DE69815762T2 - Vorrichtung zum Fixieren von Kohlendioxid - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fixierung von Kohlendioxid zur Wiedergewinnung von Kohlendioxidgas, welches in der Atmosphäre vorkommt, oder in einem Abgas, welches von Fabriken oder industriellen Anlagen ausgestoßen wird, enthalten ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es ist bekannt, dass die globale Erwärmung hauptsächlich durch Kohlendioxidgas verursacht wird, welches durch menschliches Handeln von Fabriken, industriellen Anlagen, Wärmekraftwerken, Automobilen usw. ausgestoßen wird. Die Reduzierung des Kohlendioxidgasausstoßes oder die Wiedergewinnung von Kohlendioxidgas, welches in der Atmosphäre vorkommt, wird somit als eine der wichtigsten Maßnahmen zum Schutz der Umwelt angesehen.
  • Es wurden verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen, um die Emission oder den Gehalt an Kohlendioxidgas zu reduzieren. In GB 1263231 wird CO2 in einem elektrolytischen Konzentrator konzentriert. Nach der Entfernung von Wasser wird CO2 mit H2, welches in einer Elektrolysezelle erzeugt wurde, in einem CO2-Reduktionsreaktor in C und H2O umgesetzt. Ein weiteres System ist in 5 dargestellt. Die Vorrichtung zur Fixierung von Kohlendioxid gemäß 5 besteht im wesentlichen aus einem CO2-Isolator 6, einem H2-Erzeuger 8 und einem Reaktor 9. Der CO2-Isolator 6 isoliert CO2 aus dem Abgas einer CO2-Quelle 1, wobei es sich typischerweise um eine industrielle Anlage oder ein Wärmekraftwerk handelt, und konzentriert das CO2-Gas, indem die Verunreinigungen daraus eliminiert werden. Der H2-Erzeuger 8 erzeugt H2-Gas durch ein bekanntes Verfahren, wie elektrolytische Wasserzersetzung. In dem Reaktor 9 werden das CO2-Gas und das H2-Gas derart umgesetzt, dass CO2-Fixierungsprodukte, wie beispielsweise Methanol (CH3OH), erzeugt werden. Somit wird das aus der Atmosphäre wiedergewonnene CO2-Gas in einem Zustand fixiert, der für die globale Erwärmung unschädlich ist, und außerdem in Methanol überführt, welches als Brennstoff verwendet werden kann.
  • Das obige konventionelle CO2-Fixierungssystem besitzt einen schwerwiegenden Nachteil, nämlich, dass eine große Menge an elektrischer Energie erforderlich ist, um Wasserstoffgas durch das elektrolytische Verfahren zu erzeugen. Es wird geschätzt, dass mehr als 90% der gesamten Betriebsenergie des konventionellen CO2-Fixierungssystems durch den Wasserstofferzeuger 8 verbraucht wird. Ausgenommen der Fall, in dem der Elektrizitätspreis sehr gering ist, sind die Betriebskosten eines derartigen CO2-Fixierungssystems normalerweise sehr hoch. Das System besitzt den weiteren Nachteil, dass es die CO2-Emission insgesamt nicht so sehr reduziert. In einigen Ländern wird ein großer Teil der Elektrizität thermisch erzeugt. In einem Wärmekraftwerk werden fossile Brennstoffe, wie Öl, Kohle oder Erdgas, verbrannt, um einen Hochtemperaturdampf zu erzeugen, wodurch unweigerlich eine große Menge an CO2-Gas erzeugt wird.
  • Somit wurde das folgende System vorgeschlagen. Ein Teil des CO2-Fixierungssystems, einschließlich des Wasserstofferzeugers, wird an einem Ort (oder in einem Land) installiert, wo es eine stabile Verfügbarkeit von Elektrizität zu geringen Kosten gibt, und wo die Elektrizität nicht durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird, sondern beispielsweise durch einen hydraulischen Generator oder durch Solarzellen. Das aus der Atmosphäre wiedergewonnene und in anderen Gebieten verflüssigte CO2-Gas wird durch Tankfahrzeuge oder andere Träger an den Ort transportiert, an dem das verflüssigte CO2 mit Wasserstoff zur Herstellung von Methanol umgesetzt wird. Das Methanol wird dann gewöhnlich zurück zu den Gebieten der CO2-Quelle transportiert.
  • Das obige Trennungssystem ist schwierig praktisch zu visualisieren, da das CO2 nicht in der Nähe der Emissionsquelle weiterverarbeitet wird, und das verflüssigte CO2 und sein Fixie rungsprodukt zu einem entfernten Ort transportiert werden müssen, was die Verarbeitungskosten erhöht.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darum, ein energieeffizientes, preiswertes CO2-Fixierungssystem mit hoher Gesamt-CO2-reduzierungsleistung zur Verfügung zu stellen.
  • Das erfindungsgemäße System ist eine Vorrichtung zur Fixierung von CO2-Gas in einer Atmosphäre oder in einem Abgas, enthaltend:
    einen Fermenter zur anaeroben Fermentierung organischer Abfälle und Erzeugung von Methangas,
    einen wasserstofferzeugenden Reaktor zum Abbau des durch den Fermenter erzeugten Methangases und zur Erzeugung von Wasserstoffgas und
    einen Fixierungsreaktar, in dem eine Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas, welches durch den wasserstofferzeugenden Reaktor erzeugt wurde, und dem CO2-Gas in der Atmosphäre oder dem Abgas stattfinden kann, und in dem Kohlenstoff in festem Zustand und Wasser erzeugt werden.
  • In der oben beschriebenen erfindungsgemäßen CO2-Fixierungsvorrichtung wird das Wasserstoffgas, welches zur Fixierung des CO2-Gases notwendig ist, nicht durch elektrolytische Mittel, sondern durch Abbau von Methan, welches durch die anaerobe Fermentation organischer Abfälle gewonnen wird, erzeugt. Somit ist die Elektrizität, welche von der Vorrichtung benötigt wird, in hohem Maße herabgesetzt, so dass die Vorrichtung in der Nähe der CO2-Quelle installiert werden kann, auch wenn die Elektrizitätskosten in dem Gebiet hoch sind.
  • Da die Elektrizität, die durch das System verbraucht wird, in hohem Maße reduziert ist, wird die Gesamteffizienz der CO2-Reduktion beträchtlich verbessert. Ebenso werden andere gefährliche Substanzen, die inhärent von Wärmekraftwerken ausgestoßen werden, wenn fossile Brennstoffe verbrannt werden, bei der Herstellung von Elektrizität reduziert.
  • Die CO2-Fixierungsvorrichtung kann außerdem einen ersten Wärmeaustauscher aufweisen, in dem Wärme aus dem Abgas gewonnen wird. Die gewonnene Wärme kann an den Fermenter abgegeben werden, um die Fermentierungsreaktion zu verstärken.
  • Die CO2-Fixierungsvorrichtung kann außerdem einen zweiten Wärmeaustauscher aufweisen, in dem Wärme aus dem wasserstofferzeugenden Reaktor gewonnen wird. Die hier gewonnene Wärme kann ebenso an den Fermenter abgegeben werden.
  • Die in dem ersten oder zweiten Wärmeaustauscher gewonnene Wärme kann ebenso zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden, wobei die Elektrizität verwendet werden kann, um die Vorrichtung zu betreiben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen COz-Fixierungsvorrichtung.
  • 2 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen CO2-Fixierungsvorrichtung.
  • 3 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung, welche an den CO2-Fixierungsreaktor angeschlossen wird, um den Abbau des Katalysators zu verhindern.
  • 4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren derartigen Vorrichtung.
  • 5 ist ein Blockdiagramm eines konventionellen CO2-Fixierungssystems.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen CO2-Fixierungsvorrichtung wird in Bezug auf 1 beschrieben. Die CO2-Fixierungsvorrichtung enthält einen Wärmeaustauscher 2, einen anaeroben Fermentationstank 3, einen Methanisolator 4, einen Methanreaktor 5, einen CO2-Isolator 6 und einen CO2-Fixierungsreaktor 7.
  • Das aus einer CO2-Quelle 1, wie einem Wärmekraftwerk oder einer industriellen Anlage, ausgestoßene Gas fließt durch den Wärmeaustauscher 2. Da das Abgas durch die Verbrennung fossi ler Brennstoffe produziert wird, ist seine Temperatur normalerweise sehr hoch, beispielsweise über 350°C. In dem Wärmeaustauscher 2 wird die Wärme des Abgases an die Luft abgegeben, welche durch einen anderen Teil des Wärmeaustausches 2 fließt, wobei eine große Menge an Wärme aus dem Abgas wiedergewonnen wird. Nach dem Wärmeaustausch wird das Abgas, dessen Temperatur nun bei etwa 50°C liegt, in den CO2-Isolator 6 eingeführt und die erwärmte Luft an den anaeroben Fermentationstank 3 geleitet.
  • Die organischen Abfälle werden meistens aus Abwasser gewonnen. Diese organischen Abfälle oder aus anderen Quellen stammende Abfälle werden in den anaeroben Fermentationstank 3 von Zeit zu Zeit eingeführt und anaerobe Bakterien, wie Methanbakterien, dazugegeben, wobei die organischen Abfälle fermentiert werden. Bei Durchführung der Fermentation in Abwesenheit von Sauerstoff wird kaum CO2-Gas erzeugt, jedoch eine große Menge an Methangas und Schwefelwasserstoffgas. Eine derartige anaerobe Fermentation wird am effizientesten bei einer Temperatur von etwa 60°C durchgeführt. Der Grund dafür ist, dass die aus dem Abgas in dem Wärmeaustauscher 2 gewonnene Wärme oder die Reaktionswärme des CO2-Fixierungsreaktors 7, welcher später beschrieben wird, verwendet wird, um den anaeroben Fermentationstank 3 bei dieser Temperatur zu halten.
  • Das in dem anaeroben Fermentationstank 3 produzierte Gas, welches Methan enthält, wird an den Methanisolator 4 weitergeleitet, wo ausschließlich das Methangas extrahiert und konzentriert wird. Es können verschiedene Verfahren für eine derartige Extraktion und Konzentration verwendet werden: ein Verfahren, welches eine osmotische Membran verwendet, durch die selektiv Gasmoleküle durchtreten, ein Verfahren, welches ein Adsorptionsmittel verwendet, welches selektiv Gasmoleküle adsorbiert, usw..
  • Das konzentrierte Methangas wird an den Methanreaktor 5 weitergegeben, wo das Methan bei hoher Temperatur unter Ver wendung eines Metallkatalysators, wie Nickel, beispielsweise folgendermaßen abgebaut wird: CH4 → 2H2 + C.
  • Das hier erzeugte H2-Gas wird an den CO2-Fixierungsreaktor 7 abgegeben und das andere Produkt, Kohlenstoff, in festem Zustand, d. h. als Pulver, erhalten.
  • In dem CO2-Isolator 6 wird unterdessen ausschließlich das CO2-Gas extrahiert und konzentriert, wie in dem zuvor beschriebenen Methanisolator 4. In dem CO2-Fixierungsreaktor 7 treffen das H2-Gas aus dem Methanreaktor 5 und das CO2-Gas aus dem CO2-Isolator 6 zusammen und es findet folgende Reaktion in Anwesenheit eines Katalysators statt: CO2 + 2H2 → C + 2H2O.
  • Zum Start der obigen Reaktion sollte die Umgebungstemperatur auf mehrere einhundert °C eingestellt werden; wenn sie jedoch gestartet wurde, verläuft die Reaktion ohne Aufwärmen der Umgebung, da bei der Reaktion Wärme abgegeben wird. Vielmehr kann aus der Reaktion überschüssige Wärme gewonnen werden. Die aus der Reaktion erhaltene Wärme kann dem Methanreaktor 5 oder dem anaeroben Fermentationstank 3 zugeführt werden, welche, wie oben beschrieben, beide Wärme für ihren kontinuierlichen Betrieb benötigen. Das in dem CO2-Fixierungsreaktor 7 erzeugte Wasser wird abgelassen und der Kohlenstoff als feines Pulver erhalten.
  • Dieser reine Kohlenstoff wird kontinuierlich durch Einführen von Abgas in die Vorrichtung aus der CO2-Quelle 1 erzeugt. Das Kohlenstoffprodukt kann als industrieller Ruß verwendet werden.
  • Das in der Reaktion erzeugte feine Kohlenstoffpulver kann leicht die Oberflächen des Katalysators (welcher gewöhnlich in Partikeln vorliegt) bedecken und die Katalysatorleistung vermindern. Da dies ebenso die Effizienz des gesamten CO2-Fixierugnssystems herabsetzen kann, wird bevorzugt das folgende zusätzliche System in dem CO2-Fixierungsreaktor 7 verwendet.
  • In 3 ist ein derartiges System dargestellt. Das CO2-Gas aus dem CO2-Isolator 6 und das H2-Gas aus dem Methanreaktor 5 werden gemischt und in einem Kompressor 15 komprimiert und die Mischung an den Reaktor 12 abgegeben. Vor dem Eintreten in den Reaktor 12 wird das gemischte Gas durch einen Wärmeaustauscher 13 erwärmt, welcher später erklärt wird. In dem Reaktor 12 sind Katalysatorpartikel 21 enthalten und auf einer porösen Platte 20 eingeordnet. Wenn das gemischte Gas durch den Kompressor 15 in den Reaktor 12 von unten der porösen Platte 20 zugeführt wird, werden die Katalysatorpartikel 21 beblasen und bilden eine Wirbelschicht, in der das CO2-Gas und das H2-Gas wie oben beschrieben reagieren. Das Wasserdampfprodukt aus der Reaktion, sowie nicht-umgesetztes CO2-Gas und H2-Gas, wird von dem oberen Teil des Reaktors 12 ausgelassen und tritt in einen Kondensator 14 ein, in dem er zu flüssigem Wasser kondensiert und abgelassen wird. Da die Temperatur des Wasserdampfs aufgrund der Reaktionswärme sehr hoch ist, wird die Wärme verwendet, um die CO2/H2-Mischung in dem Wärmeaustauscher 13 zu erwärmen. Nachdem das Wasser entfernt wurde, wird das Abgas aus dem Reaktor 12, welches nicht umgesetztes CO2-Gas und H2-Gas enthält, wiederum durch den Kompressor 15 dem Reaktor 12 zugeführt.
  • Das feine Kohlenstoffpulverprodukt aus der Reaktion in dem Reaktor 12 haftet an den Oberflächen der Katalysatorpartikel 21. Bei richtigem Betrieb des Kompressors 15 wird der Fluss der CO2/H2-Mischung in den Reaktor 12 derart gesteuert, dass ein Teil der Katalysatorpartikel 21 in den Reaktor 12 fallen und an einen Kohlenstoffseparator 16 weitergeleitet werden. In dem Kohlenstoffseparator 16 wird Kohlenstoffpulver von den Katalysatorpartikeln 21 durch Zentrifugation oder Filtration getrennt, und die Katalysatorpartikel 21 werden durch ein Gebläse 17 wieder zu dem Reaktor 12 befördert, während die Reaktion in dem Reaktor 12 stattfindet.
  • Ein weiteres Beispiel für eine derartige Vorrichtung ist in 4 dargestellt. In dieser Vorrichtung wird nicht der Kohlenstoffseparator 16 des vorherigen Systems verwendet, sondern ein Gebläse 30 verbindet den unteren Teil des Fließbettes der Katalysatorpartikel 21 und den oberen Teil des Reaktors 12. Der zirkulierende Fluss der Katalysatorpartikel 21 und des Gases, der durch das Gebläse 30 erzeugt wird, bewegt die Wirbelschicht in dem Reaktor 12 hin und her, wobei das Kohlenstoffpulver, welches an den Oberflächen der Katalysatorpartikel 21 anhaftet, durch die Zentrifugalkraft entfernt und von unten aus dem Reaktor 12 herausgenommen wird.
  • Da die Vorrichtung Gasstrompumpen und andere Betriebsmaschinen enthält, verbraucht sie Elektrizität, welche von außen zugeführt werden sollte. Ein Teil der benötigten Elektrizität kann durch die Vorrichtung selbst erzeugt werden und die von außen zugeführte Elektrizität durch Verwendung der Reaktionswärme, die in dem Wärmeaustauscher 2 oder im dem CO2-Fixierungsreaktor 7 gewonnen wird, reduziert werden. Das Diagramm gemäß 2 zeigt ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung, in der ein Wärmegenerator 10 zur Erzeugung von Elektrizität unter Verwendung des Hochtemperaturdampfes, der in dem Wärmeaustauscher 2 erzeugt oder in dem CO2-Fixierungsreaktor 7 erhalten wird, enthalten ist.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur Fixierung von Kohlendioxid (CO2) zum Fixieren von Kohlendioxid-Gas in einer Atmosphäre oder in einem Abgas, enthaltend: einen Fermenter (3) zur anaeroben Fermentierung organischer Abfälle und Erzeugung von Methangas, einen Wasserstoff erzeugenden Reaktor (5) zum Abbau des durch den Fermenter (3) erzeugten Methangases und zur Erzeugung von Wasserstoff-Gas und einen Fixierungsreaktor (7), in dem eine Reaktion zwischen dem Wasserstoff-Gas, welches durch den Wasserstoff erzeugenden Reaktor (5) erzeugt wurde, und dem CO2-Gas in der Atmosphäre oder in dem Abgas stattfinden kann, und in dem Kohlenstoff in festem Zustand und Wasser erzeugt werden.
  2. Vorrichtung zur Fixierung von CO2 gemäß Anspruch 1, wobei das System außerdem einen ersten Wärmeaustauscher (2) zur Gewinnung von Wärme aus dem Abgas aufweist, wobei die gewonnene Wärme an den Fermenter (3) abgegeben wird.
  3. Vorrichtung zur Fixierung von CO2 gemäß Anspruch 1, wobei das System außerdem einen zweiten Wärmeaustauscher zur Gewinnung von Wärme aus dem Fixierungsreaktor aufweist, wobei die gewonnene Wärme an den Fermenter abgegeben wird.
  4. Vorrichtung zur Fixierung von CO2 gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das System außerdem einen Stromgenerator (10) zur Erzeugung von Elektrizität unter Verwendung der gewonnenen Wärme aufweist, wobei die Elektrizität verwendet wird, um die Vorrichtung zu betreiben.
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