Modellierung und Entwicklung der Dekarbonisierung einer Abfallverbrennungsanlage durch Rauchgasaufbereitung mit CO2-Bereitstellung - DrACO2

Abstract

Bearbeitet beim CUTEC wurden drei Aufgaben: 1. Erstellung eines einfachen chemisch-physikalischen Modells, 2. Experimentelle Entwicklung Dekarbonisierung, 3. Wirtschaftliche Betrachtung einer Modellanlage. Motivation war die wissenschaftliche Unterstützung der Förderung der CO2-Absorption mittels Aminwäsche hinter Abfallverbrennungsanlagen. Begonnen wurde mit einer umfangreichen Literaturrecherche. Die gewonnenen Erkenntnisse sowie eine am CUTEC vorhandene Lizenz für das Programm ChemCAD ermöglichten die Erstellung eines einfachen chemisch-physikalischen Modells einer Aminwäsche. Dies wurde zur Unterstützung der Versuchsplanung und der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen genutzt. Für die experimentelle Entwicklung wurde eine Laborapparatur installiert und eine vorhandene Selexolwäsche im Technikumsmaßstab umgebaut. Erster Schritt der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen war eine Umfrage unter Betreibern von Müllverbrennungsanlagen zu historischen und aktuellen Daten bezgl. Abfalldurchsatz, Heizwert sowie Dampf- und Stromabgabe. Die Antworten wurden mit Literaturwerten sowie einer bei CUTEC vorhandenen Datenbank kombiniert, um eine Modell-Abfallverbrennungsanlage zu konzipieren. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen erfolgten mit einer Dynamischen Methode. Als ein Ergebnis der Simulationen stellte sich schnell heraus, dass bei Variation verfahrenstechnischer Parameter ab einer CO2-Abscheiderate von ca. 90 % die Kurven abflachen. Eine Verbesserung wird nur durch eine unverhältnismäßig hohe Steigerung von Stellgrößen (z.B. des Energieeinsatzes) erreicht. Bei den Experimenten erwies sich die Dichtemessung als eine schnelle und zuverlässige Methode zur Beurteilung der Beladung der Waschflüssigkeit mit CO2. An der Technikumsanlage wirkten metallische Verunreinigungen wie Kupfer, Mangan oder Zink schon in kleinen Mengen als Gift für das Waschmittel MEA-Lösung. Saure Gasbestandteile wie HCl und SO2 förderten gleichfalls die Zersetzung. Eine Variation des O2-Gehaltes im eintretenden Gas zeigte keinen Effekt. Mit Wechsel des primären Amins MEA auf das sekundäre DEA gestaltete sich die Absorption träger. Ein Ausgleich konnte durch die Erhöhung der nutzbaren Absorberlänge erzielt werden. Beim Desorber war eine leichte Herabsetzung von Kolonnentemperatur und Sumpfumlauf möglich. DEA erwies sich gegenüber Verunreinigungen als stabiler. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen an einer Modellanlage zeigten für den Fall, dass die Betreiber von Abfallverbrennungsanlagen die Kosten für die CO2-Zertifikate nicht durch zusätzliche Einnahmen ausgleichen können, die Gefahr eines schnellen Abrutschens in die Unwirtschaftlichkeit. Durch Sensitivitätsanalysen konnten verschiedene betriebswirtschaftliche Chancen identifiziert und quantifiziert werden, die sich durch eine Aminwäsche ergeben. Als erstes ist der Zeitpunkt der Investition wichtig. Er sollte so gelegt werden, dass die Einnahmesituation durch maximal an die Kunden durchreichbare CO2-Kosten optimiert ist. Gemäß der Rechnungen ist es vorteilhaft, nicht auf technisch mögliche 90% Abscheidung auszulegen, sondern so, dass die Einnahmen durch CO2-Verkauf oder die Kostenersparnis durch Vermeidung von Emissionszertifikaten maximal werden. Dabei ist juristisch zu prüfen, ob der fossile Teil des CO2 der Aminwäsche zugerechnet werden kann. Ferner sollte der Energiebedarf der Aminwäsche durch anlagentechnische Optimierungen im MHKW-Teil bestmöglich gedeckt werden. Die größte betriebswirtschaftliche Chance aber bietet sich, wenn das Müllheizkraftwerk vom CO2-Emittenten zum Kohlenstoff-Lieferanten wird, d.h. das aufbereitete CO2 verkaufbar ist. Als eine wesentliche Schlußfolgerung kann festgehalten werden, dass Amine als Waschmittel zur CO2-Absorption hinter Abfallverbrenungsanlagen einsetzbar sind. Dies muss nicht unbedingt das populäre MEA (Monoethanolamin) sein; denkbar sind auch Alternativen wie sekundäre Amine, z.B. DEA. Bei der Anlagenplanung sollte genauestens auf die Vermeidung der Gefahr des Eintrags metallischer Verunreinigungen in das Waschmittel geachtet werden. Zur Vermeidung der Anreicherung von HCl und SO2 kann eine kontinuierliche Teilauschleusung des Waschmittels hilfreich sein . Eine CO2-Abscheidung über 90% dürfte v.a. aus energetischer Sicht nicht erstrebenswert sein. Die Wirtschaftlichkeit einer Aminwäscheinvestition gewinnt betriebswirtschaftlich signifikant an Attraktivität, wenn das gewonnene CO2 vermarktbar ist.