DE102010050435A1

DE102010050435A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung von Gasgemischen

Info

Publication number: DE102010050435A1
Application number: DE102010050435A
Authority: DE
Inventors: Alexander BRANDL
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-10
Also published as: US8591626B2; US20120111195A1; CN102463025B; CN102463025A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisches (1), wobei Kohlendioxid durch physikalische Gaswäsche (W1) aus dem Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch (1) abgetrennt und in zwei, unterschiedliche Drücke aufweisende, vorwiegend aus Kohlendioxid bestehende Produktströme (3, 4) überführt wird, die im Falle einer Betriebsstörung nach Angleichung ihrer Drücke einem Nachbehandlungsschritt (W2) unterzogen und anschließend in die Atmosphäre abgegeben werden. Zur Angleichung der Drücke der beiden Kohlendioxidproduktströme (3, 4) wird der den niedrigeren Druck aufweisende Kohlendioxidstrom (3, 7) mittels eines Gasstrahlventilators (G) verdichtet, wobei der den höheren Druck aufweisende Kohlendioxidstrom (4) als Treibmedium (6) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung eines Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisches, wobei Kohlendioxid durch physikalische Gaswäsche aus dem Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch abgetrennt und in zwei, unterschiedliche Drücke aufweisende, vorwiegend aus Kohlendioxid bestehende Produktströme überführt wird, die im Falle einer Betriebsstörung nach Angleichung ihrer Drücke einem Nachbehandlungsschritt unterzogen und anschließend in die Atmosphäre abgegeben werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Wasserstoff und Kohlenmonoxid werden heute großtechnisch vorwiegend durch die Vergasung kohlenstoffhaltiger Einsätze erzeugt. Dabei ergibt sich als Zwischenprodukt, ein als Synthesegas bezeichnetes Gasgemisch, das neben den erwünschten Stoffen Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid unter anderem auch erhebliche Mengen an unerwünschtem Kohlendioxid aufweist. Um das Kohlendioxid abzutrennen, wird das Synthesegas meist durch physikalische Gaswäsche zerlegt, wobei es mit einem physikalisch wirkenden Waschmittel, wie beispielsweise Methanol, gewaschen wird. Das abgetrennte Kohlendioxid wird entweder durch Freisetzung in die Atmosphäre entsorgt oder als Kohlendioxidprodukt an einen Verbraucher abgegeben. Da Kohlendioxid in der Atmosphäre stark klimaschädigend wirkt, werden derzeit intensiv Konzepte für eine Langzeitspeicherung (Sequestrierung) untersucht, wobei das aus dem Synthesegas abgetrennte Kohlendioxidprodukt beispielsweise in unterirdische Lagerstätten verpresst wird.
Verfahrensbedingt enthält das in der physikalischen Gaswäsche erhaltene Kohlendioxid Waschmittelreste. Liegt deren Konzentration oberhalb eines durch die Verwendung des Kohlendioxids vorgegebenen Grenzwertes, so ist ein Nachbehandlungsschritt erforderlich, in dem die Konzentration der Waschmittelreste verringert wird. Üblicherweise sind strengere Grenzwerte einzuhalten, wenn das Kohlendioxid direkt in die Atmosphäre freigesetzt werden soll, als dann, wenn es als Gasprodukt abgeben wird. Wird das in der physikalischen Gaswäsche erzeugte Kohlendioxid als Produkt an einen Verbraucher abgegeben oder einer Sequestrierung zugeführt, kann während des Normalbetriebes häufig auf einen Nachbehandlungsschritt verzichtet werden, da der Grenzwert für die Waschmittelkonzentration eingehalten wird. In diesen Fällen ist jedoch bei einer Betriebsstörung, durch die das Kohlendioxid nicht als Produkt weitergeleitet werden kann, oft ein Nachbehandlungsschritt erforderlich, um den für die Freisetzung des Kohlendioxids in die Atmosphäre geltenden Grenzwert einhalten zu können.
Oft ist es vorteilhaft, bei der Synthesegaszerlegung zwei Kohlendioxidprodukte mit unterschiedlichen Druckniveaus zu erzeugen und diese an der Anlagengrenze abzugeben. Falls es bei einer Betriebsstörung notwendig ist, wird der den höheren Druck aufweisende Kohlendioxidstrom auf das Druckniveau des zweiten Kohlendioxidstroms entspannt und gemeinsam mit diesem einer Nachbehandlung unterzogen. Die für den Nachbehandlungsschritt verwendeten Einrichtungen müssen auf den sich ergebenden Kohlendioxid-Volumenstrom ausgelegt werden. Handelt es sich bei der physikalischen Gaswäsche um eine Methanolwäsche, besteht der Nachbehandlungsschritt normalerweise aus einer Wasserwäsche, bei der überschüssiges Methanol in einer Absorberkolonne mit Hilfe von entmineralisiertem Wasser ausgewaschen wird. Die Absorberkolonne verursacht einen erheblichen Teil der Investitionskosten des Gaszerlegers, zumal sie wegen der stark korrosiven Wirkung von mit Wasser gesättigtem Kohlendioxid aus Edelstahl gefertigt ist und wegen des geringen Betriebsdrucks in großtechnischen Anlagen typischerweise einen Durchmesser von ca. 7 m bei einer Höhe von ca. 15 m aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu deren Durchführung anzugeben, durch die es möglich ist, ein Kohlendioxidprodukt mit geringeren Kosten aus einem Gasgemisch abtrennen zu können, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Angleichung der Drücke der beiden Kohlendioxidproduktströme der den niedrigeren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom mittels eines Gasstrahlventilators verdichtet wird, wobei der den höheren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom als Treibmedium verwendet wird.
Durch die erfindungsgemäße Verdichtung ergibt sich ein vereinigter Kohlendioxidstrom, dessen Druckniveau im Vergleich zum Stand der Technik erhöht ist. Die für den Nachbehandlungsschritt erforderliche Einrichtung kann daher mit einem geringeren Bauvolumen kostengünstiger ausgeführt werden.
Gasstrahlventilatoren sind seit vielen Jahren Stand der Technik und dem Fachmann bekannt. Sie arbeiten nach dem Prinzip einer Strahlpumpe, wobei die Druckenergie eines als Treibmedium eingesetzten Gases in einer Treibdüse in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt wird. Durch den aus der Treibdüse austretenden Gasstrahl, wird ein Saugmedium angesaugt und beschleunigt. Indem sich an die Treibdüse anschließenden Einlaufkonus des Diffusors mischen sich Treib- und Saugmedium und werden im Diffusor wieder abgebremst, wobei Druckenergie zurückgewonnen wird.
Das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nicht durch die Art der physikalischen Gaswäsche beschränkt. Mit besonderem Vorteil kann es jedoch dann eingesetzt werden, wenn in der physikalischen Gaswäsche Methanol als physikalisch wirkendes Waschmittel eingesetzt wird. Die beiden Kohlendioxidproduktströme fallen hierbei typischerweise mit Drücken von 2,3 und 1,3 bar (a) an. Durch den Einsatz des Gasstrahlventilators ist eine Druckerhöhung von ca. 0,5 bar möglich, so dass sich ein vereinigter Kohlendioxidstrom ergibt, der einen Druck von ca. 1,8 bar aufweist. Im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sich der nachzubehandelnde Volumenstrom daher um ca. 25%.
Der Nachbehandlungsschritt ist in erster Linie dazu erforderlich, die Konzentration von Waschmittel, das während der physikalischen Gaswäsche in die Kohlendioxidproduktströme gelangt, bis unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes zu verringern. Ist das physikalisch wirkende Waschmittel wasserlöslich, wie beispielsweise Methanol, so umfasst der Nachbehandlungsschritt Sinnvollerweise eine Wasserwäsche, bei der physikalisch wirkendes Waschmittel durch entmineralisiertes Wasser ausgewaschen wird. Vorzugsweise wird die Wasserwäsche, in einer Waschkolonne durchgeführt, durch die das zu waschende Kohlendioxid im Gegenstrom zu Waschwasser geleitet wird. Denkbar ist jedoch auch ein Nachbehandlungsschritt, bei dem unerwünschte Komponenten durch Anlagerung an einen Feststoff (Adsorption) oder beispielsweise durch eine chemische Umsetzung in Flüssigkeiten, Feststoffen oder in der Gasphase (z. B. Verbrennung) aus dem Kohlendioxidstrom entfernt werden. Auch für diese Verfahren sind der reduzierte Volumenstrom sowie das erhöhte Druckniveau vorteilhaft.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisches mit einer Einrichtung zur Durchführung einer physikalischen Gaswäsche, in der Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch abgetrennt und in zwei, unterschiedliche Drücke aufweisende, vorwiegend aus Kohlendioxid bestehende Produktströme überführt werden kann sowie einer Einrichtung zur Durchführung eines Nachbehandlungsschrittes, in der im Falle einer Betriebsstörung die beiden Kohlendioxidproduktströme nach Angleichung ihrer Drücke einer Nachbehandlung unterzogen werden können.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen Gasstrahlventilator zur Angleichung der Drücke der beiden Kohlendioxidproduktströme umfasst, mit dem der den niedrigeren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom verdichtet werden kann, wobei der den höheren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom als Treibmedium einsetzbar ist.
Bei der Einrichtung zur Durchführung einer physikalischen Gaswäsche handelt es sich vorzugsweise um eine Methanolwäsche, in der Methanol als physikalisch wirkendes Waschmittel einsetzbar ist. Es sind jedoch auch Einrichtungen verwendbar, in denen andere Substanzen als Waschmittel eingesetzt werden können.
In erster Linie dient der Nachbehandlungsschritt der Reduzierung der Konzentrationen an physikalisch wirkendem Waschmittel in den Kohlendioxidproduktströmen. Da derartige Waschmittel häufig wasserlöslich sind, wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung zur Durchführung eines Nachbehandlungsschrittes eine Wasserwascheinrichtung umfasst. Vorzugsweise ist die Wasserwascheinrichtung als Waschkolonne ausgeführt, durch die das zu waschende Kohlendioxid im Gegenstrom zu entmineralisiertem Wasser geführt werden kann. Möglich ist jedoch auch, dass unerwünschte Komponenten aus dem Kohlendioxidstrom in der Einrichtung zur Durchführung eines Nachbehandlungsschrittes durch Anlagerung an einen Feststoff (Adsorption) oder beispielsweise durch eine chemische Umsetzung in Flüssigkeiten, Feststoffen oder in der Gasphase (z. B. Verbrennung) entfernbar sind.
Durch die Erfindung ist es nicht nur möglich, die Investitionskosten im Vergleich zum Stand der Technik zu verringern, da die Einrichtung zur Durchführung eines Nachbehandlungsschrittes mit einem geringeren Bauaufwand realisiert werden kann. Vielmehr ermöglicht sie es auch den Aufwand für die erforderlichen Betriebsmittel, und damit die Betriebskosten zu senken. Umfasst der Nachbehandlungsschritt beispielsweise eine Wasserwäsche, so kann diese mit einer geringeren Menge an Waschwasser durchgeführt werden, als nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus fallen für die Regenerierung des beladenen Waschwassers geringere Kosten an.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Methanolwäsche, in der zwei Kohlendioxidproduktströme auf unterschiedlichen Druckniveaus erzeugt werden, die im Normalbetrieb in einem mehrstufigen Verdichter komprimiert und beispielsweise einer Sequestrierung zugeführt werden.
Über Leitung 1 wird ein Kohlendioxid enthaltendes Gasgemisch in die physikalische Gaswäsche W1 eingeleitet und dort in einen Produktgasstrom 2 sowie einen ersten 3 und einen zweiten Kohlendioxidproduktstrom 4 zerlegt, wobei der erste Kohlendioxidproduktstrom 3 ein niedrigeres Druckniveau aufweist, als der zweite 4. Im Normalbetrieb werden die beiden Kohlendioxidproduktströme 3 und 4 dem mehrere Verdichtersektionen aufweisenden Verdichter V zugeleitet, wo sie komprimiert und zu einem Kohlendioxidstrom 5 zusammengeführt werden. Der erste Kohlendioxidproduktstrom 3 wird hierbei dem Verdichter V auf dessen Saugseite zugeführt, während der zweite Kohlendioxidproduktstrom 4 ihm auf einer höheren Druckschiene aufgegeben werden kann. Der Kohlendioxidstrom 5 wird nachfolgend durch Sequestrierung (nicht dargestellt) entsorgt.
Verfahrensbedingt weisen die beiden Kohlendioxidproduktströme 3 und 4 Restgehalte an Methanol auf, die zwar ihre Sequestrierung, jedoch nicht ihre direkte Freisetzung in die Atmosphäre erlauben. Wenn beispielsweise aufgrund einer Betriebsstörung, wie z. B. bei Ausfall des Verdichters V, eine Sequestrierung nicht erfolgen kann, ist es daher nicht erlaubt, die Kohlendioxidströme ohne einen Nachbehandlungsschritt, bei dem ihre Methanolgehalte bis unter einen zulässigen Grenzwert gesenkt werden, in die Atmosphäre zu entlassen. In einem solchen Fall wird der zweite Kohlendioxidproduktstrom 4 als Treibmedium 6 in den Gasstrahlventilator G eingeleitet und dort zunächst beschleunigt, wobei sein Druck bis unter das Druckniveau des ersten Kohlendioxidproduktstroms 3 absinkt, wodurch dieser über Leitung 7 in den Gasstrahlventilator G gesaugt wird. Mit einem zwischen den Druckniveaus der beiden Kohlendioxidproduktströme 3 und 4 liegenden Druck verlässt ein vereinigter Kohlendioxidstrom 8 den Gasstrahlventilator G und wird in die vorzugsweise als Kolonne ausgeführte Wasserwäsche W2 eingeleitet. Über Leitung 9 wird entmineralisiertes Wasser als Waschwasser in einer Menge zugeführt, die ausreicht den Methanolgehalt im Kohlendioxid bis unter den für die Einleitung in Atmosphäre geltenden Grenzwert abzusenken. Der über Leitung 10 aus der Wasserwäsche W2 abgezogene Kohlendioxidstrom kann daher zur Entsorgung in den Kamin K geführt und in die Atmosphäre entlassen werden.

Claims

Verfahren zur Zerlegung eines Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisches (1), wobei Kohlendioxid durch physikalische Gaswäsche (W1) aus dem Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch (1) abgetrennt und in zwei, unterschiedliche Drücke aufweisende, vorwiegend aus Kohlendioxid bestehende Produktströme (3, 4) überführt wird, die im Falle einer Betriebsstörung nach Angleichung ihrer Drücke einem Nachbehandlungsschritt (W2) unterzogen und anschließend in die Atmosphäre abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Angleichung der Drücke der beiden Kohlendioxidproduktströme (3, 4) der den niedrigeren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom (3, 7) mittels eines Gasstrahlventilators (G) verdichtet wird, wobei der den höheren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom (4) als Treibmedium (6) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der physikalischen Gaswäsche (W1) Methanol als Waschmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbehandlungsschritt eine Wasserwäsche (W2) umfasst, bei der physikalisch wirkendes Waschmittel durch entmineralisiertes Wasser (9) ausgewaschen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserwäsche (W2) in einer Waschkolonne durchgeführt wird, durch die das zu waschende Kohlendioxid (8) im Gegenstrom zum Waschwasser (9) geleitet wird.
Vorrichtung zur Zerlegung eines Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisches (1) mit einer Einrichtung zur Durchführung einer physikalischen Gaswäsche (W1), in der Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid enthaltenden Gasgemisch (1) abgetrennt und in zwei, unterschiedliche Drücke aufweisende, vorwiegend aus Kohlendioxid bestehende Produktströme (3, 4) überführt werden kann sowie einer Einrichtung zur Durchführung eines Nachbehandlungsschrittes (W2), in der im Falle einer Betriebsstörung die beiden Kohlendioxidproduktströme (3, 4) nach Angleichung ihrer Drücke einer Nachbehandlung unterzogen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Gasstrahlventilator (G) zur Angleichung der Drücke der beiden Kohlendioxidproduktströme (3, 4) umfasst, mit dem der den niedrigeren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom (3, 7) verdichtet werden kann, wobei der den höheren Druck aufweisende Kohlendioxidproduktstrom (4) als Treibmedium (6) einsetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Einrichtung zur Durchführung einer physikalischen Gaswäsche (W1) um eine Methanolwäsche handelt, in der Methanol als Waschmittel einsetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Durchführung eines Nachbehandlungsschrittes eine Wasserwascheinrichtung (W2) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserwascheinrichtung (W2) als Waschkolonne ausgeführt ist, durch die das zu waschende Kohlendioxid (8) im Gegenstrom zu entmineralisiertem Wasser (9) geführt werden kann.