RU2804672C1 - System for integrated recycling of exhaust gases from ship's power plant - Google Patents

System for integrated recycling of exhaust gases from ship's power plant Download PDF

Info

Publication number
RU2804672C1
RU2804672C1 RU2023107850A RU2023107850A RU2804672C1 RU 2804672 C1 RU2804672 C1 RU 2804672C1 RU 2023107850 A RU2023107850 A RU 2023107850A RU 2023107850 A RU2023107850 A RU 2023107850A RU 2804672 C1 RU2804672 C1 RU 2804672C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
exhaust gases
hydrogen
batteries
internal combustion
ship
Prior art date
Application number
RU2023107850A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Иванович Епихин
Теодор Георгиевич Тория
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"
Application granted granted Critical
Publication of RU2804672C1 publication Critical patent/RU2804672C1/en

Links

Abstract

FIELD: engine building.
SUBSTANCE: system for the integrated recycling of exhaust gases from a ship's power plant is proposed, including scrubber 1 connected to an internal combustion engine for receiving and humidifying exhaust gases, electrolyser 2 for producing hydrogen from water present in the exhaust gases, and graphene labyrinth filter 3. Part of the purified exhaust gases after graphene labyrinth filter 3 is introduced into intake manifold 10 of the internal combustion engine, and part is discharged through the exhaust manifold into the atmosphere. Hydrogen, separated in graphene labyrinth filter 3, enters compressor 4, cryogenerator 5, the hydrogen storage system and then – hydrogen storage batteries 9, which also receive oxygen from a system including high-pressure compressor 7, air separation unit 8 and an oxygen supply device. Rechargeable hydrogen batteries 9 are connected to energy consumers through the main distribution board.
EFFECT: improved environmental friendliness of a ship's power plant, production of hydrogen for power batteries intended to generate electricity to power ship consumers.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам обработки горючей смеси перед впуском в судовой двигатель и для питания судовых водородных аккумуляторных батарей и может быть использовано для очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, фильтрации с выделением водорода и его последующему использованию как одного из двух необходимых веществ (наравне с кислородом) для питания водородных аккумуляторных батарей и получения электроэнергии, способной питать судовых потребителей и брать на себя часть нагрузки с вспомогательных дизельгенераторов или же полностью исключить необходимость в них.The invention relates to engine building, in particular, to systems for processing the combustible mixture before admission into a ship engine and for powering ship hydrogen batteries and can be used for purifying exhaust gases of an internal combustion engine, filtration with the release of hydrogen and its subsequent use as one of the two necessary substances (along with oxygen) to power hydrogen batteries and generate electricity capable of powering ship consumers and taking on part of the load from auxiliary diesel generators or completely eliminating the need for them.

Существуют энергетические установки замкнутого цикла на основе тепловых двигателей, работающих в режиме рециркуляции отработавших газов, в которых в качестве компоненты топлива двигателей используется искусственная газовая смесь, составленная очищенными отработанными газами. Существуют также устройства для получения технического водорода для использования его в двигателях внутреннего сгорания.There are closed-cycle power plants based on heat engines operating in exhaust gas recirculation mode, in which an artificial gas mixture composed of purified exhaust gases is used as an engine fuel component. There are also devices for producing technical hydrogen for use in internal combustion engines.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ:BACKGROUND:

По научно-технической информацииAccording to scientific and technical information

1. Вагнер Виктор Анатольевич. Основы теории и практика использования альтернативных топлив в дизелях: РГБ ОД 71:95-5/488 Данная диссертация предусматривает использование водорода в дизельных двигателях как основного топлива, способного заменить углеродные топлива, однако, не рассматривает возможность отказа от ДВС в пользу водородных аккумуляторных батарей.1. Vagner Viktor Anatolyevich. Fundamentals of the theory and practice of using alternative fuels in diesel engines: RSL OD 71:95-5/488 This dissertation provides for the use of hydrogen in diesel engines as the main fuel that can replace carbon fuels, however, it does not consider the possibility of abandoning internal combustion engines in favor of hydrogen batteries.

2. Мисбахов Ринат Шаукатович. Влияние добавок водорода на технико-экономические и экологические показатели газовых и дизельных двигателей: диссертация … кандидата технических наук: 05.04.02 / Мисбахов Ринат Шаукатович; [Место защиты: Казан, гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева]. - Казань, 2010.- 165 с: ил. РГБ ОД, 61 10-5/2367. Данная диссертация изучает влияние добавок водорода в состав топливо-воздушной смеси и подтверждает ранее полученные результаты о равных положительных и ряде отрицательных свойств, получаемых при данном процессе (а именно некоторое повышение эффективности и экологичности при ухудшении детонационных свойств). Равно с прошлым источником не рассматривает возможности постепенного ухода от ДВС и углеродных топлив.2. Misbakhov Rinat Shaukatovich. The influence of hydrogen additives on the technical, economic and environmental performance of gas and diesel engines: dissertation ... Candidate of Technical Sciences: 04/05/02 / Misbakhov Rinat Shaukatovich; [Place of protection: Kazan, state. tech. University named after A.N. Tupolev]. - Kazan, 2010.- 165 p.: ill. RSL OD, 61 10-5/2367. This dissertation studies the effect of hydrogen additions to the fuel-air mixture and confirms previously obtained results about equal positive and a number of negative properties obtained through this process (namely, a slight increase in efficiency and environmental friendliness while detonation properties deteriorate). Just like the previous source, it does not consider the possibility of a gradual shift away from internal combustion engines and carbon fuels.

3. Костенко Светлана Сергеевна. Моделирование фильтрационных режимов окисления смесей метана в присутствии паров воды: диссертация... кандидата физико-математических наук: 01.04.17 / Костенко Светлана Сергеевна; [Место защиты: Ин-т проблем хим. физики РАН]. - Черноголовка, 2010. - 148 с: ил. РГБ ОД, 61 10-1/415. Данная диссертация рассматривает возможности конверсии метана с выделением водорода, что является не самым экологически чистым способом его получения. В свою очередь, применяемая в установке патента реакция электролиза является несколько более энергозатратной, но совершенно экологически чистой.3. Kostenko Svetlana Sergeevna. Modeling of filtration regimes of oxidation of methane mixtures in the presence of water vapor: dissertation... Candidate of Physical and Mathematical Sciences: 01.04.17 / Kostenko Svetlana Sergeevna; [Place of protection: Institute of Chemical Problems. physics of the Russian Academy of Sciences]. - Chernogolovka, 2010. - 148 p.: ill. RSL OD, 61 10-1/415. This dissertation examines the possibilities of methane conversion with the release of hydrogen, which is not the most environmentally friendly way to produce it. In turn, the electrolysis reaction used in the patent installation is somewhat more energy-consuming, but completely environmentally friendly.

4. Нефедьева Анна Вениаминовна. Научное обоснование выбора способа хранения водорода для морских электроэнергетических установок с прямым преобразованием энергии: диссертация кандидата технических наук: 05.08.05. - Санкт-Петербург, 2002.- 143 с: ил. РГБ ОД, 61 03-5/2560-3. Данная работа подтверждает актуальность и необходимость поиска различных решений ухода от углеродных топлив и ДВС в пользу более экологически чистых процессов.4. Nefedeva Anna Veniaminovna. Scientific justification for choosing a method of storing hydrogen for marine electrical power plants with direct energy conversion: dissertation of a candidate of technical sciences: 05.08.05. - St. Petersburg, 2002.- 143 p.: ill. RSL OD, 61 03-5/2560-3. This work confirms the relevance and necessity of finding various solutions to move away from carbon fuels and internal combustion engines in favor of more environmentally friendly processes.

По патентной информации Известна «Энергоустановка с генератором водорода» по патенту РФ на полезную модель №104384, опубл. 10.05.2011 г., МПК Н01М 8/06. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ДВС, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена.According to patent information “Power installation with a hydrogen generator” is known under the RF patent for utility model No. 104384, publ. 05/10/2011, IPC N01M 8/06. This patent implements the technology for producing hydrogen as part of an internal combustion engine, however, the resulting hydrogen is not used to power hydrogen batteries and is not used to separate and filter graphene membranes.

Известна «Установка получения водорода (варианты)» по патенту РФ на изобретение №2672416, МПК С01В 3/02, С07С 7/12, опубл. 14.11.2018 г. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ГТУ, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена.The “Hydrogen production installation (options)” is known according to RF patent for invention No. 2672416, IPC S01B 3/02, S07S 7/12, publ. 11/14/2018 This patent implements the technology for producing hydrogen as part of a gas turbine unit, however, the resulting hydrogen is not used to power hydrogen batteries and is not used to separate and filter graphene membranes.

Известен «Способ получения технического водорода и его использования в двигателях внутреннего сгорания» по патенту РФ на изобретение №2179251, МПК F02B 43/12, опубл. 10.02.2002 г. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ДВС, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена. Имеет ряд существенных конструктивно обоснованных недостатков.The “Method for producing technical hydrogen and its use in internal combustion engines” is known under the RF patent for invention No. 2179251, IPC F02B 43/12, publ. 02/10/2002 This patent implements the technology for producing hydrogen as part of an internal combustion engine, however, the resulting hydrogen is not used to power hydrogen batteries and is not used to separate and filter graphene membranes. It has a number of significant design-based disadvantages.

Известны «Система и способ изменения интервалов между вспышками в цилиндрах двигателя с рециркуляцией отработавших газов (варианты)», Патент РФ на изобретение №2700969 Форд Глобал Технолоджиз, ЛЖ (US). МПК FOIL 13/00, F02D 23/0, F02M 26/43. Опубл. 24.09.2019 г. В данном патенте реализована технология получения водорода в составе ДВС, однако, полученный водород не используется для питания водородных аккумуляторных батарей и не используют для его выделения и фильтрации мембраны из графена.The known “System and method for changing the intervals between flashes in the cylinders of an engine with exhaust gas recirculation (variants)”, RF Patent for invention No. 2700969 Ford Global Technologies, LV (US). IPC FOIL 13/00, F02D 23/0, F02M 26/43. Publ. 09/24/2019 This patent implements the technology for producing hydrogen as part of an internal combustion engine, however, the resulting hydrogen is not used to power hydrogen batteries and is not used to separate and filter graphene membranes.

Известен «Способ получения водорода с помощью термической диссоциации воды или низкотемпературных диссоциирующих веществ, содержащих в составе водород, с применением микроволнового излучения» по патенту РФ на изобретение №2647291, МПК С25В 1/02, C02F 1/30, опубл. 15.03.2018 г. Данный патент предусматривает получение водорода при крайне высоким температурах (до 3000 градусов Цельсия), что является небезопасным при применении подобной технологии на судах.Known is the “Method of producing hydrogen using thermal dissociation of water or low-temperature dissociating substances containing hydrogen using microwave radiation” according to RF patent for invention No. 2647291, IPC S25B 1/02, C02F 1/30, publ. 03/15/2018 This patent provides for the production of hydrogen at extremely high temperatures (up to 3000 degrees Celsius), which is unsafe when using such technology on ships.

Перечисленные в данных патентах системы не обладают комплексным решением, включающим несколько выполняемых задач.The systems listed in these patents do not have a comprehensive solution that includes several tasks.

Известен «Способ получения искусственной газовой смеси для двигателя внутреннего сгорания, работающего в режиме рециркуляции отработавших газов и устройство для его осуществления» по патенту РФ №2287069, МПК F02B 47/10, опубл. 10.11.2006 г. Согласно изобретению способ получения ИГС для двигателя внутреннего сгорания, работающего в режиме рециркуляции отработанных газов, включаетThe known “Method for producing an artificial gas mixture for an internal combustion engine operating in exhaust gas recirculation mode and a device for its implementation” according to RF patent No. 2287069, IPC F02B 47/10, publ. 11/10/2006 According to the invention, a method for producing IGS for an internal combustion engine operating in exhaust gas recirculation mode includes

отвод отработавших газов от двигателя, двухступенчатую очистку, путем мокрой очистки от примесей и последующего удаления диоксида углерода с одновременным обогащением кислородом. При этом отработавшие газы охлаждают и в полном объеме подвергают мокрой очистке, затем разделяют их на два потока регулируемого объема. Один из потоков дополнительно охлаждают и осушают, обеспечивают его контактный теплообмен с жидким кислородом с получением газообразного кислорода и вымораживанием фракций воды и диоксида углерода. После отделяют и выводят твердые фракции воды и диоксида углерода. Полученную охлажденную и обогащенную кислородом газовую смесь соединяют с другим потоком охлажденных и осушенных отработавших газов с получением охлажденной ИГС, которую дополнительно подогревают перед подачей в двигатель внутреннего сгорания.removal of exhaust gases from the engine, two-stage cleaning, by wet cleaning from impurities and subsequent removal of carbon dioxide with simultaneous oxygen enrichment. In this case, the exhaust gases are cooled and completely subjected to wet cleaning, then they are divided into two streams of adjustable volume. One of the streams is additionally cooled and dried, contact heat exchange with liquid oxygen is ensured to produce gaseous oxygen and freezing out the water and carbon dioxide fractions. Then the solid fractions of water and carbon dioxide are separated and removed. The resulting cooled and oxygen-enriched gas mixture is combined with another stream of cooled and dried exhaust gases to produce a cooled IGS, which is further heated before being supplied to the internal combustion engine.

Известен «Способ приготовления искусственной газовой смеси для ДВС, работающего в режиме рециркуляции отработавших газов» по патенту РФ №2158833, МПК F02B 47/10, F02M 25/10, опубл. 2000 г. Способ включает в себя отвод отработавших газов от двигателя, обработку отработавших газов посредством реагента, состоящую из поглощения углекислого газа и выделения кислорода, и подачу искусственной газовой смеси на впуск двигателя.The known “Method of preparing an artificial gas mixture for an internal combustion engine operating in exhaust gas recirculation mode” according to RF patent No. 2158833, IPC F02B 47/10, F02M 25/10, publ. 2000. The method includes removing exhaust gases from the engine, treating the exhaust gases with a reagent consisting of absorbing carbon dioxide and releasing oxygen, and supplying an artificial gas mixture to the engine intake.

Обработку отработавших газов производят посредством разделения отработавших газов на две регулируемые части. Одну из частей орошают путем дозированного впрыска воды, пропускают падающий поток отработавших газов через набор пластин реагента, очищают от твердых частиц, продуктов химических реакций и капельной влаги. После чего смешивают со второй частью потока отработавших газов и охлаждают. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности приготовления искусственной газовой смеси для дизеля.Exhaust gas treatment is carried out by dividing the exhaust gas into two controlled parts. One of the parts is irrigated by dosed injection of water, the falling flow of exhaust gases is passed through a set of reagent plates, and cleaned of solid particles, chemical reaction products and droplets of moisture. Then it is mixed with the second part of the exhaust gas stream and cooled. The technical result consists in increasing the reliability and efficiency of preparing an artificial gas mixture for diesel.

Известен «Способ получения искусственной газовой смеси для энергетической установки, работающей вKnown “Method of producing an artificial gas mixture for a power plant operating in

режиме рециркуляции отработанных газов» по патенту РФ №2730270, МПК F02G 1/04, опубл. 21.08.2020 г. Изобретение относится к области анаэробной энергетики и может быть использовано в воздухонезависимых энергоустановках с тепловыми двигателями и особенно в судовых энергетических установках подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха. Изобретение позволяет упростить технологический процесс, повысить надежность и эффективность получения искусственной газовой смеси криогенного цикла сжижения СО2 для воздухонезависимых энергетических установок, работающих в широком диапазоне нагрузок, что достигается за счет того, что в начале весь расход циркуляционного потока жидкой СО2 охлаждают до 218÷220К в процессе теплообмена с потоком жидкого О2 за счет испарения части жидкого О2, при этом расход жидкого О2 соответствует расходу для получения оптимального составаexhaust gas recirculation mode" according to RF patent No. 2730270, IPC F02G 1/04, publ. 08/21/2020 The invention relates to the field of anaerobic energy and can be used in air-independent power plants with thermal engines and especially in ship power plants of underwater vehicles operating without access to atmospheric air. The invention makes it possible to simplify the technological process, increase the reliability and efficiency of obtaining an artificial gas mixture of the cryogenic cycle of CO 2 liquefaction for air-independent power plants operating in a wide range of loads, which is achieved due to the fact that at the beginning the entire flow rate of the circulating flow of liquid CO 2 is cooled to 218÷ 220K in the process of heat exchange with the flow of liquid O 2 due to the evaporation of part of the liquid O 2 , while the flow rate of liquid O 2 corresponds to the flow rate to obtain the optimal composition

искусственной газовой смеси, требующейся для работы энергетической установки, после чего в процессе теплообмена с осушенным потоком газовой смеси поток жидкой СО2 нагревают до 237÷238К и вновь охлаждают до температуры 220÷222К за счет полного испарения жидкого О2 и теплообмена с газифицированным О2, который нагревают до 235÷236К, а осушенный поток газовой смеси охлажденный до 220+222К в процессе теплообмена с жидкой СО2 при давлении 1,6÷2,0 МПа разделяют на жидкую СО2 и несконденсированную газовую смесь О2 и СО2, при этом поток несконденсированной газовой смеси эжектируют и за счет эжекции смешивают с потоком газифицированного О2, после чего обогащенный О2 обратный поток направляют для теплообмена в первую ступень, где нагревают до температуры 305÷310К и соединяют с неочищенной частью рециркуляционного потока, и полученную искусственную газовую смесь направляют в энергетическую установку.artificial gas mixture required for the operation of the power plant, after which, in the process of heat exchange with the dried gas mixture flow, the liquid CO 2 flow is heated to 237÷238K and again cooled to a temperature of 220÷222K due to the complete evaporation of liquid O2 and heat exchange with gasified O2 , which is heated to 235÷236K, and the dried gas mixture flow cooled to 220+222K in the process of heat exchange with liquid CO 2 at a pressure of 1.6÷2.0 MPa is divided into liquid CO 2 and a non-condensed gas mixture of O 2 and CO 2 , in this case, the flow of the non-condensed gas mixture is ejected and, due to ejection, mixed with the flow of gasified O 2 , after which the O 2- enriched return flow is sent for heat exchange to the first stage, where it is heated to a temperature of 305÷310 K and combined with the unpurified part of the recirculation flow, and the resulting artificial the gas mixture is sent to the power plant.

Перечисленные патенты решают задачи по рециркуляции отработанных газов, однако, не соответствуют задаче, поставленной предлагаемым изобретением.The listed patents solve the problem of exhaust gas recirculation, however, they do not correspond to the problem posed by the proposed invention.

Имеющиеся системы не включают в себя сразу ряд выполняемых задач, среди которых: повышение экологичности путем очистки газов, повторное их использование путем рециркуляции, выделение и последующее использование водорода, что может считаться повторным использованием отработанных газов с вторичным преобразованием, повышающим эффективность и экологичность работы двигателя.The existing systems do not immediately include a number of tasks, including: increasing environmental friendliness by purifying gases, reusing them through recycling, separating and then using hydrogen, which can be considered reuse of exhaust gases with secondary conversion, increasing the efficiency and environmental friendliness of the engine.

Технической задачей предлагаемого изобретения является:The technical objective of the proposed invention is:

- повышение экологичности работы судовой энергетической установки путем очистки отработавших газов;- increasing the environmental friendliness of the operation of a ship's power plant by cleaning exhaust gases;

- выделение из отработавших газов водорода и последующее его- separation of hydrogen from exhaust gases and its subsequent

использование;usage;

- вторичное преобразование отработавших газов и повторное их использование путем рециркуляции.- secondary transformation of exhaust gases and their reuse through recirculation.

Для достижения технической задачи предлагается система комплексного вторичного использования отработавших газов судового двигателя внутреннего сгорания, содержащая блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом, блок выделения газообразного водорода, блок вторичного использования очищенных отработанных газов и блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей, при этом блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом включает соединенный с двигателем внутреннего сгорания скруббер для приема и увлажнения отработанных газов, электролизер, вход в который соединен со скруббером, а выход с графеновым лабиринтным фильтром, блок выделения газообразного водорода включает графеновый лабиринтный фильтр, установленный с возможностью сообщения с компрессором и впускным коллектором блока вторичного использования очищенных отработанных газов, а блок вторичного использования очищенных отработанных газов включает впускной коллектор для ввода очищенных отработанных газов в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и выпускной коллектор для выхода оставшегося объема очищенных отработанных газов в атмосферу, блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей содержит компрессор, криогенератор, систему хранения водорода, компрессор воздуха высокого давления, воздухоразделительную установку, устройство подачи кислорода, аккумуляторные водородные батареи, причем блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом непосредственно связан с ДВС, движителем, валогенератором, а аккумуляторные водородные батареи через главный распределительный щит (ГРЩ) связаны с потребителями энергии.To achieve the technical task, a system for the integrated recycling of exhaust gases from a marine internal combustion engine is proposed, containing a block for preliminary purification of exhaust gases using a “wet” method, a block for the release of hydrogen gas, a block for the recycling of purified exhaust gases and a block for using the separated hydrogen gas to power batteries, with In this case, the unit for preliminary purification of exhaust gases using the “wet” method includes a scrubber connected to the internal combustion engine for receiving and humidifying exhaust gases, an electrolyzer, the inlet of which is connected to the scrubber, and the outlet is connected to a graphene labyrinth filter; the hydrogen gas separation unit includes a graphene labyrinth filter installed with the ability to communicate with the compressor and the intake manifold of the unit for the recycling of purified exhaust gases, and the unit for the secondary use of purified exhaust gases includes an intake manifold for introducing purified exhaust gases into the internal combustion engine (ICE) and an exhaust manifold for releasing the remaining volume of purified exhaust gases into the atmosphere, the unit for using the separated hydrogen gas to power the batteries contains a compressor, a cryogenerator, a hydrogen storage system, a high-pressure air compressor, an air separation unit, an oxygen supply device, and hydrogen batteries, and the unit for preliminary purification of exhaust gases using the “wet” method is directly connected to the internal combustion engine, the propulsion unit , a shaft generator, and the hydrogen batteries are connected to energy consumers through the main distribution board (MSB).

ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТTECHNICAL RESULT

Технический результат заключается в получении газовой смеси, позволяющей эффективно работать судовой энергетической установке и получении водорода для энергопитания аккумуляторных батарей, а также в получении электроэнергии, способной питать судовых потребителей и брать на себя часть нагрузки с вспомогательных дизельгенераторов или же полностью исключить необходимость в них.The technical result consists in obtaining a gas mixture that allows the ship's power plant to operate efficiently and to obtain hydrogen to power batteries, as well as to obtain electricity that can power ship consumers and take on part of the load from auxiliary diesel generators or completely eliminate the need for them.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Сущность изобретения заключается в том, что производят комплексное вторичное использование отработанных газов судовой энергетической установки: использование как рециркуляционный процесс и использование газовой составляющей смеси - водорода. Конструктивное решение предлагаемой системы обеспечивает экологическую очистку отработанных газов, разделение газовой смеси на водород и кислород, фильтрации полученной смеси газов через графеновый лабиринтовый фильтр с выделением водорода, его трансферу к компрессору и криогенератору, способному сжижать выделенный водород, и его последующему использованию как одного из двух необходимых веществ (наравне с кислородом) для питания водородных аккумуляторных батарей и получения электроэнергии, способной питать судовых потребителей и брать на себя часть нагрузки с вспомогательных дизельгенераторов или же полностью исключить необходимость в них.The essence of the invention lies in the fact that a comprehensive recycling of exhaust gases from a ship's power plant is carried out: use as a recirculation process and the use of the gas component of the mixture - hydrogen. The design solution of the proposed system provides environmental purification of exhaust gases, separation of the gas mixture into hydrogen and oxygen, filtration of the resulting mixture of gases through a graphene labyrinth filter with the release of hydrogen, its transfer to a compressor and cryogenerator capable of liquefying the released hydrogen, and its subsequent use as one of two necessary substances (along with oxygen) to power hydrogen batteries and generate electricity capable of powering ship consumers and taking on part of the load from auxiliary diesel generators or completely eliminating the need for them.

Очищенные отработанные газы, из которых уже выделен водород, могут быть снова направлены во впускной тракт двигателя, что в свою очередь повысит его эффективность, мощность и экологичность путем увеличения заряда воздуха и улучшения его состава повышенным содержанием кислорода.Purified exhaust gases, from which hydrogen has already been separated, can be recirculated into the engine intake tract, which in turn will increase its efficiency, power and environmental friendliness by increasing the air charge and improving its composition with an increased oxygen content.

Установка имеет в своем составе двигатель внутреннего сгорания, скруббер, электролизер, фильтр, содержащий графеновые мембраны, компрессор, криогенератор, воздухоразделительное устройство, водородные аккумуляторные батареи, главный распределительный щит, движитель, валогенератор и потребителей электроэнергии.The installation includes an internal combustion engine, a scrubber, an electrolyzer, a filter containing graphene membranes, a compressor, a cryogenerator, an air separation device, hydrogen batteries, a main distribution board, a propulsion unit, a shaft generator and electricity consumers.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На рисунке изображена принципиальная схема системы.The essence of the invention is illustrated by graphic material. The figure shows a schematic diagram of the system.

Блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом содержит соединенный с двигателем внутреннего сгорания скруббер 1 для приема и увлажнения отработанных газов, электролизер 2, вход в который соединен со скруббером, а выход с графеновым лабиринтным фильтром 3.The unit for preliminary purification of exhaust gases using the “wet” method contains a scrubber 1 connected to the internal combustion engine for receiving and humidifying exhaust gases, an electrolyzer 2, the entrance to which is connected to the scrubber, and the output to a graphene labyrinth filter 3.

Блок выделения газообразного водорода включает графеновый лабиринтный фильтр 3, установленный с возможностью сообщения с компрессором и впускным коллектором 10 блока вторичного использования очищенных отработанных газов.The hydrogen gas separation unit includes a graphene labyrinth filter 3 installed in communication with the compressor and the inlet manifold 10 of the unit for recycling purified exhaust gases.

Блок вторичного использования очищенных отработанных газов включает впускной коллектор 10 для ввода очищенных отработанных газов в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и выпускной коллектор для выхода оставшегося объема очищенных отработанных газов в атмосферу.The unit for recycling purified exhaust gases includes an intake manifold 10 for introducing purified exhaust gases into the internal combustion engine (ICE) and an exhaust manifold for releasing the remaining volume of purified exhaust gases into the atmosphere.

Блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей содержит компрессор 4, криогенератор 5, систему хранения водорода хранения водорода 6, компрессор воздуха высокого давления 7, воздухоразделительную установку 8, устройство подачи кислорода, аккумуляторные водородные батареи 9.The unit for using the separated hydrogen gas to power the batteries contains a compressor 4, a cryogenerator 5, a hydrogen storage system 6, a high-pressure air compressor 7, an air separation unit 8, an oxygen supply device, and hydrogen batteries 9.

Блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом непосредственно связан с ДВС, движителем, валогенератором, а аккумуляторные водородные батареи 9 через главный распределительный щит (ГРЩ) связаны с потребителями энергии.The exhaust gas pre-purification unit using the “wet” method is directly connected to the internal combustion engine, propulsion unit, shaft generator, and the hydrogen batteries 9 are connected to energy consumers through the main distribution board (MSB).

РАБОТА СИСТЕМЫSYSTEM OPERATION

Судовой двигатель внутреннего сгорания в ходе своей эксплуатации производит отработанные газы, что направляются по выхлопному коллектору в скруббер 1, где происходит барботирование их и очистки, после предварительно очищенные отработанные газы с повышенным содержанием водяных паров в своем составе проходят через встроенный в коллектор электролизер 2, который путем воздействия электрического тока проводит диссоциацию имеющихся водяных паров на кислород и водород. Для выделения водорода смесь газов проводят через лабиринтовый фильтр 3, содержащий графеновые матрицы, не пропускающие никаких газов, кроме водорода. Благодаря конструктивному решению очищенные отработанные газы возвращаются обратно во впускной коллектор двигателя 10, а выделенный водород направляется в компрессор 4, где производится его сжатие и подготовка к сжижению в криогенераторе 5, где будет продолжено его сжатие и охлаждение до тех пор, пока он не перейдет как вещество в жидкое состояние. Сжиженный водород направляется к водородным аккумуляторным батареям 9, к ним же подводится кислород, полученный путем его сепарации в воздухоразделительном устройстве 8. Протекающая химическая реакция соединения водорода и кислорода создает разность потенциалов и соответственно электрический ток, поступающий через судовые электросети к главному распределительному щиту (ГРЩ), от него -к судовым потребителям электроэнергии.During its operation, a marine internal combustion engine produces exhaust gases, which are sent through the exhaust manifold to the scrubber 1, where they are bubbling and purified, after which the pre-cleaned exhaust gases with a high content of water vapor in their composition pass through the electrolyzer 2 built into the manifold, which By applying an electric current, it dissociates existing water vapor into oxygen and hydrogen. To release hydrogen, a mixture of gases is passed through a labyrinth filter 3 containing graphene matrices that do not allow any gases to pass through except hydrogen. Thanks to the design solution, the purified exhaust gases are returned back to the intake manifold of the engine 10, and the separated hydrogen is sent to the compressor 4, where it is compressed and prepared for liquefaction in the cryogenerator 5, where its compression and cooling will continue until it passes as substance into a liquid state. Liquefied hydrogen is sent to hydrogen batteries 9, and oxygen is supplied to them, obtained by separating it in an air separation device 8. The ongoing chemical reaction of combining hydrogen and oxygen creates a potential difference and, accordingly, an electric current supplied through the ship's electrical networks to the main distribution board (MSB) , from it to ship consumers of electricity.

Claims (1)

Система комплексного вторичного использования отработавших газов судовой энергетической установки, содержащая блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом, блок выделения газообразного водорода, блок вторичного использования очищенных отработанных газов и блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей, при этом блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом включает соединенный с двигателем внутреннего сгорания скруббер для приема и увлажнения отработанных газов, электролизер, вход в который соединен со скруббером, а выход с графеновым лабиринтным фильтром, блок выделения газообразного водорода включает графеновый лабиринтный фильтр, установленный с возможностью сообщения с компрессором и впускным коллектором блока вторичного использования очищенных отработанных газов, а блок вторичного использования очищенных отработанных газов включает впускной коллектор для ввода очищенных отработанных газов в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и выпускной коллектор для выхода оставшегося объема очищенных отработанных газов в атмосферу, блок использования выделенного газообразного водорода для энергопитания аккумуляторных батарей содержит компрессор, криогенератор, систему хранения водорода, компрессор воздуха высокого давления, воздухоразделительную установку, устройство подачи кислорода, аккумуляторные водородные батареи, причем блок предварительной очистки отработанных газов «мокрым» способом непосредственно связан с ДВС, движителем, валогенератором, а аккумуляторные водородные батареи через главный распределительный щит (ГРЩ) связаны с потребителями энергии.A system for the integrated recycling of exhaust gases from a ship's power plant, containing a block for preliminary purification of exhaust gases using a “wet” method, a block for the release of hydrogen gas, a block for the recycling of purified exhaust gases and a block for using the separated hydrogen gas to power batteries, while the block for pre-purification of exhaust gases the “wet” method includes a scrubber connected to the internal combustion engine for receiving and humidifying exhaust gases, an electrolyzer, the inlet of which is connected to the scrubber, and the outlet is connected to a graphene labyrinth filter, a hydrogen gas separation unit includes a graphene labyrinth filter installed in communication with the compressor and the intake manifold of the unit for recycling purified exhaust gases, and the unit for recycling purified exhaust gases includes an intake manifold for introducing purified exhaust gases into the internal combustion engine (ICE) and an exhaust manifold for releasing the remaining volume of purified exhaust gases into the atmosphere, a unit for using the separated hydrogen gas for power supply for storage batteries contains a compressor, a cryogenerator, a hydrogen storage system, a high-pressure air compressor, an air separation unit, an oxygen supply device, storage hydrogen batteries, and the exhaust gas pre-purification unit by the “wet” method is directly connected to the internal combustion engine, propulsion unit, shaft generator, and the storage hydrogen The batteries are connected to energy consumers through the main distribution board (MSB).
RU2023107850A 2023-03-29 System for integrated recycling of exhaust gases from ship's power plant RU2804672C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2804672C1 true RU2804672C1 (en) 2023-10-03

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2125169C1 (en) * 1996-05-08 1999-01-20 ХСУ Чих-Ченг (TW-CN) Internal combustion engine system and water supply auxiliary system for internal combustion engine
RU2135786C1 (en) * 1998-01-19 1999-08-27 Воронежская государственная архитектурно-строительная академия Vehicle exhaust gas combination emission control system
RU158383U1 (en) * 2015-08-31 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" INTERNAL COMBUSTION ENGINE RELEASE DEVICE
US20180243461A1 (en) * 2015-09-10 2018-08-30 Samsung Heavy Industries Co., Ltd. Contaminant reducing device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2125169C1 (en) * 1996-05-08 1999-01-20 ХСУ Чих-Ченг (TW-CN) Internal combustion engine system and water supply auxiliary system for internal combustion engine
RU2135786C1 (en) * 1998-01-19 1999-08-27 Воронежская государственная архитектурно-строительная академия Vehicle exhaust gas combination emission control system
RU158383U1 (en) * 2015-08-31 2015-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" INTERNAL COMBUSTION ENGINE RELEASE DEVICE
US20180243461A1 (en) * 2015-09-10 2018-08-30 Samsung Heavy Industries Co., Ltd. Contaminant reducing device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Комплексное решение, включающее в себя систему по выделению, сжижению и использованию водорода на судах морского флота для повышения экологичности судовой энергетической установки / Т. Г. Тория // Эксплуатация морского транспорта. - 2022. - N 4(105) (с. 121-125). *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20080223332A1 (en) Advanced internal combustion engine
KR100919357B1 (en) Method for on board decarbonization of hydrocarbon fuels in a vehicle
US20230018213A1 (en) Emission-free devices and method for performing mechanical work and for generating electrical and thermal energy
US20210372615A1 (en) A process and an apparatus for utilizing fossil energy with low carbon emissions
RU2804672C1 (en) System for integrated recycling of exhaust gases from ship's power plant
WO2019130619A1 (en) Engine burning hydrogen and oxygen
DK2348254T3 (en) Refueling system for a mobile machine
CN112983689A (en) Vehicle-mounted methanol and/or ethanol hydrogen production device based on engine tail gas preheating
RU2475677C1 (en) Method of processing solid household and industrial wastes using synthesis gas
WO2023144069A1 (en) Carbon capture system onboard a vessel
PL240266B1 (en) Method for producing nitrogen compounds from organic waste and the system for producing nitrogen compounds from organic waste
JPH06511226A (en) How to burn hydrocarbons
RU2388118C1 (en) Installation for electric energy generation from raw hydrocarbons
CN114635787A (en) Thermal decomposition low-pressure mixed ammonia fuel engine
CN112851463A (en) System and method for preparing methane by using sulfur-containing flue gas of boiler
GB2608578A (en) Methods and related systems for processing an exhaust stream of a ship engine for safe disposal at sea
RU2772204C1 (en) Gas chemical plant for hydrogen production with oxyfuel combustion and carbon dioxide capture
CN114988364B (en) Power generation system based on natural gas hydrogen production and fuel cell technology
JP7004887B2 (en) An engine that burns hydrogen and oxygen.
EP4298327A1 (en) Internal combustion engine powered with hydrogen and liquid oxygen
CN215566299U (en) Vehicle-mounted methanol and/or ethanol hydrogen production device based on engine tail gas preheating
RU2803548C1 (en) Power plant
RU2028474C1 (en) Method of operation of power plant
RU1803423C (en) Plant for processing of associated petroleum gas and cultivation of microalgae
CN116639651A (en) Hydrogen power wind power operation and maintenance ship for decomposing liquid ammonia