DE102006034712A1 - Verfahren zur Reduzierung der CO2-Emission fossil befeuerter Kraftwerksanlagen - Google Patents

Verfahren zur Reduzierung der CO2-Emission fossil befeuerter Kraftwerksanlagen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der CO2-Emission fossil befeuerter Kraftwerksanlagen. Erfindungsgemäß werden aus Wasserstoff (H2) und im Rauchgas der Kraftwerksanlage enthaltenem Kohlendioxid (CO2) Kohlenwasserstoffe synthetisiert, wobei der Wasserstoff ggf. unter Einsatz eines Teils der durch die Kraftwerksanlage erzeugten Elektroenergie elektrolytisch gewonnen wird. Vorteilhaft lassen sich unter Reduzierung der CO2-Emission Kraftstoffe herstellen. Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftwerksanlage zur Durchführung des Verfahrens, die einen mit dem Rauchgasableitungssystem (9-12) der Kraftwerksanlage verbundenen Synthesereaktor (18) und ggf. Einrichtungen (8) zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der CO2-Emission fossil befeuerter Kraftwerksanlagen.
  • Gemäß der Erfindung werden aus Wasserstoff und im Rauchgas der Kraftwerksanlage enthaltenem Kohlendioxid Kohlenwasserstoffe synthetisiert.
  • Wasserstoff fällt in der chemischen Industrie als Abfallprodukt in verhältnismäßig großen Mengen an und könnte insbesondere solchen Industrieanlagen nahegelegenen Kraftwerken zur Kohlenwasserstoffsynthese zugeleitet werden. Umgekehrt ließe sich Rauchgas aus einer Kraftwerksanlage zwecks externer Kohlenwasserstoffsynthese herausführen.
  • Alternativ kann der benötigte Wasserstoff elektrolytisch, vorzugsweise unter Einsatz eines Teils der durch die Kraftwerksanlage selbst erzeugten Elektroenergie gewonnen werden, wobei insbesondere eine im Rahmen der Primärregelung der Netzfrequenz kurzfristig abrufbare Reserve der durch die Kraftwerksanlage erzeugten Elektroenergie zur Wasserstoffgewinnung eingesetzt wird, wie dies in der deutschen Patentanmeldung 10 2005 001 009.1 beschrieben ist. Im Falle einer erforderlichen Stützung der Netzfrequenz im Rahmen der Primärregelung lässt sich die Elektrolyse unterbrechen und der betreffende Energieanteil kurzfristig ins Netz einspeisen.
  • Die aus dem Wasserstoff und dem CO2 im Rauchgas erzeugten Kohlenwasserstoffe lassen sich problemloser als der anfallende Wasserstoff nutzen und z.B. über herkömmliche Strukturen als Kraftstoffe vertreiben.
  • Als zu produzierende Kraftstoffe in Betracht kommen insbesondere Methanol, aber auch längerkettige Kohlenwasserstoffe.
  • Aus dem Rauchgas der Kraftwerksanlage wird zweckmäßig ein Teilstrom, ggf. sogar der Gesamtstrom, mit einer Menge an CO2 abgezweigt, die in einem für die Synthese geeigneten stöchiometrischen Verhältnis zur verfügbaren Wasserstoffmenge steht.
  • Zweckmäßig wird das Rauchgas vor der Synthese einer Reinigung, z.B. einer Gaswäsche, ggf. Druckgaswäsche, unterzogen.
  • Soweit die Synthese die Zufuhr von Prozesswärme erfordert, ggf. in der Anfahrphase, kann diese aus dem Rauchgas oder einer anderen geeigneten Wärmequelle im Prozess der Kraftwerksanlage ausgekoppelt werden. Soweit durch die Synthese Wärme entsteht, lässt diese sich z.B. zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für den Kessel der Kraftwerksanlage nutzen. Die Synthese lässt sich ohne Einsatz zusätzlicher Energie durchführen, im Gegenteil kann sie die Energiebilanz der Kraftwerksanlage verbessern.
  • Zusätzlich können methanhaltige Gase, wie Grubengas, Bio- oder Klärgas im Rahmen der Kohlenwasserstoffsynthese eingesetzt werden.
  • Bei der Herstellung von Methanol im Rahmen einer z.B. bei etwa 350° C ablaufenden Synthese kann neben dem im Rauchgas vorhandenen Kohlendioxid auch darin enthaltener Sauerstoff an der Synthese beteiligt sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Kraftwerksanlage, in welcher das Verfahren nach der Erfindung durchgeführt wird, und
  • 2 einen Teil einer Kraftwerksanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung.
  • In einen Kessel 1 einer fossil befeuerten Kraftwerksanlage münden Leitungen 2 bis 4, über welche dem Kessel Verbrennungsluft, Wasser (Deionat) und Brennstoff zugeführt wird.
  • Durch den Kessel erzeugter Dampf gelangt über eine Leitung 5 in eine Turbine 6, die einen Generator 7 antreibt. Ein Teil der durch den Generator 7 erzeugten Elektroenergie wird, im normalen Betrieb der Kraftwerksanlage, nicht dem Netz sondern einer Elektrolyseeinrichtung 8 zugeführt, die aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt. Im Falle einer erforderlichen Stützung der Netzfrequenz durch die Kraftwerksanlage steht der für die Elektrolyse verwendete Elektroenergieanteil kurzfristig zur Einspeisung ins Netz zur Verfügung.
  • Über eine Leitung 9 aus dem Kessel 1 austretende Rauchgase gelangen über eine Einrichtung 10, welche Stickoxide entfernt, eine Filtereinrichtung 11 zur Entstaubung und eine Rauchgasentschwefelungsanlage 12 in die Atmosphäre.
  • Aus dem entschwefelten Rauchgas lässt sich über eine Leitung 13 ein Teilstrom abzweigen und einer Gaswaschanlage 14, hier einer Druckgaswaschanlage, zuführen.
  • Der Druckgaswäsche unterzogenes Rauchgas gelangt über eine Leitung 16 in einen Synthesereaktor 18, welchem über eine Leitung 17 ferner durch die Elektrolyseeinrichtung 8 erzeugter Wasserstoff zugeführt wird. An den Synthesereaktor 18 schließt sich über eine Leitung 19 eine Trennanlage 20 mit einer Ausgangsleitung 21 an.
  • In dem Synthesereaktor 18 lässt sich aus dem im Rauchgas enthaltenen Kohlendioxid und dem über die Leitung 17 zugeführten Wasserstoff Methanol synthetisieren, das als Kraftstoff oder Ausgangsprodukt für andere Kraftstoffe verwendet werden kann. Der Methanolsynthese liegen folgende Reaktionsgleichungen zugrunde: CO2 + H2 → CO + H2O(g) 2H2 + CO → CH3OH CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O(g).
  • Auch der im Rauchgas enthaltene Sauerstoffanteil kann gemäß folgender Reaktion an der Methanolsynthese beteiligt sein: O2+ 3CO2 + 11H2 → 3CH3OH + 5H2O(g).
  • Im Synthesereaktor 18 gebildetes Methanol und Wasser werden in der nachfolgenden Anlage 20 voneinander getrennt und Methanol wird über die Leitung 21 abgeführt.
  • Die Energiebilanz des hier bei etwa 350° C ablaufenden Syntheseprozesses ist insgesamt positiv, so dass für die Kraftwerksanlage nutzbare Wärmeenergie zur Verfügung steht.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 lässt sich die, durch einen Synthesereaktor 18a erzeugte Wärmeenergie zur Vorwärmung der einem Kessel 10 über eine Leitung 2a zugeführten Verbrennungsluft nutzen. Ein hierzu verwendeter Wärmeübertragungskreislauf 22 weist einen Wärme von dem Synthesereaktor 18a abführenden Wärmetauscher 23 und einen Wärme an die Verbrennungsluft abgebenden Wärmetauscher 24 auf.
  • In Phasen negativer Energiebilanz, z.B. in der Anfahrphase, lässt sich über einen Wärmeübertragungskreislauf 25 mit Wärmetauschern 26 und 27 Wärme aus dem durch eine Ausgangsleitung 9a aus dem Kessel 1a abgeführten Rauchgas auf den Synthesereaktor 180 übertragen.
  • Alternativ zu Methanol können auch mehrere -CH2-Gruppen enthaltende, längerkettige Kohlenwasserstoffe, die insbesondere als Kraftstoffe verwendbar sind, synthetisiert werden, wobei die Synthese auf folgenden Reaktionsgleichungen beruht: CO2 + H2 → CO + H2O(g) 2H2 + CO → -(CH2)- + H2O(g) CO2 + 3H2 → -(CH2)- + 2H2O(g).

Claims (15)

  1. Verfahren zur Reduzierung der CO2-Emission fossil befeuerter Kraftwerksanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass aus Wasserstoff und im Rauchgas der Kraftwerksanlage enthaltendem Kohlendioxid Kohlenwasserstoffe synthetisiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff elektrolytisch, vorzugsweise unter Einsatz eines Teils der durch die Kraftwerksanlage erzeugten Elektroenergie gewonnen oder Wasserstoff aus einer von der Kraftwerksanlage unabhängigen Quelle verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasserstoffgewinnung eine im Rahmen der Primärregelung der Netzfrequenz kurzfristig abrufbare Reserve der durch die Kraftwerksanlage erzeugten Elektroenergie eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff verwendbare Kohlenwasserstoffe, insbesondere flüssige Kohlenwasserstoffe, synthetisiert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Methanol (CH3OH) oder/und längerkettige Kohlenwasserstoffe synthetisiert werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Rauchgas der Kraftwerksanlage ein Rauchgasstrom mit einer CO2-Menge abgezweigt wird, die in einem geeigneten stöchiometrischen Verhältnis zur verfügbaren Wasserstoffgasmenge steht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas vor der Synthese einer Reinigung, insbesondere einer Gaswäsche, unterzogen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Synthese ggf. erforderliche Wärme aus einer kraftwerksinternen Wärmequelle, insbesondere dem Rauchgas, ausgekoppelt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Synthese freiwerdende Wärme einer kraftwerksinternen Wärmsenke zugeführt, insbesondere zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für den Kessel (1a) eingesetzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Synthese ferner im Rauchgas vorhandener Sauerstoff beteiligt ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Synthese der Kohlenwasserstoffe ferner methanhaltige Gase, wie Grubengas, Bio- oder Klärgas, eingesetzt werden.
  12. Fossil befeuerte Kraftwerksanlage, gekennzeichnet durch einen mit dem Rauchgasableitungssystem (9-12) der Kraftwerksanlage verbundenen Reaktor (18) zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen aus Wasserstoff und im Rauchgas enthaltenem Kohlendioxid.
  13. Kraftwerksanlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Einrichtungen (8) zur elektrolytischen Gewinnung des erforderlichen Wasserstoffs unter Einsatz eines Teils der durch die Kraftwerksanlage erzeugten Elektroenergie, insbesondere einer im Rahmen der Primärregelung der Netzfrequenz kurzfristig abrufbaren Elektroenergiereserve.
  14. Kraftwerksanlage nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch Einrichtungen (25-27) zur Gewinnung für den Reaktor (18a) ggf. benötigter Prozesswärme aus einer kraftwerksinternen Wärmequelle, insbesondere aus dem Rauchgas der Kraftwerksanlage.
  15. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch Wärme von dem Synthesereaktor (18a) an eine kraftwerksinterne Wärmesenke abführende Einrichtungen (22-24), insbesondere Einrichtungen zur Vorwärmung der Verbrennungsluft für den Kessel (1a) der Kraftwerksanlage.
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