WO2023033682A1 - Method of concentrating carbon dioxide gas and device for carrying out same - Google Patents
Method of concentrating carbon dioxide gas and device for carrying out same Download PDFInfo
- Publication number
- WO2023033682A1 WO2023033682A1 PCT/RU2022/050273 RU2022050273W WO2023033682A1 WO 2023033682 A1 WO2023033682 A1 WO 2023033682A1 RU 2022050273 W RU2022050273 W RU 2022050273W WO 2023033682 A1 WO2023033682 A1 WO 2023033682A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- fuel
- combustion
- combustion chamber
- oxygen
- Prior art date
Links
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 379
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 192
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 190
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 34
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 127
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 112
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 67
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 61
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 57
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 57
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 57
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 70
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 59
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 54
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 46
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 28
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 15
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 14
- -1 for example Substances 0.000 claims description 14
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 claims description 7
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N Butadiene Chemical compound C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 claims description 6
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 4
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 claims description 3
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims description 2
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 claims description 2
- 150000001345 alkine derivatives Chemical class 0.000 claims description 2
- 150000001924 cycloalkanes Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 claims description 2
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 150000001993 dienes Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000036571 hydration Effects 0.000 claims description 2
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 claims 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 18
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 12
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 9
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 8
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 8
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 8
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N Nitrous Oxide Chemical compound [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- CDEIGFNQWMSEKG-UHFFFAOYSA-M chloro-[4-[(2-hydroxynaphthalen-1-yl)diazenyl]phenyl]mercury Chemical compound OC1=CC=C2C=CC=CC2=C1N=NC1=CC=C([Hg]Cl)C=C1 CDEIGFNQWMSEKG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 7
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 6
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 6
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 5
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 3
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical class [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-N Hydrogen bromide Chemical compound Br CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 2
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 2
- 238000005262 decarbonization Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000009919 sequestration Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000599 Cr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 235000011089 carbon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N dimethylmethane Natural products CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 229910000042 hydrogen bromide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000002915 spent fuel radioactive waste Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
Definitions
- the invention relates to the field of environmental protection and can be used in vehicles, in industrial, civil and other facilities to capture carbon dioxide, then carbon dioxide, or carbon dioxide, or CO2, followed by its decarbonization by burial or processing.
- Carbon dioxide continues to build up in the atmosphere at a rate of about 40 gigatonnes per year. To achieve the goals set by the agreement, it will be necessary to reduce emissions - this is a necessary component of the "carbon neutrality" strategy in any country.
- IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change
- Greenhouse gases in addition to carbon dioxide, also include methane and nitrous oxide, which destroy the stratospheric ozone layer, which protects us from the harmful effects of ultraviolet sunlight. It accounts for about 6% of the radiative forcing of long-lived greenhouse gases. Nitrous oxide is 300 times more greenhouse gas than carbon dioxide.
- Power plants are the first candidates for capturing CO2.
- the following capture technology options and applications are available.
- a way to efficiently capture CO2 is to create a concentrated high pressure CO2 stream that can be easily transported to a storage location. Although the entire gas stream containing low concentrations of CO2 can be transported and injected underground, energy costs and other associated costs generally make such an approach impractical. Therefore, for transportation and storage purposes, it is necessary to create an almost pure CO2 stream.
- CO2 separation applications are already in operation today in large industrial plants, including those for natural gas processing and ammonia production. At present, CO2 is generally absorbed to clean up other industrial gas streams. Absorption is used for storage purposes in only a few cases; most often CO2 is emitted into the atmosphere. Capture processes have always been used to obtain commercially viable amounts of CO2 from flue gas streams resulting from combustion
- Capture systems after combustion (see Patent RU 2676642 Cl BOID 53/02, publ. 01/03/2019, Bull. 1, or Patent RU 2689620 Cl BOID 53/14, publ. 16) separate CO2 from flue gases formed in the air as a result of primary fuel combustion. These systems typically use a liquid solvent to capture a small fraction of the CO2 (typically 3-15% by volume) present in the flue gas stream, in which the main constituent is nitrogen (from the air).
- the disadvantage of this method is that the concentration of carbon dioxide in the combustion products (flue gases) does not increase, and this saves the complexity of separating CO2 from nitrogen coming from the air during fuel oxidation. Capture is the most costly and most energy intensive step of the entire process.
- Pre-combustion capture systems treat the primary fuel in a reactor with an air or oxygen saturated stream to create a mixture consisting primarily of carbon monoxide and hydrogen (“syngas”). Additional hydrogen along with CO2 is formed by the reaction of carbon monoxide with the stream in the secondary reactor. The resulting mixture of hydrogen and CO2 can then be separated into a CO2 gas stream and a hydrogen stream.
- syngas carbon monoxide and hydrogen
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) implementing the method, do not allow them to be widely used in transport.
- the concentration of CO2 is not enough - in practice 15-60% by volume after drying the gases.
- Oxygen-enriched combustion systems use oxygen instead of air to burn the primary fuel to produce flue gas, which consists mainly of water vapor and carbon dioxide. The water vapor is then removed by cooling and compressing the gas stream. A mixture of gases highly enriched in carbon dioxide remains.
- Oxygen-enriched combustion systems are in the demonstration phase. Research is being carried out on the use of oxygen-enriched fuel systems in gas turbine systems, but the conceptual development of such applications is still at the research stage, since oxygen enrichment leads to an unacceptable increase in the temperature of the working processes.
- the device of this type of heat engines contains an atmospheric air separator, an external combustion chamber in which oxygen of a high degree of purification (95-99%) is used, a mechanism for converting heat into mechanical energy, a device for separating carbon dioxide-enriched combustion products and its accumulation.
- the exhaust gases of piston-type internal combustion engines contain 12-17% CO2, and gas turbine-type engines contain 3-5% carbon dioxide. Therefore, the separation of low concentration CO2 from this mass of air, for example, by cryogenic distillation, leads to excess energy consumption for cooling nitrogen and oxygen in the air to the temperature of CO2 condensation into a liquid. Other methods are also energy intensive due to the low concentration of carbon dioxide.
- An attempt to solve this problem is a way to increase the concentration of CO2 by separating oxygen from the air and supplying it to the combustion chamber with a minimum amount of residual gases, which leads to a multiple increase in the proportion of CO2 in the combustion products.
- a system in which, in order to lower the temperature around the combustion zone of fuel in oxygen and prevent the destruction of the combustion chamber,
- the prototype implements a recuperable high-pressure Brayton cycle using a working fluid in the form of a supercritical fluid CO2 with a gas-oxygen fuel combustion mode.
- This cycle begins with combustion in the combustion chamber of gaseous fuel with oxygen and a hot working fluid in the form of recycled supercritical CO2.
- a hot working fluid in the form of recycled supercritical CO2.
- Combustion in the presence of SCF-CO2 serves the dual purpose of lowering the temperature of the combustion flame to an acceptable level and diluting the combustion products so that the working fluid of the cycle is predominantly CO2.
- the pressure in the combustion chamber can be up to about 30 MPa and the combustion feedstock is about 95% recycled CO2 by weight.
- the combustor provides high pressure exhaust which can be fed into a turbo expander operating at a high pressure drop.
- the exhaust mixture comes out of the expander in the form of subcritical CO2, mainly mixed with water obtained by combustion. This liquid enters the economizer heat exchanger, which cools the outlet
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) expander to a temperature below 65 ° C against the flow of CO2, which is returned to the combustion chamber. After leaving the economizer heat exchanger, the expander exhaust is additionally cooled to a temperature close to ambient temperature using a central cooling system, which allows liquid water to be removed from the working fluid.
- the remaining working body of almost pure CO2 then passes to the stage of compression and pumping.
- the compression system consists of a conventional intercooled centrifugal compressor with an inlet pressure below the CO2 critical pressure.
- the working fluid in the form of CO2 is compressed and then cooled to a temperature close to the ambient temperature in the aftercooler of the compressor.
- the combination of compression and cooling of the working fluid makes it possible to achieve a density in excess of 500 kg/m 3 .
- the CO2 stream can be pumped to the required high combustion pressure using a multi-stage centrifugal pump.
- the high pressure working fluid is sent back through the economizer heat exchanger to be reheated and returned to the combustion chamber.
- the pure CO2 product obtained by adding fuel and oxygen to the combustion chamber is removed from the high pressure stream; at this point CO2 is a high pressure, high purity product, ready to be sequestered or disposed of without the need for further compression.
- the system provides a flow of combustion products containing CO2 at a pressure of at least about 8 MPa and a temperature of at least about 800 ° C, which, with high efficiency, solves the problem of eliminating losses in typical CO2 removal systems for its compression for injection into the pipeline, although it creates difficulties due to excessive pressure of the working fluid associated with high temperature.
- the combustion chamber of the prototype is similar to rocket jet engines, which affects the working life, reliability and cost of its manufacture.
- the combustion chamber like the turbine of the system, is therefore atypical, not standard - for the new system, Toshiba has designed a special turbine and a special combustion chamber, corresponding to the unique physical conditions.
- the disadvantages include the fact that supercritical carbon dioxide is a very strong solvent. Due to the extreme temperatures and pressures under which it is used, very stringent requirements are placed on the materials of construction. It is reported that one of the most resistant alloys of titanium, nickel, chromium and aluminum, in contact with supercritical CO2 at a temperature of 750 ° C, thins by 1-2 microns per year). This means that such thermal power plants may encounter still unknown problems during operation (see Aleksey Batyr. Supercritical approach. Energy science.
- the purpose of this invention is to increase the concentration of carbon dioxide and, as a consequence, reduce the cost of separating it from other components of the exhaust gases.
- This goal is achieved by burning hydrocarbon fuel in the combustion chamber, supplying oxygen with an admixture of nitrogen and a recirculating working fluid, and the resulting water vapor and carbon dioxide are separated from the combustion products and removed, according to this statement, deplete nitrogen and at the same time nitrogen
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) replaced by the addition of a recirculating working fluid, mixed with oxygen up to the combustion chamber and having a gaseous state, which, either individually or as a mixture of gases, is carbon dioxide, water vapor, hydrocarbons or derivatives of hydrocarbons, or other substances that have a temperature condensation above the condensation temperature of carbon dioxide.
- the enrichment is performed either proportionally, or with an excess, or with a deficiency.
- a nitrogen substitute is supplied in the form of hydrocarbons, for example, alkanes, alkenes, alkynes, alkadienes, cycloalkanes
- hydrocarbons for example, alkanes, alkenes, alkynes, alkadienes, cycloalkanes
- hydrogenation and pyrolysis such as, for example, ethylene and propylene
- the hydrocarbons separated from the synthesis products for example, ethylene and propylene
- a nitrogen substitute When a nitrogen substitute is supplied in the form of other substances that have a condensation temperature higher than the carbon dioxide condensation temperature, the combustion products with nitrogen substitutes are cooled until the substitutes pass into the condensed phase, and the remaining gas phase in the form of carbon dioxide with impurities is removed.
- the nitrogen substitute is returned to the combustion chamber in the form of gas or steam, and the removed carbon dioxide is condensed in the air separator heat exchanger, for example, due to the evaporation of cryogenic nitrogen and oxygen.
- the proposed method is implemented in a device for concentrating carbon dioxide, containing a fuel supply system, a combustion chamber, an air separator into oxygen and nitrogen, an oxygen supply system to the combustion chamber and a nitrogen removal system in a depot for storage, a separator for combustion products and a depot for their storage with channels transportation, a gas accumulator (working fluid) that replaces nitrogen and a system for supplying it to the combustion chamber, a transportation channel in the form of a branch to the combustion chamber, according to this statement, an oxygen mixer with a recirculating working fluid is installed at the inlet of the combustion chamber.
- Both of these devices can be placed either in a piston engine, or in a gas turbine engine of a combined cycle plant, or in furnace units, such as, for example, metallurgical blast furnaces or cement kilns.
- the device for concentrating carbon dioxide may be provided with a valve to control the amount of supply in the conveyance channel, or in the branch channel, or in both channels, or in all the conveyance and branch channels simultaneously.
- the device for concentrating carbon dioxide may be provided with a heat exchanger in which the evaporation of nitrogen and/or oxygen is used to condense the carbon dioxide released from the combustion products.
- the device for concentrating carbon dioxide can be made with a cryogenic air separator into liquid oxygen and gaseous nitrogen, using a reserve of cryogenic nitrogen.
- Conveyance channels and branches equipped with valves for regulating the supply of products, allow you to maintain the operation of the combustion chamber in an optimal mode and effectively remove accumulated carbon dioxide.
- Fig.3 structurally shows the method when hydrocarbons (HC) replace nitrogen;
- Fig.4 structurally shows the method when alcohols replace nitrogen
- Fig.5 - a block diagram of a device for concentrating carbon dioxide is presented.
- the designated positions have the following meanings: 1 - fuel source C ; 2 - combustion chamber; 3 - mixer, for example, Og and COg; 4 - oxygen accumulator Og; 5 - exhaust gas separator; 6 - water storage HgO; 7 - CO2 accumulator; 8 - nitrogen accumulator N2; 9 - source of carbon dioxide CO2; 10 - depot for excess carbon dioxide COg; And - a mixer of oxygen Og and water NgO; 12 - source of water HgO; 13 - source of fuel CH4 and HC; 14 - HC and Og mixer; 15 - source of hydrocarbons HC; 16 - separator HgO, HC, HC*,COg; 17 - separator of hydrocarbons HC and HC*; 18 - depot of hydrocarbons HC; 19 - CH4 fuel source and alcohols; 20 - alcohol mixer, for example, Og and COg; 4 - oxygen accumulator Og; 5 - exhaust gas separator; 6
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) and oxygen Og; 21 - source of alcohols; 22 - flue gas separator for water NgO, Alcohols, HC*, COg; 23 - separator of Alcohols and hydrocarbons HC*; 24 - cylinders for water HgO, or hydrocarbons HC, or Alcohols, or carbon dioxide COg; 25 - valve for regulating the amount of CO2 supply for discharge into depot 27; 28 - valve for regulating the amount of excess water supply HgO; 29 - valve for regulating the amount of water supply HgO returned through the branch to the combustion chamber 2; 30 - depot for dumping excess water; 31 - valve for regulating the amount of supply of hydrocarbon HC to the depot; 32 - valve for regulating the amount of supply of hydrocarbon in the branch for returning to the combustion chamber 2; 33 - depot for dumping excess hydrocarbon HC; 34 - valve for regulating the amount of alcohol supply to the depot; 35 - valve for regulating the amount of alcohol supply to the
- the working fluid in the form of CO2, or NgO, or HC, or Alcohols in mixer 3 is mixed with oxygen O2 (see Fig.5).
- the device for concentrating carbon dioxide according to the proposed method works as follows.
- H2O, HC, CO2 and Alcohols exit the separator 38.
- valves 25, 28, 31, 34 By shutting off the flow control valves 25, 28, 31, 34, they limit the discharge into depots 27, 30, 33, 36 of Alcohols, H2O, HC and CO. And the valves 26, 29.32, 35 control the amount of flow in the branches to return to the combustion chamber 2.
- a replacement for nitrogen is selected, such that the gas replacing nitrogen should have a dew point close to the dew point of carbon dioxide, preferably higher.
- Such substances can be water, alcohols and other derivatives of hydrocarbons, certain groups of hydrocarbons, and, finally, carbon dioxide itself.
- suitable substitutes are longer, but many substances are currently not passed for environmental or economic reasons - for example, the thermally very stable hydrogen bromide, other bromine compounds or bromine itself, as well as some fluorocarbons, monoethanolamine and its analogues.
- nitrogen is replaced with carbon dioxide.
- exhaust gases are used, which are returned to the engine.
- the composition of the fuel mixture burned further in the engine is a mixture of CO2, oxygen, fuel particles and non-combustible gases (N2, H2O, Ar).
- the proportion of CO2 exceeds the proportion of oxygen
- the proportion of oxygen exceeds the proportion of other non-combustible gases, which, after combustion of the mixture, maximizes the concentration of CO2 in the exhaust gases, and thus reduces the cost of cleaning exhaust gases from the proportion of CO2 and other gases that obtained as a result of the oxidation of hydrocarbon fuels.
- the proposed method makes it possible to maximize the CO2 content in the exhaust gases of reciprocating internal combustion engines and gas turbines, since it does not increase the temperature of the working process to unacceptable values.
- the method can be used at thermal power plants, ships, railway, road and air transport, which will reduce emissions not only of CO2, but also of another greenhouse gas - N2O, which is 300 times more dangerous than CO2.
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) temperature of about 35°C)
- carbon dioxide is frozen to a liquid state and placed in the vehicle storage tank, and liquid oxygen passes into the gas phase and enters the engine as part of the fuel mixture. Nitrogen and water evaporate and are released into the atmosphere.
- vehicles At filling stations, vehicles unload accumulated liquid CO2 and fill up with water and liquid oxygen and nitrogen.
- Solid carbon dioxide (dry ice) can be transported to the place of long-term storage or sequestration in thermostatic tanks at atmospheric pressure, which reduces the material consumption and cost of containers. Moving solid carbon dioxide from a low-pressure zone to a high-pressure zone is much simpler than pumping gaseous carbon dioxide into a pressure vessel, the required value of which reaches 70 bar.
- Modules for trucks include Dewar vessels for storing cryogenic reserves of Og, N2 and COg, as well as water tanks for pre-cooling combustion products by evaporation of water.
- Modules for railway diesel locomotives contain devices for cryogenic air separation, which simplifies the solution of the CO2 freezing problem.
- diesel locomotives with modules become mobile distribution points for cryogenic oxygen and nitrogen for refueling centers for trucks and cars.
- Modules for heavy-duty water transport for example, for container ships and dry cargo ships, have weight and size characteristics
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) allowing to accumulate CO2 for a long time in large volumes.
- terminals are installed to receive accumulated CO2 and pump it into pipelines transporting CO2 to disposal sites. It is advisable to discharge the accumulated CO2 not only in the ports of loading and unloading, but also on the routes of ships, thanks to specialized ships.
- the device includes an oxygen generator from atmospheric air, for example, a cryogenic one, in the form of a turboexpander, an evaporator of liquid oxygen and nitrogen with a heat exchanger for converting carbon dioxide into liquid or ice, a water evaporator with a heat exchanger for cooling exhaust gases to room temperature and separating water vapor, storage tank cryogenic CO2, fuel storage device, CO2 recirculation pipeline system, for the relatively easy transport option - Og, N2 and water accumulators.
- a cryogenic one in the form of a turboexpander, an evaporator of liquid oxygen and nitrogen with a heat exchanger for converting carbon dioxide into liquid or ice, a water evaporator with a heat exchanger for cooling exhaust gases to room temperature and separating water vapor, storage tank cryogenic CO2, fuel storage device, CO2 recirculation pipeline system, for the relatively easy transport option - Og, N2 and water accumulators.
- Heavy hydrocarbons in the form of gas or vapor are used as a substitute for nitrogen in the gas-fuel mixture.
- the mixture consists of 80% or more heavy hydrocarbons, with a corresponding proportion of oxygen of 20% or less.
- the ratio of hydrocarbons and oxygen is used as 80 to 20, and at the exit from the flame tubes on the way to the turbine blades, the exhaust gas is diluted with a portion of hydrocarbons, which is 3-4 times larger than the initial portion of the gas-fuel mixture.
- the exhaust gas after the turbine is cooled to a temperature below 100°C and above 0°C, purified from water, compressed at a constant temperature to the temperature of formation of the liquid fraction of most hydrocarbons and separated into a liquid fraction of heavy hydrocarbons and into gaseous CO2 mixed with the gaseous part of hydrocarbons .
- a mixture of gases from CO2 and hydrocarbons is subjected to further compression and cooling until the formation of a liquid phase of CO2 and gaseous residues of the decomposition products of heavy hydrocarbons into light hydrocarbons. Liquid CO2 is sent to the accumulator, and heavy hydrocarbons, after being cleaned from
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) solid fractions, together with gaseous decomposition products of heavy hydrocarbons, are used to form a new gas-fuel mixture. The cycle is repeated.
- the purpose of the proposed method is to stop the carbonization of the atmosphere by capturing emissions from the combustion of fossil fuels. In this case, the method does not affect the decrease in the level of previously accumulated technogenic carbon dioxide.
- the proposed method is also a way to remove carbon dioxide from the atmosphere, when instead of fossil fuels, biofuels obtained from renewable bioresources are burned. In this case, technogenic carbon is removed from the atmosphere and the main goal of decarbonization of nature is achieved.
- BECCS the concept of removing CO2 from the atmosphere
- BECCS carbon sequestration by plants; burning plants for energy; capturing carbon in the chimney; and carbon storage underground.
- the idea behind BECCS is to capture carbon with trees; boom trees for energy; capture carbon at the smokestack; and bury carbon underground. URL: http://carbon.ycombinator.com/.
- the best implementation is a device for concentrating carbon dioxide in flue gases from piston-type heat engines in thermal power plants, marine and rail transport, which, as is well known, operate on Otto, Diesel, Trinkler, Atkinson or Miller thermodynamic cycles.
- the device contains a combustion chamber, a pipeline system for recirculating CO2 (branch from the channel for transporting CO2), from the combustion chamber to the combustion chamber as a gas replacing nitrogen, a gas accumulator - circulating (circulating) CO2, an oxygen supply system to the combustion chamber, a fuel supply system to the chamber combustion, modules in the form of a cryogenic oxygen generator from atmospheric air in the form of a turbo-expander, an evaporator of liquid oxygen and nitrogen with a heat exchanger for converting the increase in carbon dioxide into liquid or ice, a frozen CO2 accumulator, a water evaporator with a heat exchanger for cooling exhaust gases to room temperature and
- SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) water vapor separation, fuel storage device, CO2 supply control valves, in the transportation channel and in the branch channel.
- the device is assembled by connecting the operating unit to the combustion chamber and the above modules - by connecting to the intake and exhaust systems.
- an existing thermal power plant with a reciprocating internal combustion engine that consumes natural gas is equipped with modules for supplying a gas-fuel mixture containing carbon dioxide replacing nitrogen to the combustion chamber and modules for separating CO2 from turbine flue gases.
- the thermal power of such a power plant is 100 MW, with an efficiency of about 55%, which, for example, is provided by Wartsila plants.
- the average specific heat of combustion of natural gas is 45.2 MJ/kg, which gives a rounded fuel consumption of 2.2 kg/s. Accordingly, the maximum oxygen consumption, taking into account the excess, does not exceed 8.8 kg/s.
- cryogenic air separators In large air separators, the electricity consumption is 0.3 kWh/m 3 oxygen or 0.21 kWh/kg.
- the energy costs are 1.847 kWh or 6.65 MJ/s, which gives 12% of the station's power generator.
- the cold produced by the heat of the exhaust gases can be used to condense CO2 into liquid or ice.
- the device operates without the use of ultra-high temperatures and pressures. Instead of the supercritical fluid CO2 (the fourth aggregate state of matter), the working fluid in the gaseous state is used as a recirculating working fluid.
- the supercritical fluid CO2 the fourth aggregate state of matter
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Treating Waste Gases (AREA)
Abstract
Description
СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ METHOD FOR CARBON DIOXIDE CONCENTRATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
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. The invention relates to the field of environmental protection and can be used in vehicles, in industrial, civil and other facilities to capture carbon dioxide, then carbon dioxide, or carbon dioxide, or CO2, followed by its decarbonization by burial or processing.
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. Climate change is one of the most pressing issues of our time. In order to save our planet's ecosystem, carbon dioxide emissions must be significantly reduced over the next ten years, in line with the goals of the Paris Climate Agreement, while continuing to meet the needs of an ever-growing population.
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. Carbon dioxide continues to build up in the atmosphere at a rate of about 40 gigatonnes per year. To achieve the goals set by the agreement, it will be necessary to reduce emissions - this is a necessary component of the "carbon neutrality" strategy in any country.
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. The main sources of carbon dioxide emissions into the atmosphere are thermal power plants, vehicles, aircraft and ships with thermal engines, the metallurgical and cement industries. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) estimates that fossil fuel power plants and large industrial facilities account for up to 60% of global carbon dioxide emissions. Transport accounts for more than 20% of emissions.
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. Greenhouse gases, in addition to carbon dioxide, also include methane and nitrous oxide, which destroy the stratospheric ozone layer, which protects us from the harmful effects of ultraviolet sunlight. It accounts for about 6% of the radiative forcing of long-lived greenhouse gases. Nitrous oxide is 300 times more greenhouse gas than carbon dioxide.
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) Removing greenhouse gases from heat engine emissions is currently expensive. Many developing countries, for this reason, continue to operate old thermal power plants and build new ones.
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. To reduce greenhouse gas emissions in these countries, methods should be applied to inexpensively extract carbon dioxide and nitrous oxide from the flue gases of thermal engines in power plants and transport. Along with developing industrialized countries, they also need to reduce the cost of methods for cleaning exhaust gases from various thermal engines that consume fossil hydrocarbon fuels.
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. The share of coal in the global fuel and energy balance is 42.8%, while that of gas is 18.5%. In many countries, the importance of coal for the power industry is much higher: in Poland - 95%, South Africa - 90%, Australia - 86%, China - 81%, England - 60%, Germany - 54%, USA - 52%, Japan - 30% . The use of coal for electricity generation in the world by 2030 will increase to 4.5 billion tons of standard fuel, and coal will remain the main source of electricity production.
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. Power plants are the first candidates for capturing CO2. The following capture technology options and applications are available. A way to efficiently capture CO2 is to create a concentrated high pressure CO2 stream that can be easily transported to a storage location. Although the entire gas stream containing low concentrations of CO2 can be transported and injected underground, energy costs and other associated costs generally make such an approach impractical. Therefore, for transportation and storage purposes, it is necessary to create an almost pure CO2 stream.
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 CO2 separation applications are already in operation today in large industrial plants, including those for natural gas processing and ammonia production. At present, CO2 is generally absorbed to clean up other industrial gas streams. Absorption is used for storage purposes in only a few cases; most often CO2 is emitted into the atmosphere. Capture processes have always been used to obtain commercially viable amounts of CO2 from flue gas streams resulting from combustion
ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) угля или природного газа. Сегодня, однако, на крупных энергоустановках (например, 500 МВт) отсутствуют какие-либо применения для улавливания СОг. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) coal or natural gas. Today, however, large power plants (eg 500 MW) do not have any application for CO2 capture.
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): There are three main conceptual technologies for capturing CO2 from primary fossil fuels (coal, natural gas or oil), biomass, or mixtures of these fuels (see Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Carbon Dioxide Capture and Storage, 2005. , 66 pp. ISBN 92-9169-419-3, page 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). 1. Capture systems after combustion (see Patent RU 2676642 Cl BOID 53/02, publ. 01/09/2019, Bull. 1, or Patent RU 2689620 Cl BOID 53/14, publ. 16) separate CO2 from flue gases formed in the air as a result of primary fuel combustion. These systems typically use a liquid solvent to capture a small fraction of the CO2 (typically 3-15% by volume) present in the flue gas stream, in which the main constituent is nitrogen (from the air).
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. In a modern pulverized coal or natural gas combined cycle power plant, current post-combustion recovery systems typically use an organic solvent such as monoethanolamine.
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. The disadvantage of this method is that the concentration of carbon dioxide in the combustion products (flue gases) does not increase, and this saves the complexity of separating CO2 from nitrogen coming from the air during fuel oxidation. Capture is the most costly and most energy intensive step of the entire process.
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. 2. Pre-combustion capture systems treat the primary fuel in a reactor with an air or oxygen saturated stream to create a mixture consisting primarily of carbon monoxide and hydrogen (“syngas”). Additional hydrogen along with CO2 is formed by the reaction of carbon monoxide with the stream in the secondary reactor. The resulting mixture of hydrogen and CO2 can then be separated into a CO2 gas stream and a hydrogen stream.
Недостаток способа - первоначальные этапы преобразования топлива являются более сложными и дорогостоящими по сравнению с системами, действующими после сжигания. Массогабаритные характеристики установки, The disadvantage of this method is that the initial stages of fuel conversion are more complex and expensive compared to post-combustion systems. Weight and size characteristics of the installation,
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) implementing the method, do not allow them to be widely used in transport. The concentration of CO2 is not enough - in practice 15-60% by volume after drying the gases.
3. Системы сжигания с пониженной долей инертных газов и увеличенной долей окислителя. Способны повысить концентрацию СОг свыше 99%, после осушения газов. 3. Combustion systems with a reduced proportion of inert gases and an increased proportion of oxidizer. Able to increase the concentration of CO2 over 99%, after drying the gases.
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. Oxygen-enriched combustion systems use oxygen instead of air to burn the primary fuel to produce flue gas, which consists mainly of water vapor and carbon dioxide. The water vapor is then removed by cooling and compressing the gas stream. A mixture of gases highly enriched in carbon dioxide remains.
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. Combustion of oxygen-enriched fuel requires separation of oxygen from air at the beginning of the process chain, while most modern designs assume the use of oxygen with a purity of 95-99%. Oxygen-enriched combustion systems are in the demonstration phase. Research is being carried out on the use of oxygen-enriched fuel systems in gas turbine systems, but the conceptual development of such applications is still at the research stage, since oxygen enrichment leads to an unacceptable increase in the temperature of the working processes.
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. In view of the temperature limitations of the method, it can be applied so far only to external combustion heat engines. For this reason, the device of this type of heat engines contains an atmospheric air separator, an external combustion chamber in which oxygen of a high degree of purification (95-99%) is used, a mechanism for converting heat into mechanical energy, a device for separating carbon dioxide-enriched combustion products and its accumulation.
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 In the case of internal combustion engines, the combustion of fuel in pure oxygen leads to too high a flame temperature, so in practice the products of combustion of fuel in oxygen are diluted by mixing with CO2 from the flue gases. Due to the fact that the recirculated CO2 is not added before, but after the combustion of the fuel, high-temperature combustion zones remain, which do not allow the use of this
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) method in reciprocating internal combustion engines due to the impossibility of implementing separate combustion in oxygen and cooling the combustion products with cold CO2. Therefore, the mixing of combustion products with recirculated CO2 has so far been implemented only on experimental and demonstration gas turbines, in which the presence of flame tubes in the combustion chamber ensures the separation of fuel combustion processes in oxygen and cooling of the combustion products by mixing with recirculated CO2.
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 %. Modern post- or pre-combustion capture systems for power plants can capture 85-95% of the CO2 generated. Higher capture efficiencies are possible, although separators are becoming much larger, more energy intensive and more expensive. Trapping and compression require approximately 10-40% more energy than a similar setup without trapping, depending on the type of system in question. Due to the associated carbon dioxide emissions, the net amount of CO2 captured is approximately 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. In analogues, there is a problem of separation of CO2 and nitrogen in the combustion products, because nitrogen has a large proportion in the combustion products, which makes it difficult to separate them. In existing methods, energy consumption varies from 1 to 10 GJ per ton, depending on the concentration of carbon dioxide at the inlet.
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. The exhaust gases of piston-type internal combustion engines contain 12-17% CO2, and gas turbine-type engines contain 3-5% carbon dioxide. Therefore, the separation of low concentration CO2 from this mass of air, for example, by cryogenic distillation, leads to excess energy consumption for cooling nitrogen and oxygen in the air to the temperature of CO2 condensation into a liquid. Other methods are also energy intensive due to the low concentration of carbon dioxide.
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. An attempt to solve this problem is a way to increase the concentration of CO2 by separating oxygen from the air and supplying it to the combustion chamber with a minimum amount of residual gases, which leads to a multiple increase in the proportion of CO2 in the combustion products.
Известна система, в которой для понижения температуры вокруг зоны горения топлива в кислороде и предотвращения деструкции камеры сгорания, A system is known in which, in order to lower the temperature around the combustion zone of fuel in oxygen and prevent the destruction of the combustion chamber,
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). SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) the combustion zone is surrounded by CO2 fluid - carbon dioxide, which is in a special form of the state of aggregation of matter. , 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. The prototype implements a recuperable high-pressure Brayton cycle using a working fluid in the form of a supercritical fluid CO2 with a gas-oxygen fuel combustion mode.
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. In the prototype carbon dioxide is in the supercritical state. When applied to substances in this state, a special term is used - supercritical fluid (from the English word fluid, that is, "able to flow"). In modern literature, the abbreviated designation of supercritical fluids is SCF. Supercritical fluids are a form of aggregate state of matter, different from both liquid and gaseous. Supercritical fluids are a cross between a liquid and a gas. They can compress like gases (ordinary liquids are practically incompressible) and, at the same time, are able to dissolve solids, which is not characteristic of gases.
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. This cycle begins with combustion in the combustion chamber of gaseous fuel with oxygen and a hot working fluid in the form of recycled supercritical CO2. At the same time, in the combustion zone in the presence of SCF-CO2. should be the maximum concentration of oxygen. Combustion in the presence of SCF-CO2 serves the dual purpose of lowering the temperature of the combustion flame to an acceptable level and diluting the combustion products so that the working fluid of the cycle is predominantly CO2. The pressure in the combustion chamber can be up to about 30 MPa and the combustion feedstock is about 95% recycled CO2 by weight.
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 The combustor provides high pressure exhaust which can be fed into a turbo expander operating at a high pressure drop. The exhaust mixture comes out of the expander in the form of subcritical CO2, mainly mixed with water obtained by combustion. This liquid enters the economizer heat exchanger, which cools the outlet
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) expander to a temperature below 65 ° C against the flow of CO2, which is returned to the combustion chamber. After leaving the economizer heat exchanger, the expander exhaust is additionally cooled to a temperature close to ambient temperature using a central cooling system, which allows liquid water to be removed from the working fluid.
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/м3. 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. The remaining working body of almost pure CO2 then passes to the stage of compression and pumping. The compression system consists of a conventional intercooled centrifugal compressor with an inlet pressure below the CO2 critical pressure. The working fluid in the form of CO2 is compressed and then cooled to a temperature close to the ambient temperature in the aftercooler of the compressor. At this stage, the combination of compression and cooling of the working fluid makes it possible to achieve a density in excess of 500 kg/m 3 . In this state, the CO2 stream can be pumped to the required high combustion pressure using a multi-stage centrifugal pump. Finally, the high pressure working fluid is sent back through the economizer heat exchanger to be reheated and returned to the combustion chamber.
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. The pure CO2 product obtained by adding fuel and oxygen to the combustion chamber is removed from the high pressure stream; at this point CO2 is a high pressure, high purity product, ready to be sequestered or disposed of without the need for further compression.
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. In the prototype, the system provides a flow of combustion products containing CO2 at a pressure of at least about 8 MPa and a temperature of at least about 800 ° C, which, with high efficiency, solves the problem of eliminating losses in typical CO2 removal systems for its compression for injection into the pipeline, although it creates difficulties due to excessive pressure of the working fluid associated with high temperature. In terms of temperature and power intensity, the combustion chamber of the prototype is similar to rocket jet engines, which affects the working life, reliability and cost of its manufacture.
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. The combustion chamber, like the turbine of the system, is therefore atypical, not standard - for the new system, Toshiba has designed a special turbine and a special combustion chamber, corresponding to the unique physical conditions.
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) Thus, the technology cannot be applied at existing, typical power plants as a result of their modernization, just as, for example, through the modernization of coal-fired thermal power plants, more efficient stations with combined cycle plants with an efficiency of up to 65% are created. The fleet of old operating thermal power plants cannot be transferred to the new technology - it is required to create new thermal power plants and liquidate old, but efficient stations. This is a significant drawback of the prototype, preventing the implementation of this technology in poor developing countries.
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. The disadvantages include the fact that supercritical carbon dioxide is a very strong solvent. Due to the extreme temperatures and pressures under which it is used, very stringent requirements are placed on the materials of construction. It is reported that one of the most resistant alloys of titanium, nickel, chromium and aluminum, in contact with supercritical CO2 at a temperature of 750 ° C, thins by 1-2 microns per year). This means that such thermal power plants may encounter still unknown problems during operation (see Aleksey Batyr. Supercritical approach. Energy science.
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. As is known, increasing the compression ratio is the most direct way to increase the total output power of a system using the Brayton cycle, which is implemented in the system adopted as a prototype. However, in order to obtain compressed CO2 suitable for pumping into the pipeline, it is not necessary to use a combustion chamber with a pressure of about 300 bar, since the condensation of carbon dioxide is also possible due to its cooling, followed by the recovery of the spent cold, moreover, due to the free heat of the exhaust gases. in an absorption refrigerator.
Целью данного изобретения является повышение концентрации углекислого газа и как следствие сокращение затрат на его отделение от других компонентов отработанных газов. The purpose of this invention is to increase the concentration of carbon dioxide and, as a consequence, reduce the cost of separating it from other components of the exhaust gases.
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 This goal is achieved by burning hydrocarbon fuel in the combustion chamber, supplying oxygen with an admixture of nitrogen and a recirculating working fluid, and the resulting water vapor and carbon dioxide are separated from the combustion products and removed, according to this statement, deplete nitrogen and at the same time nitrogen
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) replaced by the addition of a recirculating working fluid, mixed with oxygen up to the combustion chamber and having a gaseous state, which, either individually or as a mixture of gases, is carbon dioxide, water vapor, hydrocarbons or derivatives of hydrocarbons, or other substances that have a temperature condensation above the condensation temperature of carbon dioxide. In this case, the enrichment is performed either proportionally, or with an excess, or with a deficiency.
При подаче углекислого газа удаляют воду и прирост углекислого газа от сгоревшего топлива, и остаток углекислого газа возвращают в подаваемую смесь газов. When carbon dioxide is supplied, water and the increase in carbon dioxide from the burnt fuel are removed, and the remaining carbon dioxide is returned to the supplied gas mixture.
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. As a substitute for nitrogen, in addition to carbon dioxide, water vapor, hydrocarbons or derivatives of hydrocarbons, or other substances that have a dew point equal to or higher than the dew point of carbon dioxide can be used. The above components can be used either singly or as a mixture.
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. When a nitrogen substitute is supplied in the form of carbon dioxide, the combustion products with a nitrogen substitute are cooled to the water condensation temperature. The water is then removed to produce a carbon dioxide concentrate, from which the carbon dioxide gain from the burnt fuel is removed, after which the remaining carbon dioxide is returned to the combustion chamber.
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. When a nitrogen substitute is supplied in the form of steam, the combustion products with a nitrogen substitute are cooled to the water condensation temperature. The remaining carbon dioxide with impurities and the increase in water are separated and removed, after which the water in the form of steam is returned to the combustion chamber.
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. When a nitrogen substitute is supplied in the form of hydrocarbons, for example, alkanes, alkenes, alkynes, alkadienes, cycloalkanes, the products of fuel combustion and its hydration, hydrogenation and pyrolysis, such as, for example, ethylene and propylene, with nitrogen substitutes, are cooled to their condensation temperature , and the remaining carbon dioxide with impurities and water is removed, after which the hydrocarbons separated from the synthesis products, for example, ethylene and propylene, are returned to the combustion chamber in the form of gas or steam, along with a new portion of hydrocarbons that compensate for the loss.
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) When a nitrogen substitute is supplied in the form of hydrocarbon derivatives, for example, alcohols such as ethanol and methanol, the products of fuel combustion, its dehydration, dehydrogenation, pyrolysis, such as, for example, ethylene and 1,3-butadiene, are cooled to their condensation temperature, and the remaining carbon dioxide with impurities and water is removed. After that, derivatives of hydrocarbons, minus synthesis products, for example, such as ethylene and 1,3-butadiene, are returned to the combustion chamber in the form of gas or steam, along with a new portion of derivatives of hydrocarbons that compensate for the loss.
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. When a nitrogen substitute is supplied in the form of other substances that have a condensation temperature higher than the carbon dioxide condensation temperature, the combustion products with nitrogen substitutes are cooled until the substitutes pass into the condensed phase, and the remaining gas phase in the form of carbon dioxide with impurities is removed. In this case, the nitrogen substitute is returned to the combustion chamber in the form of gas or steam, and the removed carbon dioxide is condensed in the air separator heat exchanger, for example, due to the evaporation of cryogenic nitrogen and oxygen.
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. The proposed method is implemented in a device for concentrating carbon dioxide, containing a fuel supply system, a combustion chamber, an air separator into oxygen and nitrogen, an oxygen supply system to the combustion chamber and a nitrogen removal system in a depot for storage, a separator for combustion products and a depot for their storage with channels transportation, a gas accumulator (working fluid) that replaces nitrogen and a system for supplying it to the combustion chamber, a transportation channel in the form of a branch to the combustion chamber, according to this statement, an oxygen mixer with a recirculating working fluid is installed at the inlet of the combustion chamber. Both of these devices can be placed either in a piston engine, or in a gas turbine engine of a combined cycle plant, or in furnace units, such as, for example, metallurgical blast furnaces or cement kilns.
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. The device for concentrating carbon dioxide may be provided with a valve to control the amount of supply in the conveyance channel, or in the branch channel, or in both channels, or in all the conveyance and branch channels simultaneously.
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) The device for concentrating carbon dioxide may be provided with a heat exchanger in which the evaporation of nitrogen and/or oxygen is used to condense the carbon dioxide released from the combustion products.
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. In the version for road transport, the device for concentrating carbon dioxide can be made with a cryogenic air separator into liquid oxygen and gaseous nitrogen, using a reserve of cryogenic nitrogen.
По каналам транспортирования после ответвления удаляются излишки компонентов, а через ответвление заменитель азота завершает кругооборот цикла, попадая в камеру сгорания. Excess components are removed through the transportation channels after the branch, and through the branch, the nitrogen substitute completes the circuit of the cycle, entering the combustion chamber.
Каналы транспортирования и ответвления, снабжённые вентилями для регулирования подачи продуктов, позволяют поддерживать работу камеры сгорания в оптимальном режиме и эффективно удалять накопленный углекислый газ. Conveyance channels and branches, equipped with valves for regulating the supply of products, allow you to maintain the operation of the combustion chamber in an optimal mode and effectively remove accumulated carbon dioxide.
Благодаря предварительному смешиванию кислорода и газа, заменяющего азот, исключается кислородное сжигание топлива, создающее высокотемпературные нагрузки на камеру сгорания. By pre-mixing oxygen and nitrogen-replacing gas, oxy-fuel combustion is avoided, which creates high temperature loads on the combustion chamber.
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; In the future, the proposed solution is explained by drawings, in which: Fig.1 - structurally shows the method when carbon dioxide (CO2) replaces nitrogen; Fig.2 - structurally shows the method when water (HgO) replaces nitrogen;
Fig.3 - структурно показан способ, когда гидрокарбоны (НС) заменяют азот; Fig.3 - structurally shows the method when hydrocarbons (HC) replace nitrogen;
Fig.4 - структурно показан способ, когда спирты заменяют азот; Fig.4 - structurally shows the method when alcohols replace nitrogen;
Fig.5 - представлена структурная схема устройства для концентрирования углекислого газа. Fig.5 - a block diagram of a device for concentrating carbon dioxide is presented.
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 In the figures, the designated positions have the following meanings: 1 - fuel source C ; 2 - combustion chamber; 3 - mixer, for example, Og and COg; 4 - oxygen accumulator Og; 5 - exhaust gas separator; 6 - water storage HgO; 7 - CO2 accumulator; 8 - nitrogen accumulator N2; 9 - source of carbon dioxide CO2; 10 - depot for excess carbon dioxide COg; And - a mixer of oxygen Og and water NgO; 12 - source of water HgO; 13 - source of fuel CH4 and HC; 14 - HC and Og mixer; 15 - source of hydrocarbons HC; 16 - separator HgO, HC, HC*,COg; 17 - separator of hydrocarbons HC and HC*; 18 - depot of hydrocarbons HC; 19 - CH4 fuel source and alcohols; 20 - alcohol mixer
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) and oxygen Og; 21 - source of alcohols; 22 - flue gas separator for water NgO, Alcohols, HC*, COg; 23 - separator of Alcohols and hydrocarbons HC*; 24 - cylinders for water HgO, or hydrocarbons HC, or Alcohols, or carbon dioxide COg; 25 - valve for regulating the amount of CO2 supply for discharge into depot 27; 28 - valve for regulating the amount of excess water supply HgO; 29 - valve for regulating the amount of water supply HgO returned through the branch to the combustion chamber 2; 30 - depot for dumping excess water; 31 - valve for regulating the amount of supply of hydrocarbon HC to the depot; 32 - valve for regulating the amount of supply of hydrocarbon in the branch for returning to the combustion chamber 2; 33 - depot for dumping excess hydrocarbon HC; 34 - valve for regulating the amount of alcohol supply to the depot; 35 - valve for regulating the amount of alcohol supply to the branch for return to the combustion chamber 2; 36 - depot for dumping excess alcohol; 37 - depot for the accumulation of nitrogen N2 obtained from the air; 38 - separator of combustion and synthesis products.
Рабочее тело в виде СОг, или НгО, или НС, или Спирты в смесителе 3 перемешиваются с кислородом О2 (см. Fig.5). The working fluid in the form of CO2, or NgO, or HC, or Alcohols in mixer 3 is mixed with oxygen O2 (see Fig.5).
Устройство концентрирования углекислого газа по предложенному способу работает следующим образом. The device for concentrating carbon dioxide according to the proposed method works as follows.
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. From source 1, fuel is supplied to combustion chamber 2, and oxygen Og and carbon dioxide CO2 are supplied to mixer 3 from accumulator 4. In chamber 2, this mixture burns out and the combustion products pass into the exhaust gas separator 5 (cM.Fig.l) or the combustion and synthesis separator 38 (Fig.5). In the separator 5, two H2O fractions are formed, which pass into the water accumulator 6 and are removed from the cycle, and CO2, which passes into the carbon dioxide accumulator 7 (cM.Fig.l). The main flow of carbon dioxide moves to the source of carbon dioxide 9, and its excess is withdrawn to the depot 10 for excess carbon dioxide CO2.
По каналам транспортирования 9, 12, 15 и 21 из разделителя 38 выходят НгО, НС, СОг и Спирты. Through the transport channels 9, 12, 15 and 21, H2O, HC, CO2 and Alcohols exit the separator 38.
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. By shutting off the flow control valves 25, 28, 31, 34, they limit the discharge into depots 27, 30, 33, 36 of Alcohols, H2O, HC and CO. And the valves 26, 29.32, 35 control the amount of flow in the branches to return to the combustion chamber 2.
ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) На Fig. 2,3,4 показаны циклы работы с НгО, НС и Спиртами соответственно. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) On Fig. Figures 2,3,4 show the cycles of work with H2O, HC and Alcohols, respectively.
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. All components shown in the figures contain residual nitrogen. Its fractional content is determined by the quality of the air separator and is usually a small percentage - up to 3% of oxygen. Therefore, due to the low content of residual nitrogen, it is not indicated in the figures, although it is present. The resulting excess is separated by condensation of carbon dioxide and removed from the circuit. Also on the figures, the designations HC are introduced - hydrocarbons, hydrocarbons, and HC* - modified HC in the combustion chamber under the influence of temperature, pressure, catalysts.
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. Thus, to solve the problem, as proposed in this application, a replacement for nitrogen is selected, such that the gas replacing nitrogen should have a dew point close to the dew point of carbon dioxide, preferably higher.
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. Such substances can be water, alcohols and other derivatives of hydrocarbons, certain groups of hydrocarbons, and, finally, carbon dioxide itself. The list of suitable substitutes is longer, but many substances are currently not passed for environmental or economic reasons - for example, the thermally very stable hydrogen bromide, other bromine compounds or bromine itself, as well as some fluorocarbons, monoethanolamine and its analogues.
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. Thus, in order to achieve the result in the form of an increase in the proportion of carbon dioxide in the separated combustion products, it is proposed, after air separation, to replace the removed nitrogen with carbon dioxide, water, alcohols and other derivatives of hydrocarbons, hydrocarbons - propane, butane, etc., which should be mixed in the combustion chamber with oxygen at a standard concentration of 21% by volume, with deviations from this concentration upwards or downwards, set by the technological needs of the operation of gas turbines and reciprocating internal combustion engines. For repeated use of a nitrogen substitute, circulation of the working fluid is necessary.
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. In order to reduce the cost of removing CO2 formed during fuel combustion in the fuel mixture, in whole or in part, nitrogen is replaced with carbon dioxide. In this case, exhaust gases are used, which are returned to the engine.
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) Before returning, the increase in CO2 is removed from them and the spent oxygen is added in the required amount. In the engine, fuel is added to the gases, forming a fuel mixture.
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. Thus, the composition of the fuel mixture burned further in the engine is a mixture of CO2, oxygen, fuel particles and non-combustible gases (N2, H2O, Ar). In the fuel mixture, the proportion of CO2 exceeds the proportion of oxygen, and the proportion of oxygen exceeds the proportion of other non-combustible gases, which, after combustion of the mixture, maximizes the concentration of CO2 in the exhaust gases, and thus reduces the cost of cleaning exhaust gases from the proportion of CO2 and other gases that obtained as a result of the oxidation of hydrocarbon fuels.
При этом способе нет возрастания температуры сгорающей смеси до экстремальных значений для деталей тепловых машин, как при использовании в топливной смеси повышенной концентрации кислорода. With this method, there is no increase in the temperature of the burning mixture to extreme values for parts of heat engines, as when using an increased concentration of oxygen in the fuel mixture.
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. The proposed method makes it possible to maximize the CO2 content in the exhaust gases of reciprocating internal combustion engines and gas turbines, since it does not increase the temperature of the working process to unacceptable values.
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. The method can be used at thermal power plants, ships, railway, road and air transport, which will reduce emissions not only of CO2, but also of another greenhouse gas - N2O, which is 300 times more dangerous than CO2.
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. Not all vehicles implementing the proposed method are able to place units for separating air into oxygen and nitrogen in order to supply Og to a closed CO2 flow (from the combustion chamber back to the combustion chamber). Therefore, for such vehicles, instead of a plant for the separation of oxygen from the air, a stock of ready-made liquid Og stored in Dewar vessels is used.
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. The cost of one ton of Og in mass production is 40-60 dollars, which is economically acceptable, since it adds about 1 cent to the cost of 1 liter of spent fuel. Exhaust gas (combustion products), after purification from water vapor, is technically pure CO2.
При наличии дополнительного запаса жидкого азота, а также воды, потребляемой для предварительного охлаждения отходящих газов (до If there is an additional supply of liquid nitrogen, as well as water consumed for pre-cooling of exhaust gases (up to
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) temperature of about 35°C), carbon dioxide is frozen to a liquid state and placed in the vehicle storage tank, and liquid oxygen passes into the gas phase and enters the engine as part of the fuel mixture. Nitrogen and water evaporate and are released into the atmosphere.
На заправочных станциях транспортные средства сгружают накопленный жидкий СОг и заправляются водой и жидкими кислородом и азотом. At filling stations, vehicles unload accumulated liquid CO2 and fill up with water and liquid oxygen and nitrogen.
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. Solid carbon dioxide (dry ice) can be transported to the place of long-term storage or sequestration in thermostatic tanks at atmospheric pressure, which reduces the material consumption and cost of containers. Moving solid carbon dioxide from a low-pressure zone to a high-pressure zone is much simpler than pumping gaseous carbon dioxide into a pressure vessel, the required value of which reaches 70 bar.
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. The most economical way to transport carbon dioxide is considered to be pipeline and sea transport. In order to introduce CO2 into the pipeline, it is necessary to increase its pressure to 60-70 bar. Due to the evaporation of oxygen entering the engine from a cryogenic air separator, as well as due to the evaporation of part of the nitrogen, carbon dioxide is liquefied in heat exchangers with little or no increase in pressure. Then, with negligible costs, it, like a liquid, is injected into a pipeline or vessel with compressed CO2, where it evaporates and turns into a gas with the required pressure.
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. The method is implemented using a device that can be used as a module or a group of modules connected to existing thermal power plants, container ships and other types of water transport, diesel locomotives of railways, automobile container ships, aircraft and airships. Modules for trucks include Dewar vessels for storing cryogenic reserves of Og, N2 and COg, as well as water tanks for pre-cooling combustion products by evaporation of water.
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. Modules for railway diesel locomotives contain devices for cryogenic air separation, which simplifies the solution of the CO2 freezing problem. At the same time, diesel locomotives with modules become mobile distribution points for cryogenic oxygen and nitrogen for refueling centers for trucks and cars.
Модули к большегрузному водному транспорту, например, к контейнеровозам и сухогрузам, имеют массогабаритные характеристики, Modules for heavy-duty water transport, for example, for container ships and dry cargo ships, have weight and size characteristics,
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. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) allowing to accumulate CO2 for a long time in large volumes. In some ports, terminals are installed to receive accumulated CO2 and pump it into pipelines transporting CO2 to disposal sites. It is advisable to discharge the accumulated CO2 not only in the ports of loading and unloading, but also on the routes of ships, thanks to specialized ships.
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. The device includes an oxygen generator from atmospheric air, for example, a cryogenic one, in the form of a turboexpander, an evaporator of liquid oxygen and nitrogen with a heat exchanger for converting carbon dioxide into liquid or ice, a water evaporator with a heat exchanger for cooling exhaust gases to room temperature and separating water vapor, storage tank cryogenic CO2, fuel storage device, CO2 recirculation pipeline system, for the relatively easy transport option - Og, N2 and water accumulators.
Формула реакции: Reaction formula:
7С0г + 2Ог + СН4 => 8СОг + 2НгО (1)7C0g + 2Og + CH 4 => 8COg + 2HgO (1)
После очистки отходящих газов от воды и изъятия единицы СОг остаток - 7С0г, как в начале цикла. After cleaning the exhaust gases from water and removing a unit of CO2, the remainder is 7C0g, as at the beginning of the cycle.
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. Heavy hydrocarbons in the form of gas or vapor are used as a substitute for nitrogen in the gas-fuel mixture. In reciprocating internal combustion engines, the mixture consists of 80% or more heavy hydrocarbons, with a corresponding proportion of oxygen of 20% or less. In gas turbines in the flame tubes, the ratio of hydrocarbons and oxygen is used as 80 to 20, and at the exit from the flame tubes on the way to the turbine blades, the exhaust gas is diluted with a portion of hydrocarbons, which is 3-4 times larger than the initial portion of the gas-fuel mixture.
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. The exhaust gas after the turbine is cooled to a temperature below 100°C and above 0°C, purified from water, compressed at a constant temperature to the temperature of formation of the liquid fraction of most hydrocarbons and separated into a liquid fraction of heavy hydrocarbons and into gaseous CO2 mixed with the gaseous part of hydrocarbons .
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 A mixture of gases from CO2 and hydrocarbons is subjected to further compression and cooling until the formation of a liquid phase of CO2 and gaseous residues of the decomposition products of heavy hydrocarbons into light hydrocarbons. Liquid CO2 is sent to the accumulator, and heavy hydrocarbons, after being cleaned from
ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) твердых фракций, вместе с газообразными продуктами разложения тяжелых углеводородов, используют для образования новой газо-топливной смеси. Цикл повторяется. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) solid fractions, together with gaseous decomposition products of heavy hydrocarbons, are used to form a new gas-fuel mixture. The cycle is repeated.
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. The purpose of the proposed method is to stop the carbonization of the atmosphere by capturing emissions from the combustion of fossil fuels. In this case, the method does not affect the decrease in the level of previously accumulated technogenic carbon dioxide. However, the proposed method is also a way to remove carbon dioxide from the atmosphere, when instead of fossil fuels, biofuels obtained from renewable bioresources are burned. In this case, technogenic carbon is removed from the atmosphere and the main goal of decarbonization of nature is achieved.
При использовании биотоплива в предлагаемом способе реализуется концепция вывода СОг из атмосферы, известная как BECCS. When using biofuels in the proposed method, the concept of removing CO2 from the atmosphere, known as BECCS, is implemented.
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/. The idea behind BECCS is carbon sequestration by plants; burning plants for energy; capturing carbon in the chimney; and carbon storage underground. The idea behind BECCS is to capture carbon with trees; boom 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. The best implementation is a device for concentrating carbon dioxide in flue gases from piston-type heat engines in thermal power plants, marine and rail transport, which, as is well known, operate on Otto, Diesel, Trinkler, Atkinson or Miller thermodynamic cycles.
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 The device contains a combustion chamber, a pipeline system for recirculating CO2 (branch from the channel for transporting CO2), from the combustion chamber to the combustion chamber as a gas replacing nitrogen, a gas accumulator - circulating (circulating) CO2, an oxygen supply system to the combustion chamber, a fuel supply system to the chamber combustion, modules in the form of a cryogenic oxygen generator from atmospheric air in the form of a turbo-expander, an evaporator of liquid oxygen and nitrogen with a heat exchanger for converting the increase in carbon dioxide into liquid or ice, a frozen CO2 accumulator, a water evaporator with a heat exchanger for cooling exhaust gases to room temperature and
ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) сепарации паров воды, устройство хранения топлива, вентили регулирования подачи СОг, в канале транспортирования и в канале ответвления. SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26) water vapor separation, fuel storage device, CO2 supply control valves, in the transportation channel and in the branch channel.
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. The device is assembled by connecting the operating unit to the combustion chamber and the above modules - by connecting to the intake and exhaust systems. For example, an existing thermal power plant with a reciprocating internal combustion engine that consumes natural gas is equipped with modules for supplying a gas-fuel mixture containing carbon dioxide replacing nitrogen to the combustion chamber and modules for separating CO2 from turbine flue gases.
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 м3/ч (1429 кг/ч) выгодно использовать криогенные разделители воздуха. В больших разделителях воздуха расход электроэнергии составляет 0,3 кВт-ч/м3 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. With an electric power of 55 MW, the thermal power of such a power plant is 100 MW, with an efficiency of about 55%, which, for example, is provided by Wartsila plants. The average specific heat of combustion of natural gas is 45.2 MJ/kg, which gives a rounded fuel consumption of 2.2 kg/s. Accordingly, the maximum oxygen consumption, taking into account the excess, does not exceed 8.8 kg/s. When producing oxygen with a volume of more than 1000 m 3 /h (1429 kg/h), it is advantageous to use cryogenic air separators. In large air separators, the electricity consumption is 0.3 kWh/m 3 oxygen or 0.21 kWh/kg. With a flow rate of 8.8 kg/s, the energy costs are 1.847 kWh or 6.65 MJ/s, which gives 12% of the station's power generator. At the same time, when implementing the method at a plant using a trigeneration scheme, the cold produced by the heat of the exhaust gases, without a significant reduction in efficiency, can be used to condense CO2 into liquid or ice.
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. The device operates without the use of ultra-high temperatures and pressures. Instead of the supercritical fluid CO2 (the fourth aggregate state of matter), the working fluid in the gaseous state is used as a recirculating working fluid.
ЗАМЕНЯЮЩИЕ ЛИСТЫ (ПРАВИЛО 26) SUBSTITUTE SHEETS (RULE 26)
Claims
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021126100 | 2021-09-05 | ||
RU2021126100A RU2792169C1 (en) | 2021-09-05 | Method for carbon dioxide concentration and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2023033682A1 true WO2023033682A1 (en) | 2023-03-09 |
Family
ID=85412954
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2022/050273 WO2023033682A1 (en) | 2021-09-05 | 2022-09-02 | Method of concentrating carbon dioxide gas and device for carrying out same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2023033682A1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1733376A1 (en) * | 1990-02-27 | 1992-05-15 | Башкирское специальное конструкторско-технологическое бюро Научно-производственного объединения "Грознефтехим" | Method for production of gas containing nitrogen and carbon dioxide |
US5527517A (en) * | 1994-11-23 | 1996-06-18 | Philip Morris Incorporated | Liquid scrubbing of gas-phase contaminants |
EA005827B1 (en) * | 2000-08-01 | 2005-06-30 | Инвайорскраб Текнолоджис Корпорэйшн | SYSTEM AND METHOD FOR REMOVING POLLUTANT SUBSTANCES FROM GAS FLOW |
RU2280925C2 (en) * | 2000-10-30 | 2006-07-27 | Квестэйр Текнолоджиз Инк. | Separating gases of high energy efficiency for fuel cells |
RU2561077C2 (en) * | 2013-07-11 | 2015-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Method of obtaining hydrogen from hydrocarbon raw material |
RU2676642C1 (en) * | 2018-02-05 | 2019-01-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Газпром Трансгаз Краснодар" | Method of complex fluid gas cleaning |
RU2689620C1 (en) * | 2017-01-24 | 2019-05-28 | Мицубиси Хеви Индастриз Энджиниринг, Лтд. | Exhaust gas cleaning device and co2 extraction device using it |
-
2022
- 2022-09-02 WO PCT/RU2022/050273 patent/WO2023033682A1/en active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1733376A1 (en) * | 1990-02-27 | 1992-05-15 | Башкирское специальное конструкторско-технологическое бюро Научно-производственного объединения "Грознефтехим" | Method for production of gas containing nitrogen and carbon dioxide |
US5527517A (en) * | 1994-11-23 | 1996-06-18 | Philip Morris Incorporated | Liquid scrubbing of gas-phase contaminants |
EA005827B1 (en) * | 2000-08-01 | 2005-06-30 | Инвайорскраб Текнолоджис Корпорэйшн | SYSTEM AND METHOD FOR REMOVING POLLUTANT SUBSTANCES FROM GAS FLOW |
RU2280925C2 (en) * | 2000-10-30 | 2006-07-27 | Квестэйр Текнолоджиз Инк. | Separating gases of high energy efficiency for fuel cells |
RU2561077C2 (en) * | 2013-07-11 | 2015-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Method of obtaining hydrogen from hydrocarbon raw material |
RU2689620C1 (en) * | 2017-01-24 | 2019-05-28 | Мицубиси Хеви Индастриз Энджиниринг, Лтд. | Exhaust gas cleaning device and co2 extraction device using it |
RU2676642C1 (en) * | 2018-02-05 | 2019-01-09 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Газпром Трансгаз Краснодар" | Method of complex fluid gas cleaning |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
BERT METZ, OGUNLADE DAVIDSON, HELEN DE KONINCK, MANUELA LOOS, LEO MEYER: "Ulavlivanie i khranenie dvuokisi ugleroda. [Capture and storage of carbon dioxide]", REZJUME DLYA LITS, OPREDELYAJUSHCHIKH POLITIKU I TEKHNICHESKOE REZJUME [SUMMARY FOR POLICY MAKERS AND TECHNICAL SUMMARY], INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE (IPCC), pages 1 - 66, XP009544507, ISBN: 92-9169-419-3, Retrieved from the Internet <URL:https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_spm_ts_ru-1.pdf> * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102196449B1 (en) | A Treatment System of Liquefied Gas | |
US7882692B2 (en) | Zero emissions closed rankine cycle power system | |
CN100338344C (en) | Method for utilizing gas reserves with low methane concentrations and high inert gas concentrations for fueling gas turbines | |
US11512402B2 (en) | High pressure process for CO2 capture, utilization for heat recovery, power cycle, super-efficient hydrogen based fossil power generation and conversion of liquid CO2 with water to syngas and oxygen | |
DK1576266T3 (en) | Low pollutant energy generation system with air separation using an ion transfer membrane | |
US20100018218A1 (en) | Power plant with emissions recovery | |
KR102535970B1 (en) | Hydrogen-Enriched Compressed Natural Gas Fuel Supply System and Method for Low Pressure Gas Engine of a Ship | |
EA030641B1 (en) | System and method for power generation | |
KR102717676B1 (en) | VOC Recovery System and Method | |
MX2012014458A (en) | Stoichiometric combustion of enriched air with exhaust gas recirculation. | |
CN103060036A (en) | Coal bed gas liquefaction method and coal bed gas liquefaction system | |
US20250132364A1 (en) | Carbon capture system onboard a vessel | |
WO2022138615A1 (en) | Complex natural gas processing system | |
KR101775053B1 (en) | Nitrogenous compound emission reduction apparatus and operation method in ship and offshore structure | |
US20240110506A1 (en) | System and Method for Diluting Vapor and Generating Electricity | |
KR102200359B1 (en) | treatment system of boil-off gas and ship having the same | |
WO2023033682A1 (en) | Method of concentrating carbon dioxide gas and device for carrying out same | |
KR20180086566A (en) | Nitrogenous compound emission reduction apparatus and operation method in ship | |
KR20220026692A (en) | Ship | |
RU2792169C1 (en) | Method for carbon dioxide concentration and device for its implementation | |
KR20200043703A (en) | Green Fuel Supply System for Vessel | |
WO2023106935A1 (en) | A thermo-catalytic decomposition process for hydrogen production in marine and offshore environment | |
RU2388118C1 (en) | Installation for electric energy generation from raw hydrocarbons | |
KR102436054B1 (en) | Gas treatment system and ship having the same | |
KR102473954B1 (en) | Floating Power Plant and Employment Method therefor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 22862388 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 202490581 Country of ref document: EA |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 22862388 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |