WO2020160844A1 - Verfahren und anordnung zur bereitstellung eines ersten verfahrensprodukts und eines zweiten verfahrensprodukts - Google Patents

Verfahren und anordnung zur bereitstellung eines ersten verfahrensprodukts und eines zweiten verfahrensprodukts Download PDF

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WO2020160844A1
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system unit
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plant unit
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PCT/EP2020/025049
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Roland Pahl
Jin-Yang Yu
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Linde Gmbh
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    • F25J2260/00—Coupling of processes or apparatus to other units; Integrated schemes
    • F25J2260/30—Integration in an installation using renewable energy

Definitions

  • the present invention relates to a method and an arrangement for providing a first process product by low-temperature decomposition of air and a second process product in the form of electrical energy according to FIGS
  • No. 6,058,736 A discloses an air separation plant with an air compressor, a gas turbine for driving the air compressor, a product nitrogen compressor and a steam turbine for driving the product nitrogen compressor.
  • Steam turbine is part of a cycle with a steam generator that can be operated with exhaust gas from the gas turbine or another gas turbine.
  • air product is intended to refer to a fluid that is provided, at least in part, by the cryogenic decomposition of atmospheric air.
  • An air product has one or more air gases contained in atmospheric air in a different composition than in atmospheric air.
  • An air product can basically be in a gaseous, liquid or supercritical state and can be transferred from one of these states to another.
  • a liquid air product can be converted into the gaseous state (“evaporated”) or into the supercritical state by heating it to a certain pressure State (“pseudo-vaporized”), depending on whether the pressure during the heating is below or above the critical pressure.
  • a “process product” which is provided by the low-temperature decomposition of air and which is also referred to below as a “first” process product is to be understood as an air product of the type explained.
  • a “second” process product should generally not pass through
  • the second process product is electrical energy.
  • a process product could also be a product which is produced by a chemical reaction of a starting compound.
  • process product is also intended to express in particular that a production quantity of a corresponding medium, in the present case electrical current, exceeds a consumption quantity in the method proposed according to the invention or the plant proposed according to the invention, i.e. that such a process product, here the electric current, can also be made available for other purposes and can thus be carried out from the process or the arrangement.
  • process product is in particular not or not exclusively intended for the operation of the air separation plant or, in particular, the amount not used for this is referred to as process product.
  • a power plant unit can be provided to provide the second process product in the form of electrical power, the main task of which is to supply one or more other electrical consumers besides the
  • Air separation plant with electrical energy can have. This does not exclude, for example, that a certain part of the electrical energy in the
  • Air separation plant can be used.
  • Air separation plants have rectification column systems that
  • Multi-column systems can be formed.
  • rectification columns for Obtaining nitrogen and / or oxygen in a liquid and / or gaseous state i.e. the rectification columns for nitrogen-oxygen separation
  • rectification columns can be provided for obtaining further air components, in particular the noble gases krypton, xenon and / or argon.
  • Rectification column, separation column, distillation column or column are used synonymously in the specialist field, and therefore also here.
  • the rectification columns of the rectification column systems mentioned are operated at different pressures.
  • Known double column systems have what is known as a high pressure column (also referred to as a pressure column, medium pressure column or lower column) and a so-called low pressure column (also referred to as an upper column).
  • the high pressure column is typically operated at a pressure of 4 to 7 bar, in particular approx. 5.3 bar.
  • the low-pressure column is operated at a pressure of typically 1 to 2 bar, in particular about 1.4 bar. In certain cases, higher pressures can also be used in both rectification columns.
  • the pressures given here are absolute pressures at the top of the columns given.
  • feed air Different compressors and compressor combinations are used to compress the air to be separated in the air separation plant ("feed air").
  • the so-called main air compressor that is typically used is characterized by the fact that it compresses all of the feed air.
  • a so-called booster can also be provided, but in which only part of the amount of air compressed in the main air compressor is brought to an even higher pressure.
  • further compressors are typically provided, which are also referred to as boosters in comparison to the
  • the main air compressor or the booster only compresses to a relatively small extent.
  • the main air compressor is typically a multi-stage turbo compressor
  • turbo compressors The mechanical structure of turbo compressors is basically known to the person skilled in the art.
  • the medium to be compressed is compressed by means of turbine blades which are arranged on a turbine wheel or directly on a shaft.
  • a turbo compressor forms a structural unit which, however, can have several so-called compressor stages in a multi-stage turbo compressor.
  • a compressor stage usually includes a turbine wheel. All compressor stages can be driven by a common shaft. However, provision can also be made for the compressor stages to be driven in groups with different shafts, it also being possible for the shafts to be connected to one another via gears.
  • Main (air) compressor / booster Main Air Compressor / Booster Air Compressor, MAC-BAC
  • HAP high air pressure
  • the compressors are those used in an air separation plant
  • Main air compressor very expensive components.
  • the investment costs for these compressors including their drive are typically 15 to 20% of the total investment for an air separation plant.
  • About 90% of the energy consumption of an air separation plant can be attributed to the main air compressor. Therefore, the efficiency of the compaction largely determines the operating costs.
  • the object of the present invention is, in particular, the generation of air products by the low-temperature decomposition of air Prior art to be carried out more efficiently and cost-effectively, in particular the compression of the feed air in the context of the present invention
  • Main air compressor is to be made in an advantageous and more effective manner than in the prior art.
  • the present invention proposes a method and an arrangement for providing a first method product
  • present invention is provided electrical power.
  • a further process product that is produced by a chemical conversion of a starting compound can also be provided if necessary.
  • this heat is supplied by waste heat from the reaction; in the case of endothermic conversions, on the other hand, the corresponding heat is, for example, in a flue gas of a burner, but also in the warmth caused by a required heating
  • Hydrocarbons are used, for example steam cracking processes,
  • the main air compressors used in air separation plants can be driven, in particular via a transmission, using an electric motor and / or using a steam turbine.
  • EP 1 197 717 A1 a method for air separation is known in which feed air is fed to an air separation plant and in which a compressor that can be coupled to a steam turbine and an electric motor is used to compress the feed air.
  • Solar thermal energy can be provided.
  • this document does not disclose the provision of a further process product which is carried out from the process or the plant in the sense explained above.
  • the solar thermal only serves to provide products that are used exclusively in the air separation plant.
  • the further inventive features specified below are also not disclosed here.
  • the method proposed according to the invention supplies the electrical energy as a main product and differs in particular from this
  • Air separation plants in which smaller amounts of electrical energy can be provided as by-products, for example by relieving air flows in expansion turbines which are coupled to generators. While such air separation plants typically use the electrical energy generated in each case in the process itself, within the scope of the present invention for providing electrical energy as a second process product is a
  • Power plant unit provided which supplies electrical energy to several other consumers, in particular to a large number of such consumers.
  • the power plant unit provided according to the invention can in particular be designed as a base load unit which supplies a considerable amount of electrical energy.
  • the power plant unit can in particular have an installed capacity of at least 10 megawatts.
  • an arrangement which has an air separation unit as a first plant unit and a second plant unit in the form of a power plant unit.
  • the air separation unit air supplied to the cryogenic separation, which has been subjected to a non-electrical compression.
  • a main air compressor of such an air separation plant whereby a number of advantages can be achieved, which are explained in detail below.
  • a corresponding non-electric drive of another, otherwise electrically driven compressor can also take place in the air separation plant.
  • the second process product that is to say the electrical energy, is generated in the power plant unit without using an air product which is produced by means of the
  • Air separation unit so the first system unit, is provided.
  • the present invention therefore does not extend to those processes in which, for example in the context of oxygen-enriched combustion, air products from an air separation unit are used in connection with the production of electrical energy.
  • the essential aspect of the present invention consists in the direct use of mechanical power or energy provided in the power plant unit or another plant unit in the air separation unit without converting it into another form of energy. In particular, no conversion to electrical energy needs to take place within the scope of the present invention.
  • the present invention comprises that the non-electric compression using a steam turbine in the second plant unit, i. of the
  • the steam turbine is on the one hand mechanically coupled (i.e. via a shaft and an optional gearbox) to a generator in the second plant unit, which is used to provide the electrical energy as the second process product, and on the other hand the steam turbine is also mechanical (i.e. via a shaft and an optional transmission) coupled to an air compressor (for example the main air compressor of the air separation plant or an air compressor in the second plant unit), which compresses the air non-electrically. If the air compressor operated in this way is provided in the second system unit, the air compressed by it is fed into the first system unit, i. the air separation unit, transferred.
  • the advantage of the non-existent conversion losses always results from the non-existent
  • gears can be used, for example in order to adapt speeds in a suitable manner.
  • both compressed air and a further energy carrier for example steam
  • a further energy carrier for example steam
  • mechanical energy is transmitted via a shaft or in some other way.
  • steam and / or another form of energy can also be produced by the
  • Power plant unit are transferred to the air separation unit.
  • Non-electrical energy is generally understood here to mean a form of energy stored or contained in an energy carrier or energy transmitted in mechanical form.
  • non-electrical energy denotes steam energy, that is to say energy stored in steam, or mechanical energy that can be transmitted via a shaft, as is the case within the scope of the invention.
  • the generation of the electrical energy in a power plant unit can be carried out within the scope of the present invention according to a preferred embodiment at least partially without the use of a fuel.
  • a coupling with an air separation plant is not obvious.
  • products of air separation are typically not usable, so that a person skilled in the art would not have considered a corresponding coupling.
  • the generation of electrical energy without the use of a fuel can include, as mentioned, the use of solar energy, water power, wind power and / or nuclear energy within the scope of the present invention.
  • a coupling of corresponding power plant units with air separation units is not obvious.
  • the non-electrical compression can be carried out in the power plant unit, in which case, as mentioned, a stream of compressed air is fed into the air separation unit.
  • a stream of compressed air is fed into the air separation unit.
  • Air separation unit are transferred. Also a remote transmission of
  • high-pressure steam is particularly suitable for driving a steam turbine.
  • high-pressure steam reference is made to the relevant specialist literature.
  • other forms of vapor can also be used and used in a corresponding manner within the scope of the present invention, in particular for the effective use of waste heat. This also applies to relaxed steam.
  • the air separation unit and the second plant unit i.e. the power plant unit, are spatially separated from one another and at a distance of not more than 1 kilometer, in particular not more than 500 meters, further in particular not more than 100 meters, from one another arranged. While thus a spatial proximity of the second
  • Plant unit and the air separation unit are provided, these units are according to the invention or according to preferred embodiments of the present invention.
  • the mechanical energy can also be provided in the second system unit, the mechanical energy then being below Using a shaft driven in the power plant unit is transferred into the air separation unit or introduced into a compressor there.
  • the present invention also extends to an arrangement for
  • the arrangement provided according to the invention is set up to carry out a corresponding method, as has been explained above in different configurations, and has corresponding means for this purpose.
  • FIGS. 1 to 3 arrangements according to different configurations of the present invention (FIGS. 2 and 3) are not compared to one
  • FIG. 1 illustrated schematically and denoted by 100 to 300 in total.
  • Figures 1 to 3 are explained below together with emphasis on the differences that exist in each case.
  • the illustration of the arrangements 100 to 300 is each radically simplified and some technical elements are not shown for reasons of clarity.
  • the arrangements 100 to 300 are not shown to scale.
  • the assemblies 100 to 300 include as main components
  • Air separation unit 1 10 and a power plant unit 120 Air separation unit 1 10 and a power plant unit 120. Furthermore, a
  • Process unit 130 can be provided, in which air products of the air separation unit 110 can be processed.
  • the process unit 130 and the power plant unit 120 are not identical. In other words, none are made in the power plant unit 120 Air products of the air separation unit 1 10 used. Instead of transferring the air products to a process unit 130, they can also be stored in liquid form, for example.
  • an air stream 101 is sucked in by means of a compressor 11, in particular via a filter (not shown).
  • a compressor 11 in typical air separation plants, compressors with one or more
  • Compression stages may be provided. This is also the case in the air separation unit 110 of the arrangements 100 and 200 according to FIGS. 1 and 2.
  • the compressor 1 1 1 shown schematically in Figures 1 and 2 as part of the arrangements 100 and 200 can therefore stand for one or more such compressors or compressor stages. Each of these compressors or one or more individual compressor stages of one or more of these compressors can be operated as described below.
  • a main air compressor and a secondary compressor can also be provided in the air separation unit 110, which can be operated individually or both as follows.
  • One or more compression stages of the compressor 11 are in the arrangement 100 according to FIG. 1 via one or more shafts 11 with one or more
  • Steam turbines 1 12 coupled As explained for the compressor 1 1 1, Figure 1 is greatly simplified, so that one or more steam turbines 1 12 or turbine stages of a further steam turbine 1 12 can be present and mechanically, individually or in groups, with the compressor 1 1 1, one or multiple compressors or one or more compression stages of one or more compressors can be coupled. When “a” compressor 11 or “a” steam turbine 11 is mentioned in the following, all of these alternatives are to be included.
  • the compressor 1 1 1 of the arrangement 100 according to FIG. 1 is part of the air separation unit 1 10.
  • one or more compression stages of the compressor 1 1 1 are coupled to one or more steam turbines via one or more shafts 1 13, which, however, is or are part of the power plant unit 120 here.
  • the reference numeral 112 is also used for the one or more steam turbines. In other words, here it becomes the non-electric Compression of the air by means of the compressor 1 1 1 using a steam turbine 1 12 in the second plant unit 120, ie the power plant unit, carried out.
  • the steam turbine 112 is on the one hand mechanically coupled (ie via a shaft and an optional gearbox) to a generator (referred to simply as G) in the second system unit, which is used to provide the electrical energy as the second process product.
  • G generator
  • the steam turbine 112 is, on the other hand, also mechanically coupled (ie via a shaft and an optional gear) to the compressor 111, which compresses the air non-electrically.
  • the one or more steam turbines 1 12 in the arrangement 100 according to FIG. 1 are supplied with steam, which is conducted in the form of a steam stream 102 from the power plant unit 120 to the air separation unit 110, and thus steam energy from the power plant unit 120 to the air separation plant 1 10 is transmitted, the energy is transmitted in the arrangement 200 according to FIG. 2 in the form of mechanical energy via the one or more shafts 1 13 and the steam flow 102 is not from the power plant unit 120 into the
  • the entire compressed air generation is provided in the power plant unit 120.
  • the components of the air compression which in the arrangements 100 and 200 according to FIGS. 1 and 2 each include dashed lines and are indicated overall with the reference numeral 1 1, are therefore not provided in the air separation unit 110 of the arrangement 300.
  • the compressor 11 1 is omitted as part of the air separation unit 110, since a corresponding compressed air flow is supplied by the power plant unit 120 here.
  • a corresponding compressor which for the sake of simplicity is further designated by 11, can therefore be provided.
  • the configuration of the compressor 1 1 1 of the arrangement 300 according to FIG. 3 what has been explained several times above applies. In other words it is
  • Compressor 1 1 1 is provided here in the second system unit 120, i.e. the power plant unit, and through this compressed air is fed into the first system unit 1 10, i.e. the air separation unit, transferred.
  • the steam of the Steam flow 102 is provided in each case by means of a steam generation unit 121.
  • the shaft 1 13 can also be driven without using a steam turbine 1 12, so that no steam generation unit 121 has to be present.
  • the steam generation unit 121 can be dispensed with.
  • a generator unit 122 which is present in the power plant unit 120 of all configurations and is operated in the arrangement 100 according to FIG. 1 and in the arrangement 200 according to FIG the flowing medium used in each case.
  • the compressed air in the arrangement 300 according to FIG. 3 can be provided in a different way, and possibly also without the use of a steam turbine 112, if necessary or expedient, in particular in view of the energy carrier used in the power plant unit 120 for energy generation.
  • the steam turbine 112 is supplied with an amount of steam in the form of the steam stream 102.
  • the amount of steam is expanded in the steam turbine 112 from a first (higher) pressure level to a second (lower) pressure level.
  • This steam is extracted from the steam turbine 112 at a temperature level that is derived from the initial temperature of the steam flow 102 and the expansion cooling in the
  • Reference numeral 103 is designated, for example, each in the form of a
  • Material flow 103b are fed to the process unit 130.
  • a quantity of air supplied to the compressor 11 is compressed in the form of the aforementioned air stream 101 to a suitable pressure level.
  • This pressure level depends in particular on the air separation technology used later. In a cryogenic air separation process, this pressure level can be, for example, at least the pressure level of a high pressure column of a known double column system. For further details, reference is made to the specialist literature cited at the beginning.
  • the compressed air is fed to a cleaning section 13 of the air separation unit 110 in the form of a compressed air stream 104. in the
  • the compressed air flow e.g. cleaned by being guided through one of two molecular sieve adsorbers 131, 132, of which the adsorber 132 is in the operating mode and the adsorber 131 is in the regeneration mode in the operating states illustrated by way of example in FIGS. 1 to 3.
  • a regeneration gas stream 105 which is heated in a fleizer 133, is passed through the adsorbers 131, 132.
  • the fleizer 133 can also be operated with the relaxed steam flow 103a.
  • Air separation unit 110 the stream now designated 106 in the illustrated examples is brought to a suitable temperature level in each case in a heat exchanger section 14 of the air separation unit 110 and in a (main) heat exchanger 141, e.g. to about -160 ° C, cooled.
  • a suitable temperature level in each case in a heat exchanger section 14 of the air separation unit 110 and in a (main) heat exchanger 141, e.g. to about -160 ° C, cooled.
  • partial flows of the air flow 106 can be raised, relaxed, throttled, combined and / or separated to a higher pressure level, as is generally known in the prior art.
  • a cooled air flow which is designated as 107 in FIGS. 1 to 3, can therefore stand for one air flow or several air flows at different temperature and / or pressure levels.
  • the air flow 107 is fed to a separation section 12 of the air separation unit 110, which in the example shown in FIG. 1 has a double section
  • Rectification column 121 as is generally known from the prior art, comprises. As is known to those skilled in the art, air streams can be provided to a corresponding double rectification column 121 in different fleas and under different physical conditions.
  • a plurality of material flows can be taken from an air separation section 12 of the air separation unit 110.
  • a so-called impure nitrogen flow from the top of the air separation unit 110.
  • Low-pressure column of the rectification column system 121 are taken, which can be used at least partially as regeneration gas stream 105.
  • a product stream 108 can, for example after compression in the liquid state, in the Heat exchanger 141 of the heat exchanger section 14 are heated.
  • a further product stream 109, but also the product stream 108, can be fed to the process unit 130 and used there in any way.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Bereitstellung eines ersten Verfahrensprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und zur Erzeugung eines zweiten Verfahrensprodukts, in Form von von elektrischer Energie vor, bei dem eine Anordnung (100) verwendet wird, die eine Luftzerlegungseinheit als eine erste Anlageneinheit (110) und eine zweite Anlageneinheit in Form einer Kraftwerkseinheit (120) aufweist, wobei in der ersten Anlageneinheit (110) einer nichtelektrischen Verdichtung unterworfene Luft der Tieftemperaturzerlegung zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass das zweite Verfahrensprodukt in der Kraftwerkseinheit (120) ohne Verwendung eines Luftprodukts erzeugt wird, das mittels der ersten Anlageneinheit (110) bereitgestellt wird, und dass die nichtelektrische Verdichtung in der zweiten Anlageneinheit (120) und/oder unter Verwendung von mechanischer Energie, die in der zweiten Anlageneinheit (120) bereitgestellt und in die erste Anlageneinheit (110) überführt wird, vorgenommen wird. Eine Dampfturbine (112) wird verwendet, die einerseits mechanisch mit einem Generator (G) in der zweiten Anlageneinheit (120) gekoppelt ist, der zur Bereitstellung des zweiten Verfahrensprodukts verwendet wird, und die andererseits mechanisch mit einem Luftverdichter (111) gekoppelt, ist, der die nichtelektrische Verdichtung der Luft vornimmt. Eine entsprechende Anlage (100) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Bereitstellung eines ersten Verfahrensprodukts und eines zweiten Verfahrensprodukts
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bereitstellung eines ersten Verfahrensprodukts durch Tieftemperaturzerlegung von Luft und eines zweiten Verfahrensprodukts in Form von von elektrischer Energie gemäß den
Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Die Herstellung von Luftprodukten in flüssigem oder gasförmigem Zustand durch Tieftemperaturzerlegung von Luft in Luftzerlegungsanlagen ist bekannt und
beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH,
2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5, "Cryogenic Rectification", beschrieben.
Aus der US 201 1/214452 A1 ist eine integrierte Vorrichtung mit einen Luftverdichter bekannt, der mittels einer Dampfturbine betrieben wird. In diesem Zusammenhang kann unter anderem Wasser in einem Wärmetauscher erwärmt werden, der mit in dem Luftverdichter verdichteter Druckluft betrieben wird.
Die US 6,058,736 A offenbart eine Luftzerlegungsanlage mit einem Luftverdichter, einer Gasturbine zum Antrieb des Luftverdichters einem Produktstickstoffverdichter und einer Dampfturbine zum Antrieb des Produktstickstoffverdichters. Die
Dampfturbine ist Teil eines Kreislaufs mit einem Dampferzeuger, der mit Abgas aus der Gasturbine oder einer anderen Gasturbine betrieben werden kann.
Der Begriff "Luftprodukt" soll sich hier auf ein Fluid beziehen, das zumindest teilweise durch Tieftemperaturzerlegung von atmosphärischer Luft bereitgestellt wird. Ein Luftprodukt weist ein oder mehrere in der atmosphärischen Luft enthaltene Luftgase in einer abweichenden Zusammensetzung als in der atmosphärischen Luft auf. Ein Luftprodukt kann grundsätzlich in gasförmigem, flüssigem oder überkritischem Zustand vorliegen und von einem dieser Zustände in einen anderen überführt werden.
Insbesondere kann ein flüssiges Luftprodukt durch Erwärmen auf einem bestimmten Druck in den gasförmigen Zustand überführt ("verdampft") oder in den überkritischen Zustand überführt ("pseudoverdampft") werden, je nachdem, ob der Druck bei der Erwärmung unterhalb oder oberhalb des kritischen Drucks liegt.
Unter einem "Verfahrensprodukt", das durch Tieftemperaturzerlegung von Luft bereitgestellt wird, und das nachfolgend auch als "erstes" Verfahrensprodukt bezeichnet wird, soll ein Luftprodukt der erläuterten Art verstanden werden. Hingegen soll unter einem "zweiten" Verfahrensprodukt generell ein nicht durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft hergestelltes, stoffgebundenes oder nicht
stoffgebundenes Verfahrensprodukt verstanden werden. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem zweiten Verfahrensprodukt um elektrische Energie. In nicht
erfindungsgemäßen Verfahren könnte es sich bei einem Verfahrensprodukt auch um ein Produkt handeln, das durch eine chemische Umsetzung einer Ausgangsverbindung hergestellt wird.
Der Begriff "Verfahrensprodukt" soll ferner insbesondere ausdrücken, dass eine Produktionsmenge eines entsprechenden Mediums, vorliegend von elektrischem Strom, eine Verbrauchsmenge in dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren bzw. der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anlage übersteigt, d.h. dass ein solches Verfahrensprodukt, hier der elektrische Strom, auch für andere Zwecke bereitgestellt und damit aus dem Verfahren bzw. der Anordnung ausgeführt werden kann.
Mit anderen Worten ist das Verfahrensprodukt insbesondere nicht oder nicht ausschließlich für den Betrieb der Luftzerlegungsanlage vorgesehen bzw. wird insbesondere die nicht hierfür verwendete Menge als Verfahrensprodukt bezeichnet.
So kann zur Bereitstellung des zweiten Verfahrensprodukts in Form von elektrischem Strom eine Kraftwerkseinheit vorgesehen sein, die als wesentliche Aufgabe die Versorgung eines oder mehrerer weiterer elektrischer Verbraucher außer der
Luftzerlegungsanlage mit elektrischer Energie haben kann. Augeschlossen ist hiervon nicht, dass beispielsweise ein gewisser Teil der elektrischen Energie in der
Luftzerlegungsanlage genutzt werden kann.
Luftzerlegungsanlagen weisen Rektifikationskolonnensysteme auf, die
herkömmlicherweise als Zweikolonnensysteme, insbesondere als klassische Linde- Doppelkolonnensysteme, ausgebildet sind, aber auch als Drei- oder
Mehrkolonnensysteme ausgebildet sein können. Neben den Rektifikationskolonnen zur Gewinnung von Stickstoff und/oder Sauerstoff in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, also den Rektifikationskolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung, können Rektifikationskolonnen zur Gewinnung weiterer Luftkomponenten, insbesondere der Edelgase Krypton, Xenon und/oder Argon, vorgesehen sein.
Die in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten Vorrichtungen sind in der zitierten Fachliteratur, beispielsweise bei Häring (s.o.) in Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus", beschrieben. Sofern die nachfolgenden Definitionen nicht hiervon abweichen, wird daher zum Sprachgebrauch, der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ausdrücklich auf die zitierte Fachliteratur verwiesen. Nachfolgend bezeichnet der Begriff "Kolonne" einen zur Tieftemperaturtrennung eingesetzten und zur fraktionierten Destillation bzw. Rektifikation eingerichteten Trennapparat. Die Begriffe
Rektifikationskolonne, Trennkolonne, Destillationskolonne bzw. -säule werden in der Fachwelt, und daher auch hier, synonym verwendet.
Die Rektifikationskolonnen der genannten Rektifikationskolonnensysteme werden auf unterschiedlichen Drücken betrieben. Bekannte Doppelkolonnensysteme weisen eine sogenannte Hochdruckkolonne (auch als Druckkolonne, Mitteldruckkolonne oder untere Kolonne bezeichnet) und eine sogenannte Niederdruckkolonne (auch als obere Kolonne bezeichnet) auf. Die Hochdruckkolonne wird typischerweise auf einem Druck von 4 bis 7 bar, insbesondere ca. 5,3 bar, betrieben. Die Niederdruckkolonne wird auf einem Druck von typischerweise 1 bis 2 bar, insbesondere ca. 1 ,4 bar, betrieben. In bestimmten Fällen können in beiden Rektifikationskolonnen auch höhere Drücke eingesetzt werden. Bei den hier jeweils angegebenen Drücken handelt es sich um Absolutdrücke am Kopf der jeweils angegebenen Kolonnen.
Zur Verdichtung der in der Luftzerlegungsanlage zu zerlegenden Luft ("Einsatzluft") werden unterschiedliche Verdichter und Verdichterkombinationen verwendet. Der typischerweise eingesetzte sogenannte Hauptluftverdichter zeichnet sich dabei dadurch aus, dass durch diesen die gesamte Einsatzluft verdichtet wird. Entsprechend kann auch ein sogenannter Nachverdichter vorgesehen sein, in dem aber nur ein Teil der im Hauptluftverdichter verdichteten Luftmenge auf einen nochmals höheren Druck gebracht wird. Zur Verdichtung von Teilluftmengen sind typischerweise weitere Verdichter vorgesehen, die auch als Booster bezeichnet werden, im Vergleich zu dem Hauptluftverdichter oder dem Nachverdichter jedoch nur eine Verdichtung in relativ geringem Umfang vornehmen.
Der Hauptluftverdichter ist typischerweise als mehrstufiger Turboverdichter
ausgebildet. Der mechanische Aufbau von Turboverdichtern ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. In einem Turboverdichter erfolgt die Verdichtung des zu verdichtenden Mediums mittels Turbinenschaufeln, die auf einem Turbinenrad oder direkt auf einer Welle angeordnet sind. Ein Turboverdichter bildet dabei eine bauliche Einheit, die jedoch bei einem mehrstufigen Turboverdichter mehrere sogenannte Verdichterstufen aufweisen kann. Eine Verdichterstufe umfasst dabei in der Regel ein Turbinenrad. Sämtliche Verdichterstufen können von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Verdichterstufen gruppenweise mit unterschiedlichen Wellen anzutreiben, wobei die Wellen auch über Getriebe miteinander verbunden sein können.
Zur Luftzerlegung in entsprechenden Anlagen können sowohl sogenannte
Haupt(luft)verdichter/Nachverdichter-(Main Air Compressor/Booster Air Compressor-, MAC-BAC-)Verfahren als auch sogenannte Hochluftdruck-(High Air Pressure-, HAP-) Verfahren eingesetzt werden. Beide Ausgestaltungen sind unter Verweis auf weitere Patent- und Nichtpatentliteratur beispielsweise in der EP 3 312 533 A1 näher erläutert. Die vorliegende Erfindung eignet sich für beide Verfahrensvarianten und weitere Ausgestaltungen hiervon. Auch in einem Hochluftdruck-Verfahren kann ein
Nachverdichter vorhanden sein, dieser verdichtet jedoch eine Teilmenge der Luft dann ausgehend von einem entsprechend höheren Druckniveau.
Wie bei Häring (s.o.) beispielsweise im Abschnitt "Compressors" ab Seite 45 erläutert, sind die zur Verdichtung der in einer Luftzerlegungsanlage eingesetzten
Hauptluftverdichter sehr kostenintensive Komponenten. Die Investitionskosten für diese Verdichter inklusive deren Antrieb beträgt typischerweise 15 bis 20% der Gesamtinvestitionen für eine Luftzerlegungsanlage. Etwa 90% des Energieverbrauchs einer Luftzerlegungsanlage sind dem Hauptluftverdichter zuzuschreiben. Daher bestimmt die Effizienz der Verdichtung maßgeblich die Betriebskosten.
Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung insbesondere die Erzeugung von Luftprodukten durch Tieftemperaturzerlegung von Luft gegenüber dem Stand der Technik effizienter und kostengünstiger vorzunehmen, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere die Verdichtung der Einsatzluft im
Hauptluftverdicher auf vorteilhafte und gegenüber dem Stand der Technik effektivere Weise vorgenommen werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Verfahren und eine Anordnung zur Bereitstellung eines ersten Verfahrensprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft und zur Erzeugung eines zweiten
Verfahrensprodukts, in Form von elektrischer Energie mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Wie bereits erläutert, ist das zweite Verfahrensprodukt, das im Rahmen der
vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, elektrische Energie. Grundsätzlich kann aber ggf. auch zusätzlich noch ein weiteres Verfahrensprodukt, das durch eine chemische Umsetzung einer Ausgangsverbindung hergestellt wird, bereitgestellt werden.
Es könnten dabei grundsätzlich eine Vielzahl unterschiedlicher chemischer
Umsetzungen, insbesondere solche chemischen Umsetzungen, bei denen in einem Produktgemisch oder einem anderen Prozessstrom nutzbare Wärme enthalten ist, die zur Erzeugung von Dampf geeignet ist, zum Einsatz kommen. Bei exothermen
Umsetzungen wird diese Wärme durch Reaktionsabwärme geliefert, bei endothermen Umsetzungen ist entsprechende Wärme dagegen beispielsweise in einem Rauchgas eines Brenners, aber auch in dem durch eine erforderliche Beheizung warmen
Produktgemisch der Umsetzung vorhanden.
Beispiele für chemische Umsetzungen sind insbesondere solche, bei denen
Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden, beispielsweise Dampfspaltverfahren,
Reformierungsverfahren, Verfahren zur partiellen Oxidation, Dehydrierungsverfahren, oxidative Hydrierungsverfahren und dergleichen. Ein weiteres Beispiel für eine chemische Umsetzung ist eine Entschwefelung eines Sauergases, beispielsweise ein Claus-Prozess. Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre beziehen sich die nachfolgenden
Erläuterungen überwiegend auf ein Verfahren zur elektrischen Energie als zweitem Verfahrensprodukt.
Generell können die in Luftzerlegungsanlagen eingesetzten Hauptluftverdichter, insbesondere über ein Getriebe, unter Verwendung eines Elektromotors und/oder unter Verwendung einer Dampfturbine angetrieben werden.
Beispielsweise ist aus der EP 1 197 717 A1 ein Verfahren zur Luftzerlegung bekannt, bei dem Einsatzluft einer Luftzerlegungsanlage zugeführt wird, und bei dem zur Verdichtung der Einsatzluft ein mit einer Dampfturbine und mit einem Elektromotor koppelbarer Verdichter eingesetzt wird.
Aus der EP 3 382 308 A1 , die lediglich als ein weiteres Beispiel genannt wird, ist ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft bekannt, bei dem ein Verdichter mindestens teilweise von einer Dampfturbine angetrieben wird, in der von einer Dampferzeugungseinheit erzeugter Dampf von einem ersten Druckniveau auf ein zweites Druckniveau entspannt wird. Der Dampf kann beispielsweise mittels
Solarthermie bereitgestellt werden. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist in dieser Druckschrift aber nicht die Bereitstellung eines weiteren Verfahrensprodukts offenbart, das im oben erläuterten Sinne aus dem Verfahren bzw. der Anlage ausgeführt wird. Die Solarthermie dient hier lediglich zur Bereitstellung von Produkten, die ausschließlich in der Luftzerlegungsanlage genutzt werden. Auch die weiteren unten angegeben erfindungsgemäßen Merkmale sind hier nicht offenbart.
Vielfach sind im Stand der Technik Verfahren und Anlagen beschrieben, in denen ein oder mehrere sauerstoffreiche Luftprodukte aus einer Luftzerlegungsanlage einem Verfahrensschritt bzw. einer Anlagenkomponente zugeführt werden, in dem bzw. der ein Brennstoff sauerstoffangereichert verbrannt wird. Statt vieler wird in diesem
Zusammenhang beispielsweise auf die WO 2017/164990 A1 hingewiesen.
Statt in einer Kraftwerkseinheit oder einer anderen Anlageneinheit zur Herstellung eines zweiten Verfahrensprodukts ein oder mehrere Luftprodukte aus einer
Luftzerlegungsanlage zu nutzen, schlägt die vorliegende Erfindung dagegen gerade die von Produkten der Luftzerlegungsanlage unabhängige Erzeugung von elektrischer Energie als zweitem Verfahrensprodukt in einer entsprechenden Kraftwerkseinheit oder anderen Anlageneinheit vor.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren liefert die elektrische Energie als ein Hauptprodukt und unterscheidet sich insbesondere dadurch von
Luftzerlegungsanlagen, in denen geringere Mengen an elektrischer Energie als Nebenprodukte bereitgestellt werden können, beispielsweise durch Entspannung von Luftströmen in Expansionsturbinen, welche mit Generatoren gekoppelt sind. Während derartige Luftzerlegungsanlagen typischerweise die jeweils erzeugte elektrische Energie in dem Verfahren selbst nutzen, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung von elektrischer Energie als zweitem Verfahrensprodukt eine
Kraftwerkseinheit vorgesehen, die an mehrere weitere Verbraucher, insbesondere an eine Vielzahl solcher Verbraucher, elektrische Energie liefert. Die erfindungsgemäß vorgesehene Kraftwerkseinheit kann insbesondere als Grundlasteinheit ausgebildet sein, die eine beträchtliche Menge elektrischer Energie liefert. Die Kraftwerkseinheit kann insbesondere eine installierte Leistung von wenigstens 10 Megawatt aufweisen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Anordnung verwendet, die eine Luftzerlegungseinheit als erste Anlageneinheit sowie eine zweite Anlageneinheit in Form einer Kraftwerkseinheit aufweist.
Im Rahmen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird in der ersten Anlageneinheit, d.h. der Luftzerlegungseinheit, Luft der Tieftemperaturzerlegung zugeführt, die einer nichtelektrischen Verdichtung unterworfen wurde. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt also insbesondere kein elektrischer Antrieb eines Hauptluftverdichters einer derartigen Luftzerlegungsanlage, wodurch sich eine Reihe von Vorteilen erzielen lässt, die nachfolgend noch im Detail erläutert werden. Es kann jedoch auch ein entsprechender nichtelektrischer Antrieb eines anderen, ansonsten elektrisch angetriebenen Verdichters in der Luftzerlegungsanlage erfolgen.
Insbesondere kann durch den Einsatz einer nichtelektrischen Verdichtung der Luft in Verbindung mit der Nutzung einer zweiten Anlageneinheit wie vorliegend einer Kraftwerkseinheit eine Elimination von Energiekonversionsverlusten (z.B. von mechanischer Energie zu elektrischer Energie und anschließend wieder zu
mechanischer Energie) erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Verfahrensprodukt, also die elektrische Energie, , in der Kraftwerkseinheit ohne Verwendung eines Luftprodukts erzeugt wird, welches mittels der
Luftzerlegungseinheit, also der ersten Anlageneinheit, bereitgestellt wird. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich also nicht auf solche Verfahren, bei denen, beispielsweise im Rahmen einer sauerstoffangereicherten Verbrennung, Luftprodukte aus einer Luftzerlegungseinheit im Zusammenhang mit der Produktion von elektrischer Energie genutzt werden. Der wesentliche Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht vielmehr darin, dass eine direkte Nutzung von in der Kraftwerkseinheit oder einer anderen Anlageneinheit bereitgestellter mechanischer Leistung bzw. Energie in der Luftzerlegungseinheit erfolgt, ohne diese in eine andere Form von Energie zu konvertieren. Insbesondere braucht im Rahmen der vorliegenden Erfindung keine Konversion zu elektrischer Energie zu erfolgen.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung, dass die nichtelektrische Verdichtung unter Verwendung einer Dampfturbine in der zweiten Anlageneinheit, d.h. der
Kraftwerkseinheit, durchgeführt wird. Die Dampfturbine ist dabei einerseits mechanisch (d.h. über eine Welle und ein optionales Getriebe) mit einem Generator in der zweiten Anlageneinheit gekoppelt, der zur Bereitstellung der elektrischen Energie als dem zweiten Verfahrensprodukt verwendet wird, und die Dampfturbine ist andererseits ebenfalls mechanisch (d.h. über eine Welle und ein optionales Getriebe) mit einem Luftverdichter (z.B. dem Hauptluftverdichter der Luftzerlegungsanlage oder einem Luftverdichter in der zweiten Anlageneinheit) gekoppelt, der die nichtelektrische Verdichtung der Luft vornimmt. Ist der derart betriebene Luftverdichter in der zweiten Anlageneinheit bereitgestellt, wird die durch diesen verdichtete Luft in die erste Anlageneinheit, d.h. die Luftzerlegungseinheit, überführt. Stets ergibt sich der Vorteil der nicht vorhandenen Konversionsverluste durch die nicht erfolgende
Energieumwandlung. Unter einer "mechanischen Kopplung" soll daher hier
insbesondere eine Übertragung von mechanischer Energie in Form von Wellenleistung ohne Umwandlung in eine andere Energieform verstanden werden. Es können jeweils Getriebe verwendet werden, beispielsweise um Drehzahlen in geeigneter Weise anzupassen. Dies bedeutet, mit anderen Worten, dass beispielsweise entweder mechanische Energie aus der Kraftwerkseinheit in die Luftzerlegungseinheit überführt wird, nämlich über eine entsprechende Welle, und dass diese Energie in der Luftzerlegungseinheit zur Verdichtung genutzt wird, oder dass alternativ dazu die Luftverdichtung vollständig in die Kraftwerkseinheit, d.h. die zweite Anlageneinheit, ausgelagert wird, so dass von der Kraftwerkseinheit zu der Luftzerlegungseinheit kein reiner Energieträger, sondern bereits verdichtete Luft übertragen wird.
Auch beliebige Kombinationen solcher Verfahrensvarianten sind möglich.
Beispielsweise kann von einer Kraftwerkseinheit zu der Luftzerlegungseinheit sowohl verdichtete Luft als auch ein weiterer Energieträger, beispielsweise Dampf, der zum Antrieb von weiteren Verdichtern, insbesondere von Nachverdichtern, genutzt werden kann, übertragen werden. Entsprechendes gilt auch dann, wenn mechanische Energie über eine Welle oder andersartig übertragen wird. Zusätzlich zu dieser mechanischen Energie kann ebenfalls Dampf und/oder eine weitere Energieform von der
Kraftwerkseinheit zu der Luftzerlegungseinheit übertragen werden.
Unter "nichtelektrischer Energie" wird hier allgemein eine in einem Energieträger gespeicherte bzw. enthaltene Energieform oder in mechanischer Form übertragene Energie verstanden. Insbesondere bezeichnet nichtelektrische Energie Dampfenergie, also in Dampf gespeicherte Energie, oder mechanische Energie, die über eine Welle übertragen werden kann, wie im Rahmen der Erfindung der Fall.
Die Erzeugung der elektrischen Energie in einer Kraftwerkseinheit kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung zumindest zum Teil ohne die Verwendung eines Brennstoffs vorgenommen werden. Insbesondere in derartigen Fällen, beispielsweise bei der Nutzung von Windkraft, Wasserkraft oder Nuklearenergie als Ausgangsenergieform zur Erzeugung der elektrischen Energie, ist eine Kopplung mit einer Luftzerlegungsanlage nicht naheliegend. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang nicht naheliegend, eine Luftzerlegungsanlage aus einer entsprechenden Kraftwerkseinheit mit nichtelektrischer Energie in Form von mechanischer Leistung bzw. mit einem bereits verdichteten Luftstrom zu versorgen. In derartigen Kraftwerkseinheiten sind Produkte der Luftzerlegung typischerweise nicht nutzbar, so dass der Fachmann eine entsprechende Kopplung nicht in Erwägung gezogen hätte. Insbesondere kann die Erzeugung der elektrischen Energie ohne die Verwendung eines Brennstoffs also im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie erwähnt, die Verwendung von Sonnenenergie, Wasserkraft, Windkraft und/oder Kernenergie umfassen. Aus den oben erläuterten Gründen ist eine Kopplung entsprechender Kraftwerkseinheiten mit Luftzerlegungseinheiten nicht naheliegend.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann, wie bereits angesprochen, die nichtelektrische Verdichtung in der Kraftwerkseinheit durchgeführt werden, wobei dann, wie erwähnt, ein Druckluftstrom in die Luftzerlegungseinheit geführt wird. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in einer entsprechenden ersten Anlageneinheit Verdichter vorhanden sind und/oder sich entsprechende nutzbare Wellenleistung finden lässt. Entsprechend bereitgestellte Druckluft kann über geeignete Leitungsnetze, insbesondere eine sogenannte Luftschiene, an die
Luftzerlegungseinheit übertragen werden. Auch eine Fernübertragung von
entsprechender Druckluft ist möglich.
Zum Antreiben einer Dampfturbine eignet sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere Hochdruckdampf. Zum Begriff "Hochdruckdampf" sei auf einschlägige Fachliteratur verwiesen. Dies schließt selbstverständlich nicht aus, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung, insbesondere zur effektiven Nutzung von Abwärme, auch andere Dampfformen eingesetzt und in entsprechender Weise verwendet werden können. Dies gilt auch für entspannten Dampf.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Luftzerlegungseinheit und die zweite Anlageneinheit, also die Kraftwerkseinheit, räumlich voneinander getrennt und in einem Abstand von nicht mehr als 1 Kilometer, insbesondere nicht mehr als 500 Meter, weiter insbesondere nicht mehr als 100 Meter, zueinander angeordnet. Während damit eine räumliche Nähe der zweiten
Anlageneinheit und der Luftzerlegungseinheit vorgesehen sind, sind diese Einheiten erfindungsgemäß bzw. gemäß bevorzugter Ausgestaltungen der vorliegenden
Erfindung nicht in einer gemeinsamen technischen Einheit integriert.
Wie bereits mehrfach erwähnt, kann die mechanische Energie auch in der zweiten Anlageneinheit bereitgestellt werden, wobei die mechanische Energie dann unter Verwendung einer in der Kraftwerkseinheit angetriebenen Welle in die Luftzerlegungseinheit überführt bzw. in einen dortigen Verdichter eingeleitet wird.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anordnung zur
Tieftemperaturzerlegung von Luft und zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile einer entsprechenden Anordnung sei auf den zugehörigen unabhängigen Patentanspruch verwiesen. Eine derartige Anordnung profitiert von den zuvor im Detail erläuterten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner jeweiligen Verfahrensvarianten, auf die daher ebenfalls ausdrücklich verwiesen werden kann.
Insbesondere ist die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung dafür eingerichtet, ein entsprechendes Verfahren, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde, auszuführen, und weist hierzu jeweils entsprechende Mittel auf.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Figurenbeschreibung
In den Figuren 1 bis 3 sind Anordnungen gemäß unterschiedlicher Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung (Figuren 2 und 3) gegenüber einer nicht
erfindungsgemäßen Ausgestaltung (Figur 1 ) schematisch veranschaulicht und insgesamt mit 100 bis 300 bezeichnet. Die Figuren 1 bis 3 werden unter Betonung der jeweils vorhandenen Unterschiede nachfolgend gemeinsam erläutert. Die Darstellung der Anordnungen 100 bis 300 ist jeweils radikal vereinfacht und einige technische Elemente sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Anordnungen 100 bis 300 sind nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Als Hauptkomponenten umfassen die Anordnungen 100 bis 300 eine
Luftzerlegungseinheit 1 10 und eine Kraftwerkseinheit 120. Ferner kann eine
Prozesseinheit 130 vorgesehen sein, in der Luftprodukte der Luftzerlegungseinheit 1 10 verarbeitet werden können. Die Prozesseinheit 130 und die Kraftwerkseinheit 120 sind jedoch nicht identisch. Mit anderen Worten werden in der Kraftwerkseinheit 120 keine Luftprodukte der Luftzerlegungseinheit 1 10 genutzt. Anstelle die Luftprodukte in eine Prozesseinheit 130 zu überführen, können diese auch beispielsweise flüssig gespeichert werden.
In der Luftzerlegungseinheit 1 10 der Anordnungen 100 und 200 gemäß den Figuren 1 und 2 wird jeweils ein Luftstrom 101 mittels eines Verdichters 1 1 1 angesaugt, insbesondere über einen nicht dargestellten Filter. Wie eingangs erläutert, können in typischen Luftzerlegungsanlagen Verdichter mit einer oder mehreren
Verdichtungsstufen vorgesehen sein. Dies ist auch in der Luftzerlegungseinheit 1 10 der Anordnungen 100 und 200 gemäß Figuren 1 und 2 der Fall.
Der in den Figuren 1 und 2 als Teil der Anordnungen 100 und 200 schematisch dargestellte Verdichter 1 1 1 kann daher für einen oder mehrere solcher Verdichter oder Verdichterstufen stehen. Jeder dieser Verdichter oder eine oder mehrere einzelne Verdichterstufen eines oder mehrerer dieser Verdichter können wie im Folgenden beschrieben betrieben werden. Insbesondere können in der Luftzerlegungseinheit 1 10 auch ein Hauptluftverdichter und ein Nachverdichter vorgesehen sein, die einzeln oder beide wie folgt betrieben werden können.
Eine oder mehrere Verdichtungsstufen des Verdichters 1 1 1 sind in der Anordnung 100 gemäß Figur 1 über eine oder mehrere Wellen 1 13 mit einer oder mehreren
Dampfturbinen 1 12 gekoppelt. Wie für den Verdichter 1 1 1 erläutert, ist Figur 1 stark vereinfacht, so dass eine oder mehrere Dampfturbinen 1 12 oder Turbinenstufen einer weiteren Dampfturbine 1 12 vorhanden sein können und mechanisch, einzeln oder in Gruppen, mit dem Verdichter 1 1 1 , einem oder mehreren Verdichtern oder einer oder mehreren Verdichtungsstufen eines oder mehrerer Verdichter gekoppelt sein können. Wenn im Folgenden von "einem" Verdichter 1 1 1 oder "einer" Dampfturbine 1 12 die Rede ist, sind alle diese Alternativen mit einzubeziehen. Der Verdichter 1 1 1 der Anordnung 100 gemäß Figur 1 ist Teil der Luftzerlegungseinheit 1 10.
Auch in der Anordnung 200 gemäß Figur 2 sind eine oder mehrere Verdichtungsstufen des Verdichters 1 1 1 über eine oder mehrere Wellen 1 13 mit einer oder mehreren Dampfturbinen gekoppelt, die hier jedoch Teil der Kraftwerkseinheit 120 ist oder sind. Der Einfachheit halber wird weiter das Bezugszeichen 1 12 für die eine oder die mehreren Dampfturbinen verwendet. Mit anderen Worten wird hier die nichtelektrische Verdichtung der Luft mittels des Verdichters 1 1 1 unter Verwendung einer Dampfturbine 1 12 in der zweiten Anlageneinheit 120, d.h. der Kraftwerkseinheit, durchgeführt. Die Dampfturbine 1 12 ist dabei einerseits mechanisch (d.h. über eine Welle und ein optionales Getriebe) mit einem Generator (vereinfacht mit G bezeichnet) in der zweiten Anlageneinheit gekoppelt, der zur Bereitstellung der elektrischen Energie als dem zweiten Verfahrensprodukt verwendet wird. Die Dampfturbine 1 12 ist andererseits ebenfalls mechanisch (d.h. über eine Welle und ein optionales Getriebe) mit dem Verdichter 1 1 1 gekoppelt, der die nichtelektrische Verdichtung der Luft vornimmt.
Während der einen oder den mehreren Dampfturbinen 1 12 in der Anordnung 100 gemäß Figur 1 Dampf zugeführt wird, der in Form eines Dampfstroms 102 von der Kraftwerkseinheit 120 zu der Luftzerlegungseinheit 1 10 geführt wird, und damit Dampfenergie von der Kraftwerkseinheit 120 an die Luftzerlegungsanlage 1 10 übertragen wird, erfolgt die Energieübertragung in der Anordnung 200 gemäß Figur 2 in Form von mechanischer Energie über die eine oder die mehreren Wellen 1 13 und der Dampfstrom 102 wird nicht aus der Kraftwerkseinheit 120 in die
Luftzerlegungseinheit 1 10 geführt.
In der Anordnung 300 gemäß Figur 3 ist schließlich die gesamte Drucklufterzeugung in der Kraftwerkseinheit 120 vorgesehen. Die Komponenten der Luftverdichtung, die in den Anordnungen 100 und 200 gemäß den Figuren 1 und 2 jeweils gestrichelt umfasst und mit insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 1 angegeben sind, sind daher in der Luftzerlegungseinheit 1 10 der Anordnung 300 nicht vorgesehen. In der Anordnung 300 gemäß Figur 3 fällt also der Verdichter 1 1 1 als Teil der Luftzerlegungseinheit 1 10 weg, da hier ein entsprechender Druckluftstrom durch die Kraftwerkseinheit 120 geliefert wird. Als Teil der Kraftwerkseinheit 1 10 der Anordnung 300 gemäß Figur 3 kann daher ein entsprechender Verdichter, der der Einfachheit halber weiter mit 1 1 1 bezeichnet ist, vorgesehen sein. Bezüglich der Ausgestaltung des Verdichters 1 1 1 der Anordnung 300 gemäß Figur 3 gilt das mehrfach oben Erläuterte. Mit anderen Worten ist der
Verdichter 1 1 1 hier in der zweiten Anlageneinheit 120, also der Kraftwerkseinheit bereitgestellt, und durch diesen wird verdichtete Luft in die erste Anlageneinheit 1 10, d.h. die Luftzerlegungseinheit, überführt.
In sämtlichen Fällen, d.h. in der Anordnung 100 gemäß Figur 1 , in der Anordnung 200 gemäß Figur 2 und in der Anordnung 300 gemäß Figur 3, wird der Dampf des Dampfstroms 102 jeweils mittels einer Dampferzeugungseinheit 121 bereitgestellt. In der Anordnung 200 gemäß Figur 2 kann aber die Welle 1 13 auch ohne Verwendung einer Dampfturbine 1 12 angetrieben werden, so dass keine Dampferzeugungseinheit 121 vorhanden sein muss. Beispielsweise kann bei der Nutzung von Wasserkraft oder Windkraft in der Kraftwerkseinheit 120 auf die Dampferzeugungseinheit 121 verzichtet werden. In diesem Fall kann eine Generatoreinheit 122, die in der Kraftwerkseinheit 120 aller Ausgestaltungen vorhanden ist und in der Anordnung 100 gemäß Figur 1 und in der Anordnung 200 gemäß Figur 2 mittels Dampf eines weiteren Dampfstroms 102a aus der Dampferzeugungseinheit 121 betrieben wird, auch unter Verwendung des jeweils genutzten, strömenden Mediums betrieben werden.
Auch eine Zusammenfassung der gezeigten und weiterer Komponenten in der Kraftwerkseinheit 120 oder eine Aufteilung in mehrere Komponenten ist jeweils möglich. Entsprechend kann die Druckluft in der Anordnung 300 gemäß Figur 3 in anderer Weise, und ggf. auch ohne den Einsatz einer Dampfturbine 1 12, bereitgestellt werden, falls insbesondere in Anbetracht des in der Kraftwerkseinheit 120 zur Energieerzeugung genutzten Energieträgers jeweils erforderlich oder zweckmäßig.
Der Dampfturbine 1 12 wird jeweils eine Dampfmenge in Form des Dampfstroms 102 zugeführt. Die Dampfmenge wird in der Dampfturbine 1 12 von einem ersten (höheren) Druckniveau auf ein zweites (niedrigeres) Druckniveau ausgedehnt. Dieser Dampf wird der Dampfturbine 1 12 auf einem Temperaturniveau entzogen, das sich aus der Anfangstemperatur des Dampfstroms 102 und der Expansionskühlung in der
Dampfturbine 1 12 ergibt. Der entspannte Dampfstrom, der in Figur 1 mit dem
Bezugszeichen 103 bezeichnet ist, kann beispielsweise jeweils in Form eines
Stoffstroms 103b der Prozesseinheit 130 zugeführt werden.
Im Verdichter 1 1 1 wird eine dem Verdichter 1 1 1 zugeführte Luftmenge in Form des zuvor erwähnten Luftstroms 101 auf ein geeignetes Druckniveau verdichtet. Dieses Druckniveau hängt insbesondere von der später angewandten Luftzerlegungstechnik ab. Bei einem kryogenen Luftzerlegungsverfahren kann dieses Druckniveau beispielsweise mindestens das Druckniveau einer Hochdruckkolonne eines bekannten Doppelkolonnensystems sein. Für weitere Details wird auf die eingangs zitierte Fachliteratur verwiesen. Die Druckluft wird im dargestellten Beispiel in Form eines Druckluftstroms 104 einem Reinigungsabschnitt 13 der Luftzerlegungseinheit 1 10 zugeführt. Im
Reinigungsabschnitt 13 wird der Druckluftstrom z.B. durch Führung durch einen von zwei Molsiebadsorbern 131 , 132 gereinigt, von denen sich in den in den Figuren 1 bis 3 jeweils beispielhaft veranschaulichten Betriebszuständen der Adsorber 132 im Betriebsmodus und der Adsorber 131 im Regenerationsmodus befindet. Zur
Regeneration der Adsorber 131 , 132 wird ein Regeneriergasstrom 105, der in einem Fleizer 133 erwärmt wird, durch die Adsorber 131 , 132 geleitet. Für weitere Details wird wie bisher auf die eingangs zitierte Fachliteratur verwiesen. Der Fleizer 133 kann ebenfalls mit dem entspannten Dampfstrom 103a betrieben werden.
Nach der Reinigung des Druckluftstroms 103 im Reinigungsabschnitt 13 der
Luftzerlegungseinheit 1 10 wird der nun mit 106 bezeichnete Strom in den dargestellten Beispielen jeweils in einem Wärmetauscherabschnitt 14 der Luftzerlegungseinheit 1 10 und in einem (Flaupt-)Wärmetauscher 141 auf ein geeignetes Temperaturniveau, z.B. auf etwa -160 °C, gekühlt. Vor und/oder nach dem Abkühlen auf gleiche oder unterschiedliche Temperaturen können Teilströme des Luftstroms 106 auf ein höheres Druckniveau angehoben, entspannt, gedrosselt, kombiniert und/oder getrennt werden, wie im Stand der Technik allgemein bekannt. Daher kann ein gekühlter Luftstrom, der in den Figuren 1 bis 3 als 107 bezeichnet wird, für einen Luftstrom oder mehrere Luftströme auf unterschiedlichen Temperatur- und/oder Druckniveaus stehen.
Der Luftstrom 107 wird einem Abscheideabschnitt 12 der Luftzerlegungseinheit 1 10 zugeführt, der in dem in Figur 1 dargestellten Beispiel eine doppelte
Rektifikationskolonne 121 , wie sie aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist, umfasst. Wie dem Fachmann bekannt ist, können Luftströme zu einer entsprechenden Doppelrektifikationskolonne 121 in unterschiedlichen Flöhen und unter verschiedenen physikalischen Bedingungen bereitgestellt werden.
Aus einem Luftzerlegungsabschnitt 12 der Luftzerlegungseinheit 1 10 können mehrere Stoffströme (Produktströme und/oder Abfallströme) entnommen werden. So kann beispielsweise ein sogenannter Unreinstickstoffstrom vom Kopf der
Niederdruckkolonne des Rektifikationskolonnensystems 121 entnommen werden, der zumindest teilweise als Regenerationsgasstrom 105 verwendet werden kann. Ein Produktstrom 108 kann, z.B. nach dem Verdichten im flüssigen Zustand, im Wärmetauscher 141 des Wärmetauscherabschnitts 14 erwärmt werden. Ein weiterer Produktstrom 109, aber auch der Produktstrom 108, kann der Prozesseinheit 130 zugeführt und dort in beliebiger Weise genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bereitstellung eines ersten Verfahrensprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft sowie zur Erzeugung eines zweiten
Verfahrensprodukts in Form von elektrischer Energie, bei dem eine Anordnung (100) verwendet wird, die eine Luftzerlegungseinheit als erste Anlageneinheit (1 10) und eine Kraftwerkseinheit als zweite Anlageneinheit (120) aufweist, wobei in der ersten Anlageneinheit (1 10) einer nichtelektrischen Verdichtung
unterworfene Luft der Tieftemperaturzerlegung zugeführt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite Verfahrensprodukt in der zweiten
Anlageneinheit (120) nichtkryogen und ohne Verwendung eines Luftprodukts erzeugt wird, das mittels der ersten Anlageneinheit (1 10) bereitgestellt wird, und dass die nichtelektrische Verdichtung in der zweiten Anlageneinheit (120) und/oder unter Verwendung von mechanischer Energie, die in der zweiten
Anlageneinheit (120) bereitgestellt und in die erste Anlageneinheit (1 10) überführt wird, durchgeführt wird, wobei eine Dampfturbine (1 12) verwendet wird, die einerseits mechanisch mit einem Generator (G) in der zweiten Anlageneinheit (120) gekoppelt ist, der zur Bereitstellung des zweiten Verfahrensprodukts verwendet wird, und die andererseits mechanisch mit einem Luftverdichter (1 1 1 ) gekoppelt, ist, der die nichtelektrische Verdichtung der Luft vornimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Luftverdichter (1 1 1 ) in der zweiten
Anlageneinheit (120) bereitgestellt ist und bei dem durch diesen verdichtete Luft in die erste Anlageneinheit (1 10) überführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Luftverdichter (1 1 1 ) in der ersten
Anlageneinheit (120) bereitgestellt ist und bei dem mittels der Dampfturbine (1 12) bereitgestellte Wellenleistung von der zweiten Anlageneinheit (120) zum Antrieb des Luftverdichters (1 1 1 ) in die erste Anlageneinheit (1 10) übertragen wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die
Kraftwerkseinheit, die als zweite Anlageneinheit (120) bereitgestellt ist, eine installierte Leistung von wenigstens 10 Megawatt aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Erzeugung der elektrischen Energie in der Kraftwerkseinheit, die als zweite Anlageneinheit (120) bereitgestellt ist, zumindest zum Teil ohne die Verwendung eines Brennstoffs vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Erzeugung der elektrischen Energie ohne die Verwendung eines Brennstoffs die Verwendung von Sonnenenergie,
Wasserkraft, Windkraft und/oder Kernenergie umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste
Anlageneinheit (1 10) und die zweite Anlageneinheit (120) räumlich getrennt und in einem Abstand von nicht mehr als 1 Kilometer zueinander angeordnet sind.
8. Anordnung (100) zur Bereitstellung eines ersten Verfahrensprodukts durch
Tieftemperaturzerlegung von Luft sowie eines zweiten Verfahrensprodukts in Form von elektrischer Energie, mit einer Luftzerlegungsanlage als einer ersten
Anlageneinheit (1 10) und mit einer Kraftwerkseinheit als einer zweiten
Anlageneinheit (120), wobei die Anordnung (100) dafür eingerichtet ist, in der ersten Anlageneinheit (1 10) einer nichtelektrischen Verdichtung unterworfene Luft der Tieftemperaturzerlegung zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (100) dafür eingerichtet ist, in der zweiten Anlageneinheit (120) das zweite Verfahrensprodukt ohne Verwendung eines Luftprodukts zu erzeugen, das mittels der ersten Anlageneinheit (1 10) bereitgestellt wird, und die nichtelektrische Verdichtung in der zweiten Anlageneinheit (120) und/oder unter Verwendung von mechanischer Energie, die in der zweiten Anlageneinheit (120) bereitgestellt und in die erste Anlageneinheit (1 10) überführt wird, vorzunehmen, wobei eine Dampfturbine (1 12) bereitgestellt ist, die einerseits mechanisch mit einem
Generator (G) in der zweiten Anlageneinheit (120) gekoppelt ist, der zur
Bereitstellung des zweiten Verfahrensprodukts eingerichtet ist, und die
andererseits mechanisch mit einem Luftverdichter (1 1 1 ) gekoppelt, ist, der zur nichtelektrischen Verdichtung der Luft eingerichtet ist.
9. Anordnung (100) nach Anspruch 8, bei der der Luftverdichter (1 1 1 ) in der zweiten Anlageneinheit (120) bereitgestellt ist und bei dem Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, durch den Luftverdichter (1 1 1 ) verdichtete Luft in die erste Anlageneinheit (1 10) zu überführen.
10. Anordnung (100) nach Anspruch 8, bei dem der Luftverdichter (1 1 1 ) in der ersten Anlageneinheit (120) bereitgestellt ist und bei dem Mittel bereitgestellt sind, die dafür eingerichtet sind, mittels der Dampfturbine (1 12) bereitgestellte
Wellenleistung von der zweiten Anlageneinheit (120) zum Antrieb des
Luftverdichters (1 1 1 ) in die erste Anlageneinheit (1 10) zu übertragen.
1 1 . Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , die Mittel aufweist, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
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