DE102016014945A1 - Sauerstoffversorgungsverfahren und Sauerstoffversorgungssystem für Stahlwerk - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sauerstoffversorgung für ein Stahlwerk (1), in dem wenigstens ein erster Verbraucher (11) verwendet wird, dem Sauerstoff kontinuierlich zugeführt wird, und in dem wenigstens ein zweiter Verbraucher (12) verwendet wird, dem Sauerstoff in einer Menge zugeführt wird, die in dem ersten Zeitraum um mindestens 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, wobei der Sauerstoff mittels Luftzerlegungsanlagen (2, 4) bereitgestellt wird. Es ist vorgesehen, dass mindestens eine erste Luftzerlegungsanlage (2) verwendet wird, mittels derer Sauerstoff in einer Menge bereitgestellt wird, die in dem ersten Zeitraum um höchstens 10% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, und dass mindestens eine zweite Luftzerlegungsanlage (4) verwendet wird, mittels derer Sauerstoff in einer Menge bereitgestellt wird, die in dem ersten Zeitraum um mehr als 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, wobei die Menge an Sauerstoff, die mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) bereitgestellt wird, zwischen dem ersten und zweiten Zeitraum in einer Laständerungsgeschwindigkeit von mindestens 10% pro Minute verändert wird. Ein entsprechendes Sauerstoffversorgungssystem (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sauerstoffversorgungsverfahren und ein Sauerstoffversorgungssystem für ein Stahlwerk gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, „Cryogenic Rectification“, beschrieben. Die Tieftemperaturzerlegung von Luft kann insbesondere für die Versorgung von Stahlwerken mit Sauerstoff unterschiedlicher Reinheit verwendet werden. Auch zur Herstellung von Stahl sei auf Fachliteratur wie den Artikel „Steel" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineveröffentlichung 15. Oktober 2011, DOI 10.1002/14356007.a25_063.pub4, verwiesen.
  • In einem Stahlwerk wird Sauerstoff von mehreren unterschiedlichen Verbrauchern benötigt. Wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten 1 und 2 erläutert, unterscheidet man hierbei zwischen Verbrauchern mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bedarf an Sauerstoff auf einem Druckniveau von beispielsweise ca. 9 bar oder weniger wie Hochöfen (Blast Furnaces, BF), nachfolgend auch als „erste Verbraucher“ bezeichnet, sowie Verbrauchern mit stark fluktuierendem Bedarf wie Konverteröfen (Basic Oxygen Furnances, BOF), nachfolgend auch als „zweite Verbraucher“ bezeichnet, die typischerweise über relativ kurze Zeit (beispielsweise ca. 20 bis 30 min) große Mengen an Sauerstoff (beispielsweise ca. 40.000 Normkubikmeter pro Stunde) auf einem Druckniveau von beispielsweise ca. 15 bar benötigen und danach für etwa die gleiche Zeit (beispielsweise ca. 20 bis 30 min) keinen Sauerstoffbedarf aufweisen.
  • Zur Versorgung eines entsprechenden Stahlwerks mit Sauerstoff wird gemäß dem Stand der Technik eine beliebige Anzahl konventioneller Luftzerlegungsanlagen verwendet, die über entsprechende Versorgungsnetze an die genannten ersten und Verbraucher angebunden sind. Die konventionellen Luftzerlegungsanlagen sind i.d.R. nicht in der Lage, ihre Sauerstoffproduktion ausreichend schnell zu ändern. Entsprechende Luftzerlegungsanlagen produzieren Sauerstoff im Wesentlichen kontinuierlich. Die Laständerungsgeschwindigkeit solcher Luftzerlegungsanlagen variiert zwischen beispielsweise ca. 1% und beispielsweise ca. 5% pro Minute.
  • Um die erläuterten größeren Schwankungen im Bedarf der zweiten Verbraucher zu handhaben, werden herkömmlicherweise Gaspuffer (Druckbehälter mit einem großen physikalischen Volumen) in die genannten Versorgungsnetze eingebracht, die die Druckschwankungen abmildern. Damit diese Gaspuffer den erwünschten Effekt bringen, müssen diese mit Sauerstoff mit einem höheren Druck (beispielsweise ca. 30 bis 40 bar) aufgefüllt werden. Entsprechend wird der Sauerstoff für die zweiten Verbraucher mittels der Luftzerlegungsanlagen bei einem Druck von beispielsweise ca. 30 bis 40 bar produziert, obwohl die zweiten Verbraucher lediglich einen Druck von beispielsweise ca. 15 bar benötigen. Deswegen verbrauchen die Luftzerlegungsanlagen mehr Energie, insbesondere Strom, als eigentlich für die zweiten Verbraucher benötigt würde.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, entsprechende Sauerstoffversorgungsverfahren und Sauerstoffversorgungssysteme für Stahlwerke insbesondere in dem genannten Aspekt zu verbessern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Sauerstoffversorgungsverfahren und ein Sauerstoffversorgungssystem für ein Stahlwerk mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • In einem Gasversorgungsverfahren und einem entsprechenden Gasversorgungssystem für ein Stahlwerk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Energieverbrauch deutlich reduziert.
  • Dies wird, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügte 2 erläutert, durch die Verwendung mindestens einer sehr schnell verstellbaren Luftzerlegungsanlage für die Gasversorgung ermöglicht, die dem Sauerstoffabnahmeprofil der oben erläuterten zweiten Verbraucher, beispielsweise von Konverteröfen, im Wesentlichen folgen kann. Diese wenigstens eine sehr schnell verstellbare Luftzerlegungsanlage kann insbesondere zusätzlich zu konventionellen Luftzerlegungsanlagen vorhanden sein. Eine konventionelle Luftzerlegungsanlage wird hier auch als „erste“, eine erfindungsgemäß bereitgestellte, sehr schnell verstellbare Luftzerlegungsanlage hier auch als „zweite“ Luftzerlegungsanlage bezeichnet.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Sauerstoffversorgung für ein Stahlwerk vor, in dem wenigstens ein erster Verbraucher verwendet wird, dem Sauerstoff mehr oder weniger konstant bzw. kontinuierlich zugeführt wird, und in dem wenigstens ein zweiter Verbraucher verwendet wird, dem Sauerstoff in einer Menge zugeführt wird, die in einem ersten Zeitraum um mindestens 50%, insbesondere mindestens 75%, höher ist als in einem zweiten Zeitraum. Unter einer „konstanten“ bzw. „kontinuierlichen“ oder „mehr oder weniger konstanten“ bzw. „mehr oder weniger kontinuierlichen“ Zuführung sei dabei verstanden, dass die zugeführte Menge, insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitraum, um nicht mehr als 10%, insbesondere um nicht mehr als 5%, schwankt. Unter der zugeführten Menge sei dabei jeweils die pro Zeiteinheit zugeführte Menge verstanden.
  • Ist hier von „Sauerstoff“ in flüssigem oder gasförmigem Zustand die Rede, kann es sich um (im Wesentlichen) reinen Sauerstoff handeln oder um ein sauerstoffreiches Gasgemisch, in dem Sauerstoff die Hauptkomponente darstellt. Der Sauerstoffgehalt beträgt dabei beispielsweise mindestens 75%, 80%, 90% oder 95% auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis. Der dem wenigstens einen und wenigstens einen zweiten Verbraucher zugeführte Sauerstoff ist insbesondere gasförmiger Sauerstoff auf jeweils geeigneten Druckniveaus (siehe unten).
  • Wie erwähnt, kann es sich bei dem wenigstens einen ersten Verbraucher insbesondere um wenigstens einen Hochofen oder um einen weiteren Verbraucher, wie er in einem Stahlwerk üblich ist, handeln, und bei dem wenigstens einen zweiten Verbraucher insbesondere um wenigstens einen Konverterofen. Der erste Zeitraum kann dabei dem Zeitraum entsprechen, während dem in einen entsprechenden Konverterofen Sauerstoff eingeblasen wird. Wie erwähnt, umfasst dieser typischerweise 20 bis 30 Minuten, er kann sich jedoch auch über eine längere Zeit erstrecken. Der zweite Zeitraum schließt sich insbesondere dem zweiten Zeitraum an, seine Dauer entspricht typischerweise dem ersten Zeitraum. In dem zweiten Zeitraum benötigt ein Konverterofen typischerweise keinen Sauerstoff. Daher wird unter der Formulierung, dass dem wenigstens einen zweiten Verbraucher „Sauerstoff in einer Menge zugeführt wird, die in dem ersten Zeitraum um mindestens 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum“ hier auch verstanden, dass in dem zweiten Zeitraum dem wenigstens einen zweiten Verbraucher kein Sauerstoff zugeführt wird.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Sauerstoff, der dem wenigstens einen ersten und dem wenigstens einen zweiten Verbraucher in dem ersten und dem zweiten Zeitraum zugeführt wird, mittels Luftzerlegungsanlagen bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird dabei mindestens eine erste Luftzerlegungsanlage verwendet, mittels derer Sauerstoff in einer Menge bereitgestellt wird, die in dem ersten Zeitraum um höchstens 10% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, und mindestens eine zweite Luftzerlegungsanlage, mittels derer Sauerstoff in einer Menge bereitgestellt wird, die in dem ersten Zeitraum um mehr als 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum.
  • Bei der wenigstens einen ersten Luftzerlegungsanlage handelt es sich dabei insbesondere um eine konventionelle Luftzerlegungsanlage, wie sie eingangs erläutert wurde. Wie erwähnt, ist in einer konventionellen Luftzerlegungsanlagen insbesondere die Laständerungsgeschwindigkeit begrenzt, worunter hier insbesondere die Menge an Sauerstoff verstanden wird, die in einem bestimmten Zeitabschnitt mehr oder weniger bereitgestellt werden kann. Wie erwähnt, variiert die Laständerungsgeschwindigkeit herkömmlicher Luftzerlegungsanlagen zwischen beispielsweise ca. 1% und beispielsweise ca. 5% pro Minute.
  • Die wenigstens eine zweite Luftzerlegungsanlage, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, ist hingegen für eine rasche Änderung des zur Verfügung gestellten Sauerstoffs ausgelegt, also für eine hohe Laständerungsgeschwindigkeit. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei die Menge an Sauerstoff, die mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, zwischen dem ersten und zweiten Zeitraum in einer Laständerungsgeschwindigkeit von mindestens 10% pro Minute verändert. Besonders bevorzugt, und in Luftzerlegungsanlagen wie nachfolgend erläutert realisierbar sind Laständerungsgeschwindigkeiten von insbesondere mindestens 10% und höchstens 50% pro Minute.
  • Zu Erzielung entsprechender Laständerungsgeschwindigkeiten eignen sich insbesondere Luftzerlegungsanlagen, die zur Speicherung flüssiger Luftprodukte, hier von flüssigem Sauerstoff, eingerichtet sind. In einem besonders vorteilhaften Verfahren wird daher mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage in dem ersten Zeitraum Sauerstoff in flüssigem Zustand gespeichert und mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage der in dem ersten Zeitraum flüssig gespeicherte Sauerstoff zu einem Teil oder vollständig verdampft und zumindest dem wenigstens einen zweiten Verbraucher zugeführt. Unter einer „Verdampfung“ wird hier auch eine Überführung eines Fluids aus dem flüssigen in den überkritischen Zustand verstanden, wie sie stattfindet, wenn eine Flüssigkeit bei überkritischem Druck erwärmt wird.
  • Eine Luftzerlegungsanlage, die für einen entsprechenden Betrieb eingerichtet ist, ist beispielsweise in der WO 2016/015850 A1 offenbart. Diese Luftzerlegungsanlage, die grundsätzlich auch zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, wird für ein Verfahren zur Erzeugung eines Luftprodukts verwendet, bei welchem Einsatzluft, die insgesamt in einem Hauptluftverdichter verdichtet und danach zu einem Teil in einem Nachverdichter nachverdichtet wird, abgekühlt und anschließend ganz oder teilweise in ein Destillationssäulensystem eingespeist wird. Die in das Destillationssäulensystem der Luftzerlegungsanlage eingespeiste Druckluft kann dabei die gesamte, in dem Hauptluftverdichter verdichtete Einsatzluft sein, es kann jedoch auch vorgesehen sein, nur einen Anteil der im Hauptluftverdichter verdichteten Einsatzluft in das Destillationssäulensystem einzuspeisen und einen Anteil nur zur Deckung des Kältebedarfs der Luftzerlegungsanlage zu entspannen und nicht in das Destillationssäulensystem einzuspeisen, z.B. an die Umgebung abzublasen. Das in der WO 2016/015850 A1 offenbarte Verfahren umfasst drei Betriebsmodi, wobei der erste Betriebsmodus während Stromüberschusszeiträumen, der zweite Betriebsmodus während Zeiten normalen Strombedarfs und der dritte Betriebsmodus während Strommangelzeiträumen durchgeführt wird.
  • Das in der WO 2016/015850 A1 offenbarte Verfahren kann damit eingesetzt werden, um günstige Stromtarife zu Zeiten großen Stromangebots zu nutzen. In diesen wird beispielsweise Sauerstoff gewonnen und in einem Tanksystem mit Tieftemperaturtanks gespeichert. Zu Zeiten geringen Stromangebots und damit hoher Stromtarife wird der Sauerstoff aus dem Tanksystem entnommen, mittels einer Pumpe druckerhöht und bis auf etwa Umgebungstemperatur oder höher angewärmt, damit in einen gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt, und zum Antrieb einer Turbine verwendet. Zusätzlich zu Sauerstoff können auch andere flüssige Luftprodukte entsprechend behandelt werden.
  • Während das in der WO 2016/015850 A1 offenbarte Verfahren weniger das Gebiet der bloßen Speicherung von Energie betrifft, sondern eine Luftzerlegungsanlage schaffen will, in der sowohl in Stromüberschusszeiträumen als auch in Strommangelzeiträumen Luftprodukte, insbesondere innenverdichteter Druckstickstoff und/oder Drucksauerstoff, vorteilhafterweise in vergleichbarer Menge, bereitgestellt werden, eignet es sich gleichwohl auch für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung, in dem das Sauerstoffangebot rasch erhöht werden soll. Auf den Stromtarif wird hierbei nicht notwendigerweise Rücksicht genommen.
  • Besonders vorteilhaft kann ein entsprechendes Verfahren dann durchgeführt werden, wenn in der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage in dem ersten Zeitraum ein Festbettspeicher erwärmt und in dem zweiten Zeitraum abgekühlt wird. Der Festbett(kälte)speicher, der sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auch aus mehreren Speicherblöcken und damit baulich separaten, identisch oder unterschiedlich ausgebildeten Einheiten zusammensetzen kann, dient der Speicherung thermischer Energie in Form von Kälte, also entzogener Wärmeenergie. Insbesondere kann ein Festbettspeicher zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung konstruktiv ähnlich den Regeneratoren ausgebildet sein, wie sie grundsätzlich aus dem Bereich der Luftzerlegungsanlagen bekannt sind. Regeneratoren sind beispielsweise bei F.G. Kerry, Industrial Gas Handbook, CRC Press, 2006, insbesondere Abschnitte 2.7, „Kapitza Cycle“, und 4.4.3, „Recovery of Krypton and Xenon“, erläutert.
  • Regeneratoren werden in Luftzerlegungsanlagen klassischer Art typischerweise im Wechselbetrieb gefahren, wobei jeweils ein erster Regenerator bzw. eine erste Gruppe von Regeneratoren regeneriert wird und ein zweiter Regenerator bzw. eine zweite Gruppe von Regeneratoren zur Abkühlung bzw. Reinigung der Einsatzluft bereit steht. Wie erwähnt können Festbettspeicher zwar ähnlich den Regeneratoren ausgeführt werden, verfahrenstechnisch jedoch sind die Unterschiede zwischen Regeneratoren und Festbettspeichern groß.
  • So hat ein Regenerator hat in erster Linie die Funktion eines Wärmeübertragers, d.h. er dient dazu, die Wärme von einem wärmeren Stoffstrom an einen kälteren Stoffstrom zu übertragen. In einem Luftzerlegungsverfahren werden deswegen immer mindestens zwei Regeneratoren benötigt. Durch einen wird der wärmere Strom geleitet und durch den anderen der kältere Strom. Ein Regeneratorpaar kann verfahrenstechnisch grundsätzlich durch einen einzigen konventionellen Wärmetauscher ersetzt werden. Werden Regeneratoren außer Betrieb genommen, so ist die Luftzerlegungsanlage nicht mehr funktionsfähig. Die Hauptfunktion eines Festbettspeichers besteht dagegen in der Speicherung der Kälte für eine längere Zeit von beispielsweise mehr als 30 Minuten. Ein Festbettspeicher kann grundsätzlich nicht durch einen Wärmetauscher ersetzt werden. Der Festbettspeicher wird regelmäßig als einzelner Festbettspeicher eingesetzt. Wenn der Festbettspeicher nicht in Betrieb ist, kann die Luftzerlegungsanlage grundsätzlich störungsfrei weiter laufen.
  • Ein Regenerator hat grundsätzlich nur zwei Betriebsphasen. Zuerst wird eine Kaltgasportion durch den Regenerator geführt und hier angewärmt (der Regenerator gekühlt), in der Regel kürzer als zehn Minuten. Danach wird der Regenerator vom Warmgas in Gegenrichtung durchströmt, das dabei abgekühlt wird (der Regenerator angewärmt), in der Regel kürzer als zehn Minuten. Ein Festbettspeicher hat hingegen mindestens drei Betriebsphasen. In einer Einspeicherungsphase wird der Festbettspeicher zuerst durch ein Kaltgas abgekühlt. Anschließend bleibt der Kältespeicher in einer Speicherphase über längere Zeiten kalt und wird nicht durchströmt. In einer Ausspeicherungsphase wird der Kältespeicher von einem Warmgas durchströmt und angewärmt. Das Gas wird dabei gekühlt. Danach kann wieder eine Ruhephase folgen, die auch mehrere Stunden dauern kann und in der der Kältespeicher nicht durchströmt wird.
  • Auch andere thermodynamische Parameter sind unterschiedlich. So beträgt die durchschnittliche lokale Temperaturänderung in einem Regenerator weniger als 10 K. Ein Festbettspeicher wird im Inneren durchschnittlich um ca. 50 K, mindestens aber um 30 K angewärmt bzw. abgekühlt.
  • Festbettspeicher können auch beispielsweise geriffelte Aluminiumbleche oder mit Kanälen durchzogene Betonblöcke (bei Luftzerlegungsanlagen ungewöhnlich, aber möglich) ähnlich wie Wärmespeicher umfassen. Derartige Wärmespeicher sind umfangreich in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben. Als Speichermedien eignen sich beispielsweise, wie erwähnt, Stein und Beton, jedoch auch Ziegel, günstig hergestellte Keramiken oder Gusseisen. Für niedrige Speichertemperaturen sind ferner Erde, Kies, Sand und/oder Schotter einsetzbar.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dem ersten Zeitraum Wärme eines verdichteten Druckluftstroms in den Festbettspeicher übertragen und in dem zweiten Zeitraum Wärme aus dem Festbettspeicher auf den in dem ersten Zeitraum flüssig gespeicherten Sauerstoff oder auf dessen zu verdampfenden Teil zu dessen Verdampfung übertragen. Auf diese Weise lässt sich die bei der Abkühlung der Luft entzogene Wärme sinnvoll speichern und für die Verdampfung nutzen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Luftzerlegungsanlagen mit Innenverdichtung, wie bei Häring, Abschnitt 2.2.5.2, „Internal Compression“, erläutert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also in dem zweiten Zeitraum der in dem ersten Zeitraum flüssig gespeicherte Sauerstoff oder dessen zu verdampfender Teil zumindest zum Teil flüssig druckbeaufschlagt und danach verdampft. Ein Innenverdichtungsverfahren bietet insbesondere Sicherheitsvorteile.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Sauerstoff mittels der wenigstens einen ersten Luftzerlegungsanlage und mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage in dem ersten und/oder dem zweiten Zeitraum vorteilhafterweise auf einem ersten und/oder einem zweiten Druckniveau bereitgestellt werden, wobei das erste Druckniveau vorteilhafterweise bei 8 bis 10 bar, insbesondere bei ca. 9 bar, und das zweite Druckniveau vorteilhafterweise bei 23 bis 27 bar, insbesondere bei ca. 25 bar liegt. Auf diese Weise lassen sich die spezifischen Druckanforderungen der ersten und zweiten Verbraucher wie Hoch- und Konverteröfen befriedigen. Das zweite Druckniveau kann auch verwendet werden, um einen Pufferbehälter zu befüllen.
  • Vorteilhafterweise kann der Sauerstoff mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage in dem zweiten Zeitraum auch auf einem dritten Druckniveau, insbesondere bei 13 bis 17 bar, insbesondere bei ca. 15 bar, bereitgestellt werden. Derartiger Sauerstoff kann dabei ohne Zwischenspeicherung in einem Pufferbehälter direkt entsprechenden Verbrauchern zugeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf ein Sauerstoffversorgungssystem für ein Stahlwerk, in dem wenigstens ein erster Verbraucher und wenigstens ein zweiter Verbraucher vorgesehen sind, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, dem wenigstens einen ersten Verbraucher Sauerstoff mehr oder weniger kontinuierlich, und wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, dem wenigstens einen zweiten Verbraucher Sauerstoff in einer Menge zuzuführen, die in dem ersten Zeitraum um mindestens 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, wobei zur Bereitstellung des Sauerstoffs Luftzerlegungsanlagen bereitgestellt sind.
  • Ein entsprechendes Sauerstoffversorgungssystem zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Luftzerlegungsanlagen mindestens eine erste Luftzerlegungsanlage, die dafür eingerichtet ist, Sauerstoff in einer Menge bereitzustellen, die in dem ersten Zeitraum um höchstens 10% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, und mindestens eine zweite Luftzerlegungsanlage, die dafür eingerichtet ist, Sauerstoff in einer Menge bereitzustellen, die in dem ersten Zeitraum um mehr als 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, umfassen, wobei die wenigstens eine zweite Luftzerlegungsanlage ferner dafür eingerichtet ist, die Menge an Sauerstoff, die mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, zwischen dem ersten und zweiten Zeitraum in einer Laständerungsgeschwindigkeit von mindestens 10% pro Minute zu verändern.
  • Wie erwähnt, kann in einem erfindungsgemäßen Sauerstoffversorgungssystem die wenigstens eine zweite Luftzerlegungsanlage insbesondere wenigstens einen Festbettspeicher aufweisen.
  • Eine entsprechende Luftzerlegungsanlage umfasst vorteilhafterweise Mittel, die zur Durchführung eines Verfahrens in einer beliebigen der zuvor und nachfolgend erläuterten Ausführungsformen der Erfindung eingerichtet sind. Auf die entsprechenden Erläuterungen wird daher ausdrücklich verwiesen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegenüber dem Stand der Technik weiter erläutert.
  • Figurenliste
    • In 1 ist ein nicht erfindungsgemäßes Gasversorgungssystem für ein Stahlwerk 1 vereinfacht schematisch veranschaulicht.
    • In 2 ist ein Gasversorgungssystem für ein Stahlwerk gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vereinfacht schematisch veranschaulicht.
    • In 3 ist eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz in einem Gasversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vereinfacht schematisch veranschaulicht.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Figuren tragen einander entsprechende Elemente identische Bezugszeichen und werden nachfolgend nicht wiederholt erläutert. Werden nachfolgend Gasversorgungssysteme erläutert, betreffen die entsprechenden Erläuterungen auch Gasversorgungsverfahren und umgekehrt. Fluidströme sind zusätzlich mit dreieckigen Flusspfeilen gekennzeichnet, wobei ausgefüllte (schwarze) Flusspfeile typischerweise Fluidströme in flüssigem Zustand und nicht ausgefüllte (weiße) Flusspfeile typischerweise Fluidströme in gasförmigem Zustand bezeichnen.
  • In 1 ist ein nicht erfindungsgemäßes Gasversorgungssystem für ein Stahlwerk 1 vereinfacht schematisch veranschaulicht.
  • In einem entsprechenden Stahlwerk 1 wird Sauerstoff von mehreren unterschiedlichen Verbrauchern 111, 112, 121 benötigt. Hierbei unterscheidet man erste Verbraucher 11 mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bedarf an Sauerstoff auf einem Druckniveau von beispielsweise ca. 9 bar oder weniger wie Hochöfen 111 und weitere erste Verbraucher 112, sowie zweite Verbraucher 12 mit stark fluktuierendem Bedarf wie Konverteröfen 121, die typischerweise über relativ kurze Zeit (beispielsweise ca. 20 bis 30 min) große Mengen an Sauerstoff (beispielsweise ca. 40.000 Normkubikmeter pro Stunde) auf einem Druckniveau von beispielsweise ca. 15 bar benötigen und danach für etwa die gleiche Zeit (beispielsweise ca. 20 bis 30 min) keinen Sauerstoffbedarf aufweisen.
  • Zur Versorgung des Stahlwerks 1 mit Sauerstoff ist in dem in 1 dargestellten Gasversorgungssystem eine beliebige Anzahl konventioneller Luftzerlegungsanlagen 2 vorgesehen, die über ein erstes Versorgungsnetz 21 an die ersten Verbraucher 11 und über ein zweites Versorgungsnetz 22 an die zweiten Verbraucher 12 angebunden sind. Die konventionellen Luftzerlegungsanlagen 2 sind i.d.R. nicht in der Lage, ihre Sauerstoffproduktion ausreichend schnell zu ändern. Entsprechende Luftzerlegungsanlagen 2 produzieren Sauerstoff im Wesentlichen kontinuierlich. Die Laständerungsgeschwindigkeit solcher Luftzerlegungsanlagen 2 variiert zwischen beispielsweise ca. 1% und beispielsweise ca. 5% pro Minute.
  • Um die erläuterten größeren Schwankungen im Bedarf der zweiten Verbraucher 12 zu handhaben, werden Gaspuffer 3 (Druckbehälter mit einem großen physikalischen Volumen) in die Versorgungsnetze 21 und 22 insbesondere der zweiten Verbraucher 12 eingebracht, die die Druckschwankungen abmildern. Damit diese Gaspuffer 3 den erwünschten Effekt bringen, müssen diese mit Sauerstoff mit einem deutlich höheren Druck (beispielsweise ca. 30 bis 40 bar) aufgefüllt werden. Entsprechend wird der Sauerstoff für die zweiten Verbraucher mittels der Luftzerlegungsanlagen 2 bei einem Druck von beispielsweise ca. 30 bis 40 bar produziert, obwohl die zweiten Verbraucher 12 lediglich einen Druck von beispielsweise ca. 15 bar benötigen. Deswegen verbrauchen die Luftzerlegungsanlagen 2 mehr Energie, insbesondere Strom, als eigentlich für die zweiten Verbraucher 12 benötigt würde.
  • In einem Gasversorgungssystem 100 für ein Stahlwerk 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie es in 2 veranschaulicht ist, ist hingegen der Energieverbrauch deutlich reduziert.
  • Dies wird durch die Verwendung mindestens einer sehr schnell verstellbaren Luftzerlegungsanlage 4 für die Gasversorgung ermöglicht, die dem Sauerstoffabnahmeprofil der zweiten Verbraucher 12 im Wesentlichen folgen kann. Diese wenigstens eine sehr schnell verstellbare Luftzerlegungsanlage 4 kann insbesondere zusätzlich zu konventionellen Luftzerlegungsanlagen 2 vorhanden sein. Eine konventionelle Luftzerlegungsanlage 2 wird hier auch als „erste“, eine erfindungsgemäß bereitgestellte, sehr schnell verstellbare Luftzerlegungsanlage 4 hier auch als „zweite“ Luftzerlegungsanlage bezeichnet.
  • In dem in 2 veranschaulichten Gasversorgungssystem wird das Versorgungsnetz 21 auf einem ersten Druckniveau von beispielsweise ca. 9 bar oder weniger und das Versorgungsnetz 22 auf einem zweiten Druckniveau von beispielsweise ca. 25 bar betrieben. Der in das erste Versorgungsnetz eingebundene Gaspuffer 3 ist optional vorhanden. Der in dem zweiten Versorgungsnetz 22 den zweiten Verbrauchern 12 zur Verfügung gestellte Sauerstoff liegt auf einem dritten Druckniveau von beispielsweise ca. 15 bar vor. Zusätzlich zu dem ersten Versorgungsnetz 21 und dem zweiten Versorgungsnetz 22 können eine oder mehrere Versorgungsleitungen 23 vorgesehen sein, die mit Sauerstoff auf dem dritten Druckniveau von beispielsweise ca. 15 bar beschickt werden.
  • Die Flexibilität der zweiten Luftzerlegungsanlage(n) 4 kann insbesondere durch die Verwendung eines oder mehrerer Festbettkältespeicher sichergestellt werden. Eine für einen entsprechenden Zweck einsetzbare Luftzerlegungsanlage 4 ist in 3 in Form eines schematischen Anlagendiagramms veranschaulicht.
  • Die Luftzerlegungsanlage 4 umfasst eine Hauptwärmetauschereinheit 41, eine Entspannungs-/Verdichtungseinheit 42, eine Rektifikationseinheit 43 und eine Flüssigkeitsspeichereinheit 44, die lediglich der Anschaulichkeit halber getrennt dargestellt sind. Insbesondere die Hauptwärmetauschereinheit 41 und die Entspannungs-/Verdichtungseinheit 42 können in der Praxis einen hohen baulichen Integrationsgrad aufweisen und beispielsweise in einer gemeinsamen Coldbox angeordnet sein.
  • Die Hauptwärmetauschereinheit 41 umfasst als zentrale Komponente einen Hauptwärmetauscher 411, der in Form einer oder mehrerer baulicher Einheiten ausgebildet sein kann. Die Entspannungs-/Verdichtungseinheit 42 umfasst im hier dargestellten Beispiel eine erste Boosterturbine 421 und eine zweite Boosterturbine 422. Es können jedoch eine oder mehrere Boosterturbinen durch eine oder mehrere Generatorturbinen ersetzt sein oder Kombinationen entsprechender Einheiten eingesetzt werden. Die Boosterstufe(n) einer oder mehrerer Boosterturbinen oder dergleichen kann bzw. können als konventionelle Boosterstufe(n) oder auch als sogenannte „kalte“ Boosterstufe(n), deren Eingangstemperatur niedriger als die Umgebungstemperatur liegt, ausgebildet sein. Die Entspannungs-/Verdichtungseinheit 42 ist an die Hauptwärmetauschereinheit 41 bzw. deren Hauptwärmetauscher 411 thermisch gekoppelt.
  • Die Rektifikationseinheit 43 weist im dargestellten Beispiel eine aus einer Hochdrucksäule 431 und einer Niederdrucksäule 432 gebildete Doppelsäule auf. Die Hochdrucksäule 431 und die Niederdrucksäule 432 stehen über einen Hauptkondensator 433 in wärmetauschender Verbindung. Ferner sind beispielsweise ein Unterkühlungsgegenströmer 434, optional eine Generatorturbine 435 und ein Abscheidebehälter 436, sowie mehrere, nicht gesondert bezeichnete Ventile und Pumpen vorgesehen. Die Flüssigkeitsspeichereinheit 44 umfasst beispielsweise einen Flüssigstickstoffspeicher 441, einen Flüssigluftspeicher 442 und einen Flüssigsauerstoffspeicher 443, die jeweils als ein oder mehrere, insbesondere isolierte, Tanks ausgebildet sein können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch lediglich ein Flüssigsauerstoffspeicher 443 vorhanden sein.
  • Einsatzluft (AIR) wird in der in 3 gezeigten Luftzerlegungsanlage 4 in Form eines Fluidstroms a über einen vereinfacht dargestellten Hauptluftverdichter 401 angesaugt, in einer Vorkühleinheit 402 gekühlt und in einer Reinigungseinheit 403 gereinigt. Die Luftzerlegungsanlage 4 ist zur Durchführung eines sogenannten HAP-(„High Air Pressure“-)Verfahrens eingerichtet; daher verdichtet der Hauptluftverdichter 401 hier die durch ihn geführte Luft des Fluidstroms a auf ein Druckniveau, das deutlich oberhalb des höchsten in der Rektifikationseinheit 43 verwendeten Trenndrucks, d.h. des Betriebsdrucks der Hochdrucksäule 431, liegt, hier bei mindestens 9 bar. Grundsätzlich ist aber auch die Verwendung einer klassischen Luftzerlegungsanlage möglich, bei der nur ein Teil der Einsatzluft entsprechend hoch verdichtet wird.
  • Die entsprechend verdichtete, gekühlte und gereinigte Luft des Fluidstroms a (MPAIR) wird der Hauptwärmetauschereinheit 41 und der Entspannungs-/Verdichtungseinheit 42 zugeführt.
  • In der Hauptwärmetauschereinheit 41 und der Entspannungs-/Verdichtungseinheit 42 werden aus der Luft des Fluidstroms a mehrere Druckluftströme auf unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus gebildet. In 3 sind ein Druckluftstrom b (FEED) zur Einspeisung in die Rektifikationseinheit 43 bzw. deren Hochdrucksäule 431 sowie weitere Druckluftströme c und d (JT1-AIR, JT2-AIR) veranschaulicht. Der Druckluftstrom b (FEED) wird dabei auf einem Druckniveau von beispielsweise ca. 5,6 bar bereitgestellt und in eine Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 eingespeist. Der Druckluftstrom c (JT1-AIR) wird auf einem Druckniveau bereitgestellt, das oberhalb jenes des Druckluftstroms b (MPAIR) liegt.
  • Der Druckluftstrom d (JT2-AIR) wird optional bereitgestellt, sein Druckniveau entspricht dem Druckniveau des Druckluftstroms b (MPAIR) oder liegt darüber. Zudem kann optional ein weiterer Druckluftstrom (LP-AIR, in 4 nicht gezeigt) auf einem Druckniveau von beispielsweise ca. 1,4 bar bereitgestellt werden, welcher anschließend als sogenannte Einblaseluft in die Niederdrucksäule 432 oder durch den Hauptwärmetauscher 411 in die Umgebung geleitet wird. Die Bereitstellung der Druckluftströme b, c und d ist in der 3 insbesondere in Bezug auf die Entspannungs-/Verdichtungseinheit 42 stark schematisiert gezeigt und kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Ein Beispiel für die Bereitstellung der Druckluftströme b, c und d ist in den 4A bis 4C veranschaulicht.
  • Wie erwähnt, wird der Druckluftstrom b (FEED) in die Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 eingespeist. Der Druckluftstrom c (JT1-AIR) wird in die Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 entspannt. Hierbei können beispielsweise die gezeigte Generatorturbine 435 und optional ein oder mehrere nicht gesondert bezeichnete Ventile verwendet werden. Der optional bereitgestellte Druckluftstrom d (JT2-AIR) wird über ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil ebenfalls in die Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 entspannt.
  • In der Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 wird ein sauerstoffangereichertes flüssiges Sumpfprodukt erzeugt, das in Form eines Fluidstroms e abgezogen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 434 geführt und über ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil in die Niederdrucksäule 432 der Rektifikationseinheit 43 entspannt wird. In der Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 wird ferner ein stickstoffangereichertes gasförmiges Kopfprodukt erzeugt, das in Form eines Fluidstroms f abgezogen wird. Ein Teil des Fluidstroms f kann als gasförmiges, stickstoffreiches Luftprodukt (PGAN) aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden, der Rest kann in dem Hauptkondensator 433 verflüssigt werden.
  • Ein Teil des dabei gebildeten Verflüssigungsprodukts kann als flüssiges stickstoffreiches Luftprodukt (PLIN) aus der Luftzerlegungsanlage ausgeführt werden, ein Teil wird als Rücklauf auf die Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 zurückgeführt. Ein weiterer Teil des Verflüssigungsprodukts kann in Form des Fluidstroms g durch den Unterkühlungsgegenströmer 434 geführt und über ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil in die Niederdrucksäule 432 der Rektifikationseinheit 43 entspannt werden. Ein weiterer Teil des Verflüssigungsprodukts kann in Form des Fluidstroms h mittels einer der nicht gesondert bezeichneten Pumpen druckerhöht, je nach Betriebsmodus mit einem ebenfalls druckerhöhten stickstoffreichen flüssigen Fluidstrom i aus dem Flüssigstickstoffspeicher 441 der Flüssigkeitsspeichereinheit 44 und/oder vom Kopf der Niederdrucksäule 432 vereinigt, und als innenverdichteter, flüssiger stickstoffreicher Fluidstrom k (ICLIN), insbesondere in Form zweier Teilströme, im Hauptwärmetauscher 411 verdampft oder pseudoverdampft sowie anschließend als innenverdichtetes stickstoffreiches Druckprodukt auf unterschiedlichen Druckniveaus (ICGAN1, ICGAN2) bereitgestellt werden.
  • Sich bei der Entspannung des Druckluftstroms c und optional des Druckluftstroms d in die Hochdrucksäule 431 der Rektifikationseinheit 43 verflüssigende Luft kann in Form des Fluidstroms I unmittelbar unterhalb der Einspeisestelle der genannten Ströme abgezogen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 434 geführt und über ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil in die Niederdrucksäule 432 der Rektifikationseinheit 43 entspannt werden. Ein Teil kann auch in dem Flüssigluftspeicher 442 der Flüssigkeitsspeichereinheit 44 gespeichert werden. Ein Fluidstrom m kann aus der Hochdrucksäule 431 abgezogen, durch den Unterkühlungsgegenströmer 434 geführt und über ein nicht gesondert bezeichnetes Ventil in die Niederdrucksäule 432 der Rektifikationseinheit 43 entspannt werden.
  • In der Niederdrucksäule 432 wird ein flüssiges, sauerstoffreiches Sumpfprodukt gebildet, das in Form des Fluidstroms n abgezogen und je nach Betriebsmodus in Form eines Fluidstroms o in den Flüssigsauerstoffspeicher 443 eingespeist und/oder mittels einer der nicht gesondert bezeichneten Pumpen druckerhöht und als innenverdichteter, flüssiger stickstoffreicher Fluidstrom p (ICLOX) in dem Hauptwärmetauscher 411 der Hauptwärmetauschereinheit 41 erwärmt und, insbesondere in Form zweier Teilströme, im Hauptwärmetauscher 411 verdampft oder pseudoverdampft sowie als innenverdichtetes sauerstoffreiches Druckprodukt auf zwei unterschiedlichen Druckniveaus (MP-GOX, HP-GOX) bereitgestellt werden kann. Der Fluidstrom p (ICLOX) kann je nach Betriebsmodus auch unter Verwendung einer dem Flüssigsauerstoffspeicher 443 der Flüssigspeichereinheit 44 entnommenen sauerstoffreichen Flüssigkeit gebildet werden. Der Fluidstrom o ist daher bidirektional veranschaulicht. Dem Flüssigsauerstoffspeicher 443 der Flüssigspeichereinheit 44 kann ferner entsprechende sauerstoffreiche Flüssigkeit auch in Form des Fluidstroms q entnommen und über eine Pumpe die Niederdrucksäule 432 eingespeist werden.
  • Zur Befüllung des Flüssigstickstoffspeichers 441 der Flüssigspeichereinheit 44 kann aus einem oberen Bereich der Niederdrucksäule 432 eine stickstoffreiche Flüssigkeit in Form eines Fluidstroms r entnommen und in Form eines Fluidstroms s in den Flüssigstickstoffspeichers 441 überführt werden. Auch der Fluidstrom s ist bidirektional dargestellt. Je nach Betriebsmodus kann dem Flüssigstickstoffspeichers 441 in Form des Fluidstroms s auch Flüssigkeit entnommen und in Form des Fluidstroms i wie oben erläutert behandelt werden. Stickstoffreiche Flüssigkeit kann aus dem Flüssigstickstoffspeicher 441 der Flüssigspeichereinheit 44 auch in Form eines Fluidstroms t in einen oberen Bereich der Niederdrucksäule 432 zurückgespeist werden. Die Flüssigkeitsspeicher 441, 442, 443 können konstruktiv als separate Baueinheiten ausgeführt werden oder in die Rektifizierkolonnen integriert werden.
  • Ein vom Kopf der Niederdrucksäule 432 abgezogener, stickstoffreicher Fluidstrom u kann durch den Unterkühlungsgegenströmer 434 geführt, in dem Hauptwärmetauscher 411 erwärmt und als Stickstoffprodukt (GAN) bereitgestellt werden. Ein Fluidstrom v, sogenannter Unreinstickstoff, UN2) wird vergleichbar behandelt und als sogenanntes Restgas (Rest) verwendet.
  • Der Flüssigluftspeicher 442 kann neben der Flüssigluft des Fluidstroms m auch mit Flüssigluft aus der Niederdrucksäule 432 in Form eines Fluidstroms w beschickt werden. Flüssigluft kann auch aus dem Flüssigluftspeicher 442 in Form eines Fluidstroms x über eine Pumpe in die Niederdrucksäule 432 zurückgespeist werden.
  • Die in 3 dargestellte Luftzerlegungsanlage 4 zeichnet sich neben dem hohen Druckniveau, auf das der Hauptluftverdichter 401 die gesamte Einsatzluft des Fluidstroms a verdichtet, insbesondere dadurch aus, dass die in das Destillationssäulensystem eingespeiste Luft überwiegend unter Verwendung einer oder mehrerer Expansionsturbinen bereitgestellt wird.
  • In den 4A bis 4C sind jeweils Teilansichten einer Luftzerlegungsanlage 4, beispielsweise der Luftzerlegungsanlage 4 gemäß 3, wie sie in einem Gasversorgungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, beispielsweise dem Gasversorgungssystem 100 gemäß 2, eingesetzt werden kann, in drei Betriebszuständen veranschaulicht, wobei 4A dem auch oben bereits erwähnten ersten Betriebsmodus, 4B dem auch oben bereits erwähnten zweiten Betriebsmodus und 4C dem auch oben bereits erwähnten dritten Betriebsmodus veranschaulichen.
  • Die Bezeichnung der Ströme, Vorrichtungen und Apparate entspricht dabei jener in 3. Es sind jeweils der Hauptwärmetauscher 411, die Boosterturbinen 421 und 422, die Rektifikationseinheit 43, die Flüssigkeitsspeichereinheit 44 mit dem Flüssigstickstoffspeicher 441, dem Flüssigluftspeicher 442, dem Flüssigsauerstoffspeicher 443 und dem Flüssigargonspeicher 444 gezeigt. Nicht sämtliche dieser Speicher 41 bis 44 müssen vorhanden sein. In den 4A bis 4C sind jeweils nicht aktive Ströme bzw. nicht von Fluiden durchströmte Leitungen durchkreuzt veranschaulicht. Ferner sind in den Figuren eine Kältespeichereinheit 45 mit einem ersten Kältespeichermittel 451 und teilweise einem zweiten Kältespeichermittel 452 veranschaulicht.
  • In den 4A bis 4C ist gezeigt, wie ein Teil der mittels des Hauptluftverdichters 401 verdichteten Luft des Fluidstroms a, der anschließend entspannt wird, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Kälte- bzw. Energiespeicherung und deren Rückgewinnung eingesetzt werden kann.
  • In dem ersten Betriebsmodus, der in 4A veranschaulicht ist, ist dabei die Kältespeichereinheit 44 nicht in Betrieb. Hierbei wird der Fluidstrom b dem Hauptwärmetauscher 411 warmseitig zugeführt, auf einen Zwischentemperaturniveau entnommen, in den Entspannungsturbinen der Boosterturbinen 421 und 422 entspannt und anschließend vollständig in die Rektifikationseinheit 43 eingespeist. Der Fluidstrom c wird mittels der Booster der Boosterturbinen 421 und 422 verdichtet, anschließend in dem Hauptwärmetauscher 411 abgekühlt und (JT-AIR) in die Rektifikationseinheit 43 eingespeist. Zu den übrigen Strömen sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
  • Wie mit einem durchgezogenen Pfeil in der Rektifikationseinheit 43 veranschaulicht, wird hier der Fluidstrom q (ICLOX) ausschließlich durch Entnahme aus der Rektifikationseinheit 43 bzw. deren Niederdrucksäule 432 (vgl. 3) bereitgestellt. Dies gilt entsprechend auch für andere flüssige Ströme.
  • In dem in 4B veranschaulichten zweiten Betriebsmodus, der insbesondere in dem ersten Zeitraum der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden kann, in dem Konverteröfen Sauerstoff benötigen, ist die Kältespeichereinheit 45 mit deren Kältespeichermittel 451 in Betrieb. Es wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere flüssiger Sauerstoff entnommen. In dem zweiten Betriebsmodus wird ein Teil des Fluidstroms b von diesem abgezweigt und in Form des Fluidstroms b1 durch die Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 geführt. Aufgrund der Abkühlung des Fluidstroms b in dem Hauptwärmetauscher 411 und der Einspannung in den Entspannungsturbinen der Boosterturbinen 421 und 422 liegt der Fluidstrom b1 auf einem Temperaturniveau von beispielsweise ca. -160 bis -170 °C vor. Daher kann dieser Fluidstrom b1 dazu genutzt werden, die Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 abzukühlen
  • Weil der Fluidstrom b2 in der Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 erwärmt wurde, muss er vor der Einspeisung in die Rektifikationseinheit 43 bzw. die Hochdrucksäule 431 wieder auf das erwähnte Temperaturniveau abgekühlt werden. Der Fluidstrom b1 wird daher nach seiner Erwärmung in der Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 in dem Hauptwärmetauscher 411 wieder auf das genannte Temperaturniveau abgekühlt. Der Fluidstrom b1 wird, wie auch der nicht durch die Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 geführte Teil des Fluidstroms b, in die Rektifikationseinheit 43, insbesondere die Hochdrucksäule 431, eingespeist. Die Einspeisung erfolgt wie bezüglich Fluidstrom c in 3 gezeigt; die beiden Teilmengen sind der besseren Anschaulichkeit halber mit FEED1 und FEED2 bezeichnet.
  • Der Hauptwärmetauscher 411 ist zu dieser zusätzlichen Abkühlung des Fluidstroms b1 in dem zweiten Betriebsmodus der Lage, weil aus der Flüssigkeitsspeichereinheit 44 ein oder mehrere tiefkalte Flüssigkeiten entnommen werden (vgl. auch Ströme t, s, o, q, w und x gemäß 1). Wie bereits unter Bezugnahme auf die 1 erläutert, wird der Rektifikationseinheit 43 bzw. der Niederdrucksäule 431 sauerstoffreiche Flüssigkeit entnommen und in Form des Fluidstroms p (ICLOX) in der Wärmetauscheinheit 41 bzw. dem Hauptwärmetauscher 411 verdampft. Wird nun ein Teil dieser sauerstoffreichen Flüssigkeit des Fluidstroms p (ICLOX) nicht mehr ausschließlich durch die Entnahme aus der Rektifikationseinheit 43 bzw. der Niederdrucksäule 431 gedeckt, sondern wird ein Teil, beispielsweise in Form des Fluidstroms q, aus dem Flüssigsauerstoffspeicher 443 der Flüssigkeitsspeichereinheit 44 entnommen, wird für die Bereitstellung derselben oder einer vergleichbaren Menge des Fluidstroms p (ICLOX) eine geringere Kältemenge benötigt. Die damit gewissermaßen „im Überschuss“ bereitstehende Kälte kann auf den Fluidstrom b1 übertragen werden, der seine Kälte zuvor in die Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 übertragen hat.
  • Die dem Flüssigsauerstoffspeicher 441 der Flüssigkeitsspeichereinheit 44 entnommene Flüssigkeit ist mit einem gestrichelten Pfeil innerhalb der Rektifikationseinheit 43 veranschaulicht, der der Niederdrucksäule 431 entnommene Teil mit einem durchgezogenen Pfeil.
  • In dem in 4C veranschaulichten dritten Betriebsmodus, der insbesondere zu Zeiten geringeren Sauerstoffbedarfs, also in dem mehrfach erläuterten zweiten Zeitraum, in dem Konverteröfen keinen Sauerstoff benötigen, durchgeführt wird, wird ebenfalls eine Teilmenge des Fluidstroms b, hier mit b2 bezeichnet, zunächst in dem Hauptwärmetauscher 411 erwärmt und anschließend durch die Kältespeichereinheit 45 geführt. Der Fluidstrom b1 wird in dem Hauptwärmetauscher 411 beispielsweise von den erläuterten ca. -160 bis -170 °C auf ein Temperaturniveau oberhalb von 0 °C erwärmt. Auf diese Weise steht in dem Hauptwärmetauscher 411 eine zusätzliche Kältemenge zur Verfügung. Diese kann dazu genutzt werden, in der Niederdrucksäule 431 eine größere Menge der sauerstoffreichen Flüssigkeit zu bilden. Der nicht in Form des Fluidstroms p (ICLOX) aus der Anlage ausgeführte Anteil hiervon kann in Form des Fluidstroms o in den Flüssigsauerstoffspeicher 443 der Flüssigkeitsspeichereinheit 44 überführt werden. Die Menge des Fluidstroms p (ICLOX) bleibt dabei gleich oder vergleichbar.
  • Weil der Fluidstrom b2 in dem Hauptwärmetauscher 411 erwärmt wurde, muss er vor der Einspeisung in die Rektifikationseinheit 430 bzw. die Hochdrucksäule 431 wieder auf das zuvor erläuterte Temperaturniveau abgekühlt werden. Hierzu wird er nun durch die Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 geführt. Auf diese Weise wird der Kältespeichereinheit 45 bzw. deren Kältespeichermittel 451 in dem dritten Betriebsmodus die zuvor in dem zweiten Betriebsmodus gespeicherte Kälte entzogen.
  • 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
    • WO 2016/015850 A1 [0017, 0018, 0019]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Stahl sei auf Fachliteratur wie den Artikel „Steel“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineveröffentlichung 15. Oktober 2011 [0002]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Sauerstoffversorgung für ein Stahlwerk (1), in dem wenigstens ein erster Verbraucher (11) verwendet wird, dem Sauerstoff kontinuierlich zugeführt wird, und in dem wenigstens ein zweiter Verbraucher (12) verwendet wird, dem Sauerstoff in einer Menge zugeführt wird, die in einem ersten Zeitraum um mindestens 50% höher ist als in einem zweiten Zeitraum, wobei der Sauerstoff mittels Luftzerlegungsanlagen (2, 4) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Luftzerlegungsanlage (2) verwendet wird, mittels derer Sauerstoff in einer Menge bereitgestellt wird, die in dem ersten Zeitraum um höchstens 10% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, und dass mindestens eine zweite Luftzerlegungsanlage (4) verwendet wird, mittels derer Sauerstoff in einer Menge bereitgestellt wird, die in dem ersten Zeitraum um mehr als 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, wobei die Menge an Sauerstoff, die mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) bereitgestellt wird, zwischen dem ersten und zweiten Zeitraum in einer Laständerungsgeschwindigkeit von mindestens 10% pro Minute verändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) in dem ersten Zeitraum Sauerstoff in flüssigem Zustand gespeichert wird, und bei dem mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) der in dem ersten Zeitraum flüssig gespeicherte Sauerstoff zu einem Teil oder vollständig verdampft und zumindest dem wenigstens einen zweiten Verbraucher zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) in dem ersten Zeitraum ein Festbettspeicher (451) erwärmt und in dem zweiten Zeitraum abgekühlt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in dem ersten Zeitraum Wärme eines verdichteten Druckluftstroms in den Festbettspeicher (451) übertragen und in dem zweiten Zeitraum Wärme aus dem Festbettspeicher (451) auf den in dem ersten Zeitraum flüssig gespeicherten Sauerstoff oder auf dessen zu verdampfenden Teil zu dessen Verdampfung übertragen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem in dem zweiten Zeitraum der in dem ersten Zeitraum flüssig gespeicherte Sauerstoff oder dessen zu verdampfender Teil zumindest zum Teil flüssig druckbeaufschlagt und danach verdampft wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Sauerstoff mittels der wenigstens einen ersten Luftzerlegungsanlage (2) und mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) in dem ersten und/oder dem zweiten Zeitraum auf einem ersten und/oder einem zweiten Druckniveau bereitgestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das erste Druckniveau bei 8 bis 10 bar und das zweite Druckniveau bei 23 bis 27 bar liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Sauerstoff mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) in dem zweiten Zeitraum auf einem dritten Druckniveau bereitgestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das dritte Druckniveau bei 13 bis 17 bar liegt.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine erste Verbraucher (11) wenigstens einen Hochofen umfasst.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine zweite Verbraucher (12) wenigstens einen Konverterofen umfasst.
  12. Sauerstoffversorgungssystem (100) für ein Stahlwerk (1), in dem wenigstens ein erster Verbraucher (11) und wenigstens ein zweiter Verbraucher (12) vorgesehen sind, wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, dem wenigstens einen ersten Verbraucher (11) Sauerstoff kontinuierlich zuzuführen, und wobei Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, dem wenigstens einen zweiten Verbraucher (12) Sauerstoff in einer Menge zuzuführen, die in dem ersten Zeitraum um mindestens 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, wobei zur Bereitstellung des Sauerstoffs Luftzerlegungsanlagen (2, 4) bereitgestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlagen (2, 4) mindestens eine erste Luftzerlegungsanlage (2), die dafür eingerichtet ist, Sauerstoff in einer Menge bereitzustellen, die in dem ersten Zeitraum um höchstens 10% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, und mindestens eine zweite Luftzerlegungsanlage (4), die dafür eingerichtet ist, Sauerstoff in einer Menge bereitzustellen, die in dem ersten Zeitraum um mehr als 50% höher ist als in dem zweiten Zeitraum, umfassen, wobei die wenigstens eine zweite Luftzerlegungsanlage (4) ferner dafür eingerichtet ist, die Menge an Sauerstoff, die mittels der wenigstens einen zweiten Luftzerlegungsanlage (4) bereitgestellt wird, zwischen dem ersten und zweiten Zeitraum in einer Laständerungsgeschwindigkeit von mindestens 10% pro Minute zu verändern.
  13. Sauerstoffversorgungssystem (100) nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine zweite Luftzerlegungsanlage (4) wenigstens einen Festbettspeicher (451) aufweist.
  14. Sauerstoffversorgungssystem (100) nach Anspruch 12 oder 13, das Mittel, aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet sind.
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