WO2021185498A1 - Anlage zur nutzung von in einem abgas- oder abluftstrom einer industriellen produktionsanlage enthaltener wärmeenergie - Google Patents

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WO2021185498A1
WO2021185498A1 PCT/EP2021/051579 EP2021051579W WO2021185498A1 WO 2021185498 A1 WO2021185498 A1 WO 2021185498A1 EP 2021051579 W EP2021051579 W EP 2021051579W WO 2021185498 A1 WO2021185498 A1 WO 2021185498A1
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WO
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heat exchanger
pressure
exhaust gas
recovery system
steam
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/051579
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Buddenberg
Steffen Schemme
Sven SALDEN
Alexander Deierling
Marcelino CANCELA VALLESPIN
Jürgen KLEBES
Wei Jin
Original Assignee
Mitsubishi Power Europe Gmbh
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
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D17/00—Arrangements for using waste heat; Arrangements for using, or disposing of, waste gases
    • F27D17/004—Systems for reclaiming waste heat

Definitions

  • the invention is directed to a waste heat recovery system for the use of industrial waste heat in the form of steam and electricity generation, comprising a steam power plant with at least one steam turbine set having at least one connected generator for generating electricity and at least one of the at least one steam turbine set in the flow direction of a water-steam circuit of the steam power plant downstream condenser arranged in the water-steam circuit and comprising a waste heat recovery system integrated into the water-steam circuit for the use of at least one exhaust gas or exhaust air flow, preferably two exhaust gas or exhaust air flows, an industrial production plant or industrial heat source or several industrial ones Production plants or industrial heat sources of recovered thermal energy for generating electricity by means of water vapor in the steam power plant and comprising at least one electrolyzer fed by the electricity generated, w whether the waste heat recovery system comprises at least two of the at least one exhaust gas or exhaust air flow or of at least one of the two exhaust gas or exhaust air flows or of a common exhaust gas or exhaust air flow formed from the two exhaust gas or exhaust air flows, preferably steam-generating heat exchanger
  • a waste heat recovery system in the form of a sintering system operated by Sumitomo Heavy Industries in Kokura (Japan) is known from Japan, in which exhaust air from the sinter coolers of the sintering system is passed through waste heat boilers. Together with the exhaust gases from the sintering plant, which are also passed through a waste heat boiler, 120 kg steam / t sinter at a temperature of 273 ° C and a pressure of 9 bar can be generated in this way.
  • the invention is therefore based on the object of creating a solution which, with regard to the use of the thermal energy present in the exhaust gas or exhaust air streams of industrial production systems, improves the integration of a waste heat recovery system into a Provides waste heat recovery system in particular for integration into an industrial production plant.
  • the above object is achieved in a waste heat recovery system described in more detail in that the waste heat recovery system on the one hand generates steam and electricity and on the other hand comprises an electrolyzer, the at least one generator generating direct current and the electrolyzer being a direct current operated, directly from the generator is an electrolyser fed with electrical direct current.
  • the invention provides in an embodiment that in the waste heat recovery system a first exhaust gas or exhaust air flow of the two exhaust gas or exhaust air flows through a first of the two heat exchangers and the second exhaust gas or exhaust air flow Exhaust air flow of the two exhaust gas or exhaust air flows in the flow direction of the first exhaust gas or exhaust air flow downstream of the first and upstream of the second of the two heat exchangers opens into the first exhaust gas or exhaust air flow and both exhaust gas or exhaust air flows then forming a common exhaust gas or exhaust air flow the second of the two Flow through heat exchanger.
  • a first or the first heat exchanger is a high pressure heat exchanger designed as a high pressure superheater (SH HP) and the second heat exchanger of these two heat exchangers is a high pressure heat exchanger designed as a high pressure evaporator (EVA HP), or that a The first or the first heat exchanger is a medium pressure heat exchanger designed as a medium pressure superheater and the second heat exchanger of these two heat exchangers is a medium pressure heat exchanger designed as a medium pressure evaporator, or that a first or the first heat exchanger is a low pressure heat exchanger designed as a low pressure superheater (SH LP) and the second heat exchanger is one of these two heat exchangers Low-pressure evaporator (EVA LP) trained low-pressure heat exchanger is what the invention also provides.
  • SH HP high pressure superheater
  • EVA HP high pressure evaporator
  • the first heat exchanger is the high-pressure heat exchanger designed as a high-pressure superheater (SH HP) and the second heat exchanger of the two heat exchangers is the high-pressure heat exchanger designed as a high-pressure evaporator (EVA HP) and this is equipped with a high-pressure heat exchanger with respect to the
  • third heat exchangers are connected in series with respect to the flow direction of the medium flowing in the water-steam circuit, the third heat exchanger being a high-pressure heat exchanger designed as a high-pressure preheater (ECO 2).
  • the first heat exchanger is the low-pressure heat exchanger designed as a low-pressure superheater (SH LP) and the second heat exchanger of these two heat exchangers is the low-pressure heat exchanger designed as a low-pressure evaporator (EVA LP) and this is connected to a low-pressure heat exchanger with respect to the
  • third heat exchangers are connected in series with respect to the flow direction of the medium flowing in the water-steam circuit, the third heat exchanger being a low-pressure heat exchanger designed as a low-pressure preheater (ECO 1).
  • Heat exchanger is the medium-pressure heat exchanger designed as a medium-pressure superheater and the second heat exchanger of these two heat exchangers is the medium-pressure heat exchanger designed as a medium-pressure evaporator, and these are connected to one with respect to the
  • a first or the first heat exchanger is a high pressure heat exchanger designed as a high pressure evaporator (EVA HP) and the second heat exchanger of these two heat exchangers is a high pressure heat exchanger designed as a high pressure preheater (ECO 2), or that a first or the first
  • Heat exchanger is a medium pressure heat exchanger designed as a medium pressure evaporator and the second heat exchanger of these two heat exchangers is a medium pressure heat exchanger designed as a medium pressure preheater, or that a first or the first
  • Heat exchanger is a low-pressure heat exchanger designed as a low-pressure evaporator (EVA LP) and a second or the second heat exchanger of these two heat exchangers is a low-pressure heat exchanger designed as a low-pressure preheater (ECO 1).
  • a particularly advantageous development of the invention is characterized in that it is set up in such a way that in the waste heat recovery system in the exhaust gas or exhaust air flow direction the first exhaust gas or exhaust air flow flows through the first heat exchanger, which is designed as a high pressure superheater (SH HP), after the confluence of the second exhaust gas - or exhaust air flow, the common exhaust gas or exhaust air flow, the second heat exchanger designed as a high pressure evaporator (EVA HP), then one or the fourth heat exchanger designed as a low pressure superheater (SH LP), then one or the third heat exchanger designed as a high pressure preheater (ECO 2), then A fifth heat exchanger designed as a low pressure evaporator (EVA LP) and finally a sixth heat exchanger designed as a high pressure and / or low pressure preheater (ECO 1) flows through.
  • SH HP high pressure superheater
  • EVA HP high pressure evaporator
  • SH LP low pressure superheater
  • ECO 2 high pressure preheat
  • the sixth heat exchanger designed as a high pressure and / or low pressure preheater (ECO 1), the third heat exchanger designed as a high pressure preheater (ECO 2), the second heat exchanger designed as a high pressure evaporator (EVA HP) and the first heat exchanger designed as a high-pressure superheater (SH HP) are connected in series with respect to the direction of flow of the medium flowing in the water-steam circuit.
  • the sixth heat exchanger designed as a high pressure and / or low pressure preheater (ECO 1), the fifth heat exchanger designed as a low pressure evaporator (EVA LP) and the fourth heat exchanger designed as a low pressure superheater (SH LP) in relation on the Direction of flow of the medium flowing in the water-steam circuit are connected in series.
  • the waste heat recovery system can comprise or form a waste heat boiler which has at least the first and the second heat exchanger, preferably the first to the sixth heat exchanger, which the invention further provides.
  • each of the heat exchangers of the waste heat recovery system is designed as a countercurrent heat exchanger with regard to the flow directions of the exhaust gas or exhaust air flow flowing through it and the at least one medium of the water-steam cycle flowing through it.
  • the invention also provides this in an embodiment.
  • the invention is further characterized in that the at least one exhaust gas or exhaust air stream or one and / or both of the two Exhaust gas or exhaust air streams and / or the common exhaust gas or exhaust air stream is each assigned a gas burner or gas booster, which is associated with the at least one exhaust gas or exhaust air stream or one and / or both of the two exhaust gas or exhaust air streams and / or the common exhaust gas - or exhaust air flow is in line connection and which generates a hot exhaust gas that can be added to the at least one exhaust gas or exhaust air flow or one and / or both of the two exhaust gas or exhaust air flows and / or the common exhaust gas or exhaust air flow to increase its temperature via this line connection .
  • the two exhaust gas or exhaust air flows can be parts of a split exhaust gas or exhaust air flow from one or more industrial production plants or industrial heat sources or can be two separately extracted exhaust gas or exhaust air flows from one or more industrial production plants or industrial heat sources.
  • the high-pressure heat exchanger designed as a high-pressure superheater generates steam at a pressure of 70 - 100 bar and a temperature of 500 ° C - 540 ° C and feeds it into the water-steam circuit
  • the low-pressure superheater (SH LP) formed low-pressure heat exchanger generates steam at a pressure of 3 - 10 bar and a temperature of 230 ° C - 280 ° C and feeds it into the water-steam cycle, which the invention also provides.
  • hydrogen electrolysis takes place in the electrolyser and the hydrogen produced is used in the industrial production plant.
  • the invention is therefore also characterized in that hydrogen electrolysis takes place in the electrolyser.
  • the invention is therefore characterized in that the waste heat recovery system and the electrolyser are part of an industrial production system, in particular a metallurgical production system, preferably an integrated metallurgical plant, and the electrolyser with at least one first industrial production facility of the industrial production system, in particular the metallurgical one Production plant, preferably of the integrated steelworks, in a hydrogen (H 2 ) generated in the electrolyser to at least the first industrial production facility of the industrial production plant, in particular the metallurgical production plant, preferably of the integrated steelworks, leading line connection.
  • an industrial production system in particular a metallurgical production system, preferably an integrated metallurgical plant
  • the electrolyser with at least one first industrial production facility of the industrial production system, in particular the metallurgical one Production plant, preferably of the integrated steelworks, in a hydrogen (H 2 ) generated in the electrolyser to at least the first industrial production facility of the industrial production plant, in particular the metallurgical production plant, preferably of the integrated steelworks, leading
  • the oxygen generated in the electrolysis is also used in the industrial production plant.
  • the waste heat recovery system and the electrolyzer are part of an industrial production system, in particular a metallurgical production system, preferably an integrated metallurgical plant, and the electrolyzer with at least one or the first and / or a second production facility the industrial production plant, in particular the metallurgical production plant, preferably the integrated steelworks, in an oxygen (O 2 ) generated in the electrolyser to at least the first and / or the second production facility of the industrial production plant, in particular the metallurgical production plant, preferably the integrated metallurgical plant stands.
  • O 2 oxygen
  • the first and / or second production facilities of the metallurgical production plant can be a blast furnace and / or a skin pass furnace.
  • the invention therefore also provides that the first and / or the second production device is / are a blast furnace and / or a direct reduction plant, in particular a shaft furnace of a direct reduction plant, and / or a skin pass furnace and / or a steel converter.
  • the electrolyser is a high-temperature electrolyser in which a high-temperature hydrogen electrolysis takes place, with steam and / or heat being decoupled from the heat recovery system, in particular the water-steam circuit of the heat recovery system, and coupled into the electrolyser .
  • the invention provides that hydrogen electrolysis takes place in the electrolyser and / or the electrolyser is a high-temperature electrolyser in which high-temperature hydrogen electrolysis takes place, and that the waste heat recovery system is set up from the waste heat recovery system and / or the water connected to it Steam circuit Steam and / or heat can be decoupled and fed into the electrolyzer or high-temperature electrolyzer connected to the water-steam circuit via a first medium-carrying line connection.
  • the system includes a production device for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass.
  • the waste heat recovery system comprises a production device for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass, which is in a second or first medium-carrying line connection and / or in a further current-carrying line connection with the waste heat recovery system and which is set up, that its steam from the water-steam cycle and / or via the further current-carrying line connection from the at least one generator directly generated electricity after conversion into alternating current (AC) or from another generator driven by the steam turbine set via the first or second medium-carrying line connection Alternating current (AC) can be supplied.
  • AC alternating current
  • AC Alternating current
  • the production device for hydrothermal or vapothermal carbonization can be supplied with saturated or superheated steam at a pressure of 40 bar by means of the first or second medium-carrying line connection from the water-steam circuit of the waste heat recovery system.
  • the invention therefore also provides that the waste heat recovery system is set up so that the production device for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass by means of the first or second medium-carrying line connection from the water-steam cycle is saturated or superheated steam with a pressure of 5-80 bar , preferably 10-70 bar, in particular 15-45 bar, can be supplied.
  • the metallurgical production plant in particular the blast furnace and / or the steel converter, is set up to process the organic biomass, in particular biochar, generated in the production device for hydrothermal or vapothermal carbonization as a reducing agent.
  • the organic biomass in particular biochar
  • their CO 2 emissions can be reduced by blowing in substitute reducing agents such as H 2 and / or carbonized biomass, in particular in the form of biochar.
  • the invention therefore also provides that the industrial production plant, in particular a / the metallurgical production plant, preferably an / the integrated metallurgical plant, particularly preferably a / the blast furnace and / or a / the steel converter and / or a / the direct reduction plant, is set up / are to process the product generated in the production device for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass, in particular biochar, as a reducing agent.
  • the exhaust gas or exhaust air flow or the exhaust gas or exhaust air flows can originate from a large number of industrial heat sources.
  • sinter coolers of a sintering plant can represent a useful industrial heat source.
  • the invention is therefore finally also characterized in that the exhaust gas or exhaust air flow or the first and / or the second exhaust gas or exhaust air flow is an exhaust gas or exhaust air flow or several exhaust gas or exhaust air flows of the industrial production plant, in particular one of the metallurgical production plant, preferably one / the integrated steelworks, particularly preferably one sinter cooler or several sinter coolers of a sintering plant and / or one / the blast furnace and / or one / the or several steel converters and / or a continuous casting plant and / or a hot rolling mill and / or one or more furnace plants or one or more glass furnaces, in particular one or more float glass or container glass systems, is / are.
  • the C0 2 emissions of a steelworks can be reduced by using and designing a waste heat recovery system.
  • the invention proposes an industrial waste heat utilization possibility for steam and electricity generation coupled with a subsequent electrolysis, in particular for hydrogen generation, with optional steam and electricity extraction for a process for hydrothermal or vapothermal carbonization and optional utilization of electricity, hydrogen, the by-product oxygen and the carbonized organic biomass, in particular biochar, which occurs as an optional by-product, within an industrial production facility, preferably within a steel mill.
  • exhaust gas or exhaust air flows can be used:
  • Sintering plant exhaust gas on the sintering belt, exhaust air from the sintering cooler
  • Blast furnace exhaust gas from hot air heaters, exhaust air / waste heat from blast furnace slag
  • Converter exhaust air / waste heat from converter slag, waste heat boiler
  • Continuous caster use of the vapors from the spray water, residual heat from the slabs
  • the waste heat recovery system which consists of the waste heat recovery system and the water-steam cycle, supplies direct current (DC). This is used in the electrolyser to generate hydrogen (H 2 ). This eliminates the need for the inverter required in the prior art, which increases the efficiency and thus the hydrogen yield. In smelting works, the hydrogen produced in this way can be used in blast furnaces, skin pass furnaces or shaft furnaces (direct reduction).
  • the steam generated by the steam power plant formed from the waste heat recovery system and the water-steam cycle can be decoupled and used for a vapothermal carbonization process of organic biomass (CLB process).
  • the steam power plant can provide alternating current (AC) for the CLB process.
  • the product of the CLB process in particular biochar, can be used as a substitute reducing agent, for example in a blast furnace.
  • the oxygen which is a by-product of the electrolysis, can also be used entirely in a blast furnace.
  • the waste heat recovery system according to the invention has the following advantages over the state of the art when used in a steelworks: efficient (more) waste heat recovery, Possibility of extracting steam from the steam turbine set 14, by eliminating the AC / DC inverter of the electrolyser 18, the investment costs for the electrolyser can be reduced by approx. 25% and at the same time the efficiency and thus the H 2 yield can be increased; the electricity requirement is reduced by approx. 0.25 kWh / Nm 3 H 2; the efficiency of rectifiers is around 95%; no / less additional steam generation or steam supply required for the process of hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass at the site;
  • the waste heat recovery system 9.1, 9.2 with coupled electrolysis 18 can also be used on electric arc furnaces and waste heat boilers from steel converters. Electric arc furnaces are also used in the production of steel via direct reduction (e.g. Midrex process).
  • direct reduction e.g. Midrex process
  • the use of waste heat via waste heat recovery system 9.1, 9.2 with subsequent hydrogen generation would be advantageous here, since the hydrogen can be used directly in the direct reduction.
  • the concept presented in the exemplary embodiment according to FIG. 2 can be used for rotary sinter coolers and for shaft sinter coolers.
  • Hydrogen produced can also be marketed or used to synthesize chemicals and fuels.
  • CO2 obtained from smelter exhaust gases could also be used.
  • the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. This shows in
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of essential components of a waste heat recovery system according to the invention and their interrelationship
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first example of a waste heat recovery system with waste heat recovery system and connected steam power plant with associated electrolyzer and in FIG
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second example of a waste heat recovery system with a waste heat recovery system and an attached steam power plant with an associated electrolyzer.
  • FIG. 2 shows a waste heat recovery system, denoted overall by 9, which comprises a first example of a waste heat recovery system 9.1.
  • the waste heat recovery system 9 and the waste heat recovery system 9.1 serve to supply thermal energy contained in an exhaust gas or exhaust air stream of an industrial production system to another use.
  • the waste heat recovery system 9.1 is integrated into a water-steam circuit 15 of a steam power plant.
  • the waste heat recovery system 9.1 has six heat exchangers 1 - 6 designed as high pressure and / or low pressure heat exchangers.
  • heat exchangers 1 - 6 are arranged in the flow direction of a first exhaust gas or exhaust air flow 10a, a second exhaust gas or exhaust air flow 10b and the common exhaust gas or exhaust air flow 10 formed therefrom in the following order and connected in series with respect to the exhaust gas or exhaust air flow: a (high pressure) heat exchanger 1 designed as a high pressure superheater (SH HP) or a first heat exchanger 1 ', a
  • SH HP high pressure superheater
  • High-pressure evaporator designed (high-pressure) heat exchanger 2 or second heat exchanger 2 ', a (low-pressure heat exchanger 3 or fourth heat exchanger 4' designed as a low-pressure superheater (SH LP), a (high-pressure) heat exchanger designed as a high-pressure preheater (ECO 2) 4 or third heat exchanger 3 ', an as
  • Low-pressure evaporator (EVA LP) designed (low-pressure) heat exchanger 5 or fifth heat exchanger 5 'and a (high-pressure and / or low-pressure) heat exchanger 6 or sixth heat exchanger 6' designed as high-pressure and low-pressure evaporator (ECO 1).
  • EVA LP Low-pressure evaporator
  • ECO 1 high-pressure and low-pressure evaporator
  • These six heat exchangers are combined in a waste heat boiler 8. After this Flowing through the heat exchangers 1-6, the common exhaust gas or exhaust air flow 10 is discharged via a chimney 7.
  • All heat exchangers 1 - 6 are designed as countercurrent heat exchangers and are countercurrently from the first exhaust gas or exhaust air stream 10a or from the second exhaust gas or exhaust air stream 10b or from the common exhaust gas or exhaust air stream 10 and on the other hand from the water-steam circuit 15 in its respective State of matter circulating flowing or fluid medium flows through.
  • the embodiment of the waste heat recovery system 9.1 comprises a high-pressure steam generation by means of the heat exchangers 1 and 2 and a low-pressure steam generation by means of the heat exchangers 3 and 5 and thus represents a so-called two-pressure system with respect to the water-steam circuit 15
  • the (high-pressure) heat exchanger 1 designed as a high-pressure superheater (SH HP) forms a first heat exchanger V and the as
  • High-pressure evaporator (EVA HP) formed (high-pressure) heat exchanger 2 from a second heat exchanger 2 ‘in the sense of the present invention.
  • a waste heat recovery system in relation to the water-steam circuit 15 only implements a single-pressure system in which only low-pressure steam generation is provided
  • a low-pressure superheater SH HP
  • SH HP low-pressure superheater
  • EVA HP high-pressure evaporator
  • a low-pressure evaporator (EVA LP) ( Low-pressure) heat exchanger 5 forms a / the first heat exchanger 1 'and a (low-pressure) heat exchanger 6 designed as a low-pressure preheater (ECO 1) forms a / the second heat exchanger 2 ' within the meaning of the present invention.
  • EVA LP low-pressure evaporator
  • ECO 1 low-pressure preheater
  • such an embodiment of a waste heat recovery system would have a (high pressure) heat exchanger 2 designed as a high pressure evaporator (EVA HP) as a / the first heat exchanger V and one (high pressure heat exchanger 4) designed as a high pressure preheater (ECO 2) as a / have the second heat exchanger 2 ' within the meaning of the present invention.
  • EVA HP high pressure evaporator
  • ECO 2 high pressure preheater
  • FIG. 3 An embodiment of a waste heat recovery system 9.2 with a single-pressure system, which is only two heat exchangers arranged in the water-steam circuit 15, namely a first T and a second heat exchanger 2, is shown in FIG. 3 as part of a waste heat recovery system 9 ‘.
  • the waste heat recovery system 9 ‘and the waste heat recovery system 9.2 also serve to supply thermal energy contained in an exhaust gas or exhaust air flow of an industrial production system to another use.
  • a water-steam circuit 15 is provided with a feed water pressure upstream of the second heat exchanger 2 'of 80 bar and a steam temperature of 540 ° C downstream of the first heat exchanger 1', 1 'and second are here for the execution as the first 2 'Heat exchanger, the following pairs are possible: high pressure superheater (SH HP) and high pressure evaporator (EVA HP) as well as alternatively high pressure evaporator (EVA HP) and high pressure preheater (ECO 2).
  • SH HP high pressure superheater
  • EVA HP high pressure evaporator
  • ECO 2 high pressure preheater
  • SH LP low-pressure superheater
  • EVA LP low-pressure evaporator
  • EVA LP low-pressure evaporator
  • ECO 1 low-pressure preheater
  • HP high pressure
  • MP medium pressure
  • LP low pressure
  • the line connection leading the respective exhaust gas or exhaust air flow is in the exhaust gas or exhaust air flow direction downstream of the first heat exchanger T, viewed in the exhaust gas or exhaust air flow direction a gas burner or gas booster 16 in line connection, in which a fuel is burned and its hot exhaust gas is at least partially mixed into the respective exhaust gas or exhaust air stream 10a, 10b or 10, the mixing point being at one position in the embodiment according to FIG , on which the first 10a and the second 10b exhaust gas or exhaust air stream already considered in the exhaust gas or exhaust air flow direction upstream of the second heat exchanger 2 'has formed the common exhaust gas or exhaust air stream 10.
  • the heat exchanger 6 designed as a low pressure preheater (ECO 1), the heat exchanger 5 designed as a low pressure evaporator (EVA LP) and the heat exchanger 3 designed as a low pressure superheater (SH LP) are the waste heat recovery system 9.1 with respect to the water-steam circuit 15 connected in series and connected to a low-pressure part 17b of the feedwater line 17 of the water-steam circuit 15.
  • the feed water is preheated in the low-pressure preheater (ECO 1) 6, then evaporated in the low-pressure evaporator (EVA LP) 5 and finally superheated in the low-pressure superheater (SH LP) 3.
  • the superheated steam emerging from the low-pressure superheater (SH LP) 3 is directed to a low-pressure turbine 14b of a steam turbine set 14 arranged in the water-steam circuit 15.
  • the heat exchanger 6 designed as a high pressure preheater (ECO 1) with respect to this part of the system, the heat exchanger 4 designed as a high pressure preheater (ECO 2), the heat exchanger 2 designed as a high pressure evaporator (EVA HP) and the high pressure superheater (SH HP) ) formed heat exchanger 1 of the waste heat recovery system 9.1 connected in series with respect to the water-steam circuit 15 and connected to a high-pressure part 17 a of the feed water line 17 of the water-steam circuit 15.
  • ECO 1 high pressure preheater
  • EVA HP high pressure evaporator
  • SH HP high pressure superheater
  • the feed water is preheated in the high pressure preheaters (ECO 1) 6 and (ECO 2) 4, then evaporated in the high pressure evaporator (EVA HP) 2 and finally superheated in the high pressure superheater (SH HP) 1.
  • the superheated steam emerging from the high-pressure superheater (SH HP) 1 is directed to a high-pressure turbine 14 a of the steam turbine set 14 arranged in the water-steam circuit 15.
  • the water-steam circuit 15 of the waste heat recovery system 9 is configured to be connected in parallel with regard to the generation of superheated high-pressure and superheated low-pressure steam.
  • the first and second exhaust gas or exhaust air streams 10a, 10b which flow through the waste heat recovery system 9.1, are parts of a split exhaust gas or exhaust air stream or two separately extracted exhaust gas or exhaust air streams from one or more industrial plants, ie one or more industrial production plants , in particular one or more metallurgical production plants, preferably an integrated metallurgical plant.
  • the water-steam circuit 15 comprises, downstream of the steam turbine set 14, a condenser 13 and a feed water tank 12, the degassing device of which is connected to a steam line of the low-pressure superheater (SH LP) 3.
  • the feed water line 17 branches off from the feed water tank 12.
  • the second exhaust gas or exhaust air stream 10b of the waste heat recovery system 9.1 has a temperature of 350.degree. C.-850.degree. C., preferably 420.degree. C.-550.degree.
  • the first exhaust gas or exhaust air stream 10a of the waste heat recovery system 9.1 has a temperature of 350 ° C.-950 ° C., in particular a temperature between 550 ° C. and 750 ° C.
  • the temperature of the common exhaust gas or exhaust air flow 10 can, if desired, be set to a temperature likewise in this temperature range .
  • first exhaust gas or exhaust air flow 10a is hotter than the second exhaust gas or exhaust air flow 10b when it flows into a waste heat recovery system 9.1 or 9.2.
  • the heat exchanger 1 or first heat exchanger T which is designed as a high-pressure superheater (SH HP) in the exemplary embodiment according to FIG a.
  • the heat exchanger 3 designed as a low-pressure superheater (SH LP) in the exemplary embodiment according to FIG. 2, feeds water vapor at a pressure of 3-5 bar and a temperature of 230.degree. C.-280.degree.
  • the respective first exhaust gas or exhaust air flow 10a each forms a larger volume flow than the respective second exhaust gas or exhaust air flow 10b.
  • this is only an exemplary design.
  • the waste heat recovery system 9.1 and the waste heat recovery system 9 formed therefrom can be designed such that an electrical power in the range of 2-70 MW ei can be generated by means of the at least one steam turbine set 14 and the at least one generator 16 arranged thereon.
  • the exhaust gas or exhaust air flows 10a, 10b are preferably exhaust gas or exhaust air flows from one or more sinter cooling systems, each of which is located at a hotter point (hood 1; first exhaust gas or exhaust air flow 10a) and a less hot point (hood 2; second Exhaust gas or exhaust air flow 10b) can be taken from a sintering plant.
  • hood 1 hotter point
  • hood 2 less hot point
  • second Exhaust gas or exhaust air flow 10b can be taken from a sintering plant.
  • the feed water of the water-steam circuit 15 is pumped from the hot water tank of the condenser 13 into the feed water tank 12 for ventilation.
  • the degassing is preferably realized by preheated feed water from the low and high pressure heat exchanger 6, which is also designed as a low pressure evaporator (ECO 1), so that no steam from the steam extraction of the steam turbine set 14 or superheated low pressure steam have to be used. Steam is extracted from the steam turbine set 14 (not shown) or from superheated low-pressure steam only to start up the process or the waste heat recovery system 9.
  • the degassed feedwater is transferred to the low-pressure side of the feedwater line 17 via low-pressure feedwater pumps in the low-pressure part 17b of the feedwater line 17 as low-pressure - And / or high pressure evaporator (ECO 1) trained high pressure and / or
  • Low pressure heat exchanger 6 is pumped.
  • the preheated feed water is then passed to the heat exchanger 5 designed as a low pressure evaporator (EVA LP) or to the heat exchanger 2 designed as a high pressure evaporator (EVA HP), where it is evaporated.
  • the saturated low-pressure or high-pressure steam is passed on to the high-pressure superheater (SH HP) 1 or to the low-pressure superheater (SH LP) 3, where it is superheated in each case.
  • the superheated low-pressure steam and the superheated high-pressure steam are each the corresponding turbine stages 14a, 14b of the
  • the waste heat recovery system usually comprises several balance-of-plant (BoP) systems such as a steam pipeline system, a condensate system, a feed water system, a closed cooling water system, etc., which are not shown in detail.
  • BoP balance-of-plant
  • Part of the waste heat recovery system 9 shown in FIG. 2 is also an electrolyser 18 which is supplied with direct current DC by the generator 11 directly and immediately via a current-carrying line connection 19.
  • the generator 11 thus generates direct current DC and the electrolyser 18 is a direct current-operated electrolyser 18.
  • the electrolyser 18 is preferably a high-temperature electrolyser and the hydrogen electrolysis is a high-temperature electrolyser.
  • the electrolyser 18 can connect to the water-steam circuit 15 of the respective
  • Waste heat recovery system 9.1, 9.2 be connected, via which steam, for example at a pressure of 40 bar, is coupled into the electrolyzer 18.
  • the hydrogen and / or oxygen generated can be used in at least one connected first production facility 20, not shown in FIG. 2 and shown schematically in FIG Iron and steel works.
  • the respective waste heat recovery systems 9 and 9 '(see description below for FIG. 3) and in particular the respective waste heat recovery systems 9.1 and 9.2 (see description below for FIG. 3) and the respective electrolyzer 18 are therefore preferably part of the industrial production plant 21, in particular the metallurgical production plant, preferably of the integrated steelworks.
  • the respective electrolyser 18 can then with at least one first production facility 20 of the industrial production facility 21, in particular the metallurgical production facility, preferably the integrated steelworks, in one of the hydrogen H 2 generated in the electrolyser 18 to at least one first production facility 20 or several production facilities of the industrial production facility 21 , in particular the metallurgical production plant, preferably the integrated metallurgical plant, leading line connection.
  • the respective electrolyzer 18 with at least one or the first production facility 20 and / or a second production facility 22 of the industrial production facility 21, in particular the metallurgical production facility, preferably the integrated steelworks, can supply the oxygen O2 generated in the electrolyzer 18 to at least the first Production facility 20 and / or the second production facility 22 of the industrial production facility 21, in particular of the metallurgical production facility, preferably of the integrated steelworks, leading line connection.
  • the first production device 20 and / or the second production device 22 can be a blast furnace and / or a direct reduction plant, in particular a shaft furnace of a direct reduction plant, and / or a skin pass furnace and / or a steel converter.
  • the waste heat recovery system 9.1, 9.2 can comprise a production device 24 for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass (converted local biomass process), which is connected in a second medium-carrying line connection 25 and / or a further current-carrying line connection 26 with the respective waste heat recovery system 9.1, 9.2 so that the production device 24 for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass (converted local biomass process) via the second medium-carrying line connection 25 steam from the water-steam circuit 15 of the respective waste heat recovery system 9.1, 9.2 and alternating current AC can be supplied via the further current-carrying line connection 26.
  • the alternating current AC is generated by another generator with an inverter connected to the steam turbine set 14 or by the at least one generator 16 of the respective waste heat recovery system 9.1, 9.2 and subsequent conversion of the generated direct current DC into alternating current AC by means of an inverter.
  • the production device 24 for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass can be saturated or superheated steam with a pressure of 5 to 80 bar, preferably 10 to 70 bar, in particular 20 to 50 bar, can be fed in.
  • a process takes place in the production device 24 which converts the organic biomass supplied into a fuel with a significantly higher calorific value than the organic biomass originally supplied.
  • the in the production device 24 for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass (converted local biomass process)
  • the first and second exhaust gas or exhaust air streams 10a, 10b originate from an industrial heat source 28.
  • These can each be one exhaust gas or exhaust air stream or several exhaust gas or exhaust air streams from the industrial production facility 21, in particular the metallurgical production facility, preferably the integrated steelworks, particularly preferred one or more sinter coolers of a sintering plant and / or one or more steel converters and / or a continuous casting plant and / or a hot rolling mill and / or one or more furnace plants and / or one or more glass furnaces, in particular one or more float glass or container glass plants, but also the first production device 20, in particular the skin pass furnace, and / or the second production device 22, in particular the blast furnace, and / or a direct reduction plant, in particular a shaft furnace of a direct reduction plant, and / or a skin pass furnace and / or a steel converter.
  • FIG. 1 The above-described, possible combination of essential components of a waste heat recovery system 9 according to the invention integrated into an industrial production system 21 and the functional relationship of these components is shown schematically in FIG. 1 in a block diagram.
  • FIG. 3 shows the waste heat recovery system 9 with a waste heat boiler 8 ‘comprising only the first heat exchanger V and the second heat exchanger 2‘ and forming the waste heat recovery system 9.2.
  • An industrial heat source 28 can consist, for example, in that the exhaust air from a sinter cooler is detected and captured in one or more hoods along the sinter cooler. This exhaust air is then sent to a waste heat recovery system 9.1. or 9.2 supplied.
  • the steam turbine or the steam turbine set 14 is designed either as a condensation or back pressure turbine.
  • the respective waste heat recovery system also includes 9.1. or 9.2 various connecting general systems (balance-of-plant) such as steam systems, condensate and feed water systems as well as intercooling water systems, etc., as are common in steam power plants.
  • various connecting general systems balance-of-plant
  • steam systems condensate and feed water systems as well as intercooling water systems, etc.
  • intercooling water systems etc.
  • FIG. 2 is a two-pressure system with integrated additional firing in the form of the gas booster 16, in which the waste heat is used to generate HP and LP steam, which or on a two-stage steam turbine A two-stage steam turbine set 14 is performed.
  • the hot exhaust gas or exhaust air flow 10a (hood 1 in Figure 2) can primarily be used to overheat the high pressure steam (SH HP) before it is combined with the colder exhaust gas or exhaust air flow 10b (hood 2 in Figure 2) to the common exhaust gas or Exhaust air flow 10 is merged.
  • the common exhaust gas or exhaust air flow 10 can then subsequently be used for the evaporation of the high-pressure steam (EVA HP) as well as the superheating (SH LP) and the evaporation (EVA LP) of the low-pressure steam.
  • the residual heat then still remaining in the common exhaust gas or exhaust air flow 10 can also and continue to be used to preheat the feed water (ECO 1 / ECO 2) before the exhaust gas is fed to the existing flue gas cleaning of the industrial production plant 21, in particular the steelworks, and the chimney 7 will.
  • a gas supply in particular in the form of the gas booster 16, can be installed on the inflow side of the high-pressure evaporator (EVA HP) and thereby the exhaust gas temperature of the respective exhaust gas or exhaust air flow 10a, 10b, 10 can be increased, whereby the usable waste heat and the resulting higher electr . Power of the waste heat recovery system 9, 9 ‘can be generated.
  • EVA HP high-pressure evaporator
  • the steam flows generated in the waste heat recovery system 9.1, 9.2 are each generated from the low-pressure superheater (SH LP) and / or the high-pressure superheater (SH HP) supplied by means of steam systems to the corresponding stages of the steam turbine or of the steam turbine set 14, where the steam expands and is then condensed in the condenser 13.
  • the condensate is fed to the feed water tank 12 by means of a condensate system for the purpose of degassing and preheating, before it is then fed to the waste heat boiler (8, 8 ') by means of the high pressure and low pressure feed water system comprising the high pressure part 17a and the low pressure part 17b of the feed water line 17.
  • the cycle starts again for the vaporized feed water in the water-steam cycle.
  • This cycle is basically the same in both embodiments of a waste heat recovery system according to FIGS.
  • the waste heat recovery systems 9.1 and 9.2 differ fundamentally only in the number of heat exchangers present in the respective water-steam circuit 15 and possibly in the design of the first and second heat exchangers 1 ', 2'.
  • the respective feed water tank 12 can be supplied with steam for preheating via a tap in the steam system; in the embodiment according to FIG. 2, this is done by means of a tap 31 of the low-pressure steam system.
  • this tap 31 is then closed and the feed water tank 12 is supplied with preheated feed water 32 from the low pressure system on the downstream side or downstream of the heat exchanger EC01.
  • the arrangement of the various heating surfaces / heat exchangers ECO 1, EC02, EVA LP, EVA HP, SH LP and SH HP or the various heat exchangers 1 - 6 within a waste heat boiler 8, 8 'as well as the additional firing (gas booster 16) can be designed variably and, in order to achieve the highest possible efficiency in each case, is based on the respective boundary conditions of the industrial production plant 21, in particular the metallurgical production plant, preferably the integrated ironworks or steelworks.
  • the additional firing, in particular the gas booster 16 can be implemented with natural gas, biogas, furnace gas or hydrogen as fuel.
  • the alternative interconnection of the exhaust air streams without a low-pressure water-steam circuit in accordance with FIG. 3 is also the subject matter of the present invention.
  • some of the thermal energy present in the exhaust gas or exhaust air stream (s) (10a, 10b, 10) can be used to preheat media such as ignition gas, ignition air, raw sinter mixture flowing into a sintering system, for example. After targeted cooling, they can also be used as feed gas or combustion air in the sintering belt of a sintering plant.
  • a further heat exchanger can additionally be integrated into the water-steam circuit 15 or the respective waste heat boiler 8, 8 ', which causes the steam generated in the waste heat boiler 8, 8' to be reheated.
  • the steam and operating parameters of the respective waste heat recovery system 9 can in particular be designed as follows:
  • High pressure steam parameters 70-100 bar
  • low pressure steam parameters 3-10 bar
  • a waste heat recovery system 9, 9 ' accordinging to the invention by means of the waste heat recovery system 9.1, 9.2 integrated in the water-steam circuit 15 and a steam extraction 33, steam and / or heat (district heating) from the water-steam circuit 15 are decoupled and fed to a / the production device (24) for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass for use for the production of carbonized biomass, in particular so-called biochar 27.
  • the steam can be saturated or superheated and, depending on the design, from the steam systems and / or the steam turbine set 14 are decoupled.
  • the steam flow supplied from steam extraction 33 by means of a second medium-carrying line connection 25 of production device 24 for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass can be used by cooling and condensation.
  • the resulting condensate flow can be returned to the system / waste heat recovery system 9.1, 9.2 at a suitable point.
  • the pressure of the condensate flow returned from the production device 24 for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass to the waste heat recovery system 9.1, 9.2 can be adjusted / adjusted by means of a pump / throttle / expander.
  • Heat extraction can also be realized by tapping the various steam systems or a turbine tap or by means of a heating condenser (counterpressure steam turbine version).
  • the electricity generated in the waste heat recovery system 9, 9 'by means of the waste heat recovery system 9.1, 9.2 with connected water-steam circuit 15 can be used to carry out the process of hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass in the production device 24 will.
  • the current (AC) generated by the generator 11 and then inverted is fed via the further current-carrying line connection 26 to the production device 24 for hydrothermal or vapothermal carbonization of organic biomass.
  • FIG. 1 also shows that the electricity generated by the waste heat recovery system 9, 9 ′ can be used for the electrolyser 18.
  • a direct connection of the electricity generated in the waste heat recovery system 9, 9 'by means of the generator 11 to the electrolyzer 18 without using or interposing an AC / DC inverter is provided via a current-carrying line connection 19.
  • the background is that the steam turbine set 14 with a connected generator 11 supplies direct current and the electrolyzer 18 uses direct current. In this way, the loss of efficiency caused by an AC / DC inverter can be avoided.
  • the oxygen (O2) occurring in the electrolyser 18 during the hydrogen electrolysis of water to hydrogen (H 2 ) can be used within an industrial production facility 21, in particular a metallurgical production facility, preferably an integrated metallurgical plant, and for example by means of one / the O2 line connection of / the industrial production facility 20, 22, for example for enriching injection air for use in a blast furnace, as can be seen from FIG.
  • steam or heat generated by means of the waste heat recovery system 9, 9 'can also be used for preheating or evaporation of water in an electrolyzer 18 designed as a high-temperature electrolyzer. This allows the electrical efficiency of such an electrolyzer 18 to be increased.
  • the waste heat recovery systems 9.1 and 9.2 are each designed in particular in the form of a waste heat recovery device or each in particular form a waste heat recovery system, the / the two or more heat exchangers and at least one of these heat exchangers in the flow direction of the respective exhaust gas or exhaust air flow 10a, 10b, 10 one after the other from one heat exchanger to the next heat exchanger in the flow direction and connecting the respective exhaust gas or exhaust air stream 10a, 10b, 10 as a medium supplying and / or discharging exhaust gas or exhaust air connection line 34 and one or more the heat exchangers with the connected water-steam circuit 15 and the medium carried in the water-steam circuit 15 comprises water and / or steam supplying and / or discharging water-steam circuit connection line (s) 35, 35 'to a respective heat exchanger.
  • the heat exchangers can be connected in series and / or in groups in parallel with respect to the direction of flow of the medium flowing in the water-steam circuit 15.
  • the reference numeral 35 denotes at least mainly (water) steam-carrying water-steam circuit connection line (s) and the reference numeral 35 'denotes at least mainly (feed) water-carrying water-steam circuit connection line (s).
  • the heat exchanger surfaces of the respective Heat exchangers can in particular be designed as heating surfaces formed from tubes, through which the medium flowing in the water-steam circuit flows on the inside and are in operative connection on the outside with the respective exhaust gas or exhaust air flow 10a, 10b or 10 flowing along them.
  • the heating surfaces can each form a heat exchanger and be part of a waste heat boiler 8, 8 ′ through which an exhaust gas or exhaust air stream 10a, 10b, 10 flows and / or substantially form this.

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Abstract

Bei einer Abwärmenutzungsanlage (9, 9') zur Nutzung industrieller Abwärme in Form einer Dampf- und Stromerzeugung umfassend ein Dampfkraftwerk mit mindestens einem, mindestens einen angeschlossenen Generator (11) zur Stromerzeugung aufweisenden Dampfturbinensatz (14) und umfassend eine in den Wasser-Dampf-Kreislauf (15) integrierte Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) zur Nutzung von aus mindestens einem Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b, 10) einer industriellen Produktionsanlage (21) rückgewonnener Wärmeenergie zur Stromerzeugung mittels Wasserdampfs in dem Dampfkraftwerk und umfassend mindestens einen von dem erzeugten Strom gespeisten Elektrolyseur (18), wobei die Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) mindestens zwei von dem Abgas- oder Abluftstrom (10) durchströmte, dampferzeugende Wärmetauscher (1', 2') umfasst, die beide in den Wasser-Dampf-Kreislauf (15) des Dampfkraftwerks integriert und bezüglich der Strömungsrichtung des in dem Wasser-Dampf-Kreislauf (15) strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, soll eine Lösung geschaffen werden, die eine hinsichtlich der Nutzung der in Abgas- oder Abluftströmen industrieller Produktionsanlagen vorhandenen Wärmeenergie verbesserte Einbindung einer Abwärmerückgewinnungsanlage in eine Abwärmenutzungsanlage insbesondere zur Einbindung in eine industrielle Produktionsanlage bereitstellt. Dies wird dadurch erreicht, dass der mindestens eine Generator (11) Gleichstrom erzeugt und der Elektrolyseur (18) ein gleichstrombetriebener, unmittelbar von dem Generator (11) mit elektrischem Gleichstrom (DC) gespeister Elektrolyseur (18) ist.

Description

Anlage zur Nutzung von in einem Abgas- oder Abluftstrom einer industriellen Produktionsanlage enthaltener Wärmeenergie
Die Erfindung richtet sich auf eine Abwärmenutzungsanlage zur Nutzung industrieller Abwärme in Form einer Dampf- und Stromerzeugung umfassend ein Dampfkraftwerk mit mindestens einem, mindestens einen angeschlossenen Generator zur Stromerzeugung aufweisenden Dampfturbinensatz und mindestens einem dem mindestens einen Dampfturbinensatz in Strömungsrichtung eines Wasser-Dampf-Kreislaufes des Dampfkraftwerks nachgeschalteten und in dem Wasser-Dampf-Kreislauf angeordneten Kondensator und umfassend eine in den Wasser-Dampf-Kreislauf integrierte Abwärmerückgewinnungsanlage zur Nutzung von aus mindestens einem Abgas- oder Abluftstrom, vorzugsweise zwei Abgas- oder Abluftströmen, einer industriellen Produktionsanlage oder industriellen Wärmequelle oder mehreren industriellen Produktionsanlagen oder industriellen Wärmequellen rückgewonnener Wärmeenergie zur Stromerzeugung mittels Wasserdampfs in dem Dampfkraftwerk und umfassend mindestens einen von dem erzeugten Strom gespeisten Elektrolyseur, wobei die Abwärmerückgewinnungsanlage mindestens zwei von dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom oder von zumindest jeweils einem der beiden Abgas- oder Abluftströme oder von einem aus den beiden Abgas- oder Abluftströmen gebildeten gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom durchströmte, vorzugsweise dampferzeugende, Wärmetauscher umfasst, die beide in den Wasser-Dampf-Kreislauf des Dampfkraftwerks integriert und bezüglich der Strömungsrichtung des in dem Wasser-Dampf-Kreislauf strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind.
Aus der Praxis ist aus Japan eine Abwärmenutzungsanlage in Form einer von der Sumitomo Heavy Industries in Kokura (Japan) betriebenen Sinteranlage bekannt, bei welcher Abluft von den Sinterkühlern der Sinteranlage durch Abhitzekessel geführt werden. Zusammen mit den Abgasen der Sinteranlage, die auch durch einen Abhitzekessel geführt werden, sind auf diese Weise 120 kgDampf/tSinter mit einer Temperatur von 273 °C und einem Druck von 9 bar erzeugbar.
Derzeit wird die Abwärme aus Sinterkühlern aber nicht effizient verwendet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die eine hinsichtlich der Nutzung der in Abgas- oder Abluftströmen industrieller Produktionsanlagen vorhandenen Wärmeenergie verbesserte Einbindung einer Abwärmerückgewinnungsanlage in eine Abwärmenutzungsanlage insbesondere zur Einbindung in eine industrielle Produktionsanlage bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch eine Abwärmenutzungsanlage gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die vorstehende Aufgabe bei einer eingangs näher bezeichneten Abwärmenutzungsanlage dadurch gelöst, dass die Abwärmenutzungsanlage einerseits Dampf und Strom erzeugt und andererseits einen Elektrolyseur umfasst, wobei der mindestens eine Generator Gleichstrom erzeugt und der Elektrolyseur ein gleichstrombetriebener, unmittelbar von dem Generator mit elektrischem Gleichstrom gespeister Elektrolyseur ist.
Hierdurch wird es möglich, einerseits mittels eines Dampfkraftwerks effizient und kostengünstig eine Elektrolyse zu betreiben, da ein Wechselrichter nicht benötigt wird, und andererseits Produkte der Elektrolyse wie Wasserstoff und Sauerstoff, aber auch Dampf des angeschlossenen Wasser-Dampf-Kreislaufs und mit dessen Hilfe erzeugten Strom, unmittelbar in der Abwärmenutzungsanlage und/oder einer angeschlossenen industriellen Produktionsanlage, insbesondere einer hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise einem integrierten Hüttenwerk, zu nutzen.
Um mittels der Abwärmenutzungsanlage das Dampfkraftwerk effizient und vorteilhaft betreiben zu können, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage ein erster der beiden Wärmetauscher von einem ersten Abgas- oder Abluftstrom der beiden Abgas- oder Abluftströme durchströmt wird und der zweite Abgas- oder Abluftstrom der beiden Abgas- oder Abluftströme in Strömungsrichtung des ersten Abgas- oder Abluftstroms stromabwärts des ersten und stromaufwärts des zweiten der beiden Wärmetauscher in den ersten Abgas- oder Abluftstrom einmündet und beide Abgas oder Abluftströme dann einen gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom ausbildend den zweiten der beiden Wärmetauscher durchströmen.
Hierbei ist es weiterhin möglich, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildeter Hochdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Mitteldrucküberhitzer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Mitteldruckverdampfer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Niederdruckdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher ist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
Hierbei kann es weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher der beiden Wärmetauscher der als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher ist und diese mit einem in Bezug auf die
Strömungsrichtung des gemeinsamen Abgas- oder Abluftstroms stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordneten dritten Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, wobei der dritte Wärmetauscher ein als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeter Hochdruckwärmetauscher ist.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass der erste Wärmetauscher der als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete Niederdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher der als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildete Niederdruckwärmetauscher ist und diese mit einem in Bezug auf die
Strömungsrichtung des gemeinsamen Abgas- oder Abluftstroms stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordneten dritten Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, wobei der dritte Wärmetauscher ein als Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher ist.
Eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der erste
Wärmetauscher der als Mitteldrucküberhitzer ausgebildete Mitteldruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher der als Mitteldruckverdampfer ausgebildete Mitteldruckwärmetauscher ist und diese mit einem in Bezug auf die
Strömungsrichtung des gemeinsamen Abgas- oder Abluftstroms stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordneten dritten Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, wobei der dritte Wärmetauscher ein als Mitteldruckvorwärmer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher ist. In Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeter Hochdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeter Hochdruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste
Wärmetauscher ein als Mitteldruckverdampfer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Mitteldruckvorwärmer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste
Wärmetauscher ein als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher und ein zweiter oder der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher ist.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie derart eingerichtet ist, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage in Abgas- oder Abluftströmungsrichtung der erste Abgas- oder Abluftstrom den ersten, als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildeten Wärmetauscher durchströmt, nach Einmündung des zweiten Abgas- oder Abluftstroms der gemeinsame Abgas- oder Abluftstrom den zweiten, als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeten Wärmetauscher, dann einen oder den als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildeten vierten Wärmetauscher, dann einen oder den als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeten dritten Wärmetauscher, dann einen als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeten fünften Wärmetauscher und schließlich einen als Hochdruck- und/oder Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildeten sechsten Wärmetauscher durchströmt.
Hierbei kann es gemäß Ausgestaltung der Erfindung weiterhin zweckmäßig sein, dass der als Hochdruck- und/oder Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildete sechste Wärmetauscher, der als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildete dritte Wärmetauscher, der als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeten zweite Wärmetauscher und der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete erste Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind.
Vorteilhaft ist es in Ausgestaltung der Erfindung dann weiterhin, wenn der als Hochdruck- und/oder Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildete sechste Wärmetauscher, der als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildete fünfte Wärmetauscher und der als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete vierte Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind.
Die Abwärmerückgewinnungsanlage kann einen Abhitzekessel umfassen oder ausbilden, der mindestens den ersten und den zweiten Wärmetauscher, vorzugsweise den ersten bis sechsten Wärmetauscher, aufweist, was die Erfindung weiterhin vorsieht.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn jeder der Wärmetauscher der Abwärmerückgewinnungsanlage in Bezug auf die Strömungsrichtungen des ihn durchströmenden Abgas- oder Abluftstromes und des ihn durchströmenden mindestens einen Mediums des Wasser-Dampf-Kreislaufs als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet ist. Auch dies sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor.
Um die Temperatur des Abgas- oder Abluftstroms oder der Abgas- oder Abluftströme durch Zumischung eines heißen Mediums regulieren, zumindest beeinflussen zu können, zeichnet sich die Erfindung weiterhin dadurch aus, dass dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom oder einem und/oder beiden der beiden Abgas- oder Abluftströme und/oder dem gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom jeweils ein Gasbrenner oder Gas-Booster zugeordnet ist, der mit dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom oder einem und/oder beiden der beiden Abgas- oder Abluftströme und/oder dem gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom in Leitungsverbindung steht und der ein heißes Abgas erzeugt, das dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom oder einem und/oder beiden der beiden Abgas- oder Abluftströme und/oder dem gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom zu seiner Temperaturerhöhung über diese Leitungsverbindung zumischbar ist.
Die beiden Abgas- oder Abluftströme können Teile eines aufgeteilten Abgas- oder Abluftstromes einer oder mehrerer industrieller Produktionsanlagen oder industrieller Wärmequellen sein oder können zwei getrennt entnommene Abgas- oder Abluftströme einer oder mehrerer industrieller Produktionsanlagen oder industrieller Wärmequellen sein.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher Wasserdampf mit einem Druck von 70 - 100 bar und einer Temperatur von 500 °C - 540 °C erzeugt und in den Wasser-Dampf-Kreislauf einspeist und wenn der als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete Niederdruckwärmetauscher Wasserdampf mit einem Druck von 3 - 10 bar und einer Temperatur von 230 °C - 280 °C erzeugt und in den Wasser-Dampf-Kreislauf einspeist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht. Für eine effiziente Energienutzung innerhalb einer industriellen Produktionsanlage ist es weiterhin von Vorteil, wenn in dem Elektrolyseur eine Wasserstoffelektrolyse abläuft und der erzeugte Wasserstoff in der industriellen Produktionsanlage verwendet wird. Die Erfindung zeichnet sich in Weiterbildung daher auch dadurch aus, dass in dem Elektrolyseur eine Wasserstoffelektrolyse abläuft.
Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt im Bereich der Stahlindustrie. Die Erfindung zeichnet sich in Weiterbildung daher dadurch aus, dass die Abwärmerückgewinnungsanlage und der Elektrolyseur Bestandteil einer/der industriellen Produktionsanlage, insbesondere einer hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise eines integrierten Hüttenwerkes, sind und der Elektrolyseur mit mindestens einer ersten industriellen Produktionseinrichtung der industriellen Produktionsanlage, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, in einer im Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff (H2) zu mindestens der ersten industriellen Produktionseinrichtung der industriellen Produktionsanlage, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, führenden Leitungsverbindung steht.
Hierbei kann zudem vorgesehen sein, dass auch der in der Elektrolyse erzeugte Sauerstoff in der industriellen Produktionsanlage Verwendung findet. Die Erfindung sieht daher auch vor, dass die Abwärmerückgewinnungsanlage und der Elektrolyseur Bestandteil einer/der industriellen Produktionsanlage, insbesondere einer/der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise eines/des integrierten Hüttenwerkes, sind und der Elektrolyseur mit mindestens einer oder der ersten und/oder einer zweiten Produktionseinrichtung der industriellen Produktionsanlage, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, in einer im Elektrolyseur erzeugten Sauerstoff (O2) zu mindestens der ersten und/oder der zweiten Produktionseinrichtung der industriellen Produktionsanlage, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, führenden Leitungsverbindung steht.
Erste und/oder zweite Produktionseinrichtungen der hüttenmännischen Produktionsanlage können ein Hochofen und/oder ein Dressierofen sein. Die Erfindung sieht daher in weiterer Ausgestaltung auch vor, dass die erste und/oder die zweite Produktionseinrichtung ein Hochofen und/oder eine Direktreduktionsanlage, insbesondere ein Schachtofen einer Direktreduktionsanlage, und/oder ein Dressierofen und/oder ein Stahlkonverter ist/sind. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Elektrolyseur ein Hochtemperatur-Elektrolyseur ist, in dem eine Hochtemperatur-Wasserstoffelektrolyse abläuft, wobei aus der Wärmerückgewinnungsanlage, insbesondere dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Wärmerückgewinnungsanlage, Dampf- und/oder Wärme ausgekoppelt und in den Elektrolyseur eingekoppelt wird. Diesbezüglich sieht die Erfindung vor, dass in dem Elektrolyseur eine Wasserstoffelektrolyse abläuft und/oder der Elektrolyseur ein Hochtemperatur-Elektrolyseur ist, in dem eine Hochtemperatur-Wasserstoffelektrolyse abläuft, und dass die Abwärmenutzungsanlage eingerichtet ist, dass aus der Abwärmerückgewinnungsanlage und/oder dem daran angeschlossenen Wasser-Dampf- Kreislauf Dampf- und/oder Wärme auskoppelbar und in den über eine erste mediumführende Leitungsverbindung mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf verbundenen Elektrolyseur oder Hochtemperatur-Elektrolyseur einkoppelbar ist.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Anlage eine Produktionsvorrichtung zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse umfasst. Die Erfindung zeichnet sich in weiterer Ausgestaltung daher dadurch aus, dass die Abwärmenutzungsanlage eine Produktionsvorrichtung zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse umfasst, die in einer zweiten oder der ersten mediumführenden Leitungsverbindung und/oder einer weiteren stromführenden Leitungsverbindung mit der Abwärmerückgewinnungsanlage steht und die eingerichtet ist, dass ihr über die erste oder zweite mediumführende Leitungsverbindung Dampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf und/oder über die weitere stromführende Leitungsverbindung von dem mindestens einen Generator erzeugter Strom nach Konvertierung in Wechselstrom (AC) oder von einem weiteren von dem Dampfturbinensatz angetriebenen Generator unmittelbar erzeugter Wechselstrom (AC) zuführbar ist.
Zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Produktionsvorrichtung zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung mittels der ersten oder zweiten mediumführenden Leitungsverbindung aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Abwärmenutzungsanlage gesättigter oder überhitzter Dampf mit einem Druck von 40 bar zuführbar ist. Die Erfindung sieht daher weiterhin auch vor, dass die Abwärmenutzungsanlage eingerichtet ist, dass der Produktionsvorrichtung zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse mittels der ersten oder zweiten mediumführenden Leitungsverbindung aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf gesättigter oder überhitzter Dampf mit einem Druck von 5 - 80 bar, vorzugsweise 10 - 70 bar, insbesondere 15 - 45 bar, zuführbar ist. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die hüttenmännische Produktionsanlage, insbesondere der Hochofen und/oder der Stahlkonverter, eingerichtet ist, die in der Produktionsvorrichtung zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung erzeugte organische Biomasse, insbesondere Biokohle, als Reduktionsmittel zu verarbeiten. Insbesondere bei Hochöfen können deren C02-Emissionen durch Einblasen von Ersatzreduktionsmitteln, wie H2 und/oder carbonisierter Biomasse, insbesondere in Form von Biokohle, gesenkt werden. Die Erfindung sieht deshalb auch vor, dass die industrielle Produktionsanlage, insbesondere eine/die hüttenmännische Produktionsanlage, vorzugsweise ein/das integrierte Hüttenwerk, besonders bevorzugt ein/der Hochofen und/oder ein/der Stahlkonverter und/oder eine/die Direktreduktionsanlage, eingerichtet ist/sind, das in der Produktionsvorrichtung zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse erzeugte Produkt, insbesondere Biokohle, als Reduktionsmittel zu verarbeiten.
Der Abgas- oder Abluftstrom oder die Abgas- oder Abluftströme kann/können aus einer Vielzahl an industriellen Wärmequellen stammen. Insbesondere können Sinterkühler einer Sinteranlage eine brauchbare industrielle Wärmequelle darstellen. Die Erfindung zeichnet sich deshalb schließlich noch dadurch aus, dass der Abgas- oder Abluftstrom oder der erste und/oder der zweite Abgas- oder Abluftstrom ein Abgas- oder Abluftstrom oder mehrere Abgas- oder Abluftströme der industriellen Produktionsanlage, insbesondere einer/der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise eines/des integrierten Hüttenwerks, besonders bevorzugt eines Sinterkühlers oder mehrerer Sinterkühler einer Sinteranlage und/oder eines/des Hochofens und/oder eines/des oder mehrerer Stahlkonverter und/oder einer Stranggießanlage und/oder eines Warmwalzwerks und/oder einer oder mehrerer Ofenanlagen oder eines oder mehrerer Glasöfen, insbesondere einer oder mehrerer Floatglas oder Behälterglas-Anlagen, ist/sind.
Mit der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanlage lässt sich die C02-Emission eines Stahlwerks durch Nutzung und Ausgestaltung einer Abwärmerückgewinnungsanlage reduzieren.
Die Erfindung schlägt eine industrielle Abwärmenutzungsmöglichkeit zur Dampf- und Stromerzeugung gekoppelt mit einer anschließenden Elektrolyse, insbesondere zur Wasserstofferzeugung, mit optionaler Dampf- und Stromauskopplung für einen Prozess zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung und optionaler Verwertung des Stroms, des Wasserstoffs, des als Nebenprodukt anfallenden Sauerstoffs und der als optionales Nebenprodukt anfallenden carbonisierten organischen Biomasse, insbesondere Biokohle, innerhalb einer industriellen Produktionsanlage, vorzugsweise innerhalb eines Hüttenwerks, vor.
Bei der Abwärmenutzung zur Dampferzeugung in der Stahlindustrie können beispielsweise folgende Produktionseinrichtungen Abgas- oder Abluftströme Verwendung finden:
Sinteranlage: Abgas am Sinterband, Abluft der Sinterkühler
Hochofen: Abgas von Winderhitzern, Abluft/Abwärme von Hochofenschlacke
Konverter: Abluft/Abwärme von Konverterschlacke, Abhitzekessel
Stranggießanlage: Nutzung der Brüden vom Spritzwasser, Restwärme der Brammen
Warmwalzwerk
Das der Erfindung zugrundeliegende Gesamtkonzept, nach welchem industrielle Abwärme, beispielsweise die eines Sinterkühlers, mit Hilfe eines Wasser-Dampf-Kreislaufs und einer Abwärmerückgewinnungsanlage eines Dampfkraftwerks zur Stromerzeugung verwendet wird, ist in der Figur 1 dargestellt.
Die das aus der Abwärmerückgewinnungsanlage und dem Wasser-Dampf-Kreislauf gebildete Dampfkraftwerk umfassende Abwärmenutzungsanlage liefert Gleichstrom (DC). Dieser wird im Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet (H2). Dadurch entfällt der beim Stand der Technik notwendige Inverter, was die Effizienz und damit die Wasserstoffausbeute erhöht. In Hüttenwerken kann der so erzeugte Wasserstoff in Hochöfen, Dressieröfen oder Schachtöfen (Direktreduktion) eingesetzt werden.
Der von dem aus der Abwärmerückgewinnungsanlage und dem Wasser-Dampf-Kreislauf gebildeten Dampfkraftwerk erzeugte Dampf kann zur Nutzung für einen vapothermalen Carbonisierungsprozess organischer Biomasse (CLB-Prozess) ausgekoppelt und genutzt werden. Daneben kann das Dampfkraftwerk Wechselstrom (AC) für den CLB-Prozess bereitstellen. Das Produkt des CLB -Prozesses, insbesondere Biokohle, kann als Ersatzreduktionsmittel beispielsweise in einem Hochofen eingesetzt werden. Auch der Sauerstoff, der als Nebenprodukt bei der Elektrolyse anfällt, kann vollständig in einem Hochofen eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanlage weist gegenüber dem Stand der T echnik bei der Anwendung in einem Hüttenwerk folgende Vorteile auf: effiziente(re) Abwärmenutzung, Möglichkeit der Dampfauskopplung aus dem Dampfturbinensatz 14, durch Wegfall des AC/DC- Inverters des Elektrolyseurs 18 lassen sich die Investitionskosten für den Elektrolyseur um ca. 25 % reduzieren und gleichzeitig die Effizienz und damit die H2- Ausbeute erhöhen; der Strombedarf wird um ca. 0,25 kWh/Nm3 H2 reduziert; die Wirkungsgrade von Gleichrichtern liegen bei etwa 95 %; keine/weniger zusätzliche Dampferzeugung bzw. Dampfbereitstellung für den Prozess zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse am Standort notwendig;
Reduktion der CC>2-Emissionen eines angeschlossenen Hochofens bei unter Einsatz der Abwärmenutzungsanlagen 9.1, 9.2 erzeugtem H2 als Ersatzreduktionsmittel;
Verwendung von aus der Elektrolyse stammendem Sauerstoff im Hochofen und Konverter führt zu Stromeinsparung bei der Luftzerlegung zur Sauerstofferzeugung im angeschlossenen Hüttenwerk;
Reduktion der C02-Emissionen eines/des Hochofens durch den Einsatz von Ersatzreduktionsmitteln (H2, Biokohle);
Möglichkeit der Verwendung einer Hochtemperatur-Elektrolyse durch Wärmebereitstellung, wodurch eine höhere Effizienz und damit eine höhere H2- Ausbeute möglich werden.
Die Abwärmerückgewinnungsanlage 9. 1 , 9.2 mit gekoppelter Elektrolyse 18 kann auch an Elektrolichtbogenöfen und Abhitzekesseln von Stahlkonvertern eingesetzt werden. Elektrolichtbogenöfen kommen auch bei der Herstellung von Stahl via Direktreduktion (z.B. Midrex-Verfahren) zum Einsatz. Hier wäre die Abwärmenutzung via Abwärmerückgewinnungsanlage 9. 1 , 9.2 mit anschließender Wasserstofferzeugung vorteilhaft, da der Wasserstoff unmittelbar bei der Direktreduktion eingesetzt werden kann. Das im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 vorgestellte Konzept kann für Dreh-Sinterkühler und für Schacht-Sinterkühler verwendet werden.
Erzeugter Wasserstoff kann auch vermarktet oder zur Synthese von Chemikalien und Kraftstoffen verwendet werden. Dafür könnte auch aus Hüttenwerksabgasen gewonnenes CO2 Verwendung finden. Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 in schematischer Blockdarstellung wesentliche Komponenten einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanlage und deren Wirkzusammenhang,
Fig. 2 in schematischer Darstellung ein erstes Beispiel einer Abwärmenutzungsanlage mit Abwärmerückgewinnungsanlage und angeschlossenem Dampfkraftwerk mit zugeordnetem Elektrolyseur und in
Fig. 3 in schematischer Darstellung ein zweites Beispiel einer Abwärmenutzungsanlage mit Abwärmerückgewinnungsanlage und angeschlossenem Dampfkraftwerk mit zugeordnetem Elektrolyseur.
Die Figur 2 zeigt eine insgesamt mit 9 bezeichnete Abwärmenutzungsanlage, die ein erstes Beispiel einer Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 umfasst. Die Abwärmenutzungsanlage 9 und die Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 dienen dazu, in einem Abgas- oder Abluftstrom einer industriellen Produktionsanlage enthalten Wärmeenergie noch einer Nutzung zuzuführen. Die Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 ist in einen Wasser-Dampf-Kreislauf 15 eines Dampfkraftwerks eingebunden. Die Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 weist sechs als Hochdruck- und/oder Niederdruckwärmetauscher ausgebildete Wärmetauscher 1 - 6 auf. Diese Wärmetauscher 1 - 6 sind in Strömungsrichtung eines ersten Abgas- oder Abluftstromes 10a, eines zweiten Abgas- oder Abluftstromes 10b und des daraus gebildeten gemeinsamen Abgas- oder Abluftstromes 10 in folgender Reihenfolge angeordnet und in Bezug auf die Abgas- oder Abluftströmung in Reihe geschaltet: ein als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildeter (Hochdruck-)Wärmetauscher 1 oder erster Wärmetauscher 1‘, ein als
Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeter (Hochdruck-)Wärmetauscher 2 oder zweiter Wärmetauscher 2‘, ein als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildeter (Niederdruck- Wärmetauscher 3 oder vierter Wärmetauscher 4‘, ein als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeter (Hochdruck-)Wärmetauscher 4 oder dritter Wärmetauscher 3‘, ein als
Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeter (Niederdruck-)Wärmetauscher 5 oder fünfter Wärmetauscher 5‘ und ein als Hochdruck- und Niederdruckverdampfer (ECO 1) ausgebildeter (Hochdruck- und/oder Niederdruck-)Wärmetauscher 6 oder sechster Wärmetauscher 6‘. Diese sechs Wärmetauscher sind in einem Abhitzekessel 8 zusammengefasst. Nach dem Durchströmen der Wärmetauscher 1 - 6 wird der gemeinsame Abgas- oder Abluftstrom 10 über einen Kamin 7 abgeführt.
Alle Wärmetauscher 1 - 6 sind als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet und werden im Gegenstrom einerseits vom ersten Abgas- oder Abluftstrom 10a oder vom zweiten Abgas oder Abluftstrom 10b oder vom gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom 10 und andererseits von dem im Wasser-Dampf-Kreislauf 15 in seinem jeweiligen Aggregatzustand zirkulierenden Fließ- oder Fluidmedium durchströmt.
Da das Ausführungsbeispiel der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 nach Figur 2 eine Hochdruck-Wasserdampferzeugung mittels der Wärmetauscher 1 und 2 und eine Niederdruck-Wasserdampferzeugung mittels der Wärmetauscher 3 und 5 umfasst und somit in Bezug auf den Wasser-Dampf-Kreislauf 15 ein sogenanntes Zwei-Druck System darstellt, bildet bei diesem Ausführungsbeispiel der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete (Hochdruck-)Wärmetauscher 1 einen ersten Wärmetauscher V und der als
Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildete (Hochdruck-)Wärmetauscher 2 einen zweiten Wärmetauscher 2‘ im Sinne der vorliegenden Erfindung aus.
Sollte beispielsweise eine nicht dargestellte Ausführungsform einer Abwärmerückgewinnungsanlage in Bezug auf den Wasser-Dampf-Kreislauf 15 lediglich ein Ein-Druck-System realisieren, in welchem lediglich eine Niederdruck-Wasserdampferzeugung vorgesehen ist, dann bildet bei einem solchen Ausführungsbeispiel beispielsweise ein/der als Niederdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete(r) (Niederdruck-)Wärmetauscher 3 einen/den ersten Wärmetauscher 1‘ und ein/der als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildete(r) (Hochdruck-)Wärmetauscher 5 einen/den zweiten Wärmetauscher 2‘ im Sinne der vorliegenden Erfindung aus. Auch ist es möglich, eine Ausführungsform mit einer nicht näher dargestellten Abwärmerückgewinnungsanlage zu realisieren, die in Bezug auf den Wasser- Dampf-Kreislauf 15 ebenfalls lediglich ein Ein-Druck-System ausbildet, wobei hier dann aber ein als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeter (Niederdruck-)Wärmetauscher 5 einen/den ersten Wärmetauscher 1‘ und ein als Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildeter (Niederdruck-)Wärmetauscher 6 einen/den zweiten Wärmetauscher 2' im Sinne der vorliegenden Erfindung ausbildet. In einer Hochdruckvariante würde eine solche Ausführungsform einer Abwärmerückgewinnungsanlage einen/den als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeten (Hochdruck-)Wärmetauscher 2 als einen/den ersten Wärmetauscher V und einen/den als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeten (Hochdruck- Wärmetauscher 4 als einen/den zweiten Wärmetauscher 2' im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweisen. Analog sind auch entsprechende Kombinationen von Mitteldruckwärmetauschern möglich. Eine solchermaßen ausgestaltete, nicht dargestellte Abwärmerückgewinnungsanlage könnte dann in passender Weise mit weiteren Wärmetauschern kombiniert werden.
Eine lediglich zwei im Wasser-Dampf-Kreislauf 15 angeordnete Wärmetauscher, nämlich einen ersten T und einen zweiten Wärmetauscher 2‘, umfassende Ausführungsform einer Abwärmerückgewinnungsanlage 9.2 mit einem Ein-Druck-System ist in der Figur 3 als Bestandteil einer Abwärmenutzungsanlage 9‘ dargestellt. Auch die Abwärmenutzungsanlage 9‘ und die Abwärmerückgewinnungsanlage 9.2 dienen dazu, in einem Abgas- oder Abluftstrom einer industriellen Produktionsanlage enthalten Wärmeenergie noch einer Nutzung zuzuführen. Da hier ein Wasser-Dampf-Kreislauf 15 mit einem Druck des Speisewassers stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 2‘ von 80 bar und einer Dampftemperatur von 540 °C stromabwärts des ersten Wärmetauschers 1‘ vorgesehen ist, sind hier für die Ausführung als erster 1‘ und zweiter 2‘ Wärmetauscher jeweils folgende Paare denkbar: Hochdrucküberhitzer (SH HP) und Hochdruckverdampfer (EVA HP) sowie alternativ Hochdruckverdampfer (EVA HP) und Hochdruckvorwärmer (ECO 2). Je nach Druckgestaltung im Wasser-Dampf-Kreislauf 15 sind aber auch Paare aus Niederdrucküberhitzer (SH LP) und Niederdruckverdampfer (EVA LP) oder Niederdruckverdampfer (EVA LP) und Niederdruckvorwärmer (ECO 1) oder Mitteldrucküberhitzer und Mitteldruckverdampfer möglich.
Die Bezeichnungen Hochdruck (HP), Mitteldruck (MP) und Niederdruck (LP) beziehen sich auf in Dampfkraftwerken im Wasser-Dampf-Kreislauf übliche Dampfdrücke, kombiniert mit den jeweils üblichen Dampftemperaturen, also auf die üblichen Dampfparameter.
Um den ersten oder zweiten oder den gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom 10a, 10b, 10 mit heißem Abgas aufheizen zu können, steht in der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 die den jeweiligen Abgas- oder Abluftstrom führende Leitungsverbindung in Abgas- oder Abluftströmungsrichtung betrachtet stromabwärts des ersten Wärmetauschers T mit einem Gasbrenner oder Gas-Booster 16 in Leitungsverbindung, in welchem ein Brennstoff verbrannt und dessen heißes Abgas dem jeweiligen Abgas- oder Abluftstrom 10a, 10b oder 10 zumindest zum Teil zugemischt wird, wobei sich beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 die Mischstelle an einer Position befindet, an welcher sich aus dem ersten 10a und dem zweiten 10b Abgas- oder Abluftstrom bereits in Abgas- oder Abluftströmungsrichtung betrachtet stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers 2‘ der gemeinsame Abgas- oder Abluftstrom 10 gebildet hat. Beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 sind der als Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildete Wärmetauscher 6, der als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildete Wärmetauscher 5 und der als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete Wärmetauscher 3 der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 bezüglich des Wasser-Dampf-Kreislaufes 15 in Reihe geschaltet und mit einem Niederdruckteil 17b der Speisewasserleitung 17 des Wasser- Dampf-Kreislaufes 15 verbunden. Das Speiswasser wird in dem Niederdruckvorwärmer (ECO 1) 6 vorgewärmt, dann in dem Niederdruckverdampfer (EVA LP) 5 verdampft und schließlich in dem Niederdrucküberhitzer (SH LP) 3 überhitzt. Der aus dem Niederdrucküberhitzer (SH LP) 3 austretende überhitzte Dampf wird auf eine Niederdruckturbine 14b eines im Wasser- Dampf-Kreislauf 15 angeordneten Dampfturbinensatzes 14 geleitet.
Ebenso sind beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 der bezüglich dieses Anlagenteiles als Hochdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildete Wärmetauscher 6, der als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildete Wärmetauscher 4, der als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildete Wärmetauscher 2 und der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete Wärmetauscher 1 der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 bezüglich des Wasser-Dampf-Kreislaufes 15 in Reihe geschaltet und mit einem Hochdruckteil 17a der Speisewasserleitung 17 des Wasser-Dampf-Kreislaufes 15 verbunden. Das Speiswasser wird in den Hochdruckvorwärmern (ECO 1) 6 und (ECO 2) 4 vorgewärmt, dann in dem Hochdruckverdampfer (EVA HP) 2 verdampft und schließlich in dem Hochdrucküberhitzer (SH HP) 1 überhitzt. Der aus dem Hochdrucküberhitzer (SH HP) 1 austretende überhitzte Dampf wird auf eine Hochdruckturbine 14a des im Wasser-Dampf-Kreislauf 15 angeordneten Dampfturbinensatzes 14 geleitet.
Der Wasser-Dampf-Kreislauf 15 der Abwärmenutzungsanlage 9 ist beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 bezüglich der Erzeugung von überhitztem Hochdruck- und überhitztem Niederdruckdampf parallelgeschaltet ausgebildet.
Bei dem ersten und dem zweiten Abgas- oder Abluftstrom 10a, 10b, die die Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 durchströmen, handelt es sich um Teile eines aufgeteilten Abgas- oder Abluftstromes oder zwei getrennt entnommene Abgas- oder Abluftströme einer oder mehrerer Industrieanlagen, d.h. einer oder mehrere industrieller Produktionsanlagen, insbesondere einer oder mehrerer hüttenmännischen Produktionsanlagen, vorzugsweise eines integrierten Hüttenwerks. Der Wasser-Dampf-Kreislauf 15 umfasst in Strömungsrichtung nach dem Dampfturbinensatz 14 noch einen Kondensator 13 sowie einen Speisewassertank 12, dessen Entgasungseinrichtung mit einer Dampfleitung des Niederdrucküberhitzers (SH LP) 3 in Verbindung steht. Aus dem Speisewassertank 12 zweigt die Speisewasserleitung 17 ab.
Der zweite Abgas- oder Abluftstrom 10b der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 weist eine Temperatur von 350 °C - 850 °C, vorzugsweise von 420 °C - 550 °C, auf.
Der erste Abgas- oder Abluftstrom 10a der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 weist eine Temperatur von 350 °C - 950 °C, insbesondere eine Temperatur zwischen 550 °C und 750 °C, auf.
Nach und durch Zumischung von Abgas aus dem Gasbrenner oder Gas-Booster 16, das eine Temperatur von 550 °C - 1100 °C aufweisen kann, kann die Temperatur des gemeinsamen Abgas- oder Abluftstroms 10 gewünschtenfalls auf eine ebenfalls in diesem Temperaturbereich liegende Temperatur eingestellt werden.
Grundsätzlich ist es in der Regel so, dass der erste Abgas- oder Abluftstrom 10a heißer als der zweite Abgas- oder Abluftstrom 10b ist, wenn diese einer Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 oder 9.2 Zuströmen.
Der im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete Wärmetauscher 1 oder erste Wärmetauscher T, speist überhitzten Wasserdampf mit einem Druck von 70 - 100 bar und einer Temperatur von 510 °C - 540 °C in den Wasser-Dampf- Kreislauf 15 ein.
Der im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete Wärmetauscher 3 speist Wasserdampf mit einem Druck von 3 - 5 bar und einer Temperatur von 230 °C - 280 °C in den Wasser-Dampf-Kreislauf 15 ein.
Es ist im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 vorgesehen, dass der jeweilige erste Abgas- oder Abluftstrom 10a jeweils einen größeren Volumenstrom bildet als der jeweilige zweite Abgas oder Abluftstrom 10b. Dabei handelt es sich aber lediglich um eine beispielhafte Auslegung. Insgesamt können die Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 und die daraus gebildete Abwärmenutzungsanlage 9 derart ausgelegt sein, dass mittels des mindestens einen Dampfturbinensatzes 14 und des mindestens einen daran angeordneten Generators 16 eine elektrische Leistung im Bereich von 2 - 70 MWei erzeugt werden kann.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Abgas- oder Abluftströmen 10a, 10b um Abgas- oder Abluftströme einer oder mehrerer Sinterkühlanlagen, die jeweils an einer heißeren Stelle (Haube 1; erster Abgas- oder Abluftstrom 10a) und einer weniger heißen Stelle (Haube 2; zweiter Abgas- oder Abluftstrom 10b) einer Sinteranlage entnommen werden.
Das Speisewasser des Wasser-Dampf-Kreislaufes 15 wird aus dem Heißwasserbehälter des Kondensators 13 zur Entlüftung in den Speisewasserbehälter 12 gepumpt. Während des Anlagenbetriebs wird die Entgasung vorzugsweise durch vorgewärmtes, von dem auch als Niederdruckverdampfer (ECO 1) ausgebildeten Nieder- und Hochdruckwärmetauscher 6 stammendes Speisewasser realisiert, um keinen Dampf aus der Dampfentnahme des Dampfturbinensatzes 14 oder überhitzten Niederdruckdampf verwenden zu müssen. Eine Dampfentnahme aus dem Dampfturbinensatzes 14 (nicht dargestellt) oder von überhitztem Niederdruckdampf erfolgt vorzugsweise lediglich zum Anfahren des Prozesses bzw. der Abwärmenutzungsanlage 9. Nach dem Speisewasserbehälter 12 wird das entgaste Speisewasser über Niederdruck-Speisewasserpumpen im Niederdruckteil 17b der Speisewasserleitung 17 zur Niederdruckseite des als Niederdruck- und/oder Hochdruckverdampfers (ECO 1) ausgebildeten Hochdruck- und/oder
Niederdruckwärmetauschers 6 und über Hochdruck-Speisewasserpumpen im Hochdruckteil 17a der Speisewasserleitung 17 zur Hochdruckseite des als Niederdruck- und/oder Hochdruckverdampfers (ECO 1) ausgebildeten Hochdruck- und/oder
Niederdruckwärmetauschers 6 gepumpt. Danach wird das jeweils vorgewärmte Speisewasser zum als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeten Wärmetauscher 5 bzw. zum als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeten Wärmetauscher 2 geleitet, wo es jeweils verdampft wird. Der gesättigte Niederdruck- bzw. Hochdruck-Dampf wird weiter zum Hochdrucküberhitzer (SH HP) 1 bzw. zum Niederdrucküberhitzer (SH LP) 3 geleitet, wo er jeweils überhitzt wird. Schließlich werden der überhitzte Niederdruckdampf und der überhitzte Hochdruckdampf jeweils den entsprechenden Turbinenstufen 14a, 14b des
Dampfturbinensatzes 14 zur Stromerzeugung mittels des angeschlossenen Generators 11 zugeführt. Im Dampfturbinensatzes 14 wird der Dampf entspannt, im Kondensator 13 kondensiert und schließlich im Heißwasserraum des Kondensators 13 gesammelt. Danach wird er zum Speisewassertank 12 gepumpt und der Wasser-Dampf-Kreislauf beginnt erneut. In nicht näher erläuterter Weise umfasst die Abwärmenutzungsanlage in üblicher Weise mehrere Balance-of-Plant(BoP)-Systeme wie ein Dampfrohrleitungssystem, ein Kondensatsystem, ein Speisewassersystem, ein geschlossenes Kühlwassersystem, etc., die nicht näher dargestellt sind.
Bestandteil der in Figur 2 dargestellten Abwärmenutzungsanlage 9 ist zudem ein Elektrolyseur 18, der von dem Generator 11 direkt und unmittelbar über eine stromführende Leitungsverbindung 19 mit Gleichstrom DC versorgt wird. Der Generator 11 erzeugt also Gleichstrom DC und bei dem Elektrolyseur 18 handelt es sich um einen gleichstrombetriebenen Elektrolyseur 18. In dem Elektrolyseur 18 läuft eine
Wasserstoffelektrolyse mit den Endprodukten Wasserstoff H2 und Sauerstoff 02 ab. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Elektrolyseur 18 um einen Hochtemperatur- Elektrolyseur und bei der Wasserstoffelektrolyse um eine Hochtemperatur-
Wasserstoffelektrolyse. Der Elektrolyseur 18 kann über eine erste mediumführende Leitungsverbindung 23 dem Wasser-Dampf-Kreislauf 15 der jeweiligen
Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1, 9.2 verbunden sein, über welche Dampf, beispielsweise mit einem Druck von 40 bar, in den Elektrolyseur 18 eingekoppelt wird.
Der erzeugte Wasserstoff und/oder der Sauerstoff können in zumindest einer in Figur 2 nicht und in Figur 1 schematisch dargestellten angeschlossenen ersten Produktionseinrichtung 20 einer in Figur 2 nicht näher und in Figur 1 schematisch dargestellten industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere einer hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise einem integrierten Hüttenwerk, genutzt werden.
Die jeweiligen Abwärmenutzungsanlagen 9 und 9‘ (siehe nachstehende Beschreibung zur Figur 3) sowie insbesondere die jeweiligen Abwärmerückgewinnungsanlagen 9.1 und 9.2 (siehe nachstehende Beschreibung zur Figur 3) und der jeweilige Elektrolyseur 18 sind somit vorzugsweise Bestandteil der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes. Der jeweilige Elektrolyseur 18 kann dann mit mindestens einer ersten Produktionseinrichtung 20 der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, in einer den im Elektrolyseur 18 erzeugten Wasserstoff H2 zu mindestens einer ersten Produktionseinrichtung 20 oder mehreren Produktionseinrichtungen der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, führenden Leitungsverbindung stehen. Ebenso kann der jeweilige der Elektrolyseur 18 mit mindestens einer oder der ersten Produktionseinrichtung 20 und/oder einer zweiten Produktionseinrichtung 22 der industriellen Produktionsanlage 21 , insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, in einer den im Elektrolyseur 18 erzeugten Sauerstoff O2 zu mindestens der ersten Produktionseinrichtung 20 und/oder der zweiten Produktionseinrichtung 22 der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, führenden Leitungsverbindung stehen.
Die erste Produktionseinrichtung 20 und/oder die zweite Produktionseinrichtung 22 können ein Hochofen und/oder eine Direktreduktionsanlage, insbesondere ein Schachtofen einer Direktreduktionsanlage, und/oder ein Dressierofen und/oder ein Stahlkonverter sein.
Weiterhin kann die Abwärmenutzungsanlage 9.1 , 9.2, wie in Figur 1 dargestellt, eine Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse (Converted-Local-Biomass-Prozess) umfassen, die in einer zweiten mediumführenden Leitungsverbindung 25 und/oder einer weiteren stromführenden Leitungsverbindung 26 mit der jeweiligen Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 , 9.2 steht, sodass der Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse (Converted-Local-Biomass-Prozess) über die zweite mediumführende Leitungsverbindung 25 Dampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 15 der jeweiligen Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 , 9.2 und über die weitere stromführende Leitungsverbindung 26 Wechselstrom AC zuführbar ist. Hierbei wird der Wechselstrom AC von einem weiteren mit dem Dampfturbinensatz 14 verbundenen Generator mit Wechselrichter oder von dem mindestens einen Generator 16 der jeweiligen Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1, 9.2 und nachfolgender Konvertierung des erzeugten Gleichstroms DC in Wechselstrom AC mittels eines Wechselrichters erzeugt. Als Dampf kann der Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse (Converted- Local-Biomass-Prozess) mittels der zweiten mediumführenden Leitungsverbindung 25 aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 15 der jeweiligen Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 , 9.2 gesättigter oder überhitzter Dampf mit einem Druck von 5 - 80 bar, vorzugsweise 10 - 70 bar, insbesondere 20 - 50 bar zugeführt werden.
In der Produktionsvorrichtung 24 läuft ein Prozess ab, der zugeführte organische Biomasse in einen Brennstoff mit deutlich höherem Brennwert als die ursprünglich zugeführte organische Biomasse umzuwandelt. Das in der Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse (Converted-Local-Biomass-Prozess) erzeugte Produkt 27, insbesondere Biokohle (Converted-Local-Biomass=CLB), kann, ggf. nach weiterer Aufbereitung, als Reduktionsmittel in der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise dem integrierten Hüttenwerk, besonders bevorzugt dem Hochofen als zweiter industrieller Produktionseinrichtung 22 und/oder dem Stahlkonverter und/oder der Direktreduktionsanlage verarbeitet werden.
Der erste und der zweite Abgas- oder Abluftstrom 10a, 10b stammen von einer industriellen Wärmequelle 28. Dies können jeweils ein Abgas- oder Abluftstrom oder mehrere Abgas- oder Abluftströme der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerks, besonders bevorzugt eines Sinterkühlers oder mehrerer Sinterkühler einer Sinteranlage und/oder eines oder mehrerer Stahlkonverter und/oder einer Stranggießanlage und/oder eines Warmwalzwerks und/oder einer oder mehrerer Ofenanlagen und/oder eines oder mehrerer Glasöfen, insbesondere einer oder mehrerer Floatglas- oder Behälterglas-Anlagen, aber auch die erste Produktionseinrichtung 20, insbesondere der Dressierofen, und/oder die zweite Produktionseinrichtung 22, insbesondere der Hochofen, und/oder eine Direktreduktionsanlage, insbesondere ein Schachtofen einer Direktreduktionsanlage, und/oder ein Dressierofen und/oder ein Stahlkonverter sein.
Die vorstehend beschriebene, mögliche Kombination wesentlicher Komponenten einer in eine industrielle Produktionsanlage 21 integrierten erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanlage 9 und der Wirkzusammenhang dieser Komponenten ist in Figur 1 in Blockdarstellung schematisch dargestellt.
Die Figur 3 zeigt die Abwärmenutzungsanlage 9‘ mit einem nur den ersten Wärmetauscher V und den zweiten Wärmetauscher 2‘ umfassenden und die Abwärmerückgewinnungsanlage 9.2 ausbildenden Abhitzekessel 8‘.
In allen Figuren und Ausführungsbeispielen bezeichnen gleiche, gleichartige oder identische Bezugszeichen jeweils gleiche, gleichartige oder identische Elemente.
Eine industrielle Wärmequelle 28 kann beispielsweise darin bestehen, dass die Abluft eines Sinterkühlers in einer oder mehreren Hauben entlang des Sinterkühlers er- und gefasst wird. Diese Abluft wird dann einer Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1. oder 9.2 zugeführt. Die Hauptkomponenten einer Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1. oder 9.2 sind ein Abhitzekessel 8 , 8‘- ausgeführt als Ein- oder Mehrdrucksystem (Hochdruck=HP / Mitteldruck=MP / Niederdruck=LP) - mit interner oder auch externer Zusatzfeuerung, insbesondere in Form eines Gas-Boosters 16, und einer ein- oder mehrstufigen (mit einer Stufe oder zwei Stufen aus der Gruppe HP-Stufe, MP-Stufe und LP-Stufe) Dampfturbine oder einem entsprechenden Dampfturbinensatz 14 und einem Kondensator 13, welcher wassergekühlt oder luftgekühlt ausgeführt sein kann. Die Dampfturbine oder der Dampfturbinensatz 14 ist entweder als Kondensations- oder Gegendruckturbine ausgeführt. Des Weiteren umfasst die jeweilige Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1. oder 9.2 diverse verbindende Allgemein-Systemen (Balance-of-Plant) wie beispielsweise Dampfsystemen, Kondensat- und Speisewassersysteme sowie Zwischenkühlwassersystemen, etc., wie sie in Dampfkraftwerken üblich sind. Bei der aus Figur 2 ersichtlichen Ausführungsform handelt es sich um ein Zwei- Druck-System mit integrierter Zusatzfeuerung in Form des Gas-Boosters 16, bei dem die Abhitze zur Erzeugung von HP- und LP-Dampf genutzt wird, welcher auf eine zweistufige Dampfturbine bzw. einen zweistufigen Dampfturbinensatz 14 geführt wird.
Der heiße Abgas- oder Abluftstrom 10a (Haube 1 in Figur 2) kann primär zur Überhitzung des Hochdruck-Dampfes (SH HP) verwendet, bevor dieser mit dem kälteren Abgas- oder Abluftstrom 10b (Haube 2 in Figur 2) zum gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom 10 zusammengeführt wird. Der gemeinsame Abgas- oder Abluftstrom 10 kann dann im Folgenden der Verdampfung des Hochdruck-Dampfes (EVA HP) sowie der Überhitzung (SH LP) und der Verdampfung (EVA LP) des Niederdruck-Dampfes dienen. Die danach noch im gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom 10 verbliebene Restwärme kann zudem und weiterhin zur Vorwärmung des Speisewassers (ECO 1 / ECO 2) genutzt werden, bevor das Abgas der existierenden Rauchgasreinigung der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere des Stahlwerkes, und dem Kamin 7 zugeführt wird.
Eine Gaszufeuerung, insbesondere in Form des Gas-Boosters 16, kann anströmseitig des Hochdruckverdampfers (EVA HP) installiert werden und dadurch die Abgastemperatur des jeweiligen Abgas- oder Abluftstromes 10a, 10b, 10 erhöht werden, wodurch die nutzbare Abwärme und daraus resultierend eine höhere elektr. Leistung der Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ generiert werden kann.
Die in der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1, 9.2 jeweils erzeugten Dampfströme werden jeweils aus dem Niederdrucküberhitzer (SH LP) und/oder dem Hochdrucküberhitzer (SH HP) mittels Dampfsystemen den korrespondierenden Stufen der Dampfturbine bzw. des Dampfturbinensatzes 14 zugeführt, wo der Dampf expandiert und danach dann im Kondensator 13 kondensiert wird. Das Kondensat wird mittels eines Kondensatsystems dem Speisewasserwasserbehälter 12 zwecks Entgasung und Vorwärmung zugeführt, bevor es dann mittels des den Hochdruckteil 17a und den Niederdruckteil 17b der Speisewasserleitung 17 umfassenden Hochdruck- und Niederdruck-Speisewassersystems dem Abhitzekessel (8, 8‘) zugeführt wird. Danach beginnt für das im Wasser-Dampf-Kreislauf geführte und verdampfte Speisewasser der Kreislauf von Neuem. Dieser Kreislauf ist bei beiden Ausführungsformen einer Abwärmenutzungsanlage nach den Figuren 2 und 3 grundsätzlich gleich. Die Abwärmenutzungsanlagen 9.1 und 9.2 unterscheiden sich dem Grunde nach lediglich in der Anzahl der im jeweiligen Wasser-Dampf-Kreislauf 15 vorhandenen Wärmetauscher und ggf. in der Auslegung des ersten und zweiten Wärmetauschers 1‘, 2‘.
Während des Anfahrens der jeweiligen Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ kann der jeweilige Speisewassertank 12 über eine Anzapfung des Dampfsystems mit Dampf zur Vorwärmung versorgt werden, bei der Ausführungsform nach der Figur 2 geschieht dies mittels einer Anzapfung 31 des Niederdruck-Dampfsystems. Während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Abwärmenutzungsanlage 9‘ wird diese Anzapfung 31 dann geschlossen und der Speisewassertank 12 wird mit vorgewärmten Speisewasser 32 aus dem Niederdruck-System abstömseitig bzw. stromabwärts des Wärmetauschers EC01 versorgt.
Die Anordnung der verschiedenen Heizflächen/Wärmetauscher ECO 1, EC02, EVA LP, EVA HP, SH LP und SH HP bzw. der verschiedenen Wärmetauscher 1 - 6 innerhalb eines Abhitzekessels 8, 8‘ sowie der Zusatzfeuerung (Gas-Booster 16) ist variabel gestaltbar und richtet sich zwecks Erzielung jeweils höchst möglicher Effizienz nach den jeweiligen Randbedingen der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes oder Stahlwerkes. Die Zusatzfeuerung, insbesondere der Gas-Booster 16, kann mit Erdgas, Biogas, Gichtgas oder auch Wasserstoff als Brennstoff realisiert werden.
Wie das oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist auch die alternative Verschaltung der Abluftströme ohne Niederdruck-Wasser-Dampf-Kreislauf entsprechend der Figur 3 Gegenstand der vorliegenden Erfindung. In nicht dargestellter Weise kann eine Nutzung eines Teils der in dem oder den Abgas- oder Abluftströmen (10a, 10b, 10) vorhandenen Wärmeenergie zur Vorwärmung von z.B. einer Sinteranlage zuströmenden Medien wie Zündgas, Zündluft, Rohsintermischung erfolgen. Nach einer gezielten Abkühlung können diese ggf. auch als Aufgabegas oder Verbrennungsluft beim Sinterband einer Sinteranlage verwendet werden.
In nicht dargestellter weise kann zusätzlich ein weiterer Wärmetauscher in den Wasser- Dampf-Kreislauf 15 bzw. den jeweiligen Abhitzekessel 8, 8‘ integriert sein, der eine Zwischenüberhitzung von im Abhitzekessel 8, 8‘ erzeugtem Wasserdampf bewirkt.
Die Dampf- und Betriebsparameter der jeweiligen Abwärmenutzungsanlage 9 können insbesondere wie folgt ausgelegt sein:
Betriebsstunden einer Sinteranlage: 8640 h/a (Stunden/Jahr)
Hochdruckdampfparameter: 70-100 bar | 500-540 °C Niederdruckdampfparameter: 3-10 bar | 230-280 °C
Mit diesen Betriebsparametern und einer Ausführungsform der Abwärmenutzungsanlage 9 gemäß Figur 2 lässt sich mit der bisher ungenutzten Wärmeenergie des oder der Abgas- oder Abluftstroms/Abluftströmen 10a, 10b, 10 elektrische Energie in Höhe von 37,6 kWhel/tSinter bzw. 43,5 kWhel/tRohstahl produzieren (berechnet mit 8640 Betriebsstunden der Sinteranlage).
Wie in Figur 1 dargestellt, kann bei einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ mittels der in den Wasser-Dampf-Kreislauf 15 integrierten Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1 , 9.2 und einer Dampfauskopplung 33 Dampf und/oder Wärme (Fernwärme) aus dem Wasser- Dampf-Kreislauf 15 ausgekoppelt werden und zur Nutzung für die Herstellung carbonisierter Biomasse, insbesondere sogenannter Biokohle 27, einer/der Produktionsvorrichtung (24) zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse zugeführt werden. Für den in dieser Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse ablaufenden Prozess, bei dem es sich um einen als Converted-Local-Biomass-Prozess (kurz: CLB-Prozess) handeln kann, geeignete Dampfparameter sind ein Dampf mit einem Druck 15 - 40 bar(g). Der Dampf kann dabei gesättigt oder überhitzt sein und je nach Ausführung aus den Dampfsystemen und/oder dem Dampfturbinensatz 14 ausgekoppelt werden. Innerhalb des Prozesses der hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung lässt sich der aus der Dampfauskopplung 33 mittels einer/der zweiten mediumführenden Leitungsverbindung 25 der Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse zugeführte Dampfstrom durch Abkühlung und Kondensation nutzen. Der dabei entstehende Kondensatstrom kann dem System/der Abwärmenutzungsanlage 9.1 , 9.2 an geeigneter Stelle zurückgeführt werden. Im Zuge der Rückführung kann eine Einstellung/Anpassung des Drucks des von der Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse zur Abwärmenutzungsanlage 9. 1 , 9.2 rückgeführten Kondensatstroms mittels einer Pumpe/Drossel/Expander erfolgen. Eine Wärmeauskopplung kann ebenfalls mittels Anzapfung der verschieden Dampfsysteme bzw. einer Turbinenanzapfung oder aber mittels Heizkondensator (Ausführung Gegendruckdampfturbine) realisiert werden.
Wie ebenfalls in Figur 1 dargestellt ist, kann der in der Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ mittels der Abwärmerückgewinnungsanlage 9.1, 9.2 mit angeschlossenem Wasser-Dampf-Kreislauf 15 erzeugte Strom für die Durchführung des Prozesses der hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse in der Produktionsvorrichtung 24 verwendet werden. Hierzu wird von dem Generator 11 erzeugter und dann wechselgerichteter Strom (AC) über die weitere stromführende Leitungsverbindung 26 der der Produktionsvorrichtung 24 zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse zugeführt.
Auch zeigt die Figur 1 , dass mittels der Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ erzeugter Strom für den Elektrolyseur 1 8 genutzt werden kann. Über eine/die stromführende Leitungsverbindung 19 ist eine direkte Verschaltung des in der Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ mittels des Generators 11 erzeugten Stroms mit dem Elektrolyseur 18 ohne Nutzung oder Zwischenschaltung eines AC/DC- Inverters vorgesehen. Hintergrund ist, dass der Dampfturbinensatz 14 mit angeschlossenem Generator 11 Gleichstrom liefert und der Elektrolyseur 18 Gleichstrom nutzt. So kann der Wirkungsgradverlust durch einen AC/DC- Inverter vermieden werden. Schätzungsweise wird dadurch der Strombedarf der im Elektrolyseur 18 ablaufenden Wasserstoffelektrolyse um 0,3 kWh/Nm3 gesenkt und werden die zudem die Investitionskosten gesenkt, da für die Bereitstellung des für Durchführung der Elektrolyse im Elektrolyseur 18 kein Wechselrichter oder AC/DC- Inverter benötigt wird. Der in dem Elektrolyseur 18 bei der Wasserstoffelektrolyse von Wasser zu Wasserstoff (H2) anfallende Sauerstoff (O2), kann innerhalb einer/der industriellen Produktionsanlage 21, insbesondere einer/der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise eines/des integrierten Hüttenwerkes, verwendet werden und beispielsweise mittels einer/der O2- Leitungsverbindung einer/der industriellen Produktionseinrichtung 20, 22, beispielsweise zur Anreicherung von Einblasluft für den Einsatz in einem Hochofen, zugeführt werden, wie dies Figur 1 zu entnehmen ist.
In nicht dargestellter Weise kann mittels der Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ erzeugter Dampf oder erzeugte Wärme auch zur Wasservorwärmung oder Wasserverdampfung in einem als Hochtemperatur-Elektrolyseur ausgebildeten Elektrolyseur 18 genutzt werden. Dadurch lässt sich der elektrische Wirkungsgrad eines solchen Elektrolyseurs 18 steigern.
Insgesamt lassen sich mit einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanlage 9, 9‘ effizient CC>2-Emissionen von industriellen Produktionsanlagen 21, insbesondere hüttenmännischen Produktionsanlagen, vorzugsweise integrierter Hüttenwerke oder Stahlwerke reduzieren.
Die Abwärmerückgewinnungsanlagen 9.1 und 9.2 sind jeweils insbesondere in Form einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ausgebildet oder bilden jeweils insbesondere ein Abwärmerückgewinnungssystem aus, die/das zwei oder mehr Wärmetauscher sowie mindestens eine diese Wärmetauscher in Strömungsrichtung des jeweiligen Abgas- oder Abluftstroms 10a, 10b, 10 der Reihe nach jeweils von einem Wärmetauscher zum in Strömungsrichtung nächsten Wärmetauscher verbindende und den jeweiligen Abgas- oder Abluftstrom 10a, 10b, 10 als Medium zuführende und/oder abführende Abgas- oder Abluftverbindungsleitung 34 und eine oder mehrere die Wärmetauscher mit dem angeschlossenen Wasser-Dampf-Kreislauf 15 verbindende und das jeweils im Wasser-Dampf- Kreislauf 15 geführte Medium Wasser und/oder Dampf einem jeweiligen Wärmetauscher zuführende und/oder abführende Wasser-Dampf-Kreislaufverbindungsleitung(en) 35, 35‘ umfasst. Mittels der Wasser-Dampf-Kreislaufverbindungsleitung(en) 35, 35‘ können die Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf 15 jeweils strömenden Mediums zu mehreren in einer Gruppe in Reihe geschaltet und/oder gruppenweise parallelgeschaltet sein. Mit dem Bezugszeichen 35 sind zumindest hauptsächlich (Wasser)Dampf führende Wasser-Dampf-Kreislaufverbindungsleitung(en) und mit dem Bezugszeichen 35‘ sind zumindest hauptsächlich (Speise)Wasser führende Wasser-Dampf- Kreislaufverbindungsleitung(en) bezeichnet. Die Wärmetauscherflächen der jeweiligen Wärmetauscher können insbesondereals aus Rohren gebildete Heizflächen ausgebildet sein, die innenseitig von dem im Wasser-Dampf-Kreislauf strömenden Medium durchströmt und außenseitig in Wirkverbindung mit dem an diesen entlangströmenden jeweiligen Abgas- oder Abluftstrom 10a, 10b oder 10 stehen. Die Heizflächen können jeweils einen Wärmetauscher ausbilden und Bestandteil eines von einem Abgas- oder Abluftstrom 10a, 10b, 10 durchströmten Abhitzekessels 8, 8‘ sein und/oder diesen im Wesentlichen ausbilden.

Claims

Patentansprüche
1. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) zur Nutzung industrieller Abwärme in Form einer Dampf- und Stromerzeugung umfassend ein Dampfkraftwerk mit mindestens einem, mindestens einen angeschlossenen Generator (11) zur Stromerzeugung aufweisenden Dampfturbinensatz (14) und mindestens einem dem mindestens einen Dampfturbinensatz (14) in Strömungsrichtung eines Wasser-Dampf-Kreislaufes (15) des Dampfkraftwerks nachgeschalteten und in dem Wasser-Dampf-Kreislauf (15) angeordneten Kondensator (13) und umfassend eine in den Wasser-Dampf-Kreislauf (15) integrierte Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) zur Nutzung von aus mindestens einem Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b, 10), vorzugsweise zwei Abgas oder Abluftströmen (10a, 10b), einer industriellen Produktionsanlage (21) oder industriellen Wärmequelle (28) oder mehreren industriellen Produktionsanlagen (21) oder industriellen Wärmequellen (28) rückgewonnener Wärmeenergie zur Stromerzeugung mittels Wasserdampfs in dem Dampfkraftwerk und umfassend mindestens einen von dem erzeugten Strom gespeisten Elektrolyseur (18), wobei die Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) mindestens zwei von dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b) oder von zumindest jeweils einem der beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) oder von einem aus den beiden Abgas- oder Abluftströmen (10a, 10b) gebildeten gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom (10) durchströmte, vorzugsweise dampferzeugende, Wärmetauscher (1‘, 2‘) umfasst, die beide in den Wasser-Dampf-Kreislauf (15) des Dampfkraftwerks integriert und bezüglich der Strömungsrichtung des in dem Wasser-Dampf-Kreislauf (15) strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, und wobei der mindestens eine Generator (11) Gleichstrom erzeugt und der Elektrolyseur (18) ein gleichstrombetriebener, unmittelbar von dem Generator (11) mit elektrischem Gleichstrom (DC) gespeister Elektrolyseur (18) ist.
2. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) ein erster (1‘) der beiden
Wärmetauscher (1‘, 2‘) von einem ersten Abgas- oder Abluftstrom (10a) der beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) durchströmt wird und der zweite Abgas- oder Abluftstrom (10b) der beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) in
Strömungsrichtung des ersten Abgas- oder Abluftstroms (10a) stromabwärts des ersten (1 ‘) und stromaufwärts des zweiten (2‘) der beiden Wärmetauscher (1 ‘, 2‘) in den ersten Abgas- oder Abluftstrom (10a) einmündet und beide Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) dann einen gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom (10) ausbildend den zweiten (2‘) der beiden Wärmetauscher (1‘, 2‘) durchströmen.
3. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) ein erster oder der erste Wärmetauscher (1‘) ein als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildeter
Hochdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher (2‘) dieser beiden Wärmetauscher (1‘, 2‘) ein als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Mitteldrucküberhitzer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Mitteldruckverdampfer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Niederdruckdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeter
Niederdruckwärmetauscher ist.
4. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (1‘, 1) der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher (2‘, 2) der beiden Wärmetauscher (1‘, 2‘; 1, 2) der als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher ist und diese mit einem in Bezug auf die Strömungsrichtung des gemeinsamen Abgas- oder Abluftstroms (10) stromabwärts des zweiten Wärmetauschers (2‘, 2) angeordneten dritten Wärmetauscher (3‘, 4) in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf (15) strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, wobei der dritte Wärmetauscher (3‘, 4) ein als
Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeter Hochdruckwärmetauscher ist.
5. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher der als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete Niederdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher der als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildete Niederdruckwärmetauscher ist und diese mit einem in Bezug auf die
Strömungsrichtung des gemeinsamen Abgas- oder Abluftstroms (10) stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordneten dritten Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf (15) strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, wobei der dritte Wärmetauscher ein als Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher ist.
6. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher der als Mitteldrucküberhitzer ausgebildete Mitteldruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher der als Mitteldruckverdampfer ausgebildete Mitteldruckwärmetauscher ist und diese mit einem in Bezug auf die Strömungsrichtung des gemeinsamen Abgas- oder Abluftstroms (10) stromabwärts des zweiten Wärmetauschers angeordneten dritten Wärmetauscher in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf-Kreislauf (15) strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind, wobei der dritte Wärmetauscher ein als Mitteldruckvorwärmer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher ist.
7. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeter
Hochdruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeter
Hochdruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Mitteldruckverdampfer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher und der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Mitteldruckvorwärmer ausgebildeter Mitteldruckwärmetauscher ist, oder dass ein erster oder der erste Wärmetauscher ein als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeter
Niederdruckwärmetauscher und ein zweiter oder der zweite Wärmetauscher dieser beiden Wärmetauscher ein als Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildeter Niederdruckwärmetauscher ist.
8. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart eingerichtet ist, dass in der Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) in Abgas- oder Abluftströmungsrichtung der erste Abgas- oder Abluftstrom (10a) den ersten, als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildeten Wärmetauscher (1‘, 1) durchströmt, nach Einmündung des zweiten Abgas- oder Abluftstroms (10b) der gemeinsame Abgas- oder Abluftstrom (10) den zweiten, als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeten Wärmetauscher (2‘, 2), dann einen oder den als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildeten vierten Wärmetauscher (4‘, 3), dann einen oder den als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildeten dritten Wärmetauscher (3‘, 4), dann einen als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildeten fünften Wärmetauscher (5, 5‘) und schließlich einen als Hochdruck- und/oder Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildeten sechsten Wärmetauscher (6, 6‘) durchströmt.
9. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der als Hochdruck- und/oder Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildete sechste Wärmetauscher (6, 6‘), der als Hochdruckvorwärmer (ECO 2) ausgebildete dritte Wärmetauscher (3‘, 4), der als Hochdruckverdampfer (EVA HP) ausgebildeten zweite Wärmetauscher (2‘, 2) und der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete erste Wärmetauscher (1‘, 1) in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser-Dampf- Kreislauf (15) strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind.
10. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der als Hochdruck- und/oder Niederdruckvorwärmer (ECO 1) ausgebildete sechste Wärmetauscher (6, 6‘), der als Niederdruckverdampfer (EVA LP) ausgebildete fünfte Wärmetauscher (5, 5‘) und der als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete vierte Wärmetauscher (4‘, 3) in Bezug auf die Strömungsrichtung des im Wasser- Dampf- Kreislauf (15) strömenden Mediums in Reihe geschaltet sind.
11. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) einen Abhitzekessel (8, 8‘) umfasst oder ausbildet, der mindestens den ersten und den zweiten Wärmetauscher (1 ‘, 2‘), vorzugsweise den ersten bis sechsten Wärmetauscher (1 - 6; 1 — 6‘), aufweist.
12. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Wärmetauscher (1 - 6; V 6‘) der
Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) in Bezug auf die Strömungsrichtungen des ihn durchströmenden Abgas- oder Abluftstromes (10a, 10b, 10) und des ihn durchströmenden mindestens einen Mediums des Wasser-Dampf-Kreislaufs (15) als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet ist.
13. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b, 10) oder einem und/oder beiden der beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) und/oder dem gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom (10) jeweils ein Gasbrenner oder Gas- Booster (16) zugeordnet ist, der mit dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b, 10) oder einem und/oder beiden der beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) und/oder dem gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom (10) in Leitungsverbindung steht und der ein heißes Abgas erzeugt, das dem mindestens einen Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b, 10) oder einem und/oder beiden der beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) und/oder dem gemeinsamen Abgas- oder Abluftstrom (10) zu seiner Temperaturerhöhung über diese Leitungsverbindung zumischbar ist.
14. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) Teile eines aufgeteilten Abgas- oder Abluftstromes einer oder mehrerer industrieller Produktionsanlagen (21) oder industrieller Wärmequellen (28) sind oder dass die beiden Abgas- oder Abluftströme (10a, 10b) zwei getrennt entnommene Abgas- oder Abluftströme einer oder mehrerer industrieller Produktionsanlagen (21) oder industrieller Wärmequellen (28) sind.
15. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der Ansprüche 3 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass der als Hochdrucküberhitzer (SH HP) ausgebildete Hochdruckwärmetauscher (1) Wasserdampf mit einem Druck von 70 - 100 bar und einer Temperatur von 500 °C - 540 °C erzeugt und in den Wasser-Dampf-Kreislauf (15) einspeist.
16. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der Ansprüche 3 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass der als Niederdrucküberhitzer (SH LP) ausgebildete Niederdruckwärmetauscher (4) Wasserdampf mit einem Druck von 3- 10 bar und einer Temperatur von 230 °C - 280 °C erzeugt und in den Wasser-Dampf-Kreislauf (15) einspeist.
17. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolyseur (18) eine Wasserstoffelektrolyse abläuft.
18. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) und der Elektrolyseur (18) Bestandteil einer/der industriellen Produktionsanlage (21), insbesondere einer hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise eines integrierten Hüttenwerkes, sind und der Elektrolyseur (18) mit mindestens einer ersten industriellen Produktionseinrichtung (20) der industriellen Produktionsanlage (21), insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, in einer im Elektrolyseur (18) erzeugten Wasserstoff (H2) zu mindestens der ersten industriellen Produktionseinrichtung (20) der industriellen Produktionsanlage (21), insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, führenden Leitungsverbindung (29) steht.
19. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) und der Elektrolyseur (18) Bestandteil einer/der industriellen Produktionsanlage (21), insbesondere einer/der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise eines/des integrierten Hüttenwerkes, sind und der Elektrolyseur (18) mit mindestens einer oder der ersten (20) und/oder einer zweiten (22) Produktionseinrichtung der industriellen Produktionsanlage (21), insbesondere der hüttenmännischen
Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, in einer im Elektrolyseur (18) erzeugten Sauerstoff (02) zu mindestens der ersten (20) und/oder der zweiten (22) Produktionseinrichtung der industriellen Produktionsanlage (21), insbesondere der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise des integrierten Hüttenwerkes, führenden Leitungsverbindung (30) steht.
20. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Produktionseinrichtung (20, 22) ein Hochofen und/oder eine Direktreduktionsanlage, insbesondere ein Schachtofen einer Direktreduktionsanlage, und/oder ein Dressierofen und/oder ein Stahlkonverter ist/sind.
21. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolyseur (18) eine Wasserstoffelektrolyse abläuft und/oder der Elektrolyseur (18) ein Hochtemperatur-Elektrolyseur ist, in dem eine Hochtemperatur-Wasserstoffelektrolyse abläuft, und dass die Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) eingerichtet ist, dass aus der
Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) und/oder dem daran angeschlossenen Wasser-Dampf-Kreislauf (15) Dampf- und/oder Wärme auskoppelbar und in den über eine erste mediumführende Leitungsverbindung (23) mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf (15) verbundenen Elektrolyseur (18) oder Hochtemperatur-Elektrolyseur einkoppelbar ist.
22. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Produktionsvorrichtung (24) zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse umfasst, die in einer zweiten (25) oder der ersten (23) mediumführenden Leitungsverbindung und/oder einer weiteren stromführenden Leitungsverbindung (26) mit der Abwärmerückgewinnungsanlage (9.1, 9.2) steht und die eingerichtet ist, dass ihr über die erste (23) oder zweite (25) mediumführende Leitungsverbindung Dampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf (15) und/oder über die weitere stromführende Leitungsverbindung (26) von dem mindestens einen Generator (11) erzeugter Strom nach Konvertierung in Wechselstrom (AC) oder von einem weiteren von dem Dampfturbinensatz (14) angetriebenen Generator unmittelbar erzeugter Wechselstrom (AC) zuführbar ist.
23. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie eingerichtet ist, dass der Produktionsvorrichtung (24) zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse mittels der ersten oder zweiten mediumführenden Leitungsverbindung (23, 25) aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf (15) gesättigter oder überhitzter Dampf mit einem Druck von 5 - 80 bar, vorzugsweise 10 - 70 bar, insbesondere 15 - 45 bar, zuführbar ist.
24. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die industrielle Produktionsanlage (21), insbesondere eine/die hüttenmännische Produktionsanlage, vorzugsweise ein/das integrierte Hüttenwerk, besonders bevorzugt ein/der Hochofen und/oder ein/der Stahlkonverter und/oder eine/die Direktreduktionsanlage, eingerichtet ist/sind, das in der Produktionsvorrichtung (24) zur hydrothermalen oder vapothermalen Carbonisierung organischer Biomasse erzeugte Produkt (27), insbesondere Biokohle, als Reduktionsmittel zu verarbeiten.
25. Abwärmenutzungsanlage (9, 9‘) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b) oder der erste und/oder der zweite Abgas- oder Abluftstrom (10a, 10b) ein Abgas- oder Abluftstrom oder mehrere Abgas- oder Abluftströme der industriellen Produktionsanlage (21), insbesondere einer/der hüttenmännischen Produktionsanlage, vorzugsweise eines/des integrierten Hüttenwerks, besonders bevorzugt eines Sinterkühlers oder mehrerer Sinterkühler einer Sinteranlage und/oder eines/des Hochofens und/oder eines/des oder mehrerer Stahlkonverter und/oder einer Stranggießanlage und/oder eines Warmwalzwerks und/oder einer oder mehrerer Ofenanlagen oder eines oder mehrerer Glasöfen, insbesondere einer oder mehrerer Floatglas- oder Behälterglas- Anlagen, ist/sind.
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