Thorsten Küster

1         Einleitung

In den letzten Jahren ist CO₂ aufgrund seiner klimaschädlichen Wirkung immer mehr ins öffentliche Interesse gerückt. Die Vermeidung dieses Treibhausgases ist somit auch von großem, politischem Interesse. Ein Beitrag zur Senkung des CO₂-Ausstoßes kann die Abscheidung von CO₂ bei den größten Emittenten sein: Den Kraftwerken zur Stromerzeugung auf fossiler Basis. Eine Möglichkeit zur CO₂-Abscheidung ist der in Abbildung 1 dargestellte  Oxyfuel-Prozess. Dabei wird der Stickstoff vor der Verbrennung in einer Luftzerlegungsanlage abgetrennt und die Verbrennung mit Sauerstoff hoher Reinheit durchgeführt. Das Rauchgas enthält dementsprechend einen sehr hohen CO₂-Anteil, der die Abscheidung wesentlich erleichtert. Allerdings treten bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe mit reinem Sauerstoff sehr hohe Temperaturen auf. Um die Verbrennungstemperaturen zu regulieren, werden daher ca. 60%-70% des Rauchgases in den Verbrennungsraum zurückgeführt.

Abbildung 1 Schema des Oxyfuel-Prozesses mit anschließender kryogener CO₂-Abscheidung

Aufgrund eindringender Falschluft, nicht vollständiger Luftzerlegung und anderen Gasen aus der Verbrennung besteht das Rauchgas nicht nur aus CO₂ und Wasser sondern enthält auch Anteile an Sauerstoff, Stickstoff, Argon und Stick- und Schwefeloxiden. Diese müssen aus dem Rauchgasstrom entfernt werden, was im Fall von O₂, N₂ und Argon durch eine partielle Kondensation bei Drücken von 20 bis 50 bar und Temperaturen bis -50 °C geschehen kann. In der Arbeitsgruppe Wärme- und Stofftransport wurden bereits die Grundlagen für den Abscheideprozess untersucht (siehe Abbildung 2). Dazu gehören die Phasengleichgewichte der Rauchgaskomponenten im flüssigen CO₂ und der zur Kompression, Kondensation und weiteren Aufreinigung nötige Energieverbrauch [Köpke 2011].

Abbildung 2 Abscheiderate und Reinheit des verflüssigten CO₂ in Abhängigkeit von Druck und Temperatur

2         Projektskizze

Im Rahmen des Verbundforschungsprojektes ADECOS Komponenten soll nun am Institut für Thermische Verfahrenstechnik / Arbeitsgruppe Wärme- und Stofftransport der Verflüssigungsprozess technisch umgesetzt und untersucht werden. Das Arbeitspaket gliedert sich dabei in die drei folgenden Teilaspekte:

2.1       Resttrocknung

Ziel der Untersuchungen dieses Teilaspektes ist es „Grundlagen zur Auslegung von Festbett-Adsorbern mit Silicagel für die Resttrocknung CO₂-reicher Oxyfuel-Rauchgase“ zu schaffen.

Hierzu sollen folgende Experimente durchgeführt werden:

·         Bestimmung von Adsorptionsisothermen für Wasser

­   Einfluss der Rauchgaszusammensetzung

­   Einfluss des Druckes

·         Einlösung von CO2 in Silicagel

­   Verhalten bei Druckentlastung

·         Screening weiterer Adsorbentien

2.2       Kinetik und Anlagenverhalten der partiellen Kondensation

Ziel dieses Teilaspektes ist es die „Zuverlässige Auslegung von Kondensatoren für CO₂-reiche Gasgemische“ zu ermöglichen. Hierzu soll eine neue Anlage zur Verflüssigung von Rauchgasgemischen ausgelegt und untersucht werden. Abbildung 3 zeigt ein Schema der geplanten Anlage.

Abbildung 3 RI-Fließbild der geplanten Rauchgasverflüssigungs-Anlage

Ein besonderer Fokus bei der Auslegung der Anlage liegt entsprechend der Ziele auf der Auslegung der Kondensatoren. Diese werden als Doppelrohr-Wärmetauscher im Gleichstrom-Betrieb konzipiert. Durch die parallele Anordnung mehrerer Kondensatoren unterschiedlicher Länge werden Untersuchungen des axialen Temperaturverlaufs und Kondensatanfalls möglich, ohne dabei die Strömung im Wärmeübertrager zu beeinflussen.

Zur Untersuchung der Kinetik gehört zwangsläufig die Bestimmung der Wärmeübergangs-Koeffizienten für die Filmkondensation in den vertikalen Doppelrohr-Kondensatoren. Diese Untersuchungen sind von besonderem Interesse, da hierbei der Einfluss der Schubspannung im verdichteten Gas auf die Filmkondensation zu beachten ist. Es sollen daher existierende Formel validiert bzw. angepasst und er Wärmeübergang modelliert werden.

2.3       CO₂-Reinheiten

Ziel ist die „Charakterisierung der Zusammenhänge zwischen Feuerung,             Verflüssigung und CO₂-Reinheit bei der Rauchgasverflüssigung aus Oxyfuel-Prozessen“. Da das verflüssigte CO₂ einer Speicherung zugeführt werden soll, ist dessen Reinheit von Interesse. Dazu sollen der Gas- und Flüssigkeits-Strom nach dem Phasentrenner mittels eines Gaschromatographen  untersucht werden. Abbildung 4 zeigt den Versuchsaufbau.

Abbildung 4 Detailschema zur Untersuchung der CO₂-Reinheiten

Im Rahmen der Versuche sollen die Zusammensetzung des definierten Gasgemisches, sowie Verflüssigungsdruck und Temperatur variiert werden. Aus den gewonnen Daten können dann Rückschlüsse auf die Einflüsse von Feuerung und Verflüssigung gezogen werden.