DE102013109317A1

DE102013109317A1 - Einrichtung zur chemischen und energetischen Verwertung von Rauchgas

Info

Publication number: DE102013109317A1
Application number: DE102013109317.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-02-12
Also published as: DE202013103888U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur chemischen und energetischen Verwertung von Rauchgas und ist zur Verwertung von Rauchgas, das aus Kraftwerken, Verbrennungsanlagen, Blockheizkraftwerken, Gasturbinen, der Zementindustrie und sonstigen Industriezweigen stammt, geeignet. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur chemischen und energetischen Verwertung von Rauchgas vorzuschlagen, bei der als Endprodukte reines CO2 in einer Mischung mit Stickstoff und ein landwirtschaftlich nutzbares Düngesalz anfallen. Dabei soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, dass das CO2 zur Zwischenspeicherung der aus Sonnenlicht und Windkraft gewonnenen Elektroenergie eingesetzt wird. Eine erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einer Aufarbeitungsstufe und einer Verwertungsstufe. Hiermit kann Rauchgas (RG), das aus Kraftwerken, Verbrennungsanlagen, Blockheizkraftwerken, Gasturbinen, der Zementindustrie und sonstigen Industriezweigen stammt, verwertet werden. Dabei ist die Aufarbeitungsstufe aus einem Wärmetauscher (1) und vier Gasbehandlungsreaktoren (2 bis 4), die in einer Reihe nachgeschaltet sind, zusammensetzt. Die sich anschließende Verwertungsstufe besteht im Wesentlichen aus einer Wasserelektrolyse (8), einem Methanreaktor (9) und einem Blockheizkraftwerk (BHKW).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur chemischen und energetischen Verwertung von Rauchgas und ist zur Verwertung von Rauchgas, das aus Kraftwerken, Verbrennungsanlagen, Blockheizkraftwerken, Gasturbinen, der Zementindustrie und sonstigen Industriezweigen stammt, geeignet.
Bei allen Vorgängen, die Energie aus fossilen Brennstoffen oder organischen Materialien erzeugen, fällt der darin enthaltene Kohlenstoff in Form von CO₂alsBestandteildes Rauchgases an. Da die Brennstoffe jedoch noch eine Vielzahl anderer Stoffe enthalten, sind deren Verbrennungsprodukte sowie bei hohen Verbrennungstemperaturen Oxide des in der Verbrennungsluft enthaltenen Stickstoffs ebenfalls in dem Rauchgas enthalten.
Diese unzähligen Beimischungen erschweren die weitere Nutzung des CO₂-Anteils.
Für einzelne Bestandteile, die als besonders störend empfunden wurden, sind bereits verschiedene Vorschläge zur chemischen und/oder physikalischen Aufarbeitung vorgeschlagen worden.
Die US 8,346,394 B2 schlägt ein Betriebssystem für Kraftwerke vor, bei dem die Auswirkungen der CO₂-Abscheidung und Kompression auf die Leistung eines Kraftwerks minimiert werden können, indem die Leistungsaufnahme des CO₂-Erfassungssystems verwendet wird, um die Netto-Leistung der Anlage zu steuern.
Aus der DE 10 2011 010 743 A1 ist bereits ein Abgasstrang mit einer Mischeinrichtung zum Vermischen eines in den Abgasstrang eingebrachten Reduktionsmittels mit Abgas bekannt.
Die DE 10 2008 061 258 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abtrennung von gasförmigen Komponenten aus einem Gasstrom, insbesondere von CO₂ aus dem Rauchgas eines fossil befeuerten Kraftwerks, unter Atmosphärendruck. Das CO₂-haltige Rauchgas wird mit einer Absorbensflüssigkeit unter Erzeugung einer Blasensäule in einem Sumpfvolumen oder in einem Reaktionsvolumen eines Füllkörper aufweisenden Absorbers zugeführt und hiermit in Kontakt gebracht. Dazu soll das Rauchgas, dem Sumpfvolumen oder dem Reaktionsvolumen des Absorbers mittels mindestens eines selbstansaugenden Begasungsrührers oder eines Strahldüsendispergierers zugeführt werden und in der Absorbensflüssigkeit der Wirkung eines Ultraschallgenerators oder Ultraschalldispergierers ausgesetzt werden.
Ein Verfahren zum Reinigen von bei der Verbrennung von Schweröl- und Dieselkraftstoffen entstehenden Rauchgasen, insbesondere zum Betrieb von Wasserfahrzeugen und Bohrinseln, wird in der DE 10 2010 016 004 A1 beschrieben. Die schwefelhaltigen Rauchgase, die bei der Verbrennung von Schweröl- und Dieselkraftstoffen entstehen, werden als Verbrennungsrückstände in einen Reaktor geleitet. Dabei sollen Rußpartikel und Stäube durch Adsorption oder Absorption an Sorptionsmittel in einem ersten Schritt aus dem Gasstrom abgetrennt werden. In einem zweiten, nachfolgenden Schritt werden schwefelhaltige Bestandteile durch Trockensorption aus dem Gasstrom entfernt. Schließlich werden die Gase über einen Schornstein abgeführt.
Die WO 2007/073881 A1 stellt eine Vorrichtung zum Vermischen eines Fluids mit einem in einem Gaskanal strömenden großen Gasmengenstrom, insbesondere zum Einbringen eines Reduktionsmittels in ein Stickoxide enthaltendes Rauchgas vor. Mindestens eine Düsenlanze mit einer Düse für die Zuführung des Fluids soll bei kurzem Mischweg gewährleisten, dass die in dem aus den Zerstäuberdüsen jeweils austretenden Düsenstrahl enthaltenen verdampften, gasförmigen Anteile in die Strömungswirbel eintreten.
Aus der EP 0780151 B1 ist letztlich ein Verfahren zum Regeln der Oxidation der Sulfite in einem Rauchgas-Entschwefelungsverfahren bekannt, in welchem schwefeloxidhaltiges Abgas mit einer Absorptionsflüssigkeit, die eine Kalziumverbindung enthält, behandelt wird. Ein sauerstoffhaltiges Gas wird durch die Absorptionsflüssigkeit, die das resultierende Kalziumsulfit enthält, geleitet, um das Kalziumsulfit zu oxidieren und dabei Gips zu bilden.
In keinem dieser Verfahren oder dieser Vorrichtungen wird der Gesamtkomplex der Inhaltsstoffe soweit bearbeitet, dass anschließend eine stoffliche Verwertung des CO₂ möglich wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demzufolge darin, eine Einrichtung zur chemischen und energetischen Verwertung von Rauchgas vorzuschlagen, bei der als Endprodukte reines CO₂in einer Mischung mit Stickstoff und ein landwirtschaftlich nutzbares Düngesalz anfallen. Dabei soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, dass das CO₂zur Zwischenspeicherung der aus Sonnenlicht und Windkraft gewonnenen Elektroenergie eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird dies mit einer Einrichtung entsprechend den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 und dem Verfahren zur Nutzung der Einrichtung gemäß dem Hauptanspruch 2 gelöst. In den weiteren Verfahrensansprüchen werden weitere nützliche Ausführungen des Verfahrens vorgeschlagen.
Eine erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einer Aufarbeitungsstufe und einer Verwertungsstufe. Hiermit kann Rauchgas (RG), das aus Kraftwerken, Verbrennungsanlagen, Blockheizkraftwerken, Gasturbinen, der Zementindustrie und sonstigen Industriezweigen stammt, verwertet werden.
Dabei ist die Aufarbeitungsstufe aus einem Wärmetauscher (1) und vier Gasbehandlungsreaktoren (2 bis 4), die in einer Reihe nachgeschaltet sind, zusammensetzt.
Im Wärmetauscher (1) wird das Rauchgas (RG) auf die für die weiteren Verfahrensschritte notwendige Temperatur herabgekühlt.
Die Gasbehandlungsreaktoren (2 bis 4) weisen neben der Gaszuführung und der Gasableitung je eine Einrichtung zur Zuführung (Zs1 bis Zs4) des benötigten Reaktionsgemisches auf.
Im ersten Gasbehandlungsreaktor (2) wird das Rauchgas (RG) mittels einer wässrigen Lösung von Diamoniumglykolsalz (Zs1) behandelt. Dadurch werden die organischen Bestandteile und Feinstäube, welche mit krebserregenden Stoffen, vor allem mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, Phenolen, Dioxinen, Furanen und Formaldehyden belastet sind, mittels organischer Wäsche entfernt. Der erste Gasbehandlungsreaktor (2) ist für die Ableitung des Reaktionsgemisches mit einer Aufbereitung (6) verbunden. In dieser wird das im Gasbehandlungsreaktor (2) eingesetzte Diamoniumglykolsalz (Zs1) unter Anwendung der im Wärmetauscher (1) anfallenden Abwärme vom Abfallschlamm (AS) getrennt.
Eine Rückführleitung befördert unverbrauchtes Diamoniumglykolsalz zur Zuführung (Zs1) zurück.
Im zweiten Gasbehandlungsreaktor (3) werden anschließend mit einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid und Harnstoff (Zs2) die im Rauchgas (RG) enthaltenen Stickstoffverbindungen zu Nitratsalzen (N) umgewandelt.
Im dritten Gasbehandlungsreaktor (4) werden darauf die im Rauchgas (RG) enthaltenen Schwefelverbindungen mit einer wässrigen Lösung von Kalziumphosphat und Harnstoff (Zs3) in Sulfatsalzen (S) eingebunden. Weiterhin werden im vierten Gasbehandlungsreaktor (5) die im Rauchgas (RG) enthaltenen Halogenverbindungen mit einer wässrigen Lösung von Ammoniumsalzen und Harnstoff (Zs4) in Halogensalzen (H) gebunden.
Die Ableitungen der verbrauchten Reaktionsgemische der anderen Gasbehandlungsreaktoren (3 bis 5) sind mit einer Düngeraufbereitung (7) verbunden. Hier werden schließlich Nitratsalz-(N), Sulfatsalz-(S) und Halogensalzlösungen (H) aus den Gasbehandlungsreaktoren vom Wasser (H₂O) getrennt und unter Zusatz von Kaliumdihydrogenphosphat (KDHP), das zur Stabilisierung des pH-Wertes dem Düngesalz zugesetzt wird, zu Düngemittel aufbereitet.
Düngesalz und Wasser werden getrennt über einen Düngemittelaustrag (D) und eine Wasserableitung (W) abgeführt.
Die sich anschließende Verwertungsstufe besteht im Wesentlichen aus einer Wasserelektrolyse (8), einem Methanreaktor (9) und einem Blockheizkraftwerk (BHKW).
Der zur Wasserelektrolyse (8) notwendige Strom (ST) wird aus mindestens einer regenerativen Quelle zugeführt. Hiermit kann insbesondere momentan nicht benötigter Strom aus diesen Quellen abgeschöpft werden.
In der Wasserelektrolyse (8) wird Prozesswasser, das beispielsweise in der Düngeraufbereitung (7) anfällt, in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) zerlegt. Der Sauerstoff wird über eine Sauerstoffleitung (O₂) direkt dem Blockheizkraftwerk (BHKW) zugeführt.
Der Wasserstoff (H₂) gelangt über eine Wasserstoffleitung (H₂) aus der Wasserelektrolyse (8) direkt in den Methanreaktor (9).
Über eine weitere Zuführungsleitung wird dem Methanreaktor (9) das im Reinigungsverfahren entstandene gereinigte Rauchgas (N₂ + CO₂) zugeführt.
In diesem Methanreaktor (9) wird unter Energiezufuhr aus Wasserstoff und CO₂ Methan synthetisiert. Die für die Methansynthese benötigte Wärme stammt aus speziellen Sonnenkollektoren (13), die Temperaturen von 350 bis 450 °C erzeugen.
Methan (CH₄) und Sauerstoff (O₂) können nun kurzfristig gespeichert werden. In Zeiten höheren Stromverbrauchs kann aus dem erzeugten Methan mit dem in der Wasserelektrolyse (8) gebildeten Sauerstoff (O₂) in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) Elektroenergie und Wärme erzeugt werden.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Zeichnungen 1 und 2 in einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Aufarbeitungsstufe und
2 eine schematische Darstellung der Verwertungsstufe.
Die Einrichtung besteht aus einer Aufarbeitungsstufe und einer Verwertungsstufe.
Dabei ist die Aufarbeitungsstufe aus einem Wärmetauscher 1 sowie vier Gasbehandlungsreaktoren 2 bis 4, die in einer Reihe nachgeschaltet sind, zusammensetzt.
Im Wärmetauscher 1 wird das Rauchgas RG auf die für die weiteren Verfahrensschritte notwendige Temperatur herabgekühlt.
Die Gasbehandlungsreaktoren 2 bis 4 weisen neben der Gaszuführung und der Gasableitung je eine Einrichtung zur Zuführung Zs1 bis Zs4 des benötigten Reaktionsgemisches auf.
Im ersten Gasbehandlungsreaktor 2 werden die organischen Bestandteile und Feinstäube aus dem Rauchgas RG mittels einer wässrigen Lösung von Diamoniumglykolsalz Zs1 entfernt.
In der Aufbereitung 6 wird das im Gasbehandlungsreaktor 2 eingesetzte Diamoniumglykolsalz Zs1 unter Anwendung der im Wärmetauscher 1 anfallenden Abwärme vom Abfallschlamm AS getrennt.
Eine Rückführleitung befördert unverbrauchtes Diamoniumglykolsalz zur Zuführung Zs1 zurück.
In den folgenden Gasbehandlungsreaktoren 3 bis 5 werden anschließend mit wässrigen Lösungen von Kaliumhydroxid, Kalziumphosphat und Ammoniumsalzen sowie Harnstoff die im Rauchgas RG enthaltenen Stickstoffverbindungen zu Nitratsalzen N, die Schwefelverbindungen zu Sulfatsalzen S und die Halogenverbindungen zu Halogensalzen H umgewandelt.
Die Ableitungen der verbrauchten Reaktionsgemische der Gasbehandlungsreaktoren 3 bis 5 sind mit einer Düngeraufbereitung 7 verbunden. Hier werden schließlich Nitratsalzlösungen N, Sulfatsalzlösungen S und Halogensalzlösungen H aus den Gasbehandlungsreaktoren vom Wasser H₂O getrennt und unter Zusatz von Kaliumdihydrogenphosphat KDHP, das zur Stabilisierung des pH-Wertes dem Düngesalz zugesetzt wird, zu Düngemittel aufbereitet.
Düngesalz und Wasser werden getrennt über einen Düngemittelaustrag D und eine Wasserableitung W abgeführt.
Das gereinigte Rauchgas wird der sich anschließenden Verwertungsstufe zugeführt. Diese besteht im Wesentlichen aus einer Wasserelektrolyse 8, einem Methanreaktor 9 und einem Blockheizkraftwerk BHKW.
Der zur Wasserelektrolyse 8 notwendige Strom ST wird aus Windkraft- und Fotovoltaikanlagen bereitgestellt.
In der Wasserelektrolyse 8 wird Wasser in Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zerlegt. Der Sauerstoff wird über eine Sauerstoffleitung O₂ direkt dem Blockheizkraftwerk BHKW zugeführt.
Der Wasserstoff H₂ gelangt über eine Wasserstoffleitung H₂ aus der Wasserelektrolyse 8 in den Methanreaktor 9, in dem es mit dem gereinigten Rauchgas N₂ + CO₂ zu Methan umgesetzt wird. Die für die Methansynthese benötigte Wärme stammt aus speziellen Sonnenkollektoren 13, die Temperaturen von 350 bis 450 °C erzeugen.
Methan CH₄ und Sauerstoff O₂ können nun kurzfristig gespeichert werden. In Zeiten höheren Stromverbrauchs kann aus dem erzeugten Methan mit dem in der Wasserelektrolyse 8 gebildeten Sauerstoff O₂ in einem Blockheizkraftwerk BHKW Elektroenergie und Wärme erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscher
10: Stromerzeuger
13: Sonnenkollektor
2: Gasbehandlungsreaktor
3: Gasbehandlungsreaktor
4: Gasbehandlungsreaktor
5: Gasbehandlungsreaktor
6: Aufbereitung
7: Düngeraufbereitung
8: Wasserelektrolyse
9: Methanreaktor
AS: Abfallschlamm
BHKW: Blockheizkraftwerk
D: Düngemittelaustrag
H: Halogensalzlösungen
H₂: Wasserstoff
H₂O: Wasser
KDHP: Kaliumdihydrogenphosphat
N: Nitratsalz
N₂ + CO₂: Rauchgas
O₂: Sauerstoff
RG: Rauchgas
S: Sulfatsalz
ST: Strom
W: Wasserableitung
Zs1: Zuführung
Zs1: Diamoniumglykolsalz
Zs2: Harnstoff
Zs3: Harnstoff
Zs4: Harnstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8346394 B2 [0005]
DE 102011010743 A1 [0006]
DE 102008061258 A1 [0007]
DE 102010016004 A1 [0008]
WO 2007/073881 A1 [0009]
EP 0780151 B1 [0010]

Claims

Einrichtung zur chemischen und energetischen Verwertung von Rauchgas, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einer Aufarbeitungsstufe und einer Verwertungsstufe besteht, wobei sich die Aufarbeitungsstufe aus einem Wärmetauscher (1) und vier in einer Reihe nachgeschalteten Gasbehandlungsreaktoren (2 bis 4) zusammensetzt, und jeder der Gasbehandlungsreaktoren (2 bis 4) neben der Gaszuführung und der Gasableitung eine Einrichtung zur Zuführung (Zs1 bis Zs4) des Reaktionsgemisches aufweist, weiterhin ist die Ableitung des Reaktionsgemisches des ersten Gasbehandlungsreaktors (2) mit einer Aufbereitung (6) verbunden und die Ableitungen des Reaktionsgemisches der anderen Gasbehandlungsreaktoren (3 bis 5) sind mit einer Düngeraufbereitung (7) verbunden, dabei hat die Düngeraufbereitung (7) eine Zuführung für Kaliumdihydrogenphosphat (KDHP), einen Düngemittelaustrag (D) und eine Wasserableitung (W), dass die Verwertungsstufe im Wesentlichen aus einer Wasserelektrolyse (8), einem Methanreaktor (9) und einem Blockheizkraftwerk (BHKW) besteht, bei dem der zur Wasserelektrolyse (8) notwendige Strom (ST) aus mindestens einer regenerativen Quelle zugeführt wird, eine Sauerstoffleitung (O₂) verbindet die Wasserelektrolyse (8) direkt mit dem Blockheizkraftwerk (BHKW), eine Wasserstoffleitung verbindet die Wasserelektrolyse (8) direkt mit dem Methanreaktor (9), wobei der Methanreaktor (9) über eine weitere Zuführungsleitung mit dem Ausgang der Aufarbeitungsstufe verbunden ist und eine vom Methanreaktor (9) ausgehende Methanleitung das darin erzeugte Methan dem Blockheizkraftwerk (BHKW) zuführt.
Verfahren zur Aufarbeitung von Rauchgas und dessen energetischer Verwertung, dadurch gekennzeichnet, dass das aus einer Rauchgasquelle stammende Rauchgas einem Reinigungsverfahren unterworfen wird und dass weiterhin in einer Wasserelektrolyse (8) mittels Strom aus regenerativen Stromerzeugern (10, 11) Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) erzeugt wird, dass das im Reinigungsverfahren entstandene gereinigte Rauchgas (N₂ + CO₂) nach Mischung mit dem aus der Wasserelektrolyse (8) stammenden Wasserstoff (H₂) einem Methanreaktor (9) zugeführt wird, in dem unter Energiezufuhr aus Wasserstoff und CO₂ Methan synthetisiert wird und dass das so erzeugte Methan mit dem in der Wasserelektrolyse (8) erzeugten Sauerstoff (O₂) in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Gewinnung von Elektroenergie und Wärme eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas (RG), das aus Kraftwerken, Verbrennungsanlagen, Blockheizkraftwerken, Gasturbinen, der Zementindustrie und sonstigen Industriezweigen stammt, in einem Wärmetauscher (1) auf die für die weiteren Verfahrensschritte notwendige Temperatur herabgekühlt und einem ersten Gasbehandlungsreaktor (2) zugeführt wird, in dem das Rauchgas (RG) mittels einer wässrigen Lösung von Diamoniumglykolsalz (Zs1) behandelt wird, wodurch die organischen Bestandteile und Feinstäube, welche mit krebserregenden Stoffen, vor allem mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, Phenolen, Dioxinen, Furanen und Formaldehyden belastet sind, mittels organischer Wäsche entfernt werden, das eingesetzte Diamoniumglykolsalz (Zs1) wird hierbei in einer Aufbereitung (6) unter Anwendung der im Wärmetauscher (1) anfallenden Abwärme vom Abfallschlamm (AS) getrennt und zurückgeführt, dass anschließend im zweiten Gasbehandlungsreaktor (3) mit einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid und Harnstoff (Zs2) die im Rauchgas (RG) enthaltenen Stickstoffverbindungen zu Nitratsalzen (N) umgewandelt werden, dass darauf im dritten Gasbehandlungsreaktor (4) mit einer wässrigen Lösung von Kalziumphosphat und Harnstoff (Zs3) die im Rauchgas (RG) enthaltenen Schwefelverbindungen zu Sulfatsalzen (S) umgewandelt werden, dass weiterhin im vierten Gasbehandlungsreaktor (5) mit einer wässrigen Lösung von Ammoniumsalzen und Harnstoff (Zs4) die im Rauchgas (RG) enthaltenen Halogenverbindungen zu Halogensalzen (H) umgewandelt werden, dass schließlich Nitratsalz-(N), Sulfatsalz-(S) und Halogensalzlösungen (H) aus den Gasbehandlungsreaktoren in einer Salzaufbereitung vom Wasser (H2O) getrennt und unter Zusatz von Kaliumdihydrogenphosphat (KDHP) zu Düngemittel aufbereitet werden, das gereinigte Rauchgas (N₂ + CO₂) dem Methanreaktor zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Wasserelektrolyse (8) eingesetzte Strom aus Fotovoltaikanlagen und/oder Windkraftgeneratoren stammt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Methansynthese benötigte Wärme aus speziellen Sonnenkollektoren (13) stammt, die Temperaturen von 350 bis 450 °C erzeugen.