Energieeffiziente trockene CO2-Abtrennung aus Abgasen am Beisp. der Zementindustrie

Die Abscheidung von CO2 beim Klinkerbrennprozess ist grundsätzlich mit sogenannten Post-Combustion-Verfahren möglich. Diese haben den Vorteil, dass die Installation solcher Anlagen am Ende der Prozesskette erfolgt und dadurch der eigentliche Produktionsprozess nicht beeinträchtigt wird. Eine Alternative zu der bereits relativ weit entwickelten Aminwäsche (nasses Verfahren), bei der es sich um ein chemisches Absorptionsverfahren mit sehr hohem Energiebedarf für die Regeneration des Sorbens handelt, ist die trockene Adsorption von CO2. Dabei wird das CO2 an einem festen Adsorbens gebunden und danach in einem Regenerationsschritt in hochangereicherter Form wieder freigesetzt.

Zur Untersuchung dieses Verfahrens wurde in Kooperation mit dem IUTA (Institut für Energie und Umwelttechnik, Duisburg) und der TU Dortmund ein von der AiF gefördertes Forschungsprojekt durchgeführt. Im Projektzeitraum von Ende 2013 bis Anfang 2016 wurden grundlegende Untersuchungen im Labor und in einem Technikum sowie anschließend auch in einem westfälischen Zementwerk durchgeführt. Die Arbeiten umfassten die Entwicklung neuer sowie die Erprobung auf dem Markt erhältlicher Adsorbentien, auch unter realen Bedingungen im Zementwerk. Weiterhin erfolgten eine auf diesen Untersuchungen basierende Modellierung zur Abbildung der Stoff- und Wärmetransportphänomene sowie zur Erstellung einer Machbarkeitsstudie für die Integration der Adsorptionseinheit in den Gesamtprozess der Herstellung von Zementklinker.

Die Untersuchungen im Zementwerk wurden mit einer dreisträngigen, zyklisch betriebenen Pressure-Temperature-Swing-Adsorption-Festbett-Anlage (P-T-SA) durchgeführt, die zur Übernahme von 11 m3/h Gas geeignet ist. Als Adsorptionsmittel kam dabei ein Styrol-Divinylbenzol-Copolymer mit Aminomethylen-Gruppen in Form der freien Base zum Einsatz. Die Verwendung derartiger Amin-funktionalisierter Adsorbentien zur Abtrennung von CO2 aus Prozessgasen war bereits Gegenstand zahlreicher Untersuchungen, die sich allerdings bisher vorwiegend auf thermogravimetrische Analysen oder Versuche im Labormaßstab, seltener auch im Technikumsmaßstab, beschränkten und meist nur wenige Adsorptions-/Desorptionszyklen umfassten. Im Gegensatz dazu lag der Fokus der hier durchgeführten Untersuchungen auf der Praxistauglichkeit des Verfahrens.

Bei den mehrwöchigen Versuchen mit dem realen Abgas des Zementwerks, das eine durchschnittliche CO2-Reingaskonzentration von 13 bis 15 Vol.-% aufwies, konnte ein stabiler Anlagenbetrieb realisiert werden. Durch die Adsorption wurde die CO2-Konzentration im Abgas auf einen Restgehalt von 0,6 bis 1,5 Vol.-% reduziert. Allerdings zeigte sich dabei wie bei den zuvor durchgeführten Technikumsversuchen eine nur unvollständige CO2-Desorption bei der Regeneration des Sorbens, d. h. es wurde nur bis zu einem Drittel des gebundenen CO2 freigesetzt. Dabei wurde in dem mit einer Vakuumpumpe abgesaugten Gasstrom eine CO2-Reinheit bis zu 79 Vol.-% erreicht. Der überwiegende Anteil der verbleibenden CO2-Menge wurde erst während des Spülens mit Luft vom Adsorptionsmittel abgelöst und ausgetragen. Die bei der Desorption und dem nachfolgenden Spülen erlangte Beladungskapazität erlaubte beim zyklischen Betrieb der Reaktionsbehälter Taktzeiten bis zu acht Minuten ohne CO2-Durchbruch bei der Adsorption. Die unerwünschte Co-Adsorption von Wasser aus dem wasserdampfgesättigten Abgas erwies sich bei dem eingesetzten Adsorbens als erfreulich gering. Ebenfalls positiv ist, dass auch nach mehrmonatigem Versuchsbetrieb mit mehr als 1 000 Ad-/Desorptionszyklen mit realem Rauchgas keine Degradation des Adsorbens festzustellen war.

Basierend auf Untersuchungen zum Energiebedarf für die Regeneration des Adsorbens sowie zum Gesamtenergiebedarf der Anlage erfolgten abschließend Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit des untersuchten Verfahrens und eine erste Bewertung der trockenen Adsorption im Vergleich zu alternativen Verfahren. Dabei zeigte sich, dass die spezifischen Abscheidekosten bisher weit über denen anderer CO2-Abscheideverfahren liegen. Dies ist u. a. auf die bisher unzureichende Desorption zurückzuführen.

Bei der verfahrensgestützten Prozessmodellierung konnte gezeigt werden, dass eine Einbindung der trockenen Adsorption am Ende des Klinkerbrennprozesses (Post-Combustion-Verfahren) problemlos möglich wäre. Allerdings ließe sich mit einer einstufigen Adsorption keine ausreichende CO2-Minderung erreichen – erst mit einer dreistufigen Adsorption wäre eine praktisch vollständige CO2-Abscheidung möglich. Weiterhin zeigten die Modellierungen für eine BAT-Anlage (Best Available Techniques), dass bei einer angenommenen Rohmaterialfeuchte von 2 % die gesamte Regenerationswärme aus dem Klinkerbrennprozess bereitgestellt werden könnte. Darüber hinaus wurde deutlich, dass der eigentliche Klinkerbrennprozess durch die Einbindung einer trockenen Adsorption kaum beeinflusst würde und somit eine Nachrüstung an bestehenden Anlagen grundsätzlich möglich wäre. Zuvor wären allerdings umfangreiche weitere Untersuchungen, u. a. mit verbesserten Adsorbentien, durchzuführen.

Förderer

Das IGF-Vorhaben 17796 N der Forschungsvereinigung VDZ gemeinnützige GmbH – VDZ gGmbH, Tannenstraße 2, 40476 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Kontakt

Dr. Volker Hoenig

Dr. Volker Hoenig

Tel.: (0211) 45 78-254

Fax: (0211) 45 78-400

Projektzeitraum

02/2013 - 02/2016