EP2399074A2 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung eines kohlendioxidhaltigen gasstroms - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur reinigung eines kohlendioxidhaltigen gasstroms

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EP2399074A2
EP2399074A2 EP10704757A EP10704757A EP2399074A2 EP 2399074 A2 EP2399074 A2 EP 2399074A2 EP 10704757 A EP10704757 A EP 10704757A EP 10704757 A EP10704757 A EP 10704757A EP 2399074 A2 EP2399074 A2 EP 2399074A2
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EP
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absorption column
gas stream
carbon dioxide
column
absorption
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Torsten Stoffregen
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Linde KCA Dresden GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/1475—Removing carbon dioxide
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/32—Direct CO2 mitigation

Definitions

  • the invention relates to a process for purifying a carbon dioxide-containing gas stream, wherein the gas stream is first subjected to a prewash in a lower section of an absorption column for conditioning the gas stream and then in an upper section of the absorption column the carbon dioxide is at least partially washed out with a washing liquid from the gas stream, and a device for carrying out the method.
  • power plants ie industrial installations for providing in particular electrical and partly additional thermal power
  • primary energy is used, which is made available after appropriate conversion as useful energy.
  • gas streams are generated which can not be released to the environment without further purification steps.
  • fossil fuels e.g. Coal, petroleum or natural gas, burned
  • flue gases e.g. CO2
  • waste gas streams containing environmentally harmful components.
  • pollutant component is increasingly considered CO2, which is classified as a harmful gas.
  • CCS Carbon, Capture and Sequestration
  • Carbon dioxide-containing gas streams also accrue to other pyrolysis plants operated with fossil fuels. These include, for example, industrial furnaces, Steam boilers and similar large-scale thermal plants for generating electricity or heat.
  • amine-based detergents can be used.
  • the flue gas stream In order to make the washing process as efficient as possible, the flue gas stream must be conditioned accordingly before entering the actual washing section. For this purpose, the flue gas stream must be cooled down to the appropriate temperature.
  • traces of harmful ingredients such as SO 2 must be removed from the flue gas stream before the actual CO 2 scrubbing. This is usually done with the help of a pre-wash with water and optionally basic additives (depending on the traces and their content).
  • the prewash can be set up as a separate apparatus or integrated as an additional apparatus in the actual laundry.
  • prewash and wash column For example, a separate installation of the prewash requires a large plant floor space. In addition, due to the necessary additional piping an additional pressure loss occurs. Finally, the gas distribution must be considered twice on a large column cross-section (prewash and wash column).
  • Object of the present invention is to provide a method of the type mentioned above and an apparatus for performing the method in such a way that a technical construction of the absorption column is realized in an economical manner
  • This object is achieved procedurally according to the invention that the entire, loaded with the washed carbon dioxide scrubbing liquid withdrawn from the absorption column and fed to a arranged outside the absorption column storage tank and then fed to a scrubbing liquid pump, which pumps the scrubbing liquid to a detergent regeneration stage.
  • the prewashing is carried out in a section of the absorption column designed as the lowest absorber bed.
  • the absorption column comprises e.g. a total of four absorption beds, wherein the uppermost absorption bed is used for backwashing, while the two central absorption beds for the actual leaching of the
  • Carbon dioxide are provided.
  • the lowermost absorption bed is used for prewashing the carbon dioxide-containing gas stream entering the absorption column in the bottom region.
  • a physically and / or chemically acting detergent is used for the washing liquid for the separation of carbon dioxide.
  • a detergent which contains at least one amine is suitable for this purpose.
  • the gas stream to be purified is formed by a carbon dioxide-containing exhaust gas stream of a large combustion plant, in particular a power plant, wherein fossil fuels are burned with air in the large combustion plant.
  • the leached carbon dioxide can be treated and sent for use and / or storage.
  • the carbon dioxide can be transported, for example via pipelines to a site and pressed there in rock layers of the subsurface or salt water bearing layers.
  • the wash is preferably carried out at about atmospheric pressure, in particular at a pressure between -100 mbar and +100 mbar.
  • the washing is advantageously carried out at a temperature in the range of 20 to 80 0 C, more preferably in the range of 30 to 45 0 C.
  • Wash water circulation prewash is conveniently cooled by means of cooling water or cold water from a refrigeration system.
  • all liquids from intermediate withdrawals in particular side draws and intermediate circulations, and bottom withdrawals of the absorption column can be fed to further feed containers.
  • the storage container is used as a collecting reservoir for the detergent of the entire system (the so-called hold-up).
  • the invention further relates to an apparatus for purifying a carbon dioxide-containing gas stream with an absorption column having a lower portion for prewashing the gas stream and an upper portion for at least partially leaching the carbon dioxide from the gas stream.
  • the stated object is achieved in that the absorption column is connected via at least one liquid withdrawal with a arranged outside the absorption column feed tank in connection, which is followed by a washing liquid pump.
  • all liquid withdrawals of the absorption column can be connected to further storage containers.
  • the prewash section of the gas stream is formed from the lowermost absorption bed of the absorption column.
  • the absorption column expediently has a diameter of at least 3 m, in particular 10 to 25 m, or equivalent rectangular cross section.
  • the invention is suitable for all conceivable large combustion systems in which carbon dioxide-containing gas flows incurred. These include, for example, power plants powered by fossil fuels, industrial furnaces, steam boilers and similar large-scale thermal plants for power and / or heat generation. In particular, the invention is suitable for so-called low-CO 2 coal power plants after the post-combustion capture process.
  • the figure shows an absorption column with integrated prewash.
  • the carbon dioxide-containing flue gas from a coal power plant is introduced via line 2 into the lower section 3 of the absorption column 1.
  • an absorption bed 4 is arranged, which represents one of a total of four absorption beds 4,5,6,7 of the absorption column 1.
  • a prewash of the gas stream takes place, in which the gas stream is cooled to the desired temperature for the actual CO 2 scrubbing of about 30 to 35 ° C and largely free of traces of harmful ingredients, in particular SO 2 .
  • water possibly with basic additives, such as ammonium compounds, trickled over the absorbent bed 3.
  • the thus pre-cleaned and cooled gas stream is subjected in the overlying section 8 of the absorption column 1 of the actual CO 2 scrubbing.

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms beschrieben, bei dem der Gasstrom zunächst in einem unteren Abschnitt (3) einer Absorptionskolonne (1) einer Vorwäsche zur Konditionierung des Gasstroms unterzogen wird und anschließend in einem oberen Abschnitt (8) der Absorptionskolonne (1) das Kohlendioxid zumindest teilweise mit einer Waschflüssigkeit aus dem Gasstrom ausgewaschen wird. Zur Verbesserung der Konstruktion der Absorptionskolonne wird vorgeschlagen, dass die gesamte, mit dem ausgewaschenen Kohlendioxid beladene Waschflüssigkeit aus der Absorptionskolonne (1) abgezogen und einem außerhalb der Absorptionskolonne (1) angeordneten Vorlagebehälter (11) zugeführt und anschließend einer Waschflüssigkeitspumpe (12) aufgegeben wird, die die Waschflüssigkeit zu einer Waschmittelregenerierungsstufe pumpt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms, wobei der Gasstrom zunächst in einem unteren Abschnitt einer Absorptionskolonne einer Vorwäsche zur Konditionierung des Gasstroms unterzogen wird und anschließend in einem oberen Abschnitt der Absorptionskolonne das Kohlendioxid zumindest teilweise mit einer Waschflüssigkeit aus dem Gasstrom ausgewaschen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Sicherstellung der Energieversorgung einer Volkswirtschaft sind Kraftwerke, also industrietechnische Anlagen zur Bereitstellung von insbesondere elektrischer und teilweise zusätzlicher thermischer Leistung, unverzichtbar. In solchen Kraftwerken wird Primärenergie eingesetzt, die nach entsprechender Umwandlung als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Dabei fallen in der Regel Gasströme an, die nicht ohne weitere Reinigungsschritte an die Umwelt abgegeben werden können. Insbesondere in kalorischen Kraftwerken, bei denen fossile Brennstoffe, z.B. Kohle, Erdöl oder Erdgas, verbrannt werden, fallen üblicherweise als Rauchgase bezeichnete Abgasströme an, die umweltschädliche Bestandteile enthalten. Als umweltschädlicher Bestandteil wird dabei zunehmend CO2 betrachtet, welches als klimaschädliches Gas eingestuft wird.
In jüngster Zeit werden neue Kraftwerkskonzepte vorgeschlagen, bei denen CO2 abgeschieden und einer weiteren Verwendung zugeführt wird. Ziel dieser neuen Konzepte ist es, das bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe entstehende Kohlendioxid nach Abscheidung in geeigneten Lagerstätten, insbesondere in bestimmten Gesteinsschichten oder salzwasserführenden Schichten, zu verpressen und somit den Kohlendioxidausstoß zur Atmosphäre zu begrenzen. Dadurch soll die klimaschädliche Wirkung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid reduziert werden. Die derzeitigen Konzepte werden in der Fachwelt als sogen. CCS- Technologie (Carbon, Capture and Sequestration) bezeichnet.
Kohlendioxidhaltige Gasströme fallen auch bei sonstigen Grpßfeuerungsanlagen an, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Hierzu zählen z.B. Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische Großanlagen zur Strom- oder Wärmeerzeugung.
Zum Auswaschen des Kohlendioxids aus drucklosen Rauchgasen können z.B. Waschmittel auf Aminbasis verwendet werden. Um den Waschprozess möglichst effizient gestalten zu können, muss der Rauchgasstrom vor Eintritt in die eigentliche Waschsektion entsprechend konditioniert werden. Hierzu muss der Rauchgasstrom auf die geeignete Temperatur heruntergekühlt werden. Außerdem müssen Spuren schädlicher Inhaltsstoffe wie z.B. SO2 aus dem Rauchgasstrom vor der eigentlichen CO2-Wäsche entfernt werden. Dies geschieht im Regelfall mit Hilfe einer Vorwäsche mit Wasser und gegebenenfalls basischen Zuschlagstoffen (abhängig von den Spuren und deren Gehalt). Die Vorwäsche kann als getrennter Apparat aufgestellt oder als zusätzlicher Apparat in die eigentliche Wäsche integriert sein.
Beide Varianten weisen jedoch bei den bisher realisierten Ausgestaltungen spezifische Nachteile auf.
So erfordert beispielsweise eine getrennte Aufstellung der Vorwäsche eine große Anlagengrundfläche. Außerdem tritt aufgrund der notwendigen zusätzlichen Rohrleitungen ein zusätzlicher Druckverlust auf. Schließlich muss die Gasverteilung zweimalig auf einen großen Kolonnenquerschnitt berücksichtigt werden (Vorwäsche und Waschkolonne).
Andererseits treten bei einer in die Absorptionskolonne integrierten Aufstellung der Vorwäsche aufgrund der Pumpenvorlage der eigentlichen Waschsektion große Lasten innerhalb der Absorptionskolonne auf. Darüber hinaus ist aufgrund des notwendigen Flüssigkeitsvoluminens für den Pumpenvorlauf zusätzliche Kolonnenhöhe, erforderlich. Dies hat wiederum negative Einflüsse auf Fundamente, Statik und Wandstärken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, dass auf wirtschaftliche Weise eine technische Konstruktion der Absorptionskolonne realisiert wird Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die gesamte, mit dem ausgewaschenen Kohlendioxid beladene Waschflüssigkeit aus der Absorptionskolonne abgezogen und einem außerhalb der Absorptionskolonne angeordneten Vorlagebehälter zugeführt und anschließend einer Waschflüssigkeitspumpe aufgegeben wird, die die Waschflüssigkeit zu einer Waschmittelregenerierungsstufe pumpt.
Durch die Integration der Vorwäsche in die Absorptionskolonne bei gleichzeitiger Auslagerung des notwendigen Flüssigkeitsvolumens für den Pumpenvorlauf werden die genannten Nachteile bisheriger Verfahren mit getrennter Aufstellung der Vorwäsche bezüglich Platzbedarf, Druckverlust und Fehlverteilung vermieden. Gleichzeitig werden die Probleme bisheriger Verfahren mit integrierter Aufstellung des Apparats zur Vorwäsche bezüglich Zusatzlasten durch die Flüssigkeitsvolumina für den Pumpenvorlauf umgangen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Vorwäsche in einem als unterstes Absorberbett ausgeführten Abschnitt der Absorptionskolonne durchgeführt. Dabei umfasst die Absorptionskolonne z.B. insgesamt vier Absorptionsbetten, wobei das oberste Absorptionsbett zur Rückwäsche dient, während die beiden mittleren Absorptionsbetten zur eigentlichen Auswaschung des
Kohlendioxids vorgesehen sind. Das unterste Absorptionsbett dient zur Vorwäsche des im Bodenbereich in die Absorptionskolonne eintretenden kohlendioxidhaltigen Gasstroms.
Vorteilhafterweise wird für die Waschflüssigkeit zur Abtrennung von Kohlendioxid ein physikalisch und/oder chemisch wirkendes Waschmittel verwendet. Insbesondere eignet sich hierfür ein Waschmittel, das zumindest ein Amin enthält.
Besondere Vorteile ergeben sich bei einer Anwendung der Erfindung auf Großfeuerungsanlagen, insbesondere Kohlekraftwerke. Hierbei wird also der zu reinigende Gasstrom von einem kohlendioxidhaltigen Abgasstrom einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks, gebildet, wobei in der Großfeuerungsanlage fossile Brennstoffe mit Luft verbrannt werden. Das ausgewaschene Kohlendioxid kann aufbereitet und einer Nutzung und/oder Speicherung zugeführt werden. Hierzu kann das Kohlendioxid beispielsweise über Rohrleitungen zu einem Einsatzort transportiert und dort in Gesteinsschichten des Untergrunds oder in salzwasserführende Schichten verpresst werden.
Die Wäsche wird bevorzugt bei etwa atmosphärischem Druck, insbesondere bei einem Druck zwischen -100 mbar und +100 mbar, durchgeführt.
Außerdem erfolgt die Wäsche vorteilhafterweise bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 800C, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 450C. Der
Waschwasserumlauf der Vorwäsche wird zweckmäßigerweise mittels Kühlwasser oder Kaltwasser aus einer Kälteanlage gekühlt.
Mit Vorteil können alle Flüssigkeiten aus Zwischenentnahmen, insbesondere Seitenabzügen und Zwischenumläufen, und Sumpfentnahmen der Absorptionskolonne weiteren Vorlagebehälter zugeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird der Vorlagebehälter als Auffangreservoir für das Waschmittel der gesamten Anlage (dem sogen. Hold-up) verwendet.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Reinigung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms mit einer Absorptionskolonne, die einen unteren Abschnitt zur Vorwäsche des Gasstroms und einen oberen Abschnitt zur zumindest teilweisen Auswaschung des Kohlendioxids aus dem Gasstrom aufweist.
Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Absorptionskolonne über mindestens einen Flüssigkeitsabzug mit einem außerhalb der Absorptionskolonne angeordneten Vorlagebehälter in Verbindung steht, dem eine Waschflüssigkeitspumpe nachgeschaltet ist.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens können sämtliche Flüssigkeitsabzüge der Absorptionskolonne mit weiteren Vorlagebehältern in Verbindung stehen. Vorzugsweise wird der Abschnitt zur Vorwäsche des Gasstroms vom untersten Absorptionsbett der Absorptionskolonne gebildet.
Die Absorptionskolonne weist zweckmäßigerweise einen Durchmesser von mindestens 3 m, insbesondere 10 bis 25 m, oder äquivalenten rechteckigen Querschnitt auf.
Die Erfindung eignet sich für alle denkbaren Großfeuerungsanlagen, bei denen kohlendioxidhaltige Gasströme anfallen. Hierzu zählen z.B. mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke, Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung. Insbesondere eignet sich die Erfindung für so genannte CO2-arme Kohlekraftwerke nach dem Post Combustion Capture Verfahren.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
Die Figur zeigt eine Absorptionskolonne mit integrierter Vorwäsche.
Das kohlendioxidhaltige Rauchgas aus einem Kohlekraftwerk wird über Leitung 2 in den unteren Abschnitt 3 der Absorptionskolonne 1 eingeleitet. In diesem Abschnitt 3 ist ein Absorptionsbett 4 angeordnet, das eines von insgesamt vier Absorptionsbetten 4,5,6,7 der Absorptionskolonne 1 darstellt. Im Abschnitt 3 findet eine Vorwäsche des Gasstroms statt, in der der Gasstrom auf die für die eigentliche CO2-Wäsche gewünschte Temperatur von ca. 30 bis 35°C abgekühlt und von Spuren schädlicher Inhaltsstoffe, insbesondere SO2, weitgehend befreit wird. Hierzu wird Wasser, eventuell mit basischen Zuschlagstoffen, z.B. Ammoniumverbindungen, über dem Aborptionsbett 3 verrieselt. Der so vorgereinigte und abgekühlte Gasstrom wird im darüber liegenden Abschnitt 8 der Absorptionskolonne 1 der eigentlichen CO2-Wäsche unterzogen. Hier wird ein Großteil, insbesondere mehr als 90 VoI %, des Kohlendioxids aus dem Gasstrom ausgewaschen. Dazu wird eine Waschflüssigkeit auf Aminbasis über den Absorptionsbetten 5 und 6 verrieselt. Oberhalb des Abschnitts 8 schließt sich noch ein oberster Abschnitt 9 der Absorptionskolonne 1 mit einem Absorptionsbett 7 an. Dieser Abschnitt 9 dient zur Rückwäsche. Der von Kohlendioxid weitestgehend gereinigte Gasstrom wird schließlich als Reingas über Leitung 10 abgezogen und kann an die Umwelt abgegeben werden. Die mit dem Kohlendioxid beladene Waschflüssigkeit wird über Leitung 14 aus der Absorptionskolonne 1 abgezogen und dem Vorlagebehälter 11 zugeführt. Der Vorlagebehälter 11 ist in geeigneter Höhe oberhalb der Waschflüssigkeitspumpe 12 aufgestellt, um als Zulauf zur Waschflüssigkeitspumpe zu dienen. Die Waschflüssigkeitspumpe 12 pumpt die beladene Waschflüssigkeit zu einer in der Figur nicht dargestellten Waschmittelregenerierungsstufe. Von dort kann die regenerierte Waschflüssigkeit dann wieder zum obersten Abschnitt 9 der Absorptionskolonne 1 zurückgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reinigung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms, wobei der Gasstrom zunächst in einem unteren Abschnitt einer Absorptionskolonne einer Vorwäsche zur Konditionierung des Gasstroms unterzogen wird und anschließend in einem oberen Abschnitt der Absorptionskolonne das Kohlendioxid zumindest teilweise mit einer Waschflüssigkeit aus dem Gasstrom ausgewaschen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte, mit dem ausgewaschenen Kohlendioxid beladene Waschflüssigkeit aus der Absorptionskolonne (1) abgezogen und einem außerhalb der Absorptionskolonne (1) angeordneten Vorlagebehälter (11) zugeführt und anschließend einer Waschflüssigkeitspumpe
(12) aufgegeben wird, die die beladene Waschflüssigkeit zu einer Waschmittelregenerierungsstufe pumpt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwäsche in einem als unterstes Absorberbett (4) ausgeführten Abschnitt (3) der
Absorptionskolonne (1) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom von einem kohlendioxidhaltigen Abgasstrom einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kraftwerks, gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgewaschene Kohlendioxid einer Nutzung oder Speicherung zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Waschflüssigkeit ein physikalisch und/oder chemisch wirkendes Waschmittel verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Waschmittel verwendet wird, das als Bestandteil mindestens ein Amin enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wäsche bei einem Druck zwischen -100 mbar und +100 mbar durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Flüssigkeiten aus Zwischenentnahmen, insbesondere Seitenabzügen und Zwischenumläufen, und Sumpfentnahmen der Absorptionskolonne (1) jeweils einem weiteren Vorlagebehälter (11) zugeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlagebehälter (11) als Auffangreservoir für das Kolonnen HoId-Up (Flüssigkeitsinhalt aller Kolonneneinbauten) verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlagebehälter (11) als Auffangreservoir für das Waschmittel der gesamten Anlage (dem sogen. Hold-up) verwendet wird.
11. Vorrichtung zur Reinigung eines kohlendioxidhaltigen Gasstroms mit einer Absorptionskolonne, die einen unteren Abschnitt zur Vorwäsche des Gasstroms und einen oberen Abschnitt zur zumindest teilweisen Auswaschung des Kohlendioxids aus dem Gasstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskolonne (1) über mindestens einen Flüssigkeitsabzug mit einem außerhalb der Absorptionskolonne (1) angeordneten Vorlagebehälter (11) in Verbindung steht, dem eine Waschflüssigkeitspumpe (12) nachgeschaltet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (3) zur Vorwäsche des Gasstroms vom untersten Absorptionsbett (4) der Absorptionskolonne (1) gebildet wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskolonne (1) einen Durchmesser von mindestens 3 m, insbesondere 10 bis 25 m oder einen äquivalenten rechteckigen Querschnitt, aufweist.
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