DE102022133103A1

DE102022133103A1 - Verfahren zum Abscheiden von Schadstoffen aus einem Rauchgasstrom

Info

Publication number: DE102022133103A1
Application number: DE102022133103.2A
Authority: DE
Inventors: Yadollah Saboohi
Original assignee: Ne3t Nexus Of Energy Efficiency And Environment Tech GmbH; Ne3t Nexus Of Energy Efficiency And Environment Technologies GmbH
Current assignee: Ne3t Nexus Of Energy Efficiency And Environment Tech GmbH; Ne3t Nexus Of Energy Efficiency And Environment Technologies GmbH
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2024-06-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Schadstoffen aus einem Rauchgasstrom, wobei der schadstoffhaltige Rauchgasstrom auf eine Rauchgaseinlasstemperatur von nicht mehr als -10°C abgekühlt wird und der abgekühlte, schadstoffhaltige Rauchgasstrom durch einen Adsorptionsreaktor geleitet wird, welcher ein kohlenstoffhaltige Adsorptionsmaterial enthält, wobei zumindest Stickoxide und Schwefeloxide durch Adsorption an dem Adsorptionsmaterial aus dem Rauchgasstrom entfernt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Schadstoffen aus einem Rauchgasstrom.
Stand der Technik
Bei der Nutzung von fossilen oder organischen Brennstoffen in Industrieprozessen und in Wärmekraftwerken entstehen Rauchgase. Diese Rauchgase enthalten verschiedene Arten von Schadstoffen, insbesondere Stickoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx), und das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂).
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Rauchgasen bekannt. Diese Verfahren unterscheiden sich sowohl hinsichtlich ihrer Effektivität, d.h. den Anteil der abgeschiedenen Schadstoffe, als auch ihrer Effizienz, d.h. hinsichtlich des zur Rauchgasabscheidung notwendigen Einsatzes von Reagenzien und/oder Energie.
Bei der Rauchgasentschwefelung, d.h. der Abscheidung von Schwefeloxiden sind große Mengen von Wasser und Energie erforderlich.
Zur Entfernung von Stickoxiden werden Verfahren wie die selektive katalytische Reaktion (SCR) oder die nicht-selektive katalytische Reaktion (NSCR) eingesetzt. Für diese Verfahren werden katalytische Materialien benötigt, welche hohe Kosten verursachen und für deren Herstellung wiederum größere Mengen von Energie und knappe Rohstoffe benötigt werden.
Weiterhin enthalten Rauchgase in der Regel einen gewissen Anteil an Wasserdampf oder es wird bei der Rauchgasbehandlung Prozessdampf benötigt. In der Regel entweicht dieser Wasserdampf in die Atmosphäre, was bei bestehender Wasserknappheit nachteilig ist.
Ein weiteres Problem bei der Nutzung von fossilen Brennstoffen besteht darin, dass Kohlendioxid entsteht. Kohlendioxid wirkt in der Atmosphäre als Treibhausgas und trägt zur globalen Klimaerwärmung in erheblichem Ausmaß bei. Daher wird in industriellen Prozessen und bei der Erzeugung von elektrischer Energie angestrebt, die entstehenden Kohlendioxidemissionen zumindest zu reduzieren.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze beschrieben, um einzelne Teilaspekte der Rauchgasbehandlung zu verbessern.
In DE 11 2018 005 746 B4 wird ein System beschrieben, bei dem neben Staubpartikeln und gasförmigen Oxide auch Kohlendioxid aus dem Rauchgas entfernt werden kann.
DE 43 09 460 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden mithilfe eines mehrstufigen drastischen Verfahrens.
Aus DE 10 2009 013 691 A1 ist ein Verfahren zur kombinierten Abgasbehandlung von Ammoniak- und Stickoxid-haltigen Abgasströmen bekannt.
EP 0 974 388 A1 betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Gasen aus industriellen Prozessen mittels befeuchteter Aktivkohle, wobei der Gasstrom ebenfalls befeuchtet wird.
Aus DE 36 16 501 A1 ist ein Verfahren zur Reinigung von Rauchgasen bekannt, wobei kohlenstoffhaltige Katalysatoren zum Einsatz gelangen.
In DE 36 03 447 A1 wird ein zweistufiges Verfahren zur Abscheidung von Schadstoffen aus Rauchgasen beschrieben, bei dem in einer zweiten Stufe ein Teil der Schadstoffe an Aktivkohle oder Aktivkoks abgeschieden wird, welche nach erfolgter Abscheidung verbrannt werden.
DE 34 23 744 1 betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von Schwefeldioxid und von Stickoxiden aus Rauchgasen, wobei der Rauchgas Gesamtstrom in einen Hauptstrom und einen Teil Strom aufgeteilt wird. Die Hauptmenge an Schwefeldioxid und eines geringeren Anteils an Stickoxiden wird aus dem Hauptstrom in einer Nasswäsche unter der Zugabe von Calciumhydrooxid oder Calciumcarbonat abgeschieden.
Im Hinblick auf zunehmende Ressourcenknappheit, Luftverschmutzung, Wassermangel und der Emission von klimaschädlichen Treibhausgasen ist es notwendig, optimierte und effiziente Methoden zur Rauchgasbehandlung zu schaffen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Abscheiden von Schadstoffen aus einem Rauchgasstrom zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abscheiden von Schadstoffen aus einem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom wird der schadstoffhaltige Rauchgasstrom auf eine Rauchgaseinlasstemperatur von nicht mehr als -10°C abgekühlt und der abgekühlte, schadstoffhaltige Rauchgasstrom durch einen Adsorptionsreaktor geleitet, welcher ein kohlenstoffhaltige Adsorptionsmaterial enthält, wobei zumindest Stickoxide und Schwefeloxide durch Adsorption an dem Adsorptionsmaterial aus dem Rauchgasstrom entfernt werden.
Die Schadstoffe, welche in dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom enthalten sein können, umfassen insbesondere Stickoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx) und Kohlendioxid (CO₂). Der Adsorptionsreaktor ist bevorzugt ein Durchflussreaktor, d.h. das Rauchgas wird in den Adsorptionsreaktor eingeleitet und nach der zumindest teilweisen Adsorption von Schadstoffen wieder ausgeleitet. Aus dem Adsorptionsreaktor tritt ein teilgereinigter Rauchgasstrom aus, aus dem NOx und SOx zum weitaus größten Teil oder vollständig entfernt wurden, jedoch CO₂ als weiterer Schadstoff noch enthalten ist. Als Adsorptionsmaterial kann Aktivkohle, welche bevorzugt aus biologischem Material, insbesondere biologischem Abfallmaterial hergestellt wird, oder auch Aktivkoks verwendet werden. Die Rauchgaseinlasstemperatur beträgt bevorzugt nicht mehr als -15°C, besonders bevorzugt nicht mehr als -20°C. Der Rauchgasstrom wird vorteilhafterweise vor oder während des Abkühlens entfeuchtet. Während der Adsorption können sich die Rauchgase geringfügig erwärmen (z.B. von -20°C auf -18°C).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Rauchgasströme effizient gereinigt werden, welche insbesondere in mit fossilen oder organischen Brennstoffen und/oder Zusatzstoffen betriebenen Einrichtungen entstehen, beispielsweise in thermischen Kraftwerken einschließlich Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung wie Blockheizkraftwerke (BHKW), Stahlwerken einschließlich Hochöfen, direkte Eisenreduktionsanlagen - DRI (direct reduced iron), Lichtbogenöfen, Pelletieranlagen und weiteren Anlagen, Zementwerken, keramischen Werken, petrochemischen Werken, Biomasseanlagen oder Biogasanlagen. Es hat sich gezeigt, dass das Adsorptionsvermögen von Aktivkohle oder vergleichbaren Materialien mit sinkender Temperatur zunimmt. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass sich diese Eigenschaft dafür nutzen lässt, zumindest Stickoxide und Schwefeloxide mittels eines physikalischen Verfahrens ohne den Einsatz von chemischen Substanzen aus dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom zu entfernen, wenn der Rauchgasstrom auf nicht mehr als -10°C abgekühlt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich gegenüber herkömmlichen Verfahren sowohl hinsichtlich seiner Effektivität als aus seiner Effizienz als überlegen erwiesen. Insbesondere wenn die benötigte Aktivkohle aus biologischen Stoffen, insbesondere aus biologischen Abfallstoffen gewonnen wird, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund des geringen Ressourcenbedarfs durch eine hohe Umweltfreundlichkeit aus.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Rauchgasstrom unter Zugabe von Ammoniak in den Adsorptionsreaktor geleitet. Ammoniak wird bevorzugt dem Rauchgasstrom vor dem Einleiten in den Adsorptionsreaktor beigemischt, wobei das Beimischen in der Regel nach dem Abkühlen, alternativ aber auch vor dem Abkühlen erfolgen kann. Der Ammoniak wird von dem Adsorptionsmaterial zumindest teilweise adsorbiert, ein gewisser Teil des NOx kann bereits in dem Adsorptionsreaktor mit dem Ammoniak unter der Bildung von Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) reagieren. Grundsätzlich ist der Zusatz von Ammoniak nicht erforderlich, um das eigentliche Abscheiden von Stickoxiden aus den schadstoffhaltigen Rauchgasstrom zu bewirken. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das Zuführen von Ammoniak bereits während des Adsorptionsvorgangs eine nachfolgende Eliminierung der abgeschiedenen Stickoxide vereinfacht.
Bevorzugt wird die Menge an zugegebenem Ammoniak auf der Grundlage einer gemessenen Konzentration von Stickoxiden in dem Rauchgasstrom gesteuert. Es wird ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen der eingeleiteten Menge Ammoniak und der Menge an Stickoxiden im Rauchgasstrom angestrebt, jeweils bezogen auf eine Volumeneinheit, Masseeinheit oder Stoffmengeneinheit. Dadurch kann Ammoniakschlupf oder eine nur unvollständige Reduktion der Stickoxide verringert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das beladene Adsorptionsmaterial von dem Adsorptionsreaktor in einen ersten Regenerationsreaktor verbracht, die adsorbierten Substanzen werden durch Einleiten von überhitztem Wasserdampf in den ersten Regenerationsreaktor von dem Adsorptionsmaterial desorbiert und das entladene Adsorptionsmaterial wird von dem ersten Regenerationsreaktor in den Adsorptionsreaktor verbracht. Dieser Teil des Verfahrens wird auch als thermische Wechseladsorption bezeichnet. Die desorbierten Stickoxide werden durch den ebenfalls desorbierten Ammoniak zu Stickstoff und Wasserdampf reduziert. Die desorbierten Schwefeloxide und der Wasserdampf, d.h. sowohl der zugeführte Wasserdampf als auch der bei der Reduktion der Stickoxide entstandene Wasserdampf, reagieren zu Schwefelsäure, die ausgeleitet und weiterverwertet werden kann. Das entladene Adsorptionsmaterial wird bevorzugt vor dem Verbringen von dem ersten Regenerationsreaktor in den Adsorptionsreaktor gekühlt. Es besteht somit ein Kreislauf von beladenem und entladenem Adsorptionsmaterial zwischen den Reaktoren, wobei die Zirkulation des Adsorptionsmaterials kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.
Die durch den Wasserdampf zu erzeugende Desorptionstemperatur, bei welcher das Desorbieren erfolgt, beträgt bevorzugt 400 bis 450°C. Das Aufheizen des ersten Regenerationsreaktors auf die Desorptionstemperatur erfolgt durch den überhitzten Wasserdampf, d.h. die Temperatur des überhitzten Wasserdampfs muss mindestens gleich der Desorptionstemperatur sein.
Bevorzugt wird aus dem ersten Regenerationsreaktor ausgeleiteter Abdampf einer Turbine zugeführt, um daraus elektrische Energie zu erzeugen. Hierdurch wird die Energieeffizienz erhöht. Vorzugsweise kann dieser Abdampf mit weiterem überhitzten Dampf aus einer Wärmerückgewinnung einer, nachfolgend beschriebenen ersten Wärmeübertragungseinrichtung, vermischt werden. Dabei kann der überhitzte Dampf aus der ersten Wärmeübertragungseinrichtung zur Hauptenergiequelle zur Stromerzeugung werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms zumindest in einem Zwischenschritt mittels einer ersten Wärmeübertragungseinrichtung, welche Wärme von dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom auf einen Fluidstrom überträgt, wobei bevorzugt der Fluidstrom einer Turbine zugeführt wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Die vorstehend genannte erste Wärmeübertragungseinrichtung und auch weitere nachfolgend erwähnte Wärmeübertragungseinrichtungen können als Wärmerückgewinnungseinrichtung bezeichnet werden und zum Beispiel als Wärmetauscher ausgestaltet sein. Das Abkühlen kann auch mehrstufig erfolgen, z.B. mittels einer Reihe von mehreren Wärmeübertragungseinrichtungen.
Bei dem Fluidstrom kann es sich insbesondere um einen Strom von Wasser oder Wasserdampf oder auch um einen Strom eines anderen geeigneten Wärmeträgermedium handeln, wobei bevorzugt das Fluid durch die Wärmeübertragung von der flüssigen Phase in die Gasphase übergeht und nach der Verrichtung der Arbeit kondensiert wird. Die Turbine ist bevorzugt eine Dampfturbine, besonders bevorzugt eine Kondensationsturbine, welche für den Betrieb mit relativ niedrigen Fluidtemperaturen optimiert ist.
Falls die Rauchgastemperatur relativ gering ist, kann beispielsweise die Wärme des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms einem sogenannten „Organic Rankine Cycle“ (Abkürzung ORC) zugeführt werden, bei welchem das als Wärmeträgermedium für eine Turbine dienende Fluid eine organische Flüssigkeit mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms zumindest in einem Zwischenschritt mittels einer zweiten Wärmeübertragungseinrichtung, welche Wärme von dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom auf Umgebungsluft überträgt. Es wird demnach eine Luftkühlung vorgesehen, welche durch eine weitere Temperaturabsenkung Wärme, die sich nicht mehr effizient nutzen lässt, abführt, um die Energieeffizienz von nachfolgenden Abkühlschritten zu erhöhen. Sinnvollerweise ist die zweite Wärmeübertragungseinrichtung im Rauchgasstrom stromabwärts der ersten Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet.
Durch die erste und/oder zweite Wärmeübertragungseinrichtung kann beispielsweise eine Absenkung der Rauchgastemperatur von mehr als 120°C, insbes. mehr als 200°C, auf ca. 60°C erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms zumindest in einem Zwischenschritt mittels einer dritten Wärmeübertragungseinrichtung, welche Kälte von dem aus dem Adsorptionsreaktor ausgeleiteten Rauchgasstrom auf den einzuleitenden schadstoffhaltigen Rauchgasstrom überträgt. Dadurch kann beispielsweise eine weitere Abkühlung des einzuleitenden schadstoffhaltigen Rauchgasstroms von ca. 60°C auf 5°C erreicht werden. Der teilgereinigte, aus dem Adsorptionsreaktor ausgeleitete Rauchgasstrom, der typischerweise mit-18°C austritt, wird hierbei z.B. auf ca. 20 bis 25°C erwärmt. Dieser Wärmeaustausch trägt zu einem geringeren Kühlungsenergieverbrauch bei. Dadurch wird die Abkühlung des Rauchgasstroms energieeffizienter. Bevorzugt ist die dritte Wärmeübertragungseinrichtung im Rauchgasstrom stromabwärts der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms auf die Rauchgaseinlasstemperatur mittels einer Kompressionskältemaschine, welche einen Kältemittelkreislauf aufweist, in dem Kältemittelkreislauf Kältemittel zirkuliert, welches abwechselnd komprimiert und expandiert wird, wobei der Kältemittelkreislauf an den Rauchgasstrom mittels einer vierten Wärmeübertragungseinrichtung angekoppelt ist.
Grundsätzlich können auch andere Arten von Kältemaschinen eingesetzt werden. Als Kältemittel wird bevorzugt Kohlendioxid oder Stickstoff eingesetzt. Kohlendioxid und Stickstoff können bei niedrigem Druck mit weniger Energie als bei anderen Kältemitteln auf -25°C heruntergekühlt werden und sind in Bezug auf Gesundheit und Umwelt harmlose und ungefährliche Stoffe. Bevorzugt ist die vierte Wärmeübertragungseinrichtung im Rauchgasstrom stromabwärts der dritten Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet.
Bevorzugt erfolgt das Expandieren mittels einer Expansionsturbine, welche aus der im Kältemittel enthaltenen Energie elektrische Energie erzeugt. Die aus dem Expansionsvorgang erzeugte elektrische Energie wird bevorzugt zum Betrieb von elektrisch betriebenen Aggregaten verwendet, welche zur Durchführung des Verfahrens betrieben werden, z.B. Pumpen, Kompressoren oder Lüfter. Damit ist der als Leistungskoeffizient (COP, von engl „coefficient of performance“) bezeichnete Wirkungsgrad höher als bei herkömmlichen Kompressionskälteanlagen. Der Leistungskoeffizient liegt bei 1,5 bis 1,7.
Bevorzugt werden die vorstehend beschriebenen vier Abkühlschritte mittels der ersten bis vierten Wärmeübertragungseinrichtung miteinander kombiniert. Dadurch kann die zum Abkühlen erforderliche externe Energie, die im Wesentlichen von der Kältemaschine aufzubringen ist, auf ein Minimum beschränkt werden, während zugleich die im Rauchgasstrom enthaltene Wärmeenergie zum Großteil nutzbar gemacht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest ein Teilstrom des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms durch einen Wärmespeicher geleitet. Der Wärmespeicher kann Temperaturschwankungen des Rauchgasstroms, die prozessbedingt bei der Entstehung der Rauchgase auftreten können, ausgleichen und sorgt dafür, dass die vom Rauchgasstrom mit Wärme versorgten Nebenprozesse auch bei einem vorübergehenden Temperaturabfall im Rauchgasstrom ohne Unterbrechung und auch ohne zeitweilige Zufuhr zusätzlicher extern erzeugter Wärme weiterbetrieben werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der aus dem Adsorptionsreaktor ausgeleitete Rauchgasstrom durch einen Kohlendioxid-Abscheider geleitet, welcher eine Kohlendioxid bindende Abscheidesubstanz enthält, wobei Kohlendioxid durch Absorption in der Abscheidesubstanz aus dem Rauchgasstrom entfernt wird. Als Kohlendioxid bindende Abscheidesubstanz kann z.B. Calciumcarbonat oder Natriumcarbonat verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird in den Kohlendioxid-Abscheider zusätzlich erwärmtes Wasser und/oder Wasserdampf eingeleitet. Bei einer Verwendung von Calciumcarbonat oder Natriumcarbonat als Abscheidesubstanz erfolgt die Absorption unter Zufuhr von Wasser oder Wasserdampf durch eine Umwandlung zu Calcium- bzw. Natriumhydrogencarbonat. Die Temperaturen und Mengen des eingeleiteten Wassers bzw. Wasserdampfs werden vorteilhafterweise so gewählt, dass die im Kohlendioxid-Abscheider herrschende Prozesstemperatur zwischen 60 und 80°C beträgt.
Bevorzugt wird die beladene Abscheidesubstanz von dem Kohlendioxid-Abscheider in einen zweiten Regenerationsreaktor verbracht, das absorbierte Kohlendioxid durch Einleiten von überhitztem Wasserdampf in den zweiten Regenerationsreaktor von der Abscheidesubstanz desorbiert und die entladene Abscheidesubstanz von dem zweiten Regenerationsreaktor in den Kohlendioxid-Abscheider verbracht. Das Hydrogencarbonat wird hierbei in das entsprechende Carbonat zurückverwandelt. Der eingeleitete Wasserdampf dient zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur im zweiten Regenerationsreaktor, welche bevorzugt ungefähr 120°C beträgt. Es wird demnach ein Kreislauf von beladener und entladener Abscheidesubstanz zwischen Kohlendioxid-Abscheider und dem zweiten Regenerationsreaktor geschaffen, welcher kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden kann.
Bevorzugt wird aus dem zweiten Regenerationsreaktor ausgeleitetes, desorbiertes Kohlendioxid unter Zufuhr von Wasserstoff und Energie in Methanol umgewandelt. Die benötigte Energie wird bevorzugt in Form von aus erneuerbaren Energien erzeugtem Strom bereitgestellt. Grundsätzlich kann das Kohlendioxid auch anderweitig verwertet oder gespeichert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird während zumindest eines jeweiligen Verfahrensschritts entstehendes Restwasser durch Kondensation und/oder Abscheiden zurückgewonnen, gesammelt und/oder aufbereitet und zumindest teilweise für die Durchführung des genannten Verfahrensschritts und/oder zumindest eines weiteren Verfahrensschritts in Form von Prozesswasser oder Wasserdampf zur Verfügung gestellt. Die Restwassermengen können in einem gemeinsamen Behälter gesammelt und zwischengespeichert werden oder unmittelbar in dem betreffenden Unterprozess wiederverwendet werden. Das Aufbereiten umfasst insbesondere mechanische und/oder chemische Reinigungsschritte wie z.B. Filtern und Neutralisieren.
Bevorzugt wird das Restwasser aus dem Adsorptionsreaktor, dem Kohlendioxid-Abscheider, dem ersten und/oder zweiten Regenerationsreaktor und/oder während des Abkühlens des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms in der dritten Wärmeübertragungseinrichtung zurückgewonnen. Das Restwasser kann für das Verfahren wiedergenutzt werden, aber auch für andere Zwecke, z.B. einem Industrieprozess zugeführt, aber auch als Brauch- oder Trinkwasser genutzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens weist der Kältemittelkreislauf eine von komprimiertem Kältemittel durchströmte fünfte Wärmeübertragungseinrichtung auf, welche in dem komprimierten Kältemittel enthaltene Wärme auf zurückgewonnenes Restwasser überträgt. Die überschüssige, beim Komprimieren des Kältemittels entstehende Abwärme kann so zum Vorwärmen des Restwassers für eine nachfolgende Dampferzeugung genutzt werden, wodurch der Energiebedarf für diese Dampferzeugung reduziert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden Wasserdampf, insbesondere überhitzter Wasserdampf, welcher zur Durchführung zumindest eines Verfahrensschritts benötigt wird, sowie elektrische Energie, welche insbesondere zum Betrieb von elektrisch betriebenen Aggregaten verwendet wird, die zur der Durchführung des Verfahrens betrieben werden, mittels eines Blockheizkraftwerks erzeugt. Wasserdampf wird durch die Abwärme von Abgasen des BHKW erzeugt, wobei die zur Dampferzeugung nutzbare Rauchgastemperatur des Blockheizkraftwerks typischerweise bis zu 600°C betragen kann. Damit kann der Wärmebedarf für Adsorptions-, Absorptions- und Desorptionsprozesse zumindest zu einem erheblichen Teil gedeckt werden. Der mittels des Blockheizkraftwerkes erzeugte elektrische Strom kann den Bedarf an elektrischer Energie bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest zu einem erheblichen Anteil oder auch vollständig decken. Ein gegebenenfalls entstehender Stromüberschuss kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Bevorzugt wird der mittels des Blockheizkraftwerks erzeugte, insbesondere überhitzte Wasserdampf dem ersten und/oder dem zweiten Regenerationsreaktor und/oder dem Kohlendioxid-Abscheider zugeführt.
Bevorzugt werden Abgase des Blockheizkraftwerks dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom beigemischt. Somit werden auch die BHKW-Abgase/Rauchgase gereinigt.
Die Erfindung betrifft ferner auch eine Rauchgasreinigungsanlage, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist und zumindest die in den erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens genannten Komponenten und die zum Transport der genannten Fluide und/oder von Energie erforderlichen Leitungen umfasst.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 bis 5 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschemata von verschiedenen Teilen einer beispielhaften Rauchgasreinigungsanlage, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, und
6 ein Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema der beispielhaften Rauchgasreinigungsanlage in einer Gesamtübersicht.

Im Folgenden werden für gleiche oder gleichartige Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In 1 bis 6 sind jeweilige Rohrleitungs- und Instrumentenschemata einer beispielhaften Rauchgasreinigungsanlage dargestellt, welche zum Abscheiden von Schadstoffen aus einem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom eingerichtet ist. Während in 1 bis 5 verschiedene Teilbereiche der Rauchgasreinigungsanlage dargestellt sind, zeigt 6 eine Gesamtübersicht der Rauchgasreinigungsanlage. Es sind jedoch nicht notwendigerweise alle der in 1 bis 5 dargestellten Komponenten oder Elemente in 6 dargestellt und umgekehrt.
Gemäß 6 umfasst die Rauchgasreinigungsanlage verschiedene Leitungen 1 bis 82, durch welche Fluide, d.h. flüssige oder gasförmige Substanzen oder Substanzgemische, sowie Feststoffe zwischen verschiedenen Komponenten der Rauchgasreinigungsanlage transportiert oder geleitet werden, oder welche der Zuleitung oder Ableitung von Fluiden zu und von Komponenten der Rauchgasreinigungsanlage dienen. Die Art des Fluids oder des Feststoffs, welche durch eine jeweilige Leitung 1 bis 82 transportiert wird, ergibt sich aus dem jeweiligen Zusammenhang.
Nachfolgend werden für die transportierten Fluide jeweilige Temperaturen und Drücke angegeben. Diese Angaben sind rein beispielhaft und können sowohl innerhalb von Prozesstoleranzen als auch von Abwandlungen, welcher ein Fachmann ohne weiteres im Rahmen dieser Offenbarung vorsehen kann, von den genannten Werten abweichen, ohne dass dies im Einzelnen jeweils explizit erwähnt wird.
Über die Leitung 31 wird schadstoffhaltiges Rauchgas in einen Adsorptionsreaktor 101 eingeleitet. Über die Leitung 32 wird diesem in den Adsorptionsreaktor 101 eingeleiteten Rauchgasstrom Ammoniak (NH₃) beigemischt. Die Menge an beigemischtem NH₃ kann gesteuert werden, um ein stöchiometrisches Verhältnis in Bezug auf die Menge an in dem Rauchgasstrom enthaltenen Stickoxiden zu gewährleisten. Der durch die Leitung 31 zugeführte Rauchgasstrom wurde vor dem einleiten in den Adsorptionsreaktor 101 auf eine Temperatur von -20°C abgekühlt, was nachfolgend noch näher beschreiben wird. Der Adsorptionsreaktor 101 ist mit Aktivkohle als Adsorptionsmaterial befüllt, welche bevorzugt aus organischem Material, insbesondere organischem Abfallmaterial, hergestellt ist. Die Aktivkohle absorbiert zumindest einen Teil der in dem Rauchgasstrom enthaltenen Schadstoffe, insbesondere Stickoxide und Schwefeloxide. Ein Teil des zugeführten Ammoniaks reagiert bereits vor der Absorption mit den Stickoxiden. Der übrige Teil des Ammoniaks wird von dem Adsorptionsmaterial ebenfalls adsorbiert. Der durch die beschriebene Adsorption teilgereinigte Rauchgasstrom verlässt den Adsorptionsreaktor 101 über die Leitung 44.
Die mit Schadstoffen beladene Aktivkohle wird über die Leitung 75 in einen ersten Regenerationsreaktor 111 verbracht. Über die Leitung 50 wird überhitzter Wasserdampf mit einer Temperatur von 550°C und einem Druck von 50 bar in den ersten Regenerationsreaktor 111 eingeleitet. Zusätzlich wird über die Leitung 43 Wasser mit einer Temperatur von 40°C und einem Druck von 50 bar in den ersten Regenerationsreaktor 111 eingeleitet.
In dem ersten Regenerationsreaktor 111 werden die an der Aktivkohle adsorbierten Schadstoffe und der Ammoniak desorbiert. Die Stickoxide werden durch den Ammoniak zu Stickstoff und Wasser reduziert. Das hierbei entstandene Wasser sowie das in Form von Wasser bzw. Wasserdampf zugeführte weitere Wasserreagieren mit den desorbierten Schwefeloxiden zu Schwefelsäure (H₂SO₄), welche über die Leitung 51 aus den ersten Regenerationsreaktor 111 ausgeleitet wird. In dem ersten Regenerationsreaktor 111 entstehender Abdampf wird mit einer Temperatur von 400°C und einem Druck von 47 bar mittels der Leitung 48 und mit einer Temperatur von 300°C und einen Druck von 47 bar mittels der Leitung 47 aus den ersten Regenerationsreaktor 111 ausgeleitet.
In dem ersten Regenerationsreaktor 111 abgeschiedene weitere feste Schadstoffe werden ausgeleitet und einem Sieb 103 zugeführt und anschließend weiter verwertet.
Die von Schadstoffen entladene Aktivkohle wird über die Leitung 76 zu dem Adsorptionsreaktor 101 zurücktransportiert. Die Aktivkohle zirkuliert somit in einem Kreislauf zwischen dem Adsorptionsreaktor 101 dem ersten Regenerationsreaktor 111, wobei die Zirkulation sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen kann. Die Leitungen 75 und 76 müssen hierfür nicht zwingend als Rohrleitungen ausgebildet sein, sondern können auch durch Förderbänder oder dergleichen verwirklicht sein.
Die Erzeugung des über die Leitung 50 zugeführten überhitzten Wasserdampfs erfolgt mithilfe eines Blockheizkraftwerks 102. Dem Blockheizkraftwerk 102 wird über die Leitung 77 Erdgas oder auch Wasserstoff zugeführt und unter Zufuhr von komprimierter Luft verbrannt. Die entstehenden Brenngase werden über die Leitung 78 einer Gasturbine 104 zugeführt, welche mit einem Generator 105 gekoppelt ist. Die aus der Gasturbine 104 austretenden Brenngase werden über die Leitung 79 einem Wärmetauscher 126 zugeführt und nach erfolgtem Wärmeaustausch über die Leitung 9 abgeleitet.
Über die Leitung 40 wird einer Pumpe 131 Wasser zugeführt, welche das zugeführte Wasser über die Leitung 43 in den ersten Regenerationsreaktor 111 und über die Leitung 57 in den Wärmetauscher 126 speist. Der Wärmetauscher 126 erzeugt aus dem eingespeisten Wasser mittels der aus der Gasturbine 104 austretenden Brenngase überhitzten Wasserdampf, welcher über die Leitung 50 in den ersten Regenerationsreaktor 111 eingeleitet wird.
Gemäß 2 entsteht der zu reinigende, schadstoffhaltige Rauchgasstrom beispielsweise in einer mit fossilen Brennstoffen betriebenen Industrieanlage, zum Beispiel einem Stahlwerk oder einem Wärmekraftwerk, welche hier allgemein als Rauchgasquelle 108 bezeichnet wird. Die Temperatur des Rauchgasstroms beträgt anfangs typischerweise zwischen 200 und 600°C.
Ein Teilstrom des heißen Rauchgases gelangt über die Leitung 3, ein Gebläse 106 und die Leitung 7 zunächst in einen Wärmespeicher 107. Der Wärmespeicher 107 wird durch das heiße Rauchgas erhitzt und ermöglicht es so, Temperaturschwankungen des Rauchgasstroms auszugleichen. Der Wärmespeicher 107 ist mit einer ersten Wärmeübertragungseinrichtung 121 gekoppelt, welche im Ausführungsbeispiel durch einen Wärmetauscher gebildet ist. Die Wärmeübertragungseinrichtung 121 entzieht dem Rauchgasstrom Wärme, um Wasser, welches von einer Pumpe 132 über die Leitung 14 zugeführt wird, in Wasserdampf umzuwandeln. Wasserdampf wird über die Leitungen 15 und 16 einer Kondensationsturbine 110 zugeführt, um mittels eines weiteren Generators 105 elektrische Energie zu erzeugen.
Ein weiterer Teilstrom der heißen Rauchgase gelangt über die Leitung 2, einem weiteren Gebläse 106 und die Leitung 6 zu einer weiteren ersten Wärmeübertragungseinrichtung 121, welche ebenfalls als Wärmetauscher ausgebildet ist und über die Leitung 12 zugeführtes Wasser in Wasserdampf umwandelt. Der Wasserdampf gelangt über die Leitungen 13 und 16 ebenfalls zur Kondensationsturbine 110.
Der Abdampf der Kondensationsturbine 110 gelangt über die Leitung 23 zu einem Kondensator 140 und wird dort kondensiert. Von dort wird das Kondensat über die Leitung 24 zu der Pumpe 132 gefördert.
Die abgekühlten Rauchgasteilströme gelangen über die Leitungen 20 und 21 zu einem Mischer 109. Dort werden sie zu einem gemeinsamen Rauchgasstrom vereinigt, der den Mischer 109 über die Leitung 25 verlässt und eine Temperatur von ungefähr 95°C aufweist.
Gemäß 3 und 4 gelangen die den Mischer 109 verlassenden Rauchgase über die Leitung 25, ein weiteres Gebläse 106 und die Leitung 26 zu einer zweiten Wärmeübertragungseinrichtung 122, welche als Kühler ausgebildet ist und den Rauchgasstrom von ungefähr 95°C auf 60°C abgekühlt.
Die Rauchgase gelangen anschließend von der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung 122 über die Leitung 27 zu einer dritten Wärmeübertragungseinrichtung 123, welche als Wärmetauscher ausgebildet ist. Die dritte Wärmeübertragungseinrichtung 123 eingangsseitig ist mit der Leitung 44 verbunden, welche kaltes, teilgereinigtes Rauchgas von dem Adsorptionsreaktor 101 herangeführt. Durch Wärmeaustausch in der dritten Wärmeübertragungseinrichtung 123 wird das schadstoffhaltige Rauchgas von 60°C auf 5°C abgekühlt und zugleich das kalte, teilgereinigte Rauchgas von -18°C auf ungefähr 20°C erwärmt. Das erwärmte, teilgereinigte Rauchgas verlässt die dritte Wärmeübertragungseinrichtung 123 über die Leitung 45 und wird über ein weiteres Gebläse 106 und die Leitung 46 weiter gefördert.
Gemäß 4 gelangt das auf 5°C abgekühlte schadstoffhaltige Rauchgas über die Leitung 28 zu einem Kondensatabscheider 142, wo es entfeuchtet wird. Das abgeschiedene Kondensat oder kondensierte Wasser wird über die Leitung 33, 34 einer Aufbereitungseinrichtung 143 zugeführt, in welcher das Kondensat physikalisch und/oder chemisch gereinigt wird. Ein Teil des derart aufbereiteten Wassers verlässt die Aufbereitungseinrichtung 143 über die Leitung 36 und wird weiteren Prozessschritten zugeführt, was nachfolgend noch näher erläutert wird. Der andere Teil des aufbereiteten Wassers wird über die Leitung 80 einem Sammelbehälter 144 zugeführt.
Der aus dem Kondensatabscheider 142 austretende abgekühlte schadstoffhaltige Rauchgasstrom gelangt über die Leitung 29, ein weiteres Gebläse 106 und die Leitung 30 zu einer vierten Wärmeübertragungseinrichtung 124, welche in einen Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine 146 eingebunden ist. Der Kältemittelkreislauf der Kältemaschine 146 umfasst einen elektrisch betriebenen Kompressor 147, welcher gasförmiges Kältemittel verflüssigt. Das hierdurch erwärmte, verflüssigte Kältemittel wird in einer fünften Wärmeübertragungseinrichtung 125 abgekühlt und anschließend mittels einer Expansionsturbine 148 expandiert und dadurch noch weiter abgekühlt. Das stark abgekühlte gasförmige Kältemittel gelangt nun in die vierte Wärmeübertragungseinrichtung 124, in welcher es das schadstoffhaltige Rauchgas von 5°C auf -20 bis -23°C abgekühlt. Das derart auf die Rauchgaseinlasstemperatur abgekühlte Rauchgas gelangt über die Leitung 31 von der vierten Wärmeübertragungseinrichtung 124 zu dem Adsorptionsreaktor 101 (vergleiche 1).
Der Teilstrom des Kondenswassers, welcher die Aufbereitungseinrichtung 143 über die Leitung 36 mit einer Temperatur von 5°C verlässt, wird über eine weitere Pumpe 133 und die Leitung 38 der fünften Wärmeübertragungseinrichtung 125 zugeführt. Dort wird es durch das erwärmte verflüssigte Kältemittel auf eine Temperatur von 40°C erwärmt. Über die Leitungen 39 und 40 strömt aus mit einem Druck von 3 bar zu der Pumpe 131, welche den Druck auf 55 bar in den Leitungen 43 und 57 erhöht (vergleiche 1). Ein Teil des erwärmten Kondenswassers gelangt von der Leitung 39 über die Leitung 41 zudem Sammelbehälter 144.
Gemäß 5 gelangt der teilgereinigte auf 20°C erwärmte Rauchgasstrom (vergleiche 4) über die Leitung 46 zu einem Kohlendioxid-Abscheider 149, welcher eine kohlendioxidbindende Abscheidesubstanz enthält, zum Beispiel Calciumcarbonat oder Natriumcarbonat. Das in dem teilgereinigten Rauchgasstrom als weiterer Schadstoff enthaltene Kohlendioxid wird durch Absorption in der Abscheidesubstanz aus dem Rauchgasstrom entfernt, wobei zusätzlich Heißdampf mit einer Temperatur von 550°C und einem Druck von 50 bar über die von der Leitung 50 abzweigende Leitung 58 zugeführt wird. Der nun vollständig gereinigte Rauchgasstrom gelangt von dem Kohlendioxid-Abscheider 149 über die Leitung 52 zu einem Kühlturm 150 und von dort in die Atmosphäre. Überschüssiges Prozesswasser wird über die Leitung 59 aus dem Kohlendioxid-Abscheider 149 ausgeleitet.
Die mit Kohlendioxid beladene Abscheidesubstanz wird über die Leitung 81 von dem Kohlendioxid-Abscheider 149 zu einem zweiten Regenerationsreaktor 112 verbracht. Das Abscheidesubstanz wird durch Einleiten von überhitztem Wasserdampf über die von der Leitung 50 abzweigende Leitung 65 erhitzt, wodurch das absorbierte Kohlendioxid von der Abscheidesubstanz desorbiert wird. Das desorbierte Kohlendioxid wird über die Leitung 53 von dem zweiten Regenerationsreaktor 112 zu einer Kohlendioxid-Verwertungseinrichtung 151 geleitet, in welcher zum Beispiel das Kohlendioxid unter Einsatz von Wasserstoff und elektrischer Energie in Methanol oder andere synthetische Kraftstoffe umgewandelt werden kann oder eine Verflüssigung oder Komprimierung zum Zwecke der dauerhaften Speicherung des abgeschiedenen Kohlendioxids erfolgt.
Die von Kohlendioxid entladene Abscheidesubstanz wird über die Leitung 82 von dem zweiten Regenerationsreaktor 112 zu dem Kohlendioxid Abscheider 149 zurücktransportiert. Die Abscheidesubstanz zirkuliert somit in einem Kreislauf zwischen dem Kohlendioxid Abscheider 149 und dem zweiten Regenerationsreaktor 112, wobei die Zirkulation sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen kann. Die Leitungen 81 und 82 müssen hierfür nicht zwingend als Rohrleitungen ausgebildet sein, sondern können auch durch Förderbänder oder dergleichen verwirklicht sein.
Die Temperaturen und Mengen des in den Kohlendioxid-Abscheider 149 bzw. in den zweiten Regenerationsreaktor 112 eingeleiteten Wassers und Wasserdampfs werden so gewählt, dass die im Kohlendioxid-Abscheider 149 herrschende Prozesstemperatur zwischen 60 und 80°C und die im zweiten Reaktionsreaktor 112 herrschende Prozesstemperatur bei ungefähr 120°C liegt.
In dem zweiten Regenerationsreaktor 112 entstehendes überschüssiges Prozesswasser kann zum einen über die Leitung 67, einem weiteren Wärmetauscher 127 und die Leitung 68 und zum anderen über die Leitung 63 ausgeleitet werden. Über die Leitung 70, den Wärmetauscher 127 und die Leitung 64 kann zurückgewonnenes Prozesswasser temperiert und dem Kohlendioxid-Abscheider 149 zugeführt werden.
Eine Steuerung des Prozesswasserflusses über die Leitungen 59, 63, 68, 69, 70 und 71 erfolgt mit Hilfe eines Vierwegeventils 152, wobei ein Überschuss über die Leitung 71 dem Sammelbehälter 144 zugeführt werden kann.
Das in 6 dargestellte Rohrleitungs- und Fließschema zeigt die gesamte Rauchgasreinigungsanlage. Gegenüber den Einzeldarstellungen der 1 bis 5 können einzelne Details hinzugefügt, modifiziert oder weggelassen sein. Nachfolgend werden einige Unterschiede näher erläutert.
Im Unterschied zu der in 2 dargestellten einzigen Rauchgasquelle 108 sind in 6 beispielhaft vier verschiedene Rauchgasquellen dargestellt, nämlich ein Hochofen 161 zur Eisenreduktion (DRI - direct reduced iron), ein Lichtbogenofen 162, eine Pelletieranlage 163 und ein Kraftwerk 164. Die jeweiligen Rauchgasströme werden über die Leitungen 1 bis 8, die mehreren Gebläse 106, die mehreren ersten Wärmeübertragungseinrichtungen 121 und die Leitungen 19 bis 22 in den Mischer 109 geführt.
Von der Pumpe 132 wird Wasser über die Leitung 10 zu den mit den Rauchgasströmen des Lichtbogenofens 162, der Pelletieranlage 163 und des Kraftwerks 164 in Verbindung stehenden ersten Wärmeübertragungseinrichtungen 121 gefördert, wobei diese seriell durchströmt werden. Der durch Wärmeaustausch mit den Rauchgasen erzeugte Dampf wird über die Leitungen 13 und 16 der Kondensationsturbine 110 zugeführt.
Der unter hohem Druck stehende, aus dem ersten Regenerationsreaktor 111 mittels den Leitungen 47 und 48 ausgeleitete Abdampf wird über die Leitungen 49 und 16 ebenfalls der Kondensationsturbine 110 zugeführt.
Zusätzlich ist ein Stromnetz 155 gezeigt, welches verschiedene elektrische Einrichtungen miteinander verbindet, wobei die Pfeilrichtungen die Richtung des Energieflusses angeben. Das Stromnetz 155 überträgt die von den verschiedenen Generatoren 105 erzeugte elektrische Energie an die verschiedenen Verbraucher wie beispielsweise an die verschiedenen Gebläse 106, die verschiedenen Pumpen 131 bis 133 und den Kompressor 147. Ein Überschuss kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.
Das erfindungsgemäße Rauchgasreinigungsverfahren bzw. die erfindungsgemäße Rauchgasreinigungsanlage stellt ein integriertes System zur gleichzeitigen Wärmerückgewinnung, Wasserrückgewinnung und Entfernung von Schadstoffen wie Stickoxiden, Schwefeldioxid und Kohlendioxid zur Verfügung. Bei einer Kombination aller erfindungsgemäßen Aspekte werden aus Industrieanlagen und Kraftwerken, bei denen fossile und organische Brennstoffe zum Einsatz gelangen nur noch Stickstoff und Sauerstoff emittiert. Andere vorher vorhandene Schadstoffe werden weitgehend zur verwertbaren Substanzen umgewandelt. In den Rauchgasen vorhandener Wasserdampf wird kondensiert, so dass nach durchlaufen eines Reinigungs- und Aufbereitungsprozesses sauberes Wasser bereitgestellt wird. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Umsetzung mittels des vorstehend beschriebenen integrierten Systems werden Industrieanlagen und Kraftwerke, die Kohle, Erdöl, Erdgas, Biomasse oder Biogas als Brennstoff verwenden, umwelt- und wasserressourcenschonend mit sehr geringem Wärmeverlust und reduzierten Treibhausgasemissionen betrieben. Die Erfindung stellt somit eine Technologie bereit, welche Energieeffizienz, Umweltaspekte und Wasserressourcenschonung miteinander verknüpft.
Bezugszeichenliste

1 - 82: Leitung
101: Adsorptionsreaktor
102: Blockheizkraftwerk
103: sieben
104: Gasturbine
105: Generator
106: Gebläse
107: Wärmespeicher
108: Rauchgasquelle
109: Mischer
110: Kondensationsturbine
111: erster Regenerationsreaktor
112: zweiter Regenerationsreaktor
121 - 125: erste bis fünfte Wärmeübertragungseinrichtung
126, 127: Wärmetauscher
131 - 133: Pumpe
140: Kondensator
142: Kondensatsabscheider
143: Aufbereitungseinrichtung
144: Sammelbehälter
145: Kondensator
146: Kältemaschine
147: Kompressor
148: Expansionsturbine
149: Kohlendioxid-Abscheider
150: Kühlturm
151: Kohlendioxid- Verwertungseinrichtung
152: Vierwegeventil
155: Stromnetz
161: Hochofen - direkte Eisenreduktion DRI
162: Lichtbogenofen
163: Pelletieranlage
164: Kraftwerk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112018005746 B4 [0009]
DE 4309460 A1 [0010]
DE 102009013691 A1 [0011]
EP 0974388 A1 [0012]
DE 3616501 A1 [0013]
DE 3603447 A1 [0014]
DE 34237441 [0015]

Claims

Verfahren zum Abscheiden von Schadstoffen aus einem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom, wobei der schadstoffhaltige Rauchgasstrom auf eine Rauchgaseinlasstemperatur von nicht mehr als -10°C abgekühlt wird und der abgekühlte, schadstoffhaltige Rauchgasstrom durch einen Adsorptionsreaktor (101) geleitet wird, welcher ein kohlenstoffhaltiges Adsorptionsmaterial enthält, wobei zumindest Stickoxide (NOx) und Schwefeloxide (SOx) durch Adsorption an dem Adsorptionsmaterial aus dem Rauchgasstrom entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauchgasstrom unter Zugabe von Ammoniak in den Adsorptionsreaktor (101) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an zugegebenem Ammoniak auf der Grundlage einer gemessenen Konzentration von Stickoxiden in dem Rauchgasstrom gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beladene Adsorptionsmaterial von dem Adsorptionsreaktor (101) in einen ersten Regenerationsreaktor (111) verbracht wird, die adsorbierten Substanzen durch Einleiten von überhitztem Wasserdampf in den ersten Regenerationsreaktor (111) von dem Adsorptionsmaterial desorbiert werden und das entladene Adsorptionsmaterial von dem ersten Regenerationsreaktor (111) in den Adsorptionsreaktor (101) verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Desorbieren bei einer Desorptionstemperatur von 400 bis 450°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ersten Regenerationsreaktor (111) ausgeleiteter Abdampf einer Turbine (110) zugeführt wird, um daraus elektrische Energie zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms zumindest in einem Zwischenschritt mittels einer ersten Wärmeübertragungseinrichtung (121) erfolgt, welche Wärme von dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom auf einen Fluidstrom überträgt, wobei bevorzugt der Fluidstrom einer Turbine (110) zugeführt wird, um elektrische Energie zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms zumindest in einem Zwischenschritt mittels einer zweiten Wärmeübertragungseinrichtung (122) erfolgt, welche Wärme von dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom auf Umgebungsluft überträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms zumindest in einem Zwischenschritt mittels einer dritten Wärmeübertragungseinrichtung (123) erfolgt, welche Kälte von dem aus dem Adsorptionsreaktor (101) ausgeleiteten Rauchgasstrom auf den einzuleitenden schadstoffhaltigen Rauchgasstrom überträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms auf die Rauchgaseinlasstemperatur mittels einer Kompressionskältemaschine (146) erfolgt, welche einen Kältemittelkreislauf aufweist, in dem Kältemittel zirkuliert, welches abwechselnd komprimiert und expandiert wird, wobei der Kältemittelkreislauf an den Rauchgasstrom mittels einer vierten Wärmeübertragungseinrichtung (124) angekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Expandieren mittels einer Expansionsturbine (148) erfolgt, welche aus der im Kältemittel enthaltenen Energie elektrische Energie erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms durch einen Wärmespeicher (107) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Adsorptionsreaktor (101) ausgeleitete Rauchgasstrom durch einen Kohlendioxid-Abscheider (149) geleitet wird, welcher eine Kohlendioxid bindende Abscheidesubstanz enthält, wobei Kohlendioxid durch Absorption in der Abscheidesubstanz aus dem Rauchgasstrom entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kohlendioxid-Abscheider (149) zusätzlich erwärmtes Wasser und/oder Wasserdampf eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beladene Abscheidesubstanz von dem Kohlendioxid-Abscheider (149) in einen zweiten Regenerationsreaktor (112) verbracht wird, das absorbierte Kohlendioxid durch Einleiten von überhitztem Wasserdampf in den zweiten Regenerationsreaktor (112) von der Abscheidesubstanz desorbiert wird und die entladene Abscheidesubstanz von dem zweiten Regenerationsreaktor (112) in den Kohlendioxid-Abscheider (149) verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zweiten Regenerationsreaktor (112) ausgeleitetes, desorbiertes Kohlendioxid unter Zufuhr von Wasserstoff und Energie in Methanol umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während zumindest eines jeweiligen Verfahrensschritts entstehendes Restwasser durch Kondensation und/oder Abscheiden zurückgewonnen, gesammelt und/oder aufbereitet wird, und zumindest teilweise für die Durchführung des genannten Verfahrensschritts und/oder zumindest eines weiteren Verfahrensschritts in Form von Prozesswasser oder Wasserdampf zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Restwasser aus dem Adsorptionsreaktor (101), dem Kohlendioxid-Abscheider, dem ersten und/oder zweiten Regenerationsreaktor (111, 112) und/oder während des Abkühlens des schadstoffhaltigen Rauchgasstroms in der dritten Wärmerückgewinnungseinrichtung (123) zurückgewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11 und einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf eine fünfte Wärmeübertragungseinrichtung (125) aufweist, welche von komprimiertem Kältemittel durchströmt ist und in dem komprimierten Kältemittel enthaltene Wärme auf zurückgewonnenes Restwasser überträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf, insbesondere überhitzter Wasserdampf, welcher zur Durchführung zumindest eines Verfahrensschritts benötigt wird, sowie elektrische Energie, welche insbesondere zum Betrieb von elektrisch betriebenen Aggregaten verwendet wird, die zur der Durchführung des Verfahrens betrieben werden, mittels eines Blockheizkraftwerks (102) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels des Blockheizkraftwerks (102) erzeugte, insbesondere überhitzte Wasserdampf dem ersten und/oder dem zweiten Regenerationsreaktor (111, 112) und/oder dem Kohlendioxid-Abscheider (149) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass Abgase des Blockheizkraftwerks (102) dem schadstoffhaltigen Rauchgasstrom beigemischt werden.