CO 2 Plus Stoffliche Nutzung von CO 2 zur Verbreiterung der Rohstoffbasis CO2Selekt

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1 CO 2 Plus Stoffliche Nutzung von CO 2 zur Verbreiterung der Rohstoffbasis CO2Selekt Udo Lubenau DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH 1. Statuskonferenz Berlin

2 GLIEDERUNG CO 2 Selekt Projektinhalt Arbeitspakete und Stand der Arbeiten Anforderungen aus Abgasströmen Hintergrund Membrantrennung Abgasfiltration Membrantrennung Pilottests CO2-Plus 2

3 PROJEKTZIELE CO2Selekt Aufbau eines mobilen Teststandes zum Nachweis einer kombinierten Staubabscheidung und selektiven CO 2 -Abtrennung aus heißen Abgasen von Stahl-, Kalk- und Dolomitwerken Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung eines Gesamtkonzeptes zur Heißgasentstaubung mit keramischen Filtern mit anschließender CO 2 - Abtrennung mit robusten, nanoporösen Membranen auf Kohlenstoffbasis Entwicklung eines mehrstufigen Gesamtverfahrens zur CO 2 -Abtrennung aus den staubbeladenen Abgasen nach vorheriger Heißentstaubung Planung und Aufbau eines Demonstrators und Überprüfung des Gesamtkonzeptes an realen Abgasen aus der Kalk- und Stahlindustrie Ökonomisch und Ökologische Betrachtung des Gesamtkonzeptes auf Basis der Untersuchungsergebnisse CO2-Plus 3

4 PROJEKTPARTNER DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Membrantestung, Versuchsaufbauten Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme Membranentwicklung und-herstellung (Standort Hermsdorf) Filtertechnik Walhalla Kalk GmbH & Co. KG J. Bergmann GmbH & Co Wünschendorfer Dolomitwerk GmbH BGH Edelstahl Freital GmbH Über diese 4 Industriepartner Anbindung an reale Bedingungen der Produzenten CO2-Plus 4

5 ARBEITSPAKETE CO 2 SELEKT CO2-Plus 5

6 STAND DER ARBEITEN Arbeitspakete QT 1. QT 2. QT 3. QT 4. QT 1. QT 2. QT 3. QT 4. QT 1. QT 2. QT 3. QT AP O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S 0 Management 1 Definition Parameter, Betriebspunkte und Schnittstellen 1.1 Abgase der Stahlindustrie 1.2 Abgase der Kalkindustrie 2 Voruntersuchungen und Grobauslegung Demonstrationsanlage 3 Optimierung der Komponenten 3.1 Filteroptimierung 3.2 Membranoptimierung 3.3 Prozessoptimierung Entstaubung 3.4 Prozessoptimierung CO2-Abtrennung 4 Bau mobile Demonstrationsanlage 4.1 Layout und Konstruktion 4.2 Fertigung der Komponenten 4.3 Fertigung der mobilen Demonstrationsanlage 5 Implementierung Demonstrationsanlagen 6 Betrieb mobile Demonstrationsanlage 7 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Verwertung CO2-Plus 6

7 ANFORDERUNGEN ABGASE KALK- /DOLOMITINDUSTRIE Kalkindustrie ca. 65 meldepflichtige Anlagen (2014) Emissionen von 5 bis < kt CO 2 /a mit zahlenmäßigem Schwerpunkt bei kt/a Eisen- und Stahlindustrie ca. 122 Standorte Kalkindustrie mind. 5 verschiedene Ofentypen (Drehrohrofen, Schachtöfen, Gleichstrom-Gegenstrom- Regenerativ Ofen) dabei wieder Unterschiede durch Alter und Hersteller Variabler Brennstoffeinsatz (Kohle, Erdgas) damit Variation der Abgaszusammensetzungen, Entnahmemöglichkeiten, Begleitstoffen Zyklische Fahrweisen sind anzutreffen (z.b. GGR-Ofen 12-Min.Rythmus) Verteilung der Standorte der Kalkproduktion in D CO2-Plus 7

8 EIGENSCHAFTEN DER ABGASE Abgaseigenschaften Wasserdampfgesättigt (Taupunkt um 90 C) Spuren von SO 2 (Größenordnung 10 mg/m³), NO x (Größenordnung 100 mg/m³) und CO enthalten Staubkonzentration Nach dem Filter 10 mg/m³ CO 2 -Konzentration Schwankend zwischen 12 und 20 Vol.-% Volumenstrom ca m³/h tr. i.n. Abgastemperaturen Absenkung auf Grund der Filter in der Kalkindustrie (< 190 C), Trend im Kalkwerk bei 90 C bis 170 C Kühlung durch Verdünnung mit Luft nicht gewünscht, da es die CO 2 -Konzentration absenkt Stahlwerk ca. 300 C Abgastemperatur Abgas im Prinzip drucklos Leichter Überdruck (GGR-Ofen) bis Einsatz von Sauggebläsen anzutreffen Triebkraft für Membranprozess (Druckdifferenz) nicht ausreichend CO2-Plus 8

9 GASANALYSEN KALKWERK/STAHLWERK CO2-Plus 9

10 ANBINDUNG DOLOMITWERK WÜNSCHENDORF CO2-Plus 10

11 FILTERTECHNIK Stand der Technik Verdünnung des Abgases mit Luft notwendig zur Abkühlung Abkühlung notwendig, um preiswerte Textilfilter einsetzen zu können Lösung temperaturstabile keramische Filter, z.b. Filterkerzen mit pulsierender Abreinigung Problem : Nicht druckaufgeladener Prozess bei hohen Volumenströmen, Gegendruck darf nur weinige mbar betragen Kombination von Zyklon (Grobreinigung) und Filter (Feinreinigung) Filterstaub Partikelgröße Hauptelemente (> 1 Ma.-%) Phasenbestand d 10 d 50 d 90 Firma 1 1,6 µm 81,0 µm Firma 2 0,9 µm 4,3 µm 16,6 µm 366 µm Ca, Si, Al, Mg, K, Fe CaCO 3, CaO, SiO 2 (Quartz)) Mo, W, Cr, Fe, K, Si CO2-Plus 11

12 FILTRATIONSMODUL Anwendungstemperatur C Flächenbelastung Filter 0,5 1,5 m³/(m²*min) Volumenstrom Heißgas m³/h Filterkerzen 1 5 Stk.; 60 mm x mm / 1 Stk.; 150 mm x mm Puls-Jet-Abreinigung für kontinuierlichen Filterbetrieb Test mit Prüfstaub an Heißgasprüfanlage Beladungs-Gegendruckkurve bei der Heißgasfiltration von Modellstaub im Heißgasprüfstand (Filterfläche 0,14 m², Abgasmassenstrom 100 kg/h) CO2-Plus 12

13 MEMBRANTECHNIK Stand der Technik Verschiedene Membrantypen im Test Laborergebnisse der preiswerten Polymermembranen bisher nicht in Realität übertragbar Membranen aus Biogas- und Erdgasaufbereitung nicht einfach umsetzbar Erhebliche Membranvielfalt theoretisch verfügbar Projekt Nutzung von Kohlenstoffmembranen chemisch stabil und temperaturbeständig Herstellung im Fraunhofer IKTS Einkanalrohr, 0,5 m Länge Kohlenstoffmembran Graphitstruktur CO2-Plus 13

14 Permeate concentration CO 2 [%] CO 2 -ABTRENNUNG - KOHLENSTOFFMEMBRAN Membranherstellung Reproduzierbare Herstellung gelungen Pilotanlage kann bestückt werden Tests der Trenneigenschaften unter verschiedenen Bedingungen laufen (Gaszusammensetzung, Temperatur, Druck, Wassergehalt) Abhängigkeiten der Trenneigenschaften von CO 2 -Konzentration Temperatur (Test von 20 C bis 200 C) Triebkraft Einkanalrohre mit einer Länge von 0,5 m 2 bar 4 bar 6 bar 8 bar 10 bar Feed concentration CO 2 [%] Permeatkonzentration als Funktion der Feedzusammensetzung bei der CO 2 /N 2 -Mischgasmessung CO2-Plus 14

15 MESSERGEBNISSE MEMBRANEN VOR OPTIMIERUNG Permeanz ( CO 2 -Permeanz) [m³/m²/h/bar] Selektivität CO 2 /N 2 Einzelgase (berechnet) CO 2 /N 2 (10:90) CO 2 /N 2 (20:80) Einzelgase (berechnet) CO 2 /N 2 (10:90) CO 2 /N 2 (20:80) 25 C 2,6 2,55 1,09 6,9 52,3 27,3 100 C 2,9 1,22 1, Permeabilität bei 100 C und 200 C inzwischen 2,4 m³/(m²/h/bar) Selektivität stabil über 10 Grad der CO 2 -Abtrennung über Membranfläche einstellbar, Reinheit über Stufenanzahl Ziel: Abtrennung von 90 % des CO 2 Realtest vor Membraneinsatz notwendig, da die Bedingungen vor Ort an den Anlagen sehr verschieden sein können. CO2-Plus 15

16 PILOTANLAGE Pilotanlage betriebsbereit Membrantests laufen Gastemperatur Eingang bis 300 C 5 Module mit 15 Membranen Gasvolumen 1-10 m³/h Verdichtung des Abgases auf ca. 4 bar Einhausung fehlt noch Staubbelastung sehr hoch Standorte mit Industriepartnern geklärt CO2-Plus 16

17 PILOTVERSUCHE /STANDORTE Standorte Pilotanlage in den Kalkwerken in Regensburg und Azendorf CO2-Plus 17

18 DANKSAGUNG Danksagung an: CO2-Plus 18

19 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Ihr Ansprechpartner Udo Lubenau DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Karl-Heine-Straße 109/111 D Leipzig Fachgebietsleiter Gaschemie / Gasaufbereitung Tel.: (+49) Fax: (+49) Web: Udo.Lubenau@dbi-gruppe.de