DE10046058A1 - Verfahren und Anordnung zum Rückgewinnen von Wärme - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Rückgewinnen von Wärme

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Abstract

Ein Verfahren zum Rückgewinnen vom Wärme aus Gaskompression in einer Lufttrennungsanlage zur Benutzung für Fernheizung wird beschrieben. Das Verfahren umfaßt Komprimieren des Gases in mindestens zwei Stufen, Kühlen des Gases nach jeder Stufe mit Hilfe eines Kühlmittels, und Rückgewinnen der Wärme des Kühlmittels in einem Fernheizungssystem. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gas auf eine Temperatur von 50-80 DEG C gekühlt wird und das Kühlmittel auf eine Temperatur von 70-110 DEG C erwärmt wird. In dieser Weise wird eine insgesamt bessere Effizienz erzielt. Eine Anordnung zur Ausführung dieses Verfahrens ist ebenfalls beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Ver­ fahren und eine Anordnung zum Rückgewinnen von Wärme aus Gas­ kompression in einer Lufttrennungsanlage zur Benutzung für Fernheizung.
Lufttrennungsanlagen werden z. B. in der verarbeitenden Indu­ strie verwendet. In einer Lufttrennungsanlage wird Luft in Sauerstoff, Stickstoff und Argon getrennt. Dies wird übli­ cherweise mit Hilfe von Destillation bei kryogenischen Tempe­ raturen, ungefähr -190°C, erreicht. Die Luft wird zunächst mit Hilfe einer Kompressoranordnung auf einen Druck von 5-7 bar (a) komprimiert. Die Leistungsaufnahme einer solchen Kom­ pressoranordnung beträgt üblicherweise 0.5-20 MW, abhängig von der Größe der Anlage.
In vielen Anlagen werden die Produkte als Flüssigkeiten zwi­ schengespeichert. Um die Produkte in die flüssige Form zu bringen, muß das Gas weiter komprimiert und dann in Expansi­ onsturbinen ausgedehnt werden, die dem System Wärme entzie­ hen. Solch ein zweiter Zusatzkompressor nimmt eine Leistung von ungefähr 0.5-10 MW auf, abhängig von der Größe der Anla­ ge.
Daher ist der Energieverbrauch in einer Lufttrennungsanlage erheblich und Energiekosten stellen einen Großteil der Be­ triebskosten dar. Daher wurden viele Anstrengungen auf die Reduzierung des Energieverbrauchs gerichtet, z. B. indem die Kompressoren effizienter gemacht wurden.
Die Kompressoren einer Lufttrennungsanlage sind üblicherweise von einem Turbo-Typ mit mehr als einer Kompressionsstufe, wo­ bei das Gas zwischen jeder Stufe gekühlt wird. Die Zwischen­ kühlung wird zur Reduzierung des zu komprimierenden Gasvolu­ mens und damit zur Erniedrigung des Energieverbrauchs vorge­ sehen. In je mehr Stufen die Kompression geteilt ist und je effizienter die Kühlung in den Zwischenkühlern, desto besser die Effizienz des Kompressors. Eine Vierstufen-Kompressor­ anordnung besitzt eine isotherme Effizienz von ungefähr 70- 75%.
Um die Kompressoreffizienz zu maximieren, muß die Zwischen­ kühlung mit einem Kühlmittel durchgeführt werden, das so kalt wie möglich ist. Üblicherweise wird See- oder Flußwasser als Kühlmittel verwendet. Dies besitzt eine Temperatur zwischen 10 und 25°C vor dem Kühlen des Gases und die Temperatur wird um 6-10°C in den Zwischenkühlern erhöht. Wenn der Zugang zu Kühlwasser beschränkt ist, werden gelegentlich Kühltürme be­ nutzt. Natürlich stellen die Konstruktion und der Betrieb solcher Türme nicht vernachlässigbare Kosten dar.
Eine verbreitete Annahme ist, daß eine Temperaturerhöhung des einlaufenden Kühlwassers um 4° einen um 1% erhöhten Energie­ verbrauch bedeutet. In einer Anlage normaler Größe bedeutet dies eine Erhöhung des jährlichen Verbrauchs um etwa 0.5 GWh.
In Fig. 1 ist eine Lufttrennungsanlage mit Wärmerückgewin­ nungskühlern des Standes der Technik gezeigt. Eine Kompres­ soranordnung 10 mit nicht gezeigten Wärmerückgewinnungsküh­ lern ist vorgesehen. Bei 12 wird dem Kompressor Eintrittsluft zugeführt und bei 14 wird Austrittsluft bei höherem Druck als der Eintrittsluft der Kompressoranordnung 10 entnommen. Ein Kühlwassersystem 20 ist zur Versorgung des Kompressors mit Kühlwasser vorgesehen. Kühlwasser mit einer niedrigen Temperatur T1, ungefähr 30°C, wird den Kompressoren zugeführt und darin zum Kühlen der Luft verwendet. Austrittskühlwasser ver­ läßt den Kompressor mit einer Temperatur T2 von etwa 70-80°C. Dieses Austrittskühlwasser wird einem Wärmetauscher 22 zuge­ führt, in dem ein Teil der Wärmeenergie in einem zweiten Kreislauf 24 zurückgewonnen wird. Jedoch besitzt das den Wär­ metauscher 22 verlassende Wasser eine Temperatur T3, die zu hoch ist, um den Kompressoren direkt als Kühlwasser zugeführt zu werden. Daher ist ein Sicherheitskühler/Wärmetauscher 26 zum weiteren Kühlen des Kühlwassers vorgesehen. Dieser Si­ cherheitskühler benutzt Wasser als Kühlmittel und muß für den äußersten Fall, d. h. für maximale Wärmelast, ausgelegt sein. Das den Sicherheitskühler verlassende Wasser besitzt die Tem­ peratur T1, d. h. etwa 30°C.
Wärmetauscher im Kühlwassersystem vorzusehen hat den Zweck, das Kühlwasser soweit wie möglich abzukühlen. Der Fachmann geht davon aus, daß der Kompressor auf möglichst niedriger Temperatur betrieben werden sollte, da die Effizienz mit hö­ herer Temperatur abnimmt.
Ein anderer Weg, um Wärme rückzugewinnen, erfolgt mit Hilfe von Wärmepumpen und Wärmetauschern.
Der zuvor beschriebene Stand der Technik benötigt zusätzliche Ausstattung wie Wärmetauscher usw. Dies führt zu insgesamt erhöhten Kosten der Anlage.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ei­ ne Anordnung zum Rückgewinnen von Wärme aus Kompression in einer Lufttrennungsanlage im Zusammenhang mit Fernheizung be­ reitzustellen, die effizienter als in herkömmlichen Anlagen sind.
Die Erfindung beruht auf einer Anwendung der Zwischenkühlung auf die Temperaturerfordernisse des Kühlwassers, um die Wär­ merückgewinnung für Fernheizung zu erhöhen.
Unerwarteterweise wurde entdeckt, daß Fernheizungswasser ein ausgezeichnetes Kühlmittel für die Kompressoren von Lufttren­ nungsanlagen darstellt, wenn diese Anwendung gewünscht ist. Auf diese Weise kann ein wesentlich höherer Grad von Energie im Vergleich mit bekannten Installationen zurückgewonnen wer­ den. Weiterhin wird keine zusätzliche Ausstattung wie Wärme­ pumpen und Wärmetauscher benötigt.
Durch den Betrieb des Kompressors auf höheren Temperaturen wird die Effizienz des Kompressors in Verbindung mit dem Fernheizungssystem insgesamt erhöht, obwohl die Effizienz von Kompressionsgas für die Lufttrennungseinheit erheblich ver­ mindert wird.
Demnach wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Rückgewinnen von Wärme aus Gaskompression in einer Lufttrennungsanlage zur Benutzung für Fernheizung bereitge­ stellt, das die folgenden Schritte umfaßt: a) Komprimieren des Gases in mindestens 2 Stufen; b) Kühlen des Gases nach jeder Stufe mit Hilfe eines Kühlmittels; c) Rückgewinnen der Wärme des Kühlmittels in einem Fernheizungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas auf eine Temperatur von 50-80°C gekühlt wird, und das Kühlmittel auf eine Temperatur von 70- 110°C erwärmt wird.
Die Kühlung in Schritt b) wird vorzugsweise mit Hilfe von Rückwasser von einem Fernheizungssystem mit einer Temperatur zwischen 40-70°C, vorzugsweise 45-70°C durchgeführt.
Es wir ebenfalls eine Anordnung zum Rückgewinnen von Wärme aus Gaskompression in einer Lufttrennungsanlage zur Benutzung für Fernheizung bereitgestellt, die umfaßt: mindestens zwei Gaskompressorstufen; Kühler, die nach jeder Kompressorstufe vorgesehen sind, wobei die Kühler einen mit dem Auslaß der vorhergehenden Kompressorstufe verbundenen Gaseinlaß, einen mit dem Einlaß der nächsten Kompressorstufe verbundenen Gasauslaß, einen mit einer Kühlmittelversorgung verbundenen Kühlmitteleinlaß, einen Kühlmittelauslaß umfassen; dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittskühlmittel Rückwasser von einem Fernheizungssystem ist; und der Kühlmittelauslaß mit einem Fernheizungssystem verbunden ist, wobei das aus dem Kühlmittelauslaß austretende Kühlmittel eine Temperatur von 70-110°C aufweist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1: eine Übersicht einer Kompressoreinheit einer Lufttrennungsanlage des Standes der Technik;
Fig. 2: einen Überblick einer Kompressoreinheit einer Lufttrennunganlage gemäß der Erfindung; und
Fig. 3: ein detailliertes Diagramm einer Kompressoreinheit einer Lufttrennungsanlage gemäß der Erfindung.
Fig. 1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik diskutiert.
Fig. 2 zeigt die Kompressoranordnung einer Lufttrennungsanla­ ge gemäß der Erfindung. Die Kompressoranordnung ist mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung 10 identisch und wird im fol­ genden mit Bezug auf Fig. 3 weiter erläutert. Eintrittsluft 32 wird den Kompressoren zugeführt und Austrittsluft 34 mit ei­ nem höheren Druck als die Eintrittsluft wird von der Anord­ nung 30 entnommen. Um die Zwischenprodukte zwischen den Kom­ pressorstufen in der Kompressoreinheit zu kühlen, wird Ein­ trittskühlwasser mit einer Temperatur T4 zugeführt. Nach dem Kühlen der Produkte in der Anordnung 30 tritt das Austrittskühlwasser mit einer Temperatur T5 aus, die höher als die Temperatur T4 ist.
In der beschriebenen Ausführungsform ist das Eintrittskühl­ wasser Rückwasser von einem Fernheizungssystem. Dieses Wasser besitzt eine Temperatur T4 im Bereich von 40-70°C, gelegent­ lich 45-70°C oder sogar 50-70°C, das heißt einiges über den gewöhnlicherweise für Kühlwasser verwendeten Temperaturen. Dies stellt in der vorliegenden Anwendung jedoch keinen Nach­ teil dar.
Nach dem Kühlen der Produkte in der Kompressoranordnung 30 weist das Austrittskühlwasser eine Temperatur T5 von etwa 70- 80°C und bis zu 110°C auf, also ideal zur Benutzung als Was­ ser in einem Fernheizungssystem. Daher wird dieses Austritts­ kühlwasser direkt zum Fernheizungssystem zur Benutzung darin zugeführt.
Es besteht ein grundsätzlicher Unterschied zwischen der Kom­ pressoreinheit gemäß der Erfindung und dem Stand der Technik. Gemäß der Erfindung ist keine zusätzliche Kühlung des Kühl­ wassers erforderlich. Demnach kann auf die im Stand der Tech­ nik verwendeten Wärmetauscher verzichtet werden, was Kosten spart und die Wärmerückgewinnung erhöht.
Eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 3 be­ schrieben, in der eine Drei-Stufen-Kompressoranordnung ge­ zeigt ist. Eintrittsluft 32 wird einer ersten Luftkompressor­ stufe 36a zugeführt. Die hier beschriebenen Kompressoren sind von einem herkömmlichen Turbo-Typ, der dem Fachmann bekannt ist und keiner weiteren Erläuterung bedarf. Die Eintrittsluft besitzt die Eigenschaften atmosphärischer Luft, das heißt ei­ ne Temperatur T6 von etwa 20°C und einen Druck von 1.0 bar. Nach dem Durchtritt durch die erste Kompressorstufe 36a be­ sitzt die Luft einen höheren Druck und ein niedrigeres Volu­ men, aber die Temperatur hat sich auf etwa 90-100°C erhöht.
Ein erster Zwischenkühler 38a ist mit der ersten Kompressor­ stufe 36a verbunden. Wie die anderen Zwischenkühler 38b und 38c, die unten beschrieben werden, umfaßt der Kühler 38a ei­ nen Gaseinlaß, der mit dem Auslaß der vorangehenden Kompres­ sorstufe verbunden ist, einen Gasauslaß, der mit dem Einlaß der nächsten Kompressorstufe verbunden ist, einen Kühlmittel­ einlaß, der mit einer Kühlmittelversorgung 37 verbunden ist und einen Kühlmittelauslaß, der mit einem gemeinsamen Verbin­ dungspunkt 40 verbunden ist, der zum Kühlwasserauslaß 39 führt, der mit einem Fernheizungssystem verbunden ist.
Die Luft wird in diesem ersten Zwischenkühler 38a mit Hilfe von Kühlwasser gekühlt, das mit einer Temperatur T4 von Rück­ wasser von dem Fernheizungssystem 37, das heißt etwa 50°C zu­ geführt wird. Der Kühler 38a ist so dimensioniert und betrie­ ben, daß das ihn verlassende Kühlwasser eine Temperatur T51 aufweist, die geeignet für das Fernheizungssystem ist, das heißt üblicherweise etwa 70-80°C, jedoch gelegentlich bis zu 110°C.
Die Luft wird dann zu einer zweiten Kompressorstufe 36b ge­ führt, worin der Druck und die Temperatur der Luft weiter er­ höht werden. Die Temperatur T9 der Luft, die die zweite Kom­ pressorstufe 36b verläßt, beträgt etwa 130-140°C. Diese Luft wird dann in einem zweiten Zwischenkühler 38b mit Hilfe von Kühlwasser gekühlt, das mit einer Temperatur T4 von Rückwas­ ser von dem Fernheizungssystem 37 zugeführt wird, das heißt etwa 50°C. Der zweite Kühler 38b ist so dimensioniert und be­ trieben, daß das ihn verlassende Kühlwasser eine Temperatur T52 aufweist, die für das Fernheizungssystem geeignet ist. Dieses Wasser wird dann zum Verbindungspunkt 40 geleitet und dann weiter zum Fernheizungssystem 39.
Die den zweiten Zwischenkühler 38b verlassende Luft weist ei­ ne Temperatur von etwa 60°C auf. Diese Luft durchläuft dann eine weitere Kompressorstufe 36c mit zugeordnetem Zwischenkühler 38c. In dieser dritten Stufe wird die die Kompressor­ stufe verlassende Luft gekühlt, um die gewünschte Temperatur des Fernheizungssystems zu erreichen, in der gleichen Weise wie in den ersten und zweiten Stufen. Daher beträgt T12 etwa 60°C.
Ein abschließender Kühler 42 ist zum Kühlen der Luft auf eine gewünschte Endtemperatur T14 vorgesehen, die für Lufttren­ nungsanwendungen etwa 10-15°C beträgt. Dafür wird Kühlwasser 44 mit einer Temperatur von etwa 10°C als Kühlmittel im ab­ schließenden Kühler 42 benutzt.
Im folgenden werden die Energieaspekte der Lufttrennungsanla­ ge gemäß der Erfindung diskutiert. Jede Kompressorstufe ver­ braucht Energie und dieser Verbrauch stellt einen Großteil der Betriebskosten einer Lufttrennungsanlage dar. Um diesen Energieverbrauch zu senken, war es erwünscht, die Kompresso­ ren bei einer niedrigen Temperatur zu betreiben. In der vor­ liegenden Ausführungsform besitzt das Eintrittskühlwasser 37 jedoch eine Temperatur von etwa 50°C, im Vergleich zu her­ kömmlichem Kühlwasser, das eine Temperatur von etwa 15-30°C aufweist. Mit einem Eintrittsluftfluß von etwa 21500 m3/h verbrauchen die drei Kompressorstufen 36a-c zusammen etwa 1.98 Megawatt. Dies ist mehr als in einer herkömmlichen Anla­ ge, worin die entsprechende Leistungsaufnahme im Betrieb mit herkömmlichen Kühltemperaturen etwa 1.85 Megawatt betragen würde. Daher besteht eine erhöhte Leistungsaufnahme von 1.98 - 1.85 = 0.13 Megawatt infolge des weniger effizienten Be­ triebs der Kompressoren.
Die Energie, die durch das erwärmte Wasser des Fernheizungs­ systems erhalten wird, überkompensiert diesen erhöhten Ener­ gieverbrauch des Kompressors. Im vorliegenden Beispiel werden etwa 1.48 Megawatt durch die Erwärmung des Wassers erhalten, was einen Gesamtverbrauch von 1.98 - 1.48 = 0.5 Megawatt er­ gibt. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann bis zu 70-80% der verbrauchten Energie der Kompressoren direkt in Fernwärme umgewandelt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine überraschend hohe Effizienz erreicht. Die nutzbare Fernwärmeenergie beträgt 9- 11 mal die Erhöhung der Leistungsaufnahme des Kompressors. Dies kann mit einer Wärmepumpe verglichen werden, bei der der entsprechende Wert etwa 3-4 beträgt.
Ein weiterer Vorteil bei der Benutzung der vorliegenden Er­ findung in der verarbeitenden Industrie besteht darin, daß eine Lufttrennungseinheit das ganze Jahr über betrieben wird. Dies bedeutet, daß eine preiswerte Wärmequelle für ein Fern­ heizungssystem außergewöhnlich gut als Grundlast angewendet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Kompressors in einer Lufttrennungsanlage gemäß der Erfindung wurde beschrieben. Der Fachmann weiß, daß diese in vielfältiger Weise im Bereich der Schutzansprüche modifiziert werden können. Die hier gege­ benen Temperaturen und Leistungsaufnahmewerte sind eher als Beispielwerte zu verstehen. Weiterhin kann die Kompressoran­ ordnung zwei, drei, vier oder sogar mehr als vier Kompressor­ stufen umfassen, je nach Bedarf.
Eine Anordnung wurde beschrieben, bei der Rückwasser von ei­ nem Fernheizungssystem direkt als Kühlmittel verwendet wird. In manchen Fällen ist es nicht erwünscht, das Rückwasser in einer Lufttrennungsanlage zu verwenden. Daher wird in einer alternativen Ausführungsform das Rückwasser indirekt mit Hil­ fe eines zweiten Kreislaufs genutzt, der mit dem Fernwärmesy­ stem verbunden ist, durchlaufend durch einen Wärmetauscher.
In der beschriebenen Ausführungsform wird das Gas auf eine Endtemperatur auf etwa 60°C gekühlt. Jedoch kann diese Tempe­ ratur je nach Anwendung variieren und irgendwo im Bereich von 50-80°C liegen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Rückgewinnen von Wärme aus Gaskompression in einer Lufttrennungsanlage zur Benutzung für Fernhei­ zung, das die folgenden Schritte umfaßt:
  • a) komprimieren des Gases in mindestens 2 Stufen;
  • b) kühlen des Gases nach jeder Stufe mit Hilfe eines Kühlmittels;
  • c) rückgewinnen der Wärme des Kühlmittels in einem Fernheizungssystem,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gas auf eine Temperatur von 50-80°C gekühlt wird, und
das Kühlmittel auf eine Temperatur von 70-110°C erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung in Schritt b) mit Hilfe von Rückwasser von einem Fernheizungssystem mit einer Temperatur zwischen 40-70°C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung in Schritt B mit Hilfe von Rückwasser mit einer Temperatur zwischen 45-70°C bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückwasser direkt als Kühlmittel verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückwasser indirekt als Kühlmittel mit Hilfe eines zweiten Kreislaufs genutzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression in Stufe a) in mindestens drei Stufen durchgeführt wird.
7. Anordnung zum Rückgewinnen von Wärme aus Gaskompression in einer Lufttrennungsanlage zur Benutzung für Fernhei­ zung, das umfaßt
mindestens zwei Gaskompressorstufen (36a-c);
Kühler (38a-c), die nach jeder Kompressorstufe vorgese­ hen sind, wobei die Kühler einen mit dem Auslaß der vorhergehenden Kompressorstufe verbundenen Gaseinlaß, einen mit dem Einlaß der nächsten Kompressorstufe ver­ bundenen Gasauslaß, einen mit einer Kühlmittelversor­ gung verbundenen Kühlmitteleinlaß, und einen Kühlmittelauslaß umfassen;
dadurch gekennzeichnet, daß
das Eintrittskühlmittel Rückwasser von einem Fernhei­ zungssystem ist; und
der Kühlmittelauslaß mit einem Fernheizungssystem ver­ bunden ist, wobei das aus dem Kühlmittelauslaß austre­ tende Kühlmittel eine Temperatur von 70-110°C aufweist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittskühlmittel eine Temperatur von etwa 40- 70°C aufweist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittskühlmittel eine Temperatur von etwa 45- 70°C aufweist.
10. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gaskompressorstufen mindestens 3 be­ trägt.
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