DE102009017228A1

DE102009017228A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Rauchgasen

Info

Publication number: DE102009017228A1
Application number: DE102009017228A
Authority: DE
Inventors: Torsten Stoffregen; Veselin Stamatov; Thomas Walter
Original assignee: Linde KCA Dresden GmbH
Current assignee: Linde Engineering Dresden GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-14
Also published as: ZA201106208B; US20120090463A1; WO2010115627A1; AU2010234332A1; EP2416869A1; CA2754084A1

Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Rauchgasstroms beschrieben, wobei in einer insbesondere eine Absorptionskolonne 7 aufweisenden Trenneinrichtung aus dem Rauchgasstrom zumindest ein Teil des vorhandenen Kohlendioxids unter Bildung eines kohlendioxidarmen Gasstroms und eines kohlendioxidreichen Gasstroms entfernt wird. Zur Überwindung des durch die Kohlendioxidentfernung in der Absorptionskolonne 7 bedingten Druckabfalls wird vorgeschlagen, dass der nach der Entfernung des Kohlendioxids aus dem Rauchgasstrom gebildete kohlendioxidarme Gasstrom einer Gasstromverdichtung z.B. mittels eines Rauchgasgebläses 14 unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Rauchgasstroms, wobei aus dem Rauchgasstrom zumindest ein Teil des vorhandenen Kohlendioxids unter Bildung eines kohlendioxidarmen Gasstroms und eines kohlendioxidreichen Gasstroms entfernt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Sicherstellung der Energieversorgung einer Volkswirtschaft sind Kraftwerke, also industrietechnische Anlagen zur Bereitstellung von insbesondere elektrischer und teilweise zusätzlicher thermischer Leistung, unverzichtbar. In solchen Kraftwerken wird Primärenergie eingesetzt, die nach entsprechender Umwandlung als Nutzenergie verfügbar gemacht wird. Dabei fallen in der Regel kohlendioxidhaltige Gasströme an, die üblicherweise an die Umwelt abgegeben werden. Insbesondere in kalorischen Kraftwerken, bei denen fossile Brennstoffe, z. B. Kohle, Erdöl oder Erdgas, verbrannt werden, fallen als Rauchgase bezeichnete Abgasströme an, die hohe Kohlendioxidgehalte aufweisen.
In jüngster Zeit werden neue Kraftwerkskonzepte vorgeschlagen, bei denen das im Rauchgas enthaltene Kohlendioxid (CO2) in einer dem Kraftwerk nachgeschalteten, z. B. als Absorptionskolonne ausgebildeten, Waschstufe aus dem Rauchgas ausgewaschen wird. Dabei muss das Kraftwerk nicht wie bei so genannten ”Oxyfuel-Kraftwerken” auf Sauerstoffverbrennung umgestellt werden, sondern kann konventionell mit Luftverbrennung betrieben werden. Ziel dieser neuen Konzepte ist es, das bei der Verbrennung der fossilen Brennstoffe entstehende und im Rauchgas vorhandene Kohlendioxid in geeigneten Lagerstätten, insbesondere in bestimmten Gesteinsschichten oder salzwasserführenden Schichten, zu verpressen und somit den Kohlendioxidausstoß zur Atmosphäre zu begrenzen. Dadurch soll die klimaschädliche Wirkung von Treibhausgasen wie Kohlendioxid reduziert werden. Diese Technologie wird in der Fachwelt als so genannte ”Post Combustion Carbon Capture Technology (PCC)” bezeichnet.
Kohlendioxidhaltige Rauchgasströme fallen auch bei sonstigen Großfeuerungsanlagen an, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Hierzu zählen z. B. Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung. Es ist denkbar, dass auch bei solchen Anlagen das Kohlendioxid aus den Rauchgasströmen mittels einer Wäsche abgetrennt und einer Verwertung oder Speicherung (z. B. durch Verpressung im Untergrund) zugeführt wird.
Bei der Abscheidung von Kohlendioxid aus Rauchgasen durch Auswaschen mittels chemischer und/oder physikalischer Waschmittel muss der Druckverlust, der durch die Abscheidung verursacht wird, durch eine Gasstromverdichtungseinrichtung, z. B. ein Rauchgasgebläse, überwunden werden. Die PCC-Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass vor der Absorptionskolonne noch eine Kühlung mittels einer Wasserwäsche durchgeführt wird, um mit niedriger Temperatur in die Absorptionskolonne eintreten zu können. Standardmäßig ist bei herkömmlichen Verfahren zur Rauchgasbehandlung im Rauchgasstrom bereits ein Rauchgasgebläse nach dem Kraftwerkskessel installiert, welches den Druckverlust über Staubabscheidung und Rauchgasentschwefelung überwindet. Für den zusätzlichen Druckverlust durch die für die CO2-Abscheidung vorgesehene Wäsche muss ein zusätzliches Gebläse installiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, dass auf wirtschaftliche Weise der durch die Kohlendioxidentfernung verursachte Druckverlust überwunden werden kann.
Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der nach der Entfernung des Kohlendioxids aus dem Rauchgasstrom gebildete kohlendioxidarme Gasstrom einer Gasstromverdichtung unterzogen wird.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass für die zusätzliche Gasstromverdichtung prinzipiell vier Schaltungsvarianten denkbar sind (siehe Figur). Diese Varianten unterscheiden sich hinsichtlich der Betriebs- und Investitionskosten, wobei durch die erfindungsgemäße Schaltung (Schaltung IV) das Optimum aus Betriebs- und Investitionskosten realisiert wird.
Eine nahe liegende Schaltungsvariante besteht darin, dass das bisher vorhandene Rauchgasgebläse mit einer höheren Leistung (höheres ΔP) ausgeführt wird (Schaltung I). Das hat aber den Nachteil, dass die folgenden Anlagen für einen höheren Druck ausgelegt werden müssen (Nachteil bzgl. Investitionskosten) und der Rauchgasstrom an dieser Stelle auch die höchste Temperatur und Menge hat (hoher Anteil an Wasser und CO2), was zu einem hohen Bedarf an elektrischer Energie führt (hohe Betriebskosten). Die Anordnung des Rauchgasgebläses vor der Rauchgaskühlung (Schaltung II) führt durch die höhere Temperatur und den höheren Wassergehalt zu höheren Betriebskosten. Die Anordnung des Rauchgasgebläses nach der Rauchgaskühlung (Schaltung III) hat zum Nachteil, dass die Rauchgaskühlung nicht in die Absorptionskolonne integriert werden kann und weist ebenfalls höhere Betriebskosten auf.
Insgesamt weisen die denkbaren Schaltungsvarianten II und III bereits verbesserte Energie- und Betriebskosten auf, stellen jedoch nicht das Optimum dar, da das Rauchgas noch die volle Menge an CO2 enthält.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltung IV mit der Anordnung der Gasstromverdichtung nach der Entfernung des Kohlendioxids stellt hinsichtlich Betriebs- und Investitionskosten die optimale Variante dar. Gründe dafür sind: Die CO2-Abscheidung vor der Gasstromverdichtung ergibt einen minimalen Rauchgasvolumenstrom, wodurch bei Verwendung eines Rauchgasgebläses zur Gasstromverdichtung eine zum Teil erheblich geringere Gebläseleistung erforderlich ist. Aufgrund der Erwärmung des Rauchgases durch die Gasstromverdichtung in einem der CO2-Abtrennung nachgeschalteten Rauchgasgebläse erhält man eine Rauchgasaustrittstemperatur (erhöhte z. B. 51°C), wodurch insgesamt eine geringere Kühlleistung benötigt wird (Temperaturerhöhung durch das Rauchgasgebläse muss nicht wieder durch Kühlung abgebaut werden). Ein zusätzlicher Vorteil der erhöhten Rauchgastemperatur des CO2-armen Stromes ist ein verbesserter Auftrieb des Rauchgases im Kühlturm und damit eine verbesserte Kühlturmleistung. Schließlich ermöglicht diese Schaltung beim Einsatz von Absorptionskolonnen zur CO2-Abscheidung ein Herabsenken der Absorptionskolonneneintrittstemperatur mittels Kühlwasser unter 40°C in mitteleuropäischen Breiten (abhängig von der Kühlwasservorlauftemperatur). Dadurch verbessert sich die CO2-Absorption und Energie kann eingespart werden.
In erster Linie ist die vorliegende Erfindung für die Aufbereitung von Rauchgasen aus konventionellen Verbrennungsanlagen vorgesehen. Dabei wird der kohlendioxidhaltige Rauchgasstrom in einer Großfeuerungsanlage gebildet, in der fossile Brennstoffe mit Verbrennungsluft verbrannt werden. Dieser Rauchgasstrom wird vorzugsweise einer Wäsche in einer Absorptionskolonne mit anschließender Waschmittelregenerierung zur Abscheidung von Kohlendioxid aus dem Rauchgasstrom unterzogen. Durch Austreiben gasförmiger Komponenten bei der Waschmittelregenerierung wird zweckmäßigerweise der kohlendioxidreiche Gasstrom gebildet, während der kohlendioxidarme Gasstrom von der Absorptionskolonne abgezogen wird.
Vorzugsweise wird das Kohlendioxid mittels einer Wäsche mit einem physikalisch und/oder chemisch wirkenden Waschmittel aus dem kohlendioxidhaltigen Rauchgasstrom entfernt. Dabei enthält das Waschmittel zweckmäßigerweise als Bestandteil mindestens ein Amin.
Die Wäsche wird bei einem leichten Unterdruck zwischen –100 mbar und –10 mbar, bevorzugt im Bereich von –40 bis –80 mbar durchgeführt.
Das vom Rauchgasstrom entfernte Kohlendioxid kann schließlich einer Nutzung oder Speicherung, insbesondere einer Verpressung im Untergrund, zugeführt werden, während der kohlendioxidarme Gasstrom mit erheblich verminderter klimaschädlicher Wirkung an die Atmosphäre abgegeben werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Rauchgasstroms mit einer Trenneinrichtung zur Auftrennung des Rauchgasstroms in einen kohlendioxidreichen Gasstrom und einen kohlendioxidarmen Gasstrom, wobei die Trenneinrichtung eine Ableitung für den kohlendioxidreichen Gasstrom und eine Ableitung für den kohlendioxidarmen Gasstrom aufweist.
Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ableitung für den kohlendioxidarmen Gasstrom mit einer der Trenneinrichtung nachgeschalteten Gasstromverdichtungseinrichtung in Verbindung steht.
Bevorzugt weist die Trenneinrichtung mindestens eine Absorptionskolonne auf. Diese ist vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass Rauchgaskühlung und Kohlendioxidwäsche integriert sind. Eine andere Variante sieht vor, dass die Gasstromverdichtungseinrichtung einem Kolonnensystem mit separaten Kolonnen für Rauchgaskühlung und Kohlendioxidwäsche nachgeschaltet ist.
Die Absorptionskolonne weist zweckmäßigerweise einen Durchmesser von mindestens 3 m, insbesondere 10 bis 25 m, oder einen äquivalenten rechteckigen Querschnitt auf. Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:
Durch Anordnung der CO2-Abscheidung vor der Gasstromverdichtung ergibt sich eine erhebliche Verringerung des Rauchgasvolumenstroms. Dadurch wird für das Rauchgasgebläse eine wesentlich geringere Gebläseleistung benötigt. Aufgrund der Erwärmung des Rauchgases durch die Gasstromverdichtung erhält man eine erhöhte Rauchgasaustrittstemperatur (z. B. 51°C), wodurch insgesamt eine geringere Kühlleistung erforderlich wird. (Temperaturerhöhung durch das Rauchgasgebläse muß nicht wieder durch Kühlung abgebaut werden). Ein zusätzlicher Vorteil der erhöhten Rauchgastemperatur des CO2 armen Stromes ist ein verbesserter Auftrieb des Rauchgases im Kühlturm und damit eine verbesserte Kühlturmleistung. Schließlich ermöglicht die Erfindung ein Herabsenken der Absorptionskolonneneintrittstemperatur mittels Kühlwasser unter 40°C in mitteleuropäischen Breiten (abhängig von der Kühlwasservorlauftemperatur). Dadurch verbessert sich die CO2-Absorption deutlich. Außerdem kann dadurch Energie eingespart werden.
Die Erfindung eignet sich für alle denkbaren Großfeuerungsanlagen, bei denen kohlendioxidhaltige Gasströme anfallen. Hierzu zählen z. B. mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke, Industrieöfen, Dampfkessel und ähnliche thermische Großanlagen zur Strom- und/oder Wärmeerzeugung. Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung bei Großfeuerungsanlagen eingesetzt werden, die mit Luft als Brenngas versorgt werden. Insbesondere eignet sich die Erfindung für Kohlekraftwerke, bei denen das CO2 aus dem Rauchgas ausgewaschen und im Untergrund verpresst wird (”CCS – Carbon Capture and Storage”).
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Rauchgasreinigung mit verschiedenen Schaltungsvarianten für die Anordnung der Gasstromverdichtung.
Der Rauchgasstrom eines nicht dargestellten Verbrennungskessels einer Großfeuerungsanlage, insbesondere eines Kohlekraftwerks, wird über Leitung 1 einem Rauchgasgebläse 2 und anschließend einer Rauchgasentschwefelungsanlage 3 zugeführt. Mit dem Rauchgasgebläse 2 wird der durch die Rauchgasentschwefelungsanlage 3 bewirkte Druckabfall überwunden. Das entschwefelte Rauchgas wird dann über Leitung 4 einer Vorkühlung mittels Wasserwäsche in einem Direkt-Kontakt-Kühler 5 unterzogen. Anschließend wird das abgekühlte Rauchgas über Leitung 6 einer Absorptionskolonne 7 zugeführt, in dem ein Großteil des Kohlendioxids aus dem Rauchgas mit einem ein Amin enthaltenden Waschmittel ausgewaschen wird. Das ausgewaschene Kohlendioxid wird einem Stripper 8 zugeführt. Vom Stripper 8 wird schließlich ein kohlendioxidreicher Gasstrom über Leitung 9 abgezogen und kann zur Lagerung im Untergrund verpresst werden. Der kohlendioxidarme Gasstrom mit stark verminderter klimaschädigender Wirkung wird über Leitung 10 von der Absorptionskolonne 7 abgezogen und kann an die Atmosphäre abgegeben werden. Um den durch die Absorptionskolonne 7 bedingten zusätzlichen Druckverlust überwinden zu können, muss ein zusätzliches Rauchgasgebläse installiert werden. Hierfür sind prinzipiell vier verschiedene Schaltungsvarianten denkbar. Bei der Schaltung I wird ein zusätzliches Rauchgasgebläse 11 unmittelbar hinter dem bereits vorhandenen Rauchgasgebläse 2 angeordnet oder das vorhandene Rauchgasgebläse 2 mit einer höheren Leistung ausgeführt. Schaltung II sieht vor, dass das zusätzliche Rauchgasgebläse 12 zwischen der Rauchgasentschwefelungsanlage 3 und dem Direkt-Kontakt-Kühler 5 angeordnet ist. Bei der Schaltung III ist das zusätzliche Rauchgasgebläse 13 zwischen dem Direkt-Kontakt-Kühler 5 und dem CO2-Absorber 7 zwischengeschaltet. Die Schaltungen I bis III weisen jedoch den wesentlichen Nachteil auf, dass das Rauchgas noch die volle Menge an Kohlendioxid enthält. Daher sieht die Erfindung gemäß Schaltung IV vor, dass das zusätzliche Rauchgasgebläse 14 im Anschluss an die Absorptionskolonne 7 in den kohlendioxidarmen Rauchgasstrom in Leitung 10 eingeschaltet wird. Da bei dieser Anordnung ein Großteil des Kohlendioxids bereits vor dem Rauchgasgebläse 14 aus dem Rauchgas entfernt wird, kann das Rauchgasgebläse 14 mit einem minimalen Rauchgasvolumenstrom beaufschlagt werden, wodurch die Gebläseleistung reduziert werden kann. Außerdem wirkt sich die Tatsache, dass das Rauchgas erst nach der Absorptionskolonne 7 durch das Rauchgasgebläse 14 erwärmt wird, positiv auf die CO2-Absorption aus. Insbesondere verringert sich der Energiebedarf erheblich, wie der folgende Vergleich der verschiedenen Schaltungsvarianten zeigt:

1.100 MW_el Schaltung 1 Schaltung 2 Schaltung 3 Schaltung 4

elektr. Leistung⁽¹⁾ 0 –20% –27% –32%

⁽¹⁾ Die elektrische Leistung enthält dabei neben der Rauchgasgebläseleistung auch die Pumpenleistung der Vorkühlung, die ebenfalls mit der Lage des Rauchgasgebläses variiert.

Die Kühlleistung, die für die Abkühlung des Rauchgases aufgewendet werden muss, sinkt um ca. 8% bei der erfindungsgemäßen Schaltung 4 gegenüber den Schaltungen 1–3, da die Wärme, die das Rauchgasgebläse in den Rauchgasstrom einträgt, nicht zusätzlich gekühlt werden muss.
Wenn das Rauchgasgebläse nach der Absorptionskolonne 7 angeordnet wird, besteht außerdem die Möglichkeit, die Vorkühlung 5 in die Absorberkolonne 7 zu integrieren.
Dies bringt weitere Vorteile hinsichtlich Verrohrungsaufwand, Druckverlust, Platzbedarf und Investitionskosten mit sich.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Rauchgasstroms, wobei aus dem Rauchgasstrom zumindest ein Teil des vorhandenen Kohlendioxids unter Bildung eines kohlendioxidarmen Gasstroms und eines kohlendioxidreichen Gasstroms entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der nach der Entfernung des Kohlendioxids aus dem Rauchgasstrom gebildete kohlendioxidarme Gasstrom einer Gasstromverdichtung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlendioxidhaltige Rauchgasstrom in einer Großfeuerungsanlage gebildet wird, in der fossile Brennstoffe mit Verbrennungsluft verbrannt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid mittels einer Wäsche mit einem physikalisch und/oder chemisch wirkenden Waschmittel aus dem kohlendioxidhaltigen Rauchgasstrom entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Waschmittel als Bestandteil mindestens ein Amin enthält.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wäsche bei einem leichten Unterdruck zwischen –100 mbar und –10 mbar, bevorzugt im Bereich von –40 bis –80 mbar, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Rauchgasstrom entfernte Kohlendioxid einer Nutzung oder Speicherung zugeführt wird.
Vorrichtung zur Behandlung eines kohlendioxidhaltigen Rauchgasstroms mit einer Trenneinrichtung zur Auftrennung des Rauchgasstroms in einen kohlendioxidreichen Gasstrom und einen kohlendioxidarmen Gasstrom, wobei die Trenneinrichtung eine Ableitung für den kohlendioxidreichen Gasstrom und eine Ableitung für den kohlendioxidarmen Gasstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung für den kohlendioxidarmen Gasstrom mit einer der Trenneinrichtung nachgeschalteten Gasstromverdichtungseinrichtung in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung mindestens eine Absorptionskolonne aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstromverdichtungseinrichtung einer Absorptionskolonne nachgeschaltet ist, in der Rauchgaskühlung und Kohlendioxidwäsche integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstromverdichtungseinrichtung einem Kolonnensystem mit separaten Kolonnen für Rauchgaskühlung und Kohlendioxidwäsche nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskolonne einen Durchmesser von mindestens 3 m, insbesondere 10 bis 25 m, oder einen äquivalenten rechteckigen Querschnitt aufweist.