WO2010145808A1 - Verfahren zur reduzierung des ausstosses von kohlendioxid nebst vorrichtung - Google Patents

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Manfred KÜVER
Hans-Christian HAARMANN-KÜHN
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Tge Marine Gas Engineering Gmbh
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the emission of carbon dioxide into the atmosphere and to an apparatus for carrying out the method.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is mainly produced during the combustion of carbonaceous fuels.
  • the resulting carbon dioxide escapes into the atmosphere and contributes to global warming. This environmental problem is described, for example, in German patent application DE 1 98 340 73 A1.
  • the special feature of a shipment is that the CO 2 is generated continuously in the power plant, while ship transport can not be made only batchwise. This creates the need to create a buffer volume.
  • Liquefied carbon dioxide can be filled in tanks, transported to a warehouse such as depleted oil or gas fields or salt caverns by means of transport such as ships or vehicles, and brought into storage after reaching the warehouse.
  • the bearing pressure can be up to 18 bar absolute, since the gas can be liquefied solely by such an increase in pressure. This applies at ambient temperatures up to 45 ° C. 45 ° C is usually the upper design temperature adopted for globally moving gas tankers. It is also known to lower the temperature of LPG to be transported to -42 0 C in order to be able to transport LPG in a large volume tank, which must be grown no particular printing needs. The bearing pressure of transported LPG can then be lowered to ambient pressure.
  • Fine grain steels are subject to a so-called
  • the aim of the present invention is to transport carbon dioxide, which is produced by a combustion process, economically and as completely as possible to a warehouse.
  • the object of the invention is achieved by a method in which carbon dioxide, which has formed as a result of a combustion process, is separated from the gas.
  • the carbon dioxide is then brought to a pressure of at least 10 bar absolute, preferably at least 15 bar absolute, most preferably from at least 1 8 bar absolute and cooled to a temperature of up to -10 0 C, preferably from up to -20 0 C.
  • the temperature of the liquefied carbon dioxide to -40 0 C. If the temperature of the liquefied carbon dioxide during transportation is in a tank more preferably between -25 ° C and - 35 ° C.
  • the temperature required for liquefaction depends on the bearing pressure. According to the invention, however, the aim is not to have to choose low temperatures.
  • the maximum wall thickness for a tank is approx. 50 mm.
  • the proportion of nitrogen is not more than 0, 7% mol or the proportion of oxygen is not more than 0, 99% mol or the proportion of hydrogen is not more than 0, 1 4% mol in carbon dioxide, so may on the separation of Oxygen, nitrogen or hydrogen from the separated
  • Carbon dioxide advantageously be completely dispensed with, if the CO2 temperature is about -30 0 C and the pressure is about 1 8 bar absolute. If there are several different noxious gases in the CO 2 , which disadvantageously require a pressure increase or a temperature reduction in order to liquefy CO 2 , different upper limits apply depending on the composition.
  • carbon dioxide is cooled to -30 ° C and the pressure chosen so that a separation of noxious gases from the separated carbon dioxide can be avoided.
  • Sch ⁇ dg ⁇ se and in particular nitrogen oxygen and hydrogen are removed from the separated CO 2 , so as to be able to save energy for liquefaction.
  • CO 2 is generally saturated with water vapor. In one embodiment of the invention, carbon dioxide is therefore dried before
  • the invention particularly relates to the case where carbon dioxide is separated from the flue gas of a power plant. Combustion processes in power plants contribute significantly to the environmental impact of carbon dioxide. Therefore, the invention is particularly useful in such a case.
  • the invention also relates to a Bärge, the C. with a plant for the liquefaction of carbon dioxide and / or a sufficiently pressure-resistant tank for storage of liquid carbon dioxide at a temperature of -20 0 C to -40 0 is preferably at a temperature of ca. -30 0 C is provided.
  • the tank is sufficiently pressure-resistant when it is able to cope with the pressure required to liquefy CO 2 .
  • the tank volume of a Bärge tank is in particular at least 2000 cubic meters, preferably at least 3000 cubic meters, in order to be able to store large quantities of CO 2 without having to spend too much on the provision of tanks.
  • a Borge is particularly advantageous
  • liquid CO 2 is brought from a tank of a Bärge into a tank of a smaller volume vessel. The ship then transports the liquid CO 2 to a suitable warehouse.
  • the buffer storage is transferred from one power plant to another power plants in an embodiment of the invention, in order to use this buffer storage can continue.
  • the provision of a bear is superior to a land plant.
  • a bearskin is anchored outside a commercial port to overcome access water depth limitations for the shuttle ships.
  • the volume of a tank with which liquefied CO2 is transported to the warehouse also preferably at least 2000 cubic meters, more preferably at least 3000 cubic meters.
  • the largest single pressure tanks with a design pressure of 18 bar g to 20 barg, which can be usefully built for the storage of CO 2 at 1 8 bar a and -30 ° C according to the current state of the art, are in the order of 5000 - 6500 m 3 . From this, a corresponding buffer volume or transport volume can then be built up on a ship by combining any number of tanks.
  • a tank In order for a tank to meet the requirements in terms of temperature and pressure, it consists in particular of high-strength special steels such as, for example, according to EN 1 0028 -6 with a yield strength> 500 MPa to 900 MPa. Such a material is known under the material number P690QL2 or 1 .8888.
  • Tanks with a volume of 2000 cubic meters and more are transported by ship.
  • other vehicles such as trains or trucks can also be used to transport tanks to transport liquid carbon dioxide from a location where a corresponding combustion process takes place to a warehouse. Then, however, a tank volume is smaller. It can then be carried out tanks easier particularly pressure resistant.
  • the present invention therefore relates primarily to the cases that carbon dioxide is brought in large quantities by ships to a suitable warehouse. However, a ship is then usually not just one, but provided with a variety of tanks (tank farm). The total volume is regularly at least 5000 m 3 .
  • a method for reducing the emission of carbon dioxide is brought to a pressure of at least 10 bar absolute, preferably of at least 15 bar absolute, more preferably of at least 18 bar absolute, the separated carbon dioxide to a temperature of up to -10 0 C, preferably up to -20 0 C, more preferably brought to a temperature of up to -40 0 C, the separated carbon dioxide is brought so liquefied in a tank and the tank is transported to a warehouse for carbon dioxide.
  • Tank of a means of transport with liquid carbon dioxide contained therein with a tank volume of at least 2,000 m 3 , wherein in the tank a pressure of at least 10 bar g, preferably of at least 15 bar g, most preferably of at least 18 bar g prevails and the temperature of Carbon dioxide -30 0 C to -20 0 C.
  • a pressure of at least 10 bar g, preferably of at least 15 bar g, most preferably of at least 18 bar g prevails and the temperature of Carbon dioxide -30 0 C to -20 0 C.
  • tank for a means of transport with liquid carbon dioxide contained therein which was prepared by a method of embodiments 1 to 14.
  • Tank in one of the two previous embodiments which consists of P690QL2.
  • tank farm having a plurality of tanks with liquid carbon dioxide contained therein, in particular according to one of the two preceding embodiments, wherein in each tank a pressure of at least 10 bar g, preferably of at least 15 bar g, most preferably of at least 18 bar g prevails and the temperature of the carbon dioxide is -30 0 C to -20 0 C, wherein the total volume of the tanks is at least 5,000 m 3 , preferably 10,000 m 3 .
  • the invention will be explained in more detail with reference to an example.
  • a typical post-combustion capture process the entire flue gas of a power plant is subjected to an additional washing process (amine absorption process) after the usual treatment steps (dedusting, desulfurization, denitrification). Since the CO 2 is preferably absorbed in the amine solution, it can be withdrawn via an enriched solution at the bottom of the wash columns. In the amine regeneration, the CO 2 is then expelled by heat from the amine solution and falls as water-saturated ROh-CO 2 at atmospheric pressure. In a multi-stage compression, it is brought to the desired liquefaction pressure, which can be between 1 2 and 40 bar absolute.
  • CO 2 was transported absolutely at a pressure of 18 bar and the liquefaction pressure expediently chosen to be somewhat higher (about 19 bar absolute). At higher compaction pressures is a multi-level Compaction required, which takes place expediently with an intermediate cooling and separation of the resulting water condensate. Then we dried the gas. This is done first in a refrigeration dryer to a pressure dew point of about 4 0 C and then in an adsorption dryer. The dry CO 2 is then liquefied, eg by using a
  • Refrigerant condensing system Here are different refrigerants and processes possible.
  • the refrigerant R410 was used. It evaporates at low pressure and a temperature of about -3O 0 C, thereby generating the cold, against which the CO 2 condenses. Then the refrigerant is compressed and condensed at approx. 30 ° C against cooling water.
  • other methods eg condensation against air, etc.
  • the advantage of the inventive selection which is mainly intended for northern Europe, is the low energy consumption and the ability to use in refrigeration conventional components.
  • the compression of the gas takes place at the power plant in order to make economic transport possible.
  • the drying is carried out expediently at the power plant, otherwise obtained during transport condensate.
  • a buffer volume is provided if a further removal is to take place batchwise. If such a buffer volume or buffer storage provided directly at the power plant site, so the compaction can be carried out useful in a multi-stage process. If the power plant and the bearings are separated from each other, then a re-compaction (to compensate for transport losses) is advantageously carried out on the condenser.
  • Boil-off gas which necessarily occurs due to heat input into the buffer tanks, can be brought back to liquefaction pressure by means of a corresponding booster.
  • a compressor is then saved in this embodiment (after-compressor in the device for liquefying CO 2 ). However, the liquefaction and intermediate treatment can very well (but not necessarily) be carried out locally separately.
  • the liquefaction and the intermediate storage takes place on a Bärge, ie a ship without its own drive.
  • a Bärge reduces the land requirement and can be built in the short term cost compared to a land plant. Basically, a Bärge as a modernization for power plants can be easier to implement than a corresponding land camp. If liquefaction and buffer storage or ship are spatially separated, the liquid transport is accomplished by suitable pumps.
  • the transport ship either pumps the CO 2 to a fixed installation that will increase the pressure and heat it up to feed into the warehouse, or the ship is equipped with the appropriate components and feeds directly (eg via a temporary connection to a sub-pipeline) into a wellbore one that makes the connection to the warehouse. Since the bearings are under pressure and the equipment of the wells is not suitable for low temperature, an increase in pressure and a warming is needed.
  • the bearing pressure was 1 8 bar absolute.
  • the condensing pressure was slightly higher.
  • the temperature of the liquid carbon dioxide was about -35 0 C.
  • the tanks were cylindrical tanks made of P690QL2 with a design pressure of 1 9 bar g with a volume of 3000 cubic meters.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid in die Atmosphäre sowie einen Tank zur Durchführung des Verfahrens. Verfahrensgemäß wird Kohlendioxid, welches infolge eines Verbrennungsprozesses entstanden ist, aus dem Gas abgetrennt. Das Kohlendioxid wird anschließend auf einen Druck von wenigstens 10 bar absolut, vorzugsweise wenigstens 15 bar absolut, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 18 bar absolut gebracht und auf eine Temperatur von bis zu -10°C, vorzugsweise von bis zu -20°C abgekühlt. Bevorzugt beträgt die Temperatur des verflüssigten Kohlendioxids bis zu -40°. Die Temperatur des verflüssigten Kohlendioxids liegt während des Transports in einem Tank besonders bevorzugt zwischen -25°C und -35°C. Zwar erfordert es der relativ hohe Druck von beispielsweise 18 bar absolut, Tanks mit relativ dicken Wandstärken bereitzustellen. Allerdings wird es durch den hohen Druck möglich, einen relativ hohen Anteil von Wasserstoff und Stickstoff im Kohlendioxidgas hinnehmen zu können. Es ist also dann nicht erforderlich, vor einer Verflüssigung von Kohlendioxid Stickstoff und Wasserstoff im merklichen Umfang abzutrennen, was nach dem derzeitigen Stand der Technik auch zu einer Abtrennung von Kohlendioxid führen würde.

Description

Verfahren zur Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid nebst Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid in die Atmosphäre sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Kohlendioxid (CO2) entsteht vor allem bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe. Das so entstehende Kohlendioxid entweicht in die Atmosphäre und trägt zur globalen Erwärmung bei. Dieses Umweltproblem wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 1 98 340 73 Al beschrieben .
Um den Ausstoß von Kohlendioxid in die Atmosphäre zu vermeiden, ist es erforderlich, durch Verbrennung entstehendes Kohlendioxid abzutrennen und geeignet dauerhaft zu lagern. Um gesammeltes Kohlendioxid von einem Kraftwerk über eine große Entfernung zu einem geeigneten Lager transportieren zu können, ist es aus wirtschaftlichen Gründen oftmals geboten, Kohlendioxid zunächst zu verflüssigen. Flüssiges Kohlendioxid wird dann beispielsweise von einem Kraftwerk, in dem Kohledioxid zuvor durch Verbrennung entstanden ist, zum Lager verschifft.
Das Besondere an einer Verschiffung ist, dass das CO2 im Kraftwerk kontinuierlich anfällt, während der Schiffstransport noturgemäß nur chargenweise erfolgen kann . Dadurch entsteht die Notwendigkeit, ein Puffervolumen zu schaffen .
Verflüssigtes Kohlendioxid kann in Tanks gefüllt werden, mithilfe von Transportmitteln wie Schiff oder Fahrzeug zu einem Lager wie zum Beispiel erschöpften Öl- oder Gasfeldern oder Salzkavernen transportiert und nach Erreichen des Lagers in das Lager gebracht werden.
Es ist bekannt, Gas für einen Transport zu verflüssigen und mit Hilfe von Tanks im verflüssigten Zustand von einem Ausgangsort zu einem gewünschten Zielort zu transportieren . So wird beispielsweise Erdgas auf - 1 61 bis - 1 64 0C abgekühlt und dadurch verflüssigt . Der Transport von verflüssigtem Erdgas (LNG) erfolgt insbesondere mithilfe von Schiffen. Im Fall von LNG müssen für die Lagerung in Tanks Materialien gewählt werden, die den tiefen Temperaturen gewachsen sind. Es ist allerdings dann regelmäßig nicht erforderlich, dass die eingesetzten Materialien zugleich bei den tiefen Temperaturen hohe Festigkeiten aufweisen, da LNG bei Normaldruck oder geringem Überdruck transportiert werden kann. Es gibt aber auch Bestrebungen, LNG bei höheren Drücken und damit einhergehend bei höheren Temperaturen zu transportieren.
Es ist bekannt, LPG unter Druck zu lagern. Der Lagerdruck kann bis zu 18 bar absolut betragen, da das Gas allein durch eine solche Druckerhöhung verflüssigt werden kann. Dies gilt bei Umgebungstemperaturen bis 45°C. 45 °C ist üblicherweise die obere Designtemperatur, die für weltweit fahrende Gastanker angenommen wird. Es ist ferner bekannt, die Temperatur von zu transportierendem LPG auf -42 0C abzusenken, um so LPG in einem großvolumigen Tank transportieren zu können, der keinen besonderen Druckanforderungen gewachsen sein muss. Der Lagerdruck von zu transportierendem LPG kann dann auf Umgebungsdruck abgesenkt werden.
Ein Fachmann strebt danach, die Temperatur eines flüssigen Gases nicht auf unter -500C abzukühlen, da andernfalls ein relativ teurer Stahl eingesetzt werden muss. Dies gilt vor allem dann, wenn ein Tank einem Überdruck gewachsen sein muss. Beträgt die Temperatur von flüssigem Gas -500C und mehr, so können nämlich übliche Tieftemperaturfeinkornbaustähle wie P355NL2 oder 13MNNI63 verwendet werden. Tanks, die aus solchen Tieftemperaturfeinkornbaustählen hergestellt sind, können dann auch relativ druckfest ausgestaltet sein. Im Fall von großvolumigen Tanks (von mehreren 1000 Kubikmeter) ist es allerdings schwierig bzw. technisch sehr aufwendig, einen Tank zu fertigen, der relativ hohen Überdrucken von zum Beispiel 5 bis 10 bar g gewachsen ist. Sollen also große Volumina transportiert werden, so strebt der Fachmann daher danach, die Temperaturen von verflüssigtem Gas so zu wählen, dass der Einsatz eines druckfesten Tanks vermieden oder aber die erforderliche Druckfestigkeit minimiert werden kann, um relativ problemlos großvolumige Tanks einsetzen zu können . Wird ein Tank für flüssiges Gas druckfest ausgeführt, so strebt der Fachmann an, die Wandstärke eines solchen Tanks auf ca. 50 mm zu begrenzen. . Insbesondere folgende physikalische Zusammenhänge sind dabei
5 maßgeblich: Feinkornbaustähle unterliegen einer sogenannten
Tieftemperaturversprödung, die bewirkt, dass sie unterhalb spezifischer Einsatztemperaturen nicht mehr für den Bau von Druckbehältern eingesetzt werden können. Das Maß dafür ist die Kerbschlagzähigkeit bei der jeweiligen Temperatur. Dieser Wert ist unter anderem von der Gefügestruktur im Stahl
0 abhängig. Je dicker die Bleche sind, desto größer ist nun das Risiko von Gefügeinhomogenitäten. Zusätzlich steigt bei der Verarbeitung das Risiko z.B. in der Wärmeeinflusszone beim Schweißen, Gefügeveränderungen gegenüber dem gewalzten Blech zu erzeugen. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass die Werte, die an einem Testblech ermittelt wurden,
5 an allen Stellen des fertigen Tanks eingehalten werden. Daraus ergibt sich der pragmatische Ansatz, dickere Bleche bei tieferen Temperaturen als der Efnsatztemperatur zu prüfen. Dies soll sicherstellen, dass die so gefundenen Kerbschlagzähigkeitswerte bei den Einsatztemperaturen dann auch wirklich überall im Blech eingehalten werden. Die von in der vorliegenden O Anmeldung betrachteten Werte spiegeln für spezielle Feinkornbaustähle wie zum Beispiel P690 QL2 die Drücke / Temperaturen und Blechstärken wieder, die für das Design von Gaslagertanks auf seegehenden Schiffen üblicherweise angesetzt werden. Daraus ergibt sich für die Wandstärke 50 mm und die Lagertemperatur von - 400C eine Testtemperatur, bei der die
5 den Stahl herstellende Stahlhütte die geforderten Kerbschlagwerte erreicht.
Strebt ein Fachmann also an, Kohlendioxid aus einem Verbrennungsprozess zu einem Lager zu bringen, so wird er aus genannten Gründen bestrebt sein, Kohlendioxid zu verflüssigen und bei einer Temperatur von -50 0C sowie bei einem Druck von etwa 6,6 bar g zu transportieren. Um nicht tiefere
Temperaturen oder höhere Drucke vorsehen zu müssen, wird er Kohlendioxid zunächst reinigen und insbesondere Wasserstoff und Stickstoff abtrennen, die bei den technisch bekannten Verfahren zur Abscheidung des CO2 aus Krαftwerksgαsen als Verunreinigung des CO2 zwangsläufig in gewisser Menge anfallen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel verfolgt, Kohlendioxid, welches durch einen Verbrennungsprozess entsteht, wirtschaftlich und möglichst vollständig zu einem Lager zu transportieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem Kohlendioxid, welches infolge eines Verbrennungsprozesses entstanden ist, aus dem Gas abgetrennt wird. Das Kohlendioxid wird anschließend auf einen Druck von wenigstens 10 bar absolut, vorzugsweise wenigstens 15 bar absolut, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 1 8 bar absolut gebracht und auf eine Temperatur von bis zu -100C, vorzugsweise von bis zu -200C abgekühlt. Bevorzugt beträgt die Temperatur des verflüssigten Kohlendioxids bis zu -400C. Die Temperatur des verflüssigten Kohlendioxids liegt während des Transports in einem Tank besonders bevorzugt zwischen -25°C und - 35°C. Die für das Verflüssigen erforderliche Temperatur hängt vom Lagerdruck ab. Erfindungsgemäß wird aber angestrebt, nicht zu tiefe Temperaturen wählen zu müssen. Zwar erfordert es der relativ hohe Druck von beispielsweise 18 bar g, Tanks mit relativ hohen Designdrücken von 19 bis 21 bar g (bar gauge) und damit einhergehenden hohen Wandstärken bereitzustellen. Allerdings wird es durch den hohen Druck möglich, einen relativ hohen Anteil von Wasserstoff und Stickstoff im Kohlendioxidgas hinnehmen zu können. Es ist also dann nicht erforderlich, vor einer Verflüssigung von Kohlendioxid Stickstoff und Wasserstoff im merklichen Umfang abzutrennen, was nach dem derzeitigen Stand der Technik auch zu einer Abtrennung von Kohlendioxid führen würde. Ein entsprechender Teil des Kohlendioxids würde auf diese Weise weiterhin nachteilhaft in die Atmosphäre entweichen. Erfindungsgemäß wird also durch Abweichen von typischerweise angestrebten Temperaturen von -500C erreicht, das abgetrenntes Kohlendioxid verflüssigt und zum Lager transportiert wird, ohne das zuvor umfangreich Wasserstoff und Stickstoff abgetrennt werden muss. Es ist also nicht erforderlich, relativ reines Kohlendioxid bereitzustellen. Je umfangreicher Wasserstoff und Stickstoff abgetrennt werden muss, desto mehr Kohlendioxid wird zugleich unvermeidlich mit abgetrennt und gelangt dann nachteilhaft in die Atmosphäre.
Erfindungsgemaß wird also für den Transport von Gas dieses nicht auf -50 0C abgekühlt, um das Gas im flussigen Zustand bei möglichst geringem Druck transportieren zu können . Stattdessen wird von dieser üblichen Vorgehensweise abgewichen und ein relativ hoher Druck in Kauf genommen, umso keinen Stickstoff und keinen Wasserstoff abtrennen zu müssen oder aber um eine solche Abtrennung zumindest minimieren zu können. Zwar werden dann für Tanks relativ hohe Wandstarken benotigt. Dennoch steigen dadurch nicht insgesamt die Kosten, da an anderer Stelle Kosten eingespart werden . Kosten werden beispielsweise eingespart, weil nicht umfangreich Wasserstoff, Sauerstoff und/ oder Stickstoff aus dem Kohlendioxids abgetrennt werden muss, um so relativ reines Kohlendioxid zu erhalten.
Um sicherzustellen, dass der für einen Tank eingesetzte Stahl optimal bearbeitet werden kann, betragt die maximale Wandstarke bei einem Tank ca. 50 mm.
Wenn der Anteil an Stickstoff nicht mehr als 0, 7 % mol oder der Anteil an Sauerstoff nicht mehr als 0, 99% mol oder der Anteil an Wasserstoff nicht mehr als 0, 1 4 % mol im Kohlendioxid betragt, so kann auf das Abtrennen von Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff aus dem abgetrennten
Kohlendioxid vorteilhaft vollständig verzichtet werden , wenn die CO2- Temperatur bei ca. -30 0C liegt und der Druck ca. 1 8 bar absolut betragt. Befinden sich mehrere verschiedene Schadgase im CO2, die nachteilhaft eine Druckerhohung oder Temperaturabsenkung erfordern, um CO2 zu verflüssigen, so gelten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung andere Obergrenzen . In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird Kohlendioxid auf - 30°C abgekühlt und der Druck so gewählt, dass eine Abtrennung von Schadgasen aus dem abgetrennten Kohlendioxid vermieden werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung werden Schαdgαse und zwar insbesondere Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff aus dem abgetrennten CO2 entfernt, um so Energie für die Verflüssigung einsparen zu können.
5 Um Kohlendioxid zu entsorgen, wird dieses beispielsweise in ein Bohrloch eines ehemaligen Öl- oder Gasfeldes oder in eine Salzkaverne gepumpt.
CO2 fällt zunächst grundsätzlich wasserdampfgesättigt an. In einer Ausführungsform der Erfindung wird Kohlendioxid daher getrocknet, bevor
10 dieses im flüssigen Zustand transportiert wird. Andernfalls entstehen aufgrund der cryogenen Lagerungen Eis und Hydrate. Wird die Bildung von Eis und Hydraten durch eine Trocknung vermieden, so lässt sich damit vermeiden, dass enge Querschnitte bei Filtern, Ventilen, Pumpen etc. verstopfen. Vorteilhaft wird Kohlendioxid getrocknet, wenn es auf hohen
15 Druck gebracht ist. Dies erleichtert die Trocknung.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den Fall, das Kohlendioxid aus dem Rauchgas eines Kraftwerks abgetrennt wird. Verbrennungsprozesse in Kraftwerken tragen maßgeblich zur Umweltbelastung durch Kohlendioxid bei. >0 Daher ist die Erfindung insbesondere bei einem solchen Fall von Nutzen.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Tank vorgesehen, der die Merkmale des Nebenanspruchs aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen
>5 ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Bärge, die mit einer Anlage für die Verflüssigung von Kohlendioxid und/ oder einem hinreichend druckfesten Tank für die Lagerung von flüssigem Kohlendioxid bei einer Temperatur von -200C bis -400C. vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. -300C versehen ist. Der Tank ist hinreichend iθ druckfest, wenn er dem Druck gewachsen ist, der erforderlich ist, um CO2 zu verflüssigen. Das Tankvolumen eines Tanks der Bärge liegt insbesondere bei wenigstens 2000 Kubikmeter, bevorzugt bei wenigstens 3000 Kubikmeter, um große Mengen an CO2 lagern zu können, ohne zu große Kosten für die Bereitstellung von Tanks aufwenden zu müssen. Eine Borge ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn am Kraftwerk kein Bauplatz zur Verfügung steht; - die Bauzeit kritisch ist, da eine Bärge schneller gebaut werden kann als eine Landanlage.
Die Einzeltankgröße auf einer Bärge kann hoher sein, da die Tanks nicht transportiert werden müssen . In einer Ausführungsform der Erfindung wird daher flüssiges CO2 von einem Tank einer Bärge in einen Tank eines Schiffes mit einem kleineren Volumen gebracht. Das Schiff transportiert dann das flüssige CO2 zu einem geeigneten Lager.
Für ältere Kraftwerke wird in einer Ausführungsform der Erfindung das Pufferlager von einem Kraftwerk zu einem anderen Kraftwerken überführt, um dieses Pufferlager weiter verwenden zu können. In dieser Hinsicht ist das Vorsehen einer Bärge einer Landanlage überlegen.
Eine Bärge wird in einer Ausführungsform außerhalb eines Handelshafens verankert, um damit Beschränkungen in der Zugangswassertiefe für die Shuttle-Schiffe zu überwinden.
Da große Mengen transportiert werden sollen, beträgt das Volumen eines Tanks, mit dem verflüssigtes CO2 zum Lager transportiert wird, aus vorgenannten Gründen ebenfalls vorzugsweise wenigstens 2000 Kubikmeter, besonders bevorzugt wenigstens 3000 Kubikmeter. Die größten Einzel- Drucktanks mit einem Designdruck von 18 bar g bis 20 barg, die für die Lagerung von CO2 bei 1 8 bar a und -30°C nach dem derzeitigen Stand der Technik sinnvollerweise gebaut werden können, liegen in der Größenordnung 5000 - 6500 m3. Daraus kann dann durch Kombination von beliebig vielen Tanks ein entsprechendes Puffervolumen oder Transportvolumen auf einem Schiff aufgebaut werden. Damit ein Tank den Anforderungen in Bezug auf Temperatur und Druck gewachsen ist, besteht dieser insbesondere aus hochfesten SpezialStählen wie zum Beispiel nach EN 1 0028 -6 mit einer Streckgrenze > 500 MPa bis 900 MPa . Ein derartiger Werkstoff ist unter der Werkstoffnummer P690QL2 oder 1 .8888 bekannt.
Tanks mit einem Volumen von 2000 Kubikmeter und mehr werden mit Schiffen transportiert. Es können aber auch andere Fahrzeuge wie zum Beispiel Zug oder Lkw für den Transport von Tanks eingesetzt werden, um flüssiges Kohlendioxid von einem Ort, an dem ein entsprechender Verbrennungsprozess stattfindet, zu einem Lager zu transportieren. Dann ist allerdings ein Tankvolumen kleiner . Es können dann Tanks einfacher besonders druckfest ausgeführt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher in erster Linie auf die Fälle, dass Kohlendioxid in großen Mengen mit Schiffen zu einem geeigneten Lager gebracht werden . Ein Schiff ist dann allerdings in der Regel nicht nur mit einem, sondern mit einer Vielzahl von Tanks (Tanklager) versehen. Das Gesamtvolumen beträgt regelmäßig wenigstens 5000 m3.
Der Übersichtlichkeit halber wird die Erfindung an dieser Stelle noch anhand von nummerier- ten Ausführungsformen dargestellt:
1. Verfahren zur Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid, gemäß dem durch einen Verbrennungsprozeß entstandenes Kohlendioxid abgetrennt wird, das abgetrennte Kohlendioxid auf einen Druck von wenigstens 10 bar absolut, vorzugsweise von wenigstens 15 bar absolut, besonders bevorzugt von wenigstens 18 bar absolut gebracht wird, das abgetrennte Kohlendioxid auf eine Temperatur von bis zu -10 0C, vorzugsweise von bis zu -20 0C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur von bis zu -40 0C gebracht wird, das abgetrennte Kohlendioxid so verflüssigt in einen Tank gebracht wird und der Tank zu einem Lager für Kohlendioxid transportiert wird.
2. Verfahren nach Ausführungsform 1 , bei dem der Druck des flüssigen Kohlendioxids nicht mehr als 25 bar absolut, vorzugsweise nicht mehr als 18 bar absolut beträgt.
3. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem die maximale Wandstärke des Tanks nicht mehr als 50 mm beträgt.
4. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem der Designdruck eines Tanks nicht mehr als 20 bar g beträgt.
5. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei denen der Anteil an Stickstoff nicht mehr als 0.7 %mol oder der Anteil an Sauerstoff nicht mehr als 0,99 %mol oder der Anteil an Wasserstoff nicht mehr als 0,14 %mol im verflüssigten Kohlendioxid beträgt. Auch Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei denen vor dem Verflüssigen des Kohlendioxids höchstens 75 % des Gesamtvolumens der Nicht-Kohlendioxidgase, wie etwa Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, von dem Kohlendioxid abgetrennt werden, bevorzugter höchstens 50 %, besonders bevorzugt höchstens 25 %.
6. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem aus dem abgetrennten Kohlendioxid kein Sauerstoff oder Stickstoff vor dem Verflüssigen abgetrennt wird.
7. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem das Kohlendioxid durch ein oder mehrere Bohrlöcher in das Lager gebracht wird. 8. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem das Kohlendioxid getrocknet wird und im getrockneten Zustand zum Lager gebracht wird.
9. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem der Tank aus dem Stahl mit der Werkstoffnummer P690QL2 besteht.
10. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem der Tank aus Stahl mit einer Streckgrenze > 500 MPa, insbesondere > 620 MPa, ganz besonders > 690 MPa wie z. B. P690QL2 ode einem äquivalenten Stahl besteht.
11. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem das Kohlendioxid gasförmig aus einem Kraftwerksprozess ausgeschleust, insbesondere aus dem Rauchgas eines Kraftwerks abgetrennt wird.
12. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem das Kohlendioxid auf einer Bärge verflüssigt und/oder vorübergehend gelagert wird.
13. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem auf einer Bärge gelagertes flüssiges Kohlendioxid auf ein Schiff mit eigenem Antrieb gebracht wird.
14. Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, bei dem der oder die Kohlendioxid-Tanks auf dem Schiff mit eigenem Antrieb kleiner sind als der oder die Kohlendioxid- Tanks auf der Bärge.
15. Tank eines Transportmittels mit darin enthaltenem flüssigen Kohlendioxid mit einem Tankvolumen von wenigstens 2.000 m3, wobei im Tank ein Druck von wenigstens 10 bar g, vorzugsweise von wenigstens 15 bar g, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 18 bar g herrscht und die Temperatur des Kohlendioxids -30 0C bis -20 0C beträgt. Grundsätzlich aber auch Tank für ein Transportmittel mit darin enthaltenem flüssigen Kohlendioxid, welches nach einem Verfahren der Ausführungsformen 1 bis 14 hergestellt wurde.
16. Tank bei einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, der aus P690QL2 besteht. 17. Tanklager mit einer Mehrzahl von Tanks mit darin enthaltenem flüssigen Kohlendioxid, insbesondere nach einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen, wobei in jedem Tank ein Druck von wenigstens 10 bar g, vorzugsweise von wenigstens 15 bar g, ganz besonders bevorzugt von wenigstens 18 bar g herrscht und die Temperatur des Kohlendioxids -30 0C bis -20 0C beträgt, wobei das Gesamtvolumen der Tanks wenigstens 5.000 m3, vorzugsweise 10.000 m3 beträgt.
18. Bärge mit einem Tank, in dem flüssiges Kohlendioxid bei einer Temperatur von -30 0C bei einem Druck von 18 bar g gelagert werden kann.
19. Bärge, insbesondere nach der vorhergehenden Ausführungsform, mit einer Anlage für das Verflüssigen von Kohlendioxid.
20. Bärge mit einem oder mehreren Tanks, in dem flüssiges Kohlendioxid bei einer Temperatur von ca. -30 0C und einem Druck von ca. 18 bar g gelagert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert. Bei einem typischen Post-Combustion Capture-Prozess wird das gesamte Rauchgas eines Kraftwerks nach den üblichen Behandlungsschritten (Entstaubung, Entschwefelung, Entstickung) einem zusätzlichen Waschprozess (Aminabsorptionsprozess) unterzogen. Da das CO2 bevorzugt in der Aminlosung absorbiert wird, kann es über eine angereicherte Lösung am Boden der Waschkolonnen abgezogen werden. In der Aminregeneration wird dann das CO2 durch Wärmezufuhr aus der Aminlosung ausgetrieben und fallt als wassergesattigtes ROh-CO2 bei atmosphärischem Druck an. In einer mehrstufigen Verdichtung wird es auf den gewünschten Verflussigungsdruck gebracht, der zwischen 1 2 und 40 bar absolut liegen kann. Im Rahmen eines bevorzugten Beispiels wurde CO2 mit einem Druck von 1 8 bar absolut transportiert und der Verflussigungsdruck zweckmäßig etwas hoher gewählt (ca. 1 9 bar absolut). Bei höheren Verdichtungsdrucken ist eine mehrstufige Verdichtung erforderlich, die zweckmäßigerweise mit einer Zwischenkühlung und Abtrennung des dabei anfallenden Wasserkondensats stattfindet. Anschließend wir das Gas getrocknet. Dies erfolgt zunächst in einem Kältetrockner bis zu einer Drucktaupunkttemperatur von ca. 4 0C und anschließend in einem Adsorptionstrockner. Das trockene CO2 wird anschließend verflüssigt, z.B. durch Einsatz einer
Kältemittelkondensationsanlage. Hier sind verschiedene Kältemittel und Prozesse möglich. In einem Ausführungsbeispiel wurde das Kältemittel R410 verwendet. Es verdampft bei niedrigem Druck und einer Temperatur von ca. -3O0C und erzeugt dabei die Kälte, gegen die das CO2 kondensiert. Anschließend wird das Kältemittel verdichtet und bei ca. 30 °C kondensiert gegen Kühlwasser. Hier sind auch andere Verfahren (z.B. Kondensation gegen Luft etc. ) möglich, die jeweils andere Drücke und Komponentenauswahl bedingen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Auswahl, die hauptsächlich für Nordeuropa gedacht ist, ist der günstige Energieverbrauch sowie die Möglichkeit, in der Kältetechnik übliche Komponenten verwenden zu können.
Die Verdichtung des Gases erfolgt beim Kraftwerk, um einen wirtschaftlichen Transport möglich zu machen. Damit wird auch die Trocknung zweckmäßig am Kraftwerk durchgeführt, da sonst während des Transports Kondensat anfällt.
Aus eingangs genannten Gründen wird ein Puffervolumen vorgesehen, wenn ein weiterer Abtransport chargenweise erfolgen soll. Ist ein solches Puffervolumen bzw. Pufferlager unmittelbar am Kraftwerksstandort vorgesehen, so kann die Verdichtung sinnvoll in einem mehrstufigen Prozess durchgeführt werden. Sind Kraftwerk und Lager örtlich voneinander getrennt, so wird vorteilhaft eine Nachverdichtung (zum Ausgleich von Transportverlusten) am Verflüssiger durchgeführt. Boil-Off-Gas, das durch Wärmeeintrag in die Puffertanks notwendigerweise anfällt, kann durch einen entsprechenden Nachverdichter wieder auf Verflüssigungsdruck gebracht werden . Es wird bei dieser Ausführungsform (Nachverdichter bei der Einrichtung für das Verflüssigen von CO2) dann ein Kompressor eingespart. Die Verflüssigung und Zwischenlαgerung kann aber sehr wohl ( muss aber nicht) örtlich getrennt durchgeführt werden. Dabei ist neben einem Pufferlager beispielsweise in Hafennähe auch eine Installation auf einem Schiff möglich . Vorzugsweise findet die Verflüssigung und die Zwischenlagerung auf einer Bärge, also einem Schiff ohne eigenem Antrieb statt. Eine Bärge reduziert den Grundstücksbedarf und kann kurzfristiger kostengünstig im Vergleich zu einer Landanlage gebaut werden. Grundsätzlich lässt sich eine Bärge als Modernisierung für Kraftwerke leichter realisieren als ein entsprechendes Landlager. Sind Verflüssigung und Pufferlager bzw. Schiff räumlich getrennt, so wird der Flüssigtransport jeweils durch geeignete Pumpen bewerkstelligt.
Das Transportschiff pumpt das CO2 entweder zu einer fest installierten Anlage, die die Druckerhöhung und Anwärmung zum Einspeisen in das Lager vornimmt, oder das Schiff ist mit den entsprechenden Komponenten ausgerüstet und speist direkt (z.B. über eine temporäre Verbindung zu einer Subseapipeline) in ein Bohrloch ein, dass die Verbindung zum Lager bildet. Da die Lager unter Druck stehen und die Ausrüstung der Bohrlöcher nicht tieftemperaturgeeignet ist, wird eine Druckerhöhung und eine Anwärmung benötigt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung betrug der Lagerdruck 1 8 bar absolut. Der Verflüssigungsdruck lag leicht darüber. Die Temperatur des flüssigen Kohlendioxids lag bei ca. -350C. Die Tanks waren zylindrische Tanks aus P690QL2 mit einem Designdruck von 1 9 bar g mit einem Volumen von 3000 Kubikmeter.
Die nachfolgenden Beispiele verdeutlich, bis zu welchen Grenzen Kohlendioxid mit Stickstoff und Sauerstoff verunreinigt sein kann, um bei einem Lagerdruck von etwa 1 8 bar absolut und einer Temperatur von ca. - 30 0C transportiert werden zu können. Mischung I:
CO2 99,1992 mol%
N2 0,4004 mol%
O2 0,4004 mol%
Flüssigtemperαtur -29,75°C bei 18 bar abs
Mischung II:
CO2 99,1305 mol%
N2 0,3498 mol%
O2 0,5197 mol%
Flüssigtemperatur -30,180C bei 18 bar absolut
Mischung III:
CO2 99,2303 mol%
N2 0,5496 mol%
O2 0,2201 mol%
Flüssigtemperatur -300C bei 18 bar absolut.
Soll also Kohlendioxid bei -30 °C und 18 bar absolut transportiert werden, so ist bei einer zu großen Verunreinigung durch Stickstoff und Sauerstoff erst eine Reinigung durchzuführen, um hinreichend reines, von Stickstoff und Sauerstoff hinreichend befreites Kohlendioxid zu erhalten. Entsprechendes gilt bei anderen Drücken und Temperaturen.

Claims

Patentansprüche
1.
Verfahren zur Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid, bei dem: a) durch einen Verbrennungsprozeß entstandenes Kohlendioxid abgetrennt wird; b) das abgetrennte Kohlendioxid auf einen Druck von wenigstens 10 bar absolut gebracht wird; c) das abgetrennte Kohlendioxid auf eine Temperatur von bis zu -100C abgekühlt wird; d) das abgetrennte Kohlendioxid so verflüssigt in einen Tank gebracht wird und e) der Tank zu einem Lager für Kohlendioxid transportiert wird.
2.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das abgetrennte Kohlendioxid auf einen Druck von wenigstens 18 bar absolut gebracht wird.
3.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das abgetrennte Kohlendioxid auf eine Temperatur von bis zu -400C abgekühlt wird.
4.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Druck des flüssigen Kohlendioxids nicht mehr als 25 bar absolut beträgt.
5.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die mittlere Wandstärke eines
Tanks für das flüssige Kohlendioxid 50 mm nicht überschreitet.
6.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Designdruck eines Tanks für das flüssige Kohlendioxid nicht mehr als 20 bar g beträgt.
7.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem für das flüssige Kohlendioxid zumindest eines der Kriterien erfüllt ist: Anteil an Stickstoff beträgt nicht mehr als 0,7 %mol, Anteil an Sauerstoff beträgt nicht mehr als 0,99 %mol, Anteil an Wasserstoff beträgt nicht mehr als 0,14 %mol.
8.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem aus dem abgetrennten Kohlendioxid kein Sauerstoff oder Stickstoff vor dem Verflüssigen abgetrennt wird.
9.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kohlendioxid auf einer
Bärge verflüssigt und gelagert wird.
10.
Tank für den Transport von flüssigem Kohlendioxid mit wenigstens 2000 Kubikmetern, zumindest teilweise gefüllt mit nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestelltem flüssigen Kohlendioxid, wobei in dem Tank ein Druck von wenigstens 10 bar g herrscht.
11.
Tank nach Anspruch 10, bei dem in dem Tank ein Druck von wenigstens 18 bar g herrscht.
12.
Tank nach Anspruch 10 oder 11 , bei dem die Temperatur des Kohlendioxids -300C bis einschließlich -200C beträgt.
13.
Tank nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das flüssige Kohlendioxid eine Temperatur von -300C bei einem Druck von 18 bar g hat.
14.
Tanklager mit einer Mehrzahl Tanks nach einem der Ansprüche 10 bis 13.
15.
Bärge mit einem Tank nach einem der Ansprüche 10 bis 13.
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