SE531872C2 - Förfarande för stegvis energiomvandling - Google Patents

Description

53'l 872 energisektorn, innefattande produktion av elkraft och alla former av transportmedel samt att eliminera/begränsa produktionen av avståndsberoende rest-lfjärrvärrne, på ett mera tidsenligt sätt under helhetsbeaktande. Detta helhetsbeaktande måste omfatta hela energisektorn innefattande produktion av såväl värme som kyla, dessutom med global inriktning på långsiktigt hållbar ekonomi och miljö.

Redogörelse för uppfmnigen Allmänt Genom föreliggande uppfinning erbjuds flexibelt förfarande och arrangemang för utvinning av energi ur någon form av energikälla eller bränsle, med bränsle liktydigt ämne och/eller förening, genom stegvis (steg I - III) energiomvandling varvid första (I) stegets omvandling, genom ett slutet recirkulerande ång-/matarvattensystem eller genom ett öppet partiellt recirkulerande kondensatsystem, genomföres under termisk sönderdelning, stökiometrisk och/eller understökiometrisk oxidation/förbränning av bränslet i minst ett reaktions~ lförbrärmingskärl, under det att vid det öppna kondensatsystemet sker oxidation/förbränning under förhöjt ångpartialtryck genom kondensattillsats, varvid första (I) omvandlingssteget följs av andra (II) stegets förlängda omvandling, vilket andra (II) steg utgörs av stegvis kondensationskylning genom minst en expanderturbin eller likartad apparatur av typ roterande turbomaskin innefattande minst två delsteg med företrädesvis mellanliggande matarvatten-lkondensatseparering, av genom första (I) omvandlingssteget alstrad energi innefattande genom matarvattnets/lrondensatets förångriing sensibelt och latent värme, varvid effektiviserad kondensationskylning sker under företrädesvis motströmsförda matarvatten- respektive kondensatfiaktioner av från någon av de avslutande expanderstegens separation av matarvatten/kondensat av lägre temperatur, varefter matarvattnet/kondensatet förs stegvis mot fiamförliggande expanderturbins inre del och/eller utlopp av högre temperatur, varigenom kondensationskylningen effektiviseras, genom stegvisa direkta värmeöverföringar, samtidigt som det motströmsförda matarvattnet/kondensatet för-värms, varefter kondensatet utgör nämnd kondensattillsats inom det öppna systemet under det att matarvattrret recirkuleras inom ângcykelns slutna system, varefter kondensationskylningen avslutas genom separation av det öppna systemets kondensatöverskott, vilket huvudsakligen härrör från oxidation av bränslets väteinnehåll, under det att första (I) omvandlingssteget i samverkan med andra (II) omvandligssteget producerar elkraft via turbinanslutna generatorer eller utnyttjas för drift av stationär maskin/apparat eller någon form av transportmedel/fordon till lands, sjöss eller i luft, under det att förfarandets uteblivna/begränsade produktion av vid konventionella processer oundviklig sekrmdär-/restvärme i form av avståndsberoende fjärrvärrnenät, nu kompenseras med mera energieffektivt och avståndsoberoende lokala värmepumpförfaranden, en form av ”värmetransforrriatoreffi vars eldrivna kompressor mångfaldigar energiomvandlingen under väsentligt ñrhöjd energifaktor för effektiv produktion av värme vilket förfarande, främst avsett för bostads- och lokaluppvännning samt produktion av tappvarmvatten, utgör energiomvandlingens tredje (III) och avslutande omvandlingssteg, vilket steg vid behov av kylkapacitet dessutom integreras med vännepumparrangemanget för energieffektiv synergism under produktion av såväl värme som kyla.

Ytterligare en möjlighet att förstärka systemets kondensationseffekt och därmed även gasreningseffekten, förutom det motströmsförda matarvattnet/kondensatet, inom energiomvandlingens andra (II) steg utgörs av att utnyttja del av matarvattnets/kondensatets och/eller ång-/gas-/rnatarvatten-/lcondensatflödets värmeinnehåll till att förvärma/förånga lämpliga medier av lägre temperatur - exempelvis bränsle i form av flytande naturgas/metan CI-I4 ”Liquid Natural Gas” - LNG, vätgas H2 samt även oxygen 02 etc. 531 872 Utnyttjandet av komprimerad flytande naturgas LNG som bränsle har blivit allt vanligare, och ett stort antal LNG-terminaler är under uppförande eller planeras, förutom i Sverige runt om i världen och framförallt i USA och Japan. LNG åstadkoms genom att naturgas komprimeras med möjlighet att fryses ned till omkring minus l63°C, varigenom bränslevolymen minskar till endast omkring 5-10 % av ursprungsvolymen och blir därigenom transportvärilig exempelvis genom tankers. Det åtgår emellertid en stor andel värme för att förånga LNG vid förbränningsstället, vilken förångningsvärme med fördel utvinns ur förfarandets kondensationskylning enl. ovan.

Energiomvandlingens första (I) steg innefattar industriell process' reaktionsvärme och/eller annan värme men utgörs framförallt av mer eller mindre konventionell energiomvandling innefattande kondenskraftverk och kraftvärmeverk med ångcykel, kol-/gascykeh kombicykel (IGCC), trycksatt bränslecell samt kärnkraftverks ångcykel etc. eller mera allmänt uttryckt, där ångturbin och/eller gasturbin ingår ~ vars sekundär-/restvärme utgör en oundviklig och omfattande ”energisvans”.

Förfarandets stegvisa energiomvandling, första (I) steget och andra (II) steget, innefattande effektiviserad kondensationskylrning genom motströmsfórda kondensatfraktioner med retur av förvärmt kondensat i enlighet med det öppna kondensatsystemet till reaktions- /förbrärmingskärl för förångning, eller förvärmt matarvatten till ångcykel i enlighet med det slutna matarvattensystemet, vilka förfaranden innebär att hela energiomvandlingens tryck- /temperaturfall utnyttjas för någon fonn av nyttiggjort arbete/mekanisk energi, exempelvis förlängd produktion av elkraft via turbinanslutna generatorer eller effektiviserad fordonsdrifl, allt under långsiktigt hållbar ekonomi och miljö.

Genom uppfinningen elimineras inefïektiv kondenskrafi, samtidigt som värmekraftverkets krav på omfattande tätort med motsvarande avståndsberoende fjärrvärmenät utgår/begränsas, varför det nu fimts möjlighet att placera anläggning för energiomvandling i närhet av tillgängligt bränsle - exempelvis LNG-depå' eller matarledrling för naturgas och/eller vätgas, hushållssopor och skogsnära biobränslen, vilka bränslen då inte behöver transporteras långa sträckor inom stora uppsarnlirrgsområden.

Uppfinningen eliminerar/begränsar således energiomvandlingens hetvattenproduktion och därmed även det produktionsbegränsande fasta sambandet mellan fjärrvärme och elkraft.

Genom förfarandets förlängda el-utvinning - andra (II) steget- samt elimineringen av ovan nämnda fasta samband skapas förhöjd elproduktion - oberoende av årstid - och säkerställd tillgång av el, vilket möjliggör ett förhöjt utnyttjande av någon form av avståndsoberoende värmepumparrangemang eller ”värmetransfonnator” vars värmekälla innefattar spillvärme, jord/berg, sjö och/eller luft/mekanisk frånluft, med eller utan kombination med solvärmepanel, avsett för bostads- och lokaluppvärmning inkl. produktion av tappvarmvatten utgörande energiomvandlingens tredje (III) steg. Detta tredje steg ersätter/begränsar således de inom tätbebyggda bostadsområden allt mera utbredda avståndsberoende och värrneläckande ljärrvärmenäten.

Möjlighet finns att värmepumpförfarandets produktion av värme, genom värmepumpens arbetsmedium som då avger dess ångbildningsvärme, integreras med produktion av kyla genom att nänmda medium upptar ångbildningsvärmet, varvid kyla produceras under det att båda energifaktorema för hela det integrerade förfarandets produktion av värme resp. kyla surrnneras enligt känt förfarande, genom att exempelvis förbrukal kW el produceras omkring Eïifi B72 3- 5 kW värme (421) och omkring 2-3 kW kyla (422) - således totalt energiutbyte/uteffekt av motsvarande 5-8 kW.

Eftersom den absolut största andelen av Sveriges befolkning bor utanför tätort, utgör energidistribution via elnäten det mest praktiska och ekonomiska sättet. Det är dessutom fördelaktigt för framförallt rniljön att undvika den allt mera förekommande enskilda uppvärmningen av småhus med ved och det starkt växande eldandet av pellets, och istället förbränna dessa bränslen centralt under väl kontrollerade betingelser för produktion av distributionsvänlig, miljövänlig och förhoppningsvis avseende priset även konkurrenskraftig elkrafi i effektiv samverkan mellan energiomvandlingens nämnda första, andra och tredje steg (steg I - III) under helhetsbeaktande.

Energiomvandlingens första (I) steg samt andra (II) steg innefattar dessutom inom det öppna systemetett högst väsentligt reningsförfarande av inerta gaser (rök-/bränngaser) härrörande från första (I) omvandlingsstegets förbränning varefter genom andra (Il) omvandlingsstegets utkondensering genom förstärkt kondensationseffekt, av oförbrända, hälsovådli ga stofipartiklar och starkt växthusfirärnjande kolväten, dessa returneras med motströmsfört ' förvärmt kondensatet för destruktion genom injieering i första (I) omvandlingsstegets reaktions-/förbränningskarmnare Returnerat kondensat till förbränningsförloppet eliminerar dessutom okontrollerade lokala stråk av förhöjda temperaturnivâer, vilket motverkar uppkomsten av för miljön och hälsan skadliga kväveoxider (NOX).

Föreliggande uppfinning erbjuder således ett flexibelt förfarande och arrangemang för att genom stegvis energiomvandling, första (I) steget och andra (II) steget, huvudsakligen framställa mekanisk energi av den värme som frigörs vid förbränning av bränsle innefattande eliminerad/begränsad produktion av sekundär-/restvärme i form av avståndsberoende fjärrvärme, vilket värmebehov i stället tillgodoses genom energieffektiva och avståndsoberoende lokala värmepumparrangemang med förhöjd energifaktor, samt vid behov dessutom integrerad med kylutrustning, utgörande energiomvandlingens avslutande tredje (III) steg och därmed skapa förutsättningar för en mera tidsenlig energiomvandling med bättre utnyttj andegrad under energiomvandlingens helhetsbeaktande, innefattande hela energisektorn, under långsiktigt hållbar ekonomi och miljö.

Erforderliga pumparrangemang samt styr- och reglerutrustning framgår inte av de efterföljande figurernas exemplifieringar. Uppfinningen är inte begränsad till de beskrivna utföringsformerna utan kan varieras eller kombineras inom ramen för patentkraven.

Figur J Grundprincipen för den stegvisa energiomvandlingen (steg l - III) framgår genom detta blockdiagram.

Steg I: Detta steg omfattar någon form av energikälla samt all slags energiomvandling av bränsle innefattande termisk sönderdelning, överstökiometrisk och/eller understökiometrisk förbränning, det senare liktydigt med förgasning samt vid behov utvinning av kemikalier, omfattande slutna recirkulerande matarvattensystem eller öppna partiellt recírkulerande kondensatsystem, det senare i enlighet med svensk patentslcrifi nr C2 526 905.

Energiomvandlingen innefattar bränsle 35 samt oxidationsmedel 34 samt kondensat/matarvatten retur fiån andra (ll) omvandlingssteget genom ett motströmsförfarande av ßrvärmt kondensat/matarvatten 20 till första stegets (I) fórbrännings-/ßrångriingsställe under produktion av elkraft 45 via förekommande generatorförsedd gas- och/eller gas- 531 B72 /ångturbin eller via kraftöverfóring för drift av stationär maskin/apparat eller mobil maskin/transportmedel 41 i samverkan med efterföljande andra (II) omvandlingssteget under det att första (I) stegets energiandel av sekundär-/restvärme/massflöde 24 överförs till andra (II) steget för där motströmsfórd kondensationskylning med förlängd energiomvandling till elkraft 45.

Steg II: Ovan nämnda sektmdär-/restvärme/massflöde 24 omvandlas genom expanderturbiners kondensationskylning, varvid kondensationskylningen sker under motströmsförda matarvatten-/kondensaüaktioner från någon av de avslutande turbinstegens separation av nämnda fraktioner av lägre temperatur, varefter fraktionema förs stegvis mot framförliggande expanderturbins inre del och/eller utlopp av högre temperatur, varigenom såväl kondensations- som gasreningseñekten effektiviseras, genom direkta värmeöverfóringar, samtidigt som utgående/returnerat matarvatten/kondensat 20 förvärms, under det att V expanderturbinerna via någon form av krañöverföring utnyttjas, i samverkan med första (I) omvandlingssteget, för drift av stationär maskin/apparat eller mobil maskin/transportmedel 41 eller att expanderturbinerna via generatorer producerar elkraft 45 under förlängd energiutvinning. Det öppna kondensatsystemets kondensationskylda rena överskottskondensatet 16, huvudsakligen härrörande från oxidation av bränslets väteinnehåll, leds till recipient eller återanvänds.

Steg III: Det andra (H) omvandlíngsstegetsförlüngda utvinning av elkraft 45 utnyttjas bl.a. för att ersätta/begränsa de otidsenliga, avståndsberoende fjärrvärmenäten med tidsenliga elnät för drifi av någon form av energieffektiva, avstândsoberoende lokala arrangemang av vârmepumpar/värmetransforrnatorer 42 avsedda för värmeproduktion 421 och uppvärmning av bostäder och lokaler inkl. produktion av tappvarmvatten, samt vid behov integrera värmepurnparrangemanget med produktion av kyla 422 under gynnsamt samordnad energifaktor. ' Figur 2» Detta entalpi-/entropidiagram (TS-diagram) visar principen för energiomvandlingens förlängda energiutvinning genom andra (Il) steget. Energiomvandling under första (I) steget, av mer eller mindre konventionell processteknik, efterföljs av andra (II) stegets motströrnsförda expansionskylning av frarnförvarande första (I) stegs utlopps-/mottryck av sekundär-/restvärme/massflöde under förlängd energiomvandling i någon form av mekanisk energi/nyttiggjort arbete.

F ígur 3 Denna figur visar generellt andra (II) stegets motströmsförda kondensationsskylriing under ett slutet system för matarvattenhanteiing inom ångcykel. Arrangemanget innefattar matarvattenförvärnlning genom det motströmsförda kondensatet/matarvattnet, saintidigt som expansionsförloppets kondensationseffekt effektiviseras.

Ledning för sekundâr-/restvärme 24 ansluter expanderturbin 6 varefter utloppsledriing 25 ansluter anordning 10 för en första separation av kondensat/matarvatten 20 samt restvärme 26, vilken ansluter expanderturbin 7 varefter utloppsledning 27 ansluter anordning 1 1 för en andra separation av kondensat/matarvatten 19 samt restvärme 28, vilken ansluter expanderturbin 8 varefter utloppsledning 29 ansluter anordning 12 för en tredje separation av kondensat/matarvatten 18 samt restvärme 30, vilken ansluter expanderturbin 9 varefter följer en sista separation av kondensat/matarvatten 17 genom vid behov undertrycksförstärkande fallrör 14 med vätskelås/behållare 15. Tillsats av externt matarvatten 170 sker - exempelvis i 530 3?2 samband med uppstart av anläggning - genom 17A resp. 17B. Utvunna fraktioner av kondensat/matarvatten förs därefter motströms och stegvis genom ledning 17 till utloppsledning 29 via arrangemang 171, genom ledning 18 till utloppsledning 27 via arrangemang 181, genom ledning 19 till utloppsledning 25 via arrangemang 191 , varefter förvärmt kondensat/matarvatten 20 återförs till aktuell energikälla (framgår inte av figur).

Möjlighet finns att utnyttja värrneinnehållet i kondensat/matarvatten - exempelvis genom ledning 17, 18, 19 - för förvärmning och/eller törângning av lämpliga tillsatsmedier samt för att effektivisera kondensationseffekten, exempelvis genom värmeväxlare 117 i kondensatledriing 19 för förångning av flytande naturgas/metan CH4. Expanderturbinernas gemensamma generator 38 producerar elkrafi 45.

Förloppet exemplifieras senare genom ett ångpanneförfarande, figur 5.

Figur 4 Denna figur visar generellt andra (II) stegets expansionskylning under ett öppet system för kondensathantering. Arrangemanget innefattar kondensatförvärrririing genom det motströmsförda kondensatet, samtidigt som kylt kondensat förstärker expansionens kondensationseffekt.

Ledning för rökgas-/ångblandriing utgörande sekimdär-/restvärme/massflöde 24 ansluter expanderturbin 6 varefter utloppsledning 25 ansluter anordning 10 för en första separation av kondensat 20 samt gas-/ångblandning 26, vilken ansluter expanderturbin 7 varefter utloppsledning 27 ansluter anordning 11 för en andra separation av kondensat 19 samt gas- /ângblandning 28, vilken ansluter expanderturbin 8 varefter utloppsledning 29 ansluter anordning .12 för en tredje separation av kondensat 18 samt gas-/ångblandning 30, vilken ansluter expanderturbin 9 varefter utloppsledning 31 under atmosfars- eller undertiyck ansluter anordning 13 för en sista separation av överskottskondensat 17 samt rökgas 33.

Motsrömsförda kondensatfiaktioner samt avslutande, vid behov, undertrycksalstrande fallrör 14 med vätskelås/behållare 15 åstadkommer tillsammans förlängd energiutvinning. Rökgas 33 utmatas genom fläktarrangemang 32. Tillsats av extemt vatten 170 sker - exempelvis i samband med uppstart av anläggning - genom 17A resp. 17B. Kondensat förs därefter motströms och stegvis genom ledning 17 till utloppsledning 29 via arrangemang 171, genom ledning 18 till utloppsledning 27 via arrangemang 181, genom ledning 19 till utloppsledning via arrangemang 191, varefter förvärmt kondensat 20 återlörs till aktuell energi- /törbränningskâlla Möjlighet finns att utnyttja värmeinnehållet i kondensatet - exempelvis genom ledning 17, 18, 19 - för förvärmriing och/eller förångiiing av lämpliga tillsatsmedier samt för att öka systemets kondensationseffekt genom värmeväxlare 116 i kondensatledning 18. Expanderturbinernas gemensamma generator 38 producerar elkraft 45.

Förloppet exemplifieras senare genom ett gasturbinförfararide, figur 6.

Figur 5 Detta principschema exemplifierar den stegvisa energiomvandlingen, av ett slutet kondensat- /matarvattensystem i enlighet med generell figur 3, i form av ångpanna med tillhörande ângcykel ßr ett konventionellt kraftvärmeverk utgörande omvandlingens första (I) steg, och genom uppfinningen utgörande kraftverk med omvandling till enbart elkraft. Ångturbinens i utlopp/rnottxyck av sekundär-/restvârme kondensationskyls genom ett arrangemang av expanderturbiner med stegvis motströmsförd återföring av kondensat-/rnatarvattenfialctioner till ångpanna, vid behov via värmeväxling mot ångpannans heta rökgaser för ytterligare förvärmning av det återßrda kondensatet/matarvattnet. Värmeinnehållet i respektive fraktioner av kondensat/matarvatten kan dessförinnan utnyttjas för förvärmning/förångning av förbränningslufi och/eller bränsle - det senare kan exempelvis utgöras av förångrling av 531 B72 flytande naturgas/metall CH4, (LNG), eller motsvarande ~ varigenom förfarandets totala energieffektivitet och ekondensationseffekt förbättras högst avsevärt. Kondensat/matarvatten v. ansluts därefter ångpannans förångningstuber för fortsatt generering av ånga till ångturbinens ' ångcykel. Sista expanderstegets utlopp utgörs av fallrör med vätskelås - s.k. ”sugben” - för att vid behov skapa lämpligt undertryck och därmed förlängd energiutvinning i form av ellaafi. Ångpanna 2 tillförs bränsle 35 samt förbränningsluft 34 med produktion av ånga 23 för ångturbin 5 med ansluten generator 37 för produktion av elkraft 45. Ångturbinens utlopp/mottryck 24, utgörande sekundär-/restvärmq expansionskyls genom fyra seriekopplade expanderturbinsteg 6, 7, 8, 9 med ansluten generator 38 för produktion av elkraft 45. Ledning för sekundär-/restvärme 24 ansluter således expanderturbin 6 varefter utloppsledning 25 ansluter anordning 10 för en första separation av kondensat/matarvatten 20 samt restvärme 26, vilken ansluter expanderturbin 7 varefter utloppsledning 27 ansluter anordning ll för en andra separation av kondensat/matarvatten 19 samt restvärme 28, vilken ansluter expanderturbin 8 varefter utloppsledning 29 ansluter anordning 12 för en tredje separation av kondensat/matarvatten 18 samt restvärme 30, vilken ansluter expanderturbin 9 varefter turbinutlopp med avdrag av kondensat/matarvatten sker genom undertrycksalstrande fallrör 14 med vätskelås/behållare 15. Tillsats av externt matarvatten 170 sker - exempelvis i samband med uppstart av anläggning - genom 17A resp. l7B. Utvunnet kondensat/matarvatten förs därefter motströms och stegvis genom ledning 17 till utloppsledning 29 via arrangemang 171, genom ledning 18 till utloppsledning 27 via arrangemang 181, genom ledning 19 till utloppsledning 25 via arrangemang 191 , varefter _ förvärmt kondensat/matarvatten 20 återförs till ångpanna 2 via värmeväxlare 21 för ytterligare förvärmning mot heta rökgaser 33 och fömyad produktion av ånga 23.

Figuren exemplifierar även installation av tre värmeväidare 115, 116, 117, som utnyttjas i dess helhet eller delar utav, i kondensatledningar 17, 18, resp. 19 för förvärmriing och/eller förångriing av lämpliga medier, företrädesvis bränsle 35 i form av flytande naturgas/metan CH4 , (LNG) - antingen som parallella flöden genom respektive värmeväxlare eller i serie, företrädesvis då med start vid värmeväxlare 1 15. Altemativt kan aktuella värmeväxlare även installeras i ång-/kondensatledningar 25, 27, 29, vilket inte framgår av figur.

Figur 6 Detta principschema exemplifierar den stegvisa energiomvandlingen av bränsle, med ett öppet kondensatsystern i enlighet med generell figur 4, genom ett gasturbinförfarande utgörande omvandlingens första (I) steg, vars heta fuktberikade avgaser ansluter under figur 4 beskrivet arrangemang ßr motströms kondensationskylning direkt, eller via lämplig form av ångturbin som mellansteg, vars utsläpp/mottryck ansluter nämnda arrangemang för kondensationskylning genom expanderturbiner med arrangemang för uppsamling av fraktionerad kondensatutvinning med stegvis återföring från den ”kalla” delen av motströmsfört kondensat med efterföljande injicering i gasturbinens förbränningskarnmare för där förhöjt ångpartialtryck samt temperaturstyrning av förbränningsförloppet. Utsläpp av kondensationsrenade rökgaser samt rent överskottskondensat sker, efter expansion ned mot atmosfäriskt tryck eller undertryck, under motsvarande trycket låg temperatur. Överskottskonderrsatet härrör framförallt från oxidationen av bränslets väteinnehåll. Bränsle utgörs av samtliga tillgängliga bränslen innefattande biogas samt brärmgas från förgasning av cellulosaindustrins avlutar. Bränsle kan även utgöras av exempelvis flytande väte H2 och/eller metangas CH4' innefattande fórångning genom förfarandets ång- och/eller kondensatarrangemang, liksom även förångriing av flytande oxygen 02, vilka möjligheter har beskrivits tidigare. 531 B72 Brännkarnmare 1 tillförs - eventuellt fórvärmt - bränsle 35 samt komprimerad luft 21 via kompressor 3 sanrtrecirkulerat förvärmt kondensat 20, som injiceras via anordning 201 i brännkarnmare 1, varefter fuktberikade rökgaser 22 matas in i gasturbin 4 för produktion av elkrafi 45 via ansluten generator 36. Gasturbinens heta utlopp av rökgas/vattenånga 23 ansluter någon form av ång-/mellanturbinsteg 5 med generator 37 för produktion av ellcraft 45, eller direkt till expanderturbinema via streckad ledning 23/24, för produktion av elkrafi 45 via generator 38, varvid således utlopp 24 eller 23/24 ansluter den under figur 4 beskrivna kondensationskylningen genom de fyra expanderturbinstegen 6, 7, 8, 9. Jämfört med figur 5 föreligger avvikelsen att arbetsmediet, sekundär-/restvärme/massflöde, här utgörs av förutom ånga även av inert rökgas, varför utloppet 31 från sista expandersteget 9 omfattar separationsanondriing 13 för rökgaser 33, med s.k. ”sugben” 14 som undeitryeksförstärkande förfarande med vätskelås/uppsamlingstank 15 med kylt överskottskondensat 16, som ' återanvänds eller leds till recipient, varvid rökgasfraktion 33 släpps ut vid närmelsevis atmosfärstryck via rökgasfläkt 32. Förekommer risk för uppbyggnad av föroreningar/grundämnen/metaller i det recirkulerande kondensatflödet 20 avdrages ett mindre delflöde 20A. Möjlighet föreligger enligt figur att motströmsfört kondensat 19 dessutom kan tillsåttes/injiceras genom ledning 19A (streckad i figur) i gasturbinens 4 utlopp eller dess inre del via arrangemang 19lA. Energiomformning av industriellt alstrad reaktionsvärme eller spill-/sekiindärvänne kan samordnas med expansionskylningen genom anslutning till beroende av trycket lärnpligt expandersteg, vilket inte framgår av figur.

Möjlighet firms att utnyttja någon av kondensatfralctionerna, som flöde 18 och/eller 19, för exempelvis massatvätt inom cellulosaindustrin, varvid utnyttjas ersättningsflöden i form av lågvärdigt varmvatten, spillvatten, kallvatten el. dy., vilket inte framgår av figur.

Figur 7 Arrangemanget exemplifierar den stegvisa energiomvandlingen, första (I) och andra (II) steget, av bränsle med ett öppet kondensatsystem i enlighet med generell figur 4 genom tillämpning i dess helhet, innefattande första (I) energiomvandlingsstegets reaktionskärl 1 för trycksatt ßrbränning och förångning genom tillsats av bränsle 35/114, oxidationsmedel 34 resp. förvärmt kondensat 20 genom injicering 201.

Temperatur och därmed även fukthalt på utgående rökgas 33 bestäms av kondensationslrylningens motströmsfórda kondensatfraktioner sarnt expanders 9 mot- /utloppstryck i ledning 31 enl. tidigare beskrivet.

I Vid utnyttjande av naturgas/menn CH4 som bränsle 35 i form av nedkyld, vâtskeformig naturgas lll, - LNG ”Liquified Natural Gas” - inhämtas förångriingsvärmen inom förfarandet genom installation av värmeväxlare/förångare i någon av kondensatledningarna 17, 18 eller 19 och/eller ång-/gas-/kondensatledningarna 25, 27, 29 eller 31, exempelvis med värmeväxlare 112 som förångare i ledning 18 för tillförsel av naturgas 114 enligt figur.

Genom förfarandets motströmsförda kondensat samt utriyttjandet av kondensatets värmeinnehåll för ßrångning av LNG, effektiviseras kondensationseffekten ytterligare.

Figur 8 Detta arrangemang exemplifierar den stegvisa energiomvandlingen av någon form av bränsle genom ett trycksatt bränslecellförfarande utgörande omvandlingens första (I) steg. Denna bränslecell producerar i enlighet med känt förfarande såväl elkrafi som trycksatt ånga, men med avvikelsen att genom systemet för kondensationskylning enl. figur 4 utvunnet kondensat återförs till bränslecellen för där förångiiing samt temperaturstyrning av utgående trycksatt sekundär-/restvärme/massflöde. Såväl bränsle som oxidationsmedel kan utgöras av ett stort antal väte- respektive syreinnehållande änmen och föreningar innefattande förutom vätgas, syrgas och väteperoxid (H2O1) även alkoholer samt konventionella kolvätefóreriingar. 531 B72 Flytande väte, oxygen och framförallt naturgas/metan (CH4) som LNG har möjlighet att _ törängas genom värmeväxling mot ånga-/ gas- och/eller kondensatsystemet nedströms »_ expanderturbinerna, varigenom samtidigt systemets kondensationseffekt effektiviseras i ' enlighet med tidigare nämnt i figur 4.

Trycksatt bränslecell 44 tillförs bränsle 35 och oxidationsmedel 34 samt recirkulerat iörvärmt kondensat 20, varvid produceras elkraft 45 samt ånga 23, vilken antingen ansluts expanderturbinerna direkt för kondensationskylning enligt figur 4 vilket streckat 23/24 framgår av denna figur 8, alternativt ansluts någon form av ângturbin/roterande turbomaskín S som ett mellansteg i enlighet med figur 6, varefter utlopp 24 eller 23/24 ansluter den under figur 4 generellt beskrivna kondensationskylníngen genom de fyra expanderturbinstegen 6, 7, 8, 9 med tillhörande motströmsíörd kondensathantering. Arrangemanget producerar elkraft 45 genom såväl bränslecell 44 som generatorer 37 och 38. Vid utnyttjande av bränsle utan kolfórening produceras inte någon koldioxidirineliållande rökgas varför figurens fläkt 32 och skorsten 33 då utgår, vilket inte framgår av figur.

Figur 9 Denna figur utgör törfarandets sista exemplifiering och beskriver den stegvisa energíomformriing av bränsle, innefattande del eller delar utav: väte, väteföreningar och kolväteiöreriingar samt kombinationer av ”bränsle” och oxidationsmedel innefattande våteperoxid H2O2, samt vilket inte framgår av figur ozon O; samt alkoholer exempelvis etylalkohol C2H5OH samt metylalkohol CI~I30H, enligt förfarandets första (I) steg och andra (II) steg för samordnad drifi av någon form av mobil maskin, exempelvis i form av transportmedel/fordon till lands, sjöss eller i luft, varvid första (I) steget utgörs av trycksatt reaktionskärl och/eller trycksatt bränslecell för trycksatt termisk sönderdelning, förbränning och iörângning av reaktanter med produkter i form av trycksatt värme-/ång-/massflöde samt betr. bränslecell dessutom produktion av el för ackumulator A. Efter första (I) steget följ er andra (II) steget med kondensationskylning av första (I) stegets producerade nämnda massflöde med energiutvinning/omvandling via andra (ll) stegets expanderturbiner för tillsammans med första (I) steget samordnad drifi av nänmda transportmedel/fordon.

Expanderturbinemas motströmsförda kondensatfralrtioner, enligt figur 4, utnyttjas till förvärmning/iörångiiing av íbrfarandets bränsle och/eller oxidationsmedel, samtidigt som systemets kondensationseffekt effektiviseras ytterligare. Förångningen omfattar exempelvis flytande naturgas/metan CH4 - ”Liquified Natural Gas”, LNG, som för övrigt lämpar sig väl att blandas med förnyelsebar biogas CH4.

Med enbart vattenångbildande bränslen utgörs utsläpp av rent vatten, och vid bränslen innefattande kolföreningar dessutom med innehåll av koldioxid C02, vilken kan återföras reaktionskärl och/eller bränslecell utgörande del av oxidationsmedel. Förfarandet är även tillämpbart för stationär anläggning för stegvis energiomvandling, men med modifieringen att motor (M) då ersätts av generator för produktion av ytterligare elkraft, samtidigt som ackumulator (A) utgår, vilka möjligheter dock inte framgår av figur.

Figuren omfattarett antal olika driftssätt innefattande del eller delar utav följande: Trycksatt Reaktor TR Trycksatt Bränslecell TBC TR + TBC Ackumulator A (vid uppstart samt eldriit) Kombinationer utav Bränsle och oxidationsmedel, 35, 110, 120, 130, 140, i dess helhet eller delar utav, tillsätts trycksatt törbränningskärl 2A samt trycksatt bränslecell 2B, var för sig eller båda, under 53% BT? låterlöring av kondensat 20 genom delflöde 20A resp. 20B för törångning, varefter bildade ång-lgasflöderißAresp. L23lB ansluts ång-/gasturbin 5 sammanlänkad, eller var för sig, med fyra efterföljande expanderturbinsteg 6, 7, 8, 9 för drift av mobil maskin/transportmedel 41, kompletterad med eldrifi genom elledning 45 från bränslecell 2B via ackumulator 39 och elmotor 40. Från ång-/gasturbiri 5 utgående flöde 24 ansluts nämnda expandersteg 6, 7, 8, 9 i enlighet med tidigare beskrivet med tillhörande motströmsfiirda kondensatfraktioner 18, 19.

Avvikelse från figur 4 föreligger genom att från expanderturbin utgående flöden 25, 27, 29, 31 utnyttjas for att ßrvårrna/fórånga aktuella bränslen och oxidationsmedel genom värmeväxlare 112, 122, 132, 142 medelst tillsatsledningar 1111113, 121/123, 1311133, 141/ 143, i dess helhet eller delar utav, för törbränningskärl och bränslecell 2A resp. 2B. Det sista expanderstegets 9 utlopps-/mottryck är nära nog atmosfariskt eller av undertryck, varfiår vid undertryck utsläppet avslutas genom undertrycksíörstärkande anordning i form av pump eller flåkt 32. Utsläppet utgörs av kondensat 16 samt vid driftsfall med bränsle innehållande kolfórening dessutom i form av koldioxid (C02) 33.

Claims (10)

531 E32 11 PATENTKRAV

1. Förfarande för utvinning av mekanisk energi ur någon form av värmekälla eller bränsle, med bränsle liktydigt ämne eller förening, med stegvis energiomvandlirrg (l-lI/lll) genom termisk sönderdelning av sagda bränsle, varvid första (I) stegets omvandling genom rninst ett slutet recirkulerande ång-/kondensat-/matarvattensystem, med eller utan ångturbinsteg för produktion av mekanisk energi, efterföljs av andra (II) stegets energiomvandling, vilket steg utgörs av expansionsstödd kondensationskylning av sagda ångturbinstegs restånga, genom minst en expanderturbin eller likartad apparatur av motsvarande funktion av typ roterande turbornaskin innehållande minst ett delsteg med företrädesvis separering av matarvatten/kondensat i anslutning till respektive steg, k ä n n e t e c k n at av att första (l) stegets restånga (24)ibringas till kondensationskylning genom expansion i expanderturbin (6, 7, 8, 9) lmder motströmsförda kondensat-/matarvatten- fraktioner (17, 18, 20) från någon av de avslutande turbinstegens (8, 9) separation (11, 12) av kondensat-/matarvattenfralctioner av lägre tryck och temperatur, varefter sagda fraktioner, i dess helhet eller delar utav, ßrs stegvis och motströms under stigande tryck och temperatur mot framförliggande expanderturbins (6, 7, 8) utlopp eller dess närhet (191 , 181, 171) och/eller mot nämnda turbins inre del, varigenom förfarandets kondensationseffekt för sagda restånga (24), innefattande genom förångriing latent värme, effektiviseras samtidigt som kondensat/matarvatten (20) förvärms före retur omvandlingens första (I) steg (2) under det att det andra (II) omvandlingsstegets expansionsstödda kondensationskylning förlänger energiutvinningen ned i ett lägre tryck- och ternperaturområde under motsvarande förlängd produktion av mekanisk energi - exempelvis elkrafi (45) genom minst en turbinansluten generator (36, 37, 38), vilken förlängda elproduktion vid behov innefattar drifi av lokala värmepumpar (42) utgörande förfarandets tredje (III) energiomvandlingssteg.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at a v att minst ett utav kondensations- kylningens ång-/kondensatflöden (25, 27, 29) och/eller att minst ett utav kondensations- kylningens kondensat-/matarvattenflöden (17, 18, 19), medelst värmeväxlare (1 12, l 15, 1 16, 117) utnyttjas till förvärrnning och/eller förångning av minst ett medium, föredraget i form av matarvatten (1 1 1A) och/eller minst ett bränsle (35, 114) och/eller oxidationsmedel (34, 123) och mest föredraget i flytande form.

3. Förfarande för utvinning av mekanisk energi ur någon form av värmekälla eller bränsle, med bränsle liktydigt ämne eller förening, med stegvis energiomvandling (l-Il/Ill) genom termisk sönderdelníng, understökiometrisk och/eller stökiometrisk, av sagda bränsle varvid första (I) stegets omvandling genom minst ett öppet gas-/ång-/kondensatsystem med eller utan gasturbinsteg för produktion av mekanisk energi efterföljs av andra (ll) stegets energiomvandling, vilket steg utgörs av expansionsstödd kondensationskylning av sagda gasturbins restvärme, innehållande ånga och inerta gaser, med sagda expansion genom minst en expanderturbin eller likartad apparatur av motsvarande funktion av typ roterande turbomaskin, innehållande minst ett delsteg med företrädesvis separering av kondensat i anslutning till respektive steg, under partiellt recirkulerande kondensatsystem med separation av överskottskondensat, k ä n n e t e c k n a t av att första (l) stegets restvârme (24) bringas till kondensationskylning genom expansion i expanderturbin (6, 7, 8, 9) under motströmsförda kondensatfraktioner (17, 18, 20) från någon av de avslutande turbinstegens (8, 9) separation (1 1, 12) av kondensat-f fraktioner av lägre tryck och temperatur, varefter sagda fraktioner, i dess helhet eller delar utav, förs stegvis och rnotströms under stigande tryck och temperatur mot frarnförliggande expanderturbins (6, 7, 8) utlopp eller dess närhet'(l91, 181, l7l) och/eller mot nämnda turbins inre del, varigenom förfarandets kondensationseffekt för sagda restvärme (24), 12 innefattande genom törångning latent värme, effektiviseras samtidigt som kondensat (20) förvänns före retur omvandlingens första (I) steg (1) under det att det andra (II) omvandlíngsstegets expansionsstödda kondensationskylning förlänger energiutvinningen ned i ett lägre tryck- och temperaturområde under motsvarande förlängd produktion av mekanisk energi - exempelvis elkrafl (45) genom minst en turbinansluten generator (36, 37, 38), vilken förlängda elproduktion vid behov innefattar drift av lokala värmepumpar (42) utgörande förfarandets tredje (III) energiomvandlirigssteg.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n at a v att minst ett utav kondensationskylningens gas-/ång-/kondensatflöden (25, 27, 29) och/eller att minst ett utav kondensationskylriingens kondensatflöden (17, 18, 19), medelst värmeväxlare (1 I2, 115, 1 16, 117) utnyttjas till fórvärmning och/eller fötångning av minst ett medium, föredraget i form av matarvatten (ll1A) och/eller minst ett bränsle (35, 1 14) och/eller oxidationsmedel (34, 123) och mest föredraget i flytande form.

5. Förfarande enligt något av kraven 3 - 4, k ä n n e t e c k n at a v att energiomvandlingens första (1) steg i samverkan med andra (II) omvandlingssteget utgör drift av stationär apparat/maskin eller mobil maskin/transportmedel (41) till lands, sjöss eller i luft.

6. Förfarande enligt något av kraven 3 - 5, k ä n n e t e c k n at a v att energiomvandlingens första (I) steg innefattar kända reaktions-l fórbrännings-l förgasningsiörfaranden, som trycksatt reaktionskärl med störtkylare och slagg-/smältaseparation med kemikalieutvinning (24A, 24B), trycksatt bränslecell (28), restånga (24) från kondenskraftverk och kraftvärmeverk med eller utan fluidiserad bädd eller smältabädd, annan form av energialstrare innefattande ångcykel (23), kol-/gascykel samt kombicykel (IGCC) (1 , 3, 4) i kombination eller delar utav, vilket första (I) steg efterföljs av förfarandets andra (Il) steg.

7. Förfarande enligt något av kraven 3 - 6, k ä n n e t e c k n at a v att expanderturbinernas kondensationskylning omfattar minst ett utbyte av kondensationskylningens kondensat- fraktioner (17, 18, 19) mot minst ett externt vätskeflöde av högre eller samma temperatur, företrädesvis av lägre temperatur.

8. Förfarande enligt något av kraven 3 - 7, k ä n n e t e c k n at a v att energiomvandlingens både första (I) steg samt andra (11) steg innefattar hantering av resterande mängd expansionskyld/behandlad rökgas, av huvudsakligen koldioxid C02 (33), med retur av minst ett delflöde av sagda koldioxid till minst ett reaktions-/förbrärmingskärl (1) utgörande del av oxidationsmedel och/eller att utnyttja producerad koldioxid på annan marknad och/eller för deponi av trycksatt koldioxid i lämplig geologisk formation enligt i övrigt känd CCS-teknik, samt innefattande koldioxid som uppfordringsmedel för bränsle, och/eller för deponi med adsorption i stenkols-/brunkolsformationer för utvinning av metangas CH4.

9. Förfarande enligt något av kraven I - 8, k ä n n e t e c k n at a v att energiomvandlingens såväl första (I) steg som andra (II) steg eñerföljs av ett tredje (III) steg utgörande eldrift av konventionellt värmepumpförfarandef”värmetransforrnator” (42) genom utnyttjande av förfarandets förhöjda elproduktion, varvid förfarandets uteblivna/begränsade produktion av sektmdär-/rest-/fiärrvärme för bostads- och lokaluppvärmning samt produktion av tappvarmvatten (421) i stället ersätts/kompletteras av, under hög värme-faktor (COP), eldrivna lokala värmepumpförfaranden vars värmekälla innefattar del eller delar utav: spillvärme, jord/berg, sj ö/vatten, luft, mekanisk frånlufi/ventilationslufi, alternativt med värmetillskott genom integrering med solvärmepanel. 531 E72 13

10. Förfarande enligt krav 9, k ä n n e t e c k n at a v att värmepumps (42) värmeproduktion (421), vilken produktion på konventionellt sätt bringas att avge ångbildliingsvärme hos värmepumpens arbetsmedium för effektiv samproduktion av kyla (422), genom att nämnda arbetsmedium upptar ångbildningsvärmet.