DE3931582A1

DE3931582A1 - Verfahren zur nutzung von hochtemperaturabwaerme

Info

Publication number: DE3931582A1
Application number: DE19893931582
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Ing Richarts
Original assignee: Krantz GmbH
Current assignee: Krantz GmbH
Priority date: 1989-09-22
Filing date: 1989-09-22
Publication date: 1991-04-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Hochtemperaturabwärme durch eine gekoppelte Wärme- und Stromerzeugung unter Verwendung einer Gasturbinenanlage.

Bekanntlich entsteht beim Betrieb zahlreicher industrieller Anlagen Abwärme auf einem sehr hohen Temperaturniveau. Dabei handelt es sich oft um heiße Abgase, die verunreinigt sind, so daß eine unmittelbare Nutzung in Maschinen und Apparaten erschwert wird. Typische Beispiele für industrielle Anlagen, bei denen derartige Abgase anfallen sind Glasschmelzanlagen und Brennöfen der Keramikindustrie.

Es sind auch zahlreiche Industrieanlagen bekannt, bei deren Betrieb gas- und dampfförmige Schadstoffe anfallen, die nur mittels thermischer Nachverbrennung wirksam und wirtschaftlich beseitigt werden können. Dabei fällt ein Abgasstrom an, der einen hohen Energieinhalt hat, aber keine nennenswerten Verunreinigungen enthält, die seine unmittelbare Nutzung in Maschinen und Anlagen erschweren würden. Die zunehmenden Anforderungen an die Begrenzung von Emissionen aus Industrieanlagen wird zu einer Zunahme von Abgasreinigungseinrichtungen führen, die mittels thermischer Nachverbrennung arbeiten und Abgase erzeugen, deren Energieinhalt zum wirtschaftlicheren Betrieb der Gesamtanlage genutzt werden sollte.

Es ist bekannt, den hohen Energiegehalt dieser Abgase zur Stromerzeugung und zur Kraft-Wärme-Kopplung zu nutzen. Als konventionelle Methode kommt dabei die Installation eines Dampferzeugers und einer nachgeschalteten Gegendruckdampfturbine in Betracht. Dabei treten wieder erhebliche technische und wirtschaftliche Schwierigkeiten auf. Die meisten Abgasströme der hier in Betracht kommenden Kategorie, wie Ofenabgase oder Abgase aus thermischen Nachverbrennungsanlagen, haben einen Massenstrom, der nicht größer als 10 bis 25 kg/s ist. Bei einer Temperatur von zum Beispiel 1000°C ergibt sich damit ein Gesamtpotential von ca. 8 bis 20 MW thermischer Energie, die für eine derartige Anlage in Form von Dampf genutzt werden kann. Will man mit der Dampfturbine die größtmögliche Stromerzeugung realisieren, so muß dabei auf die Nutzung der Abwärme verzichtet werden. Die dann erzielbaren Wirkungsgrade liegen bei 25 bis 30%. Da aber insbesondere in Industrieanlagen die Kraft-Wärme-Kopplung eine zunehmende Bedeutung erhält, nicht zuletzt durch das gesetzlich verankerte Wärmenutzungsgebot, kann ein Dampfturbinenprozeß nur mit einer Gegendruckanlage, d.h. mit der Möglichkeit, den Abdampf auf einem hohen Druckniveau an die Produktionsanlagen weiterzuleiten, betrieben werden. In diesem Falle sinkt die elektrische Leistung auf weniger als die Hälfte. Ein wesentlicher Nutzen der Hochtemperaturabwärme, nämlich der hohe Energieanteil, geht dabei verloren. Gegendruckdampfturbinen stellen daher keine Lösung für eine hinreichende Energienutzung dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, daß die Abwärme mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad genutzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten gattungsgemäßen Art ausgegangen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil desselben angegebenen Verfahrensschritte aufweist.

Dadurch, daß das heiße Abgas durch einen Wärmetauscher geleitet wird, in dem auf der Sekundärseite die Verdichteraustrittsluft einer Gasturbine vorgewärmt wird, leistet die Hochtemperaturabwärme einen wesentlichen Beitrag zur Stromerzeugung und zur Kraft-Wärme-Kopplung.

Bei konventionellen Wärmetauschern stellt zwar die begrenzte Temperaturverträglichkeit der Materialien an sich ein Hemmnis zu einer ausschließlichen Nutzung der Abwärme für die Kraft-Wärme-Kopplung dar. Deshalb erfordern bekannte Verfahren, um auf akzeptable Energiebilanzen und Wirkungsgrade zu kommen, eine Zusatzfeuerung in der Brennkammer der Gasturbine.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, die Hochtemperaturabwärme vollständig und ohne Zusatzenergie für die Kraft-Wärme-Kopplung in dem Umfange zu nutzen, wie er thermodynamisch durch die Temperatur vorgegeben ist. Hat der Abgasstrom zum Beispiel eine Temperatur von 1000°C, so kann diese Temperatur mit nur geringen Abstrichen auch dem Prozeß zur Verfügung gestellt werden. Die Nutzung der Wärme mittels rekuperativem Wärmeaustausch erlaubt dagegen nur ein Temperaturniveau von höchstens 700°C.

Thermische Nachverbrennungsanlagen ohne Wärmenutzung erfordern außerordentlich hohe Energiekosten. Koppelt man diese Anlagen jedoch so, daß Industrieanlagen mit Wärme und Strom versorgt werden, so können die Betriebskosten der thermischen Nachverbrennungsanlage durch den erzielten Nutzen teilweise oder ganz ausgeglichen werden und in Einzelfällen sogar Überschüsse erzielt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau in einem Feststoff-Wärmespeicher zwischengespeichert. Als Speichermaterial lassen sich Schamottsteine verwenden, welche die erforderliche Temperaturfestigkeit von 1000°C oder mehr aufweisen. Die Wärmeübertragung zwischen dem Abgasstrom und dem die Wärme nutzenden System erfolgt nach dem Prinzip des Regenerativ-Wärmespeichers ("Pebble-Heater"), in dem in einem Behälter, der in einer Schüttung das Wärmeträgermaterial mit Hohlräumen dazwischen enthält, das Gas, während es durch diesen Behälter strömt, abgekühlt wird. Die in dem Behälter befindliche Wärmespeichermasse wird auf das Temperaturniveau der Abwärme von zum Beispiel 1000°C erwärmt. In einem zweiten Behälter befindet sich eine gleich große Masse Wärmeträgermaterial, die jedoch durch den Luftmassenstrom des Verdichters von der hohen Temperatur auf das Temperaturniveau der Verdichteraustrittsluft von zum Beispiel 300°C abgekühlt wird.

Da nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren die Hochtemperatur-Wärmetauscher zyklisch beaufschlagt werden, ist eine Umschaltung erforderlich, die, sobald der von der Verdichterluft durchströmte Wärmetauscher abgekühlt ist, die Gasturbine auf den inzwischen aufgeheizten anderen Wärmetauscher umschaltet.

Im Vergleich zur herkömmlichen Art der Wärmenutzung, bei der nur Wärme gewonnen wird, ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der grundlegende Vorteil, daß der hohe Energieinhalt der Abwärme in eine hochwertige Energieform, nämlich elektrische Energie, umgewandelt wird.

Gegenüber einem Verfahren zur Stromerzeugung in Gasturbinen mit Hilfe einer rekuperativen Wärmeübertragung ergeben sich folgende Vorteile:

- keine Beschränkung der Temperatur durch begrenzte Temperaturstandfestigkeit druckbeaufschlagter Wärmetauschflächen;
- vollständige Nutzung eines zeitlich ungleichförmig anfallenden Abwärmestromes durch Energiespeicherung;
- Unempfindlichkeit gegen Verunreinigungen des Abgasstromes, indem diese im Wärmespeicher niedergeschlagen und festgehalten werden und in einem späteren separaten Regenerationsvorgang abgereinigt werden können.

Da erfahrungsgemäß das Energieangebot nicht gleichförmig ist, sondern zeitlichen Schwankungen unterliegt, läßt sich nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Energienutzung dadurch verbessern, daß während des Umschaltens der Turbinenbeaufschlagung von einem auf den anderen Hochtemperatur-Wärmetauscher der kontinuierliche Betrieb der Turbine durch deren Beaufschlagung über einen dritten Hochtemperatur-Wärmetauscher aufrechterhalten wird.

Die zusätzliche Speicherkapazität durch mindestens einen dritten Hochtemperatur-Wärmespeicher bietet die Möglichket zur Bildung einer Reserve, mit deren Hilfe die Ungleichförmigkeit zwischen Angebot und Nachfrage ausgeglichen werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Installation von mehr als zwei Hochtemperatur-Wärmetauschern besteht darin, daß die Umschaltung ohne Betriebsunterbrechung sowohl bei der Gasturbine als auch bei der Abwärme durchgeführt werden kann.

Schließlich sieht eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch vor, mit Hilfe eines vierten Hochtemperatur-Wärmetauschers die Druckaufladung des jeweils vorher mittels heißem Abgase thermisch beladenen Hochtemperatur-Austauschers durch Kurzschlußschaltung des unter hohem Druck befindlichen vorher thermisch entleerten Hochtemperatur-Wärmetauschers soweit vorzunehmen, daß nur noch eine geringe zusätzliche Kompression des Inhalts des Rochtemperatur-Wärmetauschers erforderlich ist, um zu den für den Entladungsbetrieb notwendigen Druckniveau zu gelangen.

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anlage mit zwei Hochtemperatur-Wärmetauschern,

Fig. 2a eine Anlage mit drei Hochtemperatur-Wärmetauschern beim Umschalten des Heißgasstromes vom zweiten auf den dritten Hochtemperatur-Wärmetauscher,

Fig. 2b eine Anlage gemäß Fig. 2a, jedoch beim Umschalten des Verdichterluftstromes vom ersten auf den zweiten Hochtemperatur-Wärmetauscher und

Fig. 3 eine Anlage mit vier Hochtemperatur-Wärmetauschern.

Eine Turbine 1 treibt über eine Welle 2 einen Verdichter 3 und einen Generator 4 an.

Die über eine Leitung 5 abgeführte Verdichteraustrittsluft wird mit einer Temperatur von 320°C einem Hochtemperatur-Wärmetauscher 6 zugeleitet, darin auf 950°C aufgeheizt und über eine Leitung 7 der Turbine 1 zugeleitet. Die mit 490°C die Turbine 1 verlassende Luft wird über eine Leitung 8 einem Abhitzekessel 9 zugeleitet.

Unterdessen wird Abgas mit einer Temperatur von 1000°C über eine Leitung 10 einem Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′ zugeführt und abgekühlt auf 380°C über eine Leitung 11, die in die Leitung 8 mündet, gleichfalls dem Abhitzekessel 9 zugeleitet.

Während also der Hochtemperatur-Wärmetauscher 6 entladen wird, erfolgt eine Ladung des Hochtemperatur-Wärmetauschers 6′. Durch entsprechende Umschaltung der in den Leitungen 5 und 7 sowie 10 und 11 vorgesehenen Ventile lassen sich im zyklischen Betrieb die Hochtemperatur-Wärmetauscher 6 und 6′ im jeweiligen Wechsel be- und entladen.

In Fig. 2 ist die Anlage gegenüber Fig. 1 um einen Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′′ ergänzt, wobei die Ventilstellungen in den Leitungen 10 und 11 entsprechend den Pfeilrichtungen umgeschaltet werden, um den Heißgasstrom vom Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′ auf den Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′′ umzuleiten. Demgegenüber zeigt Fig. 2b die in Pfeilrichtung in Umschaltung begriffenen Ventile der Leitungen 5 und 7, um den Verdichterluftstrom beim Hochtemperatur-Wärmetauscher 6 auf den Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′ umzuleiten.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind vier Hochtemperatur-Wärmetauscher 6, 6′, 6′′ und 6′′′ im Einsatz, wobei diesen eine Leitung 12 zugeordnet ist, über welche sich die Wärmetauscher wahlweise unter Überdruck halten lassen. Gemäß den dargestellten Ventilstellungen befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel der Hochtemperatur-Wärmetauscher 6 in der Abkühlphase durch die Verdichterluft, der Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′ in der Aufheizphase durch das heiße Abgas, der Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′′ im Zustand des Druckabbaus und der Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′′′ im Zustand des Druckaufbaus durch das Überströmen aus dem Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′′ in den Hochtemperatur-Wärmetauscher 6′′′.

Claims

1. Verfahren zur Nutzung von Hochtemperaturabwärme durch eine gekoppelte Wärme- und Stromerzeugung unter Verwendung einer Gasturbinenanlage, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Verdichter mit ca. 350°C austretende Luft durch heiße Abgase mit einer Temperatur von ca. 1000°C aufgeheizt wird, indem die Verdichteraustrittsluft durch mindestens einen ersten, zuvor mit den heißen Abgasen aufgeheizten Hochtemperatur-Wärmetauscher geleitet wird, während mindestens ein zweiter Hochtemperatur-Wärmetauscher mit heißen Abgasen aufgeheizt wird und im zyklischen Betrieb die Beaufschlagung der Hochtemperatur-Wärmetauscher mit heißen Abgasen und Verdichteraustrittsluft so gewechselt wird, daß die den Hochtemperatur-Wärmetauscher mit ca. 950°C verlassende Verdichteraustrittsluft einer den Verdichter und einen Generator antreibenden Turbine zugeleitet wird, bevor die Turbinenaustrittsluft mit ca. 490°C gemeinsam mit dem den jeweils im Aufheizstadium befindlichen Hochtemperatur-Wärmetauscher verlassenden auf ca. 380°C abgekühlten Abgas einem Abhitzekessel zugeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Umschaltens der Turbinenbeaufschlagung von einem auf den anderen Hochtemperatur-Wärmetauscher der kontinuierliche Betrieb der Turbine durch deren Beaufschlagung über einen dritten Hochtemperatur-Wärmetauscher aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines vierten Hochtemperatur-Wärmetauschers die Druckaufladung des jeweils vorher mittels heißem Abgase thermisch beladenen Hochtemperatur-Austauschers durch Kurzschlußschaltung des unter hohem Druck befindlichen vorher thermisch entleerten Hochtemperatur-Wärmetauschers soweit erfolgt, daß nur noch eine geringe zusätzliche Kompression des Inhalts des Hochtemperatur-Wärmetauschers erforderlich ist, um zu den für den Entladungsbetrieb notwendigen Druckniveau zu gelangen.