Projektstatus
Abgeschlossen – 01.06.2010 bis 31.05.2013
Projektbeschreibung
Beim Carbonate-Looping-Verfahren handelt es sich um einen effizienten Prozess zur CO₂-Abscheidung aus Abgasen fossiler Verbrennungsprozesse. Dabei wird Kalkstein als Absorbens eingesetzt, wobei dem Prozess aufgrund einer fortschreitenden Deaktivierung ein stetiger Makeup-Strom an Kalkstein zugeführt bzw. ein entsprechender Feststoffstrom entzogen werden muss. Ziel dieses IGF-Vorhabens war zu untersuchen, ob eine Verwertung des abgezogenen Feststoffs in der Zementindustrie möglich ist.
Zunächst wurden Versuche im semi-industriellen Maßstab an einer 1 MWₜₕ Carbonate-Looping-Versuchsanlage der TU Darmstadt bestehend aus zwei gekoppelten zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren durchgeführt. Zur optimierten Entnahme von Feststoff-Proben aus den Wirbelschichtreaktoren wurde eine Feststoffentnahmeschleuse konstruiert. Versuche im Batchbetrieb zeigten, dass die CO₂-Konzentration im Abgas bis zur Gleichgewichtskonzentration reduziert werden kann. Versuche im kontinuierlichen Betrieb zeigten, dass mit dem Carbonate-Looping-Verfahren CO₂-Abscheideraten von über 90 % realisiert werden können. Durch die Zugabe von geringen Mengen an frischem Kalkstein wurden Verluste des Feststoffinventars ausgeglichen, welche mit dem Abgas aus den Wirbelschichtreaktoren ausgetragen wurden. Während und nach den Versuchskampagnen wurden Feststoffproben an unterschiedlichen Positionen (Reaktoren, Staubfilter) der Versuchsanlage entnommen und zur weiteren Analyse an das Forschungsinstitut der Zementindustrie übermittelt.
Für die Berechnung der 1 MWₜₕ Versuchsanlage wurde ein Prozessmodell entwickelt. Zur Modellierung der CO₂-Einbindung im zirkulierenden Wirbelschichtreaktor wurde ein eindimensionales analytisches Modell für „schnelle“ Wirbelschichten (engl. „fast fluidization“) implementiert. Mit dem Prozessmodell wurden Simulationen der Versuchskampagnen in der 1 MWₜₕ Versuchsanlage durchgeführt. Die berechnete CO₂-Abscheiderate zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen.
Anhand der aus der 1 MWₜₕ Versuchsanlage entnommenen Feststoffproben wurde die Verwertung des deaktivierten Sorbens im Klinkerbrennprozess untersucht. Analytischchemische Bestimmungen der Hauptkomponenten und auch von Spurenbestandteilen ergaben, dass aus stofflicher Sicht ein Einsatz als alternatives Rohmaterial in Zementofenanlagen möglich ist. Ergänzend dazu wurden aus den Sorbensproben und notwendigen Korrekturstoffen Laborklinker gebrannt, die chemisch-mineralogisch charakterisiert wurden. Dabei zeigte sich, dass die relevanten Klinkerphasen gebildet wurden und auch ein Gefüge ausgebildet wurde, das einem technisch hergestellten Zementklinker gleichkommt. Aus dem Laborklinker hergestellte Zemente erreichten die Druckfestigkeiten von marktüblichen Zementen. Darüber hinaus wurden mit einem bestehenden Prozessmodell geprüft, welche Auswirkungen der Einsatz des deaktivierten Sorbens auf den Produktionsprozess haben könnte. Neben einer signifikanten Minderung der CO₂-Emission und des Energiebedarfs würden Verschiebungen der Temperaturprofile im Drehrohrofen auftreten. Daher wäre es angebracht, an bestehenden Ofenanlagen die Substitutionsrate unter 30% zu begrenzen.
Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Anwendung des Carbonate-Looping-Verfahrens in Kraftwerken und die Verwertung des ausgeschleusten Sorbens in der Zementindustrie deutliche Synergieeffekte zwischen beiden Branchen ermöglicht.
