DE102013200755A1

DE102013200755A1 - Kohledioxidabscheidevorrichtung zur Abscheidung von Kohledioxid aus einem Verbrennungsabgas

Info

Publication number: DE102013200755A1
Application number: DE102013200755A
Authority: DE
Inventors: Jens-Uwe Repke; Marc-Oliver Schach; Rüdiger Schneider; Henning Schramm
Original assignee: Technische Universitaet Berlin; Siemens AG
Current assignee: Technische Universitaet Berlin; Siemens AG
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-08-22
Also published as: WO2013124127A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) zur Abscheidung von Kohledioxid aus einem Verbrennungsabgas (2). Die Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) umfasst einen Absorptionsmittelkreislauf (5), in den ein Absorber (3) und ein Desorber (4) geschaltet sind, und einen dem Desorber (4) über eine Dampfleitung (7) nachgeschalteten Kondensator (6) zur Kondensation von im Desorber (4) verdampften Absorptionsmittel. Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscher (8) vorgesehen, der primärseitig in die Dampfleitung (7) und sekundärseitig in den Absorptionsmittelkreislauf (5) geschaltet ist, sodass Kondensationswärme von einem verdampften Absorptionsmittel im Kondensator (6) auf ein Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf (5) übertragbar ist.

Description

Kohlendioxid fällt als klimawirksames Gas als Bestandteil von Rauchgasen bei fossilen Verbrennungsprozessen an. Insbesondere bei fossil befeuerten Kraftwerken zur Elektrizitätserzeugung fallen hohe Mengen an Kohlendioxid an. Zur Vermeidung bzw. Verringerung entsprechender Emissionen muss Kohlendioxid abgetrennt werden.
Im großtechnischen Maßstab ist die Abtrennung von Kohlendioxid heute praktisch nur mit einem kombinierten Verfahren aus Absorption und Desorption wirtschaftlich möglich.
In einer Kohlendioxidabscheidevorrichtung kommt das Rauchgas im Absorber mit einem selektiven Lösungsmittel, einem Absorptionsmittel, in Kontakt. Dabei wird Kohlendioxid aus dem Rauchgas aufgenommen. Den Absorber verlässt ein gereinigtes Abgas am Kopf der Absorberkolonne. Das mit Kohlendioxid beladene Lösungsmittel wird zum Desorber geleitet und dort unter Wärmeeinsatz regeneriert. Dabei wird Kohlendioxid aus dem Lösungsmittel ausgetrieben, wobei den Desorber am Kopf der Desorberkolonne ein Gas- Dampfgemisch aus Kohlendioxid und verdampftem Lösungsmittel verlässt. Dieses Gas- Dampfgemisch wird kondensiert, wobei ein Kondensat entsteht, welches wieder in den Desorber zurück geführt wird, und ein Kohlendioxid als weitgehend reines Gas zurück bleibt. Die bei der Kondensation anfallende Wärme wird an die Umgebungsluft abgeführt.
Das Kohlendioxid wird anschließend mehrstufig komprimiert und kann im flüssigen Zustand einer Lagerung oder Verwertung zugeführt werden. Das im Desorber regenerierte Lösungsmittel wird wieder zum Absorber geleitet und kann dort wieder weiteres Kohlendioxid aus dem Rauchgas aufnehmen.
Bekannt ist eine Integration von Wärme aus dem heißen regenerierten Lösungsmittel aus einer Leitung nach der Ausleitung aus dem Desorber zur Vorwärmung von kaltem mit Kohlendioxid beladenen Lösungsmittels vor der Einleitung in den Desorber (Wärmeintegration). Dies erfolgt in einem Kreuzstromwärmetauscher. Trotz Nutzung dieser Wärme ist der mit der Abscheidung von Kohlendioxid aus Rauchgasen verbundene Energiebedarf noch so hoch, dass aus Sicht eines Kraftwerksanlagenbetreibers die Wirtschaftlichkeit einer Kohlendioxidabscheidevorrichtung gegenwärtig nicht eindeutig nachweisbar ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Kohlendioxidabscheidevorrichtung anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik in ihrer Effizienz gesteigert ist, sodass diese durch niedrigere Investions- und Betriebskosten eine höhere Wirtschaftlichkeit besitzt.
Gelöst ist die Aufgabe der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dabei umfasst die erfindungsgemäße Kohledioxidabscheidevorrichtung zur Abscheidung von Kohledioxid aus einem Verbrennungsabgas einen Absorptionsmittelkreislauf, in den ein Absorber und ein Desorber geschaltet sind. Dem Desorber ist zudem über eine Dampfleitung ein Kondensator zur Kondensation von im Desorber verdampften Absorptionsmittel nachgeschaltet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der primärseitig in die Dampfleitung und sekundärseitig in den Absorptionsmittelkreislauf geschaltet ist, sodass Kondensationswärme von einem verdampftem Absorptionsmittel im Kondensator auf ein Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf übertragbar ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, die für die Desorption erforderliche Wärmeenergie dadurch zu reduzieren, indem bereits im Gesamtsystem vorhandene Wärme wieder in das System integriert wird. Dadurch lässt sich der Gesamtenergiebedarf der Kohlendioxidabscheidevorrichtung reduzieren. Dies wird dadurch erzielt, dass Wärme, die am Kondensator abgeführt werden muss, zur Vorwärmung des beladenen Absorptionsmittelstroms genutzt.
Gegenüber einer Ausführung ohne die erfindungsgemäße Wärmeintegration sind Einsparungen an Kühlwasser, Investitionskosten und Energie zu erwarten. Da die Wärme im Kondensator zum großen Teil nicht an Kühlwasser sondern an das Lösungsmittel im Absorptionsmittelkreislauf abgegeben wird, können Kühlwasser und damit Betriebskosten gespart werden.
Bei einer bevorzugten vorteilhaften Weiterentwicklung der Kohlendioxidabscheidevorrichtung ist der Wärmetauscher sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel geschaltet, sodass durch die Kondensationswärme beladenes Absorptionsmittel vorwärmbar ist. Durch Vorwärmung des beladenen Lösungsmittelmassenstroms kann der zentrale Wärmeübertrager (Kreuzstromwärmetauscher), zur Vorwärmung des beladenen mit dem unbeladenen Lösungsmittel, kleiner dimensioniert werden. Dadurch können Investitionskosten eingespart werden. Durch die Integration der Wärme im Abtrennprozess kann insbesondere Energie im Desorber eingespart werden. Der hierdurch eingesparte Heizdampf kann in der Turbine zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Kohlendioxidabscheidevorrichtung ist weiterhin ein Zwischenkühler vorgesehen, der primärseitig in dem Absorptionsmittelkreislauf abschnittsweise parallel zum Absorber geschaltet ist, und sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel geschaltet ist, sodass Wärme aus dem Zwischenkühler auf ein dem Desorber zuzuführendes beladenes Absorptionsmittel übertragbar ist. Dadurch wird die Vorwärmung von beladenem Lösungsmittel weiter unterstützt.
Bevorzugt ist die Kohledioxidabscheidevorrichtung Bestandteil einer Kraftwerksanlage, die einen fossil befeuerten Verbrennungsprozess umfasst.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine Kohledioxidabscheidevorrichtung mit der Verschaltung zwischen Absorber und Desorber nach dem Stand der Technik.
2 eine Kohledioxidabscheidevorrichtung einer erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung mit Wärmeintegration
3 eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung gemäß 2
1 zeigt eine Kohledioxidabscheidevorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik, mit einem Absorber 3 und einen Desorber 4, die über einen Absorptionsmittelkreislauf 5 miteinander verschaltet sind. Dem Absorber 3 wird über eine Rauchgasleitung 11 ein kohlendioxidhaltiges Rauchgas zugeführt. Das kohlendioxidhaltige Rauchgas wird in dem Absorber mit einem Absorptionsmittel in Kontakt gebracht, wobei Kohlendioxid aus dem Rauchgas durch das Absorptionsmittel absorbiert wird. Den Absorber 3 verlässt über eine Rauchgasauslassleitung 12 ein von Kohlendioxid gereinigtes Rauchgas.
Das mit Kohlendioxid beladene Absorptionsmittel wird über eine Leitung 9 in den Desorber 4 geleitet, wo das Kohlendioxid durch Auskochen des Absorptionsmittels wieder desorbiert wird. Um die für die Desorption notwendige Wärmeenergie in den Desorber einzubringen, ist ein Reboiler 13 vorgesehen, der in den Desorber verschaltet ist, und der mit Heißdampf versorgt wird. Den Desorber 4 verlässt über eine Dampfleitung 7 ein Gas- und Dampfgemisch aus desorbiertem Kohlendioxid und verdampftem Absorptionsmittel. Zur Kondensation und Rückgewinnung von Lösungsmittel ist in die Dampfleitung 7 ein Kondensator 6 geschaltet, der wiederum mit über eine Kondensatleitung 15 mit dem Desorber 4 verbunden ist. Über eine Gasleitung 16 ist Kohlendioxid in weitgehend reiner Form ausleitbar.
2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung 1 Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 1 ist ein Wärmetauscher 8 vorgesehen, der primärseitig in die Dampfleitung 7 und sekundärseitig in den Absorptionsmittelkreislauf 5 geschaltet ist. Dadurch ist Kondensationswärme von einem verdampften Absorptionsmittel im Kondensator 6 auf ein Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf 5 übertragbar. Dargestellt ist in 2 die Verschaltung des Wärmetauschers 8 in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel 9 des Absorptionsmittelkreislaufs 5. Dadurch ist durch die Kondensationswärme beladenes Absorptionsmittel vorwärmbar.
Ein bei der Vorwärmung im Wärmetauscher 8 entstehendes Kondensat ist über eine Kondensatleitung 17 in die Kondensatleitung 15 leitbar. Dadurch leistet das Kondensat aus der Kondensatleitung 17 einen zusätzlichen Beitrag zur Desorption um Desorber 4.
3 zeigt eine Weiterentwicklung der in 2 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung 1 mit Wärmeintegration. Die Verschaltung aus 2 ist in 3 dahingehend ergänzt, dass ein Zwischenkühler 10 vorgesehen ist, der primärseitig in dem Absorptionsmittelkreislauf 5 abschnittsweise parallel zum Absorber 3 geschaltet ist, und sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel 9 geschaltet ist. Dadurch ist Wärme aus dem Zwischenkühler 10 auf ein dem Desorber 4 zuzuführendes beladenes Absorptionsmittel übertragbar. Sekundärseitig ist ein zusätzlicher Wärmetauscher denkbar, der in Reihe zu dem Wärmetauscher 8 geschaltet ist, und durch den die Wärme auf ein beladenes Absorptionsmittel übertragbar ist. Alternativ ist auch möglich, den Zwischenkühler 10 sekundärseitig in den Wärmetauscher 8 zu integrieren. Dies würde bedeuten, dass der Zwischenkühler 10 sekundärseitig mit der Dampfleitung 7 verschaltet ist, und den Wärmetauscher 8 als gemeinsamen Wärmetauscher für die Wärmeintegration verwendet.

Claims

Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) zur Abscheidung von Kohledioxid aus einem Verbrennungsabgas (2), umfassend einen Absorptionsmittelkreislauf (5), in den ein Absorber (3) und ein Desorber (4) geschaltet sind, und einen dem Desorber (4) über eine Dampfleitung (7) nachgeschalteten Kondensator (6) zur Kondensation von im Desorber (4) verdampften Absorptionsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (8) vorgesehen ist, der primärseitig in die Dampfleitung (7) und sekundärseitig in den Absorptionsmittelkreislauf (5) geschaltet ist, sodass Kondensationswärme von einem verdampftem Absorptionsmittel im Kondensator (6) auf ein Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf (5) übertragbar ist.
Kohlendioxidabscheidevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8) sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel (9) geschaltet ist, sodass durch die Kondensationswärme beladenes Absorptionsmittel vorwärmbar ist.
Kohlendioxidabscheidevorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkühler (10) vorgesehen ist, der primärseitig in dem Absorptionsmittelkreislauf (5) abschnittsweise parallel zum Absorber (3) geschaltet ist, und sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel (9) geschaltet ist, sodass Wärme aus dem Zwischenkühler (10) auf ein dem Desorber (4) zuzuführendes beladenes Absorptionsmittel übertragbar ist.
Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, als Bestandteil einer Kraftwerksanlage, umfassend einen fossil befeuerten Verbrennungsprozess.