EP4504382A1 - Co2-adsorptionsvorrichtung zum trennen von co2 (kohlenstoffdioxid) aus luft - Google Patents

Co2-adsorptionsvorrichtung zum trennen von co2 (kohlenstoffdioxid) aus luft

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Publication number
EP4504382A1
EP4504382A1 EP23708490.0A EP23708490A EP4504382A1 EP 4504382 A1 EP4504382 A1 EP 4504382A1 EP 23708490 A EP23708490 A EP 23708490A EP 4504382 A1 EP4504382 A1 EP 4504382A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
adsorption
chamber
air
bodies
heating
Prior art date
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Pending
Application number
EP23708490.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Bauer
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4504382A1 publication Critical patent/EP4504382A1/de
Pending 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
    • B01D53/02—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
    • 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
    • B01D53/0438—Cooling or heating systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D53/0462—Temperature swing adsorption
    • 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
    • B01D2258/06—Polluted air

Definitions

  • CO2 adsorption device for separating CO2 (carbon dioxide) from air
  • the invention relates to a CO2 adsorption device for separating CO2 (carbon dioxide) from an air stream supplied, in particular by means of a fan unit, by means of a cyclically carried out adsorption-desorption process, a CO2 adsorption system with such a CO2 adsorption device and a method for introducing and /or discharging a bed of CO2 adsorption bodies into a CO2 adsorption device.
  • DAC direct air capture systems
  • the WO 2014/170184 Al and the WO 2015/185434 Al disclose such a first system in which CO2 from the air in a first system is temporarily bound to an adsorber medium in a first step by conveying it using a fan (adsorption), so that in In a second step, after closing the unit from the environment, the CO2 can be removed from the adsorber medium and fed to the second system via pipes (desorption).
  • adsorption as is familiar to a person skilled in the art, is carried out under different physical conditions than desorption. This means, for example, adsorption takes place at 25°C, 1013 mbar and a relative humidity of 50% RH, and desorption takes place at 80°C and 200 mbar.
  • the adsorbent In order to be able to carry out desorption at an elevated temperature on the adsorbent, the adsorbent must be heated. The adsorbents degenerate at elevated temperatures, so everything should be cooled down quickly afterwards.
  • Cost-effective heating can be achieved, for example, using existing heat flows that are coupled from neighboring systems to the first system using fluid-conducting temperature control lines, but the disadvantage is that heat exchangers, pumps, valves, sensors and pipes have to be used for this and the adsorbent has to be heated by means of a e.g. heating coil register (the adsorbent is arranged around the heating coils), so that these devices require high investment costs, but above all have a high heat capacity (weight of the stainless steel used for pipes, etc.).
  • the adsorbent can only absorb CO2 again after cooling, the system must be cooled back to almost ambient temperature after desorption for effective operation. Cooling with ambient air takes a comparatively long time in known systems due to the high heat capacity, so that the adsorbent also degenerates unnecessarily. Active cooling has to cool down the heating system described above with cooling water and requires additional pumps and heat exchangers, etc., so that the overall system of the first system becomes more complex and therefore less self-sufficient.
  • the external thermal energy required at a high temperature level for desorption and/or at a low temperature level for cooling can be significantly reduced, but the energy requirement then shifts to an electrical energy requirement for the heat pump, whereas the effort and costs for piping, valves, Pumps and heat exchangers are likely to become even larger.
  • the heat transfer fluid must be emptied from the fluid-heated register (heating coils). Then the lines are separated, the register removed, the adsorber replaced, the register reinstalled and the fluid connections reconnected. Ultimately, the fluid lines must be checked for leaks before the system can be refilled. Forecasted systems consist of >>1000 initial systems, each with >10 supports, which must be renewed regularly.
  • the subject of the present invention is a CO2 adsorption device for separating CO2 (carbon dioxide) from an air stream supplied, in particular by means of a fan unit, by means of a cyclically feasible adsorption-desorption process, with an adsorption chamber, in the interior of which an air-permeable separating element is arranged, whereby the interior is divided by means of the air-permeable separating element into an injection chamber, into which the air flow can be fed via an inlet opening, and into an adsorbent chamber, from which the CO2-reduced air flow can be removed via an outlet opening, with a loosely arranged bed of in the adsorbent chamber CO2 adsorption bodies and a heating unit for heating the bed of CO2 adsorption bodies are arranged, wherein in intended use the adsorbent chamber is arranged above the injection chamber, so that the loosely arranged bed of CO2 adsorption bodies is arranged resting on the air-permeable separating element.
  • CO2 carbon dioxide
  • the present invention further relates to a CO2 adsorption system with a CO2 adsorption device according to the type described above and a control unit for controlling the heating unit for the adsorption-desorption process.
  • the present invention also relates to a method for introducing and/or discharging a bed of CO2 adsorption bodies into a CO2 adsorption device according to the type described above or into a CO2 adsorption system according to the type described above for separating CO2 (carbon dioxide) from one , in particular by means of a fan unit, air flow supplied by means of a cyclically carried out adsorption-desorption process, with the filling of CO2 adsorption bodies via the outlet opening and / or the adsorbent opening Adsorption chamber of the CO2 adsorption device is blown into it and / or sucked out of it.
  • the CO2 adsorption device according to the invention now makes it possible to use very simple and efficient large-scale approaches to CO2 capture, such as horizontal tanks or containers or (ISO) containers, which have significant cost reduction potential by scaling the size instead of parallelization enable complex systems.
  • the CO2 adsorption device according to the invention allows very simple introduction and replacement of the CO2 adsorption material and, if necessary, the heating unit, which means that there is significantly less maintenance effort.
  • the basic functionality of the CO2 adsorption device can be analogous to the device according to WO 2015/185434 Al described in the introduction.
  • separation includes a separation, for example separation, of CO2 from the air.
  • the term “supply” or “supplied” includes both an actively carried out or induced and a passively carried out or induced supply of the air flow. Consequently, the air flow can be technically controlled or regulated, for example by means of a fan unit, but also supplied in a natural way.
  • the adsorption chamber can be designed as a horizontally aligned circular cylinder, in particular a horizontal tank or container, or as a cuboid, in particular a container, preferably an ISO container.
  • the diameter or the height and the length of the adsorption chamber are understandably adapted to the application or the air requirement.
  • the diameter or height can be 4 to 5 m and the length of the adsorption chamber can be, for example, 10 to 20 m.
  • the adsorption device can also be integrated into an air conditioning system, for example, so that the diameter or the height and the length of the adsorption chamber can be correspondingly smaller.
  • An air-permeable separating element is arranged inside the adsorption chamber, which divides the interior into an injection chamber, ie an injection area, and an adsorbent chamber, ie an adsorbent area. Ie, in other words, that the adsorption chamber has two sub-chambers or areas which are/are separated by means of the air-permeable separating element. Due to the air permeability of the separating element, the injection chamber and the adsorbent chamber are fluidly connected to one another.
  • the air-permeable separating element can, for example, be designed in the form of a grid or plate.
  • the air-permeable separating element can advantageously be designed to be heatable, i.e. directly heatable, in order to prepare the bed of CO2 adsorption bodies for the desorption process heat.
  • the air-permeable separating element can preferably be designed to be electrically heatable and, in particular, have corresponding electrical connections for this purpose.
  • the air-permeable separating element can have an electrically conductive polymer or an electrically conductive polymer composite material for electrical heatability. With this measure, the heating of the CO2 adsorption bodies and thus the desorption process can be accelerated or optimized very easily.
  • the air flow can be fed into the injection chamber via an inlet opening of the adsorption chamber, from there can be guided into the adsorbent chamber via the air-permeable separating element and can then be removed from the adsorbent chamber via an outlet opening of the adsorption chamber.
  • the injection chamber, the adsorbent chamber and the air-permeable separating element arranged between them are designed in such a way that the air flow supplied from the injection chamber can be guided essentially homogeneously or uniformly into the adsorbent chamber and thus through the bed of CO2 adsorption bodies.
  • the injection chamber is used together with the air-permeable separating element to guide the air flow homogeneously or evenly through the bed of CO2 adsorption bodies in order to achieve optimized CO2 adsorption.
  • the inlet opening is preferably arranged on a top or a lateral outside of the adsorption chamber.
  • the outlet opening is preferably arranged on an underside or a lateral outside of the adsorption chamber.
  • the outlet opening can be designed as a manhole, for example for assembly or maintenance purposes.
  • the outlet opening can be designed in such a way that the bed of CO2 adsorption bodies can be introduced into the adsorbent chamber, in particular blown in, and/or can be removed from the adsorbent chamber, in particular blown out.
  • At least one adsorbent opening can be provided on the adsorption chamber, by means of which the bed of CO2 adsorption bodies can be introduced into the adsorbent chamber, in particular blown in, and / or can be discharged from the adsorbent chamber, in particular blown out.
  • the at least one adsorbent opening can be arranged on a top or a lateral outside of the adsorption chamber.
  • the heating unit is designed to heat the bed of CO2 adsorption bodies in order to specifically release adsorbed CO2 again, i.e. to initiate or accelerate the desorption process.
  • the heating unit is preferably in heat-transferring contact with the bed of CO2 adsorption bodies.
  • the heating unit preferably has at least one heatable heating body. More preferably, the heating unit has a plurality of heatable heating bodies, between which the loose bed of CO2 adsorption bodies is arranged in heat-transferring contact with them.
  • the at least one heatable heating body can be selected from the group consisting of: heating grid, heating plate, heating coil, heating tube, heating rod.
  • the at least one heatable heating body is designed to be electrically heatable, in particular having corresponding electrical connections for this purpose.
  • the ability to heat the heating body electrically offers a number of advantages over, for example, the fluid-conducting or water-conducting temperature control lines according to the prior art described in the introduction.
  • the electrically heated heating body offers a much more dynamic temperature profile, since parts or bodies with a high heat capacity, such as water, robust lines, connecting pieces, T-pieces, and possibly heat exchangers, are eliminated, so that the electrically heated heating body heats up faster can heat up and cool down again.
  • an existing fan unit is sufficient to quickly cool down the CO2 adsorption bodies, as no large heat capacities have a dampening effect. This enables the desired faster changes between desorption and adsorption, which can increase overall efficiency and reduce energy requirements.
  • the complexity of the CO2 adsorption device also decreases significantly, since no heat exchangers are necessary and there may also be no need for active cooling after thermal desorption, e.g. in temperate climate zones. This also results in lower maintenance costs and better suitability for self-sufficient installation with little maintenance effort.
  • the electricity requirement for the desorption phase is comparable to the requirement of a heat pump that heats a heat transfer fluid for the desorption phase.
  • the at least one heatable heating body has an electrically conductive polymer (heat inducing thermoplastics, HiT) or an electrically conductive polymer composite material for electrical heatability.
  • the electrically conductive polymer composite material can have a polymer, in particular an electrically non-conductive polymer, and electrically conductive particles.
  • the electrically conductive polymer or the polymer composite material is very suitable for the heating body because it heats up quickly due to the high electrical resistance and cools down quickly due to the low heat capacity and is also robust and has good chemical resistance. It is particularly advantageous here that a maximum temperature can be set for these composite materials, ie the heating is self-limiting, so that temperatures that are too high can be reliably avoided. Since the thermal expansion of the polymer causes the conductive components to move away from each other when heated, the resistance increases as the temperature increases.
  • the at least one heatable heating body can be designed to be air-permeable, in particular grid-shaped or perforated plate-shaped or perforated, so that the supplied air flow can flow through it largely unhindered.
  • the at least one heatable heating body can be designed to be pluggable in the interior of the adsorption chamber and/or to be inserted into the interior of the adsorption chamber from the outside.
  • a plurality of essentially vertically aligned heatable heating bodies in particular air-permeable heating grids and/or air-permeable heating plates arranged parallel to one another, is preferred.
  • the CO2 adsorption bodies are designed or set up for use in a CO2 adsorption device in order to separate CO2 from an air stream or the air by means of a cyclically carried out adsorption-desorption process.
  • the loose bed of CO2 adsorption bodies is arranged in the adsorbent chamber resting on the air-permeable separating element. This is achieved, among other things, by arranging the adsorbent chamber above the injection chamber when used as intended.
  • the CO2 adsorption bodies are designed to be pourable or flowable.
  • a mixture of CO2 adsorption bodies has a pourable or flowable form.
  • a large number of CO2 adsorption bodies represent a bed.
  • the bed can, for example Bulk density of greater than or equal to 0.1 l/100g to less than or equal to 50 l/100g, preferably greater than or equal to 1 l/100g to less than or equal to 20 l/100g, and/or a total pressure loss of less than or equal to 400Pa, particularly preferred less than or equal to 200 Pa.
  • the CO2 adsorption bodies can be spherical or pellet-shaped. In the context of the present invention, the terms spherical and ball-shaped are used essentially synonymously.
  • the CO2 adsorption bodies can be designed as “grains”.
  • the CO2 adsorption bodies can have an average diameter of greater than or equal to 0.5 mm to less than or equal to 5 mm, preferably greater than or equal to 1 mm to less than or equal to 2 mm. However, the CO2 adsorption bodies can also be designed as “cotton balls”.
  • the CO2 adsorption bodies can have an average diameter of greater than or equal to 5 mm to less than or equal to 100 mm, preferably greater than or equal to 10 mm to less than or equal to 50 mm, particularly preferably greater than or equal to 15 to less than or equal to 30 mm.
  • the CO2 adsorption bodies can have CO2-adsorbing fibers as well as stabilizing fibers, which are resistant to moisture and mechanical stress and form a fiber composite with the CO2-adsorbing fibers.
  • the CO2-adsorbing fibers are designed to bind or filter CO2 from the air by means of adsorption.
  • the CO2-adsorbing fibers can have or consist of at least one corresponding adsorbent with a CO2-binding property.
  • the CO2-adsorbing fibers can be produced in a manner known to those skilled in the art. Accordingly, the CO2-adsorbing fibers themselves can have a CO2-binding property.
  • the CO2-adsorbing fibers can be appropriately coated, impregnated or functionalized with the at least one adsorbent to achieve the CO2-binding property.
  • the CO2-adsorbing fibers can have or consist of carrier fibers as a carrier structure without CO2-binding properties.
  • the carrier fibers can have or consist of a base material which is selected from at least one material the following group: resins, polymers, ceramics, zeolites, silicates, organometallic compounds, organic materials such as cellulose or activated carbon.
  • the carrier fibers can in turn be specifically coated, impregnated or functionalized with amines, potassium carbonate or other components that are designed to chemically or physically bind CO2.
  • the CO2-adsorbing fibers preferably have or consist of cellulose fibers functionalized with amines. It should be noted that amines can be suitably bound to cellulose, but not to the polymer fibers or synthetic fibers mentioned above.
  • the stabilizing fibers can in turn be designed to hold the fiber composite in a spherical shape, so that the CO2 adsorption bodies are designed to be pourable and/or flowable.
  • a spherical or ball-shaped fiber composite instead of known CO2 adsorption mats, which consist of functionalized cellulose, a spherical or ball-shaped fiber composite can be provided with additional stabilizing fibers, which are resistant to moisture and mechanical stress and are also designed to form the fiber composite in to maintain the spherical shape or spherical shape/ball shape - analogous to so-called “filter balls” - so that the CO2 adsorption bodies are pourable and/or flowable.
  • a fiber composite is to be understood as a mechanical composite made up of the stabilizing fibers and the CO2-adsorbing fibers.
  • the stabilizing fibers and the CO2-adsorbing fibers are preferably processed together, in particular woven together into a fabric and/or spun into a yarn, in order to form the fiber composite.
  • the CO2-adsorbing fibers can be formed (intrinsically) within the stabilizing fibers due to the manufacturing process.
  • the CO2-adsorbing fibers were formed within a stabilizing fiber structure during manufacture. This can be achieved, for example, by freeze-drying the CO2-adsorbing fibers, for example cellulose fibers, from a solution in which stabilizing fibers are already floating.
  • the stabilizing fibers can form a ball-like outer network, in whose cavity the CO2-adsorbing fibers are enclosed.
  • the fiber composite preferably has a proportion of stabilizing fibers of between greater than or equal to 10% by mass to less than or equal to 90% by mass.
  • the stabilizing fibers are fibers that are different from the CO2-adsorbing fibers. It is advantageous if the stabilizing fibers are selected from the group consisting of: polymer fibers, synthetic fibers, cellulose-free natural fibers, glass fibers, mineral fibers, rock wool fibers, carbon fibers or combinations thereof.
  • the polymer fibers and the cellulose-free natural fibers are preferably selected from the group consisting of: PE (polyethylene), PP (polypropylene), PVDF (polyvinylidene fluoride), PET (polyethylene terephthalate), wool, or mixtures thereof.
  • the polymer fibers can be made from recycled polymer fiber material, in particular from PET bottle recycling material, and/or the carbon fibers can be made from recycled carbon fiber material, in particular cut carbon fibers from recycling processes.
  • This selection offers the advantage that these fibers or materials have the required resistance to moisture and mechanical stress and are also easy to process. Cellulose is excluded here, as it would lose the required porosity over time, particularly under high humidity and mechanical stress, and would therefore collapse and become matted.
  • the carbon fibers also offer the advantage that they can be used to conduct electricity, so that the fill itself can be heated.
  • the CAPEX should only increase with higher outputs according to the average degression exponent of 2/3, ie if the output is doubled, the effort should be on average 2 A (2/3) times, i.e. 1.587 times.
  • OPEX should only be tied to energy requirements - and personnel costs for operation and maintenance should ideally be independent of the size.
  • the lying bed of CO2 adsorption bodies offers the great advantage that the CO2 adsorption bodies - in contrast to the CO2 adsorption mats, which are difficult to assemble in the CO2 adsorber device - due to the spherical shape or spherical shape/ball shape are formed, so that they can be blown into the CO2 adsorber device and sucked out again from it.
  • the spherical or ball-shaped CO2 adsorption bodies offer better utilization of space compared to the CO2 adsorption mats and thus a higher volume efficiency.
  • the spherical or ball-shaped CO2 adsorption bodies are subject to mechanical stresses both during operation, especially with higher fills, as well as during the blowing and suction process, to which the CO2 adsorption mats enclosed in a frame are not exposed and therefore do not have the required stability . Consequently, the stabilizing fibers are resistant to moisture and mechanical stress, so that in particular the CO2 adsorption bodies collapse during operation as well as matting and thus clumping in the injection or suction pipe can be prevented.
  • the CO2 adsorption device can further have a valve unit, which comprises a plurality of valves and is designed to form a closed adsorption chamber for the desorption.
  • the valve unit can have an inlet valve, which is arranged in an inlet channel fluidly connected to the inlet opening and is designed to close the inlet channel and isolate the absorption chamber upstream.
  • the valve unit can further have an outlet valve, which is arranged in an outlet channel for the CO2-reduced air flow that is fluidly connected to the outlet opening and is designed to close the outlet channel and isolate the absorption chamber downstream.
  • the valve unit can also have a CO2 valve, which is arranged in a CO2 outlet channel and is designed to open the CO2 outlet channel in order to specifically release the adsorbed, i.e. bound/filtered and again desorbed, i.e. released CO2 from the adsorption chamber.
  • the CO2 adsorption device can also have a pump unit which is designed to generate a negative pressure in the adsorption chamber.
  • the CO2 Adsorption device on the C02 outlet channel has a pressure accumulator receiving unit for detachably accommodating a C02 pressure accumulator. Since 5-50 bar CO2 pressure should be achieved for this, the pump unit can have a high-pressure pump.
  • the pump unit can therefore have, for example, a combination of a vacuum pump with a compressor.
  • the CO2 adsorption system preferably has a fan unit for supplying and/or discharging the air flow, the control unit being designed to further control the fan unit for the adsorption-desorption process.
  • the CO2 adsorption system can also have a straightening unit which is designed to straighten increases in the bed of CO2 adsorption bodies so that the height distribution of the bed in the interior of the adsorption chamber is essentially uniform.
  • the straightening unit can be designed, for example, as a shaking unit or as a pulling unit, in particular a pulling bar.
  • new CO2 adsorption bodies are preferably blown in and these are sucked out again after their degeneration due to several adsorption-desorption cycles.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a CO2 according to the invention
  • Adsorption device with a bed of CO2 adsorption bodies
  • Fig. 2 is a perspective view of the interior of the CO2 adsorption device according to the invention from Fig. 1.
  • Fig. 1 shows a CO2 adsorption device, which is provided with the reference number 10 in its entirety.
  • the CO2 adsorption device 10 is designed to separate CO2 (carbon dioxide) from an air stream 12 supplied by means of a fan unit (not shown) by means of a cyclically feasible adsorption-desorption process.
  • the CO2 adsorption device 10 has an adsorption chamber 14.
  • the adsorption chamber 14 is designed as a horizontal tank 14.
  • the adsorption chamber 14 has an inlet opening 16 on a lateral outside for supplying the air stream 12 into the adsorption chamber 14 and an outlet opening 18 for discharging the CO2-reduced air stream 12 'from the adsorption chamber 14.
  • An air-permeable separating element 22 is arranged in an interior 20 of the adsorption chamber 14.
  • the air-permeable separating element 22 is designed in the shape of a grid.
  • the air-permeable separating element 22 divides the interior 20 of the adsorption chamber 14 into an injection chamber 24 and an adsorbent chamber 26. Due to the air permeability of the separating element 22, the injection chamber 24 and the adsorbent chamber 26 are fluidly connected to one another.
  • a loosely arranged bed 28 of CO2 adsorption bodies 30 and a heating unit 32 for heating the bed 28 of spherical CO2 adsorption bodies 30 are arranged in the adsorbent chamber 26.
  • the adsorbent chamber 26 is arranged above the injection chamber 24, so that the loosely arranged bed 28 of CO2 adsorption bodies 30 is arranged resting on the air-permeable separating element 22.
  • the heating unit 32 has a plurality of heatable heating bodies 34, between which the loose bed 28 of CO2 adsorption bodies 30 is arranged in heat-transferring contact.
  • the heatable heating bodies 34 are designed as air-permeable heating grids 34.
  • the air-permeable heating grids 34 are aligned essentially vertically and parallel to one another.
  • the air-permeable heating grids 34 are electrical designed to be heatable and have corresponding electrical connections 36 for this purpose.
  • the air-permeable separating element 22 can also be designed to be heatable, in particular electrically heatable, in order to heat the bed 28 of CO2 adsorption bodies 30 for the desorption process.
  • the air flow 12 can be fed into the injection chamber 24 via the inlet opening 16 of the adsorption chamber 14, from there via the air-permeable separating element 22 into the adsorbent chamber 26 through the bed 28 of CO2 adsorption bodies 30 and then out via an outlet opening 18 of the adsorption chamber 14
  • Adsorbent chamber 26 can be removed.
  • the injection chamber 24, the adsorbent chamber 26 and the air-permeable separating element 22 arranged between them are designed in such a way that the air flow 12 supplied from the injection chamber 24 can be guided essentially homogeneously or evenly into the adsorbent chamber 26 and thus through the bed 28 of CO2 adsorption bodies 30 is to achieve optimized CO adsorption.

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Abstract

Es wird eine CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) zum Trennen von CO2 aus einem, insbesondere mittels einer Ventilatoreinheit, zugeführten Luftstrom (12) mittels eines zyklisch durchführbaren Adsorptions-Desorptions-Vorgangs vorgeschlagen, mit einer Adsorptionskammer (14), in deren Innenraum (20) ein luftdurchlässiges Trennelement (22) angeordnet ist, wobei der Innenraum (20) mittels des luftdurchlässigen Trennelements (22) in eine Einblaskammer (24), in die der Luftstrom (12) über eine Einlassöffnung (16) zuführbar ist, und in eine Adsorbenskammer (26), aus der der CO2-reduzierte Luftstrom (12') mittels einer Auslassöffnung (18) abführbar ist, unterteilt ist, wobei in der Adsorbenskammer (26) eine lose angeordnete Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) und eine Erwärmungseinheit (32) zum Erwärmen der Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) angeordnet sind, wobei in einer bestimmungsgemäßen Verwendung die Adsorbenskammer (26) über der Einblaskammer (24) angeordnet ist, sodass die lose angeordnete Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) auf dem luftdurchlässigen Trennelement (22) aufliegend angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
CO2-Adsorptionsvorrichtung zum Trennen von CO2 (Kohlenstoffdioxid) aus Luft
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine CO2-Adsorptionsvorrichtung zum Trennen von CO2 (Kohlenstoffdioxid) aus einem, insbesondere mittels einer Ventilatoreinheit, zugeführten Luftstrom mittels eines zyklisch durchführbaren Adsorptions- Desorptions-Vorgangs, ein CO2-Adsorptionssystem mit einer derartigen CO2- Adsorptionsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Einbringen und/oder Ausbringen einer Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern in eine CO2- Adsorptionsvorrichtung.
Um die Erwärmung der Erdatmosphäre zu begrenzen wird diskutiert den durch die Industrialisierung gestiegenen CO2-Gehalt aktiv zu reduzieren. Hierzu können auch sogenannte „direct air capture“ Systeme (DAC) zum Einsatz kommen, die in einer ersten Anlage CO2 aus der Umgebungsluft im Freien oder über das Lüftungssystem in z.B. Gebäuden CO2 aktiv entfernen und aufkonzentrieren, so dass das CO2 im Anschluss in einer zweiten dauerhaft, z.B. durch verpressen in geologische Kavitäten, gebunden werden kann.
Die WO 2014/170184 Al und die WO 2015/185434 Al offenbaren eine derartige erste Anlage, bei der CO2 aus der Luft in einer ersten Anlage in einem ersten Schritt durch Fördern mittels Ventilator an ein Adsorbermedium temporär gebunden wird (Adsorption), so dass in einem zweiten Schritt nach Verschließen der Einheit gegen die Umgebung das CO2 vom Adsorbermedium wieder entfernt und über Rohrleitungen der zweiten Anlage zugeführt werden kann (Desorption). Hierbei wird die Adsorption wie einem Fachmann geläufig ist bei anderen physikalischen Bedingungen durchgeführt wie die Desorption. Das heißt adsorbiert wird z.B. bei 25°C, 1013 mbar und einer relativen Feuchte von 50%RF, desorbiert bei 80°C und 200 mbar. Um die Desorption bei erhöhter Temperatur am Adsorbens durchführen zu können, muss das Adsorbens beheizt werden. Die Adsorbentien degenerieren bei erhöhter Temperatur, so dass anschließend alles wieder schnell heruntergekühlt werden sollte.
Eine kostengünstige Beheizung kann zwar z.B. mittels vorhandener Wärmeströme erfolgen, die von benachbarten Anlagen mit der ersten Anlage mittels fluidleitender Temperierleitungen gekoppelt werden, nachteilig ist aber, dass hierfür Wärmetauscher, Pumpen, Ventile, Sensorik und Rohrleitungen eingesetzt werden müssen und die Beheizung des Adsorbens mittels eines z.B. Heizschlangenregisters erfolgen muss (das Adsorbens wird um die Heizschlangen herum angeordnet), so dass diese Einrichtungen hohe Investkosten erfordern, vor allem aber eine hohe Wärmekapazität (Gewicht des verwendeten Edelstahls für Rohre etc.) aufweisen.
Da das Adsorbens erst nach der Abkühlung wieder CO2 aufnehmen kann, muss das System nach der Desorption für einen effektiven Betrieb wieder auf nahezu Umgebungstemperatur gekühlt werden. Ein Kühlen mit Umgebungsluft dauert bei bekannten Systemen durch die hohe Wärmekapazität vergleichsweise lange, so dass das Adsorbens zudem unnötig degeneriert. Ein aktives Kühlen muss das oben beschriebene Heizsystem mit Kühlwasser wieder herunterkühlen und erfordert weitere Pumpen und Wärmetauscher usw., so dass das Gesamtsystem der ersten Anlage komplexer und damit auch weniger autark wird.
Mittels einer Wärmepumpe kann die benötigte externe thermische Energie auf hohem Temperaturniveau zur Desorption und/oder auf niedrigem Temperaturniveau zur Kühlung zwar deutlich reduziert werden, jedoch verlagert sich der Energiebedarf dann auf einen elektrischen Energiebedarf für die Wärmepumpe, wohingegen Aufwand und Kosten für Verrohrung, Ventile, Pumpen und Wärmetauscher eher noch größer werden.
Wird ein Wechsel des Adsorbens in einer Anlage gemäß den vorangehend erwähnten Druckschriften nötig, muss das Wärmeträgerfluid aus dem fluidbeheizten Register (Heizschlangen) entleert werden. Dann werden die Leitungen getrennt, das Register entnommen, der Adsorber getauscht, das Register wieder eingebaut und die Fluidanschlüsse wieder verbunden. Schlussendlich müssen die Fluidleitungen auf Dichtigkeit geprüft werden, bevor das System wieder gefüllt werden kann. Prognostizierte Systeme bestehen aus >>1000 ersten Anlagen mit jeweils >10 Trägern, die regelmäßig zu erneuern sind.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine CO2-Adsorptionsvorrichtung zum Trennen von CO2 (Kohlenstoffdioxid) aus einem, insbesondere mittels einer Ventilatoreinheit, zugeführten Luftstrom mittels eines zyklisch durchführbaren Adsorptions-Desorptions-Vorgangs, mit einer Adsorptionskammer, in deren Innenraum ein luftdurchlässiges Trennelement angeordnet ist, wobei der Innenraum mittels des luftdurchlässigen Trennelements in eine Einblaskammer, in die der Luftstrom über eine Einlassöffnung zuführbar ist, und in eine Adsorbenskammer, aus der der CO2-reduzierte Luftstrom mittels einer Auslassöffnung abführbar ist, unterteilt ist, wobei in der Adsorbenskammer eine lose angeordnete Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern und eine Erwärmungseinheit zum Erwärmen der Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern angeordnet sind, wobei in einer bestimmungsgemäßen Verwendung die Adsorbenskammer über der Einblaskammer angeordnet ist, sodass die lose angeordnete Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern auf dem luftdurchlässigen Trennelement aufliegend angeordnet ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein CO2-Adsorptionssystem mit einer CO2-Adsorptionsvorrichtung gemäß der vorangehend beschriebenen Art und einer Steuereinheit zum Steuern der Erwärmungseinheit für den Adsorptions-Desorptions- Vorgang.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Einbringen und/oder Ausbringen einer Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern in eine CO2-Adsorptionsvorrichtung gemäß der vorangehend beschriebenen Art oder in ein CO2-Adsorptionssystem gemäß der vorangehend beschriebenen Art zum Trennen von CO2 (Kohlenstoffdioxid) aus einem, insbesondere mittels einer Ventilatoreinheit, zugeführten Luftstrom mittels eines zyklisch durchgeführten Adsorptions-Desorptions-Vorgangs, wobei die Schüttung von CO2- Adsorptionskörpern über die Auslassöffnung und/oder die Adsorbensöffnung der Adsorptionskammer der CO2-Adsorptionsvorrichtung in diese eingeblasen und/oder aus dieser abgesaugt werden.
Durch die erfindungsgemäße CO2-Adsorptionsvorrichtung ist es nunmehr möglich, sehr einfach und effizient großtechnische Ansätze zur CO2- Abscheidung, wie bspw. liegende Tanks bzw. Behälter oder (ISO-)Container zu verwenden, die erhebliches Kostensenkungspotential durch Skalierung der Baugröße an Stelle von Parallelisierung komplexer Systeme ermöglichen. Zudem erlaubt die erfindungsgemäße CO2-Adsorptionsvorrichtung ein sehr einfaches Einbringen und Austauschen des CO2-Adsorptionsmaterials sowie ggf. der Erwärmungseinheit, wodurch ein erheblich geringerer Wartungsaufwand besteht.
Die grundsätzliche Funktionsweise der CO2-Adsorptionsvorrichtung kann analog zu der Vorrichtung gemäß der einleitend beschriebenen WO 2015/185434 Al erfolgen.
Der Begriff „Trennen“ umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Abtrennen, bspw. Abscheiden von CO2 aus der Luft.
Der Begriff „Zuführen“ bzw. „zugeführt“ umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl ein aktiv durchgeführtes bzw. veranlasstes als auch ein passiv durchgeführtes bzw. veranlasstes Zuführen des Luftstroms. Folglich kann der Luftstrom technisch gesteuert bzw. geregelt, bspw. mittels einer Ventilatoreinheit, aber auch auf natürliche Art und Weise zugeführt werden.
Die Adsorptionskammer kann als horizontal ausgerichteter Kreiszylinder, insbesondere liegender Tank bzw. Behälter oder als Quader, insbesondere Container, bevorzugt ISO-Container ausgebildet sein. Der Durchmesser bzw. die Höhe und die Länge der Adsorptionskammer sind verständlicherweise an den Anwendungsfall bzw. den Luftbedarf angepasst. So kann bspw. der Durchmesser bzw. die Höhe 4 bis 5 m und die Länge der Adsorptionskammer bspw. 10 bis 20 m betragen. Die Adsorptionsvorrichtung kann jedoch bspw. auch in eine Klimaanlage integriert sein, sodass der Durchmesser bzw. die Höhe und die Länge der Adsorptionskammer entsprechend kleiner ausfallen können. Im Inneren der Adsorptionskammer ist ein luftdurchlässiges Trennelement angeordnet, welches den Innenraum in eine Einblaskammer, d.h. einen Einblasbereich, und in eine Adsorbenskammer, d.h. einen Adsorbensbereich unterteilt. D.h., mit anderen Worten, dass die Adsorptionskammer zwei Unterkammern bzw. Bereiche aufweist, welche mittels des luftdurchlässigen Trennelements getrennt werden/sind. Aufgrund der Luftdurchlässigkeit des Trennelements sind die Einblaskammer und die Adsorbenskammer fluidisch miteinander verbunden. Das luftdurchlässige Trennelement kann bspw. gitterförmig oder plattenförmig ausgebildet sein.
Da die Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern auf dem luftdurchlässige Trennelement aufliegt und somit das Trennelement in wärmeübertragendem Kontakt mit den CO2-Adsorptionskörpern steht, kann das luftdurchlässige Trennelement vorteilhafterweise beheizbar, d.h. unmittelbar beheizbar ausgebildet sein, um die Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern für den Desorptionsvorgang zu erwärmen. Hierbei kann das luftdurchlässige Trennelement bevorzugt elektrisch beheizbar ausgebildet sein und insbesondere hierfür entsprechende elektrische Anschlüsse aufweisen. Das luftdurchlässige Trennelement kann zur elektrischen Beheizbarkeit ein elektrisch leitfähiges Polymer oder ein elektrisch leitfähiges Polymerverbundmaterial aufweisen. Durch diese Maßnahme kann die Erwärmung der CO2-Adsorptionskörper und damit der Desorptionsvorgang sehr einfach beschleunigt bzw. optimiert werden.
Der Luftstrom ist über eine Einlassöffnung der Adsorptionskammer in die Einblaskammer zuführbar, von dort über das luftdurchlässige Trennelement in die Adsorbenskammer führbar und anschließend über eine Auslassöffnung der Adsorptionskammer aus der Adsorbenskammer abführbar. Die Einblaskammer, die Adsorbenskammer und das dazwischen angeordnete luftdurchlässige Trennelement sind hierbei derart ausgebildet, dass der zugeführte Luftstrom von der Einblaskammer im Wesentlichen homogen bzw. gleichmäßig in die Adsorbenskammer und damit durch die Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern führbar ist. Demnach werden die Einblaskammer zusammen mit dem luftdurchlässigen Trennelement genutzt, um den Luftstrom homogen bzw. gleichmäßig durch die Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern zu führen, um eine optimierte CO2-Adsorption zu erzielen. Die Einlassöffnung ist bevorzugt an einer Oberseite oder einer seitlichen Außenseite der Adsorptionskammer angeordnet ist. Die Auslassöffnung ist bevorzugt an einer Unterseite oder einer seitlichen Außenseite der Adsorptionskammer angeordnet. Die Auslassöffnung kann als Mannloch, bspw. zu Montage- oder Wartungszwecken ausgebildet sein. Die Auslassöffnung kann derart ausgebildet sein, dass die Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern in die Adsorbenskammer einbringbar, insbesondere einblasbar, und/oder aus der Adsorbenskammer ausbringbar, insbesondere ausblasbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Adsorbensöffnung an der Adsorptionskammer vorgesehen sein, mittels derer die Schüttung von CO2- Adsorptionskörpern in die Adsorbenskammer einbringbar, insbesondere einblasbar, und/oder aus der Adsorbenskammer ausbringbar, insbesondere ausblasbar ist. Die zumindest eine Adsorbensöffnung kann an einer Oberseite oder einer seitlichen Außenseite der Adsorptionskammer angeordnet ist.
Die Erwärmungseinheit ist ausgebildet die Schüttung von CO2- Adsorptionskörpern zu erwärmen, um adsorbiertes CO2 gezielt wieder freizusetzen, d.h. den Desorptionsvorgang einzuleiten bzw. zu beschleunigen. Hierbei steht die Erwärmungseinheit bevorzugt in wärmeübertragendem Kontakt mit der Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern.
Hierbei weist die Erwärmungseinheit bevorzugt zumindest einen beheizbaren Erwärmungskörper auf. Weiter bevorzugt weist die Erwärmungseinheit eine Vielzahl von beheizbaren Erwärmungskörpern auf, zwischen denen die lose Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern in wärmeübertragendem Kontakt mit diesen angeordnet ist. Der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Heizgitter, Heizplatte, Heizschlange, Heizrohr, Heizstange.
Es ist vorteilhaft, wenn der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper elektrisch beheizbar ausgebildet ist, insbesondere hierfür entsprechende elektrische Anschlüsse aufweist. Die elektrische Beheizbarkeit des Erwärmungskörpers bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber bspw. den fluidleitenden bzw. wasserleitenden Temperierleitungen gemäß dem einleitend beschriebenen Stand der Technik.
Zum einen bietet der elektrisch beheizbare Erwärmungskörper ein wesentlich dynamischeres Temperaturprofil, da Teile bzw. Körper mit einer hohen Wärmekapazität, wie bspw. das Wasser, robuste Leitungen, Anschlussstutzen, T-Stücke, ggf. Wärmetauscher, entfallen, sodass sich der elektrisch beheizbare Erwärmungskörper schneller erwärmen und wieder abkühlen kann. Insbesondere ist eine bereits vorhandene Ventilatoreinheit ausreichend, um den die CO2- Adsorptionskörper schnell herunterzukühlen, da keine großen Wärmekapazitäten dämpfend wirken. Dies ermöglicht die gewünschten schnelleren Wechsel zwischen Desorption und Adsorption, wodurch die gesamte Effizienz gesteigert und der Energiebedarf reduziert werden kann.
Zum anderen sinkt auch die Komplexität der CO2-Adsorptionsvorrichtung erheblich, da keine Wärmetauscher notwendig sind und ggf. auch kein Bedarf für eine aktive Kühlung nach einer thermischen Desorption, z.B. in gemäßigten Klimazonen besteht. Damit ergibt sich auch ein geringerer Wartungsaufwand sowie eine bessere Eignung zur autarken Aufstellung mit geringem Betreuungsaufwand.
Der Strombedarf für die Desorptionsphase ist durch die reduzierte dämpfende Masse vergleichbar mit dem Bedarf einer Wärmepumpe, die ein Wärmeträgerfluid für die Desorptionsphase beheizt.
Es ist auch vorteilhaft, wenn der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper zur elektrischen Beheizbarkeit ein elektrisch leitfähiges Polymer (heat inducing thermoplastics, HiT) oder ein elektrisch leitfähiges Polymerverbundmaterial aufweist. Hierbei kann das elektrisch leitfähige Polymerverbundmaterial ein Polymer, insbesondere ein elektrisch nichtleitendes Polymer, und elektrisch leitfähige Partikel aufweisen. Das elektrisch leitfähige Polymer bzw. das Polymerverbundmaterial eignet sich für den Erwärmungskörper sehr gut, da es sich aufgrund des hohen elektrischen Widerstands schnell erwärmt und aufgrund der geringe Wärmekapazität wieder schnell abkühlt sowie ferner robust ist und eine gute chemische Beständigkeit aufweist. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass sich eine Maximaltemperatur bei diesen Verbundwerkstoffen einstellen lässt, d.h. die Erwärmung ist selbstbegrenzend, sodass zu hohe Temperaturen zuverlässig vermieden werden können. Da die Wärmedehnung des Polymers dazu führt, dass sich bei Erwärmung die leitfähigen Bestandteile voneinander entfernen, steigt mit zunehmender Temperatur der Widerstand.
Vorteilhaftweise kann der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper luftdurchlässig, insbesondere gitterförmig oder lochblechförmig oder perforiert ausgebildet sein, sodass der zugeführte Luftstrom weitestgehend ungehindert durch diesen strömen kann.
Der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper kann im Innenraum der Adsorptionskammer steckbar und/oder von außen in den Innenraum der Adsorptionskammer einschiebbar ausgebildet sein.
Bevorzugt ist eine Vielzahl von im Wesentlichen vertikal ausgerichteten beheizbaren Erwärmungskörpern, insbesondere parallel zueinander angeordnete luftdurchlässigen Heizgittern und/oder luftdurchlässigen Heizplatten.
Die grundsätzliche Funktionsweise der CO2-Adsorptionskörper kann analog zu der einleitend beschriebenen WO 2014/170184 Al erfolgen.
Die CO2-Adsorptionskörper sind für den Einsatz in einer CO2- Adsorptionsvorrichtung ausgebildet bzw. eingerichtet, um CO2 mittels eines zyklisch durchführbaren bzw. durchgeführten Adsorptions- Desorptions- Vorgang aus einem Luftstrom bzw. der Luft zu trennen.
Die lose Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern ist in der Adsorbenskammer auf dem luftdurchlässigen Trennelement aufliegend angeordnet. Dies wird unter anderen dadurch erzielt, dass in einer bestimmungsgemäßen Verwendung die Adsorbenskammer über der Einblaskammer angeordnet ist.
Die CO2-Adsorptionskörper sind schüttfähig bzw. fließfähig ausgebildet. D.h., mit anderen Worten, dass ein Gemenge an CO2-Adsorptionskörpern eine schüttfähige bzw. fließfähige Form aufweist. Demnach stellen eine Vielzahl von CO2-Adsorptionskörpern eine Schüttung dar. Die Schüttung kann bspw. eine Schüttdichte von größer oder gleich 0,1 l/100g bis kleiner oder gleich 50 l/100g, bevorzugt größer oder gleich 1 l/100g bis kleiner oder gleich 20 l/100g, und/oder einem Gesamtdruckverlust von kleiner oder gleich 400Pa, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 200 Pa aufweisen.
Zur Schüttfähigkeit bzw. Fließfähigkeit können die CO2-Adsorptionskörper kugelförmig oder pelletförmig ausgebildet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe kugelförmig und ballförmig im Wesentlichen synonym verwendet. Die CO2-Adsorptionskörper können als „Körner“ ausgebildet sein. Hierbei können die CO2-Adsorptionskörper einen mittleren Durchmesser von größer oder gleich 0,5 mm bis kleiner oder gleich 5 mm, bevorzugt von größer oder gleich 1 mm bis kleiner oder gleich 2 mm aufweisen. Die CO2-Adsorptionskörper können jedoch auch als „Wattebällchen“ ausgebildet sein. Hierbei können die CO2-Adsorptionskörper einen mittleren Durchmesser von größer oder gleich 5 mm bis kleiner oder gleich 100 mm, bevorzugt größer oder gleich 10 mm bis kleiner oder gleich 50 mm, besonders bevorzugt größer oder gleich 15 bis kleiner oder gleich 30 mm, aufweisen.
Die CO2-Adsorptionskörper können CO2-adsorbierende Fasern sowie stabilisierende Fasern aufweisen, welche resistent gegen Feuchtigkeit und mechanische Belastung sind und einen Faserverbund mit den CO2- adsorbierenden Fasern ausbilden.
Hierbei sind die CO2-adsorbierenden Fasern ausgebildet, CO2 aus der Luft mittels Adsorption zu binden bzw. zu filtern. Hierfür können die CO2- adsorbierenden Fasern zumindest ein entsprechendes Adsorbens mit einer CO2- bindenden Eigenschaft aufweisen oder bestehen daraus. Die CO2- adsorbierenden Fasern können auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise hergestellt sein. Demnach können die CO2-adsorbierenden Fasern an sich eine CO2-bindende Eigenschaft aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die CO2-adsorbierenden Fasern mit dem zumindest einen Adsorbens zur Erzielung der CO2-bindenden Eigenschaft entsprechend beschichtet, imprägniert oder funktionalisiert sein. Hierbei können die CO2-adsorbierenden Fasern Trägerfasern als Trägerstruktur ohne CO2-bindenden Eigenschaft aufweisen oder daraus bestehen. Die Trägerfasern können ein Grundmaterial aufweisen oder daraus bestehen, welches ausgewählt ist aus zumindest einem Material der folgenden Gruppe: Harze, Polymere, Keramiken, Zeolithe, Silicate, metallorganische Verbindungen, organische Materialien wie Cellulose oder Aktivkohle. Das Trägerfasern können wiederum mit Aminen, Kaliumcarbonat oder anderen Komponenten, die ausgebildet sind, CO2 chemisch oder physikalisch zu binden, spezifisch beschichtet, imprägniert oder funktionalisiert sein. Bevorzugt weisen die CO2-adsorbierenden Fasern mit Aminen funktionalisierte Cellulosefasern auf oder bestehen daraus. Hierbei sei angemerkt, dass Amine zwar geeignet an Cellulose angebunden werden können, nicht jedoch an die vorangehend erwähnten Polymerfasern bzw. Kunstfasern.
Die stabilisierenden Fasern wieder können ausgebildet sein, den Faserverbund in eine kugelähnliche Form zu halten, sodass die CO2-Adsorptionskörper schüttfähig und/oder fließfähig ausgebildet sind. D.h., mit anderen Worten, dass an Stelle von bekannten CO2-Adsorptionsmatten, welche aus funktionalisierter Cellulose bestehen, ein kugelförmiger bzw. ballförmiger Faserverbund mit zusätzlich stabilisierenden Fasern vorgesehen sein kann, welche resistent gegen Feuchtigkeit und mechanische Belastung und ferner ausgebildet sind, den Faserverbund in die kugelähnliche Form bzw. Kugelform/Ballform - analog zu sog. „filter balls“ - zu halten, sodass die CO2-Adsorptionskörper schüttfähig und/oder fließfähig sind.
Unter einem Faserverbund soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein mechanischer Verbund aus den stabilisierenden Fasern und den CO2- adsorbierenden Fasern verstanden werden. Bevorzugt sind die stabilisierenden Fasern und die CO2-adsorbierenden Fasern gemeinsam verarbeitet, insbesondere miteinander zu einem Stoff verwoben und/oder zu einem Garn versponnen, um den Faserverbund auszubilden. Alternativ können die CO2- adsorbierenden Fasern aufgrund des Herstellungsprozesses innerhalb der stabilisierenden Fasern (intrinsisch) ausgebildet sein. D.h., mit anderen Worten, dass die CO2-adsorbierenden Fasern beim Herstellen innerhalb einer stabilisierenden Faserstruktur ausgebildet wurden. Dies kann bspw. dadurch realisiert werden, dass sich die CO2-adsorbierenden Fasern, bspw. Cellulosefasern aus einer Lösung in der bereits stabilisierende Fasern schwimmen durch Gefriertrocknen ausbilden. Alternativ können die stabilisierenden Fasern ein kugelähnliches Außennetz ausbilden, in dessen Hohlraum die CO2-adsorbierenden Fasern eingeschlossen sind. Der Faserverbund weist bevorzugt einen Anteil an stabilisierenden Fasern von zwischen größer oder gleich 10 Masse-% bis kleiner oder gleich 90 Masse-% auf.
Bei den stabilisierenden Fasern handelt es sich um von den CO2- adsorbierenden Fasern verschiedene Fasern. Es ist vorteilhaft, wenn die stabilisierenden Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Polymerfasern, Kunstfasern, cellulosefreie Naturfasern, Glasfasern, Mineralfasern, Steinwollefasern, Kohlenstofffasern oder Kombinationen daraus. Bevorzugt sind die Polymerfasern und die cellulosefreien Naturfasern ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), PVDF (Polyvinylidenfluorid), PET (Polyethylenterephtalat), Wolle, oder Mischungen davon. Hierbei können die Polymerfasern aus recyceltem Polymerfasermaterial, insbesondere aus PET-Flaschenrecyclingmaterial, und/oder die Kohlenstofffasern aus recyceltem Kohlenstofffasermaterial, insbesondere geschnittenen Kohlestofffasern aus Recyclingprozessen hergestellt sein. Diese Auswahl bietet den Vorteil, dass diese Fasern bzw. Materialien die erforderliche Resistenz gegen Feuchtigkeit und mechanische Belastung aufweisen und ferner gut verarbeitbar sind. Cellulose wird hierbei ausgeschlossen, da diese insbesondere bei hoher Feuchtigkeit und mechanischer Belastung, die erforderliche Porosität im Laufe der Zeit verlieren und damit zusammensacken und verfilzen würde. Die Kohlenstofffasern bieten ferner den Vorteil, dass diese zur Stromleitung nutzbar sind, sodass die Schüttung selbst beheizbar ist.
Ein Wechsel des Adsorptionsmaterials ist bei größeren CO2- Adsorptionsvorrichtungen bzw. -anlagen unverhältnismäßig aufwändig, da die Abscheideleistung und der Wartungsaufwand mit der Abscheideleistung linear anwachsen. In der chemischen Industrie sollte der CAPEX mit größeren Leistungen nur gemäß dem mittleren Degressionsexponenten 2/3 ansteigen, d.h. bei einer Verdoppelung der Leistung sollte der Aufwand durchschnittlich das 2A(2/3)-fache, also das 1,587-fache betragen. OPEX sollte nur an den energetischen Bedarf gebunden sein - und Personalkosten für Betrieb und Wartung im Idealfall unabhängig von der Baugröße sein. Die ausliegende Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern bietet den großen Vorteil, dass die CO2- Adsorptionskörper - im Gegensatz zu den aufwändig in der CO2- Adsorbervorrichtung zu montierenden CO2-Adsorptionsmatten - aufgrund der kugelähnlichen Form bzw. Kugelform/Ballform ausgebildet sind, sodass sie in die CO2-Adsorbervorrichtung einblasbar und wieder aus dieser absaugbar sind. Dies vereinfacht erheblich den Tausch, d.h. Einbringen- und Ausbringvorgang des Adsorptionsmaterials und bietet dadurch einen wesentlich geringeren Wartungsaufwand. Des Weiteren bieten die kugelförmigen bzw. ballförmigen CO2-Adsorptionskörper eine bessere Raumausnutzung gegenüber den CO2- Adsorptionsmatten und somit eine höhere Volumeneffizienz.
Jedoch unterliegen die kugelförmigen bzw. ballförmigen CO2-Adsorptionskörper sowohl im Betrieb, insbesondere bei höheren Schüttungen, als auch beim Einblas- und beim Absaugvorgang mechanischen Belastungen, denen die in einem Rahmen eingefassten CO2-Adsorptionsmatten nicht ausgesetzt sind und daher auch nicht die erforderliche Stabilität aufweisen. Folglich sind die stabilisierenden Fasern resistent gegen Feuchtigkeit und mechanische Belastung, sodass insbesondere ein Zusammensacken der CO2- Adsorptionskörper im Betrieb sowie ein Verfilzen und damit Verklumpen im Einblas- bzw. Absaugrohr verhindert werden können.
Die CO2-Adsorptionsvorrichtung kann ferner eine Ventileinheit aufweisen, welche mehrere Ventile umfasst und ausgebildet ist, eine geschlossene Adorptionskammer für die Desorption auszubilden. Die Ventileinheit kann hierbei ein Einlassventil aufweisen, welches in einem mit der Einlassöffnung fluidisch verbundenen Einlasskanal angeordnet und ausgebildet ist, den Einlasskanal zu schließen und die Adorptionskammer stromaufwärts zu isolieren. Die Ventileinheit kann ferner ein Auslassventil aufweisen, welches in einem mit der Auslassöffnung fluidisch verbundenen Auslasskanal für den CO2-reduzierten Luftstrom angeordnet und ausgebildet ist, den Auslasskanal zu schließen und die Adorptionskammer stromabwärts zu isolieren. Die Ventileinheit kann außerdem ein CO2-Ventil aufweisen, welches in einem CO2-Auslasskanal angeordnet und ausgebildet ist, den CO2-Auslasskanal zu öffnen, um das adsorbierte, d.h. gebundene/gefilterte und wieder desorbierte, d.h. freigesetzte CO2 aus der Adorptionskammer gezielt auszubringen.
Für die Desorption kann die CO2-Adsorptionsvorrichtung ferner eine Pumpeinheit aufweisen, welche ausgebildet ist, einen Unterdrück in der Adorptionskammer zu erzeugen. Des Weiteren kann die CO2- Adsorptionsvorrichtung an dem C02-Auslasskanal eine Druckspeicheraufnahmeeinheit zur lösbaren Aufnahme eines C02- Druckspeichers aufweisen. Da hierfür 5-50 bar CO2-Druck erreicht werden sollten, kann die Pumpeinheit eine Hochdruckpumpe aufweisen. Somit kann die Pumpeinheit bspw. eine Kombination von Vakuumpumpe mit Kompressor aufweisen.
Das CO2-Adsorptionssystem weist bevorzugt eine Ventilatoreinheit zum Zuführen und/oder Abführen des Luftstroms, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, ferner die Ventilatoreinheit für den Adsorptions- Desorptions- Vorgang zu steuern.
Das CO2-Adsorptionssystem kann ferner eine Begradigungseinheit aufweisen, welche ausgebildet ist, Erhöhungen der Schüttung von CO2-Adsorptionskörpern zu begradigen, sodass die Höheverteilung der Schüttung im Innenraum der Adsorptionskammer im Wesentlichen gleichmäßig ist. Die Begradigungseinheit kann bspw. als Rütteleinheit oder als eine Abzieheinheit, insbesondere Abziehlatte ausgebildet sein.
Bei dem Verfahren zum Einbringen und/oder Ausbringen der Schüttung werden bevorzugt neue CO2-Adsorptionskörper eingeblasen und diese nach ihrer Degeneration aufgrund mehrerer Adsorptions- Desorptionszyklen wieder abgesaugt.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen CO2-
Adsorptionsvorrichtung mit einer Schüttung von CO2- Adsorptionskörpern; und
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Innenraumes der erfindungsgemäßen CO2-Adsorptionsvorrichtung aus Fig. 1. Fig. 1 zeigt eine CO2-Adsorptionsvorrichtung, welche in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 versehen ist.
Die CO2-Adsorptionsvorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, CO2 (Kohlenstoffdioxid) aus einem mittels einer (nicht gezeigten) Ventilatoreinheit, zugeführten Luftstrom 12 mittels eines zyklisch durchführbaren Adsorptions- Desorptions-Vorgangs zu trennen. Hierfür weist die CO2-Adsorptionsvorrichtung 10 eine Adsorptionskammer 14 auf.
Die Adsorptionskammer 14 ist als liegender Tank 14 ausgebildet. Die Adsorptionskammer 14 weist an einer seitlichen Außenseite eine Einlassöffnung 16 zum Zuführen des Luftstroms 12 in die Adsorptionskammer 14 und eine Auslassöffnung 18 zum Abführen des CO2-reduzierten Luftstroms 12‘ aus der Adsorptionskammer 14 auf.
In einem Innenraum 20 der Adsorptionskammer 14 ist ein luftdurchlässiges Trennelement 22 angeordnet ist. Das luftdurchlässige Trennelement 22 ist gitterförmig ausgebildet. Das luftdurchlässige Trennelement 22 unterteilt den Innenraum 20 der Adsorptionskammer 14 in eine Einblaskammer 24 und in eine Adsorbenskammer 26. Aufgrund der Luftdurchlässigkeit des Trennelements 22 sind die Einblaskammer 24 und die Adsorbenskammer 26 fluidisch miteinander verbunden.
In der Adsorbenskammer 26 sind eine lose angeordnete Schüttung 28 von CO2- Adsorptionskörpern 30 und eine Erwärmungseinheit 32 zum Erwärmen der Schüttung 28 von kugelförmigen CO2-Adsorptionskörpern 30 angeordnet. In der dargestellten bestimmungsgemäßen Verwendung ist die Adsorbenskammer 26 über der Einblaskammer 24 angeordnet, sodass die lose angeordnete Schüttung 28 von CO2-Adsorptionskörpern 30 auf dem luftdurchlässigen Trennelement 22 aufliegend angeordnet ist. Die Erwärmungseinheit 32 weist eine Vielzahl von beheizbaren Erwärmungskörpern 34 auf, zwischen denen die lose Schüttung 28 von CO2-Adsorptionskörpern 30 in wärmeübertragendem Kontakt angeordnet ist. Wie aus Fig. 2 näher ersichtlich, sind die beheizbaren Erwärmungskörper 34 als luftdurchlässige Heizgitter 34 ausgebildet. Die luftdurchlässigen Heizgitter 34 sind hierbei im Wesentlichen vertikal und parallel zueinander ausgerichtet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die luftdurchlässige Heizgitter 34 elektrisch beheizbar ausgebildet und weisen hierfür entsprechende elektrische Anschlüsse 36 auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das luftdurchlässige Trennelement 22 ebenfalls beheizbar, insbesondere elektrisch beheizbar ausgebildet sein, um die Schüttung 28 von CO2-Adsorptionskörpern 30 für den Desorptionsvorgang zu erwärmen.
Folglich ist der Luftstrom 12 über die Einlassöffnung 16 der Adsorptionskammer 14 in die Einblaskammer 24 zuführbar, von dort über das luftdurchlässige Trennelement 22 in die Adsorbenskammer 26 durch die Schüttung 28 von CO2- Adsorptionskörpern 30 führbar und anschließend über eine Auslassöffnung 18 der Adsorptionskammer 14 aus der Adsorbenskammer 26 abführbar. Die Einblaskammer 24, die Adsorbenskammer 26 und das dazwischen angeordnete luftdurchlässige Trennelement 22 sind hierbei derart ausgebildet, dass der zugeführte Luftstrom 12 von der Einblaskammer 24 im Wesentlichen homogen bzw. gleichmäßig in die Adsorbenskammer 26 und damit durch die Schüttung 28 von CO2-Adsorptionskörpern 30 führbar ist, um eine optimierte CO-Adsorption zu erzielen.

Claims

Ansprüche
1. C02- Adsorptionsvorrichtung (10) zum Trennen von CO2 aus einem, insbesondere mittels einer Ventilatoreinheit, zugeführten Luftstrom (12) mittels eines zyklisch durchführbaren Adsorptions-Desorptions-Vorgangs, mit einer Adsorptionskammer (14), in deren Innenraum (20) ein luftdurchlässiges Trennelement (22) angeordnet ist, wobei der Innenraum (20) mittels des luftdurchlässigen Trennelements (22) in eine Einblaskammer (24), in die der Luftstrom (12) über eine Einlassöffnung (16) zuführbar ist, und in eine Adsorbenskammer (26), aus der der CO2-reduzierte Luftstrom (12‘) mittels einer Auslassöffnung (18) abführbar ist, unterteilt ist, wobei in der Adsorbenskammer (26) eine lose angeordnete Schüttung (28) von CO2- Adsorptionskörpern (30) und eine Erwärmungseinheit (32) zum Erwärmen der Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) angeordnet sind, wobei in einer bestimmungsgemäßen Verwendung die Adsorbenskammer (26) über der Einblaskammer (24) angeordnet ist, sodass die lose angeordnete Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) auf dem luftdurchlässigen Trennelement (22) aufliegend angeordnet ist.
2. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinheit (32) in wärmeübertragendem Kontakt mit der Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) steht.
3. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinheit (32) zumindest einen beheizbaren Erwärmungskörper (34), insbesondere eine Vielzahl von beheizbaren Erwärmungskörpern (34) aufweist, zwischen denen die lose Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) in wärmeübertragendem Kontakt angeordnet ist.
4. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper (34) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Heizgitter (34), Heizplatte, Heizschlange, Heizrohr, Heizstange. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper (34) luftdurchlässig, insbesondere gitterförmig oder lochblechförmig oder perforiert ausgebildet ist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper (34) im Innenraum (20) der Adsorptionskammer (14) steckbar und/oder von außen in den Innenraum (20) der Adsorptionskammer (14) einschiebbar ausgebildet ist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von im Wesentlichen vertikal ausgerichteten beheizbaren Erwärmungskörpern (34), insbesondere parallel zueinander angeordnete luftdurchlässigen Heizgittern (34) und/oder luftdurchlässigen Heizplatten. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das luftdurchlässige Trennelement (22) gitterförmig oder plattenförmig ausgebildet ist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das luftdurchlässige Trennelement (22) ebenfalls beheizbar ausgebildet ist, um die Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) für den Desorptionsvorgang zu erwärmen. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper (34) und/oder das luftdurchlässige Trennelement (22) elektrisch beheizbar ausgebildet ist/sind, insbesondere hierfür entsprechende elektrische Anschlüsse (36) aufweist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine beheizbare Erwärmungskörper (34) und/oder das luftdurchlässige Trennelement (22) zur elektrischen Beheizbarkeit ein elektrisch leitfähiges Polymer oder ein elektrisch leitfähiges Polymerverbundmaterial aufweist/aufweisen. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionskammer (14) als horizontal ausgerichteter Kreiszylinder (14), insbesondere liegender Tank (14) oder als Quader, insbesondere Container, bevorzugt ISO-Container ausgebildet ist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (18) als Mannloch ausgebildet ist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Adsorbensöffnung, mittels derer die Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) in die Adsorbenskammer (26) einbringbar, insbesondere einblasbar, und/oder aus der Adsorbenskammer (26) ausbringbar, insbesondere ausblasbar ist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Einlassöffnung (16) an einer Oberseite oder einer seitlichen Außenseite der Adsorptionskammer (14) angeordnet ist; und/oder
- die Auslassöffnung (18) an einer Unterseite oder einer seitlichen Außenseite der Adsorptionskammer (14) angeordnet ist; und/oder
- die zumindest eine Adsorbensöffnung an einer Oberseite oder einer seitlichen Außenseite der Adsorptionskammer (14) angeordnet ist. CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Adsorptionskörper (30) kugelförmig oder pelletförmig ausgebildet sind. CO2-Adsorptionssystem mit einer CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Steuereinheit zum Steuern der Erwärmungseinheit (32) für den Adsorptions-Desorptions-Vorgang. CO2-Adsorptionssystem nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Ventilatoreinheit zum Zuführen und/oder Abführen des Luftstroms (12, 12‘), wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, ferner die Ventilatoreinheit für den Adsorptions- Desorptions- Vorgang zu steuern. CO2-Adsorptionssystem nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch eine Begradigungseinheit, welche ausgebildet ist, Erhöhungen der Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) zu begradigen, sodass die Höheverteilung der Schüttung (28) im Innenraum (20) der Adsorptionskammer (14) im Wesentlichen gleichmäßig ist. Verfahren (100) zum Einbringen und/oder Ausbringen einer Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) in eine CO2-Adsorptionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder in ein CO2-Adsorptionssystem nach Anspruch 17 oder 18 zum Trennen von CO2 aus einem, insbesondere mittels einer Ventilatoreinheit, zugeführten Luftstrom (12) mittels eines zyklisch durchgeführten Adsorptions-Desorptions-Vorgangs, wobei die Schüttung (28) von CO2-Adsorptionskörpern (30) über die Auslassöffnung (18) und/oder die Adsorbensöffnung der Adsorptionskammer (14) der CO2- Adsorptionsvorrichtung (10) in diese eingeblasen und/oder aus dieser abgesaugt werden.
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