CONDRA: Kombinierte CO2-Abtrennung und Energieeinsparung an Industrieöfen durch Nutzung dezentral erzeugten Rein-Sauerstoffs

Abstract

Ziel des F&E-Vorhabens war die Demonstration der CO₂-Abtrennung aus gasbeheizten Industrieöfen. Der verfolgte Lösungsansatz basiert auf der Oxyfuel-Verbrennung des Brenngases mit reinem Sauerstoff (O₂). Das entstehende Abgas besteht im Wesentlichen aus CO₂ und H₂O (Dampf), wobei letzterer durch Kondensation abgetrennt wird. Der benötigte Sauerstoff wird dabei vor Ort mittels keramischer Membranen erzeugt, die durch Nutzung von Abwärme auf Betriebstemperatur gehalten werden. Bei Hochtemperaturprozessen (> 1000 °C) kann durch den erhöhten verbrennungstechnischen Wirkungsgrad eine größere Menge an Primärenergie (Brenngas) eingespart werden, als elektrische Energie für die O₂-Bereitstellung erforderlich ist. Im Rahmen des Projekts wurde eine Demonstratoranlage für einen Oxyfuel-Erdgasofen in Kombination mit einem Sauerstoff-Membrangenerator konzipiert, ausgelegt und konstruiert. Zur Anlagenauslegung wurden Teiluntersuchungen zur Extrusion und Sinterung von MIEC-Membranen durchgeführt. Diese Membranen wurden anschließend in optimierten Membranmodulen in das Anlagenkonzept integriert. Darüber hinaus wurde ein Konzept zur wärmetechnischen Kopplung des Prozesses entwickelt. Nach Auswahl der peripheren Komponenten erfolgten die konstruktive Umsetzung sowie die vollständige Dokumentation der Anlage in Form von R&I-Schema, Stückliste und Konstruktionszeichnungen. Zentrale Teilsysteme (u. a. Oxyfuel-Brenner, Pumpen, Wärmetauscher) wurden in numerischen und experimentellen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in der Anlage bewertet und optimiert. In einer abschließenden technischen und wirtschaftlichen Bewertung wurden die gewonnenen Erkenntnisse auf eine Anlage mit einer Produktionskapazität von 2000 Nm³/h O₂ skaliert und im Hinblick auf ihre technische Machbarkeit sowie Wirtschaftlichkeit eingeordnet. The objective of the planned R&D project was to demonstrate CO₂ capture from gas-fired industrial furnaces. The pursued solution is based on the oxyfuel combustion of the fuel gas using pure oxygen (O₂). The resulting flue gas consists mainly of CO₂ and H₂O (steam), the latter being removed by condensation. The required oxygen is generated on site by means of ceramic membranes that are kept at operating temperature through the utilization of waste heat. In high-temperature processes (> 1000 °C), the increased combustion efficiency enables savings in primary energy (fuel gas) that exceed the electrical energy required for O₂ production. Within the scope of the project, a demonstrator plant for an oxyfuel natural gas furnace combined with an oxygen membrane generator was conceptualized, designed, and engineered. For the plant design, sub-studies on the extrusion and sintering of MIEC membranes were carried out. These membranes were subsequently integrated into the plant concept in the form of optimized membrane modules. In addition, a concept for the thermal coupling of the process was developed. After the selection of peripheral components, the mechanical design was implemented, and the complete plant was documented in the form of a P&ID, bill of materials, and detailed design drawings. Key subsystems (including the oxyfuel burner, pumps, and heat exchangers) were evaluated and optimized in dedicated numerical and experimental studies regarding their suitability for use in the plant. In a final technical and economic assessment, the findings were scaled up to a plant with an oxygen production capacity of 2000 Nm³/h and evaluated in terms of technical feasibility and economic viability.