WO2010017968A2 - Verfahren und vorrichtung zur tieftemperaturzerlegung von luft - Google Patents

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    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/40—One fluid being air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2250/00—Details related to the use of reboiler-condensers
    • F25J2250/30—External or auxiliary boiler-condenser in general, e.g. without a specified fluid or one fluid is not a primary air component or an intermediate fluid
    • F25J2250/50—One fluid being oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method for the cryogenic separation of air according to the preamble of patent claim 1.
  • cryogenic separation of air in general and the construction of two-column plants in particular are described in the monograph "Cryogenics” by Hausen / Linde (2nd edition, 1985) and in an article by Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, page 35).
  • the thermal coupling between the high pressure column and the low pressure column is usually realized by a designed as a condenser evaporator main condenser, is liquefied in the head gas of the high pressure column against evaporating bottom liquid of the low pressure column.
  • the feed air for the cryogenic separation is compressed in an air compressor and cleaned in a cleaning device before it is cooled in a main heat exchanger to about dew point.
  • the cleaning device preferably operates with at least two switchable containers which contain an adsorbent, for example a molecular sieve, and have to be periodically regenerated, either by temperature swing (TSA) or by pressure swing adsorption (PSA). When regenerating one of the containers is traversed by a regeneration gas.
  • TSA temperature swing
  • PSA pressure swing adsorption
  • the warm relaxation machine is used for the recovery of pressure energy, which can not be used in the air separation itself. Excess energy from the air separation is converted into mechanical energy (work). This can be delivered, for example, to a generator connected to the relaxation machine and converted there into electrical energy.
  • a “warm relaxation machine” is understood here to mean a relaxation machine whose inlet temperature is 280 K or more, for example 290 K or more, in particular 300 K or more or 320 K or more
  • the inlet temperature of the first warm expansion turbine is in the invention, for example, 330 to 360 K, preferably 340 to 350 K.
  • the first nitrogen stream is there to an intermediate pressure of 2 to 3 bar, preferably 2.1 to 2.5 bar relaxed and then in the second warm expansion turbine of the intermediate pressure to a final pressure of 1, 1 to 1, 2 bar.
  • the high-pressure column has a higher operating pressure than the low-pressure column.
  • Typical values are 4.5 to 5.2 bar in the high-pressure column and below 1.4 bar, preferably below 1.25 bar in the low-pressure column.
  • the first nitrogen stream which is expanded in the warm expansion machines, is taken from the pressure column in gaseous form, for example from the top of it or from an intermediate point in the upper region of the column.
  • the obtained during the relaxation of the first nitrogen flow mechanical energy can directly to drive a Be used compressor; Preferably, it is converted into electrical energy in a respective generator coupled to the expansion machines.
  • the warming-up of the first nitrogen stream is carried out at least in part on the first after-cooler and the first nitrogen stream is brought there in indirect heat exchange with the air downstream of the air compressor.
  • the waste heat of the air compressor is used to heat the nitrogen before work-performing relaxation. This increases energy generated during relaxation.
  • the second stream of nitrogen exits the warm end of the main heat exchanger at about ambient temperature, for example, and is further brought to the elevated temperature of 330 to 360 K, preferably 340 to 350 K in the first aftercooler and fed under this elevated temperature of the first warm expansion machine.
  • the final temperature, ie the outlet temperature of the second expansion machine is then, for example, 283 to 313 K.
  • residual heat from another source can be used, for example, from an adjacent system that supplies such residual heat.
  • the two-stage expansion according to the invention allows an intermediate heating and thus an increased outlet temperature from the final stage with the same or even higher energy production.
  • energy can be saved if, in the further use of the first nitrogen stream - such as a regeneration gas - an elevated temperature is needed.
  • the first nitrogen stream is warmed up in the first aftercooler and then expanded in the first expansion machine to an intermediate pressure, and the first nitrogen stream relaxed to the intermediate pressure is heated in a second after-compressor and then expanded in a second expansion machine to a final pressure which is lower as the intermediate pressure is.
  • Warming the first nitrogen flow is used, the transfer of this heat can be performed in two stages, which are arranged in front of the first and second expansion machine.
  • the first and the second aftercooler are preferably connected in parallel on the air side. For interheater so again waste heat of the air compressor is used.
  • the work in the second hot expansion machine relaxed first nitrogen stream is at least partially as a regeneration in the
  • a second stream of nitrogen withdrawn from the high-pressure column is warmed in the main heat exchanger to an intermediate temperature, the second nitrogen flow warmed to the intermediate temperature in a cold expansion machine work expanded and then reheated in the main heat exchanger.
  • the pressure energy contained in the nitrogen from the high pressure column can also be used to generate process refrigeration.
  • the working expanded second nitrogen stream can - in addition to or as an alternative to the first nitrogen stream - at least partially as a regeneration in the
  • Cleaning device can be used. Operationally particularly advantageous is to use both nitrogen streams as regeneration gas.
  • the process thus provides two sources of regeneration gas, one of which is independent of refrigeration. This operationally undesirable coupling of Regeneriergasmenge is canceled to the amount of cold generated. Regenerating gas volume and refrigeration can be optimized independently of each other. Overall, the process is technically particularly simple and energetically particularly favorable.
  • the regeneration gas derived from the first and / or second nitrogen streams may be heated in an electric or steamed regeneration gas heater prior to introduction to the purifier.
  • Both the first and second streams of nitrogen are preferably made from the high pressure column operating pressure (minus line losses) to some extent superatmospheric pressure working expanded, sufficient to deliver the streams after flowing through the purifier to the atmosphere.
  • the use as a regeneration usually takes place only temporarily when there is a corresponding need of the cleaning device.
  • part of the work-performing expanded nitrogen from the cold and / or warm relaxation can be released as a gaseous nitrogen product or released directly into the atmosphere.
  • the invention also relates to a device for cryogenic separation of air according to claim 8. Particularly advantageous embodiments are set forth in claims 9 to 14.
  • the invention relates to oxyfuel power plant and a method for operating an oxyfuel power plant according to claims 15 and 16, respectively
  • Atmospheric air 1 is sucked in via a filter 2 from an air compressor 3 and compressed there to a pressure of 4.8 to 5.0 bar.
  • the compressed feed air 4 is cooled to a first part 5 in a first aftercooler 6, to a second part 7 in a second aftercooler 8 and to a third part 9 in a third aftercooler 10.
  • the air streams from the aftercoolers are then combined, optionally with a fourth part 1 1, which can be passed over a bypass to the aftercoolers.
  • the reunited feed air stream 12 is further cooled in a direct contact cooler 13 in direct heat exchange with cooling water (14, 16).
  • the cooling water comes from a fresh water stream 17, which is fed to a first part 16 directly as cooling water to the direct contact cooler 13 and cooled to a second part 18, 14 previously in an evaporative cooler 15.
  • the accumulating at the bottom of the direct contact cooler 13 water is withdrawn via line 19 and 20.
  • the further cooled feed air is introduced into a cleaning device 22.
  • This consists in the example of two switchable containers which are filled with a molecular sieve as an adsorbent.
  • the cleaned air flows to the warm end of the main heat exchanger, which in the example is formed by three air-side parallel blocks 23a, 23b, 23c.
  • the feed air 24 cooled to about dew point is for the most part fed to the high-pressure column 26 immediately above its sump.
  • a small portion 27 may be condensed in a secondary condenser 28 and introduced via line 29 liquid at an intermediate point of the high-pressure column 16 and / or passed directly to the low-pressure column 32 via line 30/31.
  • the operating pressures of the columns (in each case at the top) in the exemplary embodiment are 4.5 bar in the high-pressure column 26 and 1.2 bar in the low-pressure column 32.
  • High-pressure column 26 and low-pressure column 32 are thermally coupled via a main condenser 37 designed as a condenser-evaporator. In the example, they are juxtaposed to form the distillation column system for nitrogen-oxygen separation.
  • the oxygen-enriched bottoms liquid 33 of the high-pressure column is cooled in a subcooling countercurrent 34 and introduced via line 35 into the low-pressure column 32.
  • a first portion 36 of the gaseous overhead nitrogen of the high-pressure column 26 is introduced into the liquefaction passages of the main condenser 37. This liquid nitrogen obtained is to a first part 38 of the high-pressure column 26 and to a second part 39/40 after flowing through the
  • Subcooling countercurrent 34 of the low pressure column 32 abandoned as reflux.
  • a portion of the introduced into the low pressure column 32 nitrogen can be discharged via line 80 as a liquid product (LIN - liquid nitrogen).
  • an oxygen 41 is removed with a purity of about 40 mol% liquid and brought by means of a pump 42 to a slightly elevated pressure of about 4 bar.
  • a first portion 43 of the pumped oxygen is conveyed into the evaporation passages of the main condenser 37 and recycled via line 44 as ascending gas in the low-pressure column 32.
  • a second part is introduced via line 45 oxygen-enriched product stream in the evaporation chamber of the
  • the gaseous oxygen-enriched product stream 46 is heated in the main heat exchanger 23c to approximately ambient temperature and further (47) heated in the third aftercooler 9 of the air compressor 3 and finally via line 48 as a gaseous product (GOX -. gaseous oxygen) and in particular fed to the combustion chamber of an oxyfuel power plant.
  • a third portion 81 of the oxygen from the pump 42 may be delivered as a liquid product (LOX).
  • gaseous nitrogen 49 is withdrawn, warmed in the subcooling countercurrent 34, fed via line 50 to the cold end of the main heat exchanger 23b, brought there to about ambient temperature and finally fed via line 51 to the evaporative cooler 15 as a dry gas.
  • a second part 52 of the gaseous nitrogen head of the high-pressure column 26 is fed as a "second nitrogen flow" the cold end of the main heat exchanger 23c, removed again at an intermediate temperature of 133 K via line 53 and in a cold expansion machine 54 work to 1, 2 bar relaxed.
  • the expanded second nitrogen stream 56 is returned to the cold end of the main heat exchanger 23c, heated to approximately ambient temperature and at least partially supplied via the lines 58 and 59 of the cleaning device 33 as a regeneration gas, optionally after further heating in a steam-powered Regeneriergaserhitzer 60.
  • Laden Regeneriergas 61 becomes delivered the atmosphere.
  • a third part 63 of the gaseous nitrogen head of the high-pressure column 26 is heated as "first nitrogen flow" in the main heat exchanger 23 a to about ambient temperature and at least partially via the lines 64, 65 and 66 to the first aftercooler 6 and heated there to about 340 K.
  • the first heated first nitrogen stream 67 is working in a first warm expansion machine 68 to an intermediate pressure of about 2.3 bar and a temperature of about 288 K working relaxed.
  • the first nitrogen stream 70 which is under the intermediate pressure, is heated a second time to approximately 340 K in the second aftercooler 8.
  • the first nitrogen stream 71 which has been heated for the second time, is expanded in a second warm expansion machine 72 to a final pressure of about 1.15 bar and a temperature of about 287 K.
  • the first nitrogen stream 74 which has been expanded to the final pressure, is mixed via lines 75, 76 with the expanded and warmed second nitrogen stream 57 and likewise at least partially used as regeneration gas for the cleaning device 22.
  • a bypass line 76 at least part of the gas from line 65 can be led past the two warm expansion turbines 69, 72.
  • a portion 83 of the pressurized nitrogen 83 warmed in the WT 23a may be discharged as a gaseous pressure product (PGAN - pressurized gaseous nitrogen).
  • a portion of the feed air 23 can be used as equalizing flow 77, 78, 79 between the second block 23b and the third block 23c of the main heat exchanger.
  • All relaxation machines of the embodiment are designed as a turboexpander and are braked by generators 55, 69, 73.

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft, insbesondere zur Lieferung eines sauerstoffangereicherten Produktstroms an ein Oxyfuel-Kraftwerk. Das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung weist eine Hochdrucksäule (26) und eine Niederdrucksäule (32) auf. Die Hochdrucksäule (26) und die Niederdrucksäule (32) sind über einen Kondensator- Verdampfer (37) thermisch gekoppelt. Einsatzluft (1 ) wird in einem Luftverdichter (3) verdichtet, mindestens in einem ersten Nachkühler (6) gekühlt und in einer Reinigungsvorrichtung (22) gereinigt, in einem Hauptwärmetauscher (23a, 23b, 23c) abgekühlt und mindestens teilweise in die Hochdrucksäule (26) eingeleitet (25, 29). Mindestens ein flüssiger Strom (33, 35) wird aus der Hochdrucksäule (26) in die Niederdrucksäule (32) eingeleitet. Der Niederdrucksäule (32) wird ein sauerstoffangereicherter Produktstrom (41, 45, 46, 47, 48) entnommen. Ein erster Stickstoffstrom (63, 64, 65, 66) wird aus der Hochdrucksäule (26) abgezogen und auf eine Temperatur von mindestens 280 K angewärmt (6). Der angewärmte erste Stickstoffstrom (67) wird in einer ersten warmen Entspannungsmaschine (68) arbeitsleistend entspannt, 72). Der in der ersten warmen Entspannungsmaschine (68) entspannte erste Stickstoffstrom (70, 71 ) wird in einer zweiten warmen Entspannungsmaschine (72) arbeitsleistend entspannt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Grundlagen der Tieftemperaturzerlegung von Luft im Allgemeinen sowie der Aufbau von Zwei-Säulen-Anlagen im Speziellen sind in der Monografie "Tieftemperaturtechnik" von Hausen/Linde (2. Auflage, 1985) und in einem Aufsatz von Latimer in Chemical Engineering Progress (Vol. 63, No.2, 1967, Seite 35) beschrieben. Die thermische Kopplung zwischen Hochdrucksäule und Niederdrucksäule wird im Regelfall durch einen als Kondensator- Verdampfer ausgebildeten Hauptkondensator realisiert, in dem Kopfgas der Hochdrucksäule gegen verdampfende Sumpfflüssigkeit der Niederdrucksäule verflüssigt wird.
Die Einsatzluft für die Tieftemperaturzerlegung wird in einem Luftverdichter verdichtet und in einer Reinigungsvorrichtung gereinigt, bevor sie in einem Hauptwärmetauscher auf etwa Taupunkt abgekühlt wird. Die Reinigungsvorrichtung arbeitet vorzugsweise mit mindestens zwei umschaltbaren Behältern, die ein Adsorbens, beispielsweise ein Molekularsieb enthalten, und periodisch regeneriert werden müssen, entweder durch Temperaturwechsel (TSA - temperature swing adsorption) oder durch Druckwechsel (PSA - pressure swing adsorption). Beim Regenerieren wird einer der Behälter von einem Regeneriergas durchströmt.
Die warme Entspannungsmaschine dient der Rückgewinnung von Druckenergie, die in der Luftzerlegung selbst nicht genutzt werden kann. Überschüssige Energie aus der Luftzerlegung wird dabei in mechanische Energie (Arbeit) umgesetzt. Diese kann beispielsweise an einen an die Entspannungsmaschine angeschlossenen Generator abgegeben und dort in elektrische Energie umgewandelt werden.
Verfahren der eingangs genannten Art sind aus FR 2690982 A1 und JP 11063811 A bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren energetisch zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 gelöst. Zusätzlich zu der ersten warmen Entspannungsmaschine für den ersten Stickstoffstrom aus der Hochdrucksäule wird eine zweite warme Entspannungsmaschine eingesetzt wird, die seriell mit der ersten verbunden ist. Eine solche zweistufige warme Entspannung wurde bisher als weit überhöhter Aufwand für die Rückgewinnung überschüssiger Energie angesehen. Im Rahmen solcher warmen Entspannungen (häufig als Hot Gas Turbine-Prozesse bezeichnet) wurde daher bisher nicht erwogen, zwei- oder mehrstufige Entspannungen einzusetzen. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch überraschenderweise festgestellt, dass bei bestimmten Verfahren, insbesondere solchen, die für die Sauerstoffversorgung von Oxyfuel- Kraftwerken eingesetzt werden, der energetische Vorteil den zusätzlichen apparativen Aufwand überwiegt.
Unter einer "warmen Entspannungsmaschine" wird hier eine Entspannungsmaschine verstanden, deren Eintrittstemperatur 280 K oder mehr, beispielsweise 290 K oder mehr, insbesondere 300 K oder mehr oder 320 K oder mehr beträgt
Die Eintrittstemperatur der ersten warmen Entspannungsturbine beträgt bei der Erfindung beispielsweise 330 bis 360 K, vorzugsweise 340 bis 350 K. Der erste Stickstoffstrom wird dort auf einen Zwischendruck von 2 bis 3 bar, vorzugsweise 2.1 bis 2.5 bar entspannt und anschließend in der zweiten warmen Entspannungsturbine von dem Zwischendruck aus auf einen Enddruck von 1 ,1 bis 1 ,2 bar.
Die Hochdrucksäule weist einen höheren Betriebsdruck als die Niederdrucksäule auf. Übliche Werte (jeweils am Kopf der Säulen) sind 4,5 bis 5,2 bar in der Hochdrucksäule und unter 1 ,4 bar, vorzugsweise unter 1 ,25 bar in der Niederdrucksäule.
Der erste Stickstoffstrom, der in den warmen Entspannungsmaschinen entspannt wird, wird der Drucksäule gasförmig entnommen, beispielsweise von deren Kopf oder von einer Zwischenstelle im oberen Bereich der Säule. Die bei der Entspannung des ersten Stickstoffstroms gewonnene mechanische Energie kann unmittelbar zum Antrieb eines Verdichters genutzt werden; vorzugsweise wird sie in jeweils einem an die Entspannungsmaschinen gekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Es ist günstig, wenn die Anwärmung des ersten Stickstoffstroms mindestens zum Teil dem ersten Nachkühler durchgeführt und der erste Stickstoffstrom dort in indirekten Wärmeaustausch mit der Luft stromabwärts des Luftverdichters gebracht wird. Hierdurch wird die Abwärme des Luftverdichters zur Anwärmung des Stickstoffs vor der arbeitsleistenden Entspannung genutzt. Dies erhöht sich bei der Entspannung erzeugte Energie. Der zweite Stickstoffstrom tritt beispielsweise unter etwa Umgebungstemperatur aus dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers aus und wird in dem ersten Nachkühler weiter auf die erhöhte Temperatur von 330 bis 360 K, vorzugsweise 340 bis 350 K gebracht und unter dieser erhöhten Temperatur der ersten warmen Entspannungsmaschine zugeleitet. Die Endtemperatur, also die Austrittstemperatur der zweiten Entspannungsmaschine beträgt dann beispielsweise 283 bis 313 K. Alternativ kann zur Anwärmung des ersten Stickstoffstroms Restwärme aus einer anderen Quelle eingesetzt werden, beispielsweise aus einer benachbarten Anlage, die solche Restwärme liefert.
Die erfindungsgemäße zweistufige Entspannung ermöglicht eine Zwischenerwärmung und damit eine erhöhte Austrittstemperatur aus der Endstufe bei gleicher oder sogar höherer Energieerzeugung. Hierdurch kann insbesondere Energie gespart werden, wenn bei der Weiterverwendung des ersten Stickstoffstroms - etwa als Regeneriergas - eine erhöhte Temperatur benötigt wird.
Dabei wird insbesondere der erste Stickstoff ström in dem ersten Nachkühler angewärmt und anschließend in der ersten Entspannungsmaschine auf einen Zwischendruck entspannt, und der auf den Zwischendruck entspannte erste Stickstoffstrom in einem zweiten Nachverdichter erwärmt und anschließend in einer zweiten Entspannungsmaschine auf einen Enddruck entspannt wird, der niedriger als der Zwischendruck ist. Auch wenn Restwärme aus einer anderen Quelle zur
Anwärmung des ersten Stickstoffstroms eingesetzt wird, kann die Übertragung dieser Wärme in zwei Stufen durchgeführt werden, die vor der ersten beziehungsweise zweiten Entspannungsmaschine angeordnet sind.
Der erste und der zweite Nachkühler sind vorzugsweise luftseitig parallel geschaltet. Für die Zwischenerhitzung wird also abermals Abwärme des Luftverdichters eingesetzt.
Vorzugsweise wird der in der zweiten warmen Entspannungsmaschine arbeitsleistend entspannte erste Stickstoffstrom mindestens teilweise als Regeneriergas in der
Reinigungsvorrichtung eingesetzt. Da das Abgas der zweiten Entspannungsmaschine bei der Erfindung eine relativ hohe Temperatur aufweist, kann auf diese Weise Energie eingespart werden, die ansonsten für die Erhitzung des Regeneriergases notwendig wäre.
Es ist ferner günstig, wenn ein zweiter Stickstoffstrom aus der Hochdrucksäule abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher auf eine Zwischentemperatur angewärmt wird, der auf die Zwischentemperatur angewärmte zweite Stickstoffstrom in einer kalten Entspannungsmaschine arbeitsleistend entspannt und anschließend erneut im Hauptwärmetauscher angewärmt wird. Auf diese Weise kann die im Stickstoff aus der Hochdrucksäule enthaltene Druckenergie außerdem zur Erzeugung von Prozesskälte genutzt werden.
Der arbeitsleistend entspannte zweite Stickstoffstrom kann - zusätzlich oder alternativ zum ersten Stickstoffstrom - mindestens teilweise als Regeneriergas in der
Reinigungsvorrichtung eingesetzt werden. Betriebstechnisch besonders günstig ist es, beide Stickstoffströme als Regeneriergas einzusetzen. Bei dem Verfahren stehen damit zwei Quellen für Regeneriergas zur Verfügung, von denen eine unabhängig von der Kältegewinnung ist. Damit ist betriebstechnisch unerwünschte Kopplung von Regeneriergasmenge an die erzeugte Kältemenge aufgehoben. Regeneriergasmenge und Kälteerzeugung können unabhängig voneinander optimiert werden. Insgesamt wird das Verfahren betriebstechnisch besonders einfach und energetisch besonders günstig.
Das von dem ersten und/oder zweiten Stickstoffstrom abgeleitete Regeneriergas kann vor der Einleitung in die Reinigungsvorrichtung in einem elektrischen oder mit Dampf betriebenen Regeneriergaserhitzer erhitzt werden.
Sowohl der erste als auch der zweite Stickstoffstrom werden vorzugsweise vom Betriebsdruck der Hochdrucksäule aus (abzüglich Leitungsverlusten) auf einen etwas überatmosphärischen Druck arbeitsleistend entspannt, der ausreicht, um die Ströme nach Durchfließen der Reinigungsvorrichtung an die Atmosphäre abzugeben. Die Verwendung als Regeneriergas findet in der Regel nur zeitweise statt, wenn ein entsprechender Bedarf der Reinigungsvorrichtung vorliegt. Gleichzeitig kann ein Teil des arbeitsleistend entspannten Stickstoffs aus der kalten und/oder warmen Entspannung als gasförmiges Stickstoffprodukt abgegeben oder direkt in die Atmosphäre abgegeben werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß Patentanspruch 8. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 9 bis 14 angeführt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung Oxyfuel-Kraftwerk und ein Verfahren zum Betreiben eines Oxyfuel-Kraftwerks gemäß den Patentansprüchen 15 beziehungsweise 16
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Atmosphärische Luft 1 wird über ein Filter 2 von einem Luftverdichter 3 angesaugt und dort auf einen Druck von 4,8 bis 5,0 bar verdichtet. Die verdichtete Einsatzluft 4 wird zu einem ersten Teil 5 in einem ersten Nachkühler 6, zu einem zweiten Teil 7 in einem zweiten Nachkühler 8 und zu einem dritten Teil 9 in einem dritten Nachkühler 10 abgekühlt. Die Luftströme aus den Nachkühlern werden anschließend zusammengeführt, gegebenenfalls mit einem vierten Teil 1 1 , der über einen Bypass an den Nachkühlern vorbeigeführt werden kann. Der wiedervereinigte Einsatzluftstrom 12 wird in einem Direktkontaktkühler 13 in direktem Wärmeaustausch mit Kühlwasser (14, 16) weiter abgekühlt. Das Kühlwasser stammt aus einem Frischwasserstrom 17, der zu einem ersten Teil 16 direkt als Kühlwasser auf den Direktkontaktkühler 13 aufgegeben und zu einem zweiten Teil 18, 14 zuvor in einem Verdunstungskühler 15 abgekühlt wird. Das am Sumpf des Direktkontaktkühlers 13 anfallende Wasser wird über die Leitung 19 und 20 abgezogen. Die weiter abgekühlte Einsatzluft wird in eine Reinigungsvorrichtung 22 eingeleitet. Diese besteht in dem Beispiel aus zwei umschaltbaren Behältern, die mit einem Molekularsieb als Adsorbens gefüllt sind.
Die gereinigte Luft strömt dem warmen Ende des Hauptwärmetauschers zu, der in dem Beispiel durch drei luftseitig parallel geschaltete Blöcke 23a, 23b, 23c gebildet wird. Die auf etwa Taupunkt abgekühlte Einsatzluft 24 wird zum größten Teil 25 der Hochdrucksäule 26 unmittelbar oberhalb ihres Sumpfs zugeführt. Ein kleiner Teil 27 kann in einem Nebenkondensator 28 kondensiert und über Leitung 29 flüssig an einer Zwischenstelle der Hochdrucksäule 16 eingeleitet und/oder über Leitung 30/31 direkt zur Niederdrucksäule 32 geführt werden.
Die Betriebsdrücke der Säulen (jeweils am Kopf) betragen in dem Ausführungsbeispiel 4,5 bar in der Hochdrucksäule 26 und 1 ,2 bar in der Niederdrucksäule 32. Hochdrucksäule 26 und Niederdrucksäule 32 sind über einen als Kondensator- Verdampfer ausgebildeten Hauptkondensator 37 thermisch gekoppelt. In dem Beispiel sind sie nebeneinander angeordnet und bilden das Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung.
Die sauerstoffangereicherte Sumpfflüssigkeit 33 der Hochdrucksäule wird in einem Unterkühlungs-Gegenströmer 34 abgekühlt und über Leitung 35 in die Niederdrucksäule 32 eingeleitet. Ein erster Teil 36 des gasförmigen Kopfstickstoffs der Hochdrucksäule 26 wird in die Verflüssigungspassagen des Hauptkondensators 37 eingeleitet. Dabei gewonnener flüssiger Stickstoff wird zu einem ersten Teil 38 der Hochdrucksäule 26 und zu einem zweiten Teil 39/40 nach Durchströmen des
Unterkühlungs-Gegenströmers 34 der Niederdrucksäule 32 als Rücklauf aufgegeben. Ein Teil des in die Niederdrucksäule 32 eingeleiteten Stickstoffs kann über Leitung 80 als Flüssigprodukt (LIN - liquid nitrogen) abgegeben werden.
Vom Sumpf der Niederdrucksäule wird ein Sauerstoff 41 mit einer Reinheit von ca. 40 mol-% flüssig entnommen und mittels einer Pumpe 42 auf einen leicht erhöhten Druck von ca. 4 bar gebracht. Ein erster Teil 43 des gepumpten Sauerstoffs wird in die Verdampfungspassagen des Hauptkondensators 37 gefördert und über Leitung 44 als aufsteigendes Gas in die Niederdrucksäule 32 zurückgeführt. Ein zweiter Teil wird über Leitung 45 sauerstoffangereicherter Produktstrom in den Verdampfungsraum des Nebenkondensators 28 praktisch vollständig verdampft, bis auf einen kleinen Spülstrom 82. Der gasförmige sauerstoffangereicherte Produktstrom 46 wird im Hauptwärmetauscher 23c auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und weiter (47) im dritten Nachkühler 9 des Luftverdichters 3 erwärmt und schließlich über Leitung 48 als gasförmiges Produkt (GOX - gaseous oxygen) abgegeben und insbesondere der Brennkammer eines Oxyfuel-Kraftwerks zugeleitet. Ein dritter Teil 81 des Sauerstoffs aus der Pumpe 42 kann als Flüssigprodukt (LOX - liquid oxygen) abgegeben werden.
Am Kopf der Niederdrucksäule 32 wird gasförmiger Stickstoff 49 abgezogen, im Unterkühlungs-Gegenströmer 34 angewärmt, über Leitung 50 dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 23b zugeführt, dort auf etwa Umgebungstemperatur gebracht und schließlich über Leitung 51 dem Verdunstungskühler 15 als trockenes Gas zugespeist.
Ein zweiter Teil 52 des gasförmigen Kopfstickstoffs der Hochdrucksäule 26 wird als "zweiter Stickstoffstrom" dem kalten Ende des Hauptwärmetauschers 23c zugeführt, auf einer Zwischentemperatur von 133 K über Leitung 53 wieder entnommen und in einer kalten Entspannungsmaschine 54 arbeitsleistend auf 1 ,2 bar entspannt. Der entspannte zweite Stickstoffstrom 56 wird wieder zum kalten Ende des Hauptwärmetauschers 23c zurückgeleitet, auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und über die Leitungen 58 und 59 mindestens teilweise der Reinigungsvorrichtung 33 als Regeneriergas zugeführt, gegebenenfalls nach weiterer Erwärmung in einem dampfbetriebenen Regeneriergaserhitzer 60. Beladenes Regeneriergas 61 wird an die Atmosphäre abgegeben.
Ein Teil des Gases aus Leitung 58 - oder wenn zeitweise kein Bedarf an Regeneriergas besteht, auch die Gesamtmenge - kann über Leitung 62 in die Atmosphäre abgeblasen werden.
Ein dritter Teil 63 des gasförmigen Kopf Stickstoffs der Hochdrucksäule 26 wird als "erster Stickstoffstrom" im Hauptwärmetauscher 23a auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt und mindestens teilweise über die Leitungen 64, 65 und 66 dem ersten Nachkühler 6 zugeleitet und dort auf etwa 340 K erhitzt. Der erstmals erhitzte erste Stickstoffstrom 67 wird in einer ersten warmen Entspannungsmaschine 68 auf einen Zwischendruck von etwa 2,3 bar und eine Temperatur von etwa 288 K arbeitsleistend entspannt. Der unter dem Zwischendruck stehende erste Stickstoffstrom 70 wird in dem zweiten Nachkühler 8 ein zweites Mal auf etwa 340 K erhitzt. Der zum zweiten Mal erhitzte erste Stickstoffstrom 71 wird in einer zweiten warmen Entspannungsmaschine 72 auf einen Enddruck von etwa 1 ,15 bar und eine Temperatur von etwa 287 K arbeitsleistend entspannt. Der auf den Enddruck entspannte erste Stickstoffstrom 74 wird über die Leitungen 75, 76 mit dem entspannten und angewärmten zweiten Stickstoffstrom 57 vermischt und ebenfalls mindestens teilweise als Regeneriergas für die Reinigungsvorrichtung 22 eingesetzt. Über eine Bypass-Leitung 76 kann mindestens ein Teil des Gases aus Leitung 65 an den beiden warmen Entspannungsturbinen 69, 72 vorbeigeführt werden.
Ein Teil 83 des im WT 23a angewärmten Druckstickstoffs 83 kann als gasförmiges Druckprodukt abgegeben werden (PGAN - pressurized gaseous nitrogen).
Ein Teil der Einsatzluft 23 kann als Ausgleichsstrom 77, 78, 79 zwischen dem zweiten Block 23b und dem dritten Block 23c des Hauptwärmetauschers genutzt werden.
Alle Entspannungsmaschinen des Ausführungsbeispiels sind als Turboexpander ausgeführt und werden von Generatoren 55, 69, 73 gebremst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (26) und eine Niederdrucksäule (32) aufweist, wobei - die Hochdrucksäule (26) und die Niederdrucksäule (32) über einen
Kondensator-Verdampfer (37) thermisch gekoppelt sind,
- Einsatzluft (1) in einem Luftverdichter (3) verdichtet, mindestens in einem ersten Nachkühler (6) gekühlt und in einer Reinigungsvorrichtung (22) gereinigt, in einem Hauptwärmetauscher (23a, 23b, 23c) abgekühlt und mindestens teilweise in die Hochdrucksäule (26) eingeleitet (25, 29) wird,
- mindestens ein flüssiger Strom (33, 35) aus der Hochdrucksäule (26) in die Niederdrucksäule (32) eingeleitet wird,
- der Niederdrucksäule (32) ein sauerstoffangereicherter Produktstrom (41 , 45, 46, 47, 48) entnommen wird, - ein erster Stickstoffstrom (63, 64, 65, 66) aus der Hochdrucksäule (26) abgezogen und auf eine Temperatur von mindestens 280 K angewärmt (6) wird und
- der angewärmte erste Stickstoffstrom (67) in einer ersten warmen Entspannungsmaschine (68) arbeitsleistend entspannt, 72) wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- der in der ersten warmen Entspannungsmaschine (68) entspannte erste Stickstoffstrom (70, 71) in einer zweiten warmen Entspannungsmaschine (72) arbeitsleistend entspannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Anwärmung des ersten Stickstoffstroms Restwärme eingesetzt wird, wobei insbesondere die Anwärmung des ersten Stickstoffstroms mindestens zum Teil in dem ersten Nachkühler (6) durchgeführt und der erste Stickstoffstrom (66) dort in indirekten Wärmeaustausch mit Einsatzluft (5) stromabwärts des Luftverdichters (3) gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste
Stickstoffstrom (66, 67) stromaufwärts der ersten warmen Entspannungsmaschine (68) in dem ersten Nachkühler (6) angewärmt, anschließend in der ersten Entspannungsmaschine (68) auf einen Zwischendruck entspannt wird, und der auf den Zwischendruck entspannte erste Stickstoffstrom (70) in einem zweiten Nachkühler (8) erwärmt und anschließend in der zweiten warmen Entspannungsmaschine (72) auf einen Enddruck entspannt wird, der niedriger als der Zwischendruck ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Nachkühler (6, 8) luftseitig parallel geschaltet sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in der zweiten warmen Entspannungsmaschine (72) arbeitsleistend entspannte erste Stickstoffstrom (74) mindestens teilweise als Regeneriergas (58, 59) in der Reinigungsvorrichtung (22) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein zweiter Stickstoffstrom (52) aus der Hochdrucksäule (26) abgezogen, in dem Hauptwärmetauscher (23c) auf eine Zwischentemperatur angewärmt wird,
- der auf die Zwischentemperatur angewärmte zweite Stickstoffstrom (53) in einer kalten Entspannungsmaschine (54) arbeitsleistend entspannt und anschließend erneut im Hauptwärmetauscher (23c) angewärmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der arbeitsleistend entspannte zweite Stickstoffstrom (57) mindestens teilweise als Regeneriergas (58, 59) in der Reinigungsvorrichtung (22) eingesetzt wird.
8. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
- mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, das eine Hochdrucksäule (26) und eine Niederdrucksäule (32) aufweist,
- wobei die Hochdrucksäule (26) und die Niederdrucksäule (32) über einen Kondensator-Verdampfer (37) thermisch gekoppelt sind,
- mit einem Luftverdichter (3) zum Verdichten von Einsatzluft (1), einem ersten Nachkühler (6) zur Kühlung verdichteter Einsatzluft (4), einer stromabwärts des ersten Nachkühlers (6) angeordneten Reinigungsvorrichtung (22) für Einsatzluft, einem Hauptwärmetauscher (23a. 23b, 23c) zur Abkühlen gereinigter Einsatzluft (23) und einer Hauptluftleitung (25) zum Einleiten abgekühlter Einsatzluft in die Hochdrucksäule (26),
- mit Mitteln zur Entnahme mindestens eines flüssigen Stroms (33, 35) aus der Hochdrucksäule (26) und dessen Einleitung in die Niederdrucksäule (32) , - mit einer Sauerstoffproduktleitung zum Entnehmen eines sauerstoffangereicherten Produktstroms (41 , 45, 46, 47, 48) aus der Niederdrucksäule,
- mit einer ersten Stickstoffleitung zum Entnehmen eines ersten Stickstoffstroms (63) aus der Hochdrucksäule (26), - mit Mitteln (6) zum Anwärmen des ersten Stickstoffstroms (65, 66) auf eine
Temperatur von mindestens 280 K und
- mit einer ersten warmen Entspannungsmaschine (68) zur arbeitsleistenden Entspannung des angewärmten ersten Stickstoffstroms (67), gekennzeichnet durch eine zweite warme Entspannungsmaschine (72) zur arbeitsleistenden Entspannung des in der ersten warmen Entspannungsmaschine
(68) entspannten ersten Stickstoffstroms (70, 71).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Anwärmen des zweiten Stickstoff Stroms den ersten Nachkühler (6) umfassen, und dieser für den indirekten Wärmeaustausch zwischen dem ersten Stickstoffstrom
(66) und verdichteter Einsatzluft (5) ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten warmen Entspannungsmaschine (68) und der zweiten warmen Entspannungsmaschine (72) ein zweiter Nachkühler (8) angeordnet ist, der für den indirekten Wärmeaustausch zwischen dem zweiten Stickstoffstrom (70) und verdichteter Einsatzluft (7) ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Nachkühler (6, 8) luftseitig parallel geschaltet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen des in der zweiten warmen Entspannungsmaschine (72) arbeitsleistend entspannten ersten Stickstoffstroms (74) als Regeneriergas (58, 59) zu der Reinigungsvorrichtung (22).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine zweite Stickstoffleitung zum Entnehmen eines zweiten Stickstoffstroms (52) aus der Hochdrucksäule (26), wobei die zweite Stickstoff leitung durch den Hauptwärmetauscher (23c) führt, an einer Zwischenstelle aus dem
Hauptwärmetauscher (23c) austritt und weiter durch eine kalte Entspannungsmaschine (54) und erneut durch den Hauptwärmetauscher (23c) führt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen des arbeitsleistend entspannten zweiten Stickstoffstroms (57) als Regeneriergas (58, 59) zu der Reinigungsvorrichtung
15. Oxyfuel-Kraftwerk mit einer Brennkammer und einer Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage, wobei die Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage als
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 ausgeführt ist und die Sauerstoffproduktleitung (48) mit der Brennkammer verbunden ist.
16. Verfahren zum Betrieben eines Oxyfuel-Kraftwerks, das eine Brennkammer und eine Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, bei dem die Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betrieben wird und der sauerstoffangereicherte Produktstrom (48) mindestens teilweise der Brennkammer zugeführt wird.
(22),
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