WO2015003808A2 - Verfahren zur erzeugung zumindest eines luftprodukts, luftzerlegungsanlage, verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
    • F25J3/04563—Integration with a nitrogen consuming unit, e.g. for purging, inerting, cooling or heating
    • F25J3/04575—Integration with a nitrogen consuming unit, e.g. for purging, inerting, cooling or heating for a gas expansion plant, e.g. dilution of the combustion gas in a gas turbine
    • F25J3/04581—Hot gas expansion of indirect heated nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04812—Different modes, i.e. "runs" of operation
    • F25J3/04836—Variable air feed, i.e. "load" or product demand during specified periods, e.g. during periods with high respectively low power costs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04872—Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
    • F25J3/04878—Side by side arrangement of multiple vessels in a main column system, wherein the vessels are normally mounted one upon the other or forming different sections of the same column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04866—Construction and layout of air fractionation equipments, e.g. valves, machines
    • F25J3/04872—Vertical layout of cold equipments within in the cold box, e.g. columns, heat exchangers etc.
    • F25J3/04884—Arrangement of reboiler-condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/34—Processes or apparatus using separation by rectification using a side column fed by a stream from the low pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/50—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column
    • F25J2200/54—Processes or apparatus using separation by rectification using multiple (re-)boiler-condensers at different heights of the column in the low pressure column of a double pressure main column system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/42—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/50—Oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/50—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/04—Down-flowing type boiler-condenser, i.e. with evaporation of a falling liquid film
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/40—One fluid being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/50—One fluid being oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2260/00—Coupling of processes or apparatus to other units; Integrated schemes
    • F25J2260/50—Integration in an installation using oxygen, e.g. in the burner of a glass facility, waste incineration or oxygen based process [OBP] in general

Definitions

  • the invention relates to a method for producing at least one air product, an air separation plant and a method and a device for generating electrical energy according to the preambles of the independent claims.
  • condenser-evaporator refers to a heat exchanger in which a first condensing fluid stream undergoes indirect heat exchange with a second evaporating fluid stream.
  • Each condenser evaporator has a
  • Condensing passages or evaporation passages exist.
  • the condensation (liquefaction) of the first fluid flow is performed, in the evaporation space the evaporation of the second fluid flow.
  • Evaporation and liquefaction space are formed by groups of passages that are in heat exchange relationship with each other.
  • Evaporation space of a condenser-evaporator may be formed as a bath evaporator, falling film evaporator or forced-flow evaporator.
  • the low-pressure column bottom evaporator is in the evaporation chamber a
  • Low-pressure column intermediate evaporator is in the evaporation chamber a
  • a method of the type mentioned and a corresponding device with three columns are known from.
  • processes for generating electrical energy for example the known oxyfuel process and so-called combined gasification combined cycle (IGCC)
  • IGCC combined gasification combined cycle
  • oxygen or oxygen-enriched gas mixtures for example for combustion or for partial oxidation, needed.
  • processes and devices for the cryogenic separation of air can be used, as known, for example, from Hausen / Linde, Tiefftemperaturtechnik, 2nd edition 1985, Chapter 4 (pages 281 to 337).
  • distillation column systems are used, which may be designed, for example, as two-column systems, in particular as classic Linde double-column systems, but also as three-column or multi-column systems.
  • devices for obtaining further air components in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon, may be provided.
  • Methods and apparatus for generating electrical energy should be designed for large load ranges and fast load changes to intercept power surges that may result from the availability or unavailability of other power feeders. Also air separation plants, which supply oxygen or appropriate gas mixtures for this, should have an in the
  • the possible degree of flexibilization depends on the liquefaction capacity of the air separation plant.
  • air separation plants for supplying power generation processes and apparatuses have a low liquefaction capacity, since these are designed for the production of large quantities of gaseous oxygen and nitrogen products, the air separation plant at
  • Ambient temperature are taken.
  • the refrigeration requirement of such plants is relatively small, so that they are not designed to provide a sufficient amount of cold for the exclusive provision of larger amounts of liquid air products. Therefore, a separate liquefaction plant (LIN, LOX or LAIR condenser) can be installed in appropriate plants and switched on during the liquefaction phase. Flexibilization can also be achieved by designing the refrigeration capacity (and thus the liquefaction capacity) of the process or plant to be higher than the actually required amounts of gaseous oxygen and nitrogen products.
  • Object of the present invention is to provide methods of the type mentioned above and corresponding devices that have a large range of variation in their energy consumption and have a comparatively low energy consumption in all the corresponding mode of operation.
  • An “air separation plant” is fed with possibly dried and purified air, which by means of a “main air compressor” in the form of at least one
  • an air separation plant has a distillation column system for separating the air into its physical components, in particular into nitrogen and oxygen.
  • the air is cooled to near its dew point and introduced into the distillation column system, as explained above.
  • a pure "air liquefaction plant” or “liquefaction plant” does not include a distillation column system.
  • the structure of an air liquefaction plant may correspond to that of an air separation plant with the discharge of an air liquefaction product.
  • liquid air can be generated as a by-product in an air separation plant.
  • a “liquid air product” is any product which can be prepared, at least by compressing, cooling and then releasing air in the form of a cryogenic liquid. In particular, this may, as mentioned, to
  • liquid oxygen and “liquid nitrogen” in each case also designate cryogenic liquids which have oxygen or nitrogen in an amount which is above that of atmospheric air. It does not necessarily have to be pure liquids with high contents of oxygen or nitrogen. Under liquid nitrogen is therefore understood as pure or substantially pure nitrogen, as well as a mixture of liquefied air gases, the nitrogen content higher than that of
  • atmospheric air is.
  • it has a nitrogen content of at least 90, preferably at least 99 mole percent.
  • cryogenic liquid or a corresponding fluid, liquid air product, stream, etc., is understood to mean a liquid medium whose boiling point is significantly below the respective ambient temperature and, for example, 200 K or less, in particular 220 K or less.
  • cryogenic media are liquid air, liquid oxygen and liquid nitrogen in the above sense.
  • a "heat exchanger” is used for the indirect transfer of heat between at least two countercurrently flowed, for example, a warm compressed air stream and one or more cold streams or a cryogenic liquid air product and one or more warm streams.
  • a heat exchanger may be formed from a single or a plurality of heat exchanger sections connected in parallel and / or in series, for example one or more
  • a heat exchanger for example, the "main heat exchanger” used in an air separation plant, which is characterized in that the main part of the streams to be cooled or heated to be cooled or heated by him, has “passages”, which are as separate fluid channels with heat exchange surfaces are formed.
  • a “warm side” temperature of a heat exchanger is the temperature at which the streams to be cooled are fed to the heat exchanger. If necessary, several streams to be cooled the
  • the hot-side temperature can also refer to the average value or the lowest or highest temperature of the supplied streams to be cooled.
  • a “compressor” is a device that is capable of compressing at least one
  • gaseous stream of at least one inlet pressure at which it is supplied to the compressor to at least one final pressure at which this
  • a compressor forms a structural unit, which, however, can have a plurality of “compressor stages” in the form of known piston, screw and / or paddle wheel or turbine arrangements (ie axial or radial compressor stages).
  • This also applies to a "main air compressor” of an air separation plant, which is characterized by the fact that all or predominantly the amount of air that is fed into the air separation plant is compressed by it.
  • these compressor stages are driven by means of a common drive, for example via a common shaft.
  • compressors e.g. a main and a post-compressor of an air separation plant, may be coupled together.
  • a “secondary compressor” is designed to further increase the pressure of an already pressurized stream.
  • a “cold compressor” is characterized in that it can be supplied with a corresponding current at low temperature, in particular cryogenic.
  • Cold compressor is set up according to the prior art.
  • An "expansion turbine” that has a common shaft with more
  • Expansion turbines or energy converters such as oil brakes, generators or compressors can be coupled, is set up for relaxation of a gaseous or at least partially liquid stream.
  • Expansion turbines for use in the present invention be designed as a turboexpander. If a compressor is driven with one or more expansion turbines and this, however, operated without externally, for example by means of an electric motor, supplied energy, the term "turbine-driven" compressor is used here. Arrangements of turbine-driven compressors and
  • Expansion turbines are also referred to as "booster turbines”. Under one
  • Pressure nitrogen turbine or “PGAN turbine” is referred to in the context of this application, an expansion turbine, by means of which a generated in the air separation plant and a distillation column system removed nitrogen-rich
  • the relaxed pressure stream can then be heated, for example in the main heat exchanger and blown off to the environment.
  • a relaxation turbine called “medium pressure turbine” becomes specific in the art
  • a medium-pressure turbine relaxes a compressed by a main air compressor and possibly in one
  • Main heat exchanger in the medium-pressure column is a compressed by a main air compressor and possibly in one
  • Tank system has isolation means.
  • the present application is used for the characterization of pressures and
  • pressure level and "temperature level”, which is to express that appropriate pressures and temperatures must not be used in the form of exact pressure or temperature values in order to realize the inventive concept.
  • pressures and temperatures typically range in certain ranges that are, for example, ⁇ 1%, 5%, 10%, 20% or even 50% about an average.
  • Corresponding pressure levels and temperature levels can be in disjoint areas or in
  • the pressure levels indicated here in bar are absolute pressures.
  • Liquid air products or corresponding liquid streams can be converted by heating in a gaseous or in a supercritical state.
  • a regular phase transition by evaporation occurs when heating occurs at subcritical pressure.
  • no phase transition in the true sense occurs when heating above the critical temperature, but a transition from the liquid to the supercritical state. If the term "evaporation" is used in the context of this application, this also includes the conversion from the liquid to the supercritical state.
  • the invention is based on a method for producing at least one air product using an air separation plant comprising a main air compressor, a main heat exchanger and a distillation column system.
  • the method comprises, as already mentioned, a first and a second operating mode, wherein in the first operating mode at least one in the
  • the at least one stored in the first operating mode and / or at least one further, at least not generated in the second operating mode, and / or externally supplied and / or otherwise intermediately stored liquid air product (eg liquid air, liquid nitrogen or liquid oxygen) is fed into the distillation column system.
  • liquid air product eg liquid air, liquid nitrogen or liquid oxygen
  • Hot side temperature of the main heat exchanger is supplied to a cold compressor, in the cold compressor of a first superatmospheric
  • Pressure level is compressed to a second superatmospheric pressure level, and at the second superatmospheric pressure level in at least one
  • Air separation plant often readily possible because due to the inevitable heat input through the insulation and losses in the (main) heat exchanger (hot-side temperature difference) always a certain amount of cold is needed. This amount of cold is usually supplied by a used expansion turbine.
  • Relaxation machine be switched off. This allows a corresponding saving of drive power at the main air compressor and / or a downstream compressor, if a so-called medium-pressure turbine is used, is relaxed in the additional compressed air.
  • the corresponding method is implemented on the basis of a so-called injection turbine, by means of which air is released into the low-pressure column of the distillation column system used. If a so-called pressurized nitrogen or PGAN turbine is used, as shown in the figures shown in the context of this application, the leads
  • an external expansion machine can be used, which is supplied to the corresponding pressure stream after heating in an upstream heater and the pressure flow to the for the respective application required pressure (eg for use as a regeneration) relaxed.
  • Heat exchangers unfavorably change (“warp"), causing the
  • Temperature of one or more emerging from the heat exchanger flows is always lower. Above a certain limit, a safe or default mode of operation of the air separation plant is no longer guaranteed.
  • Infeed is then no longer possible, unless the heat input into the coldbox is increased by an additional heat source.
  • any known heat generating device e.g. an air, steam, gas electrically or otherwise heated heat exchanger can be used.
  • Liquids or liquid air products is performed) compressed after the shutdown of a corresponding expansion turbine (eg a pressure nitrogen turbine, as shown in the figures, but also, for example, a Einblaseturbine) available amount of pressurized nitrogen in the cold compressor, then warmed in a preheater and in a relaxed relaxation turbine.
  • a corresponding expansion turbine eg a pressure nitrogen turbine, as shown in the figures, but also, for example, a Einblaseturbine
  • an external expansion turbine with upstream preheater is not satisfactory in all cases, since such hardware components are extremely expensive and must be operated with considerable energy.
  • a separate (medium-pressure) steam system is typically provided for operating a corresponding preheater.
  • the associated losses are high.
  • a method or a system without such devices is therefore particularly desirable and advantageous in terms of cost reduction and energy saving.
  • the use of cold compressors in air separation plants per se is known.
  • US Pat. No. 7,272,954 B2 uses a cold compressor for compressing a
  • Throttling current is, as explained, for this reason compacted in order to subsequently make a corresponding relaxation in the high-pressure column for the production of additional cold.
  • the inductor current is here so on a higher
  • High-pressure column fed but previously relaxed again.
  • the first superatmospheric pressure level is below the operating pressure of the high-pressure column.
  • first operating mode of a corresponding air separation plant gaseous air products are not necessarily provided, for example to an oxyfuel or an IGCC process.
  • the first mode of operation may also include taking out liquid air products from a corresponding installation and transferring them into storage tanks provided for this purpose (during the aforementioned low-flow or excess-time periods).
  • Operating mode is characterized mainly by the fact that additional cold air is generated in the air separation plant, for example by means of a pressurized nitrogen, a Einblase- and / or a medium-pressure turbine.
  • additional cold air is generated in the air separation plant, for example by means of a pressurized nitrogen, a Einblase- and / or a medium-pressure turbine.
  • the first operating mode at most small quantities of air products previously stored in a tank system are fed into the distillation column system used and, if necessary, further separated, so that the mentioned negative effects of excessive
  • Plants are stored or provided in the storage tanks, for example by means of a separate condenser.
  • the Cold compressor used to ensure a heat input and simultaneously make a compression of a corresponding pressure flow.
  • the invention thus provides an air separation plant, which enables cost-effective means a particularly advantageous operation even when larger amounts, for example, previously stored in storage tanks, liquid air products. This can be significantly reduced in particular compared to air separation plants with heated heat exchangers, but also compared to systems with cold compressors and external expansion turbines, the cost.
  • Operation mode may be included, in which the at least one and / or at least one further gaseous pressure stream in a expansion turbine can be relaxed cold. The process can be switched as needed between the two operating modes.
  • Distillation column system which is a high pressure column and a
  • Low pressure column includes, the high pressure column at a higher
  • Operating pressure is operated as the low pressure column.
  • Distillation column systems for example, double column systems or systems with separate high and low pressure columns
  • the process is thus suitable for retrofitting a large number of existing air separation plants with corresponding distillation column systems.
  • the first pressure level corresponds to the operating pressure of the low-pressure column and / or the second pressure level to
  • a distillation column system which additionally comprises a medium-pressure column which is operated at an operating pressure which is between the
  • first pressure level correspond to the operating pressure of the low-pressure column and the second pressure level correspond to the operating pressure of the medium-pressure column or the high-pressure column.
  • first pressure level may correspond to the operating pressure of the medium-pressure column and the second pressure level may correspond to the operating pressure of the high-pressure column.
  • the at least one gaseous pressure stream may be formed from at least a portion of a stream which is one at the first pressure level
  • Operating pressure operated distillation column of the distillation column system is removed, ie a low-pressure column or, if present, optionally also a medium-pressure column.
  • the at least one gaseous pressure stream can then at least partially be transferred to a distillation column at a higher pressure level (in the case of removal from the low-pressure column, therefore
  • the at least one gaseous pressure stream may also be formed from at least part of a stream which is conveyed by means of the
  • a "medium-pressure flow” which is intended in part for feeding into a medium-pressure column of the distillation column system and is present at a corresponding pressure. Such, then compressed in the cold compressor gaseous pressure stream, can then be fed to the operated at a corresponding pressure level distillation column.
  • the at least one gaseous pressure stream at the second pressure level can also be combined with at least one further stream. If such a second pressure level corresponds, for example, to the operating pressure of the high-pressure column, a correspondingly compressed gaseous pressure stream can therefore be combined with a corresponding compressed-air flow which is provided by a main air compressor at this second pressure level and cooled in the main heat exchanger. If the compressed gaseous pressure stream is not yet at a desired temperature, the at least one gaseous pressure stream after compression in the
  • Cold compressor be cooled at least partially in the main heat exchanger. This is also an advantageous measure to counteract an unfavorable change in temperature profiles of the main heat exchanger caused by the feed of liquid air products by targeted introduction of temperature.
  • a corresponding stream can be used, for example, as a regeneration gas in a cleaning device with adsorber containers and is available for this purpose at a particularly favorable pressure and temperature level.
  • Such an air separation plant has a main air compressor, a main heat exchanger and a
  • a distillation column system and is arranged for operation in the illustrated first and the explained second operating mode, wherein means are provided which are adapted to at least one in the first operating mode in the
  • Control technology trained switching means include.
  • the air separation plant has a cold compressor. Furthermore, means are provided which are set up in the second operating mode for the at least one gaseous pressure stream a temperature level that is below a hot side temperature of the
  • Main heat exchanger is to supply the cold compressor to compress in the cold compressor from a first superatmospheric pressure level to a second superatmospheric pressure level, and then at the second pressure level at least partially feed into at least one distillation column of the distillation column system.
  • this may be an oxyfuel or IGCC process or a corresponding device.
  • FIG. 2 shows the air separation plant according to FIG. 1 in a second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 3 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 4 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 5 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 6 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 7 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 6 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 7 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • FIG. 8 shows an air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode in the form of a schematic plant diagram
  • Figure 9 shows a way to arrange a cold compressor in one
  • Figure 10 shows a way to arrange a cold compressor in one
  • FIGS. 1 to 10 partially identical systems and components of such systems are shown in different operating modes, which differ, inter alia, in the position of a multiplicity of valves in corresponding lines, so that liquid and gaseous streams are guided through different system components.
  • the valves are not illustrated.
  • Shutdown lines are crossed (-x-).
  • FIG. 1 shows a non-inventive air separation plant 1 10 in the form of a schematic system diagram.
  • the air separation plant 10 is shown in Figure 1 in a first mode of operation in which it does not receive appreciable quantities of liquid air products from "external sources", e.g. from a storage tank or an air liquefaction plant.
  • the illustrated first mode of operation for example, for the production of liquid air products in low-cost or
  • Another operating mode may also include the exclusive or predominant provision of gaseous air products.
  • the air separation plant 110 comprises as central components a main air compressor 10, a skin heat exchanger 20 and a distillation column system 30, which in the illustrated example is a multi-column system with a high-pressure column 31, a medium-pressure column 32 and a low-pressure column, the low-pressure column having a first section 38 and a second portion 33. These two sections are connected via a gas line k, which has no pressure-changing measures and thus form a uniform distillation space, which is not to be distinguished from a one-piece low-pressure column in terms of separation efficiency, pressure and temperatures.
  • the operating pressure of the high pressure column 31 is, for example, 5.0 to 5.5 bar at the top
  • the operating pressure of the low pressure column 33 is, for example, 1, 3 to 1, 4 bar at the top.
  • the operating pressure of the medium-pressure column 32 is between the operating pressure of the high-pressure column 31 and the operating pressure of the low-pressure column 33.
  • the main air compressor 10 is adapted to provide at least a first compressed air flow a and a second compressed air flow I.
  • the pressure level of the first compressed air flow a is at the operating pressure of the high pressure column 31 (therefore also referred to as "high pressure air", HPAIR), the
  • the provision of appropriate compressed air streams a and I is basically known and will not be explained in detail here.
  • 10 atmospheric air can be sucked through a filter in a main air compressor and compressed in several stages to said pressures.
  • the first compressed air flow a can be taken, for example, at the end of a multi-stage compression, the second compressed air flow I at an intermediate point.
  • the air can be cooled after compression in a direct contact cooler in direct heat exchange with cooling water.
  • the cooling water may be supplied from an evaporative cooler and / or from an external source.
  • the compressed and cooled air can then be in a cleaning device getting cleaned.
  • the cleaning device may comprise a pair of containers filled with a suitable adsorbent material.
  • a nitrogen-rich regeneration gas here in the form of the stream v explained below, is used
  • the cooled compressed air stream which is also denoted by a, is fed into the high-pressure column 31 downstream of the main heat exchanger 20 and liquefied to a further part in a bath evaporator or condenser 34 which is filled with an oxygen-rich liquid (see below). From the liquefied portion, in turn, a portion is fed liquid into the medium-pressure column 32 and passed a further portion through a subcooler 35 and expanded into the low pressure column 33.
  • the second compressed air flow I is to a proportion through a passage 24 of the
  • Main heat exchanger 20 and cooled there to near dew point.
  • another portion is passed through a heat exchanger element 44, which may also be integrated in the main heat exchanger 20, where it is used to evaporate an oxygen-rich liquid stream n (see below).
  • the subsequently reunited fractions are fed into the medium-pressure column 32.
  • each oxygen-enriched liquid streams are withdrawn, as stream h through the
  • an oxygen-rich liquid stream i is withdrawn, increased pressure by means of a pump 36, transferred via a flash valve (without designation) in a low-pressure column intermediate evaporator 37, partially evaporated there against a nitrogen-rich stream r (see below), and in the first section 38 of the low pressure column, in the swamp a
  • Low-pressure column bottom evaporator 39 is arranged.
  • the two condenser evaporators, the low-pressure column intermediate evaporator 37 and the low-pressure column bottom evaporator 39 designed as a falling film evaporator.
  • Liquid and gaseous fractions obtained from the head of the oxygen column 38 are referred to as Stream k partially returned to the low pressure column 33.
  • effluent is applied as reflux liquid to the first section 38 of the low-pressure column.
  • a liquid, oxygen-rich stream is withdrawn and transferred to the secondary condenser 34, which is designed as a condenser-evaporator with liquid bath (bath evaporator).
  • the secondary condenser 34 From the top of the secondary condenser 34, a gaseous, oxygen-rich stream m is withdrawn, heated in the main heat exchanger 20 and to provide a gaseous
  • Oxygen printed product (referred to herein as GOX). From the bottom of the secondary condenser 34, a liquid, oxygen-rich stream is withdrawn, from which a partial flow n liquid pressure increases, evaporated in the heat exchanger element 44 and also used to provide the gaseous oxygen pressure product. A partial flow o, however, is partially subcooled in the subcooler 35 and to
  • LOX liquid, oxygen-rich air product
  • the liquid air product can be transferred to and stored in a suitable storage tank 61.
  • LOX liquid, oxygen-rich air product
  • a nitrogen-rich gaseous stream p is withdrawn and liquefied in the falling-film evaporator or condenser 39.
  • a partial flow is returned to the high pressure column 31, a further partial flow (see link A) is passed through the subcooler 35 and then into the
  • a nitrogen-rich gaseous stream r is withdrawn and liquefied to a part in the falling film evaporator or condenser 37.
  • a partial flow is returned to the medium-pressure column 32, a further partial flow s passed through the subcooler 35 and then partially into the
  • Low pressure column 33 relaxed and partially provided in the form of a liquid, nitrogen-rich air product (here referred to as LIN). This can also be stored in a suitable storage tank 62.
  • LIN liquid, nitrogen-rich air product
  • Another (larger) partial flow t of the flow r is in the illustrated first operating mode, bypassing a cold compressor 45 in the main heat exchanger 20 heated.
  • a portion thereof, illustrated here as stream u can be taken from the main heat exchanger 20 at an intermediate temperature and then cold-expanded in a "cold" expansion turbine 46 (so-called pressurized nitrogen turbine), which may be coupled to a generator, for example.
  • the portion not expanded in the expansion turbine 45 is provided in the form of a gaseous nitrogen-rich air product (here designated MPGAN).
  • MPGAN gaseous nitrogen-rich air product
  • the partial flow v is used as regeneration gas (REGGAS) in the main air compressor 10 or a cleaning device associated therewith (see above).
  • REGGAS regeneration gas
  • the partial flow w is heated by means of a heat exchanger 51 operated with a hot water flow and subsequently expanded in a further expansion turbine 52, which can likewise be coupled to a generator.
  • a nitrogen-rich stream y is withdrawn, heated in the main heat exchanger 20 and discharged from the air separation plant 1 10.
  • the use of the expansion turbine 46 serves to ensure that it is always required due to an unavoidable heat incidence through the insulation and losses in the main heat exchanger (hot-side temperature difference)
  • the expansion turbine 46 can be turned off. This results in the example shown that a large usable amount of a corresponding nitrogen-rich air product is available under pressure, from which energy can be recovered.
  • Relaxation turbine (analogous to the expansion turbine 46) is relaxed, however, can reduce the drive power in the main air compressor 10 done.
  • FIG. 2 shows a corresponding second operating mode of the air separation plant 110.
  • an oxygen-rich liquid air product (LOX) transferred from the storage tank 61 in the bath evaporator or condenser 34 (see link B) and on the other hand, a liquid air product (for example, liquefied air from an external condenser, here referred to as LAIR), fed from a further storage tank 63 in the low pressure column 33.
  • LAIR liquid air product
  • Relaxation turbine 46 are turned off.
  • MPGAN gaseous nitrogen-rich air product
  • stream x corresponding nitrogen-rich air product
  • the air must be preheated.
  • the cold compressor 45 is also in operation in the second operating mode.
  • the cold compressor 45 By the cold compressor 45, however, not only heat can be introduced into the system but affect the overall process by targeted compression of certain streams (here stream t) and improve what with other heat-generating devices, such as air, steam, gas electric or otherwise heated heat exchangers, would not be possible.
  • the pressure increase caused by the cold compressor 45 can be utilized in the expansion turbine 52.
  • a particular advantage over the air separation plant according to the invention not shown in FIG. 10 results from the air separation plant 100 according to the invention shown and described below, in which the cold compressor 45 is used as a so-called feed compressor and integrated into the distillation column system 30.
  • At least one gaseous pressure stream (see subsequent streams b through g) will be on one Temperature level, which is below a hot-side temperature of the main heat exchanger 20, the cold compressor 45 supplied in the cold compressor 45 from a first superatmospheric pressure level to a second
  • Cold Compressor 45 for example, a corresponding gaseous pressure flow (eg air from the main air compressor 10 in the form of the flow e explained below or a nitrogen-rich, gaseous pressure stream from one of the distillation columns in the form of the below-explained streams b to d, f and g) of a pressure level, used for a low pressure or medium pressure column 32 or 33, or more generally for a lower pressure column operating pressure, to a pressure level used for a medium pressure or high pressure column 31 or 32, more generally a higher pressure column than operating pressure , condensed.
  • a corresponding gaseous pressure flow eg air from the main air compressor 10 in the form of the flow e explained below or a nitrogen-rich, gaseous pressure stream from one of the distillation columns in the form of the below-explained streams b to d, f and g
  • a corresponding gaseous pressure flow eg air from the main air compressor 10 in the form of the flow e explained below or a
  • FIG. 3 shows a corresponding air separation plant 100 according to a
  • Embodiment of the invention in the second mode of operation is the first
  • Operation mode is not shown again, but basically corresponds to that in Figure 1:
  • a corresponding current is passed through the expansion turbine 46, the cold compressor 45 is bypassed.
  • oxygen-rich liquid air product (LOX) from the storage tank 61 in the bath evaporator or condenser 34 transferred (see link B) and on the other hand, a liquid air product (for example, liquefied air from an external LOX) from the storage tank 61 in the bath evaporator or condenser 34 transferred (see link B) and on the other hand, a liquid air product (for example, liquefied air from an external
  • LOX oxygen-rich liquid air product
  • LAIR Condenser
  • the cold compressor 45 is charged with a partial stream b of the nitrogen-rich stream y withdrawn from the low-pressure column 33, which is thus present at the above-mentioned superatmospheric pressure level at the top of the low-pressure column 33, for example 1, 3 to 1, 4 bar.
  • this partial flow b is compressed from said ("first") superatmospheric pressure level to a higher ("second") superatmospheric pressure level, which here corresponds to the operating pressure of the medium-pressure column 32.
  • the partial flow b compressed as explained is then supplied to a passage 25 of the main heat exchanger 20 at an intermediate temperature and cooled accordingly. After cooling, the current b in the top of the medium-pressure column 32 is abandoned.
  • FIG. 4 shows a further air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode.
  • the cold compressor 45 is also charged here with a partial flow of withdrawn from the low-pressure column 33 nitrogen-rich stream y, which is denoted by c and at the above-mentioned superatmospheric pressure level at the top of the low-pressure column 33, for example 1, 3 to 1, 4 bar, is present ,
  • this partial flow c is changed from the above-mentioned ("first") superatmospheric pressure level to a higher (“second”) superatmospheric pressure level, but here the operating pressure of the
  • High pressure column 31 corresponds, compressed.
  • the partial flow c as described is then supplied to a passage 27 of the main heat exchanger 20 at an intermediate temperature and cooled accordingly. After cooling, the current c in the top of the high pressure column 31 is abandoned. Further streams j (MPGAN) and z (partly used as regeneration gas, REGGAS, possibly only in the first
  • FIG. 5 shows a further air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode.
  • the cold compressor 45 is charged here with a stream d, which is taken from the head of the medium-pressure column 32 and therefore at the aforementioned superatmospheric pressure level at the top of the
  • FIG. 6 shows a further air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode.
  • the cold compressor 45 is here charged with a partial flow e of the pressure flow I from the main air compressor 10, which is present at the above-mentioned superatmospheric pressure level, which corresponds to the operating pressure of the medium-pressure column 32.
  • the partial flow e is taken from the main heat exchanger 20 at the cold end, so that its temperature level below the
  • FIG. 7 shows a further air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode.
  • the cold compressor 45 is charged here with a stream f, the low pressure column 33 is removed and therefore at the above-mentioned superatmospheric pressure level of the low pressure column 33, for example, 1, 3 to 1, 4 bar, and at its temperature level.
  • this partial flow f is compressed from the said ("first") superatmospheric pressure level to a higher (“second”) superatmospheric pressure level, which in turn corresponds here to the operating pressure of the medium-pressure column 32.
  • the partial flow f compressed as explained is then supplied to the passage 24 of the main heat exchanger 20 at an intermediate temperature and thus combined with the flow I.
  • the current referred to here with I is cooled accordingly. After cooling, the current I is fed into the medium-pressure column 32.
  • Further streams j (MPGAN) and z (partly used as regeneration gas, REGGAS, possibly only in the first
  • Air separation plant to be discharged.
  • FIG. 8 shows a further air separation plant according to an embodiment of the invention in the second operating mode.
  • the cold compressor 45 is also charged here with a stream g, the low pressure column 33 is removed and therefore at the above-mentioned superatmospheric pressure level of the low pressure column 33, for example, 1, 3 to 1, 4 bar, and at its temperature level.
  • superatmospheric pressure level to a higher (“second") superatmospheric pressure level, which in turn corresponds to the operating pressure of the high pressure column 31, for example, 5.0 to 5.5 bar, compressed.
  • the partial flow g compressed as explained is then supplied to the passage 21 of the main heat exchanger 20 at an intermediate temperature and thus combined with the flow a.
  • the current further here designated by a is cooled accordingly. After cooling, the current is a u.a. in the
  • Figures 9 and 10 show alternative ways to arrange a
  • a stream compressed by the cold compressor 45 is supplied to the main heat exchanger 20 on the warm side.
  • a stream is taken from the main heat exchanger 20 at a first intermediate temperature, then compressed, and the main heat exchanger 20 at a second intermediate temperature

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Luftprodukts vor, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (100) verwendet wird, die einen Hauptluftverdichter (10), einen Hauptwärmetauscher (20) und ein Destillationssäulensystem (30) aufweist, und das einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus umfasst, wobei in dem ersten Betriebsmodus zumindest ein in dem Destillationssäulensystem (30) erzeugtes flüssiges Luftprodukt (LIN, LOX) gespeichert und in dem zweiten Betriebsmodus das zumindest eine in dem ersten Betriebsmodus gespeicherte und/oder zumindest ein weiteres flüssiges Luftprodukt (LIN, LOX, LAIR) in das Destillationssäulensystem (30) eingespeist wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem zweiten Betriebsmodus zumindest ein gasförmiger Druckstrom (b - g) auf einem Temperaturniveau, das unterhalb einer warmseitigen Temperatur des Hauptwärmetauschers (20) liegt, einem Kaltverdichter (45) zugeführt wird, in dem Kaltverdichter (45) von einem ersten überatmosphärischen Druckniveau auf ein zweites überatmosphärisches Druckniveau verdichtet wird, und auf dem zweiten überatmosphärischen Druckniveau in zumindest eine Destillationssäule (31, 32) des Destillationssäulensystems (30) eingespeist wird. Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage (100) sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Luftprodukts, Luftzerlegungsanlage, Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Luftprodukts, eine Luftzerlegungsanlage sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Als "Kondensator-Verdampfer " wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensator-Verdampfer weist einen
Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf, die aus
Verflüssigungspassagen beziehungsweise Verdampfungspassagen bestehen. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen. Der
Verdampfungsraum eines Kondensator-Verdampfers kann als Badverdampfer, Fallfilmverdampfer oder Forced-Flow-Verdampfer ausgebildet sein. In dem Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer wird im Verdampfungsraum eine
Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule mindestens teilweise verdampft. In dem
Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer wird im Verdampfungsraum eine
Zwischenflüssigkeit der Niederdrucksäule mindestens teilweise verdampft. Stand der Technik
Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung mit drei Säulen sind aus bekannt. Bei bekannten Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, beispielsweise den bekannten Oxyfuel-Verfahren und sogenannten Kombi-Prozessen mit integrierter Vergasung (engl. Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC), werden Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Gasgemische, beispielsweise zur Verbrennung oder zur partiellen Oxidation, benötigt. Zur Bereitstellung des Sauerstoffs oder entsprechender sauerstoffangereicherter Gasgemische können Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft eingesetzt werden, wie sie z.B. aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt sind.
In derartigen Verfahren und Vorrichtungen (hier kurz als "Luftzerlegungsanlagen" bezeichnet) werden Destillationssäulensysteme verwendet, die beispielsweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Ferner können Vorrichtungen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie sollten für große Lastbereiche und schnelle Lastwechsel ausgelegt sein, um Stromschwankungen abfangen zu können, wie sie durch die Verfügbarkeit bzw. NichtVerfügbarkeit von anderen Energieeinspeisern entstehen können. Auch Luftzerlegungsanlagen, die Sauerstoff bzw. entsprechende Gasgemische hierfür liefern, sollten eine im
entsprechenden Umfang flexible Betriebsweise ermöglichen. Auch herkömmliche Luftzerlegungsanlagen sind von der Stromnetzauslastung und entsprechend stark variierenden Stromtarifen betroffen.
Der mögliche Flexibilisierungsgrad ist dabei von der Verflüssigungskapazität der Luftzerlegungsanlage abhängig. Je größer die verfügbare Verflüssigungskapazität ist, desto mehr günstiger Strom kann in Form flüssiger Luftprodukte gespeichert werden. Insbesondere Luftzerlegungsanlagen zur Versorgung von Verfahren und Vorrichtungen zur Energieerzeugung verfügen jedoch über eine nur geringe Verflüssigungskapazität, da diese für die Produktion von großen Mengen an gasförmigen Sauerstoff- und Stickstoffprodukten ausgelegt sind, die der Luftzerlegungsanlage bei
Umgebungstemperatur entnommen werden. Der Kältebedarf entsprechender Anlagen ist verhältnismäßig klein, so dass diese auch nicht dafür ausgelegt sind, eine ausreichende Kältemenge für die ausschließliche Bereitstellung größerer Mengen flüssiger Luftprodukte zu liefern. In entsprechenden Anlagen kann daher eine separate Verflüssigungsanlage (LIN-, LOX- oder LAIR-Verflüssiger) installiert und während der Verflüssigungsphase zugeschaltet werden. Eine Flexibilisierung kann auch dadurch erzielt werden, dass das Kälteproduktionsvermögen (und damit entsprechend das Verflüssigungsvermögen) des Verfahrens bzw. der Anlage höher als für die tatsächlich erforderlichen Mengen an gasförmigen Sauerstoff- und Stickstoffprodukten ausgelegt wird.
Werden in eine entsprechende Luftzerlegungsanlage größere Mengen an flüssigen Luftprodukten eingespeist, wird ggf. deutlich mehr Kälte in die Luftzerlegungsanlage eingetragen als benötigt. Dies würde ohne Gegenmaßnahmen dazu führen, dass sich die jeweiligen Temperaturprofile in den Wärmetauschern verschieben und die
Temperatur eines oder mehrerer aus den Wärmetauschern austretender Ströme immer niedriger würde. Ab einer bestimmten Grenze wäre eine sichere Betriebsweise der Luftzerlegungsanlage nicht mehr gewährleistet. Dieses Problem kann durch die Verwendung wärmeerzeugender Vorrichtungen, z.B. von luft-, dampf-, gas- elektrisch oder anderweitig beheizten Wärmetauschern, adressiert werden. Eine derartige Lösung erweist sich jedoch insbesondere aus energetischen Gründen als ungünstig.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, Verfahren der eingangs genannten Art und entsprechende Vorrichtungen anzugeben, die eine große Variationsbreite in ihrem Energieverbrauch aufweisen und in allen entsprechenden Betriebsweise einen vergleichsweise niedrigen Energieverbrauch aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Luftprodukts, eine Luftzerlegungsanlage sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vor der Erläuterung der im Rahmen der vorliegenden Erfindung erzielbaren Vorteile werden einige in dieser Anmeldung verwendete Begriffe erläutert. Eine "Luftzerlegungsanlage" wird mit ggf. getrockneter und aufgereinigter Luft beschickt, die mittels eines "Hauptluftverdichters" in Form zumindest eines
Druckluftstroms bereitgestellt wird. Eine Luftzerlegungsanlage weist, wie erwähnt, ein Destillationssäulensystem zur Zerlegung der Luft in ihre physikalischen Komponenten auf, insbesondere in Stickstoff und Sauerstoff. Hierzu wird die Luft in die Nähe ihres Taupunkts abgekühlt und in das Destillationssäulensystem eingeleitet, wie zuvor erläutert. Im Gegensatz dazu umfasst eine reine "Luftverflüssigungsanlage" oder "Verflüssigungsvorrichtung" kein Destillationssäulensystem. Im Übrigen kann der Aufbau einer Luftverflüssigungsanlage jenem einer Luftzerlegungsanlage mit der Abgabe eines Luftverflüssigungsprodukts entsprechen. Selbstverständlich kann auch in einer Luftzerlegungsanlage Flüssigluft als Nebenprodukt erzeugt werden.
Ein "flüssiges Luftprodukt" ist jedes Produkt, das zumindest durch Verdichten, Abkühlen und anschließendes Entspannen von Luft in Form einer tiefkalten Flüssigkeit hergestellt werden kann. Insbesondere kann es sich hierbei, wie erwähnt, um
Flüssigsauerstoff (LOX), Flüssigstickstoff (LI N), Flüssigargon (LAR) oder Flüssigluft (LAIR) handeln. Die Begriffe "flüssiger Sauerstoff' bzw. "flüssiger Stickstoff' bezeichnen dabei jeweils auch tiefkalte Flüssigkeiten, die Sauerstoff bzw. Stickstoff in einer Menge aufweisen, die oberhalb derer atmosphärischer Luft liegt. Es muss sich dabei also nicht notwendigerweise um reine Flüssigkeiten mit hohen Gehalten von Sauerstoff bzw. Stickstoff handeln. Unter flüssigem Stickstoff wird also sowohl reiner oder im Wesentlichen reiner Stickstoff verstanden, als auch ein Gemisch aus verflüssigten Luftgasen, dessen Stickstoffgehalt höher als derjenige der
atmosphärischen Luft ist. Beispielsweise weist dieses einen Stickstoffgehalt von mindestens 90, vorzugsweise mindestens 99 Molprozent auf.
Unter einer "tiefkalten" Flüssigkeit, bzw. einem entsprechenden Fluid, flüssigen Luftprodukt, Strom usw. wird ein flüssiges Medium verstanden, dessen Siedepunkt deutlich unterhalb der jeweiligen Umgebungstemperatur liegt und beispielsweise 200 K oder weniger, insbesondere 220 K oder weniger, beträgt. Beispiele für tiefkalte Medien sind flüssige Luft, flüssiger Sauerstoff und flüssiger Stickstoff im obigen Sinn.
Ein "Wärmetauscher" dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei im Gegenstrom zueinander geführten Strömen, beispielsweise einem warmen Druckluftstrom und einem oder mehreren kalten Strömen oder einem tiefkalten flüssigen Luftprodukt und einem oder mehreren warmen Strömen. Ein Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren
Plattenwärmetauscherblöcken. Ein Wärmetauscher, beispielsweise auch der in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzte "Hauptwärmetauscher", der sich dadurch auszeichnet, dass durch ihn der Hauptanteil der abzukühlenden bzw. zu erwärmenden Ströme abgekühlt bzw. erwärmt wird, weist "Passagen" auf, die als voneinander getrennte Fluidkanäle mit Wärmeaustauschflächen ausgebildet sind. Ein
entsprechender Wärmetauscher weist im Betrieb eine "warme Seite" und eine "kalte Seite" auf, deren Temperaturen sich unterscheiden. Eine "warmseitige" Temperatur eines Wärmetauschers ist die Temperatur, bei der die zu kühlenden Ströme dem Wärmetauscher zugeführt werden. Da ggf. mehrere zu kühlende Ströme dem
Wärmetauscher auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zugeführt werden, kann sich die warmseitige Temperatur auch auf deren Mittelwert oder die niedrigste oder höchste Temperatur der zugeführten zu kühlenden Ströme beziehen.
Ein "Verdichter" ist eine Vorrichtung, die zum Verdichten wenigstens eines
gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck, bei dem dieser dem Verdichter zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem
Verdichtersystem entnommen wird, eingerichtet ist. Ein Verdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere "Verdichterstufen" in Form bekannter Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelrad- bzw. Turbinenanordnungen (also Axial- oder Radialverdichterstufen) aufweisen kann. Dies gilt auch für einen "Hauptluftverdichter" einer Luftzerlegungsanlage, der sich dadurch auszeichnet, dass durch ihn die gesamte oder der überwiegende Anteil der Luftmenge, die in die Luftzerlegungsanlage eingespeist wird, verdichtet wird. Insbesondere werden diese Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, angetrieben. Mehrere Verdichter, z.B. ein Haupt- und ein Nachverdichter einer Luftzerlegungsanlage, können miteinander gekoppelt sein. Ein "Nachverdichter" ist zur weiteren Druckerhöhung eines bereits druckbeaufschlagten Stroms ausgebildet. Ein "Kaltverdichter" zeichnet sich dadurch aus, dass ihm ein entsprechender Strom bei tiefer Temperatur, insbesondere auch tiefkalt, zugeführt werden kann. Der
Kaltverdichter ist hierzu dem Stand der Technik gemäß eingerichtet. Eine "Entspannungsturbine", die über eine gemeinsame Welle mit weiteren
Entspannungsturbinen oder Energiewandlern wie Ölbremsen, Generatoren oder Verdichtern gekoppelt sein kann, ist zur Entspannung eines gasförmigen oder zumindest teilweise flüssigen Stroms eingerichtet. Insbesondere können
Entspannungsturbinen zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als Turboexpander ausgebildet sein. Wird ein Verdichter mit einer oder mehreren Entspannungsturbinen angetrieben und dieser jedoch ohne extern, beispielsweise mittels eines Elektromotors, zugeführte Energie betrieben, wird hier der Begriff "turbinengetriebener" Verdichter verwendet. Anordnungen aus turbinengetriebenen Verdichtern und
Entspannungsturbinen werden auch als "Boosterturbinen" bezeichnet. Unter einer
"Druckstickstoffturbine" bzw. "PGAN-Turbine" wird im Rahmen dieser Anmeldung eine Entspannungsturbine bezeichnet, mittels derer ein in der Luftzerlegungsanlage erzeugter und einem Destillationssäulensystem entnommener stickstoffreicher
Druckstrom entspannt wird. Der entspannte Druckstrom kann dann beispielsweise im Hauptwärmetauscher erwärmt und an die Umgebung abgeblasen werden. Eine als "Mitteldruckturbine" bezeichnete Entspannungsturbine wird spezifisch im
Zusammenhang mit Dreisäulensystemen verwendet, die eine Hochdrucksäule, eine Mitteldrucksäule und eine Niederdrucksäule umfassen. Eine Mitteldruckturbine entspannt einen durch einen Hauptluftverdichter verdichteten und ggf. in einem
Nachverdichter nachverdichteten Druckluftstrom nach Abkühlung in dem
Hauptwärmetauscher in die Mitteldrucksäule. Durch eine "Einblaseturbine" wird hingegen ein durch einen Hauptluftverdichter verdichteter und ggf. in einem
Nachverdichter nachverdichteter Druckluftstrom nach Abkühlung in dem
Hauptwärmetauscher in die Niederdrucksäule des Drei- oder eines Zweisäulensystems entspannt. Ein mittels eines Entspannungsventils in die Hochdrucksäule entspannter Strom wird hingegen als "Drosselstrom" bezeichnet. Dieser wird zuvor auf ein
Druckniveau oberhalb des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule verdichtet,
beispielsweise mittels eines Nachverdichters im oder stromab des Hauptluftverdichters und/oder mittels eines turbinengetriebenen Verdichters.
Unter einem "Tanksystem" wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine
Anordnung mit wenigstens einem zur Speicherung eines flüssigen Luftprodukts eingerichteten Tieftemperaturspeichertank verstanden. Ein entsprechendes
Tanksystem weist Isolationsmittel auf. Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und
Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 1 %, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in
Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise
Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste, beispielsweise aufgrund von Abkühlungseffekten, ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.
Flüssige Luftprodukte bzw. entsprechende flüssige Ströme können durch Erwärmen in einen gasförmigen oder in einen überkritischen Zustand überführt werden. Ein regulärer Phasenübergang durch Verdampfen erfolgt, wenn die Erwärmung bei unterkritischem Druck erfolgt. Falls flüssige Luftprodukte jedoch bei einem Druck erwärmt werden, der oberhalb des kritischen Drucks liegt, erfolgt beim Erwärmen über die kritische Temperatur hinaus kein Phasenübergang im eigentlichen Sinn, sondern ein Übergang vom flüssigen in den überkritischen Zustand. Wird im Rahmen dieser Anmeldung der Begriff "Verdampfen" verwendet, schließt dies auch die Überführung vom flüssigen in den überkritischen Zustand ein.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Luftprodukts aus, bei dem eine Luftzerlegungsanlage verwendet wird, die einen Hauptluftverdichter, einen Hauptwärmetauscher und ein Destillationssäulensystem aufweist. Das Verfahren umfasst dabei, wie bereits eingangs angesprochen, einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus, wobei in dem ersten Betriebsmodus zumindest ein in dem
Destillationssäulensystem erzeugtes flüssiges Luftprodukt gespeichert und in dem zweiten Betriebsmodus das zumindest eine in dem ersten Betriebsmodus gespeicherte und/oder zumindest ein weiteres, jedenfalls nicht in dem zweiten Betriebsmodus erzeugtes, und/oder ein extern zugeführtes und/oder ein anderweitig zwischengespeichertes flüssiges Luftprodukt (z.B. Flüssigluft, Flüssigstickstoff oder Flüssigsauerstoff) in das Destillationssäulensystem eingespeist wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem zweiten Betriebsmodus zumindest ein gasförmiger Druckstrom auf einem Temperaturniveau, das unterhalb einer
warmseitigen Temperatur des Hauptwärmetauschers liegt, einem Kaltverdichter zugeführt wird, in dem Kaltverdichter von einem ersten überatmosphärischen
Druckniveau auf ein zweites überatmosphärisches Druckniveau verdichtet wird, und auf dem zweiten überatmosphärischen Druckniveau in zumindest eine
Destillationssäule des Destillationssäulensystems eingespeist wird. Diese
Destillationssäule wird auf einem Betriebsdruck betrieben, die dem zweiten
überatmosphärischen Druckniveau entspricht. Dieses Verfahren bietet beträchtliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: Wie bereits zuvor erwähnt, ist eine Einspeisung einer vergleichsweise kleinen Menge von tiefkalten Flüssigkeiten bzw. flüssigen Luftprodukten in die Coldbox einer
Luftzerlegungsanlage häufig ohne weiteres möglich, da aufgrund des unvermeidlichen Wärmeeinfalls durch die Isolation und durch Verluste im (Haupt-)Wärmetauscher (warmseitige Temperaturdifferenz) stets eine gewisse Kältemenge benötigt wird. Diese Kältemenge wird in der Regel von einer verwendeten Entspannungsturbine geliefert.
Wird der Kältebedarf durch die zuvor erläuterte Einspeisung gedeckt, kann die
Entspannungsmaschine abgeschaltet werden. Dies ermöglicht eine entsprechende Einsparung von Antriebsleistung am Hauptluftverdichter und/oder einem diesem nachgeschalteten Nachverdichter, falls eine sogenannte Mitteldruckturbine eingesetzt wird, in der zusätzlich verdichtete Luft entspannt wird. Ähnliches gilt, falls das entsprechende Verfahren auf Basis einer sogenannten Einblaseturbine realisiert wird, mittels derer Luft in die Niederdrucksäule des verwendeten Destillationssäulensystems entspannt wird. Wird eine sogenannte Druckstickstoff- bzw. PGAN-Turbine verwendet, wie in den im Rahmen dieser Anmeldung dargestellten Figuren gezeigt, führt die
Abschaltung der Turbine dazu, dass eine große verwertbare Menge an Druckstickstoff zur Verfügung steht, aus der die zur Verdichtung aufgewendete Energie
zurückgewonnen werden kann. Hierzu kann eine externe Entspannungsmaschine eingesetzt werden, der der entsprechende Druckstrom nach Erwärmen in einem vorgeschalteten Heizer zugeführt wird und die den Druckstrom bis auf den für das jeweilige Einsatzgebiet erforderlichen Druck (z.B. zur Verwendung als Regeneriergas) entspannt.
Wird mit der Einspeisung der tiefkalten Flüssigkeiten bzw. der flüssigen Luftprodukte jedoch über eine längere Zeit mehr Kälte in die Coldbox eingetragen als benötigt, kann dies dazu führen, dass sich die Temperaturprofile in den verwendeten
Wärmetauschern in ungünstiger Weise verändern ("verziehen"), wodurch die
Temperatur eines oder mehrerer aus dem Wärmetauscher austretender Ströme immer niedriger wird. Ab einer bestimmten Grenze ist eine sichere bzw. vorgabegemäße Betriebsweise der Luftzerlegungsanlage nicht mehr gewährleistet. Eine weitere
Einspeisung ist dann nicht mehr möglich, es sei denn, der Wärmeeinfall in die Coldbox wird durch eine zusätzliche Wärmequelle erhöht. Für diese Zwecke kann, wie erwähnt, jede bekannte wärmeerzeugende Vorrichtung, z.B. ein luft-, dampf-, gas- elektrisch oder andersartig beheizter Wärmetauscher verwendet werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang jedoch der Einsatz von Kaltverdichtern (also, wie oben erläutert, Verdichtern mit einer Ansaugtemperatur tiefer als Umgebungstemperatur) erwiesen, da durch diese nicht nur Wärme in das System eingebracht sondern das Gesamtverfahren durch gezieltes Verdichten von bestimmten Stoffströmen beeinflusst und verbessert werden kann. Ein entsprechendes Verfahren ist in den unten erläuterten Figuren 1 und 2 veranschaulicht. Hier wird (in einem "zweiten" Betriebsmodus, der unter Einspeisung entsprechender tiefkalter
Flüssigkeiten bzw. flüssiger Luftprodukte durchgeführt wird) die nach der Abschaltung einer entsprechenden Entspannungsturbine (z.B. einer Druckstickstoffturbine, wie in den genannten Figuren dargestellt, aber auch beispielsweise einer Einblaseturbine) verfügbare Menge an Druckstickstoff in dem Kaltverdichter verdichtet, anschließend in einem Vorwärmer angewärmt und in einer separaten Entspannungsturbine entspannt. Die Verwendung einer externen Entspannungsturbine mit vorgeschaltetem Vorwärmer ist jedoch nicht in allen Fällen zufriedenstellend, da derartige Hardwarekomponenten ausgesprochen teuer sind und mit beträchtlichem Energieaufwand betrieben werden müssen. So ist beispielsweise zum Betrieb eines entsprechenden Vorwärmers typischerweise ein separates (Mitteldruck-)Dampfsystem vorgesehen. Die hiermit verbundenen Verluste sind hoch. Ein Verfahren bzw. eine Anlage ohne derartige Geräte ist daher im Sinne einer Kosten red uktion und der Energieeinsparung besonders wünschenswert und vorteilhaft. Die Verwendung von Kaltverdichtern in Luftzerlegungsanlagen an sich ist bekannt. So wird in der US 7 272 954 B2 ein Kaltverdichter zur Verdichtung eines Drosselstromes verwendet. Diese Verwendung ist jedoch den Zielen des hier beschriebenen
Verfahrens bzw. einer entsprechenden Anlage diametral entgegengesetzt: Ein
Drosselstrom wird, wie erläutert, gerade deshalb verdichtet, um anschließend zur Produktion zusätzlicher Kälte eine entsprechende Entspannung in die Hochdrucksäule vornehmen zu können. Der Drosselstrom wird hier also auf ein höheres
überatmosphärisches Druckniveau verdichtet, aber nicht bei diesem in die
Hochdrucksäule eingespeist, sondern zuvor nochmals entspannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt ferner das erste überatmosphärische Druckniveau unterhalb des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule.
In dem bereits mehrfach erwähnten "ersten Betriebsmodus" einer entsprechenden Luftzerlegungsanlage werden nicht notwendigerweise gasförmige Luftprodukte zur Verfügung gestellt, beispielsweise an ein Oxyfuel- oder ein IGCC-Verfahren. Der erste Betriebsmodus kann auch umfassen, flüssige Luftprodukte aus einer entsprechenden Anlage zu entnehmen und in hierfür vorgesehene Speichertanks zu überführen (während der erwähnten Billigstrom- bzw. Stromüberschusszeiten). Der erste
Betriebsmodus zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass zusätzliche Kälte in der Luftzerlegungsanlage generiert wird, beispielsweise mittels einer Druckstickstoff-, einer Einblase- und/oder einer Mitteldruckturbine. In dem ersten Betriebsmodus werden allenfalls geringe Mengen zuvor in einem Tanksystem gespeicherter Luftprodukte in das verwendete Destillationssäulensystem eingespeist und bei Bedarf weiter aufgetrennt, so dass sich die erwähnten negativen Effekte eines übermäßigen
Kälteeintrags nicht einstellen.
Hingegen wird in dem erwähnten "zweiten Betriebsmodus" i.d.R. keine zusätzliche Kälte mittels einer Druckstickstoff-, einer Einblase- und/oder einer Mitteldruckturbine generiert, weil in diesem zuvor in Speichertanks gespeicherte Luftprodukte in das verwendete Destillationssäulensystem eingespeist und, bei Bedarf, weiter aufgetrennt werden. Diese Luftprodukte können auch mittels zusätzlicher Vorrichtungen bzw.
Anlagen in die Speichertanks eingespeichert oder bereitgestellt werden, beispielsweise mittels eines separaten Verflüssigers. In dem zweiten Betriebsmodus kommt der Kaltverdichter zum Einsatz, um einen Wärmeeintrag sicherzustellen und gleichzeitig eine Verdichtung eines entsprechenden Druckstroms vorzunehmen.
Die Erfindung schafft damit eine Luftzerlegungsanlage, die mit kostengünstigen Mitteln einen besonders vorteilhaften Betrieb auch bei Einspeisung größerer Mengen, beispielsweise zuvor in Speichertanks gespeicherter, flüssiger Luftprodukte ermöglicht. Hierdurch lassen sich insbesondere gegenüber Luftzerlegungsanlagen mit beheizten Wärmetauschern, aber auch gegenüber Anlagen mit Kaltverdichtern und externen Entspannungsturbinen, die Kosten signifikant reduzieren.
Von dem Verfahren kann selbstverständlich auch der zuvor erläuterte erste
Betriebsmodus umfasst sein, in dem der zumindest eine und/oder zumindest ein weiterer gasförmiger Druckstrom in einer Entspannungsturbine kälteleistend entspannt werden. Das Verfahren kann dabei je nach Bedarf zwischen den beiden Betriebsmodi umgeschaltet werden.
Das Verfahren kann vorteilhafterweise dann zum Einsatz kommen, wenn ein
Destillationssäulensystem verwendet wird, das eine Hochdrucksäule und eine
Niederdrucksäule umfasst, wobei die Hochdrucksäule auf einem höheren
Betriebsdruck betrieben wird als die Niederdrucksäule. Derartige
Destillationssäulensysteme (beispielsweise Doppelsäulensysteme oder Systeme mit getrennter Hoch- und Niederdrucksäule) sind in der Fachwelt grundsätzlich bekannt. Das Verfahren eignet sich damit für die Nachrüstung einer Vielzahl bestehender Luftzerlegungsanlagen mit entsprechenden Destillationssäulensystemen.
In derartigen Destillationssäulensystemen entspricht das erste Druckniveau dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule und/oder das zweite Druckniveau dem
Betriebsdruck der Hochdrucksäule. Die Erfindung ermöglicht hier eine entsprechende Druckerhöhung und Überführung eines Druckstroms bei gleichzeitig dosiertem
Kälteeintrag in das Destillationssäulensystem.
Besondere Vorteile und eine noch flexiblere Verfahrensführung ergibt sich, wenn ein Destillationssäulensystem verwendet wird, das zusätzlich eine Mitteldrucksäule umfasst, die auf einem Betriebsdruck betrieben wird, der zwischen den
Betriebsdrücken der Hochdrucksäule und der Niederdrucksäule liegt. Entsprechend kann hier das erste Druckniveau dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule und das zweite Druckniveau dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule oder der Hochdrucksäule entsprechen. Alternativ kann das erste Druckniveau dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule und das zweite Druckniveau dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule entsprechen.
In allen Fällen kann der zumindest eine gasförmige Druckstrom aus zumindest einem Teil eines Stroms gebildet werden, der einer auf dem ersten Druckniveau als
Betriebsdruck betriebenen Destillationssäule des Destillationssäulensystems entnommen wird, also einer Niederdrucksäule oder, falls vorhanden, wahlweise auch einer Mitteldrucksäule. Nach der Verdichtung in dem Kaltverdichter kann der zumindest eine gasförmige Druckstrom dann zumindest teilweise in eine Destillationssäule auf einem höheren Druckniveau (bei Entnahme aus der Niederdrucksäule also die
Mitteldrucksäule oder die Hochdrucksäule, bei Entnahme aus einer Mitteldrucksäule die Hochdrucksäule) eingespeist werden.
Alternativ dazu kann der zumindest eine gasförmige Druckstrom jedoch auch aus zumindest einem Teil eines Stroms gebildet werden, der mittels des
Hauptluftverdichters bereitgestellt und mittels des Hauptwärmetauschers abgekühlt wird, also beispielsweise einem "Mitteldruckstrom", der teilweise für die Einspeisung in eine Mitteldrucksäule des Destillationssäulensystems bestimmt ist und auf einem entsprechenden Druck vorliegt. Ein solcher, anschließend in dem Kaltverdichter verdichteter gasförmiger Druckstrom, kann dann in die auf einem entsprechenden Druckniveau betriebene Destillationssäule eingespeist werden.
Vor dem Einspeisen in die jeweilige Destillationssäule kann der zumindest eine gasförmige Druckstrom auf dem zweiten Druckniveau auch mit zumindest einem weiteren Strom vereinigt werden. Entspricht ein derartiges zweites Druckniveau beispielsweise dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule, kann ein entsprechend verdichteter gasförmiger Druckstrom daher mit einem entsprechenden Druckluftstrom vereinigt werden, der von einem Hauptluftverdichter auf diesem zweiten Druckniveau bereitgestellt und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt wird. Liegt der verdichtete gasförmige Druckstrom noch nicht auf einer Solltemperatur vor, kann der zumindest eine gasförmige Druckstrom nach dem Verdichten in dem
Kaltverdichter zumindest teilweise in dem Hauptwärmetauscher abgekühlt werden. Dies stellt auch eine vorteilhafte Maßnahme dar, um einer durch die Einspeisung flüssiger Luftprodukte bewirkten ungünstigen Veränderung von Temperaturprofilen des Hauptwärmetauschers durch gezielten Temperatureintrag zu begegnen.
In diesem Fall kann, je nach Bedarf, und wie z.B. in den Figuren 9 und 10 gezeigt, eine Einspeisung an beliebiger Stelle in den Wärmetauscher erfolgen, abhängig davon, wo eine besonders günstige Abkühlung und/oder Beeinflussung der Temperaturprofile bewirkt werden kann. So kann der zumindest eine gasförmige Druckstrom nach dem Verdichten in dem Kaltverdichter zum Abkühlen dem Hauptwärmetauscher warmseitig oder auf einem weiteren Temperaturniveau, das unterhalb einer warmseitigen
Temperatur des Hauptwärmetauschers liegt, zugeführt werden.
Das Verfahren bietet auch Vorteile, wenn ein Teil des in dem Kaltverdichter
verdichteten gasförmigen Druckstroms in dem Hauptwärmetauscher erwärmt und/oder zumindest teilweise aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet wird. Ein entsprechender Strom kann beispielsweise als Regeneriergas in einer Reinigungsvorrichtung mit Adsorberbehältern verwendet werden und liegt hierfür auf einem besonders günstigen Druck- und Temperaturniveau vor.
Zu den Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage sei ebenfalls auf die erläuterten Vorteile verwiesen. Eine derartige Luftzerlegungsanlage weist einen Hauptluftverdichter, einen Hauptwärmetauscher und ein
Destillationssäulensystem auf und ist für einen Betrieb in den erläuterten ersten und dem erläuterten zweiten Betriebsmodus eingerichtet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, in dem ersten Betriebsmodus zumindest ein in dem
Destillationssäulensystem erzeugtes flüssiges Luftprodukt zu speichern und in dem zweiten Betriebsmodus das zumindest eine in dem ersten Betriebsmodus gespeicherte und/oder zumindest ein weiteres flüssiges Luftprodukt in das Destillationssäulensystem einzuspeisen. Entsprechende Mittel können beispielsweise manuelle oder
regelungstechnisch ausgebildete Schaltmittel umfassen. Die Luftzerlegungsanlage weist einen Kaltverdichter auf. Ferner sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, in dem zweiten Betriebsmodus den zumindest einen gasförmigen Druckstrom auf einem Temperaturniveau, das unterhalb einer warmseitigen Temperatur des
Hauptwärmetauschers liegt, dem Kaltverdichter zuzuführen, in dem Kaltverdichter von einem ersten überatmosphärischen Druckniveau auf ein zweites überatmosphärisches Druckniveau zu verdichten, und anschließend auf dem zweiten Druckniveau zumindest teilweise in zumindest eine Destillationssäule des Destillationssäulensystems einzuspeisen.
Auch zu den Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Oxyfuel- oder IGCC-Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung handeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen
Figur 1 eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage in einem ersten
Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms,
Figur 2 die Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 1 in einem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms,
Figur 3 eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms,
Figur 4 eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms, Figur 5 eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms,
Figur 6 eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms, Figur 7 eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms,
Figur 8 eine Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Anlagendiagramms,
Figur 9 eine Möglichkeit zur Anordnung eines Kaltverdichters in einer
Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Teildiagramms, und
Figur 10 eine Möglichkeit zur Anordnung eines Kaltverdichters in einer
Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus in Form eines schematischen Teildiagramms, Ausführungsformen der Erfindung
Vergleichbare Elemente tragen in den Figuren identische Bezugszeichen und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. In den Figuren 1 bis 10 sind teilweise identische Anlagen und Komponenten derartiger Anlagen in unterschiedlichen Betriebsmodi dargestellt, die sich unter anderem in der Stellung einer Vielzahl von Ventilen in entsprechenden Leitungen unterscheiden, so dass flüssige und gasförmige Ströme durch unterschiedliche Anlagenkomponenten geführt werden. Die Ventile sind dabei nicht veranschaulicht. Abgesperrte Leitungen sind jedoch durchkreuzt (-x-) dargestellt.
Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Luftzerlegungsanlage 1 10 in Form eines schematischen Anlagendiagramms. Die Luftzerlegungsanlage 1 10 ist in Figur 1 in einem ersten Betriebsmodus gezeigt, in dem dieser keine nennenswerten Mengen flüssiger Luftprodukte aus "externen Quellen", z.B. aus einem Speichertank oder einer Luftverflüssigungsanlage, zugeführt werden. Der dargestellte erste Betriebsmodus wird beispielsweise zur Erzeugung von flüssigen Luftprodukten in Billigstrom- bzw.
Stromüberschusszeiten verwendet, wobei diese in entsprechenden Speichertanks gespeichert werden und für den bzgl. Figur 2 gezeigten zweiten Betriebsmodus zur Einspeisung in die Luftzerlegungsanlage 1 10 bereitstehen. Ein weiterer Betriebsmodus kann auch die ausschließliche oder überwiegende Bereitstellung von gasförmigen Luftprodukten umfassen.
Die Luftzerlegungsanlage 1 10 umfasst als zentrale Komponenten einen stark schematisiert dargestellten Hauptluftverdichter 10, einen Hautwärmetauscher 20 und ein Destillationssäulensystem 30, das im dargestellten Beispiel als Mehrsäulensystem mit einer Hochdrucksäule 31 , einer Mitteldrucksäule 32 und einer Niederdrucksäule ausgebildet ist, wobei die Niederdrucksäule einen ersten Abschnitt 38 und einen zweiten Abschnitt 33 aufweist. Diese beiden Abschnitte sind über eine Gasleitung k, die keine druckverändernden Maßnahmen aufweist verbunden und bilden damit einen einheitlichen Destillationsraum, der hinsichtlich der Trennwirkung, dem Druck und den Temperaturen nicht von einer einteiligen Niederdrucksäule zu unterscheiden ist.
Der Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 beträgt beispielsweise 5,0 bis 5,5 bar am Kopf, der Betriebsdruck der Niederdrucksäule 33 beträgt beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,4 bar am Kopf. Der Betriebsdruck der Mitteldrucksäule 32 liegt zwischen dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 und dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule 33.
Zur Versorgung des Destillationssäulensystems 30 bzw. der jeweiligen Säulen mit entsprechender Druckluft ist der Hauptluftverdichter 10 dazu eingerichtet, zumindest einen ersten Druckluftstrom a und einen zweiten Druckluftstrom I bereitzustellen. Das Druckniveau des ersten Druckluftstroms a liegt dabei bei dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 (daher auch als "Hochdruckluft", HPAIR, bezeichnet), das
Druckniveau des zweiten Druckluftstroms I hingegen bei dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule 32 (daher auch als "Mitteldruckluft", MPAIR, bezeichnet).
Die Bereitstellung entsprechender Druckluftströme a und I ist grundsätzlich bekannt und wird hier nicht im Detail erläutert. Beispielsweise kann in einem Hauptluftverdichter 10 atmosphärische Luft über ein Filter angesaugt und mehrstufig auf die genannten Drücke verdichtet werden. Der erste Druckluftstrom a kann beispielsweise am Ende einer mehrstufigen Verdichtung, der zweite Druckluftstrom I an einer Zwischenstelle entnommen werden. Die Luft kann nach der Verdichtung in einem Direktkontaktkühler in direktem Wärmeaustausch mit Kühlwasser gekühlt werden. Das Kühlwasser kann aus einem Verdunstungskühler und/oder von einer externen Quelle zugeführt werden. Die verdichtete und gekühlte Luft kann anschließend in einer Reinigungsvorrichtung gereinigt werden. Die Reinigungsvorrichtung kann ein Paar von Behältern aufweisen, die mit einem geeigneten Adsorptionsmaterial gefüllt sind. Zur Regeneration der Reinigungsvorrichtung wird ein stickstoffreiches Regenerationsgas, hier in Form des unten erläuterten Stroms v, verwendet
Im dargestellten Beispiel wird der erste Druckluftstrom a auf dem genannten
Druckniveau durch eine Passage 21 des Hauptwärmetauschers 20 geführt und dort auf nahe Taupunkt abgekühlt. Der weiterhin mit a bezeichnete, abgekühlte Druckluftstrom wird stromab des Hauptwärmetauschers 20 zu einem Anteil in die Hochdrucksäule 31 eingespeist und zu einem weiteren Teil in einem Badverdampfer bzw. -kondensator 34, der mit einer sauerstoffreichen Flüssigkeit (siehe unten) gefüllt ist, verflüssigt. Von dem verflüssigten Anteil wird wiederum ein Anteil flüssig in die Mitteldrucksäule 32 eingespeist und ein weiterer Anteil durch einen Unterkühler 35 geführt und in die Niederdrucksäule 33 entspannt.
Der zweite Druckluftstrom I wird zu einem Anteil durch eine Passage 24 des
Hauptwärmetauschers 20 geführt und dort auf nahe Taupunkt abgekühlt. Ein weiterer Anteil wird hingegen durch ein Wärmetauscherelement 44 geführt, das auch in dem Hauptwärmetauscher 20 integriert sein kann, und dort zur Verdampfung eines sauerstoffreichen flüssigen Stroms n (siehe unten) verwendet. Die anschließend wieder vereinigten Anteile werden in die Mitteldrucksäule 32 eingespeist.
Aus dem Sumpf der Hochdrucksäule 31 und der Mitteldrucksäule 32 werden jeweils sauerstoffangereicherte flüssige Ströme abgezogen, als Strom h durch den
Unterkühler 35 geführt, und in die Niederdrucksäule 33 entspannt.
Aus dem Sumpf der Niederdrucksäule wird ein sauerstoffreicher flüssiger Strom i abgezogen, mittels einer Pumpe 36 druckerhöht, über ein Entspannungsventil (ohne Bezeichnung) in einen Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 37 überführt, dort gegen einen stickstoffreichen Strom r (siehe unten) teilweise verdampft, und in den ersten Abschnitt 38 der Niederdrucksäule überführt, in dessen Sumpf ein
Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer 39 angeordnet ist. In dem Beispiel sind die beiden Kondensator- Verdampfer, der Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 37 und der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer 39 , als Fallfilmverdampfer ausgebildet. Vom Kopf der Sauerstoffsäule 38 erhaltene flüssige und gasförmige Anteile werden als Strom k teilweise in die Niederdrucksäule 33 zurückgeführt. Ein anderer Teil der aus dem Verdampfungsraum des Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer 37
ausströmenden Flüssigkeit wird als Rücklaufflüssigkeit auf den ersten Abschnitt 38 der Niederdrucksäule aufgegeben.
Aus dem Sumpf der Niederdrucksäule 38 wird ein flüssiger, sauerstoffreicher Strom abgezogen und in den Nebenkondensator 34 überführt, der als Kondensator- Verdampfer mit Flüssigkeitsbad (Badverdampfer) ausgebildet ist. Vom Kopf des Nebenkondensators 34 wird ein gasförmiger, sauerstoffreicher Strom m abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher 20 erwärmt und zur Bereitstellung eines gasförmigen
Sauerstoff-Druckprodukts (hier mit GOX bezeichnet) verwendet. Aus dem Sumpf des Nebenkondensators 34 wird ein flüssiger, sauerstoffreicher Strom abgezogen, von dem ein Teilstrom n flüssig druckerhöht, in dem Wärmetauscherelement 44 verdampft und ebenfalls zur Bereitstellung des gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts verwendet wird. Ein Teilstrom o wird hingegen teilweise in dem Unterkühler 35 unterkühlt und zur
Bereitstellung eines flüssigen, sauerstoffreichen Luftprodukts (hier mit LOX bezeichnet) verwendet. Das flüssige Luftprodukt kann in einen geeigneten Speichertank 61 überführt und in diesem gespeichert werden. Vom Kopf der Hochdrucksäule 31 wird ein stickstoffreicher gasförmiger Strom p abgezogen und in dem Fallfilmverdampfer bzw. -kondensator 39 verflüssigt. Ein Teilstrom wird in die Hochdrucksäule 31 zurückgeführt, ein weiterer Teilstrom (vgl. Verknüpfung A) wird durch den Unterkühler 35 geführt und anschließend in die
Niederdrucksäule 33 entspannt.
Vom Kopf der Mitteldrucksäule 32 wird ein stickstoffreicher gasförmiger Strom r abgezogen und zu einem Teil in dem Fallfilmverdampfer bzw. -kondensator 37 verflüssigt. Ein Teilstrom wird in die Mitteldrucksäule 32 zurückgeführt, ein weiterer Teilstrom s durch den Unterkühler 35 geführt und anschließend teilweise in die
Niederdrucksäule 33 entspannt und teilweise in Form eines flüssigen, stickstoffreichen Luftprodukts (hier mit LIN bezeichnet) bereitgestellt. Auch dieses kann in einem geeigneten Speichertank 62 gespeichert werden.
Ein weiterer (größerer) Teilstrom t des Stroms r wird in dem dargestellten ersten Betriebsmodus unter Umgehung eines Kaltverdichters 45 in dem Hauptwärmetauscher 20 erwärmt. Wiederum ein Anteil hiervon, hier als Strom u veranschaulicht, kann dem Hauptwärmetauscher 20 bei einer Zwischentemperatur entnommen und anschließend in einer "kalten" Entspannungsturbine 46 (sogenannte Druckstickstoffturbine) kälteleistend entspannt werden, die beispielsweise mit einem Generator gekoppelt sein kann. Der nicht in der Entspannungsturbine 45 entspannte Anteil wird in Form eines gasförmigen stickstoffreichen Luftprodukts (hier mit MPGAN bezeichnet) bereitgestellt. Nach der Entspannung in der Entspannungsturbine 45 wird der Strom u erneut vom kalten Ende zum warmen Ende durch den Hauptwärmetauscher 20 geführt und warmseitig des Hauptwärmetauschers 20 in die Teilströme v und w aufgeteilt. Der Teilstrom v wird als Regenerationsgas (REGGAS) in dem Hauptluftverdichter 10 bzw. einer diesem zugeordneten Reinigungsvorrichtung verwendet (siehe oben). Der Teilstrom w wird hingegen mittels eines mit einem Warmwasserstrom betriebenen Wärmetauschers 51 erwärmt und anschließend in einer weiteren Entspannungsturbine 52, die ebenfalls mit einem Generator gekoppelt sein kann, entspannt.
Vom Kopf der Niederdrucksäule 33 wird ein stickstoffreicher Strom y abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher 20 erwärmt und aus der Luftzerlegungsanlage 1 10 ausgeleitet. Wie bereits erläutert, dient die Verwendung der Entspannungsturbine 46 dazu, eine aufgrund eines unvermeidlichen Wärmeeinfalls durch die Isolation und durch Verluste im Hauptwärmetauscher (warmseitige Temperaturdifferenz) immer benötigte
Kältemenge zu liefern. Wird diese Kälte, wie in dem zweiten Betriebsmodus der Luftzerlegungsanlage 1 10, der in der Figur 2 gezeigt ist, bereits durch eingespeiste flüssige Luftprodukte gedeckt, kann die Entspannungsturbine 46 abgeschaltet werden. Dies führt im dargestellten Beispiel dazu, dass eine große verwertbare Menge eines entsprechenden stickstoffreichen Luftprodukts unter Druck zur Verfügung steht, woraus Energie zurückgewonnen werden kann. In anderen Konfigurationen, in denen beispielsweise ein "direkt" von dem Hauptluftverdichter bereitgestellter und in dem Hauptwärmetauscher abgekühlter Druckstrom in einer entsprechenden
Entspannungsturbine (analog der Entspannungsturbine 46) entspannt wird, kann hingegen eine Verringerung der Antriebsleistung im Hauptluftverdichter 10 erfolgen.
In der Figur 2 ist ein entsprechender zweiter Betriebsmodus der Luftzerlegungsanlage 1 10 gezeigt. In diesem wird einerseits ein sauerstoffreiches flüssiges Luftprodukt (LOX) aus dem Speichertank 61 in den Badverdampfer bzw. -kondensator 34 überführt (vgl. Verknüpfung B) und andererseits ein flüssiges Luftprodukt (beispielsweise verflüssigte Luft aus einem externen Verflüssiger, hier mit LAIR bezeichnet), aus einem weiteren Speichertank 63 in die Niederdrucksäule 33 eingespeist. Da hierdurch der Kältebedarf der Luftzerlegungsanlage 1 10 bereits über Bedarf gedeckt ist, kann die
Entspannungsturbine 46 abgeschaltet werden. Je nach der Entnahmemenge des gasförmigen stickstoffreichen Luftprodukts (MPGAN), die durch ein nicht bezeichnetes Ventil eingestellt werden kann, steht damit eine große verwertbare Menge eines entsprechenden stickstoffreichen Luftprodukts (hier auch als Strom x bezeichnet) unter Druck zur Verfügung, woraus Energie in der Entspannungsturbine 52 bzw. deren Generator zurückgewonnen werden kann. Hierbei muss die Luft jedoch vorgewärmt werden. Die Verwendung einer entsprechenden Vorwärmeinrichtung ist jedoch aufwendig. Auch der Kaltverdichter 45 ist in dem zweiten Betriebsmodus in Betrieb. Wie ebenfalls erläutert, wird mit den flüssigen Luftprodukten (hier LOX und LAIR) mehr Kälte in die Coldbox der Luftzerlegungsanlage 1 10 eingetragen als benötigt, was dazu führen würde, dass sich die jeweiligen Temperaturprofile in den Wärmetauschern "verziehen" und die Temperatur eines oder mehrerer aus den Wärmetauschern austretender Strömen immer kälter und kälter würde. Ab einer bestimmten Grenze wäre eine sichere Betriebsweise der Luftzerlegungsanlage nicht mehr gewährleistet. Dieses Problem wird in der Luftzerlegungsanlage 1 10 durch den Betrieb des Kaltverdichters 45 als
Wärmequelle gelöst. Durch den Kaltverdichter 45 lässt sich jedoch nicht nur Wärme in das System einbringen sondern das Gesamtverfahren durch gezieltes Verdichten von bestimmte Stoffströmen (hier Strom t) beeinflussen und verbessern, was mit anderen wärmeerzeugenden Vorrichtungen, z.B. luft-, dampf-, gas- elektrisch oder anderweitig beheizten Wärmetauschern, nicht möglich wäre. Die durch den Kaltverdichter 45 bewirkte Druckerhöhung lässt sich in der Entspannungsturbine 52 nutzen. Ein besonderer Vorteil gegenüber der nicht erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage der Figur 1 10 ergibt sich dabei in der nachfolgend dargestellten und erläuterten erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage 100, in der der Kaltverdichter 45 als sogenannter Feedverdichter eingesetzt und in das Destillationssäulensystem 30 eingebunden wird. In dem zweiten Betriebsmodus wird, mit anderen Worten, zumindest ein gasförmiger Druckstrom (vgl. nachfolgende Ströme b bis g) auf einem Temperaturniveau, das unterhalb einer warmseitigen Temperatur des Hauptwärmetauschers 20 liegt, dem Kaltverdichter 45 zugeführt, in dem Kaltverdichter 45 von einem ersten überatmosphärischen Druckniveau auf ein zweites
überatmosphärisches Druckniveau verdichtet und auf dem zweiten
überatmosphärischen Druckniveau in zumindest eine Destillationssäule 31 , 32 des Destillationssäulensystems 30 eingespeist. Mit anderen Worten wird in dem
Kaltverdichter 45 beispielsweise ein entsprechender gasförmiger Druckstrom (z.B. Luft aus dem Hauptluftverdichter 10 in Form des nachfolgend erläuterten Stroms e bzw. ein stickstoffreicher, gasförmiger Druckstrom aus einer der Destillationssäulen in Form der nachfolgend erläuterten Ströme b bis d, f und g) von einem Druckniveau, das für eine Niederdruck- oder Mitteldrucksäule 32 oder 33, bzw. allgemeiner für eine Säule mit niedrigerem Druck als Betriebsdruck verwendet wird, auf ein Druckniveau, das für eine Mitteldruck- oder Hochdrucksäule 31 oder 32, allgemeiner eine Säule mit höherem Druck als Betriebsdruck verwendet wird, verdichtet. Nach einer entsprechenden Abkühlung im Hauptwärmetauscher 20 (falls erforderlich) wird der verdichtete Strom in die entsprechende Destillationssäule 31 , 32 an geeigneter Stelle eingespeist.
Insbesondere für Verfahren, bei denen, wie vorliegend, durch einen Hauptverdichter 10 zwei Druckströme a und I auf unterschiedlichen Druckniveaus bereitgestellt werden, führt dies dazu, dass die Rektifikation verbessert wird. In Dreisäulensystemen wird der Anteil der Luft, die in die Hochdrucksäule 31 eingeleitet werden soll und davor auf Hochdruck verdichtet werden muss, geringer, wohingegen der Anteil der Luft, die in die Mitteldruckkolonne eingeleitet werden soll und davor auf Mitteldruck verdichtet werden muss, höher wird. Im Ergebnis wird der Gesamtenergieverbrauch einer
entsprechenden Luftzerlegungsanlage 100 deutlich geringer. Der Kaltverdichter 45 wird dabei vorteilhafterweise so geschaltet, dass die Anschlüsse (Stutzen) der dann abgeschalteten Entspannungsmaschine 46 verwendet werden. Dies verringert den apparativen und schaltungstechnischen Aufwand beträchtlich. Figur 3 zeigt eine entsprechende Luftzerlegungsanlage 100 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus. Der erste
Betriebsmodus wird nicht erneut gezeigt, entspricht jedoch grundsätzlich jenem in Figur 1 : In dem ersten Betriebsmodus wird ein entsprechender Strom durch die Entspannungsturbine 46 geführt, der Kaltverdichter 45 wird umgangen. In dem dargestellten zweiten Betriebsmodus wird, wie in Figur 2, einerseits ein sauerstoffreiches flüssiges Luftprodukt (LOX) aus dem Speichertank 61 in den Badverdampfer bzw. -kondensator 34 überführt (vgl. Verknüpfung B) und andererseits ein flüssiges Luftprodukt (beispielsweise verflüssigte Luft aus einem externen
Verflüssiger, hier mit LAIR bezeichnet), aus einem weiteren Speichertank 63 in die Niederdrucksäule 33 eingespeist.
Der Kaltverdichter 45 wird hier mit einem Teilstrom b des aus der Niederdrucksäule 33 abgezogenen stickstoffreichen Stroms y beschickt, der damit auf dem zuvor erwähnten überatmosphärischen Druckniveau am Kopf der Niederdrucksäule 33, beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,4 bar, vorliegt. In dem Kaltverdichter 45 wird dieser Teilstrom b von dem genannten ("ersten") überatmosphärischen Druckniveau auf ein höheres ("zweites") überatmosphärisches Druckniveau, das hier dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule 32 entspricht, verdichtet. Der wie erläutert verdichtete Teilstrom b wird dann einer Passage 25 des Hauptwärmetauschers 20 bei einer Zwischentemperatur zugeführt und entsprechend abgekühlt. Nach der Abkühlung wird der Strom b in am Kopf auf die Mitteldrucksäule 32 aufgegeben. Weitere Teilströme j (MPGAN) und z (teilweise als Regenerationsgas, REGGAS, verwendet, ggf. nur im ersten Betriebsmodus) können bei Bedarf ebenfalls aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Die Anordnung aus dem Wärmetauscher 51 und der Entspannungsturbine 52 wird nicht verwendet.
Figur 4 zeigt eine weitere Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus. Der Kaltverdichter 45 wird auch hier mit einem Teilstrom des aus der Niederdrucksäule 33 abgezogenen stickstoffreichen Stroms y beschickt, der hier mit c bezeichnet wird und auf dem zuvor erwähnten überatmosphärischen Druckniveau am Kopf der Niederdrucksäule 33, beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,4 bar, vorliegt. In dem Kaltverdichter 45 wird dieser Teilstrom c von dem genannten ("ersten") überatmosphärischen Druckniveau auf ein höheres ("zweites") überatmosphärisches Druckniveau, das hier jedoch dem Betriebsdruck der
Hochdrucksäule 31 entspricht, verdichtet. Der wie erläutert verdichtete Teilstrom c wird dann einer Passage 27 des Hauptwärmetauschers 20 bei einer Zwischentemperatur zugeführt und entsprechend abgekühlt. Nach der Abkühlung wird der Strom c in am Kopf auf die Hochdrucksäule 31 aufgegeben. Weitere Ströme j (MPGAN) und z (teilweise als Regenerationsgas, REGGAS, verwendet, ggf. nur im ersten
Betriebsmodus) sowie ein stickstoffreicher Hochdruckstrom (HPGAN) können bei Bedarf ebenfalls aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Figur 5 zeigt eine weitere Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus. Der Kaltverdichter 45 wird hier mit einem Strom d beschickt, der der Mitteldrucksäule 32 vom Kopf entnommen wird und daher auf dem zuvor erwähnten überatmosphärischen Druckniveau am Kopf der
Mitteldrucksäule 32 und auf deren Temperaturniveau vorliegt. In dem Kaltverdichter 45 wird dieser Teilstrom d von dem genannten ("ersten") überatmosphärischen
Druckniveau auf ein höheres ("zweites") überatmosphärisches Druckniveau, das hier wiederum dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 entspricht, verdichtet. Der wie erläutert verdichtete Teilstrom d wird dann einer entsprechenden Passage 27 des Hauptwärmetauschers 20 bei einer Zwischentemperatur zugeführt und entsprechend abgekühlt. Nach der Abkühlung wird der Strom d am Kopf auf die Hochdrucksäule 31 aufgegeben. Weitere Ströme j (MPGAN) und z (teilweise als Regenerationsgas, REGGAS, verwendet, ggf. nur im ersten Betriebsmodus), sowie ein strickstoffreicher Hochdruckstrom (HPGAN) können bei Bedarf ebenfalls aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden.
Figur 6 zeigt eine weitere Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus. Der Kaltverdichter 45 wird hier mit einem Teilstrom e des Druckstroms I aus dem Hauptluftverdichter 10 beschickt, der auf dem zuvor erwähnten überatmosphärischen Druckniveau vorliegt, das dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule 32 entspricht. Der Teilstrom e wird dem Hauptwärmetauscher 20 am kalten Ende entnommen, so dass sein Temperaturniveau unterhalb des
warmseitigen Temperaturniveaus des Hauptwärmetauschers 20 liegt. In dem
Kaltverdichter 45 wird dieser Teilstrom e von dem genannten ("ersten")
überatmosphärischen Druckniveau auf ein höheres ("zweites") überatmosphärisches Druckniveau, das hier wiederum dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 entspricht, verdichtet. Der wie erläutert verdichtete Teilstrom e wird dann der Passage 21 des Hauptwärmetauschers 20 bei einer Zwischentemperatur zugeführt und damit mit dem Strom a vereinigt. Der hier weiter mit a bezeichnete Strom wird entsprechend abgekühlt. Nach der Abkühlung wird der Strom a in die Hochdrucksäule 31
eingespeist. Weitere Ströme j (MPGAN) und z (teilweise als Regenerationsgas, REGGAS, verwendet, ggf. nur im ersten Betriebsmodus) können, wie oben, bei Bedarf ebenfalls aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden. Figur 7 zeigt eine weitere Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus. Der Kaltverdichter 45 wird hier mit einem Strom f beschickt, der Niederdrucksäule 33 entnommen wird und daher auf dem zuvor erwähnten überatmosphärischen Druckniveau der Niederdrucksäule 33, beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,4 bar, und auf deren Temperaturniveau vorliegt. In dem Kaltverdichter 45 wird dieser Teilstrom f von dem genannten ("ersten") überatmosphärischen Druckniveau auf ein höheres ("zweites") überatmosphärisches Druckniveau, das hier wiederum dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule 32 entspricht, verdichtet. Der wie erläutert verdichtete Teilstrom f wird dann der Passage 24 des Hauptwärmetauschers 20 bei einer Zwischentemperatur zugeführt und damit mit dem Strom I vereinigt. Der hier weiter mit I bezeichnete Strom wird entsprechend abgekühlt. Nach der Abkühlung wird der Strom I in die Mitteldrucksäule 32 eingespeist. Weitere Ströme j (MPGAN) und z (teilweise als Regenerationsgas, REGGAS, verwendet, ggf. nur im ersten
Betriebsmodus) können, wie oben erläutert, bei Bedarf ebenfalls aus der
Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden.
Figur 8 zeigt eine weitere Luftzerlegungsanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in dem zweiten Betriebsmodus. Der Kaltverdichter 45 wird auch hier mit einem Strom g beschickt, der Niederdrucksäule 33 entnommen wird und daher auf dem zuvor erwähnten überatmosphärischen Druckniveau der Niederdrucksäule 33, beispielsweise 1 ,3 bis 1 ,4 bar, und auf deren Temperaturniveau vorliegt. In dem
Kaltverdichter 45 wird dieser Teilstrom g von dem genannten ("ersten")
überatmosphärischen Druckniveau auf ein höheres ("zweites") überatmosphärisches Druckniveau, das hier wiederum dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule 31 entspricht, beispielsweise 5,0 bis 5,5 bar, verdichtet. Der wie erläutert verdichtete Teilstrom g wird dann der Passage 21 des Hauptwärmetauschers 20 bei einer Zwischentemperatur zugeführt und damit mit dem Strom a vereinigt. Der hier weiter mit a bezeichnete Strom wird entsprechend abgekühlt. Nach der Abkühlung wird der Strom a u.a. in die
Hochdrucksäule 31 eingespeist. Weitere Ströme j (MPGAN) und z (teilweise als Regenerationsgas, REGGAS, verwendet, ggf. nur im ersten Betriebsmodus) können bei Bedarf ebenfalls aus der Luftzerlegungsanlage ausgeleitet werden.
Die Figuren 9 und 10 zeigen alternative Möglichkeiten zur Anordnung eines
Kaltverdichters 45 in schematischer Teildarstellung. Die entsprechenden Ströme sind nicht erneut mit Bezugszeichen versehen. Diese Möglichkeiten können bei sämtlichen Anlagen, die in den Figuren 3 bis 8 gezeigt sind, und bei weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung realisiert sein.
Entsprechend Figur 9 wird ein durch den Kaltverdichter 45 verdichteter Strom warmseitig dem Hauptwärmetauscher 20 zugeführt. Entsprechend Figur 10 wird ein Strom dem Hauptwärmetauscher 20 bei einer ersten Zwischentemperatur entnommen, anschließend verdichtet, und dem Hauptwärmetauscher 20 bei einer zweiten
Zwischentemperatur wieder zugeführt.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung zumindest eines Luftprodukts, bei dem eine
Luftzerlegungsanlage (100) verwendet wird, die einen Hauptluftverdichter (10), einen Hauptwärmetauscher (20) und ein Destillationssäulensystem (30) aufweist, das eine Hochdrucksäule (31), eine Mitteldrucksäule (32), eine Niederdrucksäule (33), einen Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (39) und einen
Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (37) umfasst, wobei die Hochdrucksäule (31) auf einem höheren Betriebsdruck betrieben wird als die Niederdrucksäule (33), die Mitteldrucksäule (32) auf einem Betriebsdruck betrieben wird, der zwischen den Betriebsdrücken der Hochdrucksäule (31) und der Niederdrucksäule (33) liegt und der Niederdrucksäulen-Sumpfverdampfer (39) und der
Niederdrucksäulen-Zwischenverdampfer (37) als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus umfasst, wobei
- in dem ersten Betriebsmodus zumindest ein in dem Destillationssäulensystem
(30) erzeugtes flüssiges Luftprodukt (LIN, LOX) gespeichert und
- in dem zweiten Betriebsmodus
- das zumindest eine in dem ersten Betriebsmodus gespeicherte und/oder zumindest ein weiteres flüssiges Luftprodukt (LIN, LOX, LAIR) in das Destillationssäulensystem (30) eingespeist wird und
- zumindest ein gasförmiger Druckstrom (b - g) auf einem Temperaturniveau, das unterhalb einer warmseitigen Temperatur des Hauptwärmetauschers (20) liegt, einem Kaltverdichter (45) zugeführt wird, in dem Kaltverdichter (45) von einem ersten überatmosphärischen Druckniveau auf ein zweites überatmosphärisches Druckniveau verdichtet wird, und auf dem zweiten Druckniveau zumindest teilweise in zumindest eine Destillationssäule (31 , 32) des Destillationssäulensystems (30) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem in dem ersten Betriebsmodus der zumindest eine und/oder zumindest ein weiterer gasförmiger Druckstrom (b - g) in einer Entspannungsturbine (46) kälteleistend entspannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sauerstoffangereicherter Strom vom Sumpf der Niederdrucksäule (33, 38) in einem Nebenkondensator (34) zur Bereitstellung eines gasförmigen Sauerstoff-Druckprodukts (GOX) verdampft wird, wobei der Nebenkondensator (34) als Kondensator-Verdampfer ausgebildet ist. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das erste Druckniveau dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule (33) und/oder das zweite Druckniveau dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule (31) entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das erste Druckniveau dem Betriebsdruck der Niederdrucksäule (33) und das zweite Druckniveau dem
Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (32) oder der Hochdrucksäule (31) entspricht, oder bei dem das erste Druckniveau dem Betriebsdruck der Mitteldrucksäule (32) und das zweite Druckniveau dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule (31) entspricht.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zumindest eine gasförmige Druckstrom (b - d, f, g) aus zumindest einem Teil eines Stroms gebildet wird, der einer auf dem ersten Druckniveau als Betriebsdruck betriebenen Destillationssäule (32, 33) des Destillationssäulensystem (30) entnommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der zumindest eine
gasförmige Druckstrom (e) aus zumindest einem Teil eines Stroms gebildet wird, der mittels des Hauptluftverdichters (10) bereitgestellt und mittels des
Hauptwärmetauschers (20) abgekühlt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zumindest eine gasförmige Druckstrom (e) vor dem Einspeisen in die zumindest eine
Destillationssäule (31 , 32) des Destillationssäulensystems (30) auf dem zweiten Druckniveau mit zumindest einem weiteren Strom (a) vereinigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zumindest eine gasförmige Druckstrom (a - g) nach dem Verdichten in dem Kaltverdichter (45) zumindest teilweise in dem Hauptwärmetauscher (20) abgekühlt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der der zumindest eine gasförmige
Druckstrom (a - g) nach dem Verdichten in dem Kaltverdichter (45) zum Abkühlen dem Hauptwärmetauscher (20) warmseitig oder auf einem weiteren
Temperaturniveau, das unterhalb einer warmseitigen Temperatur des
Hauptwärmetauschers (20) liegt, zugeführt wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der ein Teil des in dem Kaltverdichter (45) verdichteten gasförmigen Druckstroms (a - g) in dem Hauptwärmetauscher (20) erwärmt und/oder zumindest teilweise aus der
Luftzerlegungsanlage (100) ausgeleitet wird.
12. Luftzerlegungsanlage (100), die einen Hauptluftverdichter (10), einen
Hauptwärmetauscher (20) und ein Destillationssäulensystem (30) aufweist und für einem Betrieb in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus eingerichtet ist, wobei Mittel (61 - 63) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, in dem ersten
Betriebsmodus zumindest ein in dem Destillationssäulensystem (30) erzeugtes flüssiges Luftprodukt (LIN, LOX) zu speichern und in dem zweiten Betriebsmodus das zumindest eine in dem ersten Betriebsmodus gespeicherte und/oder zumindest ein weiteres flüssiges Luftprodukt (LIN, LOX, LAIR) in das
Destillationssäulensystem (30) einzuspeisen, dadurch gekennzeichnet, dass die
Luftzerlegungsanlage (100) einen Kaltverdichter umfasst, und dass Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, in dem zweiten Betriebsmodus zumindest einen gasförmigen Druckstrom (b - g) auf einem Temperaturniveau, das unterhalb einer warmseitigen Temperatur des Hauptwärmetauschers (20) liegt, dem Kaltverdichter (45) zuzuführen, in dem Kaltverdichter (45) von einem ersten überatmosphärischen Druckniveau auf ein zweites überatmosphärisches Druckniveau zu verdichten, und anschließend auf dem zweiten Druckniveau zumindest teilweise in zumindest eine Destillationssäule (31 , 32) des
Destillationssäulensystems (30) einzuspeisen.
13. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 zumindest während des zweiten
Betriebsmodus wenigstens ein Luftprodukt bereitgestellt und zur Erzeugung und/oder Umsetzung wenigstens eines Brennstoffs eingesetzt wird.
14. Anlage, die zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 13 eingerichtet ist, insbesondere zur Durchführung eines Oxyfuel-Verfahrens und/oder eines Kombi- Prozesses mit integrierter Vergasung.
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