DE102013200755A1

DE102013200755A1 - Kohledioxidabscheidevorrichtung for the deposition of carbon dioxide from a combustion exhaust gas

Info

Publication number: DE102013200755A1
Application number: DE102013200755A
Authority: DE
Inventors: Jens-Uwe Repke; Marc-Oliver Schach; Rüdiger Schneider; Henning Schramm
Original assignee: Technische Universitaet Berlin; Siemens AG
Current assignee: Technische Universitaet Berlin; Siemens AG
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-08-22
Also published as: WO2013124127A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) zur Abscheidung von Kohledioxid aus einem Verbrennungsabgas (2). Die Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) umfasst einen Absorptionsmittelkreislauf (5), in den ein Absorber (3) und ein Desorber (4) geschaltet sind, und einen dem Desorber (4) über eine Dampfleitung (7) nachgeschalteten Kondensator (6) zur Kondensation von im Desorber (4) verdampften Absorptionsmittel. Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscher (8) vorgesehen, der primärseitig in die Dampfleitung (7) und sekundärseitig in den Absorptionsmittelkreislauf (5) geschaltet ist, sodass Kondensationswärme von einem verdampften Absorptionsmittel im Kondensator (6) auf ein Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf (5) übertragbar ist.The invention relates to a Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) for the deposition of carbon dioxide from a combustion exhaust gas (2). The Kohledioxidabscheidevorrichtung (1) comprises an absorbent circuit (5), in which an absorber (3) and a desorber (4) are connected, and a desorber (4) via a vapor line (7) downstream condenser (6) for condensing in Desorber (4) vaporized absorbent. According to the invention, a heat exchanger (8) is provided, which is connected on the primary side in the steam line (7) and secondary side in the absorption medium circuit (5), so that heat of condensation of a vaporized absorbent in the condenser (6) on an absorbent in the absorption medium circuit (5) is transferable.

Description

Kohlendioxid fällt als klimawirksames Gas als Bestandteil von Rauchgasen bei fossilen Verbrennungsprozessen an. Insbesondere bei fossil befeuerten Kraftwerken zur Elektrizitätserzeugung fallen hohe Mengen an Kohlendioxid an. Zur Vermeidung bzw. Verringerung entsprechender Emissionen muss Kohlendioxid abgetrennt werden. Carbon dioxide is a climate-friendly gas as part of flue gases in fossil combustion processes. In fossil-fueled power plants in particular for generating electricity, high levels of carbon dioxide are produced. To avoid or reduce such emissions, carbon dioxide must be separated.

Im großtechnischen Maßstab ist die Abtrennung von Kohlendioxid heute praktisch nur mit einem kombinierten Verfahren aus Absorption und Desorption wirtschaftlich möglich. On an industrial scale, the separation of carbon dioxide is today practically only possible with a combined method of absorption and desorption economically.

In einer Kohlendioxidabscheidevorrichtung kommt das Rauchgas im Absorber mit einem selektiven Lösungsmittel, einem Absorptionsmittel, in Kontakt. Dabei wird Kohlendioxid aus dem Rauchgas aufgenommen. Den Absorber verlässt ein gereinigtes Abgas am Kopf der Absorberkolonne. Das mit Kohlendioxid beladene Lösungsmittel wird zum Desorber geleitet und dort unter Wärmeeinsatz regeneriert. Dabei wird Kohlendioxid aus dem Lösungsmittel ausgetrieben, wobei den Desorber am Kopf der Desorberkolonne ein Gas- Dampfgemisch aus Kohlendioxid und verdampftem Lösungsmittel verlässt. Dieses Gas- Dampfgemisch wird kondensiert, wobei ein Kondensat entsteht, welches wieder in den Desorber zurück geführt wird, und ein Kohlendioxid als weitgehend reines Gas zurück bleibt. Die bei der Kondensation anfallende Wärme wird an die Umgebungsluft abgeführt. In a carbon dioxide separator, the flue gas in the absorber contacts a selective solvent, an absorbent. This carbon dioxide is absorbed from the flue gas. The absorber leaves a purified waste gas at the top of the absorber column. The loaded with carbon dioxide solvent is passed to the desorber and regenerated there under heat. In this case, carbon dioxide is expelled from the solvent, wherein the desorber at the top of the desorber column leaves a gas-vapor mixture of carbon dioxide and vaporized solvent. This gas-vapor mixture is condensed, resulting in a condensate, which is returned to the desorber, and a carbon dioxide remains as a largely pure gas. The heat generated during the condensation is dissipated to the ambient air.

Das Kohlendioxid wird anschließend mehrstufig komprimiert und kann im flüssigen Zustand einer Lagerung oder Verwertung zugeführt werden. Das im Desorber regenerierte Lösungsmittel wird wieder zum Absorber geleitet und kann dort wieder weiteres Kohlendioxid aus dem Rauchgas aufnehmen. The carbon dioxide is then compressed in several stages and can be supplied in the liquid state for storage or recycling. The regenerated in the desorber solvent is returned to the absorber and can pick up there again more carbon dioxide from the flue gas.

Bekannt ist eine Integration von Wärme aus dem heißen regenerierten Lösungsmittel aus einer Leitung nach der Ausleitung aus dem Desorber zur Vorwärmung von kaltem mit Kohlendioxid beladenen Lösungsmittels vor der Einleitung in den Desorber (Wärmeintegration). Dies erfolgt in einem Kreuzstromwärmetauscher. Trotz Nutzung dieser Wärme ist der mit der Abscheidung von Kohlendioxid aus Rauchgasen verbundene Energiebedarf noch so hoch, dass aus Sicht eines Kraftwerksanlagenbetreibers die Wirtschaftlichkeit einer Kohlendioxidabscheidevorrichtung gegenwärtig nicht eindeutig nachweisbar ist. Known is an integration of heat from the hot regenerated solvent from a line after the discharge from the desorber for preheating cold loaded with carbon dioxide solvent prior to discharge into the desorber (heat integration). This takes place in a cross-flow heat exchanger. Despite the use of this heat, the energy demand associated with the capture of carbon dioxide from flue gases is still so high that, from the point of view of a power plant operator, the economics of a carbon dioxide capture device are currently not clearly detectable.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Kohlendioxidabscheidevorrichtung anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik in ihrer Effizienz gesteigert ist, sodass diese durch niedrigere Investions- und Betriebskosten eine höhere Wirtschaftlichkeit besitzt. It is therefore an object of the invention to provide a carbon dioxide separation device, which is increased in relation to the prior art in their efficiency, so that it has a lower cost of ownership and higher operating cost.

Gelöst ist die Aufgabe der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1. The object of the invention is solved by the features of claim 1.

Dabei umfasst die erfindungsgemäße Kohledioxidabscheidevorrichtung zur Abscheidung von Kohledioxid aus einem Verbrennungsabgas einen Absorptionsmittelkreislauf, in den ein Absorber und ein Desorber geschaltet sind. Dem Desorber ist zudem über eine Dampfleitung ein Kondensator zur Kondensation von im Desorber verdampften Absorptionsmittel nachgeschaltet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der primärseitig in die Dampfleitung und sekundärseitig in den Absorptionsmittelkreislauf geschaltet ist, sodass Kondensationswärme von einem verdampftem Absorptionsmittel im Kondensator auf ein Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf übertragbar ist. The Kohledioxidabscheidevorrichtung invention for the deposition of carbon dioxide from a combustion exhaust gas comprises an absorbent circuit, in which an absorber and a desorber are connected. The desorber is also connected downstream of a condenser for condensing vaporized in the desorber absorber via a steam line. The invention is characterized in that a heat exchanger is provided which is connected on the primary side in the steam line and on the secondary side in the absorption medium circuit, so that heat of condensation can be transferred from a vaporized absorbent in the condenser to an absorbent in the absorption medium circuit.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, die für die Desorption erforderliche Wärmeenergie dadurch zu reduzieren, indem bereits im Gesamtsystem vorhandene Wärme wieder in das System integriert wird. Dadurch lässt sich der Gesamtenergiebedarf der Kohlendioxidabscheidevorrichtung reduzieren. Dies wird dadurch erzielt, dass Wärme, die am Kondensator abgeführt werden muss, zur Vorwärmung des beladenen Absorptionsmittelstroms genutzt. The invention is based on the idea of reducing the heat energy required for desorption by integrating the heat already present in the overall system back into the system. This can reduce the overall energy consumption of the carbon dioxide removal device. This is achieved by utilizing heat that must be dissipated at the condenser to preheat the loaded absorbent stream.

Gegenüber einer Ausführung ohne die erfindungsgemäße Wärmeintegration sind Einsparungen an Kühlwasser, Investitionskosten und Energie zu erwarten. Da die Wärme im Kondensator zum großen Teil nicht an Kühlwasser sondern an das Lösungsmittel im Absorptionsmittelkreislauf abgegeben wird, können Kühlwasser und damit Betriebskosten gespart werden. Compared to a design without the heat integration according to the invention, savings in cooling water, investment costs and energy are to be expected. Since the heat in the condenser is not given off to a large extent to cooling water but to the solvent in the absorption medium cycle, cooling water and thus operating costs can be saved.

Bei einer bevorzugten vorteilhaften Weiterentwicklung der Kohlendioxidabscheidevorrichtung ist der Wärmetauscher sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel geschaltet, sodass durch die Kondensationswärme beladenes Absorptionsmittel vorwärmbar ist. Durch Vorwärmung des beladenen Lösungsmittelmassenstroms kann der zentrale Wärmeübertrager (Kreuzstromwärmetauscher), zur Vorwärmung des beladenen mit dem unbeladenen Lösungsmittel, kleiner dimensioniert werden. Dadurch können Investitionskosten eingespart werden. Durch die Integration der Wärme im Abtrennprozess kann insbesondere Energie im Desorber eingespart werden. Der hierdurch eingesparte Heizdampf kann in der Turbine zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht. In a preferred advantageous further development of the carbon dioxide separation device, the heat exchanger is connected on the secondary side into the line for laden absorbent, so that absorption medium loaded by the condensation heat can be preheated. By preheating the laden solvent mass flow of the central heat exchanger (cross-flow heat exchanger), for preheating the loaded with the unloaded solvent, are smaller. As a result, investment costs can be saved. By integrating the heat in the separation process, in particular energy can be saved in the desorber. The heating steam thus saved can be used in the turbine to generate electrical energy, which increases the efficiency of the power plant.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Kohlendioxidabscheidevorrichtung ist weiterhin ein Zwischenkühler vorgesehen, der primärseitig in dem Absorptionsmittelkreislauf abschnittsweise parallel zum Absorber geschaltet ist, und sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel geschaltet ist, sodass Wärme aus dem Zwischenkühler auf ein dem Desorber zuzuführendes beladenes Absorptionsmittel übertragbar ist. Dadurch wird die Vorwärmung von beladenem Lösungsmittel weiter unterstützt. In a further advantageous embodiment of the carbon dioxide separation device, an intercooler is further provided, which is connected in the absorption medium circuit sections parallel to the absorber on the primary side, and is connected on the secondary side in the line for loaded absorbent, so that heat from the intercooler to a desorber to be supplied laden absorbent is transferable , As a result, the preheating of loaded solvent is further supported.

Bevorzugt ist die Kohledioxidabscheidevorrichtung Bestandteil einer Kraftwerksanlage, die einen fossil befeuerten Verbrennungsprozess umfasst. Preferably, the Kohledioxidabscheidevorrichtung part of a power plant, which includes a fossil-fired combustion process.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigt: In the following the invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments. It shows:

1 eine Kohledioxidabscheidevorrichtung mit der Verschaltung zwischen Absorber und Desorber nach dem Stand der Technik. 1 a Kohledioxidabscheidevorrichtung with the connection between absorber and desorber according to the prior art.

2 eine Kohledioxidabscheidevorrichtung einer erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung mit Wärmeintegration 2 a Kohledioxidabscheidevorrichtung a Kohledioxidabscheidevorrichtung invention with heat integration

3 eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung gemäß 2 3 a further development of Kohledioxidabscheidevorrichtung invention according to 2

1 zeigt eine Kohledioxidabscheidevorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik, mit einem Absorber 3 und einen Desorber 4, die über einen Absorptionsmittelkreislauf 5 miteinander verschaltet sind. Dem Absorber 3 wird über eine Rauchgasleitung 11 ein kohlendioxidhaltiges Rauchgas zugeführt. Das kohlendioxidhaltige Rauchgas wird in dem Absorber mit einem Absorptionsmittel in Kontakt gebracht, wobei Kohlendioxid aus dem Rauchgas durch das Absorptionsmittel absorbiert wird. Den Absorber 3 verlässt über eine Rauchgasauslassleitung 12 ein von Kohlendioxid gereinigtes Rauchgas. 1 shows a Kohledioxidabscheidevorrichtung 1 according to the prior art, with an absorber 3 and a desorber 4 that have an absorbent cycle 5 interconnected with each other. The absorber 3 is via a flue gas line 11 supplied a carbon dioxide-containing flue gas. The carbon dioxide-containing flue gas is contacted with an absorbent in the absorber, whereby carbon dioxide from the flue gas is absorbed by the absorbent. The absorber 3 leaves via a flue gas outlet pipe 12 a purified of carbon dioxide flue gas.

Das mit Kohlendioxid beladene Absorptionsmittel wird über eine Leitung 9 in den Desorber 4 geleitet, wo das Kohlendioxid durch Auskochen des Absorptionsmittels wieder desorbiert wird. Um die für die Desorption notwendige Wärmeenergie in den Desorber einzubringen, ist ein Reboiler 13 vorgesehen, der in den Desorber verschaltet ist, und der mit Heißdampf versorgt wird. Den Desorber 4 verlässt über eine Dampfleitung 7 ein Gas- und Dampfgemisch aus desorbiertem Kohlendioxid und verdampftem Absorptionsmittel. Zur Kondensation und Rückgewinnung von Lösungsmittel ist in die Dampfleitung 7 ein Kondensator 6 geschaltet, der wiederum mit über eine Kondensatleitung 15 mit dem Desorber 4 verbunden ist. Über eine Gasleitung 16 ist Kohlendioxid in weitgehend reiner Form ausleitbar. The carbon dioxide-laden absorbent is passed through a conduit 9 in the desorber 4 where the carbon dioxide is desorbed by boiling the absorbent. To bring the heat energy required for desorption into the desorber is a reboiler 13 provided, which is connected in the desorber, and which is supplied with superheated steam. The desorber 4 leaves via a steam line 7 a gas and vapor mixture of desorbed carbon dioxide and vaporized absorbent. For condensation and recovery of solvent is in the steam line 7 a capacitor 6 switched, in turn, with a condensate line 15 with the desorber 4 connected is. About a gas line 16 is carbon dioxide in substantially pure form ausleitbar.

2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung 1 Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 1 ist ein Wärmetauscher 8 vorgesehen, der primärseitig in die Dampfleitung 7 und sekundärseitig in den Absorptionsmittelkreislauf 5 geschaltet ist. Dadurch ist Kondensationswärme von einem verdampften Absorptionsmittel im Kondensator 6 auf ein Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf 5 übertragbar. Dargestellt ist in 2 die Verschaltung des Wärmetauschers 8 in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel 9 des Absorptionsmittelkreislaufs 5. Dadurch ist durch die Kondensationswärme beladenes Absorptionsmittel vorwärmbar. 2 shows an embodiment of a Kohledioxidabscheidevorrichtung invention 1 In contrast to the prior art according to 1 is a heat exchanger 8th provided, the primary side in the steam line 7 and on the secondary side in the absorption medium circuit 5 is switched. As a result, condensation heat of a vaporized absorbent in the condenser 6 on an absorbent in the absorbent cycle 5 transferable. Is shown in 2 the interconnection of the heat exchanger 8th into the line for loaded absorbent 9 of the absorbent cycle 5 , As a result, by the heat of condensation loaded absorbent can be preheated.

Ein bei der Vorwärmung im Wärmetauscher 8 entstehendes Kondensat ist über eine Kondensatleitung 17 in die Kondensatleitung 15 leitbar. Dadurch leistet das Kondensat aus der Kondensatleitung 17 einen zusätzlichen Beitrag zur Desorption um Desorber 4. An at the preheating in the heat exchanger 8th condensate formed is via a condensate line 17 into the condensate line 15 be conducted. This makes the condensate from the condensate line 17 an additional contribution to desorber desorption 4 ,

3 zeigt eine Weiterentwicklung der in 2 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kohledioxidabscheidevorrichtung 1 mit Wärmeintegration. Die Verschaltung aus 2 ist in 3 dahingehend ergänzt, dass ein Zwischenkühler 10 vorgesehen ist, der primärseitig in dem Absorptionsmittelkreislauf 5 abschnittsweise parallel zum Absorber 3 geschaltet ist, und sekundärseitig in die Leitung für beladenes Absorptionsmittel 9 geschaltet ist. Dadurch ist Wärme aus dem Zwischenkühler 10 auf ein dem Desorber 4 zuzuführendes beladenes Absorptionsmittel übertragbar. Sekundärseitig ist ein zusätzlicher Wärmetauscher denkbar, der in Reihe zu dem Wärmetauscher 8 geschaltet ist, und durch den die Wärme auf ein beladenes Absorptionsmittel übertragbar ist. Alternativ ist auch möglich, den Zwischenkühler 10 sekundärseitig in den Wärmetauscher 8 zu integrieren. Dies würde bedeuten, dass der Zwischenkühler 10 sekundärseitig mit der Dampfleitung 7 verschaltet ist, und den Wärmetauscher 8 als gemeinsamen Wärmetauscher für die Wärmeintegration verwendet. 3 shows an evolution of in 2 illustrated embodiment of Kohledioxidabscheidevorrichtung invention 1 with heat integration. The interconnection off 2 is in 3 to the effect that an intercooler 10 is provided, the primary side in the absorbent cycle 5 in sections parallel to the absorber 3 switched on the secondary side and in the line for loaded absorbent 9 is switched. This is heat from the intercooler 10 on a the desorber 4 Transferable loaded absorbent absorbable. On the secondary side, an additional heat exchanger is conceivable, in series with the heat exchanger 8th is switched, and by which the heat is transferable to a loaded absorbent. Alternatively, it is also possible to use the intercooler 10 secondary side into the heat exchanger 8th to integrate. This would mean that the intercooler 10 on the secondary side with the steam line 7 is interconnected, and the heat exchanger 8th used as a common heat exchanger for heat integration.

Claims

Carbon dioxide separation device ( 1 ) for separating carbon dioxide from a combustion exhaust gas ( 2 ) comprising an absorbent cycle ( 5 ) into which an absorber ( 3 ) and a desorber ( 4 ) and a desorber ( 4 ) via a steam line ( 7 ) downstream capacitor ( 6 ) for condensation in the desorber ( 4 ) vaporized absorbent, characterized in that a heat exchanger ( 8th ) is provided, the primary side in the steam line ( 7 ) and secondary side in the absorbent cycle ( 5 ), so that heat of condensation from a vaporized absorbent in the condenser ( 6 ) to a Absorbent in the absorbent cycle ( 5 ) is transferable.

Carbon dioxide separation device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the heat exchanger ( 8th ) on the secondary side in the line for loaded absorbent ( 9 ) is switched, so that by the heat of condensation loaded absorbent is preheated.

Carbon dioxide separation device ( 1 ) according to claim 2, characterized in that an intercooler ( 10 ) is provided, the primary side in the absorbent cycle ( 5 ) in sections parallel to the absorber ( 3 ) and secondary side in the line for loaded absorbent ( 9 ), so that heat from the intercooler ( 10 ) on a desorber ( 4 ) to be supplied laden absorbent is transferable.

Carbon dioxide separation device ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, as part of a power plant, comprising a fossil-fired combustion process.