DE60004795T2

DE60004795T2 - Verfahren zur entfernung und wiedergewinnung von c02 aus abgasen

Info

Publication number: DE60004795T2
Application number: DE60004795T
Authority: DE
Inventors: Ingvar Knut ASEN; Arne Dag EIMER
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: WO2000048709A1; EP1159056B1; NO990812D0; CA2362773A1; ATE248018T1; CA2362773C; ES2206185T3; US6655150B1; DK1159056T3; AU2332500A; NO990812L; EP1159056A1; DE60004795D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas aus einer Strom- und/oder Wärmeerzeugungsanlage durch chemische Absorption und Desorption zur geeigneten Ablagerung vor Ort.
Aufgrund der Umweltaspekte von CO₂ als ein Gas mit Treibhauseffekt und Steuern auf die Emission von CO₂ durch einige nationale Regierungen ist die Möglichkeit der Verringerung der Emissionen von CO₂ in die Atmosphäre aus Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahren umfangreich diskutiert worden, im Besonderen aus Abgas von küstennahen Gasturbinen, auf eine Art, die verringerten Energieverbrauch und Investitionskosten berücksichtigt.
Herkömmliche Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahren, die Kohlenstoffenthaltende Brennstoffe verwenden und worin die Sauerstoffquelle Luft ist, weisen Kohlendioxidkonzentrationen von 3 bis 15 % in den Verbrennungsprodukten auf, die hier nachfolgend als Abgase bezeichnet werden, in Abhängigkeit von dem Brennstoff und der Verbrennung und dem verwendeten Wärmegewinnungsverfahren. Zum Beispiel ist die Konzentration von CO₂ in Erdgas-befeuerten Gasturbinen in dem Abgas nur 3 bis 4 %. Daher macht es eine Verringerung der Emission von Kohlendioxid in die Atmosphäre erforderlich, das Kohlendioxid aus dem Abgas abzutrennen, da es zu teuer wäre, das gesamte Abgas zu komprimieren und abzuscheiden. Die Kompression des rückgewonnenen CO₂ zur Ablagerung, z.B. in einer geologischen Formation, ist ein inbegriffener Teil jedes Rückgewinnungsverfahrens.
Die Konzentration von Kohlendioxid in dem Abgas kann auf höhere Gehalte erhöht werden durch Rezirkulieren von Abgas, wie z.B. nahegelegt von Chiesa et al. (vorgestellter Artikel bei dem International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition Stockholm, Schweden – 2. bis 5. Juni 1998) in einem kohlebetriebenen Kraftwerk mit integrierter Vergasung- und kombinierter Rückführung (IGCC; Intergrated Gasification and Combined Cycle), oder wie beschrieben von Rønning et al. in dem norwegischen Patent 180520.
CO₂ kann aus dem Abgas entfernt werden mittels mehrerer Abtrennungsverfahren, z.B. chemisch aktive Absorptionsverfahren, physikalische Absorptionsverfahren, Adsorption durch Molekularsiebe, Membrantrennung und Kryogentechniken. Chemische Absorption mittels Alkanolaminen wird derzeit als das praktischste und ökonomischste Verfahren erachtet, um CO₂ aus einem Abgas nahe Atmosphärendruck zu entfernen. Tatsächlich ist MEA (Monoethanolamin) das Absorptionsmedium, das aufgrund seiner hohen Affinität für CO₂ selbst bei geringem Partikaldruck von CO₂ dominiert.
Die Anwendung von MEA zum Absorbieren von CO₂ aus Abgas ist in der Literatur beschrieben worden von Pauley et al. (Proceedings of the Gas Conditioning Conference, Norman, Ok, 5.–7. März, 19984, Artikel H; wobei eine gekürzte Version in Oil & Gas J., 14. Mai 1984, S. 87–92 veröffentlicht wurde). Sie beschreiben ein CO₂-Enffernungssystem, basierend auf MEA mit Additiven. Hier werden jedoch Korrosionsprobleme, MEA-Zersetzung und hoher Chemikalienverbrauch beschrieben. In dem beschriebenen Verfahren war der Abgasdruck im Wesentlichen Atmosphärendruck, typischerweise mit 8,5 % CO₂ im Einspeisungsstrom zum Absorber. Dies bedeutet einen höheren Partialdruck als in Gasturbinenabgas erwartet werden wird.
Es ist weiterhin bekannt (siehe z.B. Fang-Yuan Jou et al., Can. J. Chem. Eng., 1993, Band 71, April, 264–268), dass die Verwendung anderer Amine als MEA, insbesondere tertiärer Amine, wie etwa MDEA (Methyldiethanolamine) weniger zu Zersetzung neigt und sein Dampfdruck geringer ist als derjenige von MEA, was zu geringeren Verlusten von Amindampf mit den austretenden Gasströmen führt. Die Korrosionsprobleme sind ebenfalls geringer als bei Verwendung von MEA. Die Verwendung tertiärer Amine zur Behandlung von Gasturbinenabgas ist jedoch heute unökonomisch aufgrund dessen, dass diese Amine eine geringere Affinität für CO₂ im Vergleich mit MEA aufweisen. Daher wird CO₂-Entfernung aus Abgas durch Absorption in einem reaktiveren Amin, wie etwa MEA, durchgeführt. Die Anwendung von MDEA erfordert, dass Abgas auf einen erhöhten Druck komprimiert wird, um den Partialdruck von CO₂ zu erhöhen, da dies die mögliche Beladung (Mol CO₂/Mol Amin) von CO₂ in der MDEA-Lösung erhöht.
Diese CO₂-Absorptionsverfahren, die auf Niederdruck-MEA basieren, erfordern eine große und umfangreiche Ausstattung. Darüber hinaus sind Korrosion in der Verfahrensausstattung, Zersetzung des Amins aufgrund der normalerweise verwendeten Temperaturen und im Allgemeinen hoher Chemikalienverbrauch (z.B. Amin) Hauptprobleme dieser Verfahren.
Darüber hinaus werden diese Verfahren eine wesentliche Menge Wärme und/oder Energie verbrauchen. Durch Chiesa et al. (Artikel, der beim International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition Stockholm, Schweden – 2.–5. Juni 1998) vorgestellt wurde, legt das Selexol-Verfahren, welches von Union Carbide kommerzialisiert wurde, nahe, um CO₂ aus einem kohlebetriebenen Kraftwerk mit integrierter Vergasung- und kombinierter Rückführung (IGCC) rückzugewinnen. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen sehr hohen Einspeisungsgasdruck. Chiesa et al. schätzten, dass ein Betriebsdruck von minimal 41 bar erforderlich ist, um 90 % CO₂ aus dem Abgas rückzugewinnen wenn CO₂ in dem Abgas etwa 20 % war. Sie zogen in Betracht, dass mindestens 50 bar erforderlich sind, um eine vernünftige Triebkraft für Massentransfer zu erhalten. Um diesen Druck zu erreichen, wird ein Teilzwischenkühlerkompressor verwendet. Das unter Druck gesetzte Abgas wird auf nahe Umgebungstemperatur durch einen Rekuperativwärmeaustauscher gekühlt und zu der Absorptionssäule geleitet, wo CO₂ durch Selexol abgefangen wird. Das CO₂-abgereicherte Stickstoff-reiche Abgas, das das Selexol-Verfahren verlässt, wird auf etwa 600 °C im Vergasungs-abströmigen Verfahren erhitzt und wird weiter expandiert unter Wiedererhitzen zwischen den Stufen. Der Nachteil dieses Verfahrensschemas, das von Chiesa et al nahegelegt wird, ist der erforderliche Absorptionsdruck von 50 bar, was die Effizienz des Verfahrens verringert und die effiziente Verwendung verfügbarer Verfahrenswärme verhindert.
Das australische Patent AU 9,728,540-A betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines Hochdruckrohgases, ausgewählt aus Hochdruckerdgas und verschiedenen Synthesegasen mit einem Kohlendioxid-absorbierenden Fluid, wobei hochkonzentriertes Kohlendioxid nahezu vollständig aus dem Rohgas rückgewonnen wird, um ein raffiniertes Gas mit einer Kohlendioxidkonzentrationen von 10 bis 10.000 ppm zu erhalten, und darüber hinaus zum Rückgewinnen von Kohlendioxid, teilweise bei hohem Druck auf dem Absorbierfluid, als auch ein System hierfür.
Das australische Patent lehrt Teildesorption von CO₂ bei erhöhtem Druck, welcher in diesem Patent als mindestens 2 kp/cm² abs. (ungefähr 2 bar) definiert ist. Das genannte Patent begrenzt weiterhin den Desorptionsdruck in seinem ersten Separator auf den Druck des Absorbers, was in den meisten Fällen unmöglich macht, rückgewonnenes CO₂ durch Kühlwasser zu kondensieren, was ein Vorteil ist, wenn CO₂ auf den erforderlichen Druck zur Ablagerung in einer geologischen Formation komprimiert werden soll. Typischerweise würde dies 50 bar oder mehr erfordern. Das australische Patent definiert einen Druck über 2 bar als hohen Druck. Mitschleppen des aktiven Teils (typischerweise ein Alkanolamin) der wässrigen Lösung kann aus dem ersten Gas-Flüssig-Separator in dem beschriebenen Verfahren stattfinden und dies kann auch ein Problem bei herkömmlichen Absorptions/Desorptions-Systemen sein. Das australische Patent spezifiziert 90 °C bis 150 °C als das Temperaturniveau, bei welchem CO₂ teilweise desorbiert wird bei erhöhtem Druck in seiner ersten Desorptionsstufe. Energie zum Vorheizen des Adsorbens muss bei einigen Graden höher verfügbar sein, typischerweise 10° oder mehr. Das Temperaturniveau, das in seinem Wiedererhitzer (12) in seiner 1 erforderlich ist, wird durch den Siedepunkt des CO₂-freien Absorbens plus einer Erhöhung zum Bereitstellen einer Triebkraft, bestimmt.
Der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung war es, ein verbessertes Verfahren zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas aus einem Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahren durch chemische Absorption und Desorption zu erreichen, auf eine Art, die ein verringertes Gewicht und Volumen der Ausstattung impliziert, die in dem Absorptions- und Desorptionsverfahren verwendet wird.
Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung war es zu einem verbesserten Verfahren zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas aus einem Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahren, durch chemische Absorption und Desorption, auf eine Art zu gelangen, die eine effizientere Verwendung anderer Amine als MEA im Vergleich zu bekannten CO₂-Absorptions- und Desorptionsverfahren umfasst.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung war es zu einem verbesserten Verfahren zu gelangen zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas eines Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahrens durch chemische Absorption und Desorption, welches einen geringen Chemikalienverbrauch und unwesentliche Korrosions- und Zersetzungsprobleme im Vergleich mit früher bekannten Verfahren aufweist.
Darüber hinaus war ein noch anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas aus einem Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahren zu erreichen, durch chemische Absorption und Desorption, welches die Energie verringert, die erforderlich ist, um den rückgewonnenen CO₂-Strom auf Ablagerungsdruck zu komprimieren.
Im Hinblick auf die oben genannten Probleme, die mit der Entfernung und Rückgewinnung von CO₂ aus Abgas aus einem Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahren durch chemische Absorption und Desorption verbunden sind, wurde Forschungsarbeit durchgeführt.
Die Erfinder fanden, dass die oben genannten Probleme gelöst werden können, wenn der Abgasstrom eines Strom- und/oder Wärmeerzeugungsverfahrens auf zwischen 5 und 30 bar und bevorzugter zwischen 7 und 20 bar rekomprimiert wird vor Eintritt in die CO₂-Absorptionseinheit, und dass diese Rekompression umfasst, dass ein verbessertes Absorptions- und Desorptionsverfahren erreicht wird, welches die oben genannten Probleme eliminiert, die mit früher bekannten Techniken verbunden sind.
Die Erfinder fanden ein Verfahren zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas einer Strom- und/oder Wärmegewinnungsanlage (einem Hauptkraftwerk) durch chemische Absorption bzw. Desorption, bei dem das Abgas in einen Absorber eingespeist wird, der ein chemisches Absorbens enthält, wobei das CO₂ in dem Absorbens absorbiert wird und ein CO₂-abgereicherter Abgasstrom gebildet wird, und das CO₂-reiche Absorbens weiterhin in einen Desorber eingespeist wird, worin CO₂ von dem Absorbens entfernt wird, und das im Wesentlichen CO₂-freie Absorbens zu dem Absorber zurückgeführt und das desorbierte CO₂-Gas abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas abgekühlt und in einem Kompressor eines Sekundärkraftwerks, das in das Hauptkraftwerk, den Absorber und den Desorber integriert ist, erneut auf einen erhöhten Druck komprimiert wird, bevor es in den Absorber eintritt, und das aus dem Absorber austretende, CO₂-abgereicherte Abgas erneut erhitzt und des Weiteren in einem Expander in dem Sekundärkraftwerk expandiert wird.
Rekompression von Abgas wird eine wesentliche Menge Energie verbrauchen. Der Energieverbrauch wird jedoch wesentlich verringert, wenn eine Gasturbine oder ein Zwischenkühlkompressor- und Expandersystem, d.h. ein Brayton-Zyklus, der hier nachfolgend das Sekundärenergiesystem genannt wird, integral ist mit der Strom- und/oder Wärmeerzeugungsanlage, die hier nachfolgend als das Hauptenergiesystem bezeichnet wird, und der CO₂-Absorptionseinheit, die dann in einem verbesserten Absorptions- und Desorptionsverfahren sein kann. Der Brayton-Zyklus, der ein Kompressions- und Expansionsverfahren ist, ist die Basis aller Gasturbinenzyklen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Abgas des Hauptenergiesystems gekühlt und komprimiert (optional mit Zwischenkühlen zwischen den Stufen) in dem Sekundärenergiesystem. Das komprimierte Abgas, das CO₂ enthält, wird gekühlt und in eine Absorbereinheit in dem CO₂-Absorptions- und Desorptionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung eingespeist. Das CO₂-abgereicherte Abgas, das aus der Absorbereinheit austritt, wird in dem Sekundärenergiesystem wieder erhitzt und auf nahe Atmosphärendruck expandiert, wodurch Energie bzw. Strom erzeugt wird, um das CO₂-enthaltende Abgas, das in die Absorbereinheit eintritt, zu komprimieren. Die Anzahl von Zwischenkühlkompressorstufen, der Rekompressionsdruck und die Wiedererhitzungstemperatur werden auf eine solche Art ausgewählt, dass die Expansionsturbine mindestens genug Energie erzeugt, um den Kompressor anzutreiben.
In der oben genannten Absorbereinheit wird das Abgas zuerst in eine Absorptionssäule eingespeist, worin es mit einem Absorbens in Kontakt gebracht wird, welches das meiste des CO₂ aufnimmt. Das CO₂-reiche Absorbens aus der Absorptionseinheit wird dem Erfordernis entsprechend auf Desorptionsdruck gepumpt, welcher höher sein kann als der Absorptionsdruck. Die Temperatur in dem angereicherten Absorbens wird auf einen Grad erhöht, der erforderlich ist, um CO₂ zu einer Desorption bei einem Druck zu bringen, der Kondensation durch Kühlwasser erleichtert, typischerweise würde dies 50 bar oder darüber erfordern.
Nach dem Erhöhen/Ansteigenlassen der Temperatur in dem angereicherten Absorbensstrom wird der Strom einem ersten Gas-Flüssig-Separator vor Eintritt in die Desorptionseinheit zugeführt.
Um unerwünschtes Übertreten bzw. Verschleppen des aktiven Teils (typischerweise ein Alkanolamin) in das Absorbens zu vermeiden, hat der erste Gas-Flüssig-Separator einen Dephlegmator (d.h. ein Kondensator mit Rückfluss), der in dem Gasstrom installiert ist. In diesem Dephlegmator wird eine Abtrennung von kondensierter flüssiger Phase erfolgen, wodurch das meiste Wasser in dem CO₂ zurückbleibt, da der aktive Teil weniger flüchtig als das Wasser ist. Die kondensierte Phase wird in den Separator zurückströmen.
Eine ähnliche Anordnung erfolgt über dem oberen Teil der Desorptionssäule. Die den Dephlegmatoren abgenommene Energie ist zur Rückgewinnung vorgesehen.
Darüber hinaus ist der Desorber mit einem Nebenerhitzer ausgestattet, an einem Ort, worin weiterhin CO₂ in dem Absorbens vorliegt und die Temperatur ist daher geringer, als sie sein würde, wenn sie durch den Dampfdruck der Absorbenslösung alleine bestimmt würde. Diese niederere Temperatur erleichtert die Verwendung von Energie bei einer geringeren Temperatur als wenn ein Bodenprodukterhitzer verwendet wird, worin sehr wenig CO₂ vorliegt. Dieser letzte Wiedererhitzungseffekt wird durch Direktdampf bereitgestellt.
Die Verwendung des Dephlegmators erlaubt die Verwendung einer höheren Temperatur in der Desorptionseinheit als in herkömmlichen Desorptionseinheiten, ohne Verlust von mehr aktivem Absorbens. Der Dephlegmator liefert auch Wasserausträge, welche mehr Freiheit zur Verwendung von Direktdampf bieten als in einem herkömmlichen Absorptions-Desorptions-System. Direktdampf ermöglicht die Verwendung von Dampf mit geringerer Temperatur als erforderlich wäre, wenn die Temperaturdifferenz in einem Wärmeaustauscher aufgehoben werden müsste.
Der Druck des rückgewonnenen CO₂ wird erreicht durch Verwendung von thermischer Energie durch Desorption von CO₂ bei einem höheren Druck, aufgebaut durch Anwenden einer höheren Temperatur in dem Desorber als herkömmlicherweise verwendet. Der Realisierungsfaktor ist der Betrieb der Absorptionssäule bei einem Druck, der aus Abgasrekompression folgt. Trotz der Energierückgewinnung aus dem unter Druck gesetzten, CO₂-abgereicherten Abgas bedeutet dies einen letztendlichen Energieverbrauch, welcher Effizienzverlust für das Gesamtenergieumwandlungsverfahren umfasst. Aus diesem Grunde sollte der Abgasrekompressions- und daher der Absorptionssäulendruck bei einem Minimum gehalten werden.
Das Auswählen der richtigen Kombination von Rekompressionsdruck und Wiedererhitzungstemperatur ist ein sehr wichtiger Faktor, um ein effizientes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Erhöhte Wiedererhitzungstemperatur kombiniert mit einem leicht erhöhten Zyklusdruckverhältnis wird die Verfahrenseffizienz erhöhen. Dies trifft auf alle Gasturbinenzyklen gemäß dem Prinzip des Brayton-Zyklus zu. Wiedererhitzen kann durchgeführt werden durch Verwendung verfügbarer Wärme des heißen Abgases, das in dem Hauptenergiesystem erzeugt wird. Die Wiedererhitzungstemperatur ist in diesem Falle limitiert auf die Temperatur des heißen Abgases, welche normalerweise unter 500 bis 700 °C ist. Zusätzliche Feuerung in dem Hauptenergiesystem zum Erhitzen des komprimierten, CO₂-abgereicherten Abgases in dem Sekundärenergiesystem wird die Brennstoff-zu-Energie-Effizient weiter erhöhen, da dies sowohl die Konzentration von CO₂ in dem Abgas erhöhen wird, als auch eine höhere Wiedererhitzungstemperatur erlauben wird. Das Kompromiss zwischen den beiden Wiedererhitzungsfällen sind höhere Investitionskosten, jedoch verbesserte Effizienz in dem Fall mit zusätzlicher Feuerung gegenüber einer weniger teuren Ausstattung, jedoch geringerer Effizienz in dem Fall mit Heißabgaswiedererhitzung. In beiden Fällen kann Wärme, die dem komprimierten CO₂-abgereicherten Abgas zugeführt wird, als Strom bzw. Energie mit hoher Effizienz in einer Turbine durch Entspannen des Gases rückgewonnen werden.
Durch dieses Verfahren kann die Gesamtverfahrenseffizienz in der gleichen Größenordnung sein, wie wenn CO₂ bei Atmosphärendruck entfernt und rückgewonnen wird, jedoch der hohe Absorptionsdruck wird das Ausmaß des CO₂-Entfernungs- und Rückgewinnungssystems wesentlich verringern, da das Gasvolumen geringer wird, wenn das Gas komprimiert ist und die Triebkraft für die Desorption wird größer. Dementsprechend ergibt sich eine Verringerung von sowohl dem Turmdurchmesser als auch der Höhe der Absorptionssäule. Das Volumen und das Gewicht der Desorptionssäule kann auch verringert werden, wenn der höhere Partialdruck von CO₂ in dem Gas, das die Absorptionssäule verlässt, ausgenutzt wird, um mehr CO₂ in dem regenerierten (mageren) Absorbens zurückzulassen. Alternativ könnte dieses ausgenutzt werden, um die CO₂-Rückgewinnung zu erhöhen.
Der hohe Druck macht es auch technisch und ökonomisch machbar, andere Alkanolamine als MEA auszuwählen. Andere Alkanolamine können dann gefunden werden, welche Energie-effizienter, weniger korrosiv sind und weniger zu einer Zersetzung neigen, z.B. MDEA. Erhöhter Druck in dem Absorber ermöglicht die Verwendung tertiärer Amine zum Absorbieren des CO₂ und dies eliminiert die Korrosions- und Zersetzungsprobleme, die mit der Verwendung von MEA als der chemisch aktive Teil des Absorbens verbunden sind.
Rückgewinnung von CO₂ bei erhöhtem Druck wird auch die Arbeit verringern, die erforderlich ist, um CO₂ vor Einspritzen und Ablagerung zu komprimieren.
Rezirkulation von Abgas in das Hauptenergiesystem wird die Effizienz für elektrische Energie weiterhin verbessern.
Der hohe Partialdruck von CO₂ am Boden des Absorptionsturms erlaubt auch eine höhere Beladung mit CO₂ auf dem Alkanolamin, wodurch die Absorbenszirkulationsrate, die zum Erreichen einer CO₂-Entfernung erforderlich ist, reduziert wird.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung liefert eine Trennung von Absorbens und Wasser in den Desorberabschnittsüberkopfströmen, wodurch sich eine zusätzliche Unabhängigkeit ergibt, um es zu erlauben, dass Direktdampf in der Strippsäule verwendet wird. Die Verwendung von Direktdampf für den höchsten Temperaturheizseffekt bedeutet, dass sein Temperaturniveau verringert werden kann durch die Triebkraft, die ansonsten für indirekte Hitze verwendet wird. Dieses Merkmal und die Verwendung eines Nebenerhitzers, erlaubt die Verwendung eines Heizmedius bei geringerer Temperatur, als normalerweise in solchen Verfahren verwendet.
Die Erfindung wird weiterhin in den Beispielen, die den Figuren entsprechen, erklärt und dargestellt.
1 zeigt eine Strom- und Wärmegewinnungsanlage, integriert mit einem Brayton-Zyklus und einem CO₂-Absorptions-Desorptions-System gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Strom- und Wärmegewinnungsanlage, integriert mit einem Brayton-Zyklus und einem CO₂-Absorptions-Desorptions-System gemäß der vorliegenden Erfindung und worin ein befeuerter Erhitzer integriert ist in die Hauptstrom- und/oder Wärmegewinnungsanlage.
3 zeigt eine Absorptions-Desorptions-Anlage, die Merkmale aufzeigt, um einen Energie-ökonomischeren Weg zum Entfernen und Wiedergewinnen von CO₂ aus einem Abgas zu erleichtern, durch Ausführen der Desorption bei erhöhtem Druck, wodurch das rückgewonnene CO₂ unter Druck gesetzt wird.
4 zeigt den Wärmeverbrauch in der Absorptions- und Desorptionseinheit als Funktion des Partialdrucks von CO₂ im Einlass zur Absorptionssäule.
1 Luft 1 wird einem Gasturbinenkompressor 23 zugeführt, worin Luft komprimiert wird. Luft 2 bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck wird in die Verbrennungskammer 29 eingespeist, worin sie verwendet wird, um einen Kohlenstoff-enthaltenden Brennstoff 3 zu verbrennen. Der heiße Verbrennungsgasstrom 4 wird in einem Gasturbinenexpander 24 auf nahe Atmosphärendruck entspannt und elektrische Energie wird in dem Generator 22 für elektrische Energie erzeugt. (Alternativ kann die Energie direkt zu einem Maschinenantrieb verwendet werden). Wärme wird teilweise rückgewonnen durch Erzeugung von Dampf (43) in einem Erhitzer 31 (optional) und teilweise durch Wärmeaustausch mit CO₂-abgereichertem Abgas 13 im Wärmeaustauscher 36. Der gesamte Abgasstrom 7 wird weiterhin gekühlt mit Kühlwasser (44) im Wärmeaustauscher 32 unter 50 °C. Gekühltes Abgas 9 wird weiterhin in einen Kompressor (25) (Stufe 1) und 26 (Stufe 2) unter Kühlen durch Kühlmittel eines Kühlmediums (40) zwischen den Stufen eingespeist. Ein oder drei Zwischenkühlstufen können verwendet werden. Strom 12 kann auf unter 50 °C in einem wassergekühlten Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) gekühlt werden.
CO₂ in dem Abgas wird in Einheit 35 entfernt, von wo ein CO₂-Strom 19 aus dem System ausgetragen wird. Der CO₂-abgereicherte Abgasstrom 13 wird in einem Rekuperator 36 wiedererhitzt und wird in den Expander 27 auf nahe Atmosphärendruck entspannt. Das CO₂-abgereicherte Abgas 18 aus dem Expander 27 wird in die Atmosphäre ausgetragen. Die Temperatur in Strom 14 wird so gesteuert, dass die Energie, die in Expander 27 erzeugt wird, ausreichend zur Kompression von Abgas 9 ist.
Um das Volumen des handzuhabenden Abgases in der CO₂-Absorptions- und Desorptionseinheit zu verringern und zum Erhöhen der Konzentration von CO₂ und daher zum Verringern der Kosten der CO₂-Einheiten, kann etwas des Abgases in dem Hauptgasturbinenzyklus als Strom 8 recyclisiert werden. Dieses Recyclisieren von Abgas wird auf eine solche Art gesteuert, dass die Konzentration von Sauerstoff in Strom 2 mindestens ausreichend ist zum Aufrechterhalten einer Flamme im Verbrenner 29. Eine alternative Konfiguration des Verfahrens gemäß der Erfindung umfasst ein Verfahren gemäß 1 und worin CO₂-abgereicherter Abgasstrom 14 weiterhin erhitzt wird mittels eines Gasturbinenverbrenners durch Zugabe eines Brennstoffs. Dies wird die Brennstoffeffizienz erhöhen, jedoch wird die Anwendung eines Kohlenstoffenthaltenden Brennstoffs das Ausmaß der CO₂-Rückgewinnung verringern.
Wasserstoff wird der bevorzugte Brennstoff in diesem Fall sein. Überschüssige Energie könnte als elektrische Energie mittels eines Stromgenerators zurückgewonnen werden. Die Hitze in dem Abgas 18 kann z.B. durch Erzeugung von Dampf rückgewonnen werden.
Eine weitere alternative Konfiguration des Verfahrens umfasst ein Verfahren gemäß 1 und worin CO₂-abgereicherter Abgasstrom 13 erhitzt wird mittels eines Gasturbinenbrenners durch Zugabe eines Brennstoffs. In diesem Falle wird der Wärmeaustauscher 36 vermieden. Im sekundären Gasturbinenzyklus wird ein Hochtemperatureinlass (> 1000 °C) in den Gasturbinenexpander erreicht, wobei angenommen wird, dass mindestens 10 % Sauerstoff in dem CO₂-abgereicherten Abgasstrom 13 verbleiben. Dies wird einen effizienten Sekundärgasturbinenzyklus sicherstellen. Der Nachteil dieser alternativen Verfahrenskonfiguration ist ein verringertes Ausmaß der CO₂-Entfernung, wenn ein Kohlenstoff enthaltender Brennstoff verwendet wird. Vorzugsweise sollte Wasserstoff in dem zweiten Gasturbinenzyklus verwendet werden, um ein hohes Ausmaß CO₂-Entfernung zu erhalten. Durch Solarenergie hergestellter Wasserstoff oder Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen, worin CO₂ entfernt und abgelagert wird, könnte verwendet werden.
2: Luft 1 wird in den Gasturbinenkompressor 23 eingespeist, worin Luft komprimiert wird. Luft 2 bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck wird einem befeuerten Erhitzer (30) zugeführt, worin sie verwendet wird, um einen Brennstoffstrom 15 zu verbrennen. Wärme wird auf Strom 16 übertragen. Das Verbrennungsgasgemisch wird weiter in einem Verbrenner 29 durch Verbrennen eines Brennstoffs 20 erhitzt. Das heiße Gasgemisch wird in Gasturbinenexpander 24 auf nahe Atmosphärendruck entspannt und elektrische Energie wird in dem Stromgenerator 22 erzeugt (alternativ kann die Energie direkt zu einem Maschinenantrieb verwendet werden). Wärme wird rückgewonnen durch Erzeugung von Dampf (43) im Erhitzer 31. Der Abgasstrom 7 wird weiterhin unter 50 °C durch Kühlwasser im Wärmeaustauscher 32 gekühlt. Gekühltes Abgas 9 wird weiterhin in den Kompressor 25 (Stufe 1) und 26 (Stufe 2) eingespeist durch Kühlen mittels eines Kühlmediums (40) zwischen den Stufen, wenn auch ein oder drei Zwischenkühlstufen verwendet werden können.
CO₂ im Abgas wird in Einheit 35 entfernt, von wo ein CO₂-Strom 19 aus dem System ausgetragen wird. Der CO₂-abgereicherte Abgasstrom 13 wird im Rekuperator 34 wiedererhitzt und wird weiter erhitzt in dem unter Druck gesetzten befeuerten Heizer 30. Strom 16 wird in dem Expander 27 auf nahe Atmosphärendruck entspannt und Wärme wird im Rekuperator 34 zurückgewonnen. Das CO₂-abgereicherte Abgas 18 wird in die Atmosphäre ausgetragen.
Zum Verringern des Volumens von handzuhabenden Abgas in der CO₂-Entfernungseinheit kann etwas des Abgases in den Hauptgasturbinenzyklus als Strom 8 recyclisiert werden. Dieses Recyclisieren von Abgas wird auf eine solche Art gesteuert, dass die Konzentration von Sauerstoff in Strom 2 mindestens ausreichend ist, um eine Flamme im Verbrenner 29 zu erhalten.
Eine alternative Konfiguration des Energiegewinnungsverfahrens umfasst ein Verfahren gemäß 2, worin CO₂ in dem Abgas sowohl bei hohem Druck als auch hoher Temperatur entfernt wird. Diese Verfahrenskonfiguration hat einen Vorteil wenn ein CO₂-Entfernungsverfahren entwickelt ist, das CO₂ bei hoher Temperatur (250 bis 550 °C) entfernen kann. In diesem Fall kann die Rekompression des CO₂-abgereicherten Abgases ohne Kühlen zwischen Kompressorstufen durchgeführt werden, was die Gesamtverfahrenseffizienz erhöhen könnte.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es die Konzentration von CO₂ in dem Abgas erhöhen wird und einen erhöhten Temperatureinlass des zweiten Gasturbinenexpanders 27 zulässt, verglichen mit dem Verfahren gemäß 1, wodurch sich eine verringerte Menge handzuhabenden Gases in dem CO₂-Entfernungsverfahren und erhöhte Gesamtverfahrenseffizienz ergibt. Der gesamte Brennstoff wird in den Hauptgasturbinenzyklus zugegeben, wodurch sich ein hohes Ausmaß CO₂-Entfernung ergibt.
3 CO₂-reiches Abgas (12) wird in eine Absorptionssäule (Absorber) 103 eingespeist, die einen CO₂-abgereicherten Strom 13 liefert. Eine CO₂-arme Lösung 104 wird der Oberseite der Säule 103 zugeführt und die Lösung nimmt CO₂ auf, wodurch sie als CO₂-reiche Lösung 105 austritt. Der Strom 105 wird in dem Ekonomiser (Wärmeaustauscher) 106 erhitzt, wodurch sich ein erwärmter Strom 107 ergibt, der weiter in dem Erhitzer 108 erhitzt wird (der als wärmeintegriert mit dem Energie- und CO₂-Erzeugungsverfahren angenommen wird). Das Erhitzen führt dazu, dass etwas des CO₂ in eine Gasphase übergeführt wird, wodurch Strom 109 zweiphasig wird. Der Strom 109 wird dann dem Blitz-Gas-Flüssig-Separator 110 zugeführt, worin die Gasphase über Kopf 112 austritt und die flüssige Phase 111, die noch CO₂ enthält, das an das Absorbens gebunden ist, der Desorptionssäule (oder Stripper) 123 zugeführt wird. Wenn der Stripper 123 bei einem geringeren Druck betrieben wird als der Blitzseparator 110, wird der Gasphasenteil, der von dem Strom 111 stammt, entlüftet, um mit dem Überkopfstrom 124 auszutreten. Die flüssige Phase von Strom 111 fließt hinunter zum Stripper 123, gegenstromig zu ansteigendem Dampf. Der Dampf ist das Ergebnis des Wiedererhitzers 120 und/oder des Direktdampfes 190, der am Boden eingeleitet wird. Die Verwendung des Nebenerhitzers 120 ermöglicht die Verwendung einer niederwertigeren Energie (Energie bei einer niedereren Temperatur) als wenn das Wiedererhitzen am untersten Boden des Strippers 123 durchzuführen war. Mit einem Nebenerhitzer 120 ist der Strom 119 erforderlich, um einen nach oben gerichteten Dampfstrom in dem Bodenabschnitt bereitzustellen. (Optional könnte dies bereitgestellt werden durch einen zweiten Wiedererhitzer). Die regenerierte Lösung 113, die arm an CO₂ ist, wird zu dem Ekonomiser 106 geleitet, worin sie gekühlt wird bevor sie als Strom 170 letztendlich auf die gewünschte Temperatur gekühlt wird zum erneuten Eintritt in die Absorptionssäule 103. Der Dampfstrom 124 aus dem Stripper 123 geht zu einem Überkopfdephlegmator 126, der das Absorbens unter Rückflussbedingungen kondensiert, um dasselbe zurückzugewinnen. Das zurückgewonnene Absorbens 125 wird zurückgeführt zum Stripper 123. Der Überkopfstrom 127 kann weiterhin noch wertvolle Wärme enthalten (in der Form von Heißgas und Wasserdampf) und diese Wärme, die in dem Ekonomiser 128 zurückgewonnen werden kann, z.B. als Dampf, bevor der Strom 129 zum Kondensator 130 geführt wird, um Absorbens und Wasser-Kondensat 134 zurückzugewinnen, das zu der Absorberschleife über Strom 134 zurückgeführt wird, während das zurückgewonnene CO₂ als Strom 133 aus dem Separator 132 austritt. Die Gasphase 112, die den Blitz-Gas-Flüssig-Separator 110 verlässt, ist ebenfalls so dargestellt, dass sie zu einem Dephlegmator 135 geführt wird, zur Adsorbensrückgewinnung bevor der Gasstrom 136 bei 137 gekühlt wird, gefolgt durch Kondensatrückgewinnung 139, von wo das CO₂ über Kopf 140 austritt und das Kondensat 141 zu der Absorberschleife recyclisiert wird.
Beispiel 1
Das Energiegewinnungsverfahren, wie in 1 beschrieben, wird in dem folgenden Beispiel veranschaulicht.
Luft 1 wird bei Umgebungsbedingungen einem Gasturbinenkompressor 23 zugeführt, worin Luft auf 20 bar komprimiert wird. Komprimierte Luft 2 bei 465 °C und 20 bar wird in die Verbrennungskammer 29 eingespeist, worin sie verwendet wird, um einen Kohlenstoff-enthaltenden Brennstoff 3 zu verbrennen. Ein Teil der Luft wird für Kühlzwecke verwendet. Heißer Verbrennungsgasstrom 4 bei etwa 1250 °C wird in den Gasturbinenexpander 24 auf nahe Atmosphärendruck bei etwa 590 °C entspannt.
Elektrische Energie wird in dem Stromgenerator 22 erzeugt. (Alternativ kann die Energie direkt für einen Maschinenantrieb verwendet werden). Wärme wird teilweise zurückgewonnen durch Erzeugung von Dampf (43) in dem Erhitzer 31 (optional) und teilweise durch Wärmeaustausch mit CO₂-abgereichertem Abgas 13 in Wärmeaustauscher 36. Der gesamte Abgasstrom 7 bei etwa 170 °C wird weiterhin mit Kühlwasser (44) im Wärmeaustauscher 32 auf etwa 40 °C gekühlt. Alternativ kann ein Teil der Wärme für Heizzwecke verwendet werden, d.h. in der CO₂-Entfernungsanlage. Gekühltes Abgas 9 wird weiterhin in den Kompressor 25 (Stufe 1) und 26 (Stufe 2) zugeführt, mittels Kühlen durch ein Kühlmedium (40) zwischen den Stufen. Strom 12 wird bei ungefähr 10 bar weiterhin auf unter 35 °C in einem Wasser-gekühlten Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) gekühlt.
Mehr als 80 % CO₂ in dem Abgas wird in Einheit 35 entfernt, von wo ein CO₂-Strom 19 von dem System ausgeleitet wird und weiterhin komprimiert werden kann und in ein Aquifer eingespritzt werden kann zur Langzeitablagerung oder verwendet werden kann zur Verbesserung der Öl- und Gasgewinnung.
Der CO₂-abgereicherte Abgasstrom 13 wird im Rekuperator 36 auf etwa 450 °C wieder erhitzt und wird in dem Expander 27 auf nahe Atmosphärendruck entspannt. Das CO₂-abgereicherte Abgas 18 aus dem Expander 27 wird in die Atmosphäre ausgetragen. Die Temperatur in Strom 14 wird so reguliert, dass die Energie, die im Expander 27 erzeugt wird, ausreichend ist zur Kompression von Abgas 9.
Zum Verringern des handzuhabenden Volumens des Abgases, das in dem CO₂-Entfernungs- und Rückgewinnungssystem handzuhaben ist, kann ein Teil des Abgases in den Hauptgasturbinenzyklus als Strom 8 recyclisiert werden. Dieses Recyclisieren von Abgas wird auf eine solche Art gesteuert, dass die Konzentration von Sauerstoff im Strom 2 mindestens ausreichend ist, um eine Flamme im Verbrenner 29 aufrechtzuerhalten. Dieses Rezirkulieren wird auch die Brennstoff-zu-elektrische Energie-Effizienz erhöhen, wie in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Die Brennstoff-zu-elektrische Energie-Effizienz exklusive CO₂-Entfernung für ein Strom- und Wärmegewinnungsverfahren gemäß 1 und der Partialdruck von CO₂ in dem Einlass zur CO₂-Entfernungs- und Rückgewinnungsanlage gegenüber dem Recyclisierungsverhältnis (Strom 8/Strom 9) von Abgas in dem Hauptkraftwerkssystem. (Ein Dampfzyklus ist in der Schätzung enthalten, durch Berechnen der potenziellen Dampferzeugung und unter der Annahme einer 28 %-Effizienz für die Umwandlung von thermischer in mechanische Energie (hier nachfolgend als einfacher Dampfzyklus bezeichnet)).
Tabelle 1 zeigt, dass das Recyclisieren von Abgas die Effizienz verbessert. Dies beruht darauf, dass das Recyclisieren von Abgas die Konzentration von CO₂ in dem Abgas erhöht und daher die Gasmenge verringert, welche in dem integrierten sekundären Energiesystem und in dem CO₂-Entfernungs- und Rückgewinnungssystem zu behandeln ist. Gemäß 4, welche den Wärmeverbrauch in der CO₂-Entfernungsanlage gegenüber dem Einlasspartialdruck von CO₂ zeigt, wird der Wärmebedarf reduziert, falls der Partialdruck von CO₂ erhöht wird.
CO₂-Entfernung mittels Absorption durch MEA bei Atmosphärendruck und unter der Annahme von 50 % Recyclisierung von Abgas wird die Effizienz um etwa 5 bis 6 %-Punkte gemäß 4 verringern. CO₂-Entfernung mittels Absorption bei 10 bar wird die Effizienz um 3 bis 4 %-Punkte verringern. Es wurden Schätzungen für ein Energiesystem, das auf einer herkömmlichen Gasturbine basiert, mit einem einfachen Dampfzyklus und mit 50 % Recyclisierung von Abgas, durchgeführt, wobei sich eine Brennstoff-zu-elektrische Energie-Effizienz von 51 % exklusive CO₂-Entfernung und 45 bis 46 % inklusive CO₂-Entfernung ergab.
Zum Vergleich wird die Brennstoff-zu-elektrische Energie-Effizienz mit Rekompression von Abgas auf 10 bar gemäß 1 etwa 44 bis 45 % inklusive CO₂-Entfernung und unter der Annahme von 50 % Recyclisierung von Abgas sein.
Dieses Beispiel zeigt, dass der Energie- und Wärmeverbrauch zur CO₂-Entfernung bei erhöhtem Druck nahe dem Energie- und Wärmeverbrauch ist, wenn CO₂ in einem Verfahren bei Atmosphärendruck entfernt wird. Der Vorteil ist eine wesentlich verringerte Größe des CO₂-Entfernungs- und Rückgewinnungssystems. In einem Absorptions/Desorptions-System können andere Amine als MEA, die weniger einer Zersetzung unterliegen, mit geringeren Aminverlusten und verringerten Korrosionsproblemen verwendet werden.
Beispiel 2
Das Energiegewinnungsverfahren, das in 2 beschrieben ist, ist in dem folgenden Beispiel ausgeführt.
Luft 1 wird bei Umgebungsbedingungen in einen Gasturbinenkompressor 23 eingespeist, worin Luft auf etwa 20 bar komprimiert wird. Luft 2 bei 465 °C und 20 bar wird in einen befeuerten Heizer 29 eingespeist, worin sie verwendet wird, um den Brennstoffstrom 15 zu verbrennen. Ein Teil der Luft wird für Kühlzwecke (nicht gezeigt) verwendet. Wärme wird auf Strom 16 übertragen. Das verbrannte Gasgemisch wird weiter im Verbrenner 29 durch Verbrennen eines Brennstoffs 20 erhitzt. Das heiße Gasgemisch bei etwa 1250 °C wird in einen Gasturbinenexpander 24 auf nahe Atmosphärendruck entspannt und elektrische Energie wird in dem Stromgenerator 22 erzeugt. (Alternativ kann die Energie direkt zu einem Maschinenantrieb verwendet werden). Wärme wird rückgewonnen durch Erzeugung von Dampf (43) im Erhitzer 31. Der Abgasstrom 7 bei etwa 100 bis 170 °C wird weiterhin durch Kühlwasser im Wärmeaustauscher 23 auf unter 50 °C gekühlt. Gekühltes Abgas 9 wird weiterhin in den Kompressor 25 (Stufe 1) und 26 (Stufe 2) eingespeist, unter Kühlen mittels eines Kühlmediums (40) zwischen den Stufen. Strom 12 wird bei etwa 10 bar weiterhin auf unter 35 °C in einem wassergekühlten Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) gekühlt.
Mehr als 80 % CO₂ in dem Abgas werden in Einheit 35 entfernt, von welcher ein CO₂-Strom 19 von dem System ausgetragen wird und weiter komprimiert und injiziert werden kann in ein Aquifer für eine Langzeitablagerung oder für eine verbesserte Öl- und Gasgewinnung verwendet werden kann.
CO₂-abgereicherter Abgasstrom 13 wird im Rekuperator 34 wieder erhitzt und wird weiter in dem unter Druck gesetzten, befeuerten Erhitzer 30 auf etwa 850 °C oder höher erhitzt, in Abhängigkeit von dem Druck. Strom 16 wird in den Expander 27 auf nahe Atmosphärendruck entspannt und Wärme wird im Rekuperator 34 zurückgewonnen. Das CO₂-abgereicherte Abgas 18 wird in die Atmosphäre ausgetragen.
Die Konzentration von CO₂ im Strom 12 kann erhöht werden durch Erhöhen der Temperatur in Strom 16, wie in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Die Brennstoff-zu-elektrische Energie-Effizienz exklusive CO₂-Entfernung für ein Wärme- und Stromgewinnungsverfahren gemäß 2 und der Partialdruck des CO₂-Einlasses der CO₂-Entfernungsanlage gegenüber dem Temperatureinlass von Expander 27 bei einem Abgasrecyclisierungsverhältnis (EGRR) von 0,5 (Strom 8/Strom 9).
Dieses Beispiel zeigt, dass die Integration eines befeuerten Heizers im Hauptenergiesystem zum Erhitzen von CO₂-abgereichertem rekomprimiertem Abgas die Effizienz erhöhen könnte, im Vergleich zu Beispiel 1. Tabelle 2 zeigt auch die Wirkung der Erhöhung der Vorerhitzungstemperatur auf die Verfahrenseffizienz.
Wenn die CO₂-Entfernung durch das verbesserte Absorptions/Desorptions-Verfahren enthalten ist, wird die Gesamt-Brennstoff-zu-Energie-Effizienz etwa 46 bis 47 % sein, unter der Annahme eines einfachen Dampfzyklus. Das herkömmliche Verfahren mit CO₂-Entfernung nahe Atmosphärendruck könnte eine Brennstoff-zu-elektrische Energie-Effizienz von 45 bis 46 % ergeben, falls es auf der gleichen Basis beurteilt wird (Brennstoffzusammensetzung, Kompressorund Turbineneffizienzen, Abgastemperaturen usw.)
Beispiel 3
Das Absorptions-Desorptions-Verfahren, das in 3 dargestellt ist, wird in folgendem Beispiel ausgeführt.
Das Einspeisungsgas 12 in die Absorptionssäule 103 im CO₂-Entfernungs- und Rückgewinnungssystem 35 ist bei 10 bar und 40 °C mit einem CO₂-Gehalt von 8 %. Die CO₂-Entfernungseffizienz der Absorptionssäule 103 ist 80 %. Betrieb bei einer Gleichgewichtsannäherung von ungefähr 80 % am unteren Ende der Säule, unter Verwendung einer Absorbenszirkulationsrate von 36,4 m³/h und einem Absorbens, das aus einer 4,3-molaren wässrigen Lösung von MDEA besteht, führt zu einer CO₂-Beladung in der Lösung von 0,51 Mol CO₂ pro Mol MDEA.
Rückgewinnungswärme aus der abgereicherten Lösung 116 im Wärmeaustauscher 106 der reichhaltigen Lösung wird weiterhin im Wärmeaustauscher 108 auf 140 °C erhitzt. Der CO₂-Rückdruck der Lösung ist dann ungefähr 48 bar. Wenn diese Lösung in den Behälter 110 bei 10 bar übergeführt wird, wird die CO₂-Beladung in der Lösung auf 0,27 Mol CO₂ pro Mol MDEA verringert, was die CO₂-Beladung im Strom 111 ist. Die Dampffraktion gelangt überkopf als Strom 112 zum Dephlegmator 135, worin der Strom gekühlt wird und teilweise kondensiert wird. Das Kondensat strömt über 135 nach unten zurück, wobei es als Rückfluss wirkt. Das Kühlen wird so ausgelegt, dass kein wesentlicher Verlust von MDEA in Strom 136 auftritt während sein Wassergehalt nahe demjenigen ist, der durch die Gleichgewichtsbedingungen am oberen Ende von 135 vorhergesagt wird. Dieses Wasser wird scheinbar vollständig in dem Kondensator 137 kondensiert. Die Desorptionssäule 123 arbeitet bei ungefähr 5 bar und sie hat einen Nebenerhitzer 120, der durch 5 bar Dampf betrieben wird. Die Lösung, die die Säule 123 hinunterrieselt, wird dann auf 140 °C erhitzt, wodurch nur eine geringe Menge CO₂ in der Lösung zurückbleibt. Dieser Rest wird weiter verringert auf 0,05 Mol CO₂ pro Mol MDEA in dem Bodenabschnitt von Säule 123 durch die Verwendung einer Direktdampfeinspritzung. Der Überkopfdampfstrom 124 der Desorptionssäule geht zum Dephlegmator 126, welcher analog zum Dephlegmator 135 arbeitet.
Diese Technik eliminiert insgesamt oder zum Teil die Notwendigkeit CO₂ auf Ablagerungs- oder Verbrauchsdruck zu komprimieren. Die Desorption bei erhöhtem Druck kann ohne weitere Einzelheiten durchgeführt werden, außer denjenigen, die angegeben sind, zumindestens innerhalb der gezeigten Ausführungsform.
Durch die vorliegende Erfindung haben die Erfinder ein verbessertes Verfahren zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas erreicht, welches Gewicht und Umfang der Ausstattung verringert, die in dem Absorptions- und Desorptionsverfahren verwendet wird und eine effiziente Verwendung anderer Amine als MEA erlaubt.
Effizienzverlust aufgrund von Rekompression wird eliminiert durch Begrenzen des Rekompressionsdrucks auf unter 30 bar und vorzugsweise unter 20 bar und durch Auswählen der richtigen Kombination von Rekompressionsdruck und Wiedererhitzungstemperatur und durch effiziente Verwendung von Energie in dem CO₂-Absorptions- und Desorptionsverfahren.
Die Erfindung verringert das Energie-Temperaturniveau, das in dem CO₂- Absorptions- und Desorptionssystem erforderlich ist, durch Verwendung eines Nebenerhitzers und/oder Direktdampf.
Bei Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird ein unerwünschter Übergang des aktiven Teils des Absorbens aufgrund des installierten Dephlegmators in dem Absorptions- und Desorptionssystem vermieden.
Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung Optionen in Bezug auf die Auswahl von Absorbentien.
Das Verfahren führt zu einer verringerten Menge Abfallmaterial, Nebenprodukten, weniger Korrosionsproblemen, weniger Chemikalienverbrauch und verringertem Gewicht und Umfang der verwendeten Ausstattung. Wenngleich der Kernpunkt der obigen Diskussion auf wässrigen MDEA-Lösungen bestand, sollte es offensichtlich sein, dass andere Alkanolamine, einschließlich Gemische davon, oder sogenannte Aktivatoren ebenfalls in dieser Erfindung verwendet werden können. Das verbesserte Verfahren zur Desorption gemäß der vorliegenden Erfindung kann in jedem Verfahren verwendet werden, worin CO₂ aus einem Gas entfernt wird.

Claims

Verfahren zum Entfernen und Rückgewinnen von CO₂ aus Abgas von einer Strom- oder Wärmeerzeugungsanlage (einem Hauptkraftwerk) durch chemische Absorption beziehungsweise Desorption, bei dem das Abgas in einen Absorber eingespeist wird, der ein chemisches Absorbens enthält, wobei das CO₂ in dem Absorbens absorbiert wird und ein CO₂-verarmter Abgasstrom gebildet wird, und das CO₂-reiche Absorbens des Weiteren in einen Desorber eingespeist wird, wo CO₂ von dem Absorbens entfernt wird und das im Wesentlichen CO₂-freie Absorbens zu dem Absorber zurückgeführt und das desorbierte CO₂-Gas abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas abgekühlt und in einem Kompressor eines Sekundärkraftwerks, das in das Hauptkraftwerk, den Absorber und den Desorber integriert ist, erneut auf einen erhöhten Druck komprimiert wird, bevor es in den Absorber eintritt, und das aus dem Absorber austretende, CO₂-verarmte Abgas erneut erhitzt und des Weiteren in einem Expander in dem Sekundärkraftwerk expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärkraftwerk eine Gasturbine oder einen Kompressor und ein Expandersystem in einer oder mehreren Stufen einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂-verarmte Abgas in dem Sekundärkraftwerk auf nahezu atmosphärischen Druck expandiert wird, wodurch Energie zum Komprimieren des CO₂ enthaltenden Abgases vor Eintritt in den Absorber erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂ enthaltende Abgas ohne Zwischenkühlung in dem Sekundärkraftwerk zwischen 5 und 30 bar komprimiert wird, bevor es in den Absorber eintritt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂ enthaltende Abgas mittels eines zwischengekühlten Kompressors in dem Sekundärkraftwerk zwischen 5 und 30 bar und insbesondere zwischen 7 und 20 bar komprimiert wird, bevor es in den Absorber eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂-verarmte Abgas durch Wärmetausch mit einem Teil des Abgasauslasses des Gasturbinenexpanders in dem Hauptkraftwerk erneut erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂-verarmte Abgas durch Wärmetausch mit einem Teil des Abgases in dem Sekundärkraftwerk oder Hauptkraftwerk und des Weiteren in einem unter Druck stehenden, beheizten Heizer, der sich in dem Hauptkraftwerk befindet, erneut erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂-verarmte Abgas durch Wärmetausch mit dem Abgas, das das zweite Kraftwerk verlässt, erneut erhitzt und mittels eines Combustors durch Zusatz eines Brennstoffs weiter erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Erdgas oder wasserstoffhaltiger Brennstoff oder beliebiger Brennstoff ist, der in einem Gasturbinen-Combustor verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße verbrannte Gas, das den Combustor verlässt, auf nahezu atmosphärischen Druck expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂-reiche Absorbens auf einen ausreichend hohen Druck gepumpt wird, um die Verflüssigung von CO₂ mit Kühlwasser zu ermöglichen, und dann erhitzt wird, bevor es in einen ersten Gas-Flüssig-Abscheider eingespeist wird, in dem die erreichte Temperatur ausreichend hoch ist, damit eine wesentliche Fraktion des CO₂ desorbieren kann, wodurch CO₂-verarmtes Absorbens zurückbleibt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das entspannte Gas, das aus CO₂, Wasser und der chemisch aktiven Komponente besteht, zu einem Dephlegmator geführt wird, wo es abgekühlt wird, während das chemisch aktive Absorbens vorzugsweise kondensiert und zum Herunterfließen an dem Dephlegmator und Zurückfließen zu dem Gas-Flüssig-Abscheider gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im oberen Bereich des Dephlegmators geregelt wird, um im Wesentlichen vollständige Rückgewinnung des chemisch aktiven Teils des Absorbens zu gewährleisten, während Wasserdampf für die nächste Stufe der Kondensation zurückbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Fraktion aus dem ersten Gas-Flüssig-Abscheider in eine Desorptionskolonne eingespeist wird, die einen beliebigen Druck gleich oder unter dem Druck in dem Gas-Flüssig-Abscheider aufweisen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionskolonne eine oder mehrere Wärmequellen kolonnenabwärts aufweist, um Desorption von CO₂ und die Produktion von Wasserdampf zu gewährleisten, um als Strippgas zu wirken.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle ein Neben-Aufkocher in einer Stufe ist, in der der CO₂-Gehalt in der Flüssigkeit die Verwendung einer Wärmequelle bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 150 °C zulässt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Wärmequelle an der Basis der Desorptionskolonne als Frischdampf bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfproduktgasstrom der Desorptionskolonne, der aus CO₂, Wasser und der chemisch aktiven Komponente besteht, zu einem Dephlegmator geführt wird, wo er abgekühlt wird, während das chemisch aktive Absorbens vorzugsweise kondensiert und zum Herunterfließen an dem Dephlegmator und zurück in die Desorptionskolonne gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im oberen Bereich des Dephlegmators geregelt wird, um im Wesentlichen voll-ständige Rückgewinnung des chemisch aktiven Teils des Absorbens zu gewährleisten, während Wasserdampf für eine nächste Stufe der Kondensation zurückgelassen wird.