DE102008057157A1 - Separating carbon dioxide from exhaust gas of power plant, preferably post-combustion power plant, involves removing water from exhaust gas before separation of carbon dioxide by using membrane - Google Patents

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Abstract

Carbon dioxide separation involves removing water from the exhaust gas (3) before separation of carbon dioxide by using membrane. The membrane is a polymer membrane. Carbon dioxide is separated by using another membrane. An independent claim is also included for a post-combustion power plant, which comprises a conventional steam power plant and a unit for removing carbon dioxide from the exhaust gas of the power plant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur CO2-Abtrennung aus dem Rauchgas eines Kraftwerkes, insbesondere eines Post-Combustion Kraftwerks.The invention relates to a method for CO 2 separation from the flue gas of a power plant, in particular a post-combustion power plant.

Stand der TechnikState of the art

Die Abtrennung von CO2 aus typischen Kohlekraftwerksprozessen ist grundsätzlich über drei verschiedene Konzepte erzielbar. Neben dem Post-Combustion-Capture und dem OXYFUEL-Prozess gibt es auch den Pre-Combustion-Capture Ansatz.The separation of CO 2 from typical coal-fired power plant processes can basically be achieved via three different concepts. In addition to the post-combustion capture and the OXYFUEL process, there is also the pre-combustion capture approach.

Das Post-Combustion-Verfahren, auch als CO2-Wäsche bekannt, gilt als einzige adäquate Technologie zur Nachrüstung von Kraftwerken. Beim Post-Combustion-Capture wird ein konventionelles Dampfkraftwerk (1) mit Kohle und Luft gespeist. Es schließt sich eine herkömmliche Rauchgasreinigung (2) mit einer Entstaubungs-, einer Entstickungs- sowie einer Entschwefelungsstufe an. Die Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas (3) nach der Verbrennung (Post-Combustion-Abscheideprozess) kann durch geeignete Wäschen oder langfristig auch durch geeignete Membransysteme realisiert werden. Von den prinzipiell vier Möglichkeiten der CO2-Abtrennung aus dem Rauchgas, dem Absorptions- und dem Adsorptionsprozess, der Membranabtrennung und der Tiefkühlzerlegung, hat sich bislang neben der Membranabtrennung die Absorption als besonders viel versprechend herausgestellt.The post-combustion process, also known as CO 2 scrubbing, is the only adequate technology to retrofit power plants. In post-combustion capture, a conventional steam power plant ( 1 ) fed with coal and air. It closes a conventional flue gas cleaning ( 2 ) with a dedusting, a denitrification and a desulfurization stage. The separation of CO 2 from the flue gas ( 3 ) after combustion (post-combustion separation process) can be realized by suitable washes or in the long term by suitable membrane systems. Of the four principal possibilities of CO 2 separation from the flue gas, the absorption and the adsorption process, the membrane separation and the deep-freeze separation, so far the absorption has proven to be particularly promising in addition to the membrane separation.

Eines der bislang gängigsten Verfahren hierfür ist die Amin-Wäsche. Hierbei werden zwei Hauptelemente eingesetzt: ein Absorber (oder Wäscher), in dem das CO2 aus dem Rauchgas entfernt wird, und ein Regenerator (oder Stripper), in dem das CO2 in konzentrierter Form freigesetzt und das ursprüngliche Lösungsmittel regeneriert wird. Ein Hauptmerkmal des Systems und gleichzeitig ein Nachteil ist die große Dampfmenge, die zur Regenerierung des Lösungsmittels benötigt wird. Diese wird dem Niederdruck-Dampfkreis entzogen und führt zu einer deutlichen Reduzierung des Netto-Wirkungsgrads des Kraftwerks.One of the hitherto most common methods for this is the amine wash. Here, two main elements are used: an absorber (or scrubber), in which the CO 2 is removed from the flue gas, and a regenerator (or stripper), in which the CO 2 is liberated in concentrated form and the original solvent is regenerated. A major feature of the system and at the same time a disadvantage is the large amount of steam needed to regenerate the solvent. This is removed from the low-pressure steam circuit and leads to a significant reduction in the net efficiency of the power plant.

Die Post-Combustion-Technologie wird vorzugsweise in mit Kohle befeuerten Kraftwerken angewendet, da hier in der Regel höhere CO2-Konzentrationen vorliegen. Sie kann aber auch in mit Gas befeuerten Kraftwerken eingesetzt werden.The post-combustion technology is preferably used in coal-fired power plants, as there are usually higher CO 2 concentrations. But it can also be used in gas-fired power plants.

Die typische Zusammensetzung eines Rauchgases aus einem Kohlekraftwerk enthält nach der Entstickung (NOx-Entfernung) und Entschwefelung aus 12–14 mol-% CO2, ca. 70 mol-% N2, 10–14 mol-% Wasser, 3–6 mol-% O2 und weniger als 1 mol-% Ar. Als schädlich werden insbesondere die Komponenten Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffdioxid (Nitrit = NO2), Schwefeltrioxid (SO3) und Chorwasserstoff (HCl) angesehen.The typical composition of a flue gas from a coal power plant contains after denitrification (NOx removal) and desulfurization from 12-14 mol% CO 2 , about 70 mol% N 2 , 10-14 mol% water, 3-6 mol % O 2 and less than 1 mole% Ar. In particular, the components sulfur dioxide (SO 2 ), nitrogen dioxide (nitrite = NO 2 ), sulfur trioxide (SO 3 ) and hydrogen chloride (HCl) are considered harmful.

Ein weit verbreitetes Entschwefelungsverfahren stellt die so genannte Kalkwäsche (WFGD = wet flue gas desulphurization) dar. Bei diesem Verfahren wird aus dem Rauchgas mit Hilfe von Kalkmilch ca. 95% des SO2 entfernt. Als Abfallprodukt wird dabei Gips erzeugt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass zwar der Hauptanteil an SO2 entfernt wird, nicht aber das ebenfalls schädliche SO3.A widespread desulphurization process is the so-called wet flue gas desulphurization (WFGD). In this process, approx. 95% of the SO 2 is removed from the flue gas with the aid of lime milk. Gypsum is produced as a waste product. A disadvantage of this method is that although the majority of SO 2 is removed, but not the equally harmful SO 3 .

Ferner ist der so genannte Taupunkt des Rauchgases wichtig. Der Taupunkt hängt von unterschiedlichen Faktoren ab, z. B. von der Temperatur, vom Druck, und bei Rauchgasen auch insbesondere vom Brennstoff und vom Schwefelgehalt. Als Taupunkt wird diejenige Temperatur bezeichnet, auf die ein Gas abgekühlt werden muss, um die Sättigungsgrenze für die in ihm enthaltenen kondensierbaren Bestandteile zu erreichen. Der Taupunkt ist in häufig diejenige Temperatur einer Begrenzungsflache der Gasströmung, bei der die aus dem Gas auskondensierende Flüssigkeitsmenge ebenso groß ist, wie die in das Gas hinein verdunstende Flüssigkeitsmenge. Wenn diese Schicht sehr dünn ist, stimmt ihre Oberflächentemperatur mit derjenigen der Wand annähernd überein.Further the so-called dew point of the flue gas is important. The dew point depends on different factors, eg. B. of the Temperature, pressure, and in particular of the flue gases Fuel and sulfur content. The dew point is the temperature refers to which a gas must be cooled to the Saturation limit for the condensable contained in it To achieve ingredients. The dew point is often the one in Temperature of a boundary surface of the gas flow, at the amount of liquid condensing out of the gas is as large as the amount of liquid evaporating into the gas. If this layer is very thin, its surface temperature will be right approximately equal to that of the wall.

Für den Feuerungsbetreiber ist der Korrosionsbeginn von großem Interesse. Der Säuretaupunkt ist diejenige Temperatur, bei der die im Rauchgas existente gasförmige Schwefelsäure abhängig von ihrem Partialdruck und vom Wasserdampfpartialdruck den Sättigungszustand erreicht und bei Unterschreitung dieser Temperatur als wässrige Lösung kondensiert. Das Vorhandensein von Schwefeldioxid im Rauchgas führt in der Regel zu einem deutlichen Anstieg des Taupunktes. Während des Betriebs eines Kraftwerks sollte daher sichergestellt sein, dass bei der Rauchgaskonditionierung vorsorglich ein ausreichender Temperaturabstand zum Taupunkt von 10 bis 20 K eingehalten wird. Die Bildung von flüssigem Wasser kann infolge der Kapillarkondensation in den Poren der Reagenzpartikel aber auch bereits bei Temperaturen erfolgen, die deutlich oberhalb der Taupunkttemperatur liegen.For the firing operator is the beginning of corrosion of great Interest. The acid dew point is the temperature in which the existing in the flue gas gaseous sulfuric acid depending on their partial pressure and water vapor partial pressure reaches the saturation state and falls below this temperature condenses as an aqueous solution. The presence of sulfur dioxide in the flue gas leads usually a significant increase in the dew point. While the operation of a power plant should therefore be ensured that in the flue gas conditioning as a precaution sufficient Temperature difference to the dew point of 10 to 20 K is maintained. The formation of liquid water may be due to capillary condensation in the pores of the reagent particles but also already at temperatures take place, which are well above the dew point temperature.

Bislang gibt es mehrere Vorgehensweisen, um Schwefelsäurekorrosion in Kraftwerken zu verhindern, bzw. zu minimieren.

  • • Zwischen der Rauchgasentschwefelung (FGD = Flue Gas Desulfurization) und dem Schornstein ist eine Vorrichtung zum Heizen des Rauchgases (GGH = gas gas heater) vorgesehen, die das Rauchgas zunächst auf 80°C aufheizt, und so die Säurekorrosion im Schornstein unterbindet. Diese Methode benötigt nachteilig zusätzliche Energie zur Erwärmung großer Mengen an Rauchgas. (Zum Vergleich: ein relativ kleines Kraftwerk mit einer Leistung von 450 MW erzeugt ca. 1.500.000 m3 Rauchgas/Stunde).
  • • Anstelle von Schornsteinen werden alternativ Kühltürme eingesetzt, bei denen die Abgastemperatur auf ca. 50°C herabgesetzt wird, und die in ihrem Inneren mit einer isolierenden Beschichtung versehen sind. Kühltürme erfordern nachweislich ebenfalls höherer Investitionskosten.
  • • Der Einsatz von Membranen zur Entwässerung des Rauchgases und damit zur Erniedrigung des Taupunktes des Rauchgases, bevor es in den Schornstein eintritt. Diese Methode spart einerseits Energie und ermöglicht gleichzeitig eine Kreislaufführung des Wassers. Als mögliche Kandidaten für solche Membranen wurden schon SPEEK-(SPEEK = sulfonated poly ether ether ketone) und PEBAX-Membranen getestet [1].
So far, there are several approaches to prevent or minimize sulfuric acid corrosion in power plants.
  • • Flue Gas Desulfurization (FGD) and the chimney are equipped with a gas gas heater (GGH) that first heats the flue gas to 80 ° C, thus preventing acid corrosion in the chimney. This method disadvantageously requires additional energy for heating large quantities of flue gas. (For comparison: a relatively small power plant with a capacity of 450 MW generates about 1,500,000 m 3 flue gas / hour).
  • • Instead of chimneys, alternative cooling towers are used in which the exhaust gas temperature is reduced to about 50 ° C, and which are provided in their interior with an insulating coating. Cooling towers demonstrably also require higher investment costs.
  • • The use of membranes to drain the flue gas and thus reduce the dew point of the flue gas before it enters the chimney. On the one hand, this method saves energy and at the same time allows the water to circulate. As potential candidates for such membranes SPEEK (SPEEK = sulfonated poly ether ether ketone) and PEBAX membranes have been tested [1].

Neben dem Einsatz von Polymermembranen zur Entwässerung des Rauchgases, sind diese prinzipiell auch für die CO2-Abtrennung aus einer Gasmischung einsetzbar. So wurden beispielsweise verschiedene PEG(Polyethylenglykol)-modifizierte PEBAX Membranen und Membranen auf Basis von Copolymeren aus Polyethylenoxid (PEO) [2] für die CO2-Abtrennung aus einer Gasmischung aus H2, N2 and CH4 untersucht. Weitere geeignete Membranen für die CO2-Abtrennung sind auch aus [3] bekannt.In addition to the use of polymer membranes for dewatering the flue gas, these can in principle also be used for CO 2 separation from a gas mixture. For example, various PEG (polyethylene glycol) -modified PEBAX membranes and membranes based on copolymers of polyethylene oxide (PEO) [2] for CO 2 separation from a gas mixture of H 2 , N 2 and CH 4 were investigated. Other suitable membranes for CO 2 separation are also known from [3].

Für den Transport des aus dem Rauchgas abgetrennten CO2-Gases über Pipelines und die Lagerung in der Erde sind heutzutage zudem Grenzwerte für den Wassergehalt im CO2-Gas vorgeschrieben, die einen maximalen Anteil von lediglich 600 ppm Wasser erlauben. Bekannt ist daher bereits, dass nach der CO2-Abtrennung, zum Beispiel durch eine Amin-Wäsche oder durch Membranen, der restliche Wasserdampf größtenteils auskondensiert, bzw. abgetrennt wird, so dass das Gas aus annähernd reinem CO2 besteht. Dieses wird üblicherweise auf einen Druck von über 100 bar verdichtet und erreicht damit einen flüssigkeitsähnlichen Zustand, in welchem es dann beispielsweise in eine Pipeline geleitet oder in einer Speichervorrichtung gelagerter werden kann.For transporting the CO 2 gas separated from the flue gas via pipelines and storage in the earth, limits for the water content in the CO 2 gas are also prescribed today, which allow a maximum proportion of only 600 ppm of water. It is therefore already known that after the CO 2 separation, for example by an amine scrub or by membranes, the remaining water vapor is largely condensed out or separated, so that the gas consists of approximately pure CO 2 . This is usually compressed to a pressure of over 100 bar and thus reaches a liquid-like state, in which it can then be routed for example in a pipeline or stored in a storage device.

In den Fällen, in denen die CO2-Abtrennung aus dem gereinigten Rauchgas durch Membranen erfolgt, hat es sich ferner als nachteilig herausgestellt, wenn der Wasseranteil im Rauchgas zu hoch ist. Unter einem hohen Wassergehalt sind dabei Anteile von mehr als 10 mol-%, insbesondere von ca. 12 bis 14 mol-% zu verstehen. Dieser hohe Wasseranteil führt in den Kraftwerken nachteilig zu Problemen durch Säurekorrosion und beeinträchtigt die Abtrennung durch die Membran.In cases where the CO 2 separation from the purified flue gas through membranes, it has also been found to be disadvantageous if the water content in the flue gas is too high. In this case, a high water content is to be understood as meaning fractions of more than 10 mol%, in particular from about 12 to 14 mol%. This high water content leads to problems in the power plants adversely due to acid corrosion and affects the separation through the membrane.

Aufgabe und LösungTask and solution

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftwerk sowie ein Verfahren zum Betrieben desselben bereit zu stellen, welches die Nachteile aus dem bekannten Stand der Technik überwindet, und insbesondere eine einfache und wirkungsvolle Möglichkeit schafft, die vorgegebenen Grenzwerte für den Wassergehalt in dem aus dem Rauchgas abgetrennten CO2 einzuhalten.The object of the invention is to provide a power plant and a method for operating the same, which overcomes the disadvantages of the known prior art, and in particular creates a simple and effective way, the predetermined limits for the water content in the separated from the flue gas To comply with CO 2 .

Die Aufgaben werden gelöst durch ein Kraftwerk mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kraftwerks sowie des Verfahrens finden sich in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen wieder.The Tasks are solved by a power plant with the whole to features according to the main claim, as well as by a method for operating a power plant according to the independent claim. Advantageous embodiments of the power plant and the method can be found in the respective dependent claims again.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass eine Entwässerung des Rauchgases direkt nach der Konditionierung vorteilhaft sowohl dem Handling des Reinrauchgases, als auch dem Prozessschritt der nachfolgenden CO2-Abtrennungn zu Gute kommt. Im Rahmen dieser Erfindung ist dabei der Begriff Entwässerung nicht mit einer vollständigen Entfernung von Wasser aus dem Rauchgas gleichzusetzen, vielmehr bedeutet der Begriff Entwässerung hier lediglich eine deutliche Reduzierung des Wassergehaltes des Rauchgases von beispielsweise 12 mol-% auf maximal 2 mol-%.The invention is based on the idea that dewatering of the flue gas directly after conditioning advantageously benefits both the handling of the pure flue gas and the process step of the subsequent CO 2 separation. In the context of this invention, the term dehydration is not to be equated with a complete removal of water from the flue gas, but the term dehydration here merely means a significant reduction of the water content of the flue gas from, for example, 12 mol% to a maximum of 2 mol%.

Dazu ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftwerk vorgesehen, dass zwischen der Konditionierung des Roh-Rauchgases und dem Prozessschritt der CO2-Abtrennung eine Entwässerung vorgesehen ist. Die Konditionierung kann dabei alternativ oder kumulativ eine Entstickung, einer Entstaubung sowie eine Entschwefelung umfassen.For this purpose, it is provided in the power plant according to the invention that a drainage is provided between the conditioning of the raw flue gas and the process step of CO 2 separation. The conditioning can alternatively or cumulatively a denitrification, a dedusting and a desulfurization include.

Durch die Entwässerung des Rauchgases erhöht sich einerseits proportional der CO2-Gehalt im verbleibenden Rauchgas, was die nachfolgende CO2-Abtrennung begünstigt. Ferner kann dadurch in der Regel der Grenzwert an freiem Wasser im abgetrennten CO2 eingehalten werden. In jedem Fall wird durch die Entwässerung und der dadurch herbeigeführten Erniedrigung des Taupunktes des Rauchgases die Gefahr der Korrosion durch Säure deutlich verringert.By dewatering the flue gas, on the one hand, the CO 2 content in the remaining flue gas increases proportionally, which favors the subsequent CO 2 separation. Furthermore, as a rule, the limit value of free water in the separated CO 2 can be maintained. In any case, the dehydration and the resulting reduction in the dew point of the flue gas significantly reduces the risk of acid corrosion.

Die Entwässerung des Rauchgases kann beispielsweise durch Temperaturabsenkung, aber insbesondere vorteilhaft mit Hilfe der Membrantechnik erfolgen. Diese ist in der Regel energieeffizienter und ermöglicht zudem die Rückgewinnung von reinem Wasser. Die Erfindung sieht vor, den Wassergehalt des Rauchgases vor einer CO2-Abtrennung durch eine Entwässerung auf unterhalb von 2 mol-%, insbesondere auf unterhalb von 1 mol-% zu reduzieren. Je nach Wassergehalt im Rauchgas sind auch deutlich geringere Werte möglich.The dewatering of the flue gas can be done for example by lowering the temperature, but particularly advantageously using the membrane technique. This is usually more energy efficient and also allows the recovery of pure water. The invention provides to reduce the water content of the flue gas before CO 2 separation by dehydration to below 2 mol%, in particular to below 1 mol%. Depending on the water content in the flue gas, significantly lower values are possible.

Durch die erfindungsgemäße Entwässerung des Rauchgases ist es vorteilhaft möglich, den Anteil an freiem Wasser im abgetrennten CO2-Gas auf kleiner 600 ppm, insbesondere sogar auf kleiner 500 ppm zu reduzieren, und somit den Anforderungen an das abgetrennte CO2 für den Transport über Pipelines und die geologische Einlagerung zu genügen. Je geringer der Anteil an Wasser im entwässerten Rauchgas ist, desto effektiver kann die Absenkung des Anteils an freiem Wasser im abgetrennten CO2 sein.By dewatering the flue gas according to the invention, it is advantageously possible to reduce the proportion of free water in the separated CO 2 gas to less than 600 ppm, in particular even to less than 500 ppm, and thus the requirements for the separated CO 2 for transport via pipelines and to satisfy the geological storage. The lower the proportion of water in the dewatered flue gas, the more effective the lowering of the proportion of free water in the separated CO 2 can be.

Ein Anteil an freiem, d. h. nicht gelöstem Wasser, von weniger als 500 ppm im abgetrennten CO2-Gas, kann sogar regelmäßig die Korrosion, die Bildung von Hydraten und eine nachteilige Zweiphasenströmung verhindern.A proportion of free, ie undissolved, water of less than 500 ppm in the separated CO 2 gas may even regularly prevent corrosion, hydrate formation and detrimental two-phase flow.

Als Mittel zur Entwässerung des Rauchgases vor einer CO2-Abtrennung können insbesondere Polymermembranen eingesetzt werden. Bekannt sind Hohlfaser-Komposite als Membranen, die aus einem porösen Träger aus Hohlfasern und einer darauf angeordneten, dünnen, dichten Trennschicht bestehen. Als selektives Material der Trennschicht wird beispielsweise sulfoniertes Polyetheretherketon eingesetzt. In [1] werden sowohl eine SPEEK-Membran, als auch eine Membran aus einem Polyether Blockamid (PEBAX® 1074) als mögliche Polymermembranen für eine Entwässerung von Rauchgas untersucht.As means for dewatering the flue gas before a CO 2 separation, in particular polymer membranes can be used. Hollow fiber composites are known as membranes, which consist of a porous carrier of hollow fibers and a thin, dense separating layer arranged thereon. As a selective material of the release layer, for example, sulfonated polyetheretherketone is used. In [1] both a SPEEK membrane and a membrane made of a polyether block amide (PEBAX ® 1074) are investigated as possible polymer membranes for dewatering flue gas.

Für die nachfolgende eigentliche CO2-Abtrennung können je nach CO2-Gehalt im Rauchgas und nach Rahmenbedingungen Absorptionsbasierte Methoden oder auch Membran eingesetzt werden. Für die CO2-Abtrennung mit Hilfe einer Membran haben sich beispielsweise ebenfalls PEBAX®-Membranen oder auch PEG-modifizierte PEBAX®-Membranen mit einer besonders guten Selektivität als sehr gut geeignet herausgestellt.Depending on the CO 2 content in the flue gas and on the basis of conditions, absorption-based methods or even membranes can be used for the subsequent actual CO 2 separation. For the CO 2 separation using a membrane for example, have also been found PEBAX ® membranes or PEG-modified PEBAX ® membranes having a particularly good selectivity to be very suitable.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Figuren und Tabellen näher erläutert, ohne dass dadurch eine Einschränkung der Erfindung erfolgt.following the invention will become more apparent with reference to some figures and tables explains, without thereby a limitation the invention takes place.

Die 1a) zeigt ein konventionelles Dampfkraftwerk (1), welches mit Kohle und Luft gespeist wird. Es schließt sich eine herkömmliche Rauchgasreinigung (2) mit einer Entstaubungs-, einer Entstickungs- sowie einer Entschwefelungsstufe an. Das so gereinigte Rauchgas gelangt über einen Schornstein in die Atmosphäre.The 1a ) shows a conventional steam power plant ( 1 ), which is fed with coal and air. It closes a conventional flue gas cleaning ( 2 ) with a dedusting, a denitrification and a desulfurization stage. The purified flue gas enters the atmosphere via a chimney.

Die Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas (3) nach der Verbrennung (Post-Combustion-Capture) kann durch geeignete Wäschen oder langfristig durch geeignete Membransysteme realisiert werden. Eines der gängigsten Verfahren hierfür ist die Amin-Wäsche, welches heute schon in der chemischen Verfahrenstechnik angewendet wird. Eine kommerzielle Anwendung im Kraftwerksbereich steht jedoch noch aus. Für die Einhaltung der Qualitätsmerkmale bezüglich des Wassergehaltes des abgetrennten CO2 ist häufig eine Entwässerung (4) des abgetrennten CO2-Gases erforderlich (siehe 1b). Derzeit vorliegende Grenzwerte für den Transport in Pipelines oder die geologische Einlagerung von CO2, sprechen von einem Anteil an freiem Wasser im CO2-haltigen Gas von maximal 600 ppm.The separation of CO 2 from the flue gas ( 3 ) after combustion (post-combustion capture) can be realized by suitable washes or long term by suitable membrane systems. One of the most common methods for this is the amine scrubbing, which is already used in chemical engineering today. However, a commercial application in the power plant sector is still pending. For compliance with the quality characteristics with respect to the water content of the separated CO 2 is often a drainage ( 4 ) of the separated CO 2 gas required (see 1b ). Currently available limits for transport in pipelines or the geological storage of CO 2 , speak of a proportion of free water in the CO 2 -containing gas of a maximum of 600 ppm.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer Entwässerungsstufe noch vor einer CO2-Abtrennung mit Hilfe einer Membran ist in 1c) dargestellt. Der Wassergehalt wird dabei im gesamten Rauchgas vorteilhaft auf maximal 2 mol-%, insbesondere auf 1 mol-% reduziert. Der Wassergehalt setzt sich dabei aus flüssigem Wasser und gasförmigen Wasserdampf zusammen.The inventive arrangement of a dehydration stage before a CO 2 separation using a membrane is in 1c ). The water content is thereby reduced in the entire flue gas advantageously to a maximum of 2 mol%, in particular to 1 mol%. The water content is composed of liquid water and gaseous water vapor.

In einer Simulation wurde sowohl eine einstufige, als auch mehrstufige CO2-Abtrennung mit einer PEBAX® Membran simuliert. Für die in den Simulation eingesetzte PEBAX® MH 1657 Membran wurden dabei die folgenden, aus der Literatur erhältlichen Gasdurchlässigkeiten eingesetzt: Gas Durchlässigkeit in [m3 m–2 h–1 bar–1] CO2 0,5 N2 0,0116 H2O 1160 O2 0,0232 Ar 0,0332 In a simulation both a single-stage and multi-stage CO 2 separation with a PEBAX ® membrane was simulated. Doing the following, available from the literature gas permeabilities were used for the simulation used in the PEBAX ® MH 1657 membrane: gas Permeability in [m 3 m -2 h -1 bar -1 ] CO 2 0.5 N 2 0.0116 H 2 O 1160 O 2 0.0232 Ar 0.0332

Aus der Tabelle 1 wird ersichtlich, dass die PEBAX®-Membran sehr hydrophil ist. Die Selektivität von H2O/N2 kann das bis zu 105-fache der Selektivität von CO2/N2 erreichen, das bedeutet, dass der Dampf im Rauchgas in größerer Menge und deutlich schneller durch die Polymermembran diffundiert, als das CO2, und auf der Permeatseite schnell den Taupunkt erreicht und als Wasser auskondensiert.From Table 1 it can be seen that the PEBAX ® membrane is very hydrophilic. The selectivity of H 2 O / N 2 can reach up to 10 5 times the selectivity of CO 2 / N 2 , which means that the vapor in the flue gas diffuses in a larger amount and much faster through the polymer membrane than the CO 2 , and on the permeate side quickly reached the dew point and condensed out as water.

Als Ergebnis Simulationen einer einstufigen CO2-Membranabtrennung ist in den 2 und 3 die Zusammensetzung der verschiedenen Gase auf der Permeatseite als Molfraktionen gegen den CO2-Abtrennungsgrad in % in Abhängigkeit von der Membranfläche A dargestellt. Der Rauchgasstrom wurde für die Simulation mit jeweils 100 m3/h festgelegt. Die Membranfläche wurde gemäß A = 1, 11, 21, ..., 991 m2 in 10 m2-Schritten variiert.As a result, simulations of a single-stage CO 2 membrane separation is described in the 2 and 3 the composition of the various gases on the permeate side as mole fractions against the CO 2 -Abtrennungsgrad in% depending on the membrane area A shown. The flue gas flow was set at 100 m 3 / h for the simulation. The membrane area was varied according to A = 1, 11, 21, ..., 991 m 2 in 10 m 2 steps.

In 2 ist dabei ein ideales Rauchgas mit 14 mol-% CO2 und 86 mol-% N2 angenommen worden. Entsprechend sind in 2 die Molfraktionen der Gase N2 und CO2 eingetragen. 3 zeigt neben den Molfraktionen für N2 und CO2 auch die von H2O, O2 und Ar, da hierbei ein reales Rauchgas mit entsprechenden Wassergehalten angenommen wurde.In 2 In this case, an ideal flue gas with 14 mol% CO 2 and 86 mol% N 2 has been assumed. Accordingly, in 2 the mole fractions of the gases N 2 and CO 2 registered. 3 shows in addition to the mole fractions for N 2 and CO 2 , those of H 2 O, O 2 and Ar, since this was a real flue gas was assumed with corresponding water contents.

In Anbetracht der Wasser/Dampf Koexistenz wurde an Stelle der Soave-Redlich-Kwong Methode das thermodynamische „Wilson”-Modell angewendet. Ferner wurde bei der Simulation die Löslichkeit des CO2 in Wasser entsprechend des Henry'schen Gesetzes für das Wasser/Gassystem berücksichtigt. Der Wassergehalt auf der Permeatseite ist, obwohl eine Mischung aus Wasser und Dampf, nur als eine Komponente in der 3 dargestellt.In view of the water / steam coexistence, the thermodynamic "Wilson" model was used instead of the Soave-Redlich-Kwong method. Furthermore, the simulation took into account the solubility of CO 2 in water according to Henry's law for the water / gas system. The water content on the permeate side, although a mixture of water and steam, is only one component in the 3 shown.

Für eine 50-%ige CO2-Abtrennrate wurde eine CO2-Gaszusammensetzung berechtet, wie sie in Tabelle 2 wiedergeben ist. Tabelle 2: im abgetrennten CO2-Gasstrom [mol-%] nach Kondensation des Wassers im CO2-Gasstrom [mol-%] CO2 34,91 72,88 N2 6,42 13,40 H2O 58,02 (Gas- und Wasserphase) 12,35 O2 0,44 0,93 Ar 0,21 0,44 For a 50% CO 2 separation rate, a CO 2 gas composition was given as shown in Table 2. Table 2: in the separated CO 2 gas stream [mol%] after condensation of the water in the CO 2 gas stream [mol%] CO 2 34.91 72.88 N 2 6.42 13.40 H 2 O 58.02 (gas and water phase) 12.35 O 2 0.44 0.93 Ar 0.21 0.44

In dieser Anmeldung zitierte Literatur, die hiermit als ausdrücklich als innerhalb dieser Anmeldung offenbart angesehen wird.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (15)

Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas eines Kraftwerks, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rauchgas vor der Abtrennung des CO2 Wasser entzogen wird.A method for the separation of CO 2 from the flue gas of a power plant, characterized in that the flue gas is removed from the separation of the CO 2 water. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem dem Rauchgas das Wasser mit Hilfe wenigstens einer Membran entzogen wird.A method according to claim 1, wherein the flue gas is the Water is removed using at least one membrane. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem für die Entwässerung wenigstens eine Polymermembran-Membran eingesetzt wird.A method according to claim 2, wherein for the Drainage used at least one polymer membrane membrane becomes. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem für die Entwässerung wenigstens eine Polymer-Membran umfassend PEBAX® eingesetzt wird.The method of claim 3, wherein for dewatering a polymeric membrane PEBAX ® is used at least comprising. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Rauchgas nach der Entwässerung maximal 2 mol-% Wasser aufweist, insbesondere maximal 1 mol-%.Method according to one of claims 1 to 4, in which the flue gas after dewatering maximum 2 mol% water, in particular not more than 1 mol%. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das CO2 mit Hilfe wenigstens einer Membran aus dem Rauchgas abgetrennt wird.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the CO 2 is separated by means of at least one membrane from the flue gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Anteil an freiem Wasser in dem vom Rauchgas abgetrennten CO2 maximal 600 ppm beträgt, insbesondere maximal 500 ppm.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the proportion of free water in the CO 2 separated from the flue gas is not more than 600 ppm, in particular not more than 500 ppm. Post-Combustion-Capture Kraftwerk, umfassend ein konventionelles Dampfkraftwerk und ein Mittel zur Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas des Kraftwerks, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dampfkraftwerk und dem Mittel zur CO2-Abtrennung ein Mittel zur Entwässerung des Rauchgases angeordnet ist.Post-combustion capture power plant, comprising a conventional steam power plant and a means for separating CO 2 from the flue gas of the power plant, characterized in that between the steam power plant and the means for CO 2 separation, a means for dewatering the flue gas is arranged. Kraftwerk nach Anspruch 8, mit wenigstens einer zur Abtrennung von Wasser geeigneten Membran als Mittel zur Entwässerung.Power plant according to claim 8, with at least one for Separation of water suitable membrane as a drainage agent. Kraftwerk nach Anspruch 9, mit wenigstens einer Polymermembran als Mittel zur Entwässerung.Power plant according to claim 9, with at least one Polymer membrane as a drainage agent. Kraftwerk nach Anspruch 10 mit einer Membran umfassend PEBAX® als Mittel zur Entwässerung des Rauchgases.Power plant according to claim 10, having a membrane comprising PEBAX ® as a means for draining of the flue gas. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 11, mit einem CO2-Absorber als Mittel zur CO2-Abtrennung.Power plant according to one of claims 8 to 11, with a CO 2 absorber as a means for CO 2 separation. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 12, mit wenigstens einer zur Abtrennung von CO2 geeigneten Membran als Mittel zur CO2-Abtrennung.Power plant according to one of claims 8 to 12, having at least one membrane suitable for separating off CO 2 as a means for CO 2 separation. Kraftwerk nach Anspruch 13, mit einem mehrstufigen Membranprozess zur Abtrennung des CO2.Power plant according to claim 13, with a multi-stage membrane process for the separation of the CO 2 . Kraftwerk nach einem der Ansprüche 8 bis 14, mit einer Entstaubungs-, einer Entstickungs- und einer Entschwefelungsstufe, die jeweils vor der Entwässerungsstufe des Rauchgases angeordnet sind.Power plant according to one of claims 8 to 14, with a dedusting, a denitrification and a desulfurization stage, each arranged before the dehydration stage of the flue gas are.
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