Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 beziehungsweise 6. Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Zwei-Säule-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "
Der Hauptkondensator ist als "Kondensator-Verdampfer" ausgebildet. 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) eines ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung eines zweiten Fluidstroms. Verdampfungs- und Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.
Der "Hauptwärmetauscher" dient zur Abkühlung von Einsatzluft unter einem ersten, unterkritischen Druck, der weniger als 1 bar über dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule liegt, in indirektem Wärmeaustausch mit Rückströmen aus dem Destillationssäulen-System. Es kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken. Sind die Wärmeaustauscherabschnitte parallel verbunden, strömt durch jeden von ihnen ein Einsatzluftstrom unter dem ersten, unterkritischen Druck.
Bei einem "gewickelten Wärmetauscher" sind mehrere Lagen von Rohren auf ein Kernrohr aufgewickelt. Durch die einzelnen Rohre wird ein Medium geleitet, welches in Wärmeaustausch mit einem in dem Raum zwischen den Rohren und einem umgebenden Mantel strömenden Medium tritt. Die Rohre werden am oberen Wärmetauscherende in mehreren Gruppen zusammengeführt und in Form von Bündeln aus dem Außenraum herausgeleitet. Derartige gewickelte Wärmetauscher, ihre Herstellung und ihre Anwendung sind beispielsweise in
Bei dem Prozess werden zwei flüssig auf Druck gebrachte Produktströme gegen einen Wärmeträger, insbesondere Einsatzluft unter besonders hohem Druck, verdampft und schließlich als gasförmiges Druckprodukt gewonnen. Diese Methode wird auch als "Innenverdichtung" bezeichnet. Sie dient zur Gewinnung von Drucksauerstoff und Druckstickstoff. Für den Fall eines überkritischen Drucks findet kein Phasenübergang im eigentlichen Sinne statt, der Produktstrom wird dann lediglich angewärmt; dies wird manchmal auch als "Pseudo-Verdampfung" bezeichnet.
Ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, die eine hohe Effizienz bei gleichzeitig relativ geringem apparativem Aufwand aufweisen und sich insbesondere für die Versorgung eines Kohlevergasungskraftwerks (IGCC - Integrated Combined Cycle) eignen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 beziehungsweise 6 gelöst.
Zunächst erscheint es vernünftiger, durch den Hauptwärmetauscher nur die Niederdruckströme zu fahren, weil dieser dann besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass es in vielen Fällen günstiger ist, den Hochdruckstickstoff in dem Hauptwärmetauscher zu verdampfen beziehungsweise zu pseudo-verdampfen. Vorzugsweise wird der gesamte flüssig auf Druck gebrachte Stickstoffstrom, der als Hochdruck-Stickstoff-Produktstrom gewonnen wird, in den Hauptwärmetauscher eingeleitet. Zwar wird dadurch tatsächlich der Aufwand am Hauptwärmetauscher größer, allerdings wird der Herstellungsaufwand für das entsprechend einfachere Hochdruck-Wärmetauscher-System überproportional geringer. Dies gilt sogar dann, wenn man den erhöhten Aufwand durch die Aufteilung des zweiten Einsatzluftstroms berücksichtigt.
Der weiteren Erhöhung der energetischen Effizienz des Verfahrens dient die gemeinsame arbeitsleistende Entspannung der beiden Teile des zweiten Einsatzluftstroms in einer Flüssigturbine (DLE - dense liquid expander). Die an der Flüssigturbine erzeugte mechanische Energie kann entweder direkt an einen Verdichter abgegeben oder über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.
Bei der Erfindung wird ein Ausgleichsstrom ("dritter Teilstrom" des zweiten Einsatzluftstroms) bei einer Zwischentemperatur aus dem Hochdruck-Wärmetauscher-System entnommen und in den Hauptwärmetauscher eingeleitet. Durch diese Maßnahme können beide Wärmeaustauschprozesse stärker optimiert werden und arbeiten dadurch spürbar effizienter.
Dazu weist das Hochdruck-Wärmetauscher-System mindestens zwei seriell verbundene gewickelte Wärmetauscher auf, zwischen denen der dritte Teilstrom herausgeführt wird. Diese zwei seriell verbundenen gewickelten Wärmetauscher können durch zwei Wärmetauscherbündel in separaten Behältern realisiert werden oder durch zwei seriell verbundene Wärmetauscherbündel, die übereinander im gleichen Behälter angeordnet sind.
Die Zwischentemperatur, bei welcher der dritte Teilstrom aus dem Hochdruck-Wärmetauscher-System abgezogen und in den Hauptwärmetauscher eingeleitet wird. liegt zwischen 220 und 120 K, vorzugsweise zwischen 190 und 150 K.
Der dritte Teilstrom kann separat vom zweiten Teilstrom durch das Hochdruck-Wärmetauscher-System geführt werden; vorzugsweise wird er jedoch gemeinsam mit dem zweiten Teilstrom durch den wärmeren der beiden gewickelten Wärmetauscher geführt. Selbstverständlich kann das Hochdruck-Wärmetauscher-System auch drei oder mehr Wärmetauscherbündel aufweisen.
Vorzugsweise werden alle drei Teilströme des zweiten Einsatzluftstroms in der Flüssigturbine arbeitsleistend entspannt.
Für die Prozessdrücke gelten die folgenden bevorzugten Wertebereiche:
Der erste, unterkritische Druck des ersten Einsatzluftstroms (Direktluft) ist vorzugsweise gleich dem Betriebsdruck der Hochdrucksäule plus Leitungsverlusten und liegt beispielsweise zwischen 5,0 und 6,0 bar, vorzugsweise zwischen 5,3 und 5,7 bar.
Ein dritter Einsatzluftstrom kann - gegebenenfalls nach Nachverdichtung auf einen dritten Druck, der zwischen dem ersten und dem zweiten Druck liegt, in gasförmigem Zustand in einer Luftturbine arbeitsleistend entspannt werden, um Kälte für das Verfahren zu erzeugen; die Eintrittstemperatur der Luftturbine liegt dann auf einem Zwischenniveau zwischen warmem und kaltem Ende des Hauptwärmetauschers. Alternativ oder zusätzlich wird ein Teil der auf den zweiten, überkritischen Druck verdichteten Luft von einer Zwischentemperatur aus arbeitsleistend entspannt.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren die Gesamtluft auf den ersten, unterkritischen Druck verdichtet, unter diesem Druck vorgekühlt und gereinigt und anschließend in den ersten und zweiten Einsatzluftstrom aufgeteilt. Grundsätzlich ist aber auch eine vollständig separate Verdichtung des ersten und des zweiten Einsatzluftstroms möglich.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Gesamtluft wird in einem Hauptluftverdichter auf einen "ersten, unterkritischen Druck" von 6 bar verdichtet und anschließend vorgekühlt und gereinigt (nicht dargestellt). Die gereinigte Einsatzluft 1 wird auf einen ersten Einsatzluftstrom 100, einen zweiten Einsatzluftstrom 200 und einen dritten Einsatzluftstrom 300 aufgeteilt. Der erste Einsatzluftstrom 100 wird unter dem ersten Druck in einen Hauptwärmetauscher 2 eingeleitet und durchströmt diesen komplett vom warmen bis zum kalten Ende. Der auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlte erste Einsatzluftstrom 101 wird über Leitung 3 in die Hochdrucksäule 4 eines Destillationssäulen-Systems eingeleitet, das außerdem eine Niederdrucksäule 5 und einen Hauptkondensator 6 aufweist. Die beiden Säulen können wie dargestellt als klassische Doppelsäule übereinander angeordnet sein; alternativ stehen sie nebeneinander.
Der zweite Einsatzluftstrom 200 wird in einem ersten Nachverdichter 7 mit Nachkühler 8 und weiter in einem zweiten Nachverdichter 9 mit Nachkühler 10 weiter auf einen zweiten, überkritischen Druck von 85 bar verdichtet und anschließend bei 201 erneut verzweigt. Ein erster Teilstrom 210/211 des zweiten Einsatzluftstroms 200 durchströmt ebenfalls den Hauptwärmetauscher 2 komplett vom warmen bis zum kalten Ende. Überhaupt nicht durch den Hauptwärmetauscher 2 strömt ein zweiter Einsatzluftstrom 202/ 220/221. Dieser wird komplett in einem Hochdruck-Wärmetauscher-System abgekühlt, das in dem Ausführungsbeispiel aus zwei gewickelten Wärmetauschern 11, 12 gebildet wird, die in separaten Behältern angeordnet sind.
Bei 204 werden die drei Teilströme wieder vereinigt und anschließend in einer Flüssigturbine 13 auf den Betriebsdruck der Hochdrucksäule (etwa 6 bar) arbeitsleistend entspannt. Die Flüssigturbine wird von einem Generator 14 gebremst. Der arbeitsleistend entspannte zweite Einsatzluftstrom 205 wird in überwiegend flüssigem Zustand in die Hochdrucksäule 4 eingeleitet.
Ein dritter Teilstrom 230 des zweiten Einsatzluftstroms 200 wird gemeinsam mit dem zweiten Teilstrom 220 in dem warmen gewickelten Wärmetauscher 11 auf eine Zwischentemperatur von 165 K abgekühlt und über Leitung 203 herausgeführt. Bei 206 werden sie weiter verzweigt und der dritte Teilstrom 230 wird dem Hauptwärmtauscher 2 an einer Zwischenstelle zugeführt, die seiner Temperatur entspricht und schließlich dort bis zum kalten Ende abgekühlt. Der vollständig abgekühlte dritte Teilstrom 231 wird bei 204 mit dem Rest des zweiten Einsatzluftstroms vereinigt.
Ein dritter Einsatzluftstrom 300 wird gemeinsam mit dem zweiten Einsatzluftstrom 200 auf einen dritten Druck von 55 bar im Nachverdichter 7 nachverdichtet und tritt unter diesem Druck in das warme Ende des Hauptwärmtauschers ein. Bei einer Temperatur, die etwas höher als die Zwischentemperatur des zweiten Teilstroms 230 ist, wird er (Strom 301) wieder entnommen und in einer Luftturbine 15 auf etwa den Betriebsdruck der Hochdrucksäule 4 arbeitsleistend entspannt. Die Luftturbine 15 treibt den Nachverdichter 9 an. Die entspannte Turbinenluft 302 wird über Leitung 3 gasförmig in die Hochdrucksäule 4 eingeleitet.
Ein flüssiger Sauerstoffstrom 16 aus der Niederdrucksäule 5 wird in einer Sauerstoffpumpe 17 in flüssigem Zustand auf einen ersten Produktdruck gebracht, der in dem Beispiel bei 115 bar liegt, unter diesem ersten Produktdruck in dem Hochdruck-Wärmetauscher-System 12/11 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als Hochdruck-Sauerstoff-Produktstrom 18 gewonnen. Der Sauerstoff strömt durch das Innere der gewickelten Rohre der Wärmetauscher 11 und 12, die Einsatzluft 202 beziehungsweise 206 durch deren Außenraum.
Ein flüssiger Stickstoffstrom 19 aus der Hochdrucksäule 4 (er könnte auch aus dem Hauptkondensator 6 entnommen werden) wird in einer Stickstoffpumpe 20 in flüssigem Zustand auf einen zweiten Produktdruck gebracht, der in dem Ausführungsbeispiel bei 80 bar liegt, unter diesem zweiten Produktdruck auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich als Hochdruck-Stickstoff-Produktstrom 21 gewonnen.
Außerdem werden die folgenden Gasströme im Hauptwärmetauscher 2 angewärmt:
Ein Teil des Niederdruckstickstoff 23, 25 kann zur Regenerierung der Reinigungseinheit für die Einsatzluft (nicht dargestellt) eingesetzt werden. Der warme Druckstickstoff kann als Dichtgas 28 und/oder als Mitteldruckprodukt 29 genutzt werden.
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