DE102018102532A1

DE102018102532A1 - Verfahren zur Rauchgasaufbereitung und Rauchgasaufbereitungsanlage

Info

Publication number: DE102018102532A1
Application number: DE102018102532.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Klein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: DE102018102532B4

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.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rauchgasaufbereitung und eine Rauchgasaufbereitungsanlage.
Heutzutage wird der Großteil der global benötigten Energie durch Verbrennungsprozesse erzeugt. Insbesondere bedeutsam ist in diesem Zusammenhang die Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem das im Rauchgas enthaltene CO₂ einer weitergehenden Verwertung zugänglich gemacht werden kann.
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 wird
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.
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.
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.
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.
Erfindungsgemäß wird eine reaktive Sauerstoffspezies erzeugt. Vorzugsweise werden als reaktive Sauerstoffspezies Hyperoxid-Anionen O_2· ^- (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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer elektrochemisch erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies zur chemischen Reduktion von CO₂.
Die elektrochemisch erzeugte reaktive Sauerstoffspezies ist vorzugsweise ein Hydroxyl-Radikal.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die mittels der Diamantelektrode gebildete reaktive Sauerstoffspezies ist vorzugsweise ein Hydroxyl-Radikal.
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.
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 zeigt eine Rauchgasaufbereitungsanlage gemäß der Erfindung. Kernstück der Anlage ist der Elektrolysebehälter 10, aufweisend Kathoden 11, Kanäle 9 und eine oder mehrere Diamantanoden 13.
Die Kathoden 11 können insbesondere aus Edelstahl oder Kupfer gebildet sein. Die Kanäle 9 erstrecken sich innerhalb des Elektrolysebehälters 10 zwischen Kathoden 11 und Anode 13. Sie verfügen beidendseitig über Ein- bzw. Auslässe für ein Rauchgas-Elektrolyt-Aerosol und für den Elektrolyten in flüssiger Form. Innerhalb der Kanäle 9 findet die Behandlung des Rauchgases mit dem Elektrolyten statt.
Der Elektrolyt ist vorliegend aus wenigstens einer ionischen Flüssigkeit gebildet. Die Rauchgasaufbereitungsanlage verfügt über einen Vorratsbehälter 1 für den Elektrolyten. Sie stellt ferner eine Füllleitung 2 bereit, die den Vorratsbehälter 1 mit einem Flüssigkeitsbehälter 6 strömungstechnisch verbindet. Es sind Sensoren 3 und 5 vorgesehen, über den der Flüssigkeitsbehälter 6 und wenigstens der Vorratsbehälter 1 signaltechnisch verbunden sind. Aufgabe des Sensors ist die Überwachung des Pegelstandes des Elektrolyten im Flüssigkeitsbehälter 6. Fällt der Pegelstand unter einen vorgebbaren Wert, wird in einem automatisierten Verfahren Elektrolyt aus dem Vorratsbehälter 1 in den Flüssigkeitsbehälter 6 gepumpt.
Die Rauchgasausbereitungsanlage weist einen Rauchgaseinlass 4 auf. Über den Rauchgaseinlass 4 wird Rauchgas, welches in hier nicht gezeigten Verfahrensschritten bereits entschwefelt wurde, der erfindungsgemäßen Behandlung zugeführt. Gemäß einem optionalen Verfahrensschritt kann das Rauchgas vorher einer Gaswäsche 24 unterzogen werden. Hierzu wird Elektrolyt aus dem Flüssigkeitsbehälter 6 mittels einer Pumpe 22 einer Düseneinheit 7 zugeführt. Mittels der Düseneinheit 7 wird der Elektrolyt in den Rauchgasstrom eingedüst und auf diese Art gewaschen. Das Rauchgas passiert anschließend die Düseneinheit 7 wobei sich ein Aerosol aus Rauchgas und Elektrolyt bildet. Dieses Aerosol strömt in einen Vorraum 8 ein, in dem das Aerosol gesammelt und von dem aus es anschließend in die Kanäle 9 geleitet wird. Ferner ist im Vorraum 8 eine Noteinspritzungseinrichtung 25 angeordnet.
Zusätzlich zu dem zu behandelnden Rauchgas wird den Kanälen 9 des Elektrolysebehälters über die Leitung g flüssiger Elektrolyt in Form der wenigstens einen ionischen Flüssigkeit zugeführt. Die Leitung g ist flüssigkeitsbehälterseitig mit einer Pumpe 21 strömungstechnisch verbunden.
Der Elektrolysebehälter verfügt im Querschnitt mit Bezug auf die Zeichenebene ober- und unterseitig über Druckplatten 12. Hierdurch können die Querschnitte der Kanäle 9 verkleinert werden. Die in den Kanälen 9 geführten Medien werden auf diesem Weg mit einer Kraft beaufschlagt und unter Druck gesetzt.
Die Diamantanode 13 weist einen Grundkörper auf. Der Grundkörper ist mit einer Schicht aus polykristallinem Diamant beschichtet. Die Schichtdicke der Diamantschicht liegt vorliegend zwischen 5 µm und 10 µm. Die polykristalline Diamantschicht ist vorliegend mit Bor dotiert. Sie ist mit einer Stromdichte von 15 mA/cm² betreibbar. Es können mehrere Anoden 13 vorgesehen sein. Die notwendige Anzahl ist in Abhängigkeit der zu behandelnden Rauchgasmenge bestimmbar.
An den Elektrolysebehälter 10 schließt sich eine Auffangeinheit an. Die Auffangeinheit weist einen Auffangraum 14 für gasförmige Reaktionsprodukte der Rauchgasbehandlung, einen Sammelbehälter 18 für den verbrauchten Elektrolyten und flüssige Reaktionsprodukte der Rauchgasbehandlung sowie eine Sicherheitsklappe 15 auf.
Über die Sicherheitsklappe 15 kann im Falle einer Fehlfunktion der Anlage, das Rauchgas über eine Notleitung 16 aus der Anlage ausgeleitet werden.
Dem Auffangraum 14 können über ein Ventil 23, vorzugsweise einem Gasmagnetventil, die gasförmigen Reaktionsprodukte entnommen und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Der Sammelbehälter 18 kann über das Ventil 20, vorzugsweise einem Magnetventil, entleert werden. Für die Automatisierung dieses Vorgangs sind Sensoren 17, 19 vorgesehen. Die Sensoren 17, 19 sind mit signaltechnisch mit dem Ventil 20 verbunden und steuern dieses in Abhängigkeit des Pegelstandes des Sammelbehälters 18.
2 zeigt ein Rauchgasaufbereitungsverfahren gemäß der Erfindung in allgemeiner Form. Bei dem Verfahren wird im Verfahrensschritt V1 Rauchgas erzeugt. Vorliegend wird zu diesem Zweck Braunkohle in einem Braunkohlekraftwerk verbrannt.
In Verfahrensschritt V2 wird das Rauchgas von insbesondere Festkörperpartikeln, Schwefeloxiden und Stickoxiden gereinigt. Zur Befreiung von Festkörperpartikeln wird das Rauchgas durch eine Filteranlage, aufweisend Elektrofilter und/oder einen Gewebefilter geleitet. Anschließend wird das von Festkörperpartikeln befreite Rauchgas in einem einer Gaswäschen, insbesondere Rauchgasentschwefelung, zugeführt. Dabei werden Schwefeloxide und Chlorwasserstoff dem Rauchgas entzogen. Anschließend wird das Rauchgas einer Entstickungseinrichtung zur Entfernung von Stickoxiden zugeführt. Anschließend wird das Rauchgas durch einen Aktivkohlefilter geleitet, um organische Reststoffe, Dioxine und Schwermetalle aus dem Rauchgas zu entfernen.
In Verfahrensschritt V3 werden im Rahmen einer Elektrolyse mittels einer Bor-dotierten Diamantanode und einem Elektrolyten, der vorzugsweise wenigstens teilweise aus wenigstens einer ionischen Flüssigkeit gebildet ist, kontinuierlich Hydroxyl-Radikale erzeugt.
In Verfahrensschritt V4 wird das vorgereinigte Rauchgas in einen Elektrolysebehälter zum Zwecke der Behandlung mit Hydroxyl-Radikalen eingeleitet.
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.
In Verfahrensschritt V5 wird das Rauchgas im Elektrolysebehälter mit den Hydroxyl-Radikalen behandelt. Dabei findet eine chemische Reaktion zwischen den Hydroxyl-Radikalen und zumindest dem aus dem Rauchgas stammenden CO₂ statt. Hierbei wird das CO₂ chemisch reduziert. Das aus dem Rauchgas stammende CO₂ liegt im Elektrolysebehälter gasförmig, als gelöstes CO₂, als Kohlensäure, Hydrogencarbonat und/oder Carbonat vor. Am Ergebnis ändert dies indes nichts.
In Verfahrensschritt V6 werden die Reaktionsprodukte einzeln isoliert oder als Stoffgemisch aufgefangen. Gasförmige Reaktionsprodukte, wie insbesondere Methan, steigen nach der Behandlung auf und können gesammelt und abgezogen werden. Mittels geeigneter Analyseverfahren können die gasförmigen Bestandteile identifiziert werden. Bevorzugt ist der Einsatz einer GC (Gaschromatographie) mit Massenspektrometer. Flüssige und gelöste Reaktionsprodukte reichern sich im Elektrolyten an. Vorzugsweise wird der Elektrolyt im Elektrolysebehälter kontinuierlich umgewälzt. Dabei wird der mit Reaktionsprodukten angereicherte Elektrolyt aus dem Elektrolysebehälter ausgeleitet und durch frischen Elektrolyten ersetzt. Die Reaktionsprodukte können anschließend mittels geeigneter Trennverfahren aus dem Elektrolyten entfernt werden. Bevorzugte Trennverfahren sind insbesondere die fraktionierte Destillation und/oder die Extraktion.
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.
Bezugszeichenliste

1: Vorratsbehälter für ionische Flüssigkeit
2: Füllleitung für ionische Flüssigkeit
3: Sensor
4: Rauchgaseinlass
5: Sensor
6: Flüssigkeitsbehälter
7: Düseneinheit
8: Vorraum
9: Kanal
10: Elektrolysebehälter
11: Kathode
12: Druckplatte
13: Diamantanode
14: Auffangraum
15: Klappe
16: Notleitung
17: Sensor
18: Sammelbehälter
19: Sensor
20: Ventil
21: Pumpe
22: Pumpe
23: Ventil
24: Gaswäsche
25: Noteinspritzungseinrichtung
g: Leitung
V1: Verbrennung von Braunkohle
V2: Rauchgasreinigung
V3: Erzeugung von Hydroxyl-Radikalen
V4: Einleitung des Rauchgases in den Elektrolysebehälter
V5: Behandlung des Rauchgases
V6: Isolierung der Reaktionsprodukte

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als reaktive Sauerstoffspezies Hydroxyl-Radikale und/oder Hyperoxid-Anionen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Sauerstoffspezies elektrochemisch mittels einer Diamantelektrode, insbesondere einer Bor-dotierten Diamantelektrode, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine reaktive Sauerstoffspezies in einem Elektrolysebehälter aufweisend die Diamantelektrode durch Elektrolyse eines wenigstens teilweise aus wenigstens einer ionischen Flüssigkeit bestehenden Elektrolyten erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas zur Behandlung mit der reaktiven Sauerstoffspezies in den Elektrolysebehälter eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: - Erzeugung von Rauchgas durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes; - Befreiung des Rauchgases von Festkörperpartikeln und/oder schwefelhaltigen Bestandteilen und/oder stickoxidhaltigen Bestandteilen; - Erzeugung von Hydroxyl-Radikalen in einem mit Wasser befüllten Elektrolysebehälter durch Elektrolyse eines wenigstens teilweise aus wenigstens einer ionischen Flüssigkeit bestehenden Elektrolyten mittels einer Bor-dotierten Diamantelektrode; - Einleitung des Rauchgases in den Elektrolysebehälter. - Behandlung der gasförmigen und/oder gelösten Bestandteile des Rauchgases mit den Hydroxyl-Radikalen im Elektrolysebehälter.
Verwendung einer elektrochemisch erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies zur chemischen Reduktion von CO₂, insbesondere von in Rauchgas enthaltenem CO₂.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Sauerstoffspezies von Hydroxyl-Radikalen gebildet wird.
Rauchgasaufbereitungsanlage aufweisend eine Rauchgaszuführung, gekennzeichnet durch eine strömungstechnisch mit der Rauchgaszuführung verbundene Elektrolyseeinrichtung zur elektrochemischen Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies.
Rauchgasaufbereitungsanlage nach Anspruch 9, aufweisend eine Rauchgasreinigungseinrichtung, welche über die Rauchgaszuführung strömungstechnisch mit der Elektrolyseeinrichtung verbunden ist, wobei die Rauchgasreinigungseinrichtung wenigstens eine Filtereinheit zur Entfernung von Festkörperpartikel, wenigstens eine Rauchgasentschwefelungseinrichtung zur Entfernung von Schwefeloxiden und/oder wenigstens eine Entstickungseinrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aufweist und, wobei die Elektrolyseeinrichtung einen mit einem wenigstens teilweise aus wenigstens einer ionischen Flüssigkeit bestehenden Elektrolyten befüllbaren Elektrolysebehälter aufweist, wobei im Elektrolysebehälter eine Diamantanode angeordnet ist, wobei die Diamantanode einen Grundkörper aufweist, der mit einer polykristallinen Diamantschicht beschichtet ist, wobei die Diamantschicht eine Schichtdicke zwischen 2 µm und 25 µm aufweist.