EP4676625A1 - Verfahren zur abtrennung von co2 aus der atmosphäre und separationsvorrichtung, insbesondere zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur abtrennung von co2 aus der atmosphäre und separationsvorrichtung, insbesondere zur durchführung des verfahrens

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EP4676625A1
EP4676625A1 EP24724125.0A EP24724125A EP4676625A1 EP 4676625 A1 EP4676625 A1 EP 4676625A1 EP 24724125 A EP24724125 A EP 24724125A EP 4676625 A1 EP4676625 A1 EP 4676625A1
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EP
European Patent Office
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adsorbent
cooling
medium
desorption
cooling medium
Prior art date
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Application number
EP24724125.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Joh
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4676625A1 publication Critical patent/EP4676625A1/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
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40083—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40088—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating
    • B01D2259/4009—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating using hot gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the invention relates to a method for separating CO 2 from the atmosphere.
  • the invention further relates to a separation device which is particularly designed to carry out the method.
  • CO 2 carbon dioxide
  • gas streams e.g. from flue gases, exhaust gases, industrial exhaust gases or atmospheric air.
  • DAC direct air capture
  • a special approach for direct air capture is based on a cyclic adsorption and desorption process at both for example on solid, chemically functionalized sorption materials.
  • WO 2016/005226 Al and WO 2017/009241 Al disclose processes based on cyclic adsorption and desorption with the aid of steam or a suitable amine-functionalized sorption material for the extraction of carbon dioxide from the atmospheric ambient air.
  • WO 2019/092127 Al contains another class of sorption materials based on potassium carbonate functionalization. This class of material is also suitable for cyclic C02 adsorption and desorption processes.
  • the adsorption process normally takes place under ambient atmospheric conditions, where air flows through the sorbent material and a portion of the CO2 contained in the air is chemically and/or physically bound or adsorbed on the surface or in the adsorbents.
  • the adsorbent material is normally heated and, optionally, the partial pressure of carbon dioxide surrounding the sorbent can be reduced by additionally applying a vacuum or by exposing the sorbent to a purge gas stream and expelling it from the structure, e.g. including steam.
  • the previously separated carbon dioxide is removed from the sorbent and can be recovered in concentrated form.
  • the object of the invention is to provide an improved method for separating CO2 from the atmosphere, with which an increased stability of the adsorbent can be achieved.
  • a further object of the invention is to provide a separation device which has been upgraded in a corresponding manner for separating CO2 from the atmosphere.
  • the object directed to a method is achieved according to the invention by a method for separating CO2 from the atmosphere, in which an adsorption step and a two-stage desorption step following the adsorption step are carried out, wherein in the adsorption step an adsorbent is exposed to air, wherein a portion of the CO2 contained in the air is adsorbed by the adsorbent, and wherein in the desorption step the adsorbent loaded with CO2 is exposed to a heating medium and heated in a first desorption step, wherein adsorbed CO2 is thermally expelled, and wherein thereafter in a second desorption step the adsorbent is exposed to a cooling medium different from the heating medium and is prepared for a new adsorption step.
  • the invention is based on the knowledge that DAC (Direct Air Capture) is a new technology that enables the removal of CO2 from the atmosphere.
  • DAC Direct Air Capture
  • the most advanced technology here is based on processes for the selective absorption of CO2 on specially developed adsorbents.
  • the extraction and separation of pure CO2 takes place in the subsequent desorption process.
  • the adsorbent is first freed of ambient air by evacuation in a closed system.
  • the adsorbent is heated to approx. 100 °C. warmed and under reduced pressure CO2 is deserted and can be sucked out of a sorption apparatus.
  • a significant disadvantage of the processes known to date is that the adsorbent, which is usually chemically pretreated with an amine-based component, is sensitive to oxygen at elevated temperatures and thus a rapid degradation of the adsorbent is recorded if the adsorbent is exposed again uncooled to the air stream for the next adsorption step after the desorption step.
  • the invention has recognized that efficient, effective and controllable cooling is required here, which also reliably avoids or reduces damaging oxygen exposure of the adsorbent.
  • the proposed method of the invention is therefore particularly suitable for the selective separation or removal of CO2 from the ambient air under atmospheric pressure conditions, with the adsorbent being successively exposed to two media in the desorption step.
  • This type of treatment of the adsorbent advantageously leads to a service life-extending treatment and promotes multiple cyclical use of the adsorbent for the adsorption of CO2 in a DAC system.
  • the proposed process of desorption and treatment in at least two successive sub-steps with a respective heating medium and a respective cooling medium achieves a significantly longer stability and thus a longer usability (service life) for the adsorbent, which is particularly sensitive to oxygen input.
  • the process is carried out in two stages in the desorption step in a discharge phase with the heating medium and in a subsequent regeneration phase with the cooling medium.
  • the heating medium is used to expel the CO2 from the adsorbent predominantly - but generally only almost completely - in the first desorption step and to heat the adsorbent to, for example, 100 ° C.
  • the subsequent application of cooling medium in the also provides a further advantage.
  • the residues of condensed heating medium still adhering to the surface of the adsorbent as a result of the first desorption step are efficiently and completely expelled from the structure by the application of the cooling medium.
  • a disadvantageous and therefore sometimes only incomplete removal of CO2 from the adsorbent is improved by the two-stage execution of the desorption step in that this type of processing and surface preparation also results in increased deposition rates (coating) and cleaning of the adsorbent and more effective use of the available adsorbent surface.
  • any heating medium condensed on surface areas of the adsorbent is also effectively expelled and removed. Not only is the CO2 discharged from the adsorbent, but the adsorbent is also processed and prepared for the next adsorption step.
  • the cooling medium flowing through the adsorbent in the second desorption step leads to particularly uniform and extensive cooling of the adsorbent.
  • a cooling medium that is different from the heating medium and is not water-saturated is used. Because the cooling medium flow is not water-saturated, the water that has not evaporated as a result of the previous application of the heating medium can advantageously be completely removed from the desorption chamber and reused.
  • the degradation of the adsorbent is reduced compared to the known processes and a significantly higher number of cycles is achieved with almost the same storage efficiency.
  • the process is advantageously adaptable to different con- Structural designs of cyclic adsorption and desorption devices and DAC container solutions from the state of the art can be flexibly applied.
  • the supply of heating medium is interrupted in the desorption step and switched to supply of the cooling medium.
  • the two sub-steps in the desorption process are carried out in a targeted manner as separate sub-steps of the process. This is brought about by switching or changing over from the heating medium to the cooling medium when applying pressure to the adsorbent.
  • the change of medium when flushing the adsorbent leads to a division of the desorption step into independent sub-steps. This process leads to advantages in the degradation behavior of the adsorbent.
  • the adsorbent is exposed to the cooling medium so that the adsorbent is cooled and dried.
  • the cooling medium In addition to cooling and corresponding inerting against damaging oxygen exposure at high temperatures, the cooling medium also dries the adsorbent and effective surface use for adsorption is achievable. In addition, the service life of the adsorbent is extended. It has been found that the use of the cooling medium effectively removes residual condensed heating medium from the surface of the adsorbent through evaporation. This maintains the capacity of the adsorbent and regenerates it with almost no loss in each cycle. A particularly advantageous and sustainable treatment of the adsorbent from a technical and economic point of view can thus be achieved in each cycle. In a particularly preferred embodiment of the process, the cooling medium is extracted from the adsorbent and cooled to a cooling temperature.
  • the adsorbent is exposed to the cooling medium by flushing the adsorbent, whereby the cooling medium is passed over the adsorbing surfaces of the adsorbent and through channel structures of the adsorbent and extracted by suction.
  • a pressure difference is set as the suction pressure across the adsorbent from the inlet line to an outlet line and is maintained for the purification.
  • a pump or compressor can be used on the outlet side and the coolant can be sucked in to carry out the flushing process with the cooling medium.
  • the cooling medium absorbs the heat of the adsorbent and heats up. After the flushing process, the cooling medium is cooled to a cooling temperature of, for example, 10 °C - 20 °C.
  • the cooling medium is guided in a cooling circuit, with fresh cooling medium being supplied to the cooling circuit as required.
  • the cooling medium is advantageously almost not used up thanks to the cyclical reuse and processing. Nevertheless, it is advisable to keep a reservoir or storage facility with cooling medium so that, if necessary, any loss of cooling medium during repeated cyclical execution of the process can be removed and fed into the cooling circuit and refreshed. In this way, the quality of the cooling medium is also ensured in the long term. In the event of maintenance, a complete change and thus replacement of the cooling medium can also be carried out.
  • a cooling medium different from the heating medium is used in the desorption step.
  • This facilitates the implementation of the switching process from the heating medium to the cooling medium and leads to a higher efficiency in the purification of the adsorbent.
  • a respective adapted medium can be used as the heating medium and as the cooling medium in the sub-steps.
  • the adapted choice of two media in the desorption step facilitates the cyclical operation of the adsorption step and the multi-stage desorption step.
  • the adsorbent in the desorption step, before the adsorbent loaded with CO2 is exposed to the heating medium, the adsorbent is subjected to a negative pressure, whereby the air surrounding the adsorbent is pumped out.
  • the area surrounding the adsorbent loaded with CO2 is thus advantageously freed of as much oxygen as possible before the actual desorption is started.
  • Pumping out the air surrounding the adsorbent serves to prepare for the actual desorption and prevents exposure of the adsorbent to damaging oxygen during heating with the heating medium. It is important and advantageous to avoid oxidative degradation of the adsorbent, particularly in this preparatory step.
  • a high CCU purity of the CO2 thermally expelled together with the heating medium is achieved.
  • an inert purge gas in particular pure nitrogen
  • the cooling medium wherein the inert purge gas is brought to the cooling temperature and fed to the adsorbent.
  • Nitrogen is readily available as an inert gas and is particularly advantageous for flushing the adsorbent.
  • the nitrogen can be provided in a nitrogen tank or in gas cylinders. Alternatively, the nitrogen can also be obtained "in-situ" from an air separation process and used as a cooling medium for the process.
  • water in the form of low-pressure steam is preferably supplied to the adsorbent as the heating medium.
  • the low-pressure steam can be taken from a steam generator or a steam reservoir. In this way, hot steam is provided as a heating medium with which the CO2 is expelled from the loaded adsorbent.
  • a cooling step is provided in the desorption step.
  • This cooling step makes use of the fact that a direct introduction of low-pressure steam into the desorption chamber with the loaded adsorbent is used to heat up the adsorbent.
  • this condensate evaporates, which cools the adsorbent.
  • a disadvantage of this procedure is that in the case of even small leaks, ambient air in flows into the desorption chamber and supplies damaging oxygen again. However, this does not adequately prevent degradation of the adsorbent by oxygen.
  • water is condensed out of the CO2 expelled with the low-pressure steam, whereby desorbed CO2 is obtained in concentrated form.
  • the phase separation of CO2 dissolved in water enables an efficient and particularly economical use of water in a cycle, while at the same time achieving a high separation rate of pure and concentrated CO2.
  • the water can be condensed out of the low-pressure steam as a heating medium, so that a separation of the mixture of water and desorbed and at least partially dissolved CO2 is achieved.
  • the CO2 can be further processed, in particular dried and stored or transported away. This process has considerable advantages, particularly compared to the known solutions. In these, the amount of condensed water that can be evaporated as condensate on the surface of the adsorbent, and thus the actual cooling capacity, is limited and cannot be influenced or controlled.
  • the cooling capacity of these DAC systems depends solely on how much and where the condensate is deposited on the surface of the absorbent.
  • the cooling principle of the invention with the two-stage desorption step makes it possible to almost completely evaporate condensate adhering to the adsorbent and thus, for example, to provide it for economically interesting recycling.
  • the known cooling principles with residual condensate wetted adsorbent was only dried by the air flow of the ambient air in the following adsorption step. This means that this technology results in a considerable water consumption and is therefore very disadvantageous. for use in water-poor regions or . use there is practically impossible .
  • the invention enables a DAC system to be operated in water-poor regions where cheap renewable energy in the form of solar energy is often available for operating a DAC system.
  • an evacuation step following desorption is proposed in order to initiate evaporation of the condensate and to cool the adsorbent as much as possible before it is exposed to the ambient air again . If evaporation and cooling were carried out using air alone, the 100 ° C hot adsorbent would come into contact with oxygen from the ambient air in a correspondingly high concentration, which would lead to rapid degradation of the adsorbent.
  • a separation device for separating CO2 from the atmosphere comprising a desorption chamber through which a working medium can flow and into which an adsorbent can be introduced, wherein a supply line for the working medium is connected to the desorption chamber on the inlet side and a discharge line on the outlet side, wherein a first switching device is connected upstream of the supply line and a second switching device is connected downstream of the discharge line, so that during desorption operation in a desorption step it is possible to switch from applying a heating medium to applying a cooling medium to the absorbent as the working medium.
  • the separation device of the invention proposes a device for a DAC system which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention for separating CO2 from the atmosphere.
  • a first switching device is connected upstream of the desorption chamber and a second switching device Device downstream of the desorption chamber.
  • the desorption chamber with the absorbent can be supplied with and flowed through with either a heating medium or a cooling medium, depending on the switching state.
  • Separate flow paths for the heating medium and the cooling medium lead into the first switching device on the inlet side. Accordingly, separate flow paths for the heating medium and the cooling medium branch off from the second switching device on the outlet side.
  • the separation device is designed in such a way that the desorption step of an adsorbent loaded with CO2 in the desorption chamber can be carried out in two stages or in two partial steps, with different working media being able to be supplied separately.
  • the switching devices mean that the separation device is particularly advantageously configured and usable for cyclic operation.
  • the separation device can be used in a DAC system and can be connected or integrated into it, regardless of the specific structural design and handling of the adsorbent, e.g. an adsorbent module.
  • the separation device can be operated flexibly in a DAC system with both movable and fixed adsorbent modules with corresponding movable flaps for the supply air. Only one supply line and one discharge line are required as a connection to the desorption chamber, so that the respective working medium of the desorption chamber can be optionally supplied with the adsorbent.
  • a heating line for the heating medium and a cooling line for the cooling medium are connected to the first switching device on the input side of the separation device.
  • Separate supply connections for the working media are therefore provided in the first switching device, so that the heating medium and the cooling medium can be supplied separately, i.e. via a separate line, on the input side of the first switching device.
  • the same supply line and the same discharge line of the desorption chamber can be used. This makes the separation device particularly cost-effective.
  • a heating line is connected to the output side of the second switching device, into which a separating device is connected, which is designed such that a mixture of heating medium and desorbed CO2 can be extracted from the desorption chamber and the CO2 can be separated from the heating medium.
  • the separation device can be functionally designed as a phase separation device or as a substance separation device.
  • the mixture can be expelled from the desorption chamber and removed when the adsorption chamber is flowed through via the heating line.
  • a substance or phase separation can be achieved in the mixture by spatially separating the heating medium and the expelled CO2. This enables the extraction and further use of the separated CO2 in a very pure form and the reuse of the heating medium.
  • a cooling line is connected to the output side of the second switching device, into which a separating device is connected, which is designed such that a mixture comprising the cooling medium and heating medium can be extracted from the desorption chamber and the heating medium can be separated from the cooling medium.
  • This treatment in the desorption chamber reprocesses the adsorbent to a high quality for further loading, i.e. it is freed of CO2 and cooled.
  • a large number of cycles of adsorption and desorption with little degradation as a result of damaging oxygen exposure are possible thanks to the separation device equipped in this way.
  • This design also ensures that both a cooling line and a heating line branch off and can be switched to at the second switching device.
  • the heating medium and the cooling medium can be guided in a targeted manner via separate line paths, which have a respective medium-specific separating device.
  • the respective separation device has a separating container in the cooling line and in the heating line, so that a phase separation of the liquid phase and the gaseous phase can be brought about.
  • a separator tank can be designed as a condensate separator, which has a connection for the working medium on the inlet side.
  • the heating line or the cooling line is connected.
  • the phase separation takes place due to gravity and the density differences of the mixtures, so that the liquid phase occurs at the bottom and the gaseous phase at the top of the separation vessel and can be tapped off for further use. This ensures that gaseous CO2 desorbed by the separation vessel in the heating line is separated from the heating medium, for example water.
  • a cooler or condenser can be connected beforehand in the heating line so that the phase mixture of heating medium and CO2 is first cooled before phase separation.
  • the separation vessel in the cooling line separates and separates the cooling medium from the heating medium, for example water.
  • a gas-liquid phase separation is also provided in the condensate separator.
  • a gas cooler can also be installed in the cooling line upstream of the separator vessel, so that the phase mixture of cooling medium, for example nitrogen, and the heating medium is first cooled before phase separation. Residues of desorbed gaseous CO2 can also be expelled via the cooling line, so that a gas mixture of the gaseous inert cooling medium and portions of CO2 is produced.
  • the CCp content in the cooling medium will settle at a constant low value corresponding to the partial pressure in a nearly stationary manner during cyclic operation in a cooling medium circuit.
  • a cooling circuit for the cooling medium is formed.
  • a closed nitrogen circuit is provided using nitrogen as an intergas and cooling medium.
  • a supply of cooling medium via a connection in the cooling circuit is advantageously provided if required.
  • the first switching device and the second switching device each have a controllable 3-way valve.
  • Switchable and electrically controllable 3-way valves allow the required line paths to be automatically released during a switching process for the heating medium and the cooling medium.
  • a cyclical application of an adsorption step and a subsequent two-stage desorption step with the desorption chamber being charged with the heating medium and then charged with the cooling medium can thus be carried out reliably.
  • the separation device preferably has a steam container so that water in the form of low-pressure steam can be fed into the desorption chamber via the feed line as a heating medium.
  • the low-pressure steam can be provided as required in the steam tank itself by heating water.
  • the heating can be done electrically, for example, using a heating rod. It is also possible to generate and provide low-pressure steam from solar thermal heating, for example in conjunction with a DAC system and a CSP system (concentrated solar power), and to store it in the steam tank or to extract it from the solar thermal system in a metered manner as required.
  • a gas container for an inert purge gas is preferably provided, so that an inert purge gas is provided as a cooling medium, with which the desorption chamber with the absorbent can be purged and cooled. It is advisable to store the inert purge gas, for example by providing a gas container for nitrogen. It is also possible to simply provide a container of gas bottles or to keep a container with liquid nitrogen from a connected air separation plant, from which gaseous nitrogen is obtained and removed as inert purge gas.
  • the separation device can be used in a system for separating CO2 from the atmosphere.
  • a system for separating CO2 from the atmosphere can be designed as a DAC system and has a separation device.
  • FIG 1 shows a DAC system with a separation device according to the invention
  • FIG 2 shows a block diagram of a simplified process sequence for the separation of CO2 from the atmosphere with a two-stage desorption step according to the invention.
  • FIG 1 shows a simplified representation of a section of a direct air capture system, or "DAC system” for short. for a selective separation of carbon dioxide CO2 from the ambient air.
  • the DAC system has a separation device 9 for this purpose.
  • the separation device 9 comprises a desorption chamber 11 into which an adsorbent module 41 is introduced.
  • the adsorbent module 41 has an adsorbent 1.
  • the adsorbent 1 is a material that can selectively adsorb CO2 from the ambient air.
  • the adsorbent 1 can be introduced into the adsorbent module 41 as a fine granular bed or in another structure so that the largest possible effective adsorbent surface is provided for adsorption or absorption of CO2.
  • a cooling medium 5 can be fed to the desorption chamber 11 via the cooling line 21a.
  • corresponding branches are provided on the output side of the second switching device 17b.
  • the heating line 19b is connected to a separating device 23 and the cooling line to a separating device 25.
  • the separating device 23 on the heating line 19b has a vacuum pump 33, a cooler or condenser 37 and a separating container 27.
  • the separating device 25 on the cooling line 21b has a blower or compressor 45, to which a gas cooler 39 and a separating container 27 are connected in the flow direction of the cooling medium 5.
  • a low-pressure steam S from a steam container 19 is provided as the heating medium 3.
  • An inert gas, in this case cooled gaseous nitrogen N 2 is provided as the cooling medium 5.
  • the nitrogen N 2 can be stored in a gas container 31 and removed from it as required. Nitrogen N 2 can thus be replenished as a fresh cooling medium 5a in order to compensate for any loss of cooling medium 5 due to operation.
  • the coolant 5 is guided in a closed cooling circuit 7.
  • the process for separating C0 2 from the ambient air is illustrated in a highly simplified schematic block diagram in FIG 2.
  • An adsorption step A and a desorption step D following the adsorption step are carried out.
  • the adsorption step A the adsorption chamber 11 is opened and the discharged adsorbent 1 is exposed to ambient air, which fills the adsorption chamber 11 .
  • a portion of the CO2 contained in the air is adsorbed by the adsorbent 1, stored in the surface-rich structure of the adsorbent 1, and an adsorbent 1 loaded with CO2 is formed.
  • the adsorption step A is terminated and exposure to ambient air is discontinued. This is done, for example, by closing the adsorption chamber 11 via movable closure elements 45 and sealing it airtight via the sealing system 43 . It is also possible for the adsorbent module 41 with the loaded absorbent 1 to be moved from an exposure position in the ambient air to a position in the desorption chamber 11 and for the desorption chamber 11 to then be sealed with the adsorbent module 41.
  • This airtight closure of the desorption chamber 11 is illustrated in FIG . 2 with a closing step A 1 , which can also be regarded as a final step and sub - step of the adsorption step A .
  • the adsorbent 1 is exposed to the cooling medium 5 and is flowed through extensively, whereby the adsorbent 1 is also cooled and dried from a residual coating with condensed water H 2 O from the first desorption step D1.
  • the cooling efficiency is hereby significantly improved by additional utilization of the evaporative cooling of the evaporating water H 2 0 .
  • the cooling medium 5 is extracted from the adsorbent 1 and this is cooled to a cooling temperature.
  • the cooling medium 5 is fed into a cooling circuit 7, wherein nitrogen N 2 can only be fed to the cooling circuit 7 as a fresh cooling medium 5a if required.
  • the desorption step D is carried out in two stages as far as the actual desorption of the C0 2 is concerned.
  • a heating medium 3 is used in the first desorption step D1 and a cooling medium 5 is used in the second desorption step D2, wherein the heating medium 3 and the cooling medium 3 are different media or fluids in order to achieve a particularly advantageous desorption through the combination of the first desorption step D1 and the second desorption step D2 and, above all, a significantly improved cooling effect in the second desorption step D2.
  • Degradation of the adsorbent 1 can be prevented or at least significantly reduced by comprehensive cooling and a low temperature.
  • Exposure to oxygen at a lower operating temperature in the adsorption step A is less damaging to the adsorbent 1, so that longer service lives are achieved for the adsorbent 1 and thus a large number of consecutive cycles consisting of an adsorption step A and a desorption step D with the sub-steps D1, D2 can be carried out.
  • an evacuation step E is first carried out.
  • the evacuation step E serves to prepare the desorption chamber 11 with the loaded adsorbent 1 for the actual desorption process.
  • the adsorbent 1 is first subjected to a negative pressure.
  • the air surrounding the absorbent 1 in the desorption chamber 11 is pumped out. This is done by activating the vacuum pump 33 to remove the air.
  • the desorption step D1 then follows, in which water H 2 0 in the form of low-pressure steam S is added to the adsorbent as the heating medium 3. bens 1 which flows through the desorption chamber 11 accordingly.
  • the water H 2 0 from the mixture of low-pressure steam S and expelled C0 2 is condensed in the separation vessel 27 and desorbed C0 2 in concentrated form is recovered and separated at the top of the separation vessel 27.
  • the second desorption step D2 follows, in which the inert purge gas, in particular pure nitrogen N 2 , is used as the cooling medium 5.
  • the nitrogen N 2 is brought to a predetermined cooling temperature in the gas cooler 39 and fed to the adsorbent 1 via the cooling line 21a via the first switching device 17a, whereby the absorbent 1 flows through, is cooled and prepared for a further adsorption step A.
  • the nitrogen N 2 is fed via the discharge line 15 through the second switching device 17b via the cooling line 21b to the separating device 25.
  • a cooling circuit 7 is thereby realized.
  • the invention proposes a two-stage desorption process.
  • a suitable external cooling medium 5 in the second desorption step D2 the cooling of the adsorbent 1 becomes significantly more efficient, effective and also easier to control and reproduce.
  • a separate cooling medium 5 is introduced into the desorption chamber 11 for the cooling step in the second desorption step D2.
  • Nitrogen N 2 is particularly advantageous here as a gaseous inert heat transfer medium. In order to minimize nitrogen consumption, the heated nitrogen N 2 is cooled again in a gas cooler 39 and can be recycled many times.
  • the condensate of water H 2 0 remaining on the adsorbent 1 is also specifically evaporated, thus additionally contributing to the cooling effect through evaporative cooling. Since the temperature of the nitrogen N 2 can be regulated for this type of cooling and the duration of the desorption step D2 with the cooling step can be freely selected, a desired target temperature of the adsorbent for operation in the adsorption step A and also the degree of drying of the adsorbent can be controlled.
  • the water H 2 0 evaporated by evaporative cooling is first again cooled as condensate, i.e. The water H 2 0 is separated and can thus be advantageously reused. The water H 2 0 is not emitted with the treated media stream and is consumed.
  • the cooling process in the second desorption step D2 is carried out at a slight excess pressure compared to the atmospheric pressure of the environment. There is therefore no risk of oxygen from the ambient air flowing into the interior of the desorption chamber 11. If the adsorbent module 41 remains filled with nitrogen N2 at the end of the cooling step, this amount of nitrogen N2 gas is released into the atmosphere when the adsorbent module 41 is again pressurized and charged with ambient air. It is therefore advantageous and expedient to feed at least this amount of nitrogen N2 gas into the cooling circuit 7, for example by taking it from the gas container 31. This can be done, for example, by restoring a selected working pressure as the target pressure in the cooling circuit 7 by feeding nitrogen N2 from the gas container 31 into the cooling circuit 7 in an appropriately regulated manner.
  • the cooling can be regulated and controlled according to requirements. In this way, cooling can be reliably set to a necessary surface temperature of the adsorbent 1 and this surface temperature can be ensured.
  • the cooling medium 5 provided as cooling gas can be passed through the adsorbent 1 in a very evenly distributed manner via gas distributors (not shown in detail in FIG. 1), thereby avoiding very disadvantageous temperature gradients or temperature uneven distributions. This is very advantageous compared to cooling by flash evaporation in a vacuum according to the concepts known to date. With the known flash evaporation, it depends on where and in what quantity condensate has deposited.
  • the condensate will not be evenly distributed over the surface of the adsorbent 1.
  • energy is only locally extracted from the adsorbent material through evaporation where water H 2 0 is also present. Regions in the adsorbent module 41 where more water H 2 0 is precipitated than is required for cooling cannot make any further contribution to cooling, since no further energy flow can occur due to the prevailing temperatures.
  • the main economic advantage results from a reduced degradation of the adsorbent 1 due to oxygen exposure. Due to the degradation, the adsorbent loses storage capacity for the binding of CO 2 , so that it must either be replaced or regenerated at great expense.
  • An extension of the service life of the adsorbent 1 through the cooling concept of the invention and the separation device 9 proposed for this purpose and the advantageous process control for the desorption step D also reduces the maintenance effort and increases the system availability of a DAC system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre, bei dem ein Adsorptionsschritt (A) und ein sich an den Adsorptionsschritt anschließender Desorptionsschritt (D) durchgeführt wird, wobei in dem Adsorptionsschritt ein Adsorbens (1) mit Luft beaufschlagt wird, wobei ein Teil des in der Luft enthaltenden CO2 von dem Adsorbens (1) adsorbiert wird, und wobei in dem Desorptionsschritt (D) das mit CO2 beladene Adsorbens (1) mit einem Heizmedium (3) beaufschlagt und erhitzt wird, wobei adsorbiertes CO2 thermisch ausgetrieben wird, und wobei danach das Adsorbens (1) mit einem Kühlmedium (5) beaufschlagt und für einen erneuten Adsorptionsschritt (A) aufbereitet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Separationsvorrichtung (9) zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre, umfassend eine von einem Arbeitsmedium durchströmbare Desorptionskammer (11) sowie eine DAC-Anlage mit einer Separationsvorrichtung (9).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre und Separationsvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Abtrennung von C02 aus der Atmosphäre . Die Erfindung betri f ft weiterhin eine Separationsvorrichtung, die insbesondere zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist .
Durch die Verbrennung von fossilen Brennstof fen werden momentan etwa 80% des weltweiten Energiebedarfs gedeckt . Durch diese Verbrennungs- und weiteren industriellen Produktionsprozesse wurden im Jahr 2019 weltweit circa 38 . 017 Millionen Tonnen Kohlenstof fdioxid ( CO2 ) in die Atmosphäre emittiert . Neben der fossilen Energieerzeugung leistet die Herstellung und Umwandlung industrieller Rohstof fe mit einem Anteil von 9, 2 % an der Gesamtemission einen erheblichen Beitrag zum kontinuierlichen Anstieg der CO2 Konzentration in der Atmosphäre . Die Diskussion über die negativen Auswirkungen des Treibhausgases CO2 auf das Klima hat dazu geführt , dass über eine Wiederverwertung von CO2 nachgedacht wird . Thermodynamisch gesehen liegt CO2 sehr niedrig und kann daher nur schwer wieder zu brauchbaren Produkten reduziert werden .
Eine wichtige Anwendung ist die Abscheidung von Kohlendioxid (CO2 ) aus Gasströmen, z . B . aus Rauchgasen, Abgasen, Industrieabgasen oder atmosphärischer Luft . Die Abscheidung von CO2 direkt aus der Atmosphäre , die sogenannte Direct Air Capture (DAC ) , ist eines von mehreren Mitteln, um anthropogene Treibhausgasemissionen zu mindern, und bietet als nicht- fossile , ortsunabhängige CO2-Quelle attraktive wirtschaftliche Perspektiven für den Rohstof fmarkt und für die Herstellung synthetischer Kraftstof fe .
Ein besonderer Ansatz für Direct Air Capture basiert auf einem zyklischen Adsorptions- und Desorptionsprozess an bei- spielsweise an festen, chemisch funktionalisierten Sorptionsmaterialien . So sind etwa in der WO 2016/ 005226 Al und der WO 2017 / 009241 Al Verfahren of fenbart , die auf einer zyklischen Adsorption und Desorption mit Hil fe von Dampf bzw . einem geeigneten Amin- funktionalisierten Sorptionsmaterial zur Extraktion von Kohlendioxid aus der atmosphärischen Umgebungsluft basieren . Darüber hinaus findet sich in der WO 2019/ 092127 Al eine weitere Klasse von Sorptionsmaterialien auf der Basis einer Kaliumcarbonat-Funktionalisierung . Diese Materialklasse ist auch für zyklische C02-Adsorptions- und Desorptionsprozesse geeignet .
Der Adsorptionsprozess findet normalerweise unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen statt , bei denen Luft durch das Sorbentmaterial strömt und ein Teil des in der Luft enthaltenen CO2 chemisch und/oder physikalisch an der Oberfläche oder in den Adsorbentien gebunden bzw . adsorbiert wird . Bei der anschließenden C02-Desorption wird das Adsorptionsmaterial normalerweise erhitzt , und optional kann der das Sorptionsmittel umgebende Partialdruck des Kohlendioxids reduziert werden, indem zusätzlich ein Vakuum angelegt oder das Sorptionsmittel einem Spülgasstrom ausgesetzt und aus der Struktur ausgetrieben wird, z . B . unter Einbeziehung von Dampf . Dabei wird das zuvor abgeschiedene Kohlendioxid aus dem Sorptionsmittel entfernt und kann in konzentrierter Form gewonnen werden .
Eine der größten Heraus forderungen für die energie- und kostenef fi ziente Realisierung von Direct Air Capture ergibt sich aus der geringen CCU-Konzentration in der atmosphärischen Luft , die nominell ca . 400 ppm ab 2019 beträgt und der Abgabe der entsprechend notwendigen großen Mengen atmosphärischer Luft an eine geeignete Gastrennungsstruktur sowie eine ef fiziente zyklische Prozess führung von Adsorption und Desorption . Im Zuge der angestrebten industriellen Anwendung geraten dabei auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zunehmend die Standzeiten bzw . die Langzeitstabilität des Adorbentmate- rials für die Adsorption und Desorption von atmosphärischem CO2 für eine möglichst hohe Zyklenzahl in den Blick .
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre anzugeben, mit dem eine erhöhte Stabilität des Adsorbens erreicht werden kann . Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer in entsprechender Weise ertüchtigten Separationsvorrichtung zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre .
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre , bei dem ein Adsorptionsschritt und ein sich an den Adsorptionsschritt anschließender zweistufiger Desorptionsschritt durchgeführt wird, wobei in dem Adsorptionsschritt ein Adsorbens mit Luft beaufschlagt wird, wobei ein Teil des in der Luft enthaltenden CO2 von dem Adsorbens adsorbiert wird, und wobei in dem Desorptionsschritt das mit CO2 beladene Adsorbens in einem ersten Desorptionsschritt mit einem Hei zmedium beaufschlagt und erhitzt wird, wobei adsorbiertes CO2 thermisch ausgetrieben wird, und wobei danach in einem zweiten Desorptionsschritt das Adsorbens mit einem von dem Hei zmedium verschiedenen Kühlmedium beaufschlagt und für einen erneuten Adsorptionsschritt aufbereitet wird .
Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus , dass DAC ( Direct Air Capture ) eine neue Technologie ist , die die Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre ermöglicht . Allerdings befindet sich Technologie momentan noch in einer sich verstärkenden Entwicklungs- und Industrialisierungsphase . Die hier am weitesten entwickelte Technologie basiert auf Verfahren der selektiven Absorption von CO2 auf dafür speziell entwickelten Adsorbenzien . Die Gewinnung und Abtrennung des reinen CO2 findet in dem anschließenden Desorptionsprozess statt . Dabei wird das Adsorbens in einem abgeschlossenen System zunächst durch Evakuieren von Umgebungsluft befreit . In einem zweiten Schritt wird das Adsorbens auf ca . 100 ° C er- wärmt und unter reduziertem Druck wird CO2 desertiert und kann aus einem Sorptionsapparat abgesaugt werden . Ein erheblicher Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist , dass das Adsorbens , das in der Regel chemisch mit einer Amin-basierten Komponente vorbehandelt ist , die bei erhöhten Temperaturen sensibel gegenüber Sauerstof f ist und so eine rasche Degradation des Adsorbens zu verzeichnen ist , wenn das Adsorbens nach dem Desorptionsschritt wieder ungekühlt dem Luftstrom für den nächsten Adsorptionsschritt ausgesetzt wird .
Die Erfindung hat erkannt , dass hier eine ef fi ziente , wirkungsvolle und kontrollierbare Kühlung erforderlich ist , die überdies eine schädigende Sauerstof f exposition des Adsorbens sicher vermeidet oder reduziert . Das vorgeschlagene Verfahren der Erfindung ist daher in besonderer Weise zur selektiven Abtrennung bzw . Abscheidung von CO2 aus der Umgebungsluft bei atmosphärischen Druckverhältnissen geeignet , wobei in dem Desorptionsschritt eine sukzessive Beaufschlagung des Adsorbens mit zwei Medien vorgenommen wird . Diese Art der Behandlung des Adsorbens führt vorteilhafterweise zu einer lebensdauerverlängernden Aufbereitung und begünstigt einen mehrfachen zyklischen Gebrauch des Adsorbens zur Adsorption von CO2 in einer DAC-Anlage . Dabei wird durch die vorgeschlagene Verfahrens führung der Desorption und Behandlung in zumindest zwei hintereinander ausgeführten Teilschritten mit einem j eweiligen Hei zmedium und einem j eweiligen Kühlmedium eine deutlich längere Stabilität und damit längere Verwendbarkeit ( Standzeit ) für das insbesondere gegenüber Sauerstof f eintrag empfindliche Adsorbens erreicht .
Die Verfahrens führung wird im Desorptionsschritt in einer Entladephase mit dem Hei zmedium und in einer sich daran anschließenden Regenerationsphase mit dem Kühlmedium zweistufig durchgeführt . Mit dem Hei zmedium wird das CO2 aus dem Adsorbens bereits überwiegend - allerdings im Allgemeinen nur nahezu vollständig - in dem ersten Desorptionsschritt ausgetrieben und das Adsorbens auf beispielsweise 100 ° C erhitzt . Durch die nachfolgende Beaufschlagung mit Kühlmedium in dem zweiten Desorptionsschritt wird neben dem vorteilhaften Kühlef fekt für das empfindliche Adsorbens ein weiterer Vorteil in dem Desoptionsschritt bewirkt . Insbesondere werden dabei auch die infolge des ersten Desorptionsschritts noch anhaftende Reste von kondensiertem Hei zmedium auf der Oberfläche des Adsorbens durch die Beaufschlagung mit dem Kühlmedium ef fi zient und vollständig aus der Struktur ausgetrieben . Eine nachteilige und daher bisweilen nur unvollständige Entfernung des CO2 aus dem Adsorbens wird durch die zweistufige Aus führung des Desorptionsschritts dahingehend verbessert , dass durch diese Art der Aufbereitung und Oberflächenpräparation auch erhöhte Abscheideraten (Belegung) und Reinigung des Adsorbens bzw . eine ef fektivere Nutzung der verfügbaren Adsorbensober- fläche erzielt wird . Dabei wird zusätzlich zu dem Kühlef fekt und der Regeneration des Absorbens durch das Spülen mit dem Kühlmedium auch auf Oberflächenbereichen des Adsorbens kondensiertes Hei zmedium ef fektiv mit ausgetrieben und abgeführt . Aus dem Adsorbens wird mithin nicht nur das CO2 entladen, sondern das Adsorbens wird auch konfektioniert und für einen nächsten Adsorptionsschritt aufbereitet . Das Durchströmen des Adsorbens mit dem Kühlmedium in dem zweiten Desorptionsschritt , beispielsweise gekühltem Stickstof f , führt zu einer besonders gleichmäßigen und umfänglichen Abkühlung des Adsorbens . Dabei wird ein von dem Hei zmedium verschiedenes , nicht wassergesättigtes Kühlmedium eingesetzt . Dadurch dass der Kühlmedienstrom nicht wassergesättigt ist , kann vorteilhafterweise auch das durch die vorausgegangene Beaufschlagung mit dem Hei zmedium nicht verdampfte Wasser aus dem Desorptionsraum vollständig entfernt und wiederverwendet werden .
Dabei ist die Degradation des Adsorbens gegenüber den bekannten Verfahren reduziert und eine deutlich höhere Zyklenzahl bei nahezu gleichbleibender Speicheref fi zienz erreicht . Somit sind zyklische Adsorptions - und Desorptionsprozesse in großer Zyklenzahl möglich, und zwar unabhängig von der technisch-konstruktiven Ausgestaltung und Handhabung einer das Adsorbens aufnehmenden Kammer oder eines Moduls . Das Verfahren ist dabei vorteilhafterweise auf unterschiedliche kon- struktive Aus führungen zyklischer Adsorptions- und Desorptionseinrichtungen und DAC-Behälterlösungen aus dem Stand der Technik flexibel appli zierbar .
In bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird in dem Desorptionsschritt die Zufuhr von Hei zmedium unterbrochen und auf eine Beaufschlagung mit dem Kühlmedium umgestellt .
Durch das Umstellen von dem Hei zmedium auf das Kühlmedium werden die beiden Teilschritte in dem Desorptionsprozess in gezielter Weise als getrennte Teilschritte des Verfahrens ausgeführt . Dies wird durch ein Umstellen oder ein Umschalten von einer Beaufschlagung des Adsorbens von dem Hei zmedium auf das Kühlmedium herbeigeführt . Der Medienwechsel bei der Spülung des Adsorbens führt zu einer Austeilung des Desorptionsschritts in unabhängige Teilschritte . Diese Verfahrens führung führt zu Vorteilen im Degradationsverhalten des Adsorbens .
Dabei wird in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens das Adsorbens mit dem Kühlmedium beaufschlagt , so dass das Adsorbens abgekühlt und getrocknet wird .
Somit wird neben der Kühlung und entsprechender Inertisierung gegenüber schädigender Sauerstof f exposition bei hohen Temperaturen auch eine Trocknung des Adsorbens durch das Kühlmedium bewirkt und eine ef fektive Oberflächennutzung für die Adsorption ist erzielbar . Überdies wird die Lebensdauer des Adsorbens verlängert . Es wurde gefunden, dass durch die Anwendung des Kühlmediums eine ef fektive Verdunstung von Resten kondensiertem Hei zmedium auf der Oberfläche des Adsorbens befreit wird . Hierdurch wird die Kapazität des Adsorbens erhalten und dieser nahezu verlustfrei in j edem Zyklus regeneriert . Eine unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten besonders vorteilhafte und nachhaltige Aufbereitung des Adsorbens kann dadurch in j edem Zyklus bewirkt werden . In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird das Kühlmedium aus dem Adsorbens extrahiert und auf eine Kühltemperatur abgekühlt .
Die Beaufschlagung des Adsorbens mit dem Kühlmedium erfolgt durch eine Spülung des Adsorbens , wobei das Kühlmedium über die adsorbierenden Oberflächen des Adsorbens und durch Kanalstrukturen des Adsorbens geführt und durch eine Absaugung extrahiert wird . Dabei wird eine Druckdi f ferenz als Ansaugdruck über das Adsorbens von der eingangsseitigen Zuleitung bis zu einer ausgangsseitigen Ableitung eingestellt und für die Aufreinigung aufrechterhalten . Beispielsweise kann hier eine Pumpe oder ein Verdichter ausgangsseitig eingesetzt werden und das Kühlmittel angesaugt werden, um den Spülvorgang mit dem Kühlmedium durchzuführen . Das Kühlmedium nimmt die Wärme das Adsorbens auf und erwärmt sich . Nach dem Spülvorgang wird das Kühlmedium auf eine Kühltemperatur von beispielsweise 10 ° C - 20 ° C abgekühlt .
Vorzugsweise wird dabei das Kühlmedium in einem Kühlkreislauf geführt , wobei bedarfsweise dem Kühlkreislauf frisches Kühlmedium zugeführt wird .
Das Kühlmedium wird durch die zyklische Wiederverwendung und Aufbereitung vorteilhafterweise nahezu nicht verbraucht . Dennoch ist es zweckmäßig, dass ein Reservoir oder ein Speicher mit Kühlmedium vorgehalten wird, so dass bei Bedarf ein eventueller Verlust von Kühlmedium bei der wiederholten zyklischen Durchführung des Verfahrens entnommen und in den Kühlkreislauf nachgespeist und dieses aufgefrischt werden kann . Auf diese Weise ist auch die Qualität des Kühlmediums langfristig sichergestellt . In einem Wartungs fall kann auch ein vollständiger Wechsel und damit ein Austausch des Kühlmediums durchgeführt werden .
In besonders bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird in dem Desorptionsschritt ein von dem Hei zmedium verschiedenes Kühlmedium verwendet . Dies begünstigt die Realisierung des Umschaltprozesses von dem Hei zmedium zu dem Kühlmedium und führt zu einer höheren Ef fi zienz der Aufreinigung des Adsorbens . Somit kann in den Teilschritten ein j eweiliges angepasstes Medium als Hei zmedium und als Kühlmedium verwendet werden . Überdies begünstigt die angepasste Medienwahl zweier Medien in dem Desorptionsschritt die zyklische Fahrweise von Adsorptionsschritt und dem mehrstufigem Desorptionsschritt . Es ist prinzipiell auch denkbar, den zusätzlichen Kühlschritt auch im Vakuum mit " kaltem" Wasserdampf als Kühlmedium durchzuführen, so dass auch dadurch ein vom Hei zmedium verschiedenes Kühlmedium zur Durchführung des Desorptionsschritts bereitgestellt wird .
In weiterhin bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird in dem Desorptionsschritt vor der Beaufschlagung des mit CO2 beladenen Adsorbens mit dem Hei zmedium das Adsorbens mit einem Unterdrück beaufschlagt , wobei die das Absorbens umgebende Luft abgepumpt wird .
Die Umgebung des mit CO2 beladenen Adsorbens wird somit zunächst vorteilhafterweise möglichst restlos von Sauerstof f befreit , bevor die eigentliche Desorption gestartet wird . Das Abpumpen der Umgebungsluft des Adsorbens dient der Vorbereitung der eigentlichen Desorption und verhindert eine Exposition des Adsorbens mit schädigendem Sauerstsof f während des Aufhei zens mit dem Hei zmedium . Es ist wichtig und vorteilhaft insbesondere in diesem vorbereitenden Schritt eine oxidative Degradation des Adsorbens zu vermeiden . Zugleich wird eine hohe CCU-Reinheit des thermisch zusammen mit dem Hei zmedium ausgetriebenen CO2 erzielt .
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise als Kühlmedium ein inertes Spülgas , insbesondere reiner Stickstof f , verwendet wird, wobei das inerte Spülgas auf die Kühltemperatur gebracht und dem Adsorbens zugeführt wird . Stickstof f ist als Inertgas gut verfügbar und besonders vorteilhaft zur Spülung des Adsorbens einsetzbar . Der Stickstof f kann in einem Stickstof f tank oder in Gas flaschen bereitgestellt werden . Alternativ kann der Stickstof f auch bedarfsweise „in-situ" aus einem Luft Zerlegungsprozess gewonnen und als Kühlmedium für das Verfahren verwendet werden .
Als Hei zmedium wird in dem Verfahren bevorzugt Wasser in Form von Niederdruckdampf dem Adsorbens zugeführt .
Der Niederdruckdampf kann in einem Dampferzeuger entnommen oder einem Dampf reservoir entnommen werden . Auf diese Weise wird als Hei zmedium heißem Dampf zur Verfügung gestellt , mit dem das CO2 aus dem beladenen Adsorbens ausgetrieben wird .
Durch die Anwendung von Niederdruckdampf als Hei zmedium und reinem kühlen Stickstof f als Kühlmedium in einem zweistufig und getrennt ausgeführten Teilschritten in dem Desorptionsprozess ergeben sich zahlreiche Vorteile gegenüber den bekannten Lösungen . Auf diese Weise kann der DAC-Prozess in besonders vorteilhafter und einfacher Weise durchgeführt werden . Dem schon länger im Stand der Technik bekannten Problem der oxidativen Adsorbens Degradation kann dadurch sehr wirkungsvoll und auf einfache Weise begegnet werden, da die Kühlef fi zient erhöht und eine Sauerstof f exposition bei zu hohen Temperaturen des Adsorbens verhindert ist .
Beispielsweise ist in den bisher bekannten Ansätzen ein Kühlungsschritt im Desorptionsschritt vorgesehen . Dieser Kühlungsschritt macht sich zu Nutze , dass für das Aufhei zen des Adsorbens , eine direkte Einleitung von Niederdruckdampf in den Desorptionsraum mit dem beladenen Adsorbens genutzt wird . Dabei entsteht Kondensat , das sich auch auf der Oberfläche des Adsorbens niederschlägt . Durch eine erneute starke Absenkung des Druckes im Desorptionsraum, wird eine Verdampfung dieses Kondensates bewirkt , wodurch das Adsorbens abgekühlt wird . Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist allerdings , dass im Falle auch von geringen Undichtigkeiten, Umgebungsluft in den Desorptionsraum nachströmt und wieder schädigenden Sauerstof f nachliefert . Eine Degradation des Adsorbens durch Sauerstof f wird dadurch allerdings nicht ausreichend verhindert .
In besonders bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird Wasser aus dem mit dem Niederdruckdampf ausgetriebenen CO2 auskondensiert , wobei desorbiertes CO2 in konzentrierter Form gewonnen wird .
Durch die Phasentrennung von in Wasser gelöstem CO2 ist eine ef fi ziente weitere besonders wirtschaftliche Wassernutzung in einem Kreislauf erzielt bei einer zugleich hohen Abscheiderate an reinem und konzentriertem CO2 . Durch ein Abkühlen kann beispielsweise das Wasser aus dem Niederdruckdampf als Hei zmedium auskondensiert werden, so dass eine Auftrennung des Gemischs aus Wasser und desorbiertem und zumindest teilweise gelöstem CO2 erreicht wird . Zusätzlich kann das CO2 weiterverarbeitet , insbesondere getrocknet und gespeichert oder abtransportiert werden . Diese Verfahrens führung weist insbesondere gegenüber den bekannten Lösungen erhebliche Vorteile auf . Bei diesen ist die Menge an kondensiertem Wasser, das als Kondensat auf der Oberfläche des Adsorbens verdampft werden kann, und damit die eigentliche Kühlleistung, limitiert und kann auch nicht beeinflusst oder gesteuert werden . Die Kühlleistung ist bei diesen DAC-Anlagen einzig davon abhängig, wie viel und an welcher Stelle sich das Kondensat auf der Oberfläche des Absorbens niederschlägt . Diese Nachteile werden durch das Kühlprinzip der Erfindung überwunden .
Das Kühlprinzip der Erfindung mit dem zweistufige Desorptionsschritt ermöglicht es nämlich, am Adsorbens anhaftendes Kondensat nahezu vollständig zu verdampfen und so z . B . einer wirtschaftlich interessanten Rezyklierung zuzuführen . Demgegenüber wurde bei den bekannten Kühlprinzipien mit Restkondensat benetztem Adsorbens beim folgenden Adsorptionsschritt lediglich vom Luftstrom der Umgebungsluft getrocknet . Daraus ergibt sich, dass diese Technologie einen erheblichen Wasserverbrauch zur Folge hat und sich daher als sehr nachteilig für eine Anwendung in wasserarmen Regionen darstellt bzw . eine Anwendung dort praktisch ausgeschlossen ist . Mit der Erfindung ist eine DAC-Anlage auch in wasserarmen Gegenden betrieben werden, wo gerade häufig günstige erneuerbare Energie in Form von Solarenergie für den Anlagenbetrieb einer DAC- Anlage zur Verfügung steht . Zudem ist bei bekannten Verfahren nutzen zusätzlich ein an die Desorption anschließender Evakuierungsschritt vorgeschlagen, um dadurch eine Verdampfung des Kondensats zu initiieren und das Adsorbens möglichst weit abzukühlen, bevor dieses wieder der Umgebungsluft ausgesetzt wird . Würde man nur mit Luft die Verdampfung und Kühlung durchführen, würde das 100 ° C heiße Adsorbens mit Sauerstof f aus der Umgebungsluft in entsprechend hoher Konzentration in Kontakt kommen, was zu einer rapiden Degradation des Adsorbens führen würde .
Die auf eine Separationsvorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Separationsvorrichtung zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre , umfassend eine von einem Arbeitsmedium durchströmbare Desorptionskammer, in die ein Adsorbens einbringbar ist , wobei an die Desorptionskammer eingangsseitig eine Zuleitung und ausgangsseitig eine Ableitung für das Arbeitsmedium angeschlossen ist , wobei der Zuleitung eine erste Umschaltvorrichtung vorgeschaltet und der Ableitung eine zweite Umschaltvorrichtung nachgeschaltet ist , so dass bei einem Desorptionsbetrieb in einem Desorptionsschritt von einer Beaufschlagung des Absorbens mit einem Hei zmedium auf eine Beaufschlagung des Absorbens mit einem Kühlmedium als Arbeitsmedium umschaltbar ist .
Mit der Separationsvorrichtung der Erfindung wird eine Einrichtung für eine DAC-Anlage vorgeschlagen, die in besonderer Weise ertüchtigt und geeignet ist , um das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre durchzuführen . Dies wird durch eine vorteilhafte Kombination aus einer ersten Umschaltvorrichtung und einer zweiten Umschaltvorrichtung ermöglicht . Dabei ist eine erste Umschaltvorrichtung der Desorptionskammer vorgeschaltet und eine zweite Umschalt- Vorrichtung der Desorptionskammer nachgeschaltet . Somit ist für die Desorptionskammer mit dem Absorbens j e nach Schaltzu- stand wahlweise mit einem Hei zmedium oder mit einem Kühlmedium beaufschlagbar und durchströmbar . Dabei münden separate Strömungswege für das Hei zmedium und das Kühlmedium eingangsseitig in die der ersten Umschaltvorrichtung . Entsprechend zweigen ausgangsseitig von der zweiten Umschaltvorrichtung separate Strömungswege für das Hei zmedium und das Kühlmedium ab . Auf diese Weise ist die Separationsvorrichtung derart ausgestaltet , dass der Desorptionsschritt eines mit CO2 beladenen Adsorbens in der Desorptionskammer zweistufig bzw . in zwei Teilschritten durchführbar ist , wobei unterschiedliche Arbeitsmedien getrennt zustellbar sind . Somit ist im Betrieb eine ef fi ziente und nahezu vollständige Desorption von CO2 erzielbar, wobei die Degradation des Absorbens durch Sauerstof f exposition durch die besonders wirkungsvolle Kühlung vermieden ist . Durch die Umschaltvorrichtungen ist die Separationsvorrichtung überdies für einen zyklischen Betrieb besonders vorteilhaft konfiguriert und verwendbar .
Die Separationsvorrichtung ist dabei unabhängig von der spezi fischen konstruktiven Ausgestaltung und der Handhabung des Adsorbens , z . B . eines Adsorbens-Moduls , in einer DAC-Anlage verwendbar und daran anschließbar bzw . integrierbar . So ist die Separationsvorrichtung flexibel sowohl bei einer DAC- Anlage mit beweglichen als auch mit fest montierten Absor- bens-Modulen mit entsprechenden beweglichen Klappen für die Zuluft betreibbar . Es ist lediglich eine Zuleitung und eine Ableitung als Anschluss an die Desorptionskammer vorzusehen, so dass wahlweise das j eweilige Arbeitsmedium der Desorptionskammer mit dem Adsorbens zustellbar ist .
In bevorzugter Ausgestaltung ist bei der Separationsvorrichtung eingangsseitig an die erste Umschaltvorrichtung eine Hei zleitung für das Hei zmedium und eine Kühlleitung für das Kühlmedium angeschlossen . Somit sind separate Zustellanschlüsse für die Arbeitsmedien bei der ersten Umschaltvorrichtung vorgesehen, so dass eingangsseitig der ersten Umschaltvorrichtung das Hei zmedium und das Kühlmedium separat , d . h . über eine j eweilige Leitung getrennt zuführbar sind . Zugleich ist bei einem Schalt zustand bei einer Zufuhr eines der Arbeitsmedien dieselbe Zuleitung und dieselbe Ableitung der Desorptionskammer j eweils nutzbar . Hierdurch ist die Separationsvorrichtung besonders kostengünstig ausgeführt .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Separationsvorrichtung ist ausgangsseitig an die zweite Umschaltvorrichtung eine Hei zleitung angeschlossen, in die eine Trenneinrichtung geschaltet ist , die derart ausgestaltet ist , dass ein Gemisch aus Hei zmedium und desorbiertem CO2 aus der Desorptionskammer extrahierbar und das CO2 von dem Hei zmedium abtrennbar ist .
Die Trenneinrichtung kann dabei j e nach Eigenschaften des Gemischs funktional als eine Phasentrenneinrichtung oder als eine Stof f trenneinrichtung ausgestaltet sein .
Auf diese Weise kann in einem Hei zbetrieb bei einem Durchströmen bzw . Durchfluten der Adsorptionskammer über die Hei zleitung das Gemisch aus der Desorptionskammer ausgetrieben und abgeführt werden . Zugleich ist eine Stof f- bzw . Phasentrennung in dem Gemisch erzielbar, indem das Hei zmedium und das ausgetriebene CO2 räumlich getrennt werden . Dies ermöglicht die Gewinnung und Weiterverwendung des abgetrennten CO2 in sehr reiner Form sowie eine Wiederverwendung des Hei zmediums .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Separationsvorrichtung ist ausgangsseitig an die zweite Umschaltvorrichtung eine Kühlleitung angeschlossen, in die eine Trenneinrichtung geschaltet ist , die derart ausgestaltet ist , dass ein Gemisch aufweisend das Kühlmedium und Hei zmedium aus der Desorptionskammer extrahierbar und das Hei zmedium von dem Kühlmedium abtrennbar ist . Dadurch können vorteilhaft Reste von kondensiertem Hei zmedium aus der Desorptionskammer bei deren Beaufschlagung des Absor- bens mit dem Kühlmedium mit ausgetrieben werden, so dass das Kondensat restlos entfernt werden kann und eine besonders effektive Kühlung durch zusätzliche Verdunstungskühlung des Ab- sorbens bewirkbar ist . Zudem sind eventuelle Restmengen von CO2 mit dem Kühlmedium austreibbar, so dass eine vollständige CCt-Entladung sowie eine sehr ef fektive Kühlung des Adsorbens erzielbar sind . Das Adsorbens ist durch diese Behandlung in der Desorptionskammer erneut in hoher Qualität für eine weitere Beladung aufbereitet , d . h . von CO2 befreit , und gekühlt . Eine Viel zahl von Zyklen aus Adsorption und Desorption bei geringer Degradation infolge schädigender Sauerstof f exposition ist durch die so ausgestattete Separationsvorrichtung möglich .
Durch diese Ausgestaltung ist weiterhin erreicht , dass an der zweiten Umschaltvorrichtung vorteilhaft sowohl eine Kühlleitung als auch eine Hei zleitung abgehen und abzweigen, auf die umgeschaltet werden kann . Damit sind getrennte Leitungswege ausgangsseitig der Umschaltvorrichtung implementiert und eine spezi fisch unterschiedliche verfahrenstechnische Behandlung des j eweiligen Arbeitsmediums j e nach Schalt zustand der Umschaltvorrichtung ist vorgesehen . Dabei ist das Hei zmedium und das Kühlmedium über getrennte Leitungswege , die eine j eweilige medienspezi fisch ausgestaltete Trenneinrichtung aufweisen, gezielt führbar .
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Separationsvorrichtung weist die j eweilige Trennvorrichtung in der Kühlleitung und in der Hei zleitung einen Abscheidebehälter auf , so dass eine Phasentrennung von flüssiger Phase und gas förmiger Phase herbei führbar ist .
Ein Abscheidebehälter kann dabei als Kondensatabscheider ausgestaltet sein, der eingangsseitig einem Anschluss für das Arbeitsmedium aufweist . An den eingangsseitigen Anschluss ist die Hei zleitung bzw . die Kühlleitung angeschlossen . Die Phasentrennung erfolgt durch Gravitation und die Dichteunterschiede der Gemische , so dass die flüssige Phase am Boden und die gas förmige Phase am Kopf des Abscheidebehälters anfällt und für eine weitere Verwendung abgrei fbar ist . Somit ist erreicht , dass durch den Abscheidebehälter in der Hei zleitung desorbiertes gas förmiges CO2 von dem Hei zmedium, beispielsweise Wasser, abgetrennt separiert wird . Zuvor können in der Hei zleitung ein Kühler oder Kondensator geschaltet sein, so dass vor der Phasentrennung zunächst eine Kühlung des Phasengemischs aus Hei zmedium und CO2 vorgesehen ist . Weiterhin ist erreicht , dass durch den Abscheidebehälter in der Kühlleitung das Kühlmedium von dem Hei zmedium, beispielsweise von Wasser, abgetrennt und separiert wird . Bei Anwendung eines Inertgases als Kühlmedium, beispielsweise reiner Stickstof f , ist hier ebenfalls eine Gas-Flüssigkeits-Phasentrennung in dem Kondensatabscheider vorgesehen . Bei Verwendung eines Inertgases kann in die Kühlleitung zusätzlich ein Gaskühler dem Abscheidebehälter vorgeschaltet sein, so dass vor der Phasentrennung zunächst eine Kühlung des Phasengemischs aus Kühlmedium, beispielsweise Stickstof f , und dem Hei zmedium implementiert ist . Über die Kühlleitung können auch Reste von desorbiertem gasförmigem CO2 ausgetrieben werden, so dass ein Gasgemisch aus dem gas förmigen inerten Kühlmedium und Anteilen von CO2 anfällt . Der CCp-Gehalt in dem Kühlmedium wird sich bei zyklischer Fahrweise in einem Kreislauf des Kühlmediums auf einen konstant niedrigen Wert entsprechend des Partialdruckes nahezu stationär einstellen .
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Separationsvorrichtung ist bei einer Aktivierung der ersten Umschaltvorrichtung und der zweiten Umschaltvorrichtung für eine Beaufschlagung der Desorptionskammer mit dem Kühlmedium als Arbeitsmedium ein Kühlkreislauf für das Kühlmedium ausgebildet .
Es ist zweckmäßig und wirtschaftlich besonders vorteilhaft den Kühlmedienstrom bei dessen Aktivierung in einem geschlossenen Kühlkreislauf zu führen . So kann bei der Verwendung von Stickstof f als Intergas und Kühlmedium ein geschlossener Stickstof f kreislauf vorgesehen sein . Eine bedarfsweise Nachführung von Kühlmedium über einen Anschluss im Kühlkreislauf ist vorteilhafterweise bereitgestellt .
In der Separationsvorrichtung weist die erste Umschaltvorrichtung und die zweite Umschaltvorrichtung j eweils eine steuerbare 3-Wege-Armatur auf .
Durch schaltbare und elektrisch ansteuerbare 3-Wegeventile sind die j eweils gewünschten Leitungswege bei einem Umschaltvorgang für das Hei zmedium und das Kühlmedium automatisiert freigebbar . Eine zyklische Anwendung von Adsorptionsschritt und einem nachfolgenden zweistufigen Desorptionsschritt mit einer Beaufschlagung der Desorptionskammer mit dem Hei zmedium und anschließender Beaufschlagung mit dem Kühlmedium ist damit zuverlässig durchführbar .
Dabei weist die Separationsvorrichtung bevorzugt einen Dampfbehälter auf , so dass als Hei zmedium Wasser in Form von Niederdruckdampf über die Zuleitung in die Desorptionskammer einspeisbar ist .
Der Niederdruckdampf kann in dem Dampfbehälter selbst durch eine Aufhei zung von Wasser bedarfsweise bereitgestellt werden . Die Aufhei zung kann beispielsweise elektrisch über einen Hei zstab erfolgen . Es ist auch möglich, Niederdruckdampf aus einer solarthermischen Aufhei zung, beispielsweise in Verbindung einer DAC-Anlage mit einer CSP-Anlage ( Concentrated Solar Power ) zu gewinnen und bereitzustellen und in dem Dampfbehälter zu bevorraten oder aus dem Solarthermiesystem in dosierter Weise nach Bedarf aus zukoppeln .
Bei der Separationsvorrichtung ist bevorzugt ein Gasbehälter für ein inertes Spülgas vorgesehen, so dass als Kühlmedium ein inertes Spülgas bereitgestellt ist , mit dem die Desorptionskammer mit dem Absorbens durchspülbar und abkühlbar ist . Eine Bevorratung des inertes Spülgases bietet sich an, wobei beispielsweise ein Gasbehälter für Stickstof f bereitgestellt ist . Es ist auch möglich, einfach ein Gebinde von Gas flaschen vorzusehen oder einen Behälter mit flüssigem Stickstof f aus einer angekoppelten Luft Zerlegungsanlage vorzuhalten, aus dem gas förmiger Stickstof f als inertes Spülgas gewonnen und entnommen wird .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Separationsvorrichtung bei einer Anlage zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre anwendbar . Eine solche Anlage kann als DAC-Anlage ausgeführt sein und weist eine Separationsvorrichtung auf .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht die
FIG 1 eine DAC-Anlage mit einer Separationsvorrichtung gemäß der Erfindung;
FIG 2 in einem Blockdiagramm einen vereinfachten Verfahrensablauf für die Abtrennung von C02 aus der Atmosphäre mit einem zweitstuf igen Desorptionsschritt gemäß der Erfindung .
In FIG 1 ist in einer vereinfachten Darstellung ein Ausschnitt einer Direct-Air-Capture Anlage , kurz „DAC-Anlage" , für eine selektive Abscheidung von Kohlendioxid CO2 aus der Umgebungsluft gezeigt . Die DAC-Anlage weist hierzu eine Separationsvorrichtung 9 auf . Die Separationsvorrichtung 9 umfasst eine Desorptionskammer 11 , in die ein Adsorbentmodul 41 eingebracht ist . Das Adsorbentmodul 41 weist ein Adsorbens 1 auf . Das Adsorbens 1 ist ein Material , das selektiv CO2 aus der Umgebungsluft adsorbieren kann . Das Adsorbens 1 kann dabei als f eingranulare Schüttung oder in einer anderweitigen Struktur in das Adsorbentmodul 41 eingebracht sein, so dass eine möglichst große ef fektive Adsorbensoberf lache für eine Adsorption oder Absorption von CO2 bereitgestellt ist . So ist es auch möglich, dass das Adsorbens 1 in Kanalstrukturen, Wabenstrukturen oder anderweitigen porösen Strukturen ausgeführt ist . Die Desorptionskammer 11 weist Verschlusselemente 45 und ein Dichtungssystem 43 auf , so dass ein mit CO2 beladenes Adsorbens 1 bei der Desorptionsprozesses unter von der Umgebungsluft hermetisch abgeschlossenen und abgetrennten Bedingungen in der Desorptionskammer 11 ausgeführt werden kann .
An die Desorptionskammer 11 ist eingangsseitig eine Zuleitung 13 angeschlossen und ausgangsseitig eine Ableitung 15 für ein j eweiliges Arbeitsmedium, mit dem das Adsorbens 1 beaufschlagt werden kann . Ein j eweiliges Arbeitsmedium durchströmt hierzu die Desorptionskammer 11 mit dem Adsorbentmodul 41 . In die Zuleitung 13 ist eine erste Umschaltvorrichtung 17a und in die Ableitung 15 eine zweite Umschaltvorrichtung 17b geschaltet , so dass ein Umschaltbetrieb und damit eine Beaufschlagung des Adsorbens 1 mit unterschiedlichen Arbeitsmedien möglich wird . Dies ist dadurch erreicht , dass eingangsseitig an die erste Umschaltvorrichtung 17a eine Hei zleitung 19a angeschlossen ist , über die ein Hei zmedium 3 der Desorptionskammer 11 zustellbar ist . Ferner ist an die erste Umschaltvorrichtung 17a eine Kühlleitung 21a angeschlossen . Uber die Kühlleitung 21a ist bedarfsweise ein Kühlmedium 5 der Desorptionskammer 11 zuführbar . Zur Trennung der Leitungswege und für eine weitere verfahrenstechnische und spezi fische Behandlung des Hei zmediums 3 und des Kühlmedium 5 , zweigen ausgangsseitig an der zweiten Umschaltvorrichtung 17b entspre- chende Hei zleitung 19b und eine Kühlleitung 21b ab . Dabei schließt die Hei zleitung 19b an eine Trennvorrichtung 23 an und die Kühlleitung an eine Trennvorrichtung 25 . Die Trennvorrichtung 23 an der Hei zleitung 19b weist eine Vakuumpumpe 33 , einen Kühler bzw . Kondensator 37 sowie einen Abscheidebehälter 27 auf . Die Trennvorrichtung 25 an der Kühlleitung 21b weist einen Blower oder Verdichter 45 auf , an die in Strömungsrichtung des Kühlmediums 5 ein Gaskühler 39 und ein Abscheidebehälter 27 anschließen . Der Verdichter 35 ist derart in die Kühlleitung 21b geschaltet , dass dessen Saugseite an den Ausgang der zweiten Umschaltvorrichtung 17b anschließt . Die Vakuumpumpe 33 ist mit ihrer Saugseite in die Hei zleitung 19b geschaltet und schließt entsprechend an das zweite Umschaltventil 17b an . Die erste Umschaltvorrichtung 17a und die zweite Umschaltvorrichtung 17b weisen j eweils eine steuerbare 3-Wege-Armatur auf , so dass bei der Aus führung eines Desorptionsprozesses in der Desorptionskammer 11 auf ein j eweiliges Arbeitsmedium gezielt und selektiv umgeschaltet werden kann, das dem Adsorbens 1 beaufschlagt wird .
Für einen Desorptionsbetrieb ist dabei als Hei zmedium 3 ein Niederdruckdampf S aus einem Dampfbehälter 19 bereitgestellt . Als Kühlmedium 5 ist ein Inertgas , vorliegend gekühlter gasförmiger Stickstof f N2 bereitgestellt . Der Stickstof f N2 kann in einem Gasbehälter 31 bevorratet sein und diesem bedarfsweise entnommen werden . Somit ist Stickstof f N2 als frisches Kühlmedium 5a nachführbar, um einen eventuellen betriebsbedingten Verlust an Kühlmedium 5 aus zugleichen . Bei einer Beaufschlagung mit dem Kühlmittel 5 ist das Kühlmittel 5 in einem geschlossenen Kühlkreislauf 7 geführt .
Das Verfahren zur Abtrennung von C02 aus der Umgebungsluft ist in FIG 2 in einem schematischen Blockdiagramm stark vereinfacht illustriert . Dabei wird ein Adsorptionsschritt A und ein sich an den Adsorptionsschritt anschließender Desorptionsschritt D durchgeführt . In dem Adsorptionsschritt A wird die Adsorptionskammer 11 geöf fnet und das entladene Adsorbens 1 mit Umgebungsluft beaufschlagt , die die Adsorptionskammer 11 durchströmt . Dabei wird ein Teil des in der Luft enthaltenden CO2 von dem Adsorbens 1 adsorbiert , in die oberflächenreiche Struktur des Adsorbens 1 eingelagert und ein mit CO2 beladenes Adsorbens 1 gebildet . Nach Erreichen eines Sättigungswerts und einer ausreichenden Beladung des Adsorbens 1 mit CO2 wird der Adsorptionsschritt A beendet und die Exposition mit Umgebungsluft eingestellt . Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Adsorptionskammer 11 über bewegliche Verschlusselemente 45 geschlossen und luftdicht über das Dichtungssystem 43 abgedichtet wird . Es ist auch möglich, dass das Adsorbentmodul 41 mit dem beladenen Absorbens 1 von einer Expositionsposition an der Umgebungsluft in eine Position in die Desorptionskammer 11 hinein bewegt wird und die Desorptionskammer 11 mit dem Adsorbentmodul 41 anschließend abgedichtet wird . Dieser luftdichte Verschluss der Desorptionskammer 11 ist in FIG 2 mit einem Schließschritt Al verdeutlicht , der auch als abschließender Schritt und Teilschritt des Adsorptionsschritts A aufgefasst werden kann .
Nunmehr kann eine Desorption durchgeführt werden . In dem hierzu eingeleiteten Desorptionsschritt D wird zunächst das mit CO2 beladene Adsorbens 1 in einem ersten Desorptionsschritt Dl mit dem Hei zmedium 3 beaufschlagt und erhitzt . Als Hei zmedium 3 wird Niederdruckdampf S verwendet und der Desorptionskammer 11 zugeführt . Dabei wird adsorbiertes CO2 aus dem Adsorbens 1 thermisch ausgetrieben . In einem zweiten Desorptionsschritt D2 wird danach das Adsorbens 1 mit dem Kühlmedium 5 beaufschlagt und für einen erneuten Adsorptionsschritt A aufbereitet . Die Desorption erfolgt dabei als zweistufiger Prozess , wobei als Kühlmedium 5 reiner und gekühlter Stickstof f N2 verwendet wird . Zunächst wird in dem Desorptionsschritt Dl die Zufuhr von Hei zmedium 3 unterbrochen und es wird auf eine Beaufschlagung mit dem Kühlmedium 5 - beispielsweise Stickstof f N2 - umgestellt . Dabei wird das Adsorbens 1 mit dem Kühlmedium 5 beaufschlagt und umfänglich durchströmt , wobei auch das Adsorbens 1 abgekühlt und von einer Restbelegung mit kondensiertem Wasser H2O aus dem ersten Desorptionsschritt Dl getrocknet wird . Die Kühlef fi zienz ist hierdurch durch zusätzliche Ausnutzung der Verdunstungskühlung des verdunstenden Wassers H20 deutlich verbessert . Dabei wird das Kühlmedium 5 aus dem Adsorbens 1 extrahiert und dieses auf eine Kühltemperatur abgekühlt . Das Kühlmedium 5 wird in einen Kühlkreislauf 7 geführt , wobei lediglich bedarfsweise dem Kühlkreislauf 7 Stickstof f N2 als frisches Kühlmedium 5a zugeführt werden kann . Der Desorptionsschritt D ist - was die eigentliche Desorption des C02 anbelangt - zweistufig ausgeführt . Mithin wird in dem ersten Desorptionsschritt Dl ein Hei zmedium 3 und in dem zweiten Desorptionsschritt D2 ein Kühlmedium 5 verwendet wird, wobei das Hei zmedium 3 und das Kühlmedium 3 verschiedene Medien bzw . Fluide sind, um eine besonders vorteilhafte Desorption durch die Kombination aus erstem Desorptionsschritt Dl und zweitem Desorptionsschritt D2 und vor allem eine deutlich verbesserte Kühlwirkung in dem zweiten Desorptionsschritt D2 zu erreichen . Eine Degradation des Adsorbens 1 kann durch die flächendeckende Kühlung und eine niedrige Temperatur verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden . Eine Sauerstof f exposition bei einer niedrigeren Arbeitstemperatur in dem Adsorptionsschritt A ist für das Adsorbens 1 weniger schädlich, so dass längere Standzeiten für das Adsorbens 1 erzielt werden und damit eine Vielzahl von hintereinander ausgeführten Zyklen aus einem Adsorptionsschritt A und einem Desorptionsschritt D mit den Teilschritten Dl , D2 ausgeführt werden können .
In dem Desorptionsschritt D wird nach dem Schließschritt Al zunächst ein Evakuierungsschritt E durchgeführt . Der Evakuierungsschritt E dient der Vorbereitung der Desorptionskammer 11 mit dem beladenen Adsorbens 1 für den eigentlichen Desorptionsprozess . In dem Evakuierungsschritt E wird vor der Beaufschlagung des mit C02 beladenen Adsorbens 1 mit dem Hei zmedium 3 das Adsorbens 1 zunächst mit einem Unterdrück beaufschlagt . Dabei wird die das Absorbens 1 umgebende Luft in der Desorptionskammer 11 abgepumpt . Dies erfolgt durch Aktivierung der Vakuumpumpe 33 zur Entfernung der Luft . Danach schließt sich der Desorptionsschritt Dl an, indem als Hei zmedium 3 Wasser H20 in Form von Niederdruckdampf S dem Adsor- bens 1 zugeführt wird, welches die Desorptionskammer 11 entsprechend durchströmt . Das Wasser H20 aus dem Gemisch von Niederdruckdampf S und ausgetriebenem C02 wird in dem Abscheidebehälter 27 auskondensiert und desorbiertes C02 in konzentrierter Form wird am Kopf des Abscheidebehälters 27 gewonnen und abgeschieden . Nach der Umschaltung schließt sich der zweite Desorptionsschritt D2 an, bei dem als Kühlmedium 5 das inerte Spülgas , insbesondere reiner Stickstof f N2 , verwendet wird . Der Stickstof f N2 wird in dem Gaskühler 39 auf eine vorgegebene Kühltemperatur gebracht und dem Adsorbens 1 über die Kühlleitung 21a über die erste Umschaltvorrichtung 17a zugeführt , wobei das Absorbens 1 durchströmt , gekühlt und für einen weiteren Adsorptionsschritt A aufbereitet wird . Uber die Ableitung 15 wird durch die zweite Umschaltvorrichtung 17b der Stickstof f N2 über die Kühlleitung 21b zu der Trenneinrichtung 25 geführt . Dabei ist ein Kühlkreislauf 7 realisiert .
Mit der Erfindung wird ein zweistufiger Desorptionsprozess vorgeschlagen . Durch ein günstiges externes Kühlmedium 5 in dem zweiten Desorptionsschritt D2 , wird die Kühlung des Adsorbens 1 deutlich ef fi zienter, wirkungsvoller und überdies besser steuerbar und reproduzierbar . Dazu wird für den Kühlungsschritt in dem zweiten Desorptionsschritt D2 ein eigenes Kühlungsmedium 5 in die Desorptionskammer 11 eingeleitet . Hier bietet sich z . B . Stickstof f N2 als gas förmiger inerter Wärmeträger in besonders vorteilhafter Weise an . Um den Stickstof fverbrauch zu minimieren, wird der erwärmte Stickstof f N2 in einem Gaskühler 39 wieder abgekühlt und kann viel fach rezykliert werden . Das Fluten und Durchspülen der Desorptionskammer 11 in dem zweiten Desorptionsschritt D2 mit reinem Stickstof f N2 bewirkt , dass auch zuvor in dem ersten Desorptionsschritt Dl nicht vollständig von dem beladenen Adsorbens 1 desorbiertes C02 , nunmehr zusätzlich desorbiert und zusammen mit dem inerten Spülmedium Stickstof f N2 aus der Desorptionskammer 11 ausgetrieben wird . Das ist j edoch insofern unproblematisch, als dass sich der CO2-Gehalt sich nur bis zu einem Partialdruck aufpegeln wird, was dazu führt , dass die Desorption von Rest-CO2 von dem Absorbens 1 keine Triebkraft mehr erfährt . Das Kühlmedium 5 kann daher nach der beschriebenen Aufpegelung und CO2-Sättigung mit einer konstant niedrigen CO2 Konzentration in einem Kühlkreislauf 7 geführt werden . Gleichzeitig wird durch die Beaufschlagung mit Stickstof f N2 als Kühlmedium 5 auch das auf dem Adsorbens 1 verbliebene Kondensat an Wasser H20 gezielt verdunstet und so zusätzlich zur Kühlungswirkung durch Verdunstungskühlung beitragen . Da für diese Art der Kühlung die Temperatur des Stickstof fs N2 geregelt und auch die Zeitdauer des Desorptionsschritts D2 mit dem Kühlungsschritt frei gewählt werden kann, kann eine gewünschte Zieltemperatur des Adsorbens für den Betrieb im Adsorptionsschritt A und auch der Trocknungsgrad des Adsorbens gesteuert werden . Im Gaskühler 39 wird zunächst das durch Verdunstungskühlung verdunstetes Wasser H20 erneut als Kondensat , d . h . flüssiges Wasser H20, abgeschieden und kann so vorteilhaft wiederverwendet werden . Das Wasser H20 wird nicht mit dem behandelten Medienstrom emittiert und verbraucht .
Der Kühlprozess im zweiten Desorptionsschritt D2 wird bei einem geringfügigen Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck der Umgebung durchgeführt . Somit besteht nicht die Gefahr, dass Sauerstof f aus der Umgebungsluft in das Innere der Desorptionskammer 11 nachströmen kann . Bleibt das Adsorbent- modul 41 am Ende des Kühlschrittes mit Stickstof f N2 gefüllt , so wird diese Gasmenge an Stickstof f N2 an die Atmosphäre abgegeben, wenn das Adsorbentmodul 41 wieder mit Umgebungsluft beaufschlagt und beladen wird . Daher ist es vorteilhaft und zweckmäßig, zumindest diese Gasmenge an Stickstof f N2 in den Kühlkreislauf 7 , beispielsweise durch Entnahme aus dem Gasbehälter 31 nachzuspeisen . Das kann z . B . dadurch erfolgen, dass ein gewählter Arbeitsdruck als Solldruck im Kühlkreislauf 7 wieder hergestellt wird, indem in entsprechend geregelter Weise Stickstof f N2 aus dem Gasbehälter 31 in den Kühlkreislauf 7 eingespeist wird . Durch eine kontinuierliche Zuführung eines inerten Spülgases , z . B . Stickstof f N2 , kann die Kühlung den Anforderungen entsprechend geregelt und gesteuert werden . Dadurch kann zuverlässig eine Abkühlung auf eine notwendige Oberflächentemperatur des Adsorbens 1 eingestellt und diese Oberflächentemperatur sichergestellt werden . Das als Kühlgas bereitgestellte Kühlmedium 5 kann über - in der FIG 1 nicht näher dargestellte - Gasverteiler sehr gleichmäßig verteilt durch das Adsorbens 1 geleitet werden, wodurch sehr nachteilige Temperaturgradienten bzw . Temperaturungleichverteilungen vermieden werden . Gegenüber einer Kühlung durch Flashverdampfung im Vakuum gemäß den bisher bekannten Konzepten ist dies sehr vorteilhaft . Bei der bekannten Flashverdampfung ist es nämlich davon abhängig, wo und in welcher Menge sich Kondensat niedergeschlagen hat . Der Niederschlag des Kondensats wird, abhängig von der Geometrie des Adsorbentmodul 41 nicht gleichmäßig über der Oberfläche des Adsorbens 1 verteilt sein . Mit Hil fe der Flash-Verdampfung wird dem Adsorbensmate- rial also nur dort durch die Verdunstung lokal Energie entzogen, wo auch Wasser H20 vorhanden ist . Bereiche im Adsorbentmodul 41 an denen sich mehr Wasser H20 niederschlägt als zur Kühlung erforderlich ist , können keinen weiteren Beitrag zu Kühlung leisten, da aufgrund der vorherrschenden Temperaturen kein weiterer Energiefluss erfolgen kann .
Der wesentliche ökonomische Vorteil ergibt sich aus einer verringerten Degradation des Adsorbens 1 durch Sauerstof f exposition . Durch die Degradation verliert das Adsorbens Speicherkapazität für die Anbindung von C02 , so dass dieses entweder ersetzt oder aufwendig regeneriert werden muss . Eine Verlängerung der Lebens zeit des Adsorbens 1 durch das Kühlungskonzept der Erfindung und die hierzu vorgeschlagene Separationsvorrichtung 9 und die vorteilhafte Verfahrens führung für den Desorptionsschritt D verringert zudem den Wartungsaufwand und erhöht die Anlagenverfügbarkeit einer DAC-Anlage .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre, bei dem ein Adsorptionsschritt (A) und ein sich an den Adsorptionsschritt anschließender zweistufiger Desorptionsschritt (D) durchgeführt wird, wobei in dem Adsorptionsschritt ein Adsorbens (1) mit Luft beaufschlagt wird, wobei ein Teil des in der Luft enthaltenden CO2 von dem Adsorbens (1) adsorbiert wird, und wobei in dem Desorptionsschritt (D) das mit CO2 beladene Adsorbens (1) in einem ersten Desorptionsschritt (Dl) mit einem Heizmedium (3) beaufschlagt und erhitzt wird, wobei adsorbiertes CO2 thermisch ausgetrieben wird, und wobei danach in einem zweiten Desorptionsschritt (D2) das Adsorbens
(1) mit einem von dem Heizmedium (3) verschiedenen Kühlmedium (5) beaufschlagt und für einen erneuten Adsorptionsschritt (A) aufbereitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Desorptionsschritt (D) die Zufuhr von Heizmedium (3) unterbrochen und auf eine Beaufschlagung mit dem Kühlmedium (5) umgestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Anspruch 2, wobei das Adsorbens (1) mit dem Kühlmedium (5) beaufschlagt wird, so dass das Adsorbens (1) abgekühlt und getrocknet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Kühlmedium (5) aus dem Adsorbens (1) extrahiert und auf eine Kühltemperatur abgekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kühlmedium (5) in einem Kühlkreislauf (7) geführt wird, wobei bedarfsweise dem Kühlkreislauf (7) frisches Kühlmedium (5a) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Desorptionsschritt (D) ein von dem Heizmedium (3) verschiedenes Kühlmedium (5) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Desorptionsschritt (D) vor der Beaufschlagung des mit CO2 beladenen Adsorbens (1) mit dem Heizmedium (3) das Adsorbens (1) mit einem Unterdrück beaufschlagt wird, wobei die das Absorbens (1) umgebende Luft abgepumpt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Kühlmedium (5) ein inertes Spülgas, insbesondere reiner Stickstoff (N2) , verwendet wird, wobei das inerte Spülgas auf die Kühltemperatur gebracht und dem Adsorbens (1) zugeführt wird .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Heizmedium (3) Wasser (H20) in Form von Niederdruckdampf (S) dem Adsorbens (1) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem Wasser (H2O) aus dem mit dem Niederdruckdampf (S) ausgetriebenen CO2 auskondensiert wird, und desorbiertes CO2 in konzentrierter Form gewonnen wird.
11. Separationsvorrichtung (9) zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre, umfassend eine von einem Arbeitsmedium durchströmbare Desorptionskammer (11) , in die ein Adsorbens (1) einbringbar ist, wobei an die Desorptionskammer (11) eingangsseitig eine Zuleitung (13) und ausgangsseitig eine Ableitung (15) für das Arbeitsmedium angeschlossen ist, wobei der Zuleitung (13) eine erste Umschaltvorrichtung (17a) vorgeschaltet und der Ableitung (15) eine zweite Umschaltvorrichtung (17b) nachgeschaltet ist, so dass bei einem Desorptionsbetrieb in einem Desorptionsschritt (D) von einer Beaufschlagung des Absorbens (1) mit einem Heizmedium (3) auf eine Beaufschlagung des Absorbens (1) mit einem Kühlmedium (5) als Arbeitsmedium umschaltbar ist.
12. Separationsvorrichtung (9) nach Anspruch 11, bei der eingangsseitig an die erste Umschaltvorrichtung (17a) eine Heiz- leitung (19a) für das Heizmedium (3) und eine Kühlleitung (21a) für das Kühlmedium (5) angeschlossen ist.
13. Separationsvorrichtung (9) nach Anspruch 11 oder 12, bei der ausgangsseitig an die zweite Umschaltvorrichtung (17b) eine Heizleitung (19b) angeschlossen ist, in die eine Trenneinrichtung (23) geschaltet ist, die derart ausgestaltet ist, dass ein Gemisch aus Heizmedium (3) und desorbiertem CO2 aus der Desorptionskammer (11) extrahierbar und das CO2 von dem Heizmedium (5) abtrennbar ist.
14. Separationsvorrichtung (9) nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei der ausgangsseitig an die zweite Umschaltvorrichtung
(17b) eine Kühlleitung (21b) angeschlossen ist, in die eine Trenneinrichtung (25) geschaltet ist, die derart ausgestaltet ist, dass ein Gemisch aufweisend Kühlmedium (5) und Heizmedium (3) aus der Desorptionskammer (11) extrahierbar und das Heizmedium (3) von dem Kühlmedium (5) abtrennbar ist.
15. Separationsvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der die jeweilige Trennvorrichtung (23, 25) in der Kühlleitung (21b) und in der Heizleitung (19b) einen Abscheidebehälter (27) aufweist, so dass eine Phasentrennung von flüssiger Phase und gasförmiger Phase herbeiführbar ist.
16. Separationsvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der bei einer Aktivierung der ersten Umschaltvorrichtung (17a) und der zweiten Umschaltvorrichtung (17b) für eine Beaufschlagung der Desorptionskammer (11) mit dem Kühlmedium (5) als Arbeitsmedium ein Kühlkreislauf (7) für das Kühlmedium (5) ausgebildet ist.
17. Separationsvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der die erste Umschaltvorrichtung (17a) und die zweite Umschaltvorrichtung (17b) jeweils eine steuerbare 3- Wege-Armatur aufweist.
18. Separationsvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der ein Dampfbehälter (31) vorgesehen ist, so dass als Heizmedium (3) Wasser (H20) in Form von Niederdruckdampf über die Zuleitung (13) in die Desorptionskammer (11) einspeisbar ist.
19. Separationsvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, bei der ein Gasbehälter (31) für ein inertes Spülgas vorgesehen ist, so dass als Kühlmedium (5) ein inertes Spül- gas bereitgestellt ist, mit dem die Desorptionskammer (11) mit dem Absorbens (1) durchspülbar und abkühlbar ist.
20. Anlage zur Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre mit einer Separationsvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 11 bis 19.
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