DE2164795B2 - Verfahren zur Rückgewinnung von Verdichtungsenergie bei einer Luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verfahren zur Rückgewinnung von Verdichtungsenergie bei einer Luftzerlegungsanlage

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DE2164795B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Verdichtungsenergie bei einer Luftzerlegungsanlage mit einer unter höherem Druck arbeitenden ersten Rektifikationssäule und einer unter einem niedrigeren Druck arbeitenden zweiten Rektifikationssäule, bei dem ein Teil der auf einen ersten Druck verdichteten Einsatzluft einer mit Brennstoff beschickten Brennkammer zugeführt und das entstandene Verbrennungsprodukt gemeinsam mit einem gasförmigen, bei der Rektifikation anfallenden stickstoffreichen Gemisch der den Luftverdichter antreibenden Grsturbine zugeführt wird, und der andere Teil der Einsatzluft weiter verdichtet und in die Luftzerlegungsanlage eingeleitet wird.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (US-PS 25 20 862) wird das gasförmige stickstoffreiche Gemisch der ersten, bei einem Druck von 5 bis 6 atm betriebenen Rektifikationssäule entnommen und dann mit der auf den ersten Druck verdichteten Einsatzluft gemischt, worauf das so erhaltene Gemisch in die Brennkammer eingeleitet wird. Die zweite Rektifikationssäule arbeitet bei einem Druck, der nahe dem Atmosphärendruck liegt. Das der Gasturbine zugeführte stickstoffreiche Gemisch steht dabei aber nicht zur Kondensation als Säulenrücklauf zur Verfügung. Die Produkte werden mit niedrigem Druck (im wesentlichen Atmosphärendruck) abgezogen. Die Durchführung des bekannten Verfahrens erfordert daher eine große Niederdruckanlage; die erhaltenen Produkte müssen ausgehend von dem niedrigen Ausgangsdruck der Anlage komprimiert werden. Das bekannte Verfahren ist damit, was die Wirtschaftlichkeit anbelangt, bestenfalls konventionel-Ien Luftzerlegungsverfahren äquivalent, die mit unabhängigen Verdichtern arbeiten. Durch das Vormischen der verdichteten Verbrennungsluft mit dem stickstoffreichen Gas wird der Sauerstoffpartialdruck in der Brennkammer wesentlich vermindert. Der Sauerstoffgehalt wird dort unter den Sauerstoffgehalt von Luft abgesenkt. Bereits bei einem Sauerstoffgehalt von unter 15 bis 17% ist jedoch die Aufrechterhaltung des Verbrennungsvorganges problematisch. Auf jeden Fall ist die Verbrennung unvollständig und dementsprechend wenig wirkungsvoll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, die einen weiter verringerten Energiebedarf haben und insgesamt mit kleineren Verdichtern auskommen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das gasförmige stickstoffreiche Gemisch der zweiten Rektifikationssäule entnommen und nach der Brennkammer mit den Verbrennungsprodukten gemischt wird, und daß die Rektifikationssäulen so beirieben werden, daß der Druck in der ersten Säule bei mindestens 10,5 ata sowie der Druck in der zweiten Säule zwischen 3,16 und 9,84 ata liegt.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung bleibt die Verbrennungsluft unverdünnt. Der Sauerstoffpartialdruck ist entsprechend hoch; die Verbrennung ist vollständig und wirkungsvoll. Weil die Verbrennungsprodukte anschließend durch das zugemischte stickstoffreiche Gas gekühlt werden, kann in der Brennkammer ohne weiteres mit Temperaturen gearbeitet werden, die den doppelten Wert der zulässigen Temperatur am Einlaß der Gasturbine erreichen. Dadurch, daß die Rektifikationssäulen mit höheren als den normalerweise vorgesehenen Drücken betrieben und infolgedessen das der Gasturbine zugeleitete stickstoffreiche Gemisch der zweiten Säule entnommen werden kann, steht das stickstoffreiche Gemisch der ersten Säule zur Kondensation als Rücklauf zur
Verfügung. Gleichzeitig werden die anfallenden Produkte mit einem vergleichsweise hohen Druck abgegeben. Zusätzliche Kosten für eine Produktgasverdichtung entfallen. Wegen der höheren Verfahrensdrücke kann die Anlage vergleichsweise klein gehalten werden.
Bei einer wirkungsvollen Verbrennung in der Brennkammer werden die Verbrennungsprodukte in der Regel eine Austrittstemperatur haben, die über der zulässigen Temperatur am Gasturbineneintritt liegt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann eine Temperaturanpassung auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß die Menge des den Verbrennungsprodukten zugeführten stickstoffreichen Gemisches so bemessen ist, daß der Gesamtstrom die für den Gasturbineneintritt zulässige Temperatur annimmt
Eine zusätzliche Energierückgewinnung läßt sich dadurch erreichen, daß die Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet werden, wobei der erzeugte Wasserdampf in einer mit der Gasturbinenanlage gekuppelten Dampfturbine entspannt wird. Um die Menge des für das Kühlen der Verbrennungsprodukte erforderlichen stickstoffreichen Gemisches aus der zweiten Rektifikationssäule kleinstmöglich zu halten, kann vorteilhaft der Abdampf der Dampfturbine in die Verbrennungsprodukte vor der Gasturbine eingeblasen oder ein Tei! der weiter verdichteen Einsatzluft abgezweigt und auf den Druck der zweiten Säule expandiert sowie dann mit dem gasförmigen stickstoffreichen Gemisch aus der zweiten Säule für das Mischen mit den Verbrennungsprodukten vereinigt werden.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des geschilderten Verfahrens mit einem von einer Gasturbine angetriebenen Verdichter zum Verdichten der Einsatzluft, einer zweistufigen Rektifikationssäule und einer der Gasturbine vorgeschalteten Brennkammer, der Brennstoff und der erste Teil der Einsatzluft zugeführt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Brennkammer und Gasturbine eine Mischeinrichtung zum Mischen und Kühlen der Verbrennungsprodukte mit dem stickstoffreichen Gemisch vorgesthen ist. Dabei kann die Mischeinrichtung zweckmäßig Mittel zum Aufnehmen des Abdampfes aus der Dampfturbine aufweisen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Fließschema einer vollständigen Anlage zur Zerlegung von Luft in Sauerstoff- und Stickstoffproduktgas unter Verwendung einer einzigen Expansionsturbine, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
F i g. 2 ein Fließschema eines abgewandelten Tieftem peratur-Luftzerlegurgsabschnitts, bei dem eine arbeitsleistende Entspannung von vorgekühlter Luft erfolgt und diese Luft um die Rektifikationssäule herumgeleitet, c!. h. mit Überschußluft gearbeitet wird.
Die in Fig. 1 veranschaulichte Anlage umfaßt den Maschinenabschnitt A, den Vorreinigungsabschnitt B und den Tieftemperatur-Luftzerlegungsabschnitt C Einsatzluft wird über eine Leitung 10 zugeführt und in einem Verdichter Ii auf einen Überdruck von beispielsweise 6,82 ata verdichtet. Die Luft verläßt den Verdichter 11 über eine Leitung 12. Sie wird dann in zwei Teile aufgeteilt. Der kleinere Teil strömt über eine Zweigieitung 13, der größere Teil über eine Leitung 14. Der kleinere Teil, der beispielsweise 25 bis 30 Vol.-% der gesamten Einsatzluft ausmacht, wird einer Brenn-
kammer 15 zusammen mit Brennstoff zugeführt, der über eine Leitung 16 eingeleitet wird. Bei diesem Brennstoff kann es sich um ein beliebiges sauber brennendes fließfähiges Material handeln, beispielsweise um öl oder ein Gasgemisch, das ein brennbares Gas wie Methan oder Kohlenmonoxyd enthält. Ober die Zweigleitung 13 wird der Brennkammer 15 ausreichend Luft zugeführt, um eine vollständige Oxydation des Brennstoffes sicherzustellen. Es wird beispielsweise für diesen Zweck mit einem 20- bis 30%igen stöchiometrischen Luftüberschuß gearbeitet Das Gemisch wird in der Brennkammer 15 unter Bildung verhältnismäßig heißer Verbrennungsprodukte bei Überdruck verbrannt; die Temperatur beträgt beispielsweise 1650°C. Dieses Heißgas wird über die Leitung 16 einer als Abschreckkammer ausgebildeten Mischeinrichtung 17 zugeleitet, wo es mit verhältnismäßig kaltem, stickstoffreichem Gas gemischt wird, das über eine Leitung 18 eingeblasen v/ird. Diese Gase werden in der Mischeinrichtung 17 unter Bildung eines eine rr/ -.lere Temperatur, beispielsweise 870"C, aufweisenden Ga-"es gemischt, das einen Überdruck von beispielsweise 6,82 ata hat. Das mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch wird über die Leitung 16 einer Gasturbine 19 zugeführt. Das Gas leistet do t äußere Arbeit. Es verläßt die Turbine mit niedrigerem Druck, beispielsweise 1,05 ata, und niedrigerer Temperatur, z. B. 500° C.
Die Brennkammer 15 und die Mischeinrichtung 17 sind gesonderte Einheiten in dem Sinne, daß sie mindestens durch eine Zwischenwand voneinander getrennt sind. Beispielsweise kann die Brennkammer 15 auf dem Gestell der Verdichter-Turbinen-Gruppe in Form von mehreren zylindrischen Kammern angeordnet sein, die um den Verdichter herum sitzen und von denen aus das Gasgemisch unmittelbar zu den Turbinenschaufeln gelangt. Im allgemeinen handelt es sich um eine Ganzmetallkonstruktion. Durch geeignetes Abschirmen der metallischen Wände mit sticksto'fräichem Abschreckgas kann die Temperatur des in die Gasturbine 19 eintretenden, mit Stickstoff angereicherten Cdses beispielsweise bei 900°C liegen. Statt dessen können die Brennkammer 15 und die Mischeinrichtung 17 auch gesondert vom Gestell der Vcrdichter-Turbinen-Gruppe angeordnet sein. Die verdichtete Luft gelangt vom Verdichter 11 zur Kammer 15. von dort ?ur Mischeinrichtung 17 und von dieser schließlich zur Gasturbine 19. Die Mischeinrichtung 17 kann mit einer feuerfesten Isolation ausgekleidet sein, so daf3 die höchste erreichbare Zwischentemperatur niedriger als bei Verwendung von Metallwänden und in der Größenanordnung von 7 3O0C liegt. Bei praktisch verfügbaren Ausführungsformen befinden sich sowohl die VfL-renniing.szone ills auch die Abschrtekzone innerhalb derselben Kammer; sie sind nur durch eine Zwischenwand voneinander getrennt. Sind Verbrennungszone und Abschreckzone in gesonderten Kammern untergebracht, die, wie veranschaulicht, über die Leitung 16 miteinander verbunden sind, muß die die Abschreckkammer bildende Mischeinrichtung die Vcrbrennungsteniperatur von I65O°C aushalten.
Der größere Teil der verdichteten Luft in der Leitung 14 wird in dem Durchlaß 14a eines Wärmeaustauschers I4i> auf eine noch über der Außentemperatur liegende Temperatur vorgekühlt, um die Verdichtungswärme abzuführen. Es erfolgt dann eine weitere Verdichtung auf einen Überdruck von beispielsweise 23,6 ata in einem Nachverdichter 20. Der Verdichter 11 und der Nachverdichter 20 werden von der Gasturbine 1't uber
eine Welle 21 angetrieben. Dabei kann eine Drehzahlverstelleinrichtung, beispielsweise in Form eines Getriebes, zwischengeschaltet sein. Beispielsweise können zwei Drittel der äußeren Arbeit der Gasturbine 19 für den Antrieb des Verdichters Il ausgenutzt werden, während das verbleibende Drittel dem Antrieb des Nachverdichten 20 dient. Statt dessen kann die Gasturbine 19 auch bezüglich des Bedarfs der l.uftverdichtungsenergie für den Tieftemperatur- Luft-/vrlegungsabschnitt Γ überdimensioniert sein, so daß mehr äußere Arbeit erzeugt wird, als Energie für die Luftverdichtung erforderlich ist. In diesem Falle kann die verbleibende Energie am Ausgang der Turbine für andere energieverbrauchende Einrichtungen, beispielsweise elektrische Generatoren, verwendet werden. Aus dem Verdichter 11 austretende überschüssige Luft kann von der Leitung 12 zur Leitung 16 stromabwärts der Brennkammer 15 über eine Leitung 12a und ein in dieser Leitung liegendes Steuerventil 12£> abgeleitet werden. Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Gasturbine 19 mit dem Verdichter 11 und dem Nachverdichter 20 unmittelbar gekoppelt. Den Verdichtern kann jedoch die Antriebsenergie auch indirekt zugeführt werden. Beispielsweise kann die Gasturbine 19 mit einem elektrischen Generator gekoppelt sein, der seinerseits mit Antrieben für die Verdichter elektrisch verbunden ist.
Die Wärme, die in den Abgasen enthalten ist, die von der Gasturbine 19 in eine Leitung 22 abgegeben werden. wird vorzugsweise zurückgewonnen, beispielsweise indem Wasser erhitzt wird, das über eine Leitung 23 einem Kessel 24 zugeführt wird. Das gekühlte. entspannte Gas verläßt den Kessel 24 über eine Auslaßleitung 25. während der Dampf, vorzugsweise mit hohem Druck, beispielsweise 42 ata. und 400°C vom Kesse! 24 in eine Leitung 26 gelangt. Der gesamte Dampf oder ein Teil des Dampfes kann über eine Zweigleitung 27 abgeführt werden. Statt dessen oder /us.it/lich kann Dampf in einer Dampfturbine 28 arbcitsleistend entspannt werden.
Die Dampfturbine 28 ist vorzugsweise über die gemeinsame Welle 21 mit dem Verdichter 11. der Gasturbine 19 und dem Nachverdichter 20 gekoppelt. Der entspannte Abdampf, der von der Dampfturbine 28 aus nii beispielsweise 215 C in eine Leitung 29 gelangt. kann /um Beispiel, wie in Fig.! veranschaulicht. zusammen mit dem Stickstoffgasgemisch in die Mischeinrichtung 17 eingeblasen werden. Auf diese Weise wird die Menge des für diesen Zweck von dem Tieftemperatur-Luftzerlegungsabschnitt C erforderlichen Gases kieinstmöglich gehalten. Statt dessen kann der entspannte Abdampf in der Leitung 29 auch kondensiert und zum Kessel 24 zurückgeleitet werden. In jedem Falle wird die von der Dampfturbine 28 geleistete Arbeit ausgenutzt. Falls erwünscht, kann mit der Welle 21 auch ein nicht veranschaulichter Hilfsverdichter verbunden werden, der einen Teil der erzeugten mechanischen Arbeit, beispielsweise die von der Dampfturbine 28 geleistete Arbeit, aufnimmt.
Die den Nachverdichter 20 beispielsweise mit einem Druck von 23,6 ata über eine Leitung 30 verlassende, weiter verdichtete Luft wird im Vorreinigungsabschnitt B von Luftverunreinigungen wie H2O, CO2 und C2H2 befreit und im Durchlaß 36 eines Wärmeaustauschers 35 auf eine Temperatur gekühlt, die vorzugsweise mindestens 10° über dem bei dem herrschenden Druck vorhandenen Sättigungspunkt liegt, zum Beispiel auf ungefähr 134° K bei 223 ata. Sie tritt dann in die unter
höherem Druck arbeitende erste Rektifikationssäule 40 ein und sorgt aufgrund ihrer Überhitzung für eine rasche Verdampfung der nach unten strömenden, mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeiten sowie für einen zusätzlichen nach oben gerichteten Dampfstrom, wodurch der Wirkungsgrad der Rektifikation verbessert wird. Die Kaltluft wird in eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit, die sich im unteren Ende der Säule 40 ansammelt, und ein stickstoffreiches Gas am oberen Säulenende zerlegt. Die beispielsweise 36% Sauerstoff enthaltende Flüssigkeit wird in Wärmeaustauschern 43, 46 unterkühlt und in eine unter niedrigcrem Druck arbeitende zweite Rektifikationssäule 42 eingeleitet, nachdem sie mittels eines Ventils 50 auf den Betriebsdruck der Säule 42 von z.B. 7,59 ata gedrosselt wurde.
Weil in beiden Rektifikationssäulen 40, 42 mit vergleichsweise hohen Drücken gearbeitet wird, ist das Druckverhältnis kleiner als es normalerweise in Rcktifikationsdoppelsäulen für Luftzerlegung anz.utreffen ist, und zwar kleiner als 3,4 (bezogen auf ein Δ Τ von 3" K). Stickstoffproduktgas wird vom oberen Ende der Säule 42 mit einem Druck von beispielsweise 7,3 ata über eine Leitung 63 abgezogen; es kann eine Reinheit von 99,999% haben. Sauerstoffproduktgas verläßt das untere Fnde der Säule 42 mit einem Druck von beispielsweise 7,80 ata und einer Temperatur von beispielsweise 115° K über eine Leitung 65. Aus dem mittleren Bereich der zweiten Rektifikationssäule 42 wird über eine Leitung 66 ein gasförmiges stickstoffreiches Gemisch entnommen, das beispielsweise 92% Nj und 8% O2 aufweist. Dieses kalte Gas wird in Wärmeaustauschern 52 und 46 sowie im Wärmeaustauscher 35 erwärmt und gelangt dann zum Durchlaß 67 des Wärmeaustauschers 14f>, wo es den größeren Teil der verdichteten Luft im Durchlaß 14a vorkühlt und die Verdichtungswärme beseitigt, das heißt, die verdichtete Luft auf beispielsweise 129°C bringt. Obwohl das den Wärmeaustauscher 146 verlassende, stickstoffreiche Gemisch über Außentemperatur liegt, beispielsweise eine Temperatur von ungefähr 2430C hat, ist es kalt gegenüber dem eine Temperatur von 16500C aufweisenden Verbrennungsgas, das aus der Brennkammer 15 in die Leitung 16 gelangt. Es wird zwecks Abschreckung in der zuvor erläuterten Weise über die Leitung 18 eingeblasen.
Durch Abgabe der Sauerstoff- und Stickstoffgasprodukte unter Druck werden Kosten und Aufwand, die mit einer Verdichtung des Produktgases verbunden sind, wesentlich verringert oder völlig eingespart. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 wird für größere Anlagen im Vergleich zu herkömmlichen Niederdruckanlagen eine Kostenverminderung für 98%igen Stickstoff und 98%igen Sauerstoff von ungefähr 5 bis 10% erzielt, wenn davon ausgegangen wird, daß die Stickstoff- und Sauerstoff-Gasprodukte mit einem Druck von 3,52 bzw. 7,03 ata angeliefert werden. Außerdem werden die Anlagenkosten gesenkt, weil zur Verarbeitung der unter höherem Druck stehenden Medien kleiner bemessene Anlagenteile ausreichen. Bei einer großen Anlage erlaubt die Ausführungsform nach F i g. 1 eine Einsparung in der Größenordnung von 5% bei den anfänglichen Investitionskosten.
Bei der Ausführungsform nach Fig.2 wird ein Teil der verdichteten Luft über eine Leitung 85 vom Durchlaß 36 des Wärmeaustauschers 35 an einer Stelle mittlerer Temperatur abgeleitet Der abgeleitete Teil wird in einer Turbine 86 auf den Druck der unter
niedrigcrem Druck arbeitenden Säule 42 entspannt und danach im Wärmeaustauscher 43 durch Unterkühlen von mit Sauerstoff angereicherter Flüssigkeit aus der Rektifikationssäule 40 aufgewärmt. Diese Luft wird dann in einem Wärmeaustauscher 88 durch Wärmeaustausch mit einem Teil der verdichteten Luft in der Leitung 10 weiter aufgewärmt, die über eine Zweiglei-
Hing 89 abgezweigt und in die Säule 40 eingeleitet wird. Die aufgewärmte, entspannte Luft, die über die Leitung 85 aus d^m Wärmeaustauscher 88 austritt, trifft auf das Stickstoffgas in der Leitung 63 und bildet mit diesem das stickstoffreiche Gasgemisch in der Leitung 66. Die über die Leitung 85 abgezweigte Luft wird also als Teil des Abschreckgases in der Mischeinrichtung 17 benutzt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Rückgewinnung von Verdichtungsenergie bei einer Luftzerlegungsanlage mit einer unter höherem Druck arbeitenden ersten Rektifikationssäule und einer unter einem niedrigeren Druck arbeitenden zweiten Rektifikationssäule, bei dem ein Teil der auf einen ersten Druck verdichteten Einsatzluft einer mit Brennstoff beschickten Brennkammer zugeführt und das entstandene Verbrennungsprodukt gemeinsam mit einem gasförmigen, bei der Rektifikation anfallenden stickstoffreichen Gemisch der den Luftverdichter antreibenden Gasturbine zugeführt wird, und der andere Teil der Einsatzluft weiter verdichtet und in die Luftzerlegungsanlage eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige stickstoffreiche Gemisch der zweiten Rektifikationssäule entnommen und nach der Brennkammer mit den Verbremiiingsprodukten gemischt wird, und daß die Rektifikationssäulen so betrieben werden, daß der Druck in der ersten Säule bei mindestens 10,5 ata sowie der Druck in der zweiten Säule zwischen 3,16 und 9,84 ata liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des den Verbrennungsprodukten zugeführten stickstoffreichen Gemisches so bemessen ist, daß der Gesamtstrom die für den Gasturbineneintritt zulässige Temperatur annimmt.
3. Verfahren lach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Wasset dampf verwendet werden, v/obei der erzeugte Wasserdampf in einer mit der Gasturbinenanlage gekuppelten L ampfturbine entspannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdampf der Dampfturbine in die Verbrennungsprodukte vor der Gasturbine eingeblasen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der weiter verdichteten Einsatzluft abgezweigt und auf den Druck der zweiten Säule expandiert sowie dann mit dem gasförmigen stickstoffreichen Gemisch aus der zweiten Säule für das Mischen mit den Verbrennungsprodukten vereinigt wird.
6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem von einer Gasturbine angetriebenen Verdichter zum Verdichten der Einsatzluft, einer zweistufigen Rektifikationssäule und einer der Gasturbine vorgeschalteten Brennkammer, der Brennstoff und der erste Teil der Einsatzluft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Brennkammer (15) ur.d Gasturbine (19) eine Mischeinrichtung (17) zum Mischen und Kühlen der Verbrennungsprodukte mit dem Stickstoff reichen Gemisch vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (17) Mittel zum Aufnehmen des Abdampfes aus der Dampfturbine (28) aufweist.
ίο
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