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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Wärmerückgewinnungssystem zur Wärmerückgewinnung aus einem von einem Brenner erzeugten Rauchgas.
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Stand der Technik
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In Brennern kann ein Brennstoff, z.B. Erdgas oder Methan, zusammen mit einem Oxidationsmittel, z.B. Luft oder Sauerstoff, zu einem Rauchgas verbrannt werden. Derartige Brenner können zum Befeuern von Öfen verwendet werden, z.B. von Glasöfen, um Glas von seinem festen Aggregatzustand in seinen flüssigen zu überführen.
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Das von einem derartigen Brenner erzeugte Rauchgas hat vergleichsweise hohe Temperaturen von üblicherweise bis zu 1500°C oder höher und kann genutzt werden, um den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel vorzuwärmen. Zu diesem Zweck kann ein sog. diskontinuierlich betriebener Regenerator verwendet werden, welcher zumeist zwei Regeneratorbetten aufweist und abwechselnd in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann. Während des ersten Betriebsmodus kann das heiße Rauchabgas durch ein erstes Regeneratorbett geführt werden und dieses aufwärmen. Sobald dieses vom Rauchgas durchströmte erste Regeneratorbett auf eine ausreichende Temperatur aufgewärmt ist, wird zwischen den Betriebsmodi umgeschaltet und das Rauchgas kann in dem zweiten Betriebsmodus durch ein zweites Regeneratorbett geführt werden. Durch das aufgewärmte erste Regeneratorbett kann in diesem zweiten Betriebsmodus das Brenngas und/oder das Oxidationsmittel geführt und vorgewärmt und anschließend dem Brenner zugeführt werden. Analog können Brenngas und/oder Oxidationsmittel in dem ersten Betriebsmodus durch das aufgewärmte zweite Regeneratorbett geführt und darin vorgewärmt werden.
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Eine derartige herkömmliche Wärmerückgewinnung aus von einem Brenner erzeugtem Rauchgas kann zumeist nur mit geringer Effizienz durchgeführt werden, so dass nur ein vergleichsweise geringer Anteil der thermischen Energie des Rauchgases auf den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel übertragen werden kann. Das Rauchgas kann nach Durchlauf durch das entsprechende Regeneratorbett noch vergleichsweise hohe Temperaturen von bis zu über 800°C besitzen. Demgemäß kann ein entsprechend großer Anteil der im Rauchgas enthaltenen Energie nicht durch die Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelvorwärmung zurückgewonnen werden, was zu einer vergleichsweise geringen Effizienz des entsprechenden Brenners führt.
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Es ist daher wünschenswert, eine verbesserte Wärmerückgewinnung aus von einem Brenner erzeugtem Rauchgas bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung aus einem von einem Brenner erzeugten Rauchgas sowie ein Wärmerückgewinnungssystem für einen Brenner mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Wärmerückgewinnungssystem ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystems ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung jeweils in analoger Weise.
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Erfindungsgemäß wird thermische Energie des von dem Brenner erzeugten Rauchgases in elektrische Energie umgewandelt. Eine Rauchgasabführung ist dazu eingerichtet, das von dem Brenner erzeugte Rauchgas, nach einer primären thermischen Nutzung der thermischen Energie in z.B. einem Glasschmelzvorgang, abzuführen. Eine Umwandlungseinheit ist dazu eingerichtet, die thermische Energie von dem in der Rauchgasabführung abgeführten Rauchgas in elektrische Energie umzuwandeln. Diese elektrische Energie wird erfindungsgemäß dazu verwendet, um eine Elektrolyse durchzuführen. Zu diesem Zweck ist eine entsprechende Elektrolyseeinheit vorgesehen. Zusätzlich kann ein Teil der vom Brenner erzeugten Rauchgase der Elektrolyseeinheit zugeführt werden, um das Temperaturniveau der Elektrolyse einzustellen/zu erhöhen.
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Die thermische Energie des Rauchgases kann dabei direkt und unmittelbar in elektrische Energie umgewandelt werden oder auch indirekt bzw. mittelbar. Für eine derartige mittelbare Umwandlung kann die thermische Energie des Rauchgases beispielsweise zunächst auf ein Wärmeträgermedium (z.B. Luft) übertragen oder in eine andere Energieform umgewandelt werden. Dieses Wärmeträgermedium bzw. diese andere Energieform kann weiter genutzt werden, um die elektrische Energie zu erzeugen, welche zum Durchführen der Elektrolyse verwendet wird.
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Insbesondere ist eine Steuereinheit zum Steuern des Wärmerückgewinnungssystems vorgesehen, beispielsweise eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine Numerische Steuerung (NC) oder eine Computerisierte Numerische Steuerung (CNC), welche dazu eingerichtet ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Durch die Erfindung kann somit aus dem Rauchgas zurückgewonnene Energie direkt verwendet werden, um die Elektrolyse durchzuführen. Die mittels der Wärme des Rauchgases gewonnene elektrische Energie muss somit nicht zwischengespeichert werden, sondern kann direkt weiter verwendet werden.
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Die Erfindung ermöglicht eine deutlich effektivere Wärmerückgewinnung, als es bei herkömmlichen Wärmerückgewinnungsmethoden der Fall ist, insbesondere bei zyklisch betriebenen Regeneratoren. Wie eingangs erwähnt, können in herkömmlichen Vorwärmsystemen diskontinuierlich betriebene Regeneratoren eingesetzt werden. Neben den Nachteilen in der Effizienz der Wärmeübertragung ist eine derartige Lösung insbesondere beim Betrieb eines Brenners mit reinem Sauerstoff aufgrund wesentlicher anlagentechnischer Unterschiede nicht zweckmäßig. Durch den im Vergleich zur Verwendung von Verbrennungsluft verringerten Volumenstrom von Sauerstoff ist eine Wärmerückgewinnung durch eine Sauerstoffvorwärmung oder Brennstoffvorwärmung hier in der Regel nicht vorteilhaft. Dies hat neben dem energetischen Aspekt durch den verringerten Volumenstrom noch weitere Gründe, wie beispielsweise die technischen Herausforderungen an die verwendeten Materialen bei einer Vorwärmung von Sauerstoff in Wärmetauschern.
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Unabhängig von der Art des verwendeten Oxidationsmittels erfolgt, mit anderen Worten, eine schlechte Wärmerückgewinnung aus dem Rauchgas bei herkömmlichen Vorwärmsystemen. Beim sauerstoffbetriebenen Brenner ist die Wärmerückgewinnung aber aufgrund des schlecht vorwärmbaren Sauerstoffes noch schlechter als beim luftbetriebenen Brenner. Dies führt zu einem Wärmeverlust in Form von Abgas an die Umgebung. Die schlechte Energieeffizienz führt letztendlich zu einem erhöhtem Brennstoff- und Oxidationsmittelverbrauch sowie zu einer höheren Belastung der Umwelt durch erhöhte Emissionen.
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Im Gegensatz dazu kann durch die Erfindung eine effektive Wärmerückgewinnung durchgeführt werden, unabhängig von der Art des verwendeten Oxidationsmittels und des verwendeten Brennstoffs. Insbesondere ist es nicht nötig, dass mittels des Rauchgases zunächst ein Regeneratorbett aufgewärmt werden muss, um Wärme zwischen zu speichern. Stattdessen kann die thermische Energie des Rauchgases direkt oder indirekt für die Elektrolyse weiteverwendet werden.
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Vorteilhafterweise wird wenigstens ein Produkt der durchgeführten Elektrolyse dem Brenner zugeführt und von dem Brenner zu dem Rauchgas verbrannt. Zu diesem Zweck ist bevorzugt eine Zuführung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, wenigstens ein von der Elektrolyseeinheit erzeugtes Produkt dem Brenner zuzuführen. Somit kann die aus dem Rauchgas rückgewonnene Wärme zur Herstellung von Brennstoff und/oder Sauerstoff für den Brenner verwendet werden.
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Vorzugsweise kann dem Brenner zusätzlich ein Brennstoff und/oder ein Oxidationsmittel zugeführt werden und zusammen mit dem wenigstens einen Produkt der durchgeführten Elektrolyse von dem Brenner zu dem Rauchgas umgesetzt werden. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise eine zweite Zuführung vorgesehen. Falls mittels der von der Elektrolyse erzeugten Produkte nur ein Teil der benötigten Feuerungsleistung bereitgestellt werden kann, kann somit gewährleistet werden, dass der Brenner dennoch die benötigte Leistung liefert. Bevorzugt werden Erdgas und/oder Methan und/oder Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Luft und/oder Sauerstoff und/oder mit Sauerstoff angereicherte Luft werden vorzugsweise als Oxidationsmittel verwendet.
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Durch die Verwendung der Elektrolyseprodukte für die Verbrennung kann zweckmäßigerweise die Menge an zusätzlich zugeführtem Brennstoff und/oder Oxidationsmittel reduziert werden, wodurch der von extern zu importierende Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelverbrauch des Brenners verringert werden kann. Dies bringt ökonomische und ökologische Vorteile mit sich, insbesondere einen verringerten Verbrauch von fossilen Energieträgern sowie reduzierte Betriebskosten des Brenners.
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Vorzugsweise wird wenigstens ein Produkt der Elektrolyse (zwischen-)gespeichert. Zu diesem Zweck weist das Wärmerückgewinnungssystem vorteilhafterweise wenigstens einen Speicherbehälter auf. Die Elektrolyseeinheit ist daher vorzugsweise mit diesem bzw. diesen Speicherbehältern verbunden. Dieser bzw. diese Speicherbehälter sind zweckmäßigerweise wiederum mit der jeweiligen Zuführung des von der Elektrolyseeinheit erzeugten Produkts zum Brenner verbunden. Es kann, je nach Bedarf, die gesamte Menge an erzeugten Produkten oder auch nur ein Teil gespeichert werden. Wenn beispielsweise nicht die gesamte Menge an erzeugten Produkten zur Befeuerung des Brenners benötigt wird, kann überschüssiges Produkt somit zwischengespeichert werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Elektrolyse die Elektrolyse von Wasser durchgeführt. Sauerstoff und/oder Wasserstoff werden vorteilhafterweise als Produkte dieser durchgeführten Elektrolyse dem Brenner zugeführt. Der somit erzeugte Wasserstoff wird bevorzugt als Brennstoff, der erzeugte Sauerstoff vorzugsweise als Oxidationsmittel für die Verbrennung verwendet. Wie oben erläutert können dem Brenner falls notwendig zusätzlich zu dem Wasserstoff/Sauerstoff weiterer Brennstoff und/oder weiteres Oxidationsmittel zugeführt werden. Durch die Verwendung des erzeugten Wasserstoffs als Brennstoff können insbesondere Umweltbelastungen und Emissionen, z.B. Kohlenstoffdioxid- und Stickoxidausstoß, verringert werden. Betriebskosten und elektrischer Verbrauch zum Betreiben des Brenners können reduziert und die Effizienz des Brenners kann erhöht werden.
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Vorteilhafterweise wird thermische Energie des Rauchgases dadurch in elektrische Energie umgewandelt, dass mit Hilfe der thermischen Energie des Rauchgases Wasserdampf erzeugt und dieser erzeugte Wasserdampf verwendet wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Das Wärmerückgewinnungssystem weist zu diesem Zweck vorzugsweise eine Dampferzeugungseinheit und/oder eine Kraftmaschine mit Wasserdampf als Arbeitsmedium, vorzugsweise eine Dampfturbine bzw. einen Dampfmotor, und/oder einen Generator auf. Alternativ kann eine andere Umwandlungseinheit von thermischer Energie zu mechanischer Energie und/oder elektrischer Energie verwendet werden (Stirling Motor, Dampfmotor). In der bevorzugten Ausführung ist das Arbeitsmedium der Kraftmaschine identisch zu dem der Elektrolyseeinheit zugeführten Fluid.
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Beispielswiese kann diese Dampferzeugungseinheit einen Wärmetauscher umfassen, z.B. eine Kühlschlange oder eine Plattenwärmetauscher, um Wasser in einer Wasserzufuhr zu verdampfen. Das Wasser in der Wasserzufuhr kann von einer Pumpe stromaufwärts der Dampferzeugungseinheit zunächst auf einen vorgegebenen Druck gebracht werden. Bevorzugt wird der erzeugte Wasserdampf verwendet, um die Dampfturbine zum Erzeugen der elektrischen Energie anzutreiben. Mittels des Generators wird mechanische Energie der Dampfturbine in elektrische Energie umgewandelt. Falls die mittels des Wärmerückgewinnungssystems erzeugte elektrische Energie nicht zum Durchführen der Elektrolyse ausreicht, kann Strom aus externen Quellen, z.B. dem Stromnetz, importiert werden.
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Vorzugsweise kann zu Wasser kondensierter Wasserdampf verwendet werden, um die Elektrolyse durchzuführen. Zu diesem Zweck kann bevorzugt eine Wasserzufuhr von der Dampfturbine über einen Kondensator zu der Elektrolyseeinheit vorgesehen sein. Alternativ kann der Elektrolyseeinheit auch direkt Wasserdampf, wie bspw. vom Turbinenaustritt, zugeführt werden. Somit kann in dem Wärmerückgewinnungssystem das Wasser, ob gasförmig oder flüssig, weiter verwendet werden. Zusätzlich kann auch ausschließlich ein Teil des Wassers/Wasserdampfes der Elektrolyseeinheit zugeführt werden und der andere Teil zurückgeführt werden, indem er z.B. einer Wasserzufuhr vor einer Pumpe im flüssigen Aggregatzustand zugegeben wird..
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Der Brenner kann vorteilhafterweise zum Beheizen eines Ofens verwendet werden, vorzugsweise eines Glasofens zum Schmelzen von Glas. Der Ofen kann somit effizient betrieben werden. Betriebskosten, elektrischer Verbrauch, Umweltbelastungen und Emissionen beim Betrieb des Ofens können reduziert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystems, das dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystems schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet, das dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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In einem Ofen 102, z.B. einem Glasofen, ist ein Brenner 101 angeordnet, um diesen Ofen 102 zu befeuern. Dem Brenner 101 werden über eine Brennstoffzufuhr 161 ein Brennstoff, z.B. Erdgas, und über eine Oxidationsmittelzufuhr 162 ein Oxidationsmittel, z.B. Sauerstoff, zugeführt. Der Brennstoff wird in dem Brenner 101 zusammen mit dem Oxidationsmittel zu einem Rauchgas, insbesondere einer Mischung aus Kohlendioxid und Wasserdampf, verbrannt.
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Über eine Rauchgasabführung 110 wird das von dem Brenner 101 erzeugte Rauchgas aus dem Ofen 102 abgeführt. Eine Umwandlungseinheit 130 ist vorgesehen, um thermische Energie von in der Rauchgasabführung 110 abgeführtem Rauchgas in elektrische Energie umzuwandeln.
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Zu diesem Zweck weist die Umwandlungseinheit 130 eine Dampferzeugungseinheit 131 auf. Dieser Dampferzeugungseinheit 131 wird über eine Wasserzufuhr 120 Wasser zugeführt, welches mittels einer Pumpe 121 auf einen vorgegebenen Druck gebracht wird.
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Die Dampferzeugungseinheit 131 kann beispielsweise als ein Wärmetauscher ausgebildet sein, mittels welchem das Wasser in der Wasserzufuhr 120 durch die Wärme des Rauchgases in der Rauchgasabführung 110 verdampft wird.
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Die Umwandlungseinheit 130 weist weiterhin eine Dampfturbine 133 auf, welcher über eine Dampfzufuhr 132 der erzeugte Dampf zugeführt wird. Die Dampfturbine 133 weist einen Generator auf, um elektrische Energie 134 zu erzeugen.
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Kondensierter Wasserdampf und/oder Wasserdampf wird über Wasserzufuhr 135 von der Dampfturbine 133 zu einer Elektrolyseeinheit 150 geführt. Diese Elektrolyseeinheit 150 wird mit der von der Umwandlungseinheit 130 erzeugten elektrischen Energie betrieben. Falls notwendig, kann aus dem Stromnetz 140 weitere elektrische Energie importiert werden, um die Elektrolyseeinheit 150 zu betreiben.
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In der Elektrolyseeinheit 150 wird eine Elektrolyse des über die Wasserzufuhr 135 zugeführten Wassers durchgeführt. Im Zuge der Elektrolyse wird das Waser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
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Der erzeugte Wasserstoff wird in einem ersten Speicherbehälter 171 (zwischen-) gespeichert und der erzeugte Sauerstoff in einem zweiten Speicherbehälter 172.
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Über eine Wasserstoffzufuhr 151 wird der von der Elektrolyseeinheit 150 erzeugte Wasserstoff von dem ersten Speicherbehälter 171 an einem Knotenpunkt 153 in die Brennstoffzufuhr 161 geleitet. Der erzeugte Wasserstoff wird somit dem Brenner 101 zusammen mit dem Brennstoff, z.B. Methan, zugeführt.
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Über eine Sauerstoffzufuhr 152 wird der von der Elektrolyseeinheit 150 erzeugte Sauerstoff von dem zweiten Speicherbehälter 172 an einem Knotenpunkt 154 in die Oxidationsmittelzufuhr 162 geleitet. Der von der Elektrolyseeinheit 150 erzeugte Sauerstoff wird somit dem Brenner 101 als Oxidationsmittel zugeführt.
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Durch die Verwendung der Elektrolyseprodukte für die Verbrennung werden somit die dem Brenner zusätzlich zuzuführenden Mengen an Brennstoff und Oxidationsmittel (161 und 162) reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wärmerückgewinnungssystem
- 101
- Brenner
- 102
- Ofen, Glasofen
- 110
- Rauchgasabführung
- 120
- Wasserzufuhr
- 121
- Pumpe
- 130
- Umwandlungseinheit
- 131
- Dampferzeugungseinheit
- 132
- Dampfzufuhr
- 133
- Dampfturbine, Generator
- 134
- elektrische Energie
- 135
- Wasserzufuhr
- 140
- Stromnetz
- 150
- Elektrolyseeinheit
- 151
- Wasserstoffzufuhr
- 152
- Sauerstoffzufuhr
- 153
- Knotenpunkt
- 154
- Knotenpunkt
- 161
- Brennstoffzufuhr
- 162
- Oxidationsmittelzufuhr
- 171
- erster Speicherbehälter
- 172
- zweiter Speicherbehälter
