DE102019008985A1 - Verfahren und Anordnung zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts Download PDF

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Klaus Bormann
Peter Sebastian Haider
Peter Wagner
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Salzgitter Flachstahl GmbH
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Linde GmbH
Salzgitter Flachstahl GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts, bei dem einer Einsatzluft in einer Luftzerlegungsanlage (10) einer Aufbereitung, Abkühlung und Tieftemperaturrektifikation unterworfen wird, und bei dem das Gasprodukt unter Verwendung eines in der Tieftemperaturrektifikation gebildeten sauerstoffreichen Fluids bereitgestellt wird. Es ist vorgesehen, dass das sauerstoffreiche Gasprodukt ferner unter Verwendung von mittels Wasserelektrolyse gebildetem, Sauerstoff und Wasser enthaltendem Anodengas bereitgestellt wird, das ebenfalls der Luftzerlegungsanlage (10) zugeführt wird. Eine entsprechend eingerichtete Anlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts und eine entsprechende Anordnung gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • Die Herstellung von Wasserstoff, beispielsweise zur Verwendung in Stahlwerken, kann bekanntermaßen entweder elektrolytisch aus Wasser oder durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise durch Dampfreformierung, erfolgen. Die Möglichkeit, den für die Wasserelektrolyse benötigten Strom aus regenerativen Energiequellen bereitzustellen, erscheint attraktiv, da der Kohlendioxid-Fußabdruck entsprechender Verfahren auf diese Weise verringert werden kann.
  • Zur Wasserelektrolyse und zu entsprechenden Einrichtungen („Elektrolyseuren“) wird beispielsweise auf den Artikel „Hydrogen‟ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 15. Juni 2000, DOI: 10.1002/14356007.a13_297, insbesondere Abschnitt 4.2, „Electrolysis“, verwiesen.
  • Bei der klassischen Wasserelektrolyse wird eine wässrige alkalische Lösung, typischerweise von Kaliumhydroxid, als Elektrolyt verwendet (AEL, Alkalische Elektrolyse). Die Elektrolyse mit einer uni- oder bipolaren Elektrodenanordnung erfolgt dabei bei Atmosphärendruck oder im industriellen Maßstab auch bei einem Druck von bis zu 30 bar. Neuere Entwicklungen bei der Wasserelektrolyse umfassen die Verwendung von protonenleitenden lonenaustauschmembranen (SPE, Solid Polymer Electrolysis; PEM, Proton Exchange Membranes)., bei der das zu elektrolysierende Wasser an der Anodenseite bereitgestellt wird. Die genannten Verfahren zählen zu den Niedertemperaturverfahren, bei denen das zu elektrolysierende Wasser in der Flüssigphase vorliegt. Daneben wird auch die sogenannte Dampfelektrolyse vorgenommen, die ebenfalls mit alkalischen Elektrolyten (also als AEL) mit angepassten Membranen, beispielsweise Polysulfonmembranen, sowie unter Verwendung von Festoxidelektrolysezellen (SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cells) durchgeführt werden können. Letztere umfassen insbesondere dotiertes Zirkondioxid oder Oxide anderer seltener Erden, die bei mehr als 600 °C leitfähig werden. Der Begriff der Wasserelektrolyse soll nachfolgend sämtliche dieser Verfahren umfassen.
  • Bekanntermaßen bildet sich bei der Wasserelektrolyse an der Kathode ein wasserstoffreiches Gasgemisch (Kathodengas) und an der Anode ein sauerstoffreiches Gasgemisch (Anodengas), wobei das Kathodengas und das Anodengas jedoch aus technischen Gründen keine Reingase darstellen. Insbesondere weist das Anodengas beträchtliche Mengen Wasserdampf auf. Eine direkte Nutzung ist daher nicht für alle Anwendungsfälle möglich. Die Aufreinigung des Anodengases wird jedoch herkömmlicherweise nicht als wirtschaftlich sinnvolle Option angesehen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich daher vor diesem Hintergrund die Aufgabe, auch das Anodengas einer Wasserelektrolyse einer sinnvollen Nutzung zuzuführen und insbesondere in vorteilhafterweise zur Bereitstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts zu verwenden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts und eine entsprechende Anordnung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ein zentraler Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kombination einer kryogenen Luftzerlegung mit der Wasserelektrolyse in beliebigen der zuvor erläuterten Ausgestaltungen. Der besondere Vorteil besteht, wie erfindungsgemäß erkannt wurde, dabei darin, dass in der Luftzerlegung der Elektrolysesauerstoff bzw. ein entsprechendes Anodengas aus der Wasserelektrolyse problemlos genutzt, d.h. zur Bildung eines Sauerstoffprodukts verwendet werden kann. Die Erfindung ist insbesondere in Konstellationen vorteilhaft, in denen das Nebenprodukt Sauerstoff aus einer entsprechenden Elektrolyse an einem Standort mit Wasserstoff- und Sauerstoffbedarf verwendet wird, wie es beispielsweise in einem kombinierten Stahlwerk der Fall ist.
  • Die Nutzbarkeit von Elektrolysesauerstoff (Anodengas) wird herkömmlicherweise durch die Kontamination mit Wasserdampf beeinträchtigt. Es können jedoch auch weitere Verunreinigungen mit Wasserstoff oder Luft (also insbesondere Stickstoff bzw. anderen Luftkomponenten) auftreten. Die Einspeisung in eine Luftzerlegungsanlage, die Einrichtungen zur Entfernung entsprechender Komponenten aufweist, kann jedoch unabhängig vom Gehalt entsprechender Komponenten ohne Nachteil erfolgen. Die Vorteile ergeben sich aus der erhöhten Sauerstoffkonzentration, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung am Eintritt in eine Luftzerlegungsanlage erzielt werden kann. Dies gilt ungeachtet der ggf. vorhandenen Nebenkomponenten, sofern diese einen ähnlichen Charakter aufweisen wie die in atmosphärischer Luft vorhandenen Komponenten wie Wasserdampf und Stickstoff.
  • In einer möglichen technischen Lösung, die erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft angesehen wird, kann dabei der Elektrolysesauerstoff (Anodengas) der Einsatzluft für die Luftzerlegung stromauf des Hauptluftverdichters einer Luftzerlegungsanlage beigemischt werden. Im Hauptluftverdichter wird die auf dieser Weise mit Sauerstoff angereicherte Luft verdichtet, danach in der Trocknungs- und Reinigungseinheit getrocknet, von Verunreinigungen befreit und weiter wie konventionelle Luft und zusammen mit dieser zerlegt. Der Vorteil dieses Verfahrens wird darin gesehen, dass praktisch keine Änderungen an der Luftzerlegungseinrichtung und geringe Investitionskosten erforderlich sind.
  • Ein entsprechendes Verfahren umfasst also, Wasser unter Erhalt eines wasserstoffreichen und eines sauerstoffreichen Elektrolyseprodukts (Kathodengas und Anodengas) einer Elektrolyse zu unterwerfen und das sauerstoffreiche Elektrolyseprodukt (Anodengas) einer kryogenen Luftzerlegung zu unterwerfen, wobei das sauerstoffreiche Elektrolyseprodukt (Anodengas) vorteilhafterweise einer Verdichtung unterworfen wird, welcher insbesondere auch der Luftzerlegung unterworfene Einsatzluft zugeführt wird. Insbesondere kann das sauerstoffreiche Elektrolyseprodukt, vorteilhafterweise zusammen mit der Einsatzluft, einer Trocknung und ggf. Kohlendioxidentfernung (wobei das zu entfernende Kohlendioxid aus der Einsatzluft stammt) unterworfen werden.
  • 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. Es wird daher hier zu weiteren Details auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Die Tieftemperaturzerlegung erfolgt auf kryogenen Temperaturniveaus, d.h. auf Temperaturen von unter -100 °C, insbesondere unter -150 °C, in einem entsprechend ausgebildeten Destillations- bzw. Rektifikationssäulensystem.
  • Der Begriff „Gasprodukt“ soll sich im hier verstandenen Zusammenhang auf ein Fluid beziehen, das zumindest teilweise durch Tieftemperaturzerlegung von atmosphärischer Luft bereitgestellt wird. Ein entsprechendes Gasprodukt weist ein oder mehrere in der atmosphärischen Luft enthaltene Luftgase in einer abweichenden Zusammensetzung als in der atmosphärischen Luft auf. Ein entsprechendes Gasprodukt kann grundsätzlich in gasförmigem, flüssigem oder überkritischem Zustand vorliegen und von einem dieser Zustände in einen anderen überführt werden. Insbesondere kann ein flüssiges Gasprodukt durch Erwärmen auf einem bestimmten Druck in den gasförmigen Zustand überführt („verdampft“) oder in den überkritischen Zustand überführt („pseudoverdampft“) werden, je nachdem, ob der Druck bei der Erwärmung unterhalb oder oberhalb des kritischen Drucks liegt.
  • Luftzerlegungsanlagen weisen die bereits erwähnten Destillationssäulensysteme auf, die herkömmlicherweise als Zweisäulensysteme, insbesondere als klassische Linde-Doppelsäulensysteme, ausgebildet sind, aber auch als Drei- oder Mehrsäulensysteme ausgebildet sein können. Neben den Destillationssäulen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Destillationssäulen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Destillationssäulen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein. Häufig werden hierbei die Begriffe „Rektifikation“ und „Destillation“ sowie „Kolonne“ und „Säule“ bzw. hieraus zusammengesetzte Begriffe synonym verwendet.
  • Die Destillationssäulen der genannten Destillationssäulensysteme werden auf unterschiedlichen Druckniveaus betrieben. Bekannte Doppelsäulensysteme weisen eine sogenannte Hochdrucksäule (auch als Drucksäule, Mitteldrucksäule oder untere Säule bezeichnet) und eine sogenannte Niederdrucksäule (auch als obere Säule bezeichnet) auf. Die Hochdrucksäule wird typischerweise auf einem Druckniveau von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdrucksäule wird auf einem Druckniveau von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Destillationssäulen auch höhere Druckniveaus eingesetzt werden. Bei den hier jeweils angegebenen Druckniveaus handeln es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Säulen.
  • Zur Luftzerlegung können sogenannte Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren oder sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-)Verfahren eingesetzt werden. Bei den Hauptverdichter/Nachverdichter-Verfahren handelt es sich um die eher konventionelleren Verfahren, Hochluftdruck-Verfahren kommen zunehmend in jüngerer Zeit als Alternativen zum Einsatz. Die vorliegende Erfindung eignet sich für beide Varianten der Luftzerlegung und eine Vielzahl von Verfahrensvarianten und ist nicht auf eine spezifische Art der Luftzerlegung beschränkt. Im Rahmen der Erfindung kann eine Vielzahl von Luftprodukten beliebiger Art hergestellt werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann bei Luftzerlegungsanlagen mit sogenannter Innenverdichtung (IV, Internal Compression, IC) zum Einsatz kommen, insbesondere wenn das Anodengas stromauf der Luftverdichtung der Einsatzluft zugespeist wird. Bei der Innenverdichtung wird wenigstens ein gasförmiges, druckbeaufschlagtes Gasprodukt, das mittels der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, dadurch gebildet, dass dem Rektifikationskolonnensystem ein tiefkaltes, flüssiges Luftprodukt entnommen, einer Druckerhöhung auf einen Produktdruck unterworfen, und auf dem Produktdruck durch Erwärmen in den gasförmigen oder überkritischen Zustand überführt wird.
  • Beispielsweise können mittels Innenverdichtung gasförmiger, druckbeaufschlagter Sauerstoff (GOX IV, GOX IC) gasförmiger, druckbeaufschlagter Stickstoff (GAN IV, GAN IC) und/oder gasförmiges, druckbeaufschlagtes Argon (GAR IV, GAR IC) erzeugt werden. Die Innenverdichtung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einer alternativ möglichen externen Verdichtung und ist z.B. bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.2, „Internal Compression“, erläutert. Anlagen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der eine Innenverdichtung zum Einsatz kommt, sind auch beispielsweise in der US 2007/0209389 A1 und in der WO 2015/127648 A1 gezeigt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch insbesondere in Verfahren zum Einsatz kommen, in denen ein sauerstoffreiches Gasprodukt (auch) extern verdichtet wird, und zwar in einem sogenannten Produktverdichter. In diesem Fall kann ggf. das Anodengas gebildetem gasförmigen Sauerstoff vor dessen Verdichtung zugespeist werden.
  • Erfindungsgemäß, und in der Sprache der Patentansprüche, wird ein Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts vorgeschlagen, bei dem Einsatzluft in einer Luftzerlegungsanlage einer Aufbereitung, Abkühlung und Tieftemperaturrektifikation unterworfen wird, und bei dem das Gasprodukt unter Verwendung eines in der Tieftemperaturrektifikation gebildeten sauerstoffreichen Fluids bereitgestellt wird. Unter „sauerstoffreich“ wird dabei jeweils ein Gehalt von Sauerstoff von mehr als 90 %, insbesondere mehr als 96 %, mehr als 99 % oder mehr als 99,9 % auf Volumenbasis verstanden. Die Einsatzluft weist insbesondere die Zusammensetzung atmosphärischer Luft auf. Das in der Tieftemperaturrektifikation gebildete sauerstoffreiche Fluid kann insbesondere Flüssigkeit oder Gas sein, die bzw. das einem unteren Bereich, insbesondere dem Sumpf, einer bekannten und in üblicher Weise betriebenen Niederdrucksäule eines entsprechenden Destillationssäulensystems entnommen wird. Falls eine Flüssigkeit vorliegt, kann diese insbesondere im Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage verdampft werden. Es kann eine Innenverdichtung oder externe Verdichtung verwendet werden.
  • Erfindungsgemäß wird das sauerstoffreiche Gasprodukt ferner unter Verwendung von mittels Wasserelektrolyse gebildetem Sauerstoff und Wasser enthaltendem Anodengas bereitgestellt, das ebenfalls der Luftzerlegungsanlage zugeführt wird. Die Wasserelektrolyse ist damit ebenfalls Teil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens und wird auf an sich bekannte Weise zur Bereitstellung von Wasserstoff verwendet. Es versteht sich, dass nicht das gesamte Anodengas zur Bereitstellung des sauerstoffhaltigen Gasprodukts verwendet werden muss, wenn nachfolgend davon die Rede ist, dass „das Anodengas“ entsprechend verwendet wird.
  • Besondere Vorteile, die bereits zuvor erläutert wurden und insbesondere in der einfachen Aufreinigung bestehen, bestehen in einer vorgeschlagenen Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem das Anodengas zusammen mit der Einsatzluft der Luftzerlegungsanlage zugeführt wird.
  • Die Aufbereitung umfasst dabei insbesondere eine Verdichtung und eine Entfernung von Wasser und Kohlendioxid stromab der Verdichtung, wobei das Anodengas stromauf der Verdichtung mit der Einsatzluft vereinigt wird. Auch die diesbezüglichen Vorteile wurden bereits erläutert. Diese umfassen insbesondere, dass die ansonsten störenden Komponenten aus dem Anodengas einfach entfernt werden können.
  • Eine alternative Ausgestaltung umfasst, dass das in der Tieftemperaturrektifikation gebildete sauerstoffreiche Fluid einer Produktverdichtung unterworfen wird, wobei das Anodengas stromauf der Produktverdichtung mit dem in der Tieftemperaturrektifikation gebildeten sauerstoffreichen Fluid vereinigt wird.
  • In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann das Anodengas auch in die Niederdrucksäule der Luftzerlegungsanlage eingespeist werden. Auf diese Weise kann insbesondere, nach einer vorab erfolgenden Trocknung und Entfernung von Kohlendioxid, eine Stickstoffkontamination entfernt werden.
  • Wie erwähnt, wird insbesondere ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem mittels der Wasserelektrolyse ein Wasserstoff enthaltendes Anodengas gebildet und zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Gasprodukts verwendet wird.
  • Das Anodengas kann insbesondere jeweils mehr als 80 % Sauerstoff und Wasser in einem jeweils von Temperatur und Druck abhängigen Gehalt aufweisen. Der absolute Wassergehalt kann generell bei 0,1 bis 20 vol.-%, beispielsweise bei 0,1 bis 5 vol.-% bei 10 bis 50 bar und 20 bis 50°C oder bei 5 bis 20 vol.-% bei 1 bis 5 bar und 20 bis 50°C, in konkreteren Beispielen bei 0,25 vol.-% bei 40 bar und 46°C oder bei 10 vol.-% bei 1 bar und 46°C liegen. Der Wassergehalt lässt sich dabei vorteilhafterweise auch in Form der relativen Feuchte ausdrücken, wie sie für den Wassergehalt der atmosphärischen Luft üblich ist, also bezogen auf den für die Temperatur und Druck vorliegenden Taupunkt von Wasser, hier in Sauerstoff bzw. dem Anodengas. Die relative Feuchte kann bis zu 100% betragen.
  • Des Weiteren kann das Anodengas Wasserstoff, Stickstoff, andere vorhandene Luftgase sowie Bestandteile der im Wasser gelösten Stoffe (die Qualität des Deionats entspricht vorteilhafterweise mindestens ASME 2) enthalten. Das Sauerstoffprodukt und auch das Anodengas bzw. ein entsprechendes Gasprodukt können einem Stahlwerk zugeführt werden. Eine Verwendung ist aber auch beispielsweise in einem Prozess zur Herstellung und/oder Umsetzung chemischer Verbindungen und/oder einer Oxyfuelanwendung möglich, sowie in Raffinerien oder beispielsweise zur Wasserbehandlung.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann in der Wasserelektrolyse ein flüssiger Elektrolyt wie beispielsweise Kaliumhydroxid in einem Gehalt von beispielsweise 30% eingesetzt werden, und die Einsatzluft kann in der Luftzerlegungsanlage mit Kühlwasser gekühlt werden. Das Kühlwasser kann in dieser Ausgestaltung auch für die Kühlung des flüssigen Elektrolyten in der Wasserelektrolyse verwendet werden. Auf diese Weise kann auf eine separate Kühlung des Elektrolyten verzichtet werden.
  • Auch sämtliche anderen Elektrolysetechniken, die bereits einleitend erwähnt wurden und hier der Übersichtlichkeit halber nicht erneut aufgeführt werden, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft mit einer Luftzerlegungsanlage kombiniert werden. Im Gegensatz zur klassischen alkalischen Elektrolyse ist bei den bei höheren Temperaturen ablaufenden Elektrolyseverfahren (PEM- und Dampfelektrolyse) typischerweise eine Kühlung des Elektrolyts in der erläuterten Weise nicht möglich, jedoch muss typischerweise das Produkt gekühlt werden, was grundsätzlich in der erläuterten Weise mit dem Kühlwasser erfolgen kann. Bei der PEM-Elektrolyse werden typischerweise auch der kathodenseitge, interne Wasserkreislauf und die Leistungselektronik aktiv gekühlt. Auch an diesen Stellen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung des Kühlwassers für die Einsatzluft auf eine separate Kühlung des Elektrolyseurs verzichtet werden.
  • Allgemeiner kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, eine Komponente oder ein Medium in der Luftzerlegungsanlage, insbesondere die Einsatzluft, und eine Komponente oder ein Medium in der Wasserelektrolyse, insbesondere einen Elektrolyten, ein Produkt oder die erwähnte Leistungselektronik, unter Verwendung einer gemeinsamen Kühlmittelversorgung, insbesondere mit gemeinsam verwendetem Kühlwasser in einem oder mehreren Kreisläufen, zu kühlen. Auf diese Weise erhöht sich die Synergie.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann in der Luftzerlegungsanlage Stickstoff (d.h. ein stickstoffreiches uns beispielsweise mehr als 90% Stickstoff enthaltendes Fluid) gebildet werden, wobei der in der Luftzerlegungsanlage gebildete Stickstoff zumindest zu einem Teil in der Wasserelektrolyse verwendet wird. Die Verwendungszwecke sind beliebig und erhöhen ebenfalls die wechselseitige Synergie.
  • Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anordnung zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts, mit einer Luftzerlegungsanlage, die dafür eingerichtet ist, Einsatzluft einer Aufbereitung, Abkühlung und Tieftemperaturrektifikation zu unterwerfen, und die dafür eingerichtet ist, das Gasprodukt unter Verwendung eines in der Tieftemperaturrektifikation gebildeten sauerstoffreichen Fluids bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß weist die Anordnung eine Elektrolyseeinrichtung auf und ist dafür eingerichtet, das sauerstoffreiche Gasprodukt ferner unter Verwendung von mittels einer Wasserelektrolyse in der Elektrolyseeinrichtung gebildetem, Sauerstoff und Wasser enthaltendem Anodengas bereitzustellen und das Anodengas oder einen Teil davon hierzu ebenfalls der Luftzerlegungsanlage zuzuführen.
  • Zu Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß vorgesehenen Anordnung sei auf die obigen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Varianten erläuterten Merkmalen und Vorteilen ausdrücklich verwiesen. Dies gilt auch für eine Anlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die zur Durchführung eines Verfahrens ausgestaltet ist, wie es zuvor erläutert wurde, bzw. einer entsprechenden Ausgestaltung hiervon.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegenüber dem Stand der Technik weiter erläutert.
  • Figurenliste
    • In 1 ist eine Anordnung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung in vereinfachter Darstellung veranschaulicht.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 veranschaulicht eine Anordnung 100 mit einer Luftzerlegungsanlage 10 und einer Elektrolyseeinheit 20, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann.
  • Eine Luftzerlegungsanlage 10 der gezeigten Art ist, wie erwähnt, vielfach an anderer Stelle beschrieben, beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, „Cryogenic Rectification‟. Für detaillierte Erläuterungen zu Aufbau und Funktionsweise sei daher auf entsprechende Fachliteratur verwiesen. Eine Luftzerlegungsanlage zum Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein. Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausgestaltung beschränkt.
  • Zur Wasserelektrolyse und entsprechenden Elektrolyseeinheiten 20 wird insbesondere auf den bereits eingangs zitierten Artikel „Hydrogen‟ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 15. Juni 2000, DOI: 10.1002/14356007.a13_297, insbesondere Abschnitt 4.2, „Electrolysis‟, verwiesen.
  • Teil der veranschaulichten Luftzerlegungsanlage 10 sind ein Hauptluftverdichter 1, eine Vorkühleinrichtung 2, eine Reinigungseinrichtung 3, eine Nachverdichteranordnung 4, ein Hauptwärmetauscher 5, eine Entspannungsturbine 6, eine Drosseleinrichtung 7, eine Pumpe 8 und ein Destillationssäulensystem 9. Das Destillationssäulensystem 9 umfasst im dargestellten Beispiel eine klassische Doppelsäulenanordnung aus einer Hochdrucksäule und einer Niederdrucksäule sowie eine Rohargonsäule und eine Reinargonsäule. Diese Säulen können fachüblich ausgebildet sein und sind hier nicht gesondert mit Bezugszeichen versehen.
  • In der Luftzerlegungsanlage 100 wird ein Einsatzluftstrom 101 mittels des Hauptluftverdichters 1 über ein nicht bezeichnetes Filter angesaugt und verdichtet. Der verdichtete Einsatzluftstrom wird der mit Kühlwasser betriebenen Vorkühleinrichtung 2 zugeführt. Der vorgekühlte Einsatzluftstrom wird in der Reinigungseinrichtung 3 aufgereinigt. In der Reinigungseinrichtung 3, die typischerweise ein Paar von im Wechselbetrieb eingesetzten Adsorberbehältern umfasst, wird der vorgekühlte Einsatzluftstrom weitgehend von Wasser und Kohlendioxid befreit.
  • Stromab der Reinigungseinrichtung 3 wird der Einsatzluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt. Einer der Teilströme wird auf dem Druckniveau des Einsatzluftstroms in dem Hauptwärmetauscher 5 vollständig abgekühlt. Der andere Teilstrom wird in der Nachverdichteranordnung 4 nachverdichtet und ebenfalls im Hauptwärmetauscher 5 abgekühlt, jedoch nur auf ein Zwischentemperaturniveau. Dieser sogenannte Turbinenstrom wird nach der Abkühlung auf das Zwischentemperaturniveau mittels der Entspannungsturbine 6 auf das Druckniveau des vollständig abgekühlten Teilstroms entspannt, mit diesem vereinigt, und in die Hochdrucksäule des Destillationssäulensystems eingespeist.
  • Wie erwähnt, sind auch beliebige andere Verschaltungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Wesentlich ist, dass Einsatzluft einer Aufbereitung, die eine Verdichtung und eine Aufreinigung umfasst, unterworfen wird, und dass die Einsatzluft nach einer sich anschließenden Abkühlung einer Tieftemperaturrektifikation unterworfen wird. Der Betrieb des Destillationssäulensystems 9 kann in beliebiger, jedoch an sich bekannter Weise erfolgen und wird daher nicht explizit erläutert. Beispielsweise kann die Anordnung der Destillationssäulen auch abweichend von einer bekannten Doppelsäulenanordnung vorgenommen und auf eine Argongewinnung mittels entsprechender Destillationssäulen verzichtet werden.
  • In dem Destillationssäulensystems 9 wird ein sauerstoffreiche flüssige Sumpffraktion gebildet, die als Stoffstrom 102 teilweise in der Pumpe 8 flüssig auf Druck gebracht, in dem Hauptwärmetauscher 5 erwärmt, und als sauerstoffreiches Gasprodukt bereitgestellt wird. Zu weiteren Stoffströmen, die zwischen den Destillationssäulen des Destillationssäulensystems 9 und aus diesem, insbesondere durch den Hauptwärmetauscher 5, herausgeführt werden, wird ausdrücklich auf die mehrfach zitierte Fachliteratur verwiesen. Anstelle der hier gezeigten Innenverdichtung kann auch eine Verdichtung des in gasförmigen Zustand überführten Stoffstroms 102 außerhalb der Luftzerlegungsanlage 10 erfolgen.
  • Der Elektrolyseeinheit 20, die hier stark schematisiert dargestellt ist, wird ein Wasserstrom 103 zugeführt. Bei der Wasserelektrolyse in der Elektrolyseeinheit 20 werden ein wasserstoffreiches Kathodengas 104 und ein sauerstoffreiches Anodengas 105 gebildet. Wie erwähnt, enthält das Anodengas 105 Wasser. Wird dieses, wie in Form eines gestrichelten Flusspfeils 105a veranschaulicht, dem Einsatzluftstrom 101 stromauf der Reinigungseinrichtung 2 und hier auch stromauf des Hauptluftverdichters 1 zugegeben, kann das Wasser in der Reinigungseinrichtung 3 entfernt werden und der Sauerstoff des Anodengases 105 auf einfache Weise in das Sauerstoffprodukt überführt werden. Bei Bereitstellung eines separaten Trockners 30 kann jedoch aus dem Anodengas, das diesem in Form eines gestrichelten Flusspfeils 105b zugeführt wird, Wasser unabhängig von der Reinigungseinrichtung 3 entfernt werden. Das Anodengas kann dabei auch dem Stoffstrom 102 zugespeist werden, insbesondere auch dann, wenn dieser extern mittels eines Produktverdichters verdichtet wird. Dies ist hier nicht gesondert veranschaulicht.
  • 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
    • US 2007/0209389 A1 [0018]
    • WO 2015/127648 A1 [0018]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Hydrogen‟ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 15. Juni 2000, DOI: 10.1002/14356007.a13_297 [0003]
    • H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, „Cryogenic Rectification‟ [0037]
    • „Hydrogen‟ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 15. Juni 2000, DOI: 10.1002/14356007.a13_297, insbesondere Abschnitt 4.2, „Electrolysis‟ [0038]

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts, bei dem einer Einsatzluft in einer Luftzerlegungsanlage (10) einer Aufbereitung, Abkühlung und Tieftemperaturrektifikation unterworfen wird, und bei dem das Gasprodukt unter Verwendung eines in der Tieftemperaturrektifikation gebildeten sauerstoffreichen Fluids bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffreiche Gasprodukt ferner unter Verwendung von mittels Wasserelektrolyse gebildetem, Sauerstoff und Wasser enthaltendem Anodengas bereitgestellt wird, das ebenfalls der Luftzerlegungsanlage (10) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Anodengases zusammen mit der Einsatzluft der Luftzerlegungsanlage (10) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Aufbereitung eine Verdichtung und eine Entfernung von Wasser und Kohlendioxid stromab der Verdichtung umfasst, wobei das Anodengas stromauf der Verdichtung mit der Einsatzluft vereinigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das in der Tieftemperaturrektifikation gebildete sauerstoffreiche Fluid einer Produktverdichtung unterworfen wird, wobei das Anodengas stromauf der Produktverdichtung mit dem in der Tieftemperaturrektifikation gebildeten sauerstoffreichen Fluid vereinigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Luftzerlegungsanlage (10) mit einer Niederdrucksäule verwendet wird, wobei das Anodengas in die Niederdrucksäule der Luftzerlegungsanlage eingespeist wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Anodengas separat zu der Einsatzluft zumindest von Wasser befreit wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mittels der Wasserelektrolyse ein Wasserstoff enthaltendes Anodengas gebildet und zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Gasprodukts verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Anodengas mehr als 80 % Sauerstoff und im verbleibebenden Rest zumindest Wasser in einer relativen Feuchte von bis zu 100% aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Sauerstoffprodukt einem Stahlwerk, einem Prozess zur Herstellung und/oder Umsetzung chemischer Verbindungen und/oder einem Verbrennungs- und/oder Oxyfuelprozess zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine Komponente oder ein Medium in der Luftzerlegungsanlage (10) und eine Komponente oder ein Medium in der Wasserelektrolyse (20) unter Verwendung einer gemeinsamen Kühlmittelversorgung gekühlt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in der Wasserelektrolyse (20) ein Elektrolyt eingesetzt und die Einsatzluft in der Luftzerlegungsanlage (10) mit Kühlwasser gekühlt wird, wobei das Kühlwasser für die Kühlung des Elektrolyten in der Wasserelektrolyse (20) verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in der Luftzerlegungsanlage (10) Stickstoff gebildet wird, wobei der in der Luftzerlegungsanlage (10) gebildete Stickstoff zumindest zu einem Teil in der Wasserelektrolyse (20) verwendet wird.
  13. Anordnung (100) zur Herstellung eines sauerstoffreichen Gasprodukts, mit einer Luftzerlegungsanlage (10), die dafür eingerichtet ist, Einsatzluft einer Aufbereitung, Abkühlung und Tieftemperaturrektifikation zu unterwerfen und das Gasprodukt unter Verwendung eines in der Tieftemperaturrektifikation gebildeten sauerstoffreichen Fluids bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (100) eine Elektrolyseeinrichtung (20) umfasst und dafür eingerichtet ist, das sauerstoffreiche Gasprodukt ferner unter Verwendung von mittels Wasserelektrolyse in der Elektrolyseeinrichtung (20) gebildetem, Sauerstoff und Wasser enthaltendem Anodengas bereitzustellen und das Anodengas hierzu ebenfalls der Luftzerlegungsanlage (10) zuzuführen.
  14. Anordnung (100) nach Anspruch 13, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.
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