DE60036327T2 - Verfahren zur Luftzerlegung mit einer Brennkraftmaschine zur Herstellung von Luftgasen und elektrischer Energie - Google Patents

Verfahren zur Luftzerlegung mit einer Brennkraftmaschine zur Herstellung von Luftgasen und elektrischer Energie Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Zerlegung eines Speisegasgemisches, das Sauerstoff und Stickstoff enthält.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Verbrennungskraftmaschinen können mit Luftzerlegungsverfahren in hocheffizienten Systemen zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Erzeugung von atmosphärischen Gasprodukten integriert sein. In diesen Verbrennungskraftmaschinen kann eine breite Vielfalt von Brennstoffen verwendet werden, die Erdgas, durch die Vergasung von flüssigen oder festen kohlenstoffhaltigen Materialien erzeugtes Brenngas und flüssige Kohlenwasserstoffe enthalten. Durch Vergasung erzeugtes Brenngas verwendet typischerweise Sauerstoff aus dem Luftzerlegungsverfahren.
  • Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschinen oder Gasturbinen können verwendet werden, um elektrische Generatoren in kombinierten Takt-Erzeugungssystemen anzutreiben, in denen der Austritt der Expansionsturbinen verwendet wird, um Dampf zu erzeugen, der in einer Sumpf-Takt-Dampfturbine expandiert wird, die einen weiteren elektrischen Generator antreibt. Bei der Erzeugung von Sauerstoff und/oder Stickstoff kann die unter Druck stehende Lufteinspeisung für das Luftzerlegungsverfahren teilweise oder vollständig durch den Gasturbinen-Kompressor zur Verfügung gestellt werden, wobei Stickstoff aus dem Luftzerlegungsverfahren in die Gasturbinen-Brennkammer zur zusätzlichen Energie-Rückgewinnung und zur Steuerung der NOx-Bildung eingeführt werden kann.
  • Umfassende Übersichten über Integrationsverfahren für Gasturbinen und Luftzerlegungseinheiten werden in einem Schriftstück mit dem Titel "Next-Generation Integragion Concepts for Air Separation Systems and Gas Turbines" von A. R. Smith et al. in Transactions of the ASME, Band 119, April 1997, Seiten 298–304 und in einer Präsentation mit dem Titel "Future Direction of Air Separation Design for Gasification, EGCC, and Alternative Fuel Projects" von R. J. Allam et al., IChemE Conference of Gasification, 23.–24. September 1998, Dresden, Deutschland, angegeben.
  • Ein üblicher Integrationsmodus zwischen der Gasturbine und Luftzerlegungssystemen ist als volle Integration von Luft und Stickstoff definiert. Nach diesem Betriebsmodus wird die gesamte Luft für die Gasturbinen-Brennkammer und die Luftzerlegungseinheit durch den Gasturbinen-Luftkompressor zur Verfügung gestellt, der durch die Expansionsturbine angetrieben wird, wobei Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit in dem integrierten System genutzt wird. Die volle Integration von Luft und Stickstoff wird in repräsentativen US-Patenten 3 731 495, 4 224 045, 4 250 704, 4 631 915 und 5 406 786 beschrieben, in denen Stickstoff in die Gasturbinen-Brennkammer eingeführt wird. Die volle Integration von Luft und Stickstoff wird außerdem in den US-Patenten 4 019 314 und 5 317 862 und in der deutschen Patentveröffentlichung DE 19 529 681 A1 beschrieben, in denen Stickstoff arbeitsexpandiert wird, um eine Kompressionsarbeit für die Lufteinspeisung zur Verfügung zu stellen oder um elektrische Energie zu erzeugen.
  • Die Gasturbine und die Luftzerlegungsverfahren können in einem alternativen Modus arbeiten, der als teilweise Luftintegration bei voller Stickstoffintegration definiert ist, in dem ein Teil der Lufteinspeisung für die Luftzerlegungseinheit durch den Gasturbinen-Kompressor zur Verfügung gestellt wird, wobei der Rest durch eine separate Luftkompressor-Antriebseinheit mit einer unabhängigen Energiequelle zur Verfügung gestellt wird. Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit wird in die Gasturbinen-Brennkammer eingeführt oder anderweitig arbeitsexpandiert. Dieser Betriebsmodus wird in den repräsentativen US-Patenten 4 697 415; 4 707 994; 4 785 621; 4 962 646; 5 437 150; 5 666 823 und 5 740 673 beschrieben.
  • Nach einer weiteren Alternative wird die Stickstoffintegration ohne Luftintegration verwendet. Bei dieser Alternative haben die Gasturbine und die Luftzerlegungssysteme jeweils einen unabhängig angetriebenen Luftkompressor, wobei der Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit zur Gasturbinen-Brennkammer zurückgeführt wird. Diese Option wird in den repräsentativen US-Patenten 4 729 217; 5 081 845; 5 410 869; 5 421 166; 5 459 994 und 5 722 259 beschrieben.
  • Das US-Patent 3 950 957 und die britische Patentbeschreibung 1 455 960 beschreiben eine Luftzerlegungseinheit, die mit einem Dampferzeugungssystem integriert ist, in dem ein mit Stickstoff angereicherter Abfallstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit warmer komprimierter Luft aus dem Speiseluftkompressor der Luftzerlegungseinheit erwärmt wird, wobei der erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom in einem befeuerten Heizgerät weiter indirekt erwärmt wird und der endgültige warme, mit Stickstoff angereicherte Strom in einer zugeordneten Stickstoff-Expansionsturbine arbeitsexpandiert wird. Die durch diese Expansionsturbine erzeugte Arbeit treibt den Haupt-Luftkompressor der Luftzerlegungseinheit an. Der Austritt der Stickstoff-Expansionsturbine und die Verbrennungsgase aus dem befeuerten Heizgerät werden getrennt in einen befeuerten Dampfgenerator eingeführt, um Dampf zu verursachen, von dem ein Teil in einer Dampfturbine expandiert werden kann, um den Speiseluftkompressor der Luftzerlegungseinheit anzutreiben. Optional werden die Verbrennungsgase aus dem befeuerten Heizgerät in einer Turbine expandiert, die einen Kompressor antreibt, um Verbrennungsluft für ein separates befeuertes Heizgerät zur Verfügung zu stellen, das den mit Stickstoff angereicherten Strom vor der Expansion erwärmt.
  • Eine alternative Verwendung für Hochdruck-Stickstoff von einer mit einer Gasturbine integrierten Luftzerlegungseinheit ist im US-Patent 5 388 395 offenbart, wobei der Stickstoff arbeitsexpandiert wird, um einen elektrischen Generator zu betreiben. Der kalte Stickstoff-Austritt von der Expansionseinrichtung wird mit der Einlassluft zum Gasturbinen-Kompressor vermischt, wobei dadurch der gesamte Kompressor-Einlassstrom gekühlt wird. Alternativ wird Niederdruck-Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit abgekühlt und in einem Kühl-Frostgerät im direkten Kontakt mit Wasser gesättigt, wobei der abgekühlte, gesättigte Stickstoff mit der Einlassluft für den Gasturbinen-Kompressor vermischt wird.
  • Die US-Patente 5 040 370 und 5 076 837 offenbaren die Integration einer Luftzerlegungseinheit mit Hochtemperaturverfahren, die Sauerstoff verwenden, wobei Abwärme aus dem Verfahren verwendet wird, um unter Druck stehenden Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit zu erwärmen, und der warme Stickstoff arbeitsexpandiert wird, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • Die europäische Patentveröffentlichung EP 0 845 644 A2 beschreibt eine Luftzerlegungseinheit bei erhöhtem Druck, in der das unter Druck stehende, mit Stickstoff angereicherte Produkt indirekt durch die Verbrennung eines Niederdruck-Brennstoffs in einem befeuerten Heizgerät erwärmt wird, wobei der warme Stickstoff expandiert wird, um Energie zu erzeugen oder Gaskompressoren in der Luftzerlegungseinheit anzutreiben.
  • Die Druckschrift EP 0 503 900 A1 betrifft die Luftzerlegung im Allgemeinen und insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung von Energie, das einen Luftzerlegungsschritt aufweist. Es wird Luft aus dem Luftkompressor einer Gasturbine entnommen, die zusätzlich zu dem Kompressor eine Verbrennungskammer und eine Expansionsturbine aufweist.
  • Bei der Erzeugung von Sauerstoff in Bereichen mit begrenztem oder keinem Zugang zu elektrischen Stromnetzen kann die Kompression von Speiseluft für eine Luftzerlegungseinheit durch Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung gestellt werden, wenn genügend Brennstoff verfügbar ist. Bei industriellen Vorgängen, die atmosphärische Gasprodukte wie Sauerstoff, Stickstoff und Argon erfordern, ist häufig elektrische Energie vor Ort erforderlich, um verschiedene Arten von rotierenden Anlagen anzutreiben. Wenn importierte elektrische Energie eingeschränkt ist, ist ein unabhängiges Verfahren erforderlich, das Antriebseinrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen nutzt, um Gasprodukte und elektrische Energie zu erzeugen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Zerlegung eines Speisegases zur Verfügung zu stellen, in denen die oben erwähnten Probleme beseitigt sind.
  • Um die oben erwähnte Aufgabe zu erfüllen, wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
  • Typischerweise ist eine Verbrennungskraftmaschine eine Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine, obwohl ein Verbrennungsmotor ebenfalls eingesetzt werden kann. Die durch Arbeitsexpandieren des daraus resultierenden erwärmten Produktgasstroms gewonnene Wellenarbeit kann genutzt werden, um zusätzliche elektrische Energie zu erzeugen.
  • Das Speisegasgemisch ist typischerweise Luft, wobei einer der Produktgasströme ein mit Sauerstoff angereicherter Produktgasstrom ist und der andere der Produktgasströme ein mit Stickstoff angereicherter Produktgasstrom ist. Einer der Produktgasströme kann ein mit Argon angereicherter Produktgasstrom sein.
  • Die Luft kann durch Komprimieren und Kühlen von Luft, um einen unter Druck stehenden Luft-Speisestrom zu ergeben, Reinigen des unter Druck stehenden Luft-Speisestroms durch Entfernen von Wasser und Kohlendioxid von dort, weiteres Kühlen des daraus resultierenden gereinigten Luft-Speisestroms und Zerlegen des daraus resultierenden gekühlten, gereinigten Luft-Speisestroms durch eine kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation zerlegt werden, um den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom und den mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom zu ergeben. Als Alternative zur kryogenen bzw. Tieftemperatur-Destillation kann ein beliebiges anderes, bekanntes Luftzerlegungsverfahren verwendet werden.
  • Der mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom kann durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas von der Verbrennungskraftmaschine erwärmt werden, wobei der daraus resultierende erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom arbeitsexpandiert wird, um Wellenarbeit zu erzeugen und einen expandierten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom zu ergeben. Wenigstens ein Teil der durch Arbeitsexpandieren des daraus resultierenden erwärmten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstroms gewonnenen Wellenarbeit kann genutzt werden, um den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom zu komprimieren. Der expandierte, mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom kann durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Verfahrensgasstrom gekühlt werden, um einen erwärmten Verfahrensgasstrom zu ergeben.
  • Die Luftzerlegung kann durch Komprimieren und Kühlen von Luft, um einen unter Druck stehenden Luft-Speisestrom zu ergeben, Reinigen des unter Druck stehenden Luft-Speisestroms durch ein zyklisches Temperaturwechseladsorptionsverfahren, um Wasser und Kohlendioxid von dort zu entfernen, weiteres Kühlen des daraus resultie renden gereinigten Luft-Speisestroms und Zerlegen des daraus resultierenden gekühlten, gereinigten Luft-Speisestroms durch kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation bewirkt werden, um den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom und den mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom zu ergeben, wobei der erwärmte Verfahrensgasstrom als ein Regeneriergas im zyklischen Temperaturwechseladsorptionsverfahren verwendet wird.
  • Der mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom wird vorzugsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas von der Verbrennungskraftmaschine in einem Wärmetauscher erwärmt, wobei dieses Erwärmen durch Kombinieren des expandierten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstroms mit dem warmen Abgas an einem Zwischenpunkt im Wärmetauscher ergänzt werden kann. In diesem Fall wird ein kombinierter Strom aus einem expandierten, mit Stickstoff angereicherten Produktgas und gekühltem Abgas vom Wärmetauscher entzogen und kann durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Verfahrensgas weiter gekühlt werden, um einen erwärmten Verfahrensgasstrom zu ergeben.
  • Die Erfindung kann des Weiteren das Wiedererwärmen des expandierten Produktgasstroms durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas von der Verbrennungskraftmaschine und das Arbeitsexpandieren des daraus resultierenden wieder erwärmten Gases umfassen, um Wellenarbeit und ein endgültiges Produktgas mit verringertem Druck zu ergeben. Die kombinierte Wellenarbeit aus diesem Schritt und die durch Arbeitsexpandieren des sich ergebenden erwärmten Produktgasstroms gewonnene Wellenarbeit kann genutzt werden, um zusätzliche elektrische Energie zu erzeugen.
  • Die Komprimierung des Speisegasgemisches wird vorzugsweise in einem unabhängig angetriebenen Speisegas-Kompressor ausgeführt.
  • Der mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom kann durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas in einem Wärmetauscher erwärmt werden, wobei das daraus resultierende gekühlte Abgas mit dem expandierten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom kombiniert wird und der daraus resultierende kombinierte Gasstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Verfahrensgas weiter gekühlt wird, um einen erwärmten Verfahrensgasstrom zu ergeben.
  • KURZE BESCHREIBUNG VON VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Luftzerlegung;
  • 2 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Luftzerlegung, wobei zusätzliche Wärme von dem arbeitsexpandierten, mit Stickstoff angereicherten Strom wiedergewonnen wird, um einen im Luftzerlegungsverfahren verwendeten Verfahrensstrom zu erwärmen;
  • 3 ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wobei der arbeitsexpandierte, mit Stickstoff angereicherte Strom mit einem teilweise gekühlten Austritt der Expansionsturbine im Wärmetauscher kombiniert wird, der den mit Stickstoff angereicherten Strom vor der Arbeitsexpansion erwärmt;
  • 4 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Luftzerlegung, wobei der Austritt von der Stickstoff-Expansionsturbine in einer weiteren Expansionsturbine wieder erwärmt und expandiert wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Temperatur des Austrittstroms von einer Verbrennungskraftmaschine wie einer Gasturbine kann im Bereich bis zu 871,11°C (1600°F) liegen, wobei die Wärme in diesem Strom einen erheblichen Anteil der gesamten, durch die Verwendung von Brennstoff in der Maschine erzeugten Wärme darstellt. Wenn eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Luftzerlegungseinheit integriert ist, kann die gesamte Energieeffizienz des Systems der vorliegenden Erfindung gemäß verbessert werden, indem Wärme vom Austritt der Verbrennungskraftmaschine durch ein zugeordnetes Wärmeaustauschsystem wiedergewonnen wird, das mit der Luftzerlegungseinheit integriert ist. Ein unter Druck stehender abfließender Strom, typischerweise ein trockener, mit Stickstoff angereicherter Strom von der Luftzerlegungseinheit wird durch den Austritt der Verbrennungskraftmaschine erwärmt, wobei das resultierende warme Gas expandiert wird, um Wellenarbeit zu erzeugen, die verwendet werden kann, um weitere rotierende Verfahrens-Maschinenteile anzutreiben oder um elektrische Energie zu erzeugen.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Luftzerlegung ist in 1 veranschaulicht. Ein sauerstoffhaltiger Oxidationsmittel-Gasstrom 101, der ein beliebiges sauerstoffhaltiges Gas sein kann, das die Verbrennung unterstützen kann und typischerweise atmosphärische Luft ist, wird in eine Verbrennungskraftmaschine 129 eingeführt. Bei diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Verbrennungskraftmaschine 129 eine Gasturbinen-Maschine, wobei aber andere Arten von Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden können, wie später beschrieben wird. Ein Luftstrom 101 wird im Kompressor 103 auf 3,36–41,3 bar (48–590 psia) und 71,11–815,55°C (160–1500°F) komprimiert. Der komprimierte Luftstrom 105 wird in der Brennkammer 107 mit einem Brennstoffstrom 109 verbrannt, um einen warmen, unter Druck stehenden Verbrennungsgasstrom 111 zu erzeugen. Typischerweise ist der Brennstoffstrom 109 Erdgas, wobei aber ein beliebiger gasförmiger oder flüssiger Brennstoff verwendet werden kann.
  • Der warme, unter Druck stehende Verbrennungsgasstrom 111 wird in der Expansionsturbine 113 expandiert, um Wellenarbeit und einen Austrittstrom 115 bei nahe atmosphärischem Druck und 93,33 bis 871,11°C (200 bis 1600°F) zu erzeugen. Der Expansionsschritt kann als Arbeitsexpansion definiert werden. Ein Teil der durch die Expansionsturbine 113 erzeugten Wellenarbeit treibt den Gasturbinen-Kompressor 103 durch die Welle 117 kann. Der Austrittstrom 115 wird im Wärmetauscher 119 durch indirekten Wärmeaustausch mit einem unter Druck stehenden Gasstrom 121 (wird später definiert) gekühlt, wobei der daraus resultierende gekühlte Austrittstrom 123 zur Atmosphäre entlüftet wird. Durch die Expansionsturbine 113 erzeugte zusätzliche Arbeit treibt den elektrischen Generator 125 durch die Welle 127 an.
  • Die oben beschriebene Gasturbinen-Maschine, in der Technik häufig allgemein als eine Gasturbine beschrieben, ist eine Gasturbinen-Maschine mit einer Einzelwelle, die den Gasturbinen-Kompressor 103, die Verbrennungskammer 107, die Expansi onsturbine 113 und die Welle 117 nutzt. Es können weitere Arten von in der Technik bekannten Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschinen nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie zum Beispiel Gasturbinensysteme mit zwei Wellen oder Mehrfachspulen.
  • Eine Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine ist eine Verbrennungskraftmaschine, in der die Verbrennungszone (Brennkammer 107) von der Expansionsvorrichtung (Expansionsturbine 113) getrennt ist und sich von ihr unterscheidet und in einem offenen Brayton-Takt arbeitet. Die Verbrennungskraftmaschine 129 kann alternativ ein Verbrennungsmotor sein, der einen Otto-Takt, einen Diesel-Takt oder eine beliebige andere Art von Takt nutzt, in dem die Verbrennungs- und Expansionsschritte in der gleichen Vorrichtung stattfinden.
  • Ein Speisegas 131, das ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, typischerweise atmosphärische Luft sein kann, wird im Kompressor 133 auf einen Druck im Bereich von 3,36–41,3 bar (48–590 psia) komprimiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kompressor 133 typischerweise ein ladeluftgekühlter Mehrstufen-Kompressor und wird bei allen Ausführungsbeispielen durch einen separaten elektrischen Motor oder eine andere Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) angetrieben, die von der Verbrennungskraftmaschine 129 unabhängig ist. Der komprimierte Luftstrom 135 wird im Nachkühler 137 weiter gekühlt, wobei ein endgültiger Luft-Speisestrom 139 in die Luftzerlegungseinheit 141 strömt. In der Luftzerlegungseinheit 141 wird der Luft-Speisestrom in einem Verunreinigungs-Entfernungssystem behandelt, um Wasser, Kohlendioxid und andere Verunreinigungen zu entfernen, bevor die Speiseluft im Luftzerlegungsverfahren zerlegt wird.
  • Der daraus resultierende gereinigte Luft-Speisestrom wird in der Luftzerlegungseinheit 141 typischerweise mittels eines kryogenen bzw. Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahrens zerlegt, wobei dadurch die Speiseluft in den mit Stickstoff angereicherten Produktstrom 143 und den mit Sauerstoff angereicherten Produktstrom 145 zerlegt wird. Optional kann auch ein mit Argon angereicherter Strom erzeugt werden. Der Ausdruck "mit Sauerstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, betrifft einen beliebigen Gasstrom mit einer höheren Sauerstoffkonzentration als Luft, wobei der Ausdruck "mit Stickstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, einen beliebigen Gasstrom mit einer höheren Stickstoffkonzentration als Luft betrifft. Wenn der Speise strom ein Gasgemisch ist, das Sauerstoff und Stickstoff enthält, aber keine Luft ist, betrifft der Ausdruck "mit Sauerstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, einen beliebigen Gasstrom mit einer höheren Sauerstoffkonzentration als der Speisestrom, wobei der Ausdruck "mit Stickstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, einen beliebigen Gasstrom mit einer höheren Stickstoffkonzentration als der Speisestrom betrifft. Der mit Stickstoff angereicherte Produktstrom 143 enthält typischerweise 80 bis 99,999 Mol% Stickstoff und befindet sich typischerweise nahe der Umgebungstemperatur und hat einen Druck von etwas über atmosphärischem Druck bis 41,3 bar (590 psia). Der mit Sauerstoff angereicherte Produktstrom 145 enthält typischerweise 50 bis 99,9 Mol% Sauerstoff und befindet sich in der Regel nahe der Umgebungstemperatur und hat einen Druck von atmosphärischem Druck bis 140 bar (2000 psia). Das mit Sauerstoff angereicherte Produkt kann, wenn nötig, im Sauerstoffprodukt-Kompressor 147 weiter komprimiert werden, um ein endgültiges Sauerstoffprodukt 149 bei Lieferdruck zur Verfügung zu stellen.
  • Typischerweise sind die Ströme 143 und 145 mit Stickstoff angereichert bzw. mit Sauerstoff angereichert, wie oben beschrieben ist, und sind im Wesentlichen trocken. Alternativ kann für bestimmte Produktanforderungen der Strom 145 ein mit Stickstoff angereicherter Produktstrom und der Strom 143 ein mit Sauerstoff angereicherter Strom sein.
  • Die Luftzerlegungseinheit 141 kann ein kryogenes Luftzerlegungsverfahren bei erhöhtem Druck (elevated pressure – EP) sein, in dem Speiseluft bei einem Druck über etwa 7 bar (100 psia) in mit Sauerstoff angereicherte und mit Stickstoff angereicherte Ströme bei Drücken über atmosphärischem Druck zerlegt wird. Ein mit Argon angereicherter Strom kann auf Wunsch ebenfalls erzeugt werden, wobei der mit Argon angereicherte Strom eine Argonkonzentration hat, die größer ist als die von Luft. Bei diesem bekannten Verfahren wird die gereinigte, unter Druck stehende Speiseluft weiter gekühlt, wenigstens teilweise kondensiert und in einer oder mehreren Destillationskolonnen destilliert. Das mit Stickstoff angereicherte Produkt 143 wird typischerweise bei einem Druck im Bereich von etwas über atmosphärischem Druck bis 41,3 bar (590 psia) erzeugt, wobei die Abkühlung für das Verfahren typischerweise durch Arbeitsexpansion von einem oder mehreren der internen Verfahrensströme zur Verfügung gestellt wird. Die mit Stickstoff angereicherten oder die mit Sauerstoff angereicherten flüssigen Ströme können im Verfahren gepumpt und verdampft werden, um Hochdruck-Gasprodukte zur Verfügung zu stellen. Repräsentative EP-Luftzerlegungseinheiten sind in den US-Patenten 5 740 673, 5 666 823 und 5 421 166 beschrieben.
  • Alternativ kann die Luftzerlegungseinheit 141 ein beliebiges, in der Technik bekanntes kryogenes Niederdruck-Luftzerlegungsverfahren nutzen, in dem ein Teil der Speiseluft in einen mit Sauerstoff angereicherten und einen mit Stickstoff angereicherten Strom bei Drücken über atmosphärischem Druck zerlegt wird. In diesem Fall wird der mit Stickstoff angereicherte Produktstrom 143 bei einem Druck im Bereich von etwas über atmosphärischem Druck bis 7 bar (100 psia) geliefert.
  • Bei jedem der oben beschriebenen Luftzerlegungsverfahren kann der mit Stickstoff angereicherte Produktstrom 143, wenn nötig, im Kompressor 151 komprimiert werden, um einen unter Druck stehenden Stickstoffstrom 121 im Druckbereich von etwa 2,1 bis 70 bar (30 bis 1000 psia) zur Verfügung zu stellen. Der unter Druck stehende Stickstoffstrom 121 wird gegen den Austrittstrom 115 im Wärmetauscher 119 erwärmt, wobei der daraus resultierende warme, unter Druck stehende Stickstoffstrom 153 auf einen Druck leicht über atmosphärischem Druck in der Expansionsturbine 155 arbeitsexpandiert wird, um Wellenarbeit zu erzeugen. Diese Wellenarbeit kann genutzt werden, um den elektrischen Generator 157 durch eine Welle 159 anzutreiben. Alternativ kann die durch die Expansionsturbine 155 erzeugte Wellenkraft verwendet werden, um weitere rotierende Maschinenteile in dem Verfahren wie den früher beschriebenen Sauerstoff-Kompressor 147 anzutreiben. Wenn ein Stickstoff-Kompressor 151 erforderlich ist, kann ein Teil der Arbeit, um diesen Kompressor anzutreiben, von der durch die Expansionsturbine 155 erzeugten Wellenarbeit zur Verfügung gestellt werden.
  • Der expandierte Stickstoffstrom 161 kann in die Atmosphäre abgelassen oder auf Wunsch anderswo verwendet werden, um zum Beispiel den Verfahrensgasstrom 163 durch indirekten Wärmeaustausch im Wärmetauscher 165 zu erwärmen, so dass sich ein erwärmter Verfahrensgasstrom 167 ergibt. Der endgültige gekühlte Niederdruck-Stickstoffstrom 169 kann in die Atmosphäre abgelassen oder auf Wunsch anderswo als Niederdruck-Produkt verwendet werden. 2 veranschaulicht eine mögliche Anwendung für den erwärmten Verfahrensgasstrom 167 vom Wärmetauscher 165. In der Luftzerlegungseinheit 141 wird die unter Druck stehende Lufteinspeisung behandelt, um Wasser, Kohlendioxid und andere Verunreinigungen in dem Temperaturwechseladsorptions-(thermal swing adsorption – TSA)System 201 zu entfernen, bevor die Speiseluft im Luftzerlegungsverfahren zerlegt wird. Das TSA-System erfordert warmes trockenes Regeneriergas, um die Adsorptionsmittelbetten zu regenerieren, wobei dies durch den erwärmten Gasstrom 167 zur Verfügung gestellt wird. Kühles Gas wird dem Wärmetauscher 165 als Strom 163 vom TSA-System 201 oder als anderer Verfahrensstrom innerhalb der Luftzerlegungseinheit 141 zugeführt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in 3 gezeigt. Nach diesem Ausführungsbeispiel wird der expandierte Stickstoffstrom 161 von der Expansionsturbine 155 mit dem Austrittstrom 115 an einem Zwischenpunkt im Wärmetauscher 301 kombiniert, der dem unter Druck stehenden Stickstoffstrom 121 stromaufwärts von der Expansionsturbine 155 erwärmt. Dies ergänzt das Erwärmen des unter Druck stehenden Stickstoffstroms 121 durch Rückgewinnung zusätzlicher Wärme vom expandierten Stickstoffstrom 161. Typischerweise wird der expandierte Stickstoffstrom 161 mit dem Austrittstrom 115 an einem Punkt im Wärmetauscher 301 so kombiniert, dass die Temperaturen der zwei Ströme gleich oder nahezu gleich sind. Der kombinierte Stickstoff- und Gasturbinen-Austrittstrom 303 kann im Wärmetauscher 307 weiter gekühlt werden, um den Verfahrensstrom 305 zu erwärmen. Der erwärmte Verfahrensstrom 309 kann anderswo im Verfahren, zum Beispiel zur TSA-Regenerierung in der Luftzerlegungseinheit 141 verwendet werden, wie früher beschrieben wurde, oder kann anderswo außerhalb des Verfahrens verwendet werden. Alternativ kann der expandierte Stickstoffstrom 161 mit dem Austrittstrom 115 zwischen den Wärmetauschern 301 und 307 kombiniert werden. Der endgültige gekühlte kombinierte Stickstoff- und Gasturbinen-Austrittstrom 311 wird in die Atmosphäre abgelassen.
  • Ein Verfahren zur Energieerzeugung und zur Luftzerlegung ist in 4 veranschaulicht. Nach diesem Ausführungsbeispiel kann Wärmeenergie von Gasturbinen-Austrittstrom 115 effektiver wiedergewonnen werden, wenn die Massenströmungsrate des Gasturbinen-Austrittstroms 115 größer ist als die des unter Druck stehenden Stickstoffstroms 121. Die Wiedererwärmung wird verwendet, um den Austausch von Wärme zwischen diesen zwei Strömen auszugleichen, wobei der unter Druck stehende Stickstoffstrom 121 im Wärmetauscher 401 erwärmt wird, um einen erwärmten Zwischen-Stickstoffstrom 403 zu ergeben, der in der Expansionsturbine oder Turbinenstufe 405 arbeitsexpandiert wird, um einen expandierten Zwischen-Stickstoffstrom 407 zu ergeben. Dieser Strom wird im Wärmetauscher 401 wieder erwärmt, wobei der wieder erwärmte Stickstoffstrom 409 in der Expansionsturbine oder Turbinenstufe 411 auf atmosphärischen Druck arbeitsexpandiert wird, um einen expandierten Stickstoffstrom 413 zu ergeben. Die durch die Turbinenstufen 405 und 411 erzeugte Wellenarbeit kann verwendet werden, um einen elektrischen Generator 415 durch eine Welle 417 anzutreiben oder um alternativ weitere rotierende Maschinenteile innerhalb des Verfahrens anzutreiben.
  • Bei allen Ausführungsbeispielen der oben beschriebenen Erfindung wird der Kompressor 133, der komprimierte Luft für die Luftzerlegungseinheit 141 zur Verfügung stellt, unabhängig angetrieben. Dies bedeutet, dass die Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) von der Verbrennungskraftmaschine 129 und den Produktgasströmen von der Luftzerlegungseinheit 141, die durch den Austritt von der Verbrennungskraftmaschine 129 erwärmt wurden, unabhängig sein und damit keine Verfahrensintegration aufweisen würde. Dies ermöglicht es, dass die Luftzerlegungseinheit 141 mit Sauerstoff angereichertes Produktgas 145 unabhängig von jedem zeitlich abweichenden Bedarf für elektrische Energie vom Generator 125 zuführt. Damit stellen die Expansionsturbinen 113 und 155 vorzugsweise keine Wellenarbeit für den Speisegas-Kompressor 133 zur Verfügung. Diese Verfahrensmerkmale entkoppeln bei Verwendung den Speisegas-Kompressor 133 von der Verbrennungskraftmaschine 129, die den Kompressor 133 als einen unabhängig angetriebenen Speisegas-Kompressor definiert. Der Kompressor 133 könnte jedoch auf Wunsch durch die Verbrennungskraftmaschine 129 angetrieben werden, wobei in einem solchen Fall die Luftzerlegungseinheit aber nicht unbedingt unabhängig arbeiten würde und von Änderungen des Bedarfs für elektrische Energie vom Generator 125 beeinflusst sein könnte.
  • Die Rückgewinnung von Arbeit aus dem Austrittstrom 115 in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird nach der vorliegenden Erfindung durch eine Alternative zu dem herkömmlichen, früher beschriebenen Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungssystem und Sumpf-Dampftakt durchgeführt. Durch die Rückgewinnung von Wärme mittels eines Produktgasstroms von der Luftzerlegungseinheit ist die erforderliche Verfahrensausrüstung erheblich reduziert, indem der Dampfgenerator zur Wärmerückgewinnung (Boiler), Boiler-Zuführungswasser-Pumpe und -System, die Dampf-Expansionsturbine, der Kondensator, Kondensatpumpen und zugehörige Ausrüstung und das Entsalzungssystem für das Boiler-Zuführungswasser beseitigt werden. Das Wärmetauscher-System der vorliegenden Erfindung ist kompakter als ein Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator. Zusätzlich ist der Produktgasstrom vom Luftzerlegungssystem für die meisten Anwendungen trocken und partikelfrei, wobei dies für den Betrieb und die Wartung der Wärmetauscher und der Expansionsturbine vorteilhaft ist. Da die Erfindung unter Druck stehendes Produktgas wirksam nutzt, kann eine Hochdruck-Luftzerlegungseinheit genutzt werden, die gepumpte Flüssigkeit oder einen Zyklus bei erhöhtem Druck verwendet. Diese Zyklen erfordern im Allgemeinen eine geringere oder weniger kostenintensive Ausrüstung als andere Zyklen, wobei dies ein Vorteil hinsichtlich der Investitionskosten sein kann. Nach der vorliegenden Erfindung gibt es keine Notwendigkeit, die Anforderungen an elektrische Energie und Produktgas-Anforderungen auszugleichen, da die Luftzerlegungseinheit unabhängig von der Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine arbeitet, die den elektrischen Generator antreibt.
  • Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Luftzerlegungseinheit vorzugsweise ein kryogenes bzw. Tieftemperatur-Zerlegungssystem, das das Speisegas durch kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation zerlegt. Das Merkmal der Erfindung kann im Prinzip auch realisiert werden, wenn andere Arten von bekannten Gaszerlegungsverfahren, zum Beispiel Verfahren, die Adsorption, Membranpermeation oder chemische Zerlegungsverfahren nutzen, verwendet werden.
  • BEISPIEL
  • Ein Luftzerlegungssystem bei erhöhtem Druck ist mit einer Anlage aus Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine/elektrischem Generator integriert, die eine Abwärme-Rückgewinnung und eine Stickstoff-Expansionsturbine verwendet, die ebenfalls einen elektrischen Generator antreibt. Dieses System wird in 1 gezeigt. Das Luftzerlegungssystem erzeugt 1,814 Tonnen (2000 amerikanische Tonnen) pro Tag des Sauerstoffproduktes mit 95 Vol% Sauerstoff bei 43,029 bar (614,7 psia). Die elektrischen Generatoren erzeugen 10,219 kW (netto) elektrische Energie. Das System arbeitet bei einem Luftdruck von 1,029 bar (14,7 psia), einer Umgebungstemperatur von 15°C (59°F), einer relativen Feuchtigkeit von 60% und einer Kühlwassertempera tur von 21,11°C (70°F). Die Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine ist eine typische industrielle aeroderivative Zweiwelleneinheit mit einem Einzelspulen-Gasgenerator und einer separaten Leistungsturbine, um den elektrischen Generator anzutreiben.
  • Es wurde ein Wärme- und Materialabgleich ausgeführt, um das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 1 zu veranschaulichen. Eine Stromzusammenfassung mit diesem Ausgleich ist in Tabelle 1 angegeben.
  • Tabelle 1
    Figure 00150001
  • Figure 00160001
  • Ein Leistungsausgleich für die rotierende Anlage wird in Tabelle 2 angegeben.
  • Tabelle 2
    Figure 00160002
  • ANMERKUNGEN:
    • 1) Kompressor-Dichtungsverluste wurden im Ausgleich berücksichtigt.
    • 2) Luftzerlegungseinheits-Verluste wurden im Ausgleich berücksichtigt.
    • 3) Energie für Zusatzgeräte wie Kühlmittel-Zirkulationspumpen, Kühlmittelturm-Lüfter, Schmiersystem-Zusatzstoffe sind nicht enthalten.
  • Damit bietet das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein alternatives Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einer Luftzerlegungseinheit integriert ist, in der die Verbrennungskraftmaschine einen elektrischen Generator antreibt, wobei ein Gasstrom von der Luftzerlegungseinheit gegen den Austritt der Verbrennungskraftmaschine erwärmt und arbeitsexpandiert wird, und zusätzliche elektrische Energie zu erzeugen oder eine Verfahrensanlage anzutreiben. Die Erfindung bietet eine Alternative zum bekannten Verfahren zur Rückgewinnung von Wärme aus dem Austritt einer Verbrennungskraftma schine durch ein Wärmerückgewinnungs-Generatorsystem und ist für Verfahrensituationen nützlich, in denen ein solches System nicht geeignet oder kosteneffektiv ist.
  • Die wesentlichen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden in der vorhergehenden Offenbarung vollständig beschrieben.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und zur Zerlegung eines Speisegasgemisches (131), das Sauerstoff und Stickstoff enthält und das umfasst: (a) Verbrennen eines Oxidationsmittelgases und eines Brennstoffs (109) in einer Verbrennungskraftmaschine (129), um Wellenarbeit und warmes Abgas (115) zu erzeugen; (b) Nutzen der Wellenarbeit nach (a), um einen elektrischen Generator (125) anzutreiben, um elektrische Energie zur Verfügung zu stellen; (c) Komprimieren des Speisegasgemisches (131) und Zerlegen des daraus resultierenden komprimierten Speisegasgemisches (131) in zwei oder mehr Produktgasströme (143, 145) mit verschiedenen Zusammensetzungen, und (d) Erwärmen von wenigstens einem der Produktgasströme (143) durch indirekten Wärmeaustausch mit wenigstens einem Teil des warmen Abgases (115) von der Verbrennungskraftmaschine (129) nach (a) und Arbeitsexpandieren des daraus resultierenden erwärmten Produktgasstroms (153), um Wellenarbeit zu erzeugen und einen expandierten Produktgasstrom (161) zu ergeben, wobei das Speisegasgemisch Luft (131), einer der Produktgasströme ein mit Sauerstoff angereicherter Produktgasstrom (145) und ein weiterer der Produktgasströme ein mit Stickstoff angereicherter Produktgasstrom (143) ist, wobei der mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom (143) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas (115) von der Verbrennungskraftmaschine (129) in einem Wärmetauscher erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen durch Kombinieren des expandierten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstroms mit dem warmen Abgas (115) an einem Zwischenpunkt im Wärmetauscher ergänzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine (129) eine Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine (129) ein Verbrennungsmotor ist.
  4. Anspruch nach Verfahren 1, wobei die Wellenarbeit, die durch Arbeitsexpandieren des sich ergebenden erwärmten Produktgasstroms (153) gewonnen wird, genutzt wird, um zusätzliche elektrische Energie zu erzeugen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Luft durch Komprimieren und Kühlen der Luft, so dass sich ein unter Druck stehender Luft-Speisestrom ergibt, Reinigen des unter Druck stehenden Luft-Speisestroms durch Entfernen von Wasser und Kohlendioxid von dort, weiteres Kühlen des daraus resultierenden gereinigten Luft-Speisestroms und Zerlegen des daraus resultierenden gekühlten, gereinigten Luft-Speisestroms durch kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation zerlegt wird, um den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom (145) und den mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom (143) zu ergeben.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom (143) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas (115) von der Verbrennungskraftmaschine (129) erwärmt wird und der daraus resultierende erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom arbeitsexpandiert wird, um Wellenarbeit zu erzeugen und einen expandierten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom zu ergeben.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei wenigstens ein Teil der durch Arbeitsexpandieren des sich ergebenden erwärmten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstroms gewonnenen Wellenarbeit genutzt wird, um den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom zu komprimieren.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der expandierte, mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Verfahrensgasstrom gekühlt wird, um einen erwärmten Verfahrensgasstrom zu ergeben.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Luft durch Komprimieren und Kühlen von Luft, um einen unter Druck stehenden Luft-Speisestrom zu ergeben, Reinigen des unter Druck stehenden Luft-Speisestroms durch ein zyklisches Temperaturwechseladsorptionsverfahren, um Wasser und Kohlendioxid von dort zu entfernen, weiteres Kühlen des daraus resultierenden gereinigten Luft-Speisestroms und Zerlegen des daraus resultierenden gekühlten, gereinigten Luft-Speisestroms durch kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation zerlegt wird, um den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom (145) und den mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom (143) zu ergeben, wobei der erwärmte Verfahrensgasstrom als ein Regeneriergas beim zyklischen Temperaturwechseladsorptionsverfahren verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein kombinierter Strom aus expandiertem, mit Stickstoff angereichertem Produktgas und gekühltem Abgas (123) vom Wärmetauscher (119) abgezogen und durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Verfahrensgas weiter gekühlt wird, um einen erwärmten Verfahrensgasstrom zu ergeben.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: (e) Wiedererwärmen des expandierten Produktgasstroms nach (d) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas (115) von der Verbrennungskraftmaschine und Arbeitsexpandieren des daraus resultierenden wieder erwärmten Gases, um Wellenarbeit und ein endgültiges Produktgas mit verringertem Druck zu ergeben.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die kombinierte Wellenarbeit nach (d) und (e) genutzt wird, um zusätzliche elektrische Energie zu erzeugen.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kombinieren des Speisegasgemisches (131) nach (c) durch einen unabhängig angetriebenen Speisegas-Kompressor (133) bewirkt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Speisegasgemisch Luft und einer der Produktgasströme ein mit Argon angereicherter Strom sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mit Stickstoff angereicherte Produktgasstrom (143) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem warmen Abgas (115) von der Verbrennungskraftmaschine (129) in einem Wärmetauscher (119) erwärmt wird, wobei das daraus resultierende gekühlte Abgas (123) mit dem expandierten, mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom kombiniert wird und der daraus resultierende kombinierte Gasstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Verfahrensgas weiter gekühlt wird, um einen erwärmten Verfahrensgasstrom zu ergeben.
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