DE60131583T2

DE60131583T2 - Verfahren und Apparat zur Kompression atmosphärischer Luft und Anlage zur Destillation von Luft und Turbine für korrespondierende Gase

Info

Publication number: DE60131583T2
Application number: DE60131583T
Authority: DE
Inventors: Alain Colson
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: ES2296715T3; US6508865B2; EP1123726A1; KR100800651B1; CA2334933C; KR20010082090A; CA2334933A1; DE60131583D1; FR2804882A1; EP1123726B1; FR2804882B1; JP2001263091A; US20010022137A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichtungsverfahren für atmosphärische Luft mittels eines Kreisel- oder Axialverdichters, wobei die natürliche Temperatur dieser Luft ungefähr zwischen –20°C und +5°C liegt, Zeitabschnitte mit gefrierendem Nebel, unterkühltem Regen oder Schnee ausgenommen, wobei das Verfahren derart beschaffen ist, dass möglicherweise die Tröpfchen, die in der Luft enthalten sind, abgetrennt werden, woraufhin die Luft einen Filtrationsschritt oder mehrere, aufeinander folgende Filtrationsschritte erfährt.
Die auf diese Weise verdichtete Luft kann insbesondere dazu bestimmt sein, eine Vorrichtung zur Luftdestillation oder eine Gasturbine industrieller Bauart zu speisen. Unter dem Begriff "Gasturbine industrieller Bauart" sind Gasturbinen in Schwerbauweise ("heavy duty") im Gegensatz zu Turbinen in Leichtbauweise zu verstehen.
Die Verdichter für atmosphärische Luft der Anlagen zur Luftdestillation und der "industriellen" Gasturbinen saugen feuchte Luft an, deren Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen derart sind, dass die Filter, welche sich an der Ansaugvorrichtung dieser Maschinen befinden, einer Reifbildung ausgesetzt sind, sobald die Umgebungstemperatur geringer als ein bestimmter Wert ist. Eine solche Reifbildung, welche bei Anwendung mehrerer Filtrationsschritte im Allgemeinen nur den ersten Schritt betrifft, kann sehr bedeutsame negative Auswirkungen haben und die energetische Leistungsfähigkeit sowie die Zuverlässigkeit der Anlage beeinträchtigen. Je nach Auslegung und Bauweise eines bestimmten Filters sowie dessen Betriebsweise und dessen Verschmutzungsgrad zu einem bestimmten Zeitpunkt, kann die Reifbildung bewirken, dass sich der Druckverlust am Ansaugfilter in übermäßiger und unzulässiger Weise erhöht.
Aufgrund der hohen technischen Risiken, welchen die stromabwärts gelegene Verdichtungsmaschine ausgesetzt ist und welche typisch für diese Situation sind, verlangen oder empfehlen die Hersteller dieser Maschinen häufig, die angesaugte Luft im Vorfeld der Filter zu erwärmen, sodass die Risiken, die mit einer möglichen Reifbildung an den Filtern verbunden sind, vermieden werden. Im Sonderfall der "industriellen" Gasturbinen wird die Erwärmung verlangt, wenn die Temperatur der Außenluft unter +5° oder sogar unter +8°C absinkt und/oder in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit. Im Falle der Verdichter zur die zu destillierende Luft liegt der empfohlene Schwellenwert für die Erwärmung im Allgemeinen in der Nähe dieser Werte. Diese Erwärmung wird im Allgemeinen unabhängig von der Bauart des installierten Ansaugfilters dieser Maschinen verlangt.
Die Erwärmung der Luft führt indes dazu, dass sich die Dichte der Luft verringert, was zur Folge hat, dass die Verdichtungsleistung oder die Leistungsfähigkeit der Anlage abnimmt. Die Leistungsminderung, die mit der Erwärmung einhergeht, kann 3 bis 7% erreichen, und zwar über einen Zeitraum von mehreren Monaten pro Jahr, was für den Betreiber der Verdichtungsmaschine äußerst kostspielig ist.
In den Dokument WO 98/32970 werden ein Verfahren und eine Anlage zur Verdichtung von atmosphärischer Luft offenbart, welche es ermöglichen, der Bildung von Eis oder Reif auf dem Filter, die im Vorfeld des Verdichters angeordnet ist, vorzubeugen, indem die Luft einer Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird.
Die Erfindung hat die Aufgaben, es zu ermöglichen, auf das Erwärmen der Luft in Verbindung mit dem Problem der Reifbildung an den Filtern zu verzichten und gleichzeitig die Verdichtungsmaschine wirkungsvoll vor einer Verschmutzung zu schützen.
Zu diesem Zwecke hat die Erfindung die Aufgabe, ein Verdichtungsverfahren für atmosphärische Luft der oben genannten Art bereitzustellen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass

– für den ersten Filtrationsschritt Beutelfilterelemente verwendet werden, deren Filtermedium aus synthetischen Fasern besteht, deren Dichte in der Strömungsrichtung der Luft durch dieses Medium zunimmt; und
– die Luft mit ihrer natürlichen Temperatur in die Beutelfilterelemente eingeleitet wird.

Die Erfindung hat weiterhin die Aufgabe,

– eine Vorrichtung zur Verdichtung atmosphärischer Luft, welche derart beschaffen ist, dass sie einen Kreisel- oder Axialverdichter, möglicherweise einen Tröpfchenabscheider, sowie eine Filtrationsgesamteinheit mit mindestens einer Filtrationsstufe umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filtrationsstufe Beutelfilterelemente umfasst, deren Filtermedium aus synthetischen Fasern besteht, deren Dichte in der Strömungsrichtung der Luft durch dieses Medium zunimmt;
– eine Anlage zur Luftdestillation, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Verdichtung atmosphärischer Luft gemäß der obigen Begriffsbestimmung umfasst, welche eine Vorrichtung zur Luftdestillation speist; und
– eine Gasturbinenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Verdichtung atmosphärischer Luft gemäß der obigen Begriffsbestimmung umfasst, welche eine Gasturbine industrieller Bauart speist,

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei:
die 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Verdichtung von Luft zeigt;
die 2 eine schematische Darstellung der Eintrittsseite des Filters, welcher dieser Anlage vorgeschaltet ist, zeigt;
die 3 eine perspektivische schematische Ansicht der Eintrittsseite eines Filterelements des Filters der 2 zeigt;
die 4 eine schematische Teilansicht entlang eines Schnittes gemäß der Linienführung IV-IV der 3 zeigt; und
die 5 eine vergrößerte Schnittansicht des Details V der 4 zeigt.
Die in 1 dargestellte Verdichtungsanlage umfasst einen Luftverdichter 1, dessen Ansaugvorrichtung mit einer Zufuhrleitung 2 verbunden ist. Letztere verfügt über eine Eintrittsöffnung, die zur Atmosphäre hin offen ist und eine Erwärmungsvorrichtung R, einen Tröpfchenabscheider 3 und eine Filtrationsgesamteinheit 4 umfasst, welche in dieser Reihenfolge in Strömungsrichtung angeordnet sind.
Die Filtrationsgesamteinheit 4 umfasst eine erste Filtrationsstufe oder vorgeschaltete Filtrationsstufe 5, auf welche eine oder mehrere weitere Filtrationsstufen wie etwa die mit 6 bezeichnete folgen. Jede der Stufen ist derart ausgelegt, dass sie bestimmte Arten von Partikeln, die in der atmosphärischen Luft enthalten sind, herausfiltert, wobei diese Partikel typischerweise Abmessungen in der Größenordnung von ungefähr 0,01 μm bis 10 μm aufweisen.
Die Austrittsöffnung des Verdichters 1 ist mit einer Förderleitung 7 verbunden, welche an der Stelle 8 zur Brennkammer einer "industriellen" Gasturbine oder aber zu einer Vorrichtung einer Luftdestillationsanlage, insbesondere einer Vorrichtung zur Trocknung-Kohlendioxidabscheidung der Luft mittels Adsorption, führt.
Die vorgeschaltete Filtrationsstufe oder der vorgeschaltete Filter 5 ist schematisch in 2 dargestellt. Sie/Er besteht aus einer großen Anzahl nebeneinander angeordneter vollkommen gleichartiger Filterelemente 9, welche auf ein verbindendes Gestell 10 montiert sind. Eines dieser Filterelemente ist in den 3 bis 5 dargestellt.
Das Filterelement 9 umfasst eine gefaltete Anordnung aus Blättern 11 des Filtermediums, welche an ihren Rändern 12 warmverschweißt sind, sodass mehrere nebeneinander befindliche Beutel 13 gebildet werden, deren Anzahl sechs bis zwölf betragen kann. Die Kante der Eintrittsöffnung der Gesamteinheit aus Beuteln ist durch Überformen oder eine mechanische Befestigung an einem viereckigen Eintrittsrahmen 14 befestigt, welcher die Eintrittsöffnung des Elements 9 offen hält.
Darüber hinaus enthält jeder der Beutel 13 in seiner allgemeinen Mittelebene im Allgemeinen mehrere Zufuhrstutzen 15 zur Stabilisierung und Verteilung des Luftstroms, um zu verhindern, dass die Beutel in sich zusammenfallen und um eine wirkungsvolle Nutzung der gesamten Filterfläche zu gewährleisten. Jeder der Zufuhrstutzen 15 besteht aus einem Pyramidenstumpf aus einem steifen Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff, welcher an seinen beiden Enden offen ist und dessen Achse parallel zur allgemeinen Strömungsrichtung F der zu filtrierenden Luft ist. Die Zufuhrstutzen 15 werden durch Warmverschweißung oder mechanische Befestigung auf den Blättern 11 gehalten (4).
Bei dem Filterelement 9 handelt es sich um einen Beutelfilter im Standardformat 24'', das heißt mit einem Rahmen 14 dessen Maße 592 × 592 mm betragen. Die Tiefe des Filterelements kann bis zu 600 mm betragen. Das Medium 11, dessen Bauweise als progressiv bezeichnet wird, besteht aus synthetischen Fasern, beispielsweise aus Polypropylen oder Polycarbonat, welche in mehreren Lagen angeordnet sind, deren Dichte in der Strömungsrichtung F' der Luft durch das Medium zunimmt, wie in der 5 dargestellt ist. Ein solches Medium ist unempfindlich gegen Feuchtigkeit und ermöglicht eine gründliche Filtration. Das Element 9 weist eine offene Bauweise auf, mit einer großen Filtrationsfläche über seine gesamte Tiefe hinweg und einer sehr guten Verteilung des Luftstroms.
Die Anzahl der Elemente 9 wird in Abhängigkeit von der Gesamtflussrate der zu komprimierenden Luft gewählt, und zwar derart, dass die Flussrate, die jedes der Elemente 9 durchströmt, höchsten 80% des Nennwerts für die Flussrate ausmacht und typischerweise kleiner oder gleich 3.000 m³/h ist, wobei die mittlere Filtrationsgeschwindigkeit (Verhältnis des Luftstroms zur entfalteten Oberfläche des Mediums 11) zwischen 0,1 und 0,4 m/s beträgt und vorzugsweise kleiner oder gleich 0,2 m/s ist.
Überraschenderweise wurde entdeckt, dass mit derartigen Filterelementen, welche unter derartigen Bedingungen betrieben werden, und zwar für Lufttemperaturen, die bis auf –20°C absinken können (mit Ausnahme von Zeitabschnitten mit gefrierendem Nebel, unterkühltem Regen oder Schnee), die negativen Auswirkungen, die mit der Reifbildung verbunden sind, im Wesentlichen vollständig unterbunden werden, sodass der Druckverlust beim Durchgang durch die Filtrationsstufe 5 unterhalb seines nominalen oberen Grenzwertes bleibt, was je nach der Wirksamkeitsklasse der Filterelemente 9 Werten von 250 Pa oder 450 Pa entspricht. Die Filtrationsstufe 5 bewahrt ein sehr großes Rückhaltevermögen, wodurch die verstopfende Wirkung der Gegenwart von Wasser oder Feuchtigkeit eingeschränkt oder unterbunden wird, unter gleichzeitiger Erhaltung eines äußerst geringen Druckverlustes gemäß den obigen Angaben sowie eines gravimetrischen Abscheidegrades von mehr als 99% und eines atmosphärischen Wirkungsgrades von bis zu 95% gemäß den Normen ASHRAE 52.1 oder 52.2 und EN 779.
Beispiele für Filterelemente 9, die sich als zufriedenstellend erwiesen haben, sind die Beutelfilter PEL F6 der niederländischen Firma FILTRAIR oder die Beutelfilter T60 der deutschen Firma FREUDENBERG. Diese beiden Filter weisen eine Nennflussrate auf, welche den oben angegebenen Wert von 3.000 m³/h übersteigt.
Die Erfindung ermöglicht es, während eines Großteils des Jahres auf jegliches Erwärmen der Luft im Vorfeld des Luftverdichters zu verzichten, wodurch jegliche Leistungsminderung des letzteren, die auf das Phänomen der Reifbildung zurückzuführen wäre, verhindert wird. Die Erwärmungsvorrichtung R wird lediglich in Zeitabschnitten mit gefrierendem Nebel, unterkühltem Regen oder Schnee verwendet. Auf diese Weise werden bei Großanlagen erhebliche Energieeinsparungen bei kalter Witterung erzielt.
Die Erfindung ist derart zu verstehen, dass sie auch auf Anlagen mit einer einzigen Filtrationsstufe 5 anwendbar ist.
Als Variante kann auch ein Verfahren der Erfindung zur Speisung von Gasturbinen in Leichtbauweise zur Anwendung kommen, oder zur Versorgung von Industriestandorten mit Druckluft, welche als "Nutzfluid" dient, das heißt als Fluid zur Steuerung, zur Überwachung oder für andere Zwecke.
Darüber hinaus kann jede Seite jedes der Filterelement die Abmessung 24'' aufweisen, wie oben bereits angegeben wurde, oder aber ein Vielfaches oder einen ganzzahligen Bruchteil dieses Wertes. Somit können Filterelemente von 24'' × 24'', 12'' × 24'', 24'' × 48'' usw. verwendet werden

Claims

Verdichtungsverfahren für atmosphärische Luft mittels eines Kreisel- oder Axialverdichters (1), wobei die natürliche Temperatur dieser Luft ungefähr zwischen –20°C und +5°C liegt, Zeitabschnitte mit gefrierendem Nebel, unterkühltem Regen oder Schnee ausgenommen, und wobei das Verfahren derart beschaffen ist, dass möglicherweise die Tröpfchen, die in der Luft enthalten sind, abgetrennt werden, woraufhin die Luft einen Filtrationsschritt (5) oder mehrere, aufeinander folgende Filtrationsschritte (5, 6) erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass – für den bzw. den ersten Filtrationsschritt (5) Beutelfilterelemente (9) verwendet werden, deren Filtermedium (11) aus synthetischen Fasern besteht, deren Dichte in der Strömungsrichtung (F') der Luft durch das Medium zunimmt; und – dass die Luft mit ihrer natürlichen Temperatur in die Beutelfilterelemente (9) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom, der jedes Filterelement (9) durchströmt, auf einen Wert eingestellt wird, der einer mittleren Filtrationsgeschwindigkeit durch das Medium (11) entspricht, die zwischen 0,1 und 0,4 m/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Filtrationsgeschwindigkeit durch das Medium (11) zwischen 0,1 und 0,2 m/s liegt.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei jedem Filterelement (9) um ein Filterelement im Standardformat handelt, dessen Frontfläche die Maße 592 × 592 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Seite der Frontfläche jedes der Filterelemente 592 mm misst, oder ein Vielfaches dieses Wertes oder einen ganzzahligen Bruchteil davon.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Filtermedium (11) um ein synthetisches Polymer, zum Beispiel des Typs Polypropylen oder Polycarbonat, handelt.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom auf 80% des Nennwertes für jedes Filterelement (9) begrenzt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtration (5, 6) vor dem Verdichtungsschritt erfolgt.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter dazu bestimmt ist, eine Vorrichtung zur Luftdestillation oder eine Gasturbine industrieller Bauart zu speisen.
Vorrichtung zur Verdichtung atmosphärischer Luft, welche derart beschaffen ist, dass sie einen Kreisel- oder Axialverdichter (1), möglicherweise einen Tröpfchenabscheider (3) sowie eine Filtrationsgesamteinheit (4) umfasst, wobei Letztere mindestens eine Filtrationsstufe (5, 6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die bzw. die erste Filtrationsstufe (5) Beutelfilterelemente (9) umfasst, deren Filtermedium (11) aus synthetischen Fasern besteht, deren Dichte in der Strömungsrichtung (F') der Luft durch das Medium zunimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom, der jedes Filterelement (9) durchströmt, auf einen Wert eingestellt wird, der einer mittleren Filtrationsgeschwindigkeit durch das Medium (11) entspricht, die zwischen 0,1 und 0,4 m/s beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Filtrationsgeschwindigkeit durch das Medium (11) zwischen 0,1 und 0,2 m/s liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei jedem Filterelement (9) um ein Filterelement im Standardformat handelt, dessen Frontfläche die Maße 592 × 592 mm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede Seite der Frontfläche jedes der Filterelemente 592 mm misst, oder ein Vielfaches dieses Wertes oder einen ganzzahligen Bruchteil davon.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Filtermedium (11) um ein synthetisches Polymer, zum Beispiel des Typs Polypropylen oder Polycarbonat, handelt.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom auf 80% des Nennwertes für jedes Filterelement (9) begrenzt wird.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrationsgesamteinheit (4) dem Verdichter (1) vorgeschaltet ist.
Anlage zur Luftdestillation, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Verdichtung atmosphärischer Luft nach einem beliebigen der Ansprüche 10 bis 17 umfasst, welche eine Vorrichtung zur Luftdestillation speist.
Gasturbinenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zur Verdichtung atmosphärischer Luft nach einem beliebigen der Ansprüche 10 bis 17 umfasst, welche eine Gasturbine industrieller Bauart speist.