DE69918492T2 - Turbine à gaz à chauffage indirect integree à une unite de separation des gaz de l'air - Google Patents

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Description

  • Gasturbinensysteme stellen eine Kraft- bzw. Wellen- bzw. Kolben-Arbeit bzw. -Leistung durch die Expansion von heißen, unter Druck gesetzten Gasströmen, die direkt oder indirekt durch die Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen erzeugt wurden, zur Verfügung. Ein Gasturbinensystem nutzt einen oder mehrere Luftkompressoren, die mechanisch mit einer oder mehreren Expansionsturbinen verbunden sind, um Wellen- bzw. Kraft-Arbeit für Beförderungsmittel, die Energieerzeugung, industrielle Verfahren und viele andere bekannte Anwendungen zur Verfügung zu stellen.
  • Gasturbinensysteme nach dem Stand der Technik können als direkt befeuerte, indirekt befeuerte oder Kombinationssysteme klassifiziert werden. In einem direkt befeuerten Gasturbinensystem wird komprimierte Luft mit einem Brennstoff, typischerweise einem Gas oder einer leichten Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit, verbrannt, wobei die heißen, unter Druck gesetzten Verbrennungsgase direkt in der Expansionsturbine expandieren. Aus dem heißen Abgas der Expansionsturbine kann zusätzliche Arbeit regeneriert werden, zum Beispiel durch Erzeugen von Dampf für die Expansion in einer Dampfturbine. Direkt befeuerte Gasturbinensysteme sind offene Systeme, in denen das Arbeitsfluid der Expansionsturbine (d.h. Verbrennungsprodukte) nach einer entsprechenden Rückgewinnung in die Atmosphäre ausgelassen wird.
  • In einem indirekt befeuerten Gasturbinensystem wird ein Arbeitsfluid (typischerweise Luft) im Gasturbinenkompressor komprimiert, durch indirekten Wärmeaustausch mit einem heißem, externen Gasstrom (den man typischerweise durch die Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff erhalten hat) erwärmt, so dass sich heiße, unter Druck gesetzte Luft ergibt, und in der Expansionsturbine expandiert, um Kraft-Arbeit zu erzeugen. Der Abdampf der Expansionsturbine kann verwendet werden, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen, oder kann direkt in den Verbrennungsschritt eingeführt werden. Indirekt befeuerte Gasturbinen können in einem geschlossenen Zyklus betrieben werden, wobei ein zurückgeführtes, gasförmiges Arbeitsfluid mittels eines vollständig integrierten Kompressors und einer Expansionsturbine komprimiert, erwärmt, expandiert und gekühlt wird.
  • Im Stand der Technik sind kombinierte Gasturbinensysteme bekannt, in denen eine direkt befeuerte Gasturbine mit einer indirekt befeuerten Gasturbine integriert wird. In solchen Systemen kann die indirekt befeuerte Gasturbine ein teilweise geschlossenes System sein, in dem ein Hauptteil des Abdampfs der indirekt befeuerten Turbine gekühlt und zum Kompressor zurückgeführt wird.
  • Die oben zusammengefassten Typen von Gasturbinensystemen werden ausführlich in Standard-Lehrbüchern wie The Mechanical Engineer's Handbook, herausgegeben von M. Kurtz, John Wiley & Sons, Inc, 1986, Kapitel 72, Seiten 1984 – 2009 und Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, herausgegeben von E. A. Avallone und T. Baumeister III, McGraw-Hill Book Co., New York, neunte Ausgabe (1987), Seiten 9-118 bis 9-123 beschrieben.
  • Die Zerlegung von Luft in ihre Bestandteile wird durch das Komprimieren der Luft, das Vorbehandeln der komprimierten Luft, wenn es notwendig ist, um bestimmte Verunreinigungen zu beseitigen, und das Zerlegen der gereinigten, komprimierten Luft durch bekannte Verfahren der kryogenen bzw. Tieftemperatur-Destillation, Druckwechseladsorption, durchdringbare polymere Membranen oder mit Keramik gemischte Leitermembranen für hohe Temperaturen durchgeführt. Die Energie zum Verdichten der Luft kann durch elektrische Motoren, Gas- oder Dampfturbinen oder Kombinationen von elektrischen Motoren und Gas- oder Dampfturbinenantriebsmitteln zur Verfügung gestellt werden. Die Auswahl des Kompressor-Antriebsmittels wird durch zahlreiche Entwurfsfaktoren wie der Art des Luftzerlegungsverfahrens, der Größe der Verfahrensanlage, dem Ort, den Kosten der Elektrizität, der Verfügbarkeit von Brennstoff und der Möglichkeit für die Integration des Luftzerlegungsverfahrens mit dem Kompressor-Antriebsmittel diktiert. Zusätzlich kann das Luftzerlegungssystem und das Kompressor- Antriebsmittel mit einem Verfahren integriert werden, das das (die) Produkte) des Luftzerlegungsverfahrens nutzt.
  • In einer Reihe von Luftzerlegungsverfahren ist eine Gasturbine das bevorzugte Kompressor- Antriebsmittel. Eines von diesen ist das integrierte, kombinierte Vergasungszyklus- (integrated gasification combined cycle – IGCC) Verfahren, in dem Kohle oder anderes kohlenstoffhaltiges Material mit Sauerstoff vergast wird, wobei das erzeugte Gas gereinigt wird, damit es ein schwefelarmes Brenngas ergibt. Dieses Brenngas wird in einer direkt befeuerten Gasturbine genutzt, die einen Generator antreibt, um elektrische Energie mit reduzierten Umwelt-Emissionen zu erzeugen. Der Sauerstoff wird durch Luftzerlegung mittels Tieftemperatur erzeugt, wobei einiges oder alles der komprimierten Lufteinzuführung durch den Gasturbinen-Kompressor zur Verfügung gestellt werden kann und das stickstoff-reiche Nebenprodukt-Gas aus dem Luftzerlegungssystem komprimiert und in die Verbrennungseinrichtung der Gasturbine eingeführt wird.
  • Eine allgemeine Übersicht der gegenwärtigen Technik der IGCC-Energie-Erzeugungssysteme wird von T. M. Todd in einem Artikel mit dem Titel „Clean Coal Technologies for Gas Turbines" gegeben, der bei dem GE-Turbine State-of-the-Art Technology Seminar im Juli 1993 auf den Seiten 1 – 18 vorgestellt wurde. Eine Übersicht über verschiedene Integrationsverfahren und deren Einfluss auf die GCC Wirtschaftlichkeit wird in einem Vortrag von A. D. Rao et al mit dem Titel „Integration of Texaco TQ Gasification with Elevated Pressure ASU" gegeben, der auf der 13. EPRI-Conference on Gasification Power Plants, San Francisco, CA, vom 19. – 21. Oktober 1994 vorgestellt wurde. In einem Vortrag mit dem Titel „Improved IGCC Power Output and Economics Incorporating a Supplementary Gas Turbine", der auf der dreizehnten EPRI-Conference on Gasification Power Plants, San Francisco, CA, vom 19. – 21. Oktober 1994 vorgestellt wurde, prüfen A. R. Smith et al verschiedene Moden der Integration zwischen der Gasturbine und der Luftzerlegungseinheit in einem IGCC-Verfahren.
  • Die Nutzung des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms durch Komprimierung und Einführung in die Verbrennungseinrichtung eines IGCC-Systems wird in den repräsentativen Druckschriften US-A-4 250 704; US-A-4 697 415; US-A-5 081 845; US-A-5 406 786 und US-A-5 740 673 beschrieben. Ein weiteres Verfahren der Nutzung des stickstoff-reichen Abfluss-Stroms in ein integriertes Luftzerlegungs-Gasturbinensystem wird in den Druckschriften US-A-3 731 495; US-A-4 019 314 und US-A-5 406 786 beschrieben, wobei dieser Strom optional erwärmt und direkt in die Gas-Expansionsturbine ohne vorherige Kompression eingeführt wird.
  • Der Einsatz einer indirekt befeuerten Gasturbine mit einem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem ist in der GB-A-1 455 960 beschrieben. Eine Luftzerlegungseinheit wird mit einem Dampferzeugungssystem integriert, in dem ein stickstoff-reicher Abflussstrom durch indirekten Wärmeaustausch mit heißer, komprimierter Luft vom Hauptluftkompressor der Luftzerlegungseinheit erwärmt, wobei der stickstoff-reiche Strom in einem befeuerten Heizgerät weiter erwärmt wird und der letzte, heiße, stickstoff-reiche Strom in einer zugehörigen Stickstoff-Expansionsturbine arbeitsleistend expandiert wird. Die durch diese Expansionsturbine erzeugte Arbeit treibt den Hauptluftkompressor der Luftzerlegungseinheit an. Dieser Abdampf der Stickstoff-Expansionsturbine und die Verbrennungsgase vom befeuerten Heizgerät werden getrennt in einen befeuerten Dampferzeuger eingeführt, um Dampf hervorzurufen, von dem ein Teil in einer Dampfturbine expandieren kann, um den Hauptluftkompressor der Luftzerlegungseinheit anzutreiben. Vom Dampferzeuger wird gekühlter Stickstoff entnommen und kann woanders verwendet werden, wenn es gewünscht wird. Wahlweise werden die Verbrennungsgase von dem befeuerten Heizgerät in einer Turbine expandiert, die einen Kompressor antreibt, um einem getrennten, befeuerten Heizgerät Verbrennungsluft zur Verfügung zu stellen, die den stickstoff-reichen Strom vor der Expansion erwärmt. Nach einer weiteren Option werden der Abdampf der Stickstoff-Expansionsturbine und die Verbrennungsgase von dem befeuerten Heizgerät kombiniert und in den Vorwärmer und die Luftvorwärmabschnitte des befeuerten Dampferzeugers eingeführt.
  • Ein IGCC-System für eine indirekt befeuerte Gasturbine wird in der US-A-4 785 621 beschrieben, wobei ein Brenngas vom Vergaser in eine direkt befeuerte Gasturbine eingeführt wird, die Energie erzeugt. Ein getrenntes, indirekt befeuertes Gasturbinensystem stellt entzogene Luft für das Luftzerlegungssystem zur Verfügung, wobei das Abgas von der direkt befeuerten Gas-Expansionsturbine die komprimierte Luft durch indirekten Wärmeaustausch erwärmt und die erwärmte, komprimierte Luft in der indirekt befeuerten Gas-Expansionsturbine expandiert wird. Der Sauerstoff von der Luftzerlegungseinheit wird ganz und gar im Vergaser genutzt. Vor den indirekten Erwärmungs- und Expansionsschritten wird stickstoff-reiches Abflussgas vom Luftzerlegungssystem mit komprimierter Luft vermischt. Der Abdampf von der indirekt befeuerten Gas-Expansionsturbine wird in die Atmosphäre abgelassen oder zur zusätzlichen Wärmerückgewinnung verwendet. Die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche dieser Anmeldung basieren auf der US-A-4 785 621.
  • Gasturbinen sind die bevorzugten Antriebsmittel in Verfahren, um Luft bei hohen Temperaturen in mit Keramik gemischten Leitermembransystemen zu zerlegen. Direkt befeuerte Gasturbinen für diese Anwendung werden in den Druckschriften US-A-4 545 787; US-A-5 516 359; US-A-5 562 754; US-A-5 565 017 und US-A-5 657 624 beschrieben. Eine direkt befeuerte Gasturbine wird in einem Luftzerlegungssystem mit mit Keramik gemischten Leitermembranen genutzt, das Sauerstoff an ein direktes Rückgewinnungsverfahren für die Reduktion von Eisen zur Verfügung stellt, wie in der US-A-5 643 354 beschrieben wird. Indirekt befeuerte Gasturbinen für diese Anmeldung werden in der US-A-5 035 727 und in einem Artikel mit dem Titel „Coproduction of Power, Steam, and Oxygen in Coal or Low Quality Fuel Combustion Systems" in Research Disclosure März 1995, Seiten 181 – 186 erläutert.
  • Die Expansionsturbine einer direkt befeuerten Gasturbine erfordert im Allgemeinen weniger Wartung und hat im Betrieb eine geringere Betriebsverfügbarkeit als die Expansionsturbine einer indirekt befeuerten Gasturbine. Dies beruht darauf, dass weil das Treibgas in der direkt befeuerten Gasturbine Verbrennungsprodukte enthält, die Wasser, Kohlendioxid, Schwefelverbindungen und Ruß umfassen, wobei diese Nebenprodukte Verschmutzung, Erosion und Korrosion im Inneren der Expansionsturbine verursachen können, wodurch die Betriebsverfügbarkeit herabgesetzt wird. Das Treibgas in einer indirekt befeuerten Gasturbine andererseits enthält keine Verbrennungsprodukte, so dass die Expansionsturbine daher mit verringerten Verschmutzungs-, Erosions- und Korrosionsproblemen arbeiten und eine höhere Betriebsverfügbarkeit haben wird. Dieser Vorteil einer indirekt befeuerten Gasturbine wird durch das Erfordern eines nicht rekuperativen Gas-Gas-Wärmeaustauschers für hohe Temperaturen ausgeglichen, um das Treibgas vor der Expansion zu erwärmen, was in einer direkt befeuerten Gasturbine nicht erforderlich ist. Die höhere Betriebsverfügbarkeit der indirekt befeuerten Gasturbine jedoch kann die Auswahl eines günstigen Antriebsmittels in bestimmten Anwendungen möglich machen.
  • Die vorliegende Erfindung offenbart den Einsatz eines indirekt befeuerten Gasturbinensystems, um die Zuführung komprimierter Luft für ein Luftzerlegungssystem in Anwendungen zur Verfügung zu stellen, bei denen eine hohe Verfügbarkeit des Antriebsmittels erforderlich ist. Die Erfindung nutzt die Integration einer indirekt befeuerten Gasturbine mit einem Luftzerlegungssystem zur Erzeugung von Sauerstoff mit effizienter Nutzung des stickstoff-reichen Nebenprodukts.
  • In seiner weitesten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff zur Verfügung, das umfasst:
    • (i) Komprimieren von Luft, um einen ersten und einen zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen;
    • (ii) Zerlegen des ersten, unter Druck gesetzten Luftstroms in einen sauerstoff-reichen Produkt-Strom und einen stickstoff-reichen Nebenprodukt-Strom;
    • (iii) Erwärmen des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms und des zweiten, unter Druck gesetzten Luftstroms, um durch indirekten Wärmeaustausch mit einem oder einem jeweiligen, heißen Verfahrensstrom einen heißen, unter Druck gesetzten Gasstrom zur Verfügung zu stellen, um einen durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einer Verbrennungseinrichtung erzeugten, heißen, unter Druck gesetzten Gasstrom zur Verfügung zu stellen;
    • (iv) arbeitsleistendes Expandieren des heißen, unter Druck gesetzten Gasstroms, um eine Wellen- bzw. Kraft-Arbeit und einen Expander-Auslassstrom mit verringertem Druck zu erzeugen; und
    • (v) Ausnutzen wenigstens eines Teils der Kraft-Arbeit, um Arbeit für die Luftkompression zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff mit dem Luft enthaltenden Expander-Auslassstrom mit verringertem Druck verbrannt wird, um den heißen Verfahrensstrom zur Verfügung zu stellen.
  • Der erste und ein zweiter, unter Druck gesetzter Luftstrom können durch Komprimieren von Luft und dem Aufteilen des sich daraus ergebenden Luftstroms in den ersten und einen zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann man die ersten und zweiten, unter Druck gesetzten Luftströme durch das Komprimieren von Luft in einem mehrstufigen Luftkompressor, die Entnahme der komprimierten Luft von einer letzten Stufe des Kompressors, um einen ersten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen, und die Entnahme der komprimierten Luft von einer Zwischenstufe des Kompressors, um einen zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen, erhalten. Alternativ kann man die ersten und zweiten, unter Druck gesetzten Luftströme durch das Komprimieren von Luft in einem ersten Luftkompressor, um einen ersten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen und das Komprimieren von Luft in einem zweiten Luftkompressor, um einen zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen, erhalten.
  • Der sauerstoff-reiche Produkt-Strom kann genutzt werden, um ein kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial zu vergasen, so dass ein Synthesegas erzeugt wird, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, wobei ein Teil des Synthesegases wenigstens einen Teil des Brennstoffs für die Verbrennungseinrichtung zur Verfügung stellen kann.
  • Die Zerlegung des ersten, unter Druck gesetzten Luftstroms in einen sauerstoffreichen Produkt-Strom und einen stickstoff-reichen Nebenprodukt-Strom kann durch Tieftemperatur-Destillation erreicht werden. Der stickstoff-reiche Nebenprodukt-Strom kann vor dem Kombinieren mit dem zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom komprimiert werden. Wahlweise kann ein Teil der in der arbeitsleistenden Expansion des heißen, unter Druck gesetzten Gasstroms entstandenen Kraft-Arbeit genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • Die Zerlegung des ersten, unter Druck gesetzten Luftstroms in einen sauerstoffreichen Produkt-Strom und einen stickstoff-reichen Nebenprodukt-Strom wird durch Tieftemperatur-Destillation erreicht, wobei der stickstoff-reiche Nebenprodukt-Strom vor dem Kombinieren mit dem zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom komprimiert werden kann. Ein Teil der Kraft-Arbeit kann genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Als Brennstoff für die Verbrennungseinrichtung der Gasturbine können Erdgas oder andere Brennstoffe allein oder in Verbindung mit Synthesegas verwendet werden.
  • Eine Gasturbine ist das bevorzugte Kompressor-Antriebsmittel für die Luftzerlegungseinheit eines integrierten, kombinierten Vergasungszyklus-(IGCC) Verfahrens, in dem Kohle oder anderes kohlenstoffhaltiges Material mit Sauerstoff vergast und das erzeugte Gas gereinigt wird, so dass sich ein schwefelarmes Brenngas ergibt. Dieses Brenngas wird in einer direkt befeuerten Gasturbine genutzt, die einen Generator antreibt, um elektrische Energie mit reduzierten Umweltemissionen zu erzeugen. Der Sauerstoff wird durch Luftzerlegung bei Tieftemperatur erzeugt, wobei etwas oder alles der zugeführten, komprimierten Luft durch den Kompressor der Gasturbine zur Verfügung gestellt und das stickstoff-reiche Abgas vom Luftzerlegungssystem komprimiert und in die Verbrennungseinrichtung der Gasturbine eingeführt werden.
  • In den letzten Jahren sind Gasturbinen sehr energieeffizient geworden und sie nähern sich 60% für kombinierte Zyklen, die Ergas verbrennen. Dies wurde durch die Verwendung von hervorragenden Materialien und Beschichtungen erreicht, die höhere Heiztemperaturen, engere Fertigungstoleranzen, bessere Ausführungen von Inline-Brennern, gestufte Verbrennung und große Rahmen- bzw. Gestellturbinen, die speziell für die Energieerzeugung ausgelegt sind, zulassen. Diese Verbesserungen der Energieeffizienz können jedoch von abnehmenden Ausgangsleistungen bei bestimmten Bedingungen und von erhöhter Wartungsfrequenz begleitet sein, die die Verfügbarkeit der Gasturbine für den angeschlossenen Betrieb reduziert. Höhere Arbeitstemperaturen der Turbine steigern die Möglichkeit für Verschmutzung, wobei dieses Problem mit den engeren Toleranzen in einer neuen, hocheffizienten Anlage verbunden ist.
  • Die Verbrennungseinrichtung in einer direkt befeuerten Gasturbine ist weniger flexibel als die Verbrennungseinrichtung in einer indirekt befeuerten Gasturbine und kann häufigen Umgestaltungen und Reparaturen vor Ort unterworfen sein. Angestiegene Verunreinigungspegel im Brennstoff können eine übermäßige Verschmutzung in der Verbrennungseinrichtung und in der Expansionsturbine verursachen. Eine Verschlechterung, die Reparaturen und die Überholung der Strecke des heißen Gases in der Einrichtung (d. h. der Verbrennungseinrichtung und der Expansionsturbine) erfordert, wird als „nicht regenerierbar" bezeichnet und kann die Fähigkeit einer Anlage, langfristige Vertragsverpflichtungen zu erfüllen, ernsthaft gefährden. Die übliche Praxis, Dampf oder Wasser in die Verbrennungseinrichtung einzuführen, um die Emission von Stickstoffoxiden zu reduzieren und die Ausgangsleistung der Turbine zu erhöhen, reduziert auch die Arbeitsdauer der Komponenten am heißen Ende.
  • Es gibt einen Bedarf in der Industrie, die Verfügbarkeit zu verbessern und die Verschlechterung von Gasturbinensystemen zu verhindern, die mit Luftzerlegungseinheiten integriert sind, während viele der neuen vorteilhaften Designmerkmale der Gasturbine aufrechterhalten werden. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit eines Gasturbinenantriebs für eine Luftzerlegungseinheit zu verbessern, während die Kosten zur Herstellung von Sauerstoff durch eine neuartige Integration der Gasturbine und der Luftzerlegungseinheit reduziert werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff zur Verfügung, die die Merkmale von Anspruch 17 umfasst.
  • Das Folgende ist eine Beschreibung, die nur beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung ist.
  • In den Zeichnungen:
  • 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist eine grafische Darstellung der Wärmerate über der Turbinen-Einlass-Temperatur für das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist eine grafische Darstellung der Wärmerate über der Turbinen-Einlass-Temperatur für das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 7 ist eine grafische Darstellung des Sauerstoffgehalts im Gas von der Verbrennungseinrichtung über der Turbinen-Einlass-Temperatur für das erste und zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 1 veranschaulicht, das die Integration eines Gasturbinenantriebs mit einer Luftzerlegungseinheit (ASU für Air Separation Unit) bei erhöhtem Druck zeigt. Die Umgebungsluft in Leitung 1 wird in einem mehrstufigen Luftkompressor 3 komprimiert, um Luft mit erhöhtem Druck in Leitung 5 bei 140 bis 490 psia (965 – 3375 kPa) von der letzten Kompressorstufe und Luft mit einem mittleren Druck in Leitung 7 bei 40 bis 440 psia (275 – 3025 kPa) von einer Zwischenstufe des Kompressors zur Verfügung zu stellen. Kompressor 3 kann eine adiabatische oder eine ladeluftgekühlte Maschine sein. Die Luft mit erhöhtem Druck in Leitung 5 bei 150 bis 1200°F (65 – 650°C) wird in einem Wärmeaustauscher 9 durch indirekten Wärmeaustausch mit dem stickstoff-reichen Nebenprodukt-Strom in Leitung 11 (wird später definiert) gekühlt, so dass sich in Leitung 13 ein gekühlter Luftzuführungsstrom bei erhöhtem Druck ergibt. Dieser Luftzuführungsstrom wird in ein Luftzerlegungssystem 15 eingeführt, das die Luft in ein Sauerstoff-Produkt in Leitung 17 mit 80 bis 99,8 Vol.-% Sauerstoff und ein Stickstoff-Nebenprodukt in Leitung 11 mit weniger als 4 Vol.-% Sauerstoff bei einem Druck im Bereich von 40 bis 440 psia (275 – 3025 kPa) zerlegt. Das Stickstoff-Nebenprodukt in Leitung 11 wird im Wärmeaustauscher 9 erwärmt, wie zuvor beschrieben wurde, um ein erwärmtes Stickstoff-Nebenprodukt in Leitung 18 zur Verfügung zu stellen, das mit Luft bei mittleren Druck von Leitung 7 kombiniert wird, so dass sich ein kombinierter Gasstrom in Leitung 19 ergibt. Typischerweise liegt das molare Strömungsverhältnis des Stickstoff-Nebenprodukts in Leitung 18 zur Luft bei einem mittleren Druck von Leitung 7 im Bereich von 1 bis 10.
  • Der kombinierte Gasstrom in Leitung 19 wird im Wärmeaustauscher 21 durch indirekten Wärmeaustausch mit heißem Verbrennungsgas in Leitung 23 (wird später definiert) erwärmt, so dass sich ein heißes, unter Druck stehendes Gas in Leitung 25 bei 1150 bis 2600°F (620 bis 1425°C) und 40 bis 440 psia (275 – 3025 kPa) ergibt. Dieser heiße Gasstrom wird durch die Gas-Expansionsturbine 27 arbeitsleistend expandiert, um eine Kraft-Arbeit zu erzeugen, die direkt genutzt wird, um den mechanisch verbundenen, mehrstufigen Luftkompressor 3 anzutreiben. Wahlweise kann ein Teil dieser Kraft-Arbeit verwendet werden, um einen elektrischen Generator (nicht dargestellt) anzutreiben. Der Expander-Abdampf in Leitung 29, der sich in der Nähe des atmosphärischen Drucks befindet und typischerweise weniger als 15 Vol.-Sauerstoff enthält, wird, wenn notwendig, über Leitung 31 mit Luft kombiniert, wobei das Sauerstoffgas in Leitung 33 mit Brennstoff von Leitung 35 in der Verbrennungseinrichtung 37 verbrannt wird, so dass sich ein heißer Verbrennungsgasstrom in Leitung 23 ergibt, der den kombinierten Gasstrom in Leitung 19 erwärmt, wie zuvor beschrieben wurde. Gekühltes Endabgas in Leitung 39 wird typischerweise in die Atmosphäre abgelassen. Der Brennstoff in Leitung 35 kann ein beliebiger gasförmiger, flüssiger oder fester kohlenstoffhaltiger Brennstoff sein.
  • Das heiße, unter Druck gesetzte Gas in Leitung 25, das das Treibfluid für die Gas-Expansionsturbine 27 zur Verfügung stellt, enthält typischerweise ein Minimum von 85 Vol.-% Stickstoff, wobei der Rest Sauerstoff und Argon ist. Anders als das Treibfluid in einer direkten Verbrennungs-Gasturbine enthält der heiße, unter Druck gesetzte Gasstrom in Leitung 25 keine Verbrennungsprodukte, wobei die Gas-Expansionsturbine 27 nicht dem Kohlendioxid, Schwefeloxiden, Wasser und anderen Komponenten, die in solchen Verbrennungsprodukten vorhanden sind, ausgesetzt ist. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber den integrierten Gasturbinen-Luftzerlegungssystemen nach dem Stand der Technik, die direkt befeuerte Gasturbinen verwenden.
  • Das Sauerstoff-Produkt in Leitung 17 kann im Synthesegas-Generator 41 genutzt werden, um Brennstoff in Leitung 43 zu einem Synthesegas-Produkt in Leitung 45 umzuwandeln, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Der Brennstoff in Leitung 43 und der Brennstoff in Leitung 35 können gleich sein, zum Beispiel Erdgas, oder können unterschiedliche kohlenstoffhaltige Komponenten wie flüssige Kohlenwasserstoffe, Erdölrückstände, Koks oder Kohle sein. Auf Wunsch kann Synthesegas in Leitung 45 für den Brennstoff in Leitung 35 verwendet werden.
  • Das Luftzerlegungssystem 15 ist typischerweise ein Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem einer beliebigen, nach dem Stand der Technik bekannten Art. Nach diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Luftzerlegungssystem 15 vorzugsweise ein Destillationssystem mit erhöhtem Druck, das in einem Bereich von 140 bis 490 psia (965 – 3375 kPa) arbeitet. Das Stickstoff-Nebenprodukt in Leitung 11 erfordert typischerweise keine Komprimierung vor der Verbrennung mit dem unter Druck gesetzten Luftstrom in Leitung 7. Alternativ kann das Luftzerlegungssystem 15 ein Druckwechseladsorptionsverfahren (PSA) oder ein mit Keramik vermischtes Leitungsmembran-Verfahren in Verbindung mit einem oben beschriebenen, indirekt befeuerten Gasturbinensystem nutzen. Nach solchen Ausführungsbeispielen wären ein alternativer Wärmeaustausch und Wärmeintegrationsschritte notwendig, da PSA-Verfahren in der Nähe der Umgebungstemperaturen und mit Keramik vermischte Leitungsmembran-Verfahren bei erhöhten Temperaturen arbeiten. Jedes dieser alternativen Ausführungsbeispiele jedoch würde eine indirekt befeuerte Gasturbine nutzen.
  • Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 veranschaulicht, in dem die Zuführungsluft im Kompressor 201 komprimiert wird, um unter Druck gesetzte Luft in Leitung 203 zur Verfügung zu stellen, die in zwei separate Ströme in den Leitungn 205 und 207 aufgeteilt ist. Die unter Druck gesetzte Luft in Leitung 205 wird durch einen indirekten Wärmeaustausch im Wärmeaustauscher 9 gekühlt, so dass sich die gekühlte, unter Druck gesetzte Luft 13 ergibt, wie zuvor beschrieben wurde. Das Luftzerlegungssystem 209 arbeitet bei niedrigeren Drücken als das Luftzerlegungssystem 15 von 1, wobei das Nebenprodukt Stickstoff in Leitung 211 vor dem Erwärmen im Wärmeaustauscher 9 im Stickstoff-Kompressor 213 komprimiert wird. Die unter Druck gesetzte Luft in Leitung 207 gelangt durch das Durchfluss-Steuerventil 217 und wird mit dem erwärmten, unter Druck gesetzten Stickstoff-Nebenprodukt in Leitung 219 kombiniert, um einen kombinierten Gasstrom in Leitung 19 zur Verfügung zu stellen, der im Wärmeaustauscher 21 erwärmt wird, wie zuvor beschrieben wurde. Die verbleibenden Merkmale des Ausführungsbeispiels von 2 sind mit denen des Ausführungsbeispiels von 1 identisch.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 veranschaulicht. Nach diesem Ausführungsbeispiel wird die Luft 301 im Kompressor 303 komprimiert, um unter Druck gesetzte Luft in Leitung 305 zur Verfügung zu stellen, die mit den Stickstoff-Nebenprodukt von Leitung 18 kombiniert wird, so dass ein kombinierter Gasstrom in Leitung 19 zur Verfügung gestellt wird, der im Wärmeaustauscher 21 erwärmt wird, wie zuvor beschrieben wurde. Dieses Ausführungsbeispiel trennt die Kompressionsleistung des Kompressors 3, der dem Luftzerlegungssystem 15 unter Druck gesetzte Luft zur Verfügung stellt, von der Kompressionsleistung des Kompressors 301, der die unter Druck gesetzte Luft in Leitung 305 zur Verfügung stellt. Weitere Merkmale des Ausführungsbeispiels von 3 sind mit denen des Ausführungsbeispiels von 1 identisch.
  • Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 4 veranschaulicht. Nach diesem Ausführungsbeispiel werden das Erwärmen und die Expansion des Stickstoff-Nebenprodukts in Leitung 18 und der unter Druck gesetzten Luft in Leitung 19 getrennt ausgeführt. Die beiden Ströme werden im Wärmeaustauscher 401 durch indirekten Wärmeaustausch mit einem heißen Verbrennungsgasstrom in Leitung 402 erwärmt, um einen heißen, unter Druck gesetzten Luftstrom in Leitung 403 und einen heißen, unter Druck gesetzten Stickstoff-Nebenprodukt-Strom in Leitung 405 zur Verfügung zu stellen. Auf Wunsch kann ein Teil der unter Druck gesetzten Luft in Leitung 207 durch das Ventil 400 eingeführt und mit dem Stickstoff-Nebenprodukt in Leitung 18 kombiniert werden. Die heiße, unter Druck gesetzte Luft und die Stickstoff-Nebenprodukt-Ströme expandieren in den Gas-Expansionsturbinen 407 bzw. 409. Der Expander-Abdampf in Leitung 411 wird, wahlweise nach einer Kombination mit zusätzlicher, in Leitung 31 zugeführter Luft, in Leitung 413 in die Verbrennungseinrichtung 415 eingeführt, um Brennstoff 35 zu verbrennen, wodurch der heiße Verbrennungsgasstrom in Leitung 402 entsteht. Das Ausführungsbeispiel von 4 wird verwendet, wenn ein herkömmliches, luftgestütztes Verbrennungsverfahren in der Verbrennungseinrichtung 415 bevorzugt wird. Der heiße Verbrennungsgasstrom in Leitung 402 wird einen höheren Überschuss an Sauerstoff aufweisen als der heiße Verbrennungsgasstrom in Leitung 23 der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Weitere Merkmale des Ausführungsbeispiels von 4 sind mit denen des Ausführungsbeispiels von 1 identisch.
  • Das gemeinsame Element von allen Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie sie oben beschrieben wurden, ist der Einsatz eines indirekt erwärmten Treibfluids in der Gas-Expansionsturbine, wobei das Treibfluid eine Kombination aus unter Druck gesetzter Luft vom Kompressor der Gasturbine und dem stickstoff-reichen Nebenprodukt-Gas von der Luftzerlegungseinheit ist. Das heiße Treibfluid enthält keine Verbrennungsprodukte, wobei damit die Gas-Expansionsturbine dem Kohlendoxid, Schwefeloxiden, Wasser und anderen Komponenten, die in solchen Verbrennungsprodukten vorhanden sind, nicht ausgesetzt ist. Dies ist ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber den integrierten Gasturbinen-Luftzerlegungssystemen nach dem Stand der Technik.
  • Die Verfügbarkeit einer Verfahrenseinheit wird als der prozentuale Anteil an Zeit in einem vorgegebenen Zeitabschnitt definiert, während dem die Verfahrenseinheit betriebsbereit ist. Während dem verbleibenden prozentualen Anteil der Zeit ist die Verfahrenseinheit für die Wartung und für Reparaturen stillgelegt. Wenn zwei oder mehr Verfahrenseinheiten in einem Betriebsystem integriert sind, wird die gesamte Verfügbarkeit des Systems durch die niedrigste Verfügbarkeit der einzelnen Verfahrenseinheiten bestimmt. Es ist daher wünschenswert, das Leistungsverhalten der einzelnen Einheit mit der niedrigsten Verfügbarkeit zu verbessern, um die gesamte Verfügbarkeit des integrierten Betriebssystems zu verbessern.
  • Die Verfügbarkeit einer typischen Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit, ausgenommen dem Kompressorsystem, ist größer als 99%. Die Verfügbarkeit einer Gasturbine ist im Allgemeinen niedriger als die einer Tieftemperatur-Luftzerlegungseinheit, und so wird die gesamte Verfügbarkeit eines integrierten Gasturbinen- / Luftzerlegungssystems durch die Verfügbarkeit des Gasturbinensystems diktiert. Eine indirekt befeuerte Gasturbine wird eine höhere Verfügbarkeit aufweisen als eine direkt befeuerte Gasturbine. Daher wird ein integriertes, indirekt befeuertes Gasturbinen- / Luftzerlegungssystem der vorliegenden Erfindung eine höhere Verfügbarkeit haben als integriertes, direkt befeuertes Gasturbinen- / Luftzerlegungssystem nach dem Stand der Technik. Es ist in bestimmten Arbeitssituationen wichtig, die Verfügbarkeit eines integrierten Gasturbinen- / Luftzerlegungssystems zu maximieren, zum Beispiel in Situationen, in denen die Ausfallzeit sehr teuer und die Wartung schwierig ist. In solchen Situationen wird der Einsatz einer indirekt befeuerten Gasturbine mit dem Luftzerlegungssystem, wie sie durch die vorliegende Erfindung beschrieben wurde, gegenüber dem Einsatz einer direkt befeuerten Gasturbine bevorzugt.
  • Beispiel 1
  • Das Gleichgewicht von Wärme und Material wurde in einer Simulation des integrierten Gasturbinen- / Luftzerlegungssystems von 1 ausgeführt. Die Luftzerlegungseinheit ist ein Tieftemperatur-Destillationssystem mit Doppelsäule bei einem erhöhten Druck, wie sie in der Druckschrift US-A-5 081 845 beschrieben wurde, mit einer Sauerstoff-Produktionskapazität von 5000 amerikanischen Tonnen pro Tag (short tons per day – STPD) (4250 Tonnen pro Tag). Die Gasturbineneinheit hat eine Druckverteilung von 12,3 zu 1 mit einem Zwischenluftauszug bei einer Druckverteilung von 6,6 zu 1. Die Verbrennungseinrichtung 37 wird mit Methan befeuert. Eine Zusammenfassung der Simulation wird in Tabelle 1 für eine Einlasstemperatur der Expansionsturbine von 1912°F (1044°C) vorgestellt.
  • Beispiel 2
  • Die Simulation von Beispiel 1 wurde mittels eines Tieftemperatur-Destillationssystems mit Doppelsäule wiederholt, das auf einem Verfahren basiert, wie es in der Druckschrift US-A-5 081 845 beschrieben wurde, aber mit einem niedrigerem Luftzuführungsdruck arbeitet und eine Sauerstoff-Produktions-Kapazität von 5000 amerikanischen Tonnen pro Tag (STPD) (4250 Tonnen pro Tag) hat. Eine Zusammenfassung der Simulation wird in Tabelle 2 für eine Einlasstemperatur der Expansionsturbine von 2418°F (1326°C) vorgestellt.
  • Figure 00170001
  • Figure 00180001
  • Beispiel 3
  • Die Simulation von Beispiel 1 wurde für andere Einlass-Temperaturen der Expansionsturbine zwischen 1100°F (590°C) und 1900°F (1040°C) wiederholt. Die Wärmerate, die durch die Eingabe in die Gasturbinen-Verbrennungseinrichtung (BTU/h; Kj/h) geteilt durch die Gasturbinenausgabe am Schacht (KW) definiert wird, wurde für die vorliegende Erfindung bei verschiedenen Einlasstemperaturen der Expansionsturbine bestimmt. Die Wärmerate ist ein Maß der Systemeffizienz beim Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Energie mit den Einheiten von BTU / KWH (KJ / KWH), wobei eine niedrige Wärmerate einer höheren Systemeffizienz entspricht. Für den Vergleich mit der vorliegenden Erfindung wurden Wärmeraten eines üblichen, direkt befeuerten Gasturbinensystems (GE 7FA), sowohl für einen einfachen Zyklus (ohne ein Dampferzeugungssystem zur Wärmerückgewinnung und einer Dampfturbine) als auch einen kombinierten Zyklus (mit einem Dampferzeugungssystem zur Wärmerückgewinnung und einer Dampfturbine) ermittelt.
  • In 5 wird eine grafische Darstellung der Wärmerate gegen die Turbinen-Einlasstemperatur für die oben genannten Angaben vorgestellt. Wenn für die vorliegende Erfindung die Einlasstemperatur reduziert wird, nimmt die Wärmerate zu, wobei die Systemeffizienz abnimmt. Niedrigere Turbinen-Einlasstemperaturen werden von weniger schweren Betriebsbedingungen für den Wärmeaustauscher 21 von 1 begleitet. Bei Temperaturen über 1500°F (815°C) sind typischerweise Komponenten des Wärmeaustauschers aus Keramik oder einer speziellen Metalllegierung erforderlich, wogegen bei niedrigeren Temperaturen herkömmlichere Materialien oder Ausführungen der Wärmeaustauscher verwendet werden können. Die in 5 grafisch dargestellten Angaben zeigen, dass sich das System der vorliegenden Erfindung bei der Wärmerate vorteilhaft mit dem herkömmlichen, direkt befeuerten GE 7FA-System mit kombiniertem Zyklus vergleichen lässt. Während der Zyklus der vorliegenden Erfindung einen Wärmeaustauscher mit kostspieliger Keramik oder einer Metalllegierung zum Erwärmen des Turbinen-Einlassgases auf über 1500°F (815°C) erfordern würde, wären der Dampferzeuger zur Wärmerückgewinnung und eine Dampfturbine des direkt befeuerten, kombinierten Zyklus-Systems nicht erforderlich. Bei niedrigen Turbinen-Einlasstemperaturen lässt sich die vorliegende Erfindung vorteilhaft bei der Wärmerate mit dem direkt befeuerten GE 7FA-System mit einfachem Zyklus (kein Dampfzyklus) vergleichen. In allen Fällen würde die Verfügbarkeit des Systems der vorliegenden Erfindung höher sein als die des herkömmlichen, direkt befeuerten Systems.
  • Beispiel 4
  • Der Vergleich von Beispiel 3 wird mittels des Luftzerlegungszyklus bei niedrigem Druck von Beispiel 2 wiederholt, wobei die Ergebnisse in 6 vorgestellt werden. Die grafische Darstellung der Wärmerate gegen die Einlasstemperatur zeigt in diesem Fall ein etwa weniger effizientes System als das von Beispiel 3, aber die Schlussfolgerungen und Vergleiche der vorliegenden Erfindung mit dem herkömmlichen, direkt befeuerten Gasturbinensystem sind die gleichen.
  • Beispiel 5
  • Die Simulationen der Beispiele 1 und 2 wurden verwendet, um 7 vorzubereiten, die eine grafische Darstellung des Sauerstoff-Gehalts des heißen Verbrennungsgases von der Verbrennungseinrichtung 37 (Strom 23) gegen die Einlasstemperatur der Expansionsturbine (Strom 25) darstellt. Ein minimaler Sauerstoff-Gehalt im Auslass der Verbrennungseinrichtung von etwa 2 Vol.-% ist erforderlich, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs in der Verbrennungseinrichtung zu gewährleisten. Bei geringeren Sauerstoff-Konzentrationen wäre eine katalytische Verbrennung in der Verbrennungseinrichtung 37 erforderlich. Der Luftzerlegungszyklus bei erhöhtem Druck von Beispiel 1 kann mit Turbinen-Einlasstemperaturen bis zu 1800°F (980°C) ohne die Notwendigkeit einer katalytischen Verbrennung genutzt werden. Der Luftzerlegungszyklus bei niedrigem Druck von Beispiel 2 kann mit Turbinen-Einlasstemperaturen bis zu 2600°F (1425°C) ohne die Notwendigkeit einer katalytischen Verbrennung genutzt werden. 7 ist für Entwurfszwecke nützlich, wenn die Turbinen-Einlasstemperatur ausgewählt wird.
  • Damit verwendet die vorliegende Erfindung ein indirekt befeuertes Gasturbinensystem, um eine komprimierte Luftzuführung für ein Luftzerlegungssystem in Anwendungen zur Verfügung zu stellen, in denen eine hohe Verfügbarkeit der Antriebsmittel erforderlich ist. Die Erfindung integriert eine indirekt befeuerte Gasturbine mit dem Luftzerlegungssystem für die Erzeugung von Sauerstoff mit einer effizienten Nutzung des stickstoff-reichen Nebenprodukts als ein Teil des Treibgases für die indirekt erwärmte Gasturbine.
  • Die vorliegende Erfindung verbessert die Verfügbarkeit und die Zuverlässigkeit von Gasturbinen-Antriebsmitteln für Luftzerlegungssysteme und ist besonders an Orten nützlich, wo ein elektrisches Antriebsmittel für das Luftzerlegungssystem nicht möglich ist. An solchen Orten, die von industriell entwickelten Gebieten entfernt sein können und in denen ein zuverlässiges Elektro-Energienetz fehlt, ist diese hohe Verfügbarkeit des integrierten Gasturbinen- / Luftzerlegungssystems besonders wichtig. Die Erfindung ist auch für sehr große Luftzerlegungssysteme nützlich, für die eigenständige, elektrische Motoren und Luftkompressoren nicht verfügbar sind.

Claims (20)

  1. Verfahren für die Herstellung von Sauerstoff, das umfasst: (i) Komprimieren von Luft, um einen ersten und einen zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen; (ii) Zerlegen des ersten, unter Druck gesetzten Luftstroms in einen sauerstoff-reichen Produkt-Strom und einen stickstoff-reichen Nebenprodukt-Strom; (iii) Erwärmen des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms und des zweiten, unter Druck gesetzten Luftstroms durch indirekten Wärmeaustausch mit einem heißen Verfahrensstrom, der durch Verbrennen eines Brennstoffs in einer Verbrennungseinrichtung erzeugt wird, um einen heißen, unter Druck gesetzten Gas-Strom zur Verfügung zu stellen; (iv) arbeitsleistendes Expandieren des heißen, unter Druck gesetzten Gas-Stroms, um Kraft- bzw. Wellen- bzw. Kolben-Arbeit bzw. -Leistung und einen Expander-Auslassstrom mit verringertem Druck zu erzeugen; (v) Ausnutzen wenigstens eines Teils der Kraft-Arbeit, um Arbeit für die Luftkompression (i) zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff mit dem Luft enthaltendem Expander-Auslassstrom mit verringertem Druck verbrannt wird, um den heißen Verfahrensstrom zur Verfügung zu stellen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der stickstoff-reiche Nebenprodukt-Strom mit dem zweiten, unter Druck gesetztem Luftstrom vor dem indirekten Wärmeaustausch (iii) kombiniert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der stickstoff-reiche Nebenprodukt-Strom vor dem Kombinieren mit dem zweiten, unter Druck gesetztem Luftstrom komprimiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der stickstoff-reiche Nebenprodukt-Strom und der zweite, unter Druck gesetzte Luftstrom getrennt einem indirekten Wärmeaustausch (iii) unterworfen und die sich ergebenden heißen, unter Druck gesetzten Gasströme getrennt der arbeitsleistenden Expansion unterworfen werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Kraft-Arbeit, die Arbeit für die Luftkompression (i) zur Verfügung stellt, sowohl durch die Expansion des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms als auch durch die Expansion des zweiten, unter Druck gesetzten Luftstroms zur Verfügung gestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei der getrennte, indirekte Wärmeaustausch des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms und des zweiten, unter Druck gesetzten Luftstroms durch gemeinsamen, indirekten Wärmeaustausch mit demselben heißen Verfahrensstrom erreicht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite, unter Druck gesetzte Luftstrom durch Komprimieren von Luft und Aufteilen des sich ergebenden, komprimierten Luftstroms in einen ersten und einen zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung gestellt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste und der zweite, unter Druck gesetzte Luftstrom durch Komprimieren von Luft in einem mehrstufigen Luftkompressor, Abziehen der komprimierten Luft aus einer letzten Stufe des Kompressors, um den ersten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen, und Abziehen der komprimierten Luft aus einer Zwischenstufe des Kompressors erhalten werden, um den zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste und der zweite, unter Druck gesetzte Luftstrom durch Komprimieren von Luft in einem ersten Luftkompressor, um den ersten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen, und Komprimieren von Luft in einem zweiten Luftkompressor erhalten werden, um den zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom zur Verfügung zu stellen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste, unter Druck gesetzte Luftstrom eine größere Durchflussmenge als der zweite, unter Druck gesetzte Luftstrom hat.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das molare Strömungsverhältnis des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms zu dem zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom im Bereich von 1 bis 10 liegt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Luft enthaltenden Expander-Ausgabestrom mit verringertem Druck vor der Verbrennungseinrichtung Luft zugesetzt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der sauerstoff-reiche Produkt-Strom dazu verwendet, ein kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial zu vergasen, um Synthesegas mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Teil des Synthesegases wenigstens einen Teil des Brennstoffes für die Verbrennungseinrichtung zur Verfügung stellt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zerlegung des ersten, unter Druck gesetzten Luftstroms in einen sauerstoff-reichen Produkt-Strom und einen stickstoff-reichen Nebenprodukt-Strom durch Tieftemperatur-Destillation erreicht wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teil der Kraft-Arbeit dazu benutzt wird, elektrische Energie zu erzeugen.
  17. Vorrichtung für die Herstellung von Sauerstoff durch ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 definiert wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Kompressionsanordnung (3) zur Komprimierung von Luft (1), um einen ersten und einen zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom (5, 7) zur Verfügung zu stellen; eine Luftzerlegungsanordnung (15) zur Zerlegung des ersten, unter Druck gesetzten Luftstroms (5) in einen sauerstoff-reichen Produkt-Strom (17) und einen stickstoff-reichen Nebenprodukt-Strom (11); eine Wärmetauscheranordnung (21) zur Erwärmung des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms (11) und des zweiten, unter Druck gesetzten Luftstroms (7) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem heißen Verfahrensstrom (23), um einen heißen, unter Druck gesetzten Gas-Strom (25) zur Verfügung zu stellen; eine Expansionsanordnung (27) zur arbeitsleistenden Expansion des heißen, unter Druck gesetzten Gas-Stroms (25), um Kraft- bzw. Wellen- bzw. Kolben- Arbeit, die Arbeit für die Kompressionsanordnung (3) zur Verfügung stellt, und einen Expander-Ausgabestrom (29) mit reduziertem Druck zu erzeugen; und eine Verbrennungsanordnung (37) zur Verbrennung eines Brennstoffs (35), um den/die heiße(n) Verfahrensstrom/ströme (23) zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung (33) vorgesehen ist, um den Expander-Ausgabestrom (29) mit verringertem Druck der Verbrennungseinrichtung (37) zuzuführen.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17 mit einer Anordnung (18) zum Kombinieren des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms (11) mit dem zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom (7) vor der Wärmetauscheranordnung (21).
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18 mit einer Anordnung (213) zum Komprimieren des stickstoff-reichen Nebenprodukt-Stroms (11) vor dem Kombinieren mit dem zweiten, unter Druck gesetzten Luftstrom (7).
  20. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der stickstoff-reiche Nebenprodukt-Strom (11) und der zweite, unter Druck gesetzte Luftstrom (7) getrennt einem indirekten Wärmeaustausch in der Wärmetauscheranordnung (401) unterworfen werden und die Expansionsanordnung (27) getrennte Expander (405, 407) für die sich ergebenden heißen Verfahrensströme aufweist.
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