Capsol demonstriert Vaisala CO2-Sensoren bei der Kohlenstoffabscheidung nach der Verbrennung in der Müllverbrennungsanlage

Capsol hat eine CCS-Technologie auf Basis von heißem Kaliumkarbonat entwickelt. Diese bietet gegenüber herkömmlichen Lösungen zahlreiche Vorteile und eignet sich perfekt für die Behandlung von Emissionen aus Müllverbrennungsanlagen (MVA). Der neue Vaisala CO2-Sensor MGP241 trägt dazu bei, den Prozess zu optimieren und eine hohe CO2-Abscheidungsrate aufrechtzuerhalten. 

Anwendung

In der modularen Anlage zur Kohlenstoffabscheidung CapsolGO (im Bild) von Capsol kommt die Technologie zur Abscheidung von heißem Kaliumkarbonat zum Einsatz. Dabei geht eine wässrige Kaliumkarbonatlösung zusammen mit Kohlendioxid und Wasser eine reversible Reaktion ein:

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Die Reaktion ist je nach Temperatur und Partialdruck von CO2 reversibel. Die Kaliumkarbonatlösung durchläuft Absorber- und Abisoliersäulen mit einer patentierten Wärmerückgewinnungsstufe, die Energieverluste verringert und die Betriebskosten der Kohlenstoffabscheidungsanlage im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen um etwa 40 % senkt. Weitere Vorteile der Kaliumkarbonatchemie gegenüber Aminen und anderen Lösemitteln bestehen darin, dass Kaliumkarbonat eine kostengünstige, ungiftige und nichtflüchtige Chemikalie ist. 

Das abgeschiedene CO2 wird verflüssigt und für den Transport vor Ort in einem Lagerbehälter gelagert. Mögliche Einsatzgebiete des abgeschiedenen CO2 sind beispielsweise die Getränkeindustrie oder Gewächshäuser. Abbildung 2 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm eines typischen Kaliumkarbonatprozesses. 

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Im System von Capsol besteht der Absorber, in dem CO2 an Kaliumkarbonat gebunden wird, aus zwei Stufen. Es gibt drei CO2-Messpunkte im System: einen am Einlass, einen zwischen den beiden Stufen und einen am Auslass des Wäschers, wo geringwertiges CO2-Gas in die MVA zurückgeführt wird.  

Durch die Messung des eingehenden CO2-Gehalts wird die Last des Wäschers geschätzt, d. h. wie viel CO2 entfernt werden muss. Die Messung des CO2-Gehalts am Auslass wiederum gibt Aufschluss über die Restemissionen in die Luft. Sie kann zusammen mit dem ersten Messpunkt zur Berechnung der Kohlenstoffabscheidungsrate verwendet werden, die eine wichtige Zahl für die Gesamteffizienz der Anlage darstellt. 

Die mittlere Position zwischen zwei Wäscherstufen bietet einen fundierten Einblick in den Prozess. Wenn der CO2-Gehalt nach der ersten Wäscherstufe bereits niedrig ist, deutet dies darauf hin, dass der Wäscher ordnungsgemäß funktioniert. Liegt die Konzentration nach der ersten Stufe hingegen näher am Einlassgehalt, bedeutet das, dass der Prozess nicht optimal läuft. 

Prozessparameter, die anhand des CO2-Werts nach der ersten Absorberstufe angepasst werden können, sind beispielsweise die Temperatur des Waschmaterials und dessen Durchflussrate. Die drei Messpunkte sind in Abbildung 3 dargestellt. Dort leiten drei Motorventile Gas von den Einlass-, Mittel- und Auslassstellen zu einem gemeinsamen Verteiler.

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Nach umfangreichen Labortests im norwegischen Werk von Capsol zum Nachweis der Messleistung wurde die Vaisala Kohlendioxidsonde für einen Praxistest in das CapsolGO-System eingebaut. 

Der Praxistest umfasste einen Vergleich mit einem extraktiven Prozessgas-Analysegerät auf Basis der NDIR-Technologie. Es sollte gezeigt werden, dass eine kompakte Sonde gleichwertige Messergebnisse zu einem Bruchteil der Kosten und des Platzbedarfs herkömmlicher extraktiver Gasanalysegeräte liefern kann. 

Der Prototyp Vaisala MGP241 wurde in einem Durchflussadapter am Auslass eines QAL1-zertifizierten Gasanalysegeräts zur CO2-Emissionsüberwachung montiert. Ziel war es, sicherzustellen, dass die beiden Instrumente das gleiche Gas erhalten und die Ergebnisse vergleichbar sind. 

Bei einer eigenständigen Installation würde die Vaisala MGP241 Sonde direkt im Prozess eingebaut, beispielsweise im in Abbildung 3 gezeigten Probenahmeverteiler.  Alternativ könnten separate Sonden für jeden Strom verwendet werden, um Echtzeiteinblicke in alle Messpunkte zu gewinnen, ohne dass es zu Datenverlusten kommt, die mit der Mehrpunktprobenahme einhergehen. 

Abbildung 3:  Probenahmestelle für die drei Prozessgasströme mit Darstellung der Wahlventile und des Verteilers. Das Probengas für die Analysegeräte wird von der Oberseite des Verteilers entnommen, während überschüssiges Gas von unten abgelassen wird.

Ergebnisse

Typische CO2-Konzentrationen an den drei Positionen werden in Abbildung 4 dargestellt. Dort sind die drei Probenströme in unterschiedliche Trenddiagramme aufgeteilt, obwohl für die nacheinander erfolgende Messung der drei Probenströme ein einziges CO2-Instrument verwendet wurde. Die flachen Bereiche des Diagramms entsprechen den Zeiträumen, in denen das Instrument einen der beiden anderen Ströme gemessen hat.  

Um die Leistung der neuen Vaisala MGP241 zu bewerten, wurde eine Vergleichsmessung durchgeführt, bei der die Ausgabe des Vaisala Instruments als Funktion des Referenzinstruments aufgetragen wurde. 

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Es wurden drei aufeinanderfolgende Messdurchläufe der Einlassposition und der Auslassposition sowie eine Messung der mittleren Position durchgeführt. Bei jedem Durchlauf wurden von beiden Instrumenten mindestens dreißig Messpaare erfasst. Da das extraktive Referenzinstrument auf Trockenbasis maß, wurde eine Trockengaskompensation basierend auf dem tatsächlichen Feuchtewert durchgeführt, der mit dem Prototyp MGP241 gemessen wurde. 

Tabelle 1 fasst die Durchschnittswerte jedes Durchlaufs sowie die Parameter der Kalibrierkurve und ihres Korrelationskoeffizienten zusammen, die zu diesen Daten aufgetragen wurden. 

Abbildung 5 zeigt dieselben Daten in einer grafischen Darstellung. Die Testergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Methoden nach. Die Abweichungen zwischen den Durchläufen sind bei den Vaisala Ergebnissen geringer als bei der Referenzmethode, was auf eine gute Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Methode hindeutet. 

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Schlussfolgerung

Die modulare CCS-Plattform CapsolGO ist eine flexible und skalierbare Lösung für die punktuelle Kohlenstoffabscheidung in zahlreichen Branchen mit CO2-Konzentrationen in den Rauchgasen zwischen 3 und 30 Vol.-%.  

Die Vaisala Kohlendioxidsonde MGP241 ist die perfekte Lösung für eine kompakte, containerbasierte Lösung wie diese, da sie nur minimalen Platz im Container benötigt, keine beweglichen Teile aufweist, keine Kalibriergase benötigt und die Daten direkt an das DCS-System übermittelt. 

Laut Anders Grinrød, Head of Innovation bei Capsol Technologies, ist das kompakte In-situ-Messgerät ideal zur Überwachung des Kohlenstoffabscheidungsprozesses von Capsol. Es hat sowohl bei Labor- als auch bei Praxistests hervorragende Ergebnisse erzielt. Darüber hinaus ist die Montage und Inbetriebnahme der MGP241 bemerkenswert einfach. Diese Aufgabe wurde vom gemeinsamen Team von Capsol und Vaisala in weniger als einer Stunde erledigt.