Untersuchung eines Sprühwäscheverfahrens zur CO₂-Abscheidung aus Rauchgasen kohlebefeuerter Kraftwerke

Kohlendioxid (CO₂), ein geruch- und farbloses Gas, wird bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzt und gilt als wesentlicher Treiber für die Erderwärmung. Um die mittlere globale Temperatur auf maximal 2°C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, werden sogenannte CC(U)S-Verfahren zur Abtrennung, Weiterverwendung und Speicherung von CO₂ aus Rauchgasen fossil befeuerter Kraftwerke diskutiert. Ein der konventionellen Rauchgasreinigung nachgeschaltetes CO₂-Abscheideverfahren stellt die chemische Absorption mit wässrigen Aminlösungen dar. Als Verfahrensalternative zu den üblicherweise angedachten Packungswäschern wird die Sprühwäsche gehandelt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, erstmals einen ganzheitlichen Sprühwäscheprozess mit Absorptionsmittelregeneration im Technikumsmaßstab aufzuzeigen. Schwerpunkte der Betrachtungen liegen vor allem auf der Abhängigkeit des Absorptionsprozesses vom Lastfall, d.h. hinsichtlich eines variierten Absorptionsmittel- und Rauchgasvolumenstroms, sowie von der Spraycharakteristik. Als Absorptionsmittel wird eine wässrige 30 Gew.-%ige Monoethanolaminlösung (MEA) eingesetzt. Versuchsbegleitend findet die Bestimmung der charakteristischen Tropfengröße eines Sprays, des sogenannten Sauterdurchmessers, messtechnisch mit Wasser statt.

Die Experimente zeigen, dass 90% des CO₂ aus einem synthetischen Rauchgas über eine Absorberhöhe von mindestens 33 m abgeschieden werden können und bestätigen die Anwendbarkeit der Sprühabsorptionstechnologie als CC(U)S-Verfahren. Weiter kann über empirische Berechnungsgleichungen der Sauterdurchmesser einer neu entwickelten Bündeldüse mit Hohlkegeln sowie einer Vollkegeldüse in Abhängigkeit der Stoffdaten des MEA-H₂O-CO₂-Systems hergeleitet und anhand der Messdaten verifiziert werden. Um die wirtschaftlichen Einflussgrößen auf die CO₂-Abscheidung diskutieren zu können, werden der spezifische Stofftransportkoeffizient und die spezifische Stoffaustauschfläche anhand der experimentellen Daten über eine Modellberechnung ermittelt und die Berechnungsergebnisse mit Literaturdaten verglichen. Es zeigt sich, dass vor allem im unteren Bereich der Sprühwäschekolonne hohe CO₂-Beladungen der MEA-Lösung den spezifischen Stofftransportkoeffizienten reduzieren. Effizienzsteigernde Maßnahmen sind erforderlich, um den CO₂-Abscheidegrad weiter zu steigern und ein wirtschaftliches Anlagendesign mit geringen Absorberhöhen zu gewährleisten.