DE102010056516A1

DE102010056516A1 - ORC-Direktverdampfer für Biomassefeuerungen

Info

Publication number: DE102010056516A1
Application number: DE102010056516A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Die Erfindung ermöglicht es, eine ORC-Anlage mit dem heißen Rauchgas aus einer Verbrennung, ohne einen zwischen Verbrennung und ORC-Verdampfer angeordeneten Wärmeträgerkreislauf zu betreiben. Obwohl die Temperatur des Abgases der Verbrennungsanlage meist oberhalb von 900°C liegen, kann das Arbeitsmedium des ORC-Kreises direkt durch die Verbrennungsgase verdampft werden. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Komponenten wird eine übermäßige, vorzeitige Alterung des Arbeitsmittels der ORC-Anlage vermieden. Gleichzeitig kommt der Aufbau eines solchen Systems mit einem Minimum an Komponenten aus und reduziert hierdurch die Kosten, insbesondere den Energieverbrauch, des Gesamtsystems erheblich.

Description

Definition
Als Feuerung wird hier ein System bezeichnet, in dem durch Zufuhr von Luft ein Medium fest, flüssig, oder gasförmig oxidiert wird und hierdurch Abgase, so genannte Rauchgase, entstehen, deren Temperatur erheblich über der der zugeführten Luft liegt.
Die heißen Abgase werden als Rauchgas bezeichnet.
Eine ORC-Anlage ist durch das Vorhandensein von Verdampfern, Kondensatoren, Turbinen und Pumpen gekennzeichnet, in denen ein anderes Medium als Wasser, das so genannte Arbeitsmittel, zum Zwecke der Umwandlung von thermischer in elektrischer Energie die Zustände von flüssig zu gasförmig und umgedreht wechselt.
Mit ORC-Wärmetauscher wird hier der Wärmetauscher oder das Wärmetauschersystem bezeichnet, über das die thermische Energie auf das Arbeitsmittel der ORC-Anlage übertragen wird.
Rauchgas ist das gasförmige Verbrennungsprodukt aus dem der Feuerung zugeführten Brennstoff und Luft. In ihm ist vor der Nutzung ein großer Teil der durch die Verbrennung frei werdenden Wärme enthalten.
Anwendung
Zur Erzeugung von Strom mittels Kraft-Wärmekopplung aus Biomasse wird in kleinen Systemen häufig eine Feuerung, z. B. für den Brennstoff Holz, mit einer ORC-Anlage gekoppelt. Die aus der ORC-Anlage abgegebene Wärme wird meist in ein Wärmenetz gespeist.
Die von der Feuerung abgegebene Wärmeleistung wird durch Änderung der Brennstoffzufuhr an den Bedarf des Wärmenetzes nach der ORC-Anlage angepasst.
Die ORC-Anlage erzeugt soviel Strom, wie aus der zugeführten Energie möglich ist. Die Abwärme der Anlage wird meist vollständig zum Heizen verwendet.
Bei der beschriebenen Anordnung wird auf einen üblicherweise zwischen Feuerung und ORC-Anlage geschalteten Kreislauf von Wärmeträgeröl verzichtet und das ORC-Medium durch heiße Rauchgase direkt verdampft. Um beim Arbeitsmedium der ORC-Anlage eine zu hohe thermische Beanspruchung durch das heiße Rauchgas zu verhindern, wird dem Rauchgas soviel bereits abgekühltes Rauchgas beigemischt, dass die Eintrittstemperatur in die ORC-Anlage ein Optimum aufweist.
Durch den einfachen apparativen Aufbau des Gesamtsystems werden die Investitions- und Betriebskosten gesenkt und der Einsatz auch in noch kleineren Leistungsbereichen möglich.
Stand der Technik
Bekannte Kombinationen von Biomassefeuerungen und ORC-Anlage sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen ORC-Anlage und Biomassefeuerung ein Thermoölsystem geschaltet ist, welches die thermische Leistung der Feuerung in die ORC-Anlage überträgt.
In der Feuerung entstehen Rauchgase mit Temperaturen von oft bis zu 1000°C. mit diesen Rauchgasen wird ein Wärmeträgeröl auf ca. 300°C erwärmt und durch den Wärmetauscher einer ORC-Anlage gepumpt. Das Öl kühlt sich hierbei ab und das Arbeitsmedium der ORC-Anlage wird vorgewärmt und verdampft.
Der Dampf des Arbeitsmediums wird über einer Turbine auf einen geringeren Druck entspannt, kondensiert und mittels eine so genannten Speisepumpe wieder in den Verdampfer gepumpt. Die Turbine treibt einen Generator, welcher elektrische Energie ins netz liefert.
Die bei der Kondensation abgegebene Wärme wird über einen Kühlwasserkreis in ein Wärmenetz gespeist.
Damit das Thermoöl durch das heiße Rauchgas nicht in seiner Struktur zerstört wird, muss es permanent durch den Wärmetauscher gepumpt werden. Hierfür ist zusätzliche elektrische Energie notwendig.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten schematischen Zeichnungen werden der prinzipielle Aufbau und die Funktion des neuen Systems ersichtlich. Man erkennt, dass die Erfindung sich erheblich vom geschilderten Stand der Technik unterscheidet und zahlreiche Vorteile aufweist:
1) Aufbau des Systems ohne zusätzlichen Ventilator zur Rückführung und Beimischung der abgekühlten Rauchgase.
2) Gleiche Funktionsweise mit zusätzlichem Gebläse zur Rezirkulation.
3) Zusätzlicher Vorwärmer zur Effizienzerhöhung des Gesamtsystems im Rauchgasstrom.
Beschreibung der Erfindung
Oft weist das direkt aus der Feuerung stammende Rauchgas eine zu hohe Temperatur aus, um damit im Wärmetauscher der ORC-Anlage ein ORC-Arbeitsmedium zu erwärmen. Zur Feuerung gehörige so genannte Rezirkulationsgebläse dienen lediglich der Regelung der Verbrennung, ohne jedoch die Rauchgastemperatur maßgeblich zu beeinflussen.
Um zu verhindern, dass bei einer Kombination von Biomassefeuerung (1) mit ORC-Anlage 2) das ORC-Arbeitsmedium im Verdampfer (21) überhitzt wird, wird dem von der Biomassefeuerung erzeugtem heißen Rauchgasstrom (33) ein Teil bereits abgekühlten Rauchgase (35) zugeführt.
1) Erfindungsgemäß wird hierbei ggf. der durch das Rauchgasgebläse (32) über sich und dem ORC-Verdampfer (21) erzeugte Druckverlust zur Rückführung (35) genutzt.
Zu diesem Zweck wird das Rauchgas nach dem Gebläse (32) entnommen und durch ein Rohrleitungssystem (35) mit dem heißen Rauchgas (33) gemischt und das hieraus gebildete etwas kühlere Rauchgas (34) dem ORC-Verdampfer (21) zugeführt.
Typische Temperaturen des Rauchgases nach der Feuerung (33) sind 900–1000°C. Nach Zumischung von abgekühltem Rauchgas, das eine Temperatur von ca. 160°C–180°C vor dem Kamin (35) hat, wird eine Eintrittstemperatur des Rauchgases (34) von beispielsweise 550°C in den ORC-Verdampfer (21) erreicht.
Zur besseren Wärmenutzung kann, wie in solchen Systemen üblich, zwischen ORC-Verdampfer (21) und Kamin (31) noch ein weiterer Wärmetauscher (41) geschaltet werden, der das vom Kondensator (24) der ORC-Anlage (2) vorgewärmte Wasser des Wärmenetzes noch weiter erhitzt und dem Rauchgas hierdurch noch Wärme entzieht.
3) Effizienz erhöhend auf das Gesamtsystem wirkt sich auch ein arbeitsmittelseitig nach der Speisepumpe (32) der ORC-Anlage (2) geschalteter Wärmetauscher (26) aus, durch dem ein Teil des Arbeitsmittels noch durch das bereits durch den Wärmetauscher (21) abgekühlte Rauchgas aufgeheizt wird.
In 2) Wird eine Alternativsystem aufgezeigt, welches noch ein zusätzliches so genanntes Rezirkulationsgebläse (36) benötigt. Im Unterschied zu den in 1) und 3) gezeigten Systemen wird hier das kalte Rauchgas vorzugsweise auf der Saugseite des Rauchgasgebläses (32) entnommen.
Durch Regeln der Temperatur des Rauchgasstromes (34) vor dem ORC-Wärmetauscher (21) durch Veränderung des Massestromes des kalten Rauchgases (35) mittels Drosselung durch eine Regelklappe (64) in 1) oder durch Änderung der Drehzahl des Rezirkulationsgebläses (36) kann eine optimale Eintrittstemperatur des Rauchgases (34) in den ORC-Wärmetauscher (21) erreicht werden.
Um im Störungsfall den Rauchgasstrom (34) durch den ORC-Wärmetauscher (21) sofort zu unterbrechen, ist in 1) eine Klappe (61) dargestellt. Damit das Rauchgas trotzdem weiter zum Kamin strömen kann, wird hier gleichzeitig die Klappe (62) geöffnet. Mit einer zusätzlichen Klappe (63) kann der ORC-Wärmetauscher durch in umgekehrte Richtung zum normalen Betrieb strömendes kaltes Rauchgas oder Umgebungsluft noch zusätzlich gekühlt werden. Die Klappen könne funktionell in einer Armatur zusammengefasst werden.
In 1) wird der Wärmetauscher (41) des Wasserkreislaufes sowohl im Betriebs- als auch im Störungsfall immer durchströmt. Es ist aber auch möglich, diesen im Störungsfall zu umgehen und die heißen Rauchgase direkt durch den Kamin zu leiten.
Bezugszeichenliste

: 1) Apparateanordnung des Direktverdampfungssystems
: 2) Modifizierte Anordnung mit Rezirkulationsventilator
: 3) System mit gezogenem und um 90° geschwenkten Generator bzw. Wellensystem
: 1–3) Details
1: Biomassefeuerung
2: ORC-Anlage
3: Rauchgasverrohrung/Rauchgasstrom
4: Kühlwasserkreislauf
21: Direktverdampfer ORC-Kreislauf (ORC-Wärmetauscher)
22: Speisepumpe ORC-Kreislauf
23: Rekuperator
24: Kondensator
25: Turbogenerator
26: Vorwärmer (für geteilten Arbeitsmittelkreis)
31: Kamin
32: Raugasventilator
33: Rauchgas bzw. Rauchgasleitung nach Feuerung
34: Rauchgas bzw. Rauchgasleitung zum ORC
35: Abgekühltes Rauchgas bzw. Rauchgasleitung zurück zum Eingang ORC-Wärmetauscher (Rezirkulation)
41: Kühlwasserwärmetauscher
42: Kühlwasserpumpe
51: Strömungsrichtung Raugas betriebsmäßig
52: Strömungsrichtung Raugas bei Störung/An-/Abfahren
61: Rauchgasklappe Direktverdampfer
62: Rauchgasklappe Bypass
63: Rauchgasklappe Kühlluft
64: Regelklappe für rezirkulierende Rauchgase

Claims

Systeme aus ORC-Anlage und Verbrennungen, bei denen in mindestens einem Wärmetauscher das Arbeitsmittel der ORC-Anlage direkt durch das Rauchgas aus der Verbrennung aufgeheizt, verdampft oder aufgeheizt und verdampft wird und zur Abkühlung des Rauchgases vor dem Eintritt in den oder die Wärmetauscher der ORC-Anlage diese mit einem Teil der durch diesen Wärmetauscher bereits abgekühlten Rauchgase gemischt wird.
Systeme nach 1., bei denen zur Rückführung des abgekühlten Rauchgases die Druckdifferenz genutzt wird, die der Rauchgasventilator über sich und den auf seiner Saugseite vor geschalteten Wärmetauscher aufbaut, und bei denen hierzu mindestens eine Rohrleitung von der Druckseite des Rauchgasventilators zum rauchgasseitigen Eingang eines ORC-Wärmetauschers führt.
Systeme nach 1., bei denen zur Rückführung des abgekühlten Rauchgases ein Ventilator verwendet wird, der einen Teil des abgekühlten Rauchgases nach dem ORC-Wärmetauscher wieder auf dessen Eingangsseite zur Mischung mit dem heißen Rauchgas aus der Feuerung führt. Hierzu enthalten diese Systeme eine Rauchgasleitung, in der das abgekühlte Rauchgas mittels eines separaten Ventilators zum rauchgasseitigen Eingang des ORC-Wärmetauschers geführt wird.