DE102018010292A1 - Process for flue gas treatment and flue gas treatment plant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Rauchgas, welches bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, insbesondere fossiler Brennstoffe, entsteht, bei dem wenigstens eine reaktive Sauerstoffspezies elektrochemisch erzeugt wird und wobei das Rauchgas mit der reaktiven Sauerstoffspezies behandelt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer elektrochemisch erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies zur chemischen Reduktion von CO, insbesondere von in Rauchgas enthaltenem CO. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Rauchgasaufbereitungsanlage aufweisend eine Rauchgaszuführung, gekennzeichnet durch eine strömungstechnisch mit der Rauchgaszuführung verbundene Elektrolyseeinrichtung zur elektrochemischen Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies.The invention relates to a process for the treatment of flue gas, which arises in the combustion of carbonaceous fuels, in particular fossil fuels, in which at least one reactive oxygen species is generated electrochemically and wherein the flue gas is treated with the reactive oxygen species. The invention further relates to a use of an electrochemically generated reactive oxygen species for the chemical reduction of CO, in particular of CO contained in flue gas. The invention further relates to a flue gas treatment plant having a flue gas feed, characterized by a fluidly connected to the flue gas supply electrolysis device for the electrochemical generation of reactive oxygen species.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rauchgasaufbereitung und eine Rauchgasaufbereitungsanlage.The invention relates to a method for flue gas treatment and a flue gas treatment plant.
Heutzutage wird der Großteil der global benötigten Energie durch Verbrennungsprozesse erzeugt. Insbesondere bedeutsam ist in diesem Zusammenhang die Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe.Today, most of the energy needed globally is generated by combustion processes. Particularly important in this context is the combustion of carbonaceous fuels.
Zu den kohlenstoffhaltigen Brennstoffen gehören insbesondere die Gruppen der fossilen Brennstoffe und der biogenen Brennstoffe. Zu den fossilen Brennstoffen zählen beispielsweise Erdöl, Erdgas, Braunkohle, Schwarzkohle und Torf und deren Weiterverarbeitungsprodukte. Weiterverarbeitungsprodukte sind insbesondere Benzin, Diesel, Heizöl und dergleichen. Zu den biogenen Brennstoffen zählen solche, die aus nachwachsenden Rohstoffen oder aus Abfällen gebildet sind. Dies sind insbesondere Holz, Biogas und Biokraftstoffe.Carbonaceous fuels include, in particular, the groups of fossil fuels and biogenic fuels. For example, fossil fuels include oil, natural gas, lignite, black coal and peat and their processed products. Further processing products are in particular gasoline, diesel, heating oil and the like. Biogenic fuels include those derived from renewable raw materials or waste. These are in particular wood, biogas and biofuels.
Als Produkt der Verbrennung solcher Brennstoffe entstehen Rauchgase. Diese Rauchgase enthalten überwiegend Festkörperpartikel in Form von Flugasche, Feinstaub, Ruß und die Gase Wasserdampf, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid und Stickstoffoxid.The product of combustion of such fuels is flue gases. These flue gases predominantly contain solid particles in the form of fly ash, particulate matter, soot and the gases water vapor, nitrogen, carbon dioxide, sulfur dioxide and nitrogen oxide.
Rauchgase aus Kraftwerken, Hochöfen, Stahlwerken und anderen Großfeuerungsanlagen werden durch Rauchgasreinigung von Feststoffen sowie teilweise von Schwefeldioxid (Rauchgasentschwefelung) und Stickstoffoxid befreit. Früher wurden sie durch hohe Schornsteine großflächig verteilt, um nicht die nähere Umgebung übermäßig zu belasten. Insbesondere das in Rauchgasen enthaltene Treibhausgas Kohlenstoffdioxid kann mit den bekannten Rauchgasreinigungsverfahren nicht entfernt werden.Flue gases from power plants, blast furnaces, steel mills and other large combustion plants are freed from solids by flue gas cleaning and in some cases from sulfur dioxide (flue gas desulphurisation) and nitrogen oxide. Previously, they were distributed over large areas by high chimneys, so as not to overburden the surrounding area. In particular, the greenhouse gas carbon dioxide contained in flue gases can not be removed with the known flue gas cleaning process.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
Die globale Erwärmung und die Emissionen von klimarelevanten Gasen wie Kohlenstoffdioxid stellen ein großes Diskussionsthema in den letzten Jahren und Jahrzehnten dar. Gefordert sind umfangreiche Lösungsansätze bezüglich des CO2-Managements, um das vom Europäischen Parlament 2009 ausgegebene Ziel einer Erderwärmung um maximal +2 °C in den nächsten 100 Jahren zu erreichen.Global warming and emissions of climate-relevant gases such as carbon dioxide have been a hot topic of discussion in recent years and decades. Considerable solutions to CO 2 management are required to meet the goal of global warming of +2 ° C by the European Parliament in 2009 within the next 100 years.
Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen besteht in der Verminderung der CO2-Emissionen an sich. Dies wird im Moment überwiegend durch die Fokussierung auf erneuerbare Energien und auf bestimmte Brennstoffe erreicht, die eine vergleichsweise geringe Menge an Treibhausgasen emittieren. Ein solcher Brennstoff ist beispielsweise Erdgas. Demgegenüber emittiert Kohle, insbesondere Braunkohle vergleichsweise viel CO2. In Deutschland wird daher zurzeit vermehrt in Gaskraftwerke investiert. Auf der anderen Seite werden Kohlekraftwerke, insbesondere Braunkohlekraftwerke, stillgelegt.One way to achieve this goal is to reduce CO 2 emissions per se. At present, this is mainly achieved by focusing on renewable energies and on certain fuels that emit a comparatively small amount of greenhouse gases. Such a fuel is for example natural gas. In contrast, coal, especially lignite, emits comparatively much CO 2 . In Germany, therefore, more investments are currently being made in gas-fired power plants. On the other hand, coal-fired power plants, especially lignite-fired power plants, are shut down.
Dies hat den geostrategisch nachteiligen Nebeneffekt, dass sich die Wirtschaft von ausländischen Rohstoffen abhängig macht. Insbesondere Deutschland verfügt über vergleichsweise große Braunkohlevorkommen. Das für den Betrieb von Gaskraftwerken benötigte Erdgas muss indessen von außerhalb der EU, insbesondere aus Russland, Saudi-Arabien und dem Iran, importiert werden.This has the adverse geostrategic side effect that the economy depends on foreign raw materials. Germany in particular has comparatively large lignite deposits. However, the natural gas needed to operate gas-fired power plants must be imported from outside the EU, in particular from Russia, Saudi Arabia and Iran.
Unabhängig davon wird aber auch die Reduktion der CO2-Emissionen an sich alleine vermutlich nicht ausreichen, um die Klimaziele zu erreichen. Es sind in diesem Zusammenhang daher CO2-Filter entwickelt worden, die in der Industrie zur Minderung des CO2 Ausstoßes in die Atmosphäre eingesetzt werden. Bei diesen Filtern handelt es sich jedoch zum überwiegenden Teil um CO2-Speicher, die aufwändig gelagert, weiterverarbeitet oder entsorgt werden müssen.Irrespective of this, however, the reduction in CO 2 emissions alone will probably not be enough to achieve the climate goals. In this context, therefore, CO 2 filters have been developed which are used in industry to reduce CO 2 emissions to the atmosphere. However, these filters are predominantly CO 2 storage, which must be laboriously stored, processed or disposed of.
Es besteht daher ein vitales wirtschaftliches Interesse daran, Kohlenstoffdioxid an sich wirtschaftlich nutzbar zur machen. Insbesondere, als Rohstoff für die chemische Industrie. Industriell reproduzierbare Verfahren zur Verwertung von CO2 sind derzeit nicht bekannt.There is therefore a vital economic interest in making carbon dioxide economically useful in itself. In particular, as a raw material for the chemical industry. Industrially reproducible processes for the utilization of CO 2 are currently unknown.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem das im Rauchgas enthaltene CO2 einer weitergehenden Verwertung zugänglich gemacht werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a method by which the CO 2 contained in the flue gas can be made available for further exploitation.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Aufbereitung von Rauchgas, welches bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, insbesondere fossiler Brennstoffe, entsteht vor, bei dem wenigstens eine reaktive Sauerstoffspezies elektrochemisch erzeugt wird und wobei das Rauchgas mit der reaktiven Sauerstoffspezies behandelt wirdTo solve the problem, the invention proposes a method for the treatment of flue gas, which in the combustion of carbonaceous fuels, in particular fossil fuels, arises in which at least one reactive oxygen species is generated electrochemically and wherein the flue gas is treated with the reactive oxygen species
Es hat sich überraschend gezeigt, dass reaktive Sauerstoffspezies in der Lage sind, mit Kohlenstoffdioxid derart chemisch zu reagieren, dass Kohlenstoffdioxid nahezu vollständig in andere Verbindungen chemisch umgewandelt wird. Hierdurch wird auf nachhaltigem Wege einerseits die CO2 Emission gesenkt und eine neue Rohstoffquelle erschlossen. Der Kohlenstoff der kohlenstoffhaltigen Reaktionsprodukte weist dabei vorzugsweise eine geringere Oxidationszahl auf, als der Kohlenstoff im Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffdioxid wird während der Reaktion also chemisch reduziert. Es wird hierbei von einem komplexen Reaktionsmechanismus ausgegangen, der bislang nicht vollends aufgeklärt ist. Gesichert ist jedoch, dass CO2 mit der reaktiven Sauerstoffspezies eine chemische Reaktion eingeht, die zu dessen Umwandlung unter Erniedrigung der Oxidationszahl des Kohlenstoffes führt.It has surprisingly been found that reactive oxygen species are capable of chemically reacting with carbon dioxide such that carbon dioxide is almost completely chemically converted to other compounds. This is the sustainable way on the one hand, the CO 2 Reduced emissions and opened up a new source of raw materials. The carbon of the carbon-containing reaction products preferably has a lower oxidation number than the carbon in the carbon dioxide. Carbon dioxide is thus chemically reduced during the reaction. The starting point is a complex reaction mechanism that has not yet been fully elucidated. What is certain, however, is that CO 2 undergoes a chemical reaction with the reactive oxygen species, which leads to its conversion with a reduction in the oxidation number of the carbon.
Bei der Reaktion entsteht eine Mehrzahl von Reaktionsprodukten. Vorwiegend handelt es sich hierbei um C1- und C2-Kohlenwasserstoffverbindungen. Dies sind insbesondere Methanol, Ethanol, Methan und/oder Ethan. Durch die Erfindung wird erstmals eine Möglichkeit zum Abbau von CO2 aus Rauchgasen bereitgestellt, bei der nicht einfach die CO2-Emissionen durch Wahl des Brennstoffes verringert oder CO2 aus dem Rauchgas gefiltert wird. Vielmehr können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglichen Produkte als Rohstoffe für die Industrie, insbesondere die chemische Industrie, genutzt werden. Insbesondere Methan ist ein wichtiges Ausgangsprodukt für technische Synthesen von Wasserstoff, Methanol, Acetylen, Blausäure, Schwefelkohlenstoff und Methylhalogenide. Es dient als Ausgangspunkt für viele andere organische Verbindungen. Ebenso ist Methanol ein wichtiger Ausgangsstoff für Synthesen in der chemischen Industrie. Mengenmäßig von großer Bedeutung sind die primären Derivate Formaldehyd, Essigsäure, MTBE, Methylmethacrylat, Methylchlorid und Methylamine. Diese werden zu einer Reihe sekundärer und tertiärer Derivate weiterverarbeitet. Bekannte Beispiele sind Vinylacetat, Essigsäureanhydrid, Phenol-Formaldehyd-Harze und Melaminharze. Darüber hinaus ist Methylmethacrylat ein wichtiger Rohstoff in der Polymerchemie.The reaction produces a plurality of reaction products. These are predominantly C 1 and C 2 hydrocarbon compounds. These are in particular methanol, ethanol, methane and / or ethane. The invention provides for the first time a possibility for the reduction of CO 2 from flue gases, which does not simply reduce the CO 2 emissions by selecting the fuel or CO 2 is filtered from the flue gas. Rather, the products obtainable by the process according to the invention can be used as raw materials for industry, in particular the chemical industry. In particular, methane is an important starting material for industrial syntheses of hydrogen, methanol, acetylene, hydrogen cyanide, carbon disulfide and methyl halides. It serves as a starting point for many other organic compounds. Likewise, methanol is an important starting material for syntheses in the chemical industry. Of great importance in terms of quantity are the primary derivatives formaldehyde, acetic acid, MTBE, methyl methacrylate, methyl chloride and methylamine. These are processed into a series of secondary and tertiary derivatives. Known examples are vinyl acetate, acetic anhydride, phenol-formaldehyde resins and melamine resins. In addition, methyl methacrylate is an important raw material in polymer chemistry.
Die Reaktionsprodukte werden vorzugsweise einzeln isoliert oder als Stoffgemisch wenigstens einem weitergehenden Trennverfahren zugeführt. Mögliche Trennverfahren sind im Bereich der Gastrennung insbesondere Membrantrennverfahren. Ferner ist die Destillation, vorzugsweise die fraktionierte Destillation, und/oder die Extraktion als flüssigkeitsbasierte Trennverfahren bevorzugt.The reaction products are preferably isolated individually or fed as a mixture of substances at least one further separation process. Possible separation processes are in the field of gas separation, in particular membrane separation processes. Further, distillation, preferably fractional distillation, and / or extraction as liquid-based separation processes is preferred.
Ein Weiteres kommt hinzu. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, CO2 in großtechnischem Maßstab zu verwerten, ist es zur Senkung der CO2-Emisionen nicht länger erforderlich, Brennstoffe zu verwenden, bei deren Verbrennung vergleichsweise wenig CO2 gebildet wird. Es ist im Gegenteil sogar von Vorteil, Brennstoffe zu verwenden, die bei der Verbrennung vergleichsweise viel CO2 freisetzen. Ein bevorzugter Brennstoff ist daher Braunkohle. Hierdurch wird die Produktion der erfindungsgemäßen Reaktionsprodukte in vorteilhafter Weise gesteigert. Die Erfindung erlaubt damit auch die energiewirtschaftliche Loslösung von ausländischen Rohstoffen, wie insbesondere Erdgas. Vielmehr kann bei der Energieerzeugung in erhöhtem Maße auf bewährte inländische Rohstoffe, wie insbesondere Braunkohle, zurückgegriffen werden. In vorteilhafter Weise können durch den konsequenten Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Arbeitsplätze im deutschen und europäischen Braunkohletagebau erhalten oder sogar ausgebaut werden.Another is added. The possibility according to the invention of utilizing CO 2 on an industrial scale means that in order to reduce the CO 2 emissions, it is no longer necessary to use fuels whose combustion produces comparatively little CO 2 . On the contrary, it is even advantageous to use fuels that release comparatively much CO 2 during combustion. A preferred fuel is therefore lignite. As a result, the production of the reaction products according to the invention is advantageously increased. The invention thus also allows the energy-economic separation of foreign raw materials, in particular natural gas. On the contrary, it is possible to make greater use of proven domestic raw materials, in particular lignite, in energy production. Advantageously, the consistent use of the method according to the invention also jobs in German and European lignite mining can be maintained or even expanded.
Erfindungsgemäß wird eine reaktive Sauerstoffspezies erzeugt. Vorzugsweise werden als reaktive Sauerstoffspezies Hyperoxid-Anionen O2• - (alte Bezeichnung: Superoxid-Anion), Hydroxyl-Radikale OH•, Ozon O3 und/oder Singulett-Sauerstoff 1O2 erzeugt. Bevorzugt ist die Erzeugung von reaktiven Sauerstoffradikalen. Zu dieser Gruppe gehören vorzugsweise das Hyperoxid-Anion und das Hydroxyl-Radikal. Besonders bevorzugt werden Hydroxyl-Radikale erzeugt. Einerseits kann diese Spezies vorteilhafterweise in industriellem Maßstab erzeugt werden. Andererseits ist die Ausbeute der chemischen Reaktion zwischen dem Hydroxyl-Radikal und Kohlenstoffdioxid besonders hoch.According to the invention, a reactive oxygen species is generated. Preferably, as the reactive oxygen species superoxide anion O 2 • - (former designation: superoxide anion), hydroxyl radical OH •, ozone O 3 and / or singlet oxygen 1 O 2 generated. Preference is given to the generation of reactive oxygen radicals. This group preferably includes the hyperoxide anion and the hydroxyl radical. Hydroxyl radicals are particularly preferably produced. On the one hand, this species can be advantageously produced on an industrial scale. On the other hand, the yield of the chemical reaction between the hydroxyl radical and carbon dioxide is particularly high.
Erfindungsgemäß wird die reaktive Sauerstoffspezies elektrochemisch erzeugt. Vorzugsweise wird die reaktive Sauerstoffspezies durch Elektrolyse erzeugt. Es ist dabei bevorzugt, dass der Elektrolyt wenigstens teilweise aus einer ionischen Flüssigkeit gebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die reaktive Sauerstoffspezies mittels einer Diamantelektrode erzeugt. Hierdurch wird die weitestgehend verhindert, dass während der Elektrolyse Sauerstoff entsteht. Durch den Einsatz der Diamantelektrode werden 90% der eingesetzten elektrischen Energie zur Erzeugung der reaktiven Sauerstoffspezies, insbesondere des Hydroxyl-Radikals, genutzt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Diamantelektrode um eine Bor-dotierte Diamantelektrode. Hierdurch wird die Leitfähigkeit der Elektrode verbessert.According to the invention, the reactive oxygen species are generated electrochemically. Preferably, the reactive oxygen species is generated by electrolysis. It is preferred that the electrolyte is at least partially formed from an ionic liquid. According to a preferred embodiment of the invention, the reactive oxygen species is generated by means of a diamond electrode. This largely prevents the formation of oxygen during the electrolysis. By using the diamond electrode, 90% of the electrical energy used is used to generate the reactive oxygen species, in particular the hydroxyl radical. Preferably, the diamond electrode is a boron-doped diamond electrode. This improves the conductivity of the electrode.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Durchführung der Elektrolyse ein Elektrolysebehälter bereitgestellt. Bestimmungsgemäß ist der Elektrolysebehälter bei der Durchführung des Verfahrens mit Elektrolyt befüllbar.According to a preferred embodiment of the invention, an electrolysis tank is provided for carrying out the electrolysis. According to the invention, the electrolysis tank can be filled with electrolyte when carrying out the process.
Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Komponente des Rauchgases mit der reaktiven Sauerstoffspezies behandelt. Es ist hierzu denkbar, das Rauchgas und die reaktive Sauerstoffspezies in der Gasphase zu mischen. Vorzugsweise ist hierfür eine Druckkammer vorgesehen. Dies ist insbesondere in diesen Fällen möglich, in denen die reaktive Sauerstoffspezies als Gas isolierbar ist. Dies ist vorzugsweise bei Ozon und Singulett-Sauerstoff der Fall.According to the invention, at least one component of the flue gas is treated with the reactive oxygen species. It is conceivable to mix the flue gas and the reactive oxygen species in the gas phase. Preferably, a pressure chamber is provided for this purpose. This is especially possible in those cases where the reactive Oxygen species can be isolated as gas. This is preferably the case with ozone and singlet oxygen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird das Rauchgas zur Behandlung mit der reaktiven Sauerstoffspezies in den Elektrolysebehälter eingeleitet. Dies hat den Vorteil, dass eine Behandlung des Rauchgases unmittelbar am Erzeugungsort der reaktiven Sauerstoffspezies, insbesondere der Hydroxyl-Radikale, erfolgen kann. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit einer für die bestimmungsgemäße Reaktion unerwünschten Rekombination zwischen radikalen Sauerstoffspezies, insbesondere der Hydroxyl-Radikale, verringert. Vorzugsweise weist der Elektrolysebehälter Einlässe und Auslässe für den Elektrolyten und/oder das Rauchgas auf. Gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung wird das Rauchgas kontinuierlich in den Elektrolysebehälter eingeleitet, dort mit der reaktiven Sauerstoffspezies behandelt. Anschließend werden das/die Reaktionsprodukt/e ausgeleitet. Vorzugsweise wird der Elektrolyt kontinuierlich ausgetauscht. Hierdurch wird vorteilhaft gewährleistet, dass die Erzeugungsrate der reaktiven Sauerstoffspezies auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Es ist bevorzugt, wenn der Elektrolyt, der vorzugsweise wenigstens teilweise aus einer ionischen Flüssigkeit gebildet ist, vor der Einleitung in den Elektrolysebehälter in den Rauchgasstrom eingedüst wird. Hierdurch bildet sich ein Aerosol aus Rauchgas und Elektrolyt. Durch diese optimierte Verteilung kann die Behandlungszeit reduziert werden. According to an alternative embodiment of the invention, the flue gas is introduced into the electrolysis tank for treatment with the reactive oxygen species. This has the advantage that treatment of the flue gas can take place directly at the point of generation of the reactive oxygen species, in particular the hydroxyl radicals. This reduces the likelihood of unwanted recombination between radical oxygen species, especially the hydroxyl radicals, for the intended reaction. The electrolysis tank preferably has inlets and outlets for the electrolyte and / or the flue gas. According to a preferred method, the flue gas is continuously introduced into the electrolysis tank, where it is treated with the reactive oxygen species. Subsequently, the reaction product (s) are discharged. Preferably, the electrolyte is continuously exchanged. This advantageously ensures that the production rate of the reactive oxygen species is kept at a constant level. It is preferred if the electrolyte, which is preferably at least partially formed from an ionic liquid, is injected into the flue gas stream before being introduced into the electrolysis tank. This forms an aerosol of flue gas and electrolyte. Through this optimized distribution, the treatment time can be reduced.
Alternativ oder zusätzlich kann der Elektrolyt in flüssigem Zustand in den Elektrolysebehälter eingeleitet werden. Für den Fall, dass der der Elektrolyt ausschließlich in flüssigem Zustand eingesetzt wird, ist es bevorzugt, dass das Rauchgas in den Elektrolyten eingeleitet wird. Es ist dabei für die Reaktion unschädlich, dass Kohlenstoffdioxid im Elektrolyten teilweise in gasförmigem Zustand, teilweise als gelöstes CO2 und teilweise als Kohlensäure, Hydrogencarbonat und/oder Carbonat vorliegt.Alternatively or additionally, the electrolyte can be introduced in a liquid state into the electrolysis tank. In the event that the electrolyte is used only in the liquid state, it is preferred that the flue gas is introduced into the electrolyte. It is harmless to the reaction that carbon dioxide is present in the electrolyte partly in the gaseous state, partly as dissolved CO 2 and partly as carbonic acid, bicarbonate and / or carbonate.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung sind zur Einleitung des Rauchgases und/oder des Rauchgas-Elektrolyt-Aerosols eine Vielzahl von Gasauslässen und/oder Gasdüsen vorgesehen.According to a preferred feature of the invention, a plurality of gas outlets and / or gas nozzles are provided for introducing the flue gas and / or the flue gas electrolyte aerosol.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Rauchgas vor der Behandlung mit der reaktiven Sauerstoffspezies einer Rauchgasreinigung unterzogen. Dabei werden insbesondere Festkörperpartikel, wie insbesondere Flugasche, Feinstaub und Ruß befreit. Hierdurch werden unerwünschte Nebenreaktionen mit der Sauerstoffspezies verhindert. Vorzugsweise wird das Rauchgas vor der Behandlung mit der reaktiven Sauerstoffspezies weiteren Reinigungsschritten zugeführt. Dabei werden insbesondere Schwefeloxide und/oder Stickoxide entfernt. Auch hierdurch werden unerwünschte Nebenreaktionen verhindert.According to a preferred embodiment of the invention, the flue gas is subjected to a flue gas purification prior to treatment with the reactive oxygen species. In particular, solid particles, in particular fly ash, fine dust and soot are freed. This prevents unwanted side reactions with the oxygen species. Preferably, the flue gas is supplied to further purification steps before treatment with the reactive oxygen species. In particular, sulfur oxides and / or nitrogen oxides are removed. This also prevents unwanted side reactions.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unmittelbar in einer Verbrennungsanlage, insbesondere einem Kraftwerk durchgeführt werden. Dabei werden die unmittelbar erzeugten Rauchgase dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeführt. Durch die Realisierung eines solchen Integrierten Systems können die Prozessabläufe optimiert und Kosten eingespart werden. Alternativ ist eine unabhängige Aufbereitungsanlage denkbar. In dieser unabhängigen Aufbereitungsanlage können beispielsweise abgefülltes und gelagertes Rauchgas aufbereitet werden. Dies hat den Vorteil, unabhängig vom Standort der Verbrennungsanlage zu sein, so dass Rauchgase aus einer Vielzahl von Verbrennungsanlagen aufbereitet werden können.The method according to the invention can be carried out directly in a combustion plant, in particular a power plant. The directly generated flue gases are fed to the process according to the invention. By implementing such an integrated system, the processes can be optimized and costs can be saved. Alternatively, an independent treatment plant is conceivable. For example, bottled and stored flue gas can be treated in this independent processing plant. This has the advantage of being independent of the location of the incinerator, so that flue gases from a variety of incineration plants can be processed.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer elektrochemisch erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies zur chemischen Reduktion von CO2.The invention further relates to the use of an electrochemically generated reactive oxygen species for the chemical reduction of CO 2 .
Die elektrochemisch erzeugte reaktive Sauerstoffspezies ist vorzugsweise ein Hydroxyl-Radikal. The electrochemically generated reactive oxygen species is preferably a hydroxyl radical.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Rauchgasaufbereitungsanlage. Die Rauchgasaufbereitungsanlage verfügt erfindungsgemäß über eine Rauchgaszuführung. Diese kann insbesondere durch wenigstens eine Rauchgasrohrleitung gebildet sein. Bevorzugt ist die Rauchgaszuführung durch ein Rauchgasrohrleitungssystem aus einer Mehrzahl von Rohren gebildet. Hierdurch wird das aus einer Rauchgasquelle stammende Rauchgas der Aufbereitung zugeführt.The invention also relates to a flue gas treatment plant. The flue gas treatment plant according to the invention has a flue gas supply. This can be formed in particular by at least one flue gas pipe. Preferably, the flue gas supply is formed by a flue gas piping system of a plurality of tubes. As a result, the flue gas originating from a flue gas source is fed to the treatment.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung weist die Rauchgasaufbereitungsanlage wenigstens eine Rauchgasreinigungseinrichtung auf. Eine Rauchgasreinigungseinrichtung ist vorzugsweise eine Filtereinheit zur Entfernung von Festkörperpartikel, eine Rauchgasentschwefelungseinrichtung zur Entfernung von insbesondere Schwefeloxiden, einer Entstickungseinrichtung zur Entfernung von Stickoxiden und/oder ein Aktivkohlefilter zur Entfernung von organischen Resten, Dioxinen und/oder Schwermetallverunreinigungen.According to a preferred feature of the invention, the flue gas treatment plant has at least one flue gas purification device. A flue gas cleaning device is preferably a filter unit for removing solid particles, a flue gas desulphurisation device for removing in particular sulfur oxides, a denitrification device for removing nitrogen oxides and / or an activated carbon filter for removing organic radicals, dioxins and / or heavy metal impurities.
Erfindungsgemäß weist die Rauchgasaufbereitungsanlage eine strömungstechnisch mit der Rauchgaszuführung verbundene Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies, insbesondere Hydroxyl-Radikalen, auf. Die Elektrolyseeinrichtung weist hierzu vorzugsweise eine erfindungsgemäße Diamantelektrode auf.According to the invention, the flue-gas treatment plant has an electrolysis device which is fluidically connected to the flue-gas feed to generate reactive oxygen species, in particular hydroxyl radicals. For this purpose, the electrolysis device preferably has a diamond electrode according to the invention.
Die Diamantelektrode weist vorzugsweise einen Grundkörper auf. Der Grundkörper ist mit einer Schicht aus polykristallinem Diamant beschichtet. Die Schichtdicke der Diamantschicht beträgt vorzugsweise zwischen 2 µm und 25 µm, bevorzugt zwischen 5 µm und 10 µm. Die Elektrode ist damit wirtschaftlich herzustellen und effektiv zu betreiben.The diamond electrode preferably has a base body. The main body is covered with a layer of polycrystalline diamond coated. The layer thickness of the diamond layer is preferably between 2 μm and 25 μm, preferably between 5 μm and 10 μm. The electrode is thus economical to manufacture and operate effectively.
Vorzugsweise ist die Diamantelektrode mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung beschichtet. Hierzu wird die Elektrode in eine Vakuumkammer eingebracht. Anschließend wird die Elektrode in der Vakuumkammer mit einem Gasgemisch aufweisend Wasserstoff und eine Kohlenstoffquelle kontaktiert. Die Kohlenstoffquelle ist vorzugsweise aus einem Kohlenwasserstoff gebildet. Besonders bevorzugt ist die Kohlenstoffquelle aus Methan gebildet. Bevorzugt wird das Gasgemisch vor der Kontaktierung mit dem Grundkörper bei Temperaturen über 2000 °C, vorzugsweise bei 2800 °C aktiviert. Die Aktivierung erfolgt vorzugsweise an erhitzten Wolframdrähten. Die Beschichtung erfolgt bei gegenüber chemischen Standardbedingungen erhöhter Temperatur und erniedrigtem Druck. Im Sinne der Erfindung weisen chemische Standardbedingungen eine Temperatur von 0 °C und einen Druck von 1 bar auf. Vorzugsweise wird die Elektrode bei einer Temperatur zwischen 500 °C und 1000 °C, vorzugsweise zwischen 600 °C und 950 °C beschichtet. Vorzugsweise wird die Elektrode bei einem Druck zwischen 15 und 30 mbar, vorzugsweise bei 20 mbar beschichtet.Preferably, the diamond electrode is coated by chemical vapor deposition. For this purpose, the electrode is placed in a vacuum chamber. Subsequently, the electrode is contacted in the vacuum chamber with a gas mixture comprising hydrogen and a carbon source. The carbon source is preferably formed from a hydrocarbon. Particularly preferably, the carbon source is formed from methane. Preferably, the gas mixture is activated before contacting with the body at temperatures above 2000 ° C, preferably at 2800 ° C. The activation preferably takes place on heated tungsten wires. The coating is carried out at elevated temperature and reduced pressure compared to standard chemical conditions. For the purposes of the invention, standard chemical conditions have a temperature of 0 ° C and a pressure of 1 bar. Preferably, the electrode is coated at a temperature between 500 ° C and 1000 ° C, preferably between 600 ° C and 950 ° C. Preferably, the electrode is coated at a pressure between 15 and 30 mbar, preferably at 20 mbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Diamantelektrode als Diamantanode, vorzugsweise als Bor-dotierte Diamantanode, ausgebildet. Hierdurch können reaktive Sauerstoffspezies, insbesondere Hydroxyl-Radikale, direkt aus Wasser erzeugt werden.According to a preferred embodiment, the diamond electrode is formed as a diamond anode, preferably as a boron-doped diamond anode. As a result, reactive oxygen species, in particular hydroxyl radicals, can be generated directly from water.
Die mittels der Diamantelektrode gebildete reaktive Sauerstoffspezies ist vorzugsweise ein Hydroxyl-Radikal.The reactive oxygen species formed by the diamond electrode is preferably a hydroxyl radical.
Die Elektrolyseeinrichtung weist vorzugsweise einen mit dem Elektrolyten befüllbaren Elektrolysebehälter auf. In dem Elektrolysebehälter ist die Diamantelektrode angeordnet. Elektrolysebehälter verfügt vorzugsweise über Gaseinlässe und/oder Düsen zur Einleitung des Rauchgases und/oder des Rauchgas-Elektrolyt-Aerosols. Bevorzugt, insbesondere, wenn der Elektrolyt in flüssiger Form eingesetzt wird, ist der Elektrolysebehälter an ein Austauschsystem für den Elektrolyten angeschlossen. Das Austauschsystem weist eine Pumpe, ein Reservoir und Anschlüsse zur strömungstechnischen Verbindung mit dem Elektrolysebehälter auf. Der Elektrolysebehälter weist hierzu wenigstens einen Einlass und wenigstens einen Auslass auf. Hierdurch kann der Elektrolyt kontinuierlich ersetzt werden.The electrolysis device preferably has an electrolysis container which can be filled with the electrolyte. In the electrolysis tank, the diamond electrode is arranged. Electrolysis tank preferably has gas inlets and / or nozzles for the introduction of the flue gas and / or the flue gas electrolyte aerosol. Preferably, in particular when the electrolyte is used in liquid form, the electrolysis tank is connected to an exchange system for the electrolyte. The exchange system has a pump, a reservoir and connections for fluidic connection with the electrolysis tank. For this purpose, the electrolysis tank has at least one inlet and at least one outlet. As a result, the electrolyte can be replaced continuously.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen
-
1 eine erfindungsgemäße Rauchgasaufbereitungsanlage in schematischer Darstellung; -
2 ein Verfahren gemäß der Erfindung in Form eines Flussdiagramms.
-
1 a flue gas treatment plant according to the invention in a schematic representation; -
2 a method according to the invention in the form of a flow chart.
Die Kathoden
Der Elektrolyt ist vorliegend aus wenigstens einer ionischen Flüssigkeit gebildet. Die Rauchgasaufbereitungsanlage verfügt über einen Vorratsbehälter
Die Rauchgasausbereitungsanlage weist einen Rauchgaseinlass
Zusätzlich zu dem zu behandelnden Rauchgas wird den Kanälen
Der Elektrolysebehälter verfügt im Querschnitt mit Bezug auf die Zeichenebene ober- und unterseitig über Druckplatten
Die Diamantanode
An den Elektrolysebehälter
Über die Sicherheitsklappe
Dem Auffangraum
Der Sammelbehälter
In Verfahrensschritt
In Verfahrensschritt
In Verfahrensschritt
Es ist bevorzugt, die Erzeugung des Hydroxyl-Radikals vor der Einleitung des Rauchgases zur starten. Hierdurch wird sichergestellt, dass bereits reaktive Spezies zum Zeitpunkt der Einleitung des Rauchgases in den Elektrolyten vorhanden sind.It is preferred to start the generation of the hydroxyl radical prior to the introduction of the flue gas. This ensures that already reactive species at the time of introduction of the flue gas are present in the electrolyte.
In Verfahrensschritt
In Verfahrensschritt
Die Reaktionsprodukte können anschließend abgefüllt und gelagert werden, um sie zu gegebenem Zeitpunkt ihrer weiteren Verwendung als Rohstoff in der chemischen Industrie zuzuführen. Alternativ können die Reaktionsprodukte, wie es von Chemieparks bekannt ist, über Rohrleitungen unmittelbar ihrer weiteren Verwendung zugeführt werden.The reaction products can then be bottled and stored to allow for their further use as a raw material in due course to the chemical industry. Alternatively, the reaction products, as known from chemical parks, can be directly fed to their further use via pipelines.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorratsbehälter für ionische FlüssigkeitStorage tank for ionic liquid
- 22
- Füllleitung für ionische FlüssigkeitFilling line for ionic liquid
- 33
- Sensorsensor
- 44
- RauchgaseinlassFlue gas inlet
- 55
- Sensorsensor
- 66
- Flüssigkeitsbehälterliquid container
- 77
- Düseneinheitnozzle unit
- 88th
- Vorraumanteroom
- 99
- Kanalchannel
- 1010
- Elektrolysebehälterelectrolysis tank
- 1111
- Kathodecathode
- 1212
- Druckplatteprinting plate
- 1313
- Diamantanodediamond anode
- 1414
- Auffangraumstaging area
- 1515
- Klappeflap
- 1616
- Notleitungemergency line
- 1717
- Sensorsensor
- 1818
- SammelbehälterClippings
- 1919
- Sensorsensor
- 2020
- VentilValve
- 2121
- Pumpepump
- 2222
- Pumpepump
- 2323
- VentilValve
- 2424
- Gaswäschegas scrubbing
- 2525
- Noteinspritzungseinrichtung Noteinspritzungseinrichtung
- gG
- Leitung management
- V1V1
- Verbrennung von BraunkohleBurning lignite
- V2V2
- RauchgasreinigungFlue gas cleaning
- V3V3
- Erzeugung von Hydroxyl-RadikalenGeneration of hydroxyl radicals
- V4V4
- Einleitung des Rauchgases in den ElektrolysebehälterIntroduction of the flue gas into the electrolysis tank
- V5V5
- Behandlung des RauchgasesTreatment of the flue gas
- V6V6
- Isolierung der ReaktionsprodukteIsolation of the reaction products
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- AT 507890 A4 [0006]AT 507890 A4 [0006]
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT507890A4 (en) | 2009-06-29 | 2010-09-15 | Wolfgang Dipl Ing Dr Kladnig | COMBINED VENTURI WASHERS FOR THE COMBINED SEPARATION OF FINE DUST AND AIR POLLUTANTS FOR GENERAL INDUSTRIAL APPLICATION |
-
2018
- 2018-02-05 DE DE102018010292.1A patent/DE102018010292A1/en active Pending
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