Amine und Aminmischungen zur CO2-Absorption aus Kraftwerksrauchgasen und ihr Energiebedarf zur Regeneration

Abstract

Zur Reduktion des Treibhausgase CO2 kann dieses abgeschieden und gespeichert werden. Das Post-Combustion Verfahren mit Aminwäsche bietet dabei eine vielversprechende Möglichkeit die CO2-Emissionen von fossil befeuerten Kraftwerken zu vermindern. Die zur CO2-Absorption meist eingesetzte Lösung von 30 Gew.-% Monoethanolamin (MEA) benötigt für die thermische Regeneration einen hohen Energie¬bedarf, der den Kraftwerkswirkungsgrad um bis zu 15 %-Punkte reduziert. Um diesen zu senken, ist es das Ziel dieser Arbeit zu MEA alternative Lösungsmittel, die eine effiziente CO2-Abscheidung ermöglichen, zu identifizieren.

Dazu wird in dieser Arbeit eine Methodik vorgestellt, die auf Grundlage von Screening-Ergebnissen die Abschätzung des Energiebedarfs zur Regeneration frühzeitig ermöglicht. Zunächst wird in diesem breit angelegten Screening das Absorptions- und Desorptionsvermögen einer Vielzahl an wässrigen Lösungen von Aminen und Aminmischungen ermittelt. Daraufhin wird eine Auswahl anhand vorteilhafter Eigenschaften gegenüber MEA getroffen, wobei eine hohe Absorptionsrate sowie Arbeitskapazität bei gleichzeitig kleiner 90 °C-Beladung von Vorteil sind. Anschließend werden in einer umfassenden Charakterisierung lösungsmittelspezifische Kenndaten, die zur Ermittlung des Energiebedarfs benötigt werden, bestimmt. Diese umfassen die Gleichgewichtsisothermen bei Absorptions- und Desorptionsbedingungen sowie die Absorptionsenthalpie. Auf deren Basis wird im Weiteren ein Modell entwickelt, um den Energiebedarf zur Regeneration zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Energie¬bedarf gegenüber MEA speziell für Lösungsmittel mit geringer 90 °C-Beladung und großer Arbeitskapazität reduziert werden kann, wobei die Stabilität der CO2-Amin-Bindung eine entscheidende Rolle spielt.

Schließlich wird zur Abschätzung des Energiebedarfs eine Korrelation auf Grundlage der Screening-Ergebnisse aufgestellt und auf alle untersuchten Lösungsmittel angewendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass speziell sekundäre Amine und Aminmischungen von Poly- und sekundären Aminen mit einem Trägeramin Potential zur Senkung des Energiebedarfs aufweisen und dieser gegenüber MEA bei vergleichbarer Kinetik um über 40 % reduziert werden kann.

To reduce the greenhousegas CO2 it may be captured and stored. Thereby post-combustion capture with amine scrubbing is one promising option to minimize CO2 emissions from fossil-fuel power plants. An aqueous solution of 30 mass% monoethanolamine (MEA) is often used for CO2 absorption. Its thermal regeneration requires a high energy damand, reducing the overall power plant efficiency up to 15 %-points. In order to minimize the energy requirement, it is the aim of this thesis to identify alternative solvents to MEA for a more energy efficient CO2 capture.

To this end a methodology based on screening results for an early estimate of the regeneration energy is given in this thesis. At first the absorption and desorption behaviour of several aqueous solutions of amines and amine mixtures are acquired in this broad screening. Then solvents with advantages compared to MEA are selected. These are a high absorption rate and high cyclic capacity in combination with a low 90 °C loading. Subsequently solvent specific data required to calculate the regeneration energy are determined in an extensive characterization. These include the vapor-liquid-equilibrium data at absorption and desorption conditions as well as the enthalpy of absorption. Based thereupon a model is developed to calculate the energy demand for regeneration. The results show that the regeneration energy compared to MEA can be reduced specifically for solvents featuring a low loading at 90 °C and a high cyclic capacity, whereby the stability of the CO2-amine-bond plays a decisive role.

Finally, in order to estimate the energy demand a correlation is established based on the screening results and applied to all studied solvents. The results show that, especially secondary amines and amine mixtures of poly- and secondary amines with a carrier amine have strong potential to optimize the energy demand. In comparison to MEA it can be reduced by more than 40 % while still achieving similar kinetics.