DE9418234U1 - Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft PJ4-P energetische Nutzung
nachwachsender Rohstoffe, wobei die Rohstoffe wie Holzstaub, Späne, andere nachwachsende Rohstoffe und dergleichen bei Unterdruck
verbrannt werden, gegebenenfalls die Verbrennungsrückstände abgetrennt werden, wobei die bei Temperaturen um 1000 'C
austretenden Abgase Verunreinigungen in Form von Asche- und Staubpartikeln mitführen.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur energetischen
Nutzung nachwachsender Rohstoffe mit einer Unterdruckbrennkammer
für Holzstaub, Späne und andere nachwachsende Rohstoffe und dergleichen.
Schließlich richtet sich die Erfindung auch auf die Anwendung der * Vorrichtung auf Heißgasmaschinen in Form von
Stirling-Motoren.
In der Regel wird bei kleineren Heizwerken bis zu einer Feuerungswärmeleistung
von 1 MW und mehr auf Grund der hohen Investitionskosten für einen~.-Dampfturbinenprc:zeJL_itiit_komplettem
Wasser-Dampf-Kreislauf, Turbogenerator und MSR-Anlage auf die
Kraft-Wärme-Kopplung, also eine zusätzliche Stromerzeugung, verzichtet- Auch; eine energetische Nutzung des Wärmeinhaltes der
Rauchgase in Gasturbinen und Gasmotoren gestaltet sich auf Grund der hohen Investitionskosten in diesem Leistungsbereich nicht
wirtschaftlich.
Derzeit erfolgt bei Anlagen in diesem Leistungsbereich meist nur
eine Wärme entbindung für Heiz- und Prozeßzwecke, jedoch keine Stromerzeugung im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung, bei der wesentlich
höhere Anlagenwirkungsgrade als bei reiner Stromerzeugung erzielt wreden. In der Regel werden Heizwerke mit den fossilen
Brennstoffen wie Heizöl, Gas oder Kohle beheizt. Diese Brennstoffe sind nicht CO2-neutral. CO2 ist ein Gas, das den
Treibhauseffekt fördert. Bei Einsatz von biogenen, CO2-neutralen
und gleichzeitiger Substitution von fossilen Brennstoffen wird eine Reduzierung der C02-Emissionen in die Atmosphäre erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw.
eine Vorrichtung zur Verbesserung der Energieausnutzung verglichen mit reiner Stromerzeugung anzugeben und eine Stromerzeugung
ab einer elektrischen Leistung von ca. 3 kW zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe überraschend bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß die verschmutzten Abgase
hochtemperaturgereinigt werden und in einem Stirling-Motor unter Energieumsetzung Wärme abgeben und einer Abwärmenutzung zugeleitet
werden.
Vorzugsweise wird die Abwärmenutzung in Form der Stromerzeugung mit Gegendruck- oder Kondensationsbetrieb oder in Form von Heizoder
Prozeßwärmeversorgung und/oder in Trocknungsanlagen realisiert.
Zweckmäßig wird die Hochtemperaturreinigung bzw. Entstaubung über Keramikfilterkerzen an sich bekannter Bauart vorgenommen.
Wegen der hohen Temperaturen eignen sich Gewebefilter nicht mehr. Diese Keramikfilter sind röhrenartig und gehen in eine Art
Tasche über. Aus diesen Filtern tritt das Rauchgas gereinigt aus.
Benutzt werden können neuartige Filterelemente, die aus keramischen
Fasern bestehen und mit anorganischen Armierungen versehen sind. Dauereinsatztemperaturen bis mindestens 900 "C können nach
bisheriger Erfahrung zugelassen werden. Das Material ist nicht brennbar. Die Abdichtung zwischen Roh- und Reingasseite erfolgt
mit Hilfe eines weichen Mineralfilzes, der gleichzeitig die Wärmedehnung der metallischen Kopfplatte bei Temperaturschwankungen
kompensiert.
Die Keramikfilter müssen bezogen auf die konstruktive Auslegung in Überzahl vorhanden sein, um die Möglichkeit der Kerzenreinigung
bzw. des Kerzenaustausches während des Betriebes zu ermöglichen.
Bei den Lösungen mit Rauchgas-Luft-Wärmetauschern wird das heiße Rauchgas die durch den Wärmetauscher strömende Luft erhitzen und
diese so für die Stromerzeugung im Stirling-Motor nutzbar machen.
Auch das weitere Ziel, die hohen Investitionskosten, die bei einer Kraft-Wärme-Kopplung mit Dampfbetrieb in diesem Leistungsbereich
anfallen, zu reduzieren, ist hier erreicht.
Vorteil dieser Betriebsweise mit einem der Biostoff-Feuerungsanlage
nachgeschalteten Stirling-Motor ist die ^-Neutralität, der Wegfall der hohen Investitionskosten für die Stromerzeugung
nach dem Clausius-Rankine-Prozeß und eine wirtschaftliche Stromerzeugung im kleinen Leistungsbereich.
Die Aufgabe wird im genannten Anwendungsbereich, in dem teilweise der Privatsektor liegt, in hervorragender Weise gelöst, da
sich der Stirling-Motor hierzu besonders eignet: Er hat gegenüber anderen Stromerzeugungsaggregaten nur eine geringe Geräuschentwicklung.
Das ungünstige Leistungsgewicht kann gegenüber Fahrzeugmotoren vernachläßigt werden, da es sich ja um
einen stationären Einsatz handelt.
Überraschend kann der Wärmeinhalt der heißen, verschmutzten
Rauchgase aus der Biostoff-Verbrennungsanlage ohne Verschmutzungsprobleme an den Wärmetauscherflächen im Stirling-Motor
nutzbar gemacht werden. Damit wird dem Stirling-Motor ein praktisch sauberes, von Staubpartikeln befreites Arbeitsmedium zur
Verfügung gestellt.
Für die Hochtemperaturentstaubung kann ein Heißgaszyklon genauso
gut wie Keramikkerzen oder andere Aggregate dienen.
Bei einer anderen Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe werden die Rauchgase gegebenenfalls hochtemperaturentstaubt,
einem Rauchgas-Luft-Wärmetauscher zu einer Abwärmenutzung zugeführt und bei niedriger Temperatur gereinigt; im Wärme-
tauscher wird die Luft auf beispielsweise 800 0C vorgewärmt und
in einem Stirling-Motor unter Energienutzung abgekühlt und einer weiteren Wärmenutzung zugeführt.
Der hier verwendete Stirling-Motor ist eine Heißgasmaschine und kann von der Bauart mit einem Zylinder und geradlinig hin- und
hergehenden Kolben sein, wie er auch als thermo-elektrischer Konverter zur Stromerzeugung aus Brenngasen angeboten wird.
Durch die Entstaubung der heißen Rauchgase bzw. die Beaufschlagung
des Stirling-Motors mit dem Arbeitsmedium "Heißluft" werden Verschmutzungen, Abzehrungen und Korrosionen an den Wärmetauscherflächen
des Stirling-Motors vermieden und höhere Stromerzeugungswirkungsgrade bei längeren Reisezeiten bzw. Betriebszeiten
erreicht. Die Verfügbarkeit der Anlage wird erhöht. Die Brennstoffe können sowohl pneumatisch in die Brennkammer eingeblasen
werden als auch als Festbrennstoffe zum Einsatz kommen. Bei einer Vorrichtung gemäß der zweiten Lösung, d. h. mit Wärmetauscher,
kann bei einem dem Stirling-Motor nachgeschalteten Trocknungsprozeß, der für Grünfutter, Nahrungsmittel, Futterpflanzen
etc. Anwendung finden kann, davon ausgegangen werden, daß bei einer Trocknung mit sauberer Luft keine Anreicherung von
Schadstoffen in den Trocknungsgütern geschieht. Die Abluft aus dem Stirling-Motor muß bei dieser Vorrichtung nicht gereinigt
werden, die Reinigung der Rauchgase ist nach einer möglichen weiteren Wärmenutzung auf einem niedrigeren Temperaturniveau
möglich.
Mit Hilfe der der Brennkammer nachgeschalteten Hochtemperaturentstaubung
können die Abgase auf einen Staubgehalt - ähnlich wie bei Heizöl-Feuerungen - von weniger als 1 mg/m3 gebracht
werden.
Die Aufgabeeinrichtung für die Brennstoffe kann entweder als Einblasfeuerung ausgebildet sein, oder sie kann für Festbrennstoffe
als Schubboden, Trichter mit Doppelklappe oder dergleichen ausgeführt sein.
Der Stirling-Motor bietet auf ideale Weise die direkte bzw. indirekte Umsetzung der in den Rauchgasen enthaltenen Wärme in
elektrische Energie, wobei von den Herstellern der Stirling-Motoren
ein Umsetzungsgrad in elektrische Energie von ca. 28 %, ähnlich wie bei Diesel- oder Gasmotoren, angegeben wird. Dabei
können die aus der Biostoff-Verbrennung kommenden heißen Rauchgase
von etwa 1000 *C über eine Hochtemperaturentstaubung gereinigt
werden, oder es wird über einen Rauchgas-Luft-Wärmetauscher Heißluft mit ca. 900 "C erzeugt. Die Temperaturspitze von ca.
1000 'C der dann staubfreien Rauchgase bzw. Heißluft wird im Stirling-Motor auf etwa 600 0C abgebaut.
Die Abwärme mit Temperaturen von ca. 600 "C der staubfreien
Rauchgase und/oder der Heißluft kann für
- Heizzwecke wie z.B. Heizwärme, Prozeßwärme oder Trocknungsanlagen
,
- Kraft-Wärmekopplungsprozesse, wobei elektrischer Strom und
Abwärme erzeugt werden,
- Kondensationsprozesse zur Kondensations-Stromerzeugung verwendet werden.
Durch diese Verfahrenstechniken bzw. mit den dargestellten Kombiprozessen
können die Investitionskosten trotz eines sehr hohen Stromausnutzungsgrades und einer Abwärmeverwertung entsprechend
gesenkt werden, da
- der Stirling-Motor in Modulbauweise eingesetzt werden kann,
- die nachgeschaltete Kraft-Wärmekopplungsanlage oder Kondensationsstromerzeugungsanlage
in einem Druckbereich von 30... 40 bar und ca. 400 'C überhitzung angesiedelt ist (bei dieser
Mitteldruckstufe können die Investitionskosten beachtlich gesenkt werden),
- die Abwärme für Prozeß-, Heiz- oder Trocknungswärme mit staubfreien
Abgasen oder Heißluft noch genutzt werden kann.
Die nachfolgend beschriebenen Verfahrenstechniken der energetischen
Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen mit Stirling-Motoren bieten in vieler Hinsicht Vorteile, wie
- im Rahmen von Kombiprozessen eine optimale Energieerzeugung
realisiert werden kann, wobei die Ausbeute des hochwertigen
Produktes "elektrischer Strom" maximiert wird;
realisiert werden kann, wobei die Ausbeute des hochwertigen
Produktes "elektrischer Strom" maximiert wird;
- CO2-neutrale Brennstoffe für die Energieerzeugung verwendet
werden;
werden;
- in strukturschwachen bzw. unerschlossenen Gebieten eine Stromerzeugung
mit einfachen Mitteln realisiert werden kann.
Die Gesamtvorrichtung kommt mit wenigen Vorrichtungsteilen aus. Dazu gehört eine Spänesilo mit geeigneter Austragseinrichtung
(bei pneumatisch förderbaren Brennstoffen), ein Bunker bzw. ein Lagerplatz für Festbrennstoffe, eine geeignete Aufgabeeinrichtung
der Festbrennstoffe in die Brennkammer bzw. einem Spänebrenner für die Einbringung der pneumatisch förderbaren Brennstoffe,
ein nachgeschalteter Rauchgas-Luft-Wärmetauscher und/- oder eine nachgeschaltete Hochtemperaturentstaubung und ein
Stirling-Motor mit Generator.
Gegenstand der Erfindung ist auch die oben erwähnte Vorrichtung
zur energetischen Erzeugung nachwachsender Rohstoffe mit einer Unterdruckbrennkammer für Holzstaub, Späne und andere nachwachsende
Rohstoffe, die sich auszeichnet durch eine Beaufschlagung des gegebenenfalls mit einem Stromerzeuger verbundenen Stirling-Motor
mit sauberen Rauchgasen bzw. mit sauberer Luft, die realisiert wird mit einem Rauchgaswärmetauscher oder Keramikfilterkerzen;
sowie durch eine Abwärmenutzung der sauberen, aus dem Stirling-Motor austretenden Rauchgase, bzw. der Luft.
Die Abwärmenutzung kann beispielsweise in einer Stromerzeugung in Gegendruck- oder Kondensationsturbinen bestehen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden.Zeichnungen näher erläutert werden,
die eine Kraft-Wärme-Kopplung mit Stirling-Motor und Biostoff-Verbrennung jeweils zeigt, nämlich:
Fig. 1: Hochtemperaturentstaubung (in der Darstellung Keramikfilter)
und
Fig. 2: mit einem vorgeschalteten Rauchgas-Luft-Wärmetauscher.
Fig. 2: mit einem vorgeschalteten Rauchgas-Luft-Wärmetauscher.
Über eine pneumatische Brennstofförderung 1 oder eine geeignete Aufgabeeinrichtung für Festbrennstoffe 2 werden Holzstaub, Späne,
nachwachsende Rohstoffe etc. einer Brennkammer 10 zugeführt. In der Brennkammer herrscht ein für diese Anlagen typischer
Unterdruck von bis zu 1 mm WS. Die Brennkammer wird vorzugsweise mit einer Wirbelboden- oder Wirbelkomponentenfeuerung 4 betrieben.
Bei einer Wirbelkomponentenfeuerung werden die Rückstände über 5 entleert. Die Abgase aus der Brennkammer 11 mit einer
Temperatur von bis zu 1000 "C führen Verunreinigungen in der Form von Asche- oder Staubpartikeln mit, wie dies bei Gas- oder
ölfeuerungen nicht der Fall ist.
Nach Fig. 1 werden diese in einer Hochtemperaturentstaubungsanlage
25 (hier dargestellt als Keramikfilter) gereinigt. Die in den Rauchgasen enthaltenen Aschen und Stäube werden über 26
ausgetragen. Die Rauchgase verlassen die Hochtemperaturentstaubung 25 mit nahezu gleichbleibender Temperatur 21 unter Berücksichtigung
eines geringen Isolationsverlustes. Die heißen Rauchgase 21 werden dem Stirling-Motor 30 zugeführt. Der Stirling-Motor
wird nicht gesondert beschrieben, weil an sich bekannt. Eine Anpassung der Wärmetauscherflächen für die Nutzung der
Rauchgase aus Biostoff-Verbrennungsanlagen und geringeren Temperaturen
gegenüber Erdgasfeuerungen kann erforderlich sein, um möglichst hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Die Rauchgase 31 verlassen
mit einer Temperatur von ca. 600 "C, ohne Berücksichti-
· t
gung einer Luftvorwärmung im Motor-Aggregat selbst, den Stirling-Motor.
Mit Hilfe des an den Stirling-Motor gekoppelten Generators 32 wird die Umwandlung der mechanischen in elektrische
Energie realisiert. Die Rauchgase 31 werden dann einer Abwärmenutzung 40 zur Verfugung gestellt. Diese Abwärmenutzung
kann in der Form von Stromerzeugung im Gegendruck- oder Kondensationsbetrieb und/oder Heiz- und Prozeßwarmeversorung und/oder
Trocknungsanlagen erfolgen.
Nach Fig. 2 werden die Rauchgase 11 einem Rauchgas-Luft-Wärmetauscher
20 zugeführt. Zur Vermeidung von Verschmutzungen im Rauchgas-Luft-Wärmetauscher 20 kann diesem eine Hochtemperaturentstaubung
(in Fig. 1, s. 25) in Form eines Keramikfilters oder eines Heißgaszyklons vorgeschaltet werden. Der Rauchgas-Luft-Wärmetauscher
20 kühlt die Rauchgase ab und erhitzt die Luft auf eine Temperatur von bis zu 800 "C. Die abgekühlten Rauchgase 31
verlassen den Rauchgas-Luft-Wärmetauscher 31 und werden anschließend einer weeiteren, mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen,
Abwärmenutzung 40 zugeführt. Anschließend erfolgt eine Reinigung der Rauchgase auf niedrigem Temperaturniveau. Die aus dem Rauchgas-Luft-Wärmetauscher
20 austretende Heißluft 22 wird in den Stirling-Motor 30 geleitet. Die Umwandlung der mechanischen in
elektrische Energie erfolgt analog zu Fig. 1 in einem Generator 32. Die Heißluft 33 verläßt den Stirling-Motor mit einer Temperatur
von ca. 500 "C und wird einer weiteren Abwärmenutzung 50
zugeführt. Diese kann analog zu Fig. 1 (Abwärmenutzung 40) erfolgen. Das saubere Abgas 33 aus dem Stirling-Motor 30 muß nicht
gereinigt werden und ist somit ideal für Trocknungszwecke von Nahrungs- und Futtermitteln geeignet. Der Rauchgas-Luft-Wärmetauscher
20 kann in liegender oder in stehender Form ausgeführt sein. Bei nicht-vorgeschalteter Entstaubung der Rauchgase ist
eine Reinigungseinrichtung mit Hilfe von Ketten, Kugelregen, Rußbläsern oder dergleichen vorzusehen. Der Wärmetauscher 20
kann entweder mit einem Werkstoff für die jeweiligen Temperaturbereiche oder mit verschiedenen Werkstoffen für die jeweiligen
Temperaturbereiche ausgestattet sein. Entfällt die Abwärmenutzung
50 der Heißluft 33 aus dem Stirling-Motor kann diese als
50 der Heißluft 33 aus dem Stirling-Motor kann diese als
vorgewärmte Verbrennungsluft verwendet werden. Daraus ergibt sich eine Wirkungsgradsteigerung durch einen wegfallenden Abgasvolumens
trom. Bei einer dem Rauchgas-Luft-Wärmetauscher 20 vorgeschalteten Rauchgasreinigung (Keramikfilter, Heißgaszyklon)
kann bei Einsatz bestimmter biogener Brennstoffe eine weitere Reinigung bei 40 entfallen.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe,
mit einer Unterdruckbrennkammer für Holzstaub, Späne oder ähnliche andere nachwachsende Rohstoffe oder dergleichen,
gekennzeichnet durch eine ihr nachgeschaltete Entstaubung, insbesondere mit Keramikfilterkerzen, deren gereinigte
Austrittsgase einem gegebenenfalls mit einem Stromgenerator (32) verbundenen Stirling-Motor zugeführt werden und mit
einer Abwärmenutzung (40) der sauberen aus dem Stirling-Motor austretenden Abgase.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abwärmenutzung in einer Stromerzeugung im Gegendruck- oder Kondensationsturbinenbetrieb (40) besteht.
daß die Abwärmenutzung in einer Stromerzeugung im Gegendruck- oder Kondensationsturbinenbetrieb (40) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß die Abwärmenutzung in einer Heiz- und Prozeßwärmeversorgung und -trocknung besteht.
, daß die Abwärmenutzung in einer Heiz- und Prozeßwärmeversorgung und -trocknung besteht.
4. Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe,
mit einer unterdruckbrennkammer für Holzstaub, Späne oder ähnliche andere nachwachsende Rohstoffe oder dergleichen,
dadurch gekennzeichnet , daß der Biostoffbrennkammer
(10) ein Rauchgas-Luft-Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der mit Heißluft einen mit einem Stromgenerator (32) verbundenen
Stirling-Motor (30) beaufschlagt, bei dem der Rauchgas-Luft-Wärmetauscher
(20) mit einer Stufe (40) für die Abwärmenutzung und Rauchgasreinigung, der Stirling-Motor (30) mit einer Stufe
(50) zur Abluftbehandlung unter Wärmeausnutzung ohne
Rauchgasreinigung verbunden ist.
Rauchgasreinigung verbunden ist.
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|---|---|---|---|
| DE9418234U DE9418234U1 (de) | 1994-11-14 | 1994-11-14 | Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe |
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| DE9418234U DE9418234U1 (de) | 1994-11-14 | 1994-11-14 | Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe |
Publications (1)
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|---|---|
| DE9418234U1 true DE9418234U1 (de) | 1996-03-21 |
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|---|---|---|---|
| DE9418234U Expired - Lifetime DE9418234U1 (de) | 1994-11-14 | 1994-11-14 | Vorrichtung zur energetischen Nutzung nachwachsender Rohstoffe |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| DE (1) | DE9418234U1 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2926876A1 (fr) * | 2008-01-28 | 2009-07-31 | Air Liquide | Procede de combustion de combustibles carbones avec filtration des fumees de combustion avant compression. |
| EP2827059A1 (de) * | 2013-07-10 | 2015-01-21 | Alfred Beilschmidt | Verbrennungsofenanlage |
-
1994
- 1994-11-14 DE DE9418234U patent/DE9418234U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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