DE3908505A1

DE3908505A1 - Verfahren zur gewinnung von fluessig-roheisen in einem einschmelzvergaser

Info

Publication number: DE3908505A1
Application number: DE3908505A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Voest Alpine Industrienlagenbau GmbH; Deutsche Voest Alpine Industrieanlagenbau GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH; Deutsche Voest Alpine Industrieanlagenbau GmbH
Priority date: 1988-03-15
Filing date: 1989-03-15
Publication date: 1989-09-28
Also published as: ATA70188A; AT389526B; JPH01275712A; DE3908505C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Flüssig-Roheisen in einem Schmelzreduktions prozeß mit Kohle, wobei die Vergasung der Kohle mittels Sauerstoff in einem Einschmelzvergaser erfolgt.

Für den Betrieb von Einschmelzvergasern ist es bekannt, Kohle geeigneter Körnung zur Aufrechterhaltung einer Kohle wirbelschicht in den Kopf eines Einschmelzvergasers einzu bringen, wobei diese Kohle vergast wird. Die Vergasungs reaktion erfordert zur Erzielung der gewünschten Schmelz temperatur Sauerstoff, wobei weitgehend reiner Sauerstoff, d.h. mit wenig Stickstoff, bei den üblicherweise angewandten Drücken in einem Einschmelzvergaser eingesetzt werden muß. Das Druckniveau in einem Einschmelzvergaser ist zumindest teilweise durch die Besonderheiten der Ausbringung des Schmelzbades vorgegeben und es können derartige Einschmelz vergaser nicht mit beliebig hohen Drücken betrieben werden, wenn gleichzeitig auf die Erfordernisse des Schmelzprozesses Rücksicht genommen werden soll. Einschmelzvergasungsprozesse, bei welchen gleichzeitig Flüssig-Roheisen gewonnen wird, erlauben es auch, minderwertige Kohlen einzusetzen, da es im Rahmen eines Einschmelzvergasungsprozesses möglich wird, im Einschmelzvergaser zumindest einen Teil der Entschwefelung durchzuführen. Es können somit die bei der Verbrennung und Vergasung von Kohle üblicherweise entstehenden Schwefel produkte weitestgehend innerhalb des Einschmelzvergasers selbst abgebunden werden, wodurch die Abgasbelastung ver ringert wird. Um zu verhindern, daß nennenswerte Anteile des Schwefels in das Roheisen gelangen, kann der Wirbelschicht Entschwefelungsmittel zugesetzt werden. Bei ausreichend basischer Schlacke kann S als CaS abgebunden werden. Bei den üblichen Einschmelzvergasungsprozessen wird das entstehende brennbare Vergasungsprodukt in kalorischen Maschinen bzw. Brennkammern für verschiedene Zwecke ausgenützt.

Üblicherweise wird innerhalb eines Einschmelzvergasers im Druckbereich bis maximal 8 bar, zumeist 4 bis 6 bar gearbeitet, um das Ausbringen der Schmelze nicht zu beein trächtigen. Ein auf diese Weise auf relativ niedrigem Druck niveau anfallendes Vergasungsprodukt läßt sich auch nach einer Nachverbrennung nicht ohne weiteres in energetisch günstigeren Prozessen zur Energieumwandlung heranziehen, so daß bei den bekannten Einrichtungen die Verwendung des Vergasungsproduktes auf einfache Verbrennungsprozesse zur Dampferzeugung od.dgl. beschränkt war.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen derartigen Schmelzreduktionsprozeß dahingehend zu verbessern, daß der Wirkungsgrad der Umwandlung in andere Energieformen ver bessert wird, und zielt insbesondere darauf ab, bei einem Einschmelzvergasungsprozeß unter Gewinnung von Roheisen elektrische Energie zu gewinnen. Die Erfindung nutzt hiebei die Besonderheiten des Einschmelzvergasungsprozesses für die Herstellung von Flüssig-Roheisen in bezug auf die Schwefel entsorgung und zielt weiters darauf ab, ein geschlossenes System zu schaffen, bei welchem auch der für die Einstellung der Temperaturen im Einschmelzvergaser erforderliche Sauer stoff unmittelbar innerhalb des Prozesses hergestellt werden kann. Sauerstoff mit einer Reinheit von etwa 90% erscheint für diese Zwecke ausreichend. Begleitender N₂ geht zwar im Roheisen in Lösung, dies ist jedoch von untergeordneter Bedeutung. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß das aus dem Einschmelzvergaser abge zogene Gas, gegebenenfalls nach einer Abkühlung unter gleich zeitiger Erzeugung von Dampf, einer Verdichtung unterworfen wird, daß das verdichtete Gas mit gesondert verdichteter Luft einer Brennkammer zugeführt und unter überatmosphärischem Druck verbrannt wird und daß die Abgase der Brennkammer über eine mit einem Generator gekuppelte Expansionsturbine ent spannt werden. Dadurch, daß das Vergasungsprodukt, d.h. das aus dem Einschmelzvergaser abgezogene Gas, gegebenenfalls nach einer Abkühlung unter gleichzeitiger Erzeugung von Dampf, einer Verdichtung unterworfen wird, wird hochwertiges Brenngas unter einem Druckniveau zur Verfügung gestellt, welches einen nachfolgenden Betrieb einer Expansionsturbine gestattet. Zu diesem Zweck wird das verdichtete Gas mit gesondert verdichteter Luft in einer Brennkammer unter über atmosphärischem Druck verbrannt und die Abgase dieser Brenn kammer können in einfacher Weise zur Energieumwandlung, insbesondere zur Erzeugung von elektrischer Energie heran gezogen werden, wobei eine mit einem Generator gekoppelte Expansionsturbine eingesetzt wird.

Die Anhebung des Druckniveaus bietet somit die Voraus setzungen für eine bessere Nutzung der im Einschmelzvergaser erzeugten Vergasungsprodukte, wobei die für die Verdichtung erforderliche Antriebsleistung durch die in der nachfolgenden Expansionsturbine erzeugte Wellenleistung überkompensiert wird.

Für die Verbrennung von Erdgas bzw. Öl sind kombinierte Einrichtungen bekanntgeworden, bei welchen ein Luftverdichter unmittelbar mit einer Expansionsturbine gekoppelt ist, wobei der Luftverdichter die für die Verbrennung von Erdgas bzw. Öl erforderliche Luftmenge auf das gewünschte Druckniveau bringt. Die Leistung einer Expansionsturbine hängt vom Massendurchsatz ab, und da der Heizwert von Erdgas relativ hoch ist, muß der Großteil der für den Betrieb der Expan sionsturbine erforderlichen Gasmenge durch Zufuhr von Druck luft sichergestellt werden. Das aus einem Einschmelz reduktionsprozeß abgezogene Vergasungsprodukt weist einen gegenüber Erdgas wesentlich geringeren Heizwert auf und es ist daher zur Erzielung der gewünschten Temperaturen eine größere Masse an Vergasungsprodukten des Einschmelzvergasers umzusetzen. Daraus resultiert, daß bei unveränderter Beibe haltung der für die Verbrennung von Erdgas bekannten Einrich tungen für den Betrieb der Gasturbine eine größere Gasmenge in der Zeiteinheit zur Verfügung steht, wenn die Luft verdichterleistung unverändert bleibt. Prinzipiell könnte unter Abänderung der bekannten Einrichtungen mit der Expan sionsturbine ein Luftverdichter geringerer Leistung gekoppelt werden. Dies erfordert aber wesentliche bauliche Veränderun gen und die Erfindung zielt nun darauf ab, unter Beibehaltung der bekannten Einrichtungen, auch diese Übermenge an ver dichteter Luft sinnvoll zu nutzen. Ausgehend von dem erfin derischen Verfahren wird zu diesem Zweck das Verfahren mit Vorteil so durchgeführt, daß der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte verdichtete Luft zumindest teilweise einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zugeführt wird. Es kann somit der für den unmittelbaren Betrieb der Expansionsturbine nicht erforderliche Anteil an Druckluft in besonders sinn voller Weise dahingehend genutzt werden, daß der für den Betrieb des Einschmelzvergasers gewünschte Sauerstoff inner halb der gleichen Anlage erzeugt wird, wofür mit Vorzug der in der Luftzerlegungsanlage erzeugte Sauerstoff als Ver gasungssauerstoff in den Einschmelzvergaser eingebracht wird.

Prinzipiell erscheint es besonders vorteilhaft, wenn das Verfahren so durchgeführt wird, daß aus der Brennkammer zuzu führender oder zugeführter verdichteter Luft der gesamte Luftbedarf der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zur Erzeugung des Vergasungssauerstoffes für den Einschmelz vergaser entnommen wird. Hiebei ist zu berücksichtigen, daß je nach gewünschter Sauerstoffmenge ein mehr oder minder großer Anteil an Druckluft dem mit der Expansionsturbine gekoppelten Verdichter bzw. der Brennkammer entnommen werden muß und die Entnahme derartiger Druckluft dadurch begrenzt ist, daß der für den wirtschaftlichen Betrieb der Expansions turbine geforderte Massendurchsatz nicht wesentlich unter schritten werden darf. Konventionelle Expansionsturbinen arbeiten auch im Teillastbereich noch mit relativ gutem Wirkungsgrad. Bei einer Reduktion der Last der Expansions turbine auf etwa 92% bleibt der Wirkungsgrad immer noch bei etwa 96% des Volllast-Wirkungsgrades und erst eine weitere Rücknahme der der Gasturbine zugeführten Menge und damit eine weitere Rücknahme der Last, führt zu stärkerem Absinken des Wirkungsgrades. In allen Fällen wird es somit zumindest möglich sein, die für die Luftzerlegung erforderliche Druck luft zumindest teilweise durch den von dem mit der Expan sionsturbine gekoppelten Verdichter erzeugten Druckluftanteil zu substituieren. Bei der Auslegung der Anlage kann die Luftzerlegungsanlage mit Rücksicht auf die Erfordernisse des Einschmelzvergasers dahingehend bezüglich der erforderlichen Druckluftmenge und damit Energieaufwand optimiert werden, daß der Vergasungssauerstoff als Unreinsauerstoff mit ca. 90 bis 98% Reinheit erzeugt wird. Es ist somit nicht erforderlich, hochreinen Sauerstoff für den Einschmelzvergaser herzu stellen, wodurch die geforderte Druckluftmenge für die Luftzerlegungsanlage minimiert werden kann.

Wenn im Zuge einer derartigen Schmelzreduktion unter Erzeugung von Flüssig-Roheisen nachgeschaltete Stahl erzeugungsprozesse vorgesehen sind, kann der in diesen Prozessen geforderte Reinsauerstoff in kostengünstigerer Weise auf anderem Wege als durch Tieftemperatur-Rektifikation erzielt werden, wofür mit Vorteil das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet wird, daß zur Herstel lung von hochreinem Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 98%, insbesondere ca. 99,5%, ein Teilstrom des in der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage erzeugten Sauerstoffes einer Druckwechsel-Adsorptionsanlage zugeführt wird und von Stickstoff befreit wird. Da für den Einschmelzvergasungs prozeß eine wesentlich geringere Reinheit des Sauerstoffes für die Einstellung der für die Vergasung und den Einschmelz vorgang erforderlichen Parameter ausreicht, kann vorzugsweise der im Rahmen einer derartigen weiteren Reinigung des Sauer stoffes in einer Druckwechseladsorptionsanlage anfallende stickstoffangereicherte Desorptionsstrom aus der Druck wechsel-Adsorptionsanlage dem Sauerstoffstrom geringerer Reinheit für die Vergasung zugemischt werden.

Zur Durchführung einer bei üblichen Drücken durch geführten Tieftemperatur-Rektifikation ist es erforderlich, die Zerlegungsluft auf das von der Tieftemperatur-Rektifi kation geforderte Druckniveau abzusenken. Die Druckluft des Verdichters befindet sich ebenso wie die der Expansions turbine zuzuführenden Gase auf einem Druckniveau von etwa 14 bis 17 bar, wofür, wie bereits oben erwähnt, die Vergasungs produkte des Einschmelzvergasers nachverdichtet wurden. Tieftemperatur-Rektifikationsanlagen konventioneller Bauart werden üblicherweise mit Drücken zwischen 5 und 8 bar, beispielsweise 6 bar, betrieben und die Druckabsenkung kann prinzipiell durch entsprechende Druckminderung erzielt werden. In vorteilhafter Weise wird diese Druckminderung energetisch günstig dadurch durchgeführt, daß der der Brenn kammer zuzuführende oder zugeführte Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage über eine Entspannungsturbine auf das Druckniveau vor der Luftzerlegungsanlage entspannt wird und daß über einen zweiten, geregelten Luftverdichter der für die Produktion des erforderlichen Sauerstoffes zusätzlich notwendige Luftstrom gefördert wird, so daß auch der bei der Druckminderung freiwerdende Energieanteil genutzt werden kann. Gleichzeitig erfolgt durch eine derartige Expansion eine Abkühlung. Die Expansion wird zur Erzielung besserer Wirkungsgrade vorzugsweise jeweils beim höchsten zur Ver fügung stehenden Temperaturniveau durchgeführt und es ist daher energetisch günstiger, Expansionsturbinen bzw. Entspannungsturbinen jeweils auf dem höchsten zur Verfügung stehenden Temperaturniveau zu betreiben. Für die Luftzer legungsanlage ist in der Folge ein weit geringeres Temperatur niveau erforderlich und die Abkühlung kann unter weiterer Ausnutzung der thermischen Energie zunächst durch Wärme tauscher zur Erzeugung von Dampf für eine Dampfturbine und/oder für eine Dampfeindüsung in die Brennkammer verwendet werden, wie dies einer bevorzugten Ausführungsform ent spricht. Die Eindüsung von Dampf in die Brennkammer, in welcher die aus dem Einschmelzvergaser abgezogenen Gase gemeinsam mit Druckluft verbrannt werden, ermöglicht es auch hier, Leistung und damit Wirkungsgrad der Expansionsturbine in positiver Weise zu beeinflussen, wobei hier in erster Linie das zusätzliche Einbringen von Gasmasse in die Brenn kammer, wie sie durch das Einbringen von Dampf erfolgt, die Auslastung der Expansionsturbine auf nahezu Vollast er möglicht und dadurch den Wirkungsgrad anhebt. Wegen der hohen Prozeßtemperatur leistet der Dampf dabei in der Gasturbine etwas mehr als in der Dampfturbine, wobei seine fühlbare Wärme danach im Abhitzekessel zum größten Teil rückgewonnen werden kann. Gleichzeitig wird durch eine derartige Dampf eindüsung in die Brennkammer eine Unterdrückung der ther mischen Bildung von Stickoxiden erzielt. Durch das Eindüsen von Dampf in die Brennkammer wird eine Minderung der Tempe raturspitzen und somit der Bildung thermischer Stickoxide erzielt, da trotz des geringen Heizwertes des Abgases aus dem Vergaser hohe Temperaturen in der Brennkammer herrschen. Darüber hinaus ist eine derartige Energieerzeugung ohne Sekundärmaßnahmen in höchstem Maße umweltfreundlich, da der Schwefel im Vergaser in die Schlacke eingebunden wird, wodurch der SO₂-Gehalt nach dem Kraftwerk etwa ein Fünftel des Restschwefels bei einem konventionellen Kohlekraftwerk mit Entschwefelung ausmacht und die NO-Bildung trotz der hohen Gasturbinentemperaturen etwa die Hälfte des Rest-NO- Anteiles nach einer Denox-Anlage beträgt.

Alternativ zur neuerlichen Energiegewinnung durch Absenkung des Druckniveaus der Zerlegungsluft vor dem Ein bringen in die Luftzerlegungsanlage kann das Verfahren so geführt werden, daß der der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage lediglich unter Erzeugung von Dampf gekühlt und anschließend in einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage auf erhöhtem Druckniveau eingesetzt wird. Bei einer derartigen Verfahrens führung wird zwar auf die neuerliche Energiegewinnung an dieser Stelle, nämlich durch Absenken des Druckniveaus vom Druckniveau des Luftverdichters für die Brennkammer auf das geforderte Druckniveau einer Niederdruck-Tieftemperatur- Rektifikationsanlage verzichtet, jedoch ergeben sich durch die Betriebsweise der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit erhöhtem Druck im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens weitere Vorteile. Mit einer auf hohem Druck betriebenen Tief temperatur-Luftzerlegungsanlage kann nämlich unmittelbar Drucksauerstoff erzielt werden, so daß auf technisch auf wendige und schadensanfällige Sauerstoffverdichter weitgehend verzichtet werden kann. Die Schmelzreduktion erfordert bei der erfindungsgemäßen Betriebsweise, wie bereits erwähnt, Drücke zwischen 5 und 8 bar und es kann daher zur Kohle vergasung in einem derartigen Schmelzreduktionsprozeß nur Sauerstoff mit entsprechendem Druckniveau verwendet werden. Zur Erzielung des geforderten Sauerstoffdruckes kann im Rahmen einer Hochdrucktieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einstufigen und einfachbauenden Sauerstoffverdichtern die Aufrechterhaltung des geforderten Sauerstoffdruckniveaus gewährleistet werden.

Gleichzeitig fällt aber in einer Hochdrucktieftempe ratur-Luftzerlegungsanlage auch Stickstoff unter entsprechend höherem Druck an und es kann der Druckstickstoff in der Folge weiter energetisch genützt werden. Zu diesem Zweck kann mit Vorteil dieses Verfahren so durchgeführt werden, daß das unter Druck anfallende Nebenprodukt Stickstoff der Luftzer legungsanlage im Gegenstrom zum der Luftzerlegungsanlage zuzuführenden Druckluftstrom und/oder dem entspannten warmen Stickstoff nach einer Entspannungsturbine erwärmt und in einer Stickstoff-Entspannungsturbine abgearbeitet wird. Der Wärmeaustausch erfolgt hiebei mit Vorteil zweistufig, wobei der aus der Hochdruck-Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage abgezogene Druckstickstoff zunächst in einer ersten Stufe im Wärmeaustausch zu dem die Entspannungsturbine verlassenden Stickstoff geführt wird und in einer zweiten Stufe unmittel bar gegen die Druckluft, welche der Luftzerlegungsanlage zugeführt werden soll und sich auf entsprechend höherem Temperaturniveau befindet, aufgeheizt wird. Diese zweistufige Wärmetauschung erhöht wiederum den Wirkungsgrad der Stick stoffentspannungsturbine, wodurch auch hier wiederum eine wirksame Energierückgewinnung erfolgen kann.

Zur Reinigung des Druckluftstromes zur Luftzerlegungs anlage werden in konventioneller Weise Molsiebe eingesetzt und das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil so durchgeführt, daß ein Teilstrom des entspannten warmen Stickstoffstromes zur Heißdesorption einer Molsieb-Luft vorreinigung vor der Luftzerlegungsanlage eingesetzt wird und daß dieser Teilstrom nach dieser Heißdesorptionsphase auf nahe Umgebungstemperatur abgekühlt wird und zur Wieder herstellung der Betriebstemperatur des Molsiebes verwendet wird. Auf diese Weise kann der Stickstoffstrom innerhalb des Verfahrens weiter Verwendung finden und eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Luftzerlegung läßt sich in einfacher Weise dadurch erzielen, daß eine für die Kälteerzeugung in der Luftzerlegungsanlage notwendige Tieftemperatur-Entspan nungsturbine mit einem Teilstrom des in der Luftzerlegungs anlage unter Druck erzeugten Stickstoffes betrieben wird, daß der Stickstoff entspannt wird und danach im Gegenstrom das Waschwasser abkühlt, mit dem in der Endstufe eines Wasch kühlers vor der Molsieb-Vorreinigungsanlage der Luft zerlegungsanlage deren Luft-Eingangstemperatur eingestellt wird. Es ist bekannt, in Luftzerlegungsanlagen Tieftempe ratur-Entspannungsturbinen einzusetzen, welche üblicherweise zwischen den Druckniveaus der unteren und oberen Zerlegungs säule, d.h. zwischen der Hochdruckkolonne und der Nieder druckkolonne der Tieftemperatur-Rektifikationsanlage ange ordnet sind. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese Expansionsturbine entweder zwischen Hochdruck und unterer Zerlegungssäule bzw. zwischen oberer Säule und Atmosphäre betrieben werden, wobei der entspannte Stickstoff im Gegenstrom das Waschwasser abkühlt, mit welchem in der Endstufe eines Waschkühlers vor der Molsiebvorreinigungs anlage der Luftzerlegungsanlage deren Lufteingangstemperatur eingestellt wird. Den Wäscher mit kaltem Wasser zu betreiben, ist deshalb zweckmäßig, um das dahinterliegende Molsieb nicht mit zuviel Wasserdampf aus der wärmeren gesättigten Luft zu belasten, da bei Durchbrechen des Molsiebes eventuell in der Luft vorhandenes CH₄ als erster Bestandteil entweicht, wodurch die Gefahr einer Explosion bei Anreicherung im Flüssig-Sauerstoff gegeben ist. Durch die Abkühlung des Waschwassers gegen den entspannten kalten trockenen Stick stoff in einem wäscherähnlichen Wasser-Luft-Wärmetauscher ist es somit in einfacher und kostengünstiger Weise möglich, die Kälte des entspannten Stickstoffes zu nutzen.

Eine besonders gute Energieausnutzung ergibt sich im Rahmen dieser Verfahrensführung dann, wenn das Verfahren so durchgeführt wird, daß die Stickstoffmengenströme aus der Hochdruckkolonne der Luftzerlegungsanlage, aus der Nieder druckkolonne der Luftzerlegungsanlage und aus der Tieftempe ratur-Entspannungsturbine mit etwa 1 : 2 : 2 gewählt werden, wobei der Teilstrom aus der Hochdruckkolonne in einer Hoch druck-Entspannungsturbine und der Teilstrom aus der Nieder druckkolonne gemeinsam mit dem bereits vorentspannten Teil strom aus der Hochdruckkolonne in einer Niederdruck-Ent spannungsturbine abgearbeitet werden.

Dazu werden die Stickstoffströme zu den Entspannungs turbinen in Wärmetauschern gegen den noch warmen Stickstoff strom aus der Niederdruckentspannungsturbine und anschließend gegen den heißen Hochdruckluftstrom, der von der Brennkammer abgezogen wird, erwärmt, wie dies einer bevorzugten Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht.

In besonders vorteilhafter Weise wird das Verfahren alternativ zum zuvor beschriebenen so geführt, daß der der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage abgekühlt und, gegebenenfalls nach Weiterverdichtung in einem Verdichter, Kühlung und Reinigung in Waschkühler und Molsieb, in einem ersten Gegen strom-Wärmetauscher gegen die Zerlegungsprodukte aus der Luftzerlegungsanlage abgekühlt und anschließend im Gegenstrom zu verdampfendem Sauerstoff, der in flüssigem Zustand auf den nötigen Druck für den Schmelzreduktionsprozeß verdichtet wurde, ganz oder teilweise kondensiert und in die Druck kolonne der Luftzerlegung eingeführt wird.

Eine besonders einfache Regelung der für die Tieftempe ratur-Rektifikationsanlage geforderten Parameter unter gleichzeitiger Ausnutzung von Überschußenergie läßt sich dadurch erzielen, daß von dem Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage ein Teilstrom für die Verdampfung von Produkt-Sauerstoff verwendet wird, und daß der darüber hinausgehende Teil des Hochdruckluftstromes kälteerzeugend in einer Entspannungsturbine entspannt und ebenfalls in die Zer legungskolonne des Luftzerlegers, vorzugsweise in die Druck kolonne eingeführt wird. Für eine einfache Regelung der Produkt-Sauerstoffmenge wird dabei in einfacher Weise so vorgegangen, daß von der Flüssig-Sauerstoffpumpe zuviel geförderte Flüssigkeit über ein Regelorgan in die drucklose Zerlegungssäule zurückgeführt wird.

Eine weitere Verbesserung der Energiebilanz ergibt sich, wenn, wie es einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens entspricht, die Entspannungsturbinen für Luft bzw. Stickstoff vorzugsweise mit dem Verdichter für das aus dem Einschmelz vergaser abgezogene Gas gekoppelt werden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind noch eine Reihe zusätzlicher Energierückgewinnungsmöglichkeiten enthalten. Eine besonders einfache weitere Möglichkeit optimaler Energiegewinnung wird dadurch geboten, daß in der Gasturbine nicht mehr zu verarbeitendes Brenngas vor dem Abhitzekessel der Gasturbine mit dem im Abgas noch vorhan denem Restsauerstoff von etwa 14% nachverbrannt und so die Gaseingangstemperatur in den Abhitzekessel angehoben wird, so daß Dampf mit hoher Temperatur, vorzugsweise 500 bis 540°C, und entsprechend hohem Arbeitsvermögen, der Dampfturbine zugeführt wird.

Diese besonders wirkungsvolle Betriebsweise einer derartigen Dampfturbine läßt sich dadurch sicherstellen, daß im Abhitzekessel nach der Gasturbine, in Strömungsrichtung der Gase Hochdruck-Heißdampf, Niederdruck-Heißdampf und auf konstantem Druckniveau ein Dampf-Wasser-Gemisch zur Beheizung des Entgasers im Dampfkreislauf erzeugt wird, wobei dieses Druckniveau so gewählt wird, daß keine Kondensation auf diesen Heizflächen durch Taupunktunterschreitung der Abgase eintritt. Dies stellt die Einbringung der fühlbaren Wärme in den Dampfprozeß auf möglichst hohem Temperaturniveau sicher und erhöht die Leistungsausbeute. Auf dem Druckniveau der Niederdruckdampferzeugung wird auch der Dampf in den Dampf prozeß eingeführt, der bei Abkühlung des aus dem Einschmelz vergasers entnommenen Abgases bzw. aus der der Brennkammer vor der Entspannungsturbine entnommenen Luft nach deren Expansion in einer Turbine erzeugt wird.

Mit Rücksicht auf die Besonderheiten des Verfahrens, welches prinzipiell auf seine Verwendbarkeit im Rahmen eines Stahlwerkes konzipiert ist, lassen sich eine Reihe von weiteren Verwendungen der erzeugten Abwärme konzipieren. Im Rahmen eines Stahlwerkes ist es hiebei besonders vorteilhaft so vorzugehen, daß in den Dampfkreislauf des Gasturbinen- Dampfprozesses auch Dampf, vorzugsweise Sattdampf oder leicht überhitzter Dampf, der im Abhitzekessel der Dampf turbine auf eine geregelte Dampftemperatur nacherhitzt wird, aus den Folgeprozessen zur Roheisenverarbeitung, insbesonders der Verblasung in einem Sauerstoff-Auf- oder -Einblase verfahren bzw. aus der Heißkühlung oder Abhitzekesseln von Wärmeöfen vor Walzstrecken eingeführt wird, wobei der Abdampf diskontinuierlicher Prozesse, wie der Sauerstoff-Auf- bzw. -Einblasverfahren, über Gefällespeicher zu einem kontinuier lichen Sattdampfband umgewandelt wird, wobei vorzugsweise die Einbringstelle in die Dampfturbine so gewählt wird, daß dort der Druck knapp über dem Brennkammerdruck der Gasturbine liegt und somit dieser in den Gasturbinen-Dampfprozeß impor tierte Dampf auch zum Teil in die Brennkammer, zur Unter drückung der thermischen Bildung von Stickoxiden, eingeleitet werden kann. Im Zuge der nachgeschalteten teilweise diskon tinuierlichen Prozesse ist es hiebei besonders vorteilhaft das Verfahren so zu führen, daß im Zuge der Entspannung des Dampfes in der Dampfturbine an geeigneter Stelle, vorzugs weise an der Stelle der Einbringung von Niederdruck-Dampf, der Dampfstrom so angestaut wird, daß im Falle des Weg bleibens von Importdampf in den Gasturbinen-Dampfprozeß der Druck an der Importdampf-Einbringstelle so angehoben wird, daß an dieser Stelle aus der Dampfturbine Dampf für die Einblasung in die Brennkammer entnommen werden kann und vorzugsweise dieser Dampf über den Importdampf-Überhitzer im Abhitzekessel in der Gasturbine zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 eine teilweise schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens mit einer Niederdruck-Tieftempe ratur-Luftzerlegungsanlage in einer Gesamtanlage gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine teilweise Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Hochdruck-Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage in einer Anlage gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine teilweise schematische Darstellung einer Regelung für eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 mit einer Niederdruck-Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, Fig. 5 eine teilweise schematische Darstellung einer Regelung für eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit einer Hochdruck-Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage und Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Brennkammer einer Gasturbine für die Verwendung in einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 ist mit 1 schematisch ein Einschmelzvergaser bezeichnet, welchem Einsatzstoffe 2 und Kohle 3 zugeführt werden und aus welchem bei 4 Schlacke und bei 5 flüssiges Roheisen abgezogen werden. Das bei 5 abgezogene Roheisen kann in einem nachgeschalteten Prozeß zur Roheisenverarbeitung, insbesondere in einem Sauerstoff-Auf- oder -Einblaseverfahren weiterverarbeitet werden, wobei dies in der Darstellung nach Fig. 1 nicht gesondert dargestellt ist. Neben der Schlacke und dem Roheisen wird aus dem Einschmelzvergaser 1 Gas bei 6 abgezogen, welches über einen Wärmetauscher 7 geführt wird, in welchem Dampf erzeugt wird, wobei die Verwendung des derart erzeugten Dampfes im fol genden näher beschrieben werden wird. Das aus dem Einschmelz vergaser 1 stammende Abgas wird nach dem Passieren des Wärmetauschers 7 und eines Wäschers 8 in einem Verdichter 9 auf ein für die Einbringung in eine Brennkammer 10 geeignetes Druckniveau gebracht wird, wobei der Druck in der Brennkammer 10 beispielsweise etwa 16 bar beträgt. In diese Brennkammer 10 wird weiters verdichtete Luft aus einem Verdichter 11 eingebracht, wobei die in der Brennkammer bei der Verbrennung von Abgas aus dem Einschmelzvergaser 1 mit verdichteter Luft aus dem Verdichter 11 entstehenden Gase einer Expansions turbine 12 zugeführt werden, welche mit einem Generator 13 gekoppelt ist. Die Expansionsturbine 12 ist darüber hinaus mit dem Verdichter 11 gekoppelt, wie dies bei 14 angedeutet ist.

Derartige Expansionsturbinen 12, welche mit einem Generator 13 gekoppelt sind, sind für eine Verwendung von Erdgas oder Öl als Einsatzmaterial in der Brennkammer 10 optimiert und bekannt. Da das aus dem Einschmelzvergaser 1 abgezogene und verdichtete Gas einen beträchtlich geringeren Heizwert als Erdgas oder Öl aufweist, ist es zur Erzielung der für die Brennkammer 10 optimalen Temperaturen notwendig, der Brennkammer 10 eine relativ große Menge an Abgasen aus dem Einschmelzvergaser 1 zur Verfügung zu stellen, wodurch eine für die Abarbeitung in der Expansionsturbine 12 zu große Abgasmenge aus der Brennkammer 10 zur Verfügung gestellt wird. Eine Reduzierung der in der Brennkammer 10 entstehenden Gase könnte durch eine Senkung der Verdichterleistung des Verdichters 11 erfolgen, wofür jedoch aufwendige Umbau arbeiten des mit der Expansionsturbine 12 gekoppelten Verdichters 11 notwendig wären. Die Ausbildung ist daher so getroffen, daß der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte verdichtete Luft aus dem Verdichter 11 teilweise über eine Leitung 15 ausgebracht wird, wobei diese verdichtete Luft auf dem Niveau des in der Brennkammer 10 herrschenden Druckes in weiterer Folge einer Luftzerlegungsanlage zugeführt wird. Das in der Expansionsturbine 12 entspannte Gas aus der Brenn kammer 10 wird über einen Wärmetauscher 16 geführt, wobei in diesem Wärmetauscher 16 Dampf erzeugt wird, welcher in weiterer Folge einer Dampfturbine 17 zugeführt wird, welche ebenso wie die Expansionsturbine 12 mit einem Generator 18 gekoppelt ist. Die abgezogene Druckluft, welche über die Leitung 15 einer Luftzerlegungsanlage 21 zugeführt wird, wird in einer Expansionsturbine 19, welche mit einem Generator 20 gekoppelt ist, auf ein für die Einbringung in eine Luftzerle gungsanlage 21 entsprechendes Druckniveau energieleistend entspannt. Zur Ausnutzung der nach der Turbine 19 in der Druckluft enthaltenen Wärme, wird diese über einen Wärme tauscher 22 geführt, in welchem Dampf erzeugt wird, welcher auf einem vom Druckniveau des Dampfes, wie er im Wärme tauscher 16 erzeugt wird, geringeren Druckniveau in die Dampfturbine 17 eingespeist wird, wie dies schematisch mit der Leitung 23 angedeutet ist. Auf diesem Druckniveau wird beispielsweise auch der im Wärmetauscher 7 erzeugte Dampf über die Leitung 24 in die Dampfturbine 17 eingebracht.

Die vom Verdichter 11 verdichtete Druckluft, welche teilweise über die Leitung 15 der Tieftemperatur-Luftzerle gungsanlage 21 zugeführt wird, kann dabei den Luftbedarf der Druckzerlegungsanlage vollständig abdecken, wie dies im folgenden näher erläutert werden wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß nur ein Teil der für den Betrieb der Luftzerlegungsanlage nötigen Druckluftmenge abgezogen wird, und daß der restliche Luftanteil für den Betrieb der Luft zerlegungsanlage 21 dieser Anlage über einen gesonderten Verdichter 25 über eine mit 26 angedeutete Leitung zugeführt wird. Dies wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert werden.

Die bei der Entspannung der Druckluft in der Leitung 15 auf ein für den Betrieb der Luftzerlegungsanlage 21 geeig netes Druckniveau verwendete Expansionsturbine 19 und der damit gekoppelte Generator 20 liefern dabei Leistung an den Verdichter 9 zur Verdichtung des Abgases aus dem Einschmelz vergaser 1.

Der in der Luftzerlegungsanlage 21 erzeugte Sauerstoff wird in einem Verdichter 27 auf das für den Betrieb des Einschmelzvergasers 1 notwendige Druckniveau gebracht und, wie dies schematisch mit 28 angedeutet ist, in den Ein schmelzvergaser eingebracht. Der in der Luftzerlegungsanlage 21 erzeugte Stickstoff wird dabei bei 29 abgezogen, wie dies im folgenden genauer unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert werden wird.

Für die Durchführung des Verfahrens in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 ergeben sich bei einem Durchsatz von 45 t/h Roheisen im Einschmelzvergaser 1 und einem Heizwert des bei 6 abgezogenen Abgases von 174 MW folgende Leistungswerte für die einzelnen Komponenten:

- Gasverdichter 3,2 auf 17 bar: ca. 8,5 MW
- Luftverdichter der Gasturbine ca. 72 MW (auf derselben Welle wie die Gasturbine)
- Gasturbine ca. 121 MW
- Getriebe-/mech. Verluste 0,8 MW
- Generatorverluste 1,4 MW
- Generatorleistung 46,5 MW
- Leistungsäquivalent der entnommenen Hochdruck-Luft, d.h. Aufwand, sie im Verdichter 25 zu komprimieren, ca. 8,5 MW
- Generatorleistung der Dampfturbine 12,0 MW
- exkl. Eigenbedarf, inkl. Kühlwasser 1,6 MW
- Trafoverluste 0,7 MW

In Fig. 2 ist die Darstellung gemäß Fig. 1 im Detail teilweise dargestellt, wobei für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen beibehalten wurden. Mit 10 ist wieder um die Brennkammer vor der Expansionsturbine 12 bezeichnet. Über die Leitung 15 wird Druckluft für die Luftzerlegungs anlage abgezogen. Mit 22 ist der Wärmetauscher zur Erzeugung von Dampf dargestellt, wobei dieser Dampf wiederum über die Leitung 23 der Dampfturbine zugeführt wird. Die Druckluft muß vor dem Einbringen in die Tieftemperatur-Luftzerlegungs anlage, welche wiederum mit 21 bezeichnet ist, entsprechend gereinigt werden, wobei ein Waschturm 30 vorgesehen ist, in welchem neben einem Staubaustrag, wie er durch 31 angedeutet ist, auch die geeignete Temperatur der Druckluft eingestellt werden kann. Nach dem Passieren des Waschturmes 30 erfolgt in einem Molsieb 32 eine weitergehende Reinigung der Druckluft, wobei in diesem Molsieb insbesondere CO₂ und H₂O abgeschieden werden. Nach dem Passieren des Molsiebes wird die Druckluft über einen Gegenstrom-Wärmetauscher 33 geführt, in welchem eine weitere Abkühlung der Druckluft gegen die Zerlegungs produkte aus der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage 21 erfolgt. In einem dem Wärmetauscher 33 nachgeschalteten Gegenstrom-Wärmetauscher 34 erfolgt die Verflüssigung von Luft bei einem Druckniveau, welches nur geringfügig unter dem in der Brennkammer 10 herrschenden Druckniveau liegt. Über ein Reduzierventil 35 erfolgt daher eine Entspannung der flüssigen Luft auf ein in der Druckkolonne der Niederdruck tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage 21 herrschendes Druck niveau, welches beispielsweise 6 bar beträgt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird etwa 45% des Einsatzluftbedarfes für die Tieftemperatur-Luft zerlegungsanlage dem Verdichter 11 entnommen. Der restliche Anteil der für die Luftzerlegungsanlage 21 nötigen Luft wird dabei von dem gesonderten Verdichter 25 über die Leitung 26 zugeführt. Im Verdichter 25 wird dabei die Luft auf ein geringfügig über dem Druck in der Druckkammer der Luft zerlegungsanlage 21 herrschendes Druckniveau verdichtet und nach Passieren eines Wärmetauschers 36 in einem Waschturm 37 und einem Molsieb 38 gereinigt. Die derart gereinigte Druck luft passiert darauf den Gegenstrom-Wärmetauscher 33 und wird weitgehend gasförmig in die Druckkolonne der Luftzerlegungs anlage 21 eingebracht.

Die Funktionsweise der Niederdruck-Luftzerlegungsanlage erfolgt dabei auf an sich bekannte Art und Weise und es wird aus der Druckkolonne 39 flüssiger Stickstoff und verflüssigte Luft in die Niederdruckkolonne 40 der Luftzerlegungsanlage 21 eingebracht, wie dies bei 41 angedeutet ist. Im unteren Bereich der Niederdruckkolonne 40 sammelt sich dabei flüssiger Sauerstoff, welcher bei 42 abgezogen wird und in flüssiger Form in einer Pumpe 43 verdichtet wird, bevor er im Gegenstrom-Wärmetauscher 34 im Gegenstrom gegen die zu zerlegende Druckluft verdampft, im Gegenstrom-Wärmetauscher 33 erwärmt, und bei 44 abgezogen wird. Dabei erfolgt die Regelung über ein Bypassventil 46. Da sich der derart er haltene Sauerstoff bereits auf gegenüber Atmosphärendruck er höhten Druckniveau befindet, kann der Verdichter 27 einstufig ausgebildet sein, um ein für die Einbringung des Vergasungs sauerstoffes in den Einschmelzvergaser 1 entsprechendes Druckniveau zu erhalten. Für die Verwendung des Sauerstoffes im Einschmelzvergaser 1 genügt dabei im allgemeinen eine Reinheit des in der Luftzerlegungsanlage erzeugten Sauer stoffes von 90 bis 98%, so daß mit geringstmöglichem Luft einsatz mit bekannten Luftzerlegungsanlagen das Auslangen gefunden werden kann.

Alternativ kann die Druckluft für die Luftzerlegungs anlage nach einer ersten Abkühlung in einem strichliert angedeuteten Verdichter 45 nachverdichtet werden und nach Passieren des Gegenstrom-Wärmetauschers 33 und des Ver flüssigungs-Wärmetauschers 34 von einem entsprechend höheren Druckniveau durch das Reduzierventil 35 auf das Druckniveau in der Hochdruckkolonne 39 der Luftzerlegungsanlage 21 entspannt werden. Eine derartige Nachverdichtung im Ver dichter 45 erfolgt zweckmäßigerweise nur dann, wenn damit ein so hoher Sauerstoffdruck erzeugt werden kann, daß der Sauer stoff-Nachverdichter 27 entfallen kann.

Für die Verdampfung des Sauerstoffes nicht benötigte Druckluft kann dabei aus dem Gegenstrom-Wärmetauscher 33 in geeigneter Menge energie- und kälteerzeugend einer Expan sionsturbine 47 zugeführt werden, welche wiederum mit einem Generator 48 gekoppelt ist. Über 49 wird die Leistung des Generators 48 abgegeben. Die in der Expansionsturbine 47 teilweise entspannte Druckluft wird darauf gemeinsam mit der von dem zusätzlichen Verdichter 25 gelieferten Druckluft in die Druckkolonne 39 der Luftzerlegungsanlage 21 eingespeist.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 wird anstelle der in Fig. 2 verwendeten Niederdruck-Tieftemperatur-Luftzerlegungs anlage eine Hochdruck-Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage 21 eingesetzt. Für gleiche Bauteile wurden auch in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen beibehalten. Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 wird der gesamte Luftbedarf für die Luftzerlegungs anlage 21 über die Leitung 15 abgezogen und nach Passieren eines Stickstoff-Luft-Wärmetauschers 51, dessen Funktions weise im folgenden noch näher erläutert werden wird, über den Wärmetauscher 22 zur Dampferzeugung in den Waschturm 30 und ein Molsieb 32 eingebracht. Die im wesentlichen unter dem Druck des Verdichters 11 stehende Druckluft wird danach wiederum über den Gegenstrom-Wärmetauscher 33 geführt und in den Hochdruckteil 52 der Hochdruck-Tieftemperatur-Luft zerlegungsanlage 21 eingebracht. Über eine Leitung 53 erfolgt wiederum in bekannter Weise eine Einbringung von flüssigem Stickstoff und Sauerstoff in die Niederdruckkolonne 54 der Luftzerlegungsanlage, in welcher ein Druck von beispielsweise 5 bar herrscht. Dadurch, daß in der in Fig. 3 dargestellten Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage sowohl in der Hochdruck kolonne 52 als auch in der Niederdruckkolonne 54 bei gegen über der in Fig. 2 dargestellten Anlage wesentlich erhöhten Drücken gearbeitet wird, herrschen in der Luftzerlegungs anlage gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 2 erhöhte Tempe raturen. Aus der Niederdruckkolonne 54 wird Sauerstoff abgezogen, welcher im Gegensatz zur Darstellung nach Fig. 2 gasförmig vorliegt und auch nicht verdichtet werden muß, da sich auch die Niederdruckkolonne 54 auf einem erhöhten Druckniveau befindet. In Fig. 3 ist in der Austragsleitung für Produktsauerstoff wiederum ein insbesondere einstufiger Verdichter 56 eingeschaltet, mit welchem der Sauerstoff auf ein für den Einschmelzvergaser geeignetes Druckniveau ange hoben wird.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird ein Teilstrom des Produktsauerstoffes aus der Leitung 55 über eine Leitung 57 und einen Verdichter 58 einer schematisch angedeuteten Druckwechseladsorberanlage 59 zugeführt, in welcher hoch reiner Sauerstoff mit einer Reinheit von größer 98%, bei spielsweise 99,5%, bei 60 abgezogen werden kann. Derartig hochreiner Sauerstoff kann beispielsweise in einem an den Schmelzreduktionsprozeß im Einschmelzvergaser anschließenden Verfahren, beispielsweise in einem Sauerstoff-Auf- oder -Einblaseverfahren eingesetzt werden, wie dies bereits oben erwähnt wurde. Der einen gegenüber dem in der Leitung 57 geführten Gasstrom erhöhten Stickstoffanteil aufweisende Desorptionsstrom 61 aus der Druckwechseladsorptionsanlage 59 wird dabei dem Sauerstoffstrom 28, welcher eine geringere Reinheit als der in der Druckwechseladsorptionsanlage 59 ge wonnene hochreine Sauerstoff aufweist, zugemischt, da die Reinheit des Sauerstoffes für den Einschmelzvergaser 1 in relativ weiten Grenzen variieren kann und weniger kritisch ist.

Da die in Fig. 3 dargestellte Luftzerlegungsanlage sowohl in ihrer Hochdruckkolonne 52 als auch in der Niederdruck kolonne 54 einen gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck aufweist, kann auch der aus den beiden Kolonnen abziehbare Stickstoff einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Der aus der Niederdruckkolonne 54 bei 62 abgezogene Stickstoff wird in den Gegenstrom-Wärmetauscher 33 eingebracht, wobei in dem Wärmetauscher 33 eine Abkühlung der Druckluft für die Luftzerlegungsanlage gegen diesen Stickstoffstrom erfolgt. In weiterer Folge wird dieser Stickstoffstrom aus der Nieder druckkolonne 54 über den Wärmetauscher 50 geführt und in einer Expansionsturbine 64, welche mit einem Generator 65 gekoppelt ist, auf Atmosphärendruck entspannt und nach abermaligem Passieren des Wärmetauschers 50 ausgebracht, wie dies bei 66 angedeutet ist. Ein Teilstrom des entspannten Stickstoffstromes wird dabei vor dem Ausbringen über eine Leitung 67 und ein Ventil 68 zur Heißdesorption des Molsiebes 32 verwendet. Durch das Ventil 68 kann dabei ein weiterer Teilstrom über einen Wärmetäuscher 69 geführt werden, worauf dieser Stickstoffstrom nach einer Abkühlung auf nahe Umgebungstemperatur über das Molsieb 32 geführt wird und zur Wiederherstellung der Betriebstemperatur eingesetzt wird. Die derart eingesetzten Stickstoffströme zur Reinigung bzw. Temperaturherstellung des Molsiebes werden ebenso bei 66 ausgebracht. Eine geeignete Umschaltung, welche nicht näher dargestellt ist, erlaubt dabei die wechselweise Umschaltung zwischen den zwei in Fig. 3 dargestellten Molsieben 32.

Eine für die Kälteerzeugung in der Luftzerlegungsanlage 21 notwendige Tieftemperatur-Expansionsturbine ist in Fig. 3 mit 70 bezeichnet. Diese Tieftemperatur-Entspannungsturbine 70 kann in einfacher Weise mit einem Teilstrom des aus der Niederdruckkolonne 54 abgezogenen Stickstoffstromes unter Druck betrieben werden, wobei in dieser Turbine 70 eine Entspannung des Stickstoffes auf nahezu Atmosphärendruck erfolgt und der entspannte Stickstoff in einer Leitung 71 in einem Verdunstungskühler 72 eine Abkühlung des für den Waschturm 30 benötigten Waschwassers in einer Leitung 73 bewirkt. Mit der Abkühlung des Waschwassers für den Waschturm 30 kann dabei die Drucklufttemperatur eingestellt werden.

Neben dem aus der Niederdruckkolonne 54 abgezogenen Stickstoff wird auch aus der Hochdruckkolonne 52 Stickstoff über eine Leitung 74 unter hohem Druck abgezogen, wobei dieser Stickstoff ebenfalls über den Wärmetauscher 50 geführt wird und nach einem Passieren des Wärmetauschers 51 zur Abkühlung der Druckluft für die Luftzerlegungsanlage in einer Hochdruck-Entspannungsturbine 75, welche mit einem eigenen Generator oder zweckmäßigerweise ebenfalls mit dem Generator 65 gekoppelt ist, auf ein Druckniveau entspannt wird, welches dem Eingangsdruckniveau der Niederdruckturbine 64 entspricht. Der in der Expansionsturbine 75 entspannte Hochdruckstick stoffstrom wird somit in der Niederdruckturbine 65 weiter entspannt und wie oben angedeutet teilweise für eine Molsieb reinigung bzw. Molsieb-Temperatureinstellung herangezogen.

Die mit den Entspannungsturbinen 64 und 75 erzeugte me chanische Energie wird zweckmäßigerweise anstelle der Gene ratoren dem Verdichter 9 für die Verdichtung des aus dem Einschmelzvergaser 1 abgezogenen Abgases zugeführt, wie dies der Deutlichkeit halber in Fig. 3 jedoch nicht dargestellt ist, wobei die Differenzleistung durch einen Motor-Generator aufgebracht wird.

Eine einfache Regelung der Vorrichtung kann dadurch er folgen, daß die Luftexpansionsturbine 47 (Fig. 2) geregelt ist, wobei der Verdichter 11 der Gasturbine 12 über einen zusätzlichen Abblaseregelkreis geschützt ist. Dabei wird die Luftmenge über die Expansionsturbine 47 von einem Prozeß leitsystem der Gasturbine 12, welches einen Vergleich zwischen der Leistung der Gasturbine 12, dem Druck in der Brennkammer 10, der über 22, 30, 32 geführten Luftmenge, und der Abgastemperatur ermöglicht, automatisch geregelt.

Eine alternative Regelungsmöglichkeit für eine Vorrich tung, wie sie in Fig. 2 näher beschrieben wurde, kann Fig. 4 entnommen werden. Dabei wurden für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei stellt sich in erster Linie die Luftmenge durch den Verflüssigungswärmetauscher 34 automatisch ein. Soll mehr Luft entnommen werden, wie dies von einem nicht näher dargestellten Prozeßleitsystem der Gasturbine 12 kontrolliert werden kann, so wird die Tief temperaturexpansionsturbine 47 aufgesteuert, falls zusätz liche Kälte für die Niederdruck-Tieftemperatur-Luft zerlegungsanlage 21 benötigt wird, wobei der Regler der Expansionsturbine 47 mit 76 bezeichnet ist. Die in der Expansionsturbine 47 entspannte Luft wird, wie bei der Dar stellung gemäß Fig. 2, dem Druckteil 39 der Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage 21 zugeführt. Falls keine zusätzliche Kälte benötigt wird, kann in einfacher Weise ein Gasreduzier ventil 77 am Phasentrenngefäß 78 in das die Hochdruckluft nach dem Verflüssiger-Wärmetauscher 34 eingeführt wird, geöffnet werden, wodurch gasförmige Hochdruckluft zusätzlich zur bereits verflüssigten und über Ventil 79 aus 78 abge zogenen in die Druckkolonne 39 des Luftzerlegers 21 einge bracht wird.

Die Regelung der Sauerstoffmenge erfolgt dabei durch Regelung an der Pumpe 43 über das Ventil 46, wobei abweichend von der Darstellung nach Fig. 2 nach dem Verflüssigungs-Wärme tauscher 34, in welchem der flüssige Sauerstoff wenigstens teilweise verdampft wird, der Sauerstoff in ein Phasen trenngefäß 80 eingebracht wird, wobei eine durch die Regelung bestimmte Sauerstoffmenge über das Ventil 46 flüssig in die Niederdruckkolonne 40 rückgeführt wird.

In Fig. 5 ist schematisch eine Regelung für eine Vorrich tung dargestellt, in welcher eine Hochdruck-Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage eingesetzt wird, wie dies in Fig. 3 näher beschrieben wurde. Bei dieser Vorrichtung wird die gesamte Druckluft für den Betrieb der Luftzerlegungsanlage 21 dem Verdichter 11 der Gasturbine 12 entnommen, wobei bei dieser Ausführungsform an der Druckluftzuführungsseite kein Regeleingriff erfolgt. Die Regelung der aus der Luft zerlegungsanlage 21 abgezogenen Sauerstoffmenge erfolgt ebenso hier außerhalb des Luftzerlegers, etwa durch Drehzahl regelung des Nachverdichters 27 oder Drosselung.

Die Regelung der Entnahmeluft erfolgt bei der Ausfüh rungsform gemäß Fig. 5 durch Regelung der zusätzlichen Stick stoff-Niederdruck-Entspannungsturbine 64, deren Regelung mit 81 angedeutet ist, wobei zusätzlich die Hochdruck-Stickstoff turbine 75 vom Prozeßleitsystem ebenfalls über eine Regelung 82 geregelt werden kann. Wie bei der Darstellung gemäß Fig. 3 wird ein Teilstrom des aus der Niederdruckkolonne 54 abge zogenen Stickstoffes über eine Tieftemperatur-Entspannungs turbine 70 geleitet, deren Regelung schematisch mit 83 bezeichnet ist. Diese Entspannungsturbine 70 ist dabei zweckmäßigerweise von einem Stickstoff-Nachverdichter 84 gebremst, wobei der nachverdichtete Stickstoff über einem Wärmetauscher 85 vor dem Einbringen in die Expansionsturbine 70 geführt wird. Der in der Expansionsturbine 70 abgekühlte Stickstoff wird wiederum im Verdunstungskühler 72 für eine Abkühlung des Waschwassers für den Waschturm 30 eingesetzt.

Wie Fig. 5 weiters zu entnehmen ist, kann ein Teil des Niederdruck-Stickstoffstromes anstelle einer Entspannung über die Niederdruck-Stickstoff-Expansionsturbine 64 zum Auffüllen des zweckmäßigen Gasdurchsatzes für die Gasturbine 12 ver wendet werden, wobei dieser Stickstoff nach Passieren eines Drosselventiles 86 dem Verdichter 9 für die Abgase aus dem Einschmelzvergaser 1 zugeführt werden kann. In Fig. 5 ist dabei auch der in der Leitung 6 angeordnete Wärmetauscher 7 und Wäscher 8 für das Abgas aus dem Einschmelzvergaser dargestellt. Eine derartige Verfahrensweise ist grundsätzlich an sich nicht übermäßig wirtschaftlich, da eine Verdichtung bei mittleren Temperaturen und eine Expansion bei mittleren Temperaturen erfolgt und weiters ein Drosselverlust im Stickstoffweg über das Reduzierventil 86 zum Gasverdichter 9 auftritt, da der Stickstoffdruck nach dem Wärmetauscher 33 über dem Ausgangsdruck vor dem Gasverdichter 9 liegt. Diese Nachteile werden aber dadurch überkompensiert, daß der Wirkungsgrad der mit dem Verdichter 11 kombinierten Gas turbine 12 bei Annäherung an die Vollast deutlich besser wird, so daß insgesamt eine weitere Verbesserung der Energie ausnützung zu beobachten ist.

In Fig. 6 ist schematisch eine Brennkammer 10 darge stellt, wie sie in einer Vorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 5 Verwendung finden kann. Aus dem Verdichter 11 wird dabei Druckluft im Sinne des Pfeiles 87 zwischen die Außenwand 88 und die Brennkammer-Innenwand 89 eingeblasen, wobei an der Innenwand 89 die Möglichkeit des Lufteintrittes in den Verbrennungsbereich 90 im Sinne der Teile 91 möglich ist. Das Abgas aus dem Einschmelzvergaser tritt im Sinne des Pfeiles 92 in die Brennkammer ein und gelangt mit einem Teil 93 der in die Brennkammer eingebrachten Druckluft in den Verbren nungsbereich 90. Die an der Außenseite der Brennkammer-Innen wand 89 vorbeigeführte Druckluft dient dabei zur Kühlung des Heißgas-Kanales 94 zur Gasturbine 12 sowie der Brennkammer- Innenwand 89. Wie oben ausführlich erläutert, ist bei Verwendung einer konventionellen Brennkammer durch den geringen Heizwert des Abgases aus dem Schmelzvergaser die in der Brennkammer 10 erzielbare Gasmenge für die Abarbeitung in der Gasturbine zu hoch, weshalb ein Teil der eingebrachten Druckluft bei 95 aus der Brennkammer abgezogen wird und einer Luftzerlegungsanlage zugeführt wird.

Anstelle der Entnahme eines Teiles der vom Verdichter 11 verdichteten Druckluft aus der Brennkammer 10 wäre es prin zipiell denkbar, bei einer Vorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 5 den Druckluftanteil für die Luftzerlegungsanlage zwischen dem Verdichter 11 und der Brennkammer 10 zu entnehmen, wobei jedoch eine völlige Neukonstruktion der Brennkammer nötig wäre, da die bekannten Anlagen bezüglich des Wirkungsgrades optimiert sind.

Die bei der Kühlung des Heißgas-Kanales 94 sowie der Brennkammer-Innenwand 89 zusätzlich zur Verdichterarbeit aufgenommene Wärme der Druckluft für die Luftzerlegungsanlage kann für die Luftentspannung zur Lufterzerlegung in Form einer höheren Leistung einer Druckluft-Expansionsturbine wieder rückgewonnen werden, wobei ein Niederdruck dampferzeuger diese Wärme anschließend wieder zurückholt.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Flüssig-Roheisen in einem Schmelzreduktionsprozeß mit Kohle, wobei die Vergasung der Kohle mittels Sauerstoff in einem Einschmelzvergaser erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Einschmelzvergaser abgezogene Gas, gegebenenfalls nach einer Abkühlung unter gleichzeitiger Erzeugung von Dampf, einer Verdichtung unter worfen wird, daß das verdichtete Gas mit gesondert verdich teter Luft einer Brennkammer zugeführt und unter überatmos phärischem Druck verbrannt wird und daß die Abgase der Brennkammer über eine mit einem Generator gekuppelte Expan sionsturbine entspannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte verdichtete Luft zumindest teilweise einer Tieftemperatur-Luftzerlegungs anlage zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Luftzerlegungsanlage erzeugte Sauerstoff als Vergasungssauerstoff in den Einschmelzvergaser eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Brennkammer zuzuführender oder zugeführter verdichteter Luft der gesamte Luftbedarf der Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage zur Erzeugung des Vergasungssauer stoffes für den Einschmelzvergaser entnommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Vergasungssauerstoff als Unreinsauerstoff mit ca. 90 bis 98% Reinheit erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von hochreinem Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 98%, insbesondere ca. 99,5%, ein Teilstrom des in der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage erzeugten Sauerstoffes einer Druckwechsel-Adsorptionsanlage zugeführt wird und von Stickstoff befreit wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der stickstoffangereicherte Desorptionsstrom aus der Druckwechsel-Adsorptionsanlage dem Sauerstoffstrom geringerer Reinheit für die Vergasung zugemischt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage über eine Entspannungsturbine auf das Druckniveau vor der Luftzerlegungsanlage entspannt wird und daß über einen zweiten, geregelten Luftverdichter der für die Produktion des erforderlichen Sauerstoffes gegebenenfalls zusätzlich not wendige Luftstrom gefördert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der der Brennkammer zuzuführende oder zu geführte Druckluft-Teilstrom für die Tieftemperatur-Luft zerlegungsanlage, gegebenenfalls nach der Entspannung, zur Erzeugung von Dampf für eine Dampfturbine und/oder für die Dampfeindüsung in die Brennkammer verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage lediglich unter Erzeugung von Dampf gekühlt und anschließend in einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage auf erhöhtem Druckniveau eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Druck anfallende Nebenprodukt Stickstoff der Luftzerlegungsanlage im Gegenstrom zum der Luftzerlegungs anlage zuzuführenden Druckluftstrom und/oder dem entspannten warmen Stickstoff nach einer Entspannungsturbine erwärmt und in einer Stickstoff-Entspannungsturbine abgearbeitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Teilstrom des entspannten warmen Stick stoffstromes zur Heißdesorption einer Molsieb-Luftvorreini gung vor der Luftzerlegungsanlage eingesetzt wird und daß dieser Teilstrom nach dieser Heißdesorptionsphase auf nahe Umgebungstemperatur abgekühlt wird und zur Wiederherstellung der Betriebstemperatur des Molsiebes verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die Kälteerzeugung in der Luftzerlegungsanlage notwendige Tieftemperatur-Entspan nungsturbine mit einem Teilstrom des in der Luftzerlegungs anlage unter Druck erzeugten Stickstoffes betrieben wird, daß der Stickstoff entspannt wird und danach im Gegenstrom das Waschwasser abkühlt, mit dem in der Endstufe eines Wasch kühlers vor der Molsieb-Vorreinigungsanlage der Luftzer legungsanlage deren Luft-Eingangstemperatur eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffmengenströme aus der Hochdruckkolonne der Luftzerlegungsanlage, aus der Niederdruckkolonne der Luftzerlegungsanlage und aus der Tieftemperatur-Entspannungsturbine mit etwa 1 : 2 : 2 gewählt werden, wobei der Teilstrom aus der Hochdruckkolonne in einer Hochdruck-Entspannungsturbine und der Teilstrom aus der Niederdruckkolonne gemeinsam mit dem bereits vorentspannten Teilstrom aus der Hochdruckkolonne in einer Niederdruck- Entspannungsturbine abgearbeitet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffströme zu den Entspannungsturbinen in Wärmetauschern gegen den noch warmen Stickstoffstrom aus der Niederdruckentspannungsturbine und anschließend gegen den heißen Hochdruckluftstrom, der von der Brennkammer abgezogen wird, erwärmt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der der Brennkammer zuzuführende oder zugeführte Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage abgekühlt und, gegebenenfalls nach Weiterverdichtung in einem Verdichter, Kühlung und Reinigung im Waschkühler und Molsieb in einem ersten Gegenstrom-Wärmetauscher, gegen die Zer legungsprodukte aus der Luftzerlegungsanlage weiter abgekühlt und anschließend im Gegenstrom zu verdampfendem Sauerstoff, der in flüssigem Zuständ auf den nötigen Druck für den Schmelzreduktionsprozeß verdichtet wurde, ganz oder teilweise kondensiert und in die Druckkolonne der Luftzerlegung einge führt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Druckluft-Teilstrom für die Luftzerlegungsanlage ein Teilstrom für die Verdampfung von Produkt-Sauerstoff verwendet wird, und daß der darüber hinausgehende Teil des Hochdruckluftstromes kälteerzeugend in einer Entspannungs turbine entspannt und ebenfalls in die Zerlegungskolonne der Luftzerlegers, vorzugsweise in die Druckkolonne eingeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß von der Flüssig-Sauerstoffpumpe zuviel geförderte Flüssigkeit über ein Regelorgan in die drucklose Zerlegungssäule zurückgeführt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsturbinen für Luft bzw. Stickstoff vorzugsweise mit dem Verdichter für das aus dem Einschmelzvergaser abgezogene Gas gekoppelt werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasturbine nicht mehr zu ver arbeitendes Brenngas vor dem Abhitzekessel der Gasturbine mit dem im Abgas noch vorhandenem Restsauerstoff von etwa 14% nachverbrannt und so die Gaseingangstemperatur in den Abhitzekessel angehoben wird, so daß Dampf mit hoher Tempera tur, vorzugsweise 500 bis 540°C, und entsprechend hohem Arbeitsvermögen, einer Dampfturbine zugeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsturbine und die Dampfturbine einen Zwei druck-Dampfkreislauf aufweisen, wobei im Abhitzekessel nach der Gasturbine, in Strömungsrichtung der Gase Hochdruck Heißdampf, Niederdruck-Heißdampf und auf konstantem Druck niveau, ein Dampf-Wasser-Gemisch zur Beheizung des Entgasers im Dampfkreislauf erzeugt wird, wobei dieses Druckniveau so gewählt wird, daß keine Kondensation auf diesen Heizflächen durch Taupunktunterschreitung der Abgase eintritt.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn zeichnet, daß in den Dampfkreislauf des Gasturbinen-Dampf prozesses auch Dampf, vorzugsweise Sattdampf oder leicht überhitzter Dampf, der im Abhitzekessel der Dampfturbine auf eine geregelte Dampftemperatur nacherhitzt wird, aus den Folgeprozessen zur Roheisenverarbeitung, insbesonders der Verblasung in einem Sauerstoff-Auf-oder -Einblaseverfahren bzw. aus der Heißkühlung oder Abhitzekesseln von Wärmeöfen vor Walzstrecken eingeführt wird, wobei der Abdampf diskon tinuierlicher Prozesse, wie der Sauerstoff-Auf- bzw. -Ein blasverfahren, über Gefällespeicher zu einem kontinuierlichen Sattdampfband umgewandelt wird, wobei vorzugsweise die Einbringstelle in die Dampfturbine so gewählt wird, daß dort der Druck knapp über dem Brennkammerdruck der Gasturbine liegt und somit dieser in den Gasturbinen-Dampfprozeß impor tierte Dampf auch zum Teil in die Brennkammer, zur Unter drückung der Bildung von thermischen Stickoxiden, eingeleitet werden kann.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Entspannung des Dampfes in der Dampfturbine an geeigneter Stelle, bei Zwei druck-Prozessen vorzugsweise an der Stelle der Einbringung von Niederdruck-Dampf, der Dampfstrom so angestaut wird, daß im Falle des Wegbleibens von Importdampf in den Gasturbinen- Dampfprozeß der Druck an der Importdampf-Einbringstelle so angehoben wird, daß an dieser Stelle aus der Dampfturbine Dampf für die Einblasung in die Brennkammer entnommen werden kann und vorzugsweise dieser Dampf über den Importdampf- Überhitzer im Abhitzekessel in der Gasturbine zugeführt wird.