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WO2006034771A1 - Verfahren zur erwärmung und/oder verdampfung eines fluids - Google Patents

Verfahren zur erwärmung und/oder verdampfung eines fluids Download PDF

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WO2006034771A1
WO2006034771A1 PCT/EP2005/009580 EP2005009580W WO2006034771A1 WO 2006034771 A1 WO2006034771 A1 WO 2006034771A1 EP 2005009580 W EP2005009580 W EP 2005009580W WO 2006034771 A1 WO2006034771 A1 WO 2006034771A1
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WO
WIPO (PCT)
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dust
hot
clean gas
gas
heat
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2005/009580
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mario Mocker
Josef Starzner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Applikations- und Technikzentrum fur Energieverfahrens- Umwelt- und Stromungstechnik (atz-Evus)
Original Assignee
Applikations- und Technikzentrum fur Energieverfahrens- Umwelt- und Stromungstechnik (atz-Evus)
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
Priority claimed from DE102004050465A external-priority patent/DE102004050465B3/de
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Priority to EP05785047A priority Critical patent/EP1794499A1/de
Publication of WO2006034771A1 publication Critical patent/WO2006034771A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/10—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of field or garden waste or biomasses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/006—General arrangement of incineration plant, e.g. flow sheets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/022—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow
    • F23J15/025—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow using filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/02—Arrangements of regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2217/00—Intercepting solids
    • F23J2217/10—Intercepting solids by filters
    • F23J2217/105—Granular bed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/12—Heat utilisation in combustion or incineration of waste
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a method for heating and / or evaporating a fluid using hot dust-laden exhaust gases.
  • the invention further relates to a Verwen ⁇ tion of a bulk regenerator.
  • DE 44 26 356 A1 discloses a process in which hot dust-laden waste gases are formed by combustion of biomass. To separate off the dust, the waste gases are passed through a filter. Subsequently, the heat of the hot exhaust gases is transferred in a heat exchanger to compressed air, which is then expanded via a gas turbine to the drive.
  • the implementation of the proposed method requires an elaborate Vorrich ⁇ device in which both a filter for separating the dust and a heat exchanger are provided.
  • DE 43 17 947 C1 discloses a method for converting thermal energy of a gas into mechanical work.
  • gas is z.
  • air is used, which is heated by means of a regenerator alternately connected in a turbine load.
  • the regenerator is previously supplied with thermal energy by applying hot exhaust gases. Similar methods are for. From JP 610 28 726 A (Patent Abstracts of Japan), JP 620 85 136 A (Patent Abstracts of Japan) and DE 39 31 582 A1.
  • the aforementioned methods require the use of dust-free hot exhaust gases from a combustion process to avoid damage and erosion on heat exchangers and turbines. Der ⁇ like exhaust gases can usually be provided only by a precisely ge-controlled combustion of combustible gases.
  • Flammable gases can not be renewed as fossil raw material carriers.
  • the price of fossil fuels is constantly increasing as resources become smaller.
  • a method for the conversion of thermal energy into mechanical work is known.
  • the hot exhaust gases formed by combustion of biomass are dusted off by means of a separate flue gas purification device and subsequently alternately passed through one of two regenerators.
  • the regenerator As soon as the regenerator has reached a predetermined temperature, it is switched into a turbine branch of a gas turbine and pressurized pure gas is passed through the regenerator.
  • the hot and pressurized clean gas is released via a gas turbine to drive it.
  • a special device for removing dust from the hot exhaust gas is again required. Apart from that must be used to control the hot gas flow valves that withstand not only thermal loads but also Druckunter ⁇ differences.
  • DE 34 14 035 Al discloses a device for cooling a hot dusty exhaust gas.
  • a heat storage mass of a regenerator is embodied in its geometry in such a way that dust deposits are effectively prevented therein.
  • a wet scrubber is provided for separating off the dust contained in the exhaust gas.
  • DE 32 28 860 A1 describes a method for producing steam from hot exhaust gases.
  • the exhaust gases laden with dust are passed through a pressure vessel.
  • the flow rate is chosen so that the dust laden hot exhaust gases cause no erosion ver ⁇ .
  • the dust is removed by means of a separate removal device.
  • Da ⁇ is a regenerative heat exchanger on the hot gas side between a dust collector and a gas scrubber in the line ei ⁇ nes total flow of the raw gases turned on.
  • an electrostatic precipitator is provided.
  • flue gas flows from a kiln into a preheater and a downstream waste heat exchanger.
  • the temperature of the flue gas is maintained above the condensation temperature of sulfuric acid.
  • the flue gas is separated solids in a downstream separation unit, for. B. an electrostatic precipitator or filter subjected.
  • DE 100 35 710 A1 discloses a fossil-fired power plant.
  • a gas turbine is provided which is operated with preheated air.
  • switchable regenerators are alternately provided in the Tuirbinenast with which a part of the heat contained in the flue gas is ceremonies ⁇ recovered.
  • a bulk regenerator which zi ⁇ r receiving thermal energy can be flowed through radially.
  • Another bulk regenerator is known from EP 0 908 692 A2.
  • stresses occurring in the annulus are removed by an interval-wise discharge of bulk material.
  • the discharged bulk material can be returned to the annulus via a transport tube.
  • a circulating regenerative heat exchanger is known which is suitable for preheating combustion air in power plants.
  • thermal energy is usually generated by combustion of a combustible gas.
  • the resulting exhaust gases are not loaded with dust.
  • a separate device is provided for separating the dust, or measures are taken to prevent erosion of heat exchangers or clogging thereof by dust.
  • heat exchangers can be specially designed or suitable Strömungsgeschwin ⁇ dtechniken or the like can be selected.
  • the object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a method and a use are to be specified with which a simple and inexpensive manner of effective heating and / or vaporization of a fluid from hot exhaust gases laden with dust is possible.
  • fluid is understood to mean a flowable material or a flowable substance. It can be a liquid, for example water or even a gas.
  • the erfin ⁇ inventive method is used in particular for the production of steam from water.
  • the inventive method allows a particularly high energy utilization of hot and dust-laden exhaust gases.
  • the dedusting of the hot exhaust gas can surprisingly be done in the regenerator.
  • the amount of heat contained in the dust is also utilized.
  • the pure gas leaves the regenerator essentially dust-free. It may be an undesirable dust-related corrosion and / or
  • a bulk regenerator is used as heat storage and dedusting device.
  • the exhaust gas is expediently passed essentially radially through a bed received in the bulk material regenerator.
  • the dust is preferably retained in the bed.
  • some of the bulk material is removed from an annular space of the bulk material regenerator, and the dust is separated from the bulk material, for example using a cyclone
  • a bulk material regenerator which is fundamentally suitable for carrying out the process according to the invention is known, for example, from EP 0 908 692 B1, but the known bulk material regenerator is still to be modified for carrying out the present invention in such a way that a device for separating dust from a transport gas used for transporting the bed is to be provided
  • These are conventional devices for separating dust from a gas, for example a cyclone, filters, in particular electrostatic filters, a sieve and the like.
  • the cleaned bed can then be suitably returned to the annulus Conveniently from spherical bodies having a mean diameter of less than 15 mm, preferably 4 to 8 mm, prepared.
  • the bodies may be made of alumina or the like.
  • the flow velocity of the exhaust gases can be slowed by more than 80% with radial flow guidance.
  • the dust settles in the bed.
  • the clean gas is advantageously conducted at a lower flow rate through the bed of the at least one regenerator than the hot exhaust gases laden with stamb.
  • the clean gas flow can be branched and passed through several regenerators. This can be prevented in a simple way that entrained in the clean gas flow in the bed dust is entrained.
  • the purified gas has a higher temperature after leaving the regenerator (s), it is not charged with dust.
  • the exhaust gas as a result of the passage through the heat storage and dedusting device to a temperature of less than 100 0 C, preferably less than 80 0 C, cooled.
  • a chhold inlet temperature is the hot exhaust gas 800 0 C to 900 0 C.
  • the hot exhaust gas is on passage through the heat storage and dedusting a Ab ⁇ cooling rate of 1000 to 2000 K, / m cooled. Due to the extremely high cooling rate, a recombination of pollutants contained in the hot exhaust gas, such as dioxins and furans, is advantageously minimized or prevented.
  • the cooled exhaust gas is at least partially used for preheating a combustion air for combustion of the organic Energyträ ⁇ gers. The energy utilization can thus be further increased.
  • the hot clean gas when passing through the furnished (2004)leyex to a temperature to less than 150 0 C, preferably less than 140 0 C, cooled.
  • the cooled clean gas can then be passed through a device for Voricaxraen condensate.
  • the cooled IReingas to a temperature of less than 80 0 C, preferably weni ⁇ ger than 70 0 C, are further cooled.
  • the still cooled clean gas can still be used to burn the organi- see energy carrier be used.
  • the proposed method steps further contribute to the improved use of energy of the method according to the invention.
  • the thermal energy transferred to the fluid is used to drive a device for generating electricity and / or for maintaining a predetermined operating temperature of a liquid circulating in a heating network.
  • the fluid may be in the form of vapor.
  • the thermal energy stored in the steam can be used, for example, to carry out the Rankine cycle, to drive steam engines, to carry out the organic Rankine cycle, the Kalina cycle or other processes.
  • the steam can be condensed after the energy extraction. This allows a new evaporation of the condensate. In this case, the process can be recycled.
  • the use of a bulk material reactor for separating dust from hot exhaust gas is provided.
  • this invention can fulfill a further function, namely that of a filter.
  • the use according to the invention enables a considerable simplification in the construction of power plants operated with solid organic energy carriers, heat transfer nets and the like.
  • the proposed use can achieve a significant increase in the utilization of the thermal energy contained in dust laden hot exhaust gases.
  • the reference symbol A denotes a fuel boiler which is suitable for burning solid organic energy carriers, for example biomass.
  • a fuel boiler is known, for example, from DE 40 00 973 C1.
  • An inlet 1 provided on the fuel tank A serves to discharge fuel.
  • Through an outlet 2 ash is removed as a combustion residue.
  • a first line 3 leads away for discharging hot dust laden exhaust gases, which branches off in the further course.
  • the slide 3a switched on in the first line 3 alternately one of three downstream downstream regenerators B can be charged with the exhaust gas laden with hot dust.
  • the reference C is a fuel boiler which is suitable for burning solid organic energy carriers, for example biomass.
  • Suction blower referred to which serves to generate a flow of the hot dust-laden exhaust gases from the fuel boiler A through the regenerators B through to a chimney E and a recirculation blower D.
  • the recirculation blower D part of the exhaust gases can be supplied to the fuel boiler A via a second line 4.
  • the temperature can be controlled in the fuel boiler and thus the formation of NO x and / or the slagging counteracted.
  • a designated by the reference numeral F fresh air blower promotes air through a third line 5 alternately two of the regenerators B to a steam generator G.
  • the superheated steam generated in the steam generator G passes via a fourth line 6 to a turbo-generator J.
  • the cooled air leaving the steam generator G passes via a fifth line 7 into a condensate preheater H, which in turn communicates with it via a sixth line 8 a capacitor K is connected.
  • the condenser K is connected to the turbo-generator J for receiving the cooled-off steam with a seventh conduit 9.
  • the reference symbol L designates a feedwater supply, which is connected via eighth lines 10 both to the condensate preheater H and to the steam generator G.
  • the cooled air leaving the condensate preheater H flows via a ninth pipe 11 into the fuel tank A and serves as combustion air.
  • a blower M is switched on in the ninth line 11.
  • turbogenerator J and the downstream condenser K it is alternatively also possible to couple the feedwater reservoir L and the steam generator G to a heat network FW for maintaining a predetermined operating temperature in the heat network FW.
  • biomass fed through the inlet 1 is burned.
  • the air required for combustion is supplied to the fuel boiler A via the ninth line 11.
  • the air is added via the second line 4 a vorgege ⁇ bene amount of exhaust gas.
  • the hot and dust-laden exhaust gases formed during combustion in the fuel tank A pass via the first line 3, depending on the position selected by the slides 3a, through one of the regenerators B.
  • the hot exhaust gases laden with dust are present in the respective one Regenerator B is guided radially through a bed of material collected between a coaxial hot and cold grate. In this case, the thermal energy is transferred from the hot exhaust gases, in particular also from the dust contained therein, to the bed. Furthermore, the dust contained in the hot exhaust gases is retained in the bed.
  • the regenerators B are alternately charged with the hot dust laden exhaust gases. Once a predetermined temperature has been reached in the respective regenerator B, the hot and dust-laden exhaust gases are passed through a corresponding change in the position of the slide 3a on one of the other of the regenerators B. Subsequently, air is passed through these regenerators B through one or more of the heated regenerators B via the fresh air blower F. The air absorbs the thermal energy stored in the regenerators B. The hot air formed passes via the first line 3 to the steam generator G. Steam generated in the steam generator G can be converted into electrical energy by means of the turbo generator J. The cooled vapor is condensed in a downstream condenser K.
  • the condensate passes via the sixth line 8 in a condensate preheater H, which in turn is connected via the eighth lines 10 with a supply of water supply L.
  • the condensate preheater H is acted on the input side with ist ⁇ cooled air leaving the steam generator G leaves.
  • the air further cooled in the condensate preheater H finally arrives via the ninth line 11 to the fuel boiler A and serves as combustion air.
  • the superheated steam generated in the steam generator G can also be used to maintain a preset operating temperature in a heat network FW.
  • the method that can be carried out with the proposed device is characterized by high energy utilization.
  • the high energy utilization is achieved in particular by the use according to the invention of bulk material regenerators B for separating off dust from hot exhaust gases.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung und/oder Verdampfung eines Fluids mit folgenden Schritten: a) Verbrennen eines festen organischen Energieträgers, b) wechselweises Durchleiten der dabei erzeugten heißen und mit Staub beladenen Abgase durch eine von zumindest zwei Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtungen (B), wobei Wärme von den heißen Abgasen auf die Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtung (B) übertragen und der im Abgas enthaltene Staub mittels der Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtung (B) im Wesentlichen zurückgehalten wird, c) wechselweises Durchleiten von kaltem und im Wesentlichen staubfreien Reingas durch die/eine andere der zumindest zwei Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtungen, so dass darin gespeicherte Wärme auf das Reingas übertragen und heißes Reingas gebildet wird, und d) Durchleiten des heißen Reingases durch einen Wärmetauscher zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Fluids.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Erwärmung und/oder Verdampfung eines Fluids
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung und/oder Verdampfung eines Fluids unter Verwendung heißer mit Staub beladener Abgase. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwen¬ dung eines Schüttgutregenerators.
Aus der DE 44 26 356 Al ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch Verbrennung von Biomasse heiße mit Staub beladene Abga¬ se gebildet werden. Zur Abtrennung des Staubs werden die Ab¬ gase durch einen Filter geleitet. Anschließend wird die Wärme der heißen Abgase in einem Wärmetauscher auf komprimierte Luft übertragen, welche dann über einer Gasturbine zu deren Antrieb entspannt wird. Die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens erfordert eine aufwändig herzustellende Vorrich¬ tung, bei der sowohl ein Filter zum Abtrennen des Staubs als auch ein Wärmetauscher vorzusehen sind.
Aus der DE 43 17 947 Cl ist ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie eines Gases in mechanische Arbeit be¬ kannt. Als Gas wird dabei z. B. Luft verwendet, welche mit¬ tels eines wechselweise in einen Turbinenast geschalteten Re- generators aufgeheizt wird. Dem Regenerator wird zuvor ther¬ mische Energie durch Beaufschlagen mit heißen Abgasen zuge¬ führt. Ähnliche Verfahren sind z. B. aus der JP 610 28 726 A (Patent Abstracts of Japan) , der JP 620 85 136 A (Patent Ab- stracts of Japan) sowie der DE 39 31 582 Al bekannt. Die vor- genannten Verfahren erfordern zur Vermeidung von Schäden und Erosionen an Wärmetauschern und Turbinen die Verwendung staubfreier heißer Abgase aus einem Verbrennungsprozess. Der¬ artige Abgase können in der Regel nur durch eine exakt ge¬ steuerte Verbrennung brennbarer Gase bereitgestellt werden. Brennbare Gase sind als fossile Rohstoffträger nicht erneuer¬ bar. Der Preis fossiler Energieträger steigt infolge der sich verringernden Ressourcen ständig. Aus der DE 100 39 246 Al ist ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit bekannt. Dabei wer¬ den durch Verbrennung von Biomasse gebildete heiße Abgase mittels einer gesonderten Rauchgasreinigungseinrichtung ent¬ staubt und nachfolgend wechselweise durch einen von zwei Re¬ generatoren geleitet. Sobald der Regenerator eine vorgegebene Temperatur erreicht hat, wird er in einen Turbinenzweig einer Gasturbine geschaltet und es wird unter Druck stehendes Rein- gas durch den Regenerator geleitet. Das heiße und unter Druck stehende Reingas wird über einer Gasturbine zu deren Antrieb entspannt. Zur Durchführung des bekannten Verfahrens ist wie¬ derum eine besondere Einrichtung zur Entfernung von Staub aus dem heißen Abgas erforderlich. Abgesehen davon müssen zur Steuerung des Heißgasstroms Ventile verwendet werden, die nicht nur thermischen Belastungen sondern auch Druckunter¬ schieden standhalten.
Die DE 34 14 035 Al offenbart eine Vorrichtung zum Abkühlen eines heißen staubhaltigen Abgases. Dabei ist eine Wärmespei¬ chermasse eines Regenerators in ihrer Geometrie so ausgebil¬ det, dass darin Staubablagerungen wirksam verhindert werden. Zur Abtrennung des im Abgas enthaltenen Staubs ist ein Nass¬ wäscher vorgesehen.
Die DE 32 28 860 Al beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf aus heißen Abgasen. Zu diesem Zweck werden die mit Staub beladenen heißen Abgase durch einen Druckkessel ge¬ führt. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit so gewählt, dass die mit Staub beladenen heißen Abgase keine Erosion ver¬ ursachen. Der Staub wird mittels einer gesonderten Entfer¬ nungsvorrichtung entfernt.
Aus der DE 29 00 275 C2 ist eine Einrichtung zur Wiederauf- wärmung von Reingasen nach einer Rauchgaswäsche bekannt. Da¬ bei ist ein Regenerativ-Wärmetauscher heißgasseitig zwischen einem Staubabscheider und einem Gaswäscher in die Leitung ei¬ nes Gesamtstroms der Rohgase eingeschaltet.
In ähnlicher Weise ist bei einem aus der DE 32 38 941 Cl be- kannten Vexfahren zur Abscheidung von Staub ein Elektrofilter vorgesehen .
Bei einem aus der DE 34 27 442 Al bekannten Verfahren durch¬ strömt Rauchgas aus einem Brennofen in einen Vorwärmer und einen nachgeschalteten Abhitzewärmetauscher. Um sicher zu stellen, dass die Wärmetauscherflächen von Schwefelsäure nicht angegriffen werden, wird die Temperatur des Rauchgases oberhalb der Kondensationstemperatur von Schwefelsäure gehal¬ ten. Anschließend wird das Rauchgas einer Feststoffabtrennung in einer nachgeschalteten Abtrenneinheit, z. B. einem elek¬ trostatischen Abscheider oder Filter, unterworfen.
Die DE 100 35 710 Al offenbart ein fossil beheiztes Kraft¬ werk. Dabei ist eine Gasturbine vorgesehen, welche mit vorge- wärmter Lu.ft betrieben wird. Zur Vorwärmung sind wechselweise in den Tuirbinenast einschaltbare Regeneratoren vorgesehen, mit denen ein Teil von im Rauchgas enthaltener Wärme zurück¬ gewonnen wird.
Die DE 195 21 673 C2 betrifft ein Verfahren zur regenerativen Abluftreinigung. Mit organischen Verunreinigungen belastete Abluft wirrd dabei wechselweise durch Regeneratoren geleitet und therm:Lsch zur Zerstörung der organischen Verunreinigungen behandelt.
Aus der DE 42 38 652 Cl ist ein Schüttgutregenerator bekannt, welcher ziαr Aufnahme thermischer Energie radial durchströmbar ist. Ein weiterer Schüttgutregenerator ist aus der EP 0 908 692 A2 bekannt. Dabei werden im Ringraum auftretende Spannun- gen durch ein intervallweises Ablassen von Schüttgut abge¬ baut. Das abgelassene Schüttgut kann über ein Transportrohr dem Ringraum wieder zugeführt werden. Aus der DE 698 16 406 T2 ist ein umlaufender regenerativer Wärmetauscher bekannt, welcher zur Vorwärmung von Verbren¬ nungsluft in Kraftwerken geeignet ist.
Soweit die vorgenannten Verfahren die Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie mittels einer Gasturbine be¬ treffen, wird die tnermische Energie meist durch Verbrennung eines brennbaren Gases erzeugt. Die dabei gebildeten Abgase sind nicht mit Staub» beladen. Soweit zur Erzeugung thermi¬ scher Energie organische Festbrennstoffe verwendet werden, ist zur Abscheidung des Staubs eine gesonderte Vorrichtung vorgesehen oder es werden Maßnahmen getroffen, mit denen eine Erosion von Wärmetaiαschern oder ein Zusetzen derselben durch Staub verhindert werden. Dazu können Wärmetauscher besonders ausgestaltet sein oder es können geeignete Strömungsgeschwin¬ digkeiten oder dgl. gewählt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere ein Verfahren und eine Verwendung angegeben werden, mit denen auf einfache und kostengünstige Weise eine effektive Erwär¬ mung und/oder Verdampfung eines Fluids aus mit Staub belade- nen heißen Abgasen möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 18 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 17.
Nach Maßgabe der Erfindung sind bei einem Verfahren zur Er¬ wärmung und/oder Vexdampfung eines Fluids die folgenden Schritte vorgesehen :
a) Verbrennen eines Energieträgers unter Bildung heißer und mit Staub beladene Abgase, b) wechselweises Durchleiten der dabei erzeugten heißen und mit Staub beladenen Abgase durch zumindest eine von mehreren Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtungen, wobei Wärme von den heißen Abgasen auf die Wärmespeicher- und Entstaubungs- einrichtung übertragen und der im Abgas enthaltene Staub mit¬ tels der Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtung im We¬ sentlichen zurückgehalten wird,
c) wechselweises Durchleiten von kaltem und im Wesentlichen staubfreien Reingas durch zumindest eine andere der Wärme¬ speicher- und Entstaubungseinrichtungen, so dass darin ge¬ speicherte Wärme auf das Reingas übertragen und heißes Rein¬ gas gebildet wird, und
d) Durchleiten des heißen Reingases durch einen Wärmetau¬ scher zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Fluids.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff "Fluid" ein fließfähiges Material bzw. ein fließfähiger Stoff verstanden. Es kann sich dabei um eine Flüssigkeit, bei¬ spielsweise Wasser oder auch ein Gas, handeln. Das erfin¬ dungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur Erzeugung von Dampf aus Wasser.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders hohe Energieausnutzung von heißen und mit Staub beladenen Abgasen. Es ist insbesondere nicht mehr erforderlich, solche Abgase durch eine gesonderte Entstaubungseinrichtung zu führen. Die Entstaubung des heißen Abgases kann überraschenderweise im Regenerator erfolgen. Infolgedessen wird auch der im Staub enthaltene Wärmeanteil ausgenutzt. Auch beim Durchleiten von Reingas durch den zuvor durch die heißen Abgase aufgeheizten Regenerator wird der Staub effektiv zurückgehalten. Das Rein¬ gas verlässt den Regenerator im Wesentlich staubfrei. Es kann eine unerwünschte durch Staub bedingte Korrosion und/oder
Erosion in Rohrleitungen, Wärmetauschern und dgl. verhindert werden. Abgesehen davon kann das im Wesentlichen staubfreie Reingas ohne weiteres auch als Verbrennuncjsluft eingesetzt werden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht insbesondere bei der Verwendung von Biomasse als Energ±eträger eine beson¬ ders hohe Energieausnutzung im Gasturbinen- und/oder Dampf- kraftprozess .
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass als Wärmespeicher und Entstaubungseinrichtung ein Schüttgut¬ regenerator verwendet wird. Dabei wird das Abgas zweckmäßi- gerweise im Wesentlichen radial durch eine im Schüttgutrege¬ nerator aufgenommene Schüttung geleitet. Der Staub wird dabei vorzugsweise in der Schüttung zurückgehalten.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Entfernung des Staubs ein Teil der Schüttxing aus einem Ring¬ raum des Schüttgutregenerators entnommen "und der Staub wird, beispielsweise unter Verwendung eines Zyklons, von der Schüt¬ tung getrennt. Ein zur Durchführung des exfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich geeigneter Schüttgutregenerator ist beispielsweise aus der EP 0 908 692 Bl bekannt. Der bekannte Schüttgutregenerator ist zur Durchführung der vorliegenden Erfindung allerdings noch so zu modifiziexen, dass dort eine Einrichtung zum Abtrennen von Staub aus einem zum Transport der Schüttung verwendeten Transportgas vorzusehen ist. Bei der Einrichtung kann es sich um herkömmliche Einrichtungen zum Abtrennen von Staub aus einem Gas handeln, beispielsweise einen Zyklon, Filter, insbesondere elektrostatische Filter, ein Sieb und dgl.. Die gereinigte Schüttung kann zweckmäßi¬ gerweise anschließend wieder dem Ringraum zugeführt werden. Die Schüttung ist zweckmäßigerweise aus kugelartigen Körpern mit einem mittleren Durchmesser von wenig-er als 15 mm, vor¬ zugsweise 4 bis 8 mm, hergestellt. Die Körper können z.B. aus Aluminiumoxid oder dgl. hergestellt sein. Durch eine solche Schüttung kann die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase bei radialer Strömungsführung um mehr als 80% verlangsamt werden. Infolge dessen lagert sich der Staub in der Schüttung ab. Das Reingas wird vorteilhafterweise mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit durch die Schüttung des zumindest einen Regenerators geführt als die heißen und mit Stamb bela- denen Abgase. Zu diesem Zweck kann der Reingasstrom verzweigt und durch mehrere Regeneratoren geführt werden. Damit kann auf einfache Weise verhindert werden, dass im Reingasstrom in der Schüttung abgelagerter Staub mitgerissen wird. Das Rein¬ gas weist nach dem Verlassen des/der Regenerators/en zwar ei¬ ne höhere Temperatur auf, ist jedoch nicht mit Staub bela- stet.
Weiter hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass das Abgas infolge des Durchleitens durch die Wärmespeicher- und Ent- staubungseinrichtung auf eine Temperatur von weniger als 1000C, vorzugsweise weniger als 800C, abgekühlt wird. Übli¬ cherweise beträgt eine Eintrittstemperatur des heißen Abgases 8000C bis 9000C. Das heiße Abgas wird beim Durchleiten durch die Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtung mit einer Ab¬ kühlungsrate von 1000 bis 2000 K/m abgekühlt. Durch die äu- ßerst hohe Abkühlungsrate wird vorteilhafterweise eine Rekom¬ bination von im heißen Abgas enthaltenen Schadstoffen, wie Dioxinen und Furanen, minimiert bzw. verhindert. Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das abgekühlte Abgas zumindest teilweise zur Vorwärmung einer Verbrennungsluft zur Verbrennung des organischen Energieträ¬ gers verwendet. Damit kann die Energieausnutzung weiter er¬ höht werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das heiße Reingas beim Durchleiten durch den Wärmetauschex auf eine Temperatur auf weniger als 1500C, vorzugsweise weniger als 1400C, abgekühlt wird. In diesem Fall kann das abgekühlte Reingas anschließend durch eine Einrichtung zum Vorwäxraen von Kondensat geleitet werden. Dabei kann das abgekühlte IReingas auf eine Temperatur auf weniger als 800C, vorzugsweise weni¬ ger als 700C, weiter abgekühlt werden. Schließlich kann das weiter abgekühlte Reingas noch zur Verbrennung des organi- sehen Energieträgers verwendet werden. Die vorgeschlagenen Verfahrensschritte tragen weiter zur verbesserten Energieaus¬ nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumin¬ dest ein Teil der auf das Fluid übertragenen thermischen Energie zum Antrieb einer Einrichtung zum Stromerzeugung und/oder zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Betriebs¬ temperatur einer in einem Wärmenetz zirkulierenden Flüssig- keit verwendet wird. Insbesondere kann das Fluid als Dampf vorliegen. Die im Dampf gespeicherte thermische Energie kann beispielsweise zur Durchführung des Clausius-Rankine-Prozes- ses, zum Antrieb von Dampfmotoren, zur Durchführung des Orga- nic-Rankine-Cycle, des Kalina-Cycle oder anderen Verfahren verwendet werden.
Der Dampf kann nach dem Energieentzug kondensiert werden. Das ermöglicht eine erneute Verdampfung des Kondensats. In diesem Fall kann das Verfahren im Kreislauf geführt werden.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, als Reingas Luft und als organischen Energieträger einen erneuerbaren Energieträger, insbesondere Biomasse, zu verwenden. Die vorgenannten Aus¬ gangsstoffe sind preiswert verfügbar.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist die Verwendung eines Schüttgutreaktors zum Abtrennen von Staub aus heißem Abgas vorgesehen. - Neben der herkömmlichen Funktion eines Schütt¬ gutregenerators, nämlich der Speicherung thermischer Energie, kann dieser erfindungsgemäß eine weitere Funktion, nämlich die eines Filters, erfüllen. Infolgedessen kann auf das Vor¬ sehen der nach dem Stand der Technik bekannten gesonderten Entstaubungseinrichtungen verzichtet werden, welche üblicher¬ weise einem Regenerator vor- oder nachgeschaltet sind. Die erfindungsgemäße Verwendung ermöglicht eine erhebliche Ver¬ einfachung im Aufbau von mit festen organischen Energieträ¬ gern betriebenen Kraftwerken, Wärmeleitungsnetzen und dgl.. Abgesehen davon kann mit der vorgeschlagenen Verwendung eine erhebliche Steigerung der Ausnutzung der in mit Staub belade- nen heißen Abgasen enthaltenen thermischen Energie erreicht werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert.
In der Figur sind schematisch die wesentlichen Komponenten zur Durchführung eines Dampfkraftverfahrens in ihrem funktio¬ nellen Zusammenhang gezeigt.
Mit dem Bezugszeichen A ist ein Brennstoffkessel bezeichnet, welcher zur Verbrennung fester organischer Energieträger, beispielsweise Biomasse, geeignet ist. Ein solcher Brenn¬ stoffkessel ist beispielsweise aus der DE 40 00 973 Cl be¬ kannt. Ein am Brennstoffkessel A vorgesehener Einlass 1 dient der Aufgabe von Brennstoff. Durch einen Auslass 2 wird als Verbrennungsrückstand Asche abgeführt. Vom Brennstoffkessel A führt eine erste Leitung 3 zum Abführen heißer mit Staub be- ladener Abgase weg, welche sich im weiteren Verlauf ver¬ zweigt. Mittels in die erste Leitung 3 eingeschalteter Schie¬ ber 3a kann wechselweise einer von drei stromabwärts nachge¬ schalteten Regeneratoren B mit dem mit heißen Staub beladenen Abgas beaufschlagt werden. Mit dem Bezugszeichen C ist ein
Sauggebläse bezeichnet, welches der Erzeugung einer Strömung der heißen mit Staub beladenen Abgase vom Brennstoffkessel A durch die Regeneratoren B hindurch hin zu einem Kamin E sowie einem Rezirkulationsgebläse D dient. Mittels des Rezirkulati- onsgebläses D kann ein Teil der Abgase über eine zweite Lei¬ tung 4 dem Brennstoffkessel A zugeführt. Infolge dessen kann die Temperatur im Brennstoffkessel kontrolliert und damit der Bildung von NOx und/oder der Verschlackung entgegengewirkt werden.
Ein mit dem Bezugszeichen F bezeichnetes Frischluftgebläse fördert Luft über eine dritte Leitung 5 wechselweise durch zwei der Regeneratoren B zu einem Dampferzeuger G. Indem die Frischluft durch zwei der Regeneratoren B geleitet wird, kann deren Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt und damit eine Aufnahme von in den Regeneratoren B enthaltenem Staub auf einfache und effiziente Weise verhindert werden. Der im Damp¬ ferzeuger G erzeugte Heißdampf gelangt über eine vierte Lei¬ tung 6 zu einem Turbogenerator J. Die aus dem Dampferzeuger G austretende abgekühlte Luft gelangt über eine fünfte Leitung 7 in einen Kondensatvorwärmer H, der wiederum über eine sech- ste Leitung 8 mit einem Kondensator K verbunden ist. Der Kon¬ densator K ist mit dem Turbogenerator J zur Aufnahme des ab¬ gekühlten Dampfs mit einer siebten Leitung 9 verbunden. Mit dem Bezugszeichen L ist ein Speisewasservorrat bezeichnet, der über achte Leitungen 10 sowohl mit dem Kondensatvorwärmer H als auch mit dem Dampferzeuger G verbunden ist. Die aus dem Kondensatvorwärmer H austretende abgekühlte Luft gelangt über eine neunte Leitung 11 in den Brennstoffkessel A und dient als Verbrennungsluft. Zur Förderung der Luft ist in die neun¬ te Leitung 11 ein Gebläse M eingeschaltet.
Anstelle des Turbogenerators J sowie des nachgeschalteten Kondensators K ist es alternativ auch möglich, den Speisewas¬ servorrat L und den Dampferzeuger G mit einem Wärmenetz FW zur Aufrechterhaltung einer im Wärmenetz FW vorgegebenen Be- triebstemperatur zu koppeln.
Die Funktion der gezeigten Vorrichtung ist folgende:
Im Brennstoffkessel A wird durch den Einlass 1 zugeführte Biomasse verbrannt. Die zur Verbrennung erforderliche Luft wird dem Brennstoffkessel A über die neunte Leitung 11 zuge¬ führt. Der Luft wird über die zweite Leitung 4 eine vorgege¬ bene Menge an Abgas zugemischt. Die bei der Verbrennung im Brennstoffkessel A gebildeten heißen und mit Staub beladenen Abgase gelangen über die erste Leitung 3 je nach der gewähl¬ ten Stellung der Schieber 3a durch einen der Regeneratoren B. Die heißen mit Staub beladenen Abgase werden im jeweiligen Regenerator B radial durch eine zwischen einem koaxialen Heiß- und Kaltrost aufgenommene Schüttung geführt. Dabei wird die thermische Energie von den heißen Abgasen, insbesondere auch vom darin enthaltenen Staub, auf die Schüttung übertra- gen. Ferner wird in der Schüttung der in den heißen Abgasen enthaltene Staub zurückgehalten. Aus den jeweiligen Regenera¬ tor B tritt im Wesentlichen von Staub befreites abgekühltes Abgas aus und wird über das Sauggebläse C im Wesentlichen dem Kamin E zugeführt. Ein Teilstrom des abgekühlten und von Staub im Wesentlichen befreiten Abgases wird über das in die zweite Leitung 4 eingeschaltete Rezirkulationsgebläse D wie¬ der der Verbrennung zugeführt.
Die Regeneratoren B werden wechselweise mit den mit heißem Staub beladenen Abgase beaufschlagt. Sobald eine vorgegebene Temperatur im jeweiligen Regenerator B erreicht worden ist, werden die heißen und mit Staub beladenen Abgase durch eine entsprechende Änderung der Stellung der Schieber 3a auf einen der anderen der Regeneratoren B geleitet. Anschließend wird durch einen oder mehrere der aufgeheizten Regeneratoren B über das Frischluftgebläse F Luft durch diese Regeneratoren B hindurch geleitet. Dabei nimmt die Luft die in den Regenera¬ toren B gespeicherte thermische Energie auf. Die gebildete heiße Luft gelangt über die erste Leitung 3 zum Dampferzeuger G. Im Dampferzeuger G erzeugter Dampf kann mittels des Turbo¬ generators J in elektrische Energie umgewandelt werden. Der abgekühlte Dampf wird in einem nachgeschalteten Kondensator K kondensiert. Das Kondensat gelangt über die sechste Leitung 8 in einen Kondensatvorwärmer H, der wiederum über die achten Leitungen 10 mit einem Speisewasservorrat L in Verbindung steht. Der Kondensatvorwärmer H wird eingangsseitig mit abge¬ kühlter Luft beaufschlagt, welche den Dampferzeuger G ver- lässt. Die im Kondensatvorwärmer H weiter abgekühlte Luft ge¬ langt schließlich über die neunte Leitung 11 zum Brennstoff- kessel A und dient als Verbrennungsluft. Anstelle des Turbogenerators J kann der im Dampferzeuger G erzeugte Heißdampf auch zur Aufrechterhaltung einer vorgege¬ benen Betriebstemperatur in einem Wärmenetz FW verwendet wer¬ den.
Das mit der vorgeschlagenen Vorrichtung durchführbare Verfah¬ ren zeichnet sich durch eine hohe Energieausnutzung aus. Die hohe Energieausnutzung wird insbesondere durch die erfin¬ dungsgemäße Verwendung von Schüttgutregeneratoren B zur Ab- trennung von Staub aus heißen Abgasen erreicht.
Bezugs zeichenliste
A Brennstoffkessel
B Regenerator
C Sauggebläse
D ReZirkulationsgebläse
E Kamin
F Frischluftgebläse
FW Wärmenetz
G Dampferzeuger
H Kondensatvorwärmer
J Turbogenerator
K Kondensator
L Speisewasservorrat
M Gebläse
1 Einlass
2 Auslass
3 erste Leitung
3a Schieber
4 zweite Leitung
5 dritte Leitung
6 vierte Leitung
7 fünfte Leitung
8 sechste Leitung
9 siebte Leitung
10 achte Leitung
11 neunte Leitung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erwärmung und/oder Verdampfung eines Fluids mit folgenden Schritten:
a.) Verbrennen eines festen organischen Energieträgers unter Bildung heißer und mit Staub beladene Abgase,
k>) wechselweises Durchleiten der dabei erzeugten heißen und mit Staub beladenen Abgase durch zumindest eine von mehreren Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtungen (B) , wobei Wärme von den heißen Abgasen auf die Wärmespeicher- und Entstau- bungseinrichtung (B) übertragen und der im Abgas enthaltene Staub mittels der Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtung (B) im Wesentlichen zurückgehalten wird,
c) wechselweises Durchleiten von kaltem und im Wesentlichen staubfreien Reingas durch zumindest eine andere der Wärme¬ speicher- und Entstaubungseinrichtungen (B) , so dass darin gespeicherte Wärme auf das Reingas übertragen und heißes Reingas gebildet wird, und
d) Durchleiten des heißen Reingases durch einen Wärmetau¬ scher (G) zur Erwärmung und/oder Verdampfung des Fluids.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtung (B) ein Schüttgutregenerator verwen¬ det wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgas im Wesentlichen radial durch eine im Schüttgutrege¬ nerator (B) aufgenommene Schüttung geleitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Staub in der Schüttung zurückgehalten wird.
5. Verfahrren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Entfernung des Staubs ein Teil der Schüttung aus einem Ringraum des Schüttgutregenerators (B) entnommen und der Staub, vorzugsweise unter Verwendung eines Zyklons, von der Schüttung getrennt wird.
6. Verfahrren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gereinigte Schüttung anschließend wieder dem Ringraum zu¬ geführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgas infolge des Durchleitens durch die Wärmespeicher- und Entstaubungseinrichtung (B) auf eine Temperatur von weni¬ ger als 1000C, vorzugsweise weniger als 80°C, abgekühlt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das abgekühlte Abgas zumindest teilweise zur Vorwärmung einer Verbrennixngsluft zur Verbrennung des organischen Energieträ¬ gers verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das heiße Reingas beim Durchleiten durch den Wärmetauscher (G) auf eine Temperatur von weniger als 1500C, vorzugsweise weniger als 140°C, abgekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das abgekühlte Reingas durch eine Einrichtung (H) zum Vorwär¬ men von Kondensat geleitet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das abgekühlte Reingas beim Durchleiten durch die Einrichtung (H) zum Vorwärmen von Kondensat auf eine Temperatur von weni¬ ger als 800C, vorzugsweise weniger als 700C, weiter abgekühlt wird.
12. Verfahrren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das weiter abgekühlte Reingas zur Verbrennung des organischen Energieträgers verwendet wird.
13. Verfahrren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der auf das Fluid übertragenen thermischen Energie zum Antrieb einer Einrichtung (J) zur Stromerzeugung und/oder zur: Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Betriebs¬ temperatur einer in einem Wärmenetz (FW) zirkulierenden Flüs- sigkeit wird..
14. Verfahrren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dampf nach dem Energieentzug kondensiert wird.
15. Verfahrren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Reingas Luft verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reingas mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit durch die Schüttung des zumindest einen Regenerators (B) ge¬ führt wird als die heißen und mit Staub beladenen Abgase.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als organischer Energieträger ein erneuerbarer Energieträger, insbesondere Biomasse, verwendet wird.
18. Verwendung eines Schüttgutregenerators (B) zum Abtrennen von Staub aus heißem Abgas.
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