DE60112396T3 - Integriertes Verfahren zur Luftzerlegung und Energieerzeugung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein integriertes Verfahren zur Luftzerlegung und zur Energieerzeugung.
  • Es ist gut bekannt, ein mit Stickstoff angereichertes Gas von einer Luftzerlegungsanlage stromaufwärts einer Verbrennungsgas-Entspannungsturbine zu leiten. Die Verbrennungskammer wird mit Druckluft gespeist, die aus einem Luftkompressor kommt, der die gesamte oder einen Teil der Luft liefern kann, die für die Luftzerlegungsanlage (ASU) erforderlich ist, wie in EP-A-0538118 illustriert. Alternativ kann, wie im Fall von GB-A-2067688 , die gesamte Luft aus einem dafür ausgelegten Kompressor kommen.
  • Falls es gewünscht ist, Argon zu erzeugen, beschreibt EP-A-568431 die Verwendung eines integrierten Systems.
  • Die Schwierigkeiten bei der Steuerung dieser Art von System werden in EP-A-0622595 erläutert.
  • Im Allgemeinen gibt es aus Gründen der Zuverlässigkeit an einem Standort zwei Gasturbinen und zwei Luftzerlegungsanlagen, die im Wesentlichen identisch sind und gleichzeitig den unreinen Sauerstoff, der für die Vergasung der Treibstoffe erforderlich ist, und den Stickstoff erzeugen. Jede Zerlegungsanlage wird aus einem Kompressor einer Gasturbine gespeist und leitet Stickstoff nur zu eben dieser Gasturbine.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Mängeln der bekannten Systeme abzuhelfen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, mehr Flexibilität bei der Auswahl der Produkte zu ermöglichen, die von einem integrierten System zur Luftzerlegung und einer Gasturbine kommen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
  • Bevorzugt stellt der prozentuale Anteil der Gesamtluft, die in der zweiten Anlage aufbereitet wird, die aus dem Kompressor kommt, der eine Verbrennungskammer speist, höchstens 80%, sogar höchstens 50%, selbst höchstens 30% des prozentualen Anteils an Luft dar, der in der ersten Anlage aufbereitet wird, die aus dem ersten Luftkompressor kommt (oder aus dem ersten Luftkompressor sowie einem zweiten Luftkompressor, der auch eine zweite Verbrennungskammer speist, kommt).
  • In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird ein mit Sauerstoff angereichertes Gas von der ersten Anlage und/oder der zweiten Anlage zu einem Vergaser oder mehreren Vergasern geleitet. Dieser oder diese Vergaser liefern Treibstoff an die Verbrennungskammer(n).
  • Gemäß fakultativer Aspekte der Erfindung:
    • – ist der prozentuale Anteil an kryogener Flüssigkeit, die als Enderzeugnis durch die zweite Anlage erzeugt wird, gegenüber der Menge an Luft, die durch die zweite Anlage aufbereitet wird, höher als der prozentuale Anteil an kryogener Flüssigkeit, die als Enderzeugnis durch die erste Anlage erzeugt wird, gegenüber der Menge an Luft, die durch die erste Anlage aufbereitet wird, oder die zweite Anlage erzeugt kryogene Flüssigkeit, während die erste Anlage keine erzeugt. Zum Beispiel kann die zweite Anlage, bezogen auf Luft, eine mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit und/oder eine mit Stickstoff angereicherte Flüssigkeit und/oder eine mit Argon angereicherte Flüssigkeit erzeugen;
    • – erhält die zweite Luftzerlegungsanlage höchstens 50%, gegebenenfalls höchstens 30% der Druckluft, die sie aufbereitet, aus einem oder mehreren Kompressoren, die eine oder mehrere Verbrennungskammern mit Druckluft speisen, gegebenenfalls dem ersten Kompressor;
    • – wird die erste Luftzerlegungsanlage aus einem zweiten Luftkompressor mit Luft gespeist, der auch eine zweite Verbrennungskammer speist, wobei die Verbrennungsgase der zweiten Verbrennungskammer an eine zweite Entspannungsturbine geleitet werden;
    • – erzeugt die erste Luftzerlegungsanlage ein Fluid bzw. Fluide, das bzw. die mit Sauerstoff angereichert ist bzw. sind, wobei dieses Fluid höchstens 98 Mol-% Sauerstoff enthält und/oder mindestens 80% dieser Erzeugnisse von einem Fluid gebildet sind, das höchstens 98 Mol-%, bevorzugt höchstens 97 Mol-% Sauerstoff enthält;
    • – erzeugt die erste Luftzerlegungsanlage Erzeugnisse, die mit Sauerstoff angereichert sind, wobei mindestens 90% dieser mit Sauerstoff angereicherten Fluide von einem Fluid oder Fluiden gebildet sind, das bzw. die höchstens 98 Mol-% Sauerstoff enthält bzw. enthalten;
    • – erzeugt die zweite Luftzerlegungsanlage ein Fluid bzw. Fluide, das bzw. die mit Sauerstoff angereichert ist bzw. sind, wobei dieses Fluid mindestens 98 Mol-% Sauerstoff enthält oder mindestens 50% dieser mit Sauerstoff angereicherten Fluide von einem Fluid oder Fluiden gebildet sind, das bzw. die mindestens 98 Mol-% Sauerstoff enthält bzw. enthalten;
    • – erzeugt die zweite Luftzerlegungsanlage Erzeugnisse, die mit Sauerstoff angereichert sind, wobei mindestens 70% dieser Erzeugnisse von einem Fluid gebildet sind, das mindestens 98 Mol-% Sauerstoff enthält;
    • – wird die erste Luftzerlegungsanlage auch durch einen Kompressor mit Druckluft gespeist, der keine Verbrennungskammer speist und/oder der nur die erste Luftzerlegungsanlage speist;
    • – wird die zweite Luftzerlegungsanlage durch einen Kompressor mit Druckluft gespeist, der keine Verbrennungskammer speist und/oder der nur die zweite Luftzerlegungsanlage speist;
    • – erzeugt die zweite Luftzerlegungsanlage ein Enderzeugnis, das mit Argon angereichert ist;
    • – erzeugt die zweite Luftzerlegungsanlage ein Enderzeugnis, das mit Argon angereichert ist, oder wobei die zweite Luftzerlegungsanlage mehr von dem Enderzeugnis (den Enderzeugnissen) erzeugt, das mit Argon angereichert ist, als die erste Anlage;
    • – umfasst die erste Luftzerlegungsanlage eine Einblasturbine und/oder die zweite Luftzerlegungsanlage umfasst eine Claude-Turbine;
    • – speist ein Kompressor die beiden Luftzerlegungsanlagen und speist keine Verbrennungskammer;
    • – umfasst (umfassen) die erste Luftzerlegungsanlage und/oder die zweite Luftzerlegungsanlage eine Niederdruckkolonne, von der ein erzeugtes, mit Sauerstoff angereichertes Fluid abgezweigt wird, wobei diese Niederdruckkolonne bei mindestens 1,3 bar, gegebenenfalls mindestens 3 bar arbeitet;
    • – umfasst (umfassen) die erste und/oder die zweite Anlage eine Niederdruckkolonne und eine Hochdruckkolonne und gegebenenfalls eine Kolonne, die bei einem Zwischendruck zwischen dem Hoch- und dem Niederdruck arbeitet;
    • – wird die von dem ersten Kompressor zu der ersten und/oder der zweiten Luftzerlegungsanlage hin geleitete Luft verdichtet oder entspannt und/oder wird die von dem zweiten Kompressor zu der ersten und/oder der zweiten Luftzerlegungsanlage hin geleitete Luft verdichtet oder entspannt.
  • So erhält die erste Luftzerlegungsanlage proportional mehr Luft von einer Gasturbine als die zweite Luftzerlegungsanlage. Diese zweite Anlage kann eine mit Stickstoff angereicherte Menge erzeugen, die zur Gasturbine geleitet wird.
  • So erhält die erste Luftzerlegungsanlage mehr Luft von einer Gasturbine als die zweite Luftzerlegungsanlage.
  • Der Integrationsgrad bestimmt, welche Erzeugnisse aus jeder Anlage entnommen werden können, wobei im Allgemeinen die reinsten Sauerstoff- und/oder Argonerzeugnisse aus der zweiten Anlage kommen werden, deren Betrieb aufgrund des geringen Integrationsgrads stabiler sein wird.
  • Verfahren gemäß der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben, bei denen es sich um schematische Zeichnungen integrierter Anlagen handelt.
  • In 1 wird ein Kompressor 13 mit Luft gespeist und leitet eine erste Menge an Luft in eine Verbrennungskammer 17 mit Treibstoff, eine zweite Menge an Luft in eine erste Luftzerlegungsanlage 1 und gegebenenfalls eine dritte Menge an Luft in eine zweite Luftzerlegungsanlage 101, wobei die dritte Menge im Allgemeinen kleiner ist als die zweite Menge.
  • Die Mittel zum Abkühlen der Luft von der Ausgangstemperatur des Kompressors 13 auf eine Temperatur nahe an der Temperatur der Umgebung stromaufwärts der Luftzerlegungsanlage 1 und stromaufwärts der Luftzerlegungsanlage 101 sind nicht illustriert.
  • Die erste Luftzerlegungsanlage 1 wird ebenfalls mit Luft von einem Kompressor 21 gespeist, der ausschließlich diesen speist und die zweite Luftzerlegungsanlage 101 wird ebenfalls mit Luft von einem Kompressor 121 gespeist, der ausschließlich diesen speist. Alternativ kann jeder der Kompressoren 21, 121 die erste und die zweite Luftzerlegungsanlage speisen oder nur einer der Kompressoren 21 oder 121 kann die erste und die zweite Luftzerlegungsanlage speisen (nicht illustriert).
  • Die erste Luftzerlegungsanlage, in der Regel von dem Typ mit Doppel- oder Dreifachkolonne, erzeugt mindestens ein mit Stickstoff angereichertes Gas 3 und ein mit Sauerstoff angereichertes Hochdruckgas 5, das höchstens 98 Mol-% Sauerstoff, gegebenenfalls höchstens 95 Mol-% Sauerstoff oder sogar höchstens 93 Mol-% Sauerstoff enthält, das in einen Vergaser 31 geleitet wird. Das mit Stickstoff angereicherte Gas wird in die Verbrennungskammer 17 oder in einen anderen Punkt stromaufwärts der Turbine 19 geleitet.
  • Die erste Anlage kann gegebenenfalls eine kleine Menge an Flüssigkeit erzeugen.
  • In dem Beispiel erzeugt sie kein Argon.
  • Ein Teil der zur Luftzerlegungsanlage 1 geleiteten Luft kann dort durch eine Einblasturbine (die die Niederdruckkolonne der Doppel- oder Dreifachkolonne speist) geleitet werden.
  • Die zweite Luftzerlegungsanlage erzeugt Sauerstoff 105, der mindestens 98 Mol-% Sauerstoff enthält, gasförmiges und/oder flüssiges Argon und gegebenenfalls stickstoff- oder sauerstoffreiche Flüssigkeiten sowie eine Menge an unreinem Stickstoff 103, die in die Verbrennungskammer 17 geleitet wird.
  • Optional kann ein Teil des Sauerstoffs 105 in den Vergaser 31 geleitet werden.
  • Die zweite Anlage 101 ist bevorzugt vom Niederdrucktyp, also mit einer Niederdruckkolonne, aus der das mit Sauerstoff angereicherte Fluid abgezogen wird, die bei über 1,5 bar, bevorzugt über 3 bar arbeitet.
  • Die zweite Anlage kann eine Kolonne zur Reinigung einer mit Argon angereicherten Menge umfassen.
  • Bevorzugt wird ein Teil der in die zweite Anlage 101 geleiteten Luft in einer Claude-Turbine entspannt, bevor sie in die Luftdestillationskolonne geleitet wird, die mit dem höchsten Druck arbeitet.
  • Bevorzugt ist das Verhältnis zwischen der Menge an Luft, die von dem Kompressor 121 in die Anlage 101 geleitet wird und der Menge an Luft (falls vorhanden), die von dem Kompressor 13 in diese Anlage 101 geleitet wird, größer als das Verhältnis zwischen der Menge an Luft, die von dem Kompressor 21 in die Anlage 1 geleitet wird und der Menge an Luft, die von dem Kompressor 13 in diese Anlage 1 geleitet wird.
  • Gegebenenfalls können die beiden Kompressoren 21, 121 durch einen einzigen Kompressor ersetzt werden, der die Anlagen 1, 101 speist.
  • In 2 stellt ein erster Luftkompressor 13 Luft an die erste Luftzerlegungsanlage 1 und an eine erste Verbrennungskammer 17 bereit, deren Verbrennungsgase eine erste Entspannungsturbine 19 speisen, die die Erzeugung von Elektrizität ermöglicht.
  • Ein zweiter Luftkompressor 15 stellt Luft an die Luftzerlegungsanlage 1 und an eine zweite Verbrennungskammer 23 bereit, deren Verbrennungsgase eine zweite Entspannungsturbine 25 speisen, die die Erzeugung von Elektrizität ermöglicht. Ein dritter Luftkompressor 21 stellt Luft ausschließlich an die Luftzerlegungsanlage bereit.
  • Die Mittel zum Abkühlen der Luft von der Ausgangstemperatur der Kompressoren 13, 15 auf eine Temperatur nahe an der Temperatur der Umgebung stromaufwärts der ersten Luftzerlegungsanlage 1 und stromaufwärts der zweiten Luftzerlegungsanlage 101 sind nicht illustriert.
  • Das Restgas 3 aus der Zerlegungsanlage 1 wird stromaufwärts der ersten und gegebenenfalls der zweiten Turbine, zum Beispiel in die erste und gegebenenfalls in die zweite Verbrennungskammer und/oder zum Einlass der ersten und gegebenenfalls der zweiten Turbine geleitet.
  • Das mit Druck beaufschlagte, mit Sauerstoff angereicherte Gas 5 wird bevorzugt in einen oder mehrere Vergaser 31, 131 geleitet, wo es dazu dient, Treibstoff für mindestens eine der Verbrennungskammern 17, 23 zu erzeugen.
  • Die Kompressoren 13, 15, 21 können Luft mit unterschiedlichen Drücken bereitstellen, die sich zum Beispiel um mindestens 0,5 bar voneinander unterscheiden. Die Mengen mit den höheren Drücken können auf den niedrigsten Druck entspannt werden, um alle Luftmengen zusammen zu reinigen.
  • Andernfalls können die Mengen an Kolonnen der ASU geleitet werden, die bei unterschiedlichen Drücken mit einer angepassten Reinigung arbeiten.
  • In der Vorrichtung aus 2 gibt es zwei Luftzerlegungsanlagen 1, 101, von denen jede mindestens zwei Destillationskolonnen aufweist und jede gegebenenfalls ihre eigene Kältekammer aufweist.
  • Die Anlage 1 erzeugt die gleichen Erzeugnisse wie diejenigen, die oben beschrieben wurden: Die Anlage 101 erzeugt mindestens Reststickstoff 103 und mit Sauerstoff angereichertes Gas gegebenenfalls unter mehreren Drücken oder mindestens unter Hochdruck.
  • Der Reststickstoff 103 wird in die erste und gegebenenfalls die zweite Verbrennungskammer geleitet.
  • Der Sauerstoff 105 kann in einen anderen Vergaser 131, den Vergaser 31 oder eine andere Anwendung geleitet werden, insbesondere wenn seiner Reinheit von der des Sauerstoffs 5 verschieden ist. Wie zuvor beschrieben, kann die Anlage 101 hauptsächlich oder ausschließlich reinen Sauerstoff mit mehr als 98 Mol-% Sauerstoff bereitstellen, während die erste Anlage ausschließlich oder hauptsächlich unreinen Sauerstoff mit weniger als 95 Mol-% Sauerstoff erzeugen kann.
  • Die Anlage 101 wird mit Luft aus einem dafür ausgelegten Kompressor 121 und gegebenenfalls in sehr begrenztem Maße aus dem ersten Kompressor 13 und/oder dem zweiten Kompressor 15 und/oder dem dafür ausgelegten Kompressor 21 und/oder einem dafür ausgelegten Kompressor gespeist, der Luft an die beiden Luftzerlegungsanlagen leitet.

Claims (17)

  1. Integriertes Verfahren zur Zerlegung von Luft, das ein mit Sauerstoff angereichertes Fluid und gegebenenfalls ein mit Stickstoff angereichertes Fluid in einer Anlage erzeugt, die mindestens zwei Luftzerlegungsanlagen (1, 101) umfasst, wobei jede mindestens zwei Destillationskolonnen, einen ersten Luftkompressor (13), eine erste Verbrennungskammer (17) und eine erste Entspannungsturbine (19) umfasst, wobei Druckluft an die erste Luftzerlegungsanlage (1) mindestens durch den ersten Luftkompressor bereitgestellt wird, der auch Druckluft an die erste Verbrennungskammer bereitstellt, Druckluft an die erste zweite Luftzerlegungsanlage (101) mindestens durch einen Hilfskompressor (21, 121) bereitgestellt wird, wobei die zweite Luftzerlegungsanlage Luft, die sie aufbereitet, von mindestens einem Kompressor (13, 15) erhält, der auch eine Verbrennungskammer speist, wobei der prozentuale Anteil der Gesamtluft, die in der zweiten Anlage aufbereitet wird und aus dem Kompressor (13, 15), der eine Verbrennungskammer speist, kommt, geringer ist als der prozentuale Anteil an Luft, der in der ersten Anlage aufbereitet wird und aus dem ersten Luftkompressor kommt, oder aus dem ersten Luftkompressor sowie aus einem zweiten Luftkompressor (15), der auch eine zweite Verbrennungskammer (23) speist, kommt, und ein mit Stickstoff angereichertes Gas (3) von der ersten Luftzerlegungsanlage stromaufwärts der ersten Entspannungsturbine (19) geleitet wird, die durch Verbrennungsgase einer Verbrennungskammer (17) gespeist wird, und ein mit Stickstoff angereichertes Gas (103) von der zweiten Luftzerlegungsanlage (101) stromaufwärts der ersten Turbine geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der prozentuale Anteil an kryogener Flüssigkeit, die als Enderzeugnis durch die zweite Anlage (101) erzeugt wird, gegenüber der Menge an Luft, die durch die zweite Anlage aufbereitet wird, höher ist als der prozentuale Anteil an kryogener Flüssigkeit, die als Enderzeugnis durch die erste Anlage (1) erzeugt wird, gegenüber der Menge an Luft, die durch die erste Anlage aufbereitet wird, oder wobei die zweite Anlage kryogene Flüssigkeit erzeugt, während die erste Anlage keine erzeugt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Luftzerlegungsanlage (101) höchstens 50%, gegebenenfalls höchstens 30% der Druckluft, die sie aufbereitet, aus einem oder mehreren Kompressoren (13, 15) erhält, die eine oder mehrere Verbrennungskammern mit Druckluft speisen, gegebenenfalls dem ersten Kompressor.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Luftzerlegungsanlage (1) aus einem zweiten Luftkompressor (15) mit Luft gespeist wird, der auch eine zweite Verbrennungskammer (23) speist, wobei die Verbrennungsgase der zweiten Verbrennungskammer an eine zweite Entspannungsturbine (25) geleitet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Luftzerlegungsanlage (1) ein Fluid bzw. Fluide erzeugt, das bzw. die mit Sauerstoff angereichert ist bzw. sind (5), wobei dieses Fluid höchstens 98 Mol-% Sauerstoff enthält und/oder mindestens 80% dieser Erzeugnisse von einem Fluid gebildet sind, das höchstens 98 Mol-% Sauerstoff enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Luftzerlegungsanlage (1) Erzeugnisse (5) erzeugt, die mit Sauerstoff angereichert sind, wobei mindestens 90% dieser mit Sauerstoff angereicherten Fluide von einem Fluid oder Fluiden gebildet sind, das bzw. die höchstens 98 Mol-% Sauerstoff enthält bzw. enthalten.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Luftzerlegungsanlage (101) ein Fluid bzw. Fluide erzeugt, das bzw. die mit Sauerstoff angereichert ist bzw. sind (105), wobei dieses Fluid mindestens 98 Mol-% Sauerstoff enthält oder mindestens 50% dieser mit Sauerstoff angereicherten Fluide von einem Fluid oder Fluiden gebildet sind, das bzw. die mindestens 98 Mol-% Sauerstoff enthält bzw. enthalten.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Luftzerlegungsanlage Erzeugnisse erzeugt, die mit Sauerstoff angereichert sind, wobei mindestens 70% dieser Erzeugnisse von einem Fluid gebildet sind, das mindestens 98 Mol-% Sauerstoff enthält.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Luftzerlegungsanlage (1) auch durch einen Kompressor (21) mit Druckluft gespeist wird, der keine Verbrennungskammer speist und/oder der nur die erste Luftzerlegungsanlage speist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Luftzerlegungsanlage (101) durch einen Kompressor (121) mit Druckluft gespeist wird, der keine Verbrennungskammer speist und/oder der nur die zweite Luftzerlegungsanlage speist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Luftzerlegungsanlage (101) ein Enderzeugnis erzeugt, das mit Argon angereichert ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei nur die zweite Luftzerlegungsanlage (101) ein Enderzeugnis erzeugt, das mit Argon angereichert ist, oder wobei die zweite Luftzerlegungsanlage (101) mehr von dem Enderzeugnis (den Enderzeugnissen) erzeugt, das mit Argon angereichert ist, als die erste Anlage (1).
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Luftzerlegungsanlage eine Einblasturbine umfasst und/oder die zweite Luftzerlegungsanlage eine Claude-Turbine umfasst.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kompressor die zwei Luftzerlegungsanlagen (1, 101) speist und keine Verbrennungskammer speist.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Luftzerlegungsanlage (1) und/oder die zweite Luftzerlegungsanlage eine Niederdruckkolonne umfasst (umfassen), von der ein erzeugtes, mit Sauerstoff angereichertes Fluid abgezweigt wird, wobei diese Niederdruckkolonne bei mindestens 1,3 bar, gegebenenfalls mindestens 3 bar arbeitet.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Anlage (101) eine Niederdruckkolonne und eine Hochdruckkolonne und gegebenenfalls eine Kolonne umfasst, die bei einem Zwischendruck zwischen dem Hoch- und dem Niederdruck arbeitet.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von dem ersten Kompressor (13) zu der ersten und/oder der zweiten Luftzerlegungsanlage (1, 101) hin geleitete Luft verdichtet oder entspannt wird und/oder die von dem zweiten Kompressor (15) zu der ersten und/oder der zweiten Luftzerlegungsanlage (1, 101) hin geleitete Luft verdichtet oder entspannt wird.
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