-
HINTERGRUND
-
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Energieerzeugung und insbesondere ein Energieerzeugungssystem, das Abwärme von einem Reformersystem nutzt.
-
Gaskraftmaschinenanlagen kontrollieren typischerweise Emissionen, bspw. Stickoxide (NOx), aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine durch Reformierung des Brennstoffabgases nach einer Behandlung. Ein alternativer Ansatz besteht darin, die Bildung von NOx durch weitere Erhöhung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses der Ladung zu begrenzen. Da solche mageren Gemische instabil verbrennen, erfordert dieser Ansatz einen Brennstoff mit speziellem Brennverhalten, das beispielsweise in einem vorgelagerten Brennstoffreformierungsprozess hervorgerufen wird.
-
Ein Reformersystem wandelt, gewöhnlich in einem katalytischen Brennstoffumwandlungsprozess, einen Teil des flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs in ein Synthesegas (oder Syngas) um. Das Synthesegas ist reich an Wasserstoff und kann weiter mit gasförmigen Brennstoffen gemischt werden, um ein wasserstoffreiches Verbrennungsgas zu bilden, bevor es der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dieses wasserstoffreiche Verbrennungsgas ermöglicht eine stabile und magere Verbrennung, wodurch NOx-Emissionen reduziert werden.
-
Das Reformersystem erfordert (exotherme) Hochtemperatur-Prozesse, um das Synthesegas bei erhöhten Temperaturen zu erzeugen. Im Allgemeinen muss das Synthesegas, bevor es in der Brennkraftmaschine verwendet wird, auf eine Temperatur abgekühlt werden, die den typischen Schnittstellenbedingungen in der Gaskraftmaschinenanlage entspricht.
-
Das Abkühlen des Synthesegases in Reformersystemen führt zur Abwärme, die herkömmlich in die umgebende Atmosphäre freigesetzt wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG
-
Die Erfinder haben festgestellt, dass eine andauernde Notwendigkeit zur Integration des Reformersystems mit Abwärmerückgewinnungssystemen zur Erhöhung der Gesamteffizienz solcher Energieerzeugungssysteme besteht.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Energieerzeugungssystem geschaffen. Das Energieerzeugungssystem weist ein Reformersystem zur Erzeugung von Synthesegas für eine Brennkraftmaschine auf. Das Reformersystem weist eine Reformereinheit mit einem Katalysator zur thermochemischen Umwandlung eines ersten Teils eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs in Synthesegas auf. Das Energieerzeugungssystem weist ferner ein Abwärmerückgewinnungssystem auf, das wenigstens einen organischen Rankine-Kreilauf-(Organic-Rankine-Cycle-)Strömungsweg eines Arbeitsfluids, wenigstens einen Abwärmerückgewinnungswärmetauscher zur Extraktion von Abwärme aus dem Reformersystem und wenigstens einen Verdampfer zur Verwendung der extrahierten Abwärme zur Erwärmung des Arbeitsfluids enthält.
-
Das Energieerzeugungssystem kann ferner einen ersten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, der in einem Fluidübertragungsweg angeordnet ist, der das Synthesegas aus der Reformereinheit herausführt.
-
Das Energieerzeugungssystem kann ferner einen zweiten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, der in einem Fluidübertragungsweg angeordnet ist, der das aus dem ersten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher herausströmende Synthesegas führt.
-
Zusätzlich kann das Energieerzeugungssystem einen dritten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, der in einem Fluidübertragungsweg angeordnet ist, der das aus dem zweiten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher herausströmende Synthesegas führt.
-
Darüber hinaus kann das Energieerzeugungssystem einen vierten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, der in einem Fluidübertragungsweg angeordnet ist, der das aus dem dritten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher herausströmende Synthesegas führt.
-
Das Energieerzeugungssystem gemäß einem beliebigen der vorstehend erwähnten Bauarten kann ferner einen Abgaswärmetauscher aufweisen, der in einem Fluidübertragungsweg angeordnet ist, der das Abgas aus der Brennkraftmaschine zu einem Abgasauslass führt.
-
Das vorstehend erwähnte Energieerzeugungssystem kann ferner einen fünften und einen sechsten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, die an jeder Seite des Abgaswärmetauschers angeordnet sind, der in einem Fluidübertragungsweg angeordnet ist, der das Abgas aus der Brennkraftmaschine zu dem Abgasauslass führt.
-
Zusätzlich oder alternativ kann das Energieerzeugungssystem einen siebten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, der in einem Fluidübertragungsweg angeordnet ist, der das Abgas aus der Brennkraftmaschine und dem Abgasauslass führt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Abwärmerückgewinnungssystem geschaffen. Das Abwärmerückgewinnungssystem enthält ein Reformersystem, das wenigstens einen Abwärmerückgewinnungswärmetauscher zur Extraktion von sich in mehreren Strömungswegen des Reformersystems befindender Abwärme enthält. Das Abwärmerückgewinnungssystem enthält ferner wenigstens ein organisches Rankine-Kreislaufsystem, das mit dem Reformersystem integriert ist. Das wenigstens eine organische Rankine-Kreislaufsystem weist einen Verdampfer auf, der eingerichtet ist, um ein Arbeitsfluid unter Verwendung der aus dem Reformersystem rückgewonnenen Abwärme wenigstens teilweise zu verdampfen und/oder zu überhitzen.
-
Das Abwärmerückgewinnungssystem kann ferner ein erstes organisches Rankine-Kreislaufsystem aufweisen, das mit einem zweiten organischen Rankine-Kreislaufsystem hintereinandergeschaltet ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Reformersystem geschaffen. Das Reformersystem weist eine Reformereinheit zur Erzeugung eines Synthesegases für eine Brennkraftmaschine auf. Die Reformereinheit weist einen Katalysator zur thermochemischen Umwandlung einer Mischung aus einem ersten Teil eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs zusammen mit einer Dampfströmung und einer Luftströmung zu dem Synthesegas auf. Außerdem enthält das Reformersystem einen oder mehrere Abwärmerückgewinnungswärmetauscher zur Extraktion Abwärme, die sich in mehreren Strömungswegen des Reformersystems befindet.
-
Die Reformereinheit des Reformersystems kann einen Katalysator zur thermochemischen Umwandlung einer Mischung aus einem ersten Teil eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs zusammen mit einer Dampfströmung und einer Luftströmung zu dem Synthesegas aufweisen.
-
Die Reformereinheit eines beliebigen der vorstehend erwähnten Systeme kann eine Strömung von Abgasen zusammen mit der Luftströmung zusätzlich zu der Mischung des ersten Teils eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs gemeinsam mit der Dampfströmung verwenden.
-
Das Reformersystem kann ferner einen ersten und einen zweiten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, die in einem Fluidübertragungsweg angeordnet sind, der das Synthesegas aus der Reformereinheit herausführt.
-
Das Reformersystem kann noch weiter einen dritten und einen vierten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, die in Reihe in einem Fluidübertragungsweg angeordnet sind, der das Synthesegas aus dem ersten und dem zweiten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher zu der Brennkraftmaschine führt.
-
Jedes der vorstehend erwähnten Reformersysteme kann einen Gasmischer zur Vermischung eines zweiten Teils des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs mit dem von der Reformereinheit gelieferten Synthesegas zusammen mit Luft aufweisen, bevor die Mischung der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
-
Jedes der vorstehend beschriebenen Reformersysteme kann einen fünften und einen sechsten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher aufweisen, die an jeder Seite eines Abgaswärmetauschers angeordnet sind.
-
ZEICHNUNGEN
-
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen über die Zeichnungen hinweg gleiche Teile bezeichnen, worin:
-
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
2 zeigt eine diagrammartige Darstellung des Reformersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
3 zeigt eine diagrammartige Darstellung eines rekuperativen Abwärmerückgewinnungssystems mit zwei integrierten organischen Rankine-Kreislaufsystemen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, ist beabsichtigt, dass die Artikel „ein“ oder „eine“, „der“, „die“, „das“ oder „diese(r, s)“ ein oder mehrere der Elemente bedeuten sollen. Die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen einschließend verstanden werden und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente außer den aufgelisteten Elementen geben kann. Alle Beispiele von Betriebsparametern schließen andere Parameter der offenbarten Ausführungsformen nicht aus.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Energieerzeugungssystems 10 einer Gaskraftmaschinenanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Energieerzeugungssystem 10 weist ein Reformersystem 12 zur Erzeugung von Synthesegas für eine Brennkraftmaschine 24 auf. Das Reformersystem 12 weist eine (als 20 in 2 gezeigte) Reformereinheit mit einem Katalysator zur thermochemischen Umwandlung eines Teils 13 eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 22 in Synthesegas auf. In einer Ausführungsform, weist der Kohlenwasserstoff-Brennstoff 22 Methan oder Propan oder andere gasförmige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe oder Kombinationen von diesen auf. Das Energieerzeugungssystem 10 weist ferner ein Abwärmerückgewinnungssystem 17 auf, das wenigstens einen organischen Rankine-Kreislauf-Strömungsweg 19 eines Arbeitsfluids, wenigstens einen Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 14 zur Extraktion von Abwärme aus dem Reformersystem 12 und wenigstens einen Verdampfer 18 zur Verwendung der extrahierten Abwärme zur Erwärmung des Arbeitsfluids enthält. Das in 1 gezeigte Energieerzeugungssystem weist ferner einen ersten und einen zweiten Generator 21, 23 zur Erzeugung elektrischer Energie auf. Der erste Generator 21 ist mit der Brennkraftmaschine 24 gekoppelt, während der zweite Generator 23 mit einem oder mehreren (in 3 als 108, 122 veranschaulichten) Expandern in dem Abwärmerückgewinnungssystem 17 gekoppelt ist. Der Expander kann eine Turbine aufweisen, in der das erwärmte Arbeitsfluid in dem organischen Rankine-Kreislauf-Strömungsweg 19 des Abwärmerückgewinnungssystems 17 expandiert. Das Abwärmerückgewinnungssystem 17 kann einen oder mehrere Expaenthalten, die mit einem oder mehreren Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt sind.
-
2 zeigt eine diagrammartige Darstellung des Reformersystems 12 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, weist das Reformersystem 12 eine Reformereinheit 20 mit einem Katalysator für eine thermochemische Umwandlung einer Mischung eines ersten Teils 27 eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 22 zusammen mit einer Dampfströmung 32 und einer Mischung aus einer Lufströmung 36 und/oder Strömung von Abgasen 38 zu einem Synthesegas. Das Synthesegas enthält eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Reformersystem 12 weist eine Gasmischereinheit 26 zur Zuführung des Synthesegases und/oder eines zweiten Teils 29 des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 22 zu der Brennkraftmaschine 24 auf. Das Synthesegas zusammen mit dem zweiten Teil 29 des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 22 werden miteinander kombiniert und mit Luft, die von einer Quelle einer Umgebungsluft geliefert wird, in der Gasmischereinheit 26 vermischt, bevor sie an die Brennkraftmaschine 24 zur Reduktion der NOx-Emissionen der Abgase geliefert werden. Das Reformersystem 12 enthält mehrere Strömungsleitungen der Abgase aus der Brennkraftmaschine 24.
-
Das Reformersystem 12 nach 2 weist ferner einen Brennstoff-Dampf-Vorwärm-Wärmetauscher 30 zur Vorwärmung des ersten Teils 27 des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 22 und der Dampfströmung 32 auf, bevor der erste Teil 27 des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 22 und die Dampfströmung 32 zu der Reformereinheit 20 geliefert werden. Der Brennstoff-Dampf-Vorwärm-Wärmetauscher 30 kann die Mischung aus dem ersten Teil 27 des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 22 und der Dampfströmung 32 auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 500 Grad erwärmen. Das Reformersystem 12 weist ferner einen Luft-Abgas-Vorwärm-Wärmetauscher 34 zum Vorwärmen einer Mischung 31 aus der Luftmischung 36 und der Abgasströmung 38 aus der Brennkraftmaschine 24 auf, bevor diese Mischung in die Reformereinheit 20 geliefert wird.
-
In der Reformereinheit 20 findet eine exotherme Reaktion statt, die zur Erzeugung von Synthesegas bei einer Temperatur von ungefähr 700 Grad Celsius an einem Ausgang der Reformereinheit 20 führt. Das Synthesegas mit einer Temperatur von ungefähr 700 Grad Celsius wird durch den Luft-Abgas-Vorwärm-Wärmetauscher 34 und den Brennstoff-Dampf-Vorwärm-Wärmetauscher 30 geleitet, um Mischungen aus Luft und/oder Abgas und Brennstoff und/oder Dampf vorzuwärmen, die in die Reformereinheit 20 eingeleitet werden. Das Synthesegas wird in dem Prozess der Vorwärmung der Mischungen aus Luft und/oder Abgasen und Brennstoff und/oder Dampf abgekühlt und wird in einer Ausführungsform, die einen Wärmetauscher 40 einer ersten Synthesegas-Kühlstufe und einen Wärmetauscher 42 einer zweiten Synthesegas-Kühlstufe verwendet, weiter abgekühlt, bevor es der Brennkraftmaschine 24 zugeführt wird. In einer Ausführungsform können sowohl der Wärmetauscher 40 der ersten Synthesegas-Kühlstufe als auch der Wärmetauscher 42 der zweiten Synthesegas-Kühlstufe ein zugeführtes kaltes Fluid, z.B. Kaltwasser, zur Kühlung des Synthesegases verwenden. Die in der Reformereinheit 20 verwendete Luftströmung 36 wird aus einer Quelle einer Umgebungsluft zugeführt, die zunächst durch einen Verdichter 37 verdichtet wird. Ferner kann die in der Reformereinheit 20 verwendete Dampfströmung 32 durch einen Dampfgenerator 50 bereitgestellt werden. Der Dampfgenerator 50 kann Wärme aus einer Strömung von Abgasen 48 zur Umwandlung von Wasser in Dampf nutzen. Dieses Wasser kann dem Dampfgenerator 50 aus einer Wasserquelle 51 unter Verwendung einer Pumpe 53 zugeführt werden. In den Fluidübertragungsleitungen des Reformersystems 12 können mehrere Steuerungsventile zur Steuerung des Durchflusses des Brennstoffs, des Dampfes und der verdichteten Luft verwendet werden. Ferner kann das Reformersystem 12 einen Abgaswärmetauscher 46 verwenden, der in einem Strömungsweg der Abgase 44 zu einem Abgasauslass 45 angeordnet ist.
-
Das Reformersystem 12 enthält einen oder mehrere Abwärmerückgewinnungswärmetauscher zur Extraktion von Abwärme, die sich in mehreren Strömungswegen des Reformersystems befindet. Es ist eine Anzahl von Stellen für Beispielszwecke dargestellt, wobei jedoch nicht alle diese Abwärmerückgewinnungswärmetauscher in jeder einzelnen Ausführungsform erforderlich sind. Einer der Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 14 ist in Fluidübertragungsverbindung mit einem Weg gezeigt, der das Synthesegas zwischen der Reformereinheit 20 und dem Luft-Abgas-Vorwärm-Wärmetauscher 34 führt. Ein weiterer Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 214 ist in Fluidübertragungsverbindung mit einem Weg gezeigt, der das Synthesegas zwischen dem Luft-Abgas-Vorwärm-Wärmetauscher 34 und dem Brennstoff-Dampf-Vorwärm-Wärmetauscher 30 führt. Noch ein weiterer Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 314 steht in Fluidübertragungsverbindung mit einem Weg zwischen dem Brennstoff-Dampf-Vorwärm-Wärmetauscher 30 und dem Wärmetauscher 40 der ersten Synthesegas-Kühlstufe, und ein Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 414 steht in Fluidübertragungsverbindung mit einem Weg zwischen den Wärmetauschern 40, 42 der ersten und der zweiten Synthesegas-Kühlstufe. Auf dem Weg von dem Reformerkreislauf zu dem Abgaskreislauf kann ein weiterer Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 514 in Fluidübertragungsverbindung mit einem Weg der Abgasströmung 44 zwischen der Abgasturbine 28 und dem Abgaswärmetauscher 46 stehen, und/oder der Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 614 kann in Fluidübertragungsverbindung mit einem Weg der Abgasströmung 44 zwischen dem Abgas-Wärmetauscher 46 und dem Abgasauslass 45 stehen. In einer weiteren Ausführungsform befindet sich ein Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 714 in einem Weg der Abgasströmung 52 zu dem Abgasauslass 45. Einer der in mehreren Strömungswegen des Reformersystems 12 angeordneten Abwärmerückgewinnungswärmetauscher und optional der Abgaswärmetauscher 46 können direkt in einem organischen Rankine-Kreislaufsystem verwendet werden, das bei dem Reformersystem 12 in einem (als 100 in 3 gezeigten) Abwärmerückgewinnungssystem integriert ist.
-
3 zeigt eine diagrammartige Darstellung eines Abwärmerückgewinnungssystems 100 mit wenigstens einem integrierten organischen Rankine-Kreislaufsystem 102, 104 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte Abwärmerückgewinnungssystem 100 enthält ein erstes organisches Rankine-Kreislaufsystem 102 (oberer Kreislauf) und ein zweites organisches Rankine-Kreislaufsystem 104 (unterer Kreislauf). Ein erstes organisches Arbeitsfluid wird durch das erste organische Rankine-Kreislaufsystem 102 umgewälzt. Das erste Arbeitsfluid kann beispielsweise Cyclohexan, Cyklopentan, Thiophen, Ketone, Aromate oder Kombinationen von diesen enthalten. Das erste organische Rankine-Kreislaufsystem 102 enthält einen Verdampfer 106, der mit dem Abgaswärmetauscher 46 des (in 2 gezeigten) Reformersystems 12 gekoppelt ist. In einem Beispiel kann die Temperatur der Abgase der (in 2 gezeigten) Brennkraftmaschine 24 in dem Temperaturbereich von ungefähr 400 bis 500 Grad Celsius liegen. Der Verdampfer 106 entnimmt Wärme aus dem Abgas aus der Brennkraftmaschine 24 und erzeugt einen ersten organischen Arbeitsfluiddampf. Der erste organische Arbeitsfluiddampf wird durch einen ersten Expander 108 geleitet (welcher in einem Beispiel einen Radialexpander aufweist), um eine erste Generatoreinheit 110 anzutreiben. In anderen Ausführungsformen kann der erste Expander 108 ein Axialexpander, ein Impulsexpander oder ein Hochtemperatur-Schraubenexpander sein. In der veranschaulichten Ausführungsform wird der erste organische Arbeitsfluiddampf nach Durchströmung des ersten Expanders 108 mit einem relativ niedrigen Druck und einer relativ niedrigen Temperatur durch eine heiße Seite 112 eines Rekuperators 114 zu einer kaskadierten Wärmetauschereinheit 116 geleitet. Der erste organische Arbeitsfluiddampf wird in seinen gesättigten Zustand zurückversetzt, oder die Überhitzungstemperatur wird reduziert, bevor er der kaskadierten Wärmetauschereinheit 116 zugeführt wird, in der der erste organische Arbeitsfluiddampf zu einer Flüssigkeit kondensiert wird. Eine erste Pumpe 118 wird verwendet, um die kondensierte Flüssigkeit aus der kaskadierten Wärmetauschereinheit 116 zu dem Verdampfer 16 über eine kalte Seite 120 des Rekuperators 114 zu pumpen. Das kondensierte Arbeitsfluid wird vorgeheizt, bevor es dem Verdampfer 106 zugeführt wird. Der Kreislauf wird dann wiederholt.
-
Die kaskadierte Wärmetauschereinheit 116 wird sowohl als ein Kondensator für das erste organische Rankine-Kreislaufsystem 102 als auch als Verdampfer für das zweite Rankine-Kreislaufsystem 104 verwendet. Ein zweites organisches Arbeitsfluid wird durch das zweite organische Rankine-Kreislaufsystem 104 umgewälzt. Das zweite organische Arbeitsfluid kann beispielsweise Propan, Butan, Pentafluorpropan, Pentafluorbutan, Pentafluorpolyether, Öl oder Kombinationen von diesen aufweisen. Es sollte beachtet werden, dass die Listen der ersten und zweiten organischen Arbeitsfluide nicht erschöpfend sind und andere in organischen Rankine-Kreisläufen verwendbaren organischen Arbeitsfluide ebenfalls in Betracht gezogen werden. In bestimmten anderen Ausführungsformen weist das erste oder das zweite Arbeitsfluid ein binäres Fluid auf. Das binäre Fluid kann beispielsweise Cyclohexanpropan, Cyclohexanbutan, Cyclopentanbutan oder Cyclopentan-pentafluorpropan aufweisen. Die kaskadierte Wärmetauschereinheit 116 kann mit einem beliebigen einzelnen oder mit mehreren der Mehrzahl von Abwärmerückgewinnungswärmetauschern 14 des (in 2 gezeigten) Reformersystems 12 gekoppelt sein. Abhängig von der Lage in dem Reformersystem 12 kann die Temperatur der Abwärme aus dem wenigstens einen Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 14 in dem Bereich von ungefähr 300 Grad Celsius bis ungefähr 700 Grad Celsius liegen. Die kaskadierte Wärmetauschereinheit 116 entnimmt Wärme aus dem ersten organischen Arbeitsfluid und erzeugt einen zweiten organischen Arbeitsfluiddampf. Der zweite organische Arbeitsfluiddampf wird durch einen zweiten Expander 122 geleitet (der in einem Beispiel einen Schraubenverdichter aufweist), um eine zweite Generatoreinheit 124 anzutreiben. In bestimmten anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der zweite Expander 122 ein Radialexpander, ein Axialexpander oder ein Impulsexpander sein. In bestimmten anderen beispielhaften Ausführungsformen sind der erste Expander 108 und der zweite Expander 122 mit der (in 1 gezeigten) einzigen Generatoreinheit 23 gekoppelt.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform wird keines von dem ersten und zweiten Arbeitsfluid unterhalb des atmosphärischen Drucks expandiert, und die Siedepunkttemperatur des ersten organischen Arbeitsfluids liegt unterhalb der durchschnittlichen Temperatur der Abwärme aus den mehreren Abwärmerückgewinnungswärmetauschern 14. Der zweite organische Arbeitsfluiddampf wird, nachdem er den zweiten Expander 122 durchströmt hat, bei geringerem Druck und geringerer Temperatur durch eine heiße Seite 126 eines Rekuperators 128 zu einem Kondensator 130 geleitet. In anderen Worten wird der zweite Arbeitsfluiddampf in seinen gesättigten Zustand zurückversetzt, oder die Überhitzungstemperatur wird reduziert, bevor er der kaskadierten Wärmetauschereinheit 116 zugeführt wird. Der zweite organische Arbeitsfluiddampf wird anschließend zu einer Flüssigkeit kondensiert. Eine Pumpe 132 wird verwendet, um (wie in 2 gezeigt) das kondensierte Arbeitsfluid aus dem Kondensator 130 zu den mehreren Abwärmerückgewinnungswärmetauschern 14 über eine kalte Seite 134 des Rekuperators 128 zu pumpen. In anderen Worten wird (wie in 2 gezeigt) das kondensierte zweite Arbeitsfluid vorgeheizt, bevor es den mehreren Abwärmerückgewinnungswärmetauschern 14 zugeführt wird. Der Kreislauf wird dann wiederholt.
-
Obwohl in der veranschaulichten Ausführungsform zwei Rekuperatoren 114, 128 jeweils für das erste organische Rankine-Kreislaufsystem 102 bzw. das zweite organische Rankine-Kreislaufsystem 104 vorgesehen sind, kann in bestimmten anderen Ausführungsformen ein einziger Rekuperator entweder für das erste organische Rankine-Kreislaufsystem 102 oder für das zweite organische Rankine-Kreislaufsystem 104 vorgesehen sein. Die Verwendung eines Rekuperators in einem oder beiden der Hoch- und Niedertemperaturkreisläufe eines kaskadierten organischen Rankine-Kreislaufs schafft eine Steigerung der Kreislaufnettoausgangsleistung bei reduzierten spezifischen Kosten.
-
Das kaskadierte organische Rankine-Kreislaufsystem erleichtert die Wärmerückgewinnung in einem Temperaturbereich, der zu groß für eine effiziente Bewältigung durch ein einzelnes organisches Rankine-Kreislaufsystem ist. In einer Ausführungsform sind die (in 2 gezeigten) Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 14 entlang eines einzelnen Kühlkreislaufs, in dem das zweite organische Arbeitsfluid erwärmt und teilweise verdampft wird, eingekoppelt. Die veranschaulichte Anordnung der Abwärmerückgewinnungswärmetauscher 14 (wie in 2 gezeigt) ermöglicht eine effektive Wärmeabführung aus den mehreren Fluidübertragungsverbindungen in dem (in 2 gezeigten) Reformersystem 12. Dies ergibt in dem (in 1 gezeigten) Energieerzeugungssystem 10 eine effektive Umsetzung der Abwärme in Elektrizität.
-
Durch Nutzung der Abwärme aus dem Reformersystem ermöglicht die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise die Erzeugung zusätzlicher Elektrizität. Außerdem sorgt die Integration des Reformersystems mit dem Abwärmerückgewinnungssystem und der Brennkraftmaschine für eine verbesserte Betriebseffizienz.
-
Fachleute werden darüber hinaus die Austauschbarkeit verschiedener Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen erkennen. Ebenso können die verschiedenen beschriebenen Verfahrensschritte und Merkmale, wie auch andere bekannte Äquivalente für jedes solches Verfahren und Merkmal von Durchschnittsfachleuten kombiniert und angepasst werden, um gemäß den Prinzipien dieser Offenbarung weitere Systeme und Verfahren zu schaffen. Es sollte selbstverständlich verstanden werden, dass möglicherweise nicht alle der vorstehend beschriebenen Ziele und Vorteile gemäß jeder bestimmten Ausführungsform erreicht werden. Fachleute werden daher zum Beispiel erkennen, dass die hier beschriebenen Systeme und Verfahren in einer Weise ausgeführt oder umgesetzt werden können, die einen hier beschriebenen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen erreicht oder optimiert, ohne notwendigerweise andere der hier vermittelten oder vorgebrachten Ziele oder Vorteile zu erreichen.
-
Während hier nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleuten zahlreiche Abwandlungen und Änderungen einfallen. Es versteht sich von daher, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken sollen, die in den wahren Rahmen der Erfindung fallen.
-
Es ist ein Energieerzeugungssystem geschaffen. Das Energieerzeugungssystem enthält ein Reformersystem zur Erzeugung von Synthesegas für eine Brennkraftmaschine. Das Reformersystem enthält eine Reformereinheit mit einem Katalysator zur thermochemischen Umwandlung eines ersten Teils eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs in Synthesegas. Das Energieerzeugungssystem enthält ferner ein Abwärmerückgewinnungssystem, das wenigstens einen organischen Rankine-Kreislauf-Strömungsweg eines Arbeitsfluids, wenigstens einen Abwärmerückgewinnungswärmetauscher zur Extraktion von Abwärme aus dem Reformersystem und wenigstens einen Verdampfer zur Verwendung der extrahierten Abwärme zur Erwärmung des Arbeitsfluids enthält.