Фильтр для удаления диоксида углерода из газового потока

Настоящее изобретение относится к устройствам для удаления СO₂ из газов, в частности к фильтру для удаления диоксида углерода из газового потока. Фильтр содержит первый корпус, стенки которого выполнены из переплетенных между собой волокон, образующих множество расположенных по существу в горизонтальном направлении каналов, второй корпус с закрытым торцом, где первый корпус является полым и помещен во внутрь второго корпуса. Пространство между указанными корпусами заполнено волокнами, образующими множество каналов. Внутри первого корпуса помещен химический агент, и характерный поперечный размер образованных волокнами каналов лежит в субмикронном диапазоне. Технический результат при использовании заявленного изобретения позволяет быстро и эффективно удалить диоксид углерода из газового потока. 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

 

Настоящее изобретение относится к устройствам для удаления СO₂ из газовых потоков, в частности к фильтру для удаления диоксида углерода (например, из горячего газа, образующегося при сгорании угля, нефтепродуктов и т.д.). Данный фильтр может использоваться как для очистки выхлопных газов автомобилей, так и для очистки отходящих газов с промышленных предприятий, в частности электростанций.

В патенте US 6755892 раскрыта система удаления диоксида углерода из газа, включающая слой сорбента, поглощающий CO₂, канал, соединяющий источник CO₂ с указанным слоем, канал, соединяющий указанный слой с выходом, устройство регенерации для выделения CO₂ из указанного слоя сорбента и, по крайней мере, один клапан для контроля потока газа в систему, а также из нее.

Однако такая система малоэффективна, особенно при высоких скоростях потоков газа, содержащих высокие концентрации CO₂. В WO 2010/027929 А1 раскрыта система удаления диоксида углерода из потока газов, включающая емкость абсорбции, через которую пропускают поток газа, и содержащая сорбирующий материал, поглощающий CO₂, где сорбирующий материал содержит по крайней мере один амин, по крайней мере один катализатор, активирующий диоксид углерода, и по крайней мере один пористый материал, несущий указанный амин и катализатор.

Однако данная система довольно сложна и не дает полной гарантии наиболее эффективного поглощения CO₂. В частности, эта система требует сложного приготовления пористого вещества из раствора и последующего нанесения на поверхность с первоначальным просыханием и кальцинированием при высоких температурах (доходящих до 1000С°).

Известно устройство для удаления диоксида углерода, состоящее из термостойкой бумаги, пропитанной адсорбентом, поглощающим диоксид углерода, и имеющей множество выступающих участков на поверхности бумаги, где термостойкая бумага свернута в многослойный цилиндр с образованием выступающими участками непрямого канала в продольным направлении цилиндра (JP 2009275585, 26.11.2009, SUZUKI KENJI).

Главным недостатком такого устройства является неполное удаление диоксида углерода из потока газа, а также быстрое засорение данного устройства.

Известен фильтрующий элемент для очистки и осушки газов, состоящий из концентрично установленных один в другом двух или более цилиндров, промежутки между которыми заполнены зернистым влагопоглощающим материалом, отличающийся тем, что стенки цилиндров выполнены из термоскрепленных в местах пересечений волокон термопластичного полимера, причем диаметр волокон, образующих первые по ходу движения очищаемого газа цилиндры, больше, а плотность их укладки меньше, чем у последующих, при этом средний диаметр пор первого по ходу движения очищаемого газа цилиндра не более 0,05 мм, а размер частиц зернистого материала находится в пределах от 0,05 до 1 мм, суммарная толщина слоев с зернистым материалом не меньше 60 мм (RU 2224580 С1, 27.02.2004, Республиканское унитарное предприятие Специальное конструкторско-технологическое бюро "Металлополимер" (BY)).

Однако эффективность удаления диоксида углерода и срок службы известного фильтра также низки.

Фильтр согласно настоящему изобретению не содержит недостатков вышеуказанных решений. При создании фильтра автором неожиданно было обнаружено, что при упрощении конструкции фильтра, а также упрощении изготовления существенным образом повышается эффективность удаления диоксида углерода из газового потока, которая приближается почти к 100%. Кроме того, настоящий фильтр прост в обслуживании и может быть быстро восстановлен для повторного использования.

Согласно настоящему изобретению фильтр состоит из двух корпусов, один из которых помещен вовнутрь второго корпуса, закрытого с одного торца. Стенки внутреннего корпуса сформированы из волокон, которые переплетены друг с другом и образуют множество расположенных по существу в горизонтальном направлении каналов, поперечный размер которых лежит в субмикронном диапазоне, например от 100 нанометров до 1 микрона. Один торец внутреннего корпуса может примыкать к закрытому торцу внешнего корпуса, а может отступать от него на некоторое расстояние. К другому торцу внутреннего корпуса подведен газопровод, через который в фильтр поступает неочищенный газ. Пространство между стенками корпусов заполнено волокнами, образующими множество каналов, а пространство внутреннего корпуса заполняется химическим агентом.

Форма корпусов может варьироваться, в частности может быть цилиндрической.

Используемые волокна могут быть полипропиленовыми волокнами, имеющими высокую химическую инертность и выдерживающими температуры выше 200C°. Может применяться и вспененный полипропилен, используемый при изготовлении механических фильтров для очистки воды от частиц микронных размеров. Также волокна могут быть металлическими, керамическими в зависимости от условий применения фильтра настоящего изобретения.

Химическим агентом является вещество, абсорбирующее диоксид углерода, например гидроксид натрия, гидросульфид кальция, гидроксид кальция, оксиды металла, силикаты.

Вариантом настоящего изобретения является фильтр с указанной конструкцией, где поверх волокон, расположенных между корпусами, дополнительно размещают химический агент.

Стенки внешнего корпуса могут быть выполнены из прозрачного материала, позволяющего наблюдать степень отработки фильтра.

Многочисленные эксперименты показали, что конструкция такого фильтра позволяет почти полностью удалить углекислый газ из газового потока. При этом не требуются дополнительные энергетические затраты.

Конструкция фильтра настоящего изобретения детально показана на Фигурах 1-3.

Фигура 1 - общий вид фильтра.

Фигура 2 - фильтр с химическим агентом поверх волокон, расположенных между стенками корпусов.

Фигура 3 - фильтр, где торец внутреннего корпуса отступает от внешнего корпуса на некоторое расстояние.

Автор полагает, что повышенная эффективность фильтра настоящего изобретения обусловлена принципом его работы, которая заключается в следующем.

Поток неочищенного газа через газопровод (1) поступает во внутренний корпус фильтра, в котором происходит первичное улавливание диоксида углерода химическим агентом (3). Помимо поглотительной функции агент имеет барьерную функцию, позволяющую погасить высокие скорости потока газа, а также достаточно равномерно распределить его по всему объему внутреннего корпуса.

Поскольку противоположный газопроводу торец (7) внешнего канала закрыт, прошедший через сорбент газ направляется через каналы (4), образованные волокнами, в межкорпусное пространство, которое также заполнено волокнами, формирующими каналы (5). Необходимо отметить, что в потоке газа находятся пары воды. При прохождении газа через сорбент температура газа снижается. Также температуру газа позволяют снизить размеры каналов, через которые проходит газ. Таким образом, пары воды, находящиеся в потоке газа, переходят в жидкое состояние. Присутствующий в газе диоксид углерода начинает растворяться в воде. Субмикронный диапазон размеров каналов позволяет растворить практически 100% диоксида углерода в воде.

Далее газ через систему каналов, сформированных волокнами, расположенных между корпусами (5), направляется в сторону открытого торца внешнего корпуса, где собирается и выводится.

С целью удаления диоксида углерода, который может присутствовать в потоке в результате равновесного перехода из воды на выходе из фильтра, поверх волокон, расположенных между корпусами, дополнительно помещают химический агент (6).

По мере функционирования фильтр наполняется водой, уровень которой можно наблюдать через прозрачные стенки внешнего корпуса (2). Работа фильтра прекращается, когда он полностью заполняется водой. Для регенерации фильтра требуется только удаление из него воды с растворенным CO₂ и замена химического агента.

Многочисленные эксперименты показали, что каналы, поперечный размер которых лежит в субмикронном диапазоне, играют важную роль в обеспечении почти полной абсорбции диоксида углерода из потока газа. Кроме того, отработанный химический агент может в дальнейшем быть использован, например, в качестве компонента при изготовлении удобрения.

Размеры фильтра могут варьироваться от несколько сантиметров до несколько метров в зависимости от назначения.

ПРИМЕР 1

Был изготовлен фильтр с описанной выше конструкцией, где использовали полипропиленовые волокна и гидроксид натрия в качестве химического агента. Данный фильтр функционировал при температуре потока газа от 100 до 200°C и с содержанием диоксида углерода в потоке примерно 40%. Сравнительный анализ работы данного фильтра с работой фильтра, раскрытого в патенте US 6755892, показал существенное повышение эффективности фильтра по настоящему изобретению.

Таблица 1
	Содержание диоксида углерода в потоке газа на входе в фильтрующее устройство (%)	Содержание диоксида углерода в потоке газа на выходе из фильтрующего устройства (%)
US 6755892	40	20
Фильтр согласно настоящему изобретению	40	2

Пример 2

Был изготовлен фильтр с описанной выше конструкцией, где использовали металлические волокна и оксид кальция в качестве химического агента. Данный фильтр функционировал при температуре потока газа от 1000 до 1500°C и с содержанием диоксида углерода в потоке примерно 30%. Сравнительный анализ работы данного фильтра с работой фильтра, раскрытого в патенте US 6755892, показал существенное повышение эффективности фильтра по настоящему изобретению.

Таблица 2
	Содержание диоксида углерода в потоке газа на входе в фильтрующее устройство (%)	Содержание диоксида углерода в потоке газа на выходе из фильтрующего устройства (%)
US 6755892	30	15
Фильтр согласно настоящему изобретению	30	1

Пример 3

Был изготовлен фильтр с описанной выше конструкцией, где использовали керамические волокна и гидроксид натрия в качестве химического агента. Химический агент дополнительно помещали поверх волокон, расположенных между корпусами. Фильтр функционировал при температуре потока газа от 1000 до 2000°C и с содержанием диоксида углерода в потоке примерно 40%. Сравнительный анализ работы данного фильтра с работой фильтра, раскрытого в патенте US 6755892, показал существенное повышение эффективности фильтра по настоящему изобретению.

Таблица 3
	Содержание диоксида углерода в потоке газа на входе в фильтрующее устройство (%)	Содержание диоксида углерода в потоке газа на выходе из фильтрующего устройства (%)
US 6755892	40	10
Фильтр согласно настоящему изобретению	40	3

1. Фильтр для удаления диоксида углерода из газового потока, содержащий первый корпус, стенки которого выполнены из переплетенных между собой волокон, образующих множество расположенных, по существу, в горизонтальном направлении каналов, и второй корпус с закрытым торцом, где первый корпус является полым и помещен вовнутрь второго корпуса, пространство между указанными корпусами заполнено волокнами, образующими множество каналов, причем внутри первого корпуса помещен химический агент, и характерный поперечный размер образованных волокнами каналов лежит в субмикронном диапазоне.

2. Фильтр по п.1, где внешний корпус и внутренний корпус имеют, по существу, цилиндрическую форму.

3. Фильтр по п.1, где волокна являются полипропиленовыми волокнами.

4. Фильтр по п.1, где волокна являются металлическими волокнами.

5. Фильтр по п.1, где волокна являются керамическими волокнами.

6. Фильтр по п.1, где характерный поперечный размер каналов лежит в диапазоне от 0,1 до 1 мкм.

7. Фильтр по п.1, где поверх волокнистого материала, расположенного между корпусами, дополнительно помещен химический агент, через который проходит выходящий из фильтра газ.

8. Фильтр по п.1 или 4, где в качестве химического агента выбрано вещество, абсорбирующее диоксид углерода.