Механическая система улавливания и преобразования загрязняющих газов и способ очистки воздуха - RU2732647C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к области техники очистки воздуха, в частности, к улавливанию твердых остатков (сажи) и преобразованию СО_х и NO_x (и даже метана), присутствующих в загрязненном воздухе, который образуется при промышленном сжигании.

Предшествующий уровень техники

Технологии, разрабатываемые для очистки загрязненного воздуха, основываются, главным образом, на использовании реакторов, улавливающих СО₂ с помощью поглотителей, включающих в себя, помимо прочего, амины, металлические катализаторы (золото, платину, марганец и прочие металлы), водные гидроксиды, разделительные мембраны с микропорами и ионные теплообменники.

Компания Climate Engineering с головным офисом в г. Калгари (Канада) практиковала улавливание углекислого газа с использованием жидкого раствора гидроксида натрия, т.е. с помощью давно известной промышленной технологии; и в течение нескольких лет занималась решением задач по удалению загрязнений до тех пор, пока в 2012 годы эти работы не были свернуты.

Peter Eisenberger с соавторами разработал и запатентовал реактор, который улавливает углекислый газ с помощью поглощающих аминов, после чего СО₂ может быть отделен от аминов в ходе выполнения ряда физических процессов с целью его последующего сбыта. Несмотря на тот факт, что реакции, обусловленные улавливанием углекислого газа с помощью аминов, давно известны, инженеры все равно используют амины для удаления СО₂ из газообразных продуктов сгорания теплоцентралей, температура которых составляет около 70°С. Для обеспечения возможности отделения углекислого газа от аминов и его «регенерации» не хватает реакций, проходящих при температуре примерно около 120°С. Для сравнения Eisenberger рассчитал, что его система могла бы срабатывать при температуре около 85°С, вследствие чего можно было бы снизить суммарное энергопотребление. Для достижения обеих целей он предложил использовать относительно дешевый пар. Пар нагревал бы поверхность, отделяя СО₂ от аминов с его одновременным улавливанием при отрыве от этой поверхности.

Компания Global Research Technologies и Klaus Lackner из Колумбийского университета разработали устройство, привязанное к квадратному метру поверхности земли (подобно дереву), которое всасывает воздух из окружающей среды и генерирует два потока, один из которых представляет собой поток чистого воздуха, а другой - поток углекислого газа; при этом чистый воздух возвращается в окружающую среду, тогда как СО₂ направляется в улавливающее оборудование.

Еще один ряд технологических разработок, выполненных исследователями из Национального университета в Сан-Луисе (UNSL), предусматривает использование устройств, содержащих драгоценные металлы (платину и золото) и прочие менее дорогие металлы, такие как медь и марганец.

Существующие реакторы характеризуются чрезмерной дороговизной не только из-за стоимости катализаторов (золота, платины, палладия, титана и прочих металлов), но также вследствие общей сложности механических, электронных и регулирующих механизмов автоматики, которые должны использоваться таким образом, чтобы была обеспечена их функциональность. Кроме того, этим системам требуется большое количество энергии для поддержания сверхвысоких или сверхнизких температур или давлений, необходимых для выполнения процессов улавливания и сепарации указанных компонентов. С другой стороны, большинство этих систем рассчитано на улавливание лишь углекислого газа и не решает задач, связанных с очисткой от промышленной пыли, метана или NO_x, что ограничивает их функциональные возможности. Вдобавок, их реакторы лишены эксплуатационной гибкости и имеют ограниченное применение, например, помимо прочего, в автомобильной промышленности, в магистралях подвода воздуха и на кухнях.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Настоящим изобретением предложена механическая система и способ улавливания и преобразования не только СО_х и NO_x (и даже метана), но и захвата твердых частиц (сажи), которые образуются при сжигании органических веществ, и которые могут вызывать тяжелые поражения органов дыхания. Следовательно, система, предложенная настоящим изобретением, представляет собой многоцелевое и адаптивное оборудование, предназначенное для очистки окружающей среды на разных уровнях (критических и некритических) вне зависимости от источника загрязнения. Эти характеристики делают ее реактором, пригодным для использования в самых разных промышленных целях.

Система согласно настоящему изобретению представляет собой целостное устройство, состоящее из модулей с заданной реакционной способностью, которые выполнены с возможностью преобразования загрязненного воздуха промышленного источника в чистый воздух, лишенный СО_х, NO_x и токсичной сажи. Кроме того, это оборудование является универсальным устройством, которое может адаптироваться к источнику загрязнения любой промышленной системы, начиная от кухонь, транспортных средств и кабин космических кораблей, и заканчивая теплоэлектростанциями или иными местами, где происходит сжигание или имеет место выделение газов вследствие парникового эффекта (GHE).

Система согласно настоящему изобретению представляет собой металлическую систему, состоящую из модулей, которые располагаются следующим образом: 1) модуль захвата твердых частиц, высвобождаемых при промышленном сжигании; 2) модуль, состоящий из субмодулей с молекулярными (химическими) преобразователями, выполненными с возможностью преобразования углекислого газа (СО₂), угарного газа (СО) и, дополнительно, оксидов азота (NO_x).

В устройстве согласно настоящему изобретению не используются растворители, ни органические (амины), ни неорганические (водные/на водной основе); при этом оно работает только с твердофазными системами, выполняющими функцию поглотителей, которые участвуют в процессах преобразования. Это устройство не взаимодействует с внешним источником энергии для улавливания газов или сепарации получаемых продуктов, что снижает расходы на его эксплуатацию и делает его более экологичным. Благодаря особой комбинации своих элементов эта система не требует каких-либо принадлежностей для возбуждения механических движений и управления ими, ни изменений давления, ни изменений температуры. Кроме того, для улавливания СО₂ не требуются ни ионообменные смолы, ни элементы или ячейки на пенной основе. Этому оборудованию не нужны электронные устройства для автоматизации работы или управления, и поэтому оно обладает очень простой конструкцией и характеризуется простотой воплощения.

Таким образом, настоящим изобретением предложена механическая система, состоящая из матрицы материала, пористой и химически активной матриц (песок, органический углерод, алюмосиликат, гидроксиды в качестве высокодисперсной пыли и прочие композиционные материала), расположенные в заданной последовательности, что будет описано ниже. Ее фильтры должны заменяться через заранее заданные определенные промежутки времени в зависимости от степени газовыделения в целевой промышленной системе.

В представленном полном описании раскрыто устройство, разработанное для очистки загрязненного воздуха, которое может быть выполнено с возможностью использования, помимо прочего, в таких промышленных системах, как теплоэлектростанции и нефтеперерабатывающие заводы, кухни и автомобили, а также в тех отраслях промышленности, где сжигаются углеводороды, и в сфере транспорта.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ, который, в общем, состоит из трех последовательных стадий, необходимых для улавливания и преобразования требуемых газов. На первой стадии осуществляется захват мелкодисперсной пыли, образуемой при промышленном сжигании. На второй и третьей стадиях осуществляется улавливание и преобразование газов, высвобождаемых вследствие парникового эффекта (GHE).

Краткое описание чертежей

Фиг. 1: Устройство очистки загрязненного воздуха.

Фиг. 2: Экспериментальное сравнение течения (мл/мин) СО_х с использованием и без использования системы согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3: Влияние разработанного реактора на величину NO_x (ppm) в зависимости от затраченного времени в грузовом автомобиле.

Фиг. 4: Компоненты фильтров захвата мелкодисперсной пыли перед проведением испытаний на ее захват на выхлопе грузового автомобиля (слева) и после проведения экспериментальных испытаний (справа).

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Система согласно настоящему изобретению состоит из двух модулей. Первый модуль (А), расположенный вблизи воздухозаборника (С) для загрязненного воздуха, состоит из механических фильтров, разделенных микроячеистыми сетками из нержавеющей стали с размером ячеек от 30 до 80 микрон, которые содержат песок, предварительно обработанный (солнечным) светом для устранения влажности; фильтров с органическим углеродом; и дополнительных алюмосиликатных фильтров.

Второй модуль (В), следующий за первым модулем (А), представляет собой ряд небольших реакторов, фильтров в виде сеток с ячейками размером 30-40 микрон, с молекулярными преобразователями (нуклеофильными реагентами), функция которых заключается в улавливании и преобразовании оксидов углерода (СО_х) и оксидов азота (NO_x).

Важно отметить, что второй модуль (В), т.е. фильтры с ячейками сетки размером 30-40 микрон, разделен на две части. Первая часть представляет собой химический реактор (В.1), который содержит твердые гидроксиды металлов (NaOH и KOH), измельченные до мелкодисперсной пыли с размером частиц 200 микрон; при этом назначение этой части реактора состоит в захвате и преобразовании диоксидов углерода (СО_х). Вторая часть представляет собой химический реактор (В.2), который содержит смесь твердых кетонов (5,40%), гуанидинов (5-40%) и твердых органических серосодержащих соединений, таких как тиомочевина (5-40%), измельченных до аналогичного размера; при этом назначение этой части реактора состоит в захвате и преобразовании оксидов азота (NO_x).

В одном из предпочтительных вариантов своего осуществления настоящее изобретение дополнительно предусматривает наличие вспомогательного фильтра со смесью ферментов, погруженных в дисперсный материал, который включает в себя мультиферментные комплексы, такие как пируваткарбоксилаза, пропионаткарбоксилаза, карбоангидраза, рибулозобифосфат-карбоксилаза/оксигеназа (Rubisco) и прочие карбоксилазы, предназначенные для преобразования СО₂ в органические и неорганические продукты. Этот фильтр располагается между первым химическим реактором (В.1) и вторым химическим реактором (В.2).

Модули соединены между собой стяжными скобами и регулируются за счет несущего материала, что обеспечивает надежное легкоразъемное соединение.

В зависимости от промышленных нужд и конструкции реактора в настоящее изобретение могут быть внесены дополнительные модификации, такие как пара пластинчатых электродов, которые создают переменное поле искр или вольтовых дуг, что обеспечивает возможность преобразования метана и окисления частиц углерода с их переходом в газообразный СО_х; при этом указанные пластинчатые электроды устанавливаются на поверхности, изолированной от электрического тока. В предпочтительном варианте осуществления указанная пара пластинчатых электродов может представлять собой токопроводящие металлические сетки, которые запитываются за счет разности потенциалов, обеспечиваемой электрической катушкой; при этом они устанавливаются в устройстве на материалах, не проводящих электрический ток. Кроме того, на воздухозаборе или на воздуховыпуске (D) для очищенного воздуха и/или между модулями предусмотрены клапаны давления, предназначенные для регулирования давления воздуха в каждой секции. Для промышленных систем, где температура намного ниже 300°С, устройство согласно настоящему изобретению выполнено с использованием материалов, обладающих повышенной устойчивостью к различным воздействиям, таких как углеродное волокно, что делает его более устойчивым, прочным и легким. И, наконец, в системах со сверхвысокой пропускной способностью используются сепараторы жидкости и газа, предназначенные для отделения жидкостей или газов, отличных от воздуха, которые выявляются в потоке, проходящем через систему.

Общий принцип очистки воздуха предполагает выполнение следующих стадий:

1. Отделение твердых частиц (сажи), выделяемых при сжигании органических веществ, которые улавливаются песчаными фильтрами, органическим углеродом и алюмосиликатами во избежание загрязнения последующих реактивных фильтров, что может параллельно ухудшить их реакционную способность. Оба эти негативных аспекта могут повлиять на процессы, связанные с сепарацией и очисткой последующих улавливающих устройств, а также усложнить эти процессы.

2. Улавливание оксидов углерода (СО и СО₂) устройством, содержащим твердые гидроксиды металлов.

3. Необязательное преобразование СО₂ в органические и неорганические продукты с помощью вспомогательного фильтра, содержащего смесь ферментов, погруженных в дисперсный материал.

4. Улавливание оксидов азота (NO_x) модулем, содержащим смесь кетонов, гуанидинов и органических серосодержащих соединений в пылеобразной форме.

Экспериментальные оценки

Для определения КПД (коэффициента полезного действия) устройства были оценены следующие параметры (изменение количества загрязняющих веществ) с использованием описанной ниже методологии.

1. Оценка изменений расхода. Были проанализированы изменения расхода СО и СО₂ (5, 40, 50, 70, 80 и 120 мл/мин); при этом измерения выполнялись независимо друг от друга в ходе отдельных экспериментов на промышленных источниках высокой чистоты в течение последовательных промежутков времени от 10 минут до полутора часов (1 час 30 минут). Измерения были выполнены с помощью расходомера AGILENT ADM2000. Для статистического обоснования и обеспечения большей достоверности эти эксперименты были повторены в лабораторных условиях 1200 раз при заданных условиях расхода, температуры, давления и влажности.

В то же время были проведены эксперименты (контрольные или на образцах-свидетелях) при аналогичных условиях, но с инертными материалами в реакторе, чтобы удостовериться в том, что достигнутый эффект является следствием реакционной способности используемых материалов. Кроме того, с помощью портативного анализатора дымовых газов (Bacharach-PCA³) были выполнены измерения Δр (изменений давления) с учетом давления на входе и выходе устройства.

2. Анализ количества (ppm) СО_х на выходе выхлопных труб грузовых транспортных средств. Эти переменные были получены с помощью портативного анализатора дымовых газов (Bacharach-PCA³) и портативного измерителя СО₂ (AMPROBE СО₂-100) в присутствии разработанного воздухоочистительного устройства и без него. Эти замеры проводились в течение последовательных 10-секундных отрезков времени, в среднем 10 раз за полтора часа.

В то же время были проведены эксперименты (контрольные или на образцах-свидетелях) при аналогичных условиях, но с инертными материалами в реакторе, чтобы удостовериться в том, что достигнутый эффект является следствием реакционной способности используемых фильтров. Были выполнены измерения изменений давления в входной и выходной секциях реактора, соединенных с выхлопной трубой.

3. Анализ изменений количества (ppm) NO_x. Было проанализировано количество NO_x на выходе выхлопных труб грузовых транспортных средств. Измерения проводились с помощью портативного анализатора дымовых газов (Bacharach-PCA³) в присутствии разработанного воздухоочистительного устройства или без него. Никаких исследований на источниках NO_x высокой чистоты проведено не было, поскольку они отсутствовали на рынке. Кроме того, один и тот же эксперимент был повторен 10 раз с отбором контрольных проб в течение последовательных промежутков времени от 60 секунд до 5 минут.

В качестве грузового транспортного средства для проведения этих испытаний был взят семейный автомобиль 2009 года выпуска с четырехцилиндровым бензиновым двигателем объемом 1,6 литров. Расход при этих испытаниях составлял 720 л/мин.

4. Способность улавливающих фильтров захватывать мелкодисперсную пыль, образующуюся при сгорании. В выхлопную трубу грузового транспортного средства (микроавтобус 1995 года выпуска) были встроены фильтры А.1, А. 2 и А. 3 без катализатора, что обеспечило возможность выделения большого количества загрязняющих веществ в виде мелкодисперсной пыли через выхлопную трубу. Спустя 5 минут внутренние компоненты устройства были извлечены и сфотографированы для подтверждения улавливающей способности фильтрующего модуля.

Результаты и обсуждения

Изменение количества оксидов углерода (СО_х)

Увеличение выбросов СО_х в атмосферу является основной причиной (≥70%) глобального потепления и, как следствие, повышения циклонической активности, таяния полярных шапок и неустойчивости климата, что, помимо прочего, приводит к различным природным катаклизмам.

Полученные результаты, связанные с расходом и количеством СО_х, которые были измерены в присутствии или отсутствии разработанного реактора, можно увидеть на фиг. 2, где проиллюстрировано влияние разработанного реактора на расход СО_х (мл/мин) в зависимости от времени. Расход источника СО_х (СО и СО₂) характеризовался высокой степенью чистоты. На фиг. 2 можно увидеть, что количество СО_х падает в течение всего нескольких секунд с максимальной процентной доли до минимума, который варьируется в пределах 2-5% (от общего максимума) вне зависимости от источника СО_х и объемов, которые пропускаются через разработанное устройство (5, 40, 50, 70, 80 и 120 мл/мин); то есть, как для промышленных источников СО_х высокой чистоты, так и для таких источников загрязнения, как грузовые транспортные средства, эффективность улавливания оксидов углерода оказалась лежащей в пределах 95-98%. Следует отметить, что не наблюдалось существенных изменений в колебаниях давления, а это говорить о том, что полученные результаты являются следствием реакционной или улавливающей способности устройства, а не засорением его фильтров или искажениями, возникшими в ходе эксперимента.

Изменение количества NO_x

Оксиды азота (NO_x) представляют собой вторую группу парниковых газов (GHG), в наибольшей степени загрязняющих окружающую среду (~10%), которые трудно поддаются улавливанию после обнаружения в атмосфере. С помощью экспериментов, проведенных на газовыпускной или выхлопной трубе исследованного транспортного средства, несмотря на отклонения, обусловленные энергозатратами транспортного средства, под которое была адаптировано разработанное устройство, можно увидеть, что при использовании разработанной системы последняя способна улавливать до 80% газов типа NO_x (см. фиг. 3), что - как уже было сказано - служит свидетельством того, что конфигурация фильтров, равно как и их реакционная способность в реакторе, обеспечивает улавливание большего количества загрязняющих частиц вследствие сжигания органических веществ с выделением NO_x (NO_x и СО_х). Кроме того, многофункциональность и простота конструкции реактора позволяет адаптировать его к любой промышленной системе, а в данном конкретном случае - к выхлопной трубе транспортных средств.

На фиг. 3 показано влияние разработанного реактора на количество NO_x (ppm) в зависимости от времени. Источником NO_x служит грузовое транспортное средство, описанное выше.

Примененное научное обоснование. Химически активный характер или механико-квантовые свойства электрофилов основаны на низшей занятой молекулярной орбитали (испанское сокращение OMBED) оксидов углерода (СО_х) и азота (NO_x) в газообразном состоянии; при этом они остаются неизменными, несмотря на сжигание органических веществ с высвобождением указанных оксидов. Кроме того, это же относится к реакционной способности нуклеофильных реагентов, которая параллельно модулируется энергией высшей занятой молекулярной орбитали (испанское сокращение ОМОА). Следовательно, принимая во внимание эти базовые принципы (взаимодействие OMOA/OMBED), можно заключить, что при пропускании парниковых газов через разработанное устройство реакция между ними будет самопроизвольной и неизбежной вне зависимости от промышленного источника поступления указанных газов. Иначе говоря, всякий раз, когда происходит сгорание органических веществ, разработанное нами оборудование способно предотвращать выброс парниковых газов в атмосферу. При этом описываемое устройство характеризуется нестандартной формой и размерами, и поэтому оно может быть адаптировано под определенные промышленные нужды. Это указывает на широкий спектр применения разработанного реактора на промышленном уровне для решения задач по борьбе с загрязнениями, причиной которых являются, помимо иных источников загрязнений, наземный, морской и воздушный транспорт, теплоэлектростанции, пожары и различные отрасли промышленности.

Улавливание твердых остатков (сажи) промышленного загрязнения

На фиг. 4 можно видеть способность фильтрующего модуля (улавливать мелкодисперсную пыль) по быстрому захвату твердых остатков, образующихся при сгорании топлива в двигателе дизельного автомобиля, которая используется для оценки возможности свободного улавливания этих частиц. Это важно потому, что такие частицы являются причиной серьезных заболеваний органов дыхания, которые широко распространены в промышленно развитых странах, где не действуют строгие нормы.

Все эти проиллюстрированные результаты экспериментов говорят о том, что разработанное устройство успешно выполняет свою функцию и вдобавок представляет собой многообещающую систему, способную в значительной мере уменьшить вредное воздействие оксидов углерода (углекислого газа и угарного газа) и оксидов азота, которые являются основными генераторами парникового эффекта, вне зависимости от источника выбросов (промышленный или транспортный). С другой стороны, система - предмет настоящей заявки - выполнена с возможностью улавливания твердых остатков, образующихся в процессе сгорания, которые вредны для здоровья. Продолжая логический ряд преимуществ, следует отметить, что указанный реактор характеризуется намного более простой конструкцией в сравнении с устройствами предшествующего уровня техники, обладает множеством функций, дешев в изготовлении и может быть встроен в любое промышленное устройство, сжигающее органические вещества.

Реферат

Настоящее изобретение относится к области техники очистки воздуха, в частности к улавливанию твердых остатков (сажи) и преобразованию COx и NOx (и даже метана), присутствующих в загрязненном воздухе, который образуется при промышленном сжигании. Система очистки воздуха содержит воздухозаборник; первый модуль, содержащий механические фильтры, содержащие песчаные фильтры, фильтры с органическим углеродом и фильтры с алюмосиликатными наполнителями, которые разделены микроячеистыми сетками из нержавеющей стали и характеризуются размерами ячеек сетки в пределах 30-80 микрон; второй модуль, расположенный за первым модулем и соответствующий ряду небольших реакторов с молекулярными преобразователями для улавливания и преобразования оксидов углерода (COx) и оксидов азота (NOx), где второй модуль разделен на две части: первый химический реактор, содержащий твердые гидроксиды металлов; и второй химический реактор, состоящий из смеси кетонов, гуанидинов и твердых порошкообразных органических серосодержащих соединений; и воздуховыпуск для очищенного воздуха. Это позволяет создать многоцелевое и адаптивное оборудование, предназначенное для очистки окружающей среды на разных уровнях (критических и некритических) вне зависимости от источника загрязнения. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула