DE102011015429A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Rebox-Brenners - Google Patents

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zum Betreiben eines Rebox-Brenners (210), der mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch (122) und einem Brennstoff (213) beaufschlagt wird. In einer Luftzerlegungsanlage (100) vor Ort wird mindestens ein Sauerstoffprodukt (120) hergestellt. Das Sauerstoffprodukt (120) wird zur Herstellung des sauerstoffhaltigen Gasgemischs (122) eingesetzt. Dabei wird eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage (100) eingesetzt, die ein Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und eine Mischsäule aufweist. Das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weist eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule auf. Ein erster Einsatzluftstrom wird in die Hochdrucksäule eingeleitet. Ein flüssiger Sauerstoffstrom aus der Niederdrucksäule wird in den oberen Bereich der Mischsäule eingeleitet. Ein zweiter Einsatzluftstrom wird gasförmig in den unteren Bereich der Mischsäule eingeleitet. Ein gasförmiger Sauerstoffstrom wird aus dem oberen Bereich der Mischsäule entnommen und mindestens zum Teil als Sauerstoffprodukt (120) herausgeführt und zur Herstellung des zweiten Gasgemischs (122) eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Rebox-Brenners gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Rebox-Brenners werden in der Stahlherstellung eingesetzt und regelmäßig mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff betrieben, beispielsweise mit Erdgas. Unter ”Rebox-Brenner” wird hier ein Brenner verstanden, bei dem ein Sauerstoffprodukt mit beliebigen flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen so gemischt wird, dass sich Sauerstoff und Brennstoff möglichst uneingeschränkt miteinander verbinden können. Derartige Brenner sind in dem Artikel "Sauerstoff statt heißer Luft – Oxyfuel-Verfahren senkt Energiebedarf bei der Stahlbearbeitung", von Schéele/Versterberg, Energy 01/2005, S. 18–19, GIT VERLAG GmbH & Co. KG, Darmstadt, Deutschland beschrieben.
  • Es ist bekannt, Rebox-Brenner mit einem sauerstoffhaltigen Gas zu betreiben, das einen höheren Sauerstoffgehalt als atmosphärische Luft aufweist, insbesondere mit Sauerstoff einer Reinheit von mehr als 90%, vorzugsweise mehr als 95%, höchst vorzugsweise mehr als 99%. Üblicherweise wird dazu Sauerstoff in flüssiger Form per Tankwagen angeliefert, in einem Flüssigtank gespeichert und vor der Verwendung zu Erzeugung des sauerstoffhaltigen Gases in einem luft- oder wasserbeheizten Verdampfer verdampft.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren dieser Art und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, welche die Umwelt in besonders geringem Maße belasten, insbesondere durch relativ niedrigen Energieverbrauch.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Bisher wurde nicht erwogen, für Rebox-Brenner eine Luftzerlegungsanlage vor Ort aufzustellen und den Sauerstoff in Gasform vom der Luftzerlegungsanlage zum Rebox-Brenner zu transportieren. Die entsprechenden Investitionskosten erschienen bei Weitem zu hoch, um den verringerten Energieverbrauch durch Wegfall von Sauerstoffverflüssigung und -Transport zu rechtfertigen.
  • Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass eine Luftzerlegungsanlage mit Mischsäule, wie sie im Patentanspruch 1 beschrieben ist, mit den Erfordernissen eines Rebox-Brenners so gut übereinstimmt, dass der Sauerstoff energetisch so günstige erzeugt werden kann, dass der Aufbau und der Betrieb einer derartigen Luftzerlegungsanlage vor Ort wirtschaftlich günstiger als die Versorgung mit flüssigem Sauerstoff ist. ”Vor Ort” bedeutet hier, dass die Entfernung zwischen Brennern und Flachglaswanne auf der einen Seite und Luftzerlegungsanlage auf der anderen Seite nicht mehr als zwei Kilometer beträgt und dass das Sauerstoffprodukt der Luftzerlegungsanlage ausschließlich über eine oder mehrere Rohrleitungen zu der Flachglaswanne und dem Rebox-Brenner transportiert wird.
  • Hierdurch kann der Energiebedarf des Verfahrens verringert und damit insbesondere die CO2-Erzeugung verringert werden.
  • Mischsäulen-Verfahren und -Vorrichtungen sind in EP 697576 A1 und EP 698772 A1 , DE 19951521 A1 , EP 1139046 A1 , EP 1284404 A1 , DE 10209421 A1 , DE 10217093 A1 , EP 1376037 A1 , EP 1387136 A1 und EP 1666824 A1 beschrieben.
  • Unter ”Sauerstoffprodukt” wird hier ein Produktstrom der Luftzerlegungsanlage verstanden, der Sauerstoff in höherer Konzentration als die Luft enthält. Das Sauerstoffprodukt einer Luftzerlegungsanlage enthält insbesondere mindestens 50% Sauerstoff, beispielsweise 90 bis 99,8% Sauerstoff. Je nach Reinheit des Sauerstoffprodukts und nach genauer Betriebsweise der Brenner kann das Sauerstoffprodukt direkt als sauerstoffhaltiges Gas eingesetzt werden; alternativ wird es zur Bildung des sauerstoffhaltigen Gases mit Luft oder einem anderen geeigneten Gas verdünnt.
  • Besonders geeignet ist ein Prozess mit arbeitsleistender Entspannung der Mischsäulenluft, wie er für sich beispielsweise in EP 697576 A1 und EP 698772 A1 beschrieben ist. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass sich beim Betrieb von Rebox-Brennern gerade mit einem derartigen speziellen Prozess überraschend viel Energie einsparen lässt, auch im Vergleich zu anderen Mischsäulenverfahren und mit Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen ohne Mischsäule.
  • Der Produktdruck des Sauerstoffprodukts liegt hier höher als der Betriebsdruck der Niederdrucksäule, aber niedriger als der Betriebsdruck der Hochdrucksäule.
  • Hierbei ist es besonders günstig, wenn der Betriebsdruck der Mischsäule zwischen 2,0 und 4 bar liegt, insbesondere zwischen 2,3 und 3,0 bar. Dieser Druck reicht im Allgemeinen für die Versorgung des oder der Rebox-Brenner aus, sodass keine weiteren Maschinen notwendig sind und insbesondere keine Energie für die Verdichtung des Sauerstoffprodukts aufgewendet werden muss.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 ein Schema des Gesamtverfahrens und
  • 2 die konkrete Ausgestaltung des Luftzerlegungsverfahrens.
  • Das Gesamtsystem der 1 weist eine Luftzerlegungsanlage 100 und eine Rebox-Einheit 200 auf.
  • Die Luftzerlegungsanlage 100 ist als Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage ausgebildet. Sie erzeugt aus Einsatzluft 101 ein Stickstoffprodukt 27 und ein Sauerstoffprodukt 120. Letzteres wird mindestens teilweise sauerstoffhaltiges Gas 122 in die Rebox-Einheit 200 eingeführt, vorzugsweise ohne Verdünnung oder alternativ nach Vermischung mit einem Verdünnungsgas 121 wie etwa Luft.
  • Die Rebox-Einheit 200 weist einen Rebox-Brenner 210 auf. In dem Brenner wird In dem Brenner 210 wird ein Brennstoff 213 verbrannt, in dem Beispiel Erdgas; das sauerstoffangereicherte Gas 122 liefert den Sauerstoff für die Oxidation.
  • In der in 2 im Detail dargestellten Luftzerlegungsanlage wird Einsatzluft (101 in 1) in einem oder mehreren Luftverdichtern verdichtet und anschließend gereinigt, insbesondere von Wasser und Kohlendioxid. (Luftverdichtung und Luftreinigung sind in 2 nicht dargestellt.) Die gereinigte Einsatzluft 1 steht unter einem Druck von 5,6 bar und wird in einen ersten Einsatzluftstrom (Direktluft) 2 und einen zweiten Einsatzluftstrom (Turbinenluft) 3 aufgeteilt, die beide einem Hauptwärmetauscher 4 am warmen Ende zugeleitet werden. Der erste Einsatzluftstrom 2 wird bis auf etwa Taupunkt abgekühlt, am kalten Ende dem Hauptwärmetauscher 4 entnommen und über Leitung 5 ohne weitere druckverändernde Maßnahmen der Hochdrucksäule 6 eines Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung zugeführt, das außerdem eine Niederdrucksäule 7 und einen Hauptkondensator 8 aufweist. Die Betriebsdrücke der Säulen (jeweils am Kopf) betragen in dem Ausführungsbeispiel 5,3 bar in der Hochdrucksäule und 1,4 bar in der Niederdrucksäule.
  • Der zweite Einsatzluftstrom 3 wird in dem Hauptwärmetauscher 4 nur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt, unter dieser Zwischentemperatur über Leitung 9 einer Expansionsturbine 10 zugeführt und dort auf einen Druck von 3,0 bar arbeitsleistend entspannt. Der entspannte zweite Einsatzluftstrom 11 wird einer Mischsäule 12 unmittelbar oberhalb deren Sumpfs zugeleitet. Der Betriebsdruck am Kopf der Mischsäule 12 beträgt 2,9 bar.
  • Der gasförmige Kopfstickstoff 13 der Hochdrucksäule 6 wird zu einem ersten Teil 14 in den Hauptkondensator 8 eingeleitet und dort mindestens teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig kondensiert. Im Hauptkondensator 8 erzeugter flüssiger Stickstoff 15 wird zu einem ersten Teil 16 als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 6 aufgegeben. Der Rest 17 wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 18 abgekühlt und über Leitung 19 als Rücklauf auf den Kopf der Niederdrucksäule 7 aufgegeben. Die Sumpfflüssigkeit 20 der Hochdrucksäule 6 wird ebenfalls im Unterkühlungs-Gegenströmer 18 abgekühlt und in die Niederdrucksäule 7 eingeleitet, und zwar an einer Zwischenstelle.
  • Am Kopf der Niederdrucksäule 7 wird reiner Stickstoff 23, etwas darunter Unreinstickstoff 24 abgezogen. Beide Ströme werden im Unterkühlungs-Gegenströmer 17 und im Hauptwärmetauscher 4 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und als warme Ströme 23 beziehungsweise 25 abgezogen. Ein Teil, insbesondere des warmen Unreinstickstoffs 25, kann innerhalb der Luftzerlegungsanlage weiterverwendet werden, zum Beispiel als Regeneriergas für die Luftreinigung und/oder als trockenes Gas für den Betrieb eines Verdunstungskühlers, der kaltes Wasser für die Vorkühlung der Luft liefert (beides nicht dargestellt).
  • Ein zweiter Teil des gasförmigen Kopfstickstoffs 13 der Hochdrucksäule 6 wird als gasförmiger Druckstickstoffstrom 26 im Hauptwärmetauscher 4 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über Leitung 27 aus der Luftzerlegungsanlage herausgeführt.
  • Sumpfflüssigkeit 30 der Niederdrucksäule 7 wird in einer Sauerstoffpumpe 31 flüssig auf einen Druck gebracht, der etwa über Mischsäulendruck liegt. Mindestens ein Teil der gepumpten Flüssigkeit wird als ”flüssiger Sauerstoffstrom” über die Leitungen 32, 33 und 34 mit Anwärmung im Unterkühlungs-Gegenströmer 18 und im kalten Teil des Hauptwärmetauschers 4 auf den Kopf der Mischsäule 12 aufgegeben. Im direkten Gegenstrom zum zweiten Einsatzluftstrom 11 wird er in der Mischsäule 12 verdampft. Die Sumpfflüssigkeit 35, 36 der Mischsäule 12 wird nach Abkühlung im Unterkühlungs-Gegenströmer 18 in die Niederdrucksäule 7 eingeleitet. Am Kopf der Mischsäule 12 wird ein gasförmiger Sauerstoffstrom 37 entnommen, im Hauptwärmetauscher 4 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und als Sauerstoffprodukt 120 (GOX) herausgeführt und schließlich zur Herstellung des sauerstoffhaltigen Gases (122 in 1) eingesetzt, entweder indem er unmittelbar als sauerstoffhaltiges Gas verwendet wird oder indem er mit einem anderen Strom 121 vermischt wird.
  • Ein anderer Teil 38 der Sumpfflüssigkeit 30 der Niederdrucksäule 7 wird kontinuierlich oder intermittierend als Spülflüssigkeit (LOX-Purge) entfernt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 697576 A1 [0008, 0010]
    • EP 698772 A1 [0008, 0010]
    • DE 19951521 A1 [0008]
    • EP 1139046 A1 [0008]
    • EP 1284404 A1 [0008]
    • DE 10209421 A1 [0008]
    • DE 10217093 A1 [0008]
    • EP 1376037 A1 [0008]
    • EP 1387136 A1 [0008]
    • EP 1666824 A1 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ”Sauerstoff statt heißer Luft – Oxyfuel-Verfahren senkt Energiebedarf bei der Stahlbearbeitung”, von Schéele/Versterberg, Energy 01/2005, S. 18–19 [0001]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Rebox-Brenners (210), der mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch (122) und einem Brennstoff (213) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Luftzerlegungsanlage (100) vor Ort mindestens ein Sauerstoffprodukt (120) hergestellt wird und das Sauerstoffprodukt (120) zur Bildung des sauerstoffhaltigen Gasgemischs (122) eingesetzt wird, wobei – eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage (100) eingesetzt wird, die ein Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und eine Mischsäule (12) aufweist, – das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine Hochdrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) aufweist, – ein erster Einsatzluftstrom (2, 5) in die Hochdrucksäule (6) eingeleitet wird, – ein flüssiger Sauerstoffstrom (30, 32, 33, 34) aus der Niederdrucksäule (7) in den oberen Bereich der Mischsäule (12) eingeleitet wird, – ein zweiter Einsatzluftstrom (3, 9, 11) gasförmig in den unteren Bereich der Mischsäule (12) eingeleitet wird und – ein gasförmiger Sauerstoffstrom (37) aus dem oberen Bereich der Mischsäule (12) entnommen und mindestens zum Teil als Sauerstoffprodukt (120) herausgeführt und zur Herstellung des zweiten Gasgemischs (122) eingesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einsatzluftstrom (3, 9) vor seiner Einleitung in die Mischsäule (12) arbeitsleistend entspannt (10) wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck der Mischsäule (12) zwischen 3 und 4 bar liegt, insbesondere zwischen 3,3 und 3,8 bar.
  4. Vorrichtung zum Betreiben eines Rebox-Brenners mit einem Rebox-Brenner (210), mit Mitteln zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gasgemischs (122) und eines Brennstoffs (213) zum Rebox-Brenner (210), gekennzeichnet, durch eine Luftzerlegungsanlage (100) vor Ort zur Herstellung mindestens eines Sauerstoffprodukts (120), mit Mitteln zum Zuführen mindestens eines Teils des Sauerstoffprodukts (120) als sauerstoffhaltiges Gasgemisch (122) zum Rebox-Brenner (210), wobei – eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage (100) eingesetzt wird, die ein Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung und eine Mischsäule (12) aufweist, – das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung eine Hochdrucksäule (6) und eine Niederdrucksäule (7) aufweist, und wobei die Vorrichtung – Mittel zum Einleiten eines ersten Einsatzluftstroms (2, 5) in die Hochdrucksäule (6), – Mittel zum Einleiten eines flüssigen Sauerstoffstroms (30, 32, 33, 34) aus der Niederdrucksäule (7) in den oberen Bereich der Mischsäule (12), – Mittel zum Einleiten eines zweiten Einsatzluftstroms (3, 9, 11) in Gasform in den unteren Bereich der Mischsäule (12) und – Mittel zum Entnehmen eines gasförmigen Sauerstoffstroms (37) aus dem oberen Bereich der Mischsäule (12) und zu dessen Bereitstellung als Sauerstoffprodukt (120) aufweist.
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