EP2750782A1 - Verfahren und anlage zur entfernung von kohlendioxid aus rauchgasen - Google Patents

Verfahren und anlage zur entfernung von kohlendioxid aus rauchgasen

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EP2750782A1
EP2750782A1 EP12743735.8A EP12743735A EP2750782A1 EP 2750782 A1 EP2750782 A1 EP 2750782A1 EP 12743735 A EP12743735 A EP 12743735A EP 2750782 A1 EP2750782 A1 EP 2750782A1
Authority
EP
European Patent Office
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steam
pressure
low
desorption
vorschaltdampfturbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12743735.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Menzel
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ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Industrial Solutions AG filed Critical ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Publication of EP2750782A1 publication Critical patent/EP2750782A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1425—Regeneration of liquid absorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1456—Removing acid components
    • B01D53/1475—Removing carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2252/00—Absorbents, i.e. solvents and liquid materials for gas absorption
    • B01D2252/20—Organic absorbents
    • B01D2252/204—Amines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/22—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/02—Other waste gases
    • B01D2258/0283—Flue gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/65—Employing advanced heat integration, e.g. Pinch technology
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for removing carbon dioxide from a flue gas of a fossil fuel power plant, wherein carbon dioxide is removed by means of an absorption process using a washing liquid from the flue gas and the laden washing liquid is regenerated in a desorption process, wherein at least a part of energy required for regeneration is supplied via low-pressure steam, which is withdrawn from the steam-water circuit of the power plant before entering a low-pressure steam turbine and wherein the low-pressure steam is fed to a feed steam turbine, in which it to an outlet pressure of less than 3.5 bar relaxed and then the energy of the steam is fed to the desorption process.
  • Carbon dioxide contributes to global warming as a greenhouse gas. Therefore, intensive efforts are being made to reduce the carbon dioxide released by fossil fuel power plants.
  • the capture of CO2 after combustion is referred to as post-combustion technology. Thanks to decades of operating experience, post-combustion technologies based on flue gas scrubbing are particularly successful in the capture of carbon dioxide.
  • Flue gases are produced by the combustion of fossil fuels in power plants at atmospheric pressure.
  • the CO2 content is 3 to 13 vol .-%. This results in CO2 partial pressures of only 0.03 to 0.13 bar.
  • washing liquids are needed, which have the highest possible absorption capacity.
  • washing liquids are used, which by means of chemical absorption of carbon dioxide from the
  • MDEA methydiethanolamine
  • the CO2-laden scrubbing liquid is regenerated in a desorption process in which the carbon dioxide is expelled while supplying thermal energy.
  • the washing liquid is heated to boiling temperature.
  • the boiling temperature depends on the pressure at which the desorption process is operated.
  • the regenerated washing liquid is fed again to the absorption process.
  • the carbon dioxide released in the desorption process is sent to storage.
  • the storage can be carried out as sequestration in subterranean rock layers.
  • a disadvantage of this method is the high energy expenditure for the regeneration of the washing liquid. For example, one calculates with a coal power plant with a loss of efficiency of about 13 percentage points due to a downstream CO2 removal. An application of the method is only economical with a significant reduction of this loss of efficiency.
  • the steam generated by means of a steam boiler is supplied to a steam turbine unit.
  • This unit includes high-pressure turbines and low-pressure turbines. Between the high pressure turbines and low pressure turbines and medium pressure turbines can be switched. At the turbines
  • These may be stand-alone machines or a machine that is subdivided into a high-pressure, medium-pressure and low-pressure part.
  • low-pressure steam which is withdrawn from the steam-water circuit of the power plant.
  • low pressure steam is meant steam which is withdrawn before entry into the low pressure steam turbines of the power plant.
  • the low pressure steam usually has a pressure of 5 to 6 bar.
  • the low-pressure steam is also referred to as LP steam.
  • the LP steam is fed to a condensation heat exchanger which is connected to the bottom of a desorption column.
  • the LP vapor condenses and transfers thermal energy to the scrubbing liquid in the desorption column.
  • the desorption column is operated at a pressure of about 2 bar. At this pressure, the boiling temperature of the washing liquid is about 120 ° C.
  • WO 2009/076 575 A2 discloses a method in which steam is introduced into a turbine cascade and steam is branched off in front of a low-pressure cabin and fed to a pilot turbine. The steam exiting the ballast is used to regenerate an absorbent used to separate sour gases from an exhaust gas stream.
  • EP 2 286 894 A1 a method is known in which a plurality of turbines are connected in series and steam is branched off in front of a low-pressure turbine.
  • the branched off steam is fed to a pilot turbine, whereupon the steam leaving the pilot turbine with a pressure of 1.5 to 20 bar is used for the treatment of an absorbent laden with acid gases
  • the object of the invention is to reduce the loss of efficiency of a power plant, which is caused by a downstream CO2 scrubbing.
  • the object of the invention and solution of this problem is a method of the type mentioned above, which is characterized in that the method comprises a control device which adjusts the pressure of the desorption process in dependence on the outlet pressure of the ballast turbine.
  • the low-pressure steam is supplied to an upstream steam turbine in which it is expanded to an outlet pressure of less than 3.5 bar.
  • the energy of the steam is then fed to the desorption process.
  • the method comprises an upstream steam turbine.
  • the low-pressure steam is not passed directly to the desorption process, but first supplied to this Vorschaltdampfturbine in which a relaxation to an outlet pressure of less than 3.5 bar.
  • a relaxation to an outlet pressure of less than 3 bar preferably less than 2.5 bar, in particular less than 2 bar. It proves to be particularly favorable when the steam leaves the upstream steam turbine at a pressure of less than 1.5 bar.
  • the Vorschaltdannpfturbine is designed as a low-pressure steam turbine.
  • This further low-pressure steam turbine can be integrated into the turbine part of the power plant. All turbines, including the Vorschaltdannpfturbine, put a common shaft in rotation, which drives a common generator.
  • Vorschaltdampfturbine is designed as a stand-alone machine.
  • the primary steam turbine sets its own shaft in rotation, which drives its own generator or machine. From the upstream steam turbine, for example, a compressor or a pump can be driven.
  • reboiler After expansion, the steam is fed to the reboiler of the desorption column.
  • reboiler is to be understood as meaning a condensation heat exchanger which is connected to the bottom of a desorption column. The steam condenses and transfers heat to the CO2-laden washing liquid.
  • the temperature in the desorption column is lowered to ensure effective heat transfer. This ensures a sufficiently high driving temperature gradient.
  • the lowering of the temperature is carried out by reducing the pressure at which the desorption column is operated.
  • the pressure in the desorption column is regulated by means of a regulating device as a function of the outlet pressure of the pilot vapor
  • a PID controller can be used.
  • the pressure in the desorption column is adjusted. According to the pressure in the desorption column, the boiling temperature of the washing liquid and thus the temperature at which the bottom of the Desorptionskolonnne must be heated.
  • the following table shows an example of an assignment of process parameters.
  • MDEA methydiethanolamine
  • the reboiler condenses LP steam at 5.5 bar. This releases a specific heat of condensation of 2097 kJ / kg. If the LP steam is reduced to a discharge pressure of 2.5 bar when using an upstream steam turbine, the specific condensation heat at this pressure is 2225 kJ / kg. This results in a steam saving of 6%.
  • the regenerated scrubbing liquid is reused to absorb carbon dioxide.
  • the absorption process is carried out at low temperatures. Therefore, the regenerated washing liquid must be cooled.
  • the CO2-laden scrubbing liquid must be heated for regeneration in the desorption column.
  • a heat exchanger is used, which transfers heat from the hot, regenerated to the cold, laden washing liquid. Since in the process according to the invention the boiling temperature in the washing liquid is lower, only a smaller amount of heat has to be transferred from the hot, regenerated to the cold, laden washing liquid. As a result, the exchange surface required for the heat exchange is significantly lower, whereby more compact and cheaper heat exchangers can be used.
  • the expelled from the washing liquid Kohlend ioxid is compressed for its subsequent storage, for example as part of a sequestration.
  • the pressure at which the carbon dioxide leaves the desorption column is lowered. This results in an additional compression effort.
  • the additional compression effort is significantly lower compared to the energy saving effects described above.
  • FIGURE shows a process and plant scheme for CO2 removal from the flue gas of a coal power plant.
  • a coal power plant is shown schematically.
  • a boiler 1 is supplied with air and coal as indicated by the arrow 2.
  • the boiler 1 leaves a carbon dioxide-containing flue gas 3.
  • steam is generated.
  • the water-steam cycle of the power plant comprises a high-pressure steam turbine 4, two medium-pressure steam turbines 5 and four low-pressure steam turbines 6.
  • a generator 7 is arranged.
  • a partial stream 8 of low-pressure steam is branched off before the low-pressure steam turbines 6.
  • the low-pressure steam has a pressure of 5.5 bar.
  • the partial stream 8 of low-pressure steam is expanded in a Vorschaltdampfturbine 9 to a pressure of 1, 5 bar.
  • the expanded steam is supplied to a condensing heat exchanger 10 designed as a reboiler. In the condensation heat exchanger 10, the vapor condenses at 1, 5 bar.
  • the Vorschaltdampfturbine 9 is designed as an independent machine.
  • the Vorschaltdampfturbine 9 puts its own shaft in rotation, which drives its own unit 19.
  • the unit 19 is in the exemplary embodiment to a generator.
  • the condensation heat exchanger 10 heats the sump of a desorption unit 11.
  • the desorption unit 11 in the exemplary embodiment is a desorption column.
  • the desorption unit 11 is supplied with a stream of washing liquid 12 loaded with CO2.
  • the carbon dioxide is expelled in the desorption unit 1 1 and discharged at the top of the column in a line 1 3.
  • the discharged CO2 is fed to a compression.
  • the regenerated washing liquid 14 is discharged at the bottom of the column and passed through a heat exchanger 15.
  • the hot regenerated scrubbing liquid 14 releases heat to the cold CO2-laden scrubbing liquid 12, which is withdrawn at the bottom of an absorption unit 16 designed as a column.
  • the absorption unit 16 the flue gas 3 is supplied after it has passed through a flue gas treatment 17.
  • carbon dioxide is washed out of the flue gas by a washing liquid 14.
  • the CO2 purified flue gas 18 is removed at the head of the absorption unit 16.
  • the partial flow 8 of LP steam is expanded in the intermediate switching turbine from a pressure of 5.5 bar to an outlet pressure of 1, 5 bar. At this pressure, the vapor condenses in the condensation heat exchanger 10. In order to ensure a sufficiently high temperature gradient for the heat transfer in the condensation heat exchanger 10, a pressure of 1 bar is set in the desorption unit 1 1. As a result, at the bottom of the desorption 1 1, a boiling temperature of the scrubbing liquid of 95 ° C is established.
  • tion unit 1 1 operated at 1 bar absolute pressure, results in a reduction of the losses in power production of about 27% compared to prior art methods.
  • the CO2 removal was calculated with a specific energy expenditure of 3400 kJ / kg of removed CO2. This is the specific energy consumption value for an MEA solution with 30% by weight monoethanolamine. The savings due to a reduced desorption temperature and a lower heat of desorption are not yet taken into account.
  • the desorption unit 11 is operated at a pressure of 1 bar, in contrast to prior art processes in which a pressure of 2 bar is set in the desorption column.
  • the additional compression of the expelled CO2 gas from a pressure of 1 bar to 2 bar is already included in the calculated savings potential of 27%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Entfernung von Kohlendioxid aus einem Rauchgas (3) eines mit fossilen Brennstoffen (2) betriebenen Kraftwerks. Dabei wird Kohlendioxid mittels eines Absorptionsprozesses (16) unter Verwendung einer Waschflüssigkeit (14) aus dem Rauchgas (3) entfernt. Die beladene Waschflüssigkeit (12) wird in einem Desorptionsprozess (11) regeneriert. Zumindest ein Teil der zur Regeneration benötigten Energie wird dabei über Niederdruckdampf zugeführt. Der Niederdruckdampf wird aus dem Dampf-Wasser-Kreislauf des Kraftwerks vor Eintritt in eine Niederdruckdampfturbine (6) abgezogen. Der Niederdruckdampf wird durch einer Vorschaltdampfturbine (9) zugeführt. Der Niederdruckdampf wird auf einen Austrittsdruck von weniger als 3,5 bar entspannt und dann dem Desorptionsprozess (11) zugeführt. Erfindungsgemäß wird den Druck des Desorptionsprozesses (11) in Abhängigkeit des Austrittsdrucks der Vorschaltdampfturbine (9) durch einer Regelungseinrichtung eingestellt.

Description

Verfahren und Anlage zur Entfernung von Kohlendioxid aus Rauchgasen
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Entfernung von Kohlendioxid aus einem Rauchgas eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerks, wobei Kohlendioxid mittels eines Absorptionsprozesses unter Verwendung einer Waschflüssigkeit aus dem Rauchgas entfernt und die beladene Waschflüssigkeit in einem Desorptionsprozess regeneriert wird, wobei zumindest ein Teil der zur Regeneration benötigten Energie über Niederdruckdampf zugeführt wird, der aus dem Dampf-Wasser-Kreislauf des Kraftwerks vor Eintritt in eine Niederdruckdampfturbine abgezogen wird und wobei der Niederdruckdampf einer Vorschaltdampfturbine zugeführt wird, in der er auf einen Austritts- druck von weniger als 3,5 bar entspannt und dann die Energie des Dampfes dem Desorptionsprozess zugeführt wird.
Kohlendioxid trägt als Treibhausgas zur Klimaerwärmung bei. Daher werden intensive Anstrengungen unternommen, um das in Kraftwerken bei der Ver- brennung von fossilen Brennstoffen freiwerdende Kohlendioxid zu reduzieren. Die Abscheidung von CO2 nach der Verbrennung wird als Post-Combustion Technologie bezeichnet. Aufgrund von jahrzehntelanger Betriebserfahrung sind insbesondere Post-Combustion Technologien, die auf Rauchgaswäschen beruhen, bei der Abscheidung von Kohlendioxid besonders erfolgreich.
Rauchgase fallen bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Kraftwerken bei Atmosphärendruck an. Der CO2-Gehalt beträgt dabei 3 bis 13 Vol.-%. Somit ergeben sich CO2-Partialdrücke von nur 0,03 bis 0,13 bar. Bei solch niedrigen CO2-Partialdrücken werden Waschflüssigkeiten benötigt, die eine möglichst hohe Aufnahmekapazität besitzen. Vorzugsweise werden daher Waschflüssigkeiten eingesetzt, die mittels chemischer Absorption Kohlendioxid aus dem
Rauchgas entfernen. Dazu können beispielsweise Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA) oder Methydiethanolamin (MDEA) eingesetzt werden.
Die mit CO2 beladene Waschflüssigkeit wird in einem Desorptionsprozess regeneriert, bei dem das Kohlendioxid unter Zufuhr von thermischer Energie ausgetrieben wird. Dazu wird die Waschflüssigkeit auf Siedetemperatur erhitzt. Die Siedetemperatur hängt vom Druck ab, bei dem der Desorptionsprozess betrieben wird. Anschließend wird die regenerierte Waschflüssigkeit erneut dem Absorptions- prozess zugeführt. Das im Desorptionsprozess frei werdende Kohlendioxid wird einer Lagerung zugeführt. Die Lagerung kann als Sequestrierung in unterirdischen Gesteinsschichten erfolgen. Der große Vorteil der Post-Combustion Abscheidetechnologie durch chemische Absorption besteht darin, dass konven- tionelle Kraftwerksanlagen mit einer ausgereiften und erfolgreichen Technologie ohne großen Aufwand nachrüstbar sind. Nachteilig an diesem Verfahren ist der hohe energetische Aufwand für die Regenerierung der Waschflüssigkeit. So rechnet man bei einem Kohlekraftwerk mit einem Wirkungsgradverlust von ca. 13 Prozentpunkten aufgrund einer nachgeschalteten CO2-Entfernung. Eine An- wendung des Verfahrens ist erst bei einer deutlichen Reduktion dieses Wirkungsgradverlustes wirtschaftlich.
Eine Herangehensweise, um den zusätzlichen Energiebedarf zu senken besteht in einer Integration des CO2-Abscheideprozesses in den Wasser-Dampf- Kreislauf des Kraftwerks. Der mittels eines Dampfkessels erzeugte Dampf wird einer Dampfturbineneinheit zugeführt. Diese Einheit umfasst Hochdruckturbinen und Niederdruckturbinen. Zwischen den Hochdruckturbinen und Niederdruckturbinen können auch Mitteldruckturbinen geschaltet sein. Bei den Turbinen
kann es sich um eigenständige Maschinen handeln oder um eine Maschine, die in einen Hochdruck-, Mitteldruck und Tiefdruckteil untergliedert ist.
Zumindest ein Teil der zur Regeneration der Waschflüssigkeit erforderlichen Energie wird über Niederdruckdampf zugeführt, der aus dem Dampf-Wasser- Kreislauf des Kraftwerks abgezogen wird. Unter Niederdruckdampf wird Dampf verstanden, der vor Eintritt in die Niederdruckdampfturbinen des Kraftwerks abgezogen wird. Der Niederdruckdampf hat in der Regel einen Druck von 5 bis 6 bar. Im Folgenden wird der Niederdruckdampf auch als ND-Dampf be- zeichnet.
Der ND-Dampf wird einem Kondensationswärmetauscher zugeführt, der an den Sumpf einer Desorptionskolonne angeschlossen ist. Der ND-Dampf kondensiert und überträgt Wärmeenergie an die Waschflüssigkeit in der Desorptions- kolonne. Um eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz für die Wärmeübertragung zu gewährleisten, wird die Desorptionskolonne bei einem Druck von ca. 2 bar betrieben. Bei diesem Druck beträgt die Siedetemperatur der Waschflüssigkeit ca. 120 °C. Aus WO 2009/076 575 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Wasserdampf in eine Turbinenkaskade eingeleitet wird und vor einer Niederdruckkabine Dampf abgezweigt und einer Vorschaltturbine zugeführt wird. Der aus der Vorschalt- turbine austretende Dampf wird zur Regeneration eines Absorbens genutzt, mit dem Sauergase aus einem Abgasstrom abgetrennt wurden. Weiterhin ist aus EP 2 286 894 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem mehrere Turbinen hintereinander geschaltet sind und Dampf vor einer Niederdruckturbine abgezweigt wird. Der abgezweigte Dampf wird einer Vorschaltturbine zugeführt, woraufhin der aus der Vorschaltturbine mit einem Druck von 1 ,5 bis 20 bar austretende Dampf zur Aufbereitung eines mit Sauergasen beladenen Absorbens eingesetzt
wird. Gemäß EP 2 286 894 A1 ist eine Kontrolleinrichtung zur Stabilisierung des Austrittsdrucks des die Vorschaltturbine verlassenden Dampf vorgesehen. Der Wirkungsgrad der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist jedoch verbesserungsbedürftig.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgradverlust eines Kraftwerks, der durch eine nachgeschaltete CO2-Wäsche bedingt ist, zu reduzieren.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren eine Regeleinrichtung aufweist, die den Druck des Desorptionsprozesses in Abhängigkeit des Austrittsdrucks der Vorschaltturbine einstellt.
Erfindungsgemäß wird der Niederdruckdampf einer Vorschaltdampfturbine zu- geführt wird, in der er auf einen Austrittsdruck von weniger als 3,5 bar entspannt wird . Die Energie des Dampfes wird anschließend dem Desorptions- prozess zugeführt.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren eine Vorschaltdampfturbine. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren wird der Niederdruckdampf nicht direkt zu dem Desorptionsprozess geleitet, sondern zunächst dieser Vorschaltdampfturbine zugeführt, in der eine Entspannung auf einen Austrittdruck von weniger als 3,5 bar erfolgt. Bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens erfolgt eine Entspannung auf einen Austrittsdruck von weniger als 3 bar, vorzugsweise weniger als 2,5 bar, insbesondere weniger als 2 bar. Als besonders günstig erweist es sich, wenn der Dampf die Vorschaltdampfturbine mit einem Druck von weniger als 1 ,5 bar verlässt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Vorschaltdannpfturbine als Niederdruckdampfturbine ausgeführt. Diese weitere Nieder- druckdampfturbine kann in den Turbinenteil des Kraftwerks integriert sein. Alle Turbinen, auch die Vorschaltdannpfturbine, versetzen eine gemeinsame Welle in Rotation, die einen gemeinsamen Generator antreibt.
Bei einer anderen Variante ist die Vorschaltdampfturbine als eine eigenständige Maschine ausgeführt. Dabei versetzt die Vorschaltdampfturbine eine eigene Welle in Rotation, die einen eigenen Generator oder eine Maschine antreibt. Von der Vorschaltdampfturbine können beispielsweise ein Verdichter oder eine Pumpe angetrieben werden.
Nach der Entspannung wird der Dampf dem Reboiler der Desorptionskolonne zugeführt. Unter Reboiler im Sinne der Erfindung ist ein Kondensationswärme- tauscher zu verstehen, der an den Sumpf einer Desorptionskolonne angeschlossen ist. Der Dampf kondensiert und überträgt Wärme an die mit CO2 beladende Waschflüssigkeit.
Durch Entspannung des ND-Dampfes in der Vorschaltdampfturbine wird zu- sätzlich Strom erzeugt. Da der Dampf nach der Vorschaltdampfturbine gegenüber herkömmlichen Verfahren einen niedrigeren Druck und damit eine geringere Temperatur aufweist, wird zur Gewährleistung einer effektiven Wärmeübertragung auch die Temperatur in der Desorptionskolonne abgesenkt. Dadurch wird ein ausreichend hohes treibendes Temperaturgefälle ge- währleistet. Die Absenkung der Temperatur erfolgt durch eine Herabsetzung des Drucks, bei dem die Desorptionskolonne betrieben wird.
Erfindungsgemäß wird mittels einer Regelungseinrichtung der Druck in der Desorptionskolonne in Abhängigkeit des Austrittsdrucks der Vorschaltdampf-
turbine automatisch eingestellt. Dazu kann beispielsweise ein PID-Regler eingesetzt werden.
Je nach Austrittsdruck der Vorschaltdampfturbine wird der Druck in der Desorp- tionskolonne angepasst. Entsprechend dem Druck in der Desorptionskolonne stellt sich die Siedetemperatur der Waschflüssigkeit ein und damit die Temperatur, auf die der Sumpf der Desorptionskolonnne erhitzt werden muss. Die nachfolgende Tabelle zeigt exemplarisch eine Zuordnung von Prozessparametern.
Tabelle 1 : Prozessparameter
Je stärker der Dampf in der Vorschaltdampfturbine entspannt wird, desto höher ist der Betrag an erzeugter elektrischer Energie. Je geringer die Siede- temperatur der Waschflüssigkeit ist, desto weniger thermische Energie ist zum Aufheizen der Desorptionskolonne erforderlich
Neben der zusätzlichen Gewinnung von elektrischer Energie und der geringeren thermischen Energie, die zur Aufheizung der Desorptionskolonne nötig ist, ergeben sich durch das erfindungsgemäße Verfahren positive energetische Effekte, die den Wirkungsgradverlust durch die nachgeschaltete CO2 Wäsche reduzieren. So nimmt die Desorptionswärme von Kohlendioxid mit sinkender Siedetemperatur ab. Die Desorptionswärme hat den größten Anteil am Energie-
bedarf bei der Regeneration der Waschflüssigkeit. Dies belegen folgende Beispiele:
Beispiel 1
Energie für die Regeneration von Monoethanolamin (MEA),
bei 120 °C benötigt man 1 10 kJ/ mol CO2
bei 40 °C benötigt man nur 85 kJ/mol CO2
Bei tertiären Aminen ist dieser Unterschied sogar noch größer, wie folgendes Beispiel zeigt:
Beispiel 2
Energie für die Regeneration von Methydiethanolamin (MDEA):
bei 120 °C benötigt man 1 10 kJ/ mol CO2,
- bei 40 °C benötigt man nur 70 kJ/mol CO2.
Ähnliches gilt für Pottasche Lösungen:
Beispiel 3
Energie für die Regeneration von Pottasche Lösungen:
bei 120 °C benötigt man 50 kJ/ mol CO2,
bei 40 °C benötigt man nur 27 kJ/mol CO2.
Bei allen drei Beispielen sinkt der Bedarf an Energie für die Regeneration der Waschflüssigkeit.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich ein weiterer positiver energetischer Effekt dadurch, dass die im Kondensationswärmetauscher freiwerdende spezifische Kondensationswärme mit abnehmendem Druck zunimmt.
Bei herkömmlichen Verfahren wird im Reboiler ND-Dampf von 5,5 bar kondensiert. Dabei wird eine spezifische Kondensationswärme von 2097 kJ/kg frei. Wird bei Einsatz einer Vorschaltdampfturbine der ND-Dampf auf einen Austrittsdruck von 2,5 bar reduziert, so beträgt bei diesem Druck die spezifische Kon- densationswärme 2225 kJ/kg. Dadurch ergibt sich eine Dampfersparnis von 6 %.
Die regenerierte Waschflüssigkeit wird erneut zur Absorption von Kohlendioxid eingesetzt. Der Absorptionsprozess wird bei niedrigen Temperaturen durch- geführt. Daher muss die regenerierte Waschflüssigkeit abgekühlt werden. Die mit CO2 beladende Waschflüssigkeit muss dagegen für die Regeneration in der Desorptionskolonne aufgeheizt werden. Dazu wird ein Wärmetauscher eingesetzt, der Wärme von der heißen, regenerierten auf die kalte, beladene Waschflüssigkeit überträgt. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Siede- temperatur in der Waschflüssigkeit niedriger ist, muss nur eine geringere Wärmemenge von der heißen, regenerierten an die kalte, beladene Waschflüssigkeit übertragen werden. Dadurch ist die für den Wärmeaustausch benötigte Austauschfläche deutlich geringer, wodurch kompaktere und preiswertere Wärmetauscher einsetzbar sind.
Das aus der Waschflüssigkeit ausgetriebene Kohlend ioxid wird für seine anschließende Speicherung, beispielsweise im Rahmen einer Sequestrierung, verdichtet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Druck, bei welcher das Kohlendioxid die Desorptionskolonne verlässt, abgesenkt. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Kompressionsaufwand. Der zusätzliche Kompressionsaufwand ist jedoch gegenüber den oben beschriebenen Energieeinspareffekten deutlich geringer.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage nach Anspruch θ 8 zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage werden in den Ansprüchen 9 bis 1 1 beschrieben. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung sowie aus der Zeichnung selbst. Die einzige Figur zeigt ein Verfahrens- und Anlagenschema zur CO2-Entfernung aus dem Rauchgas eines Kohlekraftwerks. In der Figur ist ein Kohlekraftwerk schematisch dargestellt. Einem Kessel 1 werden Luft und Kohle zugeführt wie durch den Pfeil 2 angedeutet. Den Kessel 1 verlässt ein kohlendioxidhaltiges Rauchgas 3. Im Kessel 1 wird Dampf erzeugt. Der Wasser-Dampf-Kreislauf des Kraftwerks umfasst eine Hochdruckdampfturbine 4, zwei Mitteldruckdampfturbinen 5 und vier Niederdruckdampf- turbinen 6. Am Ende der Turbinenstrecke ist ein Generator 7 angeordnet.
Ein Teilstrom 8 an Niederdruckdampf wird vor den Niederdruckdampfturbinen 6 abgezweigt. Der Niederdruckdampf hat einen Druck von 5,5 bar. Der Teilstrom 8 an Niederdruckdampf wird in einer Vorschaltdampfturbine 9 auf einen Druck von 1 ,5 bar entspannt. Der entspannte Dampf wird einem als Reboiler ausgeführten Kondensationswärmetauscher 10 zugeführt. Im Kondensationswärmetauscher 10 kondensiert der Dampf bei 1 ,5 bar.
Im Ausführungsbeispiel ist die Vorschaltdampfturbine 9 als eigenständige Maschine ausgeführt. Die Vorschaltdampfturbine 9 versetzt eine eigene Welle in Rotation, die ein eigenes Aggregat 19 antreibt. Bei dem Aggregat 19 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Generator.
Der Kondensationswärmetauscher 10 heizt den Sumpf einer Desorptionseinheit 1 1 auf. Bei der Desorptionseinheit 1 1 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Desorptionskolonne. Der Desorptionseinheit 1 1 wird ein Strom CO2- beladener Waschflüssigkeit 12 zugeführt. Das Kohlendioxid wird in der Desorp- tionseinheit 1 1 ausgetrieben und am Kopf der Kolonne in einer Leitung 1 3 abgeführt. Das abgeführte CO2 wird einer Kompression zugeführt.
Die regenerierte Waschflüssigkeit 14 wird am Boden der Kolonne abgeführt und über einen Wärmetauscher 15 geleitet. Die heiße regenerierte Waschflüssigkeit 14 gibt Wärme an die kalte mit CO2 beladene Waschflüssigkeit 12 ab, die am Boden einer als Kolonne ausgeführten Absorptionseinheit 16 abgezogen wird.
Der Absorptionseinheit 16 wird das Rauchgas 3 zugeführt, nachdem es eine Rauchgasbehandlung 17 durchlaufen hat. In der Absorptionseinheit 16 wird Kohlendioxid von einer Waschflüssigkeit 14 aus dem Rauchgas ausgewaschen. Das von CO2 gereinigte Rauchgas 18 wird am Kopf der Absorptionseinheit 16 abgeführt.
Der Teilstrom 8 an ND-Dampf wird in der Zwischenschaltturbine von einem Druck von 5,5 bar auf einen Austrittsdruck von 1 ,5 bar entspannt. Bei diesem Druck kondensiert der Dampf im Kondensationswärmetauscher 10. Um für die Wärmeübertragung im Kondensationswärmetauscher 10 ein ausreichend hohes Temperaturgefälle zu gewährleisten, wird in der Desorptioneinheit 1 1 ein Druck von 1 bar eingestellt. Dadurch stellt sich am Sumpf der Desorptionsheit 1 1 eine Siedetemperatur der Waschflüssigkeit von 95 °C ein.
Die Entspannung des ND-Dampfes über die zusätzliche Vorschaltdampfturbine 9 von 5,5 bar auf 1 ,5 bar und die anschließende Kondensation bei 1 ,5 bar im Kondensationswärmetauscher 10 der Desorptionseinheit 1 1 , wobei die Desorp-
tionseinheit 1 1 bei 1 bar Absolutdruck betrieben wird, ergibt eine Verminderung der Einbußen in der Stromproduktion von ca. 27 % gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik. Dabei wurde für die CO2-Entfernung mit einem spezifischen Energieaufwand von 3400 kJ/kg entferntes CO2 gerechnet. Dies ist der spezifische Energieverbrauchwert für eine MEA-Lösung mit 30 Gew.-% Mono- ethanolamin. Die Einsparung aufgrund einer reduzierten Desorptionstemperatur und einer niedrigeren Desorptionswärme sind dabei noch nicht berücksichtigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Desorptioneinheit 1 1 bei einem Druck von 1 bar betrieben, im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen ein Druck von 2 bar in der Desorptionskolonne eingestellt wird. Die zusätzliche Verdichtung des ausgetriebenen CO2 Gases von einem Druck von 1 bar auf 2 bar ist bereits in dem errechneten Einsparpotential von 27 % enthalten.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid aus einem Rauchgas (3) eines mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerks, wobei Kohlendioxid mittels eines Absorptionsprozesses (16) unter Verwendung einer Waschflüssigkeit (14) aus dem Rauchgas (3) entfernt und die beladene Waschflüssigkeit (1 2) in einem Desorptionsprozess (1 1 ) regeneriert wird, wobei zumindest ein Teil der zur Regeneration benötigten Energie über Niederdruckdampf zugeführt wird, der aus dem Dampf-Wasser-Kreislauf des Kraftwerks vor Eintritt in eine Niederdruckdampfturbine (6) abgezogen wird, wobei der Niederdruckdampf einer Vor- schaltdampfturbine (9) zugeführt wird, in der er auf einen Austrittsdruck von wen iger als 3,5 bar entspannt und dann die Energie des Dampfes dem Desorptionsprozess (1 1 ) zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Verfahren eine Regelungseinrichtung aufweist, die den Druck des Desorptionsprozesses (1 1 ) in Abhängigkeit des Austrittsdrucks der Vorschalt- dampfturbine (9) einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckdampf in der Vorschaltdampfturbine (9) auf einen Austrittsdruck von weniger als 3 bar, vorzugsweise wen iger als 2,5 bar, insbesondere weniger als 2 bar entspannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Vorschaltdampfturbine (9) entspannte Dampf einem Kondensationswärmetauscher (10) zugeführt wird, mittels dem Energie in den Desorptionsprozess (1 1 ) übertragen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltdampfturbine (9) in den Turbinenteil des Kraftwerks integriert ist, wobei die Vorschaltdampfturbine (9) mit den Dampfturbinen des Kraftwerks (4,
5. 6) einen gemeinsamen Generator (7) antreibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschaltdampfturbine (9) einen eigenen Generator (19) oder eine Maschine antreibt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Desorptionsprozesses (1 1 ) als Regel parameter herangezogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Sumpf einer Desorptionskolonne (1 1 ) als Regelparameter herangezogen wird.
8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Absorptionseinheit (16), in der unter Verwendung einer Waschflüssigkeit (14) Kohlendioxid aus dem Rauchgas (3) entfernbar ist, und - einer Desorptionseinheit (1 1 ) zur Regeneration der beladenen Waschflüssigkeit (12), wobei zumindest ein Teil der zur Regeneration benötigten Energie über Niederdruckdampf zuführbar ist, der aus dem Dampf-Wasser-Kreislauf des Kraftwerks vor Eintritt in eine Niederdruckdampfturbine (6) abgezogen wird, wobei die Anlage eine vor der Desorptionseinheit (1 1 ) angeordnete Vorschaltdampfturbine (9) aufweist, in der der abgezogene Niederdruckdampf auf einen Austrittsdruck von weniger als 3,5 bar entspannbar ist, und dass eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Energie des Dampfes der Desorptionseinheit (1 1 )
zuzuführen, dadurchgekennzeichnet, dass die Anlage eine Regeleinrichtung umfasst, die den Druck in der Desorptionseinheit (11) in Abhängigkeit des Austrittsdrucks der Vorschaltdampfturbine (9) einstellt.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Vorschaltdampfturbine (9) entspannte Dampf einem Kondensationswärmetauscher (10) zuführbar ist, um Energie in die Desorptionseinheit (11) zu übertragen.
10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- schaltdampfturbine (9) in den Turbinenteil des Kraftwerks integriert ist, wobei die Vorschaltdampfturbine (9) mit den Dampfturbinen der Kraftwerks (4, 5, 6) einen gemeinsamen Hauptgenerator (7) antreibt.
11. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- schaltdampfturbine (9) einen eigenen Generator (19) oder eine Maschine antreibt.
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