Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit einer Ausrüstung zur Rückgewinnung von
Kohlendioxid ausgerüstetes Kraftwerk, welches mittels Dampf Strom erzeugt, wobei das
Kohlendioxid aus dem Verbrennungs-Abgas aus dem Kessel zurückgewonnen wird, und
betrifft auch eine effiziente Methode zur Stromerzeugung.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
-
In den letzten Jahren hat der Treibhauseffekt von Kohlendioxid als ein Faktor
Aufmerksamkeit gewonnen, der für das Phänomen der globalen Erwärmung verantwortlich
ist, und in einer weltweiten Anstrengung werden dringend Maßnahmen dagegen gesucht,
um die Umwelt auf der Erde zu schützen. Auf jedem Gebiet menschlicher Aktivitäten, bei
denen die Verbrennung fossiler Brennstoffe involviert ist, ist diese Quelle des
Kohlendioxids allgegenwärtig, und des gibt einen Trend in Richtung strengerer Kontrollen
der Emission von Kohlendioxid. In Anbetracht dessen werden energetische Studien über
die Rückgewinnung von Kohlendioxid aus Verbrennungs-Abgasen durchgeführt,
inbesondere von solchen, die aus stromerzeugenden Einrichtungen emittiert werden, wie
beispielsweise aus Dampfkraftwerken, in denen große Volumina an fossilen Brennstoffen
verbrannt werden, und ferner über die Lagerung des rückgewonnenen Kohlendioxids, ohne
dieses in die Atmosphäre zu entlassen.
-
Als eine Methode zur Rückgewinnung von Kohlendioxid aus kohlendioxidhaltigen
Verbrennungs-Abgasen wird in Fig. 6 ein System dargestellt, das bereits vorgeschlagen
worden ist. In Fig. 6 sind nur die größeren Komponenten gezeigt und die
Hilfseinrichtungen sind weggelassen.
-
In Fig. 6 wird ein mittels Turbine angetriebener Generator 2 gezeigt, in den über die
Zuleitung 3 von einem Kessel 1 erzeugter Dampf zur Stromerzeugung eingeleitet wird.
Das vom Kessel 1 emittierte Verbrennungs-Abgas wird über eine Leitung 4 einem Kühler
5 zugeleitet, wo es durch Kontakt mit Kühlwasser gekühlt wird, und das gekühlte Gas
wird durch Leitung 6 einem Absorber 7 zugeführt. Der Absorber 7 wird über die Leitung
8 von seinem oberen Teil mit einer wässrigen Lösung von Monoethanolamin mit einer
Konzentration von etwa 20 bis 30 Gew.-% versorgt. Die wässrige Monoethanolamin-
Lösung fällt im Gegenstromverfahren zum Verbrennungs-Abgas, nimmt aus dem Gas
Kohlendioxid auf, und fließt als wässrige Lösung von Monoethanolamin enthaltend das
absorbierte Kohlendioxid aus dem unteren Teil der Absorberkolonne 7 und wird durch
Leitung 9 einem Regenerator 10 für das wässrige Monoethanolamin zugeleitet. Das durch
Absorption vom Kohlendioxid befreite Verbrennungs-Abgas wird aus dem oberen Teil des
Absorbers 7 durch Leitung 11 in die Atmosphäre freigesetzt.
-
Im Innern des Regenerators 10 für das wässrige Monoethanolamin wird die wässrige
Monoethanolamin-Lösung, die Kohlendioxid absorbiert hat, durch Erhitzen mit aus einem
Reboiler 13 stammenden Dampf regeneriert, und die regenerierte Lösung wird über
Leitung 8 in den Absorber 7 zurückgeführt. Das Kohlendioxid wird durch Leitung 14 einer
Rückgewinnung zugeführt. Falls notwendig, kann ein Wärmetauscher installiert werden,
um einen Wärmeaustausch zwischen den Leitungen 8 und 9 zu bewirken. Für die
Wärmeversorgung des Reboilers 13 wird entweder durch Kessel 1 erzeugter Dampf oder
Niederdruckdampf aus dem Seitenstrom, der von dem turbinengetriebenen Generator 2
abgezweigt worden ist, durch die Leitungen 12 dem Reboiler zugeleitet.
-
In dem vorstehend beschriebenen System wird das während der Wärmeerzeugung erzeugte
Kohlendioxid durch Absorption aus dem Verbrennungs-Abgas entfernt, und der vom
Reboiler verbrauchte Anteil an Dampf beträgt bis zu etwa 20 Prozent der gesamten
Dampfproduktion des Kessels 1. Andererseits schwankt die Nachfrage nach Elektrizität
innerhalb eines Tages in weiten Grenzen. In der Tageszeit von etwa zehn Uhr am Morgen
bis etwa fünf Uhr am Nachmittag ist die Nachfrage besonders hoch. Es ist daher wichtig,
die Stromversorgung für diese Spitzenperiode ausreichend in die Höhe zu treiben. Wie
oben festgestellt wurde müssen in Wirklichkeit etwa 20 Prozent der für die
Stromerzeugung vorgesehenen Dampferzeugung zur Regenerierung der wässrigen
Monoethanolamin-Lösung abgezweigt werden, mit einer entsprechenden Reduktion der
erzeugten Leistung. Nach einer Lösung dieses Problems wird gesucht.
-
Ferner wurde Monoethanolamin bereits vor dem gegenwärtigen öffentlichen Interesse nach
einer Rückgewinnung des in Verbrennungs-Abgasen vorhandenen Kohlendioxidgases für
die Zwecke der Absorption und Entfernung von Kohlendioxid aus verbrennbaren Gasen
eingesetzt, wie beispielsweise Erdgas, Ammoniakgas und Wasserstoffgas, und wird zu
derartigen Zwecken immer noch verwendet. Monoethanolamin wird üblicherweise in
wässriger Lösung in niedriger Konzentration verwendet, die 40 Gew.-% oder weniger
enthält und die selbst nicht brennbar ist. Die zur Ergänzung des während der
Rückgewinnung des Kohlendioxids verbrauchten Monoethanolamins oder zur Anpassung
der Konzentration der Absorptionslösung verwendete Vorratslösung ist brennbar. Diese
Vorratslösung wird üblicherweise entweder in Form einer hochkonzentrierten wässrigen
Lösung oder unverdünnt als 100%iges Monoethanolamin in einem Tank oder dergleichen
innerhalb der Ausrüstung zur Rückgewinnung gelagert. Zur Verringerung des Volumens
des Lagertanks wird die Lagerung vorzugweise in der unverdünnten Form durchgeführt.
Das 100%ige Monoethanolamin hat jedoch eine Erstarrungstemperatur von 10,5ºC und
zur Vermeidung der Erstarrung bei kaltem Wetter wird es manchmal durch eine brennbare
wässrige Lösung ersetzt, die eine Konzentration von bis zu etwa 85 Gew.-% aufweist (nicht
erstarrende Qualität). Insoweit die Ausrüstung zur Rückgewinnung des Kohlendioxids aus
dem oben erwähnten verbrennbaren Gas hauptsächlich zur Behandlung des verbrennbaren
Gases ausgelegt worden ist, sind alle Motoren, Meßinstrumente, elektrische Vorrichtungen
usw. explosionsgeschützt. Selbstverständlich werden auch Vorrichtungen zur
Brandbekämpfung bereitgestellt. Es hat sich also als überflüssig erwiesen, bei der Lagerung
der brennbaren Vorratslösung an Monoethanolamin mit einer so hohen Konzentration
einen zusätzlichen Schutz gegen Explosionsgefahr ins Auge zu fassen.
-
Infolge der erhöhten Aufmerksamkeit bei der Absorption von Kohlendioxidgas sind, wie
wir oben ausgeführt haben, jedoch die nachfolgenden Probleme bemerkt worden. Das
heißt, daß die Situation bei einer Ausrüstung zur Absorption von Kohlendioxid aus einem
Verbrennungs-Abgas sich völlig von der bei einem konventionellen Apparat zur
Rückgewinnung von Kohlendioxid aus verbrennbaren Gasen unterscheidet. Das zu
behandelnde Gas ist naturgemäß nicht brennbar. Die praktisch einzige brennbare Quelle,
die explosionsgesicherte Vorrichtungen und Löschvorrichtungen erfordert, ist die
Vorratslösung des Monoethanolamins, die zum Ersetzen des in der Rückgewinnung des
Kohlendioxids verbrauchten Monoethanolamins oder zur Verwendung bei der Einstellung
der Konzentration der Lösung benötigt wird. Da jedoch die brennbare Vorratslösung
innerhalb der Ausrüstung zur Rückgewinnung des Kohlendioxids gelagert und darin
verwendet wird, muß dieses viele gegen Explosion gesicherte Komponenten aufweisen,
zusammen mit einer Installation von Feuerlöscheinrichtungen, wie dies der Fall bei der
oben erwähnten Ausrüstung für die Rückgewinnung von Kohlendioxid aus verbrennbaren
Gasen ist. Es ist überflüssig zu erwähnen, daß die Anwendung von explosionsgeschützten
Motoren, Meßinstrumenten und elektrischen Vorrichtungen und zusätzlich der
Löscheinrichtungen viel kostenintensiver ist als die Anpassung eines Systems ohne
Explosionsschutz.
-
Ferner wurden bei der Absorption von Kohlendioxidgas aus Verbrennungs-Abgas unter
Einsatz von Monoethanolamin Lösung die nachstehenden Probleme bemerkt, die mit der
Temperatur des Abgases zusammenhängen.
-
In Fig. 5 wird die Sättigungskurve unter dem Partialdruck des Kohlendioxids dargestellt,
das 8 Vol. % der Atmosphäre ausmacht, wenn eine wässrige Lösung von
Monoethanolamin bei einer Konzentration von etwa 30 Gew.-% zur Absorption des im
Verbrennungs-Abgas enthaltenen Kohlendioxids eingesetzt wird. In der Abszisse von Fig.
5 wird die Temperatur (ºC) dargestellt und in der Ordinate wird die Anzahl von Molen von
absorbiertem Kohlendioxid pro Moleinheit Monoethanolamin dargestellt. Aus Fig. 5 wird
deutlich, daß je niedriger die Temperatur des Kohlendioxids ist, das mit der Lösung in
Kontakt kommt, umso größer die Menge an Kohlendioxid wird, die durch die wässrige
Monoethanolamin Lösung absorbiert wird. Ein weiterer Grund dafür, daß eine niedrige
Gastemperatur bevorzugt wird, ist darin zu sehen, daß die Absorption des Kohlendioxids
durch die Monoethanolamin Lösung Wärmeerzeugung zur Folge hat. Bislang ist es daher
als notwendig angesehen worden, daß das Gas ausreichend gekühlt werden mußte, z. B. auf
den Bereich von etwa 30ºC bis 50ºC. Daher werden in der herkömmlichen Ausrüstung zur
Rückgewinnung von Kohlendioxid aus Verbrennungs-Abgasen teuere
Gaskühleinrichtungen verwendet.
-
Das Betreiben der Ausrüstung für die Rückgewinnung ist ebenfalls recht kostspielig, da ein
Wärmetauscher oder dergleichen zum Kühlen des Kühlwassers für derartige
Gaskühleinrichtungen verwendet werden mußte. So werfen insbesondere Verbrennungs-
Abgase aus einem Erdgas verbrennenden Brenner oder anderen Öfen Probleme auf, die bei
Verbrennungs-Abgasen aus der Verbrennung von Kohle oder Schweröl nicht auftreten.
So wird sich beispielsweise durch einfaches Befeuchten die Gastemperatur nicht
ausreichend absenken lassen, welches durch den Kontakt des Gases mit Kühlwasser
bewirkt wird; das Gas muß durch Kontakt mit Wasser gekühlt werden, das besonders
durch Einsatz eines Wärmetauschers gekühlt worden ist.
Zusammenfassung der Erfindung
-
In Hinblick auf das mit der Stromerzeugung und der gleichzeitigen Rückgewinnung von
Kohlendioxid durch Absorption aus dem Verbrennungs-Abgas aus dem Kessel
verbundende Problem in so einem System, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, haben die
Erfinder intensiv nach einer Lösung gesucht. Es wurde nun als ein Ergebnis gefunden, daß
das Problem durch Bereitstellung von Vorrichtungen zur Lagerung von sowohl der
Absorptionslösung für Kohlendioxid, z. B. der wässrigen Monoethanolamin Lösung, die
Kohlendioxid absorbiert hat, als auch der regenerierten wässrigen Monoethanolamin
Lösung, und durch Betreiben eines Regenerators zum Regenerieren der gelagerten
Kohlendioxid enthaltenden Monoethanolamin Lösung während einer Zeitdauer, in der die
Nachfrage nach Leistung gering ist, gelöst werden kann. Dieses hat die Erfinder zu einem
ersten und einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung geführt.
-
Das heißt, daß ein Ziel der ersten und zweiten Aspekte der vorliegenden Erfindungen darin
besteht, die Variationen der Nachfrage nach Leistung effizienter zu nutzen.
-
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einem Kraftwerk zu sehen, das mit
einer damit verbundenen Ausrüstung zur Rückgewinnung von Kohlendioxid ausgerüstet
ist, umfassend einen Kessel als Dampfquelle, einen mit einer Dampfturbine angetriebenen
Generator, einen Absorber, worin Kohlendioxid aus dem Verbrennungs-Abgas aus dem
Kessel mittels einer Kohlendioxid Absorberlösung absorbiert wird, und einen Regenerator
für die Kohlendioxid Absorberlösung, die als Wärmequelle den Dampf verwendet, der aus
dem Kessel oder aus dem mit einer Dampfturbine angetriebenen Generator abgezweigt
worden ist; besagtes Kraftwerk umfaßt eine Lagereinheit für die mit absorbiertem
Kohlendioxid beladene Kohlendioxid Absorberlösung und eine Lagereinheit für die
regenerierte Kohlendioxid Absorberlösung.
-
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einer Methode zur Erzeugung von
Elektrizität zu sehen, bei der Leistung mittels eines durch eine Turbine angetriebenen
Generators erzeugt wird, und ein Kessel als eine Dampfquelle verwendet wird,
Kohlendioxid gleichzeitig unter Einsatz einer Absorberlösung aus dem Verbrennung-
Abgas, das aus dem Kessel emittiert wird, absorbiert wird und die Absorberlösung durch
einen Regenerator erzeugt wird, der hinsichtlich der Wärmeversorgung von Dampf
abhängt, der aus dem Kessel oder aus dem durch eine Turbine angetriebenen Generator
abgezweigt wird; wobei die Methode dadurch charakterisiert ist, daß der Regenerator
außer Betrieb gehalten wird, wenn der Bedarf an Leistung hoch ist, und die mit
Kohlendioxid beladene Absorberlösung für Kohlendioxid in einer dafür vorgesehenen
Lagereinheit gelagert wird; und daß bei niedrigem Bedarf die gelagerte Absorberlösung für
Kohlendioxid regeneriert wird, indem der Regenerator betrieben wird, und daß die die
regenerierte Absorberlösung für Kohlendioxid in einer dafür vorgesehenen Lagereinheit
gelagert wird.
-
In Hinblick auf die Situation, mit der man es bei der Ausrüstung zur Absorption von
Kohlendioxid aus Verbrennung-Abgas zu tun hat, haben die Erfinder umfangreiche
Untersuchungen des Monoethanolamins vorgenommen, das als eine Vorratslösung für die
Absorberlösung eingesetzt werden soll. Sie haben nun als ein Ergebnis gefunden, daß die
oben erwähnte wässrige Lösung mit einer Konzentration von etwa 85 Gew.-% durch
Verdünnung mit einer kleinen Menge an Wasser nicht brennbar gemacht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher eine
wässrige Lösung von Monoethanolamin als Absorberlösung verwendet, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß eine nicht brennbare wässrige Monoethanolamin Lösung als
Vorratslösung zum Wiederauffüllen oder zum Anpassen der Konzentration der
Absorberlösung eingesetzt wird.
-
In Hinblick auf den vorstehend beschriebenen Stand der Technik betreffend die
Temperatur des Verbrennungs-Abgases für die Absorption und die Rückgewinnung des in
dem Gas enthaltenen Kohlendioxids, haben die vorliegenden Erfinder die Beziehung
zwischen der Gastemperatur und der von der wässrigen Monoethanolamin Lösung
absorbierten Menge an Kohlendioxid intensiv studiert. Überraschenderweise wurde jetzt
gefunden, daß die Absorption durch eine Gastemperatur vergrößert wird, die höher ist, als
der akzeptierte Bereich von 30 bis 50ºC.
-
Vorzugsweise wird eine wässrige Lösung von Monoethanolamin als Absorberlösung
eingesetzt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gastemperatur auf einen Bereich von
50 bis 80ºC eingestellt ist, und daß das Gas dann in Kontakt mit der wässrigen Lösung des
Monoethanolamins gebracht wird.
-
Die Kühlung wird vorzugsweise durch nasse Kühlung durchgeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm für ein beispielhaftes Kraftwerk, das eine daran
angeschlossene Vorrichtung zur Rückgewinnung von Kohlendioxid aufweist;
-
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Rückgewinnungsanlage;
-
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer anderen beispielhaften
Rückgewinnungsanlage;
-
Fig. 4 ist ein Graph, mit dem der Zusammenhang zwischen der Kontakttemperatur des
Gases (in der Abszisse) und der Anteil der Absorption durch eine wässrige
Monoethanolamin Lösung (in der Ordinate in Anzahl von Molen Kohlendioxid, die pro
Mol Monoethanolamin in der Lösung absorbiert werden) gezeigt wird, der durch
Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung im Ausführungsbeispiel der Erfindung
erhalten worden ist;
-
Fig. 5 ist ein Graph, mit dem die Sättigungskurve der mit Kohlendioxid beladenen
wässrigen Monoethanolamin Lösung dargestellt ist; und
-
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels für ein herkömmliches Kraftwerk mit
einer Vorrichtung zur Rückgewinnung von Kohlendioxid.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:
-
In Fig. 1 wird beispielhaft ein Kraftwerk dargestellt, an das eine Vorrichtung zur
Rückgewinnung von Kohlendioxid gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung angeschlossen
ist. Es werden nur größere Komponenten dargestellt und Hilfseinrichtungen sind
weggelassen. Falls notwendig, sind Ventile, Pumpen, Wärmetauscher usw. installiert. Die
ähnlich den in Fig. 6 dargestellten Teile sind durch gleiche Nummern gekennzeichnet.
-
In Fig. 1 werden ein Tank 15 als Lagereinheit für die Absorberlösung für Kohlendioxid, die
Kohlendioxid absorbiert hat, und ein Tank 16 als Lagereinheit für die regenerierte
Kohlendioxid Absorberlösung gezeigt. Die Einheiten versetzen den Absorber 7 in die
Lage, Tag und Nacht für die Absorption von Kohlendioxid betrieben zu werden, solange
die Erzeugung von Elektrizität in Betrieb ist. Die absorbiertes Kohlendioxid enthaltende
Absorberlösung wird jedoch in der Zeitspanne nicht regeneriert, beispielsweise während
der Tageszeit, wenn die Versorgung mit Leistung im Vergleich zu einem erhöhten Bedarf
abfällt. Daher wird zur Tageszeit aus der Leitung 12 kein Dampf abgezogen und die
Erzeugung von elektrischer Energie kann demzufolge erhöht werden. Während dieser
Zeitspanne wird die Kohlendioxid enthaltende Absorberlösung vom Absorber 7 im Tank
15 gelagert und während der Periode mit niedrigem Bedarf, z. B. während der Nacht, wird
der Regenerator 10 zur Regenerierung betrieben. Der diskontinuierliche Betrieb des
Regenerators 10 setzt die Installation des Tanks 15 voraus, in dem die regenerierte
Kohlendioxid Absorberlösung gelagert wird.
-
Die Kapazitäten dieser Tanks variieren zum Teil mit den tatsächlichen Unterschieden beim
Energiebedarf zwischen Tag- und Nachtzeit. Üblicherweise ist es wünschenswert, daß die
Tanks Kapazitäten besitzen, die wenigstens ein Drittel bis eine Hälfte der täglichen
Verfahrenskapazitäten des Absorbers 7 bzw. des Regenerators 10 halten können.
-
Beispiele für die Absorberlösung für Kohlendioxid umfassen: wässrige alkalische
Lösungen, beispielsweise solche von gehinderten Aminverbindungen und Kaliumcarbonat;
wässrige Alkanolamin Lösungen, wie beispielsweise von Monoethanolamin,
Diethanolamin, Triethanolamin, Methyldiethanolamin, Diisopropanolamin und
Diglycolamin; und Mischungen dieser wässrigen Lösungen. Vorzugsweise wird eine
wässrige Monoethanolamin Lösung verwendet.
-
Für die vorliegende Erfindung wird das Hinzufügen der Tanks 15 und 16 zu dem in Fig. 6
dargestellten konventionellen Kraftwerk benötigt. Es sei jedoch extra darauf hingewiesen,
daß der ökonomische Vorteil der erhöhten Energieerzeugung bei erhöhtem Bedarf
während der Tagzeit weitaus bedeutender ist als der Nachteil der zusätzlichen Investion in
die Tanks. Gegenwärtig rechnet man bei der Errichtung eines Kraftwerks, beispielsweise
eines 600 MW Kraftwerks, mit etwa einhunderttausend Yen pro Kilowatt
Generatorkapazität. Auch werden etwa 30 Prozent des erzeugten Niederdruck Dampfes für die
Regenierung der Kohlendioxid enthaltenden Absorberlösung verbraucht. In Hinblick
darauf ist es unsere Einschätzung, daß es unter der Annahme, daß der Einbau der
vorliegenden Erfindung ein Kraftwerk in die Lage versetzt, etwa 10 Prozent mehr
Elektrizität zu produzieren, möglich sein wird, die etwa sechs Milliarden Yen der
Investitionskosten der Installation zurückzuerhalten. Das Hinzufügen zweier Tanks, von
denen jeder beispielsweise etwa 40,000 m³ einer Kohlendioxid Absorberlösung, wie
beispielsweise einer wässrigen Monoethanolamin Lösung, zu halten in der Lage ist,
erfordert eine Ausgabe von etwa einer Milliarde Yen. Es ist klar, daß die vorliegende
Erfindung eine wesentliche Kostenreduktion ermöglicht.
-
Wie bereits im Detail beschrieben, versetzt die vorliegende Erfindung ein Kraftwerk, das
Elektrizität erzeugt und das einen Absorber zum Entfernen von Kohlendioxid aus dem
Verbrennungs-Abgas verwendet, in die Lage, effizient zu arbeiten und auf den während der
Tagzeit erhöhten Bedarf an Energie zu reagieren.
-
In Fig. 2 wird als ein Beispiel eine Vorrichtung dargestellt, die zur Adsorption von
Kohlendioxid aus Kohlendioxid enthaltendem Verbrennungs-Abgas eingesetzt wird. Es
werden nur größere Vorrichtungen gezeigt, wobei Pumpen und andere Hilfskomponenten
in Fig. 2 weggelassen worden sind.
-
Verbrennungs-Abgas wird über die Leitung 25 in eine Verbrennungs-Abgas
Kühlvorrichtung 21 eingeleitet, wo dieses gekühlt wird und durch Leitung 26 in einen
Absorber 22 geleitet wird. Der Absorber 22 wird über Leitung 29 an seiner oberen Seite
mit einer etwa 20 bis 30 Gew.-%igen wässrigen Lösung von Monoethanolamin versorgt.
Die Monoethanolamin Lösung fällt im Gegenstromverfahren zum Verbrennungs-Abgas,
nimmt aus dem Gas Kohlendioxid auf, und fließt als absorbiertes Kohlendioxid enthaltende
wässrige Monoethanolamin Lösung aus dem unteren Teil der Absorptionskolonne, und
wird über Leitung 27 einem Regenerator 23 für wässriges Monoethanolamin zugeleitet.
Das vom Kohlendioxid durch Absorption befreite Verbrennungs-Abgas wird aus dem
oberen Teil des Absorbers 22 durch Leitung 28 in die Atmosphäre entlassen. Aus dem
Reboiler 32 wird Dampf durch den Regenerator 23 für wässriges Monoethanolamin
geleitet und regeneriert die wässrige Monoethanolamin Lösung. Die regenerierte Lösung
wird über Leitung 29 in den Absorber 22 rückgeführt. Kohlendioxid wird durch Leitung 30
einem Rückgewinnungsverfahren zugeführt.
-
Während dieses System der Kohlendioxid Absorption-Rückgewinnung in Betrieb ist, geht
Monoethanolamin infolge von teilweisem Einschluß im ausgestoßenen Gas oder infolge
von Zersetzung allmählich verloren. Um diesen Verlust auszugleichen wird beispielsweise
eine Monoethanolamin Vorratslösung von einem Tank 24 oder dergleichen zugeführt und
gleichermaßen wird Wasser von einem Tank 31 Leitung 27 zugeführt. Die
Monoethanolamin Vorratslösung wird der Vorrichtung üblicherweise durch einen
Tankwagen oder dergleichen zugeführt.
-
Als Vorratslösung wird vorzugsweise eine nicht brennbare wässrige Monoethanolamin
Lösung anstelle der herkömmlichen Monoethanolamin Lösung, die im wesentlichen das
einzige brennbare Material in der Vorrichtung zur Rückgewinnung von Kohlendioxid
darstellt, eingesetzt. Sofern die für den nachfolgenden Einsatz in Tank 24 enthaltene
Monoethanolamin Vorratslösung nicht brennbar ist, ist das gesamte
Rückgewinnungssystem für Kohlendioxid frei von entflammbaren Materialien. Dies macht
es praktisch überflüssig, Vorsorgemaßnahmen zur Behandlung von entflammbarem
Material zu ergreifen. Daher müssen alle zum Einsatz kommenden Motoren,
Meßinstrumente, elektrische Einrichtungen und dergleichen nicht explosionsgesichert sein
und Brandbekämpfungsvorrichtungen sind nicht länger wesentlich. Obgleich in der
vorliegenden Erfindung ein etwas größerer Tank als üblich für die Monoethanolamin
Vorratslösung benötigt wird, ist dieser Nachteil unbedeutend im Vergleich zu der großen
Sicherheit und dem ökonomischen Vorteil der Konstruktion der gesamten Ausrüstung ohne
eine Explosionssicherung.
-
Die in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangende Monoethanolamin
Vorratslösung ist eine nicht brennbare wässrige Lösung. In Tabelle I wird der
Zusammenhang zwischen der Konzentration an Monoethanolamin in der wässrigen Lösung
und den physikalischen Eigenschaften, wie dem Flammpunkt und dem Brennpunkt,
gezeigt.
Tabelle 1
-
* = nicht untersucht
-
** = fängt kein Feuer und daher kein meßbarer Wert
-
Der Flammpunkt wurde nach der Methode von Cleveland bestimmt. Die Tabelle zeigt an,
daß die maximale Konzentration an Monoethanolamin, bis zu der eine wässrige Lösung
nicht brennbar bleibt, irgendwo zwischen 75 Gew.-% und 80 Gew.-% liegt. Es ist so zu
verstehen, daß die maximale Konzentration auf einfache Weise ermittelt werden kann,
indem die wässrige Monoethanolamin Lösung, die eine Konzentration von etwa 85 Gew.-%
aufweist (nicht frierende Qualität), oder die Lösung mit einem herabgesetzten
Erstarrungspunkt, die häufig in der konventionellen Ausrüstung zur Rückgewinnung von
Kohlendioxid aus verbrennbaren Gasen eingesetzt wird, mit einer geringen Menge an
Wasser verdünnt wird. Die in dieser Erfindung zum Einsatz kommende Vorratslösung ist
ausreichend, wenn sie nicht brennbar ist und eine ausreichend hohe Konzentration für die
Anwendung als Absorber Lösung aufweist. Um das Volumen des Vorratstanks für die
Vorratslösung zu verringern und gleichzeitig eine Sicherheitserlaubnis zu erhalten ist es
wünschenswert, eine wässrige Monoethanolamin Lösung mit einer Konzentration von 70
bis 75 Gew.-% zu verwenden.
-
Wie voranstehend beschrieben ergibt der Einsatz einer nicht brennbaren wässrigen
Monoethanolamin Lösung, die im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Vorratslösung für die Lösung zur Absorption von
Kohlendioxid aus dem Verbrennungs-Abgas hergestellt wurde, eine ausgeprägte
Verbesserung der Sicherheit der Kohlendioxid Rückgewinnungsausrüstung gegen
Brandgefährdung. Alle Motoren, Meßinstrumente, elektrische Einrichtungen usw. können
ohne einen Explosionsschutz sein. Ferner sind Feuerbekämpfungseinrichtungen nicht
länger wesentlich.
-
In Fig. 3 wird beispielhaft eine Vorrichtung gezeigt, die bei der Rückgewinnung von
Kohlendioxid durch Absorption aus dem kohlendioxidhaltigen Verbrennungs-Abgas
verwendet werden kann. In Fig. 3 werden nur größere Vorrichtungen gezeigt und
Hilfseinrichtungen sind weggelassen.
-
Es ist für die Rückgewinnung von Kohlendioxid wichtig, daß das Verbrennungs-Abgas mit
einer wässrigen Lösung von Monoethanolamin in Kontakt gebracht wird, nachdem die
Gastemperatur auf einen Bereich oberhalb 50ºC bis 80ºC, vorzugsweise von 55ºC bis 80
ºC, eingestellt worden ist. Die Einstellung der Temperatur auf den Bereich von oberhalb
50ºC bis 80ºC wird zweckmäßigerweise durch nasse Kühlung durchgeführt, indem ein
Apparat, wie der in Fig. 3 dargestellte Kühler 41 verwendet wird, aber das ist keine
Begrenzung der Erfindung. Das Verbrennungs-Abgas aus dem Kessel oder dergleichen
wird durch einen Zug entlassen und üblicherweise bei 100ºC bis 150ºC über Leitung 45
in einen Abgas Kühler 41 eingeführt. Im Kühler wird das Gas befeuchtet und im
Gegenstromverfahren mit Wasser, das durch Leitung 53 mittels Pumpe 52 zirkulieren
gelassen wird, abgekühlt.
-
Nach der Erfindung ist es nicht notwendig, das Gas durch den Kühler 41 auf den Bereich
von 30ºC bis 50ºC herunterzukühlen, wie das in herkömmlichen Verfahren erforderlich
ist. Das Gas muß nicht unterhalb des Bereichs von über 50ºC bis 80ºC gekühlt werden.
Der üblicherweise benötigte Wärmetauscher ist in Leitung 53 nicht wesentlich; gemäß der
vorliegenden Erfindung muß in der Leitung nur Wasser in flüssiger Form zirkulieren
gelassen werden. Wasser ist nicht auf Frischwasser aus Flüssen begrenzt, sondern kann
auch Seewasser sein. Der Verlust an Wasser infolge von nasser Kühlung wird in Leitung
53 aus einer nicht gezeigten Quelle über Leitung 55 wieder ausgeglichen. Der Kühler 41
wird lediglich dazu benötigt, Wasser und Gas miteinander in Kontakt zu bringen und die
Anwesenheit von Packungen oder dergleichen in der Kolonne ist keine Bedingung. Die
Gastemperatur am Ausgang des Kühlers 41 kann mittels der Menge an Wasser, das durch
Pumpe 52 zirkulieren gelassen wird, angepaßt werden.
-
Das auf eine Temperatur im Bereich von über 50ºC bis 80ºC naß abgekühlte Gas wird
über Leitung 46 in einen Absorber 42 übergeführt. Der Absorber 42 wird an seinem oberen
Ende über Leitung 49 mit einer wässrigen Lösung von Monoethanolamin in einer
Konzentration von etwa 20 bis 30 Gew.-% versorgt. Die wässrige Monoethanolamin
Lösung fällt im Gegenstromverfahren zum Verbrennungs-Abgas, nimmt aus dem Gas
Kohlendioxid auf, und fließt als wässrige und das absorbierte Kohlendioxid enthaltende
Monoethanolamin Lösung aus dem unteren Teil der Kolonne und wird durch Leitung 47
einem Regenerator 43 für wässriges Monoethanolamin zugeleitet. Das durch Absorption
vom Kohlendioxid befreite Verbrennungs-Abgas wird aus dem oberen Teil des Absorbers
42 über Leitung 48 in die Atmosphäre freigesetzt.
-
Innerhalb des Regenerators 43 für wässriges Monoethanolamin wird die wässrige
Monoethanolamin Lösung durch Erhitzen mit aus einem Reboiler 54 stammenden Dampf
regeneriert, und die regenerierte Lösung wird über Leitung 49 in den Absorber 42
zurückgeführt. Kohlendioxid wird über Leitung 50 einer Rückgewinnungsstation
zugeleitet.
-
Während dieses Kohlendioxid Absorptions-Rückgewinnungssystem in Betrieb ist, geht
Monoethanolamin allmählich aus dem System verloren, zum Teil durch das zu entsorgende
Gas mitgerissen oder zum Teil als Nebenprodukte durch Zersetzung. Um den Verlust
auszugleichen werden der Leitung 47 beispielsweise sowohl eine Vorratslösung von
Monoethanolamin aus einem Tank 44 als auch ebenso Wasser zum Verdünnen aus einem
Tank 51 zugeführt.
-
Wie oben beschrieben bringt der Kühler 41 einfach heißes Gas und Wasser miteinander in
Kontakt, wodurch das Gas auf einen Bereich von über 50ºC bis 80ºC naß gekühlt wird.
Obgleich die Kurve der Sättigung der wässrigen Monoethanolamin Lösung mit
Kohlendioxid die in Fig. 5 dargestellte Tendenz aufweist, zeigt die wässrige
Monoethanolamin Lösung in Kontakt mit dem Gas bei einer derart relativ hohen
Temperatur eine größere Kapazität der Absorption von Kohlendioxid, verglichen mit dem
Kontakt mit einem Gas bei niedrigerer Temperatur. Dies ist wahrscheinlich zu einem
großen Ausmaß der Geschwindigkeit der Kohlendioxid Absorption der wässrigen
Monoethanolamin Lösung zuzurechnen.
-
Das daher einfach durch Befeuchtung gekühlte und immer noch bei relativ hoher
Temperatur befindliche Gas kann mit der wässrigen Monoethanolamin Lösung in Kontakt
gebracht werden. Folglich erfordert die Leitung 53 keinen Wärmetauscher zum Kühlen des
zirkulierenden Wassers. Dieses hat eine erhebliche Verringerung der Ausrüstungs- und
Betriebskosten zur Folge.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei Gasen einsetzen, die aus der Verbrennung
von
Brennstoffen stammen, wie zum Beispiel Erdgas, Schweröl oder Kohle.
-
In Fig. 4 werden die Ergebnisse dargestellt, die aus den vorgenommenen Untersuchungen
betreffend die Beziehung zwischen der Temperatur des unter Einsatz des in Fig. 3
dargestellten Apparates durch nasse Kühlung gekühlten Verbrennungs-Abgases und der
durch eine wässrige Monoethanolamin Lösung absorbierten Menge an Kohlendioxid
stammen. Die Einheiten auf der Abszisse und der Ordinate in Fig. 4 sind dieselben wie in
Fig. 5.
-
Die Temperatur des naß gekühlten Gases wurde durch die Menge an zirkuliertem Wasser
eingestellt.
-
Es wurden folgende experimentellen Bedingungen verwendet:
-
1) Zusammensetzung des Gases in Vol. %
-
Kohlendioxid: 8,55
-
Sauerstoff: 2,41
-
Stickstoff: 71,77
-
Wasserdampf: 17,27
-
2) Gastemperatur in der Leitung 45: 100ºC
-
3) Konzentration an Monoethanolamin in der wässrigen Lösung in der Leitung 49: 30 Gew.-%
-
Wie aus Fig. 4 ersichtlich wird, nimmt der Anteil des absorbierten Kohlendioxids mit der
Temperatur zu, bis er bei etwa 70ºC einen Spitzenwert erreicht. Dieses legt nahe, daß es
nicht notwendig ist, das zu behandelnde Verbrennungs-Abgas auf 30ºC bis 50ºC, den in
herkömmlichen Verfahren akzeptierten Bereich, hinunterzukühlen.