DE102022117409A1

DE102022117409A1 - Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft sowie Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Info

Publication number: DE102022117409A1
Application number: DE102022117409.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Kawelke; Klaus Behnke
Original assignee: Volkswagen AG; MAN Energy Solutions SE
Current assignee: Volkswagen AG; Everllence SE
Priority date: 2022-07-13
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2024-01-18
Also published as: CL2024004083A1; AU2023307298A1; EP4554702A1; WO2024012967A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60). Es ist vorgesehen, dass Umgebungsluft (60) in einen Prozessraum (12) einer Anlage (10) zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft zugeführt wird und durch eine Adsorptionseinheit (14) geleitet wird. Dabei wird Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionseinheit (14) temporär zwischengespeichert und durch eine zumindest teilweise Evakuierung des Prozessraums und ein Aufheizen der Adsorptionseinheit (14) später wieder freigesetzt. Dabei wird ein Inertgas, insbesondere Wasserdampf, in den Prozessraum (12) eingeleitet, um das Austragen des zwischengespeicherten Kohlenstoffdioxids aus der Adsorptionseinheit (14) zu unterstützen und die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Prozessraum (12) zu erhöhen.Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage (10) zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Umgebungsluft sowie eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Zur Reduzierung des Kohlenstoffdioxidgehalts in der Umgebungsluft und zur Erreichung der Klimaneutralität müssen nicht nur die Kohlenstoffdioxidemission verringert werden, sondern auch nicht vermeidbare Kohlenstoffdioxidemissionen entsprechend kompensiert werden. Eine Möglichkeit, diese Kohlenstoffdioxidemissionen zu kompensieren, stellt ein Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft dar. Ein solches Verfahren wird auch als Direct-Air-Capture-Verfahren bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich lassen sich die Kohlenstoffdioxidemissionen kompensieren, indem Kohlenstoffdioxid dauerhaft in einem Speicher, insbesondere in einer Gesteinsschicht eingelagert wird und somit nicht in die Atmosphäre gelangt.
Prinzipiell sind Anlagen und Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft bekannt. Eine solche Abscheidung kann beispielsweise nach dem sogenannten „Direct Air Capture“-Verfahren durchgeführt werden, wobei das Kohlenstoffdioxid unmittelbar aus der Umgebungsluft abgeschieden und einem weiteren Prozess zugeführt werden kann.
Die meisten bekannten Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft arbeiten mit einer Kombination aus Druck- und Temperatur-Wechselprozess. Je nach Wahl des Unterdrucks in der Desorption, der Temperaturbereiche zwischen Adsorption und Desorption, und den Eigenschaften des Sorbentmaterials kann eine Reinheit von Kohlenstoffdioxid im Produktstrom von mehr als 70% erreicht werden. Eine sehr hohe Reinheit von mehr als 95% ist meist nur mit einem sehr starken Vakuum während der Desorption möglich.
Aus dem Stand der Technik sind zudem mehrstufige Verfahren bekannt, bei denen die beschriebenen Adsorptionseinheiten kaskadiert nacheinander arbeiten. Dabei wird der Produktstrom einer ersten Einheit als Adsorptionsmedium auf eine zweite Einheit geleitet. Je nach Wahl des Unterdrucks (Vakuums) in der Desorption, der Temperaturbereiche zwischen Adsorption und Desorption, und den Eigenschaften des Sorbentmaterials sind mindestens zwei, in der Regel fünf oder zehn Stufen erforderlich, um eine sehr hohe Reinheit von größer 95 %, oder gar größer 99 % zu erzielen. Bei einem mehrstufigen Verfahren ist der konstruktive Aufwand der Gesamtanlage entsprechend hoch.
In der WO 2016/005 226 A1 ist ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft beschrieben. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid in einem Temperatur-Vakuum-Wechselprozess aus der Umgebungsluft abgeschieden und in einem Sorbenten aufgenommen. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass in einer Desorptionsphase ein starker Unterdruck von bis zu 50 mbar Absolutdruck erzeugt. Dies bedeutet sehr hohe Anforderungen an die Anlagenkonstruktion, um die notwendige Festigkeit und Dichtheit darzustellen. Diese hohen Anforderungen sind mit entsprechend hohen Anlagenkosten verbunden und machen den Prozess teuer und aufwendig.
Aus der US 2010/0 251 887 A1 sind ein Verfahren und System zur Abtrennung von Kohlendioxid (CO₂) aus einem CO₂-haltigen Gasstrom, der Wasserdampf und zusätzliche Verunreinigungen, z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Schwefeloxide, Stickstoffoxide und Quecksilber, enthält, bekannt. Das CO₂ wird abgeschieden, indem der CO₂-Gasstrom einem Temperaturwechseladsorptionsschritt unterzogen wird. Der Temperaturwechseladsorptionsschritt umfasst einen Adsorptionsschritt zur Erzeugung eines im Wesentlichen trockenen, an Kohlendioxid abgereicherten Stroms und einen Adsorptionsmittelregenerationsschritt, der das Erhitzen des Adsorptionsmittelbetts umfasst, um einen im Wesentlichen wasserdampffreien Kohlendioxidstrom zu erzeugen. Die Feuchtigkeit aus dem CO₂-haltigen Gasstrom wird wahlweise durch Druckwechseladsorption, Temperaturwechseladsorption, Membrantrennung oder Absorption vor der CO₂-Abscheidung entfernt.
Aus der US 2014/0 033 919 A1 ist ein Druckwechseladsorptionsverfahren zur Entfernung von CO₂ aus Erdgasströmen bekannt. Das Verfahren ermöglicht die Entfernung von Verunreinigungen aus Gasströmen, vorzugsweise Erdgasströmen, unter Verwendung von Schnellzyklus-Swing Adsorptionsverfahren, wie z. B. die Schnellzyklus-Druckwechsel Adsorption (RC-PSA). Die Abtrennungen bei hohem Druck mit hoher Produktausbeute und/oder hoher Produktreinheit werden durch eine Kombination aus sorgfältig ausgewähltem Adsorptionsmittel, des Gas-Feststoff-Kontakts, der Systemkonfiguration und des Zyklus erreicht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Kohlenstoffdioxid auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Art und Weise aus der Umgebungsluft abzuscheiden und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft gelöst, welches folgende Schritte umfasst:

- Zuführen von Umgebungsluft in eine Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
- Leiten einer Umgebungsluft in einen Prozessraum mit einer Adsorptionseinheit, wobei die Umgebungsluft durch die Absorptionseinheit geleitet wird und Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionseinheit im Wesentlichen chemisch gebunden wird,
- Schließen des Prozessraums, um ein Einströmen von Umgebungsluft in den Prozessraum zu unterbinden,
- Evakuieren des Prozessraums,
- Aufheizen der Adsorptionseinheit,
- Freisetzen von Kohlenstoffdioxid aus der Adsorptionseinheit, wobei eine Kohlenstoffdioxidkonzentration im Prozessraum ansteigt,
- Einleiten eines Inertgases in den Prozessraum, wobei durch das Einleiten des Inertgases weiteres Kohlenstoffdioxid aus der Adsorptionseinheit ausgetragen wird und die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Prozessraum erhöht wird,
- Öffnen des Prozessraumes und Absaugen eines Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemischs.

Unter einem Inertgas ist in diesem Zusammenhang ein Gas zu verstehen, welches unter den im Prozessraum vorherrschenden Bedingungen keine Reaktion mit Kohlenstoffdioxid eingeht. Ferner reagiert das Inertgas auch nicht mit dem Sorbentmaterial in der Adsorptionseinheit. Als Beispiele für geeignete Inertgase sind Stickstoff (N₂) und die Edelgase sowie Wasserdampf zu nennen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine verbesserte Ausbeute an Kohlenstoffdioxid, welche aus dem in der Adsorptionseinheit chemisch gebundenen Kohlenstoffdioxid gewonnen wird, bei einer geringeren Anlagenbelastung und geringeren Anforderungen an die Anlagenkomponenten. Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid ein Teil des in der Absorptionseinheit gebundenen Kohlenstoffdioxids in die Umgebung abgeblasen werden muss, um eine hohe Reinheit des Kohlenstoffdioxids zu erreichen, kann durch das vorgeschlagene Verfahren die Ausbeute an aus der Umgebungsluft abgetrenntem Kohlenstoffdioxid erhöht werden. Zudem sind die Anforderungen an die Evakuierung des Prozessraums deutlich geringer als bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, sodass die Anforderungen an die Materialen, insbesondere an eine Vakuumpumpe und die Abdichtungen des Prozessraums deutlich geringer sind. Ferner sind auch die Anforderungen an die konstruktive Gestaltung des Prozessraums selbst geringer, da für den im Vergleich zu bekannten Lösungen geringen Unterdruck im Prozessraum eine geringere Strukturfestigkeit ausreichend ist und der Prozessraum somit einfacher und kostengünstiger ausgestaltet werden kann, ohne sich unter dem Unterdruck irreversibel zu verformen. Somit können diese Anforderungen mit vergleichsweise kostengünstigen Materialen und Anlagenkomponenten realisiert werden, dass das vorgeschlagene Verfahren entsprechend kostengünstig macht.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch vorgeschlagenen Verfahrens zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Inertgas Wasserdampf ist, wobei nach dem Absaugen des Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemischs das im Wasserdampf enthaltene Wasser durch Kondensation aus dem Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch abgetrennt wird. Wasserdampf ist ein vergleichsweise günstiges und einfach verfügbares Inertgas für das Verfahrenen. Insbesondere lässt sich Wasserdampf auch einfach wieder aus einem Kohlenstoffdioxid und Restluft enthaltenden Gasstrom abtrennen, wodurch eine einfache Entfernung des Wasserdampfes aus dem Kohlenstoffdioxid möglich ist, sodass ein Kohlenstoffdioxid mit einer Reinheit von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99%, hergestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das kondensierte Wasser wieder verdampft und dem Prozessraum als Wasserdampf zugeführt wird. Dadurch kann das Wasser auf einfache Art und Weise zirkulieren und wiedergewonnen werden, sodass kein Inertgas von extern zugeführt werden muss. Durch ein Auskondensieren des Wasserdampfes aus dem Gasstrom und der Zufuhr zu einem Dampferzeuger kann ein geschlossener Kreislauf für das Inertgas ausgebildet werden, wodurch das Wasser nicht an die Umwelt emittiert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem Aufheizen der Adsorptionseinheit ein Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch, welches das freigesetzte Kohlenstoffdioxid und die im Prozessraum befindliche Restluft umfasst, angesaugt und einem Zwischenspeicher zugeführt wird. Durch die Zufuhr eines Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemischs aus dem Prozessraum in einen Zwischenspeicher kann die Ausbeute an Kohlenstoffdioxid weiter erhöht und noch mehr Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft abgeschieden werden.
Bevorzugt ist dabei, dass das Kohlenstoff-Dioxid-Restluft-Gasgemisch auf einen Druck verdichtet wird, welcher höher als ein Umgebungsdruck der Anlage ist. Um eine einfache Zufuhr zu dem Zwischenspeicher zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn das aus dem zumindest teilweise evakuierten Prozessraum abgesaugte Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch verdichtet und dem Zwischenspeicher zugeführt wird. Dadurch kann ein einfacher Gasspeicher als Zwischenspeicher genutzt werden und der Zwischenspeicher muss nicht zusätzlich evakuiert werden.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch aus dem Zwischenspeicher wieder dem Prozessraum zugeführt wird. Dadurch kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration des dem Prozessraum zugeführt Gasstroms deutlich erhöht und die Ausbeute beim Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft weiter erhöht werden. Während die Umgebungsluft etwa 420 ppm Kohlenstoffdioxid aufweist, hat das Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch aus dem Zwischenspeicher eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration von etwa 30 - 35%. Dadurch kann die chemische Sorption von Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionseinheit gesteigert werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass eine Zirkulation des Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemischs über den Zwischenspeicher zurück in den Prozessraum solange wiederholt wird, bis ein definierter Schwellenwert für die Kohlenstoffdioxidkonzentration erreicht wird. Dadurch kann ein Kohlenstoffdioxid-Gasstrom mit einer Kohlenstoffdioxidkonzentration von mindestens 95%, vorzugsweise von mindestens 98%, besonders bevorzugt von mindestens 99% realisiert werden. Ein solch reiner Kohlenstoffdioxid-Gasstrom ist insbesondere geeignet, um diesen als Prozessgas einer weiteren Anlage, beispielsweise einer Anlage zur Herstellung von einem brennbaren Kraftstoff, zuzuführen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Evakuieren des Prozessraums der Druck im Prozessraum auf einen Absolutdruck von 300 mbar bis 700 mbar, vorzugsweise von 400 mbar bis 600 mbar abgesenkt wird. Um das chemisch in der Adsorptionseinheit gebundene Kohlenstoffdioxid wieder zurückzugewinnen, ist es vorteilhaft, den Druck im Prozessraum abzusenken. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem vergleichsweise schwachen Unterdruck gearbeitet werden, wodurch die Anforderungen an die Anlagentechnik gering gehalten werden können. Das betrifft insbesondere eine Unterdruckpumpe, die Komponenten zur Abdichtung sowie die im Prozessraum angeordneten Komponenten der Anlage, welche einem solchen Unterdruck ausgesetzt sind.
Ferner ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Adsorptionseinheit und/oder ein in der Adsorptionseinheit befindliches Sorbentmaterial (Sorptionsmittel) zum Freisetzen des gebundenen Kohlenstoffdioxids auf eine Temperatur von 80°C bis 110°C, vorzugsweise von 85°C bis 100°C, besonders bevorzugt von 90°C bis 95°C aufgeheizt wird. Um das chemisch gebundene Kohlenstoffdioxid aus dem Sorbentmaterial der Adsorptionseinheit zu lösen, ist ein Aufheizen des Sorbentmaterials notwendig. In dem angegebenen Temperaturbereich wird ein besonders schnelles Lösen des gebundenen Kohlenstoffdioxids aus dem Sorbentmaterial erreicht. Ferner wird eine thermische Schädigung des Sorbentmaterials betriebssicher ausgeschlossen.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, welche dazu eingerichtet ist, ein in den vorhergehenden Absätzen beschriebenes Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft und anschließende Wiederbefeuchtung der Abluft durchzuführen. Durch eine solche Anlage ist ein einfaches, effizientes und günstiges Verfahren zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft möglich. Insbesondere kann mit einer solchen Anlage besonders effektiv Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft abgetrennt und die Menge des abgetrennten Kohlenstoffdioxids maximiert werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft;
2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, und
3 ein Diagramm zur Beladung/Entladung eines Sorbentmaterials in einem Prozessraum einer solchen Anlage.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage 10 zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus einer Umgebungsluft 60 in einer schematischen Darstellung. Die Anlage umfasst einen Prozessraum 12, in welchem eine Adsorptionseinheit 14 zur chemische Adsorption von Kohlenstoffdioxid angeordnet ist. Die Adsorptionseinheit 14 umfasst ein Sorbentmaterial 72, welches Kohlenstoffdioxid chemisch bindet und aus der Umgebungsluft 60 entfernt. Als Sorbentmaterial 72 sind insbesondere aminfunktionalisierte, poröse Materialen geeignet. Das Sorbentmaterial 72 wird auch als Chemisorbent bezeichnet. Das Sorbentmaterial 72 wird als Festbettschüttung in der Adsorptionseinheit 72 bevorratet. Die in dem Prozessraum 12 angeordnete Adsorptionseinheit 14 ist durch eine Temperierungseinheit 16, insbesondere durch einen Wärmetauscher 18, aufheizbar. Der Prozessraum 12 weist einen ersten Einlass 20 auf, durch welchen Umgebungsluft 60 in den Prozessraum 12 einströmen kann. Die Anlage 10 umfasst ferner einen Strömungserzeuger 42, insbesondere ein Gebläse, um einen Luftstrom der Umgebungsluft 60 durch den Prozessraum 12 zu leiten. Der Prozessraum 12 weist einen ersten Einlass 20 zum Einbringen von Umgebungsluft 60 in den Prozessraum 12 auf, welcher durch ein Einlassventil 50 verschließbar ist. Der Prozessraum 12 weist ferner einen zweiten Einlass 34 auf, über welchen der Prozessraum 12 mit einem Inertgas 66, insbesondere Wasserdampf 68, geflutet werden kann. Der zweite Einlass 34 ist durch ein weiteres Einlassventil 50 verschließbar.
Der Prozessraum 12 ist durch eine Temperierungseinheit 16 aufheizbar und/oder abkühlbar, wobei die Temperierungseinheit 16 vorzugsweise als Wärmetauscher 18 ausgebildet ist, welcher mit dem Prozessraum 12 und insbesondere mit der im Prozessraum 12 angeordneten Adsorptionseinheit 14 in Wirkverbindung steht. Alternativ oder zusätzlich kann der Prozessraum 12 auch über andere Heizmittel 24 oder Kühlmittel 26 aufgeheizt und/oder abgekühlt werden. Am Prozessraum 12 ist ferner eine Druckminderungseinheit 22 vorgesehen, um den Prozessraum 12 zumindest teilweise zu evakuieren und den Absolutdruck im Prozessraum 12 unter den Umgebungsdruck abzusenken. Die Druckminderungseinheit 22 umfasst insbesondere eine Unterdruckpumpe 28, welche dazu eingerichtet ist, den Druck im Prozessraum 12 auf einen Absolutdruck von 300 mbar bis 700 mbar, vorzugsweise von 400 mbar bis 600 mbar abzusenken.
Der Prozessraum 12 umfasst ferner einen ersten Auslass 36, welcher vorzugsweise mit der Umgebung verbunden ist und einen zweiten Auslass 38, über welchen ein kohlenstoffdioxidreicher Gasstrom 62, 64, 74, 78 aus dem Prozessraum 12 abgeführt werden kann. Der erste Auslass 36 und der zweite Auslass 38 sind über entsprechende Auslassventile 52 verschließbar, um den Prozessraum 12 gasdicht von der Umgebung abzuschließen.
Die Anlage 10 umfasst ferner einen Dampferzeuger 30, welcher über eine Dampfleitung 32 mit dem zweiten Einlass 34 des Prozessraums 12 verbunden ist. Der zweite Auslass 38 des Prozessraums 12 ist mit einem Kondensator 40 verbunden, durch welchen die im kohlenstoffdioxidreichem Gasstrom 62, 64, 74, 78 enthaltene Feuchte sowie der Wasserdampf zumindest weitestgehend aus dem Gasstrom 62, 64, 74, 78 entfernt werden können. Der Kondensator 40 ist über eine Kondensatrückführleitung 54 mit einem Vorratsbehälter des Dampferzeugers 30 verbunden, in welchen das auskondensierte Wasser 76 zurückgeführt werden kann und erneut durch den Dampferzeuger 30 zu Wasserdampf verdampft werden kann.
Aus einer Verbindungsleitung 58, welche den Prozessraum 12 mit dem Kondensator 40 verbindet, zweigt eine zweite Verbindungsleitung 90 ab, welche die Verbindungsleitung 58 mit einem Zwischenspeicher 44 verbindet. In der Verbindungsleitung 58 ist eine Absaugeinheit 46 angeordnet, um einen kohlenstoffdioxidreichen Gasstrom 62, 64, 74, 78 aus dem Prozessraum 12 abzusaugen. In der zweiten Verbindungsleitung 90 ist ein Verdichter 70 angeordnet, um ein Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch 78 dem Zwischenspeicher 44 zuzuführen. Der Zwischenspeicher 44 ist über eine dritte Verbindungsleitung 92 mit einem Einlass des Prozessraums 12 verbunden, um das Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch wieder dem Prozessraum 12 zuzuführen. An der Verzweigung von erster Verbindungsleitung 58 und zweiter Verbindungsleitung 90 ist ein Umschaltelement 48 angeordnet, mit welchem ein Gasstrom aus dem Prozessraum wahlweise durch die erste Verbindungsleitung 58 zum Kondensator 40 oder durch die zweite Verbindungsleitung 90 zum Zwischenspeicher 44 geleitet werden kann.
Über die erste Verbindungsleitung 58 wird aus dem Prozessraum ein feuchtes, kohlenstoffdioxidreiches Prozessgas 62, insbesondere ein Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch 74, ausgeleitet und dem Kondensator 40 zugeführt. Nach Entzug der Luftfeuchte bzw. des Wasserdampfes 68 aus dem feuchten, kohlenstoffdioxidreichen Prozessgas 62 entsteht ein trockenes, kohlenstoffdioxidreiches Gas, welches gespeichert und zur weiteren Nutzung einem weiteren Prozess, insbesondere einen Prozess zur Herstellung eines synthetischen Kraftstoffes, zugeführt werden kann.
Die Anlage 10 weist ferner ein Steuergerät 80 mit einer Speichereinheit 82 und einer Recheneinheit 84 auf, wobei in der Speichereinheit 82 ein maschinenlesbarer Programmcode 86 abgelegt ist. Wird dieser Programmcode 86 durch die Recheneinheit 84 ausgeführt, so steuert das Steuergerät 80 das nachfolgend beschriebene Verfahren zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft 60 durch.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft 60 dargestellt. Das Verfahren ist als ein Temperatur-Druck-Wechselverfahren ausgestaltet und durchläuft zwei zyklische Hauptprozessschritte: Ein Adsorptionsphase, in welcher Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft 60 chemisch gebunden wird und eine Desorptionsphase, in welcher dieses Kohlenstoffdioxid wieder freigesetzt wird. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird die Umgebungsluft 60 durch die Adsorptionseinheit 14 in dem Prozessraum 12 geleitet und in dem Sorbentmaterial 72 in der Adsorptionseinheit 14 chemisch gebunden. Die Umgebungsluft 60 enthält ca. 0,04 Volumenprozent Kohlenstoffdioxid. Der Prozess wird solange aufrecht erhalten, bis das Sorbentmaterial 72 zu etwa 80 % gesättigt ist. Eine weitere Beladung des Sorbentmaterials bis zu 100 % Sättigung ist möglich, führt jedoch zu einem überproportional hohen Zeitaufwand im Verhältnis zu der aufgenommenen Menge an Kohlenstoffdioxid. Das für die chemische Speicherung des Kohlenstoffdioxids notwendige Wasser wird dabei der Umgebungsluft 60 entnommen. Ferner kann zusätzlich in einem Verfahrensschritt <110> ein Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch 78 aus dem Zwischenspeicher 44 in den Prozessraum 12 eingeleitet werden, sodass sich eine Kohlenstoffdioxidkonzentration von ca. 0,5 - 2 Volumenprozent einstellt, welche höher als die Kohlenstoffdioxidkonzentration der Umgebungsluft 60 ist. Diese Verfahrensschritte werden auch als Adsorptionsphase der Anlage 10 bezeichnet.
An diese Adsorptionsphase schließt sich eine Desorptionsphase an, in welcher das chemisch in dem Sorbentmaterial 72 gebundene Kohlenstoffdioxid wieder freigesetzt wird. Dazu werden in einem Verfahrensschritt <120> die Einlassöffnungen 20, 34 und die erste Auslassöffnung 36 verschlossen und keine weitere Umgebungsluft 60 mehr durch den Prozessraum 12 der Anlage 10 geleitet. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <130> der Druck im Prozessraum 12 auf einen Absolutdruck von 400 mbar bis 600 mbar abgesenkt. In einem Verfahrensschritt <140> wird das Sorbentmaterial 72 auf eine Temperatur von 90°C bis 95°C aufgeheizt, wodurch das im Sorbentmaterial 72 chemisch gebundene Kohlenstoffdioxid wieder freigesetzt wird. Durch das Freisetzen des Kohlenstoffdioxids steigen in einem Verfahrensschritt <150> die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Prozessraum sowie der Druck im Prozessraum an. In einem Verfahrensschritt <160> wird das freigesetzte Kohlenstoffdioxid zusammen mit der im Prozessraum 12 befindlichen Restluft als Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch 78 abgesaugt und in den Zwischenspeicher 44 geleitet, sodass der Druck im Prozessraum 12 konstant im Bereich von 400 mbar bis 600 mbar gehalten werden kann. Die Desorption schreitet so lange voran, bis sich eine Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre in dem Prozessraum eingestellt hat. Um weiteres Kohlenstoffdioxid aus dem Sorbentmaterial zu lösen, wird in einem Verfahrensschritt <170> Wasserdampf 68 als Inertgas 66 in den Prozessraum 12 eingeleitet, um die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Prozessraum 12 zu reduzieren. Dadurch wird die CO₂-Konzentration im Prozessraum 12 zunächst verringert. Dies ermöglicht jedoch, dass weiteres Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, sodass ein Kohlenstoffdioxid-Inertgasgemisch 74 als feuchtes, kohlenstoffdioxidreiches Prozessgas 62 aus dem Prozessraum 12 abgeführt werden kann. Diesem feuchten, kohlenstoffdioxidreichen Prozessgas 62 wird in einem Verfahrensschritt <180> die Feuchte entzogen, wodurch ein trockenes, kohlenstoffdioxidreiches Gas 64 mit einem Kohlenstoffdioxidgehalt von mindestens 95 % entsteht. Kann kein weiteres Kohlenstoffdioxid mehr aus dem Sorbentmaterial 72 desorbieren, so wird wieder zur Adsorptionsphase gewechselt und die Verfahrensschritte erneut durchlaufen.
Während der beginnenden Desorption von Kohlenstoffdioxid, also wenn der Prozessraum 12 bereits auf 400 mbar bis 600 mbar Absolutdruck evakuiert ist und das Sorbentmaterial auf eine Temperatur von 90°C bis 95°C aufgeheizt wurde, wird die Restluft aus dem Prozessraum 12 mit abgesaugt, wodurch ein Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch 78 entsteht. Der Kohlenstoffdioxidgehalt dieses Gasgemischs 78 steigt mit zunehmender Desorption des Kohlenstoffdioxids aus dem Sorbentmaterial 72. Da dieses Gasgemisch zum Beginn der Desorptionsphase nicht den gewünschten Kohlenstoffdioxidgehalt aufweist, wird dieses Gasgemisch 78 einen Zwischenspeicher 44 zugeführt und in der nächsten Adsorptionsphase wieder in den Prozessraum 12 geleitet. Für die weitere Verwendung des Kohlenstoffdioxids (z.B. Sequestrierung) wird eine Reinheit von Kohlenstoffdioxid von > 95 %, idealerweise > 99 % benötigt. Der nicht reine Anteil wird vom Produktstrom abgeleitet, auf ungefähr Umgebungsdruck verdichtet und in dem Zwischenspeicher 44 gespeichert. Dieser nicht reine Anteil hat eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration von ca. 35 %. Die darin enthaltene Menge Kohlenstoffdioxid entspricht einem Anteil von ca. 16 % des Arbeitshubes pro Adsorptions- und Desorptionszyklus. Das im Zwischenspeicher 44 gespeicherte Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch 78 wird am Ende des darauffolgenden Adsorptionsprozesses in die Ansaugluft geleitet. Damit wird für eine bestimmte Zeitdauer die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der angesaugten Luft über das Niveau der Umgebungsluft 60 erhöht und es kann mehr Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionsphase aufgenommen werden. Vorzugsweise wird der nicht reine Anteil der Ansaugluft so zudosiert, dass sich am Ende der Adsorptionsphase eine Kohlenstoffdioxid-Konzentration zwischen 0.4 und 1.0 % in dem Prozessraum 12 ergibt. Damit kann die Beladung des Sorbentmaterials 72 um 22 % gesteigert werden. Im folgenden Desorptionszyklus ergibt sich zu Beginn wiederum ein etwas größerer nicht reiner Anteil. Bei einer zyklischen Rezirkulation des nicht reinen Anteils ergibt sich eine Steigerung des Arbeitshubes und damit der Produktivität um ca. 10 %.
Alternativ dazu kann das Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch 78 aus dem Zwischenspeicher 44 auch einer weiteren Adsorptionseinheit 56 zugeführt werden. Dabei können die Adsorptionseinheiten 14, 56 zeitlich gestaffelt arbeiten, wodurch die Speicherzeit und das Speichervolumen im Zwischenspeicher 44 reduziert werden können.
Zudem ist es möglich, um die Dauer der Adsorptionsphase zu verkürzen, die Beladung des Sorbentmaterials 72 bei 25 % bis 70 % Sättigungszustand zu beenden. Zwar wird der Arbeitshub des Sorbentmaterials 72 dabei nicht vollständig ausgenutzt, jedoch können die Prozesszyklen auf vorteilhafte Weise verkürzt werden und ggf. den Effekt der geringeren Beladung überkompensieren.
In 3 ist ein Diagramm zur Be- und Entladung des Sorbentmaterials 72 mit Kohlenstoffdioxid dargestellt. Das Verfahren umfasst die zu 2 beschriebenen Verfahrensschritte in der dargestellten Reihenfolge. Ein Arbeitszyklus umfasst also eine erste Phase I der Desorption, bei der ein „unreines“ Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch 78 freigesetzt wird, und eine Phase II, in welcher ein Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch 74 freigesetzt wird. Zum Zeitpunkt XXX, wenn die Sauerstoffkonzentration im Restgas nahe null ist, wird die Umschalteinrichtung betätigt, und der Gasstrom nicht mehr in den Zwischenspeicher 44 geleitet, um Kohlenstoffdioxid mit einem hohen Reinheitsgrad von mindestens 95%, bevorzugt mindestens 99% zu entnehmen.
Bezugszeichenliste

10: Anlage
12: Prozessraum
14: Adsorptionseinheit
16: Temperierungseinheit
18: Wärmetauscher
20: erster Einlass
22: Druckminderungseinheit
24: Heizmittel
26: Kühlmittel
28: Unterdruckpumpe
30: Dampferzeuger
32: Dampfleitung
34: zweiter Einlass
36: erster Auslass
38: zweiter Auslass
40: Kondensator
42: Strömungserzeuger
44: Zwischenspeicher
46: Absaugeinheit
48: Umschalteinrichtung
50: Einlassventil
52: Auslassventil
54: Kondensatrückführleitung
56: zweite Adsorptionseinheit
58: Verbindungsleitung
60: Umgebungsluft
62: feuchtes, kohlenstoffdioxidreiches Prozessgas
64: trockenes, kohlenstoffdioxidreiches Gas
66: Inertgas
68: Wasserdampf
70: Verdichter
72: Sorbentmaterial
74: Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemisch
76: Wasser
78: Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch
80: Steuergerät
82: Speichereinheit
84: Recheneinheit
86: Programmcode
90: zweite Verbindungsleitung
92: dritte Verbindungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/005226 A1 [0006]
US 2010/0251887 A1 [0007]
US 2014/0033919 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60), umfassend folgende Schritte: - Zuführen von Umgebungsluft (60) in eine Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60), - Leiten einer Umgebungsluft (60) in einen Prozessraum (12) mit einer Adsorptionseinheit (14), wobei die Umgebungsluft (60) durch die Absorptionseinheit (14) geleitet wird und Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionseinheit (14) im Wesentlichen chemisch gebunden wird, - Schließen des Prozessraums (12), um ein Einströmen von Umgebungsluft in den Prozessraum (12) zu unterbinden, - Evakuieren des Prozessraums (12), - Aufheizen der Adsorptionseinheit (14), - Freisetzen von Kohlenstoffdioxid aus der Adsorptionseinheit (14), wobei eine Kohlenstoffdioxidkonzentration im Prozessraum (12) ansteigt, - Einleiten eines Inertgases (66) in den Prozessraum (12), wobei durch das Einleiten des Inertgases (66) weiteres Kohlenstoffdioxid aus der Adsorptionseinheit (14) ausgetragen wird und die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Prozessraum (12) erhöht wird, - Öffnen des Prozessraumes (12) und Absaugen eines Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemischs (74).
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas (66) Wasserdampf (68) ist, wobei nach dem Absaugen des Kohlenstoffdioxid-Inertgas-Gemischs (74) das im Wasserdampf (68) enthaltene Wasser (76) durch Kondensation abgetrennt wird.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte Wasser (76) wieder verdampft wird und dem Prozessraum (12) als Wasserdampf (68) zugeführt wird.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufheizen der Adsorptionseinheit (14) ein Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch (78), welches das freigesetztes Kohlenstoffdioxid und die im Prozessraum (12) befindliche Restluft umfasst, abgesaugt und einem Zwischenspeicher (44) zugeführt wird.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch (78) auf einen Druck verdichtet wird, welcher höher als ein Umgebungsdruck der Anlage (10) ist.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemisch (78) aus dem Zwischenspeicher (44) wieder dem Prozessraum (12) zugeführt wird.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zirkulation des Kohlenstoffdioxid-Restluft-Gasgemischs (78) über den Zwischenspeicher (44) zurück in den Prozessraum (12) solange wiederholt wird, bis ein definierter Schwellenwert für die Kohlenstoffdioxidkonzentration erreicht wird.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Evakuieren des Prozessraums (12) der Druck im Prozessraum (12) auf einen Absolutdruck von 300 mbar bis 700 mbar abgesenkt wird.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinheit (14) und/oder ein in der Absorptionseinheit (14) befindliches Sorbentmaterial (72) zum Freisetzen des gebundenen Kohlenstoffdioxids auf eine Temperatur von 80 °C - 110 °C aufgeheizt werden.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft (60), wobei die Anlage (10) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.