DE102008022131A1

DE102008022131A1 - Verfahren und Systeme zur Verringerung von Kohlendioxid in Verbrennungsabgasen

Info

Publication number: DE102008022131A1
Application number: DE102008022131A
Authority: DE
Inventors: Jennifer Lynn Molaison; Alan Overland Park Smithies
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: BHA Altair LLC
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2008-11-13
Also published as: KR20080099179A; MX2008005744A; CA2629841A1; GB2449165B; AU2008201861B2; GB2449165A; US20080276803A1; JP2008279441A; AU2008201861A1; CN101301562B; US8398743B2; CN101301562A; GB0808085D0

Abstract

Ein Verbrennungssystem (100) wird bereitgestellt. Das Verbrennungssystem (100) umfasst eine Absorptionseinheit (130), die ein Gehäuse zum Durchleiten eines Verbrennungsabgases, ein flüssiges Reagens auf Ammoniakbasis, das in dem Gehäuse durchgeleitet wird, und einen Membrankontaktor (170), der in dem Gehäuse verankert ist, um die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis (182) von dem Abgas zu trennen, einschließt, wobei der Membrankontaktor eine Mehrzahl an Poren (178) umfasst, welche Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen (180) definieren, wobei die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis und das Abgas an den Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen in Kontakt treten, um Kohlendioxid aus dem Abgas durch eine chemische Absorption von CO2 in der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis abzutrennen, so dass eine CO2-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis erzeugt wird, sowie eine Desorptionseinheit (150), die mit der Absorptionseinheit verbunden ist, wobei die Desorptionseinheit CO2 aus der CO2-reichen Flüssigkeit auf Ammoniakbasis aufnimmt und freisetzt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein gewerbliche Verbrennungssysteme und insbesondere Verfahren und Systeme zur Entfernung von Kohlendioxid (CO₂) aus Verbrennungsabgasen.
Einige bekannte Technologien zur Kohlenstoffabtrennung greifen an verschiedenen Punkten in Kohle- und/oder Erdgassysteme ein. Zum Beispiel sind Technologien zur Kohlenstoffabtrennung, die CO₂ aus Verbrennungsabgasen abtrennen, allgemein als Technologien zur „Kohlenstoffabtrennung nach der Verbrennung" bekannt. So umfassen bekannte Technologien zur Kohlenstoffabtrennung nach der Verbrennung Prozesse wie etwa physikalische Absorption, kryogene Abtrennung, Abtrennung an festen Sorptionsmitteln, „Chemical looping"-Verbrennung, chemische Absorption und/oder Membranseparation, sie sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Einige bekannte chemische Absorptionsprozesse versuchen CO₂ aus den Abgasen durch eine exotherme Reaktion von CO₂ mit Separationslösungsmitteln, zum Beispiel Kaliumcarbonat, Natriumhydroxid und Lösungsmitteln auf Aminbasis, zu entfernen. Bekannte Flüssigkeiten auf Aminbasis können Alkanolamine umfassen, zum Beispiel Diethanolamin, Triethanolamin, aktiviertes Methyldiethanolamin und Monoethanolamine (MEA). Im Laufe eines bekannten chemischen Absorptionsprozesses fließen zum Beispiel ein Abgas und eine Flüssigkeit auf Aminbasis, wie etwa MEA, in einer Absorptionsanlage (Wäscher) im Gegenstrom. Das Abgas kann etwa in der Nähe des unteren Endes in den Wäscher gelangen, aufwärts strömen und in der Nähe eines gegenüberliegenden oberen Endes diesen verlassen. Die Flüssigkeit kann auch in der Nähe des oberen Endes in den Wäscher gelangen, abwärts strömen und in der Nähe des unteren Endes diesen verlassen.
Eine CO₂-reiche flüssige Lösung auf Aminbasis entsteht durch eine chemische Reaktion des Abgases und der MEA-Flüssigkeit im Wäscher. Die CO₂-reiche Flüssigkeit wird anschließend in einen Desorber (Abscheider) geleitet. Der Abscheider erhitzt die CO₂-reiche Flüssigkeit, um die chemische Reaktion umzukehren, so dass das absorbierte CO₂ aus der Flüssigkeit freigesetzt wird. Das freigesetzte CO₂ kann anschließend komprimiert und zur Lagerung transportiert werden, und die CO₂-arme Flüssigkeit kann recycelt und im Wäscher wiederverwendet werden.
Der Strom der Verbrennungsabgase enthält im Allgemeinen ein geringeres Volumen an CO₂ im Vergleich zum größeren Gesamtvolumen des Abgases. Bekannte Wäscher benötigen im Allgemeinen Anlagegrößen, die in der Lage sind, die größeren Volumina an Abgas zu verarbeiten. Während der Aufbereitung in bekannten Wäschern wird das Abgas in die Flüssigkeit dispergiert, was zur Bildung von Gasblasen in der Flüssigkeit führt. Das Ausmaß an CO₂-Absorption durch die Flüssigkeit hängt zum Teil von der gesamten Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche, welche die Summe der Oberflächen der Gasblasen ist, ab. Die Flüssigkeit kann CO₂ und andere Verunreinigungen, zum Beispiel Kohlenoxidsulfid und Kohlenstoffhydrogensulfid, absorbieren. Solche bekannten Verunreinigungen können eine Schaumbildung der Flüssigkeit und/oder einen Abbau der Flüssigkeit aufgrund irreversibler Reaktionen mit den Verunreinigungen zur Folge haben. Auch bestimmt sich eine Triebkraft, wie sie erforderlich ist, um das CO₂ aus dem Abgas abzutrennen, anhand der Konzentration (Dichte) von Abgasbestandteilen. Die Grundfläche des Wäschers und die Energie zur Regenerierung des Abscheiders erhöhen die Kapitalkosten, Betriebskosten und den Energieverbrauch. Die Anlagenkapazität verringert sich ebenso aufgrund des Verbrauchs an elektrischer Energie in bekannten chemischen Absorptionsverfahren.
Einige bekannte Membranseparationsverfahren umfassen poröse Membranen, die eine selektive Durchlässigkeit von Gasen gestatten. Das Ausmaß an CO₂-Absorption in der Flüssigkeit hängt zum Teil von der physikalischen Wechselwirkung zwischen Abgasen und Membranmaterialien, zum Beispiel Polyimid und Polyolefin, ab. Die Membranmaterialien und Porengrößen beeinflussen zum Teil das Ausmaß, in dem eine Abgaskomponente im Vergleich zu anderen Abgaskomponenten die Poren durchdringt. Eine Verdichtung des Abgases erfolgt im Allgemeinen, um die Triebkraft zur Durchdringung bereitzustellen, weil ein Druckunterschied über die Membran eine Triebkraft ist, die zur Abtrennung des CO₂ aus dem Abgas eingesetzt wird. Daher sind ein Lösungsmittel zur Abtrennung und ein Abscheider für eine CO₂-Separation an der Membran nicht erforderlich, im Gegensatz zu bekannten chemischen Absorptionsverfahren. Eine zusätzliche Verdichtung des abgetrennten CO₂ kann zum CO₂-Transport und/oder zur -Lagerung eingesetzt werden. Obwohl bekannte Membranseparationsverfahren im Allgemeinen geringere Wäschergrößen verwenden, können solche bekannten Wäscher eine geringere Menge an abgetrenntem CO₂ erzeugen im Vergleich zur Menge an CO₂, die unter Verwendung eines chemischen Absorptionsverfahrens freigesetzt wird. So kann ein mehrfaches Recycling und Aufbereiten des Abgases in einem kleineren Wäscher notwendig sein, um das gleiche Ausmaß an CO₂-Abtrennung zu erzielen wie bei einem größeren Wäscher, der eine ähnliche Menge an Abgas aufbereitet. Die zusätzliche Abgasaufbereitung und -verdichtung erhöht den Energieverbrauch und die Kosten weiter.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter einem Aspekt wird ein Verfahren zur Aufbereitung von Abgas bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Absorptionseinheit, die einen Membrankontaktor aufweist; ein Leiten eines Verbrennungsabgases entlang einer ersten Oberfläche des Membrankontaktors; und ein Leiten eines flüssigen Reagens auf Ammoniakbasis entlang einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche des Membrankontaktors. Das Verfahren umfasst auch ein teilweises Trennen der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis von dem Abgas, so dass die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis und das Abgas an Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenbereichen, die durch eine Mehrzahl an Poren des Membrankontaktors definiert sind, in Kontakt treten, um CO₂ aus dem Abgas durch eine chemische Absorption von CO₂ in der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis abzutrennen, so dass eine CO₂-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis erzeugt wird.
Unter einem anderen Aspekt wird ein Verbrennungssystem bereitgestellt, das eine Absorptionseinheit umfasst. Die Absorptionseinheit umfasst ein Gehäuse zum Durchleiten eines Verbrennungsabgases; ein flüssiges Reagens auf Ammoniakbasis, das in dem Gehäuse durchgeleitet wird; und einen Membrankontaktor, der in dem Gehäuse verankert ist, um die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis von dem Abgas zu trennen. Der Membrankontaktor umfasst eine Mehrzahl an Poren, welche Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenbereiche definieren, wobei die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis und das Abgas an den Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenbereichen in Kontakt treten, um Kohlendioxid aus dem Abgas durch eine chemische Absorption von CO₂ in der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis abzutrennen, so dass eine CO₂-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis erzeugt wird. Das Verbrennungssystem umfasst auch eine Desorptionseinheit, die mit der Absorptionseinheit verbunden ist, so dass die Desorptionseinheit CO₂ aus der CO₂-reichen Flüssigkeit auf Ammoniakbasis aufnimmt und freisetzt.
Unter einem anderen Aspekt wird ein Abgasaufbereitungssystem bereitgestellt. Das Abgasaufbereitungssystem umfasst ein Gehäuse, um ein Verbrennungsabgas hindurchzuleiten; ein flüssiges Reagens auf Ammoniakbasis, das in dem Gehäuse durchgeleitet wird; und einen Membrankontaktor, der in dem Gehäuse verankert ist, um die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis von dem Abgas zu trennen. Der Membrankontaktor umfasst eine Mehrzahl von Poren, die Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenbereiche definieren. Die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis und das Abgas treten an den Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenbereichen in Kontakt, um Kohlendioxid aus dem Abgas durch eine chemische Absorption von CO₂ in der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis abzutrennen, so dass eine CO₂-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis erzeugt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines als Beispiel dienenden Verbrennungssystems, das einen Kohlendioxid-Wäscher umfasst; und
2 ist ein schematisches Diagramm des in 1 dargestellten als Beispiel dienenden CO₂-Wäschers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die als Beispiel dienenden Verfahren und Systeme, die hier beschrieben werden, überwinden die Nachteile bekannter Technologien zur Kohlenstoffabtrennung nach der Verbrennung durch ein Verbinden von chemischen Absorptionsprozessen auf Ammoniakbasis und hydrophoben Membrankontaktoren.
1 ist ein schematisches Diagramm eines als Beispiel dienenden Verbrennungssystems 100, das einen Ofen/Erhitzer 110, gegebenenfalls Verschmutzungskontrolleinrichtungen 120, eine CO₂-Absorptionsanlage (Wäscher) 130, einen Vorheizofen 140, einen Desorber (Abscheider) 150 und einen Dampferzeuger 160 umfasst. Der Ofen/Erhitzer 110 dient als Verbrennungskammer, welche Kraftstoffeinlassöffnungen 112, Lufteinlassöffnungen 114 und einen Verbrennungsbereich 116 umfasst. In der als Beispiel dienenden Ausführungsform sind mindestens eine Kraftstoffeinlassöffnung 112 und mindestens eine Lufteinlassöffnung 114 mit dem Ofen/Erhitzer 110 verbunden, um Kraftstoff bzw. Luft in den Verbrennungsbereich 116 einzuleiten.
Nach einer Verbrennung des Kraftstoffes wird ein erzeugtes Verbrennungsabgas, auch als Verbrennungsrauchgas bekannt, gegebenenfalls in einem Transportstrom in Verschmutzungskontrolleinrichtungen 120, zum Beispiel elektrostatische Filter und/oder Gewebeentstauber, geleitet, um vor einer CO₂-Abtrennung in einem Wäscher 130 verschiedenen Reinigungsprozessen aus Umweltschutzgründen unterzogen zu werden. Die Verschmutzungskontrolleinrichtungen 120 können Reinigungsprozesse aus Umweltschutzgründen umfassen, die ein Entfernen von Verunreinigungen, zum Beispiel von Stickoxiden (NO_x), Schwefeloxiden (SO_x), Flugasche, Sauerstoff und/oder Aerosolen, im Abgas ermöglichen, welche eine Verschlechterung der Absorption in der Flüssigkeit bewirken können.
Sämtliches verbleibendes Abgas wird anschließend in einen Wäscher 130 geleitet. Ein Wäscher 130 bereitet das Abgas auf, indem eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis verwendet wird, um die Abtrennung von CO₂ aus dem Abgas zu ermöglichen (später genauer beschrieben). Nach der Abgasaufbereitung wird das CO₂-freie Abgas gegebenenfalls in die Umgebungsluft entlassen, und die CO₂-reiche flüssige Lösung auf Ammoniakbasis in einen Vorheizofen 140 geleitet.
Die CO₂-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis wird anschließend in einen Abscheider 150 geleitet. Ein Abscheider 150 verringert den Druck und/oder erhöht die Temperatur der CO₂-reichen Flüssigkeit, um die Freisetzung von CO₂ aus der Flüssigkeit zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. In einer als Beispiel dienenden Ausführungsform erzeugt ein Dampferzeuger 160 Dampf, um die chemische Reaktion umzukehren, indem die CO₂-reiche Flüssigkeit erhitzt wird, so dass eine Regenerierung des CO₂ aus der Flüssigkeit ermöglicht bzw. erleichtert wird. Das freigesetzte CO₂ wird anschließend zur Lagerung und/oder zum Transport komprimiert und/oder getrocknet. Die CO₂-freie Flüssigkeit auf Ammoniakbasis wird anschließend wiederverwendet und zur weiteren Abgasaufbereitung in einen Wäscher 130 geleitet.
2 ist ein schematisches Diagramm eines Wäschers 130 (wie in 1 dargestellt). In der als Beispiel dienenden Ausführungsform arbeitet ein Wäscher 130, indem eine Separation über eine Membran und Technologien zur chemischen Absorption auf Ammoniakbasis integriert werden, um CO₂ aus dem Abgas einzufangen. Der Wäscher 130 umfasst Gas-Flüssigkeits-Membrankontaktoren 170, die aus hydrophobem Material, zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE), das auch expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) umfasst, hergestellt sind. Die Membran kontaktoren 170 umfassen jeweils eine Oberfläche 172, eine gegenüberliegende Oberfläche 174 und Mikroporen 178, die sich durch einen Membrankontaktor 170 hindurch erstrecken und während der Aufbereitung Abgas aufnehmen. Es versteht sich, dass die Membrankontaktoren 170 als inerte Hohlfasern, im Wesentlichen planare Lagen bzw. Schichten und/oder andere bekannte Strukturen, die in einer Rohrbündelanordnung, einem spiralförmig gewundenen Modul und/oder anderen bekannten Konfigurationen gepackt sind, hergestellt werden können. Da die Membrankontaktoren 170 als Hohlfasern und/oder modulare Einheiten in der als Beispiel dienenden Ausführungsform dicht gepackt vorliegen, bieten die Membrankontaktoren 170 eine vergleichsweise größere Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche pro Volumeneinheit als bekannte Wäscher, die nur chemische Absorptionsverfahren einsetzen. So kann eine geringere Grundfläche eines Wäschers 130 an bestehende gewerbliche Verbrennungssysteme angepasst und/oder entsprechend umgerüstet werden. Auch erhöhen PTFE-Membrankontaktoren 170 den Oberflächenkontakt zwischen den Gas- und Flüssigkeitsströmen, was zu einer effizienteren Absorption führt als bei einem herkömmlichen Absorptionssäulenaufbau.
In einer als Beispiel dienenden Erscheinungsform ermöglichen Membrankontaktoren 170 einen nicht-selektiven Fluss von Abgasbestandteilen 176 in darin definierte Mikroporen 178 im Gegensatz zu bekannten porösen Trennmembranen, die einen selektiven Durchtritt von Abgaskomponenten ermöglichen. Da die Membrankontaktoren 170 hydrophob sind, ermöglichen bzw. erleichtern die Membrankontaktoren 170 die Vermeidung eines konvektiven Flusses von Flüssigkeit über den Membrankontaktor 170. Auf Grundlage solcher hydrophoben und mikroporösen Materialeigenschaften ermöglichen bzw. erleichtern die Membrankontaktoren 170, dass Abgaskomponenten 176 und eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis miteinander in Kontakt treten, ohne Dispersion einer Phase in die andere.
Da der Membrankontaktor 170 als gasdurchlässige Barriere zwischen den Gas- und Flüssigkeitsphasen dient, trennen die Membrankontaktoren 170 im Gegensatz zu bekannten porösen Trennmembranen CO₂ nicht aus dem Abgas ab. Stattdessen wird die CO₂-Trennselektivität des als Beispiel dienenden Hybridprozesses durch die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 bereitgestellt. In der als Beispiel dienenden Ausführungsform dienen Membrankontaktoren 170 als Kontaktvermittler zwischen Abgas 176 und Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182, um eine CO₂-Abtrennung aus dem Abgas 176 auf Basis eines chemischen Absorptionsprozesses zu ermöglichen. Mit anderen Worten: die CO₂-Abtrennung in dem Wäscher 130 wird durch eine Reaktion von Abgas 176 mit dem flüssigen Separationsmittel auf Ammoniakbasis im Wäscher 130 bestimmt, wie hier eingehender diskutiert wird.
In einer als Beispiel dienenden Ausführungsform ist die Kontaktfläche zwischen Abgas 176 und Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 die Summe der Flächen aller Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen 180 aller Membrankontaktoren 170, die im Wäscher zur Verfügung stehen. Die Packungsdichte der Membrankontaktoren 170 und/oder Mikroporen 178 erzeugt eine größere gesamte Gas-Flüssigkeits-Kontaktoberfläche im Vergleich zur Gesamtoberfläche der Gasblasen, die durch Gasdispersion bei Verwendung bekannter chemischer Absorptionsverfahren entstehen. Im Ergebnis ermöglichen Membrankontaktoren 170 eine Erhöhung der CO₂-Absorptionseffizienz im Vergleich zu bekannten chemischen Absorptionsverfahren.
In der als Beispiel dienenden Ausführungsform ist der Membrankontaktor 170 aus hydrophoben Materialien, wie etwa PTFE, hergestellt. Insbesondere wird der Membrankontaktor aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) hergestellt. Expandiertes Polytetrafluorethylen hat eine Oberfläche von etwa 10 bis etwa 100 m²/g und ein Hohlraumvolumen von etwa 90% bis etwa 95%. Die Oberfläche und der Anteil an Hohlraum von expandiertem Polytetrafluorethylen gestattet, dass Abgas 176 mit der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 in Kontakt tritt.
Das PTFE-Material ist für Abgasaufbereitungsprozesse geeignet, wie sie im Hinblick auf die als Beispiel dienende Ausführungsform diskutiert werden. Zum Beispiel weist ein Abgas 176 im Allgemeinen vernachlässigbare Mengen an Kohlenwasserstoff und große Mengen an CO₂ auf. Auch wird bei Abgasaufbereitungsprozes sen in einem Wäscher 130 ein Abgas 176 im Allgemeinen bei etwa 50°C bis etwa 100°C, in einer anderen Ausführungsform bei etwa 50°C bis etwa 80°C, und allen dazwischen liegenden Teilbereichen aufbereitet. Da CO₂ aus dem Abgas 176 bei den herrschenden Umgebungsbedingungen, zum Beispiel etwa 50°C, durch eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 absorbiert wird, ist ein Vorheizen von CO₂ und/oder der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 im Gegensatz zu bekannten Systemen, die versuchen, CO₂ aus dem Abgas unter Verwendung anderer flüssiger Separationsmittel abzutrennen, nicht notwendig. Im Ergebnis ermöglicht die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 die Verringerung der Betriebskosten, die bei einer CO₂-Absorption unter Verwendung anderer flüssiger Separationsmittel anfallen.
Da PTFE im Allgemeinen gegenüber Abgaskomponenten inert ist, wird ein Membrankontaktor 170 aus PTFE und/oder anderen ähnlichen Materialien, die gegenüber Abgas 176 inert sind, hergestellt. Als Folge der Verwendung von PTFE-Material quillt ein Membrankontaktor 170 bei Abgasaufbereitungsprozessen im Vergleich zu bekannten Prozessen im Rahmen der Offshore-Ölbohrung und/oder dem "Süßen" (sweetening) nicht auf. Außerdem ermöglicht bzw. erleichtert PTFE die Kontrolle der Größen der Mikroporen 178, um die Gas-Flüssigkeits-Kontaktflächen zu regulieren, damit die CO₂-Absorptionseffizienz gesteigert werden kann.
In der als Beispiel dienenden Ausführungsform ermöglicht eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 auch eine Steigerung der CO₂-Absorptionseffizienz im Vergleich zu bekannten chemischen Absorptionsprozessen. Eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 weist vergleichsweise höhere Reaktionsenergien und Absorptionskapazitäten auf als andere Arten bekannter flüssiger Separationsmittel, wie etwa Flüssigkeiten auf Aminbasis. Als Folge der Verwendung von Ammoniak als flüssigem Separationsmittel ermöglicht die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 die Verringerung der Menge an Flüssigkeit, die in der Lage ist, ungefähr gleiche Mengen an CO₂ zu absorbieren, im Vergleich zu anderen Arten bekannter flüssiger Separationsmittel, wie etwa Flüssigkeiten auf Aminbasis. Da weniger Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 zur CO₂-Absorption erforderlich ist, ist weniger Hitze/Dampf erforderlich, um CO₂ aus einer Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 zu regenerieren im Vergleich zu bekannten Systemen, die versuchen, CO₂ aus anderen flüssigen Separationsmitteln zu regenerieren. So wird eine Kostenreduzierung im Zusammenhang mit der Regenerierung ermöglicht.
Während der Abgasaufbereitung in der als Beispiel dienenden Ausführungsform werden Abgas 176 und eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 auf gegenüberliegenden Seiten des Membrankontaktors 170, der in einem Wäscher 130 bereitgestellt ist, vorbeigeleitet. Obwohl Abgas 176 und die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 als gegenläufig fließend dargestellt sind, versteht es sich, dass Abgas 176 und eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 auch gleichzeitig in die gleiche Richtung fließen können. Wie oben beschrieben, erfolgt der Massentransfer von CO₂ aus dem Abgas 176 durch Diffusion von CO₂ durch Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen 180 unter Verwendung einer Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 in einem chemischen Absorptionsprozess, wie er hier genauer diskutiert wird.
In der als Beispiel dienenden Ausführungsform wird in einem Wäscher 130 ein Partialdruckgradient angelegt, um die Masse an CO₂ mittels Diffusion aus einer Gasphase in eine flüssige Phase zu überführen, indem ein Druck des Abgasanteils, der in Kontakt mit einer Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 steht, verringert wird. Es versteht sich, dass ein Vakuum, Inertgas und/oder andere Triebkräfte die notwendige Triebkraft zum Massentransfer von CO₂ erzeugen können. Durch eine Kontrolle der Druckunterschiede zwischen Abgas 176 und Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 wird ein Teil des Abgases 176 in Mikroporen 178 des Membrankontaktors 170 immobilisiert, so dass jede Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 180 sich an einer Öffnung jeder Mikropore 178 befindet.
Da Membrankontaktoren 170 als Trennwand zwischen Abgas 176 und Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 dienen, wird eine Gas-Flüssigkeits-Kontaktfläche nicht durch Änderungen der Flussraten gestört. Als Folge eines Membrankontaktors 170 und der Druckregulierung ermöglicht bzw. erleichtert ein Wäscher 130 den Transfer von Abgas 176 und Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 über einen größeren Bereich unabhängiger Flussraten im Vergleich zu den Flussraten von Gas und Flüssigkeiten, die in bekannten Wäschersystemen eingesetzt werden. Membrankontaktor 170 und Druckregulation ermöglichen bzw. erleichtern auch eine Verminderung eines Überlaufens, einer Kanalbildung und/oder eines Rückmischens der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 in die Mikroporen 178. So kann ein Wäscher 130 einen größeren Schwankungsbereich der Bedingungen der Abgasaufbereitung im Vergleich zu bekannten Wäschersystemen tolerieren. Die Membrankontaktoren 170 ermöglichen bzw. erleichtern auch eine Verminderung der Schaumbildung und/oder des Abbaus des Lösungsmittels durch eine Verringerung der Dispersion von potentiellen Ammoniak abbauenden Verunreinigungen in Abgas 176 in der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182. Da die Triebkraft zur CO₂-Abtrennung aus dem Abgas 176 ein Druckgradient ist, ist ein Dichteunterschied zwischen gasförmigen und flüssigen Bestandteilen nicht erforderlich. Im Ergebnis ist es somit nicht erforderlich, dass die Membrankontaktoren 170 eine Selektivität hinsichtlich der CO₂-Abtrennung aus dem Abgas 176 besitzen, im Gegensatz zu bekannten porösen Separationsmembranen.
In der als Beispiel dienenden Ausführungsform umfasst ein Wäscher 130 ein Hybrid aus Membrankontaktor 170 und Flüssigkeit auf Ammoniakbasis, um eine CO₂-Abtrennung aus Abgas 176 zu ermöglichen. Da der Wäscher 130 einen Membrankontaktor 170 umfasst, wird die Gas-Flüssigkeits-Kontaktoberfläche im Vergleich zu bekannten Wäschersystemen, die versuchen, CO₂ allein durch darin ablaufende bekannte chemische Absorptionsprozesse abzutrennen, vergrößert. Folglich können die Membrankontaktoren 170 als Bündel und/oder Module dicht gepackt sein, um eine Verringerung der Wäschergröße im Vergleich zu bekannten Wäschersystemen zu ermöglichen. Da ein Membrankontaktor 170 aus einem mikroporösen hydrophoben Material wie etwa PTFE hergestellt ist, dient der Membrankontaktor 170 bei der Abgasaufbereitung als Barriere aus inertem Material. Da eine Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 als flüssiges Separationsmittel verwendet wird, ist die Menge an Flüssigkeit zur chemischen Absorption einer gegebenen Menge an CO₂ geringer als die Menge, die bei anderen flüssigen Separationsmitteln erforderlich ist. Im Ergebnis ermöglicht eine Verwendung von Ammoniak eine Verringerung der Wäschergröße im Vergleich zur Größe bekannter Wäschersysteme. Auch ermöglicht eine Verwendung einer Flüssigkeit auf Ammoniakbasis 182 eine Verringerung der Menge an Regenerierungsenergie, die aufzuwenden ist, um CO₂ in einem Abscheider 150 freizusetzen, im Vergleich zur Regenerierung von CO₂ aus anderen flüssigen Separationsmitteln. Alles in allem ermöglicht ein Wäscher 130 eine Verringerung der Anlagengröße und/oder der Kapitalkosten, die bei einer Abgasaufbereitung zur Abtrennung, Absorption und Freisetzung von CO₂ anfallen, damit solche Emissionen verringert werden.
Als Beispiele dienende Ausführungsformen von Wäschern sind oben eingehend beschrieben. Die Wäscher sind nicht darauf beschränkt, in Verbindung mit den hier beschriebenen spezifischen Verbrennungssystemen verwendet zu werden, vielmehr können die Verbrennungsanlagen unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Bestandteilen eines Verbrennungssystems eingesetzt werden. Obwohl die als Beispiel dienenden Verfahren und Systeme oben im Zusammenhang mit Kohle- oder Erdgasanlagen beschrieben werden, versteht es sich, dass die als Beispiel dienenden Wäschersysteme und Verfahren auch bei anderen Verbrennungssystemen, wie etwa Verbrennungsmotoren, jedoch nicht auf diese beschränkt, einsetzbar sind. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die oben eingehend beschriebenen Ausführungsformen von Verbrennungsanlagen begrenzt. Vielmehr können auch andere Varianten der Ausführungsform des Wäschers im Geiste und im Rahmen der Ansprüche eingesetzt werden.

Obwohl die Erfindung im Hinblick auf verschiedene spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung auch mit Abwandlungen im Geiste und im Rahmen der Ansprüche betrieben werden kann. Liste der Teile

100	Verbrennungssystem
110	Ofen/Erhitzer
112	Kraftstoffeinlassöffnungen
114	Lufteinlassöffnungen
116	Verbrennungsbereich
120	Verschmutzungskontrolleinrichtungen
130	Wäscher oder Absorptionseinheit
140	Vorheizofen
150	Desorber oder Abscheider
160	Dampferzeuger
170	Membrankontaktor
172	Oberfläche
174	gegenüberliegende Oberfläche
176	Abgasbestandteile
178	Mikroporen
180	Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche
182	Flüssigkeit auf Ammoniakbasis

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Abgas, wobei dieses Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Absorptionseinheit, die einen Membrankontaktor aufweist; Leiten eines Verbrennungsabgases entlang einer ersten Oberfläche des Membrankontaktors; Leiten eines flüssigen Reagens auf Ammoniakbasis entlang einer zweiten gegenüberliegenden Oberfläche des Membrankontaktors; und teilweises Trennen der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis von dem Abgas, so dass die Flüssigkeit auf Ammoniakbasis und das Abgas an Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen, die durch eine Mehrzahl an Poren in dem Membrankontaktor definiert sind, in Kontakt treten, um Kohlendioxid (CO₂) aus dem Abgas durch eine chemische Absorption von CO₂ in der Flüssigkeit auf Ammoniakbasis abzutrennen, so dass eine CO₂-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das außerdem ein Verbinden einer Desorptionseinheit mit der Absorptionseinheit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, das außerdem ein Leiten der CO₂-reichen Flüssigkeit auf Ammoniakbasis zur Desorptionseinheit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3, das außerdem ein Erhitzen der CO₂-reichen Flüssigkeit auf Ammoniakbasis umfasst, um CO₂ aus der CO₂-reichen Flüssigkeit auf Ammoniakbasis freizusetzen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bereitstellen einer Absorptionseinheit, die einen Membrankontaktor aufweist, ein Bereitstellen einer Absorptionseinheit, die einen hydrophoben Membrankontaktor aufweist, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Bereitstellen einer Absorptionseinheit, die einen Membrankontaktor aufweist, ein Bereitstellen einer Absorptionseinheit, die einen Membrankontaktor aus expandiertem Polytetrafluorethylen aufweist, umfasst.
Verbrennungssystem, umfassend: eine Absorptionseinheit, die umfasst: ein Gehäuse zum Durchleiten eines Verbrennungsabgases; ein flüssiges Reagens auf Ammoniakbasis, das in diesem Gehäuse durchgeleitet wird; einen Membrankontaktor, der in diesem Gehäuse verankert ist, um die besagte Flüssigkeit auf Ammoniakbasis von dem Abgas zu trennen, wobei dieser Membrankontaktor eine Mehrzahl an Poren umfasst, welche Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen definieren, wobei diese Flüssigkeit auf Ammoniakbasis und das Abgas an diesen Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen in Kontakt treten, um Kohlendioxid aus dem Abgas durch eine chemische Absorption von CO₂ in der besagten Flüssigkeit auf Ammoniakbasis abzutrennen, so dass eine CO₂-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis erzeugt wird; und eine Desorptionseinheit, die mit besagter Absorptionseinheit verbunden ist, wobei diese Desorptionseinheit CO₂ aus der CO₂-reichen Flüssigkeit auf Ammoniakbasis aufnimmt und freisetzt.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 7, wobei der besagte Membrankontaktor ein hydrophobes Material umfasst.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 7, wobei der besagte Membrankontaktor ein expandiertes Polytetrafluorethylen-Material umfasst.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 7, wobei der besagte Membrankontaktor eine Mehrzahl an Hohlfasern umfasst.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 10, wobei diese Mehrzahl an Hohlfasern in einer Rohrbündelanordnung gepackt ist.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 7, wobei der besagte Membrankontaktor eine im Wesentlichen planare Lage bzw. Schicht umfasst.
Verbrennungssystem gemäß Anspruch 12, wobei die besagte im Wesentlichen planare Lage bzw. Schicht als spiralförmig gewundenes Modul gepackt ist.
Abgasaufbereitungssystem, umfassend: ein Gehäuse zum Durchleiten eines Verbrennungsabgases; ein flüssiges Reagens auf Ammoniakbasis, das in diesem Gehäuse durchgeleitet wird; und einen Membrankontaktor, der in diesem Gehäuse verankert ist, um die besagte Flüssigkeit auf Ammoniakbasis von dem Abgas zu trennen, wobei dieser Membrankontaktor eine Mehrzahl von Poren umfasst, welche Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen definieren, wobei diese Flüssigkeit auf Ammoniakbasis und das Abgas an diesen Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen in Kontakt treten, um Kohlendioxid aus dem Abgas durch eine chemische Absorption von CO₂ in der besagten Flüssigkeit auf Ammoniakbasis abzutrennen, so dass eine CO₂-reiche Flüssigkeit auf Ammoniakbasis erzeugt wird.
Abgasverarbeitungssystem gemäß Anspruch 14, wobei der besagte Membrankontaktor ein hydrophobes Material umfasst.
Abgasverarbeitungssystem gemäß Anspruch 14, wobei der besagte Membrankontaktor ein expandiertes Polytetrafluorethylen-Material umfasst.
Abgasverarbeitungssystem gemäß Anspruch 14, wobei der besagte Membrankontaktor eine Mehrzahl an Hohlfasern umfasst.
Abgasverarbeitungssystem gemäß Anspruch 17, wobei diese Mehrzahl an Hohlfasern in einer Rohrbündelanordnung gepackt ist.
Abgasverarbeitungssystem gemäß Anspruch 14, wobei der besagte Membrankontaktor eine im Wesentlichen planare Lage bzw. Schicht umfasst.
Abgasverarbeitungssystem gemäß Anspruch 19, wobei die besagte im Wesentlichen planare Lage bzw. Schicht als spiralförmig gewundenes Modul gepackt ist.