| WO/2005/115914 | METHOD OF DECOMPOSING CARBON DIOXIDE AND METHOD OF FORMING CARBON-PARTICLE STRUCTURE |
| WO/2010/126850 | HYDROXYL GENERATOR |
| WO/2008/019663 | DEVICE FOR SCRUBBING FLUE GAS |
CASTILLO-WELTER, Frank (Obere Römerhofstrasse 154, Friedrichsdorf, 61381, DE)
BURGHARDT, Dirk (Steinstrasse 3b, Oberursel, 61440, DE)
BARTOSCH, Christian (Adolf-Leweke-Strasse 10, Frankfurt/Main, 60435, DE)
ZEYEN, Rudolf (Am Dachsberg 28, Frankfurt am Main, 60435, DE)
CASTILLO-WELTER, Frank (Obere Römerhofstrasse 154, Friedrichsdorf, 61381, DE)
BURGHARDT, Dirk (Steinstrasse 3b, Oberursel, 61440, DE)
BARTOSCH, Christian (Adolf-Leweke-Strasse 10, Frankfurt/Main, 60435, DE)
Patentansprüche:
1. Verfahren zur kontinuierlichen Rückgewinnung von Wärmemengen von wenigstens 5 MW, vorzugsweise 10 bis 30 MW aus einem aus kondensierbaren und ggf. inerten Komponenten gebildeten Prozess-Gasstrom bei einer Temperatur von 70 bis 220° C 1 vorzugsweise 130 bis 150° C durch indirekte Wärmeübertragung auf in einem geschlossenen Kreislauf strömendes wärmeaufnehmendes Arbeitsfluid, indem durch teilweise oder vollständige Kondensation des Prozess-Gasstroms das im Druck erhöhte, flüssige Arbeitsfluid verdampft wird, das entstandene Kondensat dem Prozess wieder teilweise oder vollständig zugeführt wird oder aus dem Prozess ausgeleitet wird, das dampfförmige Arbeitsfluid nach einer Zwischenüberhitzung in einer Expansionsturbine entspannt wird, danach wieder kondensiert und im Druck erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der im Bereich der Expansionsturbine gebildete aus dampfförmigem Arbeitsfluid und Sperrgas bestehende Leckgasstrom in eine das Arbeitsfluid enthaltende Phase und eine im wesentlichen Sperrgas enthaltende Phase getrennt wird, das Arbeitsfluid in den Kreislauf rückgeführt und das Sperrgas aus dem Prozess ausgeleitet oder nach hinreichender Abtrennung der restlichen Spuren an Arbeitsfluid wieder als Sperrgas eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des eine Anfangstemperatur von 20 bis 70° C besitzenden Arbeitsfluids auf eine Temperatur, die 1 bis 50° C unter der Temperatur des wärmeabgebenden Prozess-Gasstroms liegt, erhöht wird, das dampfförmige Arbeitsfluid anschließend in einer Expansionsturbine auf einen Druck entspannt wird, der dem Dampfdruck des Arbeitsfluids bei Kondensationstemperatur entspricht , danach wieder kondensiert und im Druck erhöht wird und der im Bereich der Expansionsturbine anfallende Primärverlust an Arbeitsfluid aus dem Leckgastrom zurückgewonnen und in den Kreislauf rückgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dampfförmige Arbeitsfluid um mindestens 3° C überhitzt wird, bevor es in der Expansionsturbine entspannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte und auf einen höheren Druck gebrachte Arbeitsfluid vor seiner Verdampfung auf eine Temperatur von 0 bis 20° C unterhalb der Verdampfungstemperatur vorgewärmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluide Propan, Isopropan, Butan, Isobutan, n-Pentan, Isopentan, Ammoniak und halogenisierte Kohlenwasserstoffverbindungen einzeln oder zu mehreren im Gemisch eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Arbeitsfluid und dem Sperrgas gebildete Leckgasstrom mittels einer mechanisch angetriebenen Kälteanlage oder einer mit einem Kryofluid betriebenen Kälteanlage mit Rückgewinnung des Kryofluids oder einer Kompressionsanlage mit anschließender Kondensation oder einer Membrananlage oder einer Adsorptionsanlage oder einer Druckwechseladsorptionsanlage oder einer Kombinationen dieser Anlagen in eine im wesentlichen Arbeitsfluid enthaltende Phase und eine im wesentlichen Sperrgas enthaltende Phase getrennt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Kreislaufsystem mit einem von dem Prozess-Gasstrom durchströmten Verdampfer (2) für das flüssige Arbeitsfluid, einen dem Verdampfer nachgeschalteten Zwischenüberhitzer (5) für das dampfförmige Arbeitsfluid, eine dem Zwischenüberhitzer nachgeschaltete Expansionsturbine (7) für die Entspannung des dampfförmigen Arbeitsfluids, einen der Expansionsturbine nachgeschalteten Kondensator (10) für die Kondensation des dampfförmigen Arbeitsfluids, eine dem Kondensator nachgeschaltete zu dem Verdampfer (2) fördernde Pumpe (14) für die Druckerhöhung des flüssigen Arbeitsfluids und eine im Nebenschluss zum Kreislaufsystem des Artθitsfluids angeordnete Rückgewinnungsanlage (17) für die Rückgewinnung des Arbeitsfiuids aus dem Leckgasstrom und Einspeisung de Arbeitsfiuids in den Kreislauf vor der erneuten Druckerhöhung des Arbeitsfiuids.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen zwischen der Pumpe (14) für die erneute Druckerhöhung des kondensierten Arbeitsfiuids und dem Verdampfer (2) für das flüssige Arbeitsflufd angeordneten Wärmeaustauscher für die Vorwärmung des Arbeitsfiuids. |
Verfahren und Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wärmemengen aus einem
Prozess-Gasstrom
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Rückgewinnung von Wärmemengen von wenigstens 5 MW, vorzugsweise 10 bis 30 MW aus einem aus kondensierbaren und ggf. inerten Komponenten gebildeten Prozess-Gasstrom bei einer Temperatur von 70 bis 220° C, vorzugsweise 130 bis 150° C durch indirekte Wärmeübertragung auf ein in einem geschlossenen Kreislauf strömendes wärmeaufnehmendes Arbeitsfluid, indem durch teilweise oder vollständige Kondensation des Prozess-Gasstroms das im Druck erhöhte, flüssige Arbeitsfluid verdampft wird, das entstandene Kondensat dem Prozess wieder teilweise oder vollständig zugeführt wird oder aus dem Prozess ausgeleitet wird, das dampfförmige Arbeitsfluid nach einer Zwischenüberhitzung in einer Expansionsturbine entspannt wird, danach wieder kondensiert und im Druck erhöht wird.
Bei einer Vielzahl chemischer Prozesse werden infolge exotherm verlaufender Reaktionen der Ausgangsstoffe erhebliche Wärmemengen frei, wobei in Abhängigkeit von dem jeweiligen Verfahren zum Erreichen optimaler Reaktionsergebnisse, d.h. hoher Ausbeuten bestimmte Verfahrensbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur, einzuhalten sind. Angepasst an die eingestellten optimierten Verfahrensbedingungen im Kernprozess muss zur effizienten Rückgewinnung der Wärmemengen ein geeigneter Wärmeträger eingesetzt werden. Geeignet sind hier niedrig siedende Komponenten, deren Arbeitsbereich so an die Bedingungen des Kernprozesses anpassbar ist, dass eine effiziente Rückgewinnung der Wärmemengen möglich wird. Diese Komponenten werden nahezu ohne Verluste in einem geschlossenen Kreislauf geführt.
In der US-A-2005/0010066 ist ein Verfahren zur Erzeugung aromatischer Karbonsäure durch exotherme Oxidation aromatischer Einsatzstoffe beschrieben, bei dem in einer Reaktionsstufe die aromatische Einsatzstoff enthaltende Flüssigphase in Gegenwart eines flüssigen Reaktionsgemisches einerseits zu aromatischer Karbonsäure und andererseits zu einem Gasgemisch oxidiert wird. In einer anschließenden Trennungsstufe, beispielsweise einer Destillationskolonne, wird das Gasgemisch bei einer Temperatur von 130 bis 220° C und einem Druck von 3.5 bis 15 bar in einen Abgasstrom und in einen an Lösungsmittel reichen Strom getrennt. Die in dem Abgasstrom enthaltene Wärmeenergie wird in einer Wärmerückgewinnungsstufe, beispielsweise zur Herstellung von Dampf, rückgewonnen, indem der Abgasstrom kondensiert und das Kondensat in die Trennstufe vollständig oder teilweise rückgeführt wird. Bei der Kondensation wird ein Teil der in dem Abgasstrom enthaltenen Wärmeenergie an ein wärmeaufnehmendes Fluid übertragen und daraus ein Teil der Wärmeenergie in einem Kreisprozess wiedergewonnen. Das wärmeaufnehmende Fluid besteht aus einer Verbindung oder einem Gemisch an Verbindungen, deren Siedepunkt bei atmosphärischem Druck im Bereich von - 100 bis + 90° C liegt, wobei einzeln oder im Gemisch Propan, Isopropan, Butan, Isobutan, n-Pentan, Isopentan, Ammoniak, halogenisierte, als Kältemittel verwendete Kohlenwasserstoffverbindungen eingesetzt werden.
Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Rückgewinnung relativ großer Wärmemengen, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 30 Megawatt bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von 70 bis 220° C. Nachteilig ist jedoch, dass bei der Rückgewinnung großer Wärmemengen der Einsatz einer relativ großen Umlaufmenge an wärmeaufnehmendem Arbeitsfluid erforderlich ist. Das führt dazu, dass im Bereich der Expansionsturbine ein Leckgasstrom, der aus dampfförmigem Arbeitsfluid und Sperrgas zusammengesetzt ist, infolge konstruktionsbedingter Undichtigkeiten austritt. Die Leckrate, d.h. die Größe des Verlusts an Arbeitsfluid kann mehrere Promille der Umlaufmenge, in der Regel < 1 %o, entsprechend einem Verlust von mehreren 100 kg/h, betragen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so zu gestalten, dass kein oder nur ein minimaler Verlust an Arbeitsfluid eintritt.
Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, dass der im Bereich der Expansionsturbine infolge konstruktionsbedingter Undichtigkeiten austretende aus dampfförmigem Arbeitsfluid und Sperrgas bestehende Leckgasstrom in eine das Arbeitsfluid enthaltende Phase und eine im wesentlichen Sperrgas enthaltende Phase getrennt wird, das Arbeitsfluid in den Kreislauf rückgeführt und das Sperrgas aus dem Prozess ausgeleitet wird oder nach hinreichender Abtrennung der restlichen Spuren an Arbeitsfluid erneut als Sperrgas eingesetzt wird. Das Sperrgas, meistens wird Stickstoff verwendet, wird an der Wellendichtung der Expansionsturbine benutzt, um den Verlust des Arbeitsfluids an die Umgebung zu minimieren. Durch diese Maßnahme lässt sich das Arbeitsfluid nahezu vollständig, d.h. bis zu 99.9 %, aus dem im Bereich der Expansionsturbine durch Undichtigkeiten abfließenden Leckgasstrom zurückgewinnen.
Eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Arbeitsfluid von einer Anfangstemperatur von 20 bis 70° C bei seiner Verdampfung auf eine Temperatur, die 1 bis 50° C unter der Temperatur des wärmeabgebenden Prozess-Gasstrom liegt, erhöht wird, anschließend das dampfförmige Arbeitsfluid um mindestens 3° C überhitzt und dann in der Expansionsturbine auf einen Druck entspannt wird, der dem Dampfdruck des Arbeitsfluids bei Kondensationstemperatur entspricht und somit die Anfangstemperatur wiederherstellt. Nach der der Expansionsturbine nachgeschalteten Kondensation wird das Arbeitsfluid wieder auf den Anfangsdruck gebracht. Die jeweiligen Arbeitsdrücke im Arbeitsfluid-Kreislauf hängen vom Dampfdruck des jeweils verwendeten Arbeitsfluids ab. Der im Bereich der Expansionsturbine anfallende Primärverlust an Arbeitsfluid wird aus dem Leckgasstrom, beispielsweise durch Kondensation bei einer Temperatur von -10 bis -90° C, zurückgewonnen und in den Kreislauf rückgeführt wird.
Um eine effiziente Verdampfung des Arbeitsfluids durch den Prozess-Gasstrom zu gewährleisten, ist es sinnvoll, das kondensierte und auf einen erhöhten Druck
gebrachte Arbeitsfluid vor der Verdampfung auf eine Temperatur von 0 bis 20° C unterhalb der Verdampfungstemperatur vorzuwärmen.
Als Arbeitsfluide haben sich insbesondere Propan, Isopropan, Butan, Isobutan, n- Pentan, Isopentan, Ammoniak und halogenisierte Kohlenwasserstoffverbindungen als geeignet erwiesen, die einzeln oder zu mehreren im Gemisch eingesetzt we.'den können. Auf Grund der Siedeeigenschaften dieser Stoffe lässt sich eine entsprechend hohe Ausbeute an Wärmemengen erzielen. Die Auswahl des Arbeitsfluids und der spezifischen Arbeitsbedingungen ist an den Haupt-Prozess, d.h. an die Temperatur des Prozess-Gasstroms so anzupassen, dass die Wärmeausbeute optimiert wird.
Der im Bereich des Gasturbinenprozesses anfallende aus Arbeitsfluid und Sperrgas gebildete Leckgasstrom wird mittels einer mechanisch angetriebenen Kälteanlage oder einer mit einem Kryofluid, beispielsweise flüssigem Stickstoff (Siedepunkt: - 195,8° C) betriebenen Kälteanlage, einem sog. Kryostat, mit Rückgewinnung des Kryofluids oder einer Kompressionsanlage mit anschließender Kondensation oder einer Membrananlage oder einer Adsorptionsanlage oder einer Druckwechseladsorptionsanlage oder einer Kombination dieser Anlagen in eine im wesentlichen das Arbeitsfluid enthaltende Phase und eine im wesentlichen Sperrgas enthaltende Phase getrennt. Je nach Reinheitsgrad des abgetrennten Sperrgases kann dieses auch wieder als Sperrgas eingesetzt werden, oder es wird aus dem Prozess ausgeleitet.
Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in dem Kreislaufsystem für das Arbeitsfluid ein von dem Prozess-Gasstrom durchströmter Verdampfer für das flüssige Arbeitsfluid, ein dem Verdampfer nachgeschalteter Zwischenüberhitzer für das dampfförmige Arbeitsfluid, eine dem Zwischenüberhitzer nachgeschaltete Expansionsturbine für die Entspannung des dampfförmigen Arbeitsfluids, ein der Expansionsturbine nachgeschalteter Kondensator für die Kondensation des dampfförmigen Arbeitsfluids, eine dem Kondensator nachgeschaltete zum Verdampfer fördernde Pumpe für die Druckerhöhung des flüssigen Arbeitsfluids und eine im Nebenschluss zum Kreislaufsystem angebrachte Rückgewinnungsanlage für die Rückgewinnung des
Arbeitsfluids aus dem Leckgasstrom und der Einspeisung des Arbeitsfluids in den Kreislauf.
Nach einem weiteren Vorrichtungsmerkmal ist zwischen der Pumpe für die erneute Druckerhöhung des kondensierten Arbeitsfluids und dem Verdampfer für das flüssige Arbeitsfluid ein Wärmeaustauscher für die Vorwärmung des Arbeitsfluids vorgesehen.
Die Erfindung wird nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel und das in Fig. 1 dargestellte Verfahrensfließbilds näher erläutert:
Bei dem Verfahren zur Rückgewinnung von Wärmeenergie wird ein im wesentlichen aus Wasserdampf und inerten Komponenten bestehender Prozess-Gasstrom, der bei der Oxidation eines Rohstoffs, beispielsweise von Paraxylol unter Zuführung von Luft in der Flüssigphase bei einer Temperatur von 150 bis 180° C, entsteht und mit einer Temperatur von 140° C und einem Druck von 5,5 bis 6,5 bar(a) über die Leitung (1 ) einem Verdampfer (2), der von im geschlossenen Kreislauf geführten als wärmeaufnehmendes Arbeitsfluid dienenden n-Pentan durchströmt wird, zugeführt. Der Prozess-Gasstrom wird dabei auf eine Temperatur von etwa 85° C abgekühlt und gleichzeitig das Arbeitsfluid auf eine Temperatur von 117° C und verdampft, wobei eine Wärmemenge von 120 MW übertragen wird. Das Kondensat, im wesentlichen aus Wasser bestehend, wird über die Leitung (3) aus dem Verdampfer (2) abgeführt und aus dem Prozess ausgeleitet oder ganz oder nur teilweise in den Prozess rückgeführt. über Leitung (4) wird das dampfförmige Arbeitsfluid einem Zwischenüberhitzer (5) aufgegeben, in dem die Temperatur auf 127° C erhöht wird. Das überhitzte Arbeitsfluid wird über die Leitung (6) einer Expansionsturbine (7) zugeführt, in der das Arbeitsfluid auf einen Druck von 1 ,6 bar(a) entspannt wird. Die von der Expansionsturbine (7) abgegebene Arbeitsleistung beträgt 12 bis 13 MW und wird direkt zum Antrieb eines Generators (8) verwendet oder kann alternativ zum Direktantrieb einer großen Maschine im Kernprozess, beispielsweise eines Luftkompressors, dienen. Das über die Leitung (9) aus der Expansionsturbine (7) austretende Arbeitsfluid wird in einem Kondensator (10) auf eine Anfangstemperatur von 40° C abgekühlt und kondensiert, worauf das Kondensat über die Leitung (11 ) in den Vorlagebehälter (12) strömt, aus diesem über die Leitung (13) durch die Pumpe
(14) angesaugt auf den Anfangsdruck von 9,5 bis 11 bar(a) gebracht und anschließend über die Leitung (15) in den Verdampfer (2) geleitet wird.
Auf Grund der relativ großen aus dem Prozess-Gasstrom abzuführenden Wärmemenge beträgt der im Kreislauf geführte Massenstrom an Arbeitsfluid 840.000 kg/h, so dass der Kreislauf im Bereich der Expansionsturbine (7) konstruktionsbedingt nicht vollständig dicht gestaltete werden kann. Es treten Primärverluste an Arbeitsfluid von ca. 300 kg/h auf, die bisher durch neues Arbeitsfluid ersetzt werden müssen, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt wird. Um diese Primärverluste weitestgehend zurückzugewinnen, wird der aus Arbeitsfluid und Sperrgas bestehende Leckgasstrom über die Leitung (16) einer Kälteanlage (17) aufgegeben, in der das Arbeitsfluid kondensiert und über die Leitung (18) in den Vorlagebehälter (12) für die Pumpe (14) aufgegeben und damit in den Kreislauf rückgeführt wird. Auf diese Weise lassen sich die Primärverluste an Arbeitsfluid zu wenigstens 98 % zurückgewinnen. Die aus der Kälteanlage (17) über die Leitung (19) abgeführte hauptsächlich aus Stickstoff als Sperrgas bestehende Gasphase, die mit Spuren des Arbeitsfluids beladen ist, wird einer Abgas- Behandlungsanlage zugeleitet. Hierdurch können die Verluste an Arbeitsfluid auf 6 kg/h reduziert werden, so dass die Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnungsanlage erheblich verbessert wird.