ISBN 978-3-86853-950-9

978-3-86853-950-9, Reihe Verfahrenstechnik

Daniel Köpke
Verfahrenstechnik der CO₂-Abscheidung aus CO₂-reichen Oxyfuel-Rauchgasen

150 Seiten, Dissertation Technische Universität Hamburg-Harburg (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Aspekten der CO₂-Abscheidung aus CO₂-reichen Rauchgasen, hier am Beispiel des Oxyfuel-Prozesses mit dem Brennstoff Steinkohle. Dabei wurden die in der Literatur vorhandenen Quellen zum Phasengleichgewicht verschiedener Rauchgasbestandteile mit CO₂ gesammelt, ausgewertet und durch eigene Messungen ergänzt. Die experimentell abgesicherte Berechnung des Phasengleichgewichts ist notwendig, um den Prozess der CO₂-Abscheidung durch Kondensation bei höheren Drücken und Temperaturen bis -55°C modellieren zu können.

Der Prozess wurde beispielhaft für verschiedene Rauchgaszusammensetzungen untersucht. Der der Untersuchung zugrunde liegende Kraftwerksprozess ist das Referenzkraftwerk Nordrhein-Westfalen. Es wurden die Zusammenhänge zwischen Reinheit der flüssigen CO₂-reichen Phase und der Abscheideleistung in Abhängigkeit von Druck und Temperatur dargelegt. Da der Energieverbrauch des Abscheideprozesses eine für die Bewertung des Verfahrens wesentliche Größe ist, wurde dieser für ausgewählte Punkte mit realitätsnahen Randbedingungen berechnet. Insbesondere wurden die Temperaturdifferenzen in den Wärmeübertragern als auch die Auslegungsgrundlagen der Kompressoren so gewählt, wie sie auch praktisch realisierbar sind. Die für die Abscheidung benötigte Energie liegt in der Größenordnung von ca. 3,7 bis 4,1 Prozentpunkten bezogen auf die eingesetzte Brennstoffwärmeleistung. Zusammen mit der Luftzerlegungsanlage zur Bereitstellung des Sauerstoffs und den weiteren Modifikationen sinkt der Kraftwerkswirkungsgrad um ca. 10,8 Prozentpunkte. Durch Verwendung eines effektiveren Luftzerlegungsprozesses kann der Oxyfuel-Prozess verbessert werden. Dabei wird Sauerstoff geringerer Reinheit verwendet, die Einsparungen in der Luftzerlegungsanlage sind dabei größer als die Mehraufwendungen bei der CO₂-Abscheidung.

Um die Reinheit des abgeschiedenen CO₂ zu erhöhen, kann die Flüssigphase destilliert werden. Die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Simulationen zeigen, dass der energetische Mehraufwand dafür moderat steigt.

Insgesamt lässt sich feststellen, dass der Oxyfuel-Prozess ein technisch und energetisch mögliches Verfahren zur CO₂-Abscheidung ist. Es bietet im Gegensatz zu den Absorptionsverfahren den Vorteil, dass kein weiteres Betriebsmittel zur Verfügung gestellt werden muss. Nachteilig beim Oxyfuel-Prozess ist die Notwendigkeit einer Luftzerlegungsanlage, womit auch erhebliche Investitionskosten verbunden sind. Zukünftige Entwicklungen müssen zeigen, ob die Anlagenzuverlässigkeit und Flexibilität von Oxyfuel-Kraftwerken ausreichend ist, um den zunehmenden Schwankungen im Netz aufgrund der steigenden Windstrommenge zu begegnen. Inbesondere bei Lastwechsel- und Anfahrvorgängen müssen alle drei Prozessbestandteile: Luftzerlegung, Dampferzeuger und CO₂-Abscheidung gut aufeinander abgestimmt sein. Diese Herausforderung stellt sich allen Kohlekraftwerken mit CCS-Technik.