DE102011050329A1

DE102011050329A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von CO2 aus einem Rauchgasstrom

Info

Publication number: DE102011050329A1
Application number: DE102011050329A
Authority: DE
Inventors: Christian Bergins; Tomasz Pakalinski; Mike Bürgin
Original assignee: Hitachi Power Europe GmbH
Current assignee: Hitachi Power Europe GmbH
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-11-15

Abstract

Bei einem Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus einem bei einer Brennstoffverbrennung in einer fossil befeuerten Kraftwerksanlage entstehenden Rauchgasstrom (19) mittels eines Absorptionsmediums in einer Absorbereinheit (1), wobei ein mit CO2 beladenes Absorptionsmedium nach Austritt aus der Absorbereinheit (1) in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom einer Desorbereinheit (2) zugeführt werden und dort unterschiedlichen, in Strömungsrichtung eines von dem beladenen Absorptionsmedium abgetrennten CO2-haltigen Gasstromes in Reihe geschalteten Bereichen der Desorbereinheit (2) zugeführt werden, soll eine Lösung geschaffen werden, mittels welcher der Energiebedarf einer CO2-Abscheidung weiter reduziert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der erste Teilstrom einer Desorptionskolonne (8) der Desorbereinheit (2) und der zweite Teilstrom einem dazu in stromabwärtiger Strömungsrichtung des CO2-haltigen Gasstromes angeordneten Sprühwäscher (11) der Desorbereinheit (2) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung in einer fossil befeuerten Kraftwerksanlage entstehenden Rauchgasstrom mittels eines Absorptionsmediums in einer Absorbereinheit, wobei ein mit CO₂ beladenes Absorptionsmedium nach Austritt aus der Absorbereinheit in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom einer Desorbereinheit zugeführt werden und dort unterschiedlichen, in Strömungsrichtung eines von dem beladenen Absorptionsmedium abgetrennten CO₂-haltigen Gasstromes in Reihe geschalteten Bereichen der Desorbereinheit zugeführt werden.
Weiter richtet sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung in einer fossil befeuerten Kraftwerksanlage entstehenden Rauchgasstrom mit einer Absorbereinheit und einer Desorbereinheit, wobei die Absorbereinheit und die Desorbereinheit zum Transport eines mit CO₂ beladenen Absorptionsmediums von der Absorbereinheit zu der Desorbereinheit über eine erste Verbindungsleitung miteinander verbunden sind, wobei die erste Verbindungsleitung eine erste Teilleitung zum Transport eines ersten Teilstromes des beladenen Absorptionsmediums und eine zweite Teilleitung zum Transport eines zweiten Teilstromes des beladenen Absorptionsmediums aufweist.
Um die Emission des bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehenden Gases Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre zu vermindern, um dieses für die Klimaerwärmung verantwortliche Treibhausgas in der Atmosphäre zu reduzieren, ist eine Abscheidung des CO₂ aus dem durch die Verbrennung entstehenden CO₂-haltigen Rauchgasstromes bekannt. Hierbei wird das CO₂ mittels einer CO₂-Wäsche mittels chemischer Absorption größtenteils entfernt, so dass ein gereinigtes, CO₂-armes Rauchgas in die Atmosphäre austritt. Die CO₂-Wäsche findet in einer Absorbereinheit statt, wobei die chemische Absorption mittels eines Absorptionsmediums, insbesondere eines Waschmittels oder Lösungsmittels, vorzugsweise Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA) oder Methyldiethanolamin (MDEA), erfolgt. Das mit CO₂ beladene Absorptionsmedium wird in einer Desorbereinheit von dem CO₂ befreit, aufbereitet und anschließend im Kreislauf zu der Absorbereinheit zurückgeführt. Die Desorbereinheit verlässt ein höchst CO₂-haltiger Gasstrom, der in einer anschließenden CO₂-Kompression verflüssigt und anschließend einer endgültigen Lagerung oder Weiterverarbeitung zugeführt wird. Die Desorbereinheit weist eine Desorptionskolonne auf, in welcher das CO₂ mittels thermischer Energie aus dem Absorptionsmedium ausgetrieben wird. Gleichzeitig findet eine Regeneration des Absorptionsmediums statt, dass wieder der Absorbereinheit zugeführt wird. Mittels eines Wärmetauschers, insbesondere eines Kreuzstromwärmetauschers, der mit den Verbindungsleitungen zwischen der Absorbereinheit und der Desorbereinheit verbunden ist, lässt sich ein interner Wärmetausch des Absorptionsmediums zwischen dem Eintrittsstrom in die Desorbereinheit und dem Austrittsstrom aus der Desorbereinheit realisieren.
Nachteilig bei einem derartigen Abtrennverfahren ist der sehr hohe Energieaufwand. Gerade bei einer Integration des Abtrennverfahrens in eine fossil befeuerte Kraftwerksanlage führt dies zu einer unerwünschten Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades der fossil befeuerten Kraftwerksanlage.
Zur Lösung dieses Problems ist es beispielsweise aus der WO 2010/086039 A1 bekannt, das beladene Absorptionsmedium nach Austritt aus der Absorbereinheit mittels einer ersten Teilleitung in einen ersten Teilstrom und mittels einer zweiten Teilleitung in einen zweiten Teilstrom aufzuteilen, wobei die beiden Teilströme an unterschiedlichen Positionen der Desorptionskolonne der Desorbereinheit zugeführt werden. Dadurch kann das beladene Absorptionsmittel teilweise kalt in den oberen Bereich der Desorptionskolonne eingeleitet werden. Dadurch wird der im oberen Bereich der Desoptionskolonne befindliche Brüdendampf bereits weitgehend kondensiert. Dies entlastet den der Desorptionseinheit nachgeschalteten Kondensator, so dass dieser die Wärme nicht über Kühlwasser nach außen abführen muss. Die Wärme kann stattdessen direkt zur Aufwärmung des beladenen Absorptionsmittels verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, mittels welcher der Energiebedarf einer CO₂-Abscheidung weiter reduziert werden kann.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der erste Teilstrom einer Desorptionskolonne der Desorbereinheit und der zweite Teilstrom einem dazu in stromabwärtiger Strömungsrichtung des CO₂-haltigen Gasstromes angeordneten Sprühwäscher der Desorbereinheit zugeführt wird.
Bei einer Vorrichtung der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die erste Teilleitung im Bereich einer Desorptionskolonne der Desorbereinheit in die Desorbereinheit mündet und die zweite Teilleitung im Bereich eines zu der Desorptionskolonne in stromabwärtiger Strömungsrichtung eines von dem beladenen Absorptionsmedium abgetrennten CO₂-haltigen Gasstromes angeordneten Sprühwäschers der Desorbereinheit in die Desorbereinheit mündet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Desorbereinheit zusätzlich zu einer Desorptionskolonne einen Sprühwäscher aufweist, welcher in Strömungsrichtung des von dem beladenen Absorptionsmedium abgetrennten CO₂-haltigen Gasstromes oberhalb der oder nachgeschaltet zur Desorptionskolonne – und damit bezüglich des CO₂-haltigen Gasstroms zu dieser in Reihe geschaltet – angeordnet ist. Über den Sprühwäscher kann ein Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, auf die Desorptionskolonne aufgebracht, insbesondere aufgesprüht, werden, um eine zusätzliche Kühlung des von dem beladenen Absorptionsmedium abgetrennten CO₂-haltigen Gasstromes zu erreichen, wodurch die Effektivität der Regenerierung des beladenen Absorptionsmediums und die Abspaltung des CO₂-haltigen Gasstromes von dem Absorptionsmedium erhöht werden kann. Der Sprühwäscher weist vorzugsweise ein oder mehrere Düsen auf, über welche das Kühlmedium in die Desorbereinheit eingebracht und auf die Desorptionskolonne aufgesprüht werden kann. Durch den Sprühwäscher kann eine möglichst feine Verteilung eines Kühlmediums zur Benetzung des aus der Desorptionskolonne austretenden CO₂-haltigen Gasstromes erreicht werden. Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass der zweite Teilstrom des beladenen Absorptionsmediums, welcher eine relativ geringe Temperatur aufweist, als zusätzliches Kühlmedium in den Sprühwäscher eingeleitet wird und über den Sprühwäscher in die Desorbereinheit eingesprüht wird. Hierdurch kann die Menge des ausschließlich für den Sprühwäscher zusätzlich bereitzustellenden Kühlmediums reduziert werden. Insbesondere kann dadurch der Energieaufwand zur Kühlung des über den Sprühwäscher einzubringenden Kühlmediums reduziert werden, da der zweite Teilstrom aufgrund seiner niedrigen Temperatur bereits zur Kühlung verwendet werden kann, ohne hierfür zusätzlich Energie aufwenden zu müssen. Somit kann dadurch, dass nunmehr ein Teilstrom des eine geringe Temperatur aufweisenden beladenen Absorptionsmittels dem Sprühwäscher zugeführt wird, die Menge und auch die Kühlleistung des zusätzlich aufzubringenden Kühlmediums, vorzugsweise in Form von kalten Wassers, reduziert werden, wodurch der Energiebedarf gesenkt und der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Durch das Zuführen des kalten Teilstromes des beladenen Absorptionsmediums in den Sprühwäscher der Desorbereinheit kann eine Energieeinsparung der Desorbereinheit von ca. 5 im Vergleich zu einem herkömmlichen Prozess erreicht werden. Ferner ist es mittels der erfindungsgemäßen Lösung möglich, die baulichen Dimensionen, insbesondere den Durchmesser, der nachfolgenden CO₂-Kompression zu verringern, da die Eintrittstemperatur des CO₂-haltigen Gasstromes von der Desorbereinheit in die CO₂-Kompression reduziert werden kann, wodurch sich ein konstruktiver Vorteil gegenüber einer herkömmlichen Ausgestaltung ergibt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der CO₂-haltige Gasstrom nach Verlassen der Desorbereinheit einer Kühl- und Waschstufe zugeführt. Somit ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Desorbereinheit eine Kühl- und Waschstufe nachgeschaltet ist, bevor der CO₂-haltige Gasstrom der CO₂-Kompression zugeführt wird. Der aus der Desorbereinheit austretende CO₂-haltige Gasstrom wird in der Kühl- und Waschstufe gekühlt und anschließend einer nachgeschalteten CO₂-Kompression, nach Passieren eines Kondensators, zugeführt. In der Kühl- und Waschstufe kann der in der Desorbereinheit aufsteigende wasserhaltige und wasch- und lösungsmittelhaltige, CO₂-haltige Gasstrom von einer Temperatur von ca. 105°C auf etwa 100°C abgekühlt werden. Zielsetzung dieser Kühl- und Waschstufe ist es, den verbleibenden Wasser-, vor allem aber den verbleibenden Anteil an Absorptionsmedium im Gasstrom zu reduzieren. Durch die in der Kühl- und Waschstufe erfolgende Abkühlung des CO₂-haltigen Gasstromes werden diese Bestandteile des CO₂-haltigen Gasstromes teilweise auskondensiert. In der Kühl- und Waschstufe passiert der CO₂-haltige Gasstrom vorzugsweise eine ein oder mehrere Packungen aufweisende Kolonne. Die Kühl- und Waschstufe ist dem Sprühwäscher nachgeschaltet, so dass nachdem der CO₂-haltige Gasstrom den Sprühwäscher in der Desorbereinheit passiert hat, dieser in die Kühl- und Waschstufe eingebracht wird. Dadurch, dass der CO₂-haltige Gasstrom bereits vor Eintritt in die Kühl- und Waschstufe den Sprühwäscher passiert, mittels welchem der CO₂-haltige Gasstrom bereits gekühlt wird, kann die gesamte Kühlleistung des Abscheidungsprozesses verbessert werden, wodurch wiederum der Wirkungsgrad des Abscheidungsprozesses wesentlich erhöht werden kann. Aufgrund der durch die zusätzliche Anordnung des Sprühwäschers in der Desorbereinheit erreichte Reduzierung der Eintrittstemperatur des in die Kühl- und Waschstufe eintretenden CO₂-haltigen Gasstromes kann zudem der Durchmesser der Kühl- und Waschstufe reduziert werden, wodurch der Platzbedarf und auch die Materialkosten der Kühlund Waschstufe und damit der gesamten Anlage reduziert werden können. Durch die Kombination des Sprühwäschers mit der nachgeschalteten Kühl- und Waschstufe kann ferner die notwendige Kühlleistung des der Kühl- und Waschstufe nachgeschalteten Kondensators um bis zu 15% reduziert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Desorptionskolonne und der Sprühwäscher in einem gemeinsamen Behälter der Desorbereinheit angeordnet. Hierdurch kann die konstruktive Ausgestaltung der Desorbereinheit möglichst einfach ausgebildet sein, indem weniger Bauteile notwendig, so dass die Materialkosten reduziert werden können.
Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Desorptionskolonne und der Sprühwäscher in getrennt voneinander angeordneten Behältern der Desorbereinheit angeordnet sind. Hierbei ist der Sprühwäscher räumlich von der Desorptionskolonne entkoppelt, wodurch die bauliche Ausgestaltung der Desorbereinheit verbessert werden kann, da die Abmessungen, insbesondere der Durchmesser, des Sprühwäschers aufgrund der niedrigeren Temperaturen reduziert werden können. Durch die Entkopplung des Sprühwäschers von der Desorptionskolonne können niedrigere Temperaturen in dem Sprühwäscher erreicht werden, wodurch auch die Effektivität des Sprühwäschers gesteigert werden kann.
Weiter ist es bevorzugt vorgesehen, dass in der ersten Teilleitung eine erste Pumpe und in der zweiten Teilleitung eine zweite Pumpe angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit bevorzugt vor, dass der Druck des ersten Teilstromes getrennt vom und/oder unterschiedlich zum Druck des zweiten Teilstromes eingestellt werden kann. Vorzugsweise ist es somit vorgesehen, dass der erste Teilstrom eine erste Pumpe passiert, mittels welcher der Druck des ersten Teilstromes geregelt wird, und der zweite Teilstrom eine zweite Pumpe passiert, mittels welcher der Druck des zweiten Teilstromes geregelt wird. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass der erste Teilstrom eine erste Pumpe passiert, über welche der Druck des ersten Teilstromes geregelt wird, und der zweite Teilstrom eine zweite Pumpe passiert, über welche der Druck des zweiten Teilstromes geregelt wird. Mittels der ersten Pumpe in der ersten Teilleitung kann der Druckverlust des ersten Teilstromes beim Passieren des ersten Wärmetauschers, vorzugsweise ausgebildet als Kreuzstromwärmetauscher, geregelt werden, so dass sichergestellt werden kann, dass der Druck des ersten Teilstromes bei Eintreten in die Desorptionskolonne ausreichend groß ist. Mittels der zweiten Pumpe in der zweiten Teilleitung kann die geodätische Höhe, die der zweite Teilstrom überwinden muss, um über den Sprühwäscher in die Desorbereinheit eingebracht zu werden, und der für die Versprühung des zweiten Teilstromes über den Sprühwäscher aufzubringende Vordruck berücksichtigt werden, um den optimalen Druck des zweiten Teilstromes bei Eintreten in den Sprühwäscher individuell an die Randbedingungen einstellen zu können.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorzugsweise ein aus der Desorbereinheit austretendes regeneriertes Absorptionsmedium stromabwärts der Desorbereinheit in mindestens zwei parallelgeführte Teilströme aufgeteilt, die jeweils einen Wärmetauscher zugeführt und dort abgekühlt werden. Hierfür sind vorzugsweise die Desorbereinheit und die Absorbereinheit zum Transport von aus der Desorbereinheit austretenden regenerierten Absorptionsmedium über eine zweite Verbindungsleitung miteinander verbunden, wobei in der zweiten Verbindungsleitung ein erster Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums vor dem ersten Wärmetauscher von der zweiten Verbindungsleitung eine Zusatzleitung, in welcher ein zweiter Wärmetauscher angeordnet ist, abzweigt, so dass das regenerierte Absorptionsmedium stromabwärts der Desorbereinheit in mindestens zwei parallelgeführte Teilströme aufgeteilt ist. Die zwei parallelgeführten Teilströme werden vorzugsweise stromabwärts des jeweiligen Wärmetauschers zu einem Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium vereinigt. Dabei mündet vorzugsweise stromabwärts in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums hinter dem ersten Wärmetauscher die Zusatzleitung wieder in die zweite Verbindungsleitung, so dass die zwei parallelgeführten Teilströme zu einem Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium vereinigt werden. Mit einem steigenden Massenstrom des zweiten Teilstromes des beladenen Absorptionsmedium in der zweiten Teilleitung der ersten Verbindungsleitung wird die Kühlleistungsabgabe des ersten Teilstromes des beladenen Teilstromes an das heiße, regenerierte Absorptionsmedium bei Passieren des ersten, vorzugsweise als Kreuzwärmetauschers ausgebildeten, Wärmetauschers immer geringer, bis hin dazu, dass das regenerierte Absorptionsmedium bei Wiedereintritt in die Absorbereinheit nicht ausreichend gekühlt ist. Um dies zu verhindern, ist es bevorzugt vorgesehen, dass das regenerierte Absorptionsmedium nach Verlassen des Sumpfes der Desorbereinheit in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird. Der erste Teilstrom passiert den vorzugsweise als Kreuzwärmetauscher ausgebildeten ersten Wärmetauscher und der zweite Teilstrom passiert einen zweiten Wärmetauscher, in welchem der zweite Teilstrom Wärme abgibt und dadurch mit einer reduzierten Temperatur dem ersten Teilstrom hinter dem ersten Wärmetauscher wieder zugeführt werden kann. Hierdurch ist es möglich, auch wenn keine ausreichende Kühlung des regenerierten Absorptionsmediums in dem ersten Wärmetauscher mehr erfolgt, die Temperatur des regenerierten Absorptionsmediums vor Eintritt in die Absorbereinheit ausreichend reduzieren zu können. Ferner kann dadurch erreicht werden, dass die Menge des zweiten Teilstromes des beladenen Absorptionsmediums ohne Probleme erhöht werden kann, wodurch wiederum die Kühlung mittels des in die Desorbereinheit über den Sprühwäscher eingebrachten zweiten Teilstromes erhöht bzw. verbessert werden kann, da tiefere Kühltemperaturen für den CO₂-haltigen Gasstrom erreicht werden können. Die in dem zweiten Wärmetauscher von dem zweiten Teilstrom abgegebene Wärme kann als Nutzwärme beispielsweise der Kraftwerksanlage zugeführt werden.
Die zweite Verbindungsleitung weist vorzugsweise stromabwärts in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums hinter der Mündung der Zusatzleitung in die zweite Verbindungsleitung einen dritten Wärmetauscher auf. Somit durchströmt vorzugsweise der vereinigte Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium einen dritten Wärmetauscher und wird dort abgekühlt. Durch den dritten Wärmetauscher kann somit die Temperatur des regenerierten Absorptionsmediums vor Eintritt in die Absorbereinheit weiter reduziert werden, wodurch die Aufnahmefähigkeit des Absorptionsmediums für CO₂ in der Absorbereinheit erhöht werden kann. Die in dem Wärmetauscher abgeführte Wärme kann beispielsweise als Nutzwärme in der Kraftwerksanlage verwendet werden.
Der vereinigte Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium wird bevorzugt in die Absorbereinheit rückgeführt. Durch die Rückführung des Absorptionsmediums in die Absorbereinheit wird das Absorptionsmedium im Kreislauf geführt und kann für mehrere Durchläufe verwendet werden, wodurch das Verfahren eine hohe Wirtschaftlichkeit aufweist
Die Erfindung ist nachstehend anhand den in der Zeichnung beispielhaft dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung entstehenden Rauchgasstromes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung entstehenden Rauchgasstromes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung entstehenden Rauchgasstromes gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt schematisch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung entstehenden Rauchgasstromes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, welche eine Absorbereinheit 1 und eine Desorbereinheit 2 umfasst. Zwischen der Absorbereinheit 1 und der Desorbereinheit 2 wird über eine erste Verbindungsleitung 3 und eine zweite Verbindungsleitung 4 ein Absorptionsmedium, vorzugsweise ein Amin, im Kreislauf geführt. Der Absorbereinheit 1 wird ein bei der Verbrennung von Brennstoff im Dampferzeuger einer kohlebefeuerten Kraftwerksanlage entstehender CO₂-haltiger Rauchgasstrom 19 zugeführt. In der Absorbereinheit 1 wird das im Rauchgasstrom enthaltene CO₂ mittels chemischer und/oder physikalischer Absorption unter Verwendung des Absorptionsmediums entfernt, so dass ein CO₂-armer bzw. gereinigter Rauchgasstrom 20 am Kopf der Absorbereinheit 1 aus der Absorbereinheit 1 abgeführt wird.
Die Abtrennung des CO₂ vom CO₂-haltigen Rauchgasstrom 19 mittels des Absorptionsmediums findet in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Absorptionskolonne 5 der Absorbereinheit 1 statt, welche den Rauchgasstrom im Gegenstrom zu dem Absorptionsmedium durchströmt. Um das in der Absorbereinheit 1 mit dem CO₂ des CO₂-haltigen Rauchgasstromes beladene Absorptionsmedium anschließend wieder aufzubereiten und für einen mehrfachen Einsatz zu regenerieren, ist der Absorbereinheit 1 die Desorbereinheit 2 nachgeschaltet, der das mit CO₂ beladene Absorptionsmedium nach dem Durchströmen der Absorbereinheit 1 über die erste Verbindungsleitung 3 zugeführt wird. In der Desorbereinheit 2, welcher eine Desorptionskolonne 8 und einen Sprühwäscher 11 aufweist, wird das beladene Absorptionsmedium durch Erhitzen aufgebrochen und regeneriert, so dass am Kopfende der Desorbereinheit 2 ein hoch CO₂-haltiger Gasstrom austritt und über eine Leitung 6 einer nachfolgenden Kühl- und Waschstufe 7 zugeführt wird, in der der CO₂-haltige Gasstrom weiter abgekühlt und von Resten an Absorptionsmedium gereinigt wird. Der aus der Kühl- und Waschstufe 7 austretende CO₂-haltige Gasstrom 21 wird einer nachgeschalteten, hier nicht gezeigten, Kompression zugeführt, in welcher der Gasstrom verdichtet und verflüssigt wird. Danach kann das verflüssigte CO₂ einer weiteren Verwendung oder einer Lagerung zugeführt werden.
Die Verbindungsleitung 3 zwischen der Absorbereinheit 1 und der Desorbereinheit 2 teilt sich vor Eintritt in die Desorbereinheit 2 in eine erste Teilleitung 3a und eine zweite Teilleitung 3b, so dass das beladene Absorptionsmedium durch einen ersten Teilstrom, welcher durch die erste Teilleitung 3a fließt, und einen zweiten Teilstrom, welcher durch die zweite Teilleitung 3b fließt, an unterschiedlichen Bereichen der Desorbereinheit 2 in die Desorbereinheit 2 eingeleitet wird.
Die erste Teilleitung 3a mündet im Bereich der Desorptionskolonne 8 in die Desorbereinheit 2, in welcher das CO₂ von dem Absorptionsmedium abgetrennt und in eine Gasphase überführt wird. Die zweite Teilleitung 3b mündet im Bereich des Sprühwäschers 11 in die Desorbereinheit 2, so dass der zweite Teilstrom des beladenen Absorptionsmediums in den Sprühwäscher 11 eingeleitet wird. Der Sprühwäscher 11 dient dazu, den aus der Desorptionskolonne 8 austretenden CO₂-haltigen Gasstrom zu kühlen, bevor er in die Kühl- und Waschstufe 7 eingeleitet wird.
In der ersten Teilleitung 3a ist ein erster Wärmetauscher 9 in Form eines Kreuzwärmetauschers angeordnet, welchen der erste Teilstrom vor Eintritt in die Desorptionskolonne 8 passiert. Da für die Desorption bzw. Regeneration des Absorptionsmediums in der Desorptionskolonne 8 hohe Temperaturen erforderlich sind, wird der erste Teilstrom des beladenen Absorptionsmediums in dem ersten Wärmetauscher 9 auf ca. 103°C erhitzt. Dies geschieht mit Hilfe von ebenfalls durch den ersten Wärmetauscher 9 geleitetem, in der Desorbereinheit 2 regeneriertem, CO₂-armen Absorptionsmedium, das vorher in einem Verdampfer oder Reboiler 10 ausreichend temperiert wird. Der Verdampfer oder Reboiler 10 verdampft einen Teil des Absorptionsmediums, wodurch das CO₂ von dem Absorptionsmedium desorbiert wird, so dass am Kopfende der Desorbereinheit 2 ein nahezu reines CO₂-(H₂O)-Gemisch gebildet wird, das nach Austritt aus der Desorptionskolonne 8 und Passieren des Sprühwäschers 11 einer nachfolgenden Kühlund Waschstufe 7 zugeführt wird, in der verbleibendes Wasser und Reste an verbleibenden Absorptionsmedium aus dem Gemisch auskondensiert werden, so dass ein nahezu reiner CO₂-haltiger Gasstrom 21 abgeführt werden kann.
Um die Menge an in den Sprühwäscher 11 einzuleitenden zusätzlichen Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, zu reduzieren, wird der zweite Teilstrom des beladenen Absorptionsmediums, welcher eine möglichst niedrige Temperatur, insbesondere eine Temperatur geringer als die Temperatur des ersten Teilstromes, aufweist, über die zweite Teilleitung 3b in den Sprühwäscher 11 der Desorbereinheit 2 eingeleitet und mit zur Abkühlung des entgegenströmenden, wasserbeladenen, CO₂-haltigen Gasstromes verwendet. Der Sprühwäscher 11 weist vorzugsweise ein oder mehrere Düsen auf, über welche das Kühlmedium und der zweite Teilstrom in die Desorbereinheit 2 eingesprüht werden.
Um den Druck des ersten Teilstromes und des zweiten Teilstromes in Abhängigkeit der jeweiligen Randbedingungen und Erfordernisse optimal einstellen zu können, ist in der ersten Teilleitung 3a eine erste Pumpe 12 und in der zweiten Teilleitung 3b eine zweite Pumpe 13 angeordnet. Die erste Pumpe 12 ist dabei in Strömungsrichtung des beladenen Absorptionsmediums vor dem ersten Wärmetauscher 9 angeordnet.
Bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform wird das regenerierte, CO₂-arme Absorptionsmedium am Sumpf der Desorbereinheit 2 abgezogen und über den ersten Wärmetauscher 9 geführt, in welchem das entgegenströmende, beladene, CO₂-reiche Absorptionsmedium erwärmt wird. Nach einer Abkühlung des regenerierten Absorptionsmediums in einem weiteren Wärmetauscher 14 wird das regenerierte Absorptionsmedium wieder der Absorbereinheit 1 zugeführt.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Desorptionskolonne 8 und der Sprühwäscher 11 in einem gemeinsamen Behälter 15 der Desorbereinheit 2 angeordnet.
Die in 2 gezeigte zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei hierbei die Desorptionskolonne 8 und der Sprühwäscher 11 in getrennt voneinander angeordneten Behältern 15a, 15b angeordnet sind. Die Desorptionskolonne 8 ist in einem ersten Behälter 15a und der Sprühwäscher 11 ist in einem zweiten Behälter 15b angeordnet, wobei der zweite Behälter 15b in Strömungsrichtung des CO₂-haltigen Gasstromes 21 oberhalb des ersten Behälters 15a angeordnet ist. Der erste Teilstrom des beladenen Absorptionsmediums wird hierbei in den ersten Behälter 15a in die Desorptionskolonne 8 eingeleitet. Der wasserbeladene, CO₂-haltige Gasstrom tritt am Kopf des ersten Behälters 15a aus und wird über eine Leitung 16 in den zweiten Behälter 15b geleitet, in welchem der wasserbeladene, CO₂-haltige Gasstrom den Sprühwäscher 11 passiert. Der Sprühwäscher 11 wird dabei zumindest teilweise durch den zweiten Teilstrom des beladenen Absorptionsmediums gespeist. Das sich am Sumpf des zweiten Behälters 15b lagernde, mit CO₂ beladene Absorptionsmedium wird über eine Leitung 22 wieder dem ersten Behälter 15a zugeführt. Der zweite Behälter 15b weist hierbei einen geringeren Durchmesser auf als der erste Behälter 15a.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, welche im Wesentlichen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform entspricht. Der Unterschied besteht darin, dass bei der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform von der zweiten Verbindungsleitung 4, über welche das regenerierte Absorptionsmedium von der Desorbereinheit 2 zurück zu der Absorbereinheit 1 geführt wird, in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums vor dem ersten Wärmetauscher 9 eine Zusatzleitung 17 abzweigt, welche in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums hinter dem ersten Wärmetauscher 9 der zweiten Verbindungsleitung 4 wieder zugeführt wird. Zur Abkühlung des die Zusatzleitung 17 passierenden regenerierten Absorptionsmediums ist in der Zusatzleitung 17 ein zweiter Wärmetauscher 18 angeordnet, über welchen Wärme des regenerierten Absorptionsmediums abgeführt werden kann, und beispielsweise als Nutzwärme der Kraftwerksanlage zugeführt werden kann. Das regenerierte Absorptionsmedium wird somit bei dieser Ausführungsform nach Verlassen des Sumpfes der Desorbereinheit 2 in zwei parallelgeführte Teilströme, einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom, aufgeteilt. Der erste Teilstrom, welcher durch die Verbindungsleitung 4 fließt, passiert den ersten Wärmetauscher 9 und der zweite Teilstrom, welcher die Zusatzleitung 17 durchströmt, passiert den zweiten Wärmetauscher 18, in welchem der zweite Teilstrom Wärme abgibt und dadurch abgekühlt wird und mit einer reduzierten Temperatur dem ersten Teilstrom hinter dem ersten Wärmetauscher 9 wieder in der zweiten Verbindungsleitung 4 zugeführt werden kann. Der vereinigte Strom passiert anschließend einen in der zweiten Verbindungsleitung 4 angeordneten dritten Wärmetauscher 14 und wird danach der Absorbereinheit 1 wieder zugeführt. Durch das Aufteilen des regenerierten Absorptionsmediums in zwei parallelgeführte Teilströme und das Passieren der Teilströme und des anschließend wieder vereinigten Stromes von mehreren Wärmetauschern 9, 14, 18 ist es möglich, auch wenn keine ausreichende Kühlung des regenerierten Absorptionsmediums in dem ersten Wärmetauscher 9 mehr erfolgt, die Temperatur des regenerierten Absorptionsmediums vor Eintritt in die Absorbereinheit 1 ausreichend reduzieren zu können. Ferner kann dadurch erreicht werden, dass die Menge des zweiten Teilstromes des beladenen Absorptionsmediums in der zweiten Teilleitung 3b ohne Probleme erhöht werden kann, wodurch wiederum die Kühlung mittels des in die Desorbereinheit 2 über den Sprühwäscher 11 eingebrachten zweiten Teilstromes erhöht bzw. verbessert werden kann, da tiefere Kühltemperaturen für den CO₂-haltigen Gasstrom erreicht werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/086039 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung in einer fossil befeuerten Kraftwerksanlage entstehenden Rauchgasstrom (19) mittels eines Absorptionsmediums in einer Absorbereinheit (1), wobei ein mit CO₂ beladenes Absorptionsmedium nach Austritt aus der Absorbereinheit (1) in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom einer Desorbereinheit (2) zugeführt werden und dort unterschiedlichen, in Strömungsrichtung eines von dem beladenen Absorptionsmedium abgetrennten CO₂-haltigen Gasstromes in Reihe geschalteten Bereichen der Desorbereinheit (2) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom einer Desorptionskolonne (8) der Desorbereinheit (2) und der zweite Teilstrom einem dazu in stromabwärtiger Strömungsrichtung des CO₂-haltigen Gasstromes angeordneten Sprühwäscher (11) der Desorbereinheit (2) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der CO₂-haltige Gasstrom nach Verlassen der Desorbereinheit (2) einer Kühl- und Waschstufe (7) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des ersten Teilstromes getrennt vom und/oder unterschiedlich zum Druck des zweiten Teilstromes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom eine erste Pumpe (12) passiert, mittels welcher der Druck des ersten Teilstromes geregelt wird, und der zweite Teilstrom eine zweite Pumpe (13) passiert, mittels welcher der Druck des zweiten Teilstromes geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus der Desorbereinheit (2) austretendes regeneriertes Absorptionsmedium stromabwärts der Desorbereinheit (2) in mindestens zwei parallelgeführte Teilströme aufgeteilt wird, die jeweils einem Wärmetauscher (9, 18) zugeführt und dort abgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei parallelgeführten Teilströme stromabwärts der Wärmetauscher (9, 18) zu einem Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium vereinigt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vereinigte Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium einen dritten Wärmetauscher (14) durchströmt und dort abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vereinigte Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium in die Absorbereinheit (1) rückgeführt wird.
Vorrichtung zur Abscheidung von CO₂ aus einem bei einer Brennstoffverbrennung in einer fossil befeuerten Kraftwerksanlage entstehenden Rauchgasstrom, mit einer Absorbereinheit (1) und einer Desorbereinheit (2), wobei die Absorbereinheit (1) und die Desorbereinheit (2) zum Transport eines mit CO₂ beladenen Absorptionsmediums von der Absorbereinheit (1) zu der Desorbereinheit (2) über eine erste Verbindungsleitung (3) miteinander verbunden sind, wobei die erste Verbindungsleitung (3) eine erste Teilleitung (3a) zum Transport eines ersten Teilstromes des beladenen Absorptionsmediums und eine zweite Teilleitung (3b) zum Transport eines zweiten Teilstromes des beladenen Absorptionsmediums aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilleitung (3a) im Bereich einer Desorptionskolonne (8) der Desorbereinheit (2) in die Desorbereinheit (2) mündet und die zweite Teilleitung (3b) im Bereich eines zu der Desorptionskolonne (8) in stromabwärtiger Strömungsrichtung eines von dem beladenen Absorptionsmedium abgetrennten CO₂-haltigen Gasstromes angeordneten Sprühwäschers (11) der Desorbereinheit (2) in die Desorbereinheit (2) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Desorbereinheit (2) eine Kühl- und Waschstufe (7) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionskolonne (8) und der Sprühwäscher (11) in einem gemeinsamen Behälter (15) der Desorbereinheit (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionskolonne (8) und der Sprühwäscher (11) in getrennt voneinander angeordneten Behältern (15a, 15b) der Desorbereinheit (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Teilleitung (3a) eine erste Pumpe (12) und in der zweiten Teilleitung (3b) eine zweite Pumpe (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorbereinheit (2) und die Absorbereinheit (1) zum Transport von aus der Desorbereinheit (2) austretendem regeneriertem Absorptionsmedium über eine zweite Verbindungsleitung (4) miteinander verbunden sind, wobei in der zweiten Verbindungsleitung (4) ein erster Wärmetauscher (9) ausgebildet ist und in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums vor dem ersten Wärmetauscher (9) von der zweiten Verbindungsleitung (4) eine Zusatzleitung (17), in welcher ein zweiter Wärmetauscher (18) angeordnet ist, abzweigt, so dass das regenerierte Absorptionsmedium stromabwärts der Desorbereinheit (2) in mindestens zwei parallelgeführte Teilströme aufgeteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums hinter dem ersten Wärmetauscher (9) die Zusatzleitung (17) wieder in die zweite Verbindungsleitung (4) mündet, so dass die zwei parallelgeführten Teilströme zu einem Strom aus regeneriertem Absorptionsmedium vereinigt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbindungsleitung (4) stromabwärts in Strömungsrichtung des regenerierten Absorptionsmediums hinter der Mündung der Zusatzleitung (17) in die zweite Verbindungsleitung (4) einen dritten Wärmetauscher (14) aufweist.