EP4433196A1 - Verwertung von kohlendioxid aus der umgebungsluft - Google Patents

Verwertung von kohlendioxid aus der umgebungsluft

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EP4433196A1
EP4433196A1 EP22817589.9A EP22817589A EP4433196A1 EP 4433196 A1 EP4433196 A1 EP 4433196A1 EP 22817589 A EP22817589 A EP 22817589A EP 4433196 A1 EP4433196 A1 EP 4433196A1
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EP
European Patent Office
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carbon dioxide
adsorber
unit
air flow
adsorption
Prior art date
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Pending
Application number
EP22817589.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Simone Müller-Hellwig
Hagen SEIFERT
Alexander Krajete
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B01D53/04—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 adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
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    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
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    • B01D2257/504—Carbon dioxide
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    • B01D2259/40083—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption
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    • 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 the utilization of carbon dioxide contained in the ambient air.
  • a system and a process are presented with which the carbon dioxide can be separated and used.
  • Direct Air Capture is a process for extracting carbon dioxide (CO2) directly from the ambient air.
  • CO2 carbon dioxide
  • the basic principle is that ambient air flows through a filter that removes part of the CO2.
  • the result of the process is pure CO2, which can then be used for various purposes.
  • CO2 Possible uses of CO2 are the material use as a raw material, e.g. for the chemical industry, the production of CCh-neutral fuels (EE gas and e-fuels) and the geological storage of carbon dioxide, which can result in negative emissions.
  • the latter is known as Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS) and is intended to actively remove carbon dioxide from the atmosphere and store it permanently via CO2 capture and storage (Carbon Capture and Storage, CCS) in order to counteract global warming .
  • DACCS Direct Air Carbon Capture and Storage
  • the technique mostly comprises two steps, an adsorption step and a desorption step.
  • adsorption step air is passed over the adsorber, the CO2 from the air is bound to the adsorber, the remaining air components leave the adsorber cartridge.
  • the desorption step is performed.
  • the CO2 is expelled from the cartridge either by heat input or by inert gas; a slight vacuum can also be advantageous. Pure CO2 is obtained, which can now be used for various purposes or for final storage.
  • US 5,779,767 relates to a process for the adsorption of at least carbon dioxide, water and nitrogen oxides and acetylene from a gas stream, in which the gas is contacted with an adsorbent mixture of a zeolite and an alumina.
  • the process may be operated as a swing adsorption process in which the gas is contacted with the adsorbent at a first temperature and pressure to adsorb at least carbon dioxide, water and nitrogen oxides therefrom and the adsorbent by reducing the pressure and/or increasing the temperature is periodically regenerated.
  • EP 0 862 938 A discloses a pressure swing adsorption process for removing nitrogen oxides, carbon dioxide and water from gases.
  • the gas stream is passed through an alumina adsorbent and a zeolite adsorbent, preferably 13X zeolite, at elevated pressure.
  • the pressure swing adsorption process comprises the steps of: (a) adsorption of water, carbon dioxide and nitrogen oxides at elevated pressure; (b) countercurrent depressurization; (c) countercurrent purging with nitrous oxide-depleted gas; and (d) repressurizing with nitrous oxide depleted gas.
  • EP 1 101 521 A1 provides a multi-component adsorbent mixture that removes water, carbon dioxide and nitrogen oxides and/or hydrocarbons from air.
  • the mixture includes a third adsorbent that selectively adsorbs selected nitrogen oxides, hydrocarbons, or both.
  • the water vapor selective adsorbent is activated alumina.
  • the carbon dioxide selective adsorbent is zeolite 13X.
  • the third adsorbent is zeolite 5A, which selectively adsorbs nitrous oxide, ethylene and propane.
  • EP 0 766 989 A1 discloses a method for removing at least two contaminating gas components from a feed gas stream, comprising performing repeated operating cycles.
  • the feed gas stream is contacted in a feed direction at a first pressure and at a first temperature with a solid adsorbent capable of adsorbing a first of the impurity gas components more strongly and a second of the impurity gas components less strongly such that the first impurity gas component is adsorbed in an upstream portion of the adsorbent and the second impurity gas component is mainly adsorbed in a downstream portion of the adsorbent.
  • the feeding of the feed gas stream is stopped and the gas in contact with the adsorbent is depressurized to a second, lower pressure at which a regeneration gas at a second temperature, higher than the first temperature, is emitted in a direction opposite to the feeding direction of the feed gas stream in Contact with the adsorbent is fed to generate a heat pulse moving in the countercurrent direction to desorb the less strongly adsorbed second impurity gas component from the downstream (with respect to the feeding direction) section by thermal swing adsorption, while at the same time the more strongly adsorbed first impurity gas component is desorbed from the upstream (with respect to the feeding direction) section by pressure swing adsorption.
  • US 4,249,915 A discloses a process in which moisture and CO2 are removed from atmospheric air by adsorption in separate beds.
  • the moisture-laden bed is regenerated by pressure swing adsorption in a relatively short duty cycle, while the CO2-laden bed is thermally regenerated at significantly longer time intervals.
  • the process is used in connection with the pretreatment of air prior to cryogenic distillation to separate oxygen and nitrogen therein.
  • WO 2021/206 564 A1 describes a method and an arrangement for removing CO2 from ambient air or flue gases, wherein a pre-cooled flow of the air or gases is passed through a bed of CO2 adsorption material in a first direction, whereby CO2 is removed the flowing air or gas is adsorbed in the CO2 adsorbent bed.
  • a flow of warm fuel gas from a thermal storage unit is directed to the CO2 adsorbent bed in a second direction opposite to the first direction to transfer stored heat from the heat recovery unit to the CO2 adsorbent bed while simultaneously transferring cold from the adsorbent bed to the thermal storage.
  • the heating gas is then passed through the CO2 adsorbent bed in a closed loop, with CO2 being desorbed from the CO2 adsorbent bed.
  • the desorbed CO2 is extracted for use or storage, then a cooling gas flow is passed through the thermal storage unit and the CO2 adsorbent bed in the first direction, with low-temperature heat being transferred to the CO2 adsorbent bed and high-temperature heat being transferred from the CO2 adsorbent bed to the thermal storage unit.
  • the invention has set itself the task of providing a method and a system for reducing the concentration of carbon dioxide in the ambient air and for using the carbon dioxide removed from the ambient air, which are efficient, robust and inexpensive.
  • the subject matter of the invention is a method for the utilization of carbon dioxide contained in the ambient air.
  • the method according to the invention comprises the drying of an ambient air flow in a dehumidification unit, then the adsorption of carbon dioxide from the dried air flow in an adsorber unit, which contains an adsorber material for CO2, and then the desorption of adsorbed carbon dioxide from the adsorber unit, the adsorption of carbon dioxide being so is carried out for a long time until a termination criterion is reached, and then the desorption of carbon dioxide takes place.
  • the drying of the ambient air flow takes place in a two-stage process, which involves pre-drying of the air flow in a continuously operating electrically operated pre-dryer, which is a continuously operating adsorption dryer, and subsequent passage of the pre-dried air flow through a silica gel, molecular sieve 3A, sodium sulphate, magnesium sulphate, activated alumina or zeolite A comprising desiccant-filled drying device comprises.
  • the adsorption of carbon dioxide from the dried air flow takes place at atmospheric pressure and a temperature in the range from 20°C to 35°C, and for Desorption of adsorbed carbon dioxide from the adsorber unit, the adsorber material in the adsorber unit is heated to a temperature in the range from 100° C. to 300° C. and a negative pressure in the range from 10 to 50 mbar is generated in the adsorber unit.
  • Carbon dioxide (CO2) is adsorbed from the ambient air in a stationary adsorber unit.
  • a stream of ambient air is passed through a stationary adsorber unit.
  • the air flow is first dried, i.e. the water contained in the air flow is removed.
  • the drying takes place in a two-stage process.
  • the air flow is pre-dried by an electrically operated pre-dryer, which is a continuously operating adsorption dryer.
  • the pre-dryer works independently of the pressure and removes approx. 30 to 50% of the moisture contained in the air.
  • the pre-drying takes place at an air flow temperature of at most 20°C.
  • the pre-dried air is passed through a drying device filled with a drying agent in order to remove residual moisture.
  • the desiccant is selected from silica gel, molecular sieve 3A, sodium sulfate, magnesium sulfate, activated alumina and zeolite A.
  • the residual moisture content of the air flow after drying is less than 1 g/m 3 .
  • Carbon dioxide contained in the dried air flow is then adsorbed.
  • the adsorber unit is thus charged with CO2.
  • this step is carried out until a termination criterion is reached, for example until the carbon dioxide uptake capacity limit of the adsorber unit is reached.
  • this step is carried out until a predetermined period of time has elapsed. The air flowing out of the adsorber unit is depleted in carbon dioxide.
  • the adsorber unit contains an adsorber material that can bind carbon dioxide, and the carbon dioxide is th adsorber material adsorbed.
  • the adsorber material comprises at least one inorganic material from the class of aluminosilicates.
  • the adsorber material is a zeolite.
  • the adsorbent material comprises zeolite 13X or molecular sieve 13X or a modification thereof.
  • the adsorbent material is used in granular form.
  • the adsorbent material consists of particles with a grain size, i.e. an equivalent diameter, in the range from 1 to 5 mm.
  • the adsorber material is present as a bed in a filter module of the adsorber unit.
  • a container that is permeable to the air flow is filled with the adsorber material in a filter module of the adsorber unit.
  • the carbon dioxide is adsorbed at a temperature in the range from 20° C. to 35° C. at atmospheric pressure.
  • the drying of the air flow is particularly efficient at temperatures below 20°C.
  • the adsorption of carbon dioxide is also favored by low temperatures, since the process is exothermic.
  • the first step of the method according to the invention is carried out at normal pressure, so there is no compression of the ambient air flow introduced.
  • the air flow through the adsorber unit loaded with carbon dioxide is interrupted and the adsorbed carbon dioxide bound in the adsorber unit is then desorbed.
  • the predetermined period of time is from 2 hours to 5 hours, for example 4 hours.
  • the carbon dioxide is desorbed from the adsorber unit by heating the adsorber material in the adsorber unit and reducing the pressure. As a result, the adsorbed CO2 is converted into the gas phase and the filter module is regenerated. The CO2 separated from the adsorber unit is put to further use.
  • the duration of the desorption phase is from 1 hour to 3 hours, for example 2 hours.
  • the loaded adsorption material is heated to a temperature in the range from 100° C. to 300° C., for example 200° C. to 300° C., or 250° C. to 300° C., and a negative pressure in the range from 10 to 50 mbar (1,000 to 950 mbar absolute).
  • the loaded adsorption material is heated to a temperature in the range from 100° C. to 150° C. for desorption and an auxiliary gas is passed through the adsorber unit.
  • the auxiliary gas is ambient air.
  • the adsorber unit is filled with the auxiliary gas, then a negative pressure in the range of 10 to 50 mbar (1000 to 950 mbar absolute) is generated in the adsorber unit in order to suck off the released CO2 and the auxiliary gas.
  • the filling and suction is repeated several times, for example two or three times.
  • the adsorber unit is allowed to cool down to room temperature or the adsorber material is actively cooled.
  • a new phase of adsorption is started directly after the end of desorption, ie ambient air is passed through the adsorber unit again while it is cooling down.
  • the adsorber material has cooled down sufficiently, it binds CO2 from the ambient air flow again. In one embodiment, it takes about 1 hour for the first CO2 molecules to stick again.
  • the loaded drying agent is heated to a temperature in the range from 100° C. to 150° C., for example 100° C. to 120° C., and a negative pressure is created in the drying device in the range from 10 to 50 mbar (1000 to 950 mbar absolute). In one embodiment, the regeneration lasts from 45 minutes to 90 minutes, for example 1 hour.
  • this is carried out continuously, i.e. the adsorption step and desorption step take place alternately in succession.
  • the method according to the invention offers a number of advantages, in particular it can contribute to reducing environmental pollution and energy consumption.
  • the carbon dioxide is thus removed from the atmosphere or the ambient air of the adsorber unit.
  • significant amounts of carbon dioxide can be removed from the ambient air in polluted zones, e.g. on busy roads or in tunnels.
  • the carbon dioxide content of the air can be significantly reduced in tunnels.
  • the carbon dioxide contained in the ambient air e.g. from the exhaust gases of internal combustion engines, is made industrially usable by the method according to the invention, since it is available in concentrated form after desorption and is no longer diluted by the other air components.
  • the invention also relates to a system for utilizing carbon dioxide from the ambient air.
  • the system has an inflow opening which is fluidically connected to an outlet opening which has a blower or a fan so that an air duct is formed and air is sucked in from the environment and guided through a dehumidification unit and an adsorber unit.
  • the dehumidification unit is designed to dry an ambient air flow supplied to the system, and the adsorber unit is set up to bind carbon dioxide from the dried ambient air flow during an adsorption phase and release bound carbon dioxide during a desorption phase.
  • the system includes a desorption module which is set up to desorb carbon dioxide adsorbed in the adsorber unit from the latter.
  • the system comprises heating means to introduce heat into the adsorber unit during the desorption phase and negative pressure means to create a negative pressure in the adsorber unit during the desorption phase.
  • the dehumidification unit comprises a continuously operating, electrically operated pre-dryer, which is a continuously operating adsorption dryer, and a drying device downstream of this, which is filled with a desiccant comprising silica gel, molecular sieve 3A, sodium sulphate, magnesium sulphate, activated alumina or zeolite A.
  • the system has a stationary adsorber unit, which is set up to adsorb carbon dioxide from the ambient air, and a desorption module, which is set up to desorb carbon dioxide adsorbed in the adsorber unit from the latter.
  • the system is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the system includes an adsorber unit that is set up to adsorb carbon dioxide (CO2) from the ambient air.
  • the adsorber unit comprises a housing with at least one inflow and outflow opening in the housing wall, a filter module inside the housing, which is fluidically connected to the inflow and outflow opening, so that an air duct is formed, and an air intake device, to suck in air from the environment and lead it through the filter module.
  • the air induction device is a fan.
  • the air intake device is a fan.
  • the air intake device is designed for a nominal air flow of 1,000 to 15,000 m 3 /h, for example 8,000 to 12,000 m 3 /h.
  • a blower power or fan power in the range of 1 to 15 kW is required for this.
  • a drying device or dehumidifying device is provided in the air duct of the adsorber unit, which removes water from the air flow before it enters the filter module. The drying of the air stream prevents the adsorption capacity of the adsorber material for carbon dioxide from being reduced by water loading.
  • the drying device comprises a continuously operating, electrically operated pre-dryer, which is a continuously operating adsorption dryer.
  • the pre-dryer has a power consumption in the range from 9 kW to 15 kW.
  • the drying device comprises, downstream of the pre-dryer, a unit with a desiccant that removes water from the air flow.
  • the desiccant is selected from silica gel, molecular sieve 3A, sodium sulphate, magnesium sulphate, activated alumina and zeolite A.
  • the adsorber unit contains an adsorber material which is set up to bind carbon dioxide (CO2) by adsorption.
  • the adsorber unit contains a CO2-binding agent based on aluminum silicate, which has an adsorption capacity for pre-dried CO2 of up to 20% by weight.
  • the adsorber material includes aluminosilicates, for example amorphous aluminum silicate.
  • the adsorber material is a zeolite.
  • the adsorbent material comprises zeolite 13X or molecular sieve 13X or a modification thereof.
  • the adsorbent material is used in granular form.
  • the adsorber material consists of particles with a grain size, ie an equivalent diameter, in the range from 1 to 5 mm.
  • the adsorber material is present as a bed in a filter module of the adsorber unit.
  • a container that is permeable to the air flow is filled with the adsorber material in a filter module of the adsorber unit.
  • a CO2 sensor is arranged at the outlet of the adsorber unit, which measures the CC content of the exiting gas stream. During the adsorption phase, the CC content of the exiting gas stream is very low. After the capacity limit of the adsorber material has been reached, the CC content of the exiting gas stream increases rapidly ("breakthrough"). The CO2 sensor therefore makes it possible to quickly and reliably detect when the capacity limit of the adsorber material has been reached.
  • the adsorber unit is a stationary system that is used in locations where high concentrations of carbon dioxide in the air occur, e.g. in urban areas, on busy roads or in tunnels.
  • the adsorber unit is mounted in a tunnel, e.g., on the tunnel ceiling. There can also be several adsorber units in one tunnel.
  • the stationary adsorber unit is arranged outside the tunnel and an air flow is sucked out of the inside of the tunnel via suitable devices, passed through the adsorber unit and then fed back into the tunnel.
  • the adsorber unit is designed for a nominal air flow of 1,000 to 15,000 m 3 /h, for example 8,000 to 12,000 m 3 /h. This requires a fan power in the range from 1 to 15 kW, in particular from 1 to 5 kW, for example from 2 to 3 kW.
  • the system according to the invention comprises a desorption module which is set up to desorb carbon dioxide adsorbed in the adsorber material from the latter.
  • the CO2 is released from the adsorber material saturated with CO2 through the combination of heat and slight negative pressure. Any impurities remain on the adsorber material.
  • the pure CO2 is extracted and leaves the desorption module almost without pressure. It can then be used directly.
  • the desorption module is set up to reduce the pressure in a filter module filled with an adsorber material and to heat the adsorber material and thereby desorb carbon dioxide from the filter module and suck it out of the filter module.
  • the desorption module is set up to introduce an auxiliary gas into a filter module filled with an adsorber material and to heat the adsorber material and thereby desorb carbon dioxide from the filter module and discharge it from the filter module.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the system according to the invention for the utilization of carbon dioxide.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment of the system 10 according to the invention for the utilization of carbon dioxide.
  • An air flow containing carbon dioxide is fed into the air inlet 11 of a dehumidification unit 12, which is set up to remove water from the air flow and contains, for example, a desiccant.
  • the dehumidification unit is preceded by an electrically operated pre-dryer.
  • the dried air stream is fed into an adsorber unit 13 which is set up to adsorb carbon dioxide (CO2) from the dried air stream and contains an adsorber material for carbon dioxide.
  • CO2 adsorb carbon dioxide
  • the one on Koh The air flow depleted in carbon dioxide leaves the adsorber unit 13 through an air outlet 14 equipped with a fan or blower.
  • adsorption of CO2 takes place in the adsorber unit 13.
  • the adsorber unit 13 is thereby charged with CO2 and can absorb CO2 up to the absorption limit of the adsorber unit.
  • a desorption module 15 is set up to generate a negative pressure in the adsorber unit 13 and to heat the adsorber material contained in the adsorber unit 13 . As a result, the adsorbed carbon dioxide is desorbed and sucked off. The CO2 goes into the gas phase, the adsorber material is regenerated. In the illustrated embodiment, the desorption module 15 is also set up to create a negative pressure in the dehumidification unit 12 and to heat the desiccant contained in the dehumidification unit 12 in order to regenerate the desiccant.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwertung von in der Umgebungsluft enthaltenem Kohlendioxid. Es werden ein System und ein Verfahren vorgestellt, mit denen das Kohlendioxid abgetrennt und genutzt werden kann.

Description

Verwertung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft die Verwertung von in der Umgebungsluft enthaltenem Kohlendioxid. Es werden ein System und ein Verfahren vorgestellt, mit denen das Kohlendioxid abgetrennt und genutzt werden kann.
Direct Air Capture (DAC) ist ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO2) direkt aus der Umgebungsluft. Grundprinzip ist, dass Umgebungsluft durch einen Filter strömt, der einen Teil des CO2 entzieht. Ergebnis des Verfahrens ist reines CO2, das anschließend für verschiedene Zwecke verwendet werden kann.
Nutzungsmöglichkeiten des CO2 sind die stoffliche Nutzung als Rohstoff, z.B. für die Chemieindustrie, die Herstellung CCh-neutraler Brennstoffe (EE-Gas und E-Fuels) sowie die geologische Speicherung des Kohlendioxids, wodurch sich negative Emissionen erzielen lassen. Letzteres wird als Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS) bezeichnet und soll dazu dienen, der Atmosphäre aktiv Kohlendioxid zu entziehen und dauerhaft per CO2- Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) zu speichern, um damit der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.
Zur Gewinnung von CO2 sind große Ventilatoren erforderlich, welche die Umgebungsluft durch einen Filter drücken. Im Filter befindet sich ein Adsorbermaterial. Es werden diverse flüssige oder feste Adsorbermaterialien verschiedener chemischer Stoffklassen eingesetzt. Bei der Aminwäsche wird ein flüssiges Lösungsmittel aus organischen Aminen, bei anderen Verfahren wird als CC -Absorber beispielsweise Natriumhydroxid verwendet, das mit CO2 zu Natriumcarbonat reagiert. Alternativ bindet das CO2 an ein festes Sorptionsmittel.
Die Technik umfasst zumeist zwei Schritte, einen Adsorptionsschritt und einen Desorptionsschritt. Im Adsorptionsschritt wird Luft über den Adsorber geführt, das CO2 aus der Luft wird an den Adsorber gebunden, die restlichen Luftbestandteile verlassen die Adsorberkartusche. Wenn der Adsorber mit CO2 gesättigt ist, wird der Desorptionsschritt durchgeführt. Dabei wird das CO2 entweder über Hitzeeintrag oder durch inertes Gas aus der Kartusche ausgetrieben; auch ein leichtes Vakuum kann vorteilhaft sein. Es wird reines CO2 erhalten, das nun diversen Nutzungswegen oder der finalen Speicherung zugeführt werden kann.
US 5 779 767 betrifft ein Verfahren zur Adsorption von mindestens Kohlendioxid, Wasser und Stickoxiden und Acetylen aus einem Gasstrom, bei dem das Gas mit einer Adsorptionsmittelmischung aus einem Zeolithen und einem Aluminiumoxid in Kontakt gebracht wird. Das Verfahren kann als Wechseladsorptionsverfahren betrieben werden, bei dem das Gas mit dem Adsorptionsmittel bei einer ersten Temperatur und einem ersten Druck in Kontakt gebracht wird, um mindestens Kohlendioxid, Wasser und Stickstoffoxide daraus zu adsorbieren, und das Adsorptionsmittel durch Verringern des Drucks und/oder Erhöhen der Temperatur periodisch regeneriert wird.
EP 0 862 938 A offenbart ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Entfernung von Stickoxiden, Kohlendioxid und Wasser aus Gasen. Der Gasstrom wird bei erhöhtem Druck durch ein Aluminiumoxid-Adsorptionsmittel und ein Zeolith-Adsorptionsmittel, vorzugsweise 13X-Zeolith, geleitet. Das Druckwechseladsorptionsverfahren umfasst die Schritte: (a) Adsorption von Wasser, Kohlendioxid und Stickoxiden bei erhöhtem Druck; (b) Druckentlastung im Gegenstrom; (c) Spülen im Gegenstrom mit an Stickstoffoxid abgereichertem Gas; und (d) erneute Druckbeaufschlagung mit an Stickstoffoxid abgereichertem Gas. EP 1 101 521 A1 stellt ein Mehrkomponenten-Adsorptionsmittelgemisch bereit, das Wasser, Kohlendioxid und Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe aus Luft entfernt. Das Gemisch enthält ein drittes Adsorptionsmittel, das selektiv ausgewählte Stickoxide, Kohlenwasserstoffe oder beides adsorbiert. Das wasserdampfselektive Adsorptionsmittel ist aktiviertes Aluminiumoxid. Das Kohlendioxid-selektive Adsorptionsmittel ist Zeolith 13X. Das dritte Adsorptionsmittel ist Zeolith 5A, der selektiv Distickstoffoxid, Ethylen und Propan adsorbiert.
EP 0 766 989 A1 offenbart ein Verfahren zur Entfernung von mindestens zwei kontaminierenden Gaskomponenten aus einem Einsatzgasstrom, das das Durchführen wiederholter Betriebszyklen umfasst. Der Zufuhrgasstrom wird in einer Zufuhrrichtung bei einem ersten Druck und bei einer ersten Temperatur in Kontakt mit einem festen Adsorptionsmittel gebracht, das in der Lage ist, eine erste der Verunreinigungsgaskomponenten stärker zu adsorbieren, und eine zweite der Verunreinigungsgaskomponenten weniger stark, so dass die erste Verunreinigungsgaskomponente in einem stromauf- wärtigen Abschnitt des Adsorptionsmittels adsorbiert wird und die zweite Verunreinigungsgaskomponente hauptsächlich in einem stromabwärtigen Abschnitt des Adsorptionsmittels adsorbiert wird. Die Zuführung des Speisegasstroms wird angehalten, und das Gas in Kontakt mit dem Adsorptionsmittel wird auf einen zweiten, niedrigeren Druck entspannt, bei dem ein Regenerationsgas bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, in einer Richtung entgegen der Zuführrichtung des Zufuhrgasstroms in Kontakt mit dem Adsorptionsmittel zugeführt wird, um einen Wärmeimpuls zu erzeugen, der sich in der Gegenstromrichtung bewegt, um die weniger stark adsorbierte zweite Verunreinigungsgaskomponente von dem stromabwärtigen (in Bezug auf die Zuführrichtung) Abschnitt durch Temperaturwechseladsorption zu desorbieren, während gleichzeitig die stärker adsorbierte erste Verunreinigungsgaskomponente von dem stromaufwärtigen (in Bezug auf die Zuführrichtung) Abschnitt durch Druckwechseladsorption desorbiert wird. Die Zuführung von Regenerationsgas wird beendet, bevor der Wärmeimpuls sich bis zu dem stromaufwärtigen Abschnitt bewegt, und das Adsorptionsmittel wird wieder unter Druck gesetzt. US 4 249 915 A offenbart ein Verfahren, bei dem Feuchtigkeit und CO2 der atmosphärischen Luft dieser durch Adsorption in getrennten Betten entzogen werden. Das mit Feuchtigkeit beladene Bett wird durch Druckwechseladsorption in einem relativ kurzen Betriebszyklus regeneriert, während das CO2- beladene Bett in erheblich längeren Zeitabständen thermisch regeneriert wird. Das Verfahren wird eingesetzt im Zusammenhang mit der Vorbehandlung von Luft vor der kryogenen Destillation zur Abtrennung von Sauerstoff und Stickstoff darin.
WO 2021 / 206 564 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zum Entfernen von CO2 aus Umgebungsluft oder Rauchgasen, worin ein vorgekühlter Strom der Luft bzw. der Gase durch ein Bett aus CO2-Adsorptions- material in einer ersten Richtung geleitet wird, wodurch CO2 aus der strömenden Luft bzw. dem Gas in dem CO2-Adsorptionsmittelbett adsorbiert wird. Ein Strom aus warmem Heizgas von einer Wärmespeichereinheit wird in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung zu dem CO2-Adsorptionsmittelbett geleitet, um gespeicherte Wärme von der Wärmerückgewinnungseinheit an das CO2-Adsorptionsmittelbett zu übertragen, während gleichzeitig Kälte vom Adsorptionsmittelbett zum Wärmespeicher übertragen wird. Anschließend wird das Heizgas in einem geschlossenen Kreislauf durch das CO2-Adsorptionsmittelbett geleitet, wobei CO2 aus dem CO2-Adsorptionsmittelbett desorbiert wird. Das desorbierte CO2 wird zur Verwendung oder Speicherung extrahiert, dann wird ein Kühlgasstrom durch die Wärmespeichereinheit und das CO2-Adsorptionsmittelbett in der ersten Richtung geleitet, wobei Niedertemperaturwärme an das CO2-Adsorptions- mittelbett und Hochtemperaturwärme vom CO2-Adsorptionsmittelbett zum Wärmespeicher übertragen werden.
Mittlerweile gibt es eine Anzahl von Materialien, die zur CO2-Aufnahme innerhalb einer DAC-Anlage befähigt sind, allerdings nehmen die Materialien entweder relativ hohe CO2-Konzentrationen auf, dann ist die Desorption energieaufwendig, oder die selektive Bindung von CO2 an den Adsorber ist nicht sehr hoch, dann ist die Effizienz insgesamt niedrig und die Kosten für die CO2-Verringerung sind hoch.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und ein System zur Verringerung der Konzentration von Kohlendioxid in der Umgebungsluft und zur Nutzung des aus der Umgebungsluft entfernten Kohlendioxids zur Verfügung zu stellen, die effizient, robust und kostengünstig sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verwertung von in der Umgebungsluft enthaltenem Kohlendioxid. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Trocknung eines Umgebungsluftstroms in einer Entfeuchtungseinheit, daran anschließend die Adsorption von Kohlendioxid aus dem getrockneten Luftstrom in einer Adsorbereinheit, welche ein Adsorbermaterial für CO2 enthält, und anschließend die Desorption von adsorbiertem Kohlendioxid aus der Adsorbereinheit, wobei die Adsorption von Kohlendioxid so lange durchgeführt wird, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist, und dann die Desorption von Kohlendioxid erfolgt.
Die Trocknung des Umgebungsluftstroms erfolgt in einem zweistufigen Prozess, der eine Vortrocknung des Luftstroms in einem kontinuierlich arbeitenden elektrisch betriebenen Vortrockner, der ein kontinuierlich arbeitender Adsorptionstrockner ist, und ein anschließendes Durchleiten des vorgetrockneten Luftstroms durch eine mit einem Kieselgel, Molsieb 3A, Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, aktiviertes Aluminiumoxid oder Zeolith A umfassenden Trocknungsmittel befüllte Trocknungsvorrichtung umfasst.
Die Adsorption von Kohlendioxid aus dem getrockneten Luftstrom erfolgt bei Normaldruck und einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 35°C, und zur Desorption von adsorbiertem Kohlendioxid aus der Adsorbereinheit wird das Adsorbermaterial in der Adsorbereinheit auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 300°C erhitzt und es wird in der Adsorbereinheit ein Unterdrück im Bereich von 10 bis 50 mbar erzeugt.
Die Adsorption von Kohlendioxid (CO2) aus der Umgebungsluft erfolgt in einer stationären Adsorbereinheit. Hierzu wird ein Strom von Umgebungsluft durch eine stationäre Adsorbereinheit geleitet. In der Adsorbereinheit wird der Luftstrom zunächst getrocknet, d.h. im Luftstrom enthaltenes Wasser wird entfernt. Die Trocknung erfolgt in einem zweistufigen Prozess. Dabei erfolgt zunächst eine Vortrocknung des Luftstroms über einen elektrisch betriebenen Vortrockner, der ein kontinuierlich arbeitender Adsorptionstrockner ist. Der Vortrockner arbeitet druckunabhängig und entfernt ca. 30 bis 50% der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit. In einer Ausführungsform erfolgt die Vortrocknung bei einer Temperatur des Luftstroms von maximal 20°C.
In einer zweiten Stufe wird die vorgetrocknete Luft durch eine mit einem Trocknungsmittel befüllte Trocknungsvorrichtung geleitet, um Restfeuchte zu entfernen. Das Trocknungsmittel ist ausgewählt aus Kieselgel (Silicagel), Molsieb 3A, Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, aktiviertem Aluminiumoxid und Zeolith A. In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt die Restfeuchte des Luftstroms nach der Trocknung weniger als 1 g/m3.
Anschließend wird in dem getrockneten Luftstrom enthaltenes Kohlendioxid adsorbiert. Die Adsorbereinheit wird dadurch mit CO2 beaufschlagt. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird dieser Schritt solange durchgeführt, bis ein Abbruchkriterium erreicht wird, beispielsweise bis die Kapazitätsgrenze der Kohlendioxid-Aufnahme der Adsorbereinheit erreicht ist. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird dieser Schritt solange durchgeführt, bis eine vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist. Die aus der Adsorbereinheit herausströmende Luft ist an Kohlendioxid abgereichert.
Die Adsorbereinheit enthält ein Adsorbermaterial, das Kohlendioxid binden kann, und das Kohlendioxid wird von dem in der Adsorbereinheit angeordne- ten Adsorbermaterial adsorbiert. In einer Ausführungsform umfasst das Adsorbermaterial mindestens ein anorganisches Material aus der Klasse der Alumosilikate. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Adsorbermaterial um einen Zeolithen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Adsorbermaterial Zeolith 13X bzw. Molekularsieb 13X oder eine Modifikation davon.
In einer Ausführungsform wird das Adsorbermaterial in granulärer Form eingesetzt. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Adsorbermaterial aus Partikeln mit einer Korngröße, d.h. einem Äquivalentdurchmesser, im Bereich von 1 bis 5 mm. In einer Ausführungsform liegt das Adsorbermaterial in einem Filtermodul der Adsorbereinheit als Schüttung vor. In einer weiteren Ausführungsform ist ein für den Luftstrom durchlässiger Behälter in einem Filtermodul der Adsorbereinheit mit dem Adsorbermaterial gefüllt.
Die Adsorption des Kohlendioxids erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 35°C bei Normaldruck. Die Trocknung des Luftstroms verläuft bei Temperaturen von weniger als 20°C besonders effizient. Auch die Adsorption des Kohlendioxids wird durch niedrige Temperaturen begünstigt, da der Vorgang exotherm ist.
Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Normaldruck durchgeführt, es erfolgt also keine Kompression des eingeleiteten Umgebungsluftstroms.
Nach Beendigung des ersten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise nach Erreichen der Kapazitätsgrenze der Adsorbereinheit oder nach dem Ende einer vorgegebenen Zeitdauer, wird der Luftstrom durch die mit Kohlendioxid beladene Adsorbereinheit unterbrochen und das in der Adsorbereinheit gebundene adsorbierte Kohlendioxid wird anschließend desorbiert. In einer Ausführungsform beträgt die vorgegebene Zeitdauer von 2 h bis 5 h, beispielsweise 4 h. In einer Ausführungsform erfolgt die Desorption des Kohlendioxids aus der Adsorbereinheit durch Erhitzen des Adsorbermaterials in der Adsorbereinheit und Verringerung des Drucks. Dadurch wird das adsorbierte CO2 in die Gasphase überführt und das Filtermodul wird regeneriert. Das aus der Adsorbereinheit abgetrennte CO2 wird einer weiteren Verwendung zugeführt. In einer Ausführungsform beträgt die Dauer der Desorptionsphase von 1 h bis 3 h, beispielsweise 2 h.
Zur Desorption wird das beladene Adsorptionsmaterial auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 300°C, beispielsweise 200°C bis 300°C, oder 250°C bis 300°C, erhitzt und es wird in der Adsorbereinheit ein Unterdrück im Bereich von 10 bis 50 mbar (1 .000 bis 950 mbar absolut) erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zur Desorption das beladene Adsorptionsmaterial auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 150°C erhitzt und es wird ein Hilfsgas durch die Adsorbereinheit geleitet. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Hilfsgas Umgebungsluft. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Adsorbereinheit mit dem Hilfsgas befüllt, anschließend wird in der Adsorbereinheit ein Unterdrück im Bereich von 10 bis 50 mbar (1000 bis 950 mbar absolut) erzeugt, um das freigesetzte CO2 und das Hilfsgas abzusaugen. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Befüllen und Absaugen mehrfach wiederholt, beispielsweise zwei oder drei Mal.
Nach Beendigung der Desorption lässt man die Adsorbereinheit auf Raumtemperatur abkühlen oder kühlt das Adsorbermaterial aktiv ab. In einer Ausführungsform wird nach Beendigung der Desorption direkt eine neue Phase der Adsorption gestartet, d.h. es wird bereits während des Abkühlens wieder Umgebungsluft durch die Adsorbereinheit geleitet. Sobald das Adsorbermaterial ausreichend abgekühlt ist, bindet es wieder CO2 aus dem Umgebungsluftstrom. In einer Ausführungsform dauert es ca. 1 Stunde, bis die ersten CO2 Moleküle wieder haften. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird zur Regeneration des Trocknungsmittels in der Trocknungsvorrichtung das beladene Trocknungsmittel auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 150°C, beispielsweise 100°C bis 120°C, erhitzt und es wird in der Trocknungsvorrichtung ein Unterdrück im Bereich von 10 bis 50 mbar (1000 bis 950 mbar absolut) erzeugt. In einer Ausführungsform dauert die Regeneration von 45 min bis 90 min, beispielsweise 1 h.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird dieses kontinuierlich durchgeführt, d.h. Adsorptionsschritt und Desorptionsschritt erfolgen im Wechsel hintereinander.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine Reihe von Vorteilen, insbesondere kann es einen Beitrag zur Verringerung von Umweltbelastung und Energieverbrauch leisten. Das Kohlendioxid wird so der Atmosphäre bzw. der Umgebungsluft der Adsorbereinheit entzogen. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich der Umgebungsluft in belasteten Zonen, z.B. an stark befahrenen Straßen oder in Tunneln, signifikante Mengen an Kohlendioxid entziehen. In Tunneln lässt sich der Kohlendioxidgehalt der Luft signifikant reduzieren.
Das in der Umgebungsluft enthaltene Kohlendioxid, das z.B. aus den Abgasen von Verbrennungsmotoren stammt, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren industriell nutzbar gemacht, da es nach der Desorption in konzentrierter Form zur Verfügung steht und nicht mehr durch die anderen Luftbestandteile verdünnt ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein System zur Verwertung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft. Das System weist eine Einströmöffnung auf, welche strömungstechnisch mit einer Austrittsöffnung verbunden ist, die ein Gebläse oder einen Ventilator aufweist, so dass ein Luftkanal gebildet ist und Luft aus der Umgebung angesaugt und durch eine Entfeuchtungseinheit und eine Adsorbereinheit geführt wird. Die Entfeuchtungseinheit ist dafür eingerichtet, einen dem System zugeführten Umgebungsluftstrom zu trocknen, und die Adsorbereinheit ist dafür eingerichtet, Kohlendioxid aus dem getrockneten Umgebungsluftstrom während einer Adsorptionsphase zu binden und gebundenes Kohlendioxid während einer Desorptionsphase freizusetzen. Das System umfasst ein Desorptionsmodul, das dazu eingerichtet ist, in der Adsorbereinheit adsorbiertes Kohlendioxid aus dieser zu desorbieren. Das System umfasst Heizmittel, um während der Desorptionsphase einen Wärmeeintrag in die Adsorbereinheit einzubringen, und Unterdruckmittel, um während der Desorptionsphase einen Unterdrück in der Adsorbereinheit zu erzeugen. Die Entfeuchtungseinheit umfasst einen kontinuierlich arbeitenden elektrisch betriebenen Vortrockner, der ein kontinuierlich arbeitender Adsorptionstrockner ist, und eine diesem nachgeschaltete Trocknungsvorrichtung, die mit einem Trocknungsmittel befüllt ist, das Kieselgel, Molsieb 3A, Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, aktiviertes Aluminiumoxid oder Zeolith A umfasst.
Das System weist eine stationäre Adsorbereinheit, die zur Adsorption von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft eingerichtet ist, und ein Desorptionsmodul, das dazu eingerichtet ist, in der Adsorbereinheit adsorbiertes Kohlendioxid aus dieser zu desorbieren, auf. Das System ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Das System umfasst eine Adsorbereinheit, die zur Adsorption von Kohlendioxid (CO2) aus der Umgebungsluft eingerichtet ist. In einer Ausführungsform umfasst die Adsorbereinheit ein Gehäuse mit wenigstens einer Ein- und Ausströmöffnung in der Gehäusewandung, ein Filtermodul im Inneren des Gehäuses, welches strömungstechnisch mit der Ein- und Austrittsöffnung verbunden ist, so dass ein Luftkanal gebildet ist, und eine Luftansaug- Vorrichtung, um Luft aus der Umgebung anzusaugen und durch das Filtermodul zu führen. In einer Ausführungsform ist die Luftansaug-Vorrichtung ein Gebläse. In einer anderen Ausführungsform ist die Luftansaug-Vorrichtung ein Ventilator. In einer Ausführungsform ist die Luftansaug-Vorrichtung für einen nominalen Luftstrom von 1.000 bis 15.000 m3/h, beispielsweise von 8.000 bis 12.000 m3/h, ausgelegt. Hierfür ist eine Gebläseleistung bzw. Ventilatorleistung im Bereich von 1 bis 15 kW erforderlich. Im Luftkanal der Adsorbereinheit ist eine Trocknungsvorrichtung bzw. Entfeuchtungsvorrichtung vorgesehen, die Wasser aus dem Luftstrom entfernt, bevor er in das Filtermodul eintritt. Durch die Trocknung des Luftstroms wird verhindert, dass die Adsorptionskapazität des Adsorbermaterials für Kohlendioxid durch Wasserbeladung geschmälert wird.
Die Trocknungsvorrichtung umfasst einen kontinuierlich arbeitenden elektrisch betriebenen Vortrockner, der ein kontinuierlich arbeitender Adsorptionstrockner ist. In einer Ausführungsform weist der Vortrockner eine Leistungsaufnahme im Bereich von 9 kW bis 15 kW auf.
Die Trocknungsvorrichtung umfasst stromabwärts des Vortrockners eine Einheit mit einem Trocknungsmittel, das Wasser aus dem Luftstrom entfernt. Das Trocknungsmittel ist ausgewählt aus Silicagel, Molsieb 3A, Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, aktiviertes Aluminiumoxid und Zeolith A.
Die Adsorbereinheit enthält ein Adsorbermaterial, welches dazu eingerichtet ist, Kohlendioxid (CO2) adsorptiv zu binden. In einer Ausführungsform enthält die Adsorbereinheit ein CO2 bindendes Mittel auf der Basis von Aluminiumsilikat, das eine Adsorptionskapazität für vorgetrocknetes CO2 von bis zu 20 Gew.-% aufweist. In einer speziellen Ausführungsform umfasst das Adsorbermaterial Alumosilikate, beispielsweise amorphes Aluminiumsilikat. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Adsorbermaterial um einen Zeolithen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Adsorbermaterial Zeolith 13X bzw. Molekularsieb 13X oder eine Modifikation davon.
In einer Ausführungsform wird das Adsorbermaterial in granulärer Form eingesetzt. In einer weiteren Ausführungsform besteht das Adsorbermaterial aus Partikeln mit einer Korngröße, d.h. einem Äquivalentdurchmesser, im Bereich von 1 bis 5 mm. In einer Ausführungsform liegt das Adsorbermaterial in einem Filtermodul der Adsorbereinheit als Schüttung vor. In einer weiteren Ausführungsform ist ein für den Luftstrom durchlässiger Behälter in einem Filtermodul der Adsorbereinheit mit dem Adsorbermaterial gefüllt. In einer Ausführungsform ist am Ausgang der Adsorbereinheit ein CO2- Sensor angeordnet, der den CC -Gehalt des austretenden Gasstroms misst. Während der Adsorptionsphase ist der CC -Gehalt des austretenden Gasstroms sehr gering. Nach dem Erreichen der Kapazitätsgrenze des Adsorbermaterials steigt der CC -Gehalt des austretenden Gasstroms schnell an ("Durchbruch"). Der CO2-Sensor ermöglicht daher, es schnell und zuverlässig zu erkennen, wenn die Kapazitätsgrenze des Adsorbermaterials erreicht ist.
In einer Ausführungsform ist die Adsorbereinheit eine stationäre Anlage, die an Orten eingesetzt wird, an denen hohe Kohlendioxidkonzentrationen in der Luft auftreten, z.B. in Ballungsgebieten, an stark befahrenen Straßen oder in Tunneln. In einer Ausführungsform ist die Adsorbereinheit in einem Tunnel montiert, z.B. an der Tunneldecke. Es können in einem Tunnel auch mehrere Adsorbereinheiten vorhanden sein. In einer anderen Ausführungsform ist die stationäre Adsorbereinheit außerhalb des Tunnels angeordnet und über geeignete Vorrichtungen wird ein Luftstrom aus dem Tunnelinneren abgesaugt, durch die Adsorbereinheit geleitet und anschließend wieder in den Tunnel zurückgeführt.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Adsorbereinheit für einen nominalen Luftstrom von 1.000 bis 15.000 m3/h, beispielsweise von 8.000 bis 12.000 m3/h ausgelegt. Hierfür ist eine Ventilatorleistung im Bereich von 1 bis 15 kW, insbesondere von 1 bis 5 kW, beispielsweise von 2 bis 3 kW erforderlich.
Das erfindungsgemäße System umfasst ein Desorptionsmodul, das dazu eingerichtet ist, in dem Adsorbermaterial adsorbiertes Kohlendioxid aus diesem zu desorbieren. In dem Desorptionsmodul wird aus dem mit CO2 gesättigten Adsorbermaterial durch die Kombination von Wärme und leichten Unterdrück das CO2 vom Adsorbermaterial gelöst. Etwaige Verunreinigungen verbleiben auf dem Adsorbermaterial. Das reine CO2 wird abgesaugt und verlässt nahezu drucklos das Desorptionsmodul. Es kann dann direkt weiterverwendet werden.
In einer Ausführungsform ist das Desorptionsmodul dazu eingerichtet, den Druck in einem mit einem Adsorbermaterial gefüllten Filtermodul zu verringern und das Adsorbermaterial zu erhitzen und dadurch Kohlendioxid aus dem Filtermodul zu desorbieren und aus dem Filtermodul abzusaugen.
In einer anderen Ausführungsform ist das Desorptionsmodul dazu eingerichtet, ein Hilfsgas in ein mit einem Adsorbermaterial gefüllten Filtermodul zu einzuleiten und das Adsorbermaterial zu erhitzen und dadurch Kohlendioxid aus dem Filtermodul zu desorbieren und aus dem Filtermodul auszuleiten.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels illustriert und wird unter Bezugnahme auf das Beispiel und die zugehörige Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt.
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Verwertung von Kohlendioxid.
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10 zur Verwertung von Kohlendioxid. Ein Kohlendioxid enthaltender Luftstrom wird in den Lufteintritt 11 einer Entfeuchtungseinheit 12 geleitet, die zur Entfernung von Wasser aus dem Luftstrom eingerichtet ist und beispielsweise einen ein Trocknungsmittel enthält. In einer Ausführungsform ist der Entfeuchtungseinheit ein elektrisch betriebener Vortrockner vorgeschaltet. Der getrocknete Luftstrom wird in eine Adsorbereinheit 13 geleitet, die zur Adsorption von Kohlendioxid (CO2) aus dem getrockneten Luftstrom eingerichtet ist und ein Adsorbermaterial für Kohlendioxid enthält. Der an Koh- lendioxid abgereicherte Luftstrom verlässt die Adsorbereinheit 13 durch einen mit einem Ventilator oder Gebläse ausgestatteten Luftaustritt 14. Während des Betriebs erfolgt eine Adsorption von CO2 in der Adsorbereinheit 13. Die Adsorbereinheit 13 wird dadurch mit CO2 beaufschlagt und kann bis zur Aufnahmegrenze der Adsorbereinheit CO2 aufnehmen.
Ein Desorptionsmodul 15 ist dafür eingerichtet, in der Adsorbereinheit 13 einen Unterdrück zu erzeugen und das in der Adsorbereinheit 13 enthaltene Adsorbermaterial zu erhitzen. Dadurch wird das adsorbierte Kohlendioxid desorbiert und abgesaugt. Das CO2 geht in die Gasphase über, das Adsorbermaterial wird regeneriert. In der dargestellten Ausführungsform ist das Desorptionsmodul 15 auch dafür eingerichtet, in der Entfeuchtungseinheit 12 einen Unterdrück zu erzeugen und das in der Entfeuchtungseinheit 12 enthaltene Trocknungsmittel zu erhitzen, um das Trocknungsmittel zu regenerieren.
Mit einer prototypischen Demonstrationsanlage wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. In die Entfeuchtungseinheit 12 wurde 1 Tonne Kieselgel mit einer Oberfläche von >300 m2/g und einer Schüttdichte von 690-785 kg/m3 gefüllt und in die Adsorbereinheit 13 wurde 1 Tonne Zeolithpartikel mit einem nominalen Porendurchmesse von 0,8 nm, einem mittleren Partikeldurchmesser von 2 mm und einer Schüttdichte von 660 kg/m3 gefüllt. Nach Inbetriebnahme der Anlage wurde am Ausgang 14 ein sofortiger rascher Abfall der CO2-Konzentration von 440 ppm auf 163 ppm und dann weiter auf 29 ppm gemessen. Entscheidend für eine effiziente CO2 Aufnahme in der Adsorbereinheit 13 ist die Kontrolle von Taupunkt/Feuchte in der Entfeuchtungseinheit 12, die im Experiment bei 0,5 g/m3 lag.
Die Adsorption von Feuchtigkeit in der Entfeuchtungseinheit 12 und von CO2 in der Adsorbereinheit 13 bewirkte einen Temperaturanstieg von ca. 28°C auf 33°C, da beide Adsorptionsvorgänge exotherm verlaufen.
Auch unter ungünstigen Bedingungen (25°C, 12 g/m3 Feuchte) wurden bei Durchleiten von 2.000 m3/h Luft mit einem Kohlendioxidgehalt von 440 ppm 94 Prozent des im Luftstrom enthaltenen Kohlendioxids entfernt und es wurde innerhalb von 20 Minuten ca. 1 kg CO2 abgeschieden. Bezugszeichenliste
10 System
11 Lufteinlass
12 Entfeuchtungseinheit
13 Adsorbereinheit 14 Luftauslass
15 Desorptionsmodul

Claims

PATENTANSPRÜCHE: Verfahren zur Verwertung von in der Umgebungsluft enthaltenem Kohlendioxid, umfassend die Trocknung eines Umgebungsluftstroms in einer Entfeuchtungseinheit (12) und anschließend die Adsorption von Kohlendioxid aus dem getrockneten Luftstrom in einer Adsorbereinheit (13), welche ein Adsorbermaterial für CO2 enthält, und anschließend die Desorption von adsorbiertem Kohlendioxid aus der Adsorbereinheit (13), wobei die Adsorption von Kohlendioxid so lange durchgeführt wird, bis ein Abbruchkriterium erreicht ist, und dann die Desorption von Kohlendioxid erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung des Umgebungsluftstroms in einem zweistufigen Prozess erfolgt, der eine Vortrocknung des Luftstroms in einem kontinuierlich arbeitenden elektrisch betriebenen Vortrockner, der ein kontinuierlich arbeitender Adsorptionstrockner ist, und ein anschließendes Durchleiten des vorgetrockneten Luftstroms durch eine mit einem Kieselgel, Molsieb 3A, Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, aktiviertes Aluminiumoxid oder Zeolith A umfassenden Trocknungsmittel befüllte Trocknungsvorrichtung umfasst, dass die Adsorption von Kohlendioxid aus dem getrockneten Luftstrom bei Normaldruck und einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 35°C erfolgt, und dass zur Desorption von adsorbiertem Kohlendioxid aus der Adsorbereinheit (13) das Adsorbermaterial in der Adsorbereinheit (13) auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 300°C erhitzt und in der Adsorbereinheit (13) ein Unterdrück im Bereich von 10 bis 50 mbar erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , worin das Abbruchkriterium das Erreichen der Kapazitätsgrenze des Adsorbermaterials für die Adsorption von CO2 ist. Verfahren nach Anspruch 1 , worin das Abbruchkriterium der Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Adsorbermaterial für CO2 amorphes Aluminiumsilikat umfasst. 5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Restfeuchte des Luftstroms nach der Trocknung weniger als 1 g/m3 beträgt.
6. System (10) zur Verwertung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft, welches eine Einströmöffnung (11 ) aufweist, welche strömungstechnisch mit einer Austrittsöffnung (14) verbunden ist, die ein Gebläse oder einen Ventilator aufweist, so dass ein Luftkanal gebildet ist und Luft aus der Umgebung angesaugt und durch eine Entfeuchtungseinheit (12) und eine Adsorbereinheit (13) geführt wird, wobei die Entfeuchtungseinheit (12) dafür eingerichtet ist, einen dem System (10) zugeführten Umgebungsluftstrom zu trocknen, und wobei die Adsorbereinheit (13), dafür eingerichtet ist, Kohlendioxid aus dem getrockneten Umgebungsluftstrom während einer Adsorptionsphase zu binden und gebundenes Kohlendioxid während einer Desorptionsphase freizusetzen, und wobei das System (10) ein Desorptionsmodul (15) umfasst, das dazu eingerichtet ist, in der Adsorbereinheit (13) adsorbiertes Kohlendioxid aus dieser zu desorbieren, und Heizmittel umfasst, um während der Desorptionsphase einen Wärmeeintrag in die Adsorbereinheit (13) einzubringen, und Unterdruckmittel umfasst, um während der Desorptionsphase einen Unterdrück in der Adsorbereinheit (13) zu erzeugen, wobei die Entfeuchtungseinheit (12) einen kontinuierlich arbeitenden elektrisch betriebenen Vortrockner, der ein kontinuierlich arbeitender Adsorptionstrockner ist, und eine diesem nachgeschaltete Trocknungsvorrichtung umfasst, die mit einem Trocknungsmittel befüllt ist, das Kieselgel, Molsieb 3A, Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, aktiviertes Aluminiumoxid oder Zeolith A umfasst.
7. System (10) nach Anspruch 6, worin am Ausgang der Adsorbereinheit (13) ein CO2-Sensor angeordnet ist, der den CC -Gehalt des austretenden Gasstroms misst.
8. System (10) nach Anspruch 6 oder 7, worin die Adsorbereinheit (13) amorphes Aluminiumsilikat als Adsorbermaterial für CO2 enthält.<
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