DE102008061258A1

DE102008061258A1 - Verfahren zur CO2-Abtrennung aus Rauchgas und Absorber

Info

Publication number: DE102008061258A1
Application number: DE102008061258A
Authority: DE
Inventors: Vanessa Kubacz; Alexander Deierling; Arthur Heberle
Original assignee: Hitachi Power Europe GmbH
Current assignee: Hitachi Power Europe GmbH
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Bei einem Verfahren zur Abtrennung von gasförmigen Komponenten aus einem Gasstrom, insbesondere von COaus dem Rauchgas eines fossil befeuerten Kraftwerks, unter Atmosphärendruck, wobei der Gasstrom, insbesondere das CO-haltige Rauchgas (26), einer Absorbensflüssigkeit unter Erzeugung einer Blasensäule in einem Sumpfvolumen (2) und/oder in einem Raktionsvolumen (3) eines Füllkörper aufweisenden Absorbers oder einer Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) zugeführt und unter Inkontaktbringung mit einer Absorbensflüssigkeit (4) durch den Absorber oder die Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) geleitet wird, soll eine Lösung geschaffen werden, mit der sich ein verbesserter Stofftransport und eine erhöhte Abscheiderate bei, insbesondere phyikalischer, Absorption von abzuscheidende Gaskomponenten enthaltendem Gas, insbesondere CO-haltigem Rauchgas, in flüssigem Absorbens bei Atmosphärendruck erreichen lässt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas (26), dem Sumpfvolumen (2) und/oder dem Reaktionsvolumen (3) des Absorbers oder der Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) mittels mindestens eines selbstansaugenden Begasungsrührers (10, 10a) und/oder mindestens eines Strahldüsendispergierers (27) zugeführt wird und/oder in der Absorbensflüssigkeit der Wirkung eines Ultraschallgenerators und/oder Ultraschalldispergierers ausgesetzt wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von gasförmigen Komponenten aus einem Gasstrom, insbesondere von CO₂ aus dem Rauchgas eines fossil befeuerten Kraftwerks, unter Atmosphärendruck, wobei der Gasstrom, insbesondere das CO₂-haltige Rauchgas, einer Absorbensflüssigkeit unter Erzeugung einer Blasensäule in einem Sumpfvolumen und/oder in einem Reaktionsvolumen eines Füllkörper aufweisenden Absorbers oder einer Absorptionskolonne zugeführt und unter Inkontaktbringung mit einer Absorbensflüssigkeit durch den Absorber oder die Absorptionskolonne geleitet wird.
Weiterhin richtet sich die Erfindung auf einen Absorber oder eine Absorptionskolonne, insbesondere eines fossil befeuerten Kraftwerks, mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Sumpfvolumen und/oder einem Reaktionsvolumen, wobei zumindest das Sumpf- oder das Reaktionsvolumen Füllkörper aufweist und mit einer zugeordneten Gasleitung, insbesondere Rauchgasleitung, in gasführender Leitungsverbindung steht und wobei in dem Sumpf- und/oder dem Reaktionsvolumen ein dem Absorber oder der Absorptionskolonne durch die gasführende Leitungsverbindung zugeführter Gasstrom, insbesondere Rauchgasstrom in Form einer Blasensäule in Kontakt mit einer Absorbensflüssigkeit bringbar ist.
Schließlich richtet sich die Erfindung auch auf eine Rauchgasbehandlungsanlage eines fossil befeuerten Kraftwerks, die mindestens zwei Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparate in Form eines oder mehrerer Absorber und/oder einer oder mehrerer Absorptionskolonnen umfasst.
Um beispielsweise aus Rauchgasen fossil befeuerter Kraftwerke CO₂ abzuscheiden sind verschiedene CO2-Absorptionsverfahren bekannt. So ist es bekannt mit Hilfe eines wässrigen, beispielsweise Monoethanolamin enthaltenden Lösungsmittels CO₂ bei einem Druck von mehr als 10 bar in dem Lösungsmittel zu lösen und chemisch zu binden. Bei einem anderen Verfahren wird mit einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise Methanol, das CO₂ bei Temperaturen von unter 0°C in dem Lösungsmittel physikalisch gelöst.
In der Praxis werden zur Durchführung dieser Verfahren Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparate in Form von Absorbern oder Absorptionskolonnen eingesetzt. Diese weisen in ihrem für die Absorption zur Verfügung stehenden Reaktionsvolumen regellose, unstrukturierte Füllkörper oder geordnete, strukturierte Packungen als Kolonneneinbauten auf.
Im Kraftwerksbereich ist aufgrund der hohen Rauchgasvolumenströme aus energetischen Gründen eine Absorption bei Atmosphärendruck vorteilhaft. Die Durchführung von Absorptionsverfahren bei Atmosphärendruck hat aber den Nachteil, dass bei diesem relativ geringen Druck der Stofftransport des Absorptivs Kohlendioxid in das Absorbers (flüssiges Lösungsmittel) gegenüber Verfahren mit höherem Druck deutlich verlangsamt ist. Um dennoch ausreichende Abscheidegrade zu erzielen, sind Maßnahmen zur Verbesserung des Stoffaustausches und/oder Stofftransportes vorzunehmen. Eine solche Maßnahme kann darin bestehen, die effektive Stoffaustauschfläche zu vergrößern, eine andere kann darin bestehen, eine Erhöhung der Verweilzeit zu realisieren, wobei aber auch eine Kombination beider Möglichkeiten vorgenommen werden kann. Technisch lassen sich diese Maßnahmen durch eine Vergrößerung der Füllkörper- oder Packungshöhe und/oder der Kolonneneinbauten mit größerer Stoffaustauschfläche realisieren. Allerdings sind aus konstruktiven und fluiddynamischen sowie Kostengründen den Erweitungs- und Vergrößerungsmöglichkeiten Grenzen gesetzt. Diese Problematik stellt sich häufig und ist nicht nur auf den Kraftwerksbereich beschränkt.
So ist in der DE 38 20 434 A1 bereits vorgeschlagen worden, in einer Absorptionskolonne eine Wäsche bzw. Reinigung von CO₂-haltigen Abgasen mit Hilfe einer Kombination aus Blasensäule und Füllkörpersäule durchzuführen. Hierbei wird über eine Leitung CO₂-haltiges Abgas dem Sumpfvolumen einer Absorptionskolonne zugeführt, in welcher es als Blasensäule in dem dort befindlichen Absorbens aufsteigt. Oberhalb dieses Sumpfbereiches befindet sich ein Reaktionsvolumen, in dem Füllkörper angeordnet sind, wobei die Blasensäule in den Bereich der Füllkörper aufsteigt und dabei eine Durchmischung und Vergrößerung der Füllkörperzone ausgebildet wird. In der mit Füllkörpern ausgestatteten Zone können auch noch Sieb- oder Glockenböden angeordnet sein.
Verbesserungswürdig bei diesem Stand der Technik ist die Einbringung des insbesondere CO₂-haltigen Gasstroms oder Rauchgases in die Absorbensflüssigkeit, um ein gleichmäßiges Blasenbild innerhalb des mit einer Blasensäule zu beaufschlagenden Sumpfvolumens oder Reaktionsvolumens zu erhalten und damit die Effizienz und Wirkungsweise eines solchen Absorptionsverfahrens zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, mit der sich ein verbesserter Stofftransport und eine erhöhte Abscheiderate bei, insbesondere physikalischer, Absorption von abzuscheidende Gaskomponenten enthaltendem Gas, insbesondere CO₂-haltigem Rauchgas, in flüssigem Absorbens bei Atmosphärendruck erreichen lässt.
Bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas, dem Sumpfvolumen und/oder dem Reaktionsvolumen des Absorbers oder der Absorptionskolonne mittels mindestens eines selbstansaugenden Begasungsrührers und/oder mindestens eines Strahldüsendispergierers zugeführt wird und/oder in der Absorbensflüssigkeit der Wirkung eines Ultraschallgenerators und/oder Ultraschalldispergierers ausgesetzt wird.
Bei einem Absorber oder einer Absorptionskolonne der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Sumpfvolumen und/oder dem Reaktionsvolumen mindestens ein selbstansaugender Begasungsrührer und/oder mindestens ein Strahldüsendispergierer angeordnet ist, der mit der dem Absorber oder der Absorptionskolonne zugeordneten Gasleitung, insbesondere Rauchgasleitung, über die gasführende Leitungsverbindung verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass fein verteilte Blasen eine höhere Stoffaustauschfläche als Füllkörper bieten und dass Füllkörper einen geringen Druckverlust als Blasen verursachen, in vorteilhafter Kombination.
Durch die Kombination eines selbstansaugenden Begasungsrührers, der das CO₂-haltige, zu reinigende Rauchgas ansaugt und der Absorptionsflüssigkeit in Form einer Blasensäule zuführt und der Ausbildung einer Füllkörpersäule in dem Absorber oder der Absorptionskolonne wird ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik deutlich verbessertes Absorptionsverfahren und ein deutlich verbesserter Absorber oder eine verbesserte Absorptionskolonne bereitgestellt. Der mindestens eine selbstansaugende Begasungsrührer oder der mindestens eine selbstansaugende Strahldüsendispergierer sorgt für eine besonders gute Verteilung der Gasblasen in der Absorbensflüssigkeit. Insbesondere ist es möglich, hierdurch auch kleinvolumige Blasen gezielt auszubilden, so dass insgesamt die effektive Stoffaustauschfläche vergrößert und damit ein verbesserter Stofftransport erzielt wird, was gleichzeitig eine erhöhte Abscheiderate zur Folge hat. Eine viele kleine Blasen aufweisende Blasensäule lässt sich auch mittels eines auf die Absorbensflüssigkeit einwirkenden Ultraschallgenerators oder Ultraschalldispergierers erwirken, der zusätzlich zu oder anstelle von Begasungsrührern und/oder Strahldüsendispergierern vorgesehen sein kann. Weiterhin wird dann durch die Ausbildung von Füllkörpern die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und damit die Verweilzeit in der Absorbensflüssigkeit vergrößert. Hierbei sind verschiedene Ausführungsformen des Absorbers oder einer Absorptionskolonne realisierbar. Unter dem Begriff „Sumpfvolumen” wird der für die Absorption bereitstehende Sumpfbereich eines Absorbers oder einer Absorptionskolonne verstanden, in welchen Absorbensflüssigkeit eingefüllt wird und/oder in welchem sich Absorbensflüssigkeit sammelt, die aus einem darüber angeordneten Reaktionsvolumen herunterrieselt oder herunterfließt. Unter „Reaktionsvolumen” wird ein weiterer, oberhalb des Sumpfbereiches ausgebildeter Bereich des Absorbers oder der Absorptionskolonne verstanden, der ebenfalls mit für eine Gasabsorption bereitstehender Absorbensflüssigkeit befüllt ist. Bei diesen Ausgestaltungen sind das Sumpfvolumen und das Reaktionsvolumen ggf. räumlich voneinander getrennt. Es kann aber auch möglich sein, dass das Sumpfvolumen und das Reaktionsvolumen und nahtlos ineinander übergehen und somit eine stehende Säule aus Absorbensflüssigkeit ausbilden. Auch wenn vorstehend und nachstehend im Wesentlichen die Absorption von CO₂ aus einem CO₂-haltigen Rauchgas beschrieben ist, so ist die Erfindung dennoch auf jede Art von Absorption in einem Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparat mit einer Arbeitsweise unter Atmosphärendruck bezogen und dort anwendbar.
Zwar sind aus dem Stand der Technik selbstansaugende Begasungsrührer oder selbstansaugende Strahldüsendispergierer bekannt, diese finden aber bisher lediglich in Rührbehältern Verwendung, in welchen mittels dieser Rührer oder Dispergierer chemische Reaktionsprodukte hergestellt werden. Die Verwendung von selbstansaugenden Begasungsrührern oder selbstansaugenden Strahldüsendispergierern im Zusammenhang mit Absorptionsverfahren und insbesondere mit Absorptionsverfahren zur Reinigung von CO₂-haltigen Rauchgasen, die in fossil befeuerten Kraftwerken entstehen, ist bisher nicht bekannt. Es ist das Verdienst der vorliegenden Erfindung zu erkennen, dass selbstansaugende Begasungsrührer und selbstansaugende Strahldüsendispergierer bei der Absorption gasförmiger Komponenten in Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparaten mit besonderem Vorteil in Füllkörper aufweisenden Absorbern oder Absorptionskolonnen Verwendung finden können.
Der insbesondere zur CO₂-Beseitigung oder -Absorption vorgesehene CO₂-haltige Gas oder Rauchgasstrom kann ganz oder teilweise dem mindestens einen selbstansaugenden Begasungsrührer oder Strahldüsendispergierer zugeführt, somit zum Teil auch Bereichen des Absorbers oder der Absorptionskolonne zugeführt werden, die nicht mit einem selbstansaugenden Begasungsrührer oder Strahldüsendispergierer ausgestattet sind. CO₂-haltiges Gas oder Rauchgas kann aber auch sowohl dem Sumpfvolumen als auch dem Reaktionsvolumen eines Absorbers oder einer Absorptionskolonne zugeführt werden, wobei sich dann entweder sowohl im Sumpfvolumen als auch im Reaktionsvolumen mindestens ein selbstansaugender Begasungsrührer oder ein selbstansaugender Strahldüsendispergierer oder ein Ultraschallgenerator oder ein Ultraschalldispergierer befindet oder aber sich lediglich in einem dieser Bereiche bzw. dieser Volumina ein solcher Begasungsrührer oder Strahldüsendispergierer oder Ultraschallgenerator oder Ultraschalldispergierer befindet. In Ausgestaltung sieht die Erfindung daher zunächst vor, dass ein Teil des Gasstroms, insbesondere Rauchgases, dem Sumpfvolumen und ein Teil des Gasstroms, insbesondere Rauchgases einem darüber angeordneten Reaktionsvolumen zugeführt wird.
Zweckmäßig und vorteilhaft ist es hierbei gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wenn der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas, dem Sumpfvolumen über einen oder mehrere umfangsmäßig am Sumpfbereich des Absorbers oder der Absorptionskolonne verteilt angeordnete Begasungsrührer und/oder Strahldüsendispergierer und/oder über einen oder mehrere zentral im Sumpfvolumen angeordnete Begasungsrührer und/oder Strahldüsendispergierer zugeführt wird.
Zur Erreichung einer weiter verbesserten Verteilung und Dispergierung der Gasblasen in der Absorbensflüssigkeit sieht die Erfindung darüber hinaus vor, dass der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas über mehrere axial beabstandete Begasungsrührer und/oder Strahldüsendispergierer zugeführt wird.
Um die Verweilzeit innerhalb des Absorbers oder der Absorptionskolonne ausreichend hoch auszubilden und genügend Möglichkeiten zum Inkontaktbringen des insbesondere CO₂-haltigen Gases oder Rauchgases in Form einer Blasensäule mit der Absorbensflüssigkeit zu gewährleisten, ist es gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas im Gleich- und/oder Kreuz- und/oder Gegenstrom zu der Absorbensflüssigkeit durch den Absorber oder die Absorptionskolonne geleitet wird, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Auch wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung einer chemischen Absorption geeignet ist, so ist es von besonderem Vorteil bei der Verwendung eines anorganischen und/oder organischen Lösungsmittels zur physikalischen Absorption von CO₂ zu verwenden. Die Erfindung sieht daher weiterhin vor, dass als Absorbensflüssigkeit ein anorganisches Lösungsmittel und/oder ein organisches Lösungsmittel, insbesondere ein Amin oder Amine enthaltendes Lösungsmittel, verwendet wird.
Der erfindungsgemäße Absorber oder die Absorptionskolonne zeichnet sich in Ausgestaltung weiterhin dadurch aus, dass in dem Sumpfvolumen und/oder im Bereich des Sumpfvolumens ein oder mehrere umfangsmäßig verteilt angeordnete Begasungsrührer und/oder Strahldüsendispergierer und/oder Ultraschallgeneratoren und/oder Ultraschalldispergierer und/oder ein oder mehrere zentral in Sumpfvolumen angeordnete Begasungsrührer und/oder Strahldüsendispergierer angeordnet sind.
Hierbei ist es dann weiterhin zweckmäßig, wenn der Absorber oder die Absorptionskolonne mehrere in axialer Richtung des Absorbers oder der Absorptionskolonne beabstandet zueinander angeordnete Begasungsrührer und/oder Strahldüsendispergierer aufweist, was die Erfindung weiterhin vorsieht.
Eine besonders effiziente Kombination von ausgebildeter Blassäule und Füllkörperanordnung lässt sich auch bereits im Sumpfvolumen eines Absorbers oder einer Absorptionskolonne ausbilden. Die Erfindung zeichnet sich demnach weiterhin dadurch aus, dass in dem Sumpfvolumen oberhalb des mindestens einen Begasungsrührers oder Strahldüsendispergierers eine Schicht aus Füllkörpern oder strukturierten Packungen angeordnet ist.
Um eine ausreichende oder weiter vergrößerte Stoffaustauschfläche ausbilden zu können, kann es zweckmäßig sein, hierbei im oberhalb des Sumpfvolumens ausgebildeten weiteren Reaktionsvolumen besondere Maßnahmen vorzusehen. Eine solche Maßnahme kann darin bestehen, dass der Absorber oder die Absorptionskolonne oberhalb des Sumpfvolumens mehrere übereinander angeordnete Sieb- und/oder Glockenböden aufweist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht. Hierbei ist es dann von besonderem Vorteil, wenn gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung jedem Sieb- und/oder Glockenboden mindestens ein Begasungsrührer und/oder Strahldüsendispergierer zugeordnet ist.
Insbesondere dann, wenn in dem Absorber oder der Absorptionskolonne eine durchgängig senkrecht stehende Absorbensflüssigkeitssäule ausgebildet ist, in der Füllkörper lose und unstrukturiert angeordnet und bewegbar sind, ist die Durchführung einer Maßnahme zweckmäßig, die die Füllkörper bewegt oder in Bewegung hält. Solch eine Maßnahme kann darin bestehen, für eine Rührbewegung zu sorgen, was dadurch möglich wird, dass der Absorber oder die Absorptionskolonne in axialer Längsrichtung von einem Rührer durchsetzt ist, welcher in dem Absorber rotierbar ist. Die Erfindung sieht daher weiterhin vor, dass in dem Sumpfvolumen und/oder dem Reaktionsvolumen ein axial ausgerichteter Rührer angeordnet ist.
Die obenstehende Aufgabe wird weiterhin auch durch eine Rauchgasbehandlungsanlage eines fossil befeuerten Kraftwerks, die mindestens zwei Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparate in Form eines oder mehrerer Absorber und/oder einer oder mehrerer Absorptionskolonnen umfasst gelöst, welche mindestens zwei Absorber oder Absorptionskolonnen nach einem der Ansprüche 7 bis 13 aufweist. Aufgrund des bei konventionellen fossil befeuerten Kraftwerken anfallenden immensen Rauchgasstromes ist es von Vorteil und zweckmäßig, den Rauchgasstrom in mehreren hintereinander und/oder parallel geschalteten Absorbern oder Absorptionskolonnen von CO₂ zu befreien oder zumindest in seinem CO2-Gehalt deutlich zu reduzieren. Hier bietet es sich dann an, zwei erfindungsgemäße Absorber oder Absorptionskolonnen hintereinander oder parallel zu schalten, die im Detail dann unterschiedlich ausgebildet sein können.
In Ausgestaltung der Rauchgasbehandlungsanlage sieht die Erfindung daher schließlich vor, dass die mindestens zwei Absorber oder Absorptionskolonnen unter Ausbildung einer mehrstufigen Absorptionsanlage hintereinander und/oder parallel geschaltet angeordnet sind.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
1 in schematischer Schnittdarstellung eine erste Absorptionskolonne,
2 in schematischer Schnittdarstellung eine zweite Absorptionskolonne,
3 in schematischer Schnittdarstellung eine dritte Absorptionskolonne,
4 in schematischer Schnittdarstellung ein Sumpfvolumen einer vierten Absorptionskolonne,
5 in schematischer Schnittdarstellung eine fünfte Absorptionskolonne,
6 in schematischer Schnittdarstellung eine sechste Absorptionskolonne,
7 in schematischer Schnittdarstellung eine siebte Absorptionskolonne und in
8 in schematischer Schnittdarstellung einen Strahldüsendispergierer in einer achten Absorptionskolonne.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform einer ersten erfindungsgemäßen Absorptionskolonne 1 weist ein Sumpfvolumen 2 und ein darüber angeordnetes Reaktionsvolumen 3 auf. Das Sumpfvolumen 2 stellt auch ein Reaktionsvolumen dar, weil CO₂-haltiges Rauchgas über selbstansaugende Begasungsrührer 10 in das Sumpfvolumen 2 eingebracht wird und hier reagiert. Lediglich um die beiden Reaktionsräume „Sumpfvolumen 2” und „Reaktionsraum 3” identifizierbar unterscheiden zu können wird diese sprachliche Unterscheidung gemacht. In dem Reaktionsvolumen 3 sind verschiedene, mit einer Absorbensflüssigkeit 4, die sich auch bis zum Flüssigkeitsspiegel 5 im Sumpfbereich 6 der ersten Absorptionskolonne 1 befindet, getränkte Füllkörperpackungen 7 in axial beabstandeten Ebenen übereinander angeordnet. In die erste Absorptionskolonne 1 mündet eine Rauchgasleitung 8, die CO₂-haltiges Rauchgas von einer fossil befeuerten Brennkammer eines Dampferzeugers eines Kraftwerkes der ersten Absorptionskolonne 1 zuführt. In der ersten Absorptionskolonne 1 herrscht Atmosphärendruck und findet als Absorbensflüssigkeit ein aminhaltiges Lösungsmittel Verwendung. Von der Rauchgasleitung 8 ausgehend führt eine gasführende Leitungsverbindung 9 zu den selbstansaugenden Begasungsrührern 10, die rotierbar und von einem Elektromotor 12 angetrieben am Umfang des Sumpfbereiches 6 im Inneren des Sumpfbereiches und somit im Sumpfvolumen 2 angeordnet sind. Die selbstansaugenden Begasungsrührer 10 stehen in Verbindung mit der gasführenden Leitungsverbindung 9 und saugen während des Betriebes CO₂-haltiges Rauchgas 25 selbsttätig an und stoßen dieses in Form von feinen Blasen als Blasensäule 28 in die im Sumpfvolumen 2 angeordnete Absorbensflüssigkeit 4 aus. Auf diese Weise wird das CO₂-haltige Abgas fein verteilt und es bilden sich die notwendige Austauschfläche und der notwendige Stofftransport für die Absorption von CO₂ in der Absorbensflüssigkeit 4 aus. Nach Verlassen des Sumpfbereiches 6 gelangt das Rauchgas dann in den Bereich des Reaktionsvolumens 3, wo noch im Rauchgas befindliches CO₂ in den Füllkörperpackungen 7 mit weiterer Absorbensflüssigkeit 4 in Kontakt gebracht wird und somit weiteres CO₂ in der Absorbensflüssigkeit 4 gelöst wird. Die Anzahl der am Umfang des Sumpfbereiches 6 verteilten selbstansaugenden Begasungsrührer 10 wird entsprechend den gewünschten betrieblichen Parametern ausgewählt, wobei erfindungsgemäß mindestens ein Rührer 10 in diesem Bereich angeordnet sein muss.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, kann anstelle von mehreren am Umfang angeordneten selbstansaugenden Begasungsrührern 10 auch ein großer zentral im Sumpfbereich 6 angeordneter selbstansaugender Begasungsrührer 10a vorgesehen sein. Da es sich im Übrigen bei der zweiten Absorptionskolonne 11 um eine solche handelt, die in ihrem Aufbau identisch zur ersten Absorptionskolonne 1 ist, sind hier gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen wie bei der 1 versehen, wie dies im Übrigen auch in den anderen Figuren der Fall ist.
Die selbstansaugenden Begasungsrührer 10, 10a können sowohl mit Hilfe einer Elektromotoren 12 als auch mit Hilfe von Druckentspannung von Gasen, wie beispielsweise Prozessdampf, angetrieben werden.
Selbstansaugende Begasungsrührer 10, 10a sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise unter den Bezeichnungen „Ekato Gasjet” und/oder „Ekato Phasejet” vertrieben. Derartige Begasungsrührer sind so konstruiert, dass durch die Rotation von Rührschaufeln ein Unterdruck im Rührbereich erzeugt wird, der die Ansaugung des CO₂-haltigen Rauchgases bewirkt, welches dann durch im Bereich der Rührschaufeln angeordnete Öffnungen in die Absorbensflüssigkeit 4 ausgestoßen wird. Die Rührwelle der Begasungsrührer 10, 10a kann als Hohlwelle ausgeführt sein, durch die das Gas angesaugt wird. Es ist aber auch möglich, die Ansaugung durch ein Rohr vorzunehmen, das auf seiner der Absorbensflüssigkeit 4 zugewandten Seite mit einem innenseitigen Propellerrad ausgestattet ist. Mit Hilfe der selbstansaugenden Begasungsrührer 10, 10a werden in dem Kolonnensumpf, d. h. dem Sumpfbereich 6, Blasen oder Blasensäulen 28 in der dort vorhandenen Absorbensflüssigkeit 4 erzeugt. Anschließend wird der Gasstrom durch die strukturierten Packungsebenen 7 des weiteren Reaktionsvolumens 3 geleitet, wobei es aber auch möglich ist, in Abwandlung der beschriebenen ersten und zweiten Absorptionskolonne 1, 11 oberhalb des Sumpfbereiches 6 unstrukturierte Füllkörperpackungen oder aber auch eine Kombination von strukturierten Packungsebenen und unstrukturierten Füllkörperpackungen vorzusehen. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 durchströmt das Gas 25 die erste und zweite Absorptionskolonne 1, 11 im Gegenstrom zur Absorbensflüssigkeit 4, wobei es aber grundsätzlich möglich ist, im Bereich des Reaktionsvolumens 3 oberhalb des Sumpfvolumens 2 das Gas im Gleich- oder Kreuz- oder Gegenstrom und in Variationen davon zu führen. Bei der Absorbensflüssigkeit 4 im Bereich des Reaktionsvolumens 3 handelt es sich um dieselbe, die auch im Sumpfvolumen 2 Verwendung findet und dort insbesondere durch Herabrieseln vom oberen Ende der jeweiligen Absorptionskolonne gesammelt wird. Als Absorbensflüssigkeit finden insbesondere organische Lösungsmittel, wie beispielsweise Amine oder aminhaltige Flüssigkeiten, Verwendung.
Die erste und zweite Absorptionskolonne 1, 11 beinhalten somit die Kombination aus selbstansaugenden Rührern 10, 10a, die zumindest im Bereich des Sumpfvolumens 2 Blasensäulen 28 erzeugen, mit einer Absorptionskolonne, wie sie üblicherweise aus dem Stand der Technik bekannt ist, die in Teilbereichen mit Einbauten 7 zur Erzeugung von Stoffaustauschflächen ausgestattet ist, welche durch unstrukturierte Füllkörperpackungen, strukturierte Packungsebenen und/oder mit solchen Stoffaustauschelementen ausgestattete Sieb- oder Glockenböden gebildet sind. Der oberhalb des Sumpfvolumens 2 befindliche, das Reaktionsvolumen 3 ausbildende Teil des Absorbers oder der jeweiligen Absorptionskolonne 1, 11 ist mit diesen unstrukturierten Füllkörperpackungen, den strukturierten Packungsebenen und/oder einer Kombination aus beidem bestückt. Der Sumpfbereich 6 der jeweiligen Absorptionskolonne 1, 11, der einen größeren Durchmesser als der darüber angeordnete Bereich der Absorptionskolonne 1, 11 aufweist, wird mit der Absorbensflüssigkeit 4 als Lösungsmittel gefüllt. Das Niveau und damit der Flüssigkeitsspiegel 5 der Absorbensflüssigkeit 4 bestimmt die Abscheideeffizienz der Blasensäule oder Blasensäulen 28. Je nach ökonomischer oder ökologischer Randbedingung ist es möglich, entweder den gesamten, dem jeweiligen Absorber oder der jeweiligen Absorptionskolonne 1, 11 zugeführten Rauchgasstrom 25 oder nur einen Teil desselben durch die selbstansaugenden Begasungsrührer 10, 10a zu führen und dem Sumpfbereich 6 des jeweiligen Absorbers oder der jeweiligen Absorptionskolonne 1, 11 zuzuführen. Die Regelung der Gasverteilung kann dabei durch ein Regelklappensystem unterstützt werden.
Neben der in 1 dargestellten Anordnung mehrerer kleiner selbstansaugender Rührer 10 am Umfang des Sumpfbereiches 6 und der in 2 dargestellten Anordnung eines großen selbstansaugenden Begasungsrührers 10a zentral im Sumpfbereich 6 ist es auch möglich Kombinationen dieser beiden Ausführungsformen vorzusehen, in dem beispielsweise sowohl ein zentraler Begasungsrührer 10a als auch umfangsmäßig verteilte kleinere Begasungsrührer 10 vorgesehen sind. Hierbei kann es weiterhin auch möglich sein, Begasungsrührer 10 umfangsmäßig in axial übereinanderliegenden Ebenen und dort ggf. in Umfangsrichtung versetzt zueinander anzuordnen. Auch ist es möglich, größere, axial und/oder radial zueinander versetzte, mit ihrer Drehachse in axialer Richtung des Absorbers oder der Absorptionskolonne 1, 11 ausgerichtete Begasungsrührer 10a vorzusehen.
Die 3 zeigt eine dritte Absorptionskolonne 13, die ein Sumpfvolumen 2 und darüber angeordnet ein Reaktionsvolumen 3 mit mehreren etagenförmig übereinander angeordneten Siebböden 14 umfasst. Im Sumpfvolumen 2, das immer auch ein Reaktionsvolumen darstellt, und/oder auf den Siebböden 14 sind nur teilweise dargestellte Füllkörper 19 angeordnet. Weiterhin befinden sich sowohl im Sumpfvolumen 2 als auch im Bereich eines jeden Siebbodens 14 selbstansaugende Begasungsrührer 10, mit welchem CO₂-haltiges Rauchgas 25 angesaugt und zur Ausbildung von Blasensäulen 28 in das jeweils angrenzende Flüssigkeitsvolumen an Absorbensflüssigkeit 4 ausgestoßen wird. Die Absorbensflüssigkeit 4 wird vom Sumpf aus abgesaugt und im Kreislauf dem oberen Ende der dritten Absorptionskolonne 13 zugeführt, so dass sich auf den Siebböden 14 ein Flüssigkeitsspiegel an Absorbensflüssigkeit 4 ausbildet und das Gas 25 die dritte Absorptionskolonne 13 im Gegenstrom zur Absorbensflüssigkeit 4 durchströmt.
Wie der 4 zu entnehmen ist, kann im Sumpfbereich 6 einer hier dargestellten vierten Absorptionskolonne 15 eine Füllkörperschicht oder eine geordnete Packung an Füllkörpern 16 ausgebildet sein. Dadurch, dass der Kolonnensumpf, in dem das CO₂-haltige Gas 25 dispergiert wird, zusätzlich eine Schicht 16 aus Füllkörpern oder strukturierten Packungen enthält, wird die Kontaktzeit der aufsteigenden Bläschen 28 mit der Absorbensflüssigkeit 4 als Lösungsmittel erhöht.
Die 5 zeigt eine Ausführungsform einer fünften Absorptionskolonne 17 bei welcher das Sumpfvolumen 2 und das weitere Reaktionsvolumen 3 nahtlos ineinander übergehen und die Absorbensflüssigkeit 4 innerhalb der fünften Absorptionskolonne 17 eine durchgehende Flüssigkeitssäule mit einem Flüssigkeitsspiegel 5a ausbildet. In der aus Absorbensflüssigkeit 4 bestehenden Flüssigkeitssäule sind nur andeutungsweise dargestellte Füllkörper 19 angeordnet. Außerdem sind im Bodenbereich und in verschiedenen Ebenen axial übereinander selbstansaugende Begasungsrührer 10 angeordnet, die das zu behandelnde, CO₂-haltige Rauchgas 25 ansaugen, welches dann über einen Ableitungsstutzen als Gas 18 die fünfte Absorptionskolonne 17 verlässt.
Die 6 und 7 zeigen eine sechste Absorptionskolonne 20 und eine siebte Absorptionskolonne 21, welche ähnlich der fünften Absorptionskolonne nach 5 aufgebaut sind. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass hier zentral jeweils ein motorangetriebener Rührer 22, 22a zentral in der jeweiligen Absorptionskolonne 20, 21 angeordnet ist, der in der jeweiligen Absorbensflüssigkeit 4 schwimmende Füllkörper 19 bewegt, wodurch die Kontaktzeit der Gasblasen der Blasensäulen 28 weiter erhöht werden.
Anstelle der bisher beschriebenen selbstansaugenden Begasungsrührer 10, 10a können auch ein oder mehrere Strahldüsendispergierer 27 zur Erzeugung von Blasen oder einer Blasensäule 28 innerhalb einer Absorbensflüssigkeit 4 insbesondere im Sumpfvolumen 2 des Sumpfbereiches 6 einer Absorptionskolonne Verwendung finden. Ein solcher Strahldüsendispergierer 27 ist in der 8 schematisch im Zusammenhang mit einer achten Absorptionskolonne 24 dargestellt. Hierbei wird in einer Zweistoffdüse 23 zentral eine Absorbensflüssigkeit 4 zugeführt, die aufgrund des Venturi-Effektes das zu reinigende CO₂-haltige Rauchgas 25 ansaugt und mit Hilfe eines Mischrohres 26 in der Flüssigkeitssäule aus das Lösungsmittel bildender Absorbensflüssigkeit 4 eine Blasensäule 28 erzeugt. Bei einem solchen Strahldüsendispergierer 27 verlässt dann das Gas 18 den jeweiligen Absorber oder die jeweilige Absorptionskolonne 29, nachdem das zu absorbierende CO₂ in der Absorbensflüssigkeit 4 gelöst wurde.
In einer nicht dargestellten Variation ist es auch möglich, die Blasensäulen 28 innerhalb der Flüssigkeitssäule aus einer ein Lösungsmittel ausbildenden Absorbensflüssigkeit 4 mit Hilfe eines oder mehrerer Ultraschallgeneratoren oder Ultraschalldispergierern zu erzeugen. Die Ultraschallgeneratoren oder -dispergierer können innerhalb der Flüssigkeit 4, aber auch an den Wandungen des jeweiligen Absorbers oder der jeweiligen Absorptionskolonne angeordnet sein. Mit Hilfe der Ultraschallgeneratoren oder -dispergierer werden dann die fein verteilten kleinen Blasen erzeugt, die durch ein in die jeweilige Flüssigsäule eingeleitetes, zu reinigendes CO₂-haltiges Gas 25 gebildet werden.
Die vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen von Absorptionskolonnen 1, 11, 13, 15, 17, 20, 21 und 24 können in jeder denkbaren Kombination miteinander kombiniert und auch hintereinander und/oder parallel geschaltet werden. Mehrere hintereinander und/oder parallel geschaltete Absorber oder Absorptionskolonnen bilden dann eine erfindungsgemäße Rauchgasbehandlungsanlage aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3820434 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Abtrennung von gasförmigen Komponenten aus einem Gasstrom, insbesondere von CO₂ aus dem Rauchgas eines fossil befeuerten Kraftwerks, unter Atmosphärendruck, wobei der Gasstrom, insbesondere das CO₂-haltige Rauchgas (26), einer Absorbensflüssigkeit unter Erzeugung einer Blasensäule in einem Sumpfvolumen (2) und/oder in einem Reaktionsvolumen (3) eines Füllkörper (19) aufweisenden Absorbers oder einer Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) zugeführt und unter Inkontaktbringung mit einer Absorbensflüssigkeit (4) durch den Absorber oder die Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas (26), dem Sumpfvolumen (2) und/oder dem Reaktionsvolumen (3) des Absorbers oder der Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) mittels mindestens eines selbstansaugenden Begasungsrührers (10, 10a) und/oder mindestens eines Strahldüsendispergierers (27) zugeführt wird und/oder in der Absorbensflüssigkeit der Wirkung eines Ultraschallgenerators und/oder Ultraschalldispergierers ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Gasstroms, insbesondere Rauchgases (26), dem Sumpfvolumen (2) und ein Teil des Gasstroms, insbesondere Rauchgases (26), dem darüber angeordneten Reaktionsvolumen (3) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas (26), dem Sumpfvolumen (2) über einen oder mehrere umfangsmäßig am Sumpfbereich (6) des Absorbers oder der Absorberkolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) verteilt angeordnete Begasungsrührer (10) und/oder Strahldüsendispergierer (27) und/oder über einen oder mehrere zentral im Sumpfvolumen (2) angeordnete Begasungsrührer (10a) und/oder Strahldüsendispergierer (27) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas (26), über mehrere axial beabstandete Begasungsrührer (10, 10a) und/oder Strahldüsendispergierer (27) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom, insbesondere das Rauchgas (26), im Gleichstrom und/oder Kreuzstrom und/oder Gegenstrom zu der Absorbensflüssigkeit (4) durch den Absorber oder die Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Absorbensflüssigkeit (4) ein anorganisches Lösungsmittel und/oder ein organisches Lösungsmittel, insbesondere ein Amin oder Amine enthaltendes Lösungsmittel, verwendet wird.
Absorber oder Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24), insbesondere eines fossil befeuerten Kraftwerks, mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Sumpfvolumen (2) und/oder einem Reaktionsvolumen (3), wobei zumindest das Sumpfvolumen (2) oder das Reaktionsvolumen (3) Füllkörper (19) aufweist und mit einer zugeordneten Gasleitung, insbesondere Rauchgasleitung (8), in gasführender Leitungsverbindung steht und wobei in dem Sumpfvolumen (2) und/oder dem Reaktionsvolumen (3) ein dem Absorber oder der Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) durch die gasführende Leitungsverbindung (9) zugeführter Gasstrom, insbesondere Rauchgasstrom, in Form einer Blasensäule in Kontakt mit einer Absorbensflüssigkeit (4) bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sumpfvolumen (2) und/oder dem Reaktionsvolumen (3) mindestens ein selbstansaugender Begasungsrührer (10, 10a) und/oder mindestens ein Strahldüsendispergierer (27) angeordnet ist, der mit der dem Absorber oder der Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) zugeordneten Gasleitung, insbesondere Rauchgasleitung (8), über die gasführende Leitungsverbindung (9) verbunden ist.
Absorber oder Absorptionskolonne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sumpfvolumen und/oder im Bereich des Sumpfvolumens (2) ein oder mehrere umfangsmäßig verteilt angeordnete Begasungsrührer (10, 10a) und/oder Strahldüsendispergierer (27) und/oder Ultraschallgeneratoren und/oder ein oder mehrere zentral im Sumpfvolumen (2) angeordnete Begasungsrührer (10a) und/oder Strahldüsendispergierer (27) angeordnet sind.
Absorber oder Absorptionskolonne nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber oder die Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) mehrere in axialer Richtung des Absorbers oder der Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) beabstandet zueinander angeordnete Begasungsrührer (10, 10a) und/oder Strahldüsendispergierer (27) aufweist.
Absorber oder Absorptionskolonne nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sumpfvolumen (2) oberhalb des mindestens einen Begasungsrührers (10, 10a) oder Strahldüsendispergierers (27) eine Schicht (16) aus Füllkörpern (19) oder strukturierten Packungen angeordnet ist.
Absorber oder Absorptionskolonne nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber oder Absorptionskolonne (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) oberhalb des Sumpfvolumens (2) mehrere übereinander angeordnete Siebböden (14) und/oder Glockenböden aufweist.
Absorber oder Absorptionskolonne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Siebboden (14) und/oder Glockenboden mindestens ein Begasungsrührer (10) und/oder Strahldüsendispergierer (27) zugeordnet ist.
Absorber oder Absorptionskolonne nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sumpfvolumen (2) und/oder dem Reaktionsvolumen (3) ein axial ausgerichteter Rührer (22, 22a) angeordnet ist.
Rauchgasbehandlungsanlage eines fossil befeuerten Kraftwerks, die mindestens zwei Gas-Flüssigkeits-Kontaktapparate in Form eines oder mehrerer Absorber und/oder einer oder mehrerer Absorptionskolonnen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Absorber oder Absorptionskolonnen (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) nach einem der Ansprüche 7 bis 13 aufweist.
Rauchgasbehandlungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Absorber oder Absorptionskolonnen (1, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 24) unter Ausbildung einer mehrstufigen Absorptionsanlage hintereinander und/oder parallel geschaltet angeordnet sind.