EP2467589A1 - Verfahren und vorrichtung zur umwandlung thermischer energie aus biomasse in mechanische arbeit - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur umwandlung thermischer energie aus biomasse in mechanische arbeit

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EP2467589A1
EP2467589A1 EP10742153A EP10742153A EP2467589A1 EP 2467589 A1 EP2467589 A1 EP 2467589A1 EP 10742153 A EP10742153 A EP 10742153A EP 10742153 A EP10742153 A EP 10742153A EP 2467589 A1 EP2467589 A1 EP 2467589A1
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EP
European Patent Office
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gas turbine
thermal energy
heat exchanger
gas
supplied
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Withdrawn
Application number
EP10742153A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dragan Stevanovic´
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Krones AG
Original Assignee
Krones AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Krones AG filed Critical Krones AG
Publication of EP2467589A1 publication Critical patent/EP2467589A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/26—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being solid or pulverulent, e.g. in slurry or suspension
    • F02C3/28—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being solid or pulverulent, e.g. in slurry or suspension using a separate gas producer for gasifying the fuel before combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
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    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F02C7/10—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
    • F28D17/005—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using granular particles
    • 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
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the invention relates to a method for the conversion of thermal energy from biomass into mechanical work, according to the preamble of claim 1 and a device for the conversion of thermal energy into mechanical work, according to the preamble of claim 7.
  • the invention is described with reference to biomass However, it should be noted that the inventive method and the device according to the invention can also be used for other carbonaceous products.
  • DE 100 39 246 C2 relates to a method for converting thermal energy into mechanical work, wherein a first and a second means for storing thermal energy are switched on alternately in a turbine branch.
  • the disadvantage here is the inadequate integration of the heat released in the various process steps and the formation of dust in the flue gases, which is removed, for example, by means of a cyclone.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method and a device for converting thermal energy from combustion or gasification of carbonaceous raw materials into mechanical work, which has high efficiency and high efficiency with improved heat integration into the combustion process exhibit and advantageous while avoiding dust in the flue gases work. Furthermore, a method is to be created which in turn efficiently supplies the resulting energies to individual processes.
  • An essential point of the invention is that a method for the conversion of thermal energy from carbonaceous raw materials into mechanical work with at least a first and a second means for storing and dispensing thermal energy, which alternately at least temporarily in a turbine branch with a downstream Gas turbine are turned on, the following steps:
  • the term downstream is understood in particular to be a downstream in relation to the respective gases to be processed or the heat flow.
  • the gas burner is advantageous immediately downstream of a carburetor.
  • the device for storing thermal energy is preferably also suitable for emitting the stored thermal energy, for example in the form of hot air.
  • devices for storing thermal energy in particular bulk material generators can be used, as described for example in EP 0 620 909 B1 or DE 42 36 619 C2.
  • the disclosure content of DE 100 39 246 A1, filed on 1 Aug. 2008 at the DPMA, is incorporated by reference in its entirety into the present disclosure
  • the invention proposes to heat combustion air for the gas burner with the advantageous use of the output from the gas turbine heat or hot air by means of a heat exchanger.
  • additionally compressed air can be supplied to the heat exchanger.
  • the method thus enables optimal heat integration in the combustion process.
  • the heat formed during the combustion by means of the heat exchanger as heated combustion air is supplied to the gas burner again to further increase the efficiency of the process.
  • the hot air supplied by the gas turbine and supplied to at least one heat exchanger downstream of the expander of the gas turbine is preferably at least partially supplied as hot exhaust air to at least one further heat exchanger and the recovered thermal energy is decoupled as usable heat. This further contributes to environmental compatibility and to increasing the efficiency of the process.
  • the hot air supplied by the gas turbine and fed to at least one gas turbine downstream of the gas turbine is preferably at least partially supplied as hot exhaust air to at least one further heat exchanger and the recovered thermal energy is used for the generation of saturated steam.
  • the waste heat is used for saturated steam generation. This relates in particular to the supply of waste heat to at least one further heat exchanger, which in turn is connected downstream of the gas turbine downstream heat exchanger, with which water is heated to produce the saturated steam.
  • the hot air supplied by the gas turbine and supplied to at least one of the gas turbine downstream is preferably at least partially supplied as hot exhaust air to at least one further heat exchanger, and the generated thermal energy is used for the production of hot air.
  • This hot air can be fed to a carburetor.
  • the overall process preferably comprises, in a first step, gasification of the carbonaceous raw materials in a gasifier, the product gas being used as fuel Carburetor downstream gas burner is supplied.
  • the heated saturated steam and / or the hot air are preferably introduced via the gas turbine downstream heat exchanger in the gasifier and used as a gasification agent for gasification.
  • a fixed-bed countercurrent carburetor is used as the carburetor.
  • the heated by means of a heat exchanger steam is introduced into the carburetor and used for gasification.
  • the gasifier is advantageously fed to a further gaseous medium as combustion gas. As combustion gas comes z.
  • As hot air oxygen, oxygen-enriched air and the like into consideration.
  • relaxed hot air from the gas turbine is used to generate energy by means of a steam turbine.
  • this steam turbine could be integrated into a separate water cycle and the water in this circuit can be vaporized and overheated by a heat exchanger. After the steam turbine, the steam is condensed to be then pressurized in liquid form by a pump before being returned to the heat exchanger.
  • the inventive device for converting thermal energy into mechanical work essentially comprises a gas burner for burning a fuel; at least one first and one second means for storing thermal energy, which at least temporarily alternately in a turbine branch with a downstream gas turbine are switched on and at least one connecting line, which in the gas burner resulting flue gases to the means for storing thermal energy, wherein the gas turbine at least one heat exchanger downstream, which serves for heating of guided in the gas burner combustion air.
  • a connecting line between the gas turbine and the heat exchanger and between the heat exchanger and the gas burner is provided, so that heat exiting the gas turbine first heats the combustion air and thus the energy released can be supplied to the gas burner again to the combustion process in the gas burner even more efficient.
  • the device has an air supply device, which supplies the gas burner, the air, in particular fresh air.
  • the said heat exchanger is arranged in this line
  • the gas turbine advantageously acts as a compressor to compress supplied air and to supply the devices for storing thermal energy in turn to be heated cold air, wherein the gas turbine is followed by at least one heat exchanger, which supplies the heated air to the gas burner.
  • the gas burner is preferably preceded by a carburetor for generating or converting the fuel.
  • further turbine downstream branch means are provided for heating at least one gas.
  • These means are, for example, also heat exchangers, which can simultaneously heat air, so as to produce hot air, which can be supplied to the gasifier.
  • these means saturated steam can be generated, which can also be supplied to the gasifier.
  • At least one of the gas turbine downstream heat exchanger supplied hot air is at least partially supplied as hot exhaust air at least one other heat exchanger and extracted the recovered thermal energy as usable heat.
  • at least one of the gas turbine downstream heat exchanger supplied hot air is at least partially supplied as hot exhaust air at least one other heat exchanger, which uses the thermal energy obtained for saturated steam generation.
  • At least one of the gas turbine downstream heat exchanger supplied hot air is at least partially supplied as hot exhaust air at least one further heat exchanger, which uses the thermal energy obtained for hot air generation.
  • a plurality of heat exchangers are preferably arranged behind one another in a string of the hot air emerging from the turbine.
  • a means for alternately switching on at least one first device for storing thermal energy and at least one second device for storing thermal energy in the turbine branch is preferably provided.
  • These alternately switching-on means may, for example, be a multiplicity of controllable valves, which in each case permit the flue gas to be fed alternately into the means for storing thermal energy or allow alternate discharge of heated air to the gas turbine.
  • At least one further heat exchanger arranged downstream of a compressor of the gas turbine is advantageously provided, which at least partially cools supplied hot air and supplies it as cold air to the first and / or second device for storing thermal energy. On the one hand, this is intended to ensure an increase in efficiency of the stored energy. On the other hand, by cooling the air, the temperature of the flue gas can also be reduced.
  • the valve-like means is used for emergency shutdown and is preferably arranged in a bypass between a feed to the expander and a discharge line from the compressor of the gas turbine.
  • temperature sensors can be provided which respectively measure the temperatures at corresponding locations of the devices for storing thermal energy and switch the corresponding valves in response to these measurements, so that optimal supply of the gas turbines with hot air is made possible at all times and furthermore enables efficient recharging of the means for storing thermal energy.
  • the gas turbine downstream of a steam turbine.
  • the hot air from the first gas turbine can be used once again to generate electricity.
  • the current efficiency can be further improved.
  • Fig. 1 is a first flowchart
  • Fig. 1 shows a schematic flow diagram of the use of a device according to the invention for the conversion of thermal energy from carbonaceous raw materials into mechanical work.
  • the reference numeral 1 refers to a gas turbine 8 downstream heat exchanger.
  • the raw material 14 is input from above into the carburetor 18 and the gasification agent (eg air / saturated steam) along a supply line 16 from below.
  • the gasification agent eg air / saturated steam
  • the resulting ash in the carburetor 18 is discharged downwards, that is, along the arrow P1.
  • the product gas enters the gas burner 2 and is burned.
  • the resulting in the gas burner 2 flue gases are passed through a connecting line 3 and with the help of the valves 46, 44 in a first 4 or second 6 bulk regenerator and supplied by the bulk regenerators 4,6 hot air 7 via a line 21 to a gas turbine 8.
  • a generator G is arranged on the gas turbine 8.
  • the reference numeral 23 denotes a discharge pipe for discharging the flue gas generated in the means 4, 6 for storing thermal energy.
  • From the first regenerator 4 leads a line 22 to the gas turbine 8.
  • the exiting the gas turbine 8 hot exhaust air is supplied via a line 26 to the heat exchanger 1.
  • the heat released is used to heat incoming, compressed air, which is supplied to the gas burner 2 as preheated combustion air 7.
  • the exiting the gas turbine 8 hot exhaust air is then fed to another heat exchanger 13, which serves to generate hot water.
  • heat exchanger 13, heat exchangers 1 1, 12 are connected downstream to supply both air and water as a gasifying agent to the fixed-bed countercurrent reactor 18.
  • the heat exchanger 13 is connected directly downstream of the first heat exchanger 1. By means of this device, it is possible to use the decoupled heat, for example for hot water production at a high temperature level.
  • the heat exchanger 1 1, 12 for heating air and water as a gasifying agent are also downstream of the heat exchanger 13.
  • the order of the heat exchangers allows precise control of the heat distribution in the process of the invention.
  • the first heat exchanger 1, which receives the combustion air with the highest temperature, is used in particular for generating hot air for the gas burner, the next heat exchanger 13 for generating heat, which is the further heat exchangers 1 1 and 12 is supplied to then hot air or saturated steam produce. Furthermore, it would also be possible to exchange the two heat exchangers 12 and 1 1 with respect to their order.
  • the heat exchanger 15 is connected downstream of the compressor of the gas turbine 8 and cools the compressed hot air emerging from the compressor of the gas turbine 8 and subsequently supplies cold air to the first device 4 and / or second device 6 for storing thermal energy.
  • the temperature efficiency of the stored energy should be increased, but also the temperature of the flue gas should be reduced.
  • the reference numeral 58 in the figure refers to a pump for conveying water.
  • the reference numeral 10 in the figure refers to the hot air and the reference numeral 9 denotes the saturated steam.
  • the reference numerals 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 each refer to controllable valves, the supply of the flue gas to the bulk regenerators 4.6 (valves 44 and 46) and the discharge of the hot air of bulk regenerators 4, 6 to the gas turbine 8 (valves 36 and 42), the delivery of flue gas (valves 32 and 38) as well as vice versa the supply of cold air (valves 34 and 40) to the bulk regenerators 4.6 control.
  • the respectively black drawn valves are in an open state and the only rimmed valves in a closed state.
  • Reference numerals 52, 54, 56 respectively refer to compressors for compressing air (reference numeral 56), flue gas (reference numeral 52) and exhaust air (reference numeral 54).
  • air is supplied via the line 25 of the gas turbine 8 and passed through a further heat exchanger 15 to be supplied as cold air in bulk regenerators 4 and 6.
  • Fig. 2 shows another embodiment of the present invention.
  • a further circuit 70 is provided, which is connected downstream of the gas turbine 8. More specifically, the hot air from the gas turbine 8 is passed through a heat exchanger 71, which is integrated in this circuit 70. Through the heat exchanger, water of the circuit 70 is heated and fed to a steam turbine 72, which in turn drives a generator 74.
  • the reference numeral 78 refers to a pump and the reference numeral 76 to a capacitor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit mit wenigstens einer ersten (4) und einer zweiten (6) Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig (T) mit einer nachgeschalteten Gasturbine (8) eingeschaltet werden, mit den Schritten: a) Verbrennen eines Gases in einem Gasbrenner (2), b) Durchleiten der in dem Gasbrenner (2) entstandenen Rauchgase (3) durch eine Einrichtung (4, 6) zum Speichern thermischer Energie, und c) Einleiten der von wenigstens einer Einrichtung (4, 6) abgegebenen Heißluft (7) in die Gasturbine (8), wobei die von der Gasturbine (8) abgegebene Heißluft mindestens einem der Gasturbine (8) nachgeschalteten Wärmetauscher () zugeführt wird.

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus Biomasse in mechanische Arbeit, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit, gemäß dem Oberbe- griff des Patentanspruches 7. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Biomasse beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere kohlenstoffhaltige Produkte verwendet werden können. Die DE 100 39 246 C2 betrifft ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit, wobei ein erstes und ein zweites Mittel zum Speichern thermischer Energie wechselweise in einen Turbinenzweig eingeschaltet werden. Als nachteilig erweist sich dabei die unzureichende Integration der in den verschiedenen Prozessschritten freiwerdenden Wärme sowie die Bildung von Staub in den Rauchgasen, welcher beispielsweise mittels ei- nes Zyklons entfernt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umsetzung von thermischer Energie aus Verbrennung bzw. Vergasung kohle- stoffhaltiger Rohstoffe in mechanische Arbeit zur Verfügung zu stellen, welche eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad mit verbesserter Wärmeintegration in den Verbrennungsprozeß aufweisen und vorteilhaft unter Vermeidung von Staub in den Rauchgasen arbeiten. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden, welches entstehende Energien in effizienter Weise wiederum einzelnen Prozessen zuführt.
Dies wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 7 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit mit wenigs- tens einer ersten und einer zweiten Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig mit einer nachgeschalteten Gasturbine eingeschaltet werden, folgende Schritte aufweist:
a) Verbrennen eines Brennstoffes in einem Gasbrenner, wobei dem Gasbrenner Verbrennungsluft zugeführt wird,
b) Durchleiten der in dem Gasbrenner entstandenen Rauchgase durch eine Einrichtung zum Speichern thermischer Energie, und
c) Einleiten der von wenigstens einer Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie abgegebenen Heißluft in die Gasturbine, insbesondere deren Expander, wobei von der Gasturbine abgegebene Heißluft mindestens einem der Gasturbine nachgeschal- teten Wärmetauscher zugeführt wird und mittels dieses Wärmetauschers die dem Gasbrenner zugeführte Verbrennungsluft erwärmt wird.
Unter dem Begriff Nachschalten wird insbesondere ein Nachschalten in Bezug auf die jeweils zu verarbeitenden Gase bzw. den Wärmefluß verstanden. Dabei ist der Gasbrenner vorteilhaft einem Vergaser unmittelbar nachgeschaltet. Bevorzugt ist die Einrichtung zum Speichern thermischer Energie auch zur Abgabe der gespeicherten thermischen Energie, beispielsweise in Form von Heißluft, geeignet. Als Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie können insbesondere Schüttgutgeneratoren eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der EP 0 620 909 B1 oder der DE 42 36 619 C2 beschrieben wurden. Der Offenba- rungsgehalt der DE 100 39 246 A1 , angemeldet am 1 1.08.2008 beim DPMA, wird durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung einbezogen Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann die Leistungsausbeute der Anlage erhöht werden, indem eine gezieltere lambda-Steuerung der Anlage vorgenommen wird.
Somit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Verbrennungsluft für den Gasbrenner unter vorteilhafter Nutzung der von der Gasturbine abgegebenen Wärme bzw. Heißluft mittels eines Wärmetauschers zu erwärmen. Dabei kann zusätzlich komprimierte Luft dem Wärmetauscher zugeführt werden. Das Verfahren ermöglicht so eine optimale Wärmeintegration in den Verbrennungsprozeß. Es wird also die bei der Verbrennung gebildete Wärme mittels des Wärmetauschers als erhitzte Verbrennungsluft dem Gasbrenner erneut zugeführt, um die Effizienz des Verfahrens weiter zu erhöhen.
Bevorzugt wird die von der Gasturbine abgegebene und mindestens einem dem Expander der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher zugeführt und die gewonnene thermische Energie als nutzbare Wärme ausgekoppelt. Dies trägt weiter zur Umweltverträglichkeit sowie zur Steigerung der Effizienz des Verfahrens bei.
Vorzugsweise wird die von der Gasturbine abgegebene und mindestens einem der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher zugeführt und die gewonnene thermische Energie für die Erzeugung von Sattdampf verwendet. In dieser Ausführungsform wird die Abwärme für eine Sattdampferzeugung verwendet. Dies betrifft insbesondere das Zuleiten der Abwärme zu mindestens einem weiteren Wärmetauscher, welcher wiederum dem der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher nachgeschaltet ist, mit welchem Wasser zur Erzeugung des Sattdampfes erhitzt wird.
Zusätzlich oder alternativ wird bevorzugt die von der Gasturbine abgegebene und mindestens einem der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher zugeführt und die ge- wonnene thermische Energie für die Erzeugung von Heißluft verwendet. Diese Heißluft kann einem Vergaser zugeführt werden.
Das Gesamtverfahren beinhaltet vorzugsweise in einem ersten Schritt eine Vergasung der kohlenstoffhaltigen Rohstoffe in einem Vergaser, wobei das Produktgas als Brennstoff dem Vergaser nachgeschalteten Gasbrenner zugeführt wird. Dabei werden bevorzugt der erhitzte Sattdampf und/oder die Heißluft über die der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher in den Vergaser eingeführt und als Vergasungsmittel zur Vergasung verwendet. Vorzugsweise wird als Vergaser ein Festbett - Gegenstrom - Vergaser verwendet. Dabei wird der mittels eines Wärmetauschers erhitzte Wasserdampf in den Vergaser eingeführt und zur Vergasung verwendet. Gemeinsam mit dem Wasserdampf wird dem Vergaser vorteilhaft ein weiteres gasförmiges Medium als Verbrennungsgas zugeführt. Als Verbrennungsgas kommt z. B. Heißluft, Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft und dergleichen in Betracht. Grundsätzlich können verschiedene Vergasertypen nach dem Stand der Technik eingesetzt werden. Der besondere Vorteil eines Gegenstromfestbettvergasers besteht jedoch darin, dass sich innerhalb dieses Reaktors einzelne Zonen herausbilden, in denen unterschiedliche Temperaturen und somit unterschiedliche Prozesse auftreten. Die unterschiedlichen Temperaturen beruhen darauf, dass die jeweiligen Prozesse stark endotherm sind und die Wärme nur von unten kommt. Auf diese Weise nutzt man in besonders vorteilhafter Weise die sehr hohen Dampftemperaturen aus.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird mittels einer Dampfturbine entspannte Heißluft aus der Gasturbine zur Energieerzeugung verwendet. Dabei könnte diese Dampfturbine in einen separaten Wasserkreislauf eingebunden werden und das Wasser in diesem Kreislauf durch einen Wärmetauscher verdampft und überhitzt werden. Nach der Dampfturbine wird der Dampf kondensiert, um dann in flüssiger Form von einer Pumpe unter Druck gesetzt zu werden, bevor er wieder dem Wärmetauscher zugeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit beinhaltet im wesentlichen einen Gasbrenner zum Verbrennen eines Brennstoffes; wenigstens eine erste und eine zweite Einrichtung zum Speichern thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig mit einer nachgeschalteten Gasturbine einschaltbar sind und wenigstens eine Verbindungsleitung, welche in dem Gasbrenner entstehende Rauchgase den Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie zuführt, wobei der Gasturbine mindestens ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, welcher zur Erwärmung von in den Gasbrenner geführter Verbrennungsluft dient. Insbesondere ist eine Verbindungsleitung zwischen der Gasturbine und dem Wärmetauscher sowie zwischen dem Wärmetauscher und dem Gasbrenner vorgesehen, so dass aus der Gasturbine austretende Wärme zunächst die Verbrennungsluft erhitzt und damit die abgegebene Energie erneut dem Gasbrenner zugeführt werden kann, um den Verbrennungsvor- gang in dem Gasbrenner noch effizienter zu gestalten. Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Luftzuführungseinrichtung auf, welche dem Gasbrenner die Luft, insbesondere Frischluft zuführt. Der besagte Wärmetauscher ist in dieser Leitung angeordnet
Bevorzugt besteht zwar keine unmittelbare Gasverbindung zwischen der Gasturbine und dem Gasbrenner. Mittels des Wärmetauschers wird jedoch thermische Energie der von der Gasturbine abgegebenen Gase auf andere Mittel wie die Verbrennungsluft, den Sattdampf und die Heißluft übertragen und diese Medien werden wie oben erwähnt wiederum dem Gasbrenner und/oder dem Vergaser zugeführt. Weiterhin wirkt die Gasturbine vorteilhaft auch als Kompressor, um zugeführte Luft zu komprimieren und um den Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie wiederum zu erwärmende Kaltluft zuzuführen, wobei der Gasturbine mindestens ein Wärmetauscher nachgeschaltet ist, der die erwärmte Luft dem Gasbrenner zuführt. Dabei ist vorzugsweise dem Gasbrenner ein Vergaser zum Erzeugen bzw. Umwandeln des Brennstoffes vorgeschaltet.
Bevorzugt sind weitere dem Turbinenzweig nachgeschaltete Mittel zum Erwärmen mindestens eines Gases vorgesehen. Diese Mittel sind beispielsweise ebenfalls Wärmetauscher, welche gleichzeitig Luft erwärmen können, um so Heißluft zu erzeugen, welche dem Vergaser zugeführt werden kann. Weiterhin kann mit diesen Mitteln Sattdampf erzeugt werden, der ebenfalls dem Vergaser zugeführt werden kann.
Vorzugsweise wird mindestens einem der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher zugeführt und die gewonnene thermische Energie als nutzbare Wärme ausgekoppelt. Vorzugsweise wird mindestens einem der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher zugeführt, welcher die gewonnene thermische Energie zur Sattdampferzeugung nutzt.
Vorzugsweise wird mindestens einem der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher zugeführt, welcher die gewonnene thermische Energie zur Heißlufterzeugung nutzt. Damit sind bevorzugt in einem Strang der aus der Turbine austretenden Heißluft hinterei- nander mehrere Wärmetauscher angeordnet.
Dabei ist bevorzugt ein Mittel zum wechselweisen Einschalten wenigstens einer ersten Einrichtung zum Speichern thermischer Energie und wenigstens einer zweiten Einrichtung zum Speichern thermischer Energie in den Turbinenzweig vorgesehen. Bei diesen Mitteln zum wechselweisen Einschalten kann es sich beispielsweise um eine Vielzahl von steuerbaren Ventilen handeln, die jeweils ein wechselweises Zuführen von Rauchgas in die Mittel zum Speichern thermischer Energie ermöglichen beziehungsweise ein wechselweises Abgeben von erhitzter Luft an die Gasturbine erlauben. Vorteilhaft ist mindestens ein weiterer einem Verdichter der Gasturbine nachgeschalteter Wärmetauscher vorgesehen, welcher zugeführte Heißluft zumindest teilweise abkühlt und als Kaltluft der ersten und/oder zweiten Einrichtung zum Speichern thermischer Energie zuführt. Zum eine soll dadurch eine Effizienzerhöhung der gespeicherten Energie gewährleistet werden. Andererseits kann durch das Abkühlen der Luft auch die Temperatur des Rauchga- ses reduziert werden.
Des Weiteren bevorzugt ist dem Verdichter der Gasturbine nachgeschaltet eine
Wassereindüsung vorgesehen ist. Bevorzugt ist wenigstens ein ventilartiges Mittel zwischen dem Verdichter und einem
Entspanner der Gasturbine zum Ausschalten des Turbinenzweigs vorgesehen. Das ventilartige Mittel dient der Notabschaltung und ist vorzugsweise in einem Bypass zwischen einer zuführenden zum Entspanner und einer abführenden Leitung vom Verdichter der Gasturbine angeordnet. Weiterhin können Temperatursensoren vorgesehen sein, die jeweils an entsprechenden Stellen der Vorrichtungen zum Speichern thermischer Energie die Temperaturen messen und in Reaktion auf diese Messungen die entsprechenden Ventile schalten, so dass zu je- dem Zeitpunkt eine optimale Versorgung der Gasturbinen mit Heißluft ermöglicht wird und weiterhin auch ein effizientes Wiederaufladen der Mittel zum Speichern von thermischer Energie ermöglicht wird. Ein wesentlicher Vorteil der Steuerung des Verbrennungs- bzw. Vergasungsprozesses mittels der dargestellten Anordnung von Wärmetauschern liegt insbesondere auch in einer sehr gezielten Lambda-Steuerung des Gasbrenners.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Gasturbine eine Dampfturbine nachgeschaltet. Durch diese nachgeschaltete Dampfturbine kann die Heißluft aus der ersten Gasturbine noch einmal zur Stromerzeugung verwendet werden. So kann die Stromausbeute weiter verbessert werden.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Flussdiagramm; und
Fig. 2 ein zweites Flussdiagramm.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm der Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit.
Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 1 auf einen der Gasturbine 8 nachgeschalteten Wärmetauscher.
Zunächst wird der Rohstoff 14 von oben in den Vergaser 18 eingegeben und das Verga- sungsmittel (z.B. Luft/Sattdampf) entlang einer Zuleitung 16 von unten. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Vergasungsmittel und das Produktgas den Reaktionsraum in entgegengesetzter Richtung zu dem Brennstoffstrom durchströmen. Die in dem Vergaser 18 entstehende Asche wird nach unten, das heißt entlang des Pfeils P1 , abgeführt. Das Produktgas gelangt in den Gasbrenner 2 und wird verbrannt. Anschließend werden die in dem Gasbrenner 2 entstandenen Rauchgase durch eine Verbindungsleitung 3 und mit Hilfe der Ventile 46, 44 in einen ersten 4 oder zweiten 6 Schüttgutregenerator geleitet und die von den Schüttgutregeneratoren 4,6 abgegebene Heißluft 7 über eine Leitung 21 einer Gasturbine 8 zugeführt. Im Turbinenzweig T ist ein Generator G auf der Gasturbine 8 angeordnet. Das Bezugszeichen 23 kennzeichnet eine Abführleitung zum Abführen des in den Mitteln 4, 6 zum Speichern thermischer Energie entstehenden Rauchgases. Vom ersten Regenerator 4 führt eine Leitung 22 zur Gasturbine 8. Die aus der Gasturbine 8 austretende heiße Abluft wird über eine Leitung 26 dem Wärmetauscher 1 zugeführt. Die abgegebene Wärme wird zum Erhitzen zuströmender, komprimierter Luft verwendet, welche dem Gasbrenner 2 als vorgewärmte Verbrennungsluft 7 zugeführt wird. Die aus der Gasturbine 8 austretende heiße Abluft wird anschließend einem weiteren Wärmetauscher 13 zugeführt, welcher der Warmwassererzeugung dient.
Dem Wärmetauscher 13 sind Wärmetauscher 1 1 , 12 nachgeschaltet, um sowohl Luft als auch Wasser als Vergasungsmittel dem Festbett-Gegenstrom-Reaktor 18 erhitzt zuzuführen.
Der Wärmetauscher 13 ist unmittelbar dem ersten Wärmetauscher 1 nachgeschaltet. Mittels dieser Vorrichtung ist es möglich, die ausgekoppelte Wärme beispielsweise zur Warmwassererzeugung auf einem hohen Temperaturniveau zu nutzen. Die Wärmetauscher 1 1 , 12 zur Erhitzung von Luft und Wasser als Vergasungsmittel sind auch dabei dem Wärmetauscher 13 nachgeschaltet.
Die Reihenfolge der Wärmetauscher gestattet eine genaue Steuerung der Wärmeverteilung im erfindungsgemäßen Verfahren. Der erste Wärmetauscher 1 , welcher die Verbrennungsluft mit der höchsten Temperatur aufnimmt, dient insbesondere zur Erzeugung von Heißluft für den Gasbrenner, der nächste Wärmetauscher 13 zur Erzeugung von Wärme, welche den weiteren Wärmetauschern 1 1 und 12 zugeführt wird, um anschließend Heißluft beziehungsweise Sattdampf zu erzeugen. Weiterhin wäre es auch möglich, die beiden Wärmetauscher 12 und 1 1 hinsichtlich ihrer Reihenfolge zu vertauschen. Der Wärmetauscher 15 ist dem Verdichter der Gasturbine 8 nachgeschaltet und kühlt die aus dem Verdichter der Gasturbine 8 austretende, komprimierte Heißluft ab und führt anschließend Kaltluft der ersten Einrichtung 4 und/oder zweiten Einrichtung 6 zum Speichern thermischer Energie zu. Dabei soll die Temperatureffizienz der gespeicherten Energie erhöht werden, aber auch die Temperatur des Rauchgases reduziert werden.
Das Bezugszeichen 58 in der Figur bezieht sich auf eine Pumpe zum Fördern von Wasser. Das Bezugszeichen 10 in der Figur bezieht sich auf die Heißluft und das Bezugszeichen 9 bezeichnet den Sattdampf.
Die Bezugszeichen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 beziehen sich jeweils auf steuerbare Ventile, die die Zuführung des Rauchgases an die Schüttgutregeneratoren 4,6 (Ventile 44 und 46) sowie die Abgabe der Heißluft von Schüttgutregeneratoren 4,6 an die Gasturbine 8 (Ventile 36 und 42), die Abgabe von Rauchgas (Ventile 32 und 38) sowie auch umgekehrt die Zufüh- rung von Kaltluft (Ventile 34 und 40) an die Schüttgutregeneratoren 4,6 steuern. Die jeweils schwarz eingezeichneten Ventile sind dabei in einem geöffneten Zustand und die lediglich umrandeten Ventile in einem geschlossenen Zustand. Die Bezugszeichen 52, 54, 56 beziehen sich jeweils auf Kompressoren, um Luft (Bezugszeichen 56), Rauchgas (Bezugszeichen 52) und Abluft (Bezugszeichen 54) zu komprimieren beziehungsweise zu fördern. Weiterhin wird Luft über die Leitung 25 der Gasturbine 8 zugeführt und über einen weiteren Wärmetauscher 15 geführt, um als Kaltluft in Schüttgutregeneratoren 4 und 6 zugeführt zu werden.
Durch Verwendung des Vergasers 18 kann vorteilhaft auf eine aufwändige Entstaubung der Rauchgase 3 verzichtet werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein weiterer Kreislauf 70 vorgesehen, der der Gasturbine 8 nachgeschaltet ist. Genauer wird die Heißluft aus der Gasturbine 8 durch einen Wärmetauscher 71 geführt, der in diesen Kreislauf 70 integriert ist. Durch den Wärmetauscher wird Wasser des Kreislaufs 70 erhitzt und einer Dampfturbine 72 zugeführt, welche wiederum einen Generator 74 antreibt. Das Bezugszeichen 78 bezieht sich auf eine Pumpe und das Bezugszeichen 76 auf einen Kondensator. Durch diese Vorgehensweise kann die Stromausbeute der Anlage weiter erhöht werden. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste
1 Wärmetauscher, der Gasturbine nachgeschaltet
2 Gasbrenner
3 Rauchgase, Verbindungsleitung
4 Erste Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie
6 Zweite Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie
7 Verbrennungsluft, Verbindungsleitung
8 Gasturbine
9 Sattdampf
10 Heißluft
1 1 , 12,
13, 15 Wärmetauscher
14 kohlenstoffhaltiger Rohstoff
16 Zuleitung für Vergasungsmittel
18 Vergaser
21 , 22 Zuleitung zur Gasturbine
25 Leitung
26 Zuleitung zu Wärmetauschern
32, 34, 36,
38, 40, 42,
44, 46 steuerbare Ventile
52, 54, 56 Kompressoren
58 Pumpe
60 Generator
61 Wassereindüsung
70 Kreislauf
71 Wärmetauscher 72 Dampfturbine
74 Generator
76 Kondensator
P1 Richtungspfeil
T Turbinenzweig

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit mit wenigstens einer ersten (4) und einer zweiten (6) Ein- richtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig (T) mit einer nachgeschalteten Gasturbine (8) eingeschaltet werden,
mit folgenden Schritten:
a) Verbrennen eines Brennstoffes in einem Gasbrenner (2), wobei dem Gasbrenner Verbrennungsluft zugeführt wird.
b) Durchleiten der in dem Gasbrenner (2) entstandenen Rauchgase (3) durch eine Einrichtung (4,6) zum Speichern thermischer Energie, und
c) Einleiten der von wenigstens einer Einrichtung (4,6) abgegebenen Heißluft (7) in die Gasturbine (8),
dadurch gekennzeichnet, dass
von der Gasturbine (8) abgegebene Heißluft mindestens einem der Gasturbine (8) nachgeschalteten Wärmetauscher (1 ) zugeführt wird und mittels dieses Wärmetauschers (1 ) die dem Gasbrenner (2) zugeführte Verbrennungsluft (7) erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Gasturbine (8) abgegebene und mindestens einem der Gasturbine (8) nachgeschalteten Wärmetauscher (1 ) zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher (13) zugeführt wird und die ge- wonnene thermische Energie als nutzbare Wärme ausgekoppelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Gasturbine (8) abgegebene und mindestens einem der Gasturbine (8) nachgeschalteten Wärmetauscher (1 ) zugeführte Heißluft zumindest teilweise als hei- ße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher (1 1 ) zugeführt wird und die gewonnene thermische Energie für die Erzeugung von Sattdampf (9) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Gasturbine (8) abgegebene und mindestens einem der Gasturbine (8) nachgeschalteten Wärmetauscher (1 ) zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher (12) zugeführt wird und die gewonnene thermische Energie für die Erzeugung von Heißluft (10) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem ersten Schritt eine Vergasung der kohlenstoffhaltigen Rohstoffe (14) in einem Vergaser (18) erfolgt und
- das Produktgas als Brennstoff der dem Vergaser (1 ) nachgeschalteten Gasbrenner
(2) zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Vergaser (18) ein Festbett - Gegenstrom - Vergaser (18) verwendet wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels einer Dampfturbine (72) entspannte Heißluft aus der Gasturbine (8) zur Ener- gieerzeugung verwendet wird.
8. Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit, wobei vorgesehen sind:
ein Gasbrenner (2) zum Verbrennen eines Brennstoffes; wenigstens eine erste (4) und eine zweite (6) Einrichtung zum Speichern thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig (T) mit einer nachgeschalteten Gasturbine (8) einschaltbar sind und wenigstens eine Verbindungsleitung (3), welche in dem Gasbrenner (2) entstehende Rauchgase den Einrichtungen (4,6) zum Speichern thermischer Energie zuführt; dadurch gekennzeichnet, dass
der Gasturbine (8) mindestens ein Wärmetauscher (1 ) nachgeschaltet ist, welcher zur
Erwärmung von in den Gasbrenner (2) geführter Verbrennungsluft (7) dient.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Gasbrenner (2) ein Vergaser (1 ) zum Erzeugen des Brennstoffes vorgeschaltet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
weitere dem Turbinenzweig (T) nachgeschaltete Mittel (1 ,1 1 ,12,13) zum Erwärmen mindestens eines Gases vorgesehen sind.
1 1 . Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-10,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein der Gasturbine (8) nachgeschalteter Wärmetauscher (1 ) zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher (13) zuführt und die gewonnene thermische Energie als nutzbare Wärme aus- koppelbar ist.
12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein der Gasturbine (8) nachgeschalteter Wärmetauscher (1 ) zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher (1 1 ) zuführt, welcher die gewonnene thermische Energie zur Sattdampferzeugung (9) nutzt.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-12,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein der Gasturbine (8) nachgeschalteter Wärmetauscher (1 ) zugeführte Heißluft zumindest teilweise als heiße Abluft mindestens einem weiteren Wärmetauscher (12) zuführt, welcher die gewonnene thermische Energie zur Heißlufterzeugung (10) nutzt.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-13,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Mittel zum wechselweisen Einschalten wenigstens einer ersten Einrichtung (4) zum Speichern thermischer Energie und wenigstens einer zweiten Einrichtung (6) zum Speichern thermischer Energie in den Turbinenzweig (T) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-14,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein weiterer einem Verdichter der Gasturbine (8) nachgeschalteter Wärmetauscher (15) vorgesehen ist, welcher zugeführte Heißluft zumindest teilweise abkühlt und als Kaltluft der ersten Einrichtung (4) zum Speichern thermischer Energie zuführt.
16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-15,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Verdichter der Gasturbine (8) nachgeschaltet eine Wassereindüsung vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-16,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein ventilartiges Mittel zwischen dem Verdichter (8) und einem Entspanner der Gasturbine zum Ausschalten des Turbinenzweigs (T) vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 8 - 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gasturbine (8) ein Dampfprozess nachgeschaltet ist.
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