WO2021129925A1 - Turbo exhaust gas co2 capture - Google Patents

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WO2021129925A1
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gas
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Wolfgang Kirchner
Hans Walter Kirchner
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Kirchner Energietechnik GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for separating carbon dioxide according to the preamble of claim 1 and to a device for separating carbon dioxide according to the preamble of claim 3 and a device for condensing CO 2 in gas mixtures at a pressure between 6 and 15 bar the preamble of claim 5.
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation serves to relieve the atmosphere of climate-damaging CO 2 emissions from exhaust gases by removing the CO 2 from the exhaust gases through condensation and the separated CO 2 either subsequently being stored underground (CCS process - carbon capture and Storage) or any other use such as B. the use for CO 2 - based plastics is supplied.
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation process is one of the physical processes for separating CO 2 from exhaust gases.
  • a 400 MW combined cycle power plant (gas and steam combined cycle power plant) emits approx. 1.2 million t CO 2 per year (an equivalent coal-fired power plant emits 3.3 million t CO 2 per year).
  • a forest area of 1 hectare can absorb approx. 4 t CO 2 per year.
  • This one 400MW combined cycle power plant alone would therefore require an area of 300,000 hectares of forest to compensate for the emitted CO2S.
  • the whole of Germany has a forest area of 1.2 million hectares, which would only be sufficient for CO 2 compensation for 4 of these power plants.
  • the total energy consumption per year in Germany in 2017 was 2,591 TWh, 37.8% of which comes from renewable energy production. The remaining 1,600 TWh would require 457 400MW power plants to produce electricity.
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation is used in all processes in which exhaust gas is generated, such as B.
  • the main problems with chemical absorption are the decomposition of the solvents in the presence of oxygen and other foreign substances (e.g. dust), high rates of solvent degradation through reactions with sulfur dioxide or nitrogen oxide and the high energy consumption in the necessary regeneration of the solvent (p. 17 des Report).
  • the object of the invention of the turbo exhaust gas CO 2 separation is therefore to develop a process for the complete, pure separation of CO 2 from exhaust gases, which can be operated as a physical process without solvents and the problems associated therewith, and which is also clearly one requires less energy for the separation and processing for storage of the CO 2 than the CCS processes currently being tested.
  • the object of the invention is also to provide a device for turbo exhaust gas CO 2 separation from liquid CO2 2 at condensation pressure from exhaust gas that has been cleaned of particles to make available that is suitable for separating CO 2 completely from waste gases without solvents and with little energy consumption
  • Another object of the invention is to provide a device for the condensation of CO 2 in gas mixtures with a pressure between 6 and 15 bar.
  • FIG. 1 method of turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal in liquid form
  • FIG. 2 method of turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal at supercritical pressure
  • FIG. 3 diagram of turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal in liquid form
  • FIG. 4 diagram of turbo exhaust gas CO 2 separation with supercritical pressure extraction for underground storage
  • FIG. 5 method of turbo exhaust gas CO 2 separation with supercritical pressure extraction for underground storage with 2-stage exhaust gas compression
  • FIG. 6 energy flow diagram turbo exhaust gas CO 2 separation with high pressure CO 2 removal and 2-stage exhaust gas compression
  • FIG. 7 Scheme of the CO 2 condensation according to an embodiment with direct cooling and a single-stage expansion turbine
  • FIG. 8 shows a diagram of the CO 2 condensation according to a further embodiment with direct cooling and a multi-stage expansion turbine
  • FIG. 9 Scheme of the CO 2 condensation according to a further embodiment with indirect cooling.
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation process uses the following process steps to separate CO 2 from exhaust gas that has been cleaned of particles:
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation is characterized in that turbo machines and heat exchangers are used for the compression and cooling of the exhaust gases.
  • the energy requirement is limited by the fact that the energy initially expended for the compression of the exhaust gas is partially recovered in later process steps by expansion of the decomposed gases in gas turbines and, at the same time, the cooling required in the process is generated by the expansion of the decomposed gases.
  • Energy is lost between compression and expansion through the internal losses in the turbo compressors and gas turbines, but these losses can be limited by the fact that isentropic efficiencies of better than 90% are state of the art in high-quality modern gas turbines and turbo compressors.
  • turbo exhaust gas CO 2 separation was developed for the process from the central importance of turbo machines in separating CO 2 and to differentiate it from chemical CO 2 separation processes.
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation has 2 process variants, in which the CO 2 is taken from the process in a different physical state:
  • Process variant 1 Turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal in liquid form at condensation pressure
  • Process variant 2 Turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal at supercritical pressure for underground storage.
  • process variant 2 Since with this process variant the CO 2 from power plant processes is processed in the most energy-efficient manner in order to store the huge amounts of CO 2 that arise underground and to completely avoid climate-damaging CO 2 power plant emissions into the atmosphere in the future.
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation with removal of the CO 2 in liquid form is divided into the following process steps:
  • the exhaust gas 10 to be treated must be cleaned of particles such as dust, fly ash and soot particles before the turbo exhaust gas CO 2 separation.
  • the Particulate pollution of the exhaust gas 10 is very much dependent on the upstream combustion process.
  • filter and separation techniques are used in the exhaust gas cleaning stage 20, such as B. electrostatic precipitators, centrifugal separators, fabric filters or scrubbers.
  • step A the exhaust gas 10a which has been cleaned of particles is cooled in the exhaust gas cooler a 21a. A large part of the water vapor contained in the exhaust gas condenses and is deposited as condensate 14a.
  • the temperature at which the exhaust gas enters the turbo exhaust gas CO 2 separation has a wide temperature range depending on the upstream combustion process (e.g. 50 ° C for an engine BFIKW and several hundred ° C behind a single-stage one Gas turbine), so that the amount of heat that has to be dissipated in process step a is very different.
  • the cooling in the exhaust gas cooler a 21 a takes place with cooling water and is limited by the temperature of the available cooling water 16, which as a rule has to be obtained by means of a cooling tower 21. At some locations, cooling water from the sea or rivers may also be available. With this exhaust gas cooling, depending on the location and time of year, the exhaust gas can be cooled to a temperature range between +5 ° C and +30 ° C. Process step B
  • the cooled and dried exhaust gas 11a consisting of N 2 , CO 2 , Ar and residues of H 2 O, is compressed in the exhaust gas turbo compressor 22 to a pressure above 5.16 bar and then cooled back in the exhaust gas cooler b 21b.
  • the temperature range described above between +5 ° C and +30 ° C can be achieved again during re-cooling.
  • the majority of the water vapor contained in the exhaust gas condenses and is deposited as condensate 14b.
  • the level of compression must be selected to be so high that the required cold for the process can be generated when the gas mixture b 12 is expanded and heated.
  • the calculation carried out for several exemplary embodiments showed that compression to 6 to 15 bar is sufficient for this.
  • the drive energy 30 In the single-stage compression in FIGS. 3 and 4, the drive energy 30 must be used for the compressor 22. In the case of a two-stage compression in FIG. 5, the drive energy is 30a for the 1st compressor stage 22a and the drive energy for the 2nd compressor stage 22b 30b required. The same applies analogously if it is divided into even more compression levels. The sum of the drive energy 30 a, 30 b of the two-stage compression is smaller than the drive energy (30) of the single-stage compression.
  • the compressed and recooled gas mixture a 11b is cooled in process step C in the multicomponent heat exchanger 23 to the condensation temperature of the CO 2 .
  • the exhaust gas 11c still has a considerable water content, which at 25 ° C. and 7 bar is approx. 2.8 g per kg of gas.
  • a self-cleaning heat exchanger component 23a is required to cool the exhaust gas, because during this cooling the water vapor still contained in the gas mixture 11c condenses or freezes out, deposits on the walls of the heat exchanger component 23a and without cleaning - Measures the heat exchanger component 23a would clog.
  • the self-cleaning heat exchanger component 23a by periodically switching the flow with the motor flaps 23b, 23c and the non-return flaps 23d, 23e, the ice deposited on the walls of the heat exchanger and the condensed water is absorbed by the gas mixture b 12f discharged into the atmosphere and the heat exchanger so again completely cleaned.
  • Self-cleaning heat exchangers are known components from air separation plants. Basically, for the turbo exhaust gas CO 2 - Separation of all types of self-cleaning heat exchangers known from air separation plants are suitable. For example, cross-flow counterflows, stone-filled regenerators with built-in pipe coils or recuperators in compact design (often referred to as reversing exchangers).
  • the heat exchanger components of the heat-emitting side and the heat-absorbing side and other heat exchanger components are integrated in the self-cleaning multi-component heat exchangers, such as a heat exchanger 23f - e.g. B. as a built-in coil - for the heat absorption of the gas mixture b 12c after the CO 2 condenser 24a.
  • the cold required for the heat-absorbing side of the multi-component heat exchanger 23 is provided
  • process step D the condensation and separation of the CO 2 takes place from the exhaust gas stream 11d, which is cooled to the separation temperature and pressure and compressed.
  • the condensation is carried out in CO 2 in the CO 2 - capacitor (24b).
  • the CO 2 condenser 24a is a specially developed apparatus that meets the requirements for operation with condensation temperatures just above the solid / liquid phase boundary and, in the interests of energy efficiency, works exclusively with cold from the expansion of the gas mixture b 12c.
  • the condensation temperature of the CO 2 is relatively close to the triple point of the CO 2. At 7 bar condensation pressure, the condensation temperature of the CO 2 is 224 ° K, only 7.5 ° K above the 216.5 ° K at the triple point.
  • the temperature of the exhaust gas 11 d may drop at any point in the CO 2 condenser 24a below the sublimation temperature of the CO 2, otherwise the heat exchanger and pipes would become clogged. There are therefore high demands on the temperature control of the CO 2 condenser 24a.
  • This temperature requirement is achieved when the heat-absorbing gas mixture b 12c in a multi-stage expansion turbine 28c is only expanded to such an extent in each expansion stage that the turbine outlet temperature is below the sublimation temperature of the CO 2 by a maximum of the temperature difference in the heat exchanger.
  • the turbine outlet temperature is significantly below the sublimation temperature of CO 2 .
  • the outlet temperature of the gas mixture b 12c from the expansion turbine a 28a is 156 ° K and is thus well below 216.5 ° K.
  • the expansion cold of the gas mixture b 12c in the refrigerant / gas heat exchanger c 27a is transferred to the refrigerant c 15, which is carried out in the refrigeration circuit 27 by regulating the refrigerant pump 27e and the control valve 27d with a precisely regulated temperature the CO 2 condenser 24a is pumped and there provides the cold necessary for the evaporation enthalpy to be removed in the gas mixture a 11 d.
  • temperatures between 150 ° K and 230 ° K in the indirect cooling circuit only fluids with a low melting point, such as. B. propane with a melting point of -187.7 ° C, iso-butane with a melting point of -159 ° C or a gas such as. B. N 2 can be used as a coolant.
  • the gas mixture b 12a with the constituents N 2 and Ar 13a coming from the CO 2 separator 24c contains a CO 2 component corresponding to the saturation pressure of the CO 2 at the temperature in the gas mixture b 12a, which or condenses out upon further cooling of the gas mixture b 12a would freeze out.
  • process step L the cleaned gas mixture b 12b is expanded while performing work in the gas turbine a 28a to such an extent that the coldness of the expanded gas mixture b 12c is sufficient for the evaporation enthalpy to be removed during the CO 2 condensation (process step M).
  • step M the expansion cold of the gas mixture b is used to condense the CO 2 content in the gas mixture a in the CO 2 condenser 24a.
  • the coldness of the gas mixture b 12c is used for the heat transfer in the heat exchanger component 23f, which is integrated in the multicomponent heat exchanger 23, for the refrigeration requirement in the multicomponent heat exchanger 23.
  • the heated gas mixture b 12c is expanded to atmospheric pressure while performing work in the gas turbine b 28b.
  • the cold expanded gas mixture b 12g is heated in the multicomponent heat exchanger 23 and the heated gas mixture b 12g is used for backwashing the self-cleaning heat exchanger component 23a.
  • the gas mixture b absorbs the H 2 O which has condensed or frozen out as it passes through the self-cleaning heat exchanger component 23a.
  • the moist gas mixture b 12g is discharged into the atmosphere without any climate-damaging CO 2. Description of variant 2 ( Figures 2 and 4)
  • the treatment of the exhaust gas in process steps A and B is identical to the treatment in process variant 1, the turbo exhaust gas CO 2 separation with liquid removal of the CO 2 at condensation pressure.
  • Process step C also largely corresponds to process variant 1, but the heating of the supercritically compressed CO 2 13h in the heat exchanger component 23g, which is also integrated in the multi-component heat exchanger 23, is used to provide the required cold.
  • step D the CO 2 is condensed and separated, as in the case of liquid CO 2 removal at condensation pressure, but passed on to a CO 2 high-pressure pump 24e for further treatment.
  • the liquid CO 2 13 is compressed with the CO 2 high-pressure pump 24e to the supercritical pressure required for underground storage and then passed into the heat exchanger component 23g.
  • the compression of a substance in the liquid state is particularly advantageous, since the energy expenditure required in the liquid state for the compression of liquids is many times smaller than that for the compression of gases. How far it has to be compacted depends on the pressure that is required for storage in the respective storage facility. As the compression pressure increases, so do the demands on the transport equipment - with the very large amounts of CO 2 produced by power plants, CO 2 pipeline transport is an appropriate technique.
  • the compression pressure of 100 bar selected in the calculation example for the CO 2 can be seen as cost-consciously realizable according to the state of the art, since this pressure is also used in high-pressure transport lines for natural gas.
  • the supercritical CO 2 13a in the heat exchanger component b 23g is heated to ambient temperature.
  • the highly compressed CO 2 l3b is removed from the turbo exhaust gas CO 2 separation and z. B. transported to an underground storage facility.
  • the specific volume at 290 ° K is 1.138 dm 3 / kg or the density 0.879 kg / dm 3.
  • the compression of the CO 2 is therefore sufficient for underground storage depths greater than 800 m (minimum storage depth for CO 2 final storage) and the pressure prevailing at this depth to be able to be deposited and to use the available storage volume to the maximum.
  • the gas mixture b 12a separated after CO 2 condensation and CO 2 separation in process step D is used in the turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal at supercritical pressure in process steps K, L, M, N, O and P treated identically as in process variant 1.
  • the essential parts and components of the apparatus for the turbo exhaust gas CO 2 separation are turbo compressors, expansion turbines, heat exchangers and CO 2 adsorbers.
  • the cleaned exhaust gas 10a coming from the upstream combustion process is passed through the exhaust pipe a 40a into the exhaust gas cooler a 21a.
  • the cooled gas mixture a 11a is forwarded to the downstream exhaust gas compressor 22 through the exhaust gas pipe b 40b.
  • the exhaust gas cooler is connected to the pipelines of the cooling water circuit 21g, on the flow side to the cooling water line a 43a and on the return side to the cooling water line b 43b.
  • a separator integrated in the exhaust gas cooler prevents the water condensed in the exhaust gas cooler from being carried on by the exhaust gas flow.
  • the condensate a 14a is collected at the bottom and discharged via the drainage line a 44a connected to the exhaust gas cooler.
  • the exhaust gas fed to the exhaust gas compressor 22 via the exhaust gas duct b 40b is there compressed to the condensation pressure of the CO 2.
  • the exhaust gas is passed on from the exhaust gas compressor 22 into the gas cooler b 21b through the gas pipe c 40c.
  • the exhaust gas cooler b 21b is connected to the pipes of the cooling water circuit 21g, on the flow side with the cooling water line c 43c and on the return side to the cooling water line d 43d.
  • a separator integrated in the exhaust gas cooler prevents the Water condensed in the exhaust gas cooler is carried on by the exhaust gas flow.
  • the condensate b 14b is collected at the bottom and discharged via the drainage line b 44b connected to the exhaust gas cooler.
  • the gas mixture a 11c is transported through the gas pipe d 40d into the self-cleaning heat exchanger component 23a.
  • the gas pipe d 40d is divided by a T-piece into two parallel lines, of which one of the lines is used by the exhaust gas for the outward journey and the other line is used by the line remaining after the CO 2 separation Gas mixture b 12e is used as a path in the opposite direction.
  • two motor flaps 23b actuated by the control system are installed behind the T-piece in the parallel lines of the gas mixture a.
  • two motor flaps 23c operated by the control are also installed on the heat-absorbing side, before the parallel line routing is brought together again by installing a T-piece.
  • two non-return valves 23d are built into the parallel lines of the gas mixture a 11 d before the parallel lines for the gas mixture a are brought together again via a T-piece.
  • the nitrogen pipe f 42f for the gas mixture b 12e flowing in the opposite direction is divided on the cold side of the self-cleaning heat exchanger component by a T-piece between the two parallel gas lines and here too two non-return valves 23e are installed in the parallel gas lines for the gas mixture b.
  • heat exchanger surfaces are arranged between the two gas mixture a 11c and gas mixture b 12e flowing in the opposite direction, which enable the heat transfer between the gases and prevent material mixing.
  • the regenerators are in pendulum mode in Direction of the gas mixture to be broken down a 11c or in the opposite direction when flowing through the gas mixture b 12e operated with periodic switching.
  • the heat exchanger component a 23f is installed for the cold utilization of the gas mixture b 12c. On the cold side, the heat exchanger component a 23f is connected to the nitrogen pipe d 42d and on the warm side to the nitrogen pipe e 42e.
  • the gas mixture a 11 d recombined in the T-piece is passed on through the gas pipe g 40 g to the CO 2 condenser 24 a and there connected to the heat-emitting side 24 b.
  • the CO 2 portion is condensed in the gas mixture a 11e and the gas mixture a 11e is fed into the CO 2 separator 24d via the gas pipe h 40h.
  • the condensed CO 2 is withdrawn from the CO 2 separator 24d via a connection on the sump side and fed to the subsequent use via the CO 2 pipe 41a.
  • the gas mixture b 12a which remains after separating the CO 2 , is removed from the CO 2 separator via a connection at the top and passed through the nitrogen pipe a 42a into the CO 2 adsorbers 25a, 25b, which act as molecular sieve adsorbers with zeolites separate the remaining CO 2 present in the gas mixture b 12a as adsorption material in pendulum operation.
  • the gas mixture b 12a flows through the two switchover valves 25c or 25e installed in front of the adsorbers and actuated by the control, which together with the two switchover valves 25d or 25f installed behind the adsorbers and actuated by the control ensure that the two adsorbers are used alternately.
  • the gas mixture b 12b is passed through the nitrogen pipe b 42b to the gas turbine a 28a, where it is expanded while performing work.
  • the gas mixture b 12c is guided through the nitrogen pipe c 42c to the heat-absorbing side 27c of the refrigerant / gas heat exchanger 27a.
  • the coolant / gas heat exchanger 27a the cold of the expanded gas mixture b 12c is transferred to the coolant 15.
  • the coolant / gas heat exchanger 27a is connected to the pipes of the refrigeration circuit 27.
  • the cold from the refrigerant / gas heat exchanger 27a to the CO 2 condenser 24a is transported via the cold pipes a 45a, and the temperature and flow rate of the refrigerant 15 is exactly for the refrigerant requirement in the CO 2 through the control valve b 27d and the control of the refrigerant pump 27e -Condenser 24a.
  • the return flow of the coolant 15 from the CO 2 condenser 24a to the coolant / gas heat exchanger 27a takes place through the cold pipe b 45b.
  • the gas mixture b 12c is led from the outlet from the refrigerant / gas heat exchanger 27a through the nitrogen pipe d 42d to the connection to the heat exchanger component a 23f, which is built into the multi-component heat exchanger 23. After being heated in the heat exchanger component 23f, the gas mixture b 12c is guided from the outlet from the heat exchanger 23e through the nitrogen pipe e 42e to the inlet into the gas turbine b 28b, where it is expanded while performing work.
  • the expanded gas mixture b 12e is passed from the outlet from the gas turbine b 28b through the nitrogen pipe f 42f to the T-piece on the cold side of the self-cleaning heat exchanger component 23a and subsequently, as described above, alternately guided on the alternating gas paths through the self-cleaning heat exchanger component 23a.
  • the heat exchange already described above takes place with the gas mixture a 11c to the gas mixture b 12e, and the heated gas mixture b 12f absorbs the water deposited on the wall surfaces of the self-cleaning heat exchanger component 23a.
  • the gas mixture b 12f is discharged into the atmosphere via the nitrogen pipe g 42g.
  • Apparatus 2 for the turbo exhaust gas CO 2 Abscheidunq with CO 2 at supercritical pressure demoulding system
  • the structure of the apparatus 2 coincides with the structure of apparatus 1 up to the sump-side exit of the CO 2 from the CO 2 separator 24d via the CO 2 pipe a 41 a, with the addition that the multicomponent heat exchanger 23 also has the Heat exchanger component b 23g for heating the supercritically compressed CO 2 is installed.
  • the condensed CO 2 13 is removed from CO 2 separator 24d via a sump-side connection and transported via CO 2 pipe 41a to CO 2 high-pressure pump 24e, where it is compressed to the supercritical pressure required for underground storage.
  • the CO 2 13a which is compressed to supercritical pressure in the CO 2 high-pressure pump 24e , is fed into the heat exchanger component b 23g via the CO 2 pipe b 41b, flows through the heat exchanger component b 23g and absorbs heat in the process.
  • the CO 2 13b heated in the heat exchanger 23g is passed through the CO 2 pipe c 41c to the connection point b for the further transport of CO 2 24g.
  • the exhaust gas When fuels containing sulfur are burned, the exhaust gas contains SO2 and SO3, which react to form sulfuric acid and sulfuric acid when the water vapor condenses in the exhaust gas.
  • the acid dew point of fuels containing sulfur is in the range of 120 ° to 150 ° C. This temperature is fallen below in the exhaust gas heat exchanger a 21a and in the exhaust gas heat exchanger b 21b, 21c.
  • the exhaust gas heat exchangers a 21a-21c must be made of corrosion-resistant materials such as plastics or low-corrosion, high-alloy steels (for example those with the material number 1.4571 (V4A)).
  • V4A material number 1.4571
  • the CO 2 condensation system with direct cooling and a single-stage expansion turbine is an apparatus with which CO 2 is condensed and separated in gas mixtures.
  • the CO 2 condensation system with direct cooling and a single-stage expansion turbine can be used for separating CO 2 from gas mixtures of all kinds.
  • the CO 2 condensation begins with the supply of the gas mixture c 17a, which has been cleaned of particles, into the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24b.
  • the heat of condensation of the CO 2 is withdrawn from the gas mixture c 17a.
  • the gas mixture c 17b is transported through the gas pipe i 40i into the CO 2 separator 24d.
  • the CO 2 separator has a connection for the further transport of the residual gas 18 remaining after the CO 2 separation.
  • the CO 2 separator 24d has a connection point a 24f for the further transport of the liquid CO 2 13.
  • the expanded cold gas mixture 19a is connected to the nitrogen tube 42h on the cold side and to the nitrogen tube i 42i on the warm side on the heat-absorbing side of the CO 2 condenser 24c.
  • the cold source is the pressurized cold gas or gas mixture e 19.
  • the use of nitrogen is particularly suitable as a gas or gas mixture because of the low condensation temperature.
  • the pressurized cold gas or gas mixture e 19 is fed to the gas turbine a 28a, expanded there and transported as a gas mixture e 19a cooled to below the condensation temperature of CO 2 through the nitrogen tube h 42h into the heat-absorbing side of the CO 2 condenser 24c.
  • the control valve a 26b and the control of the fan 26a the temperature and flow rate of the gas mixture e 19a is conditioned precisely for the refrigeration requirement and the permissible temperatures in the CO 2 condenser 24a.
  • the gas mixture e 19b is led out of the CO 2 condensation system with direct cooling and a single-stage expansion turbine through the nitrogen pipe i 42i.
  • the CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine is an apparatus with which CO 2 is condensed and separated in gas mixtures.
  • the CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine can be used for separating CO 2 from gas mixtures of all kinds.
  • the CO 2 condensation begins with the supply of the gas mixture c 17a, which has been cleaned of particles, into the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24c.
  • the heat of condensation of the CO 2 is withdrawn from the gas mixture c 17a.
  • the gas mixture c 17b is transported through the gas pipe i 40i into the CO 2 separator 24d.
  • the CO 2 separator has a connection for the further transport of the residual gas 18 remaining after the CO 2 separation.
  • the CO 2 separator 24d On the sump side, the CO 2 separator 24d has a connection point a 24f for the further transport of the liquid CO 2 13.
  • the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24c is composed of several individual heat exchanger components 24h.
  • the expanded cold gas mixture of the respective expansion stage is introduced at a temperature takes place in which no sublimation nor of the CO 2 in the CO 2 -Kondensationsstrom.
  • the advantage of this direct cooling with a multi-stage expansion turbine compared to direct cooling with a single-stage expansion turbine and indirect cooling, is that no regulating elements are required.
  • the cold source of the CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine is the pressurized cold gas or gas mixture e 19.
  • the multi-stage gas turbine 28c is after each expansion stage via a nitrogen pipe k 42k with the cold side of the individual heat exchanger 24d and through the nitrogen pipe i 42i the gas mixture e is passed through a gas pipe I 42I into the next stage of the multi-stage expansion turbine 28c. After the last expansion stage, the expanded gas mixture e is led out through the nitrogen pipe m from the 42m from the CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine.
  • the CO 2 condensation system with indirect cooling is an apparatus with which CO 2 is condensed and separated in gas mixtures.
  • the CO 2 condensation system with indirect cooling can be used to separate CO 2 from gas mixtures of all kinds.
  • the CO 2 condensation begins with the supply of the gas mixture c 17a, which has been cleaned of particles, into the CO 2 condenser 24.
  • the CO 2 condenser 24 is a heat exchanger in which, with indirect cooling, on the heat-absorbing side of the CO 2 condenser 24a, the refrigeration circuit 27 is connected to the refrigeration line 45c on the flow side and the cold pipe 45d on the return side.
  • the gas mixture c 17b is transported through the gas pipe i 40i into the CO 2 separator 24d.
  • the CO 2 separator has a connection for the further transport of the residual gas 18 remaining after the CO 2 separation.
  • the CO 2 separator 24d has a connection point a 24f for the further transport of the liquid CO 2 13.
  • the cold source is the pressurized cold gas or gas mixture e 19.
  • the use of nitrogen is particularly suitable as a gas or gas mixture because of the low condensation temperature.
  • the pressurized cold gas or gas mixture e 19 is fed to the gas turbine a 28 a, expanded there and transported as a gas mixture e 19 a cooled to below the condensation temperature of CO 2 through the nitrogen tube h 42 h into the refrigerant / gas heat exchanger 27 a. After heating in the refrigerant / gas heat exchanger 27a, the gas mixture e 19b is led out of the CO 2 condensation system with indirect cooling.
  • the coldness of the gas mixture e 19a is transferred to the refrigerant 15.
  • the heat-emitting side of the coolant / gas heat exchanger 27b is connected to the pipes 45c and 45d of the refrigeration circuit 27.
  • the cold from the refrigerant / gas heat exchanger 27a to the CO 2 condenser 24a is transported via the cold pipe g 45j, and the temperature and flow rate of the refrigerant 15 is exactly matched to the refrigerant requirement in the CO 2 through the control valve b 27d and the control of the refrigerant pump 27e - Conditioned capacitor 24a.
  • the return flow of the refrigerant 15 from the CO 2 condenser 24a to the refrigerant / gas heat exchanger 27a takes place through the cold pipe k 45k.
  • turbo exhaust gas CO 2 separation can be used in very many different combustion processes, so that generally valid statements on costs, economy and energy consumption are not possible. Rather, the economic and energetic effects must be examined and calculated individually for each application.
  • the turbo exhaust gas CO 2 separation like any other method for CO 2 separation, requires the use of energy for the separation of the CO 2 . Depending on the use, additional energy consumption is required for the storage or further processing of the CO 2 , which, as already mentioned at the beginning, is negligibly small with the turbo exhaust gas CO 2 separation compared to the other CCS separation processes.
  • the calculation example for the combined cycle power plant assumes around 400 MW electrical output and an electrical efficiency without CO 2 separation of 60% and is attached as an annex.
  • the electrical efficiency of the combined cycle power plant in the calculation example drops from 60% to around 56%.
  • a combined cycle power plant with around 400 kW electrical output, an electrical efficiency of 60% and operation with the fuel natural gas H is used as a calculation example.

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Abstract

The invention relates to a method for turbo exhaust gas CO2 capture from exhaust gas that is purified of particles, using liquid CO2 extraction at condensation pressure, the method comprising the steps of: - cooling the exhaust gas to ambient temperature; - compressing the exhaust gas to CO2 liquefaction pressure and re-cooling to ambient temperature; - cooling the exhaust gas to CO2 condensation temperature; - separating gases by CO2 condensation and capture; - work-producingly expanding separated gases; - preparing the CO2 for subsequent storage or use. The invention also relates to a device for turbo exhaust gas CO2 capture of liquid CO2 at condensation pressure from exhaust gas that is purified of particles, and to a device for condensing CO2 in gas mixtures at a pressure between 6 and 15 bar.

Description

TURBO-ABGAS-CO2-ABSCHEIDUNG TURBO EXHAUST CO2 SEPARATION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlendioxid nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf eine Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlendioxid nach dem Oberbegriff von Anspruch 3 sowie eine Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar nach dem Oberbegriff von Anspruch 5. The invention relates to a method for separating carbon dioxide according to the preamble of claim 1 and to a device for separating carbon dioxide according to the preamble of claim 3 and a device for condensing CO 2 in gas mixtures at a pressure between 6 and 15 bar the preamble of claim 5.
Die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung dient der Entlastung der Atmosphäre von klimaschädigenden CO2-Emissionen aus Abgasen, indem das CO2 durch Kondensation aus den Abgasen entfernt und das abgeschiedene CO2 entweder nachfolgend unterirdisch eingelagert wird (CCS-Verfahren - Carbon Capture and Storage) oder einer anderweitigen Verwendung wie z. B. der Nutzung für CO2- basierte Kunststoffe zugeführt wird. Das Verfahren der Turbo-Abgas-CO2- Abscheidung gehört zu den physikalischen Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus Abgasen. The turbo exhaust gas CO 2 separation serves to relieve the atmosphere of climate-damaging CO 2 emissions from exhaust gases by removing the CO 2 from the exhaust gases through condensation and the separated CO 2 either subsequently being stored underground (CCS process - carbon capture and Storage) or any other use such as B. the use for CO 2 - based plastics is supplied. The turbo exhaust gas CO 2 separation process is one of the physical processes for separating CO 2 from exhaust gases.
Ein 400MW GuD-Kraftwerk (Gas und Dampf-Kombikraftwerk) emittiert ca. 1,2 Mio. t CO2 pro Jahr (ein gleichwertiges Kohlekraftwerk emittiert 3,3 Mio. t CO2 pro Jahr). Im Mittel kann eine Waldfläche von 1 ha Größe ca. 4 t CO2 pro Jahr absorbieren. Allein dieses eine 400MW-GuD-Kraftwerk würde also eine Fläche von 300.000 ha Wald zur Kompensation des emittierten CO2S benötigen. Ganz Deutschland hat eine Waldfläche von 1,2 Mio. ha, die nur zur CO2-Kompensation von 4 dieser Kraftwerke ausreichen würde. Der Gesamtenergieverbrauch pro Jahr lag 2017 in Deutschland bei 2.591 TWh wovon 37,8% aus regenerativer Energieproduktion stammt. Für die restlichen 1.600 TWh würde man 457 400MW-Kraftwerke zur Strom Produktion benötigen. Diese würden 550 (GuD) - 1.500 (Kohle) Mio. t CO2 pro Jahr emittieren und das allein in Deutschland, auf das lediglich 2,4% des Weltenergieverbrauchs entfällt. Die Stromerzeugung mit regenerativen Energiequellen ist in Deutschland von 36% in 2017 auf 37,8% in 2018 gestiegen. Auf die Energieproduktion mit fossilen Brennstoffen kann daher mittel- bis langfristig nicht verzichtet werden. Um eine Klimakatastrophe wirklich abzumildern bzw. zu verhindern gibt es also keine Alternative zur Abscheidung und unterirdischer Lagerung des CO2 aus Verbrennungsgasen. Diese Abscheidung muss mit einem Minimum an eingesetzter Energie erfolgen. Dies ist mit der hier zum Patent eingereichten Turbo-Abgas-CO2- Abscheidung gegeben, die abhängig von der Art des Abgases 50-70 % weniger Energie als die bisher untersuchten CCS-Verfahren verbraucht. A 400 MW combined cycle power plant (gas and steam combined cycle power plant) emits approx. 1.2 million t CO 2 per year (an equivalent coal-fired power plant emits 3.3 million t CO 2 per year). On average, a forest area of 1 hectare can absorb approx. 4 t CO 2 per year. This one 400MW combined cycle power plant alone would therefore require an area of 300,000 hectares of forest to compensate for the emitted CO2S. The whole of Germany has a forest area of 1.2 million hectares, which would only be sufficient for CO 2 compensation for 4 of these power plants. The total energy consumption per year in Germany in 2017 was 2,591 TWh, 37.8% of which comes from renewable energy production. The remaining 1,600 TWh would require 457 400MW power plants to produce electricity. These would emit 550 (GuD) - 1,500 (coal) million t CO 2 per year and that in Germany alone, which only accounts for 2.4% of world energy consumption. Electricity generation with renewable energy sources in Germany increased from 36% in 2017 to 37.8% in 2018. Energy production with fossil fuels cannot therefore be dispensed with in the medium to long term. In order to really mitigate or prevent a climate catastrophe, there is no alternative to the separation and underground storage of CO 2 from combustion gases. This separation must be used with a minimum of Energy. This is the case with the turbo exhaust gas CO 2 separation, for which a patent has been submitted here, which, depending on the type of exhaust gas, consumes 50-70% less energy than the previously investigated CCS processes.
Verwendung findet die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung in allen Prozessen, bei denen Abgas anfällt, wie z. B. The turbo exhaust gas CO 2 separation is used in all processes in which exhaust gas is generated, such as B.
• bei der Abtrennung des CO2 in den Abgasen von Biomasse-Kraftwerken,• in the separation of the CO 2 in the exhaust gases from biomass power plants,
• der Abtrennung des CO2 in den Abgasen von GuD-Kraftwerken, • the separation of the CO 2 in the exhaust gases from combined cycle power plants,
• der Abtrennung des CO2 in den Abgasen von Kohlekraftwerken, • the separation of the CO 2 in the exhaust gases from coal-fired power plants,
• der Abtrennung des CO2 in den Abgasen von Heizkesseln, • the separation of CO 2 in the exhaust gases from boilers,
• der Abtrennung des CO2 in den Abgasen von Verbrennungsmotoren, • the separation of the CO 2 in the exhaust gases from combustion engines,
• der Abtrennung des CO2 in den Abgasen von Gasturbinen und • the separation of the CO 2 in the exhaust gases from gas turbines and
• der Abtrennung des CO2 in den Abgasen von Industriebrennern. • the separation of the CO 2 in the exhaust gases from industrial burners.
Einen aktuellen Überblick über den Stand der Forschung und Entwicklung zur Abscheidung und Speicherung von CO2 aus Abgasen gibt der Technologiebericht 2.3 CO2-Abscheidung und Speicherung - CCS“ des Forschungszentrums Jülich vom 17. Dezember 2017. Für die CO2 Abscheidung aus Abgasen nach der Verbrennung (Post-Combustion Verfahren) sind gemäß dieser Untersuchung ausschließlich chemische Absorptionsverfahren in der Forschung und Entwicklung sowie in einem sehr frühen Forschungsstadium membranbasierte Verfahren (S. 9 des Berichts). An up-to-date overview of the state of research and development on the separation and storage of CO 2 from exhaust gases is given in the technology report 2.3 CO 2 separation and storage - CCS "from Forschungszentrum Jülich on December 17, 2017. For CO 2 separation from exhaust gases according to the According to this study, post-combustion processes are exclusively chemical absorption processes in research and development as well as membrane-based processes in a very early research stage (p. 9 of the report).
Hauptprobleme bei der chemischen Absorption sind die Zersetzung der Lösungsmittel in Anwesenheit von Sauerstoff und anderen Fremdstoffen (z. B. Staub), hohe Raten der Lösungsmitteldegradierung durch Reaktionen mit Schwefeldioxid oder Stickoxid und der hohe Energieverbrauch bei der notwendigen Regenerierung des Lösungsmittels (S. 17 des Berichts). The main problems with chemical absorption are the decomposition of the solvents in the presence of oxygen and other foreign substances (e.g. dust), high rates of solvent degradation through reactions with sulfur dioxide or nitrogen oxide and the high energy consumption in the necessary regeneration of the solvent (p. 17 des Report).
Physikalische Verfahren gelten bislang im Gegensatz zu den bisher eingesetzten Verfahren zur CO2-Abscheidung und Speicherung als unwirtschaftlich, da bei den bisher in Erwägung gezogenen physikalischen Verfahren zur kryogenen CO2- Abscheidung bedingt durch hohe Kondensationsdrücke und niedrige Konden- sationstemperaturen zu viel Energie für die eingesetzten Kältemaschinen und Verdichter benötigt würde. Bei dieser Betrachtung wurden jedoch Energierück- gewinnungsmöglichkeiten und die Einlagerung des CO2 vernachlässigt. In contrast to the previously used processes for CO 2 separation and storage, physical processes have been considered uneconomical, since the physical processes for cryogenic CO 2 separation considered up to now require too much energy due to high condensation pressures and low condensation temperatures used chillers and Compressor would be needed. In this consideration, however, energy recovery options and the storage of CO 2 were neglected.
Zur unterirdischen Speicherung kommen aus Sicherheitsaspekten nur Speicher mit einer Mindesttiefe von 800 m in Frage. Um in einer solchen Tiefe eine Einlagerung vornehmen zu können muss sich das CO2 aufgrund des dort herrschenden Drucks und zur maximalen Ausnutzung des vorhandenen Lagervolumens im superkritischen Aggregatzustand befinden. Hierzu ist ein Mindestdruck von 74 bar bei 31 °C notwendig. Da jedoch alle bisher eingesetzten CCS-Abscheideverfahren CO2 bei Normaldruck abscheiden, muss es vor der Einlagerung auf 74 bar komprimiert werden. Hierzu wäre z.B. für das in einem 400MW GuD-Kraftwerk anfallende CO2 eine mindestens zweistufige Gas-Turboverdichter Kaskade notwendig, die einen Energieverbrauch von mindestens 16MW hätte. Damit wird bei allen bisher untersuchten CCS-Verfahren allein für die Aufbereitung des CO2 zur Einlagerung fast so viel Energie verbraucht wie beim kompletten, hier zum Patent eingereichten „Turbo-Abgas-CO2-Abscheidungsverfahren“. For safety reasons, only storage tanks with a minimum depth of 800 m can be considered for underground storage. In order to be able to store it at such a depth, the CO 2 must be in a supercritical state of aggregation due to the pressure prevailing there and for maximum utilization of the existing storage volume. A minimum pressure of 74 bar at 31 ° C is required for this. However, since all previously used CCS separation processes separate CO 2 at normal pressure, it has to be compressed to 74 bar before storage. For this purpose, for example, an at least two-stage gas turbo-compressor cascade with an energy consumption of at least 16MW would be necessary for the CO 2 occurring in a 400MW combined cycle power plant. In all of the CCS processes investigated so far, almost as much energy is used to prepare the CO 2 for storage alone as in the complete "turbo exhaust gas CO 2 separation process" for which a patent is applied.
Darüber hinaus entstehen für die notwendigen Turbo Verdichter Anlagekosten, die ca. 50% der Kosten einer „Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung“-Anlage betragen. In addition, there are system costs for the necessary turbo compressors, which amount to approx. 50% of the costs of a “turbo exhaust gas CO 2 separation” system.
Aufgabe der Erfindung der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung ist es demnach, ein Verfahren zur vollständigen, sortenreinen Abscheidung von CO2 aus Abgasen zu entwickeln, das als physikalisches Verfahren ohne Lösungsmittel und die damit verbundenen Probleme betrieben werden kann und das zusätzlich einen deutlich geringen Energieaufwand für das Abscheiden und Aufbereiten zur Lagerung des CO2 erfordert als die bislang in der Erprobung befindlichen CCS-Verfahren. The object of the invention of the turbo exhaust gas CO 2 separation is therefore to develop a process for the complete, pure separation of CO 2 from exhaust gases, which can be operated as a physical process without solvents and the problems associated therewith, and which is also clearly one requires less energy for the separation and processing for storage of the CO 2 than the CCS processes currently being tested.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlendioxid mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1. This object is achieved by a method for separating carbon dioxide with the method steps of claim 1.
Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte, welche das Verfahren nach Anspruch 1 optimieren ergeben sich aus dem Unteranspruch 2. Further advantageous method steps which optimize the method according to claim 1 emerge from dependent claim 2.
Aufgabe der Erfindung ist auch, eine Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung von flüssigem CO22 bei Kondensationsdruck aus von Partikeln gereinigtem Abgas verfügbar zu machen, die geeignet ist, CO2 vollständig sortenrein aus Abgasen ohne Lösungsmittel und mit geringem Energieaufwand abzuscheiden The object of the invention is also to provide a device for turbo exhaust gas CO 2 separation from liquid CO2 2 at condensation pressure from exhaust gas that has been cleaned of particles to make available that is suitable for separating CO 2 completely from waste gases without solvents and with little energy consumption
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO2- Abscheidung von flüssigem CO2 bei Kondensationsdruck aus von Partikeln gereinigtem Abgas nach Anspruch 3. This object is achieved by a device for turbo exhaust gas CO 2 separation of liquid CO 2 at condensation pressure from exhaust gas that has been cleaned of particles according to claim 3.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung ergibt sich aus dem Unteranspruch 4. An advantageous development of the device for turbo exhaust gas CO 2 separation results from dependent claim 4.
Aufgabe der Erfindung ist ferner, eine Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar bereitzustellen. Another object of the invention is to provide a device for the condensation of CO 2 in gas mixtures with a pressure between 6 and 15 bar.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar mit den Merkmalen des Anspruchs 5. This object is achieved by a device for the condensation of CO 2 in gas mixtures with a pressure between 6 and 15 bar with the features of claim 5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar werden anhand der Unteransprüche 6 bis 8 benannt. Advantageous embodiments of the device for the condensation of CO 2 in gas mixtures with a pressure between 6 and 15 bar are named on the basis of the dependent claims 6 to 8.
Die nachfolgenden Figuren dienen der Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung. Die einzelnen Figuren zeigen: The following figures serve to illustrate embodiments of the invention. The individual figures show:
Figur 1 Verfahren der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme in flüssiger Form; FIG. 1 method of turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal in liquid form;
Figur 2 Verfahren der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme bei überkritischem Druck; FIG. 2 method of turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal at supercritical pressure;
Figur 3 Schema Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme in flüssiger Form; FIG. 3 diagram of turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal in liquid form;
Figur 4 Schema Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit überkritischem Druck- Entnahme zur unterirdischen Einlagerung; Figur 5 Verfahren der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit überkritischem Druck Entnahme zur unterirdischen Einlagerung mit 2-stufiger Abgasverdichtung; FIG. 4 diagram of turbo exhaust gas CO 2 separation with supercritical pressure extraction for underground storage; FIG. 5 method of turbo exhaust gas CO 2 separation with supercritical pressure extraction for underground storage with 2-stage exhaust gas compression;
Figur 6 Energieflussdiagramm Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit Hochdruck- CO2-Entnahme und 2-stufiger Abgasverdichtung; FIG. 6 energy flow diagram turbo exhaust gas CO 2 separation with high pressure CO 2 removal and 2-stage exhaust gas compression;
Figur 7 Schema der CO2-Kondensation nach einer Ausführungsform mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine; FIG. 7 Scheme of the CO 2 condensation according to an embodiment with direct cooling and a single-stage expansion turbine;
Figur 8 Schema der CO2-Kondensation nach einer weiteren Ausführungsform mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine; FIG. 8 shows a diagram of the CO 2 condensation according to a further embodiment with direct cooling and a multi-stage expansion turbine;
Figur 9 Schema des CO2-Kondensation nach einer weiteren Ausführungsform mit indirekter Kühlung. FIG. 9 Scheme of the CO 2 condensation according to a further embodiment with indirect cooling.
Das Verfahren der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung nutzt bei der Abscheidung von CO2 aus Abgas, das von Partikeln gereinigt ist, die folgenden Verfahrensschritte: The turbo exhaust gas CO 2 separation process uses the following process steps to separate CO 2 from exhaust gas that has been cleaned of particles:
• Abgaskühlung auf Umgebungstemperatur • Exhaust gas cooling to ambient temperature
• Abgasverdichtung auf den CO2-Verflüssigungsdruck mit Rückkühlung auf Umgebungstemperatur • Flue gas compression to the CO 2 condensing pressure with recooling to ambient temperature
• Abgaskühlung auf die CO2-Kondensationstemperatur • Flue gas cooling to the CO 2 condensation temperature
• Gaszerlegung durch CO2-Kondensation und -Abscheidung • Gas separation through CO 2 condensation and separation
• Arbeit leistende Entspannung von zerlegten Gasen • Work-performing expansion of decomposed gases
• Aufbereitung des CO2 für die nachfolgende Lagerung bzw. Verwendung. • Preparation of the CO 2 for subsequent storage or use.
Die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Verdichtung und Kühlung der Abgase Turbomaschinen und Wärmetauscher eingesetzt werden. Der Energiebedarf wird dadurch begrenzt, dass die für die Verdichtung des Abgases zunächst aufgewendete Energie in späteren Verfahrensschritten durch Expansion der zerlegten Gase in Gasturbinen in Teilen wieder zurückgewonnen wird und gleichzeitig durch die Expansion der zerlegten Gase die im Verfahren benötigte Kälte erzeugt wird. Es geht hierbei zwar zwischen Verdichtung und Entspannung Energie durch die inneren Verluste in den Turboverdichtern und Gasturbinen verloren, jedoch lassen sich diese Verluste dadurch begrenzen, dass bei hochwertigen modernen Gasturbinen und Turboverdichtern isentrope Wirkungsgrade von besser als 90% Stand der Technik sind. The turbo exhaust gas CO 2 separation is characterized in that turbo machines and heat exchangers are used for the compression and cooling of the exhaust gases. The energy requirement is limited by the fact that the energy initially expended for the compression of the exhaust gas is partially recovered in later process steps by expansion of the decomposed gases in gas turbines and, at the same time, the cooling required in the process is generated by the expansion of the decomposed gases. Energy is lost between compression and expansion through the internal losses in the turbo compressors and gas turbines, but these losses can be limited by the fact that isentropic efficiencies of better than 90% are state of the art in high-quality modern gas turbines and turbo compressors.
Aus der zentralen Bedeutung der Turbomaschinen beim Abscheiden des CO2 und zur Unterscheidung von den chemischen CO2-Abscheideverfahren wurde die Bezeichnung „Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung“ für das Verfahren entwickelt. The term "turbo exhaust gas CO 2 separation" was developed for the process from the central importance of turbo machines in separating CO 2 and to differentiate it from chemical CO 2 separation processes.
Die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung hat 2 Verfahrensvarianten, bei denen das CO2 in jeweils einem anderen physikalischen Zustand des aus dem Verfahren ent- nommenen wird: The turbo exhaust gas CO 2 separation has 2 process variants, in which the CO 2 is taken from the process in a different physical state:
• Verfahrensvariante 1: Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme flüssig bei Kondensationsdruck, • Process variant 1: Turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal in liquid form at condensation pressure,
• Verfahrensvariante 2: Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme bei überkritischem Druck zur unterirdischen Lagerung. • Process variant 2: Turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal at supercritical pressure for underground storage.
Das größte Anwendungspotential liegt bei der Verfahrensvariante 2, da mit dieser Verfahrensvariante das CO2 aus Kraftwerksprozessen in energieeffizientester Weise aufbereitet wird um die entstehenden riesigen CO2-Mengen unterirdisch einzulagern und klimaschädigenden CO2-Kraftwerksemissionen in die Atmosphäre zukünftig ganz zu vermeiden. The greatest application potential lies in process variant 2, since with this process variant the CO 2 from power plant processes is processed in the most energy-efficient manner in order to store the huge amounts of CO 2 that arise underground and to completely avoid climate-damaging CO 2 power plant emissions into the atmosphere in the future.
Kraftwerke, betrieben mit fossilen Brennstoffen würden dadurch klimaneutral, Biomasse-Kraftwerke würden klimapositiv, da die Biomasse wird während ihres Wachstums der Atmosphäre CO2 entzieht. Power stations operated with fossil fuels would carbon neutral in biomass power stations would climate positive, since the biomass is cut off during growth of the atmosphere of CO 2.
Der Prozess der Klimaerwärmung durch atmosphärisches-CO2 wird umgekehrt!The process of global warming through atmospheric CO 2 is reversed!
Beschreibung Variante 1 (Figur 1 und 3) Description of variant 1 (Figures 1 and 3)
Die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit Entnahme des CO2 in flüssiger Form gliedert sich in folgende Verfahrensschritte: The turbo exhaust gas CO 2 separation with removal of the CO 2 in liquid form is divided into the following process steps:
1. Vorstufe Abgasreinigung 1. Pre-stage exhaust gas cleaning
Das zu behandelnde Abgas 10 muss vor der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung von Partikeln, wie Staub, Flugasche und Rußpartikeln gereinigt werden. Die Partikelbelastung des Abgases 10 ist sehr stark abhängig vom vorgelagerten Verbrennungsprozess. The exhaust gas 10 to be treated must be cleaned of particles such as dust, fly ash and soot particles before the turbo exhaust gas CO 2 separation. The Particulate pollution of the exhaust gas 10 is very much dependent on the upstream combustion process.
In Abhängigkeit von der Art und Intensität der Partikelbelastung kommen in der Abgasreinigungsstufe 20 unterschiedliche Filter- und Abscheidetechniken zum Einsatz, wie z. B. Elektrofilter, Fliehkraftabscheider, Gewebefilter oder Wäscher. Depending on the type and intensity of the particle load, different filter and separation techniques are used in the exhaust gas cleaning stage 20, such as B. electrostatic precipitators, centrifugal separators, fabric filters or scrubbers.
Entsprechend der Anforderungen der Fiersteller von Turbomaschinen kann eine sehr gründliche Entfernung der Partikel aus dem Abgas erforderlich sein. Es gibt für die Abgase aus allen Verbrennungsprozessen geeignete Techniken für die Reinigung als vorgelagerte Stufe zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung. Dies ist jedoch nicht Teil des Verfahrens, daher ist eine vertiefte Beschreibung der Abgasreinigung hier nicht erforderlich. Verfahrensschritt A In accordance with the requirements of the venting devices of turbomachinery, very thorough removal of the particles from the exhaust gas may be necessary. There are suitable techniques for cleaning the exhaust gases from all combustion processes as an upstream stage for turbo exhaust gas CO 2 separation. However, this is not part of the procedure, so an in-depth description of exhaust gas cleaning is not required here. Process step A
Im Verfahrensschritt A wird das von Partikeln gereinigte Abgas 10a in dem Abgaskühler a 21a gekühlt. Dabei kondensiert ein großer Teil des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs und wird als Kondensat 14a abgeschieden. In method step A, the exhaust gas 10a which has been cleaned of particles is cooled in the exhaust gas cooler a 21a. A large part of the water vapor contained in the exhaust gas condenses and is deposited as condensate 14a.
Die Temperatur, mit der das Abgas in die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung eintritt, weist in Abhängigkeit des vorgelagerten Verbrennungsprozesses ein breites Temperaturspektrum auf (z. B. 50 °C bei einem Motor-BFIKW und mehreren hundert °C hinter einer einstufigen Gasturbine), so dass die Wärmemenge, die im Verfahrensschritt a abgeführt werden muss, sehr unterschiedlich ist. The temperature at which the exhaust gas enters the turbo exhaust gas CO 2 separation has a wide temperature range depending on the upstream combustion process (e.g. 50 ° C for an engine BFIKW and several hundred ° C behind a single-stage one Gas turbine), so that the amount of heat that has to be dissipated in process step a is very different.
Die Abkühlung im Abgaskühler a 21a erfolgt mit Kühlwasser und ist begrenzt durch die Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlwassers 16, das in der Regel mittels eines Kühlturms 21 gewonnen werden muss. Bei manchen Standorten kann auch Kühlwasser aus dem Meer oder aus Flüssen zur Verfügung stehen. Mit dieser Abgaskühlung lässt sich in Abhängigkeit von Standort und Jahreszeit eine Abkühlung des Abgases auf einen Temperaturbereich zwischen +5 °C und +30 °C erreichen. Verfahrensschritt B The cooling in the exhaust gas cooler a 21 a takes place with cooling water and is limited by the temperature of the available cooling water 16, which as a rule has to be obtained by means of a cooling tower 21. At some locations, cooling water from the sea or rivers may also be available. With this exhaust gas cooling, depending on the location and time of year, the exhaust gas can be cooled to a temperature range between +5 ° C and +30 ° C. Process step B
Im Verfahrensschritt B wird das gekühlte und getrocknete Abgas 11a, bestehend aus N2, CO2, Ar und Resten von H2O im Abgasturboverdichter 22 auf einen Druck oberhalb von 5,16 bar verdichtet und anschließend im Abgaskühler b 21b zurückgekühlt. Bei Einsatz von Kühlwasser 16 lässt sich bei der Rückkühlung wieder der oben beschriebene Temperaturbereich zwischen +5 °C und +30 °C erreichen. Dabei kondensiert der größte Teil des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs und wird als Kondensat 14b abgeschieden. In process step B, the cooled and dried exhaust gas 11a, consisting of N 2 , CO 2 , Ar and residues of H 2 O, is compressed in the exhaust gas turbo compressor 22 to a pressure above 5.16 bar and then cooled back in the exhaust gas cooler b 21b. When using cooling water 16, the temperature range described above between +5 ° C and +30 ° C can be achieved again during re-cooling. The majority of the water vapor contained in the exhaust gas condenses and is deposited as condensate 14b.
Im Abgasturboverdichter 22 muss die Höhe der Verdichtung so hoch gewählt werden, dass bei Expansion und Erwärmung des Gasgemischs b 12 die erforderliche Kälte für das Verfahren erzeugt werden kann. Die durchgeführte Berechnung mehrerer Ausführungsbeispiele ergab, dass eine Verdichtung auf 6 bis 15 bar hierfür ausreichend ist. In the exhaust gas turbo compressor 22, the level of compression must be selected to be so high that the required cold for the process can be generated when the gas mixture b 12 is expanded and heated. The calculation carried out for several exemplary embodiments showed that compression to 6 to 15 bar is sufficient for this.
Bei höherer Verdichtung kann nachfolgend zwar das CO2 bereits bei höheren Temperaturen verflüssigt werden, aber durch den dafür notwendigen höheren Energieaufwand für die zusätzliche Verdichtung des Abgases verschlechtert sich die Wirtschaftlichkeit. With higher compression, the CO 2 can subsequently be liquefied at higher temperatures, but the higher energy expenditure required for the additional compression of the exhaust gas worsens the economic efficiency.
Zur Abgasverdichtung wird über 90% der für die Turbo-Abgas-CO2- Abscheidung notwendigen Energie verbraucht. Ein niedrigerer Energieaufwand für die Abgasverdichtung lässt sich durch eine mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung erreichen. Mit der Anzahl der Verdichtungsstufen sinkt der Energieaufwand für die Verdichtung des Abgases. Im Gegenzug ist ein höherer Investitionsaufwand für die zusätzlichen Verdichtungsstufen erforderlich. Over 90% of the energy required for the turbo exhaust gas CO 2 separation is used for exhaust gas compression. A lower energy expenditure for the exhaust gas compression can be achieved through a multi-stage compression with intermediate cooling. The energy required to compress the exhaust gas decreases with the number of compression stages. In return, a higher investment is required for the additional compression stages.
Bei der einstufigen Verdichtung in den Figuren 3 und 4 muss für den Verdichter 22 die Antriebsenergie 30 aufgewendet werden. Bei einer zweistufigen Verdichtung in Figur 5 ist für die 1. Verdichterstufe 22a die Antriebsenergie 30a und für die 2. Verdichterstufe 22b die Antriebsenergie 30b erforderlich. Gleiches gilt analog, wenn auf noch mehr Verdichtungsstufen aufgeteilt wird. Die Summe der Antriebsenergie 30 a, 30b der zweistufigen Verdichtung ist dabei kleiner als die Antriebsenergie (30) der einstufigen Verdichtung. In the single-stage compression in FIGS. 3 and 4, the drive energy 30 must be used for the compressor 22. In the case of a two-stage compression in FIG. 5, the drive energy is 30a for the 1st compressor stage 22a and the drive energy for the 2nd compressor stage 22b 30b required. The same applies analogously if it is divided into even more compression levels. The sum of the drive energy 30 a, 30 b of the two-stage compression is smaller than the drive energy (30) of the single-stage compression.
Bei Auslegung der Turbo-CO2-Abscheidung für konkrete Anwendungsfälle kann mittels einer Wirtschaftlichkeitsberechnung aus den reduzierten Energiekosten bei mehreren Verdichterstufen und den dadurch steigenden Investitionskosten ein projektspezifisches Optimum ermittelt werden. Verfahrensschritt C When designing the turbo CO 2 separation for specific applications, a project-specific optimum can be determined from the reduced energy costs with several compressor stages and the resulting increase in investment costs by means of a profitability calculation. Process step C
Das verdichtete und zurück gekühlte Gasgemisch a 11b wird im Verfahrensschritt C in dem Mehrkomponentenwärmetauscher 23 auf die Kondensationstemperatur des CO2 abgekühlt. The compressed and recooled gas mixture a 11b is cooled in process step C in the multicomponent heat exchanger 23 to the condensation temperature of the CO 2 .
Das Abgas 11c weist bei Austritt aus dem(n) Abgaskühler(n) 21 als gesättigtes, feuchtes Abgas immer noch einen erheblichen Wassergehalt auf, der bei 25°C und 7 bar ca. 2,8 g pro kg Gas beträgt. Exiting the exhaust gas cooler (s) 21 as saturated, moist exhaust gas, the exhaust gas 11c still has a considerable water content, which at 25 ° C. and 7 bar is approx. 2.8 g per kg of gas.
Daher ist bei der Abkühlung des Abgases 11c unter den Gefrierpunkt von Wasser eine selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a zur Kühlung des Abgases erforderlich, weil bei dieser Abkühlung der noch im Gasgemisch 11c enthaltene Wasserdampf auskondensiert bzw. ausfriert, sich an den Wänden der Wärmetauscherkomponente 23a ablagert und ohne Reinigungs- maßnahmen die Wärmetauscherkomponente 23a verstopfen würde. In der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a wird durch periodisches Umschalten der Strömung mit den Motorklappen 23b, 23c und den Rückschlagklappen 23d, 23e das an den Wänden des Wärmetauschers abgelagerte Eis und das kondensierte Wasser von dem in die Atmosphäre abgeleiteten Gasgemisch b 12f aufgenommen und der Wärmetauscher so wieder vollständig gereinigt. Therefore, when the exhaust gas 11c is cooled to below the freezing point of water, a self-cleaning heat exchanger component 23a is required to cool the exhaust gas, because during this cooling the water vapor still contained in the gas mixture 11c condenses or freezes out, deposits on the walls of the heat exchanger component 23a and without cleaning - Measures the heat exchanger component 23a would clog. In the self-cleaning heat exchanger component 23a, by periodically switching the flow with the motor flaps 23b, 23c and the non-return flaps 23d, 23e, the ice deposited on the walls of the heat exchanger and the condensed water is absorbed by the gas mixture b 12f discharged into the atmosphere and the heat exchanger so again completely cleaned.
Selbstreinigende Wärmetauscher sind bekannte Bauelemente aus Luftzerlegungsanlagen. Grundsätzlich sind für die Turbo-Abgas-CO2- Abscheidung alle aus den Luftzerlegungsanlagen bekannten Bauarten der selbstreinigenden Wärmetauscher geeignet. z.B. Kreuzstromgegenströmer, steingefüllte Regeneratoren mit eingebauten Rohrschlangen oder Rekuperatoren in Kompaktbauweise (vielfach als reversing exchangers bezeichnet). Self-cleaning heat exchangers are known components from air separation plants. Basically, for the turbo exhaust gas CO 2 - Separation of all types of self-cleaning heat exchangers known from air separation plants are suitable. For example, cross-flow counterflows, stone-filled regenerators with built-in pipe coils or recuperators in compact design (often referred to as reversing exchangers).
In den selbstreinigenden Mehrkomponentenwäremtauschern sind die Wärme- tauscherkomponenten der wärmeabgebenden Seite und der wärmeauf- nehmenden Seite und weitere Wärmetauscherkomponenten integriert, wie beispiesweise ein Wärmetauscher 23f - z. B. als eingebaute Rohrschlange - für die Wärmeaufnahme des Gasgemischs b 12c nach dem CO2-Kondensator 24a. The heat exchanger components of the heat-emitting side and the heat-absorbing side and other heat exchanger components are integrated in the self-cleaning multi-component heat exchangers, such as a heat exchanger 23f - e.g. B. as a built-in coil - for the heat absorption of the gas mixture b 12c after the CO 2 condenser 24a.
Im selbstreinigenden Mehrkomponentenwärmetauscher 23 müssen aus dem Gasgemisch a 11c folgende Wärmemengen abgeführt werden: In the self-cleaning multi-component heat exchanger 23, the following amounts of heat must be removed from the gas mixture a 11c:
• die Enthalpiedifferenz des Gasgemischs a 11c von Austrittstemperatur aus dem letzten Abgaskühler 21c zur Kondensationstemperatur des CO2 und • the enthalpy difference of the gas mixture a 11c from the outlet temperature from the last exhaust gas cooler 21c to the condensation temperature of the CO 2 and
• die Verdampfungsenthalpie des kondensierenden Wasserdampfanteils. • the enthalpy of evaporation of the condensing water vapor fraction.
Die für die wärmeaufnehmende Seite des Mehrkomponentenwärmetauschers 23 erforderliche Kälte wird bereitgestellt The cold required for the heat-absorbing side of the multi-component heat exchanger 23 is provided
• durch die Erwärmung des kalten Gasgemisch b 12c in der Wärme- tauscherkomponente 23f und • by heating the cold gas mixture b 12c in the heat exchanger component 23f and
• durch die Erwärmung des in der Gasturbine b 28b auf Atmosphären- druck entspannten kalten Gasgemisch b 12e in der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a. Verfahrensschritt D • by heating the cold gas mixture b 12e, which is expanded to atmospheric pressure in the gas turbine b 28b, in the self-cleaning heat exchanger component 23a. Process step D
Im Verfahrensschritt D erfolgt die Kondensation und Abscheidung des CO2 aus dem auf Abscheidetemperatur und -druck gekühlten und komprimierten Abgasstrom 11 d. Dabei erfolgt die Kondensation des CO2 im CO2- Kondensator (24b). Der CO2-Kondensator 24a ist eine speziell entwickelte Apparatur, die den Anforderungen an den Betrieb mit Kondensationstemperaturen knapp oberhalb der Phasengrenze fest/flüssig gerecht wird und im Interesse der Energieeffizienz ausschließlich mit Kälte aus der Expansion des Gasgemischs b 12c arbeitet. In process step D, the condensation and separation of the CO 2 takes place from the exhaust gas stream 11d, which is cooled to the separation temperature and pressure and compressed. The condensation is carried out in CO 2 in the CO 2 - capacitor (24b). The CO 2 condenser 24a is a specially developed apparatus that meets the requirements for operation with condensation temperatures just above the solid / liquid phase boundary and, in the interests of energy efficiency, works exclusively with cold from the expansion of the gas mixture b 12c.
Die Kondensationstemperatur des CO2 liegt relativ dicht am Tripelpunkt des CO2, Bei 7 bar Kondensationsdruck liegt die Kondensationstemperatur des CO2 mit 224 °K nur 7,5 °K über den 216,5 °K am Tripelpunkt. Die Temperatur des Abgases 11 d darf an keiner Stelle im CO2-Kondensator 24a unter die Sublimationstemperatur des CO2 absinken, da sonst Wärmetauscher und Leitungen verstopfen würden. Es bestehen daher hohe Anforderungen an die Temperaturregelung des CO2-Kondensators 24a. The condensation temperature of the CO 2 is relatively close to the triple point of the CO 2. At 7 bar condensation pressure, the condensation temperature of the CO 2 is 224 ° K, only 7.5 ° K above the 216.5 ° K at the triple point. The temperature of the exhaust gas 11 d may drop at any point in the CO 2 condenser 24a below the sublimation temperature of the CO 2, otherwise the heat exchanger and pipes would become clogged. There are therefore high demands on the temperature control of the CO 2 condenser 24a.
Diese Temperaturfanforderung wird erreicht, wenn das Wärme aufnehmende Gasgemisch b 12c in einer mehrstufigen Entspannungsturbine 28c in jeder Entspannungsstufe nur so weit entspannt wird, dass die Turbinenaus- trittstemperatur maximal um die Temperaturdifferenz im Wärmetauscher unterhalb der Sublimationstemperatur des CO2 liegt. This temperature requirement is achieved when the heat-absorbing gas mixture b 12c in a multi-stage expansion turbine 28c is only expanded to such an extent in each expansion stage that the turbine outlet temperature is below the sublimation temperature of the CO 2 by a maximum of the temperature difference in the heat exchanger.
Bei Einsatz der einstufigen Entspannungsturbine 28a liegt die Turbinenaus- trittstemperatur deutlich unterhalb der Sublimationstemperatur von CO2. Im angefügten Berechnungsbeispiel beträgt die Austrittstemperatur des Gasgemischs b 12c aus der Entspannungsturbine a 28a 156 °K und liegt damit deutlich unterhalb der 216,5 °K. Für die Temperaturregelung auf der wärmeaufnehmenden Seite des CO2-Kondensators gibt es bei einstufiger Entspannung 2 Möglichkeiten: When the single-stage expansion turbine 28a is used, the turbine outlet temperature is significantly below the sublimation temperature of CO 2 . In the calculation example attached, the outlet temperature of the gas mixture b 12c from the expansion turbine a 28a is 156 ° K and is thus well below 216.5 ° K. For temperature control on the heat-absorbing side of the CO 2 condenser, there are 2 options for single-stage expansion:
• Direkte Kühlung des CO2 Kondensators durch Mischung des kalten zum CO2-Kondensator geführten Gasgemischs mit dem erwärmten aus dem CO2-Kondensator kommenden Gasgemisch mit Hilfe des Regelventils a 26b. Die Förderung des erforderlichen Massestrom des Gasgemischs durch den CO2-Kondensator 24a erfolgt durch den drehzahlgeregelten Ventilator 26a. Ein Ausführungsbeispiel für die direkte Kühlung des CO2-Kondensators ist in Figur 8 dargestellt. Bei der indirekten Kühlung des CO2-Kondensators 24a wird die Expansionskälte des Gasgemischs b 12c im Kälteträger/Gas- Wärmetauschers c 27a auf den Kälteträger c 15 übertragen, der im Kältekreis 27 mittels Regelung der Kälteträgerpumpe 27e und des Regelventils 27d mit exakt eingeregelter Temperatur durch den CO2- Kondensator 24a gepumpt wird und dort die für die abzuführende Verdampfungsenthalpie notwendige Kälte im Gasgemisch a 11 d bereitstellt. Bei den Temperaturen zwischen 150 °K und 230 °K im indirekten Kühlkreislauf können nur Fluids mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie z. B. Propan mit einem Schmelzpunkt von -187,7 °C, Iso-Butan mit einem Schmelzpunkt von -159 °C oder ein Gas wie z. B. N2 als Kälteträger eingesetzt werden. • Direct cooling of the CO 2 condenser by mixing the cold to the CO 2 condenser recirculated gas mixture with the heated CO 2 from the condenser upcoming gas mixture with the aid of a control valve 26b. The required mass flow of the gas mixture is conveyed through the CO 2 condenser 24a by the speed-controlled fan 26a. An exemplary embodiment for the direct cooling of the CO 2 condenser is shown in FIG. With the indirect cooling of the CO 2 condenser 24a, the expansion cold of the gas mixture b 12c in the refrigerant / gas heat exchanger c 27a is transferred to the refrigerant c 15, which is carried out in the refrigeration circuit 27 by regulating the refrigerant pump 27e and the control valve 27d with a precisely regulated temperature the CO 2 condenser 24a is pumped and there provides the cold necessary for the evaporation enthalpy to be removed in the gas mixture a 11 d. At temperatures between 150 ° K and 230 ° K in the indirect cooling circuit, only fluids with a low melting point, such as. B. propane with a melting point of -187.7 ° C, iso-butane with a melting point of -159 ° C or a gas such as. B. N 2 can be used as a coolant.
Nach der CO2-Kondensation erfolgt im CO2-Abscheider 24c die Trennung in das flüssige CO213 und das verbleibende Gasgemisch b 12a. Verfahrensschritt K After the CO 2 condensation, the separation into the liquid CO 2 13 and the remaining gas mixture b 12a takes place in the CO 2 separator 24c. Method step K
Das aus dem CO2-Abscheider 24c kommende Gasgemisch b 12a mit den Bestandteilen N2 und Ar 13a enthält einen CO2-Anteil entsprechend dem Sättigungsdruck des CO2 bei der Temperatur im Gasgemisch b 12a, der bei weiterer Abkühlung des Gasgemischs b 12a auskondensieren oder ausfrieren würde. The gas mixture b 12a with the constituents N 2 and Ar 13a coming from the CO 2 separator 24c contains a CO 2 component corresponding to the saturation pressure of the CO 2 at the temperature in the gas mixture b 12a, which or condenses out upon further cooling of the gas mixture b 12a would freeze out.
Daher wird dieser CO2-Anteil aus dem Gasgemisch b 12a mit Hilfe von CO2- Adsorbern 25a, 25b entfernt. Übliche CO2-Adsorber arbeiten alsThis CO 2 fraction is therefore removed from the gas mixture b 12a with the aid of CO 2 adsorbers 25a, 25b. Usual CO 2 adsorbers work as
Molekularsiebadsorber mit Zeolithen als Adsorptionsmaterial im Pendelbetrieb. Dabei werden 2 Adsorber eingesetzt. Während abwechselnd ein Adsorber in Betrieb ist und CO2 adsorbiert wird der zweite Adsorber mit Hilfe eines Spülgases regeneriert. Anforderung an das Spülgas ist, dass es trocken sowie frei von Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen sein muss und dass es auf ca. 100 °C erwärmt werden muss. Bei Turbo-Abgas-CO2- Abscheidung eignet sich als Spülgas das Gasgemisch b 12e. Für die Gaserwärmung kann Abwärme genutzt werden, z. B. die Wärme des Abgases 11 b nach Austritt aus dem Abgasverdichter 22. 7. Verfahrensschritt L Molecular sieve adsorber with zeolites as adsorption material in pendulum mode. Two adsorbers are used for this. While one adsorber is alternately in operation and adsorbing CO 2 , the second adsorber is regenerated with the aid of a purge gas. The requirement for the flushing gas is that it must be dry, free of carbon dioxide and hydrocarbons and that it must be heated to approx. 100 ° C. In the case of turbo exhaust gas CO 2 separation, the gas mixture b 12e is suitable as the flushing gas. Waste heat can be used to heat the gas, e.g. B. the heat of the exhaust gas 11 b after exiting the exhaust gas compressor 22. 7. Process step L
Im Verfahrensschritt L wird das gereinigte Gasgemisch b 12b in der Gasturbine a 28a Arbeit leistend so weit entspannt wird, dass die Kälte des expandierten Gasgemischs b 12c für die bei der CO2-Kondensation abzuführende Verdampfungsenthalpie (Verfahrensschritt M) ausreicht. In process step L, the cleaned gas mixture b 12b is expanded while performing work in the gas turbine a 28a to such an extent that the coldness of the expanded gas mixture b 12c is sufficient for the evaporation enthalpy to be removed during the CO 2 condensation (process step M).
8. Verfahrensschritt M 8. Method step M
Im Verfahrensschritt M wird die Expansionskälte des Gasgemischs b zur Kondensation des CO2-Anteils im Gasgemisch a im CO2-Kondensator 24a genutzt. In method step M, the expansion cold of the gas mixture b is used to condense the CO 2 content in the gas mixture a in the CO 2 condenser 24a.
9. Verfahrensschritt N 9. Process step N
Nachfolgend wird im Verfahrensschritt N die Kälte des Gasgemischs b 12c für die Wärmeübertragung in der Wärmetauscherkomponente 23f, die in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 integriert ist, für den Kältebedarf im Mehrkomponentenwärmetauscher 23 genutzt. Subsequently, in method step N, the coldness of the gas mixture b 12c is used for the heat transfer in the heat exchanger component 23f, which is integrated in the multicomponent heat exchanger 23, for the refrigeration requirement in the multicomponent heat exchanger 23.
10. Verfahrensschritt O 10. Process step O
Im Verfahrensschritt O wird das erwärmte Gasgemisch b 12c in der Gasturbine b 28b Arbeit leistend auf Atmosphärendruck entspannt. In method step O, the heated gas mixture b 12c is expanded to atmospheric pressure while performing work in the gas turbine b 28b.
11.Verfahrensschritt P 11. Process step P
Im Verfahrensschritt P wird das das kalte expandierte Gasgemisch b 12g im Mehrkomponentenwärmetauscher 23 erwärmt und das erwärmte Gasgemisch b 12g zur Rückspülung der selbstreinigenden Wärmetauschertauscher- komponente 23a genutzt. Das Gasgemisch b nimmt bei der Erwärmung während des Durchlaufs durch die selbstreinigende Wärmetauscher- komponente 23a das auskondensierte bzw. ausgefrorene H2O auf. Danach wird das feuchte Gasgemisch b 12g ohne jegliches klimaschädigende CO2 in die Atmosphäre abgeleitet. Beschreibung Variante 2 (Figuren 2 und 4) In method step P, the cold expanded gas mixture b 12g is heated in the multicomponent heat exchanger 23 and the heated gas mixture b 12g is used for backwashing the self-cleaning heat exchanger component 23a. When heated, the gas mixture b absorbs the H 2 O which has condensed or frozen out as it passes through the self-cleaning heat exchanger component 23a. Then the moist gas mixture b 12g is discharged into the atmosphere without any climate-damaging CO 2. Description of variant 2 (Figures 2 and 4)
Bei der Turbo-Abgas- CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme bei überkritischem Druck wird Abgas, das von Partikeln gereinigt ist, wie folgt behandelt. In turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal at supercritical pressure, exhaust gas that has been cleaned of particles is treated as follows.
1 . Verfahrensschritte A und B 1 . Process steps A and B
Die Behandlung des Abgases in den Verfahrensschritten A und B ist identisch mit der Behandlung in der Verfahrensvariante 1 , der Turbo-Abgas-CO2- Abscheidung mit flüssiger Entnahme des CO2 bei Kondensationsdruck. The treatment of the exhaust gas in process steps A and B is identical to the treatment in process variant 1, the turbo exhaust gas CO 2 separation with liquid removal of the CO 2 at condensation pressure.
2. Verfahrensschritt C 2. Process step C
Auch der Verfahrensschritt C stimmt weitgehend mit der Verfahrensvariante 1 überein, jedoch wird bei der Bereitstellung der erforderlichen Kälte zusätzlich die Erwärmung des überkritisch verdichteten CO213h in der Wärmetauscher- komponente 23g, die in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 zusätzlich integriert ist, genutzt. Process step C also largely corresponds to process variant 1, but the heating of the supercritically compressed CO 2 13h in the heat exchanger component 23g, which is also integrated in the multi-component heat exchanger 23, is used to provide the required cold.
3. Verfahrensschritt D 3. Process step D
Im Verfahrensschritt D wird das CO2 kondensiert und abgeschieden, wie bei der flüssigen CO2-Entnahme bei Kondensationsdruck, jedoch zur Weiter- behandlung in eine CO2-Hochdruckpumpe 24e weitergeleitet. In method step D, the CO 2 is condensed and separated, as in the case of liquid CO 2 removal at condensation pressure, but passed on to a CO 2 high-pressure pump 24e for further treatment.
4. Verfahrensschritt F 4. Process step F
Im Verfahrensschritt F wird das flüssige CO213 mit der CO2-Hochdruckpumpe 24e auf den für die unterirdische Lagerung erforderlichen überkritischen Druck verdichtet und anschließend in die Wärmetauscherkomponente 23g geleitet. Energietechnisch ist die Verdichtung eines Stoffes in flüssigem Zustand besonders vorteilhaft, da der im flüssigen Zustand erforderliche Energieaufwand für die Verdichtung von Flüssigkeiten verglichen mit der Verdichtung von Gasen um ein vielfaches kleiner ist. Wie weit verdichtet werden muss, ist von dem Druck abhängig, der zur Einlagerung in der jeweiligen Lagerstätte benötigt wird. Mit steigendem Verdichtungsdruck steigen auch die Anforderungen an die Transporteinrichtungen - bei den sehr großen CO2-Mengen von Kraftwerken ist ein CO2-Pipeline-Transport eine angemessene Technik. Der im Berechnungsbeispiel gewählte Verdichtungsdruck für das CO2 von 100 bar kann gemäß Stand der Technik als kostenbewusst realisierbar angesehen werden, da dieser Druck auch in Hochdrucktransportleitungen für Erdgas verwendet wird. In method step F, the liquid CO 2 13 is compressed with the CO 2 high-pressure pump 24e to the supercritical pressure required for underground storage and then passed into the heat exchanger component 23g. In terms of energy, the compression of a substance in the liquid state is particularly advantageous, since the energy expenditure required in the liquid state for the compression of liquids is many times smaller than that for the compression of gases. How far it has to be compacted depends on the pressure that is required for storage in the respective storage facility. As the compression pressure increases, so do the demands on the transport equipment - with the very large amounts of CO 2 produced by power plants, CO 2 pipeline transport is an appropriate technique. The compression pressure of 100 bar selected in the calculation example for the CO 2 can be seen as cost-consciously realizable according to the state of the art, since this pressure is also used in high-pressure transport lines for natural gas.
5. Verfahrensschritt G 5. Method step G
Im Verfahrensschritt G wird das überkritische CO2 13a in der Wärmetauscherkomponente b 23g auf Umgebungstemperatur erwärmt. Nach der Erwärmung in der Wärmetauscherkomponente b 23g wird das hoch verdichtete CO2 l3b aus der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung entnommen und z. B. in eine unterirdische Lagerstätte transportiert. Bei dem im Berechnungsbeispiel gewählten Verdichtungsdruck für das CO2 von 100 bar beträgt bei 290 °K das spezifische Volumen 1,138 dm3/kg bzw. die Dichte 0,879 kg/dm3 Die Kompression des CO2 reicht also aus um unterirdisch in Lagertiefen größer 800 m (minimale Lagertiefe für CO2-Endlager) und dem in dieser Tiefe herrschenden Druck deponiert werden zu können und das vorhandene Lagervolumen maximal auszunutzen. In method step G, the supercritical CO 2 13a in the heat exchanger component b 23g is heated to ambient temperature. After heating in the heat exchanger component b 23g, the highly compressed CO 2 l3b is removed from the turbo exhaust gas CO 2 separation and z. B. transported to an underground storage facility. With the compression pressure for the CO 2 of 100 bar selected in the calculation example, the specific volume at 290 ° K is 1.138 dm 3 / kg or the density 0.879 kg / dm 3. The compression of the CO 2 is therefore sufficient for underground storage depths greater than 800 m (minimum storage depth for CO 2 final storage) and the pressure prevailing at this depth to be able to be deposited and to use the available storage volume to the maximum.
6. Verfahrensschritte K, L, M, N, O und P 6. Process steps K, L, M, N, O and P
Das nach CO2 Kondensation und CO2-Abscheidung im Verfahrensschritt D abgetrennte Gasgemisch b 12a wird bei der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme bei überkritischem Druck in der Verfahrensschritten K, L, M, N, O und P identisch behandelt, wie in der Verfahrensvariante 1. The gas mixture b 12a separated after CO 2 condensation and CO 2 separation in process step D is used in the turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal at supercritical pressure in process steps K, L, M, N, O and P treated identically as in process variant 1.
Vorteile der CO2-Entnahme bei überkritischem Druck Advantages of CO 2 extraction at supercritical pressure
Die Verdichtung und Erwärmung des flüssig bei Kondensationsdruck und Tieftemperatur abgeschiedenen CO2 in Variante 1, auf überkritischen Ein- lagerungsdruck und Erwärmung auf Umgebungstemperatur in der Variante 2 ist der entscheidende Schritt, um die das CO2 unterirdisch einlagern zu können und das Abgas aus der Atmosphäre fernzuhalten. Durch die Wärmeaufnahme des überkritischen CO2 13h in der Wärme- tauscherkomponente 23g kann im Vergleich zu Variante 1 zusätzlich Verdichterarbeit 30 eingespart werden. The compression and heating of the liquid CO 2 separated at condensation pressure and low temperature in variant 1, to supercritical storage pressure and heating to ambient temperature in variant 2 is the decisive step in order to be able to store the CO 2 underground and the exhaust gas from the atmosphere keep away. Due to the heat absorption of the supercritical CO 2 13h in the heat exchanger component 23g, additional compressor work 30 can be saved compared to variant 1.
Apparatur für die Turbo-Abqas-CO2-Abscheidunq Apparatus for the Turbo-Abqas-CO 2 -Abscheidunq
Die wesentlichen Bauteile und Komponenten der Apparatur für die Turbo-Abgas- CO2-Abscheidung sind Turboverdichter, Entspannungsturbinen, Wärmetauscher und CO2-Adsorber. The essential parts and components of the apparatus for the turbo exhaust gas CO 2 separation are turbo compressors, expansion turbines, heat exchangers and CO 2 adsorbers.
Apparatur 1 für die Turbo-Abqas-CO2 Abscheidunq mit CO2-Entnahme flüssig bei Kondensationsdruck Apparatus 1 for the turbo Abqas-CO 2 Abscheidunq with CO 2 demoulding system liquid at condensing pressure
In der Apparatur zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung mit CO2-Entnahme in flüssigem Zustand bei Kondensationsdruck wird das aus dem vorgelagerten Verbrennungs- prozess kommende und gereinigte Abgas 10a durch das Abgasrohr a 40a in den Abgaskühler a 21a geleitet. Nach der dort erfolgten Abkühlung und Trocknung des Abgases erfolgt die Weiterleitung des gekühlten Gasgemischs a 11a zum nachfolgenden Abgasverdichter 22 durch das Abgasrohr b 40b. Zur Kühlung des Abgases ist der Abgaskühler an die Rohrleitungen des Kühlwasserkreises 21g angeschlossen, vorlaufseitig mit der Kühlwasserleitung a 43a und rücklaufseitig an die Kühlwasserleitung b 43b. Vor dem Austritt aus dem Abgaskühler 21a verhindert ein in den Abgaskühler integrierter Abscheider, dass das im Abgaskühler kondensierte Wasser durch den Abgasstrom weitergetragen wird. Im Abgaskühler a 21a wird das Kondensat a 14a unten gesammelt und über die an den Abgaskühler angeschlossene Entwässerungsleitung a 44a abgeführt. In the apparatus for turbo exhaust gas CO 2 separation with CO 2 removal in the liquid state at condensation pressure, the cleaned exhaust gas 10a coming from the upstream combustion process is passed through the exhaust pipe a 40a into the exhaust gas cooler a 21a. After the exhaust gas has been cooled and dried there, the cooled gas mixture a 11a is forwarded to the downstream exhaust gas compressor 22 through the exhaust gas pipe b 40b. To cool the exhaust gas, the exhaust gas cooler is connected to the pipelines of the cooling water circuit 21g, on the flow side to the cooling water line a 43a and on the return side to the cooling water line b 43b. Before exiting the exhaust gas cooler 21a, a separator integrated in the exhaust gas cooler prevents the water condensed in the exhaust gas cooler from being carried on by the exhaust gas flow. In the exhaust gas cooler a 21a, the condensate a 14a is collected at the bottom and discharged via the drainage line a 44a connected to the exhaust gas cooler.
Das dem Abgasverdichter 22 über den Abgaskanal b 40b zugeführte Abgas wird dort auf den Kondensationsdruck des CO2 komprimiert. Die Weiterleitung des Abgases aus dem Abgasverdichter 22 in den Gaskühler b 21b erfolgt durch das Gasrohr c 40c. Zur Kühlung des Abgases ist der Abgaskühler b 21b an die Rohrleitungen des Kühlwasserkreises 21g angeschlossen, vorlaufseitig mit der Kühlwasserleitung c 43c und rücklaufseitig an die Kühlwasserleitung d 43d. Vor dem Austritt aus dem Abgaskühler 21b verhindert ein in den Abgaskühler integrierter Abscheider, dass das im Abgaskühler kondensierte Wasser durch den Abgasstrom weitergetragen wird. Im Abgaskühler b 21b wird das Kondensat b 14b unten gesammelt und über die an den Abgaskühler angeschlossene Entwässerungsleitung b 44b abgeführt. The exhaust gas fed to the exhaust gas compressor 22 via the exhaust gas duct b 40b is there compressed to the condensation pressure of the CO 2. The exhaust gas is passed on from the exhaust gas compressor 22 into the gas cooler b 21b through the gas pipe c 40c. To cool the exhaust gas, the exhaust gas cooler b 21b is connected to the pipes of the cooling water circuit 21g, on the flow side with the cooling water line c 43c and on the return side to the cooling water line d 43d. Before exiting the exhaust gas cooler 21b, a separator integrated in the exhaust gas cooler prevents the Water condensed in the exhaust gas cooler is carried on by the exhaust gas flow. In the exhaust gas cooler b 21b, the condensate b 14b is collected at the bottom and discharged via the drainage line b 44b connected to the exhaust gas cooler.
Vom Austritt aus dem Abgaskühler 21b wird das Gasgemisch a 11c durch das Gasrohr d 40d in die selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a transportiert. From the outlet from the exhaust gas cooler 21b, the gas mixture a 11c is transported through the gas pipe d 40d into the self-cleaning heat exchanger component 23a.
Das Gasrohr d 40d wird vor der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a durch ein T-Stück auf zwei parallele Leitungen aufgeteilt, von denen jeweils eine der Leitungen im Pendelbetrieb vom Abgas für den Hinweg genutzt wird und die jeweils andere Leitung von dem nach der CO2-Abscheidung verbleibenden Gasgemischs b 12e als Weg in Gegenrichtung genutzt wird. Für die Umschaltung zwischen den Gaswegen werden auf der Wärme abgebenden Seite der selbstregelnden Wärmetauscherskomponente 23a zwei durch die Regelung betätigte Motorklappen 23b hinter dem T-Stück in die parallelen Leitungen des Gasgemischs a eingebaut. In die parallelen Leitungen des in Gegenrichtung strömenden Gasgemischs b werden auf der Wärme aufnehmenden Seite ebenfalls zwei durch die Regelung betätigte Motorklappen 23c eingebaut, bevor die parallele Leitungsführung durch Einbau eines T-Stücks wieder zusammengeführt wird. Auf der kalten Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a werden in die parallelen Leitungen des Gasgemischs a 11 d zwei Rückschlagklappen 23deingebaut bevor die parallelen Leitungen für das Gasgemisch a über ein T-Stück wieder zusammengeführt werden. Das Stickstoffrohr f 42f für das in Gegenrichtung strömende Gasgemisch b 12e wird auf der kalten Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente durch ein T- Stück auf die beiden parallelen Gasleitungen aufgeteilt und auch hier werden in die parallelen Gasleitungen für das Gasgemisch b zwei Rückschlagklappen 23e eingebaut. Before the self-cleaning heat exchanger component 23a, the gas pipe d 40d is divided by a T-piece into two parallel lines, of which one of the lines is used by the exhaust gas for the outward journey and the other line is used by the line remaining after the CO 2 separation Gas mixture b 12e is used as a path in the opposite direction. For switching between the gas paths, on the heat-emitting side of the self-regulating heat exchanger component 23a, two motor flaps 23b actuated by the control system are installed behind the T-piece in the parallel lines of the gas mixture a. In the parallel lines of the gas mixture b flowing in the opposite direction, two motor flaps 23c operated by the control are also installed on the heat-absorbing side, before the parallel line routing is brought together again by installing a T-piece. On the cold side of the self-cleaning heat exchanger component 23a, two non-return valves 23d are built into the parallel lines of the gas mixture a 11 d before the parallel lines for the gas mixture a are brought together again via a T-piece. The nitrogen pipe f 42f for the gas mixture b 12e flowing in the opposite direction is divided on the cold side of the self-cleaning heat exchanger component by a T-piece between the two parallel gas lines and here too two non-return valves 23e are installed in the parallel gas lines for the gas mixture b.
In der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a sind Wärmetauscher- flächen zwischen den beiden in Gegenrichtung strömenden Gasgemisch a 11c und Gasgemisch b 12e angeordnet, die den Wärmeübergang zwischen den Gasen ermöglichen und eine stoffliche Vermischung verhindern. Bei der für die selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a ebenfalls möglichen Ausführung mit 2 steingefüllten Regeneratoren werden die Regeneratoren im Pendelbetrieb in Richtung des zu zerlegenden Gasgemischs a 11c bzw. in Gegenrichtung bei Durchströmung durch das Gasgemisch b 12e mit periodischer Umschaltung betrieben. In the self-cleaning heat exchanger component 23a, heat exchanger surfaces are arranged between the two gas mixture a 11c and gas mixture b 12e flowing in the opposite direction, which enable the heat transfer between the gases and prevent material mixing. In the version with 2 stone-filled regenerators, which is also possible for the self-cleaning heat exchanger component 23a, the regenerators are in pendulum mode in Direction of the gas mixture to be broken down a 11c or in the opposite direction when flowing through the gas mixture b 12e operated with periodic switching.
Zur Deckung des Kältebedarfs im Mehrkomponentenwärmetauscher 23 die Wärme- tauscherkomponente a 23f für die Kältenutzung des Gasgemischs b 12c eingebaut. Auf der kalten Seite ist die Wärmetauscherkomponente a 23f an das Stickstoffrohr d 42d und auf der warmen Seite an das Stickstoffrohr e 42e angeschlossen. To cover the cooling requirement in the multicomponent heat exchanger 23, the heat exchanger component a 23f is installed for the cold utilization of the gas mixture b 12c. On the cold side, the heat exchanger component a 23f is connected to the nitrogen pipe d 42d and on the warm side to the nitrogen pipe e 42e.
Das in dem T-Stück wieder zusammengeführte Gasgemisch a 11 d wird durch das Gasrohr g 40g zum CO2-Kondensator 24a weitergeführt und dort an die Wärme abgebende Seite 24b angeschlossen. Am Austritt des CO2-Kondensators 24a ist der CO2-Anteil im Gasgemisch a 11e kondensiert und das Gasgemisch a 11e wird über das Gasrohr h 40h in den CO2-Abscheider 24d geführt. Aus dem CO2-Abscheider 24d wird das kondensierte CO2 über einen sumpfseitigen Anschluss entnommen und über das CO2-Rohr a 41a der nachfolgenden Verwendung zugeführt. The gas mixture a 11 d recombined in the T-piece is passed on through the gas pipe g 40 g to the CO 2 condenser 24 a and there connected to the heat-emitting side 24 b. At the outlet of the CO 2 condenser 24a, the CO 2 portion is condensed in the gas mixture a 11e and the gas mixture a 11e is fed into the CO 2 separator 24d via the gas pipe h 40h. The condensed CO 2 is withdrawn from the CO 2 separator 24d via a connection on the sump side and fed to the subsequent use via the CO 2 pipe 41a.
Das Gasgemisch b 12a, das nach Abscheiden des CO2 übrig bleibt, wird über einen kopfseitigen Anschluss aus dem CO2-Abscheider entnommen und durch das Stickstoffrohr a 42a in die CO2-Adsorber 25a, 25b geführt, die als Molekularsieb- adsorber mit Zeolithen als Adsorptionsmaterial im Pendelbetrieb das restliche im Gasgemisch b 12a vorhandene CO2 abscheiden. Dabei durchströmt das Gasgemisch b 12a die beiden vor den Adsorbern angebrachten, durch die Regelung betätigten Umschaltventile 25c oder 25e, die zusammen mit den beiden hinter den Adsorbern angebrachten, durch die Regelung betätigten Umschaltventile 25d oder 25f für die alternierende Nutzung der beiden Adsorber sorgt. The gas mixture b 12a, which remains after separating the CO 2 , is removed from the CO 2 separator via a connection at the top and passed through the nitrogen pipe a 42a into the CO 2 adsorbers 25a, 25b, which act as molecular sieve adsorbers with zeolites separate the remaining CO 2 present in the gas mixture b 12a as adsorption material in pendulum operation. The gas mixture b 12a flows through the two switchover valves 25c or 25e installed in front of the adsorbers and actuated by the control, which together with the two switchover valves 25d or 25f installed behind the adsorbers and actuated by the control ensure that the two adsorbers are used alternately.
Vom CO2-Adsorber 25a, 25b wird das Gasgemisch b 12b durch das Stickstoffrohr b 42b zur Gasturbine a 28a geleitet und dort Arbeit leistend entspannt. From the CO 2 adsorber 25a, 25b, the gas mixture b 12b is passed through the nitrogen pipe b 42b to the gas turbine a 28a, where it is expanded while performing work.
Vom Austritt aus der Gasturbine a 28a wird das Gasgemischs b 12c durch das Stickstoffrohr c 42c zur wärmeaufnehmenden Seite 27c des Kälteträger/Gas- Wärmetauschers 27a geführt. Im Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a wird die Kälte des entspannten Gasgemischs b 12c auf den Kälteträger 15 übertragen. Auf der wärmeaufnehmenden Seite 27c ist der Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a mit den Rohrleitungen des Kältekreises 27 verbunden. Über die Kälterohrleitungen a 45a wird die Kälte aus dem Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a zum CO2-Kondensator 24a transportiert und durch das Regelventil b 27d und die Regelung der Kälteträgerpumpe 27e wird der Kälteträger 15 in Temperatur und Durchflussmenge exakt für den Kältebedarf im CO2-Kondensator 24a konditioniert. Der Rückfluss des Kälteträgers 15 vom CO2-Kondensator 24a zum Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a erfolgt durch die Kälterohrleitung b 45b. From the outlet from the gas turbine a 28a, the gas mixture b 12c is guided through the nitrogen pipe c 42c to the heat-absorbing side 27c of the refrigerant / gas heat exchanger 27a. In the coolant / gas heat exchanger 27a, the cold of the expanded gas mixture b 12c is transferred to the coolant 15. On the heat-absorbing side 27c, the coolant / gas heat exchanger 27a is connected to the pipes of the refrigeration circuit 27. The cold from the refrigerant / gas heat exchanger 27a to the CO 2 condenser 24a is transported via the cold pipes a 45a, and the temperature and flow rate of the refrigerant 15 is exactly for the refrigerant requirement in the CO 2 through the control valve b 27d and the control of the refrigerant pump 27e -Condenser 24a. The return flow of the coolant 15 from the CO 2 condenser 24a to the coolant / gas heat exchanger 27a takes place through the cold pipe b 45b.
Das Gasgemisch b 12c wird vom Austritt aus dem Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a durch das Stickstoffrohr d 42d zum Anschluss an die Wärmetauscher- komponente a 23f, die in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 eingebaut ist, geführt. Nach Erwärmung in der Wärmetauscherkomponente 23f wird das Gasgemisch b 12c vom Austritt aus dem Wärmetauscher 23e durch das Stickstoffrohr e 42e zum Eintritt in die Gasturbine b 28b geführt und dort Arbeit leistend entspannt. The gas mixture b 12c is led from the outlet from the refrigerant / gas heat exchanger 27a through the nitrogen pipe d 42d to the connection to the heat exchanger component a 23f, which is built into the multi-component heat exchanger 23. After being heated in the heat exchanger component 23f, the gas mixture b 12c is guided from the outlet from the heat exchanger 23e through the nitrogen pipe e 42e to the inlet into the gas turbine b 28b, where it is expanded while performing work.
Das entspannte Gasgemisch b 12e wird vom Austritt aus der Gasturbine b 28b durch das Stickstoffrohr f 42f zu dem T-Stück auf der kalten Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a geleitet und nachfolgend wie oben beschrieben alternierend auf den alternierenden Gaswegen durch die selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a geführt. In der selbstreinigenden Wärme- tauscherkomponente 23a erfolgt der bereits oben beschriebene Wärmetausch mit dem Gasgemisch a 11c auf das Gasgemisch b 12e, und das erwärmte Gasgemisch b 12f nimmt das an den Wandflächen der selbstreinigenden Wärmetauscher- komponente 23a abgelagerte Wasser auf. Das Gasgemisch b 12f wird nach Austritt aus dem T-Stück auf der warmen Seite des selbstreinigenden Wärmetauschers 23 über das Stickstoffrohr g 42g in die Atmosphäre abgeführt. The expanded gas mixture b 12e is passed from the outlet from the gas turbine b 28b through the nitrogen pipe f 42f to the T-piece on the cold side of the self-cleaning heat exchanger component 23a and subsequently, as described above, alternately guided on the alternating gas paths through the self-cleaning heat exchanger component 23a. In the self-cleaning heat exchanger component 23a, the heat exchange already described above takes place with the gas mixture a 11c to the gas mixture b 12e, and the heated gas mixture b 12f absorbs the water deposited on the wall surfaces of the self-cleaning heat exchanger component 23a. After exiting the T-piece on the warm side of the self-cleaning heat exchanger 23, the gas mixture b 12f is discharged into the atmosphere via the nitrogen pipe g 42g.
Apparatur 2 für die Turbo-Abgas-CO2 Abscheidunq mit CO2-Entnahme bei überkritischem Druck Apparatus 2 for the turbo exhaust gas CO 2 Abscheidunq with CO 2 at supercritical pressure demoulding system
Der Aufbau der Apparatur 2 deckt sich bis zum sumpfseitigen Austritt des CO2 aus dem CO2-Abscheider 24d über das CO2-Rohr a 41 a mit dem Aufbau der Apparatur 1 , mit der Ergänzung, dass zusätzlich in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 die Wärmetauscherkomponente b 23g zur Erwärmung des überkritisch verdichteten CO2 eingebaut wird. The structure of the apparatus 2 coincides with the structure of apparatus 1 up to the sump-side exit of the CO 2 from the CO 2 separator 24d via the CO 2 pipe a 41 a, with the addition that the multicomponent heat exchanger 23 also has the Heat exchanger component b 23g for heating the supercritically compressed CO 2 is installed.
In Apparatur 2 wird das kondensierte CO2 13 aus CO2-Abscheider 24d über einen sumpfseitigen Anschluss entnommen und über das CO2-Rohr a 41a in die CO2- Hochdruckpumpe 24e transportiert und dort auf den für die unterirdische Einlagerung erforderlichen überkritischen Druck verdichtet. In apparatus 2, the condensed CO 2 13 is removed from CO 2 separator 24d via a sump-side connection and transported via CO 2 pipe 41a to CO 2 high-pressure pump 24e, where it is compressed to the supercritical pressure required for underground storage.
Das in der CO2-Hochdruckpume 24e auf überkritischen Druck verdichtete CO2 13a wird über das CO2-Rohr b 41b in die Wärmetauscherkomponente b 23g geführt, durchströmt die Wärmetauscherkomponente b 23g und nimmt dabei Wärme auf. Das im Wärmetauscher 23g erwärmte CO2 13b wird durch das CO2-Rohr c 41c zum Anschlusspunkt b für den CO2- Weitertransport 24g geführt. The CO 2 13a, which is compressed to supercritical pressure in the CO 2 high-pressure pump 24e , is fed into the heat exchanger component b 23g via the CO 2 pipe b 41b, flows through the heat exchanger component b 23g and absorbs heat in the process. The CO 2 13b heated in the heat exchanger 23g is passed through the CO 2 pipe c 41c to the connection point b for the further transport of CO 2 24g.
Der Aufbau der Apparatur 2 zur Behandlung des Gasgemischs b 12a, das nach Abscheiden des CO2 über einen kopfseitigen Anschluss aus dem CO2-Abscheider 24d entnommen wird, entspricht komplett dem Aufbau in Apparatur 1. The structure of the apparatus 2 for treating the gas mixture b 12a, which is removed from the CO 2 separator 24d after the CO 2 has been separated off via a connection at the top, corresponds completely to the structure in apparatus 1.
Apparatur 1 bis 2 für die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidunq bei schwefelhaltigenApparatus 1 to 2 for the turbo exhaust gas CO 2 -Abscheidunq with sulfur-containing
Brennstoffen Fuels
Bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Brennstoffen enthält das Abgas SO2 und SO3, die bei Kondensation des Wasserdampf im Abgas zu Schwefliger Säure und Schwefelsäure weiterreagieren. When fuels containing sulfur are burned, the exhaust gas contains SO2 and SO3, which react to form sulfuric acid and sulfuric acid when the water vapor condenses in the exhaust gas.
Der Säuretaupunkt schwefelhaltiger Brennstoffe liegt im Bereich 120° bis 150 °C. Diese Temperatur wird im Abgaswärmetauscher a 21a und im Abgaswärmetauscher b 21 b, 21c unterschritten. The acid dew point of fuels containing sulfur is in the range of 120 ° to 150 ° C. This temperature is fallen below in the exhaust gas heat exchanger a 21a and in the exhaust gas heat exchanger b 21b, 21c.
Das Unterschreiten bedeutet, dass hochkorrosive Schwefelsäure auskondensiert und die Wandung angreift. Daher müssen bei Verwendung schwefelhaltiger Brennstoffe die Abgaswärmetauscher a 21a-21c aus korrosionsbeständigen Materialien wie Kunststoffen oder korrosionsarmen, hochlegierten Stählen (beispielsweise solche mit der Werkstoffnummer 1.4571 (V4A)) hergestellt werden. Bei der Behandlung schwefelhaltiger Abgase ist das Kondensat der Abgaswärmetauscher a 14a-14c sauer, was auch bei der nachfolgenden Entsorgung oder Verwendung beachtet werden muss. Falling below this means that highly corrosive sulfuric acid condenses out and attacks the wall. Therefore, when using fuels containing sulfur, the exhaust gas heat exchangers a 21a-21c must be made of corrosion-resistant materials such as plastics or low-corrosion, high-alloy steels (for example those with the material number 1.4571 (V4A)). When treating sulfur-containing exhaust gases, the condensate of the exhaust gas heat exchangers a 14a-14c is acidic, which must also be taken into account for subsequent disposal or use.
SO2 und SCh-Gasbestandteile, die nicht mit dem kondensierenden Wasserdampf reagiert haben, kondensieren bei Überschreitung der Phasengrenze gasförmig/flüssig bei dem höheren Druck des Gasgemischs a 11b) in den Gaswärmetauschern 21b, 21c und werden dort flüssig abgeschieden 14c. SO2 and SCh gas constituents that have not reacted with the condensing water vapor condense when the phase boundary gas / liquid is exceeded at the higher pressure of the gas mixture a 11b) in the gas heat exchangers 21b, 21c and are separated there in liquid form 14c.
Apparatur 3 CO2-Kondensationsanlage mit direkter Stickstoffkühlung und einstufiger Entspannungsturbine Apparatus 3 CO 2 condensation system with direct nitrogen cooling and single-stage expansion turbine
Die CO2-Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine ist eine Apparatur, mit der CO2 in Gasgemischen kondensiert und abgeschieden wird. Verwendet werden kann die CO2-Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine für das Abscheiden von CO2 aus Gasgemischen aller Art. The CO 2 condensation system with direct cooling and a single-stage expansion turbine is an apparatus with which CO 2 is condensed and separated in gas mixtures. The CO 2 condensation system with direct cooling and a single-stage expansion turbine can be used for separating CO 2 from gas mixtures of all kinds.
Die CO2-Kondensation beginnt mit der Zuführung des von Partikeln gereinigten Gasgemisch c 17a, in die Wärme abgebende Seite des CO2-Kondensator 24b. In der Wärme abgebenden Seite des CO2-Kondensators 24b wird dem Gasgemisch c 17a die Kondensationswärme des CO2 entzogen wird. Nach der CO2-Kondensation wird das Gasgemisch c 17b durch das Gasrohr i 40i in den CO2-Abscheider 24d transportiert. The CO 2 condensation begins with the supply of the gas mixture c 17a, which has been cleaned of particles, into the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24b. In the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24b, the heat of condensation of the CO 2 is withdrawn from the gas mixture c 17a. After the CO 2 condensation, the gas mixture c 17b is transported through the gas pipe i 40i into the CO 2 separator 24d.
Kopfseitig verfügt der CO2-Abscheider über einen Anschluss zum Weitertransport des nach der CO2-Abscheidung verbleibenden Restgases 18. Sumpfseitig verfügt der CO2-Abscheider 24d über einen Anschlusspunkt a 24f zum Weitertransport des flüssigen CO213. At the top, the CO 2 separator has a connection for the further transport of the residual gas 18 remaining after the CO 2 separation. On the sump side, the CO 2 separator 24d has a connection point a 24f for the further transport of the liquid CO 2 13.
Bei direkter Kühlung mit einstufiger Entspannungsturbine wird auf der Wärme aufnehmenden Seite des CO2-Kondensators 24c das expandierte kalte Gasgemisch 19a mit dem Stickstoffrohr 42h auf der kalten Seite und mit dem Stickstoffrohr i 42i auf der warmen Seite angeschlossen. Kältequelle ist das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19. Besonders geeignet als Gas oder Gasgemisch ist wegen der niedrigen Kondensations- temperatur die Verwendung von Stickstoff. In the case of direct cooling with a single-stage expansion turbine, the expanded cold gas mixture 19a is connected to the nitrogen tube 42h on the cold side and to the nitrogen tube i 42i on the warm side on the heat-absorbing side of the CO 2 condenser 24c. The cold source is the pressurized cold gas or gas mixture e 19. The use of nitrogen is particularly suitable as a gas or gas mixture because of the low condensation temperature.
Das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19 wird der Gasturbine a 28a zugeführt, dort entspannt und als unter die Kondensationstemperatur von CO2 abgekühltes Gasgemisch e 19a durch das Stickstoffrohr h 42h in die Wärme aufnehmende Seite des CO2-Kondensator 24c transportiert. Durch das Regelventil a 26b und die Regelung des Ventilators 26a wird das Gasgemisch e 19a in Temperatur und Durchflussmenge exakt für den Kältebedarf und die zulässigen Temperaturen im CO2-Kondensator 24a konditioniert. Nach Erwärmung im CO2-Kondensator wird das Gasgemisch e 19b durch das Stickstoffrohr i 42i aus der CO2-Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine herausgeführt. The pressurized cold gas or gas mixture e 19 is fed to the gas turbine a 28a, expanded there and transported as a gas mixture e 19a cooled to below the condensation temperature of CO 2 through the nitrogen tube h 42h into the heat-absorbing side of the CO 2 condenser 24c. By means of the control valve a 26b and the control of the fan 26a, the temperature and flow rate of the gas mixture e 19a is conditioned precisely for the refrigeration requirement and the permissible temperatures in the CO 2 condenser 24a. After heating in the CO 2 condenser, the gas mixture e 19b is led out of the CO 2 condensation system with direct cooling and a single-stage expansion turbine through the nitrogen pipe i 42i.
Apparatur 4 CO2-Kondensationsanlage mit direkter Stickstoffkühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine Apparatus 4 CO 2 condensation system with direct nitrogen cooling and multi-stage expansion turbine
Die CO2-Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine ist eine Apparatur, mit der CO2 in Gasgemischen kondensiert und abgeschieden wird. Verwendet werden kann die CO2-Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine für das Abscheiden von CO2 aus Gasgemischen aller Art. The CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine is an apparatus with which CO 2 is condensed and separated in gas mixtures. The CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine can be used for separating CO 2 from gas mixtures of all kinds.
Die CO2-Kondensation beginnt mit der Zuführung des von Partikeln gereinigten Gasgemisch c 17a, in die Wärme abgebenden Seite des CO2-Kondensator 24c. In der Wärme abgebendenden Seite des CO2-Kondensators 24c wird dem Gasgemisch c 17a die Kondensationswärme des CO2 entzogen. Nach der CO2-Kondensation wird das Gasgemisch c 17b durch das Gasrohr i 40i in den CO2-Abscheider 24d transportiert. Kopfseitig verfügt der CO2-Abscheider über einen Anschluss zum Weitertransport des nach der CO2-Abscheidung verbleibenden Restgases 18. Sumpfseitig verfügt der CO2-Abscheider 24d über einen Anschlusspunkt a 24f zum Weitertransport des flüssigen CO213. Bei direkter Kühlung mit mehrstufiger Entspannungsturbine wird die Wärme abgebende Seite des CO2-Kondensators 24c aus mehreren einzelnen Wärmetauscherkomponenten 24h zusammengesetzt. In jeden dieser einzelnen Wärmetauscherkomponenten 24h wird das expandierte kalte Gasgemisch aus der jeweiligen Entspannungsstufe mit einer Temperatur eingeführt, bei der noch keine Sublimation des CO2 in der CO2-Kondensationsanlage erfolgt. The CO 2 condensation begins with the supply of the gas mixture c 17a, which has been cleaned of particles, into the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24c. In the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24c, the heat of condensation of the CO 2 is withdrawn from the gas mixture c 17a. After the CO 2 condensation, the gas mixture c 17b is transported through the gas pipe i 40i into the CO 2 separator 24d. At the top, the CO 2 separator has a connection for the further transport of the residual gas 18 remaining after the CO 2 separation. On the sump side, the CO 2 separator 24d has a connection point a 24f for the further transport of the liquid CO 2 13. In the case of direct cooling with a multi-stage expansion turbine, the heat-emitting side of the CO 2 condenser 24c is composed of several individual heat exchanger components 24h. In each of these individual heat exchanger components 24, the expanded cold gas mixture of the respective expansion stage is introduced at a temperature takes place in which no sublimation nor of the CO 2 in the CO 2 -Kondensationsanlage.
Vorteilhaft bei dieser direkten Kühlung mit mehrstufiger Entspannungsturbine ist im Vergleich zur direkten Kühlung mit einstufiger Entspannungsturbine und zur indirekten Kühlung, dass keine Regelorgane erforderlich. Kältequelle der CO2- Kondesationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine ist das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19. The advantage of this direct cooling with a multi-stage expansion turbine, compared to direct cooling with a single-stage expansion turbine and indirect cooling, is that no regulating elements are required. The cold source of the CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine is the pressurized cold gas or gas mixture e 19.
Die mehrstufigen Gasturbine 28c wird nach jeder Expansionsstufe über ein Stickstoffrohr k 42k mit der kalten Seite des einzelnen Wärmetausches 24d und durch das Stickstoffrohr i 42i wird das Gasgemisch e durch ein Gasrohr I 42I in die nächste Stufe der mehrstufigen Entspannungsturbine 28c geleitet. Nach der letzten Entspannungsstufe wird das entspannte Gasgemisch e durch das Stickstoffrohr m aus der 42m aus der CO2-Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine herausgeführt. The multi-stage gas turbine 28c is after each expansion stage via a nitrogen pipe k 42k with the cold side of the individual heat exchanger 24d and through the nitrogen pipe i 42i the gas mixture e is passed through a gas pipe I 42I into the next stage of the multi-stage expansion turbine 28c. After the last expansion stage, the expanded gas mixture e is led out through the nitrogen pipe m from the 42m from the CO 2 condensation system with direct cooling and a multi-stage expansion turbine.
Apparatur 5 CO2-Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung Apparatus 5 CO 2 condensation system with indirect cooling
Die CO2-Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung ist eine Apparatur, mit der CO2 in Gasgemischen kondensiert und abgeschieden wird. Verwendet werden kann die CO2-Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung für das Abscheiden von CO2 aus Gasgemischen aller Art. The CO 2 condensation system with indirect cooling is an apparatus with which CO 2 is condensed and separated in gas mixtures. The CO 2 condensation system with indirect cooling can be used to separate CO 2 from gas mixtures of all kinds.
Die CO2-Kondensation beginnt mit der Zuführung des von Partikeln gereinigten Gasgemisch c 17a, in den CO2-Kondensator 24. Der CO2-Kondensator 24 ist ein Wärmetauscher, in dem bei indirekter Kühlung auf der Wärme aufnehmenden Seite des CO2-Kondensators 24a der Kältekreis 27 mit der Kälteleitung 45c auf der Vorlaufseite und das Kälterohr 45d auf der Rücklaufseite angeschlossen ist. Nach der CO2-Kondensation wird das Gasgemisch c 17b durch das Gasrohr i 40i in den CO2-Abscheider 24d transportiert. The CO 2 condensation begins with the supply of the gas mixture c 17a, which has been cleaned of particles, into the CO 2 condenser 24. The CO 2 condenser 24 is a heat exchanger in which, with indirect cooling, on the heat-absorbing side of the CO 2 condenser 24a, the refrigeration circuit 27 is connected to the refrigeration line 45c on the flow side and the cold pipe 45d on the return side. After the CO 2 condensation, the gas mixture c 17b is transported through the gas pipe i 40i into the CO 2 separator 24d.
Kopfseitig verfügt der CO2-Abscheider über einen Anschluss zum Weitertransport des nach der CO2-Abscheidung verbleibenden Restgases 18. Sumpfseitig verfügt der CO2-Abscheider 24d über einen Anschlusspunkt a 24f zum Weitertransport des flüssigen CO213. At the top, the CO 2 separator has a connection for the further transport of the residual gas 18 remaining after the CO 2 separation. On the sump side, the CO 2 separator 24d has a connection point a 24f for the further transport of the liquid CO 2 13.
Kältequelle ist das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19. Besonders geeignet als Gas oder Gasgemisch ist wegen der niedrigen Kondensations- temperatur die Verwendung von Stickstoff. The cold source is the pressurized cold gas or gas mixture e 19. The use of nitrogen is particularly suitable as a gas or gas mixture because of the low condensation temperature.
Das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19 wird der Gasturbine a 28a zugeführt, dort entspannt und als unter die Kondensationstemperatur von CO2 abgekühltes Gasgemisch e 19a durch das Stickstoffrohr h 42h in den Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a transportiert. Nach Erwärmung in dem Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a wird das Gasgemisch e 19b aus der CO2- Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung herausgeführt. The pressurized cold gas or gas mixture e 19 is fed to the gas turbine a 28 a, expanded there and transported as a gas mixture e 19 a cooled to below the condensation temperature of CO 2 through the nitrogen tube h 42 h into the refrigerant / gas heat exchanger 27 a. After heating in the refrigerant / gas heat exchanger 27a, the gas mixture e 19b is led out of the CO 2 condensation system with indirect cooling.
Im Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a wird die Kälte des Gasgemischs e 19a auf den Kälteträger 15 übertragen. Die wärmeabgebende Seite des Kälteträger/Gas- Wärmetauscher 27b wird mit den Rohrleitungen 45c und 45d des Kältekreises 27 verbunden. Über die Kälterohrleitung g 45j wird die Kälte aus dem Kälteträger/Gas- Wärmetauscher 27a zum CO2-Kondensator 24a transportiert und durch das Regelventil b 27d und die Regelung der Kälteträgerpumpe 27e wird der Kälteträger 15 in Temperatur und Durchflussmenge exakt für den Kältebedarf im CO2- Kondensator 24a konditioniert. Der Rückfluss des Kälteträgers 15 vom CO2- Kondensator 24a zum Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a erfolgt durch die Kälterohrleitung k 45k. In the refrigerant / gas heat exchanger 27a, the coldness of the gas mixture e 19a is transferred to the refrigerant 15. The heat-emitting side of the coolant / gas heat exchanger 27b is connected to the pipes 45c and 45d of the refrigeration circuit 27. The cold from the refrigerant / gas heat exchanger 27a to the CO 2 condenser 24a is transported via the cold pipe g 45j, and the temperature and flow rate of the refrigerant 15 is exactly matched to the refrigerant requirement in the CO 2 through the control valve b 27d and the control of the refrigerant pump 27e - Conditioned capacitor 24a. The return flow of the refrigerant 15 from the CO 2 condenser 24a to the refrigerant / gas heat exchanger 27a takes place through the cold pipe k 45k.
Vorteilhaft bei der Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung ist, verglichen mit den Kondensationsanlagen mit direkter Kühlung, dass die Mengen- und Leistungsregelung für den Durchfluss durch den CO2-Kondensator 24a mit dem Kältekreis 15 wesentlich einfacher ist als die Mengen- und Leistungsregelung des Gasgemischs e 19. The advantage of the condensation system with indirect cooling, compared to the condensation systems with direct cooling, that the volume and power control for the flow through the CO 2 condenser 24a with the Refrigeration circuit 15 is much simpler than the volume and power regulation of the gas mixture e 19.
Wirtschaftlichkeit und Energieaufwand derTurbo-Abgas-CO2-AbscheidunqEconomy and energy consumption of the turbo exhaust gas CO 2 separation
Die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung kann wie oben erläutert bei sehr vielen verschiedenen Verbrennungsprozessen Anwendung finden, so dass allgemeingültige Aussagen zu Kosten, Wirtschaftlichkeit und Energieaufwand nicht möglich sind. Es müssen vielmehr die wirtschaftlichen und energetischen Auswirkungen für jeden Anwendungsfall einzeln untersucht und berechnet werden. As explained above, the turbo exhaust gas CO 2 separation can be used in very many different combustion processes, so that generally valid statements on costs, economy and energy consumption are not possible. Rather, the economic and energetic effects must be examined and calculated individually for each application.
Die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung erfordert wie jedes andere Verfahren zur CO2- Abscheidung den Einsatz von Energie für die Abtrennung des CO2. Weiteren Energieaufwand erfordern je nach Verwendung die Einlagerung bzw. die Weiterverarbeitung des CO2, die wie bereits am Anfang erwähnt bei der Turbo- Abgas-CO2-Abscheidung verschwindend gering ist gegenüber den übrigen CCS Abscheideverfahren. The turbo exhaust gas CO 2 separation, like any other method for CO 2 separation, requires the use of energy for the separation of the CO 2 . Depending on the use, additional energy consumption is required for the storage or further processing of the CO 2 , which, as already mentioned at the beginning, is negligibly small with the turbo exhaust gas CO 2 separation compared to the other CCS separation processes.
Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird beispielhaft der Einsatz die Turbo-Abgas- CO2-Abscheidung für die Behandlung der Abgase aus einem modernen, hoch effizienten GuD-Kraftwerks berechnet. In the context of this patent application, the use of the turbo exhaust gas CO 2 separation for the treatment of exhaust gases from a modern, highly efficient combined cycle power plant is calculated as an example.
Das Berechnungsbeispiel für das GuD-Kraftwerk geht von rd. 400 MW elektrischer Leistung und einem elektrischen Wirkungsgrad ohne CO2-Abscheidung von 60 % aus und ist als Anlage beigefügt. Bei Verdichtung des CO2 auf überkritischen Druck von 100 bar sinkt der elektrische Wirkungsgrad des GuD-Kraftwerks im Berechnungsbeispiel von 60% auf rd. 56 %. The calculation example for the combined cycle power plant assumes around 400 MW electrical output and an electrical efficiency without CO 2 separation of 60% and is attached as an annex. When the CO 2 is compressed to a supercritical pressure of 100 bar, the electrical efficiency of the combined cycle power plant in the calculation example drops from 60% to around 56%.
Für den Fall, dass das CO2 bei Verdampfungsdruck von ca. 6 bar entnommen wird, sinkt der elektrische Wirkungsgrad des GuD-Kraftwerks etwas weniger, von 60 % auf rd. 57%. In the event that the CO 2 is withdrawn at an evaporation pressure of approx. 6 bar, the electrical efficiency of the combined cycle power plant drops a little less, from 60% to around 57%.
Allgemein gültige Aussagen zu den ökonomischen Auswirkungen der mit der Turbo- Abgas-CO2-Abscheidung eingesparten CO2-Emissionen sind schwierig, da der derzeit praktizierte Zertifikate-Handel marktabhängige Preise hat. Das aktuelle Gesetz zur CO2-Besteuerung sieht ab 2021 eine CO2-Steuer von 25 €/t CO2 mit einer Steigerung auf 55 €/t CO2 im Jahre 2025 vor. Generally valid statements on the economic effects of the CO 2 emissions saved with the turbo exhaust gas CO 2 separation are difficult, since the certificates trading currently practiced has market-dependent prices. The current The law on CO2 taxation provides for a CO 2 tax of 25 € / t CO 2 from 2021 with an increase to 55 € / t CO 2 in 2025.
Nachfolgend wird eine Beispielrechnung unter der Annahme durchgeführt, dass die Erlöse des Kraftwerks für Stromverkauf bei 45 €/MWh (mittlerer Preis 2018) liegen. Die durch den Einsatz der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung eingebüßten Verkaufs- erlöse für elektrischen Strom lassen sich damit wie folgt berechnen: In the following, an example calculation is carried out on the assumption that the power plant's revenues for electricity sales are 45 € / MWh (mean price 2018). The sales revenue for electricity lost through the use of turbo exhaust gas CO 2 separation can thus be calculated as follows:
Stromerlös pro Stunde 45 €/MWhElectricity revenue per hour 45 € / MWh
Leistung 400 MW GuD-Kraftwerk ohne Turbo-Abgas-CO2-Output 400 MW combined cycle power plant without turbo exhaust gas CO 2 -
Abscheidung 403 MWDeposition 403 MW
Leistung 400 MW GuD-Kraftwerk mit Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung 372 MWOutput 400 MW combined cycle power plant with turbo exhaust gas CO 2 separation 372 MW
Stromverkauf je Stunde ohne Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung 18.135 €Electricity sales per hour without turbo exhaust gas CO 2 separation € 18,135
Stromverkauf je Stunde mit Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung 16.740 €Electricity sales per hour with turbo exhaust gas CO 2 separation € 16,740
Einbuße Verkaufserlös je Stunde 1.395 € Loss of sales revenue per hour € 1,395
Bei einem Steuersatz von 25,00 €/t ab 2021 lässt sich die durch die Turbo-Abgas- CO2-Abscheidung erzielte Steuerersparnis wie folgt berechnen: At a tax rate of 25.00 € / t from 2021, the tax savings achieved through turbo exhaust gas CO 2 separation can be calculated as follows:
Einsparung 400 MW GuD-Kraftwerk CO2 Emissionen je Saving 400 MW combined cycle power plant CO 2 emissions per
Stunde 136 t/h CO2-Steuer ab 2021 25,00 €/tHour 136 t / h CO 2 tax from 2021 € 25.00 / t
Einsparung CO2-Steuer je Stunde 3.400,00 € Saving CO 2 tax per hour € 3,400.00
Die Gegenüberstellung von gemindertem Verkaufserlös mit eingesparter CO2-Steuer ergibt eine Einsparung für das 400MW GuD-Kraftwerk von 14,6 Mio. € pro Jahr, wenn das Kraftwerk mit der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung betrieben wird. Auch unter Beachtung der hohen Investitions- und Betriebskosten der Turbo-Abgas-CO2- Abscheidungsanlage und einer durch die unterirdische Einlagerung zusätzlich anfallender Kosten zeigt die Gegenüberstellung das enorme ökonomische Potential der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung auf. The comparison of reduced sales proceeds with saved CO 2 tax results in savings for the 400MW combined cycle power plant of € 14.6 million per year if the power plant is operated with turbo exhaust gas CO 2 separation. Taking into account the high investment and operating costs of the turbo exhaust gas CO 2 separation system and the additional costs incurred due to the underground storage, the comparison shows the enormous economic potential of turbo exhaust gas CO 2 separation.
Über die ökonomische Betrachtung hinaus muss zusätzlich der enorme ökologische Vorteil für die Minderung der CO2 Konzentration in der Atmosphäre durch • die Vermeidung von weiteren klimaschädigenden CO2-Emissionen, bzw. • der Umkehrung der Klimaschädigung durch Biomasse-Kraftwerke durch die Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung und unterirdischer Lagerung beachtet werden. In addition to the economic considerations, the enormous ecological advantage for reducing the CO 2 concentration in the atmosphere by • avoiding further climate-damaging CO 2 emissions or • The reversal of climate damage caused by biomass power plants through turbo exhaust gas CO 2 separation and underground storage are taken into account.
Berechnungsbeispiel Calculation example
0. Erläuterung zum Berechnungsbeispiel der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung 0. Explanation of the calculation example of the turbo exhaust gas CO 2 separation
Als Berechnungsbeispiel dient ein GuD-Kraftwerk mit rd. 400 kW elektrischer Leistung, einemelektrischen Wirkungsgrad von 60 % und Betrieb mit dem Brennstoff Erdgas H. A combined cycle power plant with around 400 kW electrical output, an electrical efficiency of 60% and operation with the fuel natural gas H is used as a calculation example.
Bei der Berechnung wird zur besseren Übersicht angenommen, dass die Verdichter und Turbinen der Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung auf einer Welle mit den GuD- Turbinen angeordnet werden. Falls das nicht der Fall ist, müssen die nachstehenden Ergebnisse um die elektrischen Wirkungsgrade der Motoren und Generatoren korrigiert werden. In the calculation, it is assumed, for a better overview, that the compressors and turbines of the turbo exhaust gas CO 2 separation are arranged on a shaft with the combined cycle turbines. If this is not the case, the following results must be corrected for the electrical efficiency of the motors and generators.
Die Berechnung erfolgt für den Anwendungsfall, dass das CO2 bei überkritischem Druck zur unterirdischen Einlagerung aus dem Verfahren entnommen wird, The calculation is made for the application that the CO 2 is withdrawn from the process at supercritical pressure for underground storage,
1. Zusammenstellungen 1. Compilations
1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradeinbuße des GuD-Kraftwerks mit Turbo- Abgas-CO2-Abscheidung und CO2-Entnahme bei 100 bar
Figure imgf000029_0001
1 .2 Bilanz des CO2-Kondensators
Figure imgf000030_0001
1.1 Energy balance and loss of efficiency of the combined cycle power plant with turbo exhaust gas CO 2 separation and CO 2 removal at 100 bar
Figure imgf000029_0001
1 .2 Balance of the CO 2 condenser
Figure imgf000030_0001
1.3 Bilanz des Mehrkomponentenwärmetauschers
Figure imgf000030_0002
1.3 Balance of the multi-component heat exchanger
Figure imgf000030_0002
2. Berechnungen 2. Calculations
2.1. Berechnung a - Ermittlung Abgasmassenstrom und Abgaszusammensetzung
Figure imgf000030_0003
2.1. Calculation a - Determination of exhaust gas mass flow and exhaust gas composition
Figure imgf000030_0003
28
Figure imgf000031_0001
28
Figure imgf000031_0001
Berechnung des Abgasmassenstroms
Figure imgf000031_0002
Calculation of the exhaust gas mass flow
Figure imgf000031_0002
2.2. Berechnung b - Ermittlung der Isentropenexponenten für die Gasgemische
Figure imgf000031_0003
2.2. Calculation b - Determination of the isentropic exponent for the gas mixtures
Figure imgf000031_0003
Figure imgf000032_0001
Figure imgf000032_0001
2.3 Berechnung c Leistung des Abgasverdichters - 1 . Stufe
Figure imgf000032_0002
2.3 Calculation c performance of the exhaust gas compressor - 1. step
Figure imgf000032_0002
2.4 Berechnung d Leistung des Abgasverdichters - 2. Stufe
Figure imgf000032_0003
2.4 Calculation of the performance of the exhaust gas compressor - 2nd stage
Figure imgf000032_0003
Figure imgf000033_0001
Figure imgf000033_0001
2.5 Berechnung e Leistung der COa-Hochdruckpumpe 100 bar
Figure imgf000033_0002
2.5 Calculation of the performance of the COa high-pressure pump 100 bar
Figure imgf000033_0002
2.6 Berechnung f Leistung der Gasturbine a
Figure imgf000033_0003
Figure imgf000034_0001
2.6 Calculation f power of the gas turbine a
Figure imgf000033_0003
Figure imgf000034_0001
2.7 Berechnung g Leistung der Gasturbine b
Figure imgf000034_0002
2.7 Calculation g power of the gas turbine b
Figure imgf000034_0002
2.8 Berechnung h Kältebedarf für die Kondensation des CO2
Figure imgf000034_0003
2.8 Calculation of the h cooling requirement for the condensation of the CO 2
Figure imgf000034_0003
2.9 Berechnung i Abkühlung des Gasgemischs a im Mehrkomponentenwärmetauscher
Figure imgf000034_0004
2.9 Calculation i cooling of the gas mixture a in the multi-component heat exchanger
Figure imgf000034_0004
32
Figure imgf000035_0001
32
Figure imgf000035_0001
2.10 Berechnung j Kältebedarf Kondensation H2O im Mehrkomponenten- wärmetauscher
Figure imgf000035_0002
2.10 Calculation j Cooling requirement for condensation H 2 O in the multicomponent heat exchanger
Figure imgf000035_0002
2.11 Berechnung k Kälte aus stufenweiser 1 . Erwärmung des Gasgemischs b
Figure imgf000035_0003
2.12 Berechnung I Kälte aus 2. Erwärmung des Gasgemischs b
Figure imgf000036_0001
2.11 Calculation of k cold from step-by-step 1. Heating of the gas mixture b
Figure imgf000035_0003
2.12 Calculation I cold from 2. Heating of the gas mixture b
Figure imgf000036_0001
2.13 Berechnung m Kälte aus Erwärmung des flüssigen CO2
Figure imgf000036_0002
2.13 Calculation of m cold from heating the liquid CO 2
Figure imgf000036_0002
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 .. Gasgemische und Stoffe 1 .. Gas mixtures and substances
10 Abgas im Rohzustand mit den Bestandteilen N2, CO2, H2O, Ar, Ruß, Staub 10 Raw exhaust gas with the components N 2 , CO 2 , H 2 O, Ar, soot, dust
10a gereinigtes Abgas mit den Bestandteilen N2, CO2, H2O, Ar 11a Gasgemisch a, gekühlt mit den Bestandteilen N2, CO2 und Ar 10a purified exhaust gas with the components N 2 , CO 2 , H 2 O, Ar 11a gas mixture a, cooled with the components N 2 , CO 2 and Ar
11 b Gasgemisch a, verdichtet auf den Kondensationsdruck des CO2 11c Gasgemisch a, rückgekühlt 11b gas mixture a, compressed to the condensation pressure of the CO 2 11c gas mixture a, recooled
11 d Gasgemisch a, gekühlt auf Kondensationstemperatur von CO2 11 e Gasgemisch a, abgekühlt mit kondensiertem CO2 12a Gasgemisch b - N2, Ar und CO2-Reste bei Kondensationsdruck 1. Druckstufe 11 d gas mixture a, cooled to condensation temperature of CO 2 11 e gas mixture a, cooled with condensed CO 2 12a gas mixture b - N 2 , Ar and CO 2 residues at condensation pressure 1st pressure stage
12b Gasgemisch b ohne CO2-Reste auf der 1. Druckstufe 12b Gas mixture b without CO 2 residues on the 1st pressure stage
12c Gasgemisch b teilentspannt auf die 2. Druckstufe 12c gas mixture b partially expanded to the 2nd pressure stage
12d Gasgemisch b teilentspannt auf die 3. Druckstufe 12d gas mixture b partially expanded to the 3rd pressure stage
12e Gasgemisch b entspannt bei Tieftemperatur 12e gas mixture b expanded at low temperature
12f Gasgemisch b entspannt, feucht bei Umgebungstemperatur 12f gas mixture b relaxed, moist at ambient temperature
13 CO2 flüssig bei Kondensationsdruck 13 CO 2 liquid at condensation pressure
13a CO2 bei überkritischem Druck und Tieftemperatur 13a CO 2 at supercritical pressure and low temperature
13b CO2 bei überkritischem Druck und Umgebungstemperatur 13b CO 2 at supercritical pressure and ambient temperature
14a H2O - Kondensat aus Abgaskühler a 14a H 2 O condensate from exhaust gas cooler a
14b H2O - Kondensat aus Abgaskühler b 14b H 2 O condensate from exhaust gas cooler b
14c H2O - Kondensat aus Abgaskühler c 14c H 2 O - condensate from exhaust gas cooler c
15 Kälteträger 15 coolants
16 Kühlwasser 16 cooling water
17a Gasgemisch c im Ausgangszustand 17b Gasgemisch c gekühlt 17a gas mixture c cooled in the initial state 17b gas mixture c
18 Gasgemisch d 18 gas mixture d
19 Gasgemisch e druckbehaftet 19 Gas mixture pressurized
19a Gasgemisch e entspannt bei Tieftemperatur 19b Gasgemisch e entspannt und erwärmt 19a gas mixture e expanded at low temperature 19b gas mixture e expanded and heated
2 .. Komponenten der Anlage 2 .. components of the system
20 Abgasreinigungsstufe 20 emission control level
21 Kühlturm 21 cooling tower
21a Abgaskühler a b Abgaskühler b c Abgaskühler c d Kühlwasserpumpe a e Kühlwasserpumpe b f Kühlwasserpumpe c g Kühlwasserkreis Abgasturboverdichter a Abgasturboverdichter 1. Stufe b Abgasturboverdichter 2. Stufe Mehrkomponentenwärmetauscher a selbstreinigende Wärmetauscherkomponente b Motorklappen wärmeabgebende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente c Motorklappen wärmeaufnehmende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente d Rückschlagklappen wärmeabgebende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente e Rückschlagklappen wärmeaufnehmende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente f Wärmetauscherkomponente a für Gasgemisch b g Wärmetauscherkomponente b für hoch verdichtetes CO2 a CO2-Kondensator b CO2-Kondensator wärmeabgebende Seite c CO2-Kondensator wärmeaufnehmende Seite d CO2-Abscheider e CO2-Hochdruckpumpe f Anschlusspunkt a g Anschlusspunkt b h Wärmetauscherkomponente der Wärme aufnehmenden Seite des CO2- Kondensators a Adsorber a für CO2 b Adsorber b für CO2 c Umschaltventil für Adsorber a d Umschaltventil für Adsorber a e Umschaltventil für Adsorber b f Umschaltventil für Adsorber b a Ventilator b Regelventil a 26c Rückschlagklappe 27 Kältekreis 21a exhaust gas cooler a b exhaust gas cooler bc exhaust gas cooler cd cooling water pump ae cooling water pump bf cooling water pump cg cooling water circulation exhaust gas turbo compressor a exhaust turbo-compressor stage 1 b exhaust turbocompressor 2nd stage multi-component heat exchanger a self-cleaning heat exchange component b engine flaps heat-emitting side of the self-cleaning heat exchange component c motor flaps heat-absorbing side of the self-cleaning heat exchange component d check valves heat-emitting side of the self-cleaning heat exchanger component e non-return valves heat-absorbing side of the self-cleaning heat exchanger component f heat exchanger component a for gas mixture bg heat exchanger component b for highly compressed CO 2 a CO 2 condenser b CO 2 condenser heat-emitting side c CO 2 condenser heat-absorbing side d CO 2 separator e CO 2 high pressure pump f high pressure ag Connection point bh heat exchanger component of the heat-absorbing side of the CO 2 condenser a adsorber a for CO 2 b adsorber b f For CO 2 c changeover valve for adsorber ad changeover valve for adsorber ae changeover valve for adsorber bf changeover valve for adsorber ba fan b control valve a 26c non-return valve 27 refrigeration circuit
27a Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a coolant / gas heat exchanger
27b Kälteträger/Gas-Wärmetauscher Wärme abgebende Seite27b Coolant / gas heat exchanger heat-emitting side
27c Kälteträger/Gas-Wärmetauscher Wärme aufnehmende Seite27c coolant / gas heat exchanger heat-absorbing side
27d Regelventil b 27d control valve b
27e Kälteträgerpumpe 27e secondary refrigerant pump
28a Gasturbine a 28a gas turbine a
28b Gasturbine b 28b gas turbine b
28c mehrstufige Gasturbine 28c multistage gas turbine
29 Anschluss für Anfahrbetrieb mit externem N2 29 Connection for start-up operation with external N 2
29a Umschaltventil Anfahr-ZRegelbetrieb 29a Changeover valve for start-up Z control mode
29b Umschaltventil Anfahr-ZRegelbetrieb 29b Switchover valve for start-up Z control mode
3 .. Energie 3 .. energy
30 Energie für Abgasverdichter 30 Energy for exhaust gas compressors
30a Energie für Abgasverdichter Stufe 1 30a Energy for exhaust gas compressor stage 1
30b Energie für Abgasverdichter Stufe 2 30b Energy for exhaust gas compressor stage 2
30c Energie für CO2-Hochdruckpumpe 30c energy for CO 2 high pressure pump
31 a Abgeführte Wärme Abgaskühler a 31 b Abgeführte Wärme Abgaskühler b 31 c Abgeführte Wärme Abgaskühler c 32a Arbeit der Gasturbine a 31 a Dissipated heat, exhaust gas cooler a 31 b Dissipated heat, exhaust gas cooler b 31 c Dissipated heat, exhaust gas cooler c 32a Work of the gas turbine a
32b Arbeit der Gasturbine b 32b work of the gas turbine b
32c Arbeit der mehrstufigen Gasturbine 32c work of the multistage gas turbine
4 .. Rohrverbindungen 4 .. pipe connections
40a Gasrohr a 40b Gasrohr b 40c Gasrohr c 40d Gasrohr d 40e Gasrohr e 40f Gasrohr f 40h Gasrohr h 40i Gasrohr i 40j Gasrohr j 40k Gasrohr k 41 a CO2-Rohr a 40a gas pipe a 40b gas pipe b 40c gas pipe c 40d gas pipe d 40e gas pipe e 40f gas pipe f 40h gas pipe h 40i gas pipe i 40j gas pipe j 40k gas pipe k 41 a CO 2 pipe a
41 b CO2-Rohr b 41 b CO 2 pipe b
41 c CO2-Rohr c 41 c CO 2 pipe c
42a Stickstoffrohr a 42a nitrogen tube a
42b Stickstoffrohr b 42b nitrogen tube b
42c Stickstoffrohr c 42c nitrogen tube c
42d Stickstoffrohr d 42d nitrogen tube d
42e Stickstoffrohr e 42e nitrogen tube e
42f Stickstoffrohr f 42f nitrogen pipe f
42g Stickstoffrohr g 42g nitrogen tube g
42h Stickstoffrohr h 42h nitrogen tube h
42 i Stickstoffrohr i 42 i nitrogen tube i
42j Stickstoffrohr j 42j nitrogen tube j
42k Stickstoffrohr k 42k nitrogen tube k
42 l Stickstoffrohr I 42 l nitrogen tube I.
42m Stickstoffrohr m 42m nitrogen pipe w
43a Kühlwasserleitung a43a cooling water pipe a
43b Kühlwasserleitung b43b cooling water pipe b
43c Kühlwasserleitung c43c cooling water pipe c
43d Kühlwasserleitung d43d cooling water pipe d
43e Kühlwasserleitung e43e cooling water pipe e
43f Kühlwasserleitung f43f cooling water pipe f
44a Entwässerungsleitung a44a drainage pipe a
44b Entwässerungsleitung b44b drainage pipe b
44c Entwässerungsleitung c44c drainage pipe c
45a Kälterohrleitung a45a cold pipe a
45b Kälterohrleitung b45b cold pipe b
45c Kälterohrleitung c45c cold pipe c
45d Kälterohrleitung d 45d cold pipe d

Claims

Patentansprüche Anspruch 1 Verfahren zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung aus Abgas, das von Partikeln gereinigt ist, mit flüssiger CO2-Entnahme bei Kondensationsdruck, umfassend die Schritte: A. Im Verfahrensschritt A wird das Abgas (10a) gekühlt und der im Abgas enthaltene Wasserdampf (14a) wird kondensiert und abgeschieden, außer eines Restanteils Wasserdampf entsprechend dem Sättigungsdruck des Wasserdampfs im Gasgemisch; B. Das verbleibende Gasgemisch a (11a) wird im Verfahrensschritt B auf den für die Kondensation von CO2 erforderlichen Druck komprimiert und zurückgekühlt; C. Im Verfahrensschritt C wird das Gasgemisch a (11c) im Mehrkomponentenwärmetauscher (23) auf die Kondensationstemperatur von CO2 gekühlt und der Restanteil von Wasserdampf kondensiert bzw. friert in der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente (23a) aus und lagert sich dort ab; D. Im Verfahrensschritt D wird das CO2 (13) im CO2-Kondensator (24a) kondensiert und flüssig aus dem Abgas abgeschieden, wobei das verbleibende Gasgemisch b (12a) noch einen Restanteil CO2 entsprechend dem Sättigungsdruck des CO2 im Gasgemisch enthält; K. Im Verfahrensschritt Kwird das Gasgemisch b (12a) durch Adsorption von dem Restanteil CO2 gereinigt; L. Im Verfahrensschritt L wird das Gasgemisch b (12b) Arbeit leistend so weit entspannt wird, dass die Kälte des expandierten Gasgemischs b (12c) für die abzuführende CO2-Verdampfungsenthalpie im CO2-Kondensator (24a,) ausreicht; M. Im Verfahrensschritt M wird durch Nutzung der Expansionskälte des Gasgemischs b der CO2-Anteil im Gasgemisch a (11 d) im CO2-Kondensator (24a,) kondensiert N. Nachfolgend wird im Verfahrensschritt N die Kälte des Gasgemisch b (12c) f in der Wärmetauscherkomponente a (23f) für den Kältebedarf im Mehrkomponentenwärmetausche (23) genutzt; O. Im Verfahrensschritt 0 wird das erwärmte Gasgemisch c (12c) in der Gasturbine b (28b) Arbeit leistend auf Atmosphärendruck entspannt; P. Im Verfahrensschritt P wird das kalte expandierte Gasgemischs b (12g) in der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente (23a) erwärmt, und das erwärmte Gasgemisch b (12f) nimmt dabei das abgelagerte H2O aus Verfahrensschritt C auf und wird nach Austritt aus der selbstreinigenden Wärmtauscherkomponente (23a) in die Atmosphäre abgeleitet. Anspruch 2 Verfahren zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung aus Abgas nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte zusätzlich vorgesehen sind: F. Im Verfahrensschritt F wird das im Verfahrensschritt D abgeschiedene CO2 (13) entnommen und in die CO2-Hochdruckpumpe (24e) geleitet, anschließend wird das flüssige CO2 (13) mit der CO2-Hochdruckpumpe (24e) auf den für die unterirdische Lagerung erforderlichen Druck verdichtet undG. Im Verfahrensschritt G wird das hoch verdichtete CO2 (13a) in der Wärmetauscherkomponente b (23g) erwärmt. Anspruch 3 Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung von flüssigen CO2 bei Kondensationsdruck aus von Partikeln gereinigtem Abgas, welche folgende Komponenten aufweist: A. in Fließrichtung des der Vorrichtung zugeführten Abgases zur CO2- Abscheidung die Bestandteile: • ein Abgaskühler a (21 a); • ein einstufiger oder mehrstufiger Abgasverdichter (21 , 22, 22a); • ein Abgaskühler b (21 b); • eine selbstreinigende Wärmetauschereinheit (23a) angeschlossen über die Motorklappen der wärmeabgebenden Seite (23b); • ein CO2-Kondensator (24a) angeschlossen auf der wärmeabgebenden Seite (24b) und • ein CO2-Abscheider (24d); wobei die einzelnen Bestandteile in der genannten Reihenfolge durch Rohrleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden sind; B. In Fließrichtung des im CO2-Abscheider (24d) abgetrennten CO2 ein Anschlusspunkt a (24f) für die nachgelagerte Nutzung des abgeschiedenen CO2; C. In Fließrichtung des im CO2-Abscheider (24d) abgetrennten Gasgemischs b (12a) die Bestandteile: • ein CO2-Adsorber (25a, 25b); • eine einstufige oder mehrstufige Entspannungsturbine (28a, 28c); • der CO2-Kondensator (24a) angeschlossen auf der wärmeaufnehmenden Seite (24c); • die Wärmetauscherkomponente a (23f) • eine Entspannungsturbine b (28b); • die selbstreinigende Wärmetauscherkomponente (23a) angeschlossen über die Motorklappen der wärmeaufnehmenden Seite (23c) und • eine Austrittsöffnung für das feuchte Gasgemisch b (12f) in die Atmosphäre; wobei die einzelnen Bestandteile in der genannten Reihenfolge durchRohrleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden sind. Anspruch 4 Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO2-Abscheidung nach Anspruch 3 welche folgende Komponenten zusätzlich aufweist: D. In Fließrichtung des aus im CO2-Abscheider abgetrennten CO2 die Bestandteile: • Eine CO2-Flochdruckpumpe (24e) • eine Wärmetauscherkomponente (23g) für hoch verdichtete CO2 (13a) • Einen Anschlusspunkt b (24b) für die Weiterleitung des hoch verdichteten CO2 in eine nachgelagerte CO2-Einlagerung bzw. CO2-Nutzung; wobei die einzelnen Bestandteile in der genannten Reihenfolge durch Rohrleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden sind. Anspruch 5 Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar, welche folgende Komponenten aufweist: A. in Fließrichtung des der Vorrichtung zuzuführenden Gasgemischs (19) die Bestandteile: A method for turbo exhaust gas CO2 separation from exhaust gas that has been cleaned of particles, with liquid CO2 removal at condensation pressure, comprising the steps: A. In method step A, the exhaust gas (10a) is cooled and that contained in the exhaust gas Water vapor (14a) is condensed and separated, with the exception of a residual proportion of water vapor corresponding to the saturation pressure of the water vapor in the gas mixture; B. The remaining gas mixture a (11a) is compressed in process step B to the pressure required for the condensation of CO2 and cooled back; C. In process step C, the gas mixture a (11c) is cooled in the multi-component heat exchanger (23) to the condensation temperature of CO2 and the remaining portion of water vapor condenses or freezes in the self-cleaning heat exchanger component (23a) and is deposited there; D. In process step D, the CO2 (13) is condensed in the CO2 condenser (24a) and separated in liquid form from the exhaust gas, the remaining gas mixture b (12a) still containing a residual proportion of CO2 corresponding to the saturation pressure of the CO2 in the gas mixture; K. In method step K, the gas mixture b (12a) is cleaned of the remaining CO2 by adsorption; L. In process step L, the gas mixture b (12b) is expanded while performing work so that the coldness of the expanded gas mixture b (12c) is sufficient for the CO2 evaporation enthalpy to be removed in the CO2 condenser (24a,); M. In process step M, the expansion cold of gas mixture b is used to condense the CO2 component in gas mixture a (11 d) in CO2 condenser (24a,) N. In process step N, the coldness of gas mixture b (12c) f in the heat exchanger component a (23f) is used for the cooling requirement in the multi-component heat exchanger (23); O. In process step 0, the heated gas mixture c (12c) is expanded to atmospheric pressure while doing work in the gas turbine b (28b); P. In process step P, the cold expanded gas mixture b (12g) is heated in the self-cleaning heat exchanger component (23a), and the heated gas mixture b (12f) absorbs the deposited H2O from process step C and, after exiting the self-cleaning heat exchanger component (23a) ) discharged into the atmosphere. Claim 2 The method for turbo exhaust gas CO2 separation from exhaust gas according to Claim 1, characterized in that the following process steps are additionally provided: F. In process step F, the CO2 (13) separated in process step D is removed and fed into the CO2 high-pressure pump (24e ), then the liquid CO2 (13) is compressed with the CO2 high-pressure pump (24e) to the pressure required for underground storage andG. In process step G, the highly compressed CO2 (13a) is heated in heat exchanger component b (23g). Claim 3 device for turbo exhaust gas CO2 separation of liquid CO2 at condensation pressure from exhaust gas cleaned of particles, which has the following components: A. in the flow direction of the exhaust gas supplied to the device for CO2 separation the components: • an exhaust gas cooler a (21 a ); • a single-stage or multi-stage exhaust gas compressor (21, 22, 22a); • an exhaust gas cooler b (21 b); • a self-cleaning heat exchanger unit (23a) connected via the motor flaps on the heat-emitting side (23b); • a CO2 condenser (24a) connected to the heat-emitting side (24b) and • a CO2 separator (24d); wherein the individual components are fluidly connected to one another in the order mentioned by pipelines; B. In the direction of flow of the CO2 separated off in the CO2 separator (24d), a connection point a (24f) for the downstream use of the separated CO2; C. In the direction of flow of the gas mixture b (12a) separated in the CO2 separator (24d), the components: • a CO2 adsorber (25a, 25b); • a single-stage or multi-stage expansion turbine (28a, 28c); • the CO2 condenser (24a) connected on the heat-absorbing side (24c); • the heat exchanger component a (23f) • an expansion turbine b (28b); • the self-cleaning heat exchanger component (23a) connected via the motor flaps on the heat-absorbing side (23c) and • an outlet opening for the moist gas mixture b (12f) into the atmosphere; the individual components being fluidly connected to one another in the order named by pipelines. Claim 4 device for turbo exhaust gas CO2 separation according to claim 3 which additionally has the following components: D. In the direction of flow of the CO2 separated from the CO2 separator, the components: • A CO2 floch pressure pump (24e) • a heat exchanger component (23g) for highly compressed CO2 (13a) • A connection point b (24b) for forwarding the highly compressed CO2 to a downstream CO2 storage or CO2 utilization; wherein the individual components are fluidly connected to one another in the order mentioned by pipelines. Claim 5 device for the condensation of CO2 in gas mixtures with a pressure between 6 and 15 bar, which has the following components: A. in the direction of flow of the gas mixture (19) to be fed to the device, the components:
1. ein CO2-Kondensator (24a) mit der wärmeabgebenden Seite (24b) und 1. a CO 2 condenser (24a) with the heat-emitting side (24b) and
2. ein CO2-Abscheider (24d); wobei die einzelnen Bestandteile in der genannten Reihenfolge durch Rohrleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden sind; 2. a CO 2 separator (24d); wherein the individual components are fluidly connected to one another in the order mentioned by pipelines;
B. In Fließrichtung des für die Kühlung genutzten druckbehafteten Gasgemischs e (19) die Bestandteile B. In the direction of flow of the pressurized gas mixture e (19) used for cooling, the components
3. eine einstufige oder mehrstufige Entspannungsturbine (28a, 28c)3. a single-stage or multi-stage expansion turbine (28a, 28c)
4. ein CO2-Kondensator (24a) mit der wärmeaufnehmenden Seite (24 c); wobei die einzelnen Bestandteile in der genannten Reihenfolge durch Rohrleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden sind. 4. a CO 2 condenser (24a) with the heat-absorbing side (24c); wherein the individual components are fluidly connected to one another in the order mentioned by pipelines.
Anspruch 6 Claim 6
Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen nach Anspruch 5, wobei eine mehrstufige Entspannungsturbine (23C) vorgesehen ist, bei der die Wärme aufnehmende Seite des CO2-Kondensators (24c) auf mehrere fluidtechnisch getrennte Wärmetauscherkomponenten (24h) aufgeteilt ist und jede dieser Wärmetauscherkomponenten (24h) fluidtechnisch mit je einer Stufe der mehrstufigen Entspannungsturbine (23c) verbunden ist. Device for the condensation of CO 2 in gas mixtures according to claim 5, wherein a multi-stage expansion turbine (23C) is provided, in which the heat-absorbing side of the CO 2 condenser (24c) is divided into several fluidically separated heat exchanger components (24h) and each of these Heat exchanger components (24h) are fluidly connected to each stage of the multi-stage expansion turbine (23c).
Anspruch 7 Claim 7
Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen nach Anspruch 5, welche folgende Komponenten zusätzlich aufweist: Apparatus for the condensation of CO 2 in gas mixtures according to claim 5, which additionally has the following components:
C. In Fließrichtung des für die Kühlung genutzten druckbehaftetenC. In the direction of flow of the pressurized one used for cooling
Gasgemischs e (19) zwischen der Entspannungsturbine a (28a) und dem CO2-Kondensator (24a) die Bestandteile: Gas mixture e (19) between the expansion turbine a (28a) and the CO 2 condenser (24a) the components:
5. ein Regelventil (26b) zur Konditionierung der Temperatur des Gasgemischs e (19); 5. a control valve (26b) for conditioning the temperature of the gas mixture e (19);
6. ein geregelter Verdichter (26a) zur Konditionierung der Durchflussmenge des Gasgemischs e (19); wobei die einzelnen Bestandteile in der genannten Reihenfolge durch Rohrleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden sind. 6. a regulated compressor (26a) for conditioning the flow rate of the gas mixture e (19); wherein the individual components are fluidly connected to one another in the order mentioned by pipelines.
Anspruch 8 Claim 8
Vorrichtung zur Kondensation von CO2 in Gasgemischen nach Anspruch 5, welche folgende Komponenten zusätzlich aufweist: Apparatus for the condensation of CO 2 in gas mixtures according to claim 5, which additionally has the following components:
D. In Fließrichtung des für die Kühlung genutzten druckbehaftetenD. In the direction of flow of the pressurized one used for cooling
Gasgemischs e (19) zwischen der Entspannungsturbine a (28a) und dem CO2-Kondensator (24a) des Kältekreises (27) mit den Bestandteilen: Gas mixture e (19) between the expansion turbine a (28a) and the CO 2 condenser (24a) of the refrigeration circuit (27) with the components:
7. ein Kälteträger/Gaswärmetauscher (27a) mit der Wärme abgebenden Seite (27c); 7. a coolant / gas heat exchanger (27a) with the heat-emitting side (27c);
8. ein Regelventil (27d) zur Konditionierung der Temperatur des Kälteträgers (15); 8. a control valve (27d) for conditioning the temperature of the refrigerant (15);
9. eine geregelte Pumpe (27e) zur Konditionierung der Durchflussmenge des Kälteträgers (15); wobei die einzelnen Bestandteile des Kältekreises in der genannten Reihenfolge durch Rohrleitungen fluidtechnisch miteinander verbunden sind. 9. a regulated pump (27e) for conditioning the flow rate of the refrigerant (15); wherein the individual components of the refrigeration circuit are fluidly connected to one another in the order mentioned by pipelines.
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