DE19621881C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Inertgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Erzeugen von Inertgas.

Als Inertgas verwendet man in der Regel Stickstoff, des­ sen Erzeugung allerdings energetisch aufwendig ist.

Ferner ist es bekannt, Inertgas aus Rauchgas zu erzeu­ gen.

So beschreibt die US-PS 3 579 308 ein Verfahren, bei dem einer Verbrennungskraftmaschine ein katalytischer Reaktor nachgeschaltet ist. An diesen schließen sich drei Behand­ lungsstufen an, jeweils bestehend aus einem Kühler, einem diesem nachgeschalteten Abscheider und einem daran an­ schließenden Kompressor. Der Kompressor der letzten Stufe liefert das Inertgas unter hohem Druck an den Verbraucher.

Die GB 2 265 555 offenbart ein Verfahren, bei dem das Abgas eines Dieselmotors durch einen Kühler, anschließend durch einen Abscheider und sodann durch zwei Verdichtungs­ stufen geführt wird, zwischen denen ein weiterer Abscheider vorgesehen ist. Jede Verdichterstufe arbeitet mit Zwischen- und Endkühlung.

Aus der EP 0 100 074 A1 ist es bekannt, das Abgas einer Verbrennungseinrichtung einer Reinigung zu unterziehen und sodann durch eine erste Kühlstufe, eine Trocknungsstufe, eine Verdichtungsstufe und anschließend durch eine zweite Kühlstufe zu führen.

Die DD-PS 202 395 schließlich beschreibt ein Verfahren, bei dem die Verbrennungsabgase durch vier einander direkt nachgeschaltete Kühlstufen geführt werden, woraufhin eine Wiedererwärmung erfolgen kann, für die die Wärme der Ver­ brennungsabgase genutzt wird.

Bei allen diesen bekannten Verfahren läßt die Reinheit des Inertgases zu wünschen übrig, ganz abgesehen davon, daß der energetische Aufwand hoch ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine energetisch günstige Möglichkeit zum Erzeugen von Inertgas hoher Reinheit zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem Verfahren nach der Erfindung aus einer Verbrennungseinrichtung stammendes Rauchgas nacheinander durch folgende Behandlungsschritte ge­ führt:

• - Mindestens eine erste und eine anschließende zweite Kühlstufe,
• - eine dritte Kühlstufe, in der das Rauchgas auf Druck­ taupunktnähe gekühlt wird,
• - eine erste Erwärmungsstufe im Wärmeaustausch mit der ersten Kühlstufe,
• - eine Verdichtungsstufe,
• - eine vierte Kühlstufe, in der das Rauchgas erneut auf Drucktaupunktnähe gekühlt wird, und
• - eine zweite Erwärmungsstufe im Wärmeaustausch mit der zweiten Kühlstufe.

Anschließend gelangt das auf diese Weise erzeugte Inert­ gas zu einem Verbraucher und/oder zu einem Speicherbehälter.

Das Verfahren ist einfach und energetisch günstig, da die Wärme für die erforderlichen Erwärmungsschritte von dem mit hoher Temperatur anfallenden, ungereinigten Rauchgas ge­ liefert wird. Durch die starke Abkühlung in der dritten und in der vierten Kühlstufe werden die auskondensierbaren Ver­ unreinigungen aus dem Rauchgas entfernt, und zwar mit großer Zuverlässigkeit. Da diese starke Abkühlung zweistufig durch­ geführt wird, erzielt man ein extrem reines Inertgas. Das Aufheizen vor der zweiten starken Kühlung liefert der Ver­ dichter, der erforderlich ist, um das Inertgas auf den vom Verbraucher benötigten Enddruck zu bringen. Das ungereinigte Rauchgas fällt nur mit geringem Überdruck an.

Vorzugsweise wird folgende Temperaturführung gewählt. In der ersten Kühlstufe wird das Rauchgas auf etwa 40°C ge­ kühlt und in der zweiten Kühlstufe auf ca. 20-30°C. In der dritten Kühlstufe findet eine Abkühlung auf ca. 2-5°C statt. Durch den Wärmeaustausch in der ersten Kühlstufe ge­ langt das gereinigte Gas auf ca. 20°C. Es tritt mit dieser Temperatur in die Verdichtungsstufe ein und verläßt letztere mit ca. 160°C. In der vierten Kühlstufe findet wiederum eine Abkühlung auf ca. 2-5°C statt. Anschließend wird das gereinigte Gas durch Wärmeaustausch mit der zweiten Kühl­ stufe auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt. Es steht sodann dem Verbraucher bei dieser Temperatur mit einem Druck von ca. 10 bar zur Verfügung.

Vorteilhafterweise sind die dritte und/oder die vierte Kühlstufe als Wasch-Trockenstufen ausgelegt, da diese einen besonders günstigen Reinigungswirkungsgrad erzielen.

Sofern die vierte Kühlstufe als Wasch-Trockenstufe aus­ gelegt ist, schaltet man dieser Stufe vorzugsweise eine Zwischen-Kühlstufe vor, um die Gefahr einer Überhitzung durch das mit relativ hoher Temperatur aus dem Verdichter kommende Gas zu vermindern. In der Zwischen-Kühlstufe redu­ ziert sich die Temperatur des Gases auf ca. 40°C.

Ferner ist es vorteilhaft, mindestens einer der Wasch- Trockenstufen eine vorzugsweise mit einem Kondensatauslaß vorgesehene Filterstufe nachzuschalten.

Ferner kann zur Erhöhung der Reinigungsleistung minde­ stens einer der Filterstufen eine mechanische Abscheiderstu­ fe nachgeschaltet sein, wobei letztere vorzugsweise von einer Überwachungseinrichtung gesteuert wird.

Die Vorrichtung nach der Erfindung weist zur Lösung der gestellten Aufgabe folgende Merkmale auf:

• - Mindestens einen ersten und einen nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher, deren erste Strömungswege vom unge­ reinigten Abgas durchströmt werden,
• - einen ersten Waschtrockner, dessen Einlaß mit dem Aus­ laß des ersten Strömungswegs des zweiten Wärmetauschers und dessen Auslaß mit dem Einlaß des zweiten Strömungswegs des ersten Wärmetauschers in Verbindung steht,
• - einen Verdichter, dessen Einlaß mit dem Auslaß des ersten Waschtrockners in Verbindung steht, und - einen dem Verdichter nachgeschalteten zweiten Waschtrockner, dessen Auslaß mit dem Einlaß des zweiten Strömungswegs des zweiten Wärmetauschers in Verbindung steht, wobei der Auslaß dieses zweiten Strömungswegs mit einem Verbraucher und/oder einem Speicherbehälter verbunden ist.

Die Haupt-Reinigungsarbeit leistet der erste Waschtrock­ ner. Der zweite verrichtet im wesentlichen die Feinarbeit. Durch die Wasserdampfabscheidung im ersten Waschtrockner wird das Gasvolumen um ca. 15-17% vermindert. Da dies vor der Verdichtung geschieht, kann die Leistung des Verdichters entsprechend gesenkt werden. Nach dem ersten Waschtrockner besteht die wenn auch geringe Möglichkeit, daß das Gas noch Flüssigkeitströpfchen enthält. Diese können den Verdichter jedoch nicht nachteilig beeinflussen, da das Gas vorher durch Wärmeaustausch im ersten Wärmetauscher soweit erwärmt wird, daß die Tröpfchen verdampfen.

Vorzugsweise ist dem zweiten Waschtrockner ein Zwischen­ kühler vorgeschaltet, um die Temperatur des aus dem Verdich­ ter kommenden Gases zu senken und dadurch die Gefahr einer Überhitzung des zweiten Waschtrockners zu vermindern.

Vorteilhafterweise ist mindestens einem der Waschtrock­ ner ein vorzugsweise mit einem automatischen Kondensatauslaß versehener Filter nachgeschaltet. Zusätzlich dazu kann es vorteilhaft sein, mindestens einem der Filter einen mechani­ schen Abscheider nachzuschalten. Beide Maßnahmen dienen der Erhöhung der Reinheit des Inertgases.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der mechanische Abscheider eine Niveauüberwachung aufweist. Diese spricht auf dem Grad der Kondensatabscheidung an und erhöht die Sicherheit des Systems, und zwar insbesondere in der Anlaufphase. Dies ist bei solchen Systemen nicht unwich­ tig, die mit häufigen Stillstandszeiten arbeiten.

Bei dem mechanischen Abscheider handelt es sich vorzugs­ weise um einen Zentrifugalabscheider.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Fließschema des Prozesses.

Das Rauchgas steht mit 200°C und 0,1 bar zur Verfügung. Es wird zuerst durch einen vorgeschalteten Kühler 1 geleitet und passiert sodann einen ersten Wärmetauscher 2 und an­ schließend einen zweiten Wärmetauscher 3. In diesen Wärme­ tauschern gibt es Wärme an das vorgereinigte bzw. endgerei­ nigte Gas ab.

An den zweiten Wärmetauscher 3 schließt sich ein erster Waschtrockner 4 an, in dem das Gas auf Drucktaupunktnähe ge­ kühlt und dabei gereinigt wird. Anschließend passiert das Gas ein mit einem Schwimmerventil ausgerüstetes Filter 5 und gelangt sodann zu seiner Wiedererwärmung in den ersten Wär­ metauscher 2. Hinter dem Wärmetauscher 2 ist ein mechanischer Abscheider 5a mit Niveauüberwachung und Kondensatsammelbehälter angeordnet, im vorliegenden Fall ein Zentrifugalabscheider.

Für die erforderliche Druckerhöhung sorgt ein Verdichter 6, an den sich ein Zwischenkühler 7 anschließt. Die Endreinigung erfolgt in einem zweiten Waschtrockner 8 und einem daran anschließenden Filter 9, das mit einem automatischen Kondensatablaß versehen ist. Schließlich wird das stark abgekühlte Inertgas im zweiten Wärmetauscher 3 wieder auf Umgebungstemperatur gebracht.

An den zweiten Wärmetauscher 3 schließen sich Überwa­ chungs- und Sicherheitsorgane an, nämlich ein Druckschalter 10 für den Enddruck des Spiralverdichters und ein Druck­ schalter 11 zur Mindestdruck-Überwachung. Es folgen ein stromlos offenes Magnetventil 12, ein Druckreduzierventil 13, ein Rückschlagventil 14 und ein Manometer 15. Den Ab­ schluß bildet ein Kugelhahn 16. Dessen Auslaß führt zum Ver­ braucher.

Über einen weiteren Kugelhahn 17 kann das Inertgas in einem Druckbehälter 18 gespeichert werden. Dieser ist mit einem Sicherheitsventil 19, einem Manometer 20 und einem Kondensatablaßhahn 21 versehen.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög­ lichkeiten gegeben. So kann die erste Kühlstufe durchaus mehrstufig ausgebildet sein. Ferner kommen anstelle der Waschtrockner auch andere Kühl- und Reinigungseinrichtungen in Frage, die in der Lage sind, das Gas bis auf Drucktau­ punktnähe abzukühlen. Auch die übrigen Kühlstufen können mehrstufig ausgebildet sein. Ferner besteht die Möglichkeit, an beliebigen Stellen des Prozesses weitere Filter oder Ab­ scheider einzuschalten. Allerdings hat es sich gezeigt, daß die beschriebene Anlage mit ausreichender Zuverlässigkeit Inertgas in hoher Reinheit erzeugt.

Claims (12)

1. Verfahren zum Erzeugen von Inertgas, bei dem aus einer Verbrennungseinrichtung stammendes Rauchgas nacheinander durch folgende Behandlungsschritte geführt wird:

• 1. - Mindestens eine erste und eine anschließende zweite Kühlstufe,
• 2. - eine dritte Kühlstufe, in der das Rauchgas auf Druck­ taupunktnähe gekühlt wird,
• 3. - eine erste Erwärmungsstufe im Wärmeaustausch mit der ersten Kühlstufe,
• 4. - eine Verdichtungsstufe,
• 5. - eine vierte Kühlstufe, in der das Rauchgas erneut auf Drucktaupunktnähe gekühlt wird, und
• 6. - eine zweite Erwärmungsstufe im Wärmeaustausch mit der zweiten Kühlstufe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte und/oder die vierte Kühlstufe Waschtrocken­ stufen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vierten Kühlstufe bei Ausbildung als Waschtrocken­ stufe eine Zwischen-Kühlstufe vorgeschaltet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einer der Wasch-Trockenstufen eine vorzugsweise mit einem Kondensatauslaß versehene Filterstufe nachgeschaltet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Filterstufen eine mechanische Ab­ scheiderstufe nachgeschaltet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Abscheiderstufe von einer Überwachungs­ einrichtung gesteuert wird.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit

• 1. - mindestens einem ersten und einem nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher (2, 3), deren erste Strömungswege vom ungereinigten Gas durchströmt werden,
• 2. - einem ersten Waschtrockner (4), dessen Einlaß mit dem Auslaß des ersten Strömungswegs des zweiten Wärmetauschers (3) und dessen Auslaß mit dem Einlaß des zweiten Strömungs­ wegs des ersten Wärmetauschers (2) in Verbindung steht,
• 3. - einem Verdichter (6), dessen Einlaß mit dem Auslaß des ersten Waschtrockners (4) in Verbindung steht, und
• 4. - einem dem Verdichter (6) nachgeschalteten zweiten Waschtrockner (8), dessen Auslaß mit dem Einlaß des zweiten Strömungswegs des zweiten Wärmetauschers (3) in Verbindung steht, wobei der Auslaß dieses zweiten Strömungswegs mit einem Verbraucher und/oder einem Speicherbehälter (18) ver­ bunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Waschtrockner (8) ein Zwischenkühler (7) vorgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens einem der Waschtrockner (4, 8) ein vorzugsweise mit einem automatischen Kondensatauslaß verse­ hener Filter (5, 9) nachgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Filter (5) ein mechanischer Ab­ scheider (5a) nachgeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der mechanische Abscheider (5a) eine Niveauüberwa­ chung aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mechanische Abscheider (5a) ein Zen­ trifugalabscheider ist.