DE102013205123A1

DE102013205123A1 - Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Absorptionsmittel-Füllstandes einer im Betrieb befindlichen CO2 Abscheidevorrichtung

Info

Publication number: DE102013205123A1
Application number: DE102013205123.9A
Authority: DE
Inventors: Björn Fischer; Ralph Joh; Katrin Raake; Rüdiger Schneider; Henning Schramm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-09-25
Also published as: WO2014146859A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Absorptionsmittel-Füllstandes eines im Betrieb befindlichen CO2 Capture-Prozesses (10) mit einem Absorptionsmittelkreislauf, in dem ein Absorptionsmittel aus Wasser und einem gelösten, waschaktiven Zusatzstoff gefördert wird. Dabei werden in einem ersten Messprozess (20) Messdaten über die Dichte des Absorptionsmittels (25) und in einem zweiten Messprozess (30) Messdaten über die Beladung des Absorptionsmittels mit CO2 (35) erfasst. In einem Auswerteprozess (40) wird aus den Messwerten die Verdünnung des Absorptionsmittels mit Wasser berechnet, und dann abhängig von der Verdünnung des Absorptionsmittels mit Wasser in einem Regelprozess (50) dem Absorptionsmittelkreislauf ein Makeup-Wasser zugeregelt, sodass auch bei instationären Vorgängen durch die Verdünnung des Absorptionsmittels eine bestmöglichste Absorption von CO2 gewährleistet ist.

Description

Bei fossilbefeuerten Kraftwerksanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie entsteht durch die Verbrennung eines fossilen Brennstoffes ein kohlendioxidhaltiges Rauchgas. Zur Vermeidung bzw. zur Verringerung von Kohlendioxid-Emissionen muss Kohlendioxid aus den Rauchgasen abgetrennt werden. Zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Gasgemisch sind allgemein verschiedene Methoden bekannt. Insbesondere zum Abtrennen von Kohlendioxid aus einem Rauchgas nach einem Verbrennungsprozess ist die Methode der Absorption-Desorption gebräuchlich. In großtechnischem Maßstab wird Kohlendioxid dabei mit einem Lösungsmittel oder Absorptionsmittel aus dem Rauchgas in einem Absorber herausgewaschen (CO₂ Capture-Prozess). Gebräuchliche chemische Absorptionsmittel sind beispielsweise wässrige Lösungen aus Methanlolamin, Aminosäuresalze oder Pottasche.
Im Betrieb des CO₂ Capture-Prozesses verdampft aber auch kontinuierlich ein Teil des Wassers. Der Wasserdampf wird dann zusammen mit dem von CO₂ gereinigten Rauchgas aus dem Absorber ausgetragen. Durch den Austrag von Wasser aus dem Absorptionsmittel verändert sich das Verdünnungsverhältnis zwischen Wasser und den waschaktiven Zusatzstoffen wie Amine, Aminosäuresalze oder Pottasche. Daher muss dem Absorptionsmittelkreislauf kontinuierlich ein Makeup-Wasser zugeführt werden, um das durch Verdampfung ausgetragene Wasser zu kompensieren.
Bei einem statischen Betrieb des CO₂ Capture-Prozesses kann der Makeup-Wasserstrom leicht anhand einer Messung des Füllstandes von Absorptionsmittel im Absorptionsmittelkreislauf eingestellt werden. Eine rein am Füllstand orientierte Makeup-Wasser-Zuspeisung ist aber bei instationären Zuständen nicht möglich. Instationäre Zustände treten beispielsweise beim Anfahren oder Lastwechsel der dem CO₂ Capture-Prozess vorgeschalteten Kraftwerksprozesse auf oder können auch bei der Änderung von Betriebsparametern des CO₂ Capture-Prozesses entstehen. Bei instationären Zuständen treten häufig Schwankungen in der Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ auf oder Schwankungen der Dichte des Absorptionsmittels. Dadurch kann es auch zu unterschiedlichen Absorptionsmittel-Holdups auf der Kolonnenpackung des Absorbers kommen.
Da durch die bei instationären Vorgängen teilweise stark schwankenden Füllstände an Absorptionsmittel, ist der Füllstand in dem Absorber nicht mehr geeignet als Grundlage für eine genaue Regelung des Makeup-Wassers zu dienen.
Um diesem Problem zumindest teilweise entgegen zu wirken, war es bislang bekannt, eine offline-Analyse einer aus dem Absorptionsmittelkreislauf entnommenen Probe durchzuführen. Diese Probe wurde dann auf ihre Verdünnung hin überprüft. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass einer Erkenntnis aus der Analyse der Probe über eine mögliche abweichende Verdünnung des Absorptionsmittels, erst zeitverzögert durch entsprechende Regelung des Makeup-Wassers entgegengewirkt werden konnte. Derartige Analysen sind zudem aufwendig und verursachen hohe Kosten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, durch das eine kostengünstige und einfache online-Überwachung eines im Betrieb befindlichen CO₂ Abscheideprozesses und eine gezielte Regelung des Absorptionsmittel-Füllstands erfolgt, sodass auch bei instationären Vorgängen oder schwankenden Betriebsparametern das Absorptionsmittel bestmöglich für die Absorption von CO₂ konfiguriert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Verfahren dient der Überwachung und Regelung eines Absorptionsmittel-Füllstandes eines im Betrieb befindlichen CO₂ Abscheideprozesses. Der CO₂ Abscheideprozess umfasst dabei einen Absorptionsmittelkreislauf, in dem ein Absorptionsmittel aus Wasser und einem gelösten, waschaktiven Zusatzstoff gefördert wird. Erfindungsgemäß werden dabei zunächst die Dichte des Absorptionsmittels und die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ gemessen. Anschließend wird aus diesen Messwerten die Verdünnung des Absorptionsmittels mit Wasser berechnet. Abhängig von der Verdünnung des Absorptionsmittels mit Wasser wird dann dem Absorptionsmittelkreislauf ein Makeup-Wasser zugeregelt. Dadurch ist auch bei instationären Vorgängen durch eine geeignete Verdünnung des Absorptionsmittels eine bestmögliche Absorption von CO₂ gewährleistet.
Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass die Verdünnung des Absorptionsmittels abhängig ist von der Dichte des Absorptionsmittels und der CO₂ Beladung. Für die Dichtemessung bietet der Stand der Technik bereits eine Reihe an Messverfahren, wie beispielsweise die Dichtebestimmung durch Auftrieb oder die Girolami-Methode. Für die Bestimmung der Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ kann sich ebenfalls bekannter Messverfahren bedient werden. Die Überwachung bzw. Analyse kann online, also während des Betriebs des CO₂ Capture-Prozesses durchgeführt werden, wodurch auch eine online-Regelung erfolgt. Die online-Analyse ist genauer und kostengünstiger als die offline-Analyse und kann zudem kontinuierlich durchgeführt werden. Durch die online-Regelung ist somit eine kontinuierliche und zuverlässige Nachspeisung an Makeup-Wasser gegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ spektroskopisch oder über Titration gemessen. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ auch über eine CO_2-Bilanz bestimmt werden, die aus einer gemessenen Dichte des mit CO₂ beladenen Absorptionsmittels, aus der gemessenen Dichte des regenerierten Absorptionsmittels, aus der Menge an im Absorptionsmittelkreislauf geförderten Absorptionsmittel und der Abscheiderate der CO₂ Abscheidevorrichtung an CO₂ erstellt wird. Die CO₂-Bilanz wird über die Lösung eines Gleichgewichtssystems bestimmt. Die unbekannten Parameter in der Funktion sind die Beladung des regenerierten Absorptionsmediums, die Beladung des mit CO₂ beladenen Absorptionsmediums, sowie die Verdünnung. Die Dichte des regenerierten Absorptionsmediums wird dabei durch die Funktion aus der Beladung des regenerierten Absorptionsmediums und der Verdünnung des Absorptionsmediums bestimmt. Die Dichte des mit CO₂ beladenen Absorptionsmediums wird bestimmt aus der Funktion aus der Beladung des Absorptionsmediums mit CO₂ und der Verdünnung. Die CO₂ Capture Rate wird bestimmt durch die Funktion aus mit CO₂ beladenem Absorptionsmedium und der Beladung des Absorptionsmediums mit CO₂. Anhand der sich daraus ergebenden CO_2-Bilanz kann dann einfach die Verdünnung ermittelt werden.
Alternativ oder in Kombination zu der spektroskopischen Messung oder Bestimmung der Verdünnung anhand einer CO₂ Bilanz, kann die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ vorteilhaft über eine Kennlinie einer CO₂ Gleichgewichts-Beladung bestimmt werden. Diese wird aus einer Funktion aus Temperatur und der Konzentration an CO₂ im zu reinigenden Rauchgas bestimmt. Die Funktion besteht aus der Temperatur und der CO₂ Beladung im zu reinigenden Rauchgas. Unter der Annahme, dass ein Absorptionsgleichgewicht im Absorber erreicht wird, kann die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ einfach aber ausreichend genau abgeschätzt werden.
Besonders vorteilhaft kommt das Verfahren bei CO₂ Capture-Prozessen zum Einsatz, die als waschaktiven Zusatzstoff ein Aminosäuresalz, vorzugsweise aus der Gruppe der sekundären Aminosäuresalze verwenden. Aminosäuresalze haben keinen merklichen Dampfdruck, weshalb sie auch nicht mit dem gereinigten Rauchgas aus dem CO₂ Capture-Prozess ausgetragen werden. Durch den weitgehenden konstanten Erhalt der waschaktiven Substanz im Absorptionsmittelkreislauf genügt eine Regelung des Makeup-Wasserstroms, um die Verdünnung auf ein geeignetes Niveau einzustellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher beschrieben. Darin zeigt:
1 ein Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Absorptionsmittel-Füllstandes eines im Betrieb befindlichen CO₂ Abscheideprozesses.
1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Absorptionsmittel-Füllstandes. Das Verfahren umfasst einen ersten Messprozess 20 und einen zweiten Messprozess 30, die an einen CO₂ Capture Prozess 10 angeschlossen sind, einen Auswerteprozess 40 und einen Regelprozess 50. Der CO₂ Capture Prozess 10 umfasst dabei insbesondere einen Absorptionsmittelkreislauf, in den ein Absorptionsprozess und eine Desorptionsprozess geschaltet sind.
Der erste Messprozess 20 ist mit dem CO₂ Capture-Prozess verbunden, und erhebt kontinuierlich Daten über die Dichte 25 des in dem CO₂ Capture-Prozess, insbesondere dem Absorptionsprozess, geführten Absorptionsmittels. In dem Messprozess 20 werden die Daten über die Dichte 25 aufbereitet. Der zweite Messprozess 30 ist ebenfalls mit dem CO₂ Capture Prozess verbunden, und erhebt gleichzeitig zum ersten Messprozess 20 Messdaten über die Beladung 35 des Absorptionsmittels mit CO₂. Auch diese Messdaten über die Beladung 35 werden im zweiten Messprozess 30 aufbereitet. Zudem können weitere Messprozesse zur Erhebung weiterer Betriebsparameter, wie Absorptionsmittelmassenstrom, Temperatur oder Rauchgasmassenstrom vorhanden sein.
Die aufbereiteten Messdaten aus dem ersten Messprozess 20 und dem zweiten Messprozess 30 werden in einen Auswerteprozess 40 überführt. Der Auswerteprozess 40 errechnet anhand der zur Verfügung gestellten Messwerte kontinuierlich die tatsächliche Verdünnung des Absorptionsmittels mit Wasser. In dem Auswerteprozess 40 sind zudem Werte für eine ideale Verdünnung mit Wasser (Verdünnungsfaktor) hinterlegt. Durch einen Abgleich der tatsächlichen Verdünnung (Ist-Wert) mit dem hinterlegten idealen Verdünnungswert (Soll-Wert), wird die Abweichung der tatsächlichen Verdünnung zur idealen Verdünnung ermittelt und kontinuierlich als Regelbefehl 45 an einen Regelprozess 50 übermittelt.
Der Regelprozess 50 steuert anhand der kontinuierlich eintreffenden Regelbefehle 45 über einen Steuerbefehl 51 ein Regelventil 55, das in eine Zuführleitung für Makeup-Wasser 60 geschaltet ist, und somit über eine kontinuierliche Regelung dem CO₂ Capture-Prozess verloren gegangenes Wasser wieder zuführt.
Durch die Erfindung ist somit eine online-Analyse und online-Regelung gegeben, durch die auch bei instationären Vorgängen stets eine geeignete Verdünnung des wässrigen Absorptionsmittels einstellbar ist. Durch das online-Verfahren können somit einerseits Kosten durch den Wegfall von offline-Analysen gespart werden. Andererseits ist durch die kontinuierlich angepasste Verdünnung immer ein optimal konditioniertes Absorptionsmittel für die CO₂ Absorption bereitgestellt.

Claims

Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Absorptionsmittel-Füllstandes eines im Betrieb befindlichen CO₂ Capture-Prozesses (10) mit einem Absorptionsmittelkreislauf, in dem ein Absorptionsmittel aus Wasser und einem gelösten, waschaktiven Zusatzstoff gefördert wird, bei dem – in einem ersten Messprozess (20) Messdaten über die Dichte des Absorptionsmittels (25) und in einem zweiten Messprozess (30) Messdaten über die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ (35) erfasst werden, – in einem Auswerteprozess (40) aus den Messwerten die Verdünnung des Absorptionsmittels mit Wasser berechnet wird und abhängig von der Verdünnung des Absorptionsmittels mit Wasser, – in einem Regelprozess (50) dem Absorptionsmittelkreislauf ein Makeup-Wasser zugeregelt wird, sodass auch bei instationären Vorgängen durch die Verdünnung des Absorptionsmittels eine bestmöglichste Absorption von CO₂ gewährleistet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ spektroskopisch oder über Titration gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ über eine CO₂-Bilanz bestimmt wird, die aus einer gemessenen Dichte (25) des mit CO₂ beladenen Absorptionsmittels, aus der gemessenen Dichte des regenerierten Absorptionsmittels, aus der Menge an im Absorptionsmittelkreislauf geförderten Absorptionsmittel und der Abscheiderate des CO₂ Capture-Prozesses (10) an CO₂ erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beladung des Absorptionsmittels mit CO₂ über eine Kennlinie einer CO₂ Gleichgewichts-Beladung bestimmt wird, die aus einer Funktion aus Temperatur und der Konzentration an CO₂ im zu reinigenden Rauchgas bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als waschaktiver Zusatzstoff ein Aminosäuresalz, vorzugsweise aus der Gruppe der sekundären Aminosäuresalze verwendet wird.