DE102009053009A1 - CO2 separation from flue gases by chemical scrubbing and apparatus for carrying out the process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Rauchgas mit den Schritten: - das Rauchgas wird einer Absorptionseinheit zugeführt, in dem zumindest ein Teil des COaus dem Rauchgas mit Hilfe eines der Absorptionseinheit zugeführten flüssigen Absorptionsmittels absorbiert wird, - das mit COangereicherte flüssige Absorptionsmittel wird einer Desorptionseinheit zugeführt und erhitzt, wobei wenigstens ein Teil des COaus dem Absorptionsmittel freigesetzt wird, - das freigesetzte COwird zusammen mit dem in der Desorptionseinheit verdampften Anteil an Absorptionsmittel aus der Desorptionseinheit ausgeschleust, und einer Gas/Flüssigtrenneinheit zugeführt, - in der Gas/Flüssigtrenneinheit wird das gasförmige COvon dem auskondensierten Absorptionsmittel abgetrennt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das freigesetzte COzusammen mit dem in der Desorptionseinheit verdampften Anteil an Absorptionsmittel aus der Desorptionseinheit zunächst als Wärmeträger einer Kohletrocknungseinheit zugeführt wird, bevor es der Gas/Flüssigtrenneinheit zugeführt wird.The invention relates to a method for separating carbon dioxide from a flue gas with the following steps: the flue gas is fed to an absorption unit in which at least part of the CO from the flue gas is absorbed using a liquid absorbent fed to the absorption unit, the liquid absorbent enriched with CO is fed to a desorption unit and heated, whereby at least part of the CO is released from the absorbent, - the released CO is discharged from the desorption unit together with the proportion of absorbent evaporated in the desorption unit and fed to a gas / liquid separation unit, - in the gas / liquid separation unit the gaseous CO is separated from the condensed absorbent. The method according to the invention is characterized in that the released CO together with the proportion of absorbent evaporated in the desorption unit from the desorption unit is first fed as a heat transfer medium to a coal drying unit before it is fed to the gas / liquid separation unit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur CO2-Abtrennung aus Kraftwerksabgasen (Rauchgasen) mit Hilfe einer chemischen Wäsche, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere eine Adsorptions-Desorptionsanlage.The invention relates to a method for CO 2 separation from power plant exhaust gases (flue gases) with the aid of a chemical wash, and a device for carrying out the method, in particular an adsorption desorption.
Stand der TechnikState of the art
Die Verbrennung der Braunkohle führt aufgrund ihrer elementaren Zusammensetzung zu hohen massenbezogenen spezifischen CO2-Emissionen. Daher wird versucht, das bei der Verbrennung der kohlenstoffhaltigen Brennstoffe entstandene CO2 abzutrennen und danach einzulagern, um es nicht in die Atmosphäre gelangen zu lassen. Grund für diese Bemühungen sind der Treibhauseffekt und die daraus resultierende globale Erwärmung.Due to their elemental composition, the combustion of lignite leads to high mass-related specific CO 2 emissions. Therefore, it is attempted to separate the resulting from the combustion of carbonaceous fuels CO 2 and then store it in order not to let it go into the atmosphere. The reason for this effort is the greenhouse effect and the resulting global warming.
Derzeit gibt es drei prinzipielle Konzepte der Abscheidung von Kohlendioxid, die sich in der Positionierung der Abtrennung im Energieumwandlungsprozess unterscheiden. Dies sind die CO2-Abtrennung vor der Energieumwandlung (Pre-Combustion), die Erzeugung eines CO2-reichen Rauchgases durch die Energieumwandlung in einer angereicherten Sauerstoffatmosphäre (Oxy-Fuel), und die CO2-Abtrennung nach der Energieumwandlung (Post-Combustion).There are currently three principal concepts of carbon dioxide capture that differ in the positioning of the separation in the energy conversion process. These are the CO 2 separation before the energy conversion (pre-combustion), the generation of a CO 2 -rich flue gas by the energy conversion in an enriched oxygen atmosphere (oxy-fuel), and the CO 2 separation after the energy conversion (post-combustion ).
Das Konzept der CO2-Abtrennung nach der Energieumwandlung weist dabei als End-of-pipe Problemlösung die Vorteile auf, dass die CO2-Abtrennung selbst nur einen geringen Einfluss auf die Verfügbarkeit der Energieumwandlungsanlage aufweist, und die Möglichkeit gegeben ist, bestehende Anlagen nachzurüsten. In den meisten Kraftwerken verlässt das Rauchgas den Schornstein, wobei das CO2, das einen Anteil von etwa 15 Vol.-% ausmacht (abhängig von dem jeweiligen Kraftwerk, Brennstoff, Feuerungsbedingungen etc.), in die Atmosphäre gelangt.The concept of CO 2 separation after energy conversion has the end-of-pipe problem solution as the advantages that the CO 2 separation itself has only a small influence on the availability of the energy conversion plant, and the possibility exists to retrofit existing facilities , In most power plants, the flue gas leaves the chimney, with the CO 2 , accounting for about 15% by volume (depending on the power plant, fuel, firing conditions, etc.), entering the atmosphere.
Für die Abtrennung von CO2 aus Rauchgas kommen diverse Verfahren zur Anwendung, beispielsweise die chemische bzw. physikalische Absorption in Absorptionstürmen oder in Membrankontaktoren oder eine CO2-selektive Membran.For the separation of CO 2 from flue gas, various methods are used, for example the chemical or physical absorption in absorption towers or in membrane contactors or a CO 2 -selective membrane.
Die CO2-Wäsche als chemische Absorption (CAS = Chemical Absorption System) funktioniert wie folgt. Das Rauchgas wird nach Entstickung und Entschwefelung und ggf. weitere Kühlung durch eine Waschflüssigkeit geleitet. Diese Flüssigkeit enthält in der Regel Amine. Das CO2 kann zunächst chemisch oder physikalisch in dem Waschmittel gebunden werden (Absorption). Im Anschluss wird die gesamte Reinigungsflüssigkeit erhitzt, wodurch das CO2 sich wieder von den Aminen trennt (Desorption). Das ausgewaschene CO2 ist nahezu rein und kann anschließend verdichtet und gegebenenfalls zu einem Speicher abtransportiert werden. Die aminhaltige Waschflüssigkeit ist nach dem Erhitzen wieder verwendbar. Für niedrige bis moderate CO2-Partialdrücke kann so eine Abrennung von 75 bis 90% erreicht werden.The CO 2 scrubbing as chemical absorption (CAS = Chemical Absorption System) works as follows. The flue gas is passed through a washing liquid after denitrification and desulfurization and possibly further cooling. This liquid usually contains amines. The CO 2 can first be bound chemically or physically in the detergent (absorption). Afterwards, the entire cleaning liquid is heated, whereby the CO 2 separates again from the amines (desorption). The washed-out CO 2 is almost pure and can then be compressed and possibly transported away to a storage. The amine-containing washing liquid is reusable after heating. For low to moderate CO 2 partial pressures, a separation of 75 to 90% can be achieved.
Die Regenerierung des Waschmittels ist jedoch ein energieaufwändiger Prozess, da die exotherme Reaktion Waschmittel-CO2 durch Wärmezufuhr rückgängig gemacht wird. Die benötigte Wärme, die dem Kraftwerksprozess entnommen wird, wirkt sich in der Regel nachteilig auf den Kraftwerkswirkungsgrad aus.The regeneration of the detergent, however, is an energy-consuming process, since the exothermic reaction detergent CO 2 is reversed by supplying heat. The required heat, which is taken from the power plant process, usually has a detrimental effect on the power plant efficiency.
Das mit CO2 angereicherte Rohgas tritt in der Regel von unten in den Absorber ein und durchströmt diesen nach oben. Sauberes, CO2-abgereichertes Waschmittel (Absorptionsmittel) wird der Absorptionskolonne über den Schüttungen zugegeben und rieselt im Gegenstrom zum Gas nach unten. Beim intensiven Kontakt zwischen Gas und Waschmittel in den Schüttungen belädt sich das Waschmittel in Richtung des thermodynamischen Gleichgewichts mit dem aus dem Gas auszuwaschenden CO2, so dass das Rauchgas die Waschkolonne mit verringertem CO2-Gehalt verlässt, das Waschmittel hingegen mit CO2 angereichert ist.The enriched with CO 2 raw gas usually enters from below into the absorber and flows through it to the top. Clean, CO 2 -depleted detergent (absorbent) is added to the absorption column over the beds and trickles down in countercurrent to the gas. During intensive contact between gas and detergent in the beds, the detergent loads in the direction of the thermodynamic equilibrium with the CO 2 to be washed out of the gas, so that the flue gas leaves the scrubbing column with reduced CO 2 content, whereas the detergent is enriched with CO 2 ,
Vor einer erneuten Verwendung als CO2-abgereichertes Waschmittel zur Auswaschung muss es selbst von seiner CO2-Beladung befreit werden. Die Regenerierung des Waschmittels findet bevorzugt bei erhöhter Temperatur statt, so dass aus Gründen der energetischen Optimierung ein erster Wärmeaustauscher das beladene Waschmittel erwärmt und gleichzeitig das warme, regenerierte und damit wieder CO2-abgereicherte Waschmittel kühlt. Eine weitere Aufheizung des Absorptionsmittels kann entweder in einem Heizer vor dem Desorber erfolgen oder in einem weiteren Apparat, der sich am Sumpf der Regenerierkolonne befindet. Das erhitzte Waschmittel rieselt im Desorber über die Schüttung hinab, wobei ein Teil des CO2 wieder in die Gasphase übergeht und im Desorber nach oben steigt.Before being used again as CO 2 -depleted washing agent for leaching, it must itself be freed from its CO 2 loading. The regeneration of the detergent preferably takes place at elevated temperature, so that, for reasons of energy optimization, a first heat exchanger heats the laden detergent and at the same time cools the warm, regenerated and thus again CO 2 -emitted detergent. Further heating of the absorbent can take place either in a heater before the desorber or in another apparatus which is located at the bottom of the regenerating. The heated detergent trickles down in the desorber over the bed, whereby a part of the CO 2 goes back into the gas phase and rises in the desorber upwards.
Am Kopf des Desorbers wird das gasförmige CO2 durch einen weiteren Wärmeaustauscher abgekühlt, wobei verdampftes Waschmittel auskondensiert und über eine Leitung in den Desorptionsprozess zurück geleitet wird. Mit dem Rohgas in den Prozess eingebrachtes Wasser kann hier gegebenenfalls ebenfalls ausgeschleust werden.At the head of the desorber, the gaseous CO 2 is cooled by a further heat exchanger, whereby evaporated detergent is condensed out and returned via a line in the desorption process. If necessary, water introduced into the process with the raw gas can also be discharged here.
Alternativ oder zusätzlich ist eine Desorption durch Druckabsenkung mit Hilfe einer am Kopf des Desorbers angeordneten Vakuumpumpe durchführbar.Alternatively or additionally, desorption can be carried out by lowering the pressure with the aid of a vacuum pump arranged at the head of the desorber.
Das CO2-abgereicherte Waschmittel aus dem Sumpf der Regeneriersäule kann nun im Absorber erneut beladen werden. Dafür ist es auf Absorbertemperatur abzukühlen, wozu außer dem Waschmittel-Gegenströmer in der Regel noch ein zweiter Wärmeaustauscher mit Kühlwasser dient.The CO 2 -depleted detergent from the bottom of the regeneration column can now in Absorber be loaded again. For this purpose, it is to cool to absorber temperature, which is used in addition to the detergent countercurrent usually a second heat exchanger with cooling water.
Je nach dem, welche Bindungskräfte zwischen der Übergangskomponente und der Absorptionsflüssigkeit wirken, spricht man von physikalischen oder chemischen Waschmitteln. Flüssigkeiten, bei denen beide Bindungsarten in relevanter Größenordnung auftreten, nennt man Hybrid-Waschmittel.Depending on the binding forces between the transition component and the absorption liquid act, one speaks of physical or chemical detergents. Liquids in which both types of binding occur in relevant order of magnitude are called hybrid detergents.
Bislang sind als Waschmittel insbesondere Lösungsmittel auf Aminbasis bekannt, beispielsweise Diethanolamin, Triethanolamin, aktiviertes Methyldiethanolamin und Monoethanol amine. Von Mono-Ethanol-Amin (MEA) ist bekannt, dass auf Grund der starken Bindungswirkung zwischen CO2 und MEA eine hohe Desorptionstemperatur von ca. 120 bis 130°C notwendig ist. Dieser Energiebedarf muss vom Kraftwerk zusätzlich zur Verfügung gestellt werden und reduziert so nachteilig den Wirkungsgrad um ca. 11 bis 13%-Punkte.So far, detergents, in particular amine-based solvents are known, for example, diethanolamine, triethanolamine, activated methyldiethanolamine and monoethanol amine. From mono-ethanol-amine (MEA) it is known that a high desorption temperature of about 120 to 130 ° C is necessary due to the strong binding effect between CO 2 and MEA. This energy requirement must be additionally provided by the power plant and thus adversely reduces the efficiency by about 11 to 13 percentage points.
Im Technikumsmaßstab werden derzeit daher auch alternative Waschmittel untersucht, die auf Grund ihrer geringeren Wärmekapazität und/oder geringeren Absorptionsenthalpie einen geringeren Bedarf an Regenerationsenergie benötigen würden. Von der Technischen Universität Dresden wird beispielsweise das Waschmittel GenosorbN getestet, welches nach derzeitiger Stand eine deutliche Energieeinsparung vermuten lässt.On a pilot plant scale, alternative detergents are currently being investigated that would require less regeneration energy due to their lower heat capacity and / or lower absorption enthalpy. For example, the Technical University of Dresden is testing the detergent GenosorbN, which, according to the current state of affairs, suggests significant energy savings.
Stand der Technik der BraunkohletrocknungState of the art lignite drying
Die Braunkohle enthält bis zu 60 Gew.-% Wasser. Für die Verdampfung des in der Kohle enthaltenen Wassers sind in den konventionellen Braunkohlekraftwerken je nach Wassergehalt der Braunkohle 15 bis 20 Gew.-% der Brennstoffmenge notwendig. Daher steht diese Brennstoffmenge der Dampferzeugung und damit der Stromerzeugung nicht mehr zur Verfügung. Auch für die Anwendung der CO2-Abtrennung (unabhängig von dem Abscheidungskonzept) sollte die Braunkohle getrocknet werden.The brown coal contains up to 60% by weight of water. For the evaporation of the water contained in the coal 15 to 20 wt .-% of the fuel quantity are necessary in the conventional lignite power plants depending on the water content of lignite. Therefore, this fuel quantity of steam generation and thus the power generation is no longer available. Also for the application of CO 2 separation (regardless of the deposition concept), the lignite should be dried.
Derzeit wird die Braunkohle mit heißen Rauchgasen bei einer Temperatur von 900 bis 1000°C getrocknet, wobei die Rauchgase aus dem Feuerraum abgezogen werden. Zwecks Erhöhung des Wirkungsgrades der braunkohlebefeuerten Kraftwerke wäre jedoch eine Trocknung der Braunkohle auf einem niedrigeren Temperaturniveau vorteilhaft.Currently, the lignite is dried with hot flue gases at a temperature of 900 to 1000 ° C, the flue gases are withdrawn from the furnace. However, in order to increase the efficiency of the lignite-fired power plants, it would be advantageous to dry the lignite at a lower temperature level.
Für den Einsatz bei Kraftwerken wurden bereits verschiedene Trocknungs- und Entwässerungsverfahren entwickelt, so beispielsweise der Wirbelschichttrockner, bei dem das Kohlewasser beim Durchlaufen der Wirbelschicht verdampft. Bei den derzeit in der Entwicklung befindlichen Trocknungsverfahren wird die für die Trocknung erforderliche Energie in der Regel durch einen dampfbeheizten Wärmeaustauscher bereitgestellt. Neben Heizdampf mit 10 bis 12 bar kann alternativ und vorzugsweise auch Heizdampf aus einer Niederdruckturbine bei nur ca. 3 bar entnommen werden, der mit ca. 133°C Wärme zur Trocknung der Braunkohle zur Verfügung steht. Die Trocknung erfolgt bei einem Druck von ca. 1,1 bar und bei einer Wirbelschichttemperatur von ca. 110°C in nahezu reiner Wasserdampfatmosphäre.Various drying and dewatering processes have already been developed for use in power plants, for example the fluidized-bed dryer in which the carbonic acid evaporates as it passes through the fluidized bed. In the drying processes currently under development, the energy required for drying is usually provided by a steam-heated heat exchanger. In addition to heating steam at 10 to 12 bar, alternatively and preferably, heating steam can also be taken from a low-pressure turbine at only about 3 bar, which is available at about 133 ° C. for drying the brown coal. The drying takes place at a pressure of about 1.1 bar and at a fluidized bed temperature of about 110 ° C in almost pure steam atmosphere.
Ein Teil der Wärme des verdampften Wassers aus der Braunkohle kann zurück gewonnen werden, indem die Brüden (Wasserdampf aus der Braunkohletrocknung) entweder zur Kesselspeisewasservorwärmung oder ebenfalls zur Beheizung der Braunkohletrocknung verwendet werden. Im ersten beschriebenen Fall ist für die Kohletrocknung eine Dampfentnahme aus dem Dampfkraftprozess notwendig. Im zweiten beschriebenen Teil müssen für die Kohletrocknung die Brüden mit einem Kompressor erneut verdichtet werden, damit ein Temperaturgefälle zwischen den abzukühlenden Brüden und dem zu verdampfenden Wasser aus der Braunkohle gegeben ist. Trotz der Wärmerückgewinnung ist die Braunkohletrocknung aufgrund der Dampfentnahme bzw. aufgrund der wiederholten Verdichtung der Brüden ein energieaufwändiger Prozess.Part of the heat of the evaporated water from lignite can be recovered by using the vapors (steam from lignite drying) either for boiler feedwater pre-heating or also for lignite drying. In the first case described, steam extraction from the steam power process is necessary for coal drying. In the second described part, the vapors must be recompressed with a compressor for coal drying, so that a temperature gradient between the cooled vapors and the water to be evaporated from the lignite is given. Despite the heat recovery lignite drying is an energy-consuming process due to the steam extraction or due to the repeated compression of the vapors.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren zur effektiven Reduzierung von CO2-Emissionen aus den Abgasen von Feuerungsanlagen bereitzustellen, welches insgesamt energieeffizienter und somit kostengünstiger als bislang ist.The object of the invention is to provide a further method for the effective reduction of CO 2 emissions from the exhaust gases of combustion plants, which is overall more energy efficient and thus cheaper than before.
Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens bereit zu stellen.Furthermore, it is the object of the invention to provide a suitable device for carrying out the aforementioned method.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit der Merkmale des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweils darauf rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.The objects of the invention are achieved by a method according to the main claim and by a device with the entirety of the features of the independent claim. Advantageous embodiments are shown in the respective dependent claims.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Verfahren zur Reduzierung von CO2-Emissionen aus den Abgasen von Feuerungsanlagen, insbesondere aus Rauchgasen von Energieumwandlungsanlagen, mit einer integrierten Kohletrocknung, insbesondere einer Braunkohletrocknung. Ferner betrifft die Erfindung eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Vorrichtung.The invention relates to a combined method for reducing CO 2 emissions from the exhaust gases of combustion plants, in particular from flue gases of energy conversion plants, with an integrated coal drying, especially a lignite drying. Furthermore, the invention relates to a device suitable for carrying out this method.
In Folgenden wird unter Feuerungsanlage jede Anlage verstanden, in der ein gasförmiger, flüssiger und/oder fester Brennstoff zur Nutzung der erzeugten Wärme oxidiert wird. Dazu zählen beispielsweise Gasbrenner, die mit Erdgas, Flüssiggas, Stadtgas oder Deponiegas betrieben werden, Ölbrenner, die z. B. mit Erdöl, Heizöl, oder auch Alkoholen betrieben werden, und auch Rostfeuerungen für stückige Brennstoffe, wie beispielsweise gasreiche Steinkohle oder Holzhackschnitzel, Wirbelschichtfeuerungen oder Staubfeuerungen. In the following, the term firing plant is understood to mean any plant in which a gaseous, liquid and / or solid fuel is oxidized to utilize the heat generated. These include, for example, gas burners, which are operated with natural gas, liquefied petroleum gas, city gas or landfill gas, oil burners, the z. B. with petroleum, fuel oil, or alcohols are operated, and also grate firing for particulate fuels, such as gas-rich coal or woodchips, fluidized bed or dust firing.
Rauchgas nennt man das bei der technischen Verbrennung von Brennstoffen entstehende gasförmige Verbrennungsprodukt. Rauchgase umfassen in der Regel feste, flüssige und/oder gasförmige Verunreinigungen, wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Stickstoffoxid und Wasserdampf als Gase, Festkörperpartikel, wie Flugasche und Ruß, und gegebenenfalls auch noch Kohlenmonoxid oder Wasserstoff.Flue gas is the gaseous combustion product produced during the technical combustion of fuels. Flue gases usually include solid, liquid and / or gaseous impurities such as nitrogen, carbon dioxide, sulfur dioxide, nitrogen oxide and water vapor as gases, solid particles such as fly ash and soot, and optionally also carbon monoxide or hydrogen.
Die Idee der Erfindung basiert darauf, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte und effektivere CO2-Abtrennung aus einem Rauchgas mittels chemischer Absorption zur Verfügung zu stellen, bei der zur effektiveren Energieausbeute dieses Prozesses und unter Ausnutzung von Synergieeffekten eine Kohletrocknung integriert ist. Dazu wird ein bei der CO2-Abtrennung aus einem Rauchgas benötigter Abkühlungsschritt vorteilhaft dazu benutzt, Kohle, insbesondere feuchte Braunkohle, wenigstens zum Teil zu trocknen.The idea of the invention is based on providing improved and more effective CO 2 separation from a flue gas by means of chemical absorption compared to the prior art, in which coal drying is integrated for the more effective energy yield of this process and taking advantage of synergy effects. For this purpose, a cooling step required in the CO 2 separation from a flue gas is advantageously used to at least partially dry coal, in particular moist brown coal.
Erfindungsgemäß findet die CO2-Abtrennung aus dem Rauchgas mittels chemischer Wäsche statt. Nach der chemischen (oder physikalischen) CO2-Bindung in einem geeigneten Waschmittel (Absorptionsmittel) wird die CO2-reiche Waschlösung in eine Desorptionskolonne geleitet. Durch eine Erhitzung der CO2-reichen Waschlösung wird das absorbierte CO2 aus der Waschlösung ausgetrieben. Die Erhitzung der Waschlösung kann beispielsweise durch einen, mit aus den Turbinen entnommenem Niederdruckdampf betriebenen, Wärmeaustauscher erfolgen. Zusammen mit CO2 wird in der Regel auch ein Teil der Waschlösung, insbesondere Wasser, verdampft. Die Menge der verdampften Waschlösung variiert dabei je nach den Betriebsbedingungen des Prozesses, insbesondere Temperatur, Druck, CO2-Beladung der Waschlösung. Als Waschlösungen sind insbesondere Flüssigkeiten auf Aminbasis geeignet. Zur Abtrennung des CO2 aus der verdampften Waschlösung sind regelmäßig eine Abkühlung sowie eine sich anschließende Gas/Flüssigtrennung vorgesehen. Die vorherige Abkühlung wird insoweit benötigt, als eine möglichst effektive Abtrennung, mit anderen Worten ein möglichst reiner CO2-Strom, angestrebt wird. Je tiefer die Temperatur bei der Gas/Flüssigtrennung gewählt wird, umso vollständiger kann die zuvor verdampfte Waschlösung wieder auskondensieren.According to the invention, the CO 2 separation takes place from the flue gas by means of chemical scrubbing. After chemical (or physical) CO 2 binding in a suitable detergent (absorbent), the CO 2 -rich wash solution is passed into a desorption column. By heating the CO 2 -rich wash solution, the absorbed CO 2 is expelled from the wash solution. The heating of the washing solution can be effected, for example, by a heat exchanger operated with low-pressure steam taken from the turbines. As a rule, part of the washing solution, in particular water, is evaporated together with CO 2 . The amount of the evaporated wash solution varies depending on the operating conditions of the process, in particular temperature, pressure, CO 2 loading of the wash solution. As washing solutions, in particular amine-based liquids are suitable. For the separation of the CO 2 from the evaporated washing solution a cooling and a subsequent gas / liquid separation are provided regularly. The previous cooling is required so far as the most effective separation, in other words the purest possible CO 2 stream, is desired. The lower the temperature selected during the gas / liquid separation, the more completely the previously evaporated wash solution can condense out again.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist es nun, anstelle oder zumindest zusätzlich zu dieser bislang vorgesehenen Abkühlung, die üblicherweise mit einem Kühlmittel bewerkstelligt wird, einen weiteren Wärme aufnehmenden Prozess zu integrieren, insbesondere an dieser Stelle eine Kohletrocknung zu integrieren. Zur Kohletrocknung, insbesondere bei der Trocknung von feuchter Braunkohle, wird Energie in Form von Wärme benötigt.The idea underlying the invention is now, instead of or at least in addition to this cooling provided so far, which is usually accomplished with a coolant to integrate a further heat-absorbing process, in particular to integrate at this point a coal drying. Coal drying, especially when drying moist brown coal, requires energy in the form of heat.
Gemäß der Lehre der Erfindung wird das gasförmige, freigesetzte CO2 zusammen mit dem in der Desorptionseinheit verdampften Absorptionsmittel (Waschlösung) am Kopf der Desorptionseinheit (Kolonnenkopf) abgezogen und einer Kohletrocknungseinheit, insbesondere einer Braunkohletrocknungseinheit, zugeführt. Das freigesetzte CO2 und das verdampfte Absorptionsmittel weisen beim Verlassen der Desorptionseinheit häufig einen Überdruck auf. Typische Druckverhältnisse liegen zwischen 1 und 8 bar, insbesondere zwischen 2 und 6 bar. Die zur Desorption (Freisetzung) des CO2 aus dem Absorptionsmittel benötigten Temperaturen liegen für aminbasierte Waschlösungen in der Regel deutlich über 100°C. Dementsprechend weist das freigesetzte CO2 zusammen mit dem in der Desorptionseinheit verdampften Anteil an Absorptionsmittel beim Verlassen der Desorptionseinheit üblicherweise Temperaturen von mehr als 100°C, insbesondere mehr als 120°C, und vorteilhaft mehr als 130°C auf.According to the teaching of the invention, the gaseous CO 2 released together with the adsorption unit evaporated in the desorption unit (scrubbing solution) is withdrawn at the top of the desorption unit (column head) and fed to a coal drying unit, in particular a lignite drying unit. The released CO 2 and the vaporized absorbent often have an overpressure on leaving the desorption unit. Typical pressure conditions are between 1 and 8 bar, in particular between 2 and 6 bar. The temperatures required for the desorption (release) of the CO 2 from the absorbent are generally well above 100 ° C. for amine-based washing solutions. Accordingly, the CO 2 liberated, together with the fraction of absorbent evaporated in the desorption unit, when leaving the desorption unit usually has temperatures of more than 100 ° C., in particular more than 120 ° C., and advantageously more than 130 ° C.
Diese aufgeheizte und gegebenenfalls unter Druck stehende Mischung ist vorteilhaft dazu geeignet, als Wärmeüberträger für den Prozess der Kohletrocknung eingesetzt zu werden. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, das freigesetzte CO2 zusammen mit dem in der Desorptionseinheit verdampften Anteil an Absorptionsmittel, welches aus der Desorptionseinheit ausgeschleust wird, direkt zu einer Kohletrocknungseinheit zu leiten, um dort zumindest zur teilweisen Trocknung der Kohle eingesetzt zu werden. Vorteilhaft fungiert diese Mischung als Medium für einen Wärmeaustauscher, der in der Kohletrocknung angeordnet ist. Beispielsweise wird dieser durch die Mischung gespeiste Wärmeaustauscher direkt in der Wirbelschicht eines Wirbelschichttrockners einer Kohletrocknungseinheit angeordnet. Zusätzlich können auch weitere Wärmeüberträger, zum Beispiel mit Dampf betriebene Wärmeaustauscher, wie bislang üblich innerhalb der Kohletrocknungseinheit angeordnet sein.This heated and possibly pressurized mixture is advantageously suitable to be used as a heat transfer agent for the process of coal drying. For this purpose, the invention provides for the released CO 2, together with the vaporized in the desorption unit of absorbent, which is discharged from the desorption, direct to a coal drying unit to be used there at least for partial drying of the coal. Advantageously, this mixture acts as a medium for a heat exchanger, which is arranged in the coal drying. For example, this heat exchanger fed by the mixture is placed directly in the fluidized bed of a fluidized bed dryer of a coal drying unit. In addition, other heat exchangers, for example, with steam-operated heat exchangers, as previously customary be arranged within the coal drying unit.
Die Kondensation der verdampften Waschlösung findet bei entsprechendem Druck regelmäßig bei einer Temperatur statt, die über der Temperatur der Kohletrocknung liegt, so dass das in der Kohle enthaltene Wasser zumindest teilweise verdampft.The condensation of the evaporated washing solution takes place at a corresponding pressure regularly at a temperature which is above the temperature of the coal drying, so that the water contained in the coal at least partially evaporated.
Dennoch kann es während des Wärmeübergangs auf die zu trocknende Kohle zumindest teilweise schon zu einer Kondensation des verdampften Absorptionsmittels kommen. Nevertheless, during the heat transfer to the coal to be dried, at least some condensation of the vaporized absorbent may already occur.
Die eigentliche Trennung des gasförmigen CO2 von dem Absorptionsmittel erfolgt regelmäßig in der nachgeschalteten Gas/Flüssigtrenneinheit. Je niedriger die Temperaturen in der Gas/Flüssigtrenneinheit, desto besser ist der Abtrenngrad. Je nach den Rahmenbedingungen kann die Mischung nach Durchlaufen der Kohletrocknungseinheit direkt der Gas/Flüssigtrenneinheit zugeführt werden, oder bei Bedarf auch noch zuvor weiter abgekühlt werden.The actual separation of the gaseous CO 2 from the absorbent takes place regularly in the downstream gas / liquid separation unit. The lower the temperatures in the gas / liquid separation unit, the better the degree of separation. Depending on the conditions, the mixture can be fed directly to the gas / liquid separation unit after passing through the coal drying unit, or, if necessary, also be further cooled before.
Die kondensierte Waschlösung aus dem Wärmetauscher wird nach dem Durchlaufen des Kohletrockners vom CO2-reichen Gastrom abgetrennt und zur Waschlösungsaufbereitung zurückgeführt. Bei Bedarf kann die Waschlösung zuvor aufbereitet und gegebenenfalls über einen weiteren Wärmeaustauscher entsprechend temperiert werden.The condensed wash solution from the heat exchanger is separated after passing through the coal dryer from CO 2 -rich gas stream and returned to the washing solution treatment. If necessary, the washing solution can be prepared beforehand and, if appropriate, appropriately tempered via a further heat exchanger.
Das verdampfte Wasser aus der Kohletrocknung (Brüden) kann wie bislang zur Speisewasservorwärmung, Fernheizung oder zu einem anderen Zweck verwendet werden. Ein Teil des entstandenen Wasserdampfes kann zur direkten Verwirbelung der zu trocknenden Braunkohle und zur Herstellung der schwebenden Wirbelschicht verwendet werden oder auch zusätzlich als Wärmtauscher den Braunkohletrocknungsprozess unterstützen.The evaporated water from the coal drying (vapors) can be used as previously for feedwater heating, district heating or for another purpose. Part of the resulting water vapor can be used for direct turbulence of the brown coal to be dried and for the production of the floating fluidized bed or in addition as a heat exchanger to support the brown coal drying process.
Neben dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es aber auch prinzipiell denkbar, die Wärme für die Braunkohletrocknung an einer anderen Stelle aus dem Adsorptions/Desorptionsprozess auszuschleusen, beispielsweise indem die aufgeheizte regenerierte Waschlösung zunächst zur Braunkohletrocknung eingesetzt wird, bevor sie zur Vorheizung des mit CO2-beladenen Waschwassers vor der Desorptionskolonne verwendet wird.In addition to this advantageous embodiment of the invention, it is also conceivable in principle, auszuschleusen the heat for lignite drying at another point from the adsorption / desorption, for example, by the heated regenerated wash solution is first used for lignite drying before they are used for preheating of CO 2 - loaded wash water before the desorption column is used.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein großer Teil der Energie zur Kohletrocknung, insbesondere vollständig oder zum Teil durch die Abwärme aus dem CO2-Reduzierungsprozess bereitgestellt werden kann, insbesondere durch die Wärme, die für die Desorption des CO2 aus dem beladenen Waschwasser benötigt wird. Durch die Kondensation der verdampften Waschlösung außerhalb der Desorptionskolonne ist es vorteilhaft möglich, den Energieaufwand zur Kohletrocknung zumindest teilweise zu decken. Dadurch entfällt einerseits die Menge an Kühlwasser zur Abkühlung der Waschlösung oder reduziert sich zumindest, und anderseits muss weniger Energie aus anderen Prozessen, insbesondere in Form von Dampf aus der Turbine, zur Trocknung der Braunkohle ausgekoppelt werden. Dies führt in der Summe zur deutlichen Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades.The advantage of the invention is that a large part of the energy for coal drying, in particular completely or partly by the waste heat from the CO 2 reduction process can be provided, in particular by the heat, for the desorption of CO 2 from the loaded wash water is needed. Due to the condensation of the evaporated washing solution outside the desorption column, it is advantageously possible to cover the energy required for drying the coal at least partially. As a result, on the one hand eliminates the amount of cooling water to cool the wash solution or at least reduced, and on the other hand, less energy from other processes, in particular in the form of steam from the turbine to be decoupled for drying the lignite. In total, this leads to a significant increase in power plant efficiency.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass dadurch der Schutzbereich eingeschränkt wird. Der zuständige Fachmann kann in diesen ohne Weiteres analoge Abwandlungen als zur Erfindung zugehörig erkennen.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments, without this limiting the scope of protection. The person skilled in the art can readily recognize analogous modifications in these as belonging to the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Fig. 1 bis Fig. 4:
- a
- CO2-haltiges Rauchgas,
- b
- CO2-abgereichertes Abgas,
- c
- mit CO2-angereicherte Waschflüssigkeit (Absorptionsmittel),
- d
- regenerierte, CO2-abgereicherte Waschflüssigkeit,
- e
- verdampfte Waschflüssigkeit mit CO2,
- f
- kondensierte Waschflüssigkeit mit CO2
- g
- abgetrenntes, gasförmiges CO2
- h
- kondensierte und vom gasförmigen CO2 abgetrennte Waschflüssigkeit
- i
- feuchte Roh-Braunkohle
- j
- getrocknete Braunkohle
- k
- Dampf
- l
- Kondensat
- m
- Brüden
- n
- Brüdenkondensat
- 1
- Absorptionseinheit
- 2
- Desorptionseinheit
- 3a, 3b
- Trenneinheit gasförmig/flüssig
- 4
- Kohletrocknungseinheit
- WT1–WT7
- Wärmeaustauscher
- a
- CO 2 -containing flue gas,
- b
- CO 2 -depleted offgas,
- c
- with CO 2 -enriched washing liquid (absorbent),
- d
- regenerated, CO 2 -depleted washing liquid,
- e
- evaporated washing liquid with CO 2 ,
- f
- condensed scrubbing liquid with CO 2
- G
- separated, gaseous CO 2
- H
- condensed and separated from the gaseous CO 2 washing liquid
- i
- moist raw lignite
- j
- dried lignite
- k
- steam
- l
- condensate
- m
- vapors
- n
- vapor condensate
- 1
- absorbing unit
- 2
- desorption
- 3a, 3b
- Separating unit gaseous / liquid
- 4
- Coal drying unit
- WT1 WT 7
- heat exchangers
Die
Aus einer Tonne Roh-Braunkohle mit einem Wassergehalt von 60 Gew.-% und einem Kohlenstoffgehalt von 68,3 Gew.-% wasser-und-aschefrei werden ca. 974,686 kg CO2 freigesetzt. Bei einem spezifischen Energiebedarf von 4 MJ/kg CO2 werden bei der Regeneration ca. 3,898 GJ Wärme benötigt. Anschließend wird diese Wärme dann in der aufgewärmten und verdampften Waschlösung zusammen mit dem freigesetzten CO2 über Wärmetauscher zwecks Abkühlung der Waschlösung für den erneuten Einsatz und zwecks Aufkonzentration von CO2 abgeführt. From a ton of raw lignite with a water content of 60 wt .-% and a carbon content of 68.3 wt .-% water and ash-free about 974.686 kg of CO 2 are released. At a specific energy requirement of 4 MJ / kg CO 2 , approximately 3,898 GJ of heat is needed during regeneration. Subsequently, this heat is then removed in the warmed and evaporated wash solution together with the released CO 2 via heat exchangers to cool the wash solution for re-use and for the purpose of concentration of CO 2 .
Im Einzelnen wird in
In
Beim in
In
Nach der ggf. Entstickung, Entstaubung, Entschwefelung und ggf. weiteren Kühlung wird das Rauchgas (a) der Absorptionseinheit (
Nach dem Durchlaufen des Wärmeaustauschers (WT6) in der Kohletrocknungseinheit (
Dafür stehen zwei Alternativen zur Verfügung, die gegebenenfalls auch kumulativ eingesetzt werden können.There are two alternatives available for this, which can also be used cumulatively if necessary.
In einer ersten Ausführung der Erfindung wird das die Kohletrocknungseinheit verlassende CO2 zusammen mit der in der Desorptionseinheit (
In einer weiteren Alternative wird das die Kohletrocknungseinheit verlassende CO2 zusammen mit der in der Desorptionseinheit (
Je nach Rahmenbedingung und Kreislaufführung der Waschlösung kann auch eine Vorgehensweise vorteilhaft sein, bei der beide oben aufgezeigten Wege gleichzeitig beschritten werden. Durch eine Steuerung könnten die Anteile für eine direkte Rückführung zur Desorptionseinheit oder zur Absorptionseinheit vorteilhaft direkt nach Anforderung geregelt werden.Depending on the framework conditions and circulation of the washing solution, a procedure may also be advantageous in which both paths indicated above are taken simultaneously. By a control, the proportions for a direct return to the desorption unit or to the absorption unit could advantageously be regulated directly as required.
Das verdampfte Wasser aus der Kohletrocknung (Brüden) kann zur Speisewasservorwärmung, Fernheizung oder zu einem anderen Zweck verwendet werden. Nach der Wärmeabgabe wird das Brüdenkondensat ggf. der Wasseraufbereitung zugeführt. Ein Teil des entstandenen Wasserdampfes kann wie beim Stand der Technik zur Verwirbelung der zu trocknenden Braunkohle und zur Herstellung der schwebenden Wirbelschicht verwendet werden.The evaporated water from the coal drying (vapors) can be used for feedwater heating, district heating or for any other purpose. After the heat release the vapor condensate is optionally fed to the water treatment. Part of the resulting water vapor can be used as in the prior art for turbulence of the brown coal to be dried and for the production of the floating fluidized bed.
Bei der erfindungsgemäßen Nutzung der Abwärme aus der Wascheinheit bei der Kohletrocknung kann vorteilhaft auf die Entnahme des Dampfes zur Kohletrocknung ganz oder teilweise verzichtet werden, bzw. die energieaufwendige Rekompression der Brüden eingespart werden.When using the waste heat from the washing unit according to the invention in the drying of coal can be advantageous to dispense with the removal of the steam for drying coal completely or partially, or the energy-consuming recompression of the vapors are saved.
Insbesondere durch die Verwendung von durch diese Art getrockneter Braunkohle im Kraftwerksprozess kann ein Wirkungsgradgewinn von bis zu 4%-Punkte erreicht werden. Unter Berücksichtigung der Verluste aus der CO2-Abtrennung ergibt sich für den Gesamtprozess ein Wirkungsgradverlust von nur 6%-Punkte.In particular, by the use of lignite dried by this type in the power plant process, an efficiency gain of up to 4% points can be achieved. Taking into account the losses from the CO 2 separation results in a loss of efficiency of only 6 percentage points for the entire process.
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