DE102004061730A1 - Verfahren zur Reinigung des CO2-Stromes aus einem CO2-freien Kraftwerk - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung des CO¶2¶-Stromes aus einem CO¶2¶-freien Kraftwerk nach dem Oxyfuel-Prinzip. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des CO¶2¶-Stromes durch eine Anreicherung der Substanzen mit dem höheren Kondensationspunkt in der festen oder flüssigen Phase und der Substanzen mit einem niedrigen Kondensationspunkt in der gasförmigen Phase bei einem Phasenübergang erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung des CO₂-Stromes (Rauchgases), aus einem CO₂-freien Kraftwerk nach dem Oxyfuel-Prinzip, insbesondere zur Abtrennung von Schwefeldioxid.
• Als Oxyfuel-Prozess wird ein Prozess bezeichnet, der bei der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes als Endprodukt einen weitgehend reinen Kohlendioxidstrom unter anderen dadurch erzeugt, dass die Verbrennung mit reinem Sauerstoff durchgeführt wird.
• Die Abscheidung von weitgehend reinen Kohlendioxid wird vielfach angestrebt, etwa um das Kohlendioxid in weiteren Prozessen nutzen oder um es speichern bzw. deponieren zu können.
• Um Kohlendioxid leichter abscheiden zu können, ist ein hoher CO₂-Partialdruck im Rauchgasstrom von Vorteil. Neben dem CO₂ ist üblicherweise Stickstoff zu einem hohen Anteil in den Rauchgasen enthalten, welcher mit der Verbrennungsluft und zu einem geringen Teil auch durch den Brennstoff in den Prozess eingebracht wurde. Auf dem Weg zu einem fast reinen CO₂-Strom als Rauchgas ist es daher hilfreich, wenn zunächst der Stickstoff eliminiert wird.
• Beim Oxyfuel-Prozess wird mittels einer Luftzerlegungsanlage aus der Verbrennungsluft der Stickstoff extrahiert und nur ein Sauerstoffstrom mit einer hohen Reinheit geht in den Verbrennungsprozess ein. Dies führt zu einem um ca. 75% kleineren Rauchgasmassenstrom, der Normvolumenstrom verringert sich auf etwa ein Sechstel des ursprünglichen Wertes (Verbrennungsrechnung).
• Damit ist der zu behandelnde Rauchgasstrom wesentlich verringert, was an sich zu einer Verkleinerung und Vereinfachung der Anlagen zur Kohlendioxidanreicherung führt. Erster schritt zu einem gereinigten CO₂ ist die Auskondensation von Wasser. Danach sind noch einige weitere Reinigungsschritte erforderlich.
• Da für den Oxyfuel-Prozess Kohle als Brennstoff angenommen wird, enthält das Rauchgas (der CO₂-Strom) auch Schwefeldioxid. In wieweit dieses Schwefeldioxid in diesem Rauchgas stört, hängt von der geplanten weiteren Verwendung, politisch-ökologischen Rahmenbedingungen, Anforderungen des Korrosionsschutzes und einer Reihe anderer Faktoren ab. Es kann aber davon Ausgegangen werden, dass in Regelfall auch eine Entschwefelung erforderlich ist.
• Stand der Technik bei herkömmlichen Kohlekraftwerken ist die Rauchgasentschwefelung nach einer Variante des Kalkstein – Gips – Prozesses. Dabei wird das Schwefeldioxid an eine Kalksteinsuspension gebunden und das entstehende Produkt zu Gips oxidiert.
• Dieses Verfahren hat den Nachteil, das hohe laufende Kosten anfallen, da ein Produkt erzielt wird, das in seinem Wert nicht sehr stark über dem Ausgangsstoff Kalkstein liegt und somit nur einen geringen Anteil zur Kostendeckung des Verfahrens beiträgt.
• Eine vergleichsweise hochpreisig absetzbare Chemikalie und ein begehrter Grundstoff in der chemischen Industrie ist Schwefeldioxid in reiner oder hochkonzentrierter Form.
• Es sind Versuche bekannt, hochkonzentriertes Schwefeldioxid aus den Rauchgasen zu gewinnen (z. B. Wellmann – Lord – Verfahren). Diese Versuche sind unter anderen an den korrosiven Eigenschaften der Waschflüssigkeit und der unvoll-ständigen Regenerierbarkeit der Waschflüssigkeit gescheitert.
• Generell ist die Erzeugung von reinem oder hochkonzentriertem Schwefeldioxid aus dem Rauchgas des Oxyfuel-Prozesses einfacher als aus dem Rauchgas bei der Luftverbrennung, da es durch den fehlenden Stickstoff in höher konzentriert vorliegt.
• Ein weiteres für den Oxyfuel-Prozess zu lösendes Problem stellen Sauerstoff und/oder Stickstoff im CO₂ dar. Sie können Lagerung, Transport und Verwendung des CO₂ stören. Eine entgültige Lösung für die Abtrennung dieser Gase exsistiert noch nicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, aus dem CO₂-Strom (Rauchgas) des Oxyfuel-Prozesses störende Komponenten wie Schwefeldioxid, Sauerstoff, Stickstoff abzutrennen und dabei das Schwefeldioxid in weiterverwendbarer Form zu gewinnen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist insoweit überraschend, da eine Verdichtung von Rauchgasen oder eine Kühlung unter Umgebungstemperatur von Rauchgasen bei Anlagen, bei denen kein hochverdichtetes oder flüssiges Kohlendioxid erzeugt werden soll energetisch und ökonomisch nicht angezeigt ist.
• Schwefeldioxid geht bei deutlich höheren Temperaturen als Kohlendioxid in den gasförmigen Zustand über, das heißt auch, dass es bei höheren Temperaturen kondensiert. Damit reichert sich Schwefeldioxid im ersten Kondensat bei einer Kondensation des Abgases (nach der Wasserabtrennung) und in der letzten Flüssigkeit beim Verdampfen von verflüssigten Rauchgas an.
• Sauerstoff und Stickstoff haben wesentlich niedrigere Kondensationspunkte als CO₂, weshalb sie nach diesem kondensieren. Damit verbleiben sie am längsten in der Gasphase.
• Prozessspezifisch im Oxyfuel-Prozess ist, dass das Kohlendioxid unter hohen Druck als auf Raumtemperatur gekühltes Gas oder als Flüssigkeit gewonnen werden soll. Schwefeldioxid kondensiert dabei bei höheren Temperaturen als das Kohlendioxid. Bei einer Druckerhöhung ist eine erfindungsgemäße Trennung erleichtert, da dann die Kondensation schon bei höheren Temperaturen stattfindet.
• Soll Kohlendioxid flüssig gewonnen werden, ist es erfindungsgemäß möglich, Schwefeldioxid am Beginn dieser Verflüssigung abzutrennen, da es schon bei höheren Temperaturen flüssig wird.
• Eine vorteilhafte Reinigung des nach den erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Schwefeldioxides ist durch fraktionierte Kondensation/fraktionierte Destillation möglich. Durch eine fraktionierte Kondensation/fraktionierte Destillation ist es möglich, unter Einsatz von Destillationskollonen Stoffströme soweit zu trennen, dass reine Stoffströme oder azeotrope Gemische auftreten. Damit fällt das Schwefeldioxid in verwendbarer Konzentration an.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens
• 2 ein Ausführungsbeispiel zur fraktionierten Destillation (Kondensation) unter Druck
• Passiert, wie in 1 dargestellt, verunreinigtes CO₂ 1 eine Kühlung 3 und wird darin bis zur Kondensation abgekühlt, wobei eine Verdichtung in einem optionalen Verdichter 2 den Kühlaufwand verringert, ist das zuerst anfallende Kondensat mit Schwefeldioxid angereichert 4. Später anfallendes Kondensat 5 enthält dann weniger Schwefeldioxid als das verunreinigte CO₂ 1. Gase die bei tieferen Temperaturen Kondensieren als CO₂ bleiben am längsten gasförmig 6, und können somit ebenfalls von verflüssigtem CO₂ 5 abgetrennt werden.
• In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur fraktionierten Destillation (Kondensation) unter Druck dargestellt. Der schwefeldioxidhaltige Kohlendioxidstrom (Rauchgas) 1 wird bis auf den zur Verflüssigung erforderlichen Druck verdichtet 101. Das verdichtete Gas wird auf eine Destillationskollone 102 gegeben, an deren Kopf die Kühlung 103 erfolgt. Kohlendioxid wird flüssig am oder in der Nähe des Kopfes abgezogen 104, Schwefeldioxid 105 näher am Gaseintritt. Gase wie Sauerstoff, Schickstoff, Kohlenmonoxid verlassen die Kollone gasförmig 106. Es wird neben dem konzentrierten Schwefeldioxidstrom auch sehr reines Kohlendioxid gewonnen. Die gasförmig abgeführten Produkte können eventuell (wenn sie sauerstoffreich sind) in den Prozess zurückgeführt werden.

1

CO₂ (verunreinigt)

2

Verdichter (optional)

3

Kühlung

4

schwefeldioxidreiches Flüssiggas

5

schwefeldioxidarmes Flüssiggas (gereinigtes CO₂)

6

Restgas (sauerstoff- und stickstoffreich)

101

Verdichter

102

Destillationskollone

103

Kühler

104

CO₂ (flüssig, rein)

105

Schwefeldioxid (flüssig, rein)

106

Restgas (sauerstoff- und stickstoffreich, CO₂-arm)

Claims (5)

1. Verfahren zur Reinigung des CO₂-Stromes aus einem CO₂-freien Kraftwerk nach dem Oxyfuel-Prinzip, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des CO₂-Stromes durch eine Anreichung der Substanzen mit dem höheren Kondensationspunkt in der festen oder flüssigen Phase und der Substanzen mit einem niedrigeren Kondensationspunkt in der gasförmigen Phase bei einem Phasenübergang erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch, 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des CO₂-Stromes durch fraktionierte Kondensation bzw. Destillation vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwefeldioxid in technisch verwendbarer Konzentration gewonnen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Gase, mit einem tieferen Kondensationspunkt als CO₂, wie Sauerstoff und/oder Stickstoff, ganz oder teilweise in den Prozess zurückgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Gase, mit einem tieferen Kondensationspunkt als CO₂, wie Sauerstoff und/oder Stickstoff, einem anderen Prozess zugeführt wird.