WO2010111996A1

WO2010111996A1 - Vorrichtung und verfahren zur entfernung von kohlendioxid (co2) aus dem rauchgas einer feuerungsanlage nach der energieumwandlung

Info

Publication number: WO2010111996A1
Application number: PCT/DE2010/000322
Authority: WO
Inventors: Jewgeni Nazarko; Ernst Riensche; Martin Bram; Li Zhao
Original assignee: Forschungszentrum Jülich GmbH
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2010-10-07
Also published as: US20120111192A1; EP2414076A1; US8728201B2; DE102009016015A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid aus dem Rauchgas aus einer Energieumwandlung, wobei das Rauchgas zunächst einer Membraneinheit, umfassend wenigstens ein Membranmodul mit einer CO2- selektiven Membran, zugeführt wird, in dem ein Teil des CO2 aus dem Rauchgas als angereichertes CO2-Permeat abgetrennt wird. Das so abgereicherte Rauchgas (Retentat) wird anschließend wenigstens einer weiteren CO2-Abtrenneinheit zugeführt, in dem ein Teil des CO2 durch ein Adsorptionsmittel oder ein Absorptionsmittel aus dem Rauchgas abgetrennt wird. Die Erfindung betrifft zudem eine zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Abtrennung von CO2 aus einem Rauchgas mit einer Membraneinheit, umfassend wenigstens ein Membranmodul mit einer CO2- selektiven Membran und mit einer weiteren CO2-Abtrenneinheit, umfassend ein Adsorptionsmittel oder ein Absorptionsmittel.

Description

Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid (CO₂) aus dem Rauchgas einer Feuerungsanlage nach der Energieumwandlung

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Reduzierung von CO₂-Emissionen aus den Abgasen von Feuerungsanlagen, insbesondere aus Rauchgasen von Energieumwandlungsanlagen, mit Hilfe einer Verfahrenskombination. Ferner betrifft die Erfindung die für die Durchführung dieser Verfahren geeigneten Vorrichtungen.

Stand der Technik

Eine der bedeutendsten Quellen für die Zunahme der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre ist die Verbrennung fossiler Energieträger in Feuerungsanlagen mit dem Ziel der Energieumwandlung. Daher soll versucht werden, CO₂ aus der

Verbrennung fossiler Energieträger abzutrennen und danach einzulagern, um nicht in die Atmosphäre zu gelangen. Grund für diese Bemühungen sind der Treibhauseffekt und die daraus resultierende globale Erwärmung. Derzeit gibt es drei prinzipielle Konzepte der Abscheidung von Kohlendioxid, die sich in der Positionie- rung der Abtrennung im Energieumwandlungsprozess unterscheiden.

Dies sind die CO₂-Abtrennung vor der Energieumwandlung (Pre-Combustion), die Erzeugung eines Cθ₂-reichen Rauchgases durch die Energieumwandlung in einer angereicherten Sauerstoffatmosphäre (Oxy-Fuel), und die CO₂-Abtrennung nach der Energieumwandlung (Post-Combustion).

Beim Pre-Combustion- Verfahren wird ein Brennstoff, wie z. B. Kohle, schon vor der Energieumwandlung von CO₂ befreit. Dazu wird er bei hoher Temperatur zu einem Synthesegas aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) vergast. Beim Oxy-Fuel- Verfahren wird der fossile Brennstoff nicht in Luft, sondern im Idealfall mit reinem Sauerstoff verbrannt.

Das Konzept der CO₂-Abtrennung nach der Energieumwandlung weist dabei als End-of-pipe Problemlösung die Vorteile auf, dass die CO₂-Abtrennung selbst nur einen geringen Einfluss auf die Verfügbarkeit der Energieumwandlungsanlage hat. Des Weiteren ist eine Nachrüstung der bestehenden Anlagen möglich. Je nach Kraftwerks-, Brennstoff- und Feuerungsart der Energieumwandlungsanlage ent- hält das in die Atmosphäre freigesetzte Rauchgas zwischen 3 und 15 Vol.-% CO₂.

Für die Abtrennung von CO₂ aus Rauchgas kommen diverse Verfahren zur Anwendung, beispielsweise die chemische bzw. physikalische Absorption in Absorptionstürmen oder in Membrankontaktoren oder eine CO₂-selektive Membran.

Die CO₂- Wäsche mittels chemischer Absorption (CAS = Chemical Absorption System) funktioniert wie folgt. Das Rauchgas wird nach Rauchgasreinigung (z. B. im Falle des Steinkohlekraftwerkes bestehend aus Entstickung, Entstaubung und Entschwefelung) durch ein in der Regel flüssiges Absorptionsmittel geleitet. Die- ses Absorptionsmittel enthält in der Regel Amine. Das CO₂ kann zunächst chemisch oder physikalisch in dem Waschmittel gebunden werden (Absorption). Im Anschluss wird das mit CO₂ beladene Absorptionsmittel erhitzt, wodurch das CO₂ sich wieder von den Aminen trennt (Desorption). Das freigesetzte CO₂ ist nahezu rein und kann anschließend verdichtet und gegebenenfalls zu einem Speicher oder zur Nutzung abtransportiert werden. Das aminhaltige Absorptionsmittel ist nach der Freisetzung von CO₂ und gegebenenfalls nach der Konditionierung wieder verwendbar. Für niedrige bis moderate CO₂-Partialdrücke kann so ein Abtrenngrad von bis zu 90 % erreicht werden.

Die Regenerierung des Absorptionsmittels ist jedoch ein energieaufwändiger Pro- zess, da zum einen das mit CO₂ beladene Absorptionsmittel erhitzt und zum anderen die exotherme Reaktion bei der Absorption zwischen Absorptionsmittel und CO₂ durch Wärmezufuhr rückgängig gemacht wird. Die benötigte Wärme, die dem Kraftwerksprozess entnommen wird, wirkt sich in der Regel nachteilig auf den Kraftwerks Wirkungsgrad aus.

Neben Aminlösungen werden derzeit auch andere Absorptionsmittel erprobt. Das Waschmittel mit dem niedrigsten Energieaufwand wird sich durchsetzen. Als Alternative zur chemischen Absorptionswäsche wird derzeit auch die Abtrennung mit Hilfe von Membrankontaktoren als Gas-Flüssig-Kontaktapparate erforscht (MAS = Membrane Absorption System). Membrankontaktoren ermögli- chen vorteilhaft einen dispersionsfreien Stoffaustausch zwischen zwei Phasen und benötigen regelmäßig nur ein Zehntel des baulichen Ausmaßes gegenüber herkömmlichen chemischen Wäschern.

Im Membrankontaktor sind Gas- und Flüssigkeitsstrom stets voneinander durch die Membranoberfläche getrennt. Eine Vielzahl von Membranhohlfasern ist in das

Gehäuse des Kontaktors eingebettet, durch deren Innenraum das Rauchgas und im Gegenstrom im Faseraußenraum die Waschflüssigkeit strömt. Da die verwendeten Membranfasern aus Polypropylen bestehen und somit hydrophob sind, werden die Membranporen von der Gasphase benetzt. Das bedeutet, dass der Membranwerk- stoff nur an der Membranoberfläche mit der Flüssigphase in Kontakt kommt. Der

Stofftransport des Kohlendioxids findet anhand von Diffusion durch die Membranporen statt. Die Selektivität wird durch das Lösungsvermögen des jeweiligen Gases in der Waschflüssigkeit bestimmt. Der Vorteil eines Membrankontaktors ist die große volumenbezogene Stoffaustauschfläche, die ein Vielfaches der Stoffaustauschfläche von konventionellen Kontaktapparaten beträgt [I].

Alternativ zur chemischen Absoiption wird bei Post-Combustion Verfahren auch über die CO₂-Abtrennung mittels selektiver CO₂-Membranen nachgedacht. Dazu werden Polymermembranen, wie beispielsweise Mischungen aus Polyvinyl- alkoholen (PVA) und Polyvinylaminen (PVAm) oder auch organisch-anorganischen Hybrid-Membranen sowie keramische Membranen zur Trennung von CO₂ und N₂ bei Temperaturen bis 200 °C entwickelt. Aktuell wird auch eine Plastikmembran erforscht, bei der die Membran nicht nur als Filter fungiert, sondern die mit Hilfe eines an die Membran fixierten Lösungsmittels das CO₂ in Form von Bikarbonat durch die Membran schleust. Nachteilig in den oben genannten Beispielen ist jedoch, dass im Fall der chemischen Absorption der energetische Aufwand in Form des der Niederdruckdampfturbine entnommenen Dampfes für die Regeneration des Absorptionsmittels zu einer deutlichen Verringerung des elektrischen Brutto- und Netto-Wirkungsgrades des Kraftwerkes je nach Kraftwerk und Entkarbonisierungsanlage führt. Diese

Verringerung liegt nach [2] im Bereich bis zu 15 %-Punkte der elektrischen Leistung eines Kohlekraftwerkes.

Im Fall der CO₂-Abtrennung mittels einer Membran, insbesondere einer kerami- sehen Membran, führt der energetische Aufwand für die Gewährleistung der für den CO₂-Transport durch die Membran erforderlichen Triebkraft zu einer deutlichen Verringerung des elektrischen Netto-Wirkungsgrades des Kraftwerkes. Ferner liegt der CO₂-Abtrenngrad bei der festgelegten CO₂-Reinheit je nach den Membranselektivitäten deutlich unter 90 %. So beträgt beispielsweise der CO₂- Abtrenngrad einer einstufigen Polymermembran bei einer CO₂/N₂-Selektivität von

40 zu 1 und der CO₂-Reinheit von 80 Vol.-% lediglich 50 % [3].

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine effektive Reduzierung von CO₂-

Emissionen aus den Abgasen von Feuerungsanlagen ermöglicht. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens bereit zu stellen.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit der Merkmale des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweils darauf rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von CO₂-Emissionen aus den Abgasen von Feuerungsanlagen, insbesondere aus Rauchgasen von Energie- Umwandlungsanlagen, mit Hilfe einer Verfahrenskombination aus CO₂-selektiven Membranen und der chemischen Absorption. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dazu die Merkmale des geltenden Anspruchs 1 auf.

Ferner betrifft die Erfindung eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung, die sich aus den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche ergibt.

Im Folgenden wird unter Feuerungsanlage jede Anlage verstanden, in der ein gas- förmiger, flüssiger und/oder fester Brennstoff zur Nutzung der erzeugten Wärme oxidiert wird. Dazu zählen beispielsweise Gasbrenner, die mit Erdgas, Flüssiggas, Stadtgas oder Deponiegas betrieben werden, Ölbrenner, die z. B. mit Erdöl, Heizöl, oder auch Alkoholen betrieben werden, und auch Rostfeuerungen für stückige Brennstoffe, wie beispielsweise gasreiche Steinkohle oder Holzhackschnitzel, Wirbelschichtfeuerungen oder Staubfeuerungen.

Rauchgas nennt man das bei der technischen Verbrennung von Brennstoffen entstehende gasförmige Verbrennungsprodukt. Rauchgase umfassen in der Regel feste, flüssige und/oder gasförmige Verunreinigungen, wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Stickstoffoxid und Wasserdampf als

Gase, Festkörperpartikel, wie Flugasche und Ruß, und gegebenenfalls auch noch Kohlenmonoxid oder Wasserstoff.

Die Idee der Erfindung basiert darauf, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte und effektivere CO₂-Abtrennung bei einer Energieumwandlung durch die Kombination einer CO₂-selektiven Membran und einer weiteren CO₂- Abtrennung, beispielsweise einer chemischen Absorption, durchzuführen.

Erfindungsgemäß findet in einem ersten Schritt eine Teil-CO₂-Abtrennung durch eine CO₂-selektive Membran, bzw. ein CO₂-selektives Membranmodul statt, welches im Weiteren auch Membraneinheit genannt wird. Dabei ist die Art der Erzeugung der CO₂-Partialdruckdifferenz unerheblich, bzw. in weiten Bereichen variabel (Druck auf der Feedseite, Vakuum auf der Permeatseite, Spülmedium, oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Optionen). Auf der Permeatseite des Membranmoduls wird das angereicherte CO₂ erfasst. Die Konzentration von CO₂ im Permeat ist regelmäßig höher als in dem, dem Membranmodul zugeführten, Rauchgas (Feed). Das Abgas aus dem Membranmodul (Retentat) enthält weniger CO₂ als zuvor, so dass der/die CO₂-Partialdruck/CO₂-Konzen- tration geringer ist als auf der Feedseite. Eine Abreicherung des CO₂ im Retentat um wenigstens 30 %, vorteilhaft sogar um wenigstens 40 % und besonders vorteilhaft sogar eine um mehr als 50 % der CO₂- Ausgangskonzentration im Rauch- gas ist dabei in der Regel problemlos zu erzielen.

Im zweiten Schritt wird das Abgas aus dem Membranmodul (Retentat) einer weiteren CO₂-Abtrenneinheit zugeführt, die weiteres CO₂ aus dem Abgas abtrennt. Dafür sind insbesondere die Verfahren der Absorption und/oder der Adsorption geeignet. Sofern sich ein Absorptionsschritt anschließt, wird im Folgenden von einer nachgeschalteten Absorptionseinheit gesprochen.

Das Merkmal der chemischen und /oder physikalischen Absorption ist ihre Eigenschaft, dass die CO₂-Konzentration im zugeführten, zu reinigenden Abgas keinen, bzw. geringen Einfluss auf die CO₂-Separation aus dem zugeführten Abgas hat.

Daher wirkt es sich auf die Effektivität dieses Abtrennschrittes in keiner Weise negativ aus, dass schon ein Teil des CO₂ durch das vorherige Membranmodul abgetrennt wurde. Vorteilhaft wird bei weniger abgetrenntem CO₂ in der Absorptionseinheit auch nur weniger Energie für die Desorption von CO₂ sowie weniger Absorptionsmittel in der Absorptionseinheit benötigt.

Die Grundidee dieser Erfindung besteht darin, die Vorteile beider CO₂- Abtrennverfahren derart geeignet zu kombinieren, dass eine effektive und dennoch Energie sparende Abtrennung erfolgen kann, die den Wirkungsgrad der ge- samten Feuerungsanlage nur geringfügig belastet. Unter geringfügig wird im

Rahmen der Erfindung verstanden, dass für die Entcarbonisierung insgesamt nicht mehr als 10 %-Punkte der elektrischen Leistung des Kraftwerkes, insbesondere nicht mehr als 5 %-Punkte aufgewendet werden müssen.

Die Vorteile der Verfallrenskombination aus einer CO₂-selektiven Membran (Membraneinheit) und einer weiteren Abtrennung, insbesondere einer Absorption (Absorptionseinheit), sind zusammengefasst:

1) geringerer Gesamtenergieaufwand im Vergleich zur alleinigen chemischen Absoiption bei gleichem CO₂- Abtrenngrad;

2) höhere Reinheit des angereicherten CO₂ bei hohem Abtrenngrad im Vergleich zur alleinigen Cθ₂-selektiven Membran bei gleichem Abtrenngrad; 3) Verringerung des Energieaufwandes für die Regeneration des Absorptionsmittels in der Absorptionseinheit, wenn die Abwärme aus der Membraneinheit genutzt wird;

4) Verringerung der Menge des Absorptionsmittels, des Desorbers sowie der Peripherieanlagen der Absorptionseinheit im Vergleich zur alleinigen chemi- sehen Absorption, da der abzutrennende CO₂-StTOm durch die vorgeschaltete

Membraneinheit geringer wird.

Die Abtrennung mit Hilfe einer CO₂-selektiven Membran hängt stark von der Triebkraft der CO₂-Diffusion durch die Membran ab und wird in der Regel umso uneffektiver, je geringer die CO₂-Konzentration im Rauchgas ist.

Daher wird die Abtrennung mittels einer selektiven Membran an der Stelle eingesetzt, an der durch den geringen Aufwand bei der Herstellung der Partialdruckdif- ferenz ein Teil des CO₂ aus dem Rauchgas abgetrennt werden kann. Eine weiter- gehende CO₂-Abtrennung mit Hilfe einer Membran würde an diesem Punkt nunmehr nur noch durch eine größere Partialdruckdifferenz erzielt werden können, die entweder große Volumenströme an Rauchgas, große Mengen an Spülgas auf der Permeatseite und/oder einen besonders hohen Aufwand bei der Herstellung der Partialdruckdifferenz bedeuten würde. All dies könnte jedoch nachteilig nur durch hohen Energieaufwand realisiert werden. Außerdem würde die weitergehende CO₂-Abtrennung bei einem hohen Abtrenngrad zu einer Verringerung der CO₂-Reinheit im Produkt führen. An dieser Stelle wird daher erfindungsgemäß eine absorptive Abtrennung nachgeschaltet. Diese bietet den Vorteil, dass der CCVAbtrenngrad bei diesem absorpti- ven Verfahrensschritt nahezu unabhängig von der Konzentration des zugeführten Gases ist, sondern hauptsächlich von den Parametern des Absorptionsmittels und

Verfahrens abhängt. Damit ist es vorteilhaft möglich, mit einfachen Mitteln unter moderaten Bedingungen weiteres CO₂ aus dem schon stark CO₂-abgereicherten Rauchgas zu entfernen. Da sowohl die Konzentration an CO_2j als auch die absolute Rauchgasmenge nach der Membraneinheit geringer sind, als ohne eine solche Membraneinheit, kann die nachfolgende Absorption ebenfalls vorteilhaft geringer dimensioniert werden. Dadurch reduziert sich einerseits die Menge an Absorptionsmittel, aber insbesondere auch die zur Desorption des absorbierten CO₂ aus der Waschflüssigkeit benötigte Energiemenge.

Durch dieses erfindungsgemäße, kombinierte Verfahren zur CO₂- Abtrennung aus dem Rauchgas einer Feuerungsanlage ist es somit vorteilhaft möglich, Abtrenngrade von bis zu 90 % zu realisieren, ohne dass der Wirkungsgrad um mehr als 8 %-Pιmkte durch diese Abtrennung herabgesetzt wird.

Die Membraneinheit kann dabei im Rahmen der Erfindung sowohl aus einer als auch mehreren Membranen in einer beliebigen Verschattung bestehen. Ferner kann die benötigte Triebkraft durch Druck auf der Feedseite, Vakuum auf der Permeatseite, Spülmedium oder auch einer entsprechenden Kombination von zwei oder mehreren dieser Optionen erreicht werden. Des Weiteren kann die Memb- raneinheit je nach Beschaffenheit des Rauchgases oder des angereicherten CO₂ noch weitere Komponenten enthalten.

Die Verfahrenskombination kann vorteilhaft an diversen Positionen in der bisherigen Rauchgasreinigung entlang dem Rausgaskanal durchgeführt werden. Zwi- sehen den beiden Schritten der beschriebenen Verfahrenskombination können sich vorteilhaft andere Rauchgasreinigungs- und Konditionierungsverfahren befinden. Zur Herstellung des CCVStromes mit einer definierten Qualität können vorteilhaft die mittels der beiden Verfahrensschritte erzeugten CO₂-Ströme miteinander zu unterschiedlichen Anteilen vermischt werden.

Spezieller Beschreibungsteil

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausfülirungsbeispielen näher erläutert, ohne dass dadurch der Schutzbereich eingeschränkt wird. Der zuständige Fachmann kann dabei analoge Abwandlungen als zur Erfindung zugehörig erken- nen.

Dabei bedeuten in den Figuren 1 und 2: al) Rauchgas, a2) partiell CO₂-abgreichertes Rauchgas, b) CO₂-abgereichertes Abgas, c) mit CO₂-angereicherte Waschflüssigkeit, d) regenerierte Waschflüssigkeit, el), e2) abgetrenntes, gasförmiges CO₂, f) Kühlkreislauf für abgetrenntes CO₂, bzw. Heizkreislauf für die Regeneration des Absorptionsmittels, g) mit CO₂-angrereichertes Permeat.

Die Figur 1 zeigt das Schema eines Energieumwandlungsprozesses, hier einer Energieerzeugung in einem Kohlekraftwerk mit der CO₂-Abtrennung aus dem Rauchgas (Entcarbonisierung) mittels chemischer Wäsche (z. B. 30 %-ige wässri- ge Lösung des Monoethanolamins) nach der Rauchgasreinigung gemäß dem derzeitigen Stand der Technik. Die Rauchgasreinigung einer mit einem festen Brennstoff befeuerten und dem derzeitigen Stand der Technik entsprechenden Großfeu- erungsanlage umfasst dabei im Falle der Steinkohlefeuerung die Entstickung, die Entstaubung und die Entschwefelung in dieser Reihenfolge.

Durch die chemische Wäsche wird ca. 90 % des im Rauchgas (Ia) enthaltenen CO₂ mit einer Reinheit von 99 Vol.-% (el) abgetrennt. Für die Regeneration des Absorptionsmittels und für den elektrischen Verbrauch der Entkarbonisierungsan- lage werden in einem definierten Auslegungsfall 6,3 %-Punkte der elektrischen Leistung des Kohlekraftwerkes benötigt.

In Figur 2 ist das Schema eines Energieumwandlungsprozesses mit der erfindungsgemäßen Verfahrenskombination aus der CO₂-selektiven Membran (Membraneinheit) und der chemischen Wäsche (Absorbereinheit) dargestellt.

Mittels der CO₂-selektiven einstufigen Polymermembran mit einer CO₂/N₂-

Selektivität von 40 zu 1 werden 50 % des im Feedgas enthaltenen CO₂ in der Membraneinheit abgetrennt. Das angereicherte CO₂ (g) weist dabei die Reinheit von 80 Vol.-%. Die CO₂-Partialdruckdifferenz auf der Feed- und Permeatseite der Membran wird hier mittels einer Vakuumpumpe erzeugt, deren Leistungsbedarf bei ca. 2 %-Punkte der elektrischen Leistung des Kohlekraftwerkes liegt.

Anschließend wird das Retentat (a2) aus dem Membranmodul der CO₂-selektiven chemischen Wäsche (30 %-ige wässrige Lösung des Monoethanolamins) zugeführt. Durch die Bildung der chemischen Bindungen zwischen dem Monoethano- lamin und CO₂ im Absorber wird CO₂ aus dem Rauchgas entfernt (b). Nach der

Erhitzung der mit CO₂ angereicherten 30%-igen wässrigen Lösung des Monoethanolamins durch den Dampf aus der Niederdruckturbine im Desorber werden chemische Bindungen zwischen dem Monoethanolamin und CO₂ zerstört, so dass das gasförmige CO₂ (el) erfasst und weiter aufbereitet werden kann. Die ab- gereicherte wässrige Lösung des Monoethanolamins (d) steht nach der Aufbereitung für einen erneuten Einsatz zur Verfügung. Nach der Aufbereitung des abgetrennten gasförmigen CO₂ weist dieses eine Reinheit von 99 Vol.-% auf. Es wird angenommen, dass mittels der chemischen Wäsche 90 % des der chemischen Wäsche zugeführten CO₂ abgetrennt werden. Da aber jetzt der mittels der chemischen Wäsche abgetrennte C0₂-Massenstrom weniger als die Hälfte des im Rauchgas ursprünglich vorhandenen CO₂ beträgt, werden für die Regeneration des Absorptionsmittels und für den elektrischen Verbrauch der Entkarbonisierungsanlage ca. 3 %-Punkte der elektrischen Leistung des Kohlekraftwerkes benötigt. Der gesamte Energiebedarf der Entcarbonisierung beträgt jetzt vorteilhaft nur 5 %-Punkte der elektrischen Leistung des Kohlekraftwerkes.

Bei der Nutzung der Abwärme der Vakuumpumpe in der Absorptionseinheit zur

Regeneration des Absorptionsmittels verringert sich der Energiebedarf der Absorptionseinheit auf ca. 2,4 %-Punkte der elektrischen Leistung des Kohlekraftwerkes, so dass der gesamte Energiebedarf der Entcarbonisierung jetzt nur noch etwa 4,4 %-Punkte der elektrischen Leistung des Kohlekraftwerkes beträgt.

Das angereicherte CO₂ aus dem Membranmodul (e2) kann optional mit dem CO₂ aus der chemischen Wäsche (el) vermischt werden, so dass infolge der gesamten CO₂-Abtrennung 95 % des gesamten CO₂ aus dem Rauchgas mit der Reinheit von ca. 90 Vol.-%, die für den weiteren Transport und Ablagerung nach Literaturan- gaben ausreichend ist, abgetrennt werden. Insgesamt ist ein CO₂- Abtrenngrad von wenigstens 80 %, vorteilhaft sogar 90 % und besonders vorteilhaft mehr als 95 % des CO₂ aus dem Rauchgas möglich.

In der Anmeldung zitierte Literatur:

[1] Bernhard Epp, Hans Fahlenkamp und Christina Stankewitz, Chemie Ingenieur Technik 2008, 80, No. 10.

[2] G. Göttlicher (1999) Energetik der Kohlendioxidrückhaltung in Kraftwerken. Düsseldorf, VDI Verlag. [3] L. Zhao, E. Riensche, R. Menzer, L. Blum, D. Stalten (2008) A parametric study of CO₂/N₂ gas Separation membrane processes for post-combustion capture, Journal of Membrane Science, 325, 284-294.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Rauchgas mit den Schritten

- das Rauchgas wird einer Membraneinheit, umfassend wenigstens ein Membranmodul mit einer CO₂-selektiven Membran, zugeführt, in dem ein Teil des CO₂ aus dem Rauchgas als angereichertes CO₂-Permeat abgetrennt wird,

- das so abgereicherte Rauchgas (Retentat) wird wenigstens einer weiteren CO₂- Abtrenneinheit zugeführt, in dem wenigstens ein Teil des CO₂ durch ein Adsorptionsmittel oder ein Absorptionsmittel aus dem

Rauchgas abgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Teil des CO₂ durch mehrere Membranmodule mit jeweils einer CO₂-selektiven Membran aus dem Rauchgas abgetrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, bei dem eine Partialdruckdifferenz innerhalb eines Membranmoduls entweder durch Druck auf der Feedseite, oder durch Vakuum auf der Permeatseite, oder durch ein Spülmedium oder durch die Kombination von zwei oder mehreren genannten Optionen hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem das so abgereicherte Rauchgas einer Absorptionseineinheit al einer weiteren CO₂- Abtrenneinheit zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei dem das CO₂ in der Absorptionseinheit mittels eines regenerativen Absorptionsmittels aus dem Rauchgas ent- fernt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei dem das CO₂ mit Hilfe eines Absorptionswäschers oder eines Membrankontaktors aus dem Rauchgas entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei dem das CO₂ durch eine mehrstufige Absorption aus dem Rauchgas entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, bei dem das Absorptionsmittel regeneriert und das absorbierte CO₂ wieder freigesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, bei dem die Wärme des mit CO₂ angereicherten Permeats aus wenigstens einem Membranmodul für die Regenerierung eines Absorptionsmittels verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, bei dem die mit CO₂ angereicherten Stoffströme aus einer oder mehreren Membraneinheiten und der Absorptionsein- heit zusammengeführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, bei dem wenigstens 30 %, vorteilhaft mehr als 40 % und besonders vorteilhaft mehr als 50 % des CO₂ aus dem Rauchgas in der Membraneinheit abgetrennt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, bei dem durch die Kombination von Membraneinheit und weiterer CO₂- Abtrenneinheit wenigstens 80 %, vorteilhaft mehr als 90 % und besonders vorteilhaft mehr als 95 % des CO₂ aus dem Rauchgas abgetrennt werden.

13. Vorrichtung zur Abtrennung von CO₂ aus einem Rauchgas, mit einer Membraneinheit, umfassend wenigstens ein Membranmodul mit einer CO₂- selektiven Membran und mit einer weiteren CO₂-Abtrenneinheit, umfassend ein Adsorptionsmittel oder ein Absorptionsmittel.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 mit mehreren Membranmodulen mit jeweils einer CO₂-selektiven Membran.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 14, mit einer Absorptionseinheit als wei- terer CO₂-Abtrenneinheit.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Absorptionseinheit einen Absorptionswäscher oder einen Membrankontaktor aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 16, bei der die Absorptionseinheit ein Mittel zur Regenerierung eines Absorptionsmittels umfasst.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher ein Wärmetauscher zwischen dem Membranmodul und dem Mittel zur Regenerierung angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 18, mit einem Mittel zur Zusammenführung der mit CO₂ angereicherten Stoffströme aus der Membraneinheit und der weiteren Cθ₂-Abtrenneinheit.