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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Luftzerlegungsanlage sowie ein
Verfahren zum Betreiben derselben.
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Bei
der Luftzerlegung nach dem Linde-Verfahren wird die Luft als Gasgemisch
aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon und weiteren Edelgasen verflüssigt und
mittels Rektifikation in ihre Bestandteile getrennt. Das entsprechende
hochreine Sauerstoffprodukt wird beispielsweise in sekundären industriellen
Anlagen wie Raffinerien, Hochöfen
und dergleichen verwendet. Der ebenfalls entstehende hochreine Stickstoff
wird als Produkt, beispielsweise für Inertisierungen, bereitgestellt
oder wird wieder ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben.
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Übliche Roh-
oder Umgebungsluft muss vor der Prozessierung in einer Luftzerlegungsanlage
gereinigt, getrocknet und vorgekühlt
werden, da Unreinheiten wie Staub, Kohlendioxid, Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffe
das Rektifikationsverfahren stören
können.
Angesaugte Rohluft wird dabei häufig durch
Absorbtionsmittel geleitet, die Wasserdampf, Kohlendioxyd und auch
Kohlenwasserstoffspuren aus der Luft absorbieren und verhältnismäßig reine Prozessluft
für den
Luftverflüssigungs- und Rektifikationsprozess
liefern. Derartige Rohluftreinigungsvorrichtungen können meist
regeneriert werden, indem über
die Absorbtionsmittel heißes
Spülgas
geleitet wird, welches die absorbierten Schmutzstoffe herauslöst und ein
regeneriertes Absorbtionsmittel hinterlässt.
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In
der Vergangenheit sind insbesondere sogenannte Molekularsiebadsorber
eingesetzt worden, die natürliche
und synthetische Zeolithe und ein gutes Absorbtionsvermögen für Gase,
Dämpfe
und gelöste
Stoffe mit bestimmten Molekülgrößen haben.
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Allerdings
sind auch andere Materialien als Molekularsiebe verwendbar, welche
eine große
innere Oberfläche
und im Wesentlichen einheitliche Porendurchmesser haben. Durch die
Einstellung der Porendurchmesser kann die Filterwirkung für bestimmte
Verunreinigungen, insbesondere in der Ansaugluft für den Luftreinigungsprozess
eingestellt werden.
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Die
Regeneration derartiger Molekularsiebadsorber in Luftzerlegungsanlagen
erfolgt in der Regel mit Stickstoff, der der Luftzerlegungsanlage entnommen
wird. Dieser Stickstoff muss dann jedoch auf eine Regenerierungstemperatur
von etwa 170 bis 250°C
gebracht werden. Dazu wurden in der Vergangenheit elektrische Heizer
eingesetzt. Das Erhitzen des Stickstoffs als Regenerationsgas oder
Spülgas für die Molekularsiebadsorber
mittels elektrischer Energie verursacht jedoch hohe Kosten und erfordert aufwendige
elektrische Erhitzer. Auch die Erzeugung entsprechender elektrischer
Energie am Standort der jeweiligen Luftzerlegungsanlage ist häufig aufwendig.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, günstigere
Maßnahmen
für einen
Luftzerlegungsprozess bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Luftzerlegungsanlage mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage
gemäß Patentanspruch
6 gelöst.
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Demgemäß weist
eine vorgeschlagene Anlage, z. B. eine Luftzerlegungsanlage, die
zumindest ein Produkt, wie z. B. ein Stickstoffprodukt, liefert, eine
regenerierbare Reinigungsvorrichtung und einen solarthermischen
Erhitzer auf. Der solarthermische Erhitzer ist geeignet, das Stickstoffprodukt
auf mindestens eine Regenerierungstemperatur der Reinigungsvorrichtung
zu erhitzen. Es ist eine Verrohrung zum Zuführen des erhitzten Stickstoffprodukts als
Spülgas
an die Reinigungsvorrichtung vorgesehen.
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Ferner
sieht ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage, insbesondere einer
Luftzerlegungsanlage, insbesondere einer vorgenannten Luftzerlegungsanlage,
die mindestens ein Produkt (z. B. Stickstoffprodukt) liefert und
eine regenerierbare Reinigungsvorrichtung aufweist, die Schritte
vor: solarthermisches Erhitzen des Stickstoffproduktes auf mindestens
eine Regenerierungstemperatur der Reinigungsvorrichtung, und Zuführen des
erhitzten Produktes als Spülgas
an die Reinigungsvorrichtung zum Regenerieren derselben.
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Als
Reinigungsvorrichtung kommt zum Beispiel eine Rohluftreinigungsvorrichtung
in Frage. Die Erfindung betrifft jegliche Vorrichtungen, Anlagen oder
Verfahren, bei denen solarthermisch gewonnene Wärme zum Regenerieren von regenerierbaren Medien
eingesetzt wird.
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Grundsätzlich kann
die Reinigungsvorrichtung flüssige
oder feste Waschmmittel, wie Absorberschüttungen enthalten. Der Begriff
Reinigungsvorrichtung wird hier Synonym für einen technischen Anlageteil
verwendet.
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Häufig werden
Luftzerlegungsanlagen in geographischen Regionen aufgebaut, in denen
hohe kontinuierliche Sonneneinstrahlung prinzipiell die Erhitzung
von Gasen oder Fluiden ermöglicht.
Es ist nun vorgesehen, entsprechende Solarenergie durch Erwärmen des
Stickstoffproduktes aus dem Luftzerlegungsprozess einzusetzen, um
das notwendige Spülgas
für die
Regenerierung der Rohluftreinigungsvorrichtung, die beispielsweise
Molekularsiebadsorber aufweisen kann, zu erzeugen. Dies hat den
Vorteil, dass keine weiteren energetisch ineffizienten Erhitzungsvorrichtungen,
wie elektrische Erhitzer verwendet werden müssen.
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Als
Regenerierungstemperatur kommt je nach verwendetem regenerierbarem
Adsorptionsmittel der Rohluftreinigungsvorrichtung eine Temperatur von
100 bis 120°C
in Frage. Der Regene rierungsprozess kann jedoch auch bei höheren Temperaturen des
erhitzten Stickstoffs als Spülgas
vollzogen werden. Oberhalb der Regenerierungstemperatur werden die
in dem Molekularsieb adsorbierten Moleküle wieder herausgelöst, sodass
nach der Regenerierung die Poren erneut frei und zugänglich sind,
sodass im erneuten Betrieb die Adsorptionswirkung und damit die
Reinigungseigenschaften für
angesaugte Rohluft erneut optimal vorliegt.
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Die
Luftzerlegungsanlage kann ferner mit einer Wärmespeichereinrichtung zum
Speichern für die
thermische Energie des erhitzten Stickstoffproduktes ausgestattet
werden. Beispielsweise im Nachtbetrieb oder bei Abschattungen der
Sonne ermöglicht
eine Wärmespeichereinrichtung
daher einen Pufferbetrieb, selbst wenn solare Energie vorübergehend
nicht abgegriffen werden kann. Die Wärmespeicherung kann z. B. durch
keramisches Material erfolgen, das erhitzt wird und im Wärmespeicher isoliert
vorliegt. Eine Wärmespeicherung
kann z. B. nach dem Cowper-Prinzip erfolgen.
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Auch
ohne Wärmespeicher
kann die Anlage betrieben werden. Man kann während der Nacht zum Beispiel
das eingesetzte Wärmemedium
oder das zu regenerierende Mittel auch elektrisch erhitzen.
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Bei
einer Variante der Anlage bzw. des Verfahrens wird die Solarenergie
nur mittelbar zum Erhitzen des Spülmittels verwendet. Zum Beispiel
wird zunächst
auf bekanntem Wege Solarstrom erzeugt, der als Energiequelle zum
Erhitzen des Regeneriergases oder Spülmittels dient oder auch direkt
zum Erhitzen der Reinigungsvorrichtung eingesetzt wird.
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Darüber hinaus
kann die Luftzerlegungsanlage eine Energieumsetzungseinrichtung
zum Umwandeln der thermischen Energie des erhitzten Stickstoffproduktes
in andere Energieformen aufweisen. Bei solarthermischen Erhitzern
kann das Wärmemedium,
welches im vorliegenden Fall vorzugsweise das Stickstoffpro dukt
ist, 700 bis 1100°C
haben. Insofern kann diese überschüssige Wärmeenergie,
welche nicht für
einen Regenerierungsprozess der Rohluftreinigungsvorrichtung (bei
etwa 220°C) notwendig
ist, zur Energieerzeugung verwendet werden. Dabei ist es insbesondere
möglich,
eine Pumpe, einen Kompressor und/oder ein Gebläse der Luftzerlegungsanlage
zumindest vorübergehend
mit Energie zu betreiben, welche die Energieumsetzungseinrichtung
aus der thermischen Energie des erhitzten Stickstoffproduktes erzeugt.
Die Energieumsetzungseinrichtung kann einen Dampferhitzer mit einer Turbine
umfassen, um z. B. elektrische Energie zu erzeugen. Es kann auch
direkt Prozessdampf über
einen Wärmetauscher
mit dem erhitzten Stickstoffprodukt erzeugt werden.
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Vorzugsweise
ist für
die Luftzerlegungsanlage eine Regelungseinrichtung, wie beispielsweise ein
Leitstellenrechner vorgesehen, welche Armaturen der Verrohrung der
Luftzerlegungsanlage steuert, dass dem erhitzten Stickstoffprodukt
durch die Wärmespeichereinrichtung
und/oder die Energieumsetzungseinrichtung derart thermische Energie
entzogen wird, dass die thermische Restenergie des Stickstoffprodukts
noch einer Temperatur entspricht, die oberhalb der Regenerierungstemperatur
ist. Damit wird gewährleistet,
dass stets ein Stickstoffprodukt, welches als Spülgas geeignet ist, vorliegt.
Der in dem erhitzten Stickstoffprodukt vorliegende und über die Regenerationstemperatur
hinausgehende Energiegehalt kann anderweitig für eine Energieerzeugung verwendet
werden.
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Da
die Luftzerlegungsanlage in der Regel kontinuierlich betrieben wird,
bietet es sich an, die Rohluftreinigungsvorrichtung mit mehreren
zeitlichen alternierend betreibbaren Molekularsiebadsorbern auszustatten.
Es ist dann möglich,
ein erstes Molekularsieb in einem Filter- oder Normalbetriebsmodus mit
den Verunreinigungen der angesaugten Rohluft zu beladen, während ein
zweites Molekularsieb gleichzeitig durch Spülen mit geeignetem Spülgas regeneriert
wird. Somit liegt für
den Luftzerlegungsprozess immer ein regeneriertes Moleku larsieb
bzw. eine Rohluftreinigungsvorrichtung vor.
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Die
der Rohluftreinigungsvorrichtung entnommene gereinigte Rohluft wird
in der Regel als Prozessluft im Gegenstrom mit dem Stickstoffprodukt aus
einem Luftzerlegungsprozess gekühlt.
Dazu wird häufig
ein Hauptwärmetauscher
in der entsprechenden Coldbox verwendet.
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In
einer Variante der Luftzerlegungsanlage umfasst der solarthermische
Erhitzer mindestens einen Heliostaten. Heliostaten weisen beispielsweise runde
oder rechteckige Spiegelflächen
auf, die Sonneneinstrahlung auf einen Wärmeabsorber lenken, der dann
besonders hoher Strahlungsenergie ausgesetzt ist und ein Medium
wie beispielsweise Stickstoff erhitzt. Häufig sind die Heliostaten mit
einer zumindest zweiachsigen Motorik versehen und können dem
Sonnenstand optimiert ausgerichtet werden.
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Es
können
auch andere bekannte solarthermische Kraftwerke eingesetzt werden.
Zum Beispiel sind Niedertemperatursysteme mit Rinnen zur Erwärmung eines
Wärmemediums
bekannt. Öl-
oder Wasserverdampfer können
auch eingesetzt werden.
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Bei
verschiedenen Betriebsmodi eines Verfahrens zum Betreiben einer
Luftzerlegungsanlage werden einer oder mehrere der folgenden Schritte durchgeführt:
- – Erzeugen
von Prozessdampf mit dem erhitzten Stickstoff zum Antreiben mindestens
einer Pumpe, eines Kompressors und/oder eines Gebläses der
Luftzerlegungsanlage oder einer Turbine zur Stromerzeugung;
- – Speichern
von thermischer Energie des erhitzten Stickstoffproduktes in einem
Wärmespeicher;
- – Erhitzen
von Stickstoffprodukten mit dem Wärmespeicher und Zuführen des
mit dem Wärmespeicher
erhitzten Stickstoffpro dukts als Spülgas an die Rohluftreinigungsvorrichtung
zum Regenerieren derselben; und/oder
- – Umleiten
des Stickstoffproduktes aus einem Wärmetauscher der Luftzerlegungsanlage
zu der Rohluftreinigungsvorrichtung vor dem solarthermischen Erhitzten
zum Kühlen
der Rohluftreinigungsvorrichtung.
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Vorzugsweise
werden mehrere Molekularsiebadsorber als Rohluftreinigungsvorrichtung
verwendet, welche abwechselnd in einem Filterbetriebsmodus zum Reinigen
von Umgebungsluft zu Prozessluft für einen Luftzerlegungsprozess
und in einem Regenerierungsbetriebsmodus mit dem Spülgas regeneriert
werden.
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Es
ist ferner denkbar, Stickstoffprodukt, welches einer Verdunstungskühleinrichtung
der Luftzerlegungsanlage zugeführt
und entnommen wird, solarthermisch zu erhitzen. Neben der Trocknung
und Reinigung durch die Rohluftreinigungsvorrichtung wird zum Bereitstellen
von Prozessluft für
den Luftzerlegungsprozess meist auch gereinigte Luft gekühlt und
erst dann dem Wärmetauscher
der Anlage zugeführt.
Dabei kommen Verdunstungskühler,
bei denen meist Wasser verdunstet wird, zum Einsatz. Verdunstungskühler werden
auch als EVC (Evaporation Cooler) bezeichnet.
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In
einer Variante der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen,
welches die Durchführung
eines entsprechenden Verfahrens zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage
auf einer programmgesteuerten Rechner- oder Steuereinrichtung veranlasst.
Als programmgesteuerte Rechner- oder Steuereinrichtung kommt zum
Beispiel ein PC oder ein Rechner einer Leitwarte zur Steuerung und
Regelung von Anlagen, insbesondere Luftzerlegungsanlagen, in Frage,
auf dem entsprechende Software installiert ist. Das Computerprogrammprodukt
kann beispielsweise in der Art eines Datenträgers wie zum Beispiel USB-Stick,
Floppy-Disk, CD-ROM, DVD implementiert werden oder auch auf einer
Servereinrichtung als herunterladbare Pro grammdatei implementiert
sein.
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Weitere
mögliche
Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte
Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele
beschriebenen Merkmale, Verfahrensschritte oder Aspekte. Dabei wird
der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen
zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche
sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Es
zeigt dabei:
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1:
eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer Luftzerlegungsanlage
mit solarthermischer Spülgaserhitzung;
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2:
eine schematische Darstellung einer zweiten Variante einer Luftzerlegungsanlage
mit solarthermischer Spülgaserhitzung;
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3: schematische Darstellungen von beispielhaften
solarthermischen Erhitzern;
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4–9:
Verfahrensfließbilder
einer beispielhaften Luftzerlegungsanlage in verschiedenen Betriebsmodi;
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10:
eine schematische Darstellung einer dritten Variante einer Luftzerlegungsanlage
mit solarthermischer Spülgaserhitzung;
und
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11:
eine schematische Darstellung einer vierten Variante einer Luftzerlegungsanlage
mit solarthermischer Spülgaserhitzung.
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In
den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben
Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer Luftzerlegungsanlage
mit solarthermischer Spülgaserhitzung.
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Die
Luftzerlegungsanlage 1 verarbeitet Umgebungsluft und liefert
durch rektifikative Luftzerlegung ein Stickstoffprodukt an einer
Leitung 15 und ein flüssiges
Sauerstoffprodukt an einer Leitung 13. Die Luftzerlegungsanlage 1 hat
dazu eine Coldbox 2, welche den rektifikativen Luftzerlegungsprozess durchführt. Allgemein
erfolgt die Luftzerlegung nach dem entsprechenden Linde-Verfahren,
indem zunächst
die Umgebungsluft angesaugt wird, was mit dem Ansaugrohr 3 erfolgt
und auf etwa 6 bar mit einem Kompressor 4 verdichtet wird.
Anschließend
ist eine Luftleitung 5 vorgesehen, die die verdichtete Rohluft
einer Rohluftreinigungsvorrichtung 6 zuführt.
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Die
verdichtete Luft kann ferner mit Wasser vorgekühlt werden und in der Rohluftreinigungsvorrichtung
von Staub, Kohlendioxid, Wasserdampf und weiteren Kohlenwasserstoffen
gereinigt werden. Dazu sind insbesondere Molekularsiebadsorber geeignet.
Wie bereits einleitend erläutert
wurde, lassen sich Molekularsiebadsorber durch Spülen mit
einem erhitzten Spülfluid
oder -Gas regenerieren, d. h. wiederverwenden.
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Entsprechend
vorbereitete Prozessluft, also gereinigte, getrocknete und vorgekühlte Umgebungsluft,
wird über
eine Leitung 7 dem Hauptwärmetauscher 8 der
Luftzerlegungsanlage 1 zugeführt. Die Verflüssigung
der Prozessluft erfolgt durch einen Wärmeaustauschprozess in dem
Wärmetauscher 8, wobei
die vorgekühlte
verdichtete Luft im Gegenstrom mit bereits entspannten Gasströmen auf
eine Temperatur von etwa –180°C gebracht
wird. Über
die Leitung 9 wird diese unter Druck stehende Luft einem Expansionsventil 10 zugeführt und
dadurch entspannt. Beim Entspannen in dem Expansionsventil 10 oder
auch einer Expansionsturbine kühlt
sich die Luft derart ab, dass sie sich zumindest teilweise verflüssigt und über eine
Leitung 12 der Rektifikationssäule oder -kolonne 11 zugeführt wird.
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In
dem mehrstufigen Rektifikationsprozess in der Kolonne oder Säule 11 rieselt
flüssige
Luft über mehrere
Siebe im Gegenstrom mit nicht-verflüssigter aufsteigender gasförmiger Luft
nach unten. Die sauerstoffangereicherte Flüssigkeit sammelt sich am Boden
der Kolonne, während
siedender Stickstoff am Kopf der Kolonne abgreifbar ist. Es können auch Druck-
und Niederdruckkolonnen-Kombinationen eingesetzt werden. Jedoch
ergibt sich immer am Fuß der
Kolonne eine Fraktion mit flüssigem
Sauerstoff, der über
eine Leitung 13 abgeführt
werden kann und am Kopf der Kolonne gasförmiger Stickstoff (GAN), der über die
Leitung 14 dem Hauptwärmetauscher zur
Gegenstromkühlung
zugeführt
wird.
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Das
Stickstoffprodukt kann dem Hauptwärmetauscher 8 entnommen
werden und beispielsweise an einen Abnehmer geliefert werden. Da
jedoch, wie eingangs erläutert
wurde, die Absorber der Rohluftreinigungsvorrichtung 6 regelmäßig regeneriert werden
müssen,
wird vorgeschlagen, zumindest einen Teil des Stickstoffproduktes
abzuzweigen und solarthermisch zu erhitzen. Dazu wird das Stickstoffprodukt
einem solarthermischen Erhitzer 16 zugeführt, der
intensiver Sonneneinstrahlung 20 ausgesetzt ist. Durch
den solarthermischen Erhitzer 16, der beispielsweise als
volumetrischer Empfänger
ausgeführt
sein kann, wird ein Spülfluid
an der Leitung 17 erzeugt, das mindestens Temperaturen
von 170 bis 250°C
erreicht und daher oberhalb der Regenerationstemperatur der Rohluftreinigungsvorrichtung 6 vorliegt.
Es kann optional ferner ein Gebläse in
dem Kreislauf für
die Erhitzung des Stickstoffproduktes, also an der Leitung 15 oder 17,
vorgesehen werden.
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In
einem entsprechenden Regenerierungsbetriebsmodus durchfließt das Spülgas, also
der erhitzte Stickstoff, die Molekularsiebe in der Reinigungsvorrichtung 6,
tritt anschließend
an der Leitung 18 aus und kann an die Atmosphäre 19 abgeblasen werden.
Bei der in 1 dargestellten Luftzerlegungsanlage 1 werden
keine zusätzlichen
elektrischen Heizer benötigt,
die das Spülgas,
z. B. Stickstoffprodukt, auf die für die Regenerierung der Molekularsiebe
notwendige Regenerierungstemperatur bringen. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass aufgrund
der Sonneneinstrahlung und Auslegung des solarthermischen Erhitzers 16 Temperaturen
von 700 bis 1100°C
für den
Stickstoff erzielt werden. Es ist daher auch möglich, den erhitzten Stickstoff
als Wärmemedium
zu verwenden und für
weitere Energieerzeugung einzusetzen.
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In
der 2 ist eine zweite Variante einer Luftzerlegungsanlage
mit solarthermischer Spülgaserhitzung
schematisch dargestellt. 2 ist insbesondere eine Kombination
aus zwei Molekularsiebadsorbern 6A, 6B als Rohluftreinigungsanlage
und Verdunstungskühler
detaillierter angegeben. Die Luftzerlegungsanlage 101 umfasst
im Wesentlichen Stufen zur Vorverdichtung der Luft über einen
Kompressor 4, Kühlung,
Reinigung und Trocknung der Luft mittels Kühler 22, 24 und
Molekularsiebadsorbern 6A, 6B, einen Hauptwärmetauscher 8 und
eine Coldbox 35 für
den eigentlichen Prozess der Luftzerlegung.
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Darüber hinaus
ist ein Stickstoffproduktkreislauf vorgesehen, in dem Stickstoffprodukt
solarthermisch erhitzt wird, um als Spülgas für die Regenerierung der Molekularsiebe 6A, 6B verwendet
zu werden.
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Die
Luftzerlegungsanlage 101 hat somit ein Ansaugrohr 3 für Umgebungsluft.
Diese wird in einem Filter 21 gefiltert und dem Luftverdichter
oder Kompressor 4 zugeführt.
Die kompri mierte Luft wird über eine
Leitung 5 einem Direktkontaktkühler 22 zugeführt, der
die vorgekühlte
Luft 9 an einer Leitung 29 zur Reinigung derselben
einer Molekularsiebanordnung 6A, 6B zuleitet.
Bei einem Verdunstungskühler 24 wird
zunächst
Wasser über
eine Wasserleitung 23 eingeleitet, was üblicherweise in einem Stickstoffgegenstrom
abgekühlt
wird. Am Fuß des
ersten sogenannten Rieselverdunstungskühlers 24 wird das Wasser
an einer Leitung 25 abgegriffen und über eine Pumpe 26 und
einer Leitung 27 zu dem Direktkontaktkühler 22 geführt. Dort
wird die komprimierte Luft mit dem gekühlten Wasser in direktem Kontakt auf
niedrigere Temperaturen gebracht. Das Wasser wird am Fuß des Direktkontaktkühlers 22 an
einer Leitung 28 abgeleitet.
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Die
Luftleitung 29 ist über
jeweils ein Regelventil 30, 31 an ein jeweiliges
Molekularsieb 6A, 6B geführt. Ausgangsseitig des jeweiligen
Molekularsiebes 6A, 6B ist ferner ein weiteres
Regelventil 69, 70 vorgesehen, mittels derer über die
Leitung 7 die gereinigte Luft als Prozessluft dem Wärmetauscher 8 zugeführt werden
kann. Wie bereits hinsichtlich der 1 erläutert wurde,
liefert die Coldbox 35 gasförmiges Stickstoffprodukt an
einer Leitung 14, die im Gegenstrom mit der verdichteten
Prozessluft durch den Wärmetauscher 8 geleitet
wird. Die durch den Wärmetauscher 8 geleitete
Prozessluft wird über
die Leitung 9 der Coldbox 35 zugeführt. Es
ist hier vorgesehen, das Stickstoffprodukt an der Leitung 15 abzuzweigen
und einem solarthermischen Erhitzer 16 zuzuleiten. Das
dann als Spülgas
vorliegende erhitzte Stickstoffprodukt wird über die Leitung 17 aus
dem Wärmetauscher
oder der solarthermischen Erhitzungseinrichtung 16 abgeleitet.
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Bei
der Luftzerlegungsanlage 101 wird in einem Normalbetrieb
die angesaugte Rohluft über
die Leitung 29 und eines der beiden Regelventile 30, 31 durch
einen der beiden Molekularsiebadsorber 6A, 6B geführt und
damit gereinigt. Beispielsweise sind die Regelventile 30 und 69 geöffnet, sodass
die zu verflüssigende
Luft über
die Leitung 29 und 7 durch den ersten Molekularsiebadsorber 6A geführt und gereinigt
wird. Gleichzeitig kann der zweite Molekularsiebadsorber 6B regeneriert
werden. Somit sind in diesem Regenerierungsbetriebsmodus die Regelventile 31 und 70 für die Luft
an der Leitung 29 bzw. 7 geschlossen. Ferner ist
das Regelventil 33 geschlossen, also undurchlässig für den erhitzten
Stickstoff als Spülgas,
und das Regelventil 32 ist geöffnet, sodass das oberhalb
einer Regenerierungstemperatur vorliegende Spülgas durch das zweite Molekularsieb 6B geführt wird
und einen Regenerierungsprozess einleitet. Das Spülgas wird
dabei in einer Strömungsrichtung
durch den jeweiligen Molekularsiebadsorber 6B entgegengesetzt
der im Normalbetrieb vorliegenden Strömungsrichtung der für den Luftzerlegungsprozess
vorgesehenen Luft geleitet. Das dann mit den Beladungen des Molekularsiebs 6B beaufschlagte
Spülgas
wird über
eine Leitung 18 der Atmosphäre 19 abgeführt.
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Nachdem
der Regenerationsprozess für
das zweite Molekularsieb 6B abgeschlossen ist, können die
Ventile 30, 32 und 69 geschlossen werden,
also fluidundurchlässig
geregelt werden, und die Regelventile 33, 31 und 70 geöffnet werden,
also fluiddurchlässig
gemacht werden. In diesem folgenden Betriebsmodus durchläuft die
zu reinigende Luft durch die Leitung 29 und 7 das
zweite dann regenerierte Molekularsieb 6B, während das
erste Molekularsieb 6A durch Spülgas über die Leitung 17 das
Regelventil 33 und die Leitung 18 an die Atmosphäre 19 regeneriert
wird. So ist ein kontinuierlicher Betrieb der Luftzerlegungsanlage 101 gewährleistet.
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Zudem
wird durch die solarthermische Erhitzung des Stickstoffs keine zusätzliche
Energiequelle wie z. B. elektrischer Strom benötigt. Die Steuerung der angedeuteten
Regelventile 30–33, 69, 70 kann über eine
Leitstellenrecheneinrichtung 100 erzielt werden, die beispielsweise
geeignete Steuersignale CT an die Regelventile führt. In den folgenden Darstellungen
ist eine entsprechende Leitstelleneinrichtung 100 nicht
weiter dargestellt.
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In
der 3 sind Beispiele für solarthermische
Erhitzer schematisch dargestellt. 3A zeigt einen
Solarturm 60, an dessen Kopf ein Wärmeabsorber 37 vorgesehen
ist. Dem Wärmeabsorber
wird konzentrierte solare Strahlung 20 über Heliostaten 67 zugeleitet.
Die Heliostaten 67 weisen runde oder eckige Spiegelflächen auf,
die die Sonnenstrahlung 20 auf den auch als Receiver bezeichneten
Erhitzer 37 leiten. In den 3B und 3C sind
mögliche geometrische
Anordnungen aus Feldern von Heliostaten erläutert. Der solarthermische
Erhitzer ist beispielsweise in der 3B von
einem sogenannten Rundfeld 68 von Heliostaten 67 teilweise
umgeben. Die Heliostaten können
zusätzlich
mit einer zwei- oder mehrachsigen Motorik ausgestattet werden, sodass
immer eine konzentrierte Zuleitung der Sonneneinstrahlung auf den
Erhitzer oder Receiver 37 gewährleistet ist. In einer alternativen
Anordnung der Heliostaten 67 ist in der 3C ein
Rundfeld 68 dargestellt.
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Im
Receiver, der als volumetrischer Receiver 37 ausgeführt sein
kann, sind keramische Elemente von dem Stickstoff umströmt, wobei
die Keramikelemente, die durch Absorbtion der Sonneneinstrahlung erhitzt
werden, Wärme
an das Stickstoffmedium abgeben. Dabei werden Temperaturen von 700
bis 1100°C
erzielt. Die Keramikelemente sind zum Beispiel in einem Strömungskanal
hinter einem Quarzglas vorgesehen, welche von dem Stickstoff durchströmt wird,
und diesen von der Atmosphäre
trennt. Für
volumetrische Receiver zur solarthermischen Erhitzung eines Mediums,
wie insbesondere Stickstoff, sind weitere Ausführungsformen bekannt, auf die hier
nicht näher
eingegangen werden soll.
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Im
Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Prozessstickstoff aus
einem Luftzerlegungsprozess einer Luftzerlegungsanlage abgezweigt
wird und solarthermisch auf hohe Temperaturen um etwa 1000°C gebracht
wird.
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In
den folgenden 4 bis 10 sind
Verfahrensfließbilder
einer beispielhaften Luftzerlegungsanlage in verschiedenen Betriebsmodi
dargestellt. Die Luftzerlegungsanlage 102 ist jeweils im Ausschnitt
dargestellt und betrifft insbesondere den Spülgaskreislauf zur Regenerierung
von Molekularsiebadsorbern 6A, 6B.
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Die
Luftzerlegungsanlage 102 hat einen Hauptwärmetauscher 8,
dem an der Stickstoffleitung 15 ein Stickstoffprodukt entnommen
werden kann. Der Zerlegungsanlage 102 sind zwei Molekularsiebadsorber 6A, 6B,
beispielsweise volumetrische Receiver 16A, 16B, 16C als
solarthermische Erhitzer, eine Energiewandlereinrichtung 37 und
ein Wärmespeicher 36 zugeordnet.
Die jeweiligen Verrohrungen oder Verleitungen sind in den folgenden
Figuren nicht mit Bezugszeichen versehen worden. Der jeweilige Fluidfluss
kann durch Einstellung oder Regelung der Armaturen und insbesondere
der Regelventile 30–33, 38–50 bestimmt
werden. In den Figuren sind entsprechende Fluidpfade, welche durch
die Steuerung der Armaturen entstehen, gestrichelt dargestellt.
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Bei
dem in der 4 dargestellten Normalbetriebsmodus
der Luftzerlegungsanlage 102 sind die Regelventile 39, 40, 41, 42, 44, 48, 49 und 51 geöffnet, erlauben
also einen Fluiddurchfluss. Die übrigen
Regelventile 30, 43, 45, 46, 47, 50 sind
hingegen geschlossen. Somit wird das Stickstoffprodukt aus der Stickstoffleitung 15 dem
Erhitzer 16A, 16B, 16C zugeführt und
dort auf Temperaturen von oberhalb von 1000°C erhitzt. Der erhitzte Stickstoff
durchfließt einerseits
den Wärmespeicher 36,
der beispielsweise als Cowper-Wärmespeicher
ausgeführt
sein kann, und andererseits den Energiewandler 37. Der
Energiewandler 37 kann beispielsweise einen Wärmetauscher
umfassen, der Prozessdampf erzeugt. Dazu ist in der 4 eine
Pumpe 61 dargestellt, die Wasser in den Verdampfer und
den Prozessdampf dann in einen sekundären Dampfkreislauf ableitet.
Der entsprechende Dampf kann als Antriebsenergie für Produktverdampfer
oder Kompressoren in der Coldbox oder ande ren Anlageteilen der Luftzerlegungsanlage 102 verwendet
werden. Es ist auch möglich,
mithilfe einer Dampfturbine elektrische Energie zu erzeugen, die
für den
Betrieb von Anlageteilen verwendet wird.
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Die
Ventile und Wärmetauscher
der Wärmespeicher 36 und
des Energiewandlers 37 sind derart geregelt, dass am Ventil 48,
also zum Eintritt in die Molekularsiebe, der erhitzte Stickstoffstrom
eine Temperatur von etwa 200°C
aufweist. Die übrige
in dem Stickstoff vorliegende thermische Energie, welche durch das
Erhitzen im solarthermischen Erhitzer 16A, 16B, 16C erzeugt
wurde, wird in den Pufferbehälter
bzw. Wärmespeicher 36 und
den Wasserdampfsekundärkreislauf über den
Wärmetauscher 37 abgegeben.
Somit gelingt es, die Molsiebe 6A, 6B mit dem
etwa 200 bis 250°C
vorliegenden Stickstoff als Spülgas
zu regenerieren. Anschließend
erfolgt eine Ableitung über
das Ventil 49 und 51 in die Atmosphäre 19.
Der Normalbetriebsmodus, wie er in 4 angedeutet
ist, bietet sich an, wenn solare Strahlung zur thermischen Nutzung
zur Verfügung steht.
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Nach
Abschluss des Regenerierungsprozesses müssen die Molsiebe wieder auf
Normaltemperatur abgekühlt
werden. Der entsprechende Vorgang ist in 5 beispielhaft
dargestellt. Nach Abgriff des Stickstoffproduktes an der Leitung 15 aus
dem Hauptwärmetauscher 8 wird
der bei etwa 20 bis 25°C vorliegende
Stickstoff zunächst über das
Ventil 38 durch die Molekularsiebadsorber 6A, 6B zu
deren Kühlung
geführt.
Erst anschließend
wird der nunmehr bereits geringfügig
erwärmte
Stickstoff über
die Regelventile 49, 46 und 40 dem solarthermischen
Erhitzer 16A, 16B, 16C zugeführt. Anschließend wird, wie
in der 5 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist,
der auf etwa 1000°C
erhitzte Stickstoff dem Wärmespeicher 36 und
dem Energiewandler bzw. dem Wärmetauscher 37 zugeführt. Der
im Wesentlichen seine Wärmeenergie
abgegebene Stickstoff wird anschließend über das Ventil 47 in
die Atmosphäre 19 abgeblasen.
-
Nach
dem Regenerieren und Wiederabkühlen
der Molsiebabsorber 6A, 6B erfolgt erneut ein Druckaufbau
für den
Luftverflüssigungsprozess
mit der angesaugten Umgebungsluft. Beim Druckaufbau, im Parallelbetrieb
und beim Druckabbau wird üblicherweise
der Stickstoff aus der Coldbox an der Leitung 15 nicht
verwendet. Konventionell wird dieser direkt in die Atmosphäre abgeblasen.
Die Verrohrung und Einstellung des Wärmetauschers 36, des
solarthermischen Erhitzers 16A, 16B, 16C und
des Wärmetauschers 37 ermöglichen
allerdings die Verwendung des Stickstoffs zur Energieerzeugung.
-
In
der 6 ist ein Betriebsmodus dargestellt, in dem die
Molsiebe 6A, 6B nicht zur Regenerierung oder zum
Abkühlen
mit Stickstoff umspült werden
müssen.
Entsprechend sind die Regelventile 38, 48, 50, 49, 51, 46 und 45 geschlossen.
Das Stickstoffprodukt wird durch die Ventile 39 und 40 zu
dem solarthermischen Erhitzer 16A, 16B geführt und
anschließend
durch den Wärmetauscher 37 und
den Wärmespeicher 36 geleitet.
Schließlich
wird er über das
Ventil 47 in die Atmosphäre 19 abgeblasen.
-
Üblicherweise
wird der Regenerierungsbetriebsmodus, also ein Aufheizen des jeweiligen
Molekularsiebes zur Regenerierung etwa 80 Minuten dauern. Die Kühlphase,
in der der Stickstoff aus dem Wärmetauscher
zum Abkühlen
des aufgeheizten und regenerierten Molekularsiebes verwendet wird,
dauert bis zu 160 Minuten. In der Übergangsphase zum Druckabbau
und -aufbau beim Wechsel der jeweiligen Molekularsiebadsorber entsteht
ein Zeitraum von 30 bis 40 Minuten, in denen Stickstoff wie in der 6 dargestellt
ist, als Wärmemedium
verwendet wird.
-
Da
nicht immer ausreichende solare Strahlung zum Erhitzen des Stickstoffs
zum Spülgas
vorliegt, kann in einem Pufferbetriebsmodus die benötigte Wärmeenergie
zum Erhitzen des Stickstoffs auf eine Temperatur oberhalb der Regenerierungstemperatur
des Molekularsiebadsorbers durch den Wärmespeicher 36 erfolgen.
In der 7 ist der entsprechende Betriebsmodus im Pufferbetrieb
dargestellt. Dies kann z. B. während
des Nachtbetriebs oder bei starker Bewölkung notwendig sein.
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Das
Stickstoffprodukt wird einer Leitung 15 aus dem Wärmetauscher 8 abgeführt und über ein Regelventil 39, 45 im
Wärmespeicher 36 zugeführt. Dort
erhitzt sich der Stickstoff auf hohe Temperaturen, wie beispielsweise > 900°C. Im weiteren
Kreislauf durchströmt
der aufgeheizte Stickstoff das Regelventil 43, den Wärmetauscher 37 und
liefert beispielsweise Prozessdampf, der für weitere Energieversorgung
oder -Erzeugung verwendet werden kann. Dabei werden die Ventile
so eingestellt, dass nur überschüssige Wärme dem
Stickstoff entzogen wird, sodass dieser noch beim Eintritt in die
Molekularsiebe 6A, 6B die notwendige Regenerierungstemperatur
aufweist. Erst nach Durchströmen
der Molekularsiebe 6A, 6B erfolgt eine Abblasung
des mit der Beladung der Molekularsiebe beaufschlagten Stickstoffs über das
Ventil 50 in die Atmosphäre 19. Im Vergleich
zum Tagesbetrieb, wie er in der 4 erläutert wurde,
strömt
die abgegriffene Stickstoffmenge zunächst vollständig durch den Wärmespeicher und
den Verdampfer bzw. Wärmetauscher 37.
-
Auch
im Pufferbetriebsmodus ist anschließend eine Kühlung der Molekularsiebe mit
dem Stickstoff notwendig. Dazu wird, wie in der 8 angedeutet
ist, Stickstoff vom Wärmetauscher
an der Leitung 15 abgegriffen und über das Ventil 38 direkt
den Molekularsiebadsorbern 6A, 6B zugeführt. Anschließend wird
das leicht erwärmte
Stickstoffprodukt über die
Ventile 49, 46, 45 zunächst durch
den Wärmespeicher 36 geleitet,
der den Stickstoff auf etwa > 900°C erhitzt,
sodass dieser über
das Ventil 43 zum Verdampfer bzw. Energiewandler 47 geführt werden kann
und dort seine weitere Wärmeenergie
abgibt. Anschließend
wird der als Wärmemedium
verwendete Stickstoff über
das Ventil 47 in die Atmosphäre 19 abgeleitet.
-
In
dem Übergangsbetrieb
zwischen Abkühlung
und erneuter Rege nerierung eines der Molekularsiebe 6A, 6B,
wie es in 9 dargestellt ist, wird der
Stickstoff nicht durch den solarthermischen Erhitzer 16A, 16B, 16C geführt, sondern über die
Ventile 39, 45 dem Wärmespeicher 36 und
anschließend durch
den Verdampfer 37 geführt.
Wie bei dem hinsichtlich der 7 bis 9 erläuterten
Pufferbetrieb erfolgt das Aufheizen des Stickstoffs lediglich durch den
Wärmespeicher 36.
Somit wird der vorhandene Stickstoff in der Anlage nicht ungenutzt
in die Atmosphäre 19 abgeblasen,
wie dies üblicherweise
der Fall ist.
-
In
der 10 ist eine dritte Variante der Luftzerlegungsanlage
mit solarthermischer Spülgaserhitzung
gezeigt. Bei der Luftzerlegungsanlage 103 der 10 ist
ein weiterer Stickstoffkreislauf vorgesehen, der gestrichpunktet
dargestellt ist. Es sind im Wesentlichen dieselben Elemente wie
hinsichtlich der 4 bis 9 erläutert wurde,
vorhanden, auf die nicht weiter eingegangen werden soll. Zusätzlich wird
das Stickstoffprodukt solarthermisch erhitzt, welches beispielsweise
wie in der 2 dargestellt wurde, einem Verdunstungskühler (EVC
= Evaporation Cooler) zugeführt
wird. Durch die Verwendung auch dieses sonst ungenutzten Stickstoffs,
der konventionellerweise nach dem Durchlauf des entsprechenden Verdunstungskühlers in
die Atmosphäre
gelangt, kann die thermische Leistung der Anlage erhöht werden.
-
Es
ist daher ein separater Solarerhitzer 16C vorgesehen, durch
den Stickstoffgas geleitet wird, welches zuvor einen der Luftzerlegungsanlage
zugehörigen
Evaporation Cooler durchlaufen hat. Anschließend wird, wie in der 10 gezeigt,
der erhitzte und wegen des Durchlaufs durch den Evaporation Cooler
unreine Stickstoff dem Wärmespeicher 30 und
dem Verdampfer bzw. Wärmetauscher 37 zugeführt. Anschließend erfolgt
eine Abblasung in die Atmosphäre 19.
Dieser zusätzliche
Wärmekreislauf
erhöht
die maximal mögliche
thermische Energie, welche solarthermisch erzeugt werden kann.
-
Üblicherweise
beträgt
die Menge an ungenutztem Stickstoff in bezug auf die dem Hauptkompressor 4 (siehe 2)
zugeführte
Luftmenge 35 bis 40 Die zur Generierung der Molekularsiebe 6A, 6B abgezweigte
Reinstickstoffmenge beträgt üblicherweise
20% an der durch den Hauptkompressor 4 beförderten
Luftmenge. Die Berücksichtigung
auch des unreinen Stickstoffs der zum Betrieb des Verdunstungskühlers 20 (2)
verwendet wird bei der solarthermischen Energiegewinnung und erhöht somit
die maximale Energierückgewinnung
erheblich. Durch entsprechende Regelung oder Steuerung der in der 10 dargestellten
Armaturen bzw. Regelventile 30–33, 38–60 können unter
Hinzunahme des Kreislaufs mit unreinem Stickstoff ähnliche
analoge Betriebsmodi, wie hinsichtlich der 4 bis 9 erläutert wurde,
durchgeführt
werden.
-
In
der 11 ist eine weitere Variante einer Luftzerlegungsanlage
dargestellt, die eine erhöhte zurückgewonnene
Energie durch einen Stickstoffkreislauf hat. In der Ausführung für eine Luftzerlegungsanlage 104 der 11 wird
Stickstoff, der durch den solarthermischen Erhitzer 16A, 16B, 16C erhitzt
wurde und den Wärmespeicher
sowie den Verdampfer 37 durchlaufen hat, erneut dem solaren Erhitzer 16A, 16B, 16C zurückgeführt. Unabhängig von
der durch den Hauptwärmetauscher 8 geführten Stickstoffmenge
kann daher ein relativ großes
Stickstoffvolumen permanent im Kreis gefahren werden. Dazu wird
der erhitzte Stickstoff nach dem Durchlauf der Energiewandlungseinrichtung 37 und/oder
des Wärmespeichers 36 über die
gestrichpunktete Leitung mittels der Turbine oder dem Gebläse 62 erneut über das
Regelventil 40 den solarthermischen Erhitzern 16A, 16B, 16C zugeführt. Der
Verdichter 62 kann z. B. über eine mit Wasserdampf getriebene Turbine 63 betrieben
werden, die in dem Prozessdampfkreislauf aus dem Wärmetauscher
bzw. dem Energiewandler 37, dem Wärmetauscher 65 und dem
Gebläse 64 vorgesehen
ist.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert wurde,
kann sie vielfältig
modifi ziert werden. Es ist z. B. möglich, abweichend von den dargestellten
Prozessdampfkreisläufen
zur Energieumwandlung direkt Stickstoff bei einem erhöhten Druckniveau
zu verwenden. Dann ist beispielsweise der Einsatz einer Gasturbine
anstelle eines Dampfkreislaufs möglich. Dadurch
kann ein Verdampfer 37 für den beispielhaft erläuterten
Wasserdampfprozess eingespart werden.
-
Die
beschriebene Erfindung betrifft grundsätzlich die Verwendung von solarthermisch
gewonnenen Wärmemedien
zum Behandeln von weiteren Medien. In dieser Beschreibung sind nur
beispielhaft Gastrocknungsanlagen, Luftzerlegungsanlagen, Stahlwerke
oder andere chemietechnische Anlagen genannt. Auch lebensmitteltechnische
Anlagen können
mit der vorgeschlagenen solarthermisch gewonnenen Wärme betrieben
werden. Als Wärmemedium sind
Fluide, wie Gase oder Flüssigkeiten
denkbar. Es seien neben Stickstoff auch Butan oder Methan genannt.
Vorzugsweise werden jedoch trockene oder inerte Gase als Wärmemedium
verwendet (z. B. Luft oder Edelgase).
-
Es
ist auch möglich,
bei der Projektierung der Luftzerlegungsanlage und insbesondere
der Coldbox den Prozessdruck in einer Niederdruckkolonne anzupassen,
um Druckverluste durch die zusätzlichen
Armaturen zum Abgriff des Stickstoffs aus dem Hauptwärmetauscher
zu kompensieren. Ferner können
zusätzliche
Gebläse
zum Aufrechterhalten eines entsprechenden Drucks und einer Fließgeschwindigkeit für die vorliegenden
Fluide ergänzt
werden. Es ist ferner möglich,
Stickstoff aus der Druckkolonne auf einen benötigten Druck zu entspannen,
wie beispielsweise 2 bis 300 mBar, und dann dem solarthermischen
Kreislauf zuzuführen.
-
Typische
Temperaturen für
Stickstoffprodukte aus der Coldbox bzw. dem Hauptwärmetauscher liegen
bei etwa 20°C.
Um einen Adsorber in dem Molsieb zu Heizen bzw. zu Regenerieren,
sollte das Stickstoffprodukt als Spülgas eine Temperatur von etwa
200 bis 300°C
aufweisen. Nach dem Spülen und
Regenerieren wird, wie bereits beschrieben, der Stickstoff auch
zum Kühlen
des Molsiebs auf niedrigere Temperaturen verwendet. Dabei bestehen
Temperaturen von typischerweise 30 bis 100°C.
-
In
Puffersystemen nach dem Cowperprinzip werden sogenannte Winderhitzer
verwendet, die Keramiken wie Magnesiaziegel aufweisen, welche Speichertemperaturen
von 1200°C
erzielen.
-
Die
beschriebene Erfindung umfasst insbesondere die im Folgenden mit
römischen
Nummern aufgelisteten Aspekte einer Luftzerlegungsanlage und eines
Verfahrens zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage:
- I. Luftzerlegungsanlage 1, welche zumindest ein Stickstoffprodukt
liefert, mit einer regenerierbaren Rohluftreinigungsvorrichtung 6,
einem solarthermischen Erhitzer 16 zum Erhitzen des Stickstoffprodukts
auf mindestens eine Regenerierungstemperatur der Rohluftreinigungsvorrichtung 6 und
einer Verrohrung 17, 18 zum Zuführen des
erhitzten Stickstoffprodukts als Spülgas an die Rohluftreinigungsvorrichtung 6.
- II. Luftzerlegungsanlage 1 nach Aspekt I, wobei eine
Wärmespeichereinrichtung 36 zum
Speichern für
die thermische Energie des erhitzten Stickstoffprodukts vorgesehen
ist.
- III. Luftzerlegungsanlage 1 nach Aspekt I oder II, wobei
eine Energieumsetzungseinrichtung 37 der thermischen Energie
des erhitzten Stickstoffprodukts vorgesehen ist.
- IV. Luftzerlegungsanlage 1 nach Aspekt III, wobei mindestens
eine Pumpe, ein Kompressor und/oder ein Gebläse der Luftzerlegungsanlage zumindest
vorübergehend
mit Energie betrieben ist, welche durch die Energieumsetzungseinrichtung 37 aus
der thermischen Energie des erhitzten Stickstoffprodukts umgewandelt
ist.
- V. Luftzerlegungsanlage 1 nach einem der Aspekte II–IV, wo bei
eine Regelungseinrichtung 100 vorgesehen ist, welche Armaturen 30–33, 38–60, 69, 70 der
Verrohrung derart steuert, dass dem erhitzten Stickstoffprodukt
durch die Wärmespeichereinrichtung 36 und/oder
die Energieumsetzungseinrichtung 37 thermische Energie
derart entzogen wird, dass eine thermische Restenergie des Stickstoffproduktes
einer Temperatur entspricht, welche oberhalb der Regenerierungstemperatur ist.
- VI. Luftzerlegungsanlage 1 nach einem der Aspekte I–V, wobei
die Rohluftreinigungsvorrichtung 6 ein Adsorptionsmittel
aufweist, welches durch eine Spülung
mit dem Spülgas,
welches zumindest die Regenerierungstemperatur aufweist, regenerierbar
ist.
- VII. Luftzerlegungsanlage 1 nach Aspekt VI, wobei die
Rohluftreinigungsvorrichtung mehrere, alternierend betreibbare Molekularsiebadsorber 6A, 6B aufweist.
- VIII. Luftzerlegungsanlage 1 nach einem der Aspekte
I–VII,
wobei die Luftzerlegungsanlage 1 eine Coldbox mit einem
Wärmetauscher 8 aufweist,
welcher durch die Rohluftreinigungsvorrichtung 6 gereinigte
Rohluft als Prozessluft im Gegenstrom mit dem Stickstoffprodukt
aus einem Luftzerlegungsprozess 2 kühlt.
- IX. Luftzerlegungsanlage 1 nach einem der Aspekte I–VIII, wobei
der solarthermischen Erhitzer 16 einen Heliostaten 67 umfasst.
- X. Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage 1,
welche zumindest ein Stickstoffprodukt liefert und welche eine regenerierbare
Rohluftreinigungsvorrichtung 6 aufweist, umfassend:
solarthermisches
Erhitzen des Stickstoffprodukts auf mindestens eine Regenerierungstemperatur der
Rohluftreinigungsvorrichtung 6; und
Zuführen des
erhitzten Stickstoffprodukts als Spülgas an die Rohluftreinigungsvorrichtung 6 zum
Regenerieren derselben.
- XI. Verfahren nach Aspekt X, umfassend:
Erzeugen von Prozessdampf
mit dem erhitzten Stickstoff zum Antreiben mindestens einer Pumpe,
eines Kompressors und/oder eines Gebläses der Luftzerlegungsanlage 1 oder
einer Turbine zur Stromerzeugung.
- XII. Verfahren nach Aspekt X oder XI, umfassend:
Speichern
von thermischer Energie des erhitzten Stickstoffprodukts in einem
Wärmespeicher 36.
- XIII. Verfahren nach Aspekt XII, ferner umfassend:
Erhitzen
von Stickstoffprodukt mit dem Wärmespeicher 36;
und
Zuführen
des erhitzten Stickstoffprodukts als Spülgas an die Rohluftreinigungsvorrichtung 6 zum
Regenerieren derselben.
- XIV. Verfahren nach einem der Aspekte X–XIII, wobei durch das Erzeugen
von Prozessdampf und/oder Speichern der thermischen Energie dem erhitzten
Stickstoffprodukt derart thermische Energie entzogen wird, dass
eine thermische Restenergie des Stickstoffproduktes einer Temperatur entspricht,
welche oberhalb der Regenerierungstemperatur ist.
- XV. Verfahren nach einem der Aspekte X–XIV, ferner umfassend:
Umleiten
des Stickstoffprodukts aus einem Wärmetauscher 8 der
Luftzerlegungsanlage 1 zu der Rohluftreinigungsvorrichtung 1 vor
dem solarthermischen Erhitzen zum Kühlen der Rohluftreinigungsvorrichtung 6.
- XVI. Verfahren nach einem der Aspekte X–XV, wobei mehrere Molekularsiebadsorber 6A, 6B als Rohluftreinigungsvorrichtung 6 verwendet
werden, welche abwechselnd in einem Filterbe triebsmodus zum Reinigen
von Umgebungsluft zu Prozessluft für einen Luftzerlegungsprozess 2 und
in einem Regenerierungsbetriebsmodus mit dem Spülgas regeneriert werden.
- XVII. Verfahren nach einem der Aspekte X–XVI, wobei ferner Stickstoffprodukt,
welches einer Verdunstungskühleinrichtung 22, 24 der
Luftzerlegungsanlage 1 zugeführt und entnommen wird, solarthermisch
erhitzt wird.
-
- 1
- Luftzerlegungsanlage
- 2
- Coldbox
- 3
- Luftleitung
- 4
- Kompressor
- 5
- Luftleitung
- 6
- Rohluftreinigungsvorrichtung
- 6A,
6B
- Molekularsiebadsorber
- 7
- Prozessluftleitung
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Prozessluftleitung
- 10
- Expansionsventil
- 11
- Rektfikationssäule
- 12
- Leitung
- 13
- Flüssigsauerstoffleitung
- 14,
15
- Stickstoffleitung
- 16
- Solarerhitzer
- 17
- Spülgasleitung
- 18
- Stickstoffableitung
- 19
- Atmosphärenübergang
- 20
- Sonneneinstrahlung
- 21
- Filter
- 22
- Verdunstungskühler
- 23
- Wasserleitung
- 24
- Verdunstungskühler
- 25
- Wasserleitung
- 26
- Pumpe
- 27
- Wasserleitung
- 28
- Ableitung
- 29
- Luftleitung
- 30–33
- Regelventil
- 34
- Stickstoffleitung
- 35
- Luftzerlegungsprozess
- 36
- Wärmespeicher
- 37
- Energieumsetzer
- 38–60
- Regelventil
- 61
- Kompressor
- 62
- Gebläse
- 63
- Turbinengenerator
- 64
- Verdichter
- 65
- Turbine
- 66
- Solarturm
- 67
- Heliostat
- 68
- Heliostatenfeld
- 69,
70
- Regelventil
- 100
- Leitstellenrechner
- 101–104
- Luftzerlegungsanlage
- CT
- Steuersignale
- GAN
- gasförmiges Stickstoffprodukt
- LOX
- flüssiges Sauerstoffprodukt