DE102017103701A1

DE102017103701A1 - Verfahren zur Nachverbrennung von Rauchgasen

Info

Publication number: DE102017103701A1
Application number: DE102017103701.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Plichta
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2018-08-23
Also published as: RU2019129616A; EP3585502A2; RU2019129616A3; WO2018154071A3; CN110709151A; WO2018154071A2; US20190388834A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachverbrennung von Rauchgasen, wobei dem Rauchgas ein Silan oder Silizium und Wasserstoff oder eine Wasserstoff freisetzende Verbindung zur Nachverbrennung zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung eingerichtet zur Ausführung des Verfahren zur Nachverbrennung von Rauchgasen. Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung des durch das Verfahren erzeugten Siliziumcarbids und/oder Siliziumnitrids in der Bauindustrie, sowie Wasserdampfs zur Stromerzeugung mittels einer Turbine.

Description

Seit Jahren wird das Treibhausgas Kohlendioxid als Ursache für den Klimawandel angesehen. Auf Betreiben des Weltklimarates werden große Anstrengungen unternommen, die Emission von CO₂ zu reduzieren, um den Anstieg der globalen Temperaturen auf maximal 2 Grad bis Ende dieses Jahrhunderts zu begrenzen. Der Weltklimarat fordert darüber hinaus ab ca. 2030 nicht nur die Emissionen zu senken, sondern auch aktiv der Atmosphäre CO₂ zu entziehen. Hierbei sehen Fachleute das Einbringen von CO₂ unter Druck in unterirdische Kammern sehr kritisch. Auch die Speicherung von CO₂ an Ammoniak zur Erzeugung von stickstoffhaltigem Dünger wird von Chemikern negativ eingeschätzt.
Da Solarzellen nur bei Tageslicht und gutem Wetter arbeiten und Windkraftanlagen bei Windstille nicht drehen, wurde die Stromherstellung mit Hilfe von Kohle oder Erdgas bisher weiterhin als notwendig eingestuft. Inzwischen besteht die Absicht, zur Senkung des CO₂-Ausstoßes die Herstellung von Strom über Solarzellen und Windkraftanlagen so weitgehend zu betreiben, dass Kohlekraftwerke abgestellt werden können. Sogar die bisher als umweltfreundlich angesehenen erdgasverarbeitenden Kraftwerke werden vom Stromnetz genommen.
In großen Mengen entsteht Kohlendioxid in fossil betriebenen Verbrennungsstätten wie Gas-, Kohle- und Braunkohle-Kraftwerken, Zementwerken, Kreuzfahrtschiffen, Containerschiffen, und Müllverbrennungsanlagen. Die Rauchgase, die bei der Stromerzeugung mit Kohle oder Erdgas entstehen, enthalten zum größten Teil sehr heißen Stickstoff, hohe Mengen an Kohlendioxid und wenige, jedoch als Atemgifte eingestufte, Stickoxide sowie Rußpartikel.
Die Verbrennung von Monosilan mit CO₂ ist bekannt: SiH₄ + CO₂ = 2 H₂O + SiC. Aus der Schrift DE 44 37 524 A1 ist die Reaktion von Siliziumwasserstoffverbindungen mit Stickstoff und/oder Stickstoffverbindungen bei erhöhten Temperaturen in einer Brennkammer bekannt. Weiterhin ist aus der Schrift DE 101 45 115 A1 bekannt, die Verbrennung Siliziumhaltiger Kraftstoffe wie Silanöle und pulverförmigen Siliziums in einer Brennkammer zum Antrieb einer Kraftmaschine zu nutzen.
Es besteht Bedarf, die Stromerzeugung mit Hilfe von Erdgas oder Kohle dahingehend abzuändern, dass die Verbrennungsgase, enthaltend insbesondere erhitzten Stickstoff, Spuren von Stickoxiden sowie heißes Kohlendioxid, nicht in einen Schornstein abgeleitet werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid aus Rauchgasen anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Nachverbrennung von Rauchgasen ist vorgesehen, dass dem Rauchgas

- ein Silan und/oder
- Silizium und Wasserstoff oder eine Wasserstoff freisetzende Verbindung zur Nachverbrennung zugeführt wird.

Unter dem Begriff „Rauchgas“ wird ein bei der technischen Verbrennung von Brennstoffen entstehendes gasförmiges Verbrennungsprodukt verstanden, welches insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid und Spuren von Stickoxiden enthält, sowie Festkörperpartikel wie Flugasche und Ruß enthalten kann. Unter einer „Nachverbrennung“ von Rauchgasen wird vorliegend eine weitere Verbrennung eines aus einer primären Verbrennung stammenden Rauchgases verstanden.
Mittels eines solchen Verfahrens der Nachverbrennung unter Verwendung von Silan oder Silizium und Wasserstoff oder einer Wasserstoff freisetzenden Verbindung wird die Energie der heißen Gase nicht über einen Schornstein in die Atmosphäre geleitet, sondern kann durch eine weitere Verbrennung energetisch nutzbar gemacht werden. Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, Kohlendioxid in Abgasen mit Hilfe von flüssigen Silanen zu verbrennen. So kann eine Verbrennung der als schädlich erachteten Rauchgase CO₂ und NO_x des Abgasstroms von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Anlagen erzielt werden.
Das Silan kann ein flüssigförmiges oder festförmiges Silan sein, insbesondere ein flüssiges Silan. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Silan ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Pentasilan Si₅H₁₂, Hexasilan Si₆H₁₄, Heptasilan Si₇H₁₆, Oktasilan Si₈H₁₈, Nonasilan Si₉H₂₀, Dekasilan Si₁₀H₂₂, Undekasilan Si₁₁H₂₄, Dodekasilan Si₁₂H₂₆, Tridekasilan Si₁₃H₂₈, Tetradekasilan Si₁₄H₃₀ und/oder Pentadekasilan Si₁₅H₃₂.
Anstelle eines höheren Silans können dem Rauchgas Silizium und Wasserstoff oder eine Wasserstoff freisetzende Verbindung zur Nachverbrennung zugeführt werden. Als Wasserstoff freisetzende Verbindung ist beispielsweise Ammoniak verwendbar. Das Silizium kann pulverförmig oder in amorpher Form vorliegen. Beispielsweise können Siliziumpulver und Ammoniak (NH₃) als Wasserstofflieferant verwendet werden. An Stelle von Siliziumpulver kann amorphes Silizium, das zweckmäßigerweise mit einer Lauge angeätzt ist, zur Anwendung kommen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Silan oder das Silizium und Wasserstoff oder die Wasserstoff freisetzende Verbindung einer Nachverbrennungs-Einrichtung einer Verbrennungsanlage für fossile Brennstoffe wie Kohle zugeführt werden. Das Rauchgas kann vor der Zuführung gereinigt werden, insbesondere von enthaltenen Festkörperpartikeln wie Flugasche und Ruß.
Es wird angenommen, dass der Wasserstoff der Silankette die Sauerstoffatome des Kohlendioxids angreift und zu Wasser verbrennt, der Stickstoff mit dem Silizium zu Siliziumnitrid reagiert und sich der Kohlenstoff mit dem Silizium zu Siliziumcarbid verbindet. Als Produkte der Nachverbrennung entstehen somit Wasser sowie Siliziumcarbid und Siliziumnitrid. Die durch die Nachverbrennung des im Rauchgas enthaltenen Stickstoffs, Stickoxids und Kohlendioxids mit dem Silan oder Silizium und Wasserstoff oder der Wasserstoff freisetzenden Verbindung entstehenden Produkte wie Siliziumcarbid und Siliziumnitrid und Wasser können in vorteilhafter Weise weiterverwendet werden.
Die Nachverbrennung kann an einen primären Verbrennungsprozess zur Stromerzeugung, insbesondere einen fossilen Verbrennungsprozess gekoppelt werden. Zum einen kann dadurch der Ausstoß an CO₂ in Abgasströmen von auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe beruhenden Kraftwerken in vorteilhafter Weise reduziert werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung kann der durch die Nachverbrennung erzeugte Wasserdampf beispielsweise zur Stromerzeugung mittels einer Turbine verwendet werden. Die Wärmeentwicklung bei der Nachverbrennung, beispielsweise in einer Abgasbrennkammer, ist sehr viel höher als bei der primären Verbrennung der fossilen Brennstoffe. Somit kann die Nachverbrennung zusätzliche Verbrennungswärme liefern. In vorteilhafter Weise kann das Verfahren der Nachverbrennung unter Gewinnung thermischer Energie durchgeführt werden. Zur Erzeugung des für den Betrieb einer in einer Verbrennungsanlage vorgesehenen Turbine nötigen Wasserdampfdrucks, bei gleicher Leistungsabgabe, kann daher die Menge des fossilen Brennstoffs reduziert werden. Insbesondere kann in einer Verbrennungsanlage für fossile Brennstoffe, in der bereits eine Turbine zur Stromerzeugung vorgesehen ist, deren volle Leistung abgerufen werden und zusätzlich eine zweite Turbine zur erhöhten Stromerzeugung betrieben werden. Es liegt somit nahe, dass letztlich auf die primäre Verbrennung fossiler Brennstoffe ganz verzichtet werden kann, und beispielsweise nur flüssige Silane verbrannt werden.
Die als Produkte der Nachverbrennung entstehenden Verbindungen Siliziumcarbid und Siliziumnitrid stellen einen begehrten Wert- bzw. Werkstoff dar und können aufgefangen und weiterverwendet werden. Beide Stoffe besitzen die Diamanthärte 9. Siliziumcarbid besitzt Diamantstruktur, während Siliziumnitrid über eine große Beständigkeit gegenüber Hitze oder chemische Einflüsse verfügt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bildet die Verwendung des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Siliziumcarbids und/oder Siliziumnitrids in der Bauindustrie, insbesondere im Betonbau. So können Mischung aus entstandenem Siliziumcarbid und Siliziumnitrid ihren Einsatz in der Bauindustrie finden. Beispielsweise sei der Einsatz im Betonbau genannt. Beton, ob im Hochbau oder Straßenbau, wird zunehmend immer stärkeren Belastungen ausgesetzt. Hierbei kann eine dem Rührbeton zugeführte Beigabe aus Siliziumcarbid und Siliziumnitrid diesen belastbarer machen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Nachverbrennung von Rauchgasen, wobei die Vorrichtung eine Nachverbrennungs-Einrichtung oder Nachbrennkammer eingerichtet zur Verbrennung von Rauchgas aufweist. Verbrennungsanlagen für fossile Brennstoff können insbesondere fossil betriebene Verbrennungsstätten wie Gas-, Kohle- und Braunkohle-Kraftwerke, Müllverbrennungsanlagen, Zementwerke, Kreuzfahrtschiffe und Containerschiffe sein. Die Vorrichtung kann eine Verbrennungsanlage für fossile Brennstoffe wie Kohle sein. Die Vorrichtung kann insbesondere ein Kraftwerke zur Stromerzeugung mittels Kohle oder Erdgas sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Silan oder das Silizium und Wasserstoff oder die Wasserstoff freisetzende Verbindung der Nachverbrennungs-Einrichtung der Vorrichtung, beispielsweise einer Verbrennungsanlage für fossile Brennstoffe wie Kohle, zugeführt werden. Das Rauchgas kann vor der Zuführung gereinigt werden, insbesondere von enthaltenen Festkörperpartikeln wie Flugasche und Ruß.
In Ausführungsformen der Vorrichtung weist diese eine Kammer eingerichtet für die Aufnahme von Silanen, beispielsweise einen Tank, auf und/oder eine oder mehrere Kammern eingerichtet für die Aufnahme von Silizium und Wasserstoff oder eine Wasserstoff freisetzende Verbindung.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt die

1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungsanlage zur Ausführung einer Nachverbrennung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 eine vergrößerte Darstellung der in 1 gezeigten Abgasverbrennungskammer zur Verdeutlichung der chemischen Vorgänge der Nachverbrennung.
3 eine schematische Darstellung einer Verbrennungsanlage zur Ausführung einer Nachverbrennung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In 1 ist eine Verbrennungsanlage für fossile Brennstoffe gezeigt, in welcher Erdgas oder Kohle in einer Brennkammer 1 verbrannt werden. In einem darüber befindlichen Tank oder Wasserbehälter 2 wird durch die Verbrennung Wasserdampf 3 erzeugt, der über eine vorzugsweise über ein Ventil 4 geregelte Zuführung die Turbine 5 antreibt. Turbine 5 sowie ein Generator dienen der Erzeugung elektrischen Stroms. Über ein Abgasrohr 6 werden, insbesondere nach einer Reinigung des Rauchgases in einer entsprechenden Vorrichtung 7, die Rauchgase in eine Abgasverbrennungskammer 8 geleitet. Dort wird mit Hilfe von Silan oder Silizium und Wasserstoff oder einer Wasserstoff freisetzenden Verbindung, beispielsweise einem flüssigen Silan aus einem Silan-Tank 9, das Kohlendioxid des Rauchgases zu Siliziumcarbid und Wasserdampf verbrannt. Der Stickstoff und die Spuren von Stickoxiden des Rauchgases verbrennen hierbei zu Siliziumnitrid und Wasserdampf. Die dort erzeugte Energie soll ebenfalls dazu benutzt werden, die Produktion von Wasserdampf zu unterstützen. Restgas kann durch eine Restgas-Abführung 10 aus der Abgasverbrennungskammer 8 abgeführt werden, während sich auf die Weise SiC und Si₃N₄ als eine pulvrige Mischung am Boden sammeln, so dass diese über einen Entnahmebereich 11 aus der Abgasverbrennungskammer entnommen werden können.
In 2 ist in einer vergrößerten Darstellung der in 1 gezeigten Abgasverbrennungskammer 8 zur Verdeutlichung der Vorgänge der Nachverbrennung skizzenhaft gezeigt, dass der Wasserstoff der Silankette (H) die Sauerstoffatome (O) des Kohlendioxids (CO₂) angreift und zu Wasser (H₂O) verbrennt. Der Stickstoff (N) reagiert mit dem Silizium (Si) zu Siliziumnitrid (Si₃N₄). Nunmehr verbindet sich der Kohlenstoff (C) mit dem Silizium (Si) zu Siliziumcarbid (SiC).
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Verbrennungsanlage zur Ausführung einer Nachverbrennung gezeigt. In dieser Ausführungsform einer Verbrennungsanlage befinden sich die Brennkammer 1 für fossile Brennstoffe, in welcher Erdgas oder Kohle verbrannt werden, und die Abgasverbrennungskammer 8, in der die dort erzeugten Rauchgase weiter verbrannt werden, in direkter Nachbarschaft. Die Anlage zeigt oberhalb der Brennkammer 1, in der Erdgas oder Kohle verbrannt werden, einen Tank oder Wasserbehälter 2, in dem Wasserdampf 3 erzeugt wird, der über eine vorzugsweise über ein Ventil 4 geregelte Zuführung eine Turbine 5 antreibt. Die Rauchgase aus der Verbrennung der fossilen Brennstoffe werden in dieser Ausführungsform einer Verbrennungsanlage über die Zuleitung 12 in die Abgasverbrennungskammer 8 geleitet, in der Kohlendioxid, Stickstoff und Stickoxide des Rauchgases mit Hilfe von Silan, das aus dem Silan-Tank 9 zugeleitet wird, zu Siliziumcarbid und Siliziumnitrid verbrannt werden. Das Restgas kann durch eine Restgas-Abführung 10 aus der Abgasverbrennungskammer 8 abgeführt werden, während SiC und Si₃N₄ über einen Entnahmebereich 11 entnommen werden können.
Eine solche Ausführungsform einer Verbrennungsanlage, in der sich die Brennkammer 1 für fossile Brennstoffe und die Abgasverbrennungskammer 8 in direkter Nachbarschaft befinden, kann bei einem Neubau von Verbrennungsanlagen verwirklicht werden. Dadurch, dass die Verbrennungskammern dicht beieinander liegen, ist zum einen die Zuführung der Rauchgase erleichtert. Insbesondere ist ferner die Nutzung der Verbrennungswärme aus der Silanverbrennung für die Erzeugung von Wasserdampf vereinfacht, bzw. wird eine Nutzung dieser Energie in einem Tank 2, in dem Wasser durch die Verbrennung der fossilen Brennstoffe und von Silan gemeinsam erhitzt wird, ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: Wasserbehälter
3: Wasserdampf
4: Ventil
5: Turbine
6: Abgasrohr
7: Vorrichtung zur Rauchgasreinigung
8: Abgasverbrennungskammer
9: Silan-Tank
10: Restgas-Abführung
11: Entnahmebereich für SiC und Si₃N₄
12: Zuleitung für Abgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4437524 A1 [0004]
DE 10145115 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Nachverbrennung von Rauchgasen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rauchgas - ein Silan, und/ oder - Silizium und Wasserstoff oder eine Wasserstoff freisetzende Verbindung zur Nachverbrennung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silan ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Pentasilan, Hexasilan, Heptasilan, Oktasilan, Nonasilan, Dekasilan, Undekasilan, Dodekasilan, Tridekasilan, Tetradekasilan und/oder Pentadekasilan.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff freisetzende Verbindung Ammoniak ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium pulverförmig oder in amorpher Form vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silan oder Silizium und Wasserstoff oder die Wasserstoff freisetzende Verbindung einer Nachverbrennungs-Einrichtung einer Verbrennungsanlage für fossile Brennstoffe zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Nachverbrennung des im Rauchgas enthaltenen Stickstoffs, Stickoxids und Kohlendioxids mit dem Silan oder Silizium und Wasserstoff oder der Wasserstoff freisetzenden Verbindung Siliziumcarbid und Siliziumnitrid entstehen.
Verwendung der durch das Verfahren nach Anspruch 6 erzeugten Produkte der Nachverbrennung Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid in der Bauindustrie, insbesondere im Betonbau.
Verwendung von durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erzeugtem Wasserdampf zur Stromerzeugung mittels einer Turbine.
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahren zur Nachverbrennung von Rauchgasen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung eine Nachverbrennungs-Einrichtung (8) eingerichtet zur Verbrennung von Rauchgas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kammer (9) eingerichtet für die Aufnahme von Silanen aufweist und/oder eine oder mehrere Kammern eingerichtet für die Aufnahme von Silizium und Wasserstoff oder einer Wasserstoff freisetzenden Verbindung.