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EP1608848A2 - Verfahren und anlage zur gekoppelten kraft-, wärme- und/oder kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen heissgasen mit integrierter gasreinigung - Google Patents

Verfahren und anlage zur gekoppelten kraft-, wärme- und/oder kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen heissgasen mit integrierter gasreinigung

Info

Publication number
EP1608848A2
EP1608848A2 EP04714715A EP04714715A EP1608848A2 EP 1608848 A2 EP1608848 A2 EP 1608848A2 EP 04714715 A EP04714715 A EP 04714715A EP 04714715 A EP04714715 A EP 04714715A EP 1608848 A2 EP1608848 A2 EP 1608848A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
hot gas
transformer
compressor
working medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04714715A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Heinz
Christoph Unger
Peter Noeres
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1608848A2 publication Critical patent/EP1608848A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
    • Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a method for coupled power, heat and / or cold generation from pollutant-laden hot gases, in which the thermal energy contained in the hot gas is used at different temperature levels and at least partially used to drive a closed circuit in which a working fluid in a thermal Multi-component compressors are compressed, at least as a partial flow is overheated by supplying thermal energy from the hot gas, and the pressure is expanded under the drive of at least one expansion machine for generating power, the compression of the working medium in the thermal multi-material compressor being carried out in such a way that the working medium at a lower process pressure in an absorber, giving off heat Solution integrated with the
  • Working medium concentrated solution is compressed to an upper process pressure, the working medium is expelled in an expeller from the concentrated solution while supplying heat from the hot gas, and the resulting diluted solution is returned to the lower one
  • Process pressure is relaxed and returned to the absorber, and at least a partial flow of the working medium is passed to an increased process pressure in at least one heat transformer integrated in the closed circuit.
  • the invention also relates to a plant with which this method can be carried out.
  • the primary purpose of this method is the flexible and needs-based provision of electricity, heating and / or cooling from solid fuels, in particular solid biomass, in the power range of significantly less than 1 MW electrical power (based on the electrical power achievable with this method).
  • the process can be combined with a combustion and / or a gasification plant for solid biomass.
  • the hot gas driving the process in this case is the hot flue gas from the biomass firing, the hot product gas from the biomass
  • ORC process The Organic Rankine Cycle (ORC process), which is currently supported by market launch programs, is an alternative to the steam engine. It is a largely conventional thermal power process, but the working fluid is an organic solvent. Due to the special properties of this tool, the ORC process can be used to implement steam power processes that appear to be technically and economically competitive or advantageous electrically compared to the steam engine, especially in the power range from 200 to 1,500 kW. Due to the comparatively low process temperatures, the achievable electrical efficiencies of the ORC process are physically limited.
  • the energy contained in the solid biomass can often only be used insufficiently in the currently known technologies for energy generation from solid biomass, since these systems are mostly connected to heat consumers whose return temperatures are too high for extensive use of the sensitive and latent gases contained in the flue gas Are warmth. Especially in the case of biomass with a high water content, considerable amounts of energy often remain unused in the flue gas stream. It should also be noted that with conventional biomass technologies, refrigeration is not directly integrated into the system, but is only possible by supplementing the energy system with additional subsystems (e.g. an absorption refrigerator).
  • additional subsystems e.g. an absorption refrigerator
  • the present invention relates to a method for coupled power, heat and / or cold generation from pollutant-laden hot gases with process-integrated gas cleaning, in which the thermal energy contained in the hot gas is used at different temperature levels and at least partially for
  • working medium (individual substance or mixture of substances; hereinafter simply referred to as "working medium") is compressed in a thermal multi-substance compressor and, for example afterwards, is completely or partially overheated by supplying thermal energy from the hot gas and is relaxed with the drive of at least one expansion machine, which preferably drives a generator for generating electrical energy.
  • At least a partial flow of the working fluid flows through at least one heat transformer, in which the working fluid, for example in a condenser, below Heat emission is condensed as completely as possible, then expanded, for example in a throttle, and evaporated as completely as possible, for example in an evaporator, and the waste heat flows of a hot gas condenser used for combined gas purification and heat recovery and / or external heat flows are imminent.
  • the cycle is closed by the renewed compression of the working medium, which has been relaxed to the lower process pressure, for example by an expansion machine and / or a heat transformer.
  • the present method and the associated system thus uniquely enable low-pollutant, energy-efficient and highly flexible generation of power, electricity, heat and / or cold from polluted hot gases in general and from solid biomass in particular.
  • the hot gas condenser can be any suitable hot gas condenser.
  • System can also be designed as a hot gas scrubber.
  • the heat transformer can also be designed as a resorber.
  • the working fluid is incorporated into a multicomponent solution at an upper process pressure while releasing heat in an absorber (this does not necessarily include the same multicomponent mixture as in the multicomponent denser), the solution enriched with the working fluid is throttled to a lower process pressure and the working fluid becomes then in an expeller with the supply of heat from expelled from the outside of the solution again.
  • the solution thus diluted is transported back to the absorber of the heat transformer, for example by means of a pump.
  • the particular advantage of a heat transformer designed in this way is that the temperature of the heat absorption and dissipation in the heat transformer can be influenced solely by varying the concentration ratios in the resorber.
  • the heat transformer of the present method or the present system is the steam jet refrigerator.
  • the pressure energy of the vaporous and possibly overheated working medium at an upper process pressure is converted into flow energy in the driving nozzle of a jet compressor.
  • working fluid vapor is drawn in from an evaporator by pulse exchange. The working fluid that evaporates in the local evaporator at low pressure absorbs heat
  • Heat transformer on In the diffuser adjoining the mixing chamber, the flow energy of the driving and evaporated working fluid is converted back into pressure energy.
  • the total flow of working fluid leaves the heat transformer in vapor form at a reduced process pressure level and can, for example, be passed directly into the absorber and / or at least partially condensed in a condenser.
  • the working fluid introduced into the evaporator is removed from the circuit at a suitable point (eg after a condenser) and expanded to the evaporator pressure, for example by means of a throttle.
  • the compression of the working medium expanded from the flow through the power process and / or heat transformer to the lower process pressure in the thermal multi-substance takes place in such a way that the working medium is integrated into a solution at a lower process pressure in an absorber while releasing heat, the solution being concentrated with the working medium, for example by means of a Pump compresses to a higher process pressure, the working fluid in an expeller while supplying heat from the hot gas and / or possibly others
  • Heat sources are expelled from the concentrated solution and the resulting diluted solution - if necessary. via the detour of a further compression and the subsequent expulsion in a second expeller by supplying heat from the hot gas - e.g. is relieved to the lower process pressure via a throttle and returned to the absorber for the renewed absorption of working fluid.
  • the parallel connection of several expellers heated by hot gas and / or other heat sources at different pressure levels is also conceivable, e.g. be fed from a single absorber with concentrated solution and return their diluted, throttled solution back into this absorber.
  • it usually makes sense to exchange heat between concentrated and dilute solutions, e.g. to enable by means of a heat exchanger. The same applies to a resorber used as a heat transformer.
  • the hot gas contains sufficient condensable constituents, both by cooling the hot gas in the hot gas condenser and dusty gaseous air pollutants and possibly odorants are partially washed out of the hot gas.
  • the condensate sludge is removed from the process.
  • a washing liquid and, if necessary, the condensate e.g. after appropriate treatment such as sedimentation or filtration
  • the cooling of the condensate and / or the washing liquid is carried out by giving off heat to a process-integrated heat transformer and / or to external consumers.
  • the condensate sludge is removed from the process.
  • thermo multi-fuel compressor unit consisting of absorber, pump, expeller and throttle
  • power process unit consisting of superheater and a downstream expansion machine
  • heat transformer unit consisting of a condenser, a throttle and an evaporator
  • Gas condenser is designed as a gas scrubber, in that the hot gas driving the cycle is injected with a washing substance and / or if necessary. processed condensate is subcooled and partially washed out.
  • the extended heat dissipation e.g. heat transfer of the working fluid emerging from the turbine to a heating circuit; or heat extraction from the hot multi-component solution of the expeller, e.g. for high-temperature heating purposes).
  • an absorption machine for compressing steam in an open circuit in which the steam located at a low pressure level is compressed to a useful higher pressure level by means of a thermal multi-fuel compressor.
  • Thermal multicomponent compressors absorb the steam at low pressure through a liquid absorber solution, giving off heat. The heat given off is used to evaporate feed water.
  • the liquid absorber solution with the absorbed steam is compressed to a higher pressure by means of a pump and the steam is expelled at this higher pressure level while absorbing heat from hot exhaust gases from an internal combustion machine coupled to the absorption machine.
  • the method presented here as an invention for coupled power, heat and / or cold supply from polluted hot gases with integrated hot gas cleaning differs from the methods of such publications in particular in that it is not only the energy generation (which is further increased by process-integrated supercooling of the hot gas) a heat transfer medium, but - if the heat transfer medium is limited to pollutants
  • Hot gases - the cleaning of the heat transfer medium is achieved for the first time.
  • This significant, previously unrealized additional function of the method is achieved according to the invention in that the hot gas in a hot gas condenser due to the heat given off to the
  • Evaporator and / or external consumers are subcooled and partially washed out.
  • An additional gas scrubbing can be carried out according to the invention with the condensate from the hot gas which may have been processed and / or with additional scrubbing substances if the amount of condensate is too low and / or the cleaning action of a scrub based solely on the condensation is insufficient.
  • the after the Heat transfer for example to superheaters and expellers, heat still contained in the hot gas as waste heat from the gas condensation or gas scrubbing is additionally integrated into the process and thus made available to potential consumers at an elevated temperature level (by means of heat decoupling from the expeller and heat transformer).
  • the printing step DE 3824046 AI is gaining in importance.
  • the heat of a hot gas is used to clean exhaust air containing solvents by means of an absorption process, while recovering the solvent.
  • Exhaust air with high solvent concentrations is initially cooled and the majority of the solvent is recovered by condensation. Further purification takes place by adsorption in an adsorber. The desorpti ⁇ n of the loaded adsorber takes place at higher temperatures. Most of the desorbed solvent is recovered by condensation at low temperatures.
  • a heat pump is used for cooling and heating, with the use of a compression heat pump by utilizing the overheating heat of the working material of the heat pump in the compressor and when using a
  • Absorption heat pump is heated by utilizing the exhaust gas heat of the expeller, the heat transfer stream used for desorption to temperatures that are significantly above the condensation temperature of the working fluid of the heat pump.
  • the steam jet cooling machine optionally used in the present method is per se state of the art.
  • DE 0010162934 AI describes a technique for the direct coupling of a steam jet refrigerator to a parabolic trough collector system.
  • the expansion machine becomes a largely commercial one
  • Plant technology used This can e.g. are a hot gas turbine, a gas expansion turbine, a steam turbine, a screw motor or a steam motor, which optionally drive a generator for generating electricity.
  • a multi-component compressor is connected in series to a power process and a heat transformer, a partial flow of the working medium can be branched off after the condensation in the condenser of the heat transformer and directly at an intermediate pressure level e.g. the concentrated stream of
  • Multi-fuel compressors are supplied to vary the extent of the evaporator performance in the heat transformer.
  • a multicomponent mixture known from use in commercial refrigeration machines or heat pumps is used. This can be, in particular, the substance pairs ammonia / water, water / lithium bromide and water / lithium chloride.
  • the multicomponent mixture used e.g. ammonia-water
  • the rectifier e.g. from the capacitor or absorber
  • Heat transformer a partial flow of the working fluid condensate or the multicomponent solution back to the expeller of the multicomponent compressor and brought there in intensive contact with the expelled steam flow.
  • the rich solution of the multi-component compressor can be brought into intensive contact with the escaping steam flow. This increases the desired proportion of working fluid in the steam flow.
  • a resorber heat transformer it is conceivable to allow an additional solvent exchange between the two systems to regulate the multicomponent concentrations in the multicomponent compressor on the one hand and in the resorber heat transformer on the other hand.
  • Another efficiency-enhancing process or system variant consists in the generation of power e.g. to use a recuperator with which the
  • Work equipment is preheated before it enters the superheater or intermediate superheater by heat exchange with the work equipment emerging from an expansion machine (recuperator).
  • the efficiency of a thermal multicomponent compressor can be increased by the concentrated solution and the dilute solution of the multicomponent compressor being used, for example, via a heat exchanger in Heat exchange can be brought together.
  • the concentrated solution is heated before entering the expeller and the diluted solution is cooled before entering the absorber.
  • Another embodiment of the method or the associated system which increases efficiency is to implement the expansion of the dilute solution in the thermal multi-fluid compressor not by means of a throttle but by means of an expansion machine.
  • the diluted solution at least as a partial stream, e.g. in the heat exchange with the hot gas, to evaporate and overheat, to combine with a partial flow of the compressed working medium and to relax together in at least one expansion machine.
  • it is possible to use at least a partial stream of the diluted solution e.g. using a pump to further compress, separately overheat and then relax in at least one separate expansion machine to generate power or electricity.
  • Variants are limited to multi-component mixtures that can be largely evaporated without leaving any residue (e.g. ammonia-water mixtures).
  • a function-expanding embodiment of the method mentioned or the associated system consists in the variable change in the concentration ratios of the substance mixture in the multi-substance Compressor and / or in the heat transformer designed as a resorber. This change may be necessary to account for the very different temperature and / or pressure conditions that are necessary for time-varying operation of the system (e.g. once
  • Heat generation and another time for cooling are necessary in the cycle.
  • the change in the mixing ratio can be implemented, for example, by means of control interventions and / or by using a storage container which supplies or removes additional working fluid from the closed circuit.
  • technical solutions are also possible in which the mixture of substances circulating in the multi-component compressor and / or in the heat transformer designed as a resorber, i.e. the concentrated and / or the diluted solution are temporarily stored.
  • the system is hermetically sealed, that the expansion machines are operated without lubricants, that a device for partial or complete replacement of the working fluid and / or the solvent used in the multi-component compressor and / or in the resorber is provided, that a device for Cleaning of the working fluid and / or a solvent used in the multi-fluid compressor and / or resorber is provided, that a device for removing foreign or interfering substances from the heat transformer is provided, and / or that aggregates (e.g. corrosion inhibitors) are added to the multi-fluid solution become.
  • aggregates e.g. corrosion inhibitors
  • the installation of a degassing device for the absorber and condenser of a heat transformer is possible because here, among other things, Enrich gaseous impurities or fission products of the working fluid or working fluid mixture and could impair the function of the system.
  • the degassing substances e.g. NH3, H20, N2, H2
  • the degassing substances could e.g. continuously withdrawn from the absorber and condenser as a partial stream and added to an upstream furnace or gasification with or without the use of downstream catalysts as an even dose as a denitrification agent (SCR or SNCR denitrification).
  • SCR or SNCR denitrification denitrification agent
  • Components from the circuit is integrated and that, for example, a device for discharging condensate, for example in the absorber of the multi-component compressor, is integrated in an evaporator of a heat transformer.
  • a device for discharging condensate for example in the absorber of the multi-component compressor
  • evaporator of a heat transformer can be used individually or in combination.
  • suitable devices are provided in the hot gas duct for the heat transfer from the hot gas to the superheater (s), expellers, evaporators and other heat consumers.
  • the heat transfer can take place, for example, by means of suitable heat exchangers or via additional intermediate circuits (for example using water or Thermool).
  • the expeller can be designed, for example, as a flame tube smoke tube (pressure) boiler. Appropriate devices are known to the person skilled in the art.
  • the (high-temperature) heat energy for the superheater or superheaters is taken from the hot gas, downstream of it the (lower-temperature) heat energy for the or the expellers of a multi-fuel compressor and only then does the hot gas condensation or scrubbing take place, giving off low-temperature heat.
  • Hot gas duct z. B. to extract heat from the hot gas and release it to external consumers are possible everywhere.
  • the present method In conjunction with biomass firing, the flue gases of which serve as polluted hot gas, the present method, including all of its variants and the associated systems, is particularly suitable for the combined generation of power, electricity, heat and / or cold from solid biomass in the power range of less than 1 MW electrical power suitable.
  • a particular advantage of the present method and the present system is that as a result of the process-integrated flue gas condensation or scrubbing compared to conventional ones
  • Solid fuel combustion reduced pollutant levels e.g. dust and acidic gaseous components
  • flue gas condensation or washing is u. a. in that at least a portion of the latent heat in the flue gas is coupled into the process and, through heat transformation to a higher temperature level, also for use, for. B. can be accessed at normal temperature levels for heating purposes.
  • the flue gas is partially dried by the condensation, which can result in a reduced formation of steam at the chimney, especially after mixing the condensed or washed hot gas with ambient air. In individual cases, this can have a positive effect on the operating license.
  • the odor pollution in the vicinity of a biomass plant according to the invention could also be reduced by the gas scrubbing.
  • the condensate obtained in the present method and the present plant can be used in a particularly useful manner.
  • Another exemplary option is the recycling of the condensate sludge as fertilizer.
  • Figure 2 shows an example of a configuration of the hot gas condenser or scrubber
  • FIG. 3 shows an example of an embodiment of the present method or of the present installation, in which a heat transformer is designed as a resorber;
  • FIG. 4 shows an example of an embodiment of the present method or of the present installation, in which a heat transformer is designed as a steam jet cooling machine;
  • FIG. 5 shows an example of an embodiment of the present method or the present system in a series connection of a thermal multi-material compressor, a power process and a heat transformer;
  • FIG. 6 shows an example of an embodiment of the present method or of the present system in the case of an interconnection of a two-stage thermal multicomponent compressor, a power process and a heat transformer
  • FIG. 7 shows an example of an embodiment of the present method and of the present system in the case of a combined series and parallel connection of a multi-component compressor, a heat transformer and two power processes
  • FIG. 8 shows an example of an embodiment of the present which is expanded by a recuperator and additional heat extraction points
  • FIG. 9 shows an example of an embodiment of the present method and the present system, in which the depleted solution is partially removed from the multi-component compressor and evaporated and the expansion machine is flowed through by an overheated mixture of working fluid and depleted solution;
  • Figure 10 shows an example of an embodiment of the present method and the present system, which includes a working fluid storage and a
  • FIG. 11 shows an example of the use of the thermal energy of the flue gas from a biomass firing in the present system or the present method.
  • WAYS OF IMPLEMENTING THE INVENTION The present method and the present system are explained below in terms of their function using the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 11.
  • the pressures prevailing in the process vary considerably depending on the multicomponent mixture used and the temperature level of the heat transformation and can, for example in the case of ammonia-water mixtures, be in the order of 10 5 to 50 * 10 5 Pa and above, while the pressures in the case of water-lithium bromide Mixtures in the range of 10 2 to 5 * 10 s Pa are to be expected.
  • FIG. 1 the structure of a system is shown schematically by way of example, in which a heat transformer 13 is connected in parallel to a multicomponent compressor 1 and to a power process 11.
  • the working medium coming from the gas expansion turbine 3a as an expansion machine is cooled in the absorber 7 of the multi-fuel compressor 1 and absorbed into the solution of the multi-fuel compressor while heat is given off 23 (for example at 70 ° C. to a heating network).
  • the multi-substance solution concentrated after absorption of the working medium is compressed to the upper process pressure with the dilute reflux from the expeller 8 and then reaches the expeller 8.
  • the compression is carried out by means of suitable pumps 9
  • Expeller 8 is the working fluid by supplying heat from the hot gas 31 at a temperature level of z. B. 100-250 ° C from the multi-component solution.
  • An additional heat exchanger circuit was installed as an example.
  • the multicomponent solution diluted in this way is then expanded in a continuous process via throttles 10 back to the lower process pressure and passed back into the absorber 7 via the heat exchanger 19.
  • a partial flow of the working fluid expelled from the expeller 8 is heated in the superheater 2 by heat exchange with the hot gas flow 31 (e.g. to 450 ° C.).
  • the working medium After the working medium has been overheated in the superheater 2, it is passed into the gas expansion turbine 3a and there expanded from the upper to the lower process pressure.
  • the gas expansion turbine 3a drives a generator 15 and thereby generates electrical
  • the working fluid emerging from the turbine 3a is fed back into the absorber 7 in order to dissolve there again and then be compressed. The cycle begins again.
  • the partial flow of the working fluid expelled from the expeller 8 which does not flow through the gas expansion turbine 3a is conducted into the condenser 4 of a heat transformer 13. There it is condensed with the release of heat 24 (e.g. at 90 ° C to an external heating network), expanded via the throttle 5, evaporated again in the evaporator 6 at the lower process pressure level (e.g. at 30 ° C) and finally returned to the absorber 7.
  • the heat for the evaporation process in the evaporator 6 is from the
  • FIG. 2 shows an embodiment of a hot gas condenser 27 as an example of an embodiment of the present system.
  • Z. B. a removal of heat 20 from the hot gas 31 as soon as it enters the hot gas condenser (for example for heat extraction in a heating network at 90 ° C.).
  • Heat extraction 21 for example for preheating the combustion air from an incineration plant upstream of the process, is also possible at this point if necessary.
  • Both heat decouplings reduce the hot gas temperature, lower the condensation cooling required in the hot gas condenser or scrubber 27 and thus increase the overall efficiency of the process.
  • a further heat removal 33 from the hot gas is possible, for example, by a recooler. This could, for example, in the event of cold generation in summer
  • the hot gas condenser shown by way of example in FIG. 2 can be designed in different variants. A basic distinction must be made between hot gas condensation and hot gas scrubbing.
  • the hot gas condensation is selected, for example, if a return to the external consumers 20 21 is simply due to the subcooling and heat being given off by the hot gas.
  • cooler 33, ambient air 43 and / or the evaporator 6 of a heat transformer 13 (see FIG. 1) an adequate condensation-based washing out of pollutants from the hot gas is successful.
  • the hot gas 31 is passed into the hot gas condenser 27, in which it is cooled to the lowest possible temperature level (for example 40 ° C.) with the aid of heat exchangers.
  • the cooling some constituents - for example water - condense out of the hot gas and partially wash out any dust and other pollutants and / or odors contained in the hot gas.
  • the resulting condensate sludge is removed from the reactor, for example, via a removal point 36 and, if necessary, further processed (for example, sedimented, filtered or neutralized) before it is used or disposed of further.
  • further processed for example, sedimented, filtered or neutralized
  • the cleaned hot gas 32 After flowing through an optional droplet and aerosol separator 41, the cleaned hot gas 32 finally leaves the reactor cooled and partially dried. To reduce the formation of steam at the chimney outlet, it is possible to mix the partially condensed hot gas 32 with any preheated ambient air 40 when it exits the reactor.
  • the hot gas condensation is carried out as hot gas scrubbing. Basically, this is based on a very similar system design, however, the hot gas 31 is additionally or alternatively to the heat extraction 25 already explained by the injection of cooled condensate and / or a washing substance into the Hot gas stream cooled down (quench). This intensifies the mass and heat exchange in the hot gas.
  • the resulting condensate sludge is collected, if necessary processed (e.g. filtered or sedimented), for example via a heat exchanger 35 by giving off heat to the evaporator 6 of a heat transformer 13 and / or external heat consumers (see FIG.
  • FIG. 2 shows the implementation of a bypass line for an exemplary embodiment of the present method and the present plant
  • FIG. 3 shows an example of an embodiment of the present system or of the present method, in which a heat transformer 13 is designed as a resorber.
  • the working medium is incorporated in an absorber 7b into a multi-substance solution at an upper process pressure, which is not identical to the multi-substance solution of the thermal multi-substance solution. must be 1.
  • the working fluid is absorbed to the outside, giving off heat 24.
  • the solution then concentrated with the working medium is expanded to a lower process pressure, for example via a throttle 10b, and is expelled from the multicomponent solution there in an expeller 8b while absorbing heat from the outside. In the present example, this heat comes exclusively from the hot gas condenser or scrubber 27.
  • the solution which is then depleted is pumped back up to the upper operating pressure, for example by a pump 9b, in order to take up working fluid there again.
  • the expelled working medium finally flows to the absorber 7 of the multi-fuel compressor 1.
  • FIG. 4 shows a further example of an embodiment of the present system or of the present method, in which the heat transformer 13 is designed as a steam jet cooling machine.
  • the heart of this heat transformer 13 is the
  • Steam jet pump 46 which in the example shown is flowed through by the vaporous working medium leaving the expeller 8 at an upper process pressure and thereby causes a suction effect.
  • the use of superheated steam e.g. possible from superheater 2. Due to the suction effect generated, one condensed in the condenser 4b, for example. Partial flow of the working fluid is sucked in via a throttle 5b and takes up external heat flows 24 in the evaporator 6 of the heat transformer
  • this heat of vaporization comes exclusively from the hot gas condenser or scrubber 27
  • the working fluid mixture emerging from the steam jet pump is passed into the thermal multi-material compressor 1 after the partial flow sucked in for evaporation purposes has been branched off at a lower process pressure.
  • FIG. 5 shows an example of an embodiment of the present system or of the present method, in which a heat transformer 13 is connected in series to a multi-fuel compressor 1 and to a power process 11.
  • a heat transformer 13 is connected in series to a multi-fuel compressor 1 and to a power process 11.
  • Expansion machine used a steam engine 3b.
  • the flow of working fluid emerging from the steam engine 3b is passed into a condenser 4, where it largely condenses with the release of thermal energy 24 to an external heating network at, for example, 100 ° C.
  • this condensed partial stream is split up in a ratio of 60:40, the larger portion at this intermediate pressure level being fed directly, for example, to the concentrated solution of the multi-component compressor 1.
  • the multi-component compressor 1 functions in the same way as has already been explained in connection with the configuration of FIG.
  • the remaining portion of 40% of the condensed working fluid which is assumed here by way of example, is further expanded via a throttle 5 and fed to an evaporator 6.
  • the evaporator 6 absorbs the waste heat from the hot gas condensation or scrubbing in the same way as in the embodiment in FIG. 1.
  • the working fluid evaporated in the evaporator is finally fed to an absorber 7 and from there compressed again to the upper process pressure level.
  • the upper pressure level can be the one shown here Series connection should always be selected higher than in parallel connection, since the pressure specified by the heat transformation (e.g. by the temperature conditions in external heating networks), e.g. in the condenser 4 of the heat transformer 13, is equal to the upper process pressure in the parallel connection, but only equal to an intermediate pressure in the series connection is.
  • the upper process pressure can primarily be based on the needs of expansion.
  • a bypass line 22 is indicated in FIG. 5, via which a decoupling of the power process 11 and the heat transformer 13 is possible and, as a result, the system can be operated temporarily only for heat or cold generation.
  • the upper process pressure is again the same as the condenser pressure.
  • FIG. 6 shows an example of an embodiment of the present system or of the present method, in which a two-stage expulsion was implemented.
  • the starting point is again the example of the system according to FIG. 1.
  • the dilute solution emerging from the expeller 8 is again here using a
  • Pump 9c is compressed and passed to a second expeller 8c.
  • This second expeller 8c operated at maximum process pressure working fluid is expelled from the hot gas 31 by heat transfer, which is initially completely overheated and flows through a gas expansion turbine 3a for generating power.
  • the partially relaxed working fluid emerging from the turbine becomes then cooled and condensed and the heat released in the process is used to drive off the expeller 8 operated at a medium process pressure level.
  • the working fluid expelled from this expeller 8 is mixed together with the condensed working fluid from the gas expansion turbine, which is further relaxed by throttle 10c, and introduced into the heat transformer 13. Thanks to the use of the two expellers and the in-process use of the condensation heat, the heat transformer now has a significantly increased flow of working fluid at its disposal.
  • FIG. 7 shows an example of an embodiment of the present system or of the present method, in which the heat transformation 13 is connected in series with the multi-material compressor and a first stage of the power process 11 and in parallel with a second stage of the power process 11.
  • this is a system design in series connection (see FIG. 5), in which a partial flow of the working medium flow is removed before the condenser of the heat transformer 13, heated in an intermediate superheater 2b and in a separate expansion machine (e.g. a gas expansion turbine 3a) is expanded to the lower process pressure. The remaining partial flow of the working fluid flows through the heat transformer 13 in the usual way.
  • a separate expansion machine e.g. a gas expansion turbine 3a
  • FIGS. 1, 3 to 7 apply to the present exemplary embodiment.
  • additional measures can be provided, for example to increase efficiency or expand functionality. These are explained in the following examples (FIGS. 8 to 10) on the basis of extended configurations of FIG. 1, and of course they can also be transferred to the configurations of FIGS. 3 to 7.
  • FIG. 8 shows such an example, in which a recuperator 14 is integrated in the power process 11, which increases the efficiency of the expansion process through internal heat recovery.
  • the working fluid emerging from the expeller 8 is here by the
  • Recuperator 14 passed, in which it is preheated by the hot working fluid emerging from the gas expansion turbine 3a in countercurrent before it is further heated in the superheater 2.
  • the working fluid emerging from the gas expansion turbine 3a is in the
  • Recuperator 14 precooled as a result of the heat exchange and thereby reaches the absorber 7 cooled.
  • FIG. 8 contains yet another embodiment for an efficiency-increasing measure.
  • the throttle 10 of the thermal multicomponent compressor 1 is replaced by a turbine 42 and mechanically coupled to the pump 9, for example. This reduces the energy required to drive the thermal multi-fuel compressor.
  • the optional provision of cooling power for external consumers is made possible.
  • the evaporator 6 of a heat transformer 13 is primarily or exclusively with waste heat e.g. fed from an external cooling network 29.
  • the consumer usually requires lower evaporator temperatures (e.g. around 0 to 5 ° C for air conditioning purposes or - 20 to -60 ° C for industrial cooling purposes) than are necessary solely for hot gas condensation or scrubbing (here are sufficient usually evaporation temperatures in the range of 10 to 40 ° C; see Figure 1.3 to 7).
  • FIG. 10 shows an exemplary device for temporarily changing the mixing ratio in the multi-component compressor.
  • a fluid reservoir 26 was provided here by way of example, via which working medium condensed between the condenser 4 and the evaporator 6 can be withdrawn from the circuit and fed back between the evaporator 6 and the absorber 7.
  • the inflow to or from the fluid reservoir 26 can be opened or closed by adjusting elements.
  • the concentration ratio of the mixture of substances circulating in the multi-component compressor 1 can be changed and thus the pressure and temperature conditions that arise during operation can be changed more extensively, particularly on the evaporator 6, than would be possible without this additional device ,
  • the concentrated or diluted solution could also be temporarily stored in the multi-component compressor 1 in order to influence the concentration ratios in the mixture of substances.
  • the temperatures in the heat transformer could also be changed via the pressure ratio, but alternatively or additionally also via the substance concentrations in the resorber 45.
  • the statements made above regarding the change of the substance mixture in the multi-substance compressor 1 therefore apply analogously.
  • the temperature in the heat transformer can be changed by adjusting the pressure in the condenser 4 (possibly equal to the process pressure in the absorber of the multi-component compressor) and / or in the evaporator 6.
  • the waste heat 25 of the hot gas condenser 27 can in principle also be fed in via a heat transformer in the case of the provision of cold.
  • the waste heat 25 of the hot gas condenser 27 would be as extensive as possible, e.g. preferred to a cooling system (see FIG. 2).
  • a further special feature of the method is the cold recuperator, which can be added for reasons of efficiency.
  • the working medium after flowing through an evaporator 6 is passed through an additional heat exchanger 28, in which it exchanges heat with the working medium flow which previously flows out of the condenser 4.
  • this additional heat exchange 28 there is fundamentally the possibility of increasing the proportion of condensate of the working medium after throttle 5 and thus increasing the specific cooling capacity of the working medium in the evaporator 6.
  • FIG. 11 shows, by way of example, the combination of a system according to FIG. 1 with a firing device 16 for solid biomass, including flue gas duct 17 and flue gas chimney 18.
  • the hot flue gas from the furnace is the hot gas driving the process.
  • the heat coupling between the flue gas, the superheater 2 and the expeller 8 of the system described in FIG. 1 is only indicated schematically here.
  • the heat transformer 13, the evaporator 6 of which receives its energy in the example shown exclusively from the flue gas condenser or scrubber 27, is also only hinted at in this figure.
  • such a system could be designed as a compact container system, into which the biogenic fuel is introduced at one point and where there are standard connections for the final energies provided by this method, electricity, heat and / or cold.
  • Thermal multi-component compressor superheater b intermediate superheater a expansion machine (with parallel connection of the power unit, multi-fuel condenser and heat transformer) b expansion machine (with series connection of the power unit, multi-fuel compressor and heat transformer) condenser b condenser (steam jet cooling machine) throttle evaporator absorber b absorber (resorber) expeller b c ejector (double-effect) pump b pump (resorber) c pump (double-effect) 0 throttle 0b throttle (resorber) 0c throttle (double effect) 1 power process 2 condensate return to intermediate pressure level 3 heat transformer 4 recuperator 5 generator 6 biomass firing 7 flue gas duct 8 exhaust stack Heat exchanger for concentrated and diluted solution. Coupling of heat from the hot gas to external consumers. Coupling of heat from the hot gas
  • Process upstream firing system Bypass line Heat transfer from the absorber Heat transfer from the heat transformer Heat transfer from the hot gas condenser or scrubber to the working fluid Working fluid storage hot gas condenser, if necessary with gas scrubber From heat from the hot gas to external recooling plants Heat exchanger for hot gas cooling Heat exchanger for cooling condensate or washing substance Condensate (sludge) or detergent extraction Condensate or detergent return incl. Pump and atomizer washing substance for hot gas washing dry gas cleaning stage admixture of ambient air to the cleaned
  • Hot gas aerosol and droplet separator Expansion machine to relax the multicomponent solution Heat exchanger for preheating ambient air Evaporator for poor solution Resorber steam jet pump

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur kombinierten energetischen Nutzung und Reinigung von schadstoffbeladenen Heißgasen (31), bei denen die im Heißgas (31) enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus genutzt und mindestens teilweise zum Antrieb eines geschlossenen Kreisprozesses eingesetzt wird, in dem ein Arbeits­mittel in einem thermischen Mehrstoffverdichter (1) verdichtet und anschließend zwecks Kraftbereitstellung überhitzt und durch eine Expansionsmaschine (3a, 3b) geleitet wird, während z.B. parallel und/oder in Reihe hierzu mindestens ein Teilstrom des Arbeitsmittels mindestens einen Wärmetransformator (13) durchströmt, in dem die Abwärmeströme eines prozessintegrierten Heißgaskondensators (27) und/oder die Abwärmeströme externer Verbraucher aufgenommen und auf einem erhöhten Temperaturniveau wieder abgegeben werden.

Description

Verfahren und Anlage zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen
Heißgasen mit integrierter Gasreinigung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen, bei dem die im Heißgas enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus genutzt und mindestens teilweise zum Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel in einem thermischen MehrstoffVerdichter verdichtet, mindestens als Teilstrom durch Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine zur Krafterzeugung entspannt wird, wobei die Verdichtung des Arbeitsmittels im thermischen MehrstoffVerdichter derart erfolgt, dass das Arbeitsmittel bei einem unteren Prozessdruck in einem Absorber unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem
Arbeitsmittel aufkonzentrierte Lösung auf einen oberen Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in einem Austreiber aus der aufkonzentrierten Lösung unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas ausgetrieben und die dadurch verdünnte Lösung wieder auf den unteren
Prozessdruck entspannt und in den Absorber zurückgeleitet wird, und wobei mindestens ein Teilstrom des Arbeitsmittels auf einem erhöhten Prozessdruck in mindestens einen in den geschlossenen Kreislauf integrierten Wärmetransformator geleitet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Anlage, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Der primäre Einsatzzweck des vorliegenden Verfahrens liegt in der flexiblen und bedarfsgerechten Strom-, Wärme- und/ oder Kältebereitstellung aus Festbrennstoffen, insbesondere fester Biomasse, im Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung (bezogen auf die mit diesem Verfahren erzielbare elektrische Leistung) . Zu diesem Zweck kann das Verfahren anlagentechnisch mit einer Verbrennungsund/ oder einer Vergasungsanlage für feste Biomasse kombiniert werden. Das den Prozess antreibende Heißgas ist in diesem Fall das heiße Rauchgas aus der Biomasse- feuerung, das heiße Produktgas aus der Biomasse-
Vergasung (welches z. B. vor seiner weiteren Verwendung in einer Motorenanlage gekühlt und gereinigt werden soll) oder das bei der Verbrennung von Produktgas aus der Biomassevergasung entstehende heiße Rauchgas.
Die Energiegewinnung aus Biomasse gewinnt weltweit zunehmend an Bedeutung, da eine Vielzahl von ökologischen, volkswirtschaftlichen und sozialen Vorteilen mit dieser Form der regenerativen Energie in Verbindung gebracht werden. Dies gilt insbesondere für die aus Ef izienzgründen anzustrebende gekoppelte Strom- und Wärmebereitstellung aus fester Biomasse. Realisiert werden derartige Anlagen heute meist auf der Basis konventioneller Dampfkraftprozesse . Sie haben sich bereits vielfach im kommerziellen Einsatz bewährt. Aus Kostengründen liegen derartige Anlagen jedoch meist im Leistungsbereich von deutlich über 1 MW elektrischer Leistung. Bioenergieanlagen kleinerer elektrischer Leistung sind mit dieser konventionellen Technologie meist nicht zu wirtschaftlichen Konditionen realisierbar (geringe Wirkungsgrade bei Dampfmotoren, hohe spezifische Kosten bei Dampfturbinen) . Im kleinen Leistungsbereich ab weniger kW Feuerungswärmeleistung sind heute praktisch ausschließlich die exergetisch weniger hochwertigen Anlagen zur ausschließliche Wärmebereitstellung aus fester Biomasse im praktischen Einsatz, da bis heute keine Technologie zur Verfügung steht, die es erlaubt, auch im Bereich elektrischer Leistungen von deutlich unter 1 MW zuverlässig und wirtschaftlich Strom und Wärme aus fester Biomasse zu erzeugen.
Der gegenwärtig durch Markteinführungsprogramme geförderte Organic Rankine Cycle (ORC-Prozess) stellt eine Alternative zum Dampfmotor dar. Es handelt sich hierbei um einen weitgehend konventionellen Wärmekraft- prozess, bei dem das Arbeitsmittel allerdings ein organisches Lösungsmittel ist. Aufgrund der besonderen Eigenschaften dieses Arbeitsmittels lassen sich mit dem ORC-Prozess Dampfkraftprozesse realisieren, die gerade im Leistungsbereich von 200 bis 1.500 kW elektrisch gegenüber dem Dampfmotor technisch und ökonomisch konkurrenzfähig bzw. vorteilhaft erscheinen. Aufgrund vergleichsweise geringer Prozesstemperaturen sind die erzielbaren elektrischen Wirkungsgrade des ORC- Prozesses aber physikalisch begrenzt .
In den vergangenen Jahrzehnten wurde auch die
Vergasung von fester Biomasse mit nachfolgender Nutzung des erzeugten Produktgases in effizienten Kraftmaschinen, wie bspw. Verbrennungsmotoren oder vereinzelt auch Gasturbinen, intensiv erforscht. Der Bau eines zuverlässig funktionierenden und wirtschaftlich betreibbaren Gesamtsystems konnte aber bis heute nicht realisiert werden, da insbesondere mit der Aufbereitung des aus der Vergasung gewonnenen Schwachgases auf die von der Kraftmaschine angeforderten Qualitäten eine Vielzahl von technischen und ökonomischen Problemen einher gehen. Dies zeigt die vom Öko-Institut (Institut für angewandte Ökologie e. V.), Darmstadt, im Jahr 2001 publizierte „Marktübersieht dezentrale Holzvergasung : Marktanalyse 2000 für Holz- vergasersysteme bis 5 MW" auf eindrucksvolle Weise. Im Zuge der Problemlösung werden diese Verfahren zunehmend komplexer und verfahrenstechnisch aufwändiger, so dass sie in absehbarer Zukunft zwar für einen Leistungs- bereich von über 1 MW elektrischer Leistung eine vielversprechende Technologie darstellen können, im kleinen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung aber aus wirtschaftlichen Gründen kaum mehr in Frage kommen können.
Nicht zuletzt aufgrund dieses Trends erfährt der Stirlingmotor seit einigen Jahren eine deutlich zunehmende Aufmerksamkeit im Bereich der Energie- gewinnung aus fester Biomasse. Beispielhaft ist eine solche Anlage aus H. Carlsen, „Biomasse betriebene Stirling Motoren", BWK Band 53 (2001) Nr. 12, Seite 61 bekannt. Die Kombination dieser Kraftmaschine mit einer konventionellen und in hohen Stückzahlen produzierten Holzfeuerung zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse im sehr kleinen Leistungsbereich von unter 100 kW elektrischer Leistung erscheint aus Kostengründen ein grundsätzlich vielversprechender Ansatz. Trotz seiner bereits jahrzehntelangen Entwicklung ist der Stirlingmotor aber eine überaus störanf llige Maschine, die noch immer technologische Risiken und vor allem viel zu hohe Kosten aufweist . Aus diesem Grunde werden Biomasse-befeuerte Stirlingmotor- systeme derzeit praktisch ausschließlich zu Forschungsund Demonstrationszwecken eingesetzt.
Weitere, in einem Artikel von P. Heinrich et al . , „Stromerzeugung aus Biomasse: Überblick über die technischen Verfahren und deren Wirtschaftlichkeit" in: Gülzower Fachgespräche: „Energetische Nutzung von Biomasse durch Kraft-Wärme-Kop lung", Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (Hrsg.), Gülzow, 2000, Seiten 25 - 39, aufgeführte Technologien zur Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse im sehr kleinen Leistungsbereich sind der Staubmotor (d. h. die direkte Verbrennung staubförmig aufgemahlener Biomasse) , die Pyrolyse von fester Biomasse mit nachgeschalteten Kraftprozessen sowie der BrennstoffZeileneinsatz in Verbindung mit der vorangegangenen Vergasung oder Pyrolyse der Biomasse. Diese Technologien befinden sich einheitlich in sehr frühen Entwicklungsstadien und stehen dem Markt damit auf absehbare Zeit nicht zur Verfügung .
Zusammenfassend lässt sich damit feststellen, dass es eine Vielzahl von Verfahren zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse gibt, derzeit aber keine überzeugenden Anlagenkonzepte für den kleinen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung zur Verfügung stehen. Hinzu kommt, dass die derzeit bekannten Anlagensysteme auf der Basis von konventionellen Biomassefeuerungen meist vergleichsweise hohe Schadstofffreisetzungen (z. B. an Stickstoffoxiden, Staubpartikeln und - je nach eingesetzter Biomasse - auch von sauren Komponenten wie z. B. Chlorwasserstoff) aufweisen, da Festbrennstoff- feuerungen prinzipiell zu höheren Schadstoffbildungen führen und in Kleinanlagen aus ökonomischen Gründen häufig keine aufwändige Rauchgasreinigungen installiert werden. Darüber hinaus kann die in der festen Biomasse enthaltene Energie bei den derzeit bekannten Technologien zur Energiegewinnung aus fester Biomasse häufig nur unzureichend genutzt werden, da diese Anlagen meist an Wärmeverbraucher angeschlossen sind, deren Rücklauftemperaturen zu hoch für eine umfassende Nutzung der im Rauchgas enthaltenen sensiblen und latenten Wärme sind. Gerade bei stark wasserhaltigen Biomassen verbleiben damit häufig erhebliche Energiemengen im Rauchgasstrom ungenutzt. Ferner ist festzustellen, dass bei konventionellen Biomassetechnologien eine Kälteerzeugung nicht unmittelbar systemintegriert, sondern ausschließlich durch die Ergänzung des Energiesyte s um weitere Teilsysteme (z.B eine Absorptionskältemaschine) möglich ist.
Ausgehend von diesem nicht zufrieden stellenden Stand der Technik bei der gekoppelten Strom-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus fester Biomasse gerade im Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Anlage anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine gesteigerte Brennstoffenergieausnutzung bei gleichzeitig reduziertem Luftschadstoffausstoß, eine Stromerzeugung gerade im elektrischen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW sowie - als zusätzliche optionale Energiedienstleistung - eine prozessintegrierte Kältebereitstellung ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Anlage gemäß den Patentansprüchen 1 bis 63 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anlage sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen mit prozessintegrierter Gasreinigung, bei dem die im Heißgas enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus genutzt und mindestens teilweise zum
Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel (einzelner Stoff oder Stoffgemisch; im Folgenden vereinfacht „Arbeitsmittel" genannt) in einem thermischen MehrstoffVerdichter verdichtet und, z.B. im Anschluss daran, vollständig oder als Teilstrom durch Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine entspannt wird, die vorzugsweise zur Erzeugung elektrischer Energie einen Generator antreibt.
Mindestens ein Teilstrom des Arbeitsmittels durchströmt mindestens einen Wärmetransformator, in dem das Arbeitsmittel, z.B. in einem Kondensator, unter Wärmeabgabe möglichst vollständig kondensiert wird, anschließend, z.B. in einer Drossel, expandiert und, z.B. in einem Verdampfer, möglichst vollständig verdampft und dabei die Abwärmeströme eines zur kombinierten Gasreinigung und Wärmerückgewinnung eingesetzten Heißgaskondensators und/oder externe Wärmeströme auf immt . Der Kreisprozess wird geschlossen durch die erneute Kompression des z.B. durch Expansionsmaschine und/oder Wärmetransformator auf unteren Prozessdruck entspannten Arbeitsmittels.
Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Anlage ermöglichen damit auf einzigartige Weise eine schadstoffarme, energieeffiziente und hochflexible Kraft- bzw. Strom-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen im Allgemeinen und aus festen Biomassen im Besonderen.
Der Heißgaskondensator kann in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden
Anlage auch als Heißgaswäscher ausgebildet sein.
Ebenso kann der Wärmetransformator in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage auch als Resorber ausgeführt sein. In diesem Fall wird das Arbeitsmittel bei einem oberem Prozessdruck unter Wärmeabgabe in einem Absorber in eine Mehrstofflösung eingebunden (hierin enthalten ist nicht zwingend das gleiche Mehrstoffgemisch wie im Mehrstoff erdichter) , die mit dem Arbeitsmittel angereicherte Lösung wird auf einen unteren Prozessdruck gedrosselt und das Arbeitsmittel wird anschließend in einem Austreiber unter Wärmezufuhr von außen aus der Lösung wieder ausgetrieben. Die dadurch verdünnte Lösung wird z.B. mittels einer Pumpe wieder zurück zum Absorber des Wärmetransformators transportiert. Der besondere Vorteil eines derart gestalteten Wärmetransformators ist die allein durch Variation der Konzentrationsverhältnisse im Resorber beeinflussbare Temperatur von Wärmeaufnahme und -abg be im Wärmetransformator.
Eine weitere optionale Ausgestaltung des
Wärmetransformators des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage ist die DampfStrahlkältemaschine. In diesem Fall wird die Druckenergie des auf einem oberen Prozessdruck befindlichen, dampfförmigen und ggf. überhitzten Arbeitsmittels in der Treibdüse eines Strahlverdichters in Strömungsenergie umgesetzt. In einer nachfolgenden Mischkammer wird durch Impulsaustausch Arbeitsmitteldampf aus einem Verdampfer angesaugt. Das im dortigen Verdampfer bei geringem Druck verdampfende Arbeitsmittel nimmt Wärme in den
Wärmetransformator auf. In dem sich an die Mischkammer anschließenden Diffusor wird die Strömungsenergie des treibenden und verdampften Arbeitsmittels wieder in Druckenergie umgesetzt. Der Gesamtarbeitsmittelstrom verlässt den Wärmetransformator dampfförmig auf reduziertem Prozessdruckniveau und kann z.B. direkt in den Absorber geleitet und/oder mindestens teilweise in einem Kondensator kondensiert werden. Das in den Verdampfer eingeleitete Arbeitsmittel wird dem Kreis- lauf an geeigneter Stelle (z.B. nach einem Kondensator) entnommen und z.B. mittels einer Drossel auf den Verda pferdruck entspannt . Die Verdichtung des aus der Durchströmung von Kraftprozess und/oder Wärmetransformator auf unteren Prozessdruck entspannten Arbeitsmittels im thermischen Mehrstoff erdichter erfolgt derart, dass das Arbeitsmittel bei einem unterem Prozessdruck in einem Absorber unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem Arbeitsmittel aufkonzentrierte Lösung z.B. mittels einer Pumpe auf einen höheren Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in einem Austreiber unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas und/oder ggf. anderer
Wärmequellen aus der konzentrierten Lösung ausgetrieben und die dadurch verdünnte Lösung - ggf . über den Umweg einer weiteren Kompression und der anschließenden Austreibung in einem zweiten Austreiber durch Wärme- zufuhr aus dem Heißgas - z.B. über eine Drossel wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und in den Absorber zur erneuten Aufnahme von Arbeitsmittel zurückgeleitet wird. Alternativ ist auch die Parallelschaltung mehrerer von Heißgas und/oder anderen Wärmequellen beheizten Austreibern auf unterschiedlichen Druckniveaus denkbar, die z.B. aus einem einzigen Absorber mit konzentrierter Lösung gespeist werden und ihre verdünnte, gedrosselte Lösung in diesen Absorber wieder zurückführen. Zur Effizienzsteigerung ist es dabei meist sinnvoll, einen Wärmeaustausch zwischen aufkonzentrierter und verdünnter Lösung z.B. mittels eines Wärmetauschers zu ermöglichen. Gleiches gilt für einen als Wärmetransformator eingesetzten Resorber.
Enthält das Heißgas ausreichend kondensierbare Bestandteile, werden allein durch Unterkühlung des Heißgases im Heißgaskondensator sowohl staubförmige als auch gasförmige Luftschadstoffe sowie ggf. Geruchsstoffe aus dem Heißgas teilweise ausgewaschen. Der dabei anfallende Kondensatschlämm wird dem Prozess entzogen. Enthält das Heißgas nicht genügend kondensierbare Bestandteile und/ oder soll eine umfangreichere Gasreinigung erzielt werden, wird eine Waschflüssigkeit und zusätzlich ggf. das Kondensat (z.B. nach einer angemessenen Aufbereitung wie Sedimentation oder Filtrierung) abgekühlt und zurück in den Heißgasstrom eingedüst, um dort einen erhöhten Stoff- und Wärmeaustausch zu bewirken. Die Kühlung des Kondensats und/ oder der Waschflüssigkeit erfolgt durch Wärmeabgabe an einen ver ahrensintegrierten Wärmetransformator und/oder an externe Verbraucher. Der anfallende Kondensatschlämm wird dem Prozess entzogen.
Die Verfahrensbeschreibung umfasst damit im Wesentlichen die folgenden Grundvarianten:
1. Geschlossener Kreisprozess mit einer Parallelschaltung von einem thermischen Mehrstoffverdichter (Einheit aus Absorber, Pumpe, Austreiber und Drossel) , einem Kraftprozess (Einheit aus Überhitzer und einer nachgeschalteten Expansionsmaschine) und einem Wärmetransformator (Einheit aus einem Kondensator, einer Drossel und einem Verdampfer) , wobei das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.
2. Geschlossener Kreisprozess mit einer Reihenschaltung von einem thermischem Mehrstoff erdichter, einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator, wobei das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.
3. Geschlossener Kreisprozess mit einer Reihenschaltung von einem thermischem Mehrstoff erdichter, einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator, wobei dem Wärmetransformator zusätzlich ein Kraftprozess parallelgeschaltet ist und das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.
4. Geschlossener Kreisprozess mit einer Verschaltung von einem zweistufigen thermischen Mehrstoffverdichter (Einheit aus Absorber, Pumpen, zwei Austreibern und Drossel) , einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator, wobei das aus der Expansionsmaschine kommende Arbeitsmittel einen auf Zwischendruckniveau betriebenen Austreiber beheizt und das beheizende Arbeitsmittel nach seiner Kondensation und Drosselung zusammen mit dem auf Zwischendruckniveau ausgetriebenen Arbeitsmittel in den Wärmetransformator eingeleitet wird und wobei das den Prozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.
5. Verfahrensvarianten nach 1. ) bis 4. ) , wobei der Wärmetransformator als Resorber ausgeführt ist. 6. Verfahrensvarianten nach 1.) bis 4.), wobei der Wärmetransformator als DampfStrahlkältemaschine ausgeführt ist.
7. Verfahrensvarianten nach 1.) bis 6.), wobei der
Gaskondensator als Gaswäscher ausgebildet ist, indem das den Kreisprozess antreibende Heißgas durch Eindüsung einer Waschsubstanz und/ oder ggf . aufbereitetem Kondensat unterkühlt und teilweise ausgewaschen wird.
Hierauf aufbauend sind vielzählige Varianten des als Erfindung angemeldeten Verfahrens und der Anlage möglich. So zum Beispiel durch • die Integration mehrerer Wärmetransformatoren in einen einzigen Kreisprozess (z.B. durch Reihen- oder Parallelschalten einer Einheit aus Kondensator, Drossel und Verdampfer einerseits und DampfStrahlkältemaschine andererseits) , • die Integration mehrerer, auf unterschiedlichen Druckniveaus betriebener und an den/die gleichen Austreiber angeschlossener Absorber in einen einzigen Kreisprozess,
• die wärmetechnische Verschaltung mehrerer Kreisprozesse des genannten Verfahrens unter gegenseitiger Nutzung von Abwärme, Kühlleistung und/oder Heizwärme,
• die Einbindung externer Wärmequellen in den Gesamtprozess (z.B. Nutzung der Wärme einer Solaranlage oder eines Spitzenlastkessels zur
Beheizung eines Austreibers oder Verdampfers; oder Nutzung von Erd- oder Umgebungswärme als Wärmequelle für den Wärmetransformator) , o die verstärkte interne Wärmenutzung (z.B. Aufheizung aufkonzentrierter Lösung durch Rauchgas; oder Nutzung von kondensierendem
Arbeitsmittel zum Beheizen weiterer Austreiber) sowie
• die erweiterte Wärmeabfuhr (z.B. Wärmeabgabe des aus der Turbine austretenden Arbeitsmittels an einen Heizkreislauf; oder Wärmeauskopplung aus der heißen Mehrstofflösung des Austreibers z.B. zu Hochtemperatur-Beheizungszwecken).
Weitere Variationen und Ergänzungen des dieser Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens und der zugehörigen Anlage werden im weiteren Verlauf dieser Beschreibung noch vorgestellt und erläutert.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 19650183 AI oder der US 4009575 A, sind bereits geschlossene Kreisprozesse mit Parallelschaltungen von thermischen Verdichtern, Kraftprozessen und Wärmetransformatoren bekannt . Diese Druckschriften zielen meist ausschließlich auf die Nutzung der Abwärme eines beliebigen Wärmestroms zur Kraft-, ggf. Wärme- und optionalen Kältebereitstellung ab.
Beispielhaft ist auch aus der US 4803958 A eine Absorptionsmaschine zur Komprimierung von Dampf in einem offenen Kreislauf bekannt, bei dem der auf einem niedrigen Druckniveau befindliche Dampf mittels eines thermischen Mehrstoffverdichters auf ein nützliches höheres Druckniveau komprimiert wird. In dem thermischen Mehrstoffverdichter wird der Dampf bei niedrigem Druck durch eine flüssige Absorberlösung unter Wärmeabgabe aufgenommen. Die abgegebene Wärme wird zum Verdampfen von Speisewasser genutzt. Die flüssige Absorberlδsung mit dem aufgenommenen Dampf wird über eine Pumpe auf einen höheren Druck komprimiert und der Dampf auf diesem höheren Druckniveau unter Wärmeaufnahme von heißen Abgasen einer mit der Absorptionsmaschine gekoppelten internen Verbrennungsmaschine ausgetrieben.
Das hier als Erfindung vorgestellte Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme und/ oder Kältebereitstellung aus schadstoffbelasteten Heißgasen mit integrierter Heißgasreinigung unterscheidet sich von den Verfahren derartiger Druckschriften insbesondere darin, dass hier nicht nur die (durch prozessintegrierte Unterkühlung des Heißgases im übrigen weiter gesteigerte) Energiegewinnung aus einem Wärmeträger, sondern - bei einer Beschränkung der Wärmeträger auf schadstoffbeladene
Heißgase- erstmalig auch die Reinigung des Wärmeträgers erzielt wird. Diese bedeutsame, bisher nicht realisierte Zusatzfunktion des Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das Heißgas in einem Heißgaskondensator infolge der Wärmeabgabe an den
Verdampfer und/oder externe Verbraucher unterkühlt und teilweise ausgewaschen wird. Eine zusätzliche Gaswäsche kann erfindungsgemäß mit dem ggf. aufbereiteten Kondensat aus dem Heißgas und/ oder mit zusätzlichen Waschsubstanzen erfolgen, falls der Kondensatanfall zu gering ist und/ oder die Reinigungswirkung einer allein auf der Kondensation basierenden Wäsche nicht ausreicht . Darüber hinaus kann die nach der Wärmeübertragung z.B. an Überhitzer und Austreiber im Heißgas noch enthaltene Wärme als Abwärme der Gaskondensation bzw. Gaswäsche zusätzlich in den Prozess eingebunden und damit potenziellen Verbrauchern auf einem erhöhten Temperaturniveau (durch Wärmeaus- kopplung aus Austreiber und Wärmetransformator) zur Verfügung gestellt werden.
In diesem Zusammenhang gewinnt auch die Druck- schritt DE 3824046 AI an Bedeutung. Hier wird die Wärme eines Heißgases dazu verwendet, mittels eines Absorptionsverfahrens lösungsmittelhaltige Abluft unter Rückgewinnung des Lösungsmittels zu reinigen. Dabei wird Abluft mit hohen Lösungsmittelkonzentrationen zunächst gekühlt und dabei der größte Teil des Lösungsmittels durch Kondensation zurück gewonnen. Die weitere Reinigung erfolgt durch Adsorption in einem Adsorber. Die Desorptiσn des beladenen Adsorbers erfolgt bei höheren Temperaturen. Das desorbierte Lösungsmittel wird durch Kondensation bei tiefen Temperaturen zum größten Teil zurückgewonnen. Zur Kühlung und zur Erwärmung wird eine Wärmepumpe eingesetzt, wobei bei Verwendung einer Kompressionswärmepumpe durch Ausnutzung der Überhitzungswärme des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe im Verdichter und bei Verwendung einer
Absorptionswärmepumpe durch Ausnutzung der Abgaswärme des Austreibers der zur Desorption eingesetzte Wärmeträgerstrom auf Temperaturen erwärmt wird, die erheblich über der Kondensationstemperatur des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe liegen.
Bei dieser Druckschrift steht somit allein die Gasreinigung und Lösemittelrückgewinnung im Vordergrund, nicht aber die Bereitstellung von Nutzenergie (Kraft, Wärme, Kälte) für externe Verbraucher. Somit liegt auch hier eine eindeutige Abgrenzung gegenüber dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Anlage vor.
Die im vorliegenden Verfahren optional verwendete DampfStrahlkältemaschine ist an sich Stand der Technik. So wird beispielsweise in der DE 0010162934 AI eine Technik zur direkten Kopplung einer Dampfstrahlkälte- maschine mit einem Parabolrinnenkollektorsystem beschrieben.
Weitere Abgrenzungen gegenüber den bestehenden Druckschriften ergeben sich aus den nachfolgend aufgeführten, z. T der Optimierung des Verfahrens und z. T. der Konkretisierung von Anlagenkonzepten dienenden Verfahrensvarianten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage wird als Expansionsmaschine eine weitgehend kommerzielle
Anlagentechnik verwendet. Hierbei kann es sich z.B. um eine Heißgasturbine, eine Gasentspannungsturbine, eine Dampfturbine, einen Schraubenmotor oder einen Dampfmotor handeln, die optional einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Ist ein MehrstoffVerdichter in Reihe zu einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator geschaltet, kann ein Teilstrom des Arbeitsmittels nach der Kondensation im Kondensator des Wärmetransformators abgezweigt und auf einem Zwischen- druckniveau direkt z.B. dem aufkonzentrierten Strom des
Mehrstoffverdichters zugeführt werden, um das Ausmaß der Verdampferleistung im Wärmetransformator zu variieren. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage wird ein aus dem Einsatz in kommerziellen Kältemaschinen bzw. Wärmepumpen bekanntes Mehrstoff- gemisch verwendet. Hierbei kann es sich insbesondere um die Stoffpaare Ammoniak/ Wasser, Wasser/ Lithiumbromid und Wasser/ Lithiumchlorid handeln.
Je nach eingesetztem Mehrstoffgemisch (z.B. Ammoniak-Wasser) ist ggf. der Einsatz einer Einrichtung notwendig, die die Arbeitsmittelkonzentration des aus dem Mehrstoffverdichter ausgetriebenen Dampfstromes erhöht. Dies kann z.B. durch Membranverfahren erfolgen und/oder durch einen Rektifikator . Beim Rektifikator wird z.B. aus dem Kondensator bzw. Absorber eines
Wärmetransformators ein Teilstrom des Arbeitsmittel- kondensats bzw. der Mehrstofflösung zurück zum Austreiber des Mehrstoffverdichters geführt und dort in intensiven Kontakt mit dem ausgetriebenen Dampfstrom gebracht. Zusätzlich kann auch die reiche Lösung des Mehrstoffverdichters in intensiven Kontakt zum austretenden Dampfström gebracht werden. Dadurch erhöht sich der gewünschte Arbeitsmittelanteil im Dampfström. Alternativ oder ergänzend ist bei Einsatz eines Resorber-Warmetransformators denkbar, zur Regelung der Mehrstoffkonzentrationen im Mehrstoffverdichter einerseits und im Resorber-Wärmetransformator andererseits einen zusätzlichen Lösemittelaustausch zwischen beiden Systemen zu ermöglichen.
Zur Steigerung der Effizienz des Gesamtprozesses ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage möglich, eine Expansionsmaschine durch mehrere, hintereinander geschaltete Expansionsmaschinen, zwischen denen das Arbeitsmittel jeweils optional (z.B. im Wärmeaustausch mit dem Heißgas) zwischenüberhitzt wird, zu ersetzen (mehrstufige Expansion, Zwischenüberhitzung) .
Eine weitere effizienzsteigernde Verfahrens- bzw. Anlagenvariante besteht darin, bei der Krafterzeugung z.B. einen Rekuperator einzusetzen, mit dem das
Arbeitsmittel noch vor dem Eintritt in den Überhitzer bzw. Zwischenüberhitzer durch Wärmeaustausch mit dem aus einer Expansionsmaschine austretenden Arbeitsmittel vorgewärmt wird (Rekuperator) .
Zur Steigerung der Effizienz des Wärmetransformationsprozesses ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage möglich, das entspannte Arbeitsmittel nach weitgehender Verdampfung im Wärmetransformator in
Wärmeaustausch mit dem komprimierten Arbeitsmittelstrom des gleichen Wärmetransformationsprozesses zu bringen, welcher zuvor weitgehend kondensiert wurde. Hierdurch werden höhere Kondensatgehalte im Arbeitsmittel nach Entspannung erzielt und dadurch die Effizienz der Wärmetransformation gesteigert (Kälte-Rekuperator) .
Die Effizienz eines thermischen Mehrstoffverdichters lässt sich in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage dadurch steigern, dass die aufkonzentrierte Lösung und die verdünnte Lösung des Mehrstoff erdichters z.B. über einen Wärmetauscher in Wärmeaustausch miteinander gebracht werden. Dadurch wird die aufkonzentrierte Lösung vor Eintritt in den Austreiber aufgeheizt und die verdünnte Lösung vor Eintritt in den Absorber abgekühlt . Ergänzend oder alternativ ist auch die Aufheizung der aufkonzentrierten Lösung durch Wärmeaustausch mit dem Heißgas und die Abkühlung der verdünnten Lösung durch Wärmeabgabe an externe Verbraucher möglich.
Eine ebenfalls effizienzsteigernde Ausgestaltung des genannten Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage besteht darin, die Entspannung der verdünnten Lösung im thermischen Mehrstoffverdichter nicht mittels einer Drossel, sondern mittels einer Expansionsmaschine zu realisieren. Optional ist es in diesem Fall sogar möglich, die verdünnte Lösung mindestens als Teilstrom, z.B. im Wärmeaustausch mit dem Heißgas, zu verdampfen und zu überhitzen, mit einem Teilstrom des komprimierten Arbeitsmittels zusammenzuführen und in mindestens einer Expansionsmaschine gemeinsam zu entspannen. Alternativ ist es möglich, mindestens einen Teilstrom der verdünnten Lösung z.B. mit Hilfe einer Pumpe weiter zu komprimieren, separat zu überhitzen und dann in mindestens einer separaten Expansionsmaschine zur Kraft- oder Stromerzeugung zu entspannen. Diese
Varianten beschränken sich auf Mehrstoffgemische, die weitgehend rückstandlos verdampfbar sind (z.B. Ammoniak-Wasser-Gemische) .
Eine funktionserweiternde Ausgestaltung des genannten Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage besteht in der variablen Änderung der Konzentrationsverhältnisse des Stoffgemisches im Mehrstoff- Verdichter und/oder im als Resorber ausgeführten Wärmetransformator. Diese Änderung kann erforderlich sein, um die sehr unterschiedlichen Temperatur- und/oder Druckverhältnisse, die für einen zeitlich variierenden Betrieb der Anlage (z. B. einmal zur
Wärmeerzeugung und ein anderes Mal zur Kälteerzeugung) im Kreisprozess notwendig sind, realisieren zu können. Die Änderung des Mischungsverhältnisses kann bspw. durch regelungstechnische Eingriffe und/oder durch Einsatz eines Speicherbehälters realisiert werden, der dem geschlossenen Kreislauf zusätzliches Arbeitsmittel zuführt oder entzieht. Alternativ oder ergänzend dazu sind auch technische Lösungen möglich, bei denen das im Mehrstoffverdichter und/oder im als Resorber ausge- führten Wärmetransformator zirkulierende Stoffgemisch, d.h. die aufkonzentrierte und/oder die verdünnte Lösung, zwischengespeichert werden.
Weitere optionale Ausgestaltungen insbesondere zur Erzielung hoher Betriebstüchtigkeiten der genannten
Anlage bestehen z.B. darin, dass die Anlage hermetisch dicht ausgeführt wird, dass die Expansionsmaschinen schmiermittelfrei betrieben werden, dass eine Einrichtung zum teilweisen oder vollständigen Austausch des Arbeitsmittels und/ oder des im Mehrstoffverdichter und/oder im Resorber eingesetzten Lösungsmittels vorgesehen ist, dass eine Einrichtung zur Reinigung des Arbeitsmittels und/oder eines im Mehrstoffverdichter und/oder Resorber eingesetzten Lösungsmittels vorgesehen ist, dass eine Einrichtung zur Entfernung von Fremd- bzw. Störstoffen aus dem Wärmetransformator vorgesehen ist, und/oder dass Zuschlagstoffe (z.B. Korrosionsinhibitoren) in die Mehrstofflösung gegeben werden. Diese Maßnahmen können einzeln oder auch kombiniert angewendet werden.
Beispielhaft ist die Installation einer Ent- gasungseinrichtung des Absorbers und Kondensators eines Wärmetransformators möglich, weil sich hier bei Betrieb u.a. gasförmige Verunreinigungen oder Spaltprodukte des Arbeitsmittels bzw. Arbeitsmittelgemisches anreichern und die Funktion der Anlage beeinträchtigen könnten. Beim Einsatz von Ammoniak und Wasser als Stoffpaar könnten die Entgasungsstoffe (z.B. NH3 , H20, N2, H2) z.B. kontinuierlich aus dem Absorber und Kondensator als Teilstrom entzogen und einer vorangeschalteten Feuerung oder Vergasung mit oder ohne Einsatz von nachgeschalteten Katalysatoren gleichmäßig dosiert als Entstickungsmittel zugegeben werden (SCR bzw. SNCR Entstickung) . Auf diese Weise würde nicht nur der Absorber von unerwünschten Stoffen entgast, sondern es würden auch u.a. auch Stickstoffoxidemissionen- reduzierende Effekte in der Feuerung erzielt.
Weitere optionale Ausgestaltungen der genannten Anlage bestehen darin, dass z.B. in einen Kondensator oder Absorber eines Wärmetransformators eine Einrichtung zur Auskopplung nicht-kondensierbarer
Komponenten aus dem Kreislauf integriert wird und dass z.B. in einen Verdampfer eines Wärmetransformators eine Einrichtung zur Ableitung von Kondensat z.B. in den Absorber des MehrstoffVerdichters integriert ist. Diese Vorrichtungen können einzeln oder auch in Kombination eingesetzt werden. Für den Wärmeübergang vom Heißgas auf den oder die Überhitzer, Austreiber, Verdampfer und andere Wärmeabnehmer sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Anlage geeignete Einrichtungen im Heißgaskanal vorgesehen. Die Wärmeübertragung kann dabei z.B. durch geeignete Wärmetauscher oder über zusätzliche Zwischenkreisläufe (z.B. unter Verwendung von Wasser oder Thermool) erfolgen. Der Austreiber kann bspw. als Flammrohr-Rauchrohr- (Druck) -Kessel ausgeführt werden. Dem Fachmann sind entsprechende Einrichtungen bekannt. Aus energetischen Gründen ist es sinnvoll, dass beim Einsatz des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage dem Heißgas zunächst die (hochtemperierte) Wärmeenergie für den oder die Überhitzer, stromabwärts davon die (geringer temperierte) Wärmeenergie für den oder die Austreiber eines Mehrstoffverdichters entnommen wird und erst danach die Heißgaskondensation bzw. -Wäsche unter Abgabe von Niedertemperaturwärme erfolgt . Die Installation zusätzlicher Wärmetauscher in den
Heißgaskanal z . B . zur Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas und Abgabe an externe Verbraucher sind überall möglich.
In Verbindung mit einer Biomassefeuerung, deren Rauchgase als schadstoffbeladenes Heißgas dienen, ist das vorliegende Verfahren einschließlich all seiner Varianten sowie der zugehörigen Anlagen insbesondere für die gekoppelte Kraft- bzw. Strom-, Wärme- und/ oder Kälteerzeugung aus fester Biomasse im Leistungsbereich von unter 1 MW elektrischer Leistung geeignet. Damit erschließen sich für diese Ausgestaltung eine Vielzahl von Anwendungen, wie bspw. die Bereitstellung von Grundlastwärme in Gewerbebetrieben, landwirtschaftlichen Höfen, öffentlichen Gebäuden, Mehrfamilienhäusern und Wohnsiedlungen bei gleichzeitiger Einspeisung des erzeugten Stromes in das Netz der öffentlichen Versorgung und zusätzlichem optionalem Angebot von Kälte z.B. zur Klimatisierung im Hochsommer. Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Anlage besteht darin, dass infolge der verfahrensintegrierten Rauchgas- kondensation bzw. -Wäsche gegenüber konventionellen
Festbrennstofffeuerungen reduzierte Schadstoffgehalte (z. B. an Staub und sauren gasförmigen Komponenten) im Abgas erzielt werden können. Ein weiterer Vorteil der Rauchgaskondensation bzw. -Wäsche besteht u. a. darin, dass mindestens ein Teil der im Rauchgas befindlichen latenten Wärme in den Prozess eingekoppelt und durch Wärmetransformation auf ein höheres Temperaturniveau auch für eine Nutzung z. B. zu Heizzwecken auf üblichen Temperaturniveaus erschlossen werden kann. Darüber hinaus wird das Rauchgas durch die Kondensation teilweise getrocknet, was insbesondere nach Vermischung des auskondensierten bzw. gewaschenen Heißgases mit Umgebungsluft eine reduzierte Schwadenbildung am Schornstein zur Folge haben kann. Dies kann sich im Einzelfall positiv auf die Betriebsgenehmigung auswirken. Auch könnte sich die Geruchsbelastung in der Umgebung einer erfindungsgemäßen Biomasseanlage durch die Gaswäsche reduzieren.
In Verbindung mit einer Biomassevergasung, deren
Produktgase als schadstoffbeladenes Heißgas dienen, kann das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Anlage zur Abkühlung, Trocknung und Reinigung der Produktgase bei gleichzeitiger Energiebereitstellung eingesetzt werden. Das primäre Ziel ist hierbei die zielgenaue Gasaufbereitung für den nachfolgenden Einsatz des Produktgases z. B. in Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen und die Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens bzw. seiner zugehörigen Anlage ist z.B. eine vorgeschaltete katalytische Teerreinigung des Produktgases sinnvoll, um den Ausfall von teerartigen Kondensaten im Heißgaskondensator bzw. -Wäscher zu verhindern.
Gerade in Verbindung mit der Energiegewinnung aus Biomasse kann das bei dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Anlage anfallende Kondensat besonders zweckmäßige Verwertungswege erfahren. Beispielweise ist es möglich, den Kondensatschlamm aufzubereiten (z.B. durch Sedimentation, pH-Neutralisierung) und die separierte Flüssigfraktion anschließend als Prozess- wasser z.B. in einer dem Gesamtprozess vorgeschalteten
Brennstoffwasche oder in einem dem Prozess nachgeschalteten Nasskühlturm einzusetzen. Eine andere beispielhafte Option ist die Verwertung des anfallenden KondensatSchlamms als Düngemittel.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Anlage werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen: Figur 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage bei einer Parallelschaltung von einem Mehrstoffverdichter, einem Wärmetransformator und einem Kraftprozess;
Figur 2 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Heißgaskondensators bzw. -Wäschers;
Figur 3 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage, bei der ein Wärmetransformator als Resorber ausgeführt ist;
Figur 4 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage, bei der ein Wärmetransformator als DampfStrahlkältemaschine ausgeführt ist;
Figur 5 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage bei einer Reihenschaltung von einem thermischem Mehrstoffverdichter, einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator;
Figur 6 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage bei einer Verschaltung von einem zweistufigen thermischem Mehrstoffverdichter, einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator; Figur 7 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage bei einer kombinierten Reihen- und Parallelschaltung von einem MehrstoffVerdichter, einem W rmetransformator und zwei Kraftprozessen;
Figur 8 ein Beispiel für eine um einen Rekuperator und zusätzliche Wärmeentnahmestellen erweiterte Ausgestaltung des vorliegenden
Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage;
Figur 9 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage, bei der verarmte Lösung aus dem Mehrstoffverdichter teilweise entnommen und verdampft wird und die Expansionsmaschine von einem überhitzten Gemisch aus Arbeitsmittel und verarmter Lösung durchströmt wird;
Figur 10 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage, die um einen Arbeitsmittelspeicher und eine
Kältebereitstellung für externe Verbraucher erweitert ist; und
Figur 11 ein Beispiel für die Nutzung der Wärmeenergie des Rauchgases einer Biomassefeuerung in der vorliegenden Anlage bzw. dem vorliegenden Verfahren. Wege sur Ausführung der Erfindung Das vorliegende Verfahren sowie die vorliegende Anlage werden im Folgenden anhand der in den Figuren 1 bis 11 dargestellten Ausführungsbeispiele in ihrer Funktion exemplarisch erläutert. Die im Prozess vorherrschenden Drücke variieren je nach eingesetztem Mehrstoffgemisch und je nach Temperaturniveau der Wärmetransformation erheblich und können z.B. bei Ammoniak-Wasser-Gemischen in der Größenordnung von 105 bis 50*105 Pa und darüber liegen, während die Drücke bei Wasser-Lithiumbromid-Gemischen eher im Bereich von 102 bis 5*10s Pa zu erwarten sind.
In der Figur 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Anlage schematisch dargestellt, bei der ein Wärmetransformator 13 parallel zu einem Mehrstoffverdichter 1 und zu einem Kraftprozess 11 geschaltet ist. Beim Betrieb dieser Anlage mit dem vorliegenden Verfahren wird im Absorber 7 des MehrstoffVerdichters 1 das aus der Gasexpansionsturbine 3a als Expansionsmaschine kommende Arbeitsmittel abgekühlt und unter Wärmeabgabe 23 (bei bspw. 70°C an ein Wärmenetz) in die Lösung des MehrstoffVerdichters aufgenommen. Die nach Absorption des Arbeitsmittels aufkonzentrierte Mehrstofflösung wird nach einem internen Wärmeaustausch im Wärmetauscher 19 mit dem verdünnten Rückfluss aus dem Austreiber 8 auf den oberen Prozessdruck verdichtet und gelangt anschließend in den Austreiber 8. Die Verdichtung erfolgt über geeignete Pumpen 9. Im
Austreiber 8 wird das Arbeitsmittel durch Zufuhr von Wärme aus dem Heißgas 31 auf einem Temperaturniveau von z. B. 100-250°C aus der Mehrstofflösung ausgetrieben. Beispielhaft wurde hierzu ein zusätzlicher Wärmeübertragerkreislauf installiert. Die auf diese Weise verdünnte Mehrstofflösung wird daraufhin in einem kontinuierlichen Prozess über Drosseln 10 wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und über den Wärmetauscher 19 in den Absorber 7 zurück geleitet.
Ein Teilstrom des aus dem Austreiber 8 ausgetriebenen Arbeitsmittels wird im Überhitzer 2 im Wärmeaustausch mit dem Heißgasstrom 31 (z.B. auf 450°C) aufgeheizt. Nach dem Überhitzen des Arbeitsmittels im Überhitzer 2 wird dieses in die Gasexpansionsturbine 3a geleitet und dort vom oberen auf den unteren Prozess- druck entspannt. Die Gasexpansionsturbine 3a treibt einen Generator 15 an und erzeugt damit elektrischen
Strom. Das aus der Turbine 3a austretende Arbeitsmittel wird wieder in den Absorber 7 geleitet, um dort erneut in Lösung zu gehen und anschließend komprimiert zu werden. Der Kreisprozess beginnt von Neuem.
Der nicht die Gasexpansionsturbine 3a durchströmende Teilstrom des aus dem Austreiber 8 ausgetriebenen Arbeitsmittels wird in den Kondensator 4 eines Wärmetransformators 13 geleitet. Dort wird er unter Abgabe von Wärme 24 (z.B. bei 90°C an ein externes Wärmenetz) kondensiert, über die Drossel 5 entspannt, im Verdampfer 6 auf unterem Prozessdruckniveau wieder verdampft (z.B. bei 30°C) und schließlich wieder dem Absorber 7 zugeführt . Die Wärme für den Verdampfungsprozess im Verdampfer 6 wird aus der
Abwärme des Heißgaskondensators 27 erhalten (vgl. Figur 2) . Figur 2 zeigt beispielhaft für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage die Ausführung eines Heißgaskondensators 27. Neben den für das Verfahren unbedingt notwendigen Stellen der Wärmeauskopplung aus dem Heißgas 31 sind hier weitere Wärmeentnahmestellen installiert. Sinnvoll erscheint z. B. eine Entnahme von Wärme 20 aus dem Heißgas 31, sobald es in den Heißgas- kondensator eintritt (z.B. zur Wärmeauskopplung in ein Wärmenetz bei 90°C) . An dieser Stelle des Heißgaskanals sind die Temperaturen für einen direkten Wärmeaustausch noch hoch genug. Auch eine Wärmeentnahme 21 z.B. zur Vorwärmung der Verbrennungsluft einer dem Prozess vorgeschalteten Verbrennungsanlage bietet sich an dieser Stelle im Bedarfsfall an. Beide Wärmeauskopp- lungen reduzieren die Heißgastemperatur, senken die im Heißgaskondensator bzw. -Wäscher 27 notwendige Kondensationskühlung und erhöhen damit die Gesamteffizienz des Verfahrens. Eine weitere Wärmeentnahme 33 aus dem Heißgas ist z.B. durch einen Rückkühler möglich. Damit könnte z.B. im Falle einer Kälteerzeugung im Sommer die
Rauchgaskondensation aufrechterhalten und gleichzeitig ein maximaler Arbeitsmittelstrom zur Kälteerzeugung in einen W rmetransformator geleitet werden. Den gleichen Effekt hätte auch ein Wärmeaustausch 43 von Heißgas und Umgebungsluft.
Der in Figur 2 beispielhaft dargestellte Heißgaskondensator kann in unterschiedlichen Varianten ausgeführt werden. Grundsätzlich ist zwischen der Heißgas- kondensation und der Heißgaswäsche zu unterscheiden.
Die Heißgaskondensation wird z.B. gewählt, wenn allein durch die Unterkühlung und Wärmeabgabe des Heißgases an externe Verbraucher 20 21, einen Rück- kühler 33, Umgebungsluft 43 und/ oder den Verdampfer 6 eines Wärmetransformators 13 (vgl. Figur 1) eine ausreichende kondensationsbedingte Auswaschung von Schadstoffen aus dem Heißgas erfolg . In diesem Fall wird das Heißgas 31 in den Heißgaskondensator 27 geleitet, in dem es mit Hilfe von Wärmetauschern auf ein möglichst geringes Temperaturniveau (z.B. 40°C) abgekühlt wird. Infolge der Abkühlung kondensieren einige Bestandteile - z.B. Wasser - aus dem Heißgas aus und waschen im Heißgas ggf. enthaltene Stäube und andere Schadstoffe und/oder Geruchsstoffe teilweise aus. Der dabei anfallende Kondensatschlamm wird z.B. über eine Entnahmestelle 36 aus dem Reaktor abgeführt und vor seiner weiteren Nutzung oder Entsorgung ggf. weiter aufbereitet (z. B. Sedimentiert, gefiltert oder neutralisiert) . Nach dem Durchströmen eines optionalen Tropfen- und Aerosolabscheiders 41 verlässt das gereinigte Heißgas 32 schließlich gekühlt und teilweise getrocknet den Reaktor. Zur Reduktion der Schwaden- bildung am Kaminaustritt besteht die Möglichkeit, das z.T. auskondensierte Heißgas 32 bei Austritt aus dem Reaktor mit ggf. vorgeheizter Umgebungsluft 40 zu vermischen.
Ist die Kühl- und/oder Reinigungswirkung der Heißgaskondensation - z.B. aufgrund zu geringer Kondensatmengen - nicht ausreichend, wird die Heißgaskondensation als Heißgaswäsche ausgeführt. Hierbei wird grundsätzlich von einem sehr ähnlichen anlagentechnischen Aufbau ausgegangen, allerdings wird das Heißgas 31 zusätzlich oder alternativ zur bereits erläuterten Wärmeauskopplung 25 durch die Eindüsung von gekühltem Kondensat und/oder einer Waschsubstanz in den Heißgasstrom abgekühlt (Quench) . Damit wird der Stoff- und Wärmeaustausch im Heißgas intensiviert. Der anfallende Kondensatschlämm wird zu diesem Zweck vor seiner Auskopplung aus dem Prozess aufgefangen, ggf. aufbereitet (z.B. gefiltert oder sedimentiert) , über z.B. einen Wärmetauscher 35 durch Wärmeabgabe 25 an den Verdampfer 6 eines Wärmetransformators 13 und/oder externe Wärmeabnehmer (vgl. Figur 1,10) abgekühlt und beispielsweise über ein Pumpen- und Düsensystem 37 zurück in den Heißgasstrom eingesprüht. Je nach realisierbarem Kondensataufkommen und gewünschter Reinigungswirkung kann es zusätzlich oder alternativ notwendig sein, dem Wäscherprozess weitere Waschsubstanzen 38 zuzuführen und/ oder das Heißgas 31 vor seinem Eintritt in den Reaktor zusätzlich vorzureinigen (z. B. mit einem Elektro- oder Gewebefilter 39) .
Ergänzend zeigt Figur 2 für eine beispielhafte Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Anlage die Ausführung einer Bypassleitung
30 für den Heißgaskondensator 27. Durch Verstellen z.B. entsprechender Klappen ermöglicht dieser Bypass, das Heißgas z.B. im Falle einer Betriebsstörung schnellstmöglich und ohne Durchströmen des gesamten Heißgas- kondensators zum Kamin zu führen.
Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfahrens, bei der ein Wärmetranformator 13 als Resorber ausgeführt ist. Im Resorber 45 wird das Arbeitsmittel bei oberem Prozessdruck in einem Absorber 7b in eine Mehrstofflösung eingebunden, die nicht identisch mit der Mehrstofflösung des thermischen Mehrstoffver- dichters 1 sein muss. Hier wird das Arbeitsmittel unter Wärmeabgabe 24 nach außen absorbiert. Die mit dem Arbeitsmittel daraufhin aufkonzentrierte Lösung wird z.B. über eine Drossel 10b auf einen unteren Prozess- druck entspannt und dort in einem Austreiber 8b unter Aufnahme von Wärme von außen wieder aus der Mehrstofflösung ausgetrieben. Im vorliegenden Beispiel stammt diese Wärme ausschließlich aus dem Heißgaskondensator bzw. -Wäscher 27. Die daraufhin abge- reicherte Lösung wird z.B. über eine Pumpe 9b wieder auf den oberen Betriebsdruck zurückgepumpt , um dort erneut Arbeitsmittel aufzunehmen. Das ausgetriebene Arbeitsmittel strömt schließlich zum Absorber 7 des Mehrstoffverdichters 1.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfahrens, bei der der Wärmetransformator 13 als DampfStrahlkältemaschine ausgeführt ist. Herzstück dieses Wärmetransformators 13 ist die
DampfStrahlpumpe 46, die im dargestellten Beispiel bei oberem Prozessdruck vom dampfförmigen, den Austreiber 8 verlassenden Arbeitsmittel durchströmt wird und dabei eine Saugwirkung bewirkt. Alternativ wäre hierbei auch die Verwendung von überhitztem Dampf z.B. aus dem Überhitzer 2 möglich. Aufgrund der erzeugten Saugwirkung wird ein hier beispielhaft im Kondensator 4b kondensierter. Teilstrom des Arbeitsmittels über eine Drossel 5b angesaugt und unter Aufnahme von externen Wärmeströmen 24 im Verdampfer 6 des Wärmetransformators
13 verdampft. Im vorliegenden Beispiel stammt diese Verdampfungswärme ausschließlich aus dem Heißgas- kondensator bzw. -Wäscher 27. Das aus der Dampf trahlpumpe austretende Arbeitsmittelgemisch wird nach Abzweigung des zu Verdampfungszwecken angesaugten Teilstroms bei unterem Prozessdruck in den thermischen Mehrstoffverdichter 1 geleitet .
Figur 5 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfahrens, bei der ein Wärmetransformator 13 in Reihe zu einem Mehrstoffverdichter 1 und zu einem Kraftprozess 11 geschaltet ist. In diesem Beispiel wird als
Expansionsmaschine ein Dampfmotor 3b eingesetzt. Der aus dem Dampfmotor 3b austretende Arbeitsmittelstrom wird in einen Kondensator 4 geleitet, wo er unter Abgabe von Wärmeenergie 24 an ein externes Wärmenetz bei bspw. 100°C weitgehend kondensiert. Dieser kondensierte Teilstrom wird im vorliegenden Beispiel im Verhältnis von 60:40 aufgespalten, wobei der größere Anteil auf diesem Zwischendruckniveau direkt z.B. der aufkonzentrierten Lösung des Mehrstoffverdichters 1 zugeführt wird. Mit Ausnahme dieser Besonderheit funktioniert der Mehrstoffverdichter 1 aber in gleicher Weise, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Ausgestaltung der Figur 1 erläutert wurde. Der verbleibende Anteil von hier beispielhaft angenommenen 40% des kondensierten Arbeitsmittels wird über eine Drossel 5 weiter entspannt und einem Verdampfer 6 zugeführt . Der Verdampfer 6 nimmt die Abwärme aus der Heißgaskondensation oder -Wäsche in gleicher Weise wie bei der Ausgestaltung der Figur 1 auf . Das im Verdampfer verdampfte Arbeitsmittel wird schließlich einem Absorber 7 zugeführt und von dort wieder auf das obere Prozessdruckniveau komprimiert. Das obere Druckniveau kann bei der hier dargestellten Reihenschaltung grundsätzlich höher gewählt werden als bei der Parallelschaltung, da der durch die Wärmetransformation (z.B. durch die Temperaturverhältnisse in externen Wärmenetzen vorgegebene) festgelegte Druck z.B. im Kondensator 4 des Wärmetransformators 13 bei der Parallelschaltung gleich dem oberen Prozessdruck, bei der Reihenschaltung aber nur gleich einem Zwischendruck ist . Bei der Reihenschaltung kann sich der obere Prozessdruck somit primär an den Bedürfnissen der Expansion orientieren.
Als eine optionale Ausgestaltung der Reihenschaltung ist in Figur 5 eine Bypass-Leitung 22 angedeutet, über die eine Entkopplung von Kraftprozess 11 und Wärmetransformator 13 möglich wird und dadurch ein Betrieb der Anlage vorübergehend auch ausschließlich zur Wärme- bzw. Kälteerzeugung möglich ist. In diesem Fall ist der obere Prozessdruck wieder gleich dem Kondensatordruck.
Figur 6 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfahrens, bei der eine zweistufige Austreibung realisiert wurde. Ausgangspunkt ist wieder das Anlagenbeispiel nach Figur 1. Die aus dem Austreiber 8 austretende, verdünnte Lösung wird hierbei erneut mittels einer
Pumpe 9c komprimiert und in einen zweiten Austreiber 8c geleitet. Aus diesem zweiten, bei maximalem Prozessdruck betriebenen Austreiber 8c wird durch Wärmeübertragung aus dem Heißgas 31 Arbeitsmittel ausgetrieben, welches zunächst vollständig überhitzt wird und eine Gasexpansionsturbine 3a zur Krafterzeugung durchströmt . Das aus der Turbine austretende, teilweise entspannte Arbeitsmittel wird dann abgekühlt und kondensiert und die dabei frei werdende Wärme wird zum Austreiben des bei mittlerem Prozessdruckniveau betriebenen Austreibers 8 benutzt. Das aus diesem Austreiber 8 ausgetriebene Arbeitsmittel wird zusammen mit dem kondensierten und durch Drossel 10c weiter entspannten Arbeitsmittel aus der Gasexpansionsturbine vermischt und in den Wärmetransformator 13 eingeleitet . Durch die Verwendung der zwei Austreiber und die prozessinterne Nutzung der Kondensationswärme steht dem Wärmetransformator nun ein deutlich erhöhter Arbeitsmittelstrom zur Verfügung.
Figur 7 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfah- rens, bei der die Wärmetransformation 13 in Reihe zum MehrstoffVerdichter und einer ersten Stufe des Kraft- prozesses 11 und parallel zu einer zweiten Stufe des Kraftprozesses 11 geschaltet ist. Im Prinzip handelt es sich hierbei um eine Anlagenausführung in Reihen- Schaltung (vgl. Figur 5), bei der ein Teilstrom des Arbeitsmittelstroms noch vor dem Kondensator des Wärmetransformators 13 entnommen, in einem Zwischenüberhitzer 2b aufgeheizt und in einer separaten Expansionsmachine (z. B. einer Gasexpansionsturbine 3a) auf den unteren Prozessdruck entspannt wird. Der verbleibende Teilstrom des Arbeitsmittels durchströmt den W rmetransformator 13 auf übliche Weise. Mit Ausnahme dieser Besonderheit gelten für das vorliegende Ausführungsbeispiel sämtliche zu Parallel- (Figur 1) und Reihenschaltung (Figur 5) sowie zur Gasreinigung (Figur 2) genannten Anlagenfunktionen. Bei allen sechs in den Figuren 1, 3 bis 7 (jeweils in Verbindung mit Figur 2) dargestellten Anlagen bzw. Verfahrensgestaltungen lassen sich zusätzliche Maßnahmen z.B. zur Effizienzsteigerung oder Funktionserweiterung vorsehen. Diese werden in den folgenden Beispielen (Figur 8 bis 10) anhand erweiterter Ausgestaltungen der Figur 1 erläutert, sie sind selbstverständlich auch auf die Ausgestaltungen der Figuren 3 bis 7 übertragbar.
Figur 8 zeigt ein derartiges Beispiel, bei dem in den Kraftprozess 11 ein Rekuperator 14 integriert wird, der die Effizienz des Expansionsprozesses durch interne Wärmerückgewinnung steigert . Das aus dem Austreiber 8 austretende Arbeitsmittel wird hierbei durch den
Rekuperator 14 geleitet, in dem es von dem heißen, aus der Gasexpansionsturbine 3a austretenden Arbeitsmittel im Gegenstrom vorgeheizt wird, bevor es im Überhitzer 2 weiter aufgeheizt wird. Das aus der Gasexpansions- turbine 3a austretende Arbeitsmittel wird im
Rekuperator 14 infolge des Wärmeaustauschs vorgekühlt und gelangt dadurch gekühlt in den Absorber 7.
Figur 8 enthält noch ein weiteres Ausführungs- beispiel für eine effizienzsteigernde Maßnahme. Hier wird die Drossel 10 des thermischen Mehrstoffverdichters 1 durch eine Turbine 42 ersetzt und beispielhaft mit der Pumpe 9 mechanisch gekoppelt. Damit wird der Energiebedarf zum Antrieb des thermischen MehrtoffVerdichters reduziert.
Figur 9 führt diese Idee der energetischen Nutzung der komprimierten verdünnten Lösung weiter. Mit der - 31
Einschränkung auf rückstandlos verdampfbare Stoff- gemische (z.B. Ammoniak-Wasser-Gemisch) wird hier beispielhaft die Option dargestellt, komprimierte, verdünnte Lösung aus dem Austreiber 8 mindestens als Teilstrom zu entnehmen, diesen im Wärmeaustausch mit dem Heißgas zu verdampfen (Wärmetauscher 43) , dann zusammen mit dem komprimierten Arbeitsmittel im Überhitzer 2 zu überhitzen und in der Gasexpansionsturbine 3a zu entspannen. In dieser Variante könnte der Arbeitsmittelstrom durch die Turbine auch vollständig vom verdampften und überhitzten Lösungsstrom substituiert werden.
In einer weiteren möglichen Anlagenausgestaltung, wie sie in der Figur 10 beispielhaft dargestellt ist, wird die optionale Bereitstellung von Kühlleistung für externe Verbraucher ermöglicht, d. h. der Verdampfer 6 eines Wärmetransformators 13 wird primär oder ausschließlich mit Abwärme z.B. aus einem externen Kältenetz 29 gespeist. Im Regelfall benötigt der Verbraucher hierbei allerdings meist niedrigere Verdampfertemperaturen (z.B. etwa 0 bis 5°C zu Klimatisierungszwecken oder - 20 bis -60 °C zu industriellen Kühlzwecken) , als sie allein zur Heißgas- kondensation bzw. -Wäsche notwendig sind (hier reichen in der Regel Verdampfungstemperaturen im Bereich von 10 bis 40 °C aus; vgl. Figur 1,3 bis 7) .
Dies lässt sich wie folgt erzielen. In der dargestellten Ausführung eines Wärmetransformators 13 bestehend aus Kondensator 4, Drossel 5 und Verdampfer 6 lässt sich die Temperatur grundsätzlich durch ein angepasstes Druckniveau im Wärmetransformator 13 (und damit auch im MehrstoffVerdichter 1) realisieren. Um die Funktionsfähigkeit der Anlage aber auch bei diesem veränderten Druckniveau zu gewährleisten, kann es erforderlich sein, das Mischungs- Verhältnis des Stoffgemisches im Mehrstoffverdichter zu verändern. Zu diesem Zweck zeigt Figur 10 eine beispielhafte Einrichtung zur vorübergehenden Veränderung des Mischungsverhältnisses im Mehrstoffverdichter. Ausgehend von der Anlagenkonzeption nach Figur 1 wurde hier beispielhaft ein Fluidspeicher 26 vorgesehen, über den zwischen dem Kondensator 4 und dem Verdampfer 6 kondensiertes Arbeitsmittel dem Kreislauf entzogen und zwischen dem Verdampfer 6 und dem Absorber 7 wieder zugeführt werden kann. Durch Stellelemente lässt sich der Zufluss zum oder vom Fluidspeicher 26 öffnen oder schließen. Durch den Behälter 26, in dem das Arbeitsmittel zwischengespeichert werden kann, kann das Konzentrationsverhältnis des im Mehrstoffverdichter 1 umlaufenden Stoffgemisches verändert und damit die sich im Betrieb einstellenden Druck- und Temperaturverhältnisse insbesondere am Verdampfer 6 umfangreicher verändert werden, als es ohne diese zusätzliche Einrichtung möglich wäre. Ergänzend oder alternativ ließe sich zur Beeinflussung der Konzentrations- Verhältnisse im Stoffgemisch auch die aufkonzentrierte oder verdünnte Lösung im Mehrstoffverdichter 1 Zwischenspeichern.
Bei einer Ausgestaltung des Wärmetransformators 13 als Resorber 45 (vgl. Figur 3) könnte eine Änderung der Temperaturen im Wärmetransformator ebenfalls über das Druckverhältnis, alternativ oder ergänzend aber auch über die Stoffkonzentrationen im Resorber 45 erfolgen. Für die Veränderung des Stoffgemisches im Resorber 45 gelten daher die zuvor gemachten Aussagen zur Veränderung des Stoffgemisches im Mehrstoffverdichter 1 analog.
Bei Ausgestaltung eines Wärmetransformators 13 als DampfStrahlkältemaschine (vgl. Figur 4) kann die Änderung der Temperaturen im Wärmetransformator über eine Anpassung des Drucks im Kondensator 4 (ggf. gleich dem Prozessdruck im Absorber des Mehrstoffverdichters) und/oder im Verdampfer 6 erfolgen.
Unabhängig von der Wahl des Wärmetransformators 13 kann die Abwärme 25 des Heißgaskondensators 27 im Fall der Kältebereitstellung grundsätzlich ebenfalls über einen Wärmetransformator eingespeist werden. Sollte allerdings kein ausreichender Wärmebedarf auf dem Temperaturniveau des Absorbers 7 oder der Wärmetransformatorabwärme bestehen, wäre die möglichst weitgehende Abgabe der Abwärme 25 des Heißgaskondensators 27 z.B. an ein Rückkühlwerk vorzuziehen (vgl. Figur 2) . Gleiches gilt für die Abwärmeströme 23 und 24 von Absorber und Wärmetransformator; auch sie können im Fall mangelnder Wärmenachfrage über einen Notkühler an die Umgebung abgegeben werden.
Eine weitere, in Figur 10 beispielhaft dargestellte Verfahrensbesonderheit ist der aus Effizienzgründen ergänzbare Kälterekuperator. Hierbei wird das Arbeitsmittel nach Durchströmen eines Verdampfers 6 durch einen zusätzlichen Wärmetauscher 28 geleitet, in dem es Wärme mit dem Arbeitsmittelstrom austauscht, welcher zuvor aus dem Kondensator 4 ausströmt. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Wärmeaustausche 28 besteht grundsätzlich die Möglichkeit, den Kondensatanteil des Arbeitsmittels nach Drossel 5 zu erhöhen und damit die spezifische Kälteleistung des Arbeitsmittels im Verdampfer 6 zu steigern.
Abschließend zeigt Figur 11 beispielhaft die Kombination einer Anlage nach Figur 1 mit einer Feuerungseinrichtung 16 für feste Biomasse einschließlich Rauchgaskanal 17 und Abgaskamin 18. Das heiße Rauchgas der Feuerung ist das den Prozess antreibende Heißgas. Die Wärmekopplung zwischen dem Rauchgas, dem Überhitzer 2 und dem Austreiber 8 der in Figur 1 beschriebenen Anlage ist hierbei nur schematisch angedeutet. Der Wärmetransformator 13, dessen Verdampfer 6 seine Energie im dargestellten Beispiel ausschließlich aus dem Rauchgaskondensator bzw. -Wäscher 27 bezieht, ist in dieser Abbildung ebenfalls nur angedeutet.
Beispielhaft könnte eine solche Anlage als kompakte Containeranlage ausgeführt werden, in die an einer Stelle der biogene Brennstoff eingetragen wird und an anderer Stelle Normanschlüsse für die mit diesem Verfahren bereitgestellten Endenergien Elektrizität, Wärme und/oder Kälte bestehen.
Besugsseichenliste
Thermischer Mehrstoffverdichter Überhitzer b Zwischenüberhitzer a Expansionsmaschine (bei Parallelschaltung von Kraftteil, Mehrstoff erdichter und Wärmetransformator) b Expansionsmaschine (bei Reihenschaltung von Kraftteil, Mehrstoffverdichter und Wärmetransformator) Kondensator b Kondensator (DampfStrahlkältemaschine) Drossel Verdampfer Absorber b Absorber (Resorber) Austreiber b Austreiber (Resorber) c Austreiber (Double-Effect) Pumpe b Pumpe (Resorber) c Pumpe (Double-Effect) 0 Drossel 0b Drossel (Resorber) 0c Drossel (Double Effect) 1 Kraftprozess 2 Kondensatrückführung auf Zwischendruckniveau 3 Warmetransformator 4 Rekuperator 5 Generator 6 Biomassefeuerung 7 Rauchgaskanal 8 Abgaskamin Wärmetauscher für aufkonzentrierte und verdünnte Lösung Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas an externe Verbraucher Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas zur
Vorheizung der Verbrennungsluft einer dem
Prozess vorgeschalteten Feuerungsanlage Bypassleitung Wärmeabgabe aus dem Absorber Wärmeabgabe aus dem Wärmetransformator Wärmeabgabe aus dem Heißgaskondensator bzw. -Wäscher an das Arbeitsmittel Arbeitsmittelspeicher Heißgaskondensator, ggf. mit Gaswäscher Wärmetauscher (Kälterekuperator) Wärmeaufnahme zu Kühlzwecken Bypassleitung für den Heißgaskondensator Heißgasstrom (ungereinigt) Heißgasstrom (gereinigt) Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas an externe Rückkühlwerke Wärmetauscher zur Heißgaskühlung Wärmetauscher zur Kondensat- bzw. Waschsubstanzkühlung Kondensat (schlämm) - bzw. Waschsubstanzabzug Kondensat- bzw. Waschsubstanzrückführung inkl . Pumpe und Zerstäuber Waschsubstanz zur Heißgaswäsche trockene Gasreinigungsstufe Beimischung von Umgebungsluft zum gereinigten
Heißgas Aerosol- und Tropfchenabscheider Expansionsmaschine zur Entspannung der Mehrstofflösung Wärmetauscher zur Vorheizung von Umgebungsluft Verdampfer für verarmte Lösung Resorber DampfStrahlpumpe

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen, bei dem die im Heißgas (31) enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus genutzt und mindestens teilweise zum Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel in einem thermischen Mehrstoffverdichter (1) verdichtet, mindestens als Teilstrom unter Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine (3a, 3b) zur Krafterzeugung (11) entspannt wird, wobei die Verdichtung des Arbeitsmittels im thermischen MehrstoffVerdichter (1) derart erfolgt, dass das Arbeitsmittel bei mindestens einem unteren Prozessdruck in mindestens einem Absorber (7) unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem Arbeitsmittel aufkonzentrierte Lösung mechanisch auf mindestens einen höheren Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in mindestens einem Austreiber (8, 8c) aus der aufkonzentrierten Lösung unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas ausgetrieben und die dadurch verdünnte Lösung wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und in den Absorber (7) zurückgeleitet wird, und wobei mindestens ein Teilstrom des Arbeits- mittels auf einem erhöhten Prozessdruck in ein oder mehrere in den geschlossenen Kreislauf integrierte Wärmetransformatoren (13) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Wärmetransformatoren (13) die Abwärmeströme eines prozessintegrierten Heißgaskondensators (27) und/oder externe Wärme- ströme aufnehmen und auf höherem Temperaturniveau wieder abgeben, und dass durch Gaskühlung und Kondensation im Heißgaskondensator (27) einzelne im Heißgas (31) enthaltene Schadstoffe ausgewaschen und mit einem dabei anfallenden Kondensatschlämm aus dem Prozess ausgeschleust werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmetransformatoren (13) derart ausgeführt ist, dass das Arbeitsmittel in einem Kondensator (4) unter Wärmeabgabe möglichst weitgehend kondensiert wird, entspannt wird und in einem Verdampfer (6) unter Wärmeaufnahme möglichst weitgehend verdampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmetransformatoren (13) als Resorber (45) ausgeführt ist, wobei das auf einem erhöhten Prozessdruck in den Wärmetransformator (13) eingeleitete Arbeitsmittel in einem Absorber (7b) unter Wärmeabgabe in eine Mehrstoff- lösung eingebunden wird, diese Mehrstofflösung dann auf einen reduzierten Prozessdruck entspannt wird, das Arbeitsmittel dann in einem Austreiber (8b) unter Wärmeaufnahme von außen wieder aus dieser Lösung ausgetrieben wird und die daraufhin verarmte Lösung wieder auf den erhöhten Prozessdruck komprimiert und in den Absorber (7b) zur erneuten Arbeitsmittelaufnähme zurückgeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmetransformatoren (13) als DampfStrahlkälteanlage ausgeführt ist, wobei das auf einem erhöhtem Prozessdruck in den W rmetransformator eingeleitete Arbeitsmittel zunächst in eine DampfStrahlpumpe (46) strömt, in der es in eine Treibdüse eines Strahlverdichters geleitet wird, dort in Strömungsenergie umgesetzt wird und in einer nachfolgenden Mischkammer der DampfStrahlpumpe (46) durch Impulsaustausch Arbeitsmitteldampf ansaugt, welcher aus einem
Verdampfer (6) erhalten wird, in dem gedrosseltes, aus einem Kondensator (4, 4b) des Kreislaufs stammendes Arbeitsmittel bei geringem Druck möglichst vollständig verdampft und dabei Wärme in den Wärmetrans ormator aufnimmt, und wobei in einem Diffusor der DampfStrahlpumpe (46) die Strömungsenergie des treibenden und des angesaugten Arbeitsmittels wieder in Druckenergie umgesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Abkühlung des Heißgases (31) anfallende Kondensatschlämm vor seiner Aus- Schleusung aus dem Prozess aufgefangen, ggf. aufbereitet, im Wärmeaustausch mit einem Wärmetransformator (13) oder externen Verbrauchern gekühlt und als Flüssigfraktion in den Heißgasstrom (31) eingedüst wird, um dort den Stoff- und Wärmeaustausch zu intensivieren.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der in den Heißgasstrom (31) als Flüssigfraktion eingedüste Kondensatschlämm mit zusätzlichen Waschsubstanzen vermischt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Abkühlung des Heißgases (31) anfallende Kondensatschlämm nach seiner Ausschleusung aus dem Prozess ggf . aufbereitet und mindestens teilweise stofflich genutzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas (31) vor Eintritt in den Heißgaskondensator (27) einer zusätzlichen Gasreinigung (39) unterzogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vorgeheizte Umgebungsluft in das auskondensierte Heißgas (32) eingemischt wird und/oder dass das auskondensierte Heißgas (32) wieder aufgeheizt wird, bevor es durch einen Kamin (18) in die Umgebung geleitet wird, um eine Dampffahne am Kaminaustritt (18) zu verhindern.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Expansionsmaschine (3a, 3b) ein Generator (15) zur Erzeugung von elektrischem Strom angetrieben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verdünnte und die aufkonzentrierte Lösung im MehrstoffVerdichter (1) und/oder die verdünnte und die aufkonzentrierte Lösung in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) jeweils miteinander Wärme austauschen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aufkonzentrierte Lösung im Mehrstoff- Verdichter (1) und/oder die verdünnte Lösung in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) , insbesondere durch Wärmeaustausch mit dem Heißgas (31) , aufgeheizt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung der verdünnten Lösung im thermischen MehrstoffVerdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) mit Hilfe mindestens einer weiteren Expansionsmaschine (42) erfolgt, wobei diese Expansionsmaschine Kraft erzeugt .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die verdünnte Lösung im thermischen Mehrstoff- Verdichter (1) und/oder die aufkonzentrierte Lösung in einem als Resorber ausgeführten Warmetransformator (45) vollständig oder als Teilstrom komprimiert, im Wärmeaustausch mit dem Heißgas (31) verdampft und überhitzt und dann in mindestens einer weiteren Expansionsmaschine (3a, 3b) zur Krafterzeugung entspannt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reihenschaltung von Mehrstoffverdichter (1) , Expansionsmaschine (3a, 3b) und Wärmetransformator (13) auf einem Zwischendruckniveau flüssiges Arbeitsmittel aus dem Wärmetransformator (13) vollständig oder teilweise entnommen und der aufkonzentrierten Lösung im Mehrstoffverdichter (1) beigemischt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reihenschaltung von Mehrstoffverdichter (1) , Expansionsmaschine (3a, 3b) und Wärmetransformator (13) das Arbeitsmittel vor Eintritt in den Wärmetransformator (13) vollständig oder teilweise entnommen, durch Wärmeaustausch mit dem Heißgas (31) überhitzt und anschließend in mindestens einer weiteren Expansionsmaschine (3a) entspannt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Austreiber (8) des thermischen MehrstoffVerdichters (1) austretende, verdünnte Lösung mindestens als Teilstrom komprimiert und in einen zweiten, bei höherem Prozessdruσk betriebenen Austreiber (8c) geleitet wird, aus dem durch Wärmeübertragung aus dem Heißgas (31) ebenfalls Arbeitsmittel ausgetrieben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Absorber (7) des thermischen MehrstoffVerdichters (1) austretende, aufkonzen- trierte Lösung in Teilströme aufgeteilt wird, die mechanisch auf unterschiedliche Druckniveaus komprimiert und anschließend in unterschiedliche Austreiber (8, 8c) geleitet werden, in denen jeweils Arbeitsmittel durch Wärmezufuhr aus dem Heißgas (31) und/oder anderen Wärmequellen ausgetrieben wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, auf unterschiedlichen Druckniveaus betriebene Absorber (7) an den/die Austreiber (8, 8c) des gleichen Mehrstoffverdichters (1) angeschlossen sind.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilstrom des Arbeitsmittels nach Verlassen des bei höherem Prozessdruck betriebenen Austreibers (8c) durch Wärmeaustausch mit dem Heißgas (31) überhitzt wird und zur
Krafterzeugung mindestens eine Expansionsmaschine (3b) durchströmt, wobei das aus der Expansionsmaschine (3b) austretende, teilweise entspannte Arbeitsmittel abgekühlt und kondensiert wird und die dabei frei werdende Wärme zum Beheizen des bei geringerem Prozessdruck betriebenen Austreibers (8] genutzt wird, und wobei das bei geringerem Prozessdruck ausgetriebene Arbeitsmittel zusammen mit dem kondensierten und weiter entspannten Arbeitsmittel aus der Expansionsmaschine (3b) vermischt und in den Wärmetransformator (13) eingeleitet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dampfturbine als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Dampfmotor als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schraubenmotor als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Heißgasturbine als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gasexpansionsturbine als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel vor Eintritt in einen Überhitzer (2) oder Zwischenüberhitzer (2b) durch Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmittel vorgewärmt wird, welches zuvor aus einer Expansionsmaschine (3a, 3b) ausgetreten ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle einer Expansionsmaschine (3a, 3b) mindestens zwei Expansionsmaschinen (3a, 3b) mit gleichem oder ähnlichem summarischen Druckgefälle eingesetzt werden, zwischen denen das Arbeitsmittel optional im Wärmeaustausch mit dem Heißgas (31) zwischenüberhitzt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass in dem MehrstoffVerdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) eine Mischung aus Wasser als Arbeitsmittel und Lithiumbromid als Sorptionsmittel zur Bildung der Lösung eingesetzt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in dem MehrstoffVerdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) eine Mischung aus Wasser als Arbeitsmittel und Lithiumchlorid als Sorptionsmittel zur Bildung der Lösung eingesetzt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass in dem MehrstoffVerdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) eine Mischung aus Ammoniak als Arbeitsmittel und Wasser als Sorptionsmittel zur Bildung der Lösung eingesetzt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Absorber (7) des MehrstoffVerdichters (1) und/oder im Absorber (7b) eines als Resorber ausgeführten Wärmetransformators (45) und/oder im Kondensator eines Wärmetransformators (4, 4b) befindliches, gasförmiges Stoffgemisch zwecks Ausschleusung von Störstoffen mindestens teilweise entnommen wird und, insbesondere nach einer
Entspannung und/oder Zwischenspeicherung, in eine vorgeschaltete Feuerung (16) oder Vergasung bzw. in einen zugehörigen Rauchgaskanal (17) eingeleitet wird und dort - optional unterstützt durch entsprechende Katalysatoren - insbesondere der
Reduktion von Schadstoffemissionen dient.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsmittelkonzentration mindestens in einem Teil eines Dampf troms, der aus einem Austreiber (8, 8c) des Mehrstoffverdichters (1) ausgetrieben wird, durch zusätzliche Maßnahmen, insbesondere ein Membranverfahren, und/oder durch eine Rektifikation erhöht wird, wobei im Falle einer Ausführung als Rektifikator ein im Kreislauf anfallender, arbeitsmittelreicherer Kondensatström zum Austreiber (8, 8c) des Mehrstoffverdichters (1) geführt und dort in intensiven Kontakt mit zumindest einem Teil des ausgetriebenen Dampfstroms gebracht wird, und wobei zusätzlich ggf. auch die in den MehrstoffVerdichter (1) eintretende aufkon- zentrierte Lösung in intensiven Kontakt zu mindestens einem Teil des ausgetriebenen Dampfstroms gebracht wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenverhältnisse eines in dem Mehrstoff- Verdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) gebildeten Mehrstoffgemisches, insbesondere durch Entnahme, Zwischenspeicherung und/oder Zugabe von einer oder mehrerer Komponenten dieses Mehrstoffgemisches, verändert werden.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhaltung und/oder Variation einer Lösungskonzentrationen im Mehrstoffverdichter (1) und in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) ein zusätzlicher, kontrollierter Lösungsaustausch zwischen Mehrstoffverdichter (1) und Wärmetransformator (45) stattfindet.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel nach Austritt aus einem Verdampfer (6) des Wärmetransformators (13) in Wärmeaustausch mit dem gleichen Arbeitsmittel nach Austritt aus einem Kondensator (4, 4b) des gleichen Wärmetransformators tritt .
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Antrieb des geschlossenen Kreislau s eingesetzte Heißgas (31) das Rauchgas einer Festbrennstofffeuerung (16) , insbesondere für feste Biomasse oder Kohle, ist.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Antrieb des geschlossenen Kreislaufs eingesetzte Heißgas (31) das Produktgas aus einer FestbrennstoffVergasung, insbesondere für feste Biomasse oder Kohle, ist.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Antrieb des geschlossenen Kreislaufs eingesetzte Heißgas (31) das Rauchgas aus einer Verbrennung von Produktgasen aus einer FestbrennstoffVergasung, insbesondere für feste Biomasse oder Kohle, ist.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatschlämm aus dem Heißgaskonden- sator (27) ggf. nach einer entsprechenden Aufbereitung und/oder Auf eizung zur Wäsche und/oder Demineralisierung eines in einer vorgeschalteten Anlage thermisch genutzten Festbrennstoffs verwendet wird.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeströme externer Wärmequellen in den geschlossenen Kreislauf eingekoppelt werden und damit die Energiegewinnung aus dem Heißgas (31) unterstützen.
42. Anlage zur gekoppelten Kraft- bzw. Strom-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung, insbesondere nach einem
Verfahren der Ansprüche 1 bis 41, mit einem thermischen MehrstoffVerdichter (1) für ein Arbeitsmittel, zumindest einer Expansionsmaschine (3a, 3b) , die unter Entspannung von komprimiertem und durch Wärmeaustausch mit einem Heißgas (31) und ggf. weiteren Wärmequellen überhitztem Arbeitsmittel Arbeit verrichtet, und zumindest einem Wärmetransformator (13) in einem geschlossenen Kreislauf, wobei mindestens ein Teilstrom des Arbeitsmittels den mindestens einen Wärmetransformator (13) durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransformator (13) so angeordnet und ausgebildet ist, dass er Abwärme eines Heißgas- kondensators (27) und/oder Abwärmeströme externer
Verbraucher aufnimmt und auf einem höheren Temperaturniveau wieder an externe Verbraucher und/oder die Umgebung abgibt .
43. Anlage nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (n) (3a, 3b) im Kreis- lauf mit einem Generator (15) verbunden sind, den sie antreiben.
44. Anlage nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmetransformatoren (13) zur
Erfüllung unterschiedlicher Versorgungsaufgaben in den Kreislauf integriert sind.
45. Anlage nach Anspruch 42, 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anlage zusammen mit einer Festbrennstofffeuerung (16) in einem Container angeordnet ist, der über Anschlüsse zur Aufnahme von Brennstoff, Betriebsstoffen und Hilfsenergien sowie zur Abgabe von Strom, Wärme und/oder Kälte sowie dabei anfallender Abfallströme von Asche, Kondensatschlämm und/oder daraus erhaltenem Kondensat verfügt, ebenso wie ggf. über einen Notkühler auf einem Dach des Containers zur Abfuhr überschüssiger Wärme.
46. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Einrichtung zur Veränderung des Mischungsverhältnisses von Arbeitsmittel und
Sorptionsmittel im Mehrstoff erdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetrans- formator (45) ein Arbeitsmittelspeicher (26) in den Kreisprozess integriert ist.
47. Anlage nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere oder alternative Einrichtung zur Veränderung des Mischungsverhältnisses von Arbeitsmittel und Sorptionsmittel im Mehrstoffverdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) ein Fluidspeicher für die aufkonzentrierte und/oder die verdünnte Lösung im Mehrstoffverdichter (1) bzw. im als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) vorgesehen ist .
48. Anlage nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere oder alternative Einrichtung zur Erhaltung oder Veränderung des Mischungsverhält- nisses von Arbeitsmittel und Sorptionsmittel im MehrstoffVerdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) ein aufkonzentrierter Strom einer Mehrstofflösung aus dem Resorber (45) in den MehrstoffVerdichter (1) geleitet wird.
49. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaskondensator (27) über einen freischaltbaren Bypass (30) zur Umgehung einer
Heißgaskondensation und unmittelbaren Ableitung von Heißgas (32) über einen Kamin (18) verfügt.
50. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung eines Wärmetransformators (13) in Reihe zum MehrstoffVerdichter (1) und der Expansionsmaschine (3b) eine Bypass-Leitung (22) vorgesehen ist, über die das Arbeitsmittel unter Umgehung eines Überhitzers (2) und der Expansionsmaschine (3b) direkt zum Wärmetransformator (13) geführt werden kann, um die Anlage auch zur ausschließlichen Kälte- oder Wärmeerzeugung betreiben zu können.
51. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 50, dadurch gekennzeichnet , dass bei einer Anordnung eines Wärmetransformators in Reihe zum Mehrstoffverdichter und der Expansionsmaschine (3b) eine Bypass-Leitung vorgesehen ist, über die das Arbeitsmittel unter Umgehung des Wärmetransformators (13) direkt in den Absorber (7) des MehrstoffVerdichters geführt werden kann, um die Anlage auch zur ausschließlichen Stromerzeugung betreiben zu können.
52. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Austausch des Arbeitsmittels und/oder eines im Mehrstoffverdichter (1) und/oder in einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) eingesetzten Mehrstoffgemisches vorgesehen ist.
53. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Reinigung des Arbeitsmittels und/oder eines im Mehrstoffverdichter (1) und/oder eines in einem als Resorber ausgeführten W rmetransformator (45) eingesetzten Mehrstoffgemisches vorgesehen ist.
54. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Kondensator (4, 4b) eines Wärmetransformators (13) und/oder in den Absorber (7) eines MehrstoffVerdichters und/oder in einen Absorber (7b) eines als Resorber ausgeführten Wärmetransformators (45) eine Einrichtung zur Auskopplung nicht-kondensierbarer Komponenten aus dem Kreislauf integriert ist.
55. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Verdampfer (6) eines Wärmetrans- formators (13) eine Einrichtung zur Ableitung von
Kondensat in den Absorber (7) des Mehrstoff- Verdichters (1) integriert ist.
56. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass eingesetzte Lösungsmittelpumpen (9, 9b, 9c) und die Expansionsmaschine (n) (3a, 3b, 42) jeweils auf einer Druck- und Saugseite mit verstellbaren Absperrklappen versehen sind, um im Bedarfsfall eine vollständige Abtrennung vom Kreislauf zu ermöglichen.
57. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass der Lösung im MehrstoffVerdichter (1) und/oder einem als Resorber ausgeführten Wärmetransformator (45) Zusatzstoffe beigefügt werden, die als
Korrosionsinhibitoren wirken und damit insbesondere die Korrosion an Mehrstofflösung-berührenden Anlagenbauteilen reduzieren.
58. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 57, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung der verdünnten Lösung im Mehrstoffverdichter (1) in einer weiteren Expansionsmaschine (42) erfolgt und die dabei geleistete Entspannungsarbeit zur Unterstützung von Pumparbeit für die aufkonzentrierte Lösung genutzt wird.
59. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 58, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Saugzuggebläse vorgesehen ist, welches vor und/oder hinter dem Heißgaskondensator (27) die gewünschte Durchströmung der Anlage mit Heißgas (31) ermöglicht.
60. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 59, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem thermischen und/oder elektrischen Energiespeicher kombiniert ist.
61. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 60, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Absicherung bzw. zur optionalen Steigerung der thermischen Leistung mit einem zusätzlichen Kessel kombiniert ist.
62. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 61, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer thermischen Kältemaschine kombiniert ist, die sie im Bedarfsfall mit Abwärme antreibt .
63. Anlage nach einem der Ansprüche 42 bis 62, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Erdsonde kombiniert ist, die es ermöglicht, Erdwärme in einen Wärmetransformator (13) einzuspeisen und/oder Abwärme eines Wärmetransformators (13) in die Erde abzuführen.
EP04714715A 2003-02-27 2004-02-26 Verfahren und anlage zur gekoppelten kraft-, wärme- und/oder kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen heissgasen mit integrierter gasreinigung Withdrawn EP1608848A2 (de)

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