DE60037984T2 - Luftzerlegungsverfahren mit einer Gasturbine - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Neue chemische und Frisch- bzw. Raffinations-Verfahren und die Maßstabs- bzw. Größen-Rentabilität (economies of scale) solcher Verfahren werden zunehmende Mengen an gasförmigem Sauerstoff an einer einzigen Stelle erfordern. Es wird ein Bedarf von 15.000 Tonnen pro Tag oder mehr an gasförmigem Sauerstoff für diese Verfahren erwartet, der bei Drücken von 86,2 bar (1.250 psia) oder mehr geliefert werden muss. Einige dieser Anlagen, die große Mengen an gasförmigem Sauerstoff erfordern, werden an geographisch entfernten Stellen gebaut und betrieben werden.
  • Eine große Luftzerlegungseinheit zur Herstellung von gasförmigem Sauerstoff benötigt einen komprimierten Speiseluftstrom, der üblicherweise durch einen zwischengekühlten Turbokompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird, aus Atmosphärenluft zur Verfügung gestellt wird. Von einem Elektromotor angetriebene Turbokompressoren werden auch dazu verwendet, den gasförmigen Sauerstoff und andere Nebenprodukte des Luftzerlegungs-Verfahrens zu komprimieren.
  • Wenn die benötigten Kapazitäten für Luftzerlegungseinheiten zunehmen, steigen auch die Stromenergie-Anforderungen für die Kompressor-Antriebseinheiten. Der Energiebedarf für eine große Luftzerlegungseinheit, die einen elektrisch getriebenen Turbokompressor verwendet, kann die Fähigkeiten des zur Verfügung stehenden Elektroenergiesystems übersteigen. An entfernten Stellen kann importierte elektrische Energie im Wesentlichen nicht verfügbar sein. In diesen Fällen können Systeme zur Erzeugung von elektrischer Energie vor Ort benötigt werden.
  • Wenn Erdgas, flüssiger Brennstoff oder Brennstoff, der in einem chemischen oder Raffinations-Verfahren synthetisiert wurde, zur Verfügung steht, kann der Turbokompressor, der der Luftzerlegungseinheit Luft zuführt, mechanisch durch eine Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden. Dies vermeidet sowohl den Bedarf an einem Generator- und Obertragungs-System für elektrische Energie als auch die zugehörigen Verluste an elektrischer Energie bei der Erzeugung und Übertragung. Die Temperatur des Abgasstroms aus einer Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine, die mit einem einfachen Brayton-Zyklus arbeitet, liegt jedoch im Bereich von 371°C (700°F) bis 593°C (1.100°F), und das Abgas stellt einen größeren Teil der Wärme dar, die durch die Verbrennung in der Gasturbinen-Maschine erzeugt wird. Typischer Weise wird das Abgas einer Expansionsturbine dazu verwendet, Dampf zu erzeugen, der in einem Dampf-Boden- bzw. Basis-Zyklus (steam bottoming cycle) expandiert wird, um einen elektrischen Generator oder andere rotierende Maschine anzutreiben.
  • Umfassende Übersichten von Integrations-Verfahren für Gasturbinen und Gaszerlegungssysteme werden in einem Artikel mit dem Titel „Next-Generation Integration Concepts for Air Separation Units and Gas Tubines" (Integrationskonzepte der nächsten Generation für Luftzerlegungseinheiten und Gasturbinen) von A. R. Smith u.a. in Transactions of the ASME, Vol. 119, April 1997, Seiten 298–304 und in einer Präsentation mit dem Titel „Future Direction of Air Separation Design for Gasification, IGCC, and Alternative Fuel Projects" (Zukünftige Richtung der Luftzerlegungs-Entwicklung für Vergasung, IGCC und Projekte mit alternativen Brennstoffen) von R.J. Allam u.a. auf der IChemE Conference an Gasification, 23–24 September 1998, Dresden, Deutschland, gegeben.
  • Ein üblicher Integrationsmodus zwischen der Gasturbine und Luftzerlegungseinheiten wird als volle Luft- und Stickstoff-Integration definiert. Bei dieser Betriebsweise wird die gesamte Luft für die Gasturbinen-Verbrennungseinrichtung bzw. Brennkammer und die Luftzerlegungseinheit durch den Luftkompressor der Gasturbine zur Verfügung gestellt, der von dem Gasturbinen-Expander angetrieben wird, und Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit wird in dem integrierten System eingesetzt. Volle Luft- und Stickstoff-Integration wird in den folgenden repräsentativen US-A-3,731,495 , US-A-4,224,045 , US-A-4,250,704 , US-A-4,631,915 und US-A-5,406,786 beschrieben, wobei der Stickstoff in die Gasturbinen-Brennkammer eingeführt wird. Volle Luft- und Stickstoff-Integration wird auch in den US-A-4,019,314 und US-A-5,317,862 und in der DE-A1 195 29 681 beschrieben, wobei der Stickstoff arbeitsleistend expandiert wird, um Kompressionsarbeit für die Lufteinspeisung zur Verfügung zu stellen oder elektrische Energie zu erzeugen.
  • Die Gasturbine und die Luftzerlegungseinheit können in einer alternativen Betriebsweise arbeiten, die als partielle Luft-Integration mit voller Stickstoff-Integration definiert wird, bei der ein Teil der Lufteinspeisung für die Luftzerlegungseinheit durch den Gasturbinen-Kompressor und der Rest durch einen getrennten Luftkompressor zur Verfügung gestellt wird, der von einer Antriebseinrichtung mit einer unabhängigen Energiequelle angetrieben wird. Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit wird in die Gasturbinen-Brennkammer eingeführt oder wird auf andere Weise arbeitsleistend expandiert. Diese Betriebsweise wird in den repräsentativen US-A-4,697,415 , US-A-4,707,994 , US-A-4,785,621 , US-A-,4,962,645 , US-A-5,437,150 , US-A-5,666,823 und US-A-5,740,673 beschrieben.
  • Nach einer weiteren Alternative wird Stickstoff-Integration ohne Luft-Integration verwendet. Nach dieser Alternative haben die Gasturbine und die Luftzerlegungseinheit jeweils einen unabhängig angetriebenen Luftkompressor, und der Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit wird in der Gasturbinen-Brennkammer verwendet. Diese Option wird in den repräsentativen US-A-4,729,217 , US-A-5,081,945 ; US-A-5,410,869 , US-A-5,421,166 , US-A-5,459,994 und US-A-5,722,259 beschrieben.
  • US-A-3950, 957 und UK-C 1 455 960 beschreiben eine Luftzerlegungseinheit, die in ein Dampferzeugungssystem integriert ist, bei dem ein mit Stickstoff angereicherter Abfallstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit heißer, komprimierter Luft von dem Speiseluftkompressor der Luftzerlegungseinheit erwärmt wird; der erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom wird weiter indirekt in einer aktivierten bzw. befeuerten Heizeinrichtung erwärmt, und der endgültige heiße, mit Stickstoff angereicherte Strom wird in einer sytemkonformen Stickstoff-Expansionsturbine arbeitsleistend expandiert. Die Arbeit, die von dieser Expansionsturbine erzeugt wird, treibt den Speiseluft-Kompressor der Luftzerlegungseinheit. Das Abgas der Stickstoff-Expansionsturbine und die Verbrennungsgase von der befeuerten Heizeinrichtung werden getrennt in einen befeuerten Dampfgenerator eingeführt, um Dampf zu erzeugen; ein Teil dieses Dampfes kann in einer Dampfturbine expandiert werden, um den Hauptluftkompressor der Luftzerlegungseinheit zu treiben. Optional werden die Verbrennungsgase von der befeuerten Heizeinrichtung in einer Turbine expandiert, die einen Kompressor treibt, um Verbrennungsluft für eine getrennte, befeuerte Heizeinrichtung zur Verfügung zu stellen, die den mit Stickstoff angereicherten Strom vor der Expansion erwärmt.
  • Eine alternative Verwendung für den Hochdruck-Stickstoff von einer Luftzerlegungseinheit, die mit einer Gasturbine integriert ist, wird in der US-A-5,388,359 beschrieben, wobei der Stickstoff arbeitsleistend expandiert wird, um einen Elektrogenerator zu betreiben. Das kalte Stickstoff-Abgas von dem Expander wird mit der Einlassluft für den Kompressor der Gasturbine gemischt, wodurch der gesamte Einlassstrom für den Kompressor gekühlt wird. Als Alternative hierzu wird Niederdruck-Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit schroff abgekühlt (chilled) und mit Wasser in einem Direktkontakt-Kühler/Chiller gesättigt, und der schroff abgekühlte, gesättigte Stickstoff wird mit Einlassluft für den Gasturbinen-Kompressor gemischt.
  • US-A-5,040,370 und US-A-5,076,837 offenbaren die Integration einer Luftzerlegungseinheit mit Hochtemperatur-Verfahren, die Sauerstoff verwenden, wobei Abwärme von dem Verfahren dazu eingesetzt wird, unter Druck gesetzten Stickstoff von der Luftzerlegungseinheit zu erwärmen; der heiße Stickstoff wird arbeitsleistend expandiert, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • EP-A2 0 845 644 beschreibt eine mit erhöhtem Druck arbeitende Luftzerlegungseinheit, in der der unter Druck gesetzte, mit Stickstoff angereicherte Produktstrom indirekt durch die Verbrennung eines Niederdruck-Brennstoffs erwärmt wird; der heiße Stickstoff wird arbeitsleistend expandiert, um Energie zu erzeugen oder Gaskompressoren in der Luftzerlegungseinheit anzutreiben.
  • EP-A1 0 503 900 offenbart ein Verfahren für die Zerlegung eines Speisegasgemisches, enthaltend Sauerstoff und Stickstoff, mit den Schritten:
    Verbrennen eines Oxidationsmittel-Gases und Brennstoff in einer Verbrennungskraftmaschine, um Wellenarbeit und ein heißes Abgas zu erzeugen;
    Komprimieren des Speisegasgemisches, enthaltend Sauerstoff und Stickstoff, und Trennen des sich ergebenden komprimierten Speisegasgemisches in zwei oder mehr Produktgasströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen;
    Ausnutzen der Wellenarbeit, um wenigstens einen Teil der Arbeit zur Verfügung zu stellen, die für das Komprimieren des Speisegasgemisches benötigt wird; und
    Erwärmen eines der Produktgasströme durch indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen Abgas und arbeitsleistendem Expandieren des sich ergebenden, erwärmten Abgasstroms, um Wellenarbeit zu erzeugen und einen expandierten Produktgasstrom zu ergeben. Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens wird auch in der EP-A1 0 503 900 offenbart.
  • Das gesamte Speisegasgemisch, nämlich Luft, wird durch einen einzigen Kompressor zur Verfügung gestellt.
  • Wie aus der obigen Diskussion des Standes der Technik hervorgeht, wird die Wiedergewinnung der Wärme aus dem Abgas einer Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine üblicherweise durch ein Wärmewieder-gewinnungs-Dampferzeugungs (HRSG für Heat Recovery Steam Generation)-System erreicht, das einen Wärmetauscher mit zahlreichen Boilerrohren, um das Boiler-Speisewasser zu verdampfen, eine Dampfturbine für die arbeitsleistende Expansion des Dampfes, einen Kondensator zum Kondensieren des expandierten Stroms und ein Aufbau-Rezirkulationssystem für das Boiler-Speisewasser aufweist. In einigen Situationen kann jedoch ein solches Dampfsystem aus wirtschaftlichen oder Betriebsgründen nicht sinnvoll sein, und alternative Verfahren zur Wiedergewinnung der Wärme aus dem Gasturbinen-Abgas wären erforderlich. Wenn das bevorzugte Verfahren zum Antreiben eines Turbokompressors, der Luft in eine Luftzerlegungseinheit einspeist, auf einer Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine beruht, wäre ein solches alternatives Verfahren zur Wiedergewinnung der Wärme aus dem Gasturbinen-Abgas erstrebenswert.
  • Die Erfindung, wie sie im folgenden offenbart und durch die folgenden Ansprüche definiert ist, geht auf den Bedarf an gasturbinen-getriebenen Luftzerlegungseinheiten ein, die alternative Verfahren zur Gewinnung und Nutzung der Wärme in dem Gasturbinen-Abgas verwenden.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das Verfahren zur Zerlegung eines Speisegasgemisches, aufweisend Sauerstoff und Stickstoff, ist durch Anspruch 1 definiert.
  • Die Erfindung enthält auch eine Vorrichtung für die Zerlegung von Luft gemäß Anspruch 18.
  • Die Unteransprüche definieren zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Flussdiagramm der Basis-Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Restwärme in den Abgasströmen aus der Gasturbine und den Expansionsturbinen für das mit Stickstoff angereicherte Produkt wiedergewonnen wird, um einen erwärmten Verfahrensstrom zur Verfügung zu stellen.
  • 3 ist ein schematisches Flussdiagramm einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Restwärme in dem kombinierten Abgas von dem Verbrennungsgas und von den Expansionsturbinen für das mit Stickstoff angereicherte Produkt wiedergewonnen wird, um einen erwärmten Verfahrensstrom zur Verfügung zu stellen.
  • 4 ist ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Abgas von der Expansionsturbine für das mit Stickstoff angereicherte Produkt wiedererwärmt und in einer weiteren Expansionsturbine oder Turbinenstufe expandiert wird.
  • 5 ist ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei komprimierte Speiseluft für die Luftzerlegungseinheit gegen eine Produktgasstrom von der Luftzerlegungseinheit gekühlt wird.
  • 6 ist ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Abgas von der Expansionsturbine für das mit Stickstoff angereicherte Produkt wiedererwärmt und in einer weiteren Expansionsturbine oder Turbinenstufe expandiert wird, und die Restwärme in den Abgasströmen von dem Verbrennungsgas und der zweiten Expansionsturbine für das mit Stickstoff angereicherte Produkt wiedergewonnen wird, um einen erwärmten Verfahrensstrom zur Verfügung zu stellen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in 1 dargestellt. Ein Sauerstoff enthaltender Speisegasstrom, im allgemeinen Atmosphärenluft, wird als Strom 101 in einem Turbokompressor 103 auf 3,3 bar bis 40,7 bar (48 bis 590 psia) und 71–816°C (160 bis 500°F) komprimiert. Der komprimierte Luftstrom 105 wird in einer Brennkammer 107 mit einem Brennstoffstrom 109 verbrannt, um einen heißen, unter Druck gesetzten Verbrennungsgasstrom 111 zu erzeugen. Der Brennstoffstrom 109 kann jeder geeignete Brennstoff sein, der mit dem Betrieb der Brennkammer 107 kompatibel ist.
  • Der heiße, unter Druck gesetzte Verbrennungsgasstrom 111 wird in einer Expansionsturbine 113 expandiert, um nutzbare Arbeit zu erzeugen, und der Abgasstrom 117 der Expansionsturbine wird bei nahezu Atmosphärendruck und 83 bis 871°C (200 bis 1.600°F) abgegeben. Dieser Expansionsschritt kann als arbeitsleistende Expansion definiert werden. Die Arbeit, die von der Expansionsturbine 113 erzeugt wird, treibt den Turbokompressor 103 über die Welle 115 an; falls es gewünscht wird, kann zusätzliche Arbeit erzeugt werden, um andere rotierende Vorrichtungen (nicht dargestellt) anzutreiben. Der Abgasstrom 117 wird in einem Wärmetauscher 119 durch indirekten Wärmetausch mit einem unter Druck gesetzten, mit Stickstoff angereicherten Strom 121 (der später definiert werden soll) gekühlt, und der sich ergebende, gekühlte Strom 123 wird zur Atmosphäre abgelassen.
  • Ein zweiter, Sauerstoff enthaltender Gasstrom 125, im allgemeinen atmosphärische Luft, in der jedoch auch jedes Sauerstoff und Stickstoff und möglicherweise andere Gase enthaltende Gemisch sein könnte, wird in dem Turbokompressor 127, der bei dieser Ausführungsform ein zwischengekühlter, mehrstufiger Turbokompressor sein kann, auf 3,3 bis 40,7 bar (48 bis 590 psia) komprimiert. Der Turbokompressor 127 wird durch eine Welle 128 unter Verwendung der Arbeit von Expansionsturbine 113 angetrieben. Der komprimierte Luftstrom 129 wird in einem Nachkühler 131 gekühlt, und der endgültige, gekühlte Luftspeisestrom 133 wird in das Luftzerlegungssystem 135 eingeführt.
  • In dem Luftzerlegungssystem 135 kann der Luftspeisesstrom in einem Verunreinigungs-Entfernungssystem (nicht dargestellt), beispielsweise einem Thermowechseladsorptions (TSA für Thermal Swing Adsorption)-Verfahren, behandelt werden, um Wasser, Kohlendioxid und andere Verunreinigungen zu entfernen, bevor die Speiseluft zerlegt wird. Der gereinigte Speiseluftstrom wird in einem Luftzerlegungssystem 135 zerlegt, wobei beispielsweise ein kryogenes oder Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahren eingesetzt wird, wodurch die Speiseluft in einen mit Stickstoff angereicherten Produktstrom 137 und einen mit Sauerstoff angereicherten Produktstrom 139 zerlegt wird. Der Begriff „mit Sauerstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jeden Gasstrom, der eine höhere Sauerstoffkonzentration als Luft hat, und der Begriff „mit Stickstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jeden Gasstrom, der eine höhere Stickstoffkonzentration als Luft hat. Der mit Stickstoff angereicherte Produktstrom 137 enthält typischerweise 80 bis 99,999 Mol.-% Stickstoff, befindet sich auf oder nahe bei der Umgebungstemperatur und hat einen Druck von etwas oberhalb Atmosphärendruck bis zu 40,7 bar (590 psia). Der mit Sauerstoff angereicherte Produktstrom 139 enthält üblicherweise 50 bis 99,9 Mol.-% Sauerstoff, ist üblicherweise auf oder nahe Umgebungstemperatur und hat einen Druck von etwas über Atmosphärendruck bis zu ungefähr 82,7 bar (1.200 psia). Das mit Sauerstoff angereicherte Produkt kann, falls erforderlich, in dem Sauerstoff-Produktkompressor 141 weiter komprimiert werden, um das endgültige Sauerstoffprodukt 143 zu ergeben. Optional kann zusätzlich zu den mit Sauerstoff angereicherten und/oder dem mit Stickstoff angereicherten Produktströmen ein mit Argon angereicherter Produktstrom wiedergewonnen werden.
  • Wenn der Sauerstoff enthaltende Gasstrom 125 ein Gasgemisch ist, das zwar Sauerstoff und Stickstoff enthält, jedoch nicht Luft ist, so bezeichnet der Begriff „mit Sauerstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, jeden Gasstrom, der eine höhere Sauerstoffkonzentration als der Speisestrom hat, und der Begriff „mit Stickstoff angereichert", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jeden Gasstrom, der eine höhere Stickstoffkonzentration als der Speisestrom hat.
  • Das Luftzerlegungssystem 135 kann ein bei erhöhtem Druck (EP für Elevated Pressure) arbeitendes Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahren sein, in dem Speiseluft bei einem Druck über ungefähr 6,9 bar (100 psia) in mit Sauerstoff angereicherte und mit Stickstoff angereicherte Ströme bei Drücken über dem Atmosphärendruck zerlegt wird. Bei diesem wohl bekannten Verfahren wird die gereinigte, unter Druck gesetzte Speiseluft weiter gekühlt, wenigstens teilweise kondensiert und in einer oder mehr Destillationssäulen destilliert. Das mit Stickstoff angereicherte Produkt 137 wird typischerweise bei einem Druck im Bereich von 2,8 bis 20,7 bar (40 bis 300 psia) erzeugt. Kälte wird im allgemeinen durch arbeitsleistende Expansion eines oder mehrerer interner Verfahrensströme zur Verfügung gestellt. Repräsentative EP-Luftzerlegungssysteme werden in den US-A-5,740,637 , US-A-5,666,823 und US-A-5,421,166 beschrieben.
  • Als Alternative hierzu kann das Luftzerlegungssystem 135 jedes aus dem Stand der Technik bekannte Niederdruck-Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahren sein, bei dem ein Teil der Speiseluft in mit Sauerstoff und mit Stickstoff angereicherte Ströme bei Drücken über dem Atmosphärendruck zerlegt wird. In diesem Fall wird der mit Stickstoff angereicherte Produktstrom 137 typischer Weise bei einem Druck im Bereich von Atmosphärendruck bis 10,3 bar (150 psia) geliefert. Der mit Stickstoff angereicherte Produktstrom 137 kann in einem Kompressor 145 komprimiert werden, um einen unter Druck gesetzten, mit Stickstoff angereicherten Strom 121 zu ergeben. Der unter Druck gesetzte, mit Stickstoff angereicherte Strom 121 im Druckbereich von ungefähr 2,1 bis 69 bar (30 bis 100 psia) wird gegen einen Abgasstrom 117 in dem Wärmetauscher 119 erwärmt, und der sich ergebende heiße, unter Druck gesetzte, mit Stickstoff angereicherte Strom 147 wird arbeitsleistend auf einen Druck etwas über Atmosphärendruck in der Expansionsturbine 149 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt expandiert, um Wellenarbeit bzw. mechanische Energie zu erzeugen. Der gekühlte, expandierte, mit Stickstoff angereicherte Strom 151 kann zur Atmosphäre abgelassen oder, falls gewünscht, an anderer Stelle eingesetzt werden. Die Wellenarbeit, die von der Expansionsturbine 149 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird, kann dazu verwendet werden, Gaskompressionseinrichtungen in dem Verfahren anzutreiben, beispielsweise den oben beschriebenen Sauerstoff-Kompressor 141. Als Alternative hierzu oder zusätzlich kann die mechanische Energie, die von der Expansionsturbine 149 erzeugt wird, einen Teil der Arbeit zur Verfügung stellen, die für den Antrieb des Speiseluftkompressors 127 und des Luftkompressors 103 für die Gasturbine benötigt wird. Wenn der Kompressor 145 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erforderlich ist, kann ein Teil der mechanischen Energie, die für den Antrieb dieses Kompressors benötigt wird, durch die Wellenarbeit zur Verfügung gestellt werden, die durch die Expansionsturbine 149 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird.
  • Die Wiedergewinnung von mechanischer Energie aus dem Abgasstrom 117 von der Gasturbine bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Alternative zu dem üblichen Wärmewiedergewinnungs-Dampferzeugungssystem und Dampfbodenzyklus erreicht, wie sie oben beschrieben wurden. Durch Wiedergewinnung von Wärme unter Verwendung eines Produktgasstroms von der Gaszerlegungseinheit lässt sich das erforderliche Verfahrensequipment durch Eliminieren des Wärmewiedergewinnungs-Dampfgenerators (Boiler), der Boiler-Speisewasser-Pumpe und System, der Dampf-Expansionsturbine, des Kondensators, der Kondensatpumpen und des zugehörigen Equipments und des Demineralisierungssystems für das Boiler-Speisewasser wesentlich reduzieren. Das Wärmetauschersystem nach der vorliegenden Erfindung ist kompakter als ein Wärmewiedergewinnungs-Dampfgenerator. Zusätzlich ist bei den meisten Anwendungen der Produktgasstrom von dem Luftzerlegungssystem trocken und partikelfrei, und dies ist bei dem Betrieb und der Wartung des Wärmetauschers und der Expansionsturbine vorteilhaft. Weil die Erfindung sehr effizient das unter Druck gesetzte Produktgas ausnutzt, kann eine Hochdruck- Luftzerlegungseinheit verwendet werden, die einen Zyklus mit gepumpter Flüssigkeit oder erhöhtem Druck benutzt. Diese Zyklen erfordern im Allgemeinen kleinere und weniger kostspielige Geräte als andere Zyklen, und dies kann ein Vorteil in Bezug auf den Kapitaleinsatz sein.
  • Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in 2 dargestellt, bei der zusätzliche Wärme aus einem gekühlten Abgasstrom 123, der sich auf einer Temperatur im Bereich von 93 bis 704°C (200 bis 1.300°F) befindet, und einem expandiertem, mit Stickstoff angereicherten Strom 151 wiedergewonnen wird, der bei einer Temperatur im Bereich von 93 bis 704°C (200 bis 1.300°F) sein kann. Diese beiden Ströme tauschen Wärme mit einem Verfahrensstrom 201 in einem Wärmetauscher 203 aus, um einen erwärmten Verfahrensstrom 205, einen weiteren gekühlten, mit Stickstoff angereicherten Strom 207 und den endgültigen Abgasstrom 209 zu ergeben. Die Verbrennungsprodukte in dem endgültigen Abgasstrom 209 können, falls gewünscht, ohne Wasser in einer einzigen Phase gehalten werden, indem das Ausmaß der Wärme begrenzt wird, die auf den Verfahrensstrom 201 übertragen wird. Der erwärmte Verfahrensstrom 205 kann ein Strom von Zwischendruck-Dampf sein, der in einer Dampfturbine (nicht dargestellt) expandiert wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Als Alternative hierzu kann der erwärmte Verfahrensstrom 205 einem Strom Wärme zuführen, der der Luftzerlegungseinheit 135 zugeordnet ist, beispielsweise ein Regenerationsgasstrom, der in dem mittels Temperaturwechsel-Adsorption arbeitenden Reinigungssystem für die Speiseluft verwendet wird. Diese Ausführungsform wird bevorzugt, wenn der weitere, gekühlte, mit Stickstoff angereicherte Strom 207 an anderer Stelle in dem Verfahren eingesetzt oder extern genutzt werden soll.
  • Als Alternative hierzu kann die Wärme individuell aus dem gekühlten Abgasstrom 123 und/oder dem expandierten, mit Stickstoff angereichertem Strom 151 (nicht dargestellt) wiedergewonnen werden. Die sich ergebenden gekühlte Ströme können an anderer Stelle in dem Verfahren oder extern eingesetzt werden.
  • Eine weitere, damit in Beziehung stehende alternative Ausführungsform ist in 3 dargestellt, bei der Wärme aus einem erwärmten Abgasstrom 123 und dem expandierten, mit Stickstoff angereicherten Strom 151 in einem Wärmewiedergewinnungs-Tauscher 301 wiedergewonnen wird. Bei dieser Alternative kann der Strom 303 eine Flüssigkeit sein, die erwärmt und verdampft wird, um einen unter Druck gesetzten Dampfstrom 305 zu ergeben, der in einer Expansionsturbine (nicht dargestellt) expandiert wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Falls gewünscht, kann der flüssige Strom 303 Wasser sein, das verdampft wird, um es für den Einsatz in dem Verfahren oder an anderer Stelle zur Verfügungen zu stellen. Als Alternative hierzu kann der Strom 303 ein gasförmiger Verfahrensstrom sein, der erwärmt wird, um einen Heißgasstrom 305 zur Verfügung zu stellen. Bei dieser Ausführungsform wird der expandierte, mit Stickstoff angereicherte Strom 151 in den Wärmewiedergewinnungs-Tauscher 301 an einer solchen Stelle eingeführt, dass die Temperatur des expandierten, mit Stickstoff angereicherten Stroms 151 sich näherungsweise bei der Temperatur des gekühlten Abgasstroms 123 befindet. Bei dieser Ausführungsform ist der endgültige Abgasstrom 307 eine Kombination des Abgasstroms 131 und des expandierten, mit Stickstoff angereicherten Stroms 151.
  • Eine weiterealternative Ausführungsform, die in Beziehung zu der Ausführungsform nach 1 steht, ist in 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform kann die zusätzliche Wärmeenergie effektiver wiedergewonnen werden, wenn die Massenströmungsrate des Abgasstroms 117 der Gasturbine größer als die des unter Druck gesetzten, mit Stickstoff angereicherten Stroms 121 ist. Die Wiedererwärmung wird dazu verwendet, den Wärmetaustausch zwischen diesen beiden Strömen auszugleichen, wobei der unter Druck gesetzte, mit Stickstoff angereicherte Strom 121 in dem Wärmetauscher 401 erwärmt, der erwärmte, Stickstoff angereicherte Strom 403 in der Expansionsturbine 405 arbeitsleistend auf einen Zwischendruck expandiert wird, der auf einen Zwischendruck expandierte, mit Stickstoff angereicherte Strom 407 in dem Wärmetauscher 401 wiedererwärmt wird, und der wiedererwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom 409 arbeitsleistend in der Expansionsturbine 411 auf Atmosphärendruck expandiert wird, um den endgültigen, mit Stickstoff angereicherten, nach außen abzulassenden Strom 413 zu ergeben. Die mechanische Energie bzw. Wellenarbeit, die von den Expansionsturbinen 405 und 411 erzeugt wird, kann dazu verwendet werden, um Gaskompressionsgeräte in dem Verfahren zu treiben, beispielsweise den oben beschriebenen Sauerstoff-Kompressor 141, oder kann dazu eingesetzt werden, elektrische Energie zu erzeugen. Als Alternativ hierzu oder zusätzlich kann die Wellenarbeit, die von den Expansionsturbinen 405 und 411 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird, einen Teil der Arbeit bzw. mechanischen Energie zur Verfügung stellen, die benötigt wird, um den Speiseluftkompressor 127 und den Luftkompressor für die Gasturbine anzutreiben. Wenn der Kompressor 145 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt benötigt wird, kann ein Teil der Arbeit für den Antrieb dieses Prozessors durch die Wellenarbeit zur Verfügung gestellt werden, die von den Expansionsturbinen 405 und 411 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird. Wellenarbeit von den Expansionsturbinen oder Stufen für das mit Stickstoff angereicherte Produkt kann als Alternative hierzu dazu eingesetzt werden, irgendwelche anderen rotierenden Geräte anzutreiben, wenn dies erforderlich ist.
  • Die Expansionsturbinen 405 und 411 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt sind als zwei getrennte Expansionsturbinen gezeigt; für den gleichen Zweck kann jedoch eine einzige, zweistufige Expansionsturbine eingesetzt werden, wenn dies gewünscht wird.
  • Eine weitere alternative Ausführungsform, die in Beziehung zu dem Verfahren nach dem Anspruch 1 steht, ist in 5 dargestellt, nach der Wärmeenergie aus dem komprimierten Luftstrom 129 in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Luftkompressor 127 wiedergewonnen wird. Wie oben erwähnt wurde, verwendet der Luftkompressor 127 typischerweise mehrere Kompressionsstufen. Wenn eine Zwischenkühlung der Luft zwischen diesen Stufen erfolgt, so wird die Temperatur des komprimierten Luftstroms 129 typischerweise im Bereich von 71 bis 104°C (160 bis 220°F) sein. Der Luftkompressor 127 kann jedoch ein verringertes Maß an Zwischenkühlung benutzen, oder als Alternative hierzu kann ein adiabatischer Kompressor sein; in diesem Fall kann die Temperatur des komprimierten Luftstroms 129 bis zu 816°C (1.500°F) sein. Wärme kann von diesem heißen Luftstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit dem unter Druck gesetzten, mit Stickstoff angereicherten Strom 121 in dem Wärmetauscher 501 wiedergewonnen werden. Der gekühlte Luftstrom 503 kann weiterhin in dem Nachkühler 131 gekühlt und in das Luftzerlegungssystem eingeführt werden, wie es oben beschrieben wurde. Der auf Zwischendruck befindliche, erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom 503 wird dann weiter in dem Wärmetauscher 119 erwärmt und in der Expansionsturbine 149 arbeitsleistend expandiert, wie oben beschrieben wurde.
  • Eine Alternative zu dem Verfahren nach 5 ist in 6 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform kann zusätzliche Wärmeenergie noch effektiver wiedergewonnen werden, wenn die Massenströmungsrate des Abgasstroms 107 der Gasturbine größer als die des unter Druck gesetzten, mit Stickstoff angereicherten Stroms 121 ist. Die Wiedererwärmung wird dazu verwendet, den Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Strömen auszugleichen, wobei der auf Zwischendruck befindliche, erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom 503 in dem Wärmetauscher 601 erwärmt, der sich ergebende, erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom 603 arbeitsleistend auf einen Zwischendruck in der Expansionsturbine 605 expandiert, der auf dem Zwischendruck befindliche, expandierte, mit Stickstoff angereicherte Strom 607 in dem Wärmetauscher 601 wiedererwärmt, und der wiedererwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom 609 in der Expansionsturbine 601 arbeitsleistend auf Atmosphärendruck expandiert wird, um einen expandierten, mit Stickstoff angereicherten Strom 613 zu ergeben. Wellenarbeit bzw. mechanische Energie, die von den Expansionsturbinen 605 und 611 erzeugt wird, kann dazu verwendet werden, um Gaskompressions-Geräte in dem Verfahren anzutreiben, insbesondere den oben beschriebenen Sauerstoff-Kompressor 141, oder elektrische Energie zu erzeugen. Als Alternative hierzu oder zusätzlich kann die Wellenarbeit, die von den Expansionsturbinen 605 und 611 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird, einen Teil der Arbeit zur Verfügung stellen, die für den Antrieb des Speiseluft-Kompressors 127 und des Gasturbinen-Luftkompressors 103 (nicht dargestellt) benötigt wird. Wenn der Kompressor 145 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erforderlich ist, kann ein Teil der Arbeit zum Antreiben dieses Kompressors durch die Wellenarbeit zur Verfügung gestellt werden, die von den Expansionsturbinen 605 und 611 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird. Wellenarbeit bzw. mechanische Energie von den Expansionsturbinen oder -stufen für das mit Stickstoff angereicherte Produkt kann alternativ dazu eingesetzt werden, je nach Bedarf andere rotierende Vorrichtungen anzutreiben.
  • Die Expansionsturbinen 405 und 411 für das mit Stickstoff angereicherte Produkt sind als zwei getrennte Expansionsturbinen gezeigt; falls erforderlich, kann jedoch eine einzige zweistufige Expansionsturbine für den gleichen Zweck eingesetzt werden.
  • Wenn der expandierte, mit Stickstoff angereicherte Strom 613 und der gekühlte Abgasstrom 615 der Gasturbine auf ausreichend hohen Temperaturen sind, kann zusätzliche Energie von diesen Strömen durch indirekte Wärmeübertragung auf einen Verfahrensstrom 617 in dem Wärmetauscher 619 wiedergewonnen werden. Diese beiden Ströme tauschen Wärme mit dem Verfahrensstrom 617 in dem Wärmetauscher 619, um einen erwärmten Verfahrensstrom 621, einen weiteren, gekühlten, mit Stickstoff angereicherten Strom 623 und den endgültigen Abgasstrom 625 zu ergeben. Der Verfahrensstrom 617 kann jeder flüssige oder gasförmige Verfahrensstrom sein. Die Verbrennungsprodukte in dem endgültigen Abgasstrom 625 können ohne Wasserkondensation in einer einzigen Phase gehalten werden, falls erforderlich, indem das Ausmaß der Wärme begrenzt wird, die auf den Verfahrensstrom 201 übertragen wird. Der erwärmte Verfahrensstrom 621 kann ein Strom von Zwischendruck-Dampf sein, der in einer Dampfturbine (nicht dargestellt) expandiert wird, um elektrische Energie zu erzeugen, oder kann vorgewärmtes Boiler-Speisewasser sein. Als Alternative kann der erwärmte Verfahrensstrom 621 Wärme einem Strom zuführen, der der Luftzerlegungseinheit 135 zugeordnet ist, beispielsweise ein Regenerationsgasstrom, der in dem mit Temperaturwechsel-Adsorption arbeitenden Reinigungssystem für die Speiseluft verwendet wird. Diese Ausführungsform wird bevorzugt, wenn der weitere, gekühlte, mit Stickstoff angereicherte Strom 623 an anderer Stelle in dem Verfahren oder außerhalb des Verfahrens eingesetzt werden soll.
  • Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Luftzerlegungseinheit als kryogen bzw. Tieftemperatur-Zerlegungssystem definiert, das das Speisegas durch Tieftemperatur-Destillation zerlegt. Die Merkmale der Erfindung können jedoch auch realisiert werden, wenn andere Typen von bekannten Gaszerlegungsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise Prozesse, die Adsorption, Membran-Permeation oder chemische Trennverfahren verwenden. Die bevorzugte Antriebseinrichtung für die Luftzerlegungseinheit ist eine Gasturbinen-Verbrenn ungskraftmaschine bzw. -Verbrennungsmotor, wie sie/er oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, die eine einfache Gasturbine mit einer Welle zeigt. Jeder Typ von Gasturbinen-Verbrennungsmotor, der im Stand der Technik bekannt wird, kann jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, beispielsweise Gasturbinen mit zwei Wellen oder mit mehreren Spulen. Andere Konfigurationen des Gasturbinen-Zyklus können auch eingesetzt werden, wie beispielsweise die, die in dem Buch mit dem Titel „The Gas Turbine Manual" (Das Gasturbinen-Manual) von R. J. Welsh und G. Waller, Temple Press Limited, London, 1955, Seite 37 beschrieben sind. Als Alternative hierzu kann ein Verbrennungsmotor, der einen Otto-Zyklus, einen Diesel-Zyklus oder andere Arten von Zyklen nutzt, als Antriebseinrichtung für die Kompression des Speisegasstroms für die Luftzerlegungseinheit verwendet werden.
  • BEISPIEL
  • Das Verfahren nach 1 wird bei einem barometrischen Druck von 1 bar (14,7 psia), einer Umgebungstemperatur von 32,7°C (91°F) und einer relativen Feuchtigkeit von 60% betrieben; Kühlwasser steht bei 32,2°C (90°F) zur Verfügung. Die Verbrennungskraftmaschine der Gasturbine, wie sie in 1 gezeigt ist, wird dazu verwendet, um den Luftkompressor 127 anzutreiben, so dass er die Luftzerlegungseinheit 135 mit 311 kg/sec (686 lb/sec) Luft bei einem Druck von 8,8 bar (127 psia) speist. Die Luftzerlegungseinheit benutzt ein Tieftemperatur-Destillationssystem, um die Luft in einen mit Stickstoff angereicherten Strom 137 von 242 kg/sec. (534 lb/sec) und 2,1 bar (30,1 psia) und einen mit Sauerstoff angereicherten Strom 139 von 69 kg/sec. (152 lb/sec) und einem Druck von 2,2 bar (31,6 psia) mit einer Sauerstoff-Reinheit von 95 Vol.% zu zerlegen. Der mit Stickstoff angereicherte Strom 137 wird auf 510°C (950°F) in dem Wärmetauscher 119 gegen den Abgasstrom 117 erwärmt, und der erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Strom 147 wird arbeitsleistend in der Expansionsturbine 149 expandiert, um einen expandierten, mit Stickstoff angereicherten Strom 151 bei Atmosphärendruck zu ergeben. Die Expansionsturbine 149 erzeigt 28,705 kW Energie. Der mit Sauerstoff angereicherte Strom 139 wird in dem Kompressor 141 komprimiert, um einen komprimierten Sauerstoff-Produktstrom 143 bei 49 bar (715 psia) zu ergeben, der 28,705 kW Energie benötigt. Die Expansionsturbine 149 treibt den Kompressor 141, wodurch die exakte Menge an Arbeit zur Verfügung gestellt wird, die für die Kompression benötigt wird. Dieses Beispiel stellt den Betrieb des Verfahrens im unabhängigen Modus ohne Bedarf für den Import elektrischer Energie dar. Der Brennstoff 109 stellt die gesamte Energie zur Verfügung, die für die Erzeugung des Sauerstoff-Produktes 143 bei dem erforderlichen Druck und Strömungsrate benötigt wird. Damit kann der Betriebsdruck der Luftzerlegungseinheit ausgewählt werden, um ein mit Stickstoff angereichertes Produkt bei einem solchen Druck und einer solchen Strömungsrate zu erzeugen, dass das mit Stickstoff angereicherte Produkt gegen das Abgas der Gasturbine erwärmt und arbeitsleistend expandiert werden kann, um die exakte Menge an Arbeit bzw. mechanischer Energie zur Verfügung zu stellen, die für die Kompression des Sauerstoff-Produktes benötigt wird.
  • Eine Stromzusammenfassung für das Beispiel ist unten in Tabelle 1 gegeben, und eine Energiebilanz ist in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 1 Stromzusammenfassung für Beispiel (Fig. 1)
    Strom Nummer 101 109 117 121 123 125 129
    Druck psia* 14,55 350 15,06 29,58 14,7 14,55 128,1
    Temperatur °C (deg F) 33(91) 25(77) 550(1022) 38(100) 160(320) 33(91) 96(204)
    Strömungsrate lbs/sec** 622,2 10,8 633 534,2 633 695,4 686,5
    Zusammensetzung Vol%
    Trockene Luft 97,06 0,00 0,00 0,00 0,00 97,06 98,79
    Wasser 2,94 0,00 8,88 3,50 8,88 2,94 1,21
    Stickstoff 0,00 0,00 73,51 94,16 73,51 0,00 0,00
    Sauerstoff 0,00 0,00 13,70 1,78 13,70 0,00 0,00
    Argon 0,00 0,00 0,88 0,32 0,88 0,00 0,00
    Kohlendioxid 0,00 0,00 3,04 0,25 3,04 0,00 0,00
    Methan 0,00 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
    Strom Nummer 133 137 139 143 147 151
    Druck psia* 127,1 30,05 31,55 715 28,08 14,70
    Temperatur °C (deg F) 41(105) 38(100) 38(100) 38(100) 510(950) 401(754)
    Strömungsrate lbs/sec** 686 534,2 151,8 151 534,2 534,2
    Zusammensetzung Vol%
    Trockene Luft 99,13 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
    Wasser 0,87 3,50 0,00 0,00 3,50 3,50
    Stickstoff 0,00 94,16 1,80 1,80 94,16 94,16
    Sauerstoff 0,00 1,78 95,00 95,00 1,78 1,78
    Argon 0,00 0,32 3,20 3,20 0,32 0,32
    Kohlendioxid 0,00 0,25 0,00 0,00 0,25 0,25
    Methan 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
    • * 1 psia = 0,0689 bar
    • ** 1 lb/sec = 0,4536 kg/sec.
    Tabelle 2 Energiebilanz für Beispiel
    Komponente Bezugszeichen (Fig 1) Wellenarbeit kW Turbine Ausgangsleistung kW
    Hauptluft-Kompressor 127 79746
    Sauerstoff-Kompressor 141 28705
    Gasturbinenmaschine 103/107/113/115/128 79746 79746
    Stickstoff-Expansions-Turbine 149 28705 28705
    Netto-Export-Energie 0
  • Bemerkung:
    • 1) Mechanische und Dichtungsverluste sowie Feuchtigkeitsauswerfen (moisture knock-out) sind in der Bilanz berücksichtigt worden.
    • 2) Verluste der Luftzerlegungseinheit sind in der Bilanz berücksichtigt worden.
    • 3) Energie für die Hilfsgeräte, wie beispielsweise die Kühlmittel-Zirkulatinspumpen, Gebläse für die Kühltürme und Hilfsgeräte für die Schmiersysteme sind nicht eingeschlossen.
  • Damit ist also das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ein alternatives Verfahren zur Wiedergewinnung von Wärme aus dem Abgas einer Gasturbine in einem integrierten Gasturbinen- und Luftzerlegungssystem, in dem die Gasturbine den Luftspeisekompressor für die Luftzerlegungseinheit treibt. Die Erfindung bietet eine Alternative zu den bekannten Methoden der Wiedergewinnung von Wärme aus der Abgaswärme der Gasturbine durch einen Wärmewiedergewinnungs-Dampfgenerator und ist nützlich für Verfahrenssituationen, in denen ein Dampferzeugungssystem mit der erforderlichen Boiler-Speisewasser-Präparierung und Kondensationssystemen für den verbrauchten Dampf nicht gewünscht wird.
  • Nach einer offenbarten Ausführungsform kann der Betriebsdruck der Luftzerlegungseinheit ausgewählt werden, um ein mit Stickstoff angereichertes Produkt bei einem Druck und einer Strömungsrate in der Weise zu erzeugen, dass das mit Stickstoff angereicherte Produkt gegen das Gasturbinen-Abgas erwärmt und arbeitsleistend expandiert werden kann, um die exakte Menge an Arbeit bzw. mechanischer Energie zur Verfügung zu stellen, die für die Kompression des Sauerstoffproduktes benötigt wird. Die Erfindung schafft ein effizientes und unabhängiges bzw. ein in sich abgeschlossenes Verfahren für die Erzeugung von Hochdruck-Sauerstoff ohne Bedarf an importierter elektrischer Energie.
  • Die wesentlichen Charakteristiken der vorliegenden Erfindung sind vollständig in der obigen Offenbarung beschrieben. Der Fachmann auf diesem Gebiet kann die Erfindung verstehen und verschiedene Modifikationen vornehmen, ohne von der Erfindung abzuweichen und ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims (18)

  1. Verfahren zur Zerlegung eines Speisegasgemisches mit Sauerstoff und Stickstoff mit den Schritten: (a) Komprimieren eines ersten Gasgemisches (101) mit Sauerstoff, um ein komprimiertes Oxidationsmittel-Gas (105) zu ergeben, und Verbrennen des komprimierten Oxidationsmittel-Gases (105) und Brennstoff in einer Verbrennungskraftmaschine (107), um Wellenarbeit bzw. mechanische Energie (shaft work) und ein heißes Abgas (111) zu erzeugen; (b) Komprimieren eines zweiten Gasgemisches (125) mit Sauerstoff und Stickstoff, um ein komprimiertes Speisegasgemisch (129) zu ergeben, und Zerlegen des komprimierten Speisegasgemisches (129) in zwei oder mehr Produktgasströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ; (c) Nutzen der mechanischen Energie von Schritt (a), um wenigstens einen Teil der Arbeit bzw. Energie zur Verfügung zu stellen, die für das Komprimieren des zweiten Gasgemisches (125) im Schritt (b) benötigt wird; und (d) Erwärmen eines der Produktgasströme (121) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen Abgas (117) und arbeitsleistendes Expandieren des sich ergebenden, erwärmten Produktgasstroms (147), um Wellenarbeit bzw. mechanische Energie zu erzeugen und einen expandierten Produktgasstrom (151) zu ergeben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Gasturbinen-Verbrennungskraftmaschine (113) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Verbrennungsmotor ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Speisegasgemisch (101) Luft ist, einer der Produktgasströme ein mit Sauerstoff angereichertes Produktgas (139) ist, und ein weiterer der Produktgasströme ein mit Stickstoff angereichertes Produktgas (137) ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das mit Stickstoff angereicherte Produktgas (137) das Produktgas aus dem Schritt (b) zur Verfügung stellt, wobei das mit Stickstoff angereicherte Produktgas (137) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen Abgasstrom (117) erwärmt wird, und wobei das sich ergebende, erwärmte, mit Stickstoff angereicherte Produktgas (127) arbeitsleistend in einer Expansionsturbine (149) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt expandiert wird, um Wellenarbeit bzw. mechanische Energie zu erzeugen und einen mit Stickstoff angereicherten Produktgasstrom mit reduziertem Druck zu ergeben.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das mit Sauerstoff angereicherte Produktgas (139) in einem Kompressor (141) für das Sauerstoff-Produkt komprimiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei wenigstens ein Teil der Arbeit, die von dem Kompressor (141) für das Sauerstoffprodukt benötigt wird, durch die Wellenarbeit bzw. mechanische Energie zur Verfügung gestellt wird, die von der Expansionsturbine (149) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das mit Stickstoff angereicherte Produktgas (137) in einem Kompressor (145) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt komprimiert wird, bevor es durch indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen Abgas erwärmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Teil der Arbeit, die von dem Kompressor (145) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt benötigt wird, durch Wellenarbeit bzw. mechanische Energie zur Verfügung gestellt wird, die von der Expansionsturbine (149) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin mit den Schritten: (e) Wiedererwärmen des mit Stickstoff angereicherten Produktgases (407) mit verringertem Druck durch indirekten Wärmeübergang mit dem heißen Abgas (117) und arbeitsleistendes Expandieren des sich ergebenden, wiedererwärmten, mit Stickstoff angereicherten Produktgases (408) in einer weiteren Expansionsturbine (411) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt, um ein endgültiges, mit Stickstoff angereichertes Produktgas (413) bei einem weiter reduzierten Druck zu ergeben.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das mit Sauerstoff angereicherte Produktgas (139) in einem Kompressor (141) für das Sauerstoffprodukt komprimiert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei wenigstens ein Teil der Arbeit, die von dem Kompressor (141) für das Sauerstoffprodukt benötigt wird, durch Wellenarbeit bzw. mechanische Energie zur Verfügung gestellt wird, die von den Expansionsturbinen (405, 411) für das stickstoff-angereicherte Produkt erzeugt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das mit Stickstoff angereicherte Produktgas (137) in einem Kompressor (145) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt komprimiert wird, bevor es durch indirekte Wärmeübertragung mit dem heißen Abgas erwärmt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Teil der Arbeit, die von dem Kompressor (145) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt benötigt wird, durch Wellenarbeit bzw. mechanische Energie zur Verfügung gestellt wird, die von den Expansionsturbinen (405, 411) für das mit Stickstoff angereicherte Produkt erzeugt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Erwärmen des mit Stickstoff angereicherten Produktgases durch indirekte Wärmeübertragung mit dem heißen Abgas ein abgekühltes Abgas (615) ergibt, und wobei das abgekühlte Abgas (615) und das endgültige, mit Stickstoff angereicherte Produktgas (613) bei einem weiteren verringerten Druck in einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator kombiniert werden, und das kombinierte Gas darin weiter durch indirekte Wärmeübertragung mit Wasser gekühlt wird, um einen erwärmten Wasserstrom zu ergeben.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Erwärmen des mit Stickstoff angereicherten Produktgases und das Wiedererwärmen des mit Stickstoff angereicherten Produktgases mit verringertem Druck durch indirekte Wärmeübertragung mit dem heißen Abgas (117) einen abgekühlten Abgasstrom ergibt, und wobei der abgekühlte Abgasstrom und das endgültige, mit Stickstoff angereicherte Produktgas bei einem weiter verringerten Druck durch indirekte Wärmeübertragung mit einem Verfahrensstrom (617) weiter gekühlt werden, um einen erwärmten Verfahrensstrom (621) zu ergeben.
  17. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Luft in das mit Sauerstoff angereicherte Produktgas und das mit Stickstoff angereicherte Produktgas durch kryogene bzw. Tieftemperatur-Destillation zerlegt wird.
  18. Vorrichtung zur Zerlegung von Luft mit: (a) einem ersten Luftkompressor (103), um Luft zu komprimieren, wodurch ein erster, unter Druck gesetzter Luftspeisestrom (105) zur Verfügung gestellt wird; (b) einem zweiten Luftkompressor (127), um Luft zu komprimieren, wodurch ein zweiter, unter Druck gesetzter Luftspeisestrom (129) zur Verfügung gestellt wird; (c) einer Gasturbinen-Verbrennungsanordnung (107) zur Verbrennung von Brennstoff mit dem ersten, unter Druck gesetzten Luftspeisestrom (105), um ein heißes, unter Druck gesetztes Gas (111) zu ergeben, und einer Gasturbinen-Expansionsturbine (113) zum arbeitsleistenden Expandieren des heißen, unter Druck gesetzten Gases, um ein heißes Abgas (117) zu ergeben, wobei die Gasturbinen-Expansionsturbine (113) mechanisch mit dem ersten und zweiten Luft-Kompressor (103, 127) in der Weise gekoppelt ist, dass Arbeit bzw. mechanische Energie von der ersten Gasturbinen-Expansionsturbine (113) den ersten und zweiten Luft-Kompressor (103, 127) antreibt; (d) einer Rohranordnung zur Strömungsführung des ersten, unter Druck gesetzten Luftspeisestroms (105) von dem ersten Luftkompressor (103) zu der Gasturbinen-Verbrennungsanordnung (107) und zur Führung des heißen, unter Druck gesetzten Gases von der Gasturbinen-Verbrennungsanordnung (107) zu der Gasturbinen-Expansionsturbine (113); (e) einer Kühlanordnung (131), um den zweiten, unter Druck gesetzten Luftspeisestrom (129) zu kühlen, um einen gekühlten, unter Druck gesetzten Luftspeisestrom (133) zur Verfügung zu stellen; (f) einer Rohranordnung zur Strömungsführung des zweiten, unter Druck gesetzten Luftspeisestroms (129) von dem zweiten Luftkompressor (127) zu der Kühlanordnung (133); (g) einem Luftzerlegungssystem (135), um den abgekühlten, unter Druck gesetzten Luftspeisestrom (133) in wenigstens ein mit Sauerstoff angereichertes Produktgas (139) und ein mit Stickstoff angereichertes Produktgas (137) zu zerlegen; und (h) einer Rohranordnung zur Strömungsführung des gekühlten, unter Druck gesetzten Luftspeisestroms (133) von der Kühlanordnung zu dem Luftzerlegungssystem (135); (i) einer Wärmetauscheranordnung (119), um das mit Stickstoff angereicherte Produktgas (137) durch indirekten Wärmeaustausch mit heißem Abgas (117) von der ersten Expansionsturbine (113) zu erwärmen; (j) einer Gasexpansionsturbine (139) für das heiße, mit Stickstoff angereicherte Produktgas zum arbeitsleistenden Expandieren des sich ergebenden, heißen, mit Stickstoff angereicherten Produktgases (147) von der Wärmetauscheranordnung (119); und (k) einer Rohranordnung für die Strömungsführung des mit Stickstoff angereicherten Produktgases (137) von dem Luftzerlegungssystem (135) zu der Wärmetauscheranordnung (119) und zur Strömungsführung des heißen Abgases (117) von der Gasturbinen-Expansionsturbine (113) zu der Wärmetauscheranordnung (119).
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