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DE102007011879A1 - Vorrichtung und Verfahren zur CO2-Abtrennung aus einem Prozessgas - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur CO2-Abtrennung aus einem Prozessgas Download PDF

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DE102007011879A1
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separation
membrane
permeate
separation unit
feed
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Withdrawn
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DE102007011879A
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English (en)
Inventor
Ernst Dr. Riensche
Jewgeni Nazarko
Reinhard Menzer
Ludger Prof. Dr. Blum
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtrennung von CO<SUB>2</SUB> aus einem Prozessgas, umfassend zwei hintereinander angeordnete Trenneinheiten (Trennschritte) mit CO<SUB>2</SUB> durchlässigen Membranen zur CO<SUB>2</SUB>-Abrennung, Mittel zur Einstellung eines separaten Permeatdrucks auf der Permeatseite jeder Membran sowie die Zusammenführung der Permeatströme aus den einzelnen Trennschritten in einer Sammelleitung. Mit Hilfe einer sols einem prozessgas abzutrennen, wobei das Prozessgas zunächst in einem ersten Trennschritt I über eine erste Membran geleitet wird, das Retentat aus dem ersten Trennschritt I als Feed in einem zweiten Trennschritt II über eine zweite Membran geleitet wird und die Permeatströme aus dem ersten und zweiten Trennschritt zusammengeführt werden. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, CO<SUB>2</SUB> mit einem hohen Abtrenngrad und einer hohen Reinheit aus einem Prozessgas abzutrennen und dennoch einen hohen Netto-Wirkungsgrad zu erzielen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur CO2-Abtrennung aus einem Prozessgas, insbesondere zur CO2-Abtrennung aus dem Rauchgas eines Kohlekraftwerkes.
  • Stand der Technik
  • Die Abtrennung von CO2 aus typischen Kohlekraftwerksprozessen ist grundsätzlich über drei verschiedene Konzepte erzielbar (1, aus J. Ewers, W. Renzenbrink, RWE, F. Hannemann, G. Haupt, G. Zimmermann, SIEMENS, Entwicklung von Kombikraftwerkskonzepten zur CO2-freien Stromerzeugung, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.–20. Okt. 2004, V27)
  • Post-Combustion-Capture (1a):
  • Hierbei wird ein konventionelles Dampfkraftwerk (1) mit Kohle und Luft gespeist. Es schließt sich eine herkömmliche Rauchgasreinigung (2) an. Die Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas (3) nach der Verbrennung wird durch geeignete Wäschen bzw. langfristig durch Membransysteme realisiert. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass hohe Volumenströme an Rauchgas mit vergleichsweise geringer CO2-Konzentration gereinigt werden müssen. Membranen zur Abtrennung des CO2 werden deshalb einen hohen Bedarf an Membranfläche aufweisen. Typische Verfahrensparameter für das zu behandelnde Rauchgas wären: 1000 m3/s mit 18 Vol.-% CO2.
  • Pre-Combustion-Capture (1b):
  • Hier ist ein Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC)-Verfahren dargestellt, bei dem die Abtrennung von CO2 (3) in einem Zwischenschritt nach der Kohlevergasung (4), bzw. der Erdgasreformierung erfolgt, dem sich der Prozessschritt der Gasreinigung (5) (CO-Shift) anschließt, aber noch vor der Verbrennung mit Luft (6). Die verschiedenen bisher entwickelten Kohlevergasungsverfahren werden bevorzugt mit Sauerstoff oder angereicherter Luft (und Dampf) unter Druck (ca. 20 bis 30 bar) betrieben. Deshalb weist das Kohlegas im Hinblick auf eine CO2-Abtrennung zwei entscheidende Vorteile auf. Zum einen ist der reale Volumenstrom (mit wenig Stickstoff und bei hohem Druck) etwa um das 100-fache geringer als bei den Rauchgasen üblicher Dampfkraftwerke. Dies führt unmittelbar zu hohen Partialdrücken der Hauptkomponenten CO und H2. Typische Verfahrensparameter nach der Gasreinigung wären: 10 m3/s mit 45 Vol.-% CO2.
  • Nach einer zusätzlichen CO-Konvertierung nach CO2 und H2 mittels Dampfzufuhr (Shiftreaktor) zur Konditionierung des Kohlegases für eine CO2-Abtrennung eröffnen sich zwei Optionen, einerseits die Abtrennung von CO2, beispielsweise mit einem Wäscher oder die Abtrennung einer hinreichenden Menge H2 mittels einer Membran, wobei im Retentat ein CO2-reiches Gas zurückbleibt, die geeignet ist für eine Verflüssigung und Deponierung.
  • Bei beiden Optionen kann der Wasserstoff anschließend in einem Gas und Dampfkraftwerk (GuD-Prozess), beispielsweise mit Hilfe einer H2-Turbine verstromt werden.
  • Oxyfuel-Prozess (1c):
  • Hier erfolgt die einfache CO2-Abtrennung (3) durch Kondensation nach Verbrennung der Kohle in einem Kessel (7) mit reinem Sauerstoff und dem sich daran anschließenden Schritt einer Rauchgasreinigung (2) an. Dieses Verfahren hat einen entscheidenden Vorteil. Verbrennung in reinem Sauerstoff liefert als Verbrennungsprodukte nur CO2 und Wasserdampf, der beim Abkühlen des Gasgemisches auf sehr einfache Weise durch Kondensation vom CO2 getrennt werden kann. Das CO2 und der Wasserdampf werden vorteilhaft im Kreislauf geführt und zusammen mit dem Sauerstoffstrom dem Kessel (7) wieder zugeführt. Der reine Sauerstoff kann dabei entweder durch eine konventionelle kryogene Luftzerlegung erzeugt werden, oder mittels einer O2-Membran, wobei das rückgeführte CO2/Wasserdampfgemisch als Spülgas dienen kann.
  • In allen drei Fällen gibt es jedoch noch kein sehr gut funktionierendes Konzept für die jeweilige CO2-Abtrennung.
  • Ein großes Entwicklungspotential wird Hochtemperatur-O2-Membranen zugesprochen, insbesondere aufgrund von energetischen Gesichtspunkten. Voraussetzung dafür ist, dass kostengünstige Membranen zur Verfügung stehen.
  • Beispielhaft zeigt die 2 eine ideale poröse CO2-Membran gemäß dem Stand der Technik, die in der Lage ist, 50% des im Rauchgas eines Kohle-Dampfkraftwerkes enthaltenen CO2 abzutrennen (Post-combustion capture), und zwar mit einer CO2-Reinheit von 90 mol-%. Das auf P1 = 10 bar verdichtete und zu behandelnde Rauchgas (a) weist 14 mol-% CO2 und 69 mol-% N2 auf. Das Reingas (c) nach der Membrantrennung weist ca. 90 mol-% CO2 und nur noch 8 mol-% N2 auf. Der Permeatdruck P2 ist dabei auf 100 mbar eingestellt. Das Abgas (Konzentratstrom) (b) wird mit Normaldruck abgeführt. Die CO2/N2-Selektivitätsanforderung am Membran-Eintritt beträgt 55:1 (= 69/14·90/8) und ist mit dem Trennfaktor des Prozesses identisch. Sie nimmt weiter zu bis ca. 100:1 längs des Trennprozesses, da die CO2-Konzentration abnimmt. Folglich ist eine Membran-Selektivität von insgesamt ca. 80:1 erforderlich.
  • Für die CO2-Partialdruckdifferenzen an der Membran gelten hier:
    Membran Eintritt Feed: Membran Austritt Feed:
    (0,14·10 bar) – 0,1 bar = 1,3 bar (ca. 0,07·10 bar) – 0,1 bar = ~0,6 bar.
  • Die im Rahmen der Erfindung durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass im Falle der CO2-Abtrennung aus dem Rauchgas eines Kohle-Kraftwerkes mit 14 mol-% CO2 entsprechend 2 folgende Richtwerte angenommen werden können. Bei einem Input an Kohle von 1000 MW (unterer Heizwert) wird in der Regel jeweils folgender Energieaufwand benötigt:
    • • für die Verdoppelung des Feedgasdruckes für das gesamte Rauchgas: ca. 15 MW (entspricht 1,5%-Punkte Wirkungsgradverlust),
    • • für die Halbierung des Permeatdruckes für das gesamte CO2-Permeat: ca. 10 MW (entspricht 1,0%-Punkte Wirkungsgradverlust).
  • Hierbei gehen drei Faktoren wesentlich in die Berechnungen ein:
    • • Verhältnis der Mengenströme gesamtes Rauchgas/gesamtes CO2 von ca. 7:1.
    • • Verhältnis der Molekulargewichte N2/CO2 von 28:44 = 0,64 = 1/1,57.
    • • Vakuumpumpen- und Verdichter- bzw. Turbinenwirkungsgrad = 80%, somit kann etwa 2/3 der Verdichterarbeit zurück gewonnen werden (0,8·0,8 = 0,64).
    • • Bei der Vakuumpumpe ist keine Energierückgewinnung möglich.
  • Den Membran-Kraftwerken wird ein außerordentlich hohes Potential zugeschrieben im Hinblick auf eine wirkungsgradverträgliche CO2-Abtrennung und -Sequestrierung. Anstatt erwarteter etwa 10 bis 15%-Punkte an Wirkungsgradverlust bei heute anlaufenden Kraftwerksprojekten mit konventionellen Gastrennmethoden (z. B. RWE-Planungen 450 MW IGCC 2014 und Kraftwerk mit MEA-Wäsche nach 2014) wird für einige Membran-Kraftwerkslinien (nach deren Entwicklung und Optimierung) nur etwa 5%-Punkte an Wirkungsgradverlust erwartet. Dazu müssten aber große Anstrengungen unternommen werden, um dem hervorragenden hohen theoretischen Potential der Membran-Gastrennungen nahe zu kommen.
  • Da bislang noch kein Membran-Kraftwerk existiert, erschöpft sich der Stand der Technik in Konzeptvorschlägen aus der Literatur. Die Konzeptentwicklungen stehen noch am Anfang. In der Literatur findet man Prinzipschaltungen, wobei jeweils nur eine einzelne spezielle Membran betrachtet wird. Auch bei gestuften Prozessen erfolgen die an den jeweiligen Gasströmen der Kaskadenstufen durchzuführenden Trennungen mit nur jeweils einer Membran. In dieser einzelnen Membran fällt zwar der Partialdruck der permeierenden Komponente kontinuierlich ab, jedoch sind Feeddruck und Permeatdruck konstant über der gesamten Membranlänge, sofern kein Spülgas verwendet wird. Diese Drücke können gegebenenfalls mittels Kompressor bzw. Vakuumpumpe eingestellt werden.
  • Von großer Bedeutung für eine orientierende energetische Beurteilung von Membranprozessen, die entweder feedseitig durch Druckerhöhung, beispielsweise durch einen Kompressor oder eine Turbine forciert werden, oder permeatseitig durch Druckerniedrigung, beispielsweise über eine Vakuumpumpe in einen möglichst günstigen Bereich geführt werden, sind die beiden folgenden Faustformeln für den Energiebedarf bei Kompression bzw. Vakuumerzeugung:
    • • Bei jeweiliger Verdoppelung des Druckes steigt der Energiebedarf der Kompression lediglich um den gleichen Betrag. Für poröse Membranen bedeutet dies den günstigen Umstand einer überproportionalen Steigerung der Permeationstriebkraft bei linear ansteigendem Energieaufwand. Die Permeationsstromdichte ist proportional zur Triebkraft und diese ist gleichbedeutend mit der Partialdruckdifferenz der permeierenden Komponente zwischen der Feedseite, die in diesem Falle günstiger gestaltet wird, und der Permeatseite.
    • • Bei jeweiliger Halbierung des Druckes steigt der Energiebedarf einer Vakuumpumpe stets um den gleichen Betrag. Für poröse Membranen bedeutet dies den ungünstigen Umstand einer linearen Erhöhung des Energieaufwandes bei immer weniger zunehmender Permeations triebkraft. Die Permeationsstromdichte ist proportional zur Triebkraft, und diese ist gleichbedeutend mit der Partialdruckdifferenz der permeierenden Komponente zwischen der Feedseite und der Permeatseite, die in diesem Falle günstiger gestaltet wird.
  • Für die Membranprozesse ist charakteristisch, dass auf der Feedseite der Membran der Partialdruck der permeierenden Komponente kontinuierlich abfällt. Der Prozess kommt zum Erliegen, sobald dieser lokale Partialdruck dem entsprechenden lokalen Partialdruck auf der Permeatseite nahe kommt. Dieser Umstand ist die so genannte Achillesferse der Membranprozesse, denn er hat zur Folge, dass die lokale Triebkraft für den Stofftransport kontinuierlich abfällt und die Trennfähigkeit der Membran während des Trennvorganges immer weniger greift.
  • Wird eine einzelne Membran vorgesehen, entsprechend dem Stand der Konzeptentwicklungen, so ist nachteilig, dass Maßnahmen zur Optimierung des Trennvorganges nur für die gesamte Membran und die gesamten Feedgas- oder Permeatströme getroffen werden können. Insbesondere sind die Membranqualitäten (Permeabilität und Selektivität) konstant, obwohl sehr unterschiedliche Anforderungen an Prozessanfang und -ende je nach Konzept vorhanden sein können.
  • Die zu lösenden Gastrennaufgaben in den Membran-Kraftwerken umfassen somit einerseits die Abtrennung von CO2 aus Rauchgasen, als auch die Abtrennung von H2 aus Kohlegas (nach CO-Shift) und die Abtrennung von O2 aus Luft. Als weitere Anwendung kann auch die Abtrennung von CO2 aus dem Prozessgas eines Zementwerkes genannt werden. Herausforderungen sind dabei die Erzielung eines möglichst hohen Abtrenngrades und eine möglichst hohe Reinheit der abgetrennten Komponente bei einem möglichst geringen Energieaufwand bei der Konditionierung des Feedgases und des Permeatstromes, z. B. durch Druckanhebung oder Vakuum, und somit geringe Einbuße beim Netto-Wirkungsgrad. Ferner sind erwünscht eine möglichst hohe Flussdichte der permeierenden Komponente, und somit geringer Flächenbedarf der eingesetzten Membran, und ein möglichst geringer apparativer Aufwand in der Membranumgebung, und damit geringe Zusatzinvestitionskosten.
  • Diese Anforderungen sind sehr komplex und teilweise gegenläufig. Hohe Ansprüche werden dabei insbesondere an die Membranen, insbesondere an eine hohe Permeabilität und/oder Selektivität, und an die Verfahrenstechnik gestellt, d. h. an die Bereitstellung günstiger Prozessbedingungen längs eines optimalen Membrantrennprozesses bei einem geringen zusätzlichen verfahrenstechnischen Aufwand.
  • Bei der Aufgabenstellung sind zwei fundamentale Randbedingungen zu beachten. Für poröse Membranen gilt einerseits das Gesetz, wonach die lokalen Permeatstromdichten proportional zu den jeweiligen Partialdruckdifferenzen der permeierenden Komponente sind (Feedseite-Permeatseite der Membran). Andererseits kann hinsichtlich der erforderlichen Reinheit des CO2-Produktstromes im Hinblick auf die Verflüssigung derzeit von folgenden Arbeitshypothesen ausgegangen werden.
    • • Eine CO2-Reinheit von 90 mol-% ist für eine problemlose CO2-Verflüssigung mittels Kompression ausreichend.
    • • Bei CO2-Reinheiten unter 90 mol-% wird eine Vorreinigung erforderlich, das bedeutet eine Teilabtrennung von N2 und O2. Bei CO2-Reinheiten von etwa 80 mol-% wird der erforderliche Aufwand noch relativ begrenzt sein und etwa bei 1 bis 2%-Punkten Wirkungsgradverlust liegen.
    • • Bei CO2-Reinheiten von 70 mol-% und darunter dürfte der erforderliche Aufwand nicht mehr tolerierbar sein, da Tieftemperaturverfahren angewendet werden müssten.
  • Aufgabe und Lösung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für einen Trennprozess für die CO2-Abtrennung aus einem Prozessgas, z. B aus dem Rauchgas eines Kohlekraftwerkes, zur Verfügung zu stellen, welches einerseits einen möglichst hohen Abtrenngrad und eine möglichst hohe Reinheit der abgetrennten Komponente bei einem möglichst geringen Energieaufwand, d. h. einen möglichst hohen Netto-Wirkungsgrad ermöglicht. Zudem sollte das Verfahren des Trennprozesses eine möglichst hohe Flussdichte der permeierenden Komponente ermöglichen und einen möglichst geringen apparativen Aufwand in der Membranumgebung darstellen.
  • Ferner ist es die Aufgabe des Verfahrens, eine zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.
  • Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur CO2-Abtrennung gemäß Hauptanspruch sowie durch eine Vorrichtung gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung finden sich in den darauf rückbezogenen Ansprüchen wieder.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird der gesamte Trennprozess der CO2-Abtrennung aus einem Prozessgas in einzelne Teilschritte zerlegt, für die nun eine gezielte Prozessoptimierung vorgenommen werden kann. Beispielhaft wird die Erfindung im Weiteren an Hand der Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas eines Kohlekraftwerkes betrachtet. Diese kann bei der Erfindung nunmehr sehr effektiv gestaltet werden, da zahlreiche verfahrenstechnische und Membran-spezifische Maßnahmen zur Verfügung stehen, um die Qualitätsmerkmale speziell ausgewählter Membranen unter Betriebsbedingungen optimal auszunutzen. Aufwändige Maßnahmen wird man dabei nur dort einsetzen, wo dies dringend erforderlich ist oder der entsprechende Membran-Prozessbereich sehr klein ist. Beispielsweise könnte dies sinnvoll sein, um eine Mindest-Permeatflussdichte einzuhalten oder um einen kleinen Teilstrom gezielt zu behandeln.
  • Insbesondere eröffnet sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit, für das kritische Prozessende eine den speziellen Kraftwerksbedingungen angepasste optimale Lösung zu finden. Durch Wahl einer hochpermeablen Membran, insbesondere einer porösen keramischen Membran, oder einer hochselektiven Membran, beispielsweise einer Polymer-Membran sowie durch besondere verfahrenstechnische Maßnahmen, wie beispielsweise der Einsatz einer Vakuumpumpe auf der Permeatseite, kann einerseits eine Steigerung der Flussdichten und somit eine Verringerung der erforderlichen Membranfläche oder/und andererseits der Schlupf nicht erwünschter Komponenten zur Permeatseite hin begrenzt werden.
  • Durch Zerlegung des gesamten Membran-Trennprozesses in einzelne Teilschritte werden zahlreiche Freiheitsgrade bezüglich der verfahrenstechnischen Ausgestaltung und der membranspezifischen Ausgestaltung der Trennaufgabe geschaffen.
  • Als typische verfahrenstechnischen Maßnahmen sind zu nennen:
    • • Erhöhung des Feedgasdruckes
    • • Senkung des Permeatdruckes (Vakuumpumpe bzw. Kompressor)
    • • Geeignete Positionierung der einzelnen Bereiche im Prozess, somit
    • • ggf. Vorwärmung/Abkühlung des Feedgasstroms auf optimale Betriebstemperaturen vor jedem Bereich oder
    • • Nutzung eines oder mehrerer verfügbarer Gase als Spülgase auf der Permeatseite zur Senkung des Partialdruckes der permeierenden Komponente, wobei sich bei festgelegter vorhandener Spülgasmenge durch die Breitenwahl des Trennbereiches der Maximalwert dieses Partialdruckes ergibt (durch den Einsatz des Spülgases wird der ansonsten im Allgemeinen erforderliche Rekompressionsaufwand nach der Membran vermieden).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft eine Wahlmöglichkeit der Membrantypen in den einzelnen Teilschritten z. B.
    • • die Wahl einer Membran mit besonders hoher Permeabilität oder besonders hoher Selektivität (bei porösen Membranen sind Permeabilität und Selektivität tendenziell gegenläufig, d. h. durch Porenstruktur und Membrandicke können im Allgemeinen nicht gleichzeitig beide Membranqualitäten positiv beeinflusst werden),
    • • die Wahl verschiedener Betriebstemperaturen oder
    • • die Ausnutzung spezieller Stabilitätseigenschaften der Membranen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft eine Bereichsausdehnung, insbesondere in kritische Bereiche, und erlaubt zudem eine Beschränkung einzelner Teilschritte auf ein Mindestmaß, so dass hier erforderliche aufwändige Maßnahmen nur in engen Grenzen die Kraftwerksgüte beeinträchtigen.
  • Die Grundidee der Erfindung basiert darauf, anstelle einer einzigen Membran für die Abtrennung des CO2 aus einem Prozessgas für den gesamten Trennprozess eine Mehrzahl an möglicherweise auch unterschiedlichen Trennschritten vorzusehen, um einerseits einen möglichst hohen Abtrenngrad und andererseits eine möglichst hohe Reinheit der abgetrennten Komponente bei einem möglichst geringen Energieaufwand, d. h. einem möglichst hohen Netto-Wirkungsgrad zu ermöglichen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das CO2-haltige Prozessgas daher in wenigstens zwei Teilschritten wenigstens zwei hintereinander angeordneten Membranen zugeführt, wobei das Retentat des ersten Trennschrittes als Feedstrom dem zweiten oder weiteren Trennschritten zugeführt wird. Die in den einzelnen Trenneinheiten angeordneten Membranen sind für CO2 durchlässig und können vorteilhaft unterschiedlicher Natur sein. So weisen Polymermembranen im Allgemeinen eine besonders hohe Selektivität auf, während keramische Membranen in der Regel eine besonders hohe Permeabilität aufweisen. Je nach Trennproblem und Anforderung können die unterschiedlichen Membranen in unterschiedlicher Reihenfolge und mit unterschiedlichen Membranflächen angeordnet werden. Erfindungsgemäß wird der Permeatdruck im zweiten Trennschritt vorteilhaft geringer eingestellt, als im ersten Trennschritt.
  • Die einzelnen Trennschritte werden jeweils durch eine Trenneinheit realisiert. Diese umfassen jeweils einen Feed/Retentatraum mit einer Zuführung für das Feedgas sowie einer Abführung für das Retentat, eine CO2-durchlässige Membran sowie einen Permeatraum mit einer Abführung für das Permeat.
  • Spezieller Beschreibungsteil
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert, ohne dass dadurch die Erfindung auf die Ausführungsbeispiele eingeschränkt werden soll.
  • Ausführungsbeispiel 1:
  • Ausgehend von einer CO2-Membran mit einer Vakuumpumpe aus dem Stand der Technik illustrieren die 3 und 4 die erfindungsgemäße Zerlegung des Trennprozesses in zwei Teilschritte I und II. Dadurch wird es vorteilhaft möglich, längs des gesamten Trennprozesses etwa gleiche CO2-Partialdruckdifferenzen einzustellen. Dazu wird in der zweiten Trenneinheit (TE II) mit 30 mbar ein niedrigerer Permeatdruck eingestellt, als in der ersten Trenneinheit (TE I) mit 60 mbar. Aufgrund der abnehmenden CO2-Konzentration ist die erzielte CO2-Reinheit im zweiten Permeatstrom (d) mit ca. 75 mol-% geringer als im ersten Permeatstrom (c) mit ca. 85 mol-%. Für den Produktstrom (e) kann aber durch Mischung mit dem ersten CO2-Strom insgesamt eine hohe Reinheit erzielt werden. In dem gewählten Beispiel wird insgesamt eine CO2-Reinheit von 80 mol-% erzielt. Der CO2-Abtrenngrad beträgt 30%. In diesem Fall wäre zudem noch eine Vorreinigung erforderlich, bevor das CO2 verflüssigt werden kann.
    Figure 00120001
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung aus mehreren Trenneinheiten besteht darin, dass einerseits extrem geringe CO2-Partialdruckdifferenzen am Membranende vermieden werden und anderseits nicht der niedrigste Vakuumdruck (Permeatdruck) von 30 mbar auf den gesamten Permeatstrom angelegt werden muss.
  • Die Ergebnisse, die mit einer solchen CO2-Abtrennung erreicht werden können, sind schematisch in 4 dargestellt. In dem ersten Trennschritt I wird aus dem Prozessgas das Permeat I erzeugt. Das abgereicherte Retentat wird anschließend der zweiten Membran in Trenneinheit II zugeführt, wo es den Permeatstrom II generiert. Beide Permeatströme zusammen ergeben eine Abtrennung von ca. 55%.
  • Ausführungsbeispiel 2:
  • Ebenfalls ausgehend von einer CO2-Membran mit einer Vakuumpumpe zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wiederum die erfindungsgemäße Zerlegung des Trennprozesses in zwei Teilschritte I und II, wobei aber nun für den ersten Trennschritt in Trenneinheit I ein anderer Membrantyp gewählt wird als für den zweiten Trennschritt in Trenneinheit II. Zunächst wird mit einer Polymer-Membran hoher Selektivität ein sehr reiner erster CO2-Permeatstrom (c) mit ca. 95 mol-% CO2 erzielt. Anschließend wird eine keramische Membran mit hoher Permeabilität eingesetzt. Der zweite Permeatstrom (d) weist nur noch eine Reinheit von ca. 65 mol-% auf. Nach Mischung der beiden Permeatströme (e) wird wiederum eine CO2-Reinheit von 80 mol-% erzielt. Der Abtrenngrad beträgt auch hier 30%.
    Figure 00130001
  • Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass nun für die Keramikmembran eine deutlich geringere Membranfläche erforderlich ist.
  • Ausführungsbeispiel 3:
  • In einer dritten vorteilhaften Ausführung wird eine umgekehrte Reihenfolge der eingesetzten Membranen in den einzelnen Trenneinheiten gewählt, als in Ausführungsbeispiel 2 beschrieben wird. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass dann die am Ende positionierte Polymermembran die dort höhere Selektivitätsanforderung besser erfüllen kann.
  • Der weitere Vorteil dieser Anordnung würde darin bestehen, dass der zweite Permeatstrom eine gleichwertige oder sogar höhere CO2-Reinheit aufweisen würde als der erste, so dass nach Mischung insgesamt ein Produktstrom mit sehr hoher Reinheit erzielt würde.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - J. Ewers, W. Renzenbrink, RWE, F. Hannemann, G. Haupt, G. Zimmermann, SIEMENS, Entwicklung von Kombikraftwerkskonzepten zur CO2-freien Stromerzeugung, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.–20. Okt. 2004, V27 [0002]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus einem Prozessgas mit den Schritten – das Prozessgas wird in einem ersten Trennschritt über eine erste Membran in einer Trenneinheit I geleitet, – das Retentat aus dem ersten Trennschritt wird als Feed in einem zweiten Trennschritt über eine zweite Membran in einer Trenneinheit II geleitet, – die Permeatströme aus dem ersten und zweiten Trennschritt werden zusammengeführt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem ersten Trennschritt ein Permeatdruck pCO2(Permeat) 1 und in dem zweiten Trennschritt ein Permeatdruck pCO2(Permeat) 2 eingestellt wird, wobei Permeatdruck pCO2(Permeat) 2 < Permeatdruck pCO2(Permeat) 1 eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Retentat aus dem zweiten Trennschritt in einem oder mehreren weiteren Teilschritten über eine oder mehrere weitere Membranen geleitet wird, wobei jeweils ein Permeatdruck eingestellt wird, der geringer ist, als bei dem vorangehenden Trennschritt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem unterschiedliche Membranen in den einzelnen Trenneinheiten eingesetzt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in der ersten Trenneinheit eine Membran mit einer höheren Selektivität eingesetzt wird, als in der zweiten Trenneinheit.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in der ersten Trenneinheit eine Membran mit einer höheren Permeabilität eingesetzt wird, als in der zweiten Trenneinheit.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in der zweiten Trenneinheit eine Membran mit einer geringeren Membranfläche als in der ersten Trenneinheit eingesetzt wird.
  8. Vorrichtung zur Abtrennung von CO2 aus einem Prozessgas, umfassend wenigstens zwei hintereinander geschaltete Trenneinheiten mit jeweils einem Feed/Retentatraum mit einer Zuführung für das Feedgas sowie einer Abführung für das Retentat, mit einer CO2-durchlässigen Membran sowie mit einem Permeatraum mit einer Abführung für das Permeat, wobei der Feed/Retentatraum der ersten Trenneinheit leitend mit dem Feed/Retentatraum der zweiten Trenneinheit verbunden ist, und mit Mitteln zur Einstellung eines separaten Permeatdrucks auf der Permeatseite jeder Trenneinheit, und mit einer Sammelleitung, in die die Permeatströme aus den einzelnen Trenneinheiten zusammengeführt werden können.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der in den hintereinander angeordneten Trenneinheiten unterschiedliche CO2 durchlässige Membranen angeordnet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei dem in der ersten Trenneinheit als Membran eine Polymermembran angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei dem in der zweiten Trenneinheit als Membran eine Keramikmembran angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 9, bei dem in der ersten Trenneinheit als Membran eine Keramikmembran angeordnet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei dem in der zweiten Trenneinheit als Membran eine Polymermembran angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 13, bei dem die Membran der ersten Trenneinheit eine kleinere Fläche aufweist, als die Membran der zweiten Trenneinheit.
  15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 in einem Kohlekraftwerk.
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