DE202023000951U1 - Vorrichtung zur elektrischen Beheizung von CO2 - Desorbern - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur CO₂ - Abscheidung mit CO₂-Waschflüssigkeit in einem Absorber (2) und Regeneration der CO₂ - Waschflüssigkeit in einem Desorber (9), dadurch gekennzeichnet, dass im Desorber (9) beheizbare bürstenförmige (10) Stoffaustauschstrukturen vorgesehen sind.

Description

• Die weltweiten Kohlendioxidemissionen (CO₂) und die Kohlendioxidkonzentration nehmen kontinuierlich zu. Die CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre sind von ca. 290 ppm im Jahr 1860 auf inzwischen rund 417 ppm im Jahr 2022 angestiegen. Aufgrund der sehr nachteiligen klimarelevanten Auswirkungen gilt ein Wert von 450 ppm als Obergrenze, die möglichst nicht überschritten werden sollte.
• Wegen der erheblichen Zunahme des Treibhauseffektes durch ansteigende CO₂-Emissionen und den damit verknüpften Folgen auf den Klimawandel wird eine globale Reduzierung des Ausstoßes an CO₂-Emissionen angestrebt. Neben den Abgasen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Erdgas, Erdöl und Kohle) sowie Abgasen aus dem Personen- und Güterverkehr (Straßen-, Schienen-, Schiffs- und Luftverkehr) sind auch umfangreiche weitere Quellen für anthropogene CO₂-Emissionen verantwortlich, wie z.B. Stahl- und Zementindustrie, Raffinerien usw.
• Um die EU-Klimaziele und das 1,5 Grad Limit einzuhalten, müssen in den nächsten Jahrzehnten die weltweiten CO₂-Emissionen enorm gesenkt werden.
• Damit möglichst wenig schädliches CO₂ in die Atmosphäre eingeleitet wird, sollen folgende Maßnahmen berücksichtigt werden:
• • Vermeidung,
• • Substitution von fossilen durch erneuerbare Energieträger, und
• • Verhindern, dass CO₂ in die Atmosphäre emittiert wird.
• Vorrangig sind die ersten beiden Strategien, denn jede Tonne CO₂, die vermieden oder ersetzt werden kann, muss nicht mit viel Aufwand separiert, gespeichert oder wiederverwendet werden.
• Ein Wechsel auf CO₂-arme oder CO₂-freie Technologien bzw. Energieträger ist in vielen Bereichen, insbesondere der Industrie, in den nächsten Jahrzehnten nicht möglich oder sie sind nur sehr schwer zu dekarbonisieren, da prozessbedingt (z.B. Zementindustrie) dennoch unvermeidbare CO₂-Emissionen anfallen. Für derartige Industrien besteht die einzige Möglichkeit der Dekarbonisierung, indem man das CO₂ aus den Abgasen abscheidet, bevor es in die Atmosphäre gelangt.
• Zur CO₂ - Separierung aus Abgasen sind zahlreiche unterschiedliche Technologien bekannt und etabliert. Hierzu zählen die physikalische und chemische Absorption sowie die kryogene Luftzerlegung. Die am häufigsten verwendete Abscheidungs-Technologie ist die chemische Absorption. Sie beruht auf der Reaktion zwischen CO₂ und einem chemischen Lösungsmittel (meist auf Aminbasis). Bei diesem Prozess nimmt das Lösungsmittel CO₂ aus Emissionsquellen (z.B. aus Abgasen) auf /Absorption/ und gibt es anschließend gezielt für weitere Verwendung (Carbon Capture and Storage = CCS und/oder Carbon Capture and Use = CCU) wieder ab /Desorption/.
• Dieses Abscheideverfahren ist beispielsweise in der Kraftwerksindustrie „Stand der Technik“. Je nachdem, an welcher Stelle im Kraftwerksprozess die Abscheidung integriert wird, untescheidet man drei prinzipielle Möglichkeiten der Einbindung:
• • Post - Combustion Capture: Verfahren zur Abscheidung nach der Verbrennung,
• • Pre - Combustion Capture: Verfahren zur Abscheidung vor der Verbrennung,
• • Oxyfuel - Combustion: Verbrennung mit Reinsauerstoff.
• Die Verfahren Post- und Pre-Combustion Capture werden als ökonomisch realisierbar eingestuft, da alle Einzelkomponenten bereits industriell eingesetzt und erprobt sind. Das (Oxyfuel - Combustion) - Verfahren wird großtechnisch noch in Demonstrationsanlagen überprüft. Vattenfall hat es in einer 30 MW Anlage üntersucht, Pläne für ein 1000 MW-Kraftwerk wurden aber bisher nicht weiter verfolgt.
• Bei allen o.g. Verfahren muss das abgetrennte CO₂ anschließend für Transport und Speicherung dehydriert und komprimiert werden. Es kommt noch erschwerend hinzu, dass alle Verfahren einen immensen Energieverbrauch aufweisen, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Anlage beträchtlich reduziert wird.
• Beispielsweise benötigt die, zur CO₂ - Absorption meist eingesetzte, Lösung von 30 Gew.% Monoethanolamin (MEA) für die thermische Regeneration (Desorber) einen derartig hohen Energiebedarf, dass der Kraftwerkswirkungsgrad um bis zu 15 %-Punkte reduzieren kann. /Diss. Anke Schäffer, Universität Stuttgart 2013/.
• Dies führt zu einem Mehrverbrauch an endlichen Ressourcen mit allen damit verbundenen Nachteilen. Daher werden weltweit zahlreiche Aktivitäten für die Minimierung des Energiebedarfs für die CO₂-Separation aus Abgasen durchgeführt.
• Der CO₂-Abscheideprozess lässt sich in zwei Bereiche unterteilen:
1. 1. CO₂-Absorption im Absorber mit CO₂-Waschmittel,
2. 2. Regeneration des CO₂-Lösungsmittel im Desorber mit anschließender Kompression des CO₂.
• Im Absorber wird im Gegenstrom zum Rauchgas CO₂- Waschmittel aufgegeben, welches das CO₂ chemisch bindet (Rauchgas von unten /CO₂ -Waschmittel von oben). Die CO₂-Absorption findet im Absorber bei Umgebungsdruck und Temperaturen zwischen 40 °C und 60 °C statt.
• Am Sumpf verlässt das mit CO₂-beladene CO₂-Waschmittel den Absorber und wird, nach Aufheizung in einem Wärmetauscher, dem Desorber zugeführt. Im Desorber wird das CO₂-Waschmittel bei Drücken zwischen 1,3 bara und 3,5 bara und Temperaturen zwischen ca. 105 °C und 140 °C regeneriert und dabei wird das CO₂ wieder vom CO₂-Waschmittel getrennt.
• Der mit Abstand größte Energiebedarf im CO₂-Wäscheprozess wird für die Regeneration des CO₂-Waschmittels benötigt. Die notwendige Wärme wird dem Prozess über einen Verdampfer mittels Dampf aus dem Kraftwerksprozess zugeführt.
• Aus experimentellen Versuchsdaten lässt sich ableiten, dass die CO₂-Wäsche im Kraftwerksbereich einen spezifischen Energiebedarf von 4000 bis 4200 MJ/tCO₂ benötigt und, dass selbst durch optimierte Fahrweise immer noch 3600 MJ/tCO₂ zur Verfügung gestellt werden müssen. /Diss. Sandra Schmidt, Technische Universität München 2013/ Detaillierte Auflistungen des spezifischen Energiebedarfes besagen, dass er zur Regeneration von z.B. MEA bei 110 °C ca. 3900 MJ/tCO₂ beträgt und sich zusammensetzt aus drei Energieanteilen: zum Erwärmen des Lösungsmittels auf Desorbertemperatur werden 900 MJ/tCO₂ benötigt, die Spaltung der C-Amin-Bindung dominiert mit 1700 MJ/tCO₂ den Energiebedarf, gefolgt von der zur Strippdampferzeugung benötigten Energiemenge mit 1300 MJ/tCO₂. /Diss. Anke Schäffer, Universität Stuttgart 2013/.
• Hieraus lässt sich ableiten, dass der spezifische Energiebedarf zur CO₂-Abscheidung die Einflussgröße zur Reduzierung von Opex ist und somit eine wesentliche Bewertungsgröße für die Effektivität der CO₂-Wäschetechnologie erlaubt.
• Es ist zu beachten, dass der hohe benötigte Energieinput für die Regeneration des CO₂ - Waschmittels im Desorber dafür sorgt, dass ein großer Anteil an Dampf aus dem Wasser-Dampfkreislauf des Kraftwerks entnommen werden muss und daher dort nicht mehr für die Stromerzeugung zur Verfügung steht. Entsprechend verringert sich der Wirkungsgrad des Kraftwerks durch die CO₂ -Abtrennung beträchtlich.
• Aus den vorab genannten Gründen ist die Prozessintensivierung der CO₂-Desorption weltweit im Mittelpunkt des Interesses, mit dem Ziel einer bemerkenswerten Reduzierung der benötigten Energie, gerückt.
• Schwerpunktmäßig lassen sich die Aktivitäten unterteilen in:
• • Leistungsstärkere Ausrüstungen (Rotationskolonnen, Mikroreaktoren, Membranen),
• • Alternative Wärmequellen (Ultraschall, Mikrowellen- & Induktionsbeheizung),
• • Optimierung der CO₂ -Waschflüssigkeit (Neuartige und/oder Mischamine, Zugabe von Additiven zur Waschflüssigkeit, z.B. Nanopartikel auf Basis von CuO).
• Wobei die Rotatitionskolonnen, Mikroreaktoren und Membranen auch ein anderes Problem der CO₂-Wäschen aufgreifen, den immensen Platzbedarf, welcher eine Nachrüstung zuweilen unmöglich macht.
• Es sind auch bereits zahlreiche Patentanmeldungen zum Thema „Maßnahmen zur Regenerierung von CO₂ -Waschmittel in Desorbern“ bekannt.
• Die EP 2 276 551 B1 offenbart beispielsweise eine Möglichkeit der Regenerierung des CO₂-Lösungsmittels durch Verwendung von Ultraschall. Hierzu wird in der Literatur angemerkt, dass die benötigte Energie weiterhin sehr hoch und eine Realisierung der erforderlichen gleichmäßigen Blasenbildung in der Waschflüssigkeit anspruchsvoll ist.
• In der WO 2014/019761 wird eine andere Technologie zur Regenerierung von CO₂ - Waschmittel beansprucht. Hierbei wird versucht die Aufgabe mit einer Einrichtung bestehend aus Absorber, Desorber und zusätzlichen Speicher zur Bevorratung eines Wärmetransferfluids zu lösen. Dabei soll der Speicher mit dem Desorber wärmetechnisch gekoppelt werden. Zusätzlich soll das Wärmeübertragungsfluid elektrisch beheizt werden. Diese Anordnung erscheint zu komplex mit zusätzlichen Behälter und Peripherie wie z.B. Pumpen, sowie Mess- und Regelungstechnik.
• Die EP 2425887 A1 schlägt ebenfalls einen zusätzlichen Wärmespeicher für den Desorber vor, aber die notwendige thermische Energie soll mittels Solarkollektoren erzeugt werden. Bei dieser Anmeldung ist ebenfalls anzumerken, dass auch hier eine ausgedehnte Peripherie für die Ankopplung des Wärmespeichers benötigt wird.
• Erschwerend kommt aber bei dieser Patentanmeldung hinzu, dass der Desorber nur mit Prozessdampf versorgt werden kann, wenn ausreichende Sonnenenergie zur Verfügung steht.
• Weil die klassischen bekannten oder angedachten thermischen Regenerationsprozesse sehr aufwändig sind, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den hohen Aufwand und Energiebedarf bei der Regenerierung des CO₂-Waschmittels zu minimieren, bzw durch klimaneutrale Energien darzustellen. Diese Aufgabewird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Ziel dieser Vorrichtung ist also die Verwendung von direkter elektrischer Wärmeerzeugung mittels Widerstands- Induktionsbeheizung von neuartigen Desorbereinbauten auf der Basis von metallischen Bürsten, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik weitgehend vermeiden.
• Weitere Vorteile bei der Verwendung von elektrisch beheizbaren Metallbürsten für die Regeneration von CO₂-Waschflüssigkeiten ist, dass diese zunächst als Wärmequelle dienen können, aber auch noch hohe spezifische Oberflächen für den Stoffaustausch besitzen und zusätzlich, im Vergleich mit konventionellen Füllkörperschüttungen, geringe Druckverluste aufweisen.
• Es ist ebenso eine Reduzierung des Platzbedarfs und der Anlagenivestkosten durch Weggfall der Wärmetauscher und Dampfbeheizung ein erheblicher Vorteil der hier dargestellten alternativen Lösung der Beheizung und der Desorbereinbauten mittels beheizter Bürste.
• Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Desorber nicht, wie im Stand der Technik etabliert mit gewöhnlichen Füllkörper (z.B. Raschig- oder Pallringe, Berlsätte usw.) oder strukturierten Packungen (z.B. Mellapak/Sulzer usw.), sondern mit in Form und Struktur gleichmäßigen metallischen bürstenartigen Strukturen oder ähnlichen Konstrukten aus aus Drähten befüllt werden. Diese sind elektrisch leitfähig und können somit durch Joulsche Wärme auf Zieltemperaturen beheizt werden ohne, dass man auf den Dampf - Energiereservoir des Kraftwerkes zurückgreifen muss. Gleichzeitig können sie, aufgrund der hohen spezifischen Oberflächen, effektiv zur Regeneration von CO₂ - Waschlösungen eingesetzt werden. Es besteht die Möglichkeit die gesamte Bürstenstruktur elektrisch leitfähig zu gestalten oder aber, weil sie nebenbei noch eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, nur den zentralen Bereich der einzelnen Bürsten elektrisch zu beheizen. Durch die gute Wärmekonduktion erfolgt eine gleichmäßige Wärmeverteilung in axialer und radialer Richtung der Bürstenstruktur. Selbstverständlich kann die Erwärmung auch durch Induktionstechnologien erfolgen.
• Die Erzeugung der, zur Regeneration benötigten Wärme kann über Widerstands- oder Induktionsheizelement erfolgen, denkbar sind natürlich auch andere Wärmequellen wie elektromagnetische Wellen (Mikro- & Radiowellen).
• Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
• 1 eine vereinfachte Darstellung der Vorrichtung zur CO₂ - Abscheidung mit CO₂-Waschflüssigkeit in einem Absorber und Regeneration der CO₂-Waschflüssigkeit in einem Desorber entsprechend der Erfindung. Hierbei erfolgt die benötigte Wärmebereitstellung für die Regeneration des CO₂-Lösungsmittels im Desorber über elektrische Beheizung der bürstenförmigen Stoffaustauschstrukturen.
• 2 veranschaulicht im Detail eine bürstenförmige Einrichtung, die elektrisch leitfähig ist und innerhalb des Desorbers durch konduktive Erwärmung zur Regenerierung des CO₂-Waschmittel eingesetzt werden kann. Hierbei ist der mittlere Heizdraht elektrisch leitfähig und wird erwärmt und die bürstenförmige Strukturen verteilen die Wärme innerhalb des Desorbers weiter.
• Die Anordnung in 3 ist ähnlich wie die, die in 2 dargestellt wird. In diesem Fall sind aber der mttlere Führungsdraht und die Bürsten elektrisch leitfähig, so dass die gesamte Struktur elektrisch beheizbar ist. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit auf den mittleren Führungsdraht zu verzichten und nur die Bürsten elektrisch leitfähig zu gestalten. Obwohl hier eine konduktive Beheizung dargestellt wird, besteht ebenfalls die Möglichkeit die erforderliche elektrische Regenerationswärme über Induktion zu realisieren.
• In 1 wird mit (1) eine Vorrichtung zur Abscheidung von CO₂ aus einem Abgasstrom (3) gezeigt. Die Abscheidevorrichtung (1) besteht aus einem Absorber (2) sowie einem Desorber (9), die gemeinsam zur CO₂ - Abscheidung eingesetzt werden.
• Hierbei wird der CO₂-haltige Abgasstrom (3) zunächst in den Absorber (2) eingebracht. Hier wird das vorhandene CO₂ durch Berieselung mit einem Waschmittel (7) gebunden. Das gereinigte Abgas kann über (6) zur weiteren Reinigung oder Nutzung bzw. in die Atmosphäre austreten. Das separierte CO₂ verbindet sich mit der Waschlösung und sammelt sich im unteren Bereich des Absorbers (2) an. Mittels einer Pumpe (5) wird das, mit CO₂ beladene, Waschmittel über einen Wärmetauscher (8) dem Desorber (9) zugeführt. Der Wärmetauscher (8) dient der Verbesserung der Wärmebilanz zwischen vom Absorber (2) abgehenden Strom von CO₂ beladenem Waschlösung (40 - 60 °C) und dem vom Desorber (9) abgehenden Strom von regenerierter Waschlösung (> 100 °C).
• Durch elektrisch-thermische Aktivierung der bürstenförmigen Vorrichtung wird die Waschflüssigkeit im Desorber (9) vom CO₂ getrennt. Hierbei wird dem Desorber (9), die für die Regenerierung der Waschflüssigkeit benötigten Wärme über die elektrische Beheizung der metallischen Bürsten (10,11,12) zugeführt. Zur Regenerierung wird die mit CO₂ beladene Waschlösung in dem Desorber (9) eingeregnet. Das frei werdende CO₂ kann über (13) am Kopf des Desorbers (9) ausströmen und nach weiterer Behandlung, wie z.B. Verdichtung, genutzt (CCU) oder in entsprechende Speicher (CCS) eingelagert werden. Das sich im unteren Bereich des Desorbers ansammelnde CO₂-freie Solvent kann im Kreis mittels Pumpe (5) über einen Wärmetauscher (8) wieder zum Absorber (2) geleitet werden.
• In 2 wird ein Ausschnitt aus dem Desorberbereich (9) mit innenliegendem elektrischen Heizstab (11) sowie wärmeleitenden bürstenähnlichen Stoffaustauchstrukturen (10) gezeigt. Die CO₂-gesättigte Waschflüssigkeit wird in (4) zur Regeneration eingeleitet und strömt in (7) aus dem Desorber (9) wieder aus. Das separierte CO₂ wird in (13) aus dem Desorber (9) ausgetragen. Mit (+) und (-) wird die Stromeinspeisung für die konduktive Beheizung definiert.
• In 3 wird ebenfalls ein Ausschnitt aus dem Desorberbereich (9) mit innenliegendem elektrisch leitenden Heizstab (11) und elektrisch leitenden bürstenähnlichen Stoffaustauchstrukturen (10) gezeigt. Die CO₂-gesättigte Waschflüssigkeit wird in (4) zur Regeneration eingeleitet und strömt in (7) aus dem Desorber (9) wieder aus. Das separierte CO₂ wird in (13) aus dem Desorber (9) ausgetragen. Mit (+) und (-) wird die Stromeinspeisung für die konduktive Beheizung definiert.
• Natürlich sind die beschriebenen Beispiele noch in vielfacher Hinsicht abzuändern und zu ergänzen ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So betrifft die Erfindung auch das Verfahren zur Regeneration der CO₂-Waschflüssigkeit im Desorber durch Erzeugung der notwendigen Wärmenergie mittels elektrischer Beheizung der Stoffaustauschstrukturen. Selbstverständlich kann dieser elektrischer Wärmeeintrag auch in anderen endothermischen Stoffaustauschkolonnen beansprucht werden.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zur CO₂-Abscheidung

2

Absorber

3

Abgas

4

CO₂ -gesättigtes Lösungsmittel

5

Pumpe

6

Reingas

7

Regeneriertes Lösungsmittel

8

Wärmetauscher

9

Desorber

10

Bürstenförmige Stoffaustauschstrukturen

11

Elektrischer Heizstab

12

Stromeinspeisung

13

Separiertes CO₂

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2276551 B1 [0024]
• WO 2014/019761 [0025]
• EP 2425887 A1 [0026]

Claims (6)

1. Vorrichtung zur CO₂ - Abscheidung mit CO₂-Waschflüssigkeit in einem Absorber (2) und Regeneration der CO₂ - Waschflüssigkeit in einem Desorber (9), dadurch gekennzeichnet, dass im Desorber (9) beheizbare bürstenförmige (10) Stoffaustauschstrukturen vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmige Stoffaustauschstrukturen (10) mit einem Heizstab (11) versehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmigen Stoffaustauschstrukturen (10) elektrisch leitfähig ausgebildet sind.
4. Desorber (9) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmige Stoffaustauschstruktur (10) ein elektrisches, Widerstandsheizelement (11) umfasst.
5. Desorber (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bürstenförmige Stoffaustauschstruktur (10) ein induktiv beheizbares Heizelement (11) umfasst.
6. Desorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeerzeugung über elektromagnetische Wellen erfolgt.

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