AiF-FV-Nummer 15653 N

Alkalicarbonatwäsche für die Entfernung von Kohlendioxid aus Rauchgasen fossil befeuerter Kraftwerke als robuste Alternative zu Aminwäschen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.09.2008 bis 31.08.2010

Forschungsstellen

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

  • Technische Universität Dortmund Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen Lehrstuhl Umwelttechnik
    Emil-Figge-Str. 70, 44227 Dortmund
    http://www.ut.bci.tu-dortmund.de/

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war es, umfassende Daten über die Eignung des Verfahrens der Pottaschewäsche zur CO2-Abreinigung von Rauchgasen als Alternative zu den bekannten und bisher favorisierten Aminwäschen bereitzustellen. Dabei sollte die Wirksamkeit der Pottaschewäsche quantifiziert sowie ggf. ergänzende Maßnahmen zur Anpassung an die gestellte Reinigungsaufgabe herausgearbeitet werden. Neben der reinen verfahrenstechnischen Betrachtung der Abtrennung des CO2 aus dem Abgas mittels Absorption und Desorption erfolgten Untersuchungen zur optimalen Zusammensetzung pottaschebasierter Waschmittel. Des Weiteren wurden verfahrenstechnische Aspekte wie die Alterungsbeständigkeit des Waschmittels und Möglichkeiten zu dessen Regenerierung oder Verwertung betrachtet. Das Arbeitsprogramm umfasste über Untersuchungen im Labor- und Technikumsmaßstab hinaus auch die Abtrennung von Kohlendioxid mit einer mobilen Absorptionsanlage, die im Projektzeitraum an zwei Standorten - in einem Stahlwerk und in einem Kraftwerk - eingesetzt wurde. Die durchgeführten Labor- und Technikumsuntersuchungen lieferten eine Datenbasis, die sowohl Einfluss auf Auslegungsdetails bei der Anpassung des Versuchswäschers an die aktuelle Trennaufgabe als auch auf die Wahl der Waschmittelzusammensetzung und der Betriebsparameter bei der Abgasreinigung hatte. So führte die Untersuchung von Pottaschelösungen unterschiedlicher Konzentrationen im Bereich von 10 bis 30 Vol.-% zu der Erkenntnis, dass höhere Aktivitäten zur CO2-Absorption bei niedrigeren Konzentrationen erreicht werden, was schließlich in eine Anpassung der Konzentration des im Versuchswäscher verwendeten Waschmittels mündete. Durch umfangreiche Tests zur Wirksamkeit verschiedener Additive bezüglich ihrer Wirkung zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, konnte Piperazin als geeignetes Additiv identifiziert und im weiteren Projektverlauf im Versuchswäscher erfolgreich eingesetzt werden. Die Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Spurensalzen, die über SO2 und NOx im Abgas gebildet werden, erfolgten zunächst im Labormaßstab. Die Ergebnisse konnten nachfolgend anhand der On- und Offline-Analysen beim Betrieb des Versuchswäschers auch für die Praxis bestätigt werden. Im Rahmen der Untersuchungen wurden verschiedene Möglichkeiten zur Nitratreduktion aufgezeigt, die in der großtechnischen Anwendung allerdings sämtlich mit großen Nachteilen wie Energieverbrauch, Katalysatorkosten sowie entstehenden Nebenprodukten behaftet sind. Anhand der durchgeführten Versuche konnte jedoch nachgewiesen werden, dass die Produkte der NOx-Anreicherung (Nitrate, Nitrite) beim Verfahren der Pottaschewäsche zu vernachlässigen sind, sodass eine Aufarbeitung außerhalb der üblichen Betriebsintervalle des Waschmittels nicht nötig ist und aus ökologischen und ökonomischen Gründen auch unterbleiben sollte. Im Gegensatz zu NOx wird SO2 gut von der Pottaschelösung absorbiert. Es wird erwartungsgemäß nahezu vollständig zu Sulfat umgewandelt, sodass diesbezüglich eine deutliche Tendenz zur Anreicherung in der Pottaschelösung festzustellen ist. Sulfite wurden bei den Untersuchungen nicht identifiziert. Auch wenn bei den Untersuchungen mit dem Versuchswäscher keine merkliche Alterung des Waschmittels festgestellt werden konnte, sollte aufgrund der Untersuchungsergebnisse bei einem Dauerbetrieb einer Pottaschewäsche im Rahmen von CCS eine Aufbereitung der Pottaschelösung vorgesehen werden. Es wurde gezeigt, dass die Kristallisation ein geeignetes Verfahren ist, um die Sulfate aus der Waschlösung zu entfernen. Die geringen Verluste von Kaliumcarbonat müssen dabei im Laufe des Betriebs ausgeglichen werden. Nach erfolgtem Umbau des bei IUTA vorhandenen, bisher für andere Reinigungsaufgaben eingesetzten Versuchswäschers, wurde das Verfahren der drucklosen Pottaschewäsche zur CO2-Abreicherung von Abgasen aber auch von Prozessgasen praxisnah zunächst in einem Stahlwerk und später in einem Kraftwerk umfassend getestet und optimiert. Bereits bei den Untersuchungen zur Reinigung von Prozessgasen im Stahlwerk zeigte sich, dass die Versuchsanlage für die gegebene Aufgabe generell geeignet ist, die Reinigungsleistung mit der vorliegenden Anlagenkonfiguration allerdings zunächst zu gering war. Ursächlich hierfür war insbesondere der Desorptionsprozess. Unter den gegebenen Reaktionsbedingungen reichten die Verweilzeiten des beladenen Waschmittels in der Desorptionszone nicht aus, um einen ausreichenden Anteil des Hydrogencarbonats zurück zum Carbonat umzuwandeln. Auf diese Weise ergab sich eine zu geringe nutzbare Beladungskapazität (Arbeitsbeladung) des Waschmittels, die die Voraussetzung für die Aufnahme von CO2 im Absorber ist. Gegenmaßnahmen wie beispielsweise die Erhöhung der Verweilzeit sowie der wirksamen Oberfläche im Desorber durch Austausch der dort eingesetzten Füllkörper sowie die Nachrüstung zusätzlicher Heizelemente zur Anhebung der Desorbertemperatur erwiesen sich als nicht ausreichend. Eine weitere Steigerung des Desorptionsgrades kann durch höhere Desorptionskolonnen, die Verwendung spezieller Packungen (statt Füllkörpern) sowie ein ausgefeiltes Wämemanagement innerhalb der Kolonnen erreicht werden. Da weitergehende Modifikationen der Versuchsanlage aufgrund der vorgegebenen Anlagengeometrie nur sehr begrenzt möglich waren, wurde zur weiteren Steigerung der Reinigungsleistung des Versuchswäschers der Einsatz von Additiven zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei der Hydrogencarbonat-Carbonatumwandlung getestet. Ausgehend von Abreinigungsgraden von ca. 10 bis 17 % der im Abgas enthaltenen CO2-Menge (bei Übernahme von 50 bzw. 25 m3/h zu behandelndes Gas) konnte durch sukzessive Steigerung des Additivanteils an Piperazin - bis zu der in den Laboruntersuchungen als Optimum identifizierten Konzentration (0,3 mol PZ / mol K2CO3) – der Abreinigungsgrad auf 55 bis 60 % bei gleichen behandelten Gasmengen verbessert werden. Die oben genannten Abreinigungsgrade bilden im jetzigen Untersuchungsstadium und unter Berücksichtigung der beschriebenen Einschränkungen der Versuchsanlage bereits ein sehr gutes Ergebnis, sodass das neue Konzept - insbesondere unter Berücksichtigung der äußerst positiven Resultate hinsichtlich der Alterungsbeständigkeit und der einfachen Handhabung der pottaschebasierten Waschlösung – als Erfolg versprechend zu bezeichnen ist. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Der unter realen Bedingungen erbrachte Beweis der grundsätzlichen Eignung der Pottaschewäsche zur Abreinigung von realen Kraftwerksabgasen ermöglicht es – in Verbindung mit der ebenfalls nachgewiesenen Alterungsbeständigkeit – nun gezielt weitere Untersuchungen unter Verwendung von Modellgas durchzuführen, um die Leistungsfähigkeit der Pottaschewäsche weiter zu steigern und dieses vorteilhafte Verfahren als industrielle Anwendung zu etablieren. Noch erforderliche Forschungsarbeiten, die aufgrund der Anlagengeometrie und -beschaffenheit am Versuchswäscher nicht durchgeführt werden konnten, könnten an einer stationären Versuchsanlage, wie z. B. der bei IUTA vorhandenen Technikumsanlage, erfolgen. Aufgrund einer entsprechenden Kolonnenhöhe und der Verwendung optimierter Packungen in den Kolonnen verfügt diese Anlage über die notwendige Flexibilität in Bezug auf die Erhöhung der Verweilzeiten sowohl im Desorber als auch im Absorber. Darüber hinaus ist ein druckaufgeladener Betrieb bis 25 bar (g) möglich, wodurch der für den Prozess maßgebliche Transfer von CO2 in die Waschlösung erheblich gesteigert werden kann. Wie die durchgeführte verfahrenstechnische Bewertung ergeben hat, ist ein druckaufgeladener Betrieb beim Pottaschewaschverfahren auch deshalb zu empfehlen, da die hohen Stoffströme beim drucklosen Betrieb zu einem hohen Energiebedarf führen. Der höhere Wärme- und Kältebedarf zum Aufheizen bzw. zum Abkühlen der Stoffströme führt bei einem formalen Verfahrensvergleich zu wirtschaftlichen Vorteilen bei aminbasierten Wäschen, weshalb es in der Praxis notwendig sein wird, das Pottaschewaschverfahren unter deutlich höheren Drücken zu betreiben. Dadurch erhöhen sich zwar die Investitionskosten, aber die Betriebskosten sinken deutlich, sodass die Pottaschewäsche nicht nur ökologische Vorteile bietet, sondern auch unter ökonomischen Aspekten konkurrenzfähig ist. Ausschlaggebend bei der Wahl des Waschverfahrens können dann die anfallenden Kosten für notwendige Emissionsminderungsmaßnahmen und weitere Sicherheitsvorkehrungen sein.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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