52) хладагента, конденсатор (53) хладагента, охладитель (80) хладагента, охладитель (60) топочного газа, первый конденсатор (64) CO, второй конденсатор (70) CO, причем многоступенчатый компрессор хладагента выполнен с возможностью сжатия хладагента из охладителя топочного газа, первого конденсатора CO и второго конденсатора CO до давления P0, причем конденсатор хладагента выполнен с возможностью конденсации сжатого хладагента, охладитель хладагента выполнен с возможностью охлаждения, по меньшей мере, части конденсировавшегося хладагента, используя жидкий CO, отделенный в первом и/или втором конденсаторах CO, причем охладитель топочного газа выполнен с возможностью охлаждения потока топочного газа, используя первую часть охлажденного конденсировавшегося хладагента при первом давлении P1 расширения, которое ниже, чем P0, первый конденсатор CO выполнен с возможностью конденсации и отделения первой части CO от охлажденного потока топочного газа, используя вторую часть охлажденного конденсировавшегося хладагента при втором давлении P2 расширения, которое ниже, чем P1, второй конденсатор CO выполнен с возможностью конденсации и отделения второй части CO от охлажденного потока топочного газа, используя третью часть охлажденного конденсировавшегося хладагента при третьем давлении расширения P3, которое ниже, чем P2)).
Следует отметить, что адсорбционная осушка газа, реализованная в решении по патенту на изобретение РФ № 2554697, является частным случаем очистки этого газа, а именно от одного компонента - воды.
Недостатком этого устройства также является невозможность криогенного отделения углекислого газа не только от воды, но и от сероводорода и аммиака.
Решение по патенту на изобретение РФ № 2554697 является наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели и принято за прототип.
Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является получение из «сырого» неочищенного биогаза, образующегося из различного рода отходов (мусора, навоза, растительных отходов сельского хозяйства и др.) очищенного метансодержащего газа и очищенного углекислого газа.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении эффективного удаления сероводорода и аммиака из потока биогаза при его разделении.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в состав устройства для очистки и криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза, содержащего сероводород и аммиак, состоящее из очистителя потока и криогенного отделителя углекислого газа из потока, последовательно соединенных между собой трубопроводом, входит адсорбер, заполненный зернистым материалом, имеющим алюмосиликатную основу, обладающую катионообменными свойствами и оксидный слой диоксида марганца на наружной поверхности зёрен.
Для лучшего понимания сущности полезной модели рассматривается её описание с привлечением сопровождающих чертежей.
Фиг. 1. Схема заявляемого устройства.
Фиг. 2. Схема строения частицы зернистого материала в адсорбере.
Предлагаемые чертежи иллюстрируют только один предпочтительный вариант выполнения полезной модели, в рамках вариантности присущей ее отличительным признакам, и поэтому не могут рассматриваться в качестве ограничения содержания полезной модели, которая не включает другие варианты её исполнения.
На фигуре 1 представлена схема заявляемого устройства для криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза, где обозначены: 1 – трубопровод подачи «сырого» (неочищенного) биогаза, 2 – очиститель потока, 3 – адсорбер, 4 – зернистый материал, имеющий алюмосиликатную основу 10, обладающую катионообменными свойствами, и оксидный слой 11 диоксида марганца на наружной поверхности зёрен, 5 – трубопровод очищенного биогаза, 6 – криогенный отделитель, 7 – трубопровод слива жидкого углекислого газа, 8 – трубопровод для отвода очищенного метансодержащего газа, 9 – корпус устройства.
Сырой (неочищенный) биогаз подается по трубопроводу 1 в очиститель потока 2, в состав которого входит адсорбер 3, заполненный зернистым материалом 4, где после очистки (в т.ч. удаления сероводорода и аммиака) биогаз поступает в криогенный отделитель 6, где путём его охлаждения выделяется жидкий углекислый газ, отводимый по трубопроводу 7, а очищенный (от углекислого газа, сероводорода и аммиака) поток метансодержащего газа по трубопроводу 8 направляется для необходимого использования.
На фигуре 2 представлена схема строения частицы (зерна) зернистого материала 4 в адсорбере 3 заявляемого устройства. Зерно материала 4 состоит из его сердцевины10 (основы) алюмосиликатной природы и слоя оксида 11, расположенного на наружной поверхности этого зерна. Газообразный аммиак из потока диффундирует через слой оксида 11(с которым он не взаимодействует) и поглощается сердцевиной (основой)10по адсорбционному механизму. Газообразный сероводород из потока окисляется оксидом в наружном слое до элементарной серы, не взаимодействуя с сердцевиной (основой) зерна. Таким образом один материал, находящийся в адсорбере, одновременно удаляет из потока биогаза и аммиак, и сероводород.
Признак полезной модели «устройство для очистки и криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза содержащего сероводород и аммиак», присущий ограничительной части формулы настоящей полезной модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники, заявляемого устройства, так как:
а) обеспечивает взаимосвязь заявляемого устройства и прототипа, которому также присущ данный признак;
б) относит заявляемое устройство к присущей ему области техники, а потому является существенным признаком и необходимым условием достижения технического результата, в рамках области техники заявляемого устройства.
Признак полезной модели «состоящее из очистителя потока», присущий ограничительной части формулы настоящей полезной модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства, так как:
а) обеспечивает взаимосвязь заявляемого устройства и прототипа, которому также присущ данный признак;
б) относит заявляемое устройство к присущей ему области техники, а потому является существенным признаком и необходимым условием достижения технического результата, в рамках области техники заявляемого устройства;
в) обеспечивает принципиальную возможность очистки потока биогаза на заявляемом устройстве, то есть способствует достижению технического результата в рамках области техники заявляемого устройства.
Признак полезной модели «и криогенного отделителя углекислого газа из потока», присущий ограничительной части формулы настоящей полезной модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства, так как:
а) обеспечивает взаимосвязь заявляемого устройства и прототипа, которому также присущ данный признак;
б) относит заявляемое устройство к присущей ему области техники, а потому является существенным признаком и необходимым условием достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства;
в) обеспечивает принципиальную возможность отделения (выделения) углекислого газа из потока очищенного биогаза, то есть способствует достижению технического результата в рамках области техники заявляемого устройства.
Признак полезной модели «последовательно соединенных между собой трубопроводами», присущий ограничительной части формулы настоящей полезной модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства, так как:
а) обеспечивает взаимосвязь заявляемого устройства и прототипа, которому также присущ данный признак;
б) относит заявляемое устройство к присущей ему области техники, а потому является существенным признаком и необходимым условием достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства;
в) обеспечивает единство конструкции и функциональное единство заявляемого устройства, так как обеспечивает взаимодействие очистителя потока и криогенного отделителя углекислого газа между собой, а, следовательно, является необходимым условием достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства.
Данный обобщённый признак может быть реализован в виде конструкций, соединенных между собой трубопроводы, например, в вариантности: трубопроводы из металла или пластика, соединение может быть неразборным (например, сварным) или разборным (например, на фланцах или резьбах).
Признак полезной модели «в состав очистителя потока входит адсорбер», присущий отличительной части формулы настоящей полезной модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства, так как:
а) адсорбер – это аппарат для поглощения какого-либо компонента потока из основного потока газа, обеспечивающий замкнутый объём, в котором расположен поглощающий материал и в котором происходит взаимодействие потока газа и поглощающего материала;
б) без этого замкнутого объёма поглощающий материал не будет очищать поток газа, так как не будет потока газа, ввиду того, что газ не будет находиться в замкнутом объеме;
Признак полезной модели «заполненный зернистым материалом», присущий отличительной части формулы настоящей полезной модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства, так как:
а) зернистая форма материала обеспечивает максимальную площадь контакта компонентов очищаемого биогаза и материала в потоке, что в свою очередь обеспечивает переход части этих компонентов (сероводород и аммиак) из биогаза в зерно материала;
б) зернистая форма материала обеспечивает малое сопротивление газовому потоку, что в свою очередь обеспечивает возможность движения биогаза через слой зерен, являющейся необходимым условием очистки этого биогаза;
в) зернистая форма материала наиболее просто загружается (перед проведением очистки) и выгружается (после её завершения) из замкнутого объёма адсорбера;
Признак полезной модели «имеющим алюмосиликатную основу, обладающую катионообменными свойствам», присущий отличительной части формулы настоящей модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства, так как:
4
4
4-
5-
а) алюмосиликатная основа за счёт своей структуры структурных элементов [SiO] и [AlO] обладает нескомпенсированным отрицательным зарядом, т.е. способна к катионному обмену;
4
+
б) газообразный аммиак в условиях очистки потока биогаза на поверхности алюмосиликатной основыпосле поглощения частицей из потока будет находится в виде иона NH, который хорошо удерживается по катионообменному механизму;
в) алюмосиликатная основа, обладая хорошими катионообменными и прочностными характеристиками, лучше всего подходит для получения на наружной поверхности её частиц оксидного слоя диоксида марганца.
Таким образом алюмосиликатная основа позволит поглотить ион аммония, образовавшийся из аммиака, который содержится в биогазе, и одновременно с этим позволит нанести на себя слой оксидного материала, предназначенный для окисления сероводорода из потока биогаза.
Признак полезной модели «и оксидным слоем диоксида марганца на наружной поверхности зёрен», присущий ограничительной части формулы настоящей полезной модели, является существенным признаком и необходимым условием для достижения технического результата в рамках области техники заявляемого устройства, так как:
а) оксидный слой диоксида марганца в качестве твёрдого окислителя нужен для окисления (за счёт «активного» кислорода окисла) сероводорода до элементарной серы, что в свою очередь обеспечивает исключение загрязнителя из потока биогаза и фиксацию загрязнителя на поверхности частицы в твердой форме, то есть производит очистку;
б) расположение оксидного диоксида марганца слоя на наружной поверхности зёрен материала обеспечивает окисление сероводорода и отложение продукта этого окисления (элементарной серы) на поверхности (или в небольшом по глубине слое), что не препятствует поступлению (диффузии) аммиака (иона аммония) внутрь основы зерна.
Особенности частных форм реализации устройства в части материала, из которого оно изготовлено, не влияют на достижение технического результата, который обеспечивается в любом из случаев, присущих данной степени обобщения признака, так как если заявляемое устройство изначально предназначено для криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза, согласно заявляемой области техники, то оно по своему определению всегда может использоваться для осуществления этой задачи. В рамках материала, из которого изготовлено устройство, этот материал не может повлиять на способность устройства извлекать углекислый газ из потока биогаза.
Данный обобщенный признак может быть реализован в материальном носителе, например, в вариантности: сталь, стекло, композитный материал, пластик.
Особенности частных форм реализации устройства в части составных частей, из которого оно образовано, не влияют на достижение технического результата, который обеспечивается конкретным назначением этих составных частей для достижения технического результата в заявляемой области техники, так как:
а) если в состав заявляемого устройства входит какой-либо очиститель потока, то по определению он очищает поток биогаза, т.е. способствует достижению технического результата;
б) если в состав заявляемого устройства входит какой-либо криогенный отделитель углекислого газа, то по определению он выделяет из потока биогаза углекислый газ, т.е. способствует достижению технического результата.
Данный обобщённый признак может быть реализован:
а) в вариантности типа адсорбера – с прямой или развернутой шихтой, вертикальный или горизонтальный;
б) в вариантности типа криогенного отделителя углекислого газа – вымораживателя углекислоты накопительного типа, криодистилляционной колонны, криосепаратора жидкой фазы.
Особенности частных форм реализации устройства в части конструкции адсорбера не влияют на достижение технического результата, который обеспечивается в любом из случаев, присущих данной степени обобщения признака, так как любой адсорбер по своему определению предназначен для поглощения компонентов газового потока твёрдым материалом, находящимся внутри него, и поэтому по своему определению его конструкция не может повлиять на способность его удалять те или иные компоненты из потока биогаза;
Данный обобщённый признак может быть реализован в виде конструкций адсорбера, например, в вариантности: вертикальный адсорбер с восходящим и нисходящим током биогаза, горизонтальный адсорбер, адсорбер с шихтой прямого сечения и адсорбер с развёрнутой шихтой, адсорбер периодического действия с заменой шихты или её химической регенерацией, адсорбер с регенерацией паром, растворителями, солевыми растворами.
Особенности частных форм зернистого материала в заявляемом устройстве в части размеров и формы зёрен не влияют на достижение технического результата, который обеспечивается в любом из случаев, присущих данной степени обобщения признака, так как:
а) зернистый материал состоит из совокупности зёрен (частиц) материала, которые через свою наружную поверхность контактируют с компонентами потока биогаза, а следовательно участвуют в поглощении их. Размер зёрен (частиц) материала может влиять на количество поглощённой примеси, но не на принципиальную возможность этого, т.е. не влияет на достижение технического результата;
б) форма зёрен материала также не влияет на возможность материала удалять (поглощать) из потока биогаза примеси, поскольку частицы любой формы имеют наружную поверхность, на которой и происходит удаление примесей, т.е. достижение технического результата.
Данный обобщённый признак может быть реализован в материальном носителе (гранулах) в вариантности размеров 1,0 – 5,0 мм (для шихты прямого сечения адсорбера) и 0,1 – 1,0 мм (для развёрнутой шихты), а в вариантности формы гранул: круглой (овальной), цилиндрической, пластинчатой, игольчатой, а также неправильной формы.
Особенности частных форм зернистого материала, находящегося в адсорбере заявляемого устройства, в части количества не влияют на достижение технического результата, который обеспечивается в любом из случаев, присущих данной степени обобщения признака, так как количество зернистого материала влияет на количество удаляемых примесей, т.е. на ресурс работы адсорбера, а не на принципиальную возможность удаления примесей из потока биогаза, т.е. достижение технического результата.
4
4
4-
5-
Особенности частных форм алюмосиликатной основы, обладающей катионообменными свойствами, в части их типа и состава не влияют на достижение технического результата, который обеспечивается в любом из случаев, присущих данной степени обобщения результата в заявляемой области техники, так как по определению алюмосиликат образован совокупностью структурных элементов [SiO] и [Al(OH)], образующих более сложные структуры (кубооктаэдры) из которых построен их каркас, обладающий за счёт нескомпенсированного отрицательного заряда катионообменными свойствами.
Данный обобщённый признак может быть реализован в материальном носителе в вариантности: природные и синтетические цеолиты, формованные глинистые материалы, слюды.
Данная полезная модель может быть осуществлена, например, в виде металлического корпуса, в который заключены мембранный фильтр, адсорбционная колонна (которые в совокупности являются очистителем потока) и проточного трубчатого охладителя потока (криогенный отделитель углекислого газа), причем все эти части соединенные между собой металлическими трубопроводами с фланцевым соединением, а адсорбционная колонна заполнена зернистым цеолитом, с нанесенной на его поверхностью диоксидом марганца (зернистый материал, имеющий алюмосиликатную основу, обладающую катионообменными свойствами и оксидным слоем диоксида марганца на наружной поверхности зёрен).
Заявляемое устройство для криогенного извлечения углекислого газа из потока биогаза найдет широкое применение в народном хозяйстве России, так как получение чистого углекислого газа крайне необходимо для развития многих отраслей промышленности, а также снижения его выбросов в атмосферу. Кроме того, заявляемое устройство способствует решению ещё одной важной народнохозяйственной задачи – получению очищенного метансодержащего газа, являющегося перспективным видом топлива из «сырого» биогаза.