DE102009053374A1 - Verfahren zur Verwendung von Kohlendioxid - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die eine weitgehende Verwertung von Kohlendioxid erlaubt. Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid gegeben, wobei Kohlendioxid mit Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltigem Material bei erhöhter Temperatur und gegebenenfalls Druck zur Reaktion gebracht und dabei das Kohlendioxid durch Reaktion mit dem Kohlenstoff größtenteils in Kohlenmonoxid umgewandelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung von Kohlendioxid sowie eine Beschreibung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Kohlendioxid ist eine Verbindung, die bei der Verbrennung, von kohlenstoffhaltigen Substanzen wie Holz, Kohle, Erdöl, Erdgas, Stadtgas und dergleichen aus dem Kohlenstoff der Substanz mit Sauerstoff gebildet wird. Das entstehende Kohlendioxid wird bei den meisten Prozessen in die Atmosphäre entlassen. Kohlendioxid wird aber auch bei anderen industriellen Prozessen (Hochofenprozesse, Betonproduktion) freigesetzt. Seit geraumer Zeit wird die klimaschädliche Wirkung dieses in großen Mengen aus fossilen Brennstoffen entstehenden und in die Erdatmosphäre gelangenden Kohlendioxids diskutiert. Über internationale Abkommen werden daher Regelwerke erstellt, mit denen sich die Teilnehmerstaaten verpflichten, den Kohlendioxid-Ausstoß in die Atmosphäre zu reduzieren.
  • Derzeit besteht Konsens darüber, dass die Verbrennung fossiler Brennstoffe auch weiterhin zur Sicherung der Energieversorgung genutzt werden wird, da z. B. der Brennstoff Kohle preisgünstig und auf lange Sicht zur Verfügung steht.
  • Um Kohlendioxid nicht weiter in die Atmosphäre gelangen zu lassen, werden derzeit unterschiedliche Technologien untersucht, dies aus dem Abgasstrom zu abzutrennen oder in möglichst reiner Form zu erhalten, um es dann einer Lagerung zuführen zu können. Als Lagermöglichkeit werden entleerte Erdgas- oder Erdölfelder, abgeschlossene poröse Gesteinsschichten und weitere Möglichkeiten in Betracht gezogen.
  • Dieses Vorgehen – Abtrennung des Kohlendioxids, Komprimierung, Transport, Verbringen sowie Überwachung der Speicher – ist selbst mit Energieaufwand und deutlichen Kosten verbunden. Die unterirdische Lagerung selbst wird kontrovers diskutiert, eine allgemeine Akzeptanz ist nicht sichergestellt. Es ist daher wünschenswert, Kohlendioxid nicht als Abfallprodukt behandeln zu müssen, sondern als Rohstoff nutzen zu können.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens anzugeben, mit dem Kohlendioxid als Rohstoff genutzt wird und derart ein Abfallprodukt einer Verwertung zuführt.
  • Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung von Kohlendioxid gegeben, wobei dem Kohlendioxid entweder Kohlenstoff oder/und eine kohlenstoffhaltige Materialquelle in Gegenwart oder Abwesenheit von Wasser/Wasserdampf angeboten wird, die bei erhöhter Temperatur und Umgebungs- oder erhöhtem Druck mit dem Kohlendioxid reagiert, so dass das Kohlendioxid mit dem Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid umgewandelt wird.
  • Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, Kohlendioxid in einen anderen Stoff, nämlich in Kohlenmonoxid umzuwandeln und auf diese Weise wirksam zu nutzen. Kohlenmonoxid ist Ausgangsstoff für eine Vielzahl von chemischen Prozessen und wird somit als Ausgangsstoff für weitere chemische Synthesen genutzt. Mit Kohlenmonoxid kann beispielsweise Wasserstoff erzeugt werden, der im einfachsten Fall im Gemisch mit Kohlenmonoxid als Brenngas genutzt werden kann. Beispielhaft genannt werden sollen aber auch das Fischer-Tropsch-Verfahren, mit dem die großtechnische Erzeugung von Kohlenwasserstoffen aus einem Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid durchgeführt wird, die Herstellung von Methanol, Dimethylether sowie über den zu erhaltenden Wasserstoff die Kunstdüngerproduktion.
  • Vorzugsweise wird Kohlendioxid am Entstehungsort aufgefangen und der Verwertung zugeführt. Kohlendioxid kann aber auch mit gängiger Technik, z. B. Kompression, verflüssigt oder in Tanks gelagert oder abtransportiert oder über Pipelines zum Ort der Verwertung gebracht werden.
  • Um das Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umzuwandeln, wird Kohlenstoff beispielsweise in Form von Kohle oder dergleichen mit Kohlendioxid in Kontakt gebracht. Anstelle von Kohle kann auch ein beliebiges kohlenstoffhaltiges Material benutzt werden, das durch eine Vorbehandlung oder im Prozessablauf Kohlenstoff freisetzt. Somit werden andere Ausgangsmaterialien wie Biomasse, Abfälle oder dergleichen für diesen Prozess zugänglich. Biomasse z. B. wird vorteilhafterweise thermisch vorbehandelt, um sie wirtschaftlich sinnvoll zum Ort der Verwertung transportieren zu können. Der Umwandlungsprozess von Kohlendioxid zum Kohlenmonoxid erfolgt vorteilhafterweise unter Temperatur- und/oder Druckeinwirkung. So kann die Temperatur beispielsweise in einem Bereich von größer etwa 600°C, vorzugsweise über 750°C, besonders bevorzugt über 1200°C liegen. Der Druck kann um 0,1 MPa liegen, er kann aber auch höher sein, beispielsweise höher als 1 MPa, bevorzugt größer als 7 MPa. So kann beispielsweise die Anlagenbauart kompakter werden und die Effizienz beeinflusst werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird der Anlage Kohlenstaub zugeführt, der eine relativ große Oberfläche für den Kontakt mit Kohlendioxid aufweist, so dass eine hohe Umwandlungsrate zu erwarten ist.
  • Die Reaktion des Kohlendioxids mit Kohlenstoff kann in einem Wirbelbett erfolgen, wobei als Bettmaterial ein inerter Stoff eingesetzt wird, der auch bei hoher Temperatur beständig ist, wie z. B. Siliziumdioxid in Form von Sand oder Aluminiumoxid oder -haltige Mineralien. In einem Wirbelbett kann auch die Freisetzung des Kohlenstoffs aus einem kohlenstoffhaltigen Vorläufer, wie z. B. Biomasse, stattfinden.
  • Zur Steigerung der Geschwindigkeit der Reaktion und zur Erhöhung der Effizienz kann die Umwandlung des Kohlendioxids in Gegenwart eines Katalysators erfolgen. Der Katalysator kann als poröses Material dem Reaktionsraum mit dem Kohlendioxid zugeführt werden, kann aber auch dem Kohlenstofflieferanten beigemischt werden. Als Katalysator wird Kobalt oder eine Kobaltverbindung vorgeschlagen, kann aber auch aus Eisen oder einer entsprechenden Verbindung bestehen und ist nicht auf diese Materialien beschränkt. Eine anders geartete Ausführung kann darin bestehen, dass die Wand des Reaktionsraums und/oder im Reaktionsraum selbst Stäbe oder Platten oder Rohre angebracht sind, die aus katalytisch aktivem Material bestehen.
  • Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass neben Kohlenmonoxid auch andere Produkte erhalten werden können, wie z. B. Wasserstoff, der bei der Umsetzung des Kohlendioxids mit Kohlenstoff in Gegenwart von Wasser bei hoher Temperatur erhalten werden kann. Weiteres Produkt kann beispielsweise Schwefel sein, der in Form von Schwefelverbindungen mit Kohle oder dergleichen eingetragen wird.
  • Um die für die Umwandlung erforderliche Energie bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass Sauerstoff und/oder Luft zugeführt wird. Sauerstoff und/oder die Luft können mit wenigstens einem Teil des Kohlenstoffs und/oder des Kohlenstofflieferanten reagieren, wobei Energie freigesetzt wird, die geeignet ist, die vorgegebenen Umwandlungsbedingungen zu erreichen. Die benötigte Energie kann aber auch auf andere Weise zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise durch Solarenergie oder durch bei anderen Prozessen entstehende thermische Energie. Es kann auch eine Energierückgewinnung vorgesehen sein, mit der dem mit Kohlenmonoxid beladenen Gasstrom nach der Umwandlung Wärme entzogen und beispielsweise zur Vorwärmung des dem Reaktionsbereich zugeführten Kohlendioxids genutzt wird. Dadurch kann z. B. der Wirkungsgrad des Prozesses weiter verbessert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann dem Kohlendioxid ein inertes Gas beigemischt werden. Auf diese Weise kann ein Partialdruck des Kohlendioxids und/oder des erzeugten Kohlenmonoxids eingestellt werden, um Prozessparameter optimieren zu können. Das inerte Gas kann beispielsweise ein Edelgas oder ein anderes geeignetes Gas oder Gasgemisch sein, das an der Umwandlung nicht teilnimmt.
  • Die Erfindung schlägt ferner eine Vorrichtung zur Verwertung von Kohlendioxid mit einem Reaktor vor, der eine Reaktionszone aufweist, die beheizbar ist und/oder unter Druck betrieben werden kann. Der Reaktionsbereich kann durch eine Ofenkammer gebildet sein. Der Reaktionsraum, enthält eine Zuführöffnung für gasförmiges oder verflüssigtes Kohlendioxid, eine Austrittsöffnung für Gas sowie eine Austrittsöffnung für Feststoffe sowie eine Kohlenstoffquelle. Kohlenstoffquelle kann Kohle (Stein- oder Braunkohle), vorzugsweise in Staubform, sein, die über eine weitere Zuführung dem Reaktionsbereich zugeführt wird. Die Ofenkammer kann aber auch Zuführungen für Kohlenstoffstäbe und/oder Stäbe geformt aus den den Kohlenstoff liefernden Verbindungen enthalten. Diese Vorrichtung erlaubt es, auf einfache Weise optimale und reproduzierbare Bedingungen für die Umsetzung bereitzustellen, so dass die Umsetzung gut gesteuert werden kann. Darüber hinaus kann mit der Vorrichtung eine hohe Sicherheit erreicht werden, da die einzelnen Elemente nicht nur hinsichtlich der Umwandlung sondern auch hinsichtlich der Sicherheit optimiert werden können. Weiterhin kann die Kammerwand der Reaktionskammer selbst Kohlenstoff und/oder einen Kohlenstofflieferanten aufweisen beziehungsweise aus ihm gebildet sein.
  • Die Reaktionskammer kann im Wesentlichen rohrförmig oder kesselförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Zuführ- und die Austrittsöffnung im Wesentlichen gegenüberliegend an der Reaktionskammer angeordnet, so dass eine gute Durchströmung erreicht werden kann. Um den Aufenthalt in der Reaktionskammer zu verlängern und/oder eine gute Durchmischung von Kohlendioxid mit dem zur Reaktion angebotenen Kohlenstoff zu erreichen, kann auch eine andere geeignete Anordnung der Zuführ- und der Austrittsöffnung vorgesehen sein. Eine turbulente Strömung kann eine gute Durchmischung der Reaktionspartner insbesondere vor und/oder während der Umwandlung bewirken, so dass Geschwindigkeit der Umwandlung weiter verbessert werden kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in der Reaktionskammer ein Katalysator angebracht ist. Der Katalysator kann in Form eines Einsatzelementes in der Reaktionskammer vorgesehen sein. Die Reaktionskammer kann darüber hinaus an ihrer reaktionsseitigen Kammerwand einen Katalysator aufweisen. Dieser kann auch als Beschichtung oder dergleichen der Kammerwand ausgeführt sein. Diese Ausgestaltung ist auch mit anderen Anordnungen kombinierbar. Insbesondere kann der Katalysator der Kammerwand von dem des Einsatzelementes verschieden sein. Darüber hinaus kann der Katalysator in einem Wirbelbett der Reaktionskammer angeordnet oder dem Wirbelbett zugegeben sein.
  • Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Die Zeichnung ist eine Schemazeichnung und dient der Erläuterung:
  • 1 zeigt schematisch einen maschinentechnischen Aufbau für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit einer Zuführleitung (3) wird gasförmiges oder flüssiges Kohlendioxid oder eine Mischung, in der Kohlendioxid die Hauptkomponente darstellt, dem Reaktionsraum (6) zugeführt. Durch eine weitere Zuführleitung (2) wird der kohlenstoffhaltige Reaktionspartner in fester, flüssiger oder in aufgeschlämmter Phase ebenfalls dem Reaktionsraum (6) zugeführt. Für eine gute Durchmischung der Reaktionspartner im Reaktionsraum unmittelbar nach Eintritt in diesen können die Zufuhrleitungen so ausgebildet werden, dass eine Ausbildung und Kontrolle von Drall und/oder Impuls über eine entsprechend ausgeführte Austrittseinheit (1) stattfindet. Die zugeführten Reaktionspartner können vorgekühlt sein, bei Umgebungstemperatur zugeführt werden oder auch vorgeheizt sein.
  • Nach Vermischung von Kohlendioxid mit dem kohlenstoffhaltigen Reaktionspartner im Reaktionsraum (6) erfährt das Reaktionsgemisch eine Aufheizung, wodurch es zu Kohlenmonoxid und gegebenenfalls zu weiteren Reaktionsprodukten umgewandelt wird. Die Aufheizung erfolgt beispielsweise durch eine elektrische Beheizung (7) der Wand des Reaktionsraums (6), in welchem das Kohlendioxid mit der Kohle zu Kohlenmonoxid reagiert. Dieser Bereich wird von der vorzugsweise metallischen Außenwand durch entsprechende Wärmedämmung (8) isoliert. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Beheizungsmaßnahmen, wie im Reaktionsraum angebrachte Heizelemete, exotherme chemische Reaktionen im Reaktionsraum, Wärmetauscher und dergleichen vorgesehen werden. Der den Reaktionsraum beinhaltende Reaktionsbehälter (9) kann beispielsweise auch ein Solarofen sein. Die Temperatur in Reaktionsbereich liegt bei etwa 750°C bis 950°C, vorzugsweise über 1000°C, noch höhere Temperaturen werden besonders bevorzugt.
  • Die im Reaktionsraum (6) gebildeten gasförmigen Reaktionsprodukte, vor allem Kohlenmonoxid, gelangen anschließend zu einer Auslassöffnung (4) des den Reaktionsraum (6) beinhaltenden Reaktionsbehälters (9). Die weitere Behandlung und Verarbeitung des Kohlenmonoxids richtet sich nach dem sich anschließenden Prozess. Bei der Reaktion im Reaktionsraum, möglicherweise anfallende Feststoffe, wie Asche oder Schlacke, werden über die Auslassöffnung (5) dem Reaktionsraum (6) entnommen.
  • Das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel dient der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Austrittseinheit
    2
    Zuführleitung für kohlenstoffhaltigen Reaktionspartner
    3
    Zuführleitung für Kohlendioxid
    4
    Auslassöffnung für gasförmige Reaktionsprodukte
    5
    Auslassöffnung für Feststoffe
    6
    Reaktionsraum
    7
    Elektrische Beheizung
    8
    Wärmedämmung
    9
    Reaktionsbehälter

Claims (20)

  1. Verfahren zur Verwertung von Kohlendioxid, wobei Kohlendioxid einem kohlenstoffhaltigen Material und/oder Kohlenstoff zugeführt wird und das Kohlendioxid unter Reaktion mit dem Kohlenstoff zumindest teilweise in Kohlenmonoxid umgewandelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass staubförmiger Kohlenstoff zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass staubförmiges kohlenstoffhaltiges Material zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltiges Material in aufgeschlämmter Form zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltiges Material mit gasförmigen oder flüssigen Kohlendioxid gefördert und zugeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstofflieferant Kohlenwasserstoff verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandeln in einem Wirbelbett ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandeln in einer Flugstromkammer ausgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandeln in einem Festbettreaktor ausgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandeln in einem Wanderbett ausgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion mittels eines Katalysators beschleunigt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Kobalt, eine Kobaltlegierung und/oder eine Kobaltverbindung enthält.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Eisen, eine Eisenlegierung und/oder eine Eisenverbindung enthält.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid in einen kohlenstoffhaltigen Stollen geleitet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff und/oder Luft zugeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kohlendioxid ein inertes Gas beigemischt wird.
  17. Vorrichtung zum Umwandeln von Kohlendioxid mit einem Reaktionsbehälter, der einen Reaktionsbereich aufweist, der beheizbar und auch unter Druck betrieben werden kann, wobei der Reaktionsbehälter eine Zuführöffnung für Kohlendioxid und eine Zuführöffnung für Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltiges Material, eine Austrittsöffnung für gasförmige und eine Austrittsöffnung für feste Umsetzungsprodukte aufweist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine feste kohlenstoffhaltige Materialquelle eine Öffnung oder mehrere Öffnungen im Reaktionsbehälter zur Nachführung von Kohlenstoff und/oder eines Kohlenstofflieferanten aufweist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbehälter im Wesentlichen rohrförmig oder kesselförmig ausgebildet ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionskammer ein Katalysator angeordnet ist.
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