СПОСОБ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CARBON DIOXIDE CONCENTRATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

2
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано в транспортных средствах, в промышленных, гражданских и других объектах для улавливания загрязняющих веществ, таких как диоксид углерода, далее углекислый газ, или двуокись углерода, или СО, 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 4 гигатонны 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.
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. Топливом для них служат уголь и природный газ.
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.
2
2
2
2
2
Энергоустановки являются первыми кандидатами для улавливания СО. Имеются следующие варианты и применения технологии улавливания. Способ эффективного улавливания СО заключается в создании концентрированного потока СО высокого давления, который можно легко транспортировать к месту хранения. Хотя, весь газовый поток, содержащий низкие концентрации СО, 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 СО.
2
2
2
2
2
Сегодня уже функционируют применения для сепарации СО в крупных промышленных установках, включая установки для переработки природного газа и производства аммиака. В настоящее время СО, как правило, абсорбируется для очистки других потоков промышленных газов. Абсорбция используется для целей хранения лишь в нескольких случаях; чаще всего СО выбрасывается в атмосферу. Процессы улавливания всегда применялись для получения коммерчески выгодных количеств СО из потоков дымовых газов, образующихся в результате сжигания угля или природного газа. Сегодня, однако, на крупных энергоустановках (например, 500 МВт) отсутствуют какие-либо применения для улавливания СО.
2
Проблема в высоких капитальных затратах при недостаточной концентрации диоксида углерода в дымовых газах. Например, разброс исходной концентрации СО составляет от 3-5% для газовой ТЭС и до 30% для доменных печей в черной металлургии и аналогично в известняковых печах цементной промышленности. В структуре затрат, выявлена определенная закономерность. При концентрации углекислого газа менее 50% или даже 30% доля улавливания в капитальных затратах характерна для абсолютно всех проектов и составляет более половины инвестиций (см. Отрасль СCUS в России: от государства ждут правила игры, сокращение рисков и финансирование. 17 июня 2022. Creon-Group. URL: https://creon-group.com/otrasl-scus-v-rossii-ot-gosudarstva-zhdut-pravila-igry-sokrashhenie-riskov-i-finansirovanie).
2
2
Современные системы улавливания после или до сжигания, предназначенные для энергоустановок, могут улавливать 85–95% образующегося СО. 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 СО составляет приблизительно 80-90%.
2
2
2
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% СО, а в двигателях газотурбинного типа – 3-5% углекислого газа. Поэтому, отделение низко концентрированного СО из этой массы воздуха, к примеру, криогенной дистилляцией, приводит к избыточным расходам энергии на охлаждение азота и кислорода воздуха до температуры конденсации СО в жидкость. Другие методы также энергоемки из-за низкой концентрации углекислого газа.
2
Существуют три основные концептуальные технологии улавливания СО, 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):
2
2
1. Системы улавливания после сжигания (см. Патент RU 2676642 С1, B01D 53/02, опубл. 09.01.2019 г., Бюл. 1, или Патент RU 2689620 С1, B01D 53/14, опубл. 28.05.2019 г., Бюл. 16) отделяют СО от дымовых газов, образующихся в воздухе в результате сжигания первичного топлива. В этих системах обычно используется жидкий растворитель для захвата небольшой доли СО (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.
2
Недостаток способа – концентрацию диоксида углерода в продуктах сгорания (дымовых газах) способ не увеличивает и это сохраняет сложности отделения СО от азота, поступающего из воздуха при окислении горючего. Улавливание представляет собой самый затратный и самый энергоемкий этап всего процесса.
2
2
2
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 СО образуется в результате реакции окиси углерода с потоком во вторичном реакторе. После этого получившаяся смесь водорода и СО может быть разделена на газовый поток СО и поток водорода.
2
Недостаток способа – первоначальные этапы преобразования топлива являются более сложными и дорогостоящими по сравнению с системами, действующими после сжигания. Массогабаритные характеристики установки, реализующей способ, не позволяют широко применить их на транспорте. Концентрации СО недостаточно – на практике 15-60% по объему после осушения газов.
2
3. Системы сжигания с пониженной долей инертных газов и увеличенной долей окислителя. Способны повысить концентрацию СО свыше 99%, после осушения газов. Здесь апробируются несколько концепций.
Первая концепция. 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. 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%), в ряде случаев механизм преобразования тепла в механическую энергию, устройство сепарации обогащенных углекислом газом продуктов сгорания и его накопления.
2
2
Попыткой решения этой проблемы является способ повышения концентрации СО путем выделения кислорода из воздуха и его подачи в камеру сгорания с минимальным количеством остаточных газов, что приводит к многократному повышению доли СО в продуктах сгорания.
2
Вместе с тем, использование кислорода без значительных примесей негорючих газов, приводит к превышению допустимых пределов температуры в механизмах преобразования тепла в механическую энергию, что исключает применение этого способа для повышения концентрации СО в газовых турбинах и поршневых двигателях внутреннего сгорания. Реальная область его применения – топки машин внешнего сгорания, например, паровых турбин.
К примеру, в Германии в промышленной зоне Шварце-Пумпе, целью пилотной установки компании Vattenfall с процессом сжигания кислородного топлива, улавливания и хранения диоксида углерода, было не производить электричество, а производить пар, который затем использовался бы соседней промышленностью. Обладая тепловой мощностью 30 МВт, установка сжигала уголь с использованием чистого кислорода (без азота), заменяя воздух, в так называемом кислородном сжигании. Идея заключалась в том, что полученный углекислый газ будет сжат и сжижен. Затем он будет помещен в геологические образования и сохранен, чтобы не способствовать глобальному потеплению. Компания Vattenfall прекратила НИОКР по улавливанию углерода на заводе в 2014 году, потому что «его затраты и энергия, которые он требует, делают технологию нежизнеспособной» (см. Электростанция Schwarze Pumpe – Schwarze Pumpe power station. URL: https://wiki5.ru/wiki/Schwarze_Pumpe_power_station).
2
Вторая концепция. Известна система, в которой для понижения температуры горения топлива в кислороде и предотвращения деструкции камеры сгорания, зону горения насыщают сверхкритическим флюидом СО – диоксидом углерода, находящегося в особой форме агрегатного состояния вещества, не являющегося газом (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).
2
В этом аналоге реализован рекуперируемый цикл Брайтона высокого давления с использованием рабочего тела в виде сверхкритического флюида COс газокислородным режимом горения топлива.
Здесь 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.
2
2
2
2
Этот цикл начинается с сжигания в камере сгорания газообразного топлива с кислородом и горячим рабочим телом в виде рециркулируемого сверхкритического CO. Горение в присутствии СКФ-CO служит двойной цели: понижения температуры пламени сгорания до приемлемого уровня и разбавления продуктов сгорания таким образом, что рабочее тело цикла представляет собой преимущественно CO. Давление в камере сгорания может достигать примерно 30 МПа, а сырье для сжигания состоит примерно на 95% рециркулированного CO по массе.
2
2,
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 CO, преимущественно смешанная с водой, полученной при сжигании. Эта жидкость поступает в теплообменник экономайзера, который охлаждает выходную часть детандера до температуры ниже 65°C против потока CO 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.
2
2
2
2
3
Оставшееся рабочее тело почти чистого CO затем переходит на стадию сжатия и откачки. Система сжатия состоит из обычного центробежного компрессора с промежуточным охлаждением и давлением на входе ниже критического для CO. Рабочее тело в виде CO 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. В этом состоянии поток СО 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.
2
2
Чистый CO продукт, полученный при добавлении топлива и кислорода в камеру сгорания, удаляется из потока высокого давления. В этот момент CO - продукт высокого давления и высокой чистоты, готовый к секвестрации или утилизации без необходимости дальнейшего сжатия.
2
2
В аналоге система обеспечивает поток продуктов сгорания, содержащий CO 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 СО 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 аналога 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.
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 аналога, препятствующий реализации этой технологии в небогатых развивающихся странах.
2
Способ применим только к большим электростанциям с новыми газотурбинными установкам – электростанции с поршневыми двигателями не способны работать по описанному Циклу Аллама. Это же относится к морскому и сухопутному видам транспорта, оснащенных поршневыми двигателями, что также является серьезным недостатком. Промышленные печи также остаются вне сферы применения этого способа сокращения выбросов СО.
2
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 CO при температуре 750°C, уменьшается 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. 13.03.2018. URL: https://www.energovector.com/energoznanie-sverhkriticheskiy-podhod.html).
Кроме того, для коммерциализации цикла Аллама на твердом топливе были выявлены четыре дополнительных препятствия:
1) При выборе подходящей технологии газификатора требуется оптимизация стоимости и производительности.
2) Дополнительные примеси, обнаруженные в синтез-газе, полученном из угля, увеличивают коррозию.
3) Необходимы дополнительные способы удаления загрязнений из системы.
4) Требуется разработка камеры сгорания цикла Аллама для низкокалорийного и водородосодержащего топлива (см. Rodney Allam et al./Energy Procedia 114 (2017) 5948 - 5966).
2
Как известно, увеличение степени сжатия является наиболее прямым способом увеличения общей выходной мощности системы, использующей цикл Брайтона, что и реализуется в рассматриваемом аналоге. Однако, для получения, сжатого СО, пригодного для закачивания в трубопровод, не обязательно использовать камеру сгорания с давлением до 310 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.
В авторской публикации Аллама сообщается о низком доверии потенциальных покупателей к устройству, реализующим цикл Аллама из-за особенностей его работы – сверхвысоких давлений (до 310 бар) при предельных температурах (на входе в турбину температура достигает 1200°C), которые сокращают рабочий ресурс установки. На сайте производителя также сообщается о пожаре, который произошел во время эксплуатации промышленной установки: «В мае 2018 года на нашем испытательном объекте в Ла-Порте, штат Техас, произошел первый пожар» (см. Platform for the Decarbonized World. URL: https://netpower.com) Вероятная причина аварии – экстремальный режим работы установки. Использование СКФ или сверхкритических флюидов вместо обычных газов делает неизбежным экстремальный режим работы аналога.
В цикле Аллама КПД повышается прежде всего для компенсации потерь энергии на производство кислорода, поэтому сокращение стоимости производства кислорода за счет более дешевой энергии, производимой возобновляемыми источниками энергии, делает ненужным использование цикла Аллама.
Третья концепция. Известны более ранние исследования на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, с использованием в качестве окислителя не воздуха, а смеси газов (вместо СКФ), обогащенных кислородом. Почти весь азот удаляется из входящего воздуха, в результате чего получается поток, содержащий примерно 95% кислорода. Сжигание с чистым кислородом приводит к слишком высокой температуре пламени, поэтому смесь разбавляется путем смешивания с рециркулирующим дымовым газом, содержащим в основном углекислый газ (см. Процесс сжигания кислородного топлива – Oxy-fuel combustion process. URL: https://wiki5.ru/wiki/Oxy-fuel_combustion_process).
2
Полное описание способа создания условий по повышению концентрации СО дано в цитируемой ниже диссертационной работе. «2.1.3 Кислородное сжигание топлива. Технология сжигание топлива в среде кислорода (кислородное сжигание) активное развивается на основе многочисленных фундаментальных и практических исследований. Поскольку для поддержания надлежащих режимных параметров необходим балластный компонент, то используют частичную рециркуляцию дымовых газов (рис. 15). Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими технологиями [42, 43].
2
2
2
2
2
Кислородное сжигание топлив позволяет получить дымовые газы с содержанием СО более 90% и небольшим количеством неконденсирующихся газов. При реализации метода необходимо обеспечить рециркуляцию части дымовых газов, вводя их в зону горения так, чтобы создать необходимые температурные условия. Конкретный способ реализации технологии сжигания топлива в смеси О/СО зависит от того, в какой схеме сжигания намечено использовать эту технологию. Сжигание в обычном котле требует незначительных модификаций поверхностей нагрева в связи с изменением состава и скоростей газов по тракту котла, а также изменения конструкции горелок и установки мощных дымососов рециркуляции. Замена воздуха кислородом в схемах с парогазовой установкой (ПГУ) на природном газе приводит к изменению свойств рабочего тела и, вследствие этого, к необходимости изменений конструкции компрессора, газовой турбины, камеры сгорания, системы охлаждения турбины и системы возврата тепла. Поэтому технология сжигания топлива в среде О/СО на обычных ТЭС может применяться как при модернизации действующих блоков, так и при сооружении новых; для схем ПГУ ее применение может быть организовано только для нового, специально разработанного оборудования.
x
2
x
Кислородное сжигание также приобретает все большее значение в сокращении выбросов NO и SO [44, 45]. Выбросы NO при этом составляют менее одной трети от сгорания в воздухе» (см. Халид Хамед Эльшейх Эльхаг. Снижение вредных выбросов, включая парниковые газы, при кислородном сжигании твердого топлива в циркулирующем кипящем слое. 05.17.07 – химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 2020. Данный аналог выбран в качестве прототипа)».
Источники:
42. Buhre, B.J., et al., Oxy-fuel combustion technology for coal-fired power generation. Progress in energy and combustion science, 2005. 31(4): p. 283-307.
43. Scheffknecht, G., et al., Oxy-fuel coal combustion - A review of the current state-of-the-art. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2011. 5: p. S16-S35.
44. Normann, F., et al., Emission control of nitrogen oxides in the oxy-fuel process. Progress in Energy and Combustion Science, 2009. 35(5): p. 385-397.
45. Jia, L., Y. Tan, and E. Anthony, Emissions of SO2 and NO x during Oxy - Fuel CFB Combustion Tests in a Mini-Circulating Fluidized Bed Combustion Reactor. Energy & Fuels, 2009. 24(2): p. 910-915.
2
2
Для рассмотренных аналогов и прототипа необходимы энергоёмкие способы получения кислорода и требуется повышение плотности СО, выводимого из рециркулируемого потока для аккумуляции и передачи в транспортную систему. Смешение продуктов горения с рециркулируемым СО пока реализовано только на экспериментальных и демонстрационных газовых турбинах, и не применятся в поршневых двигателях модульных электростанций и транспортных средств.
2
2
2
Концептуальная ставка на СО из дымовых газов, как на очевидное рециркулирующее рабочее тело, заменяющее удаленный азот, в схемах ПГУ на природном газе приводит к необходимости изменения свойств рабочего тела и, вследствие этого, к необходимости изменений конструкции компрессора, газовой турбины, камеры сгорания, системы охлаждения турбины и системы возврата тепла. Поэтому технология сжигания топлива в среде О/СО на обычных ТЭС может применяться только при модернизации действующих блоков, или при сооружении новых; для схем ПГУ ее применение может быть организовано только для нового, специально разработанного оборудования. Недостатком способа является и то, что электростанции с поршневыми двигателями способны без крупной модернизации перейти на смеси, с кислородом и с газом, заменяющим азот, так как такие тепловые машины проще перенастраиваются на смену топлива. Таким образом, не использование рециркулируемого рабочего тела в виде газовой смеси с иным химическим составом, исключает возможность воспроизводства базовых свойств топливной смеси и приближения её по к свойствам смеси на основе воздуха, а это препятствует масштабированию – не позволяет исключить или упростить модернизацию действующих устаревших электростанций.
2
2
2
Из-за фиксированного выбора рабочего рециркулируемого тела исключается применения такого состава рабочего тела, который может обеспечить вывод из дымовых газов, вместо углекислого газа, «голубого водорода», и части слаболетучих соединений углерода, продуктов конверсии и пиролиза, которые имеют ценность на рынках химической продукции. Это исключает сбыт побочной химической продукции, понижающий издержки эксплуатации данного типа устройства концентрирования СО. Недостатком является и невозможность использования вместо СО веществ рециркулируемого рабочего тела с более высокой температурой фазового перехода от жидкости к газу – так как это упрощает концентрирование СО и его выделение из дымовых газов. Отсутствует возможность использования частичного пиролиза рециркулируемого рабочего тела, например, органического состава, который обеспечивал бы выделение и сжигание как топлива водорода и концентрацию остатков углерода в тяжелых углеводородах, с последующим выводом из цикла.
2
2
2
Кроме того сжатие и/или сжижение СО для удобства его транспортировки к месту захоронения или утилизации не обязательны, так как эвакуация СО может производиться известными транспортирными средствами в виде газовозов - летательных аппаратов легче воздуха, которые могут транспортировать углекислый газ при его давлении близком к атмосферному и тогда компрессия может осуществляться на месте захоронения за счет энергии возобновляемых источников, например, офшорных ветроэлектростанций, что будет дешевле чем за счет собственной энергии электростанции – производителя удаляемых выбросов СО.
Аналогично, представляется избыточной генерация кислорода из воздухоразделительной установки при электростанции, так как это требует больших масштабов установки для сокращения издержек и потому исключает малые электростанции. Дело в том, что генерация кислорода за пределами электростанции, к примеру, в крупных центрах генерации при офшорных ветряных станциях благодаря низким издержкам, делает возможным снабжение не только крупных, но и малых электростанций недорогим кислородом для безазотного сжигания топлива.
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 в камеру сгорания подают газотопливную смесь, из которой перед подачей удаляют большую часть азота и заменяют его другим газом, сжигают смесь в камере сгорания, получая в результате газовую смесь с высокой концентрацией углекислого газа с примесями, из которых отделяют водяной пар и углекислый газ, согласно данного заявления, в подаваемой смеси в качестве газа, заменяющего азот, применяют – водяной пар, углеводороды или производные углеводородов или иные вещества, имеющие температуру конденсации выше температуры конденсации углекислого газа, или по отдельности, или в виде смеси, или в смеси с углекислым газом.
При подаче водяного пара из продуктов сгорания и паровой конверсии топлива, например, водорода, удаляют воду и прирост углекислого газа, и затем воду в виде пара возвращают в подаваемую смесь газов, с компенсацией убытия воды в результате конверсии топлива, таким образом, что количество циркулирующей воды поддерживают постоянным.
При подаче углеводородов, например, алканов, алкенов, алкинов, алкадиенов, циклоалканов, из продуктов сгорания топлива и гидратации, гидрирования и пиролиза, таких, например, как этилен и пропилен, удаляют воду и прирост углекислого газа, и остаток углеводородов возвращают в подаваемую смесь газов, вместе с новой порцией топлива, таким образом, что количество циркулирующих углеводородов и/или их производных поддерживают необходимым для работы камеры сгорания.
2
При подаче производных углеводородов, например, спиртов, таких как этанол и метанол, из продуктов сгорания топлива и дегидратации, дегидрирования, пиролиза, таких, например, как этилен и 1,3-бутадиен, удаляют воду и прирост углекислого газа, и остаток производных углеводородов возвращают в подаваемую смесь газов вместе с новой порцией топлива, таким образом, что количество циркулирующих углеводородов и/или их производных поддерживают необходимым для работы камеры сгорания и в случае использования криогенных кислорода и/или азота, их хладоресурс применяют для конденсирования СО в жидкость или лёд.
При подаче смеси с углекислым газом удаляют воду и прирост углекислого газа от сгоревшего топлива, и остаток смеси с углекислым газом возвращают в подаваемую смесь газов с компенсацией убытия смеси с углекислым газом в результате конверсии топлива, таким образом, что количество циркулирующей смеси поддерживают постоянным.
Предложенный способ реализуется в устройстве для концентрирования углекислого газа, содержащем 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, согласно данного заявления, оно снабжено накопителем газа, заменяющего азот и системой его подачи в камеру сгорания, а от канала транспортирования выполнено ответвление в камеру сгорания.
Устройство может быть снабжено регулятором величины подачи в канале транспортирования.
Устройство может быть снабжено регулятором величины подачи в канале ответвления.
В предлагаемом устройстве сжигают углеводородное топливо в камере сгорания, подавая смесь газов, содержащую кислород и азот, и получают продукты сгорания, из которых отделяют водяной пар и углекислый газ, согласно данного заявления, в подаваемой смеси обедняют азот и одновременно обогащают её газом, заменяющим азот, или по отдельности, или в виде смеси, представляющим собой - углекислый газ, водяной пар, углеводороды или производные углеводородов, или иные вещества, которые имеют температуру конденсации выше температуры конденсации углекислого газа.
В качестве заменителя азота, кроме углекислого газа, может быть использован водяной пар, углеводороды или производные углеводородов, или другие вещества, которые имеют температуру конденсации 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 удаляют воду и прирост углекислого газа от сгоревшего топлива, и остаток углекислого газа возвращают в подаваемую смесь газов.
При подаче заменителя азота в виде водяного пара из продуктов сгорания и паровой конверсии топлива, например, водорода, удаляют воду и часть прироста углекислого газа, и затем воду в виде пара возвращают в подаваемую смесь газов, с компенсацией убытия смеси с углекислым газом в результате конверсии топлива, таким образом, что количество циркулирующей смеси поддерживают  постоянным.
При подаче заменителя азота в виде углеводородов, например, алканов, алкенов, алкинов, алкадиенов, циклоалканов,из продуктов сгорания топлива и гидратации, гидрирования и пиролиза, таких, например, как этилен и пропилен, удаляют в оду и прирост углекислого газа, и остаток углеводородов возвращают в подаваемую смесь газов, вместе с новой порцией топлива, таким образом, что количество циркулирующих углеводородов и/или их производных поддерживают необходимым для работы теплового двигателя.
При подаче заменителя азота в виде производных углеводородов, например, спиртов, таких как этанол и метанол, из продуктов сгорания топлива и дегидратации, дегидрирования, пиролиза, таких, например, как этилен и 1,3-бутадиен, удаляют воду и прирост углекислого газа, и остаток производных углеводородов возвращают в подаваемую смесь газов вместе с новой порцией топлива, таким образом, что количество циркулирующих углеводородов и/или их производных поддерживают необходимым для работы теплового двигателя.
Предложенный способ реализуется в устройстве для концентрирования углекислого газа, содержащего 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, согласно данного заявления, оно снабжено накопителем заменителя азота и системой его подачи в камеру сгорания, а от канала транспортирования выполнено ответвление в камеру сгорания. По каналам транспортирования после ответвления удаляются излишки компонентов, а через ответвление заменитель азота завершает кругооборот цикла, попадая в камеру сгорания.
Каналы транспортирования и ответвления могут быть снабжены регуляторами величины подачи. Это позволяет поддерживать работу тепловой машины в оптимальном режиме и эффективно удалять накопленный углекислый газ.
В дальнейшем предлагаемое решение поясняется рисунками, на которых:
2
фиг.1 - структурно показан способ, когда диоксид углерода (СО) заменяет азот;
2
фиг.2 - структурно показан способ, когда вода (НО) заменяет азот;
фиг.3 - структурно показан способ, когда гидрокарбоны (НС) заменяют азот;
фиг.4 - структурно показан способ, когда спирты заменяют азот;
фиг.5 - представлена структурная схема тепловой машины.
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
2
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
На фигурах обозначенные позиции имеют следующие значения: 1-источник топлива СН; 2-камера сгорания; 3-смеситель О и СО; 4-накопитель кислорода О; 5-разделитель отработанных газов; 6-накопитель воды НО; 7-накопитель СО; 8-накопитель азота N; 9-источник углекислого газа CО; 10 – депо для излишков диоксида углерода СО; 11- смеситель кислорода О и воды НО; 12-источник воды НО; 13-источник топлива СН и НС; 14-смеситель НС и О; 15-источник гидрокарбонов НС; 16-разделитель НО, НС, НС*,СО;17-разделитель гидрокарбонов НС и НС*; 18 –депо гидрокарбонов НС; 19-источник топлива СН и спирты; 20-смеситель Спиртов и кислорода О; 21-источник спиртов; 22-разделитель дымовых газов на воду НО, Спирты, НС*,СО; 23-разделитель Спиртов и гидрокарбонов НС*; 24-баллоны для воды НО, или гидрокарбонов НС, или Спиртов, или диоксида углерода СО; 25-регулятор величины подачи СО для сброса в депо 27; 28-регулятор величины подачи лишней воды НО; 29-регулятор величины подачи воды НО, возвращаемой по ответвлению в камеру сгорания 2; 30 – депо для сброса лишней воды; 31- регулятор величины подачи гидрокарбона НС в депо; 32 – регулятор величины подачи гидрокарбона в ответвлении для возврата в камеру сгорания 2; 33-депо для сброса лишнего гидрокарбона НС; 34-регулято величины подачи спирта в депо; 35-регулятор величины подачи спирта в ответвление для возврата в камеру сгорания 2; 36-депо для сброса лишнего спирта; 37-депо для накопления азота N, получаемого из воздуха; 38- разделитель продуктов сгорания и синтеза.
Устройство концентрирования углекислого газа по предложенному способу работает следующим образом.
2
2
2
2
Из источника 1 топливо подаётся в камеру сгорания 2, а в смеситель 3 подаётся из накопителя 4 кислород О и углекислый газ СО. В камере 2 эта смесь сгорает и продукты сгорания переходят в разделитель отработанных газов 5 (см. фиг.1) или разделитель 38 продуктов сгорания и синтеза (фиг.5). В разделителе 5 образуются две фракции Н2О, которая переходит в накопитель воды 6 и изымается из цикла, и СО, которая переходит в накопитель диоксида углерода 7 (см. фиг.1). Основной поток диоксида углерода перемещается в источник углекислого газа 9, а его излишек изымается в депо 10 для излишков диоксида углерода СО.
2
2
По каналам транспортирования 9, 12, 15 и 21 из разделителя 38 выходят НО, НС, СО и Спирты.
2
2
Перекрывая регуляторы величины потока 25, 28, 31, 34 ограничивают сброс в депо 27, 30, 33, 36 Спиртов, НО, НС и СО. А регуляторами 26, 29,32, 35 управляют величиной потока в ответвлениях для возврата в камеру сгорания 2.
2
На фиг. 2, 3, 4 показаны циклы работы с НО, 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 обозначения НС – гидрокарбон, углеводороды, а НС* - изменённые НС, измененные в камере сгорания под действием температуры, давления катализаторов.
Для решения проблемы, как предлагается в данной заявке, необходимо подобрать замену азоту, такую, 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.
2
2
В целях сокращения затрат на удаление СО, образующимся при сжигании топлива, в топливной смеси, полностью или частично, азот заменяют диоксидом углерода. При этом используют отходящие газы, которые возвращают в двигатель. Перед возвращением из них удаляют прирост СО и добавляют израсходованный кислород в требуемом количестве. В двигателе к газам добавляют топливо, формируя топливную смесь.
2
2
2
2
2
2
Таким образом состав сжигаемой далее в двигателе топливной смеси, представляет смесь СО, кислорода, частиц топлива и негорючих газов (N, HO, Ar). В топливной смеси доля СО превышает долю кислорода, а доля кислорода превышает долю прочих негорючих газов, что после сгорания смеси максимально повышает в отходящих газах концентрацию СО, и, таким образом, сокращает затраты на очистку отходящих газов от той доли СО и прочих газов, которая получена в результате окисления углеводородного топлива.
При этом способе нет возрастания температуры сгорающей смеси до экстремальных для деталей тепловых машин, как при использовании в топливной смеси повышенной концентрации кислорода.
2
Предлагаемый способ позволяет максимально возможно увеличить содержание СО в отходящих газах поршневых двигателей внутреннего сгорания и в газовых турбинах, поскольку не повышает температуру рабочего процесса до неприемлемых величин.
2
2
2
Способ может применяться на тепловых электростанциях, судах, железнодорожном, автомобильной и авиационном транспорте, что сократит выбросы не только СО, но и другого парникового газа – NO, который опаснее СО в 300 раз.
2
2
2
Не все транспортные средства, реализующие предлагаемый способ, имеют возможность размещать агрегаты по сепарации воздуха на кислород и азот, чтобы подавать О в замкнутый поток СО (из двигателя снова в двигатель). Поэтому для таких транспортных средств вместо установки по выделению кислорода из воздуха используют запас готового жидкого О, хранимый в сосудах Дьюара.
2
2
Себестоимость одной тонны О при массовом производстве составляет 40-60 долларов, что экономически приемлемо, так как добавляет около 1 цента к стоимости каждого израсходованного 1 кг топлива. Отходящий газ (продукты сгорания), после очистки от паров воды, представляет собой технически чистый СО.
о
При наличии дополнительного запаса жидкого азота, а также воды, потребляемой предварительного охлаждения отходящих газов (до температуры около 35С), 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.
2
2
2
2
На заправочных станциях транспортные средства сгружают накопленный жидкий СО и заправляются водой и жидкими кислородом и азотом. Пропорции жидких О и N необходимые для замораживания СО до жидкого состояния и ориентировочные затраты на хладагенты указаны в Таблице 1.
2
2
Табл. 1. Пропорции расхода жидких кислорода и азота для получения твердого диоксида углерода и определения затрат при цене 50 долл./т на жидкие O и N.
Операция
вещество
а. е. м.
кг/кг
Удельный расход/поглощение на ожижение и испарение,кДж/кг
Расход/поглощение на получение сухого льда и испарение,кДж
цент/кг
Получение твердого  СО<sub>2</sub> на выходе
1 СО<sub>2</sub>
44,01
1,00
586,0
586,00
Расход жидкого О<b>2</b> на входе
2 О<sub>2</sub>
64,00
1,45
214,0
311,18
0,73
Дополнительный хладагент для полного ожижения СО<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
1,38
199,0
274,82
0,69
Всего
2 О<sub>2</sub> + N<sub>2</sub>
<b></b>2,84
586,00
1,42
2
2
Табл. 2. Пропорции расхода жидких кислорода и азота для получения жидкого диоксида углерода и определения затрат при цене 50 долл./т на жидкие O и N.
Операция
вещество
а. е. м.
кг/кг
Удельный расход/поглощение на ожижение и испарение,кДж/кг
Расход/поглощение на ожижение и испарение,кДж
цент/кг
Получение жидкого  СО<sub>2</sub> на выходе
1 СО<sub>2</sub>
44,01
1,00
379,5
379,50
Расход жидкого О<sub>2</sub> на входе
2 О<sub>2</sub>
64,00
1,45
214,0
311,18
0,73
Дополнительный хладагент для полного ожижения СО<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
0,34
199,0
68,32
0,17
Всего
2 О<sub>2</sub> + N<sub>2</sub>
<b></b>1,80
379,50
0,9
2
Данные для расчета Таблиц 1 и 2 взяты из Таблиц 3 и 4, определяющих расход хладагентов для замораживания СО до жидкого и твердого состояний.
2
Табл. 3 и 4. Расход хладагентов на замораживание СО до жидкого и твердого состояний.
Табл. 3
<b>вещество</b>
<b>теплота испарения, Дж/кг</b>
<b>кг/кг</b>
тв СО<sub>2</sub>
586,0
1,00
жид О<sub>2</sub>
214,0
2,74
жид N<sub>2</sub>
199,0
2,94
Табл. 4
<b>вещество</b>
<b>теплота испарения, Дж/кг</b>
<b>кг/кг</b>
жид СО<sub>2</sub>
379,5
1,00
жид О<sub>2</sub>
214,0
1,77
жид N<sub>2</sub>
199,0
1,91
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.
2
2
Наиболее экономным способом транспортировки углекислого газа считаются трубопроводный и морской транспорт. Чтобы ввести в трубопровод, утилизируемый СО, 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 теплообменники практически без повышения давления. Тогда с несущественными затратами он, как жидкость, впрыскивается в трубопровод или сосуд со сжатым СО, где испаряется и обращается в газ с требуемым давлением.
2
2
2
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 О, N и СО, а также емкости с водой для предварительного охлаждения испарением воды продуктов сгорания.
2
2
Согласно вышеприведённым таблицам, на 1 т депонированного на автомобиле жидкого СО необходимо иметь первоначальный запас криогенных кислорода и азота равный 1,8 т, а на 1 т твердого СО – 2,84 т криогенных жидкостей. Масса этого запаса может быть уменьшена благодаря применению переохлаждённых кислорода и азота, а также шугообразной смеси жидкого кислорода (азота) с частицами твердого кислорода (азота).
2
2
Запасы хладагентов для легкового автомобиля с бензобаком на 70 л, составляют 230 кг для депонирования СО в виде жидкости и 360 кг для депонирования в твердом виде. К концу исчерпания запаса топлива масса хладагентов уменьшается до нуля, а запас депонированного СО увеличивается до 125 кг.
2
Модули к железнодорожным тепловозам содержат устройства криогенного разделения воздуха, что упрощает решение задачи замораживания СО. При этом тепловозы с модулями становятся мобильными пунктами раздачи криогенных кислорода и азота для центров заправки грузовых и легковых автомобилей.
2
2
2
2
Модули к большегрузному водному транспорту, например, к контейнеровозам и сухогрузам, имеют массогабаритные характеристики, позволяющие накапливать СО на длительное время в больших объемах. В отдельных портах устанавливают терминалы для приема, накопленного СО и его закачки в трубопроводы, транспортирующие СО к местам захоронения. Сброс накопленного СО целесообразно производить не только в портах погрузки и разгрузки, но и на маршрутах движения судов, благодаря специализированным судам.
2
2
Модули для авиатранспорта также могут использоваться, хотя производство авиационного биотоплива решает проблему ограничения прироста СО в атмосфере без улавливания СО из продуктов сгорания авиадвигателей.
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.
2
При использовании биотоплива в предлагаемом способе реализуется концепция вывода СО 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; burn trees for energy; capture carbon at the smokestack; and bury carbon underground. URL: http://carbon.ycombinator.com/.
2
2
2
2
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 СО, устройство хранения топлива, трубопроводная система рециркуляции СО (из двигателя в двигатель), для варианта с относительно легким транспортом – накопители О, N и воды.
2
2
4
2
2
Формула реакции: 7СО + 2О + СH => 8CO + 2HO
2
2
После очистки отходящих газов от воды и изъятия единицы СО остаток – 7СО, как в начале цикла.
Тяжелые углероды в виде газа или пара используются в качестве заменителя азота в газотопливной смеси. В поршневых ДВС смесь состоит из тяжелых углеводородов на 80% и больше, 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 газотопливной смеси.
2
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 СО в смеси с газообразной частью углеводородов.
2
2
2
Смесь газов из СО и углеводородов, подвергается дальнейшему сжатию и охлаждению, до образования жидкой фазы СО и газообразных остатков продуктов разложения тяжелых углеводородов на легкие углеводороды. Жидкий СО отправляется в накопитель, а тяжелые углеводороды, после очистки от твердых фракций, вместе с газообразными продуктами разложения тяжелых углеводородов, используют для образования новой газовоздушной смеси. Цикл повторяется.