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WO2011020767A1 - Verfahren und vorrichtung zur verwertung von biomassse - Google Patents

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WO2011020767A1
WO2011020767A1 PCT/EP2010/061753 EP2010061753W WO2011020767A1 WO 2011020767 A1 WO2011020767 A1 WO 2011020767A1 EP 2010061753 W EP2010061753 W EP 2010061753W WO 2011020767 A1 WO2011020767 A1 WO 2011020767A1
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WO
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gas
thermal energy
turbine
gas turbine
downstream
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/061753
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dragan Stevanovic´
Sven Johannssen
Reinhard Pritscher
Original Assignee
Krones Ag
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Publication date
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Priority to EA201290057A priority patent/EA201290057A1/ru
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Priority to AU2010285055A priority patent/AU2010285055B2/en
Priority to UAA201203399A priority patent/UA107196C2/uk
Priority to CA2771145A priority patent/CA2771145A1/en
Priority to JP2012525138A priority patent/JP5580897B2/ja
Priority to BR112012003584A priority patent/BR112012003584A2/pt
Priority to US13/390,655 priority patent/US8621872B2/en
Priority to CN201080037009.XA priority patent/CN102482996B/zh
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Definitions

  • DE 100 39 246 C2 relates to a method for converting thermal energy into mechanical work, wherein a first and a second means for storing thermal energy are switched on alternately in a turbine branch.
  • the disadvantage here is the formation of dust in the flue gases, which must be removed for example by means of a cyclone.
  • DE 102 27 074 A1 describes a method for the gasification of biomass and a system for this purpose.
  • the substances are burned in a gas-tightly separated from a gasification reactor combustion chamber and introduced the heat energy from the combustion chamber in the gasification reactor.
  • DE 198 36 428 C2 discloses methods and apparatus for gasification of biomass, in particular of wood pulp.
  • a fixed bed Degassing at temperatures up to 600 0 C and in a downstream second gasification stage, a fluidized bed gasification at temperatures between 800 0 C and 100O 0 C.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a method and apparatus for converting thermal energy from combustion or gasification of carbonaceous raw materials into mechanical work available, which has a high efficiency and high efficiency while avoiding dust in the Allow flue gases. Furthermore, a method is to be created, which feeds the resulting energies, in particular waste heat, in turn to the process.
  • a gasification of the carbonaceous raw materials takes place in a gasifier and the product gas is supplied to the gasifier downstream gas burner.
  • the use of a carburettor before the step of combustion in the gas burner enables in particular a significant reduction of dust, in particular fine dust in the flue gases.
  • a reduced dust content allows the use of higher temperatures during gas combustion.
  • a higher efficiency in power generation can be achieved.
  • the reduction of fine dust also has a positive effect on the service life of the gas turbine.
  • downstream is understood in particular to be a downstream in relation to the respective gases to be processed.
  • the gas burner is connected directly downstream of the gasifier.
  • heated water vapor or air or a mixture of water vapor and air is introduced into the gasifier as gasification agent and used for gasification.
  • the gasifier is advantageously fed to a further gaseous medium as combustion gas.
  • combustion gas comes z.
  • hot air oxygen, oxygen-enriched air and the like into consideration.
  • At least one further heat exchanger arranged downstream of a compressor of the gas turbine is advantageously provided, which at least partially cools supplied hot air and supplies it as cold air to the first and / or second device for storing thermal energy.
  • this is intended to ensure an increase in efficiency of the stored energy.
  • by cooling the air the temperature of the flue gas - A - ses be reduced.
  • the saturated steam is generated by means of a gas turbine downstream heat exchanger before it is fed to the carburetor.
  • Cooling is preferably effected by means of at least one heat exchanger and the thermal energy obtained by the cooling is decoupled as usable heat. This further contributes to environmental compatibility and to increasing the efficiency of the process.
  • a gas burner for burning a fuel at least a first and a second means for storing thermal energy, which at least temporarily alternately in a turbine branch with a downstream gas turbine or its expander are switched on and at least one connecting line, which supplies flue gases formed in the gas burner to the devices for storing thermal energy, wherein the gas burner is preceded by a carburetor for generating the fuel.
  • the apparatus comprises a compressor for compressing the air supplied to the devices for storing thermal energy, wherein this compressor is particularly preferably part of the gas turbine.
  • the flue gases arise during the combustion of a product gas, which in turn is produced in a gasifier.
  • a temporary alternately switching on of the devices for storing thermal energy is understood to mean that at least partially in selected periods of time one of the two devices is supplied with flue gas, while the other device delivers hot air to the gas turbine.
  • a plurality of devices for storing thermal energy may be provided, which operate at least partially with a time delay.
  • one of these means for storing thermal energy may be supplied with flue gas while one or more of the other devices is releasing the hot air.
  • the devices for storing thermal energy work at least partially delayed.
  • the turbine branch downstream means are provided for cooling a gas.
  • These means for cooling the gas are preferably heat exchangers, which, as mentioned above, can simultaneously heat air, so as to produce hot air, which can be supplied to the gasifier.
  • these means saturated steam can be generated, which can also be supplied to the gasifier.
  • These alternately switching-on means may, for example, be a multiplicity of controllable valves, which in each case permit the flue gas to be fed alternately into the means for storing thermal energy or allow alternate discharge of heated air to the gas turbine.
  • temperature sensors can be provided, which respectively measure the temperatures at corresponding points of the devices for storing thermal energy and switch the corresponding valves in response to these measurements, so that optimal supply of the gas turbines with hot air is made possible at all times and furthermore an efficient one Recharging the means for storing thermal energy is enabled.
  • the gas turbine or a part thereof preferably also acts as a compressor to compress supplied air and to supply cold air to be heated in turn to the devices for storing thermal energy.
  • the gas turbine is connected downstream of at least one heat exchanger.
  • At least one and preferably a plurality of heat exchangers for decoupling thermal energy is switched on between the gas turbine and the gasifier.
  • the gas turbine downstream of another steam turbine.
  • the hot air from the first gas turbine can be used again to generate electricity.
  • the current efficiency can be further improved.
  • Fig. 1 is a first flowchart
  • Fig. 2 is a second flowchart
  • Fig. 3 is a third flowchart.
  • Fig. 1 shows a schematic flow diagram of the use of a device according to the invention for the conversion of thermal energy from carbonaceous raw materials into mechanical work.
  • the reference numeral 1 refers to a fixed bed countercurrent reactor.
  • the raw material 14 is introduced from above into the reactor 1 and the gasification agent (e.g., air) is fed along a supply line 16 from below. In this way it is achieved that the gasification agent and the product gas flow through the reaction space in the opposite direction to the fuel flow.
  • the resulting ash in the carburetor 1 is discharged downwards, that is, along the arrow P1.
  • the product gas enters the gas burner 2 and is burned. Subsequently, the resulting in the gas burner 2 flue gases are passed through a connecting line 3 in a first 4 or second 6 Schüttgutregenerator and supplied by the bulk regenerators 4,6 hot air 7 via a line 21 to a gas turbine 8.
  • a generator G is arranged on the gas turbine 8.
  • the reference numeral 23 denotes a discharge pipe for discharging the flue gas generated in the means 4, 6 for storing thermal energy.
  • air is supplied via the line 25 of the gas turbine 8 and passed through a further heat exchanger 15 to be supplied as cold air in bulk regenerators 4 and 6.
  • the reference numeral 61 designates a valve-like means between the compressor and a gas turbine engine expander for turning off the turbine branch. Between the turbine and the heat exchanger 15, a water supply is possible. In this branch, another valve 63 is provided.
  • heat exchangers 1 1, 12 and 13 are turned on to supply heated both air and water as a gasification agent to the fixed bed countercurrent reactor 1.
  • a cooling is effected by means of at least one heat exchanger 13 and the thermal energy obtained by the cooling is decoupled as usable heat.
  • the heat exchanger 13 is directly downstream of the turbine branch T. By means of this device, it is possible to use the decoupled heat (for hot water production) at a higher temperature level.
  • the heat exchanger 1 1, 12 for heating air and water as a gasification agent are connected downstream.
  • the order of the heat exchangers is changed in the two embodiments shown. While in the embodiment shown in Figure 1, the first heat exchanger 12, which receives the combustion air with the highest temperature, for generating hot air, the next heat exchanger 1 1 for generating saturated steam and the last heat exchanger 13 for generating heat, is in the shown in Figure 2 with the hottest air generates heat and then hot air or saturated steam. Furthermore, it would also be possible to exchange the two heat exchangers 12 and 1 1 with respect to their order.
  • the reference numeral 58 in the two figures refers to a pump for conveying water.
  • the reference numeral 10 in the figures refers to the combustion gas and the reference numeral 9 designates the saturated steam.

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Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit mit wenigstens einer ersten (4) und einer zweiten (6) Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig (T) mit einer nachgeschalteten Gasturbine (8) eingeschaltet werden, mit folgenden Schritten: a) Verbrennen eines Gases in einem Gasbrenner (2), b) Durchleiten der in dem Gasbrenner (2) entstandenen Rauchgase (3) durch eine Einrichtung (4, 6) zum Speichern thermischer Energie, und c) Einleiten der von wenigstens einer Einrichtung (4, 6) abgegebenen Heißluft (7) in die Gasturbine (8), wobei in einem ersten Schritt eine Vergasung der kohlenstoffhaltigen Rohstoffe in einem Vergaser (1) erfolgt und das Produktgas der dem Vergaser (1) nachgeschalteten Gasbrenner (2) zugeführt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verwertung von Biomasse Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Biomasse beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere kohlenstoffhaltige Produkte verwendet werden kann.
Die DE 100 39 246 C2 betrifft ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit, wobei ein erstes und ein zweites Mittel zum Speichern thermischer Energie wechselweise in einen Turbinenzweig eingeschaltet werden. Als nachteilig erweist sich dabei die Bildung von Staub in den Rauchgasen, welcher beispielsweise mittels eines Zyklons entfernt werden muss.
Die DE 102 27 074 A1 beschreibt ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse und eine Anlage hierzu. Dabei werden die Substanzen in einer von einem Vergasungsreaktor gasdicht getrennten Verbrennungskammer verbrannt und die Wärmeenergie aus der Verbrennungskammer in den Vergasungsreaktor eingeführt.
Die DE 198 36 428 C2 offenbart Verfahren und Vorrichtungen zum Vergasen von Biomasse, insbesondere von Holzstoffen. Dabei erfolgt in einer ersten Vergasungsstufe eine Festbett- entgasung bei Temperaturen bis zu 6000C und in einer nachgeschalteten zweiten Vergasungsstufe eine Wirbelschichtvergasung bei Temperaturen zwischen 8000C und 100O0C.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umsetzung von thermischer Energie aus Verbrennung bzw. Vergasung kohle- stoffhaltiger Rohstoffe in mechanische Arbeit zur Verfügung zu stellen, welche eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad unter Vermeidung von Staub in den Rauchgasen ermöglichen. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden, welches entstehende Energien, insbesondere Abwärme, wiederum dem Prozess zuführt.
Dies wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Einrichtung zum Speichern thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig mit einer nachgeschalteten Gasturbine eingeschaltet werden, folgende Schritte aufweist:
a) Verbrennen eines Gases in einem Gasbrenner,
b) Durchleiten der in dem Gasbrenner entstandenen Rauchgase durch eine Einrichtung zum Speichern thermischer Energie, und
c) Einleiten der von einer Einrichtung zum Speichern von thermischer Energie abgegebenen Heißluft in die Gasturbine bzw. deren Expander,
wobei in einem ersten Schritt eine Vergasung der kohlenstoffhaltigen Rohstoffe in einem Vergaser erfolgt und das Produktgas dem Vergaser nachgeschalteten Gasbrenner zugeführt wird. Die Verwendung eines Vergasers vor dem Schritt der Verbrennung in dem Gasbrenner ermöglicht insbesondere eine deutliche Verminderung von Staub, insbesondere Feinstaub in den Rauchgasen. Zudem gestattet ein verminderter Staubanteil die Anwendung höherer Temperaturen bei der Gasverbrennung. Daneben kann ein höherer Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung erzielt werden. Die Verminderung des Feinstaubs wirkt sich zudem positiv auf die Lebensdauer der Gasturbine aus. Unter dem Begriff Nachschalten wird insbesondere ein Nachschalten in Bezug auf die jeweils zu verarbeitenden Gase verstanden. Vorzugsweise ist der Gasbrenner dem Vergaser unmittelbar nachgeschaltet. Bevorzugt ist die Einrichtung zum Speichern thermischer Energie auch zur Abgabe der gespeicherten thermischen Energie, beispielsweise in Form von Heißluft, geeignet. Damit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Produktgas für den Gasbrenner aus einem zusätzlichen Vergasungsprozess zu gewinnen, so dass insoweit keine zusätzlichen Staubpartikel, wie im Stand der Technik, entstehen. Unter dem Einschalten in den Turbinenzweig wird damit insbesondere verstanden, dass die in den Mitteln zum Speichern thermischer Energie gewonnene Heißluft bevorzugt an die Gasturbine abgegeben wird.
Als Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie können insbesondere Schüttgutgeneratoren eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der EP 0 620 909 B1 oder der
DE 42 36 619 C2 beschrieben wurden.
Bevorzugt wird als Vergasungsmittel erhitzter Wasserdampf oder Luft oder eine Mischung aus Wasserdampf und Luft in den Vergaser eingeführt und zur Vergasung verwendet. Gemeinsam mit dem Wasserdampf wird dem Vergaser vorteilhaft ein weiteres gasförmiges Medium als Verbrennungsgas zugeführt. Als Verbrennungsgas kommt z. B. Heißluft, Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft und dergleichen in Betracht.
Vorzugsweise wird als Vergaser ein Festbett - Gegenstrom - Vergaser verwendet. Grundsätzlich können verschiedene Vergasertypen nach dem Stand der Technik eingesetzt werden. Der besondere Vorteil eines Gegenstromfestbettvergasers besteht jedoch darin, dass sich innerhalb dieses Reaktors einzelne Zonen herausbilden, in denen unterschiedliche Temperaturen und somit unterschiedliche Prozesse auftreten. Die unterschiedlichen Temperaturen beruhen darauf, dass die jeweiligen Prozesse stark endotherm sind und die Wärme nur von unten kommt.
Vorteilhaft ist mindestens ein weiterer einem Verdichter der Gasturbine nachgeschalteter Wärmetauscher vorgesehen, welcher zugeführte Heißluft zumindest teilweise abkühlt und als Kaltluft der ersten und/oder zweiten Einrichtung zum Speichern thermischer Energie zuführt. Zum eine soll dadurch eine Effizienzerhöhung der gespeicherten Energie gewährleistet werden. Andererseits kann durch das Abkühlen der Luft auch die Temperatur des Rauchga- - A - ses reduziert werden.
Des Weiteren bevorzugt ist dem Verdichter der Gasturbine nachgeschaltet eine
Wassereindüsung vorgesehen ist.
Bevorzugt ist wenigstens ein ventilartiges Mittel zwischen dem Verdichter und einem
Entspanner der Gasturbine zum Ausschalten des Turbinenzweigs vorgesehen. Das ventilartige Mittel dient der Notabschaltung und ist vorzugsweise in einem Bypass zwischen einer zuführenden zum Entspanner und einer abführenden Leitung vom Verdichter der Gasturbine angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abwärme aus wenigstens einem der Vergasung folgenden Prozesse für eine Sattdampferzeugung verwendet. Dies betrifft insbesondere das Zuleiten der Abwärme zu mindestens einem der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauscher, mit dem Wasser erhitzt wird. Ebenso ist ein Wärmetauscher zur Erwärmung von Luft vorgesehen.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Abwärme spendenden Gas um jenes Gas, welches aus der Gasturbine austritt und noch eine sehr hohe Temperatur aufweist.
Dabei wird der Sattdampf mittels eines der Gasturbine nachgeschalteten Wärmetauschers erzeugt, bevor er dem Vergaser zugeführt wird.
Bevorzugt wird mittels mindestens eines Wärmetauschers eine Abkühlung bewirkt und die durch die Abkühlung gewonnene thermische Energie als nutzbare Wärme ausgekoppelt. Dies trägt weiter zur Umweltverträglichkeit sowie zur Steigerung der Effizienz des Verfahrens bei.
Vorzugsweise wird entspannte Heißluft aus der Turbine dem Gasbrenner erneut zugeführt, um die Effizienz des Verfahrens weiter zu erhöhen. So kann beispielsweise Verbrennungsluft, welche die Gasturbine verlässt, wiederum über eine entsprechende Zuführleitung dem Gasbrenner zugeführt werden. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird mittels einer weiteren Dampfturbine entspannte Heißluft aus der Gasturbine zur Energieerzeugung verwendet. Dabei könnte diese zusätzliche Dampfturbine in einen separaten Wasserkreislauf eingebunden werden und das Wasser in diesem Kreislauf durch einen Wärmetauscher verdampft und überhitzt werden. Nach dem Austritt aus der Dampfturbine, wird der Dampf kondensiert und in flüssigem Zustand von einer Pumpe komprimiert, bevor er wieder über den Wärmetauscher läuft.
Erfindungsgemäß sind für die Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit ein Gasbrenner zum Verbrennen eines Brennstoffes, wenigstens eine erste und eine zweite Einrichtung zum Speichern thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig mit einer nachgeschalteten Gasturbine bzw. deren Expander einschaltbar sind und wenigstens eine Verbindungsleitung, welche in dem Gasbrenner entstehende Rauchgase den Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie zuführt, vorgesehen, wobei dem Gasbrenner ein Vergaser zum Erzeugen des Brennstoffes vorgeschaltet ist.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung einen Verdichter zum Verdichten der den Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie zugeführten Luft auf, wobei dieser Verdichter besonders bevorzugt Bestandteil der Gasturbine ist.
Damit wird auch vorrichtungsseitig vorgeschlagen, dass die Rauchgase bei der Verbrennung eines Produktgases entstehen, welches wiederum in einem Vergaser erzeugt wird. Unter einem zeitweise wechselweisen Einschalten der Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie wird verstanden, dass zumindest teilweise in ausgewählten Zeiträumen eine der beiden Einrichtungen mit Rauchgas versorgt wird, während die andere Einrichtung Heißluft an die Gasturbine abgibt. Weiterhin wäre es auch möglich, dass eine Vielzahl von Einrichtungen zum Speichern von thermischer Energie vorgesehen ist, welche zumindest teilweise zeitversetzt arbeiten. So kann beispielsweise eine dieser Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie mit Rauchgas versorgt werden, während eine oder mehrere der anderen Einrichtungen die Heißluft abgeben. Auch hinsichtlich der Abgabe von Heißluft arbeiten die Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie zumindest teilweise zeitversetzt.
Bevorzugt sind dem Turbinenzweig nachgeschaltete Mittel zum Abkühlen eines Gases vorgesehen. Diese Mittel zum Abkühlen des Gases sind dabei vorzugsweise Wärmetauscher, welche, wie oben erwähnt, gleichzeitig Luft erwärmen können, um so Heißluft zu erzeugen, welche dem Vergaser zugeführt werden kann. Weiterhin kann mit diesen Mitteln Sattdampf erzeugt werden, der ebenfalls dem Vergaser zugeführt werden kann.
Weiterhin ist vorzugsweise ein Mittel zum wechselweisen Einschalten wenigstens einer ersten Einrichtung und wenigstens einer zweiten Einrichtung in den Turbinenzweig vorgesehen.
Bei diesen Mitteln zum wechselweisen Einschalten kann es sich beispielsweise um eine Vielzahl von steuerbaren Ventilen handeln, die jeweils ein wechselweises Zuführen von Rauchgas in die Mittel zum Speichern thermischer Energie ermöglichen beziehungsweise ein wechselweises Abgeben von erhitzter Luft an die Gasturbine erlauben. Weiterhin können Temperatursensoren vorgesehen sein, die jeweils an entsprechenden Stellen der Vorrichtungen zum Speichern thermischer Energie die Temperaturen messen und in Reaktion auf diese Messungen die entsprechenden Ventile schalten, so dass zu jedem Zeitpunkt eine optimale Versorgung der Gasturbinen mit Heißluft ermöglicht wird und weiterhin auch ein effizientes Wiederaufladen der Mittel zum Speichern von thermischer Energie ermöglicht wird.
Weiterhin wirkt die Gasturbine bzw. ein Teil derselben bevorzugt auch als Kompressor, um zugeführte Luft zu komprimieren und um den Einrichtungen zum Speichern thermischer Energie wiederum zu erwärmende Kaltluft zuzuführen. Besonders bevorzugt ist der Gasturbine mindestens ein Wärmetauscher nachgeschaltet.
Dabei ist vorzugsweise zwischen die Gasturbine und dem Vergaser mindestens ein und bevorzugt mehrere Wärmetauscher zur Auskopplung thermischer Energie eingeschaltet.
Bevorzugt besteht zwar keine unmittelbare Gasverbindung zwischen der Gasturbine und dem Vergaser. Mittels des Wärmetauschers wird jedoch thermische Energie der von der Gasturbine abgegebenen Gase auf andere Mittel wie den Sattdampf und die Heißluft übertragen und diese Medien werden wie oben erwähnt wiederum dem Vergaser zugeführt. Weiterhin ist vorzugsweise eine Verbindungsleitung zwischen der Gasturbine und dem Gasbrenner vorgesehen, so dass aus der Gasturbine austretende Verbrennungsluft wiederum dem Gasbrenner zugeführt werden kann, um den Verbrennungsvorgang in dem Gasbrenner noch effizienter zu gestalten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Gasturbine eine weitere Dampfturbine nachgeschaltet. Durch diese nachgeschaltete Turbine kann die Heißluft aus der ersten Gasturbine noch einmal zur Stromerzeugung verwendet werden. So kann die Stromausbeute weiter verbessert werden.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Flussdiagramm; und
Fig. 2 ein zweites Flussdiagramm; und
Fig. 3 ein drittes Flussdiagramm.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm der Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 1 auf einen Festbettgegenstrom- reaktor. Der Rohstoff 14 wird von oben in den Reaktor 1 eingegeben und das Vergasungsmittel (z.B. Luft) entlang einer Zuleitung 16 von unten. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Vergasungsmittel und das Produktgas den Reaktionsraum in entgegengesetzter Richtung zu dem Brennstoffstrom durchströmen. Die in dem Vergaser 1 entstehende Asche wird nach unten, das heißt entlang des Pfeils P1 , abgeführt.
Das Produktgas gelangt in den Gasbrenner 2 und wird verbrannt. Anschließend werden die in den Gasbrenner 2 entstandenen Rauchgase durch eine Verbindungsleitung 3 in einen ersten 4 oder zweiten 6 Schüttgutregenerator geleitet und die von den Schüttgutregeneratoren 4,6 abgegebene Heißluft 7 über eine Leitung 21 einer Gasturbine 8 zugeführt. Im Turbinenzweig T ist ein Generator G auf der Gasturbine 8 angeordnet. Das Bezugszeichen 23 kennzeichnet eine Abführleitung zum Abführen des in den Mitteln 4, 6 zum Speichern thermischer Energie entstehenden Rauchgases.
Vom ersten Regenerator 4 führt eine Leitung 22 zur Gasturbine 8. Die aus der Gasturbine 8 austretende Abluft wird über eine weitere Leitung 26 dem Gasbrenner 2 als vorgewärmte Verbrennungsluft zugeführt. Mittels einer hier nicht gezeigten Vorrichtung können der erste 4 und der zweite Regenerator 6 wechselweise im Turbinenzweig T bzw. in einem sogenannten Vorwärmzweig betrieben werden. Das Bezugszeichen 60 bezieht sich auf einen Generator, der mit der Turbine 8 gekoppelt ist.
Die Bezugszeichen 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 beziehen sich jeweils auf steuerbare Ventile, die die Zuführung des Rauchgases an die Schüttgutregeneratoren 4,6 (Ventile 44 und 46) sowie die Abgabe der Heißluft von Schüttgutregeneratoren 4,6 an die Gasturbine 8 (Ventile 36 und 42), die Abgabe von Rauchgas (Ventile 32 und 38) sowie auch umgekehrt die Zuführung von Kaltluft (Ventile 34 und 40) an die Schüttgutregeneratoren 4,6 steuern. Die jeweils schwarz eingezeichneten Ventile sind dabei in einem geöffneten Zustand und die lediglich umrandeten Ventile in einem geschlossenen Zustand. Die Bezugszeichen 52, 54, 56 beziehen sich jeweils auf Kompressoren bzw. Gebläse, um Luft (Bezugszeichen 56), Rauchgas (Bezugszeichen 52) und Abluft (Bezugszeichen 54) zu komprimieren beziehungsweise zu fördern.
Weiterhin wird Luft über die Leitung 25 der Gasturbine 8 zugeführt und über einen weiteren Wärmetauscher 15 geführt, um als Kaltluft in Schüttgutregeneratoren 4 und 6 zugeführt zu werden.
Durch Verwendung des Vergasers 1 kann auf eine aufwändige Entstaubung der Rauchgase 3 verzichtet werden.
Das Bezugszeichen 61 kennzeichnet ein ventilartiges Mittel zwischen dem Verdichter und einem Entspanner der Gasturbine zum Ausschalten des Turbinenzweigs. Zwischen der Turbine und dem Wärmetauscher 15 ist eine Wassereinspeisung möglich. In diesem Zweig ist ein weiteres Ventil 63 vorgesehen.
In eine von der Gasturbine 8 führenden Leitung 26 sind Wärmetauscher 1 1 , 12 und 13 eingeschaltet, um sowohl Luft als auch Wasser als Vergasungsmittel dem Festbett- Gegenstrom-Reaktor 1 erhitzt zuzuführen. Zudem wird mittels mindestens eines Wärmetauschers 13 eine Abkühlung bewirkt und die durch die Abkühlung gewonnene thermische Energie als nutzbare Wärme ausgekoppelt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 13 unmittelbar dem Turbinenzweig T nachgeschaltet. Mittels dieser Vorrichtung ist es möglich, die ausgekoppelte Wärme (zur Warmwassererzeugung) auf einem höheren Temperaturniveau zu nutzen. Die Wärmetauscher 1 1 , 12 zur Erhitzung von Luft und Wasser als Vergasungsmittel sind dabei nachgeschaltet.
Damit ist in den beiden gezeigten Ausgestaltungen die Reihenfolge der Wärmetauscher geändert. Während bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform der erste Wärmetauscher 12, welcher die Verbrennungsluft mit der höchsten Temperatur aufnimmt, zur Erzeugung von Heißluft dient, der nächste Wärmetauscher 1 1 zur Erzeugung von Sattdampf und der letzte Wärmetauscher 13 zur Erzeugung von Wärme, wird bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform mit der heißesten Luft Wärme erzeugt und anschließend Heißluft beziehungsweise Sattdampf. Weiterhin wäre es auch möglich, die beiden Wärmetauscher 12 und 1 1 hinsichtlich ihrer Reihenfolge zu vertauschen. Das Bezugszeichen 58 in den beiden Figuren bezieht sich auf eine Pumpe zum Fördern von Wasser. Das Bezugszeichen 10 in den Figuren bezieht sich auf das Verbrennungsgas und das Bezugszeichen 9 bezeichnet den Sattdampf.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein weiterer Kreislauf 70 vorgesehen, der der Gasturbine 8 nachgeschaltet ist. Genauer wird die Heißluft aus der Gasturbine 8 durch einen Wärmetauscher 71 geführt, der in diesen Kreislauf 70 integriert ist. Durch den Wärmetauscher wird Wasser des Kreislaufs 70 erhitzt und einer Dampfturbine 72 zugeführt, welche wiederum einen Generator 74 antreibt. Das Bezugszeichen 78 bezieht sich auf eine Pumpe und das Bezugszeichen 76 auf einen Kondensator. Durch diese Vorgehensweise kann die Stromausbeute der Anlage weiter erhöht werden.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Bezugszeichenliste
1 Vergaser
2 Gasbrenner
3 Rauchgase, Verbindungsleitung
4 Erste Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie
6 Zweite Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie
7 Heißluft, Verbindungsleitung
8 Gasturbine
9 Sattdampf
10 Heißluft
1 1 , 12,
13, 15 Wärmetauscher
14 kohlenstoffhaltiger Rohstoff
16 Zuleitung für Vergasungsmittel
21 , 22 Zuleitung zur Gasturbine
25 Leitung
26 Zuleitung zu Wärmetauschern
32, 34, 36,
38, 40, 42,
44, 46 steuerbare Ventile
52, 54, 56 Gebläse
58, 78 Pumpe
60 Generator
61 Ventil
63 Ventil
70 Kreislauf
71 Wärmetauscher
72 Dampfturbine
74 Generator
76 Kondensator
P1 Richtungspfeil
T Turbinenzweig

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen in mechanische Arbeit mit wenigstens einer ersten (4) und einer zweiten (6) Einrichtung zum Speichern und zur Abgabe thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig (T) mit einer nachgeschalteten Gasturbine (8) eingeschaltet werden,
mit folgenden Schritten:
a) Verbrennen eines Gases in einem Gasbrenner (2),
b) Durchleiten der in dem Gasbrenner (2) entstandenen Rauchgase (3) durch eine Einrichtung (4,6) zum Speichern thermischer Energie, und
c) Einleiten der von wenigstens einer Einrichtung (4,6) abgegebenen Heißluft (7) in die Gasturbine (8),
dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem ersten Schritt eine Vergasung der kohlenstoffhaltigen Rohstoffe in einem Vergaser (1 ) erfolgt und
- das Produktgas dem Vergaser (1 ) nachgeschalteten Gasbrenner (2) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
erhitzter Wasserdampf (9) und/oder Luft in den Vergaser (1 ) eingeführt und zur Vergasung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Vergaser (1 ) gemeinsam mit dem Wasserdampf (9) ein weiteres gasförmiges Medium als Verbrennungsgas (10) zugeführt wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Vergaser (1) ein Festbett - Gegenstrom - Vergaser (1) verwendet wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abwärme aus wenigstens einem der Vergasung folgenden Prozesse für eine Sattdampferzeugung verwendet wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Sattdampf (9) mittels eines der Gasturbine (8) nachgeschalteten Wärmetauschers (11) erzeugt wird, bevor er dem Vergaser (1) zugeführt wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels mindestens eines Wärmetauschers (13) eine Abkühlung bewirkt und die durch die Abkühlung gewonnene thermische Energie als nutzbare Wärme ausgekoppelt wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
entspannte Heißluft aus der Gasturbine (8) dem Gasbrenner (2) erneut zugeführt wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels einer weiteren Dampfturbine (72) entspannte Heißluft aus der Gasturbine (8) zur Energieerzeugung verwendet wird.
10. Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit, wobei vorgesehen sind:
ein Gasbrenner (2) zum Verbrennen eines Brennstoffes; wenigstens eine erste (4) und eine zweite (6) Einrichtung zum Speichern thermischer Energie, welche wenigstens zeitweise wechselweise in einen Turbinenzweig (T) mit einer nachgeschalteten Gasturbine (8) einschaltbar sind und wenigstens eine Verbindungsleitung (3), welche in dem Gasbrenner (2) entstehende Rauchgase den Einrichtungen (4,6) zum Spei- ehern thermischer Energie zuführt;
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Gasbrenner (2) ein Vergaser (1 ) zum Umwandeln des Brenngases vorgeschaltet ist.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Turbinenzweig (T) nachgeschaltete Mittel (1 1 ,12,13) zum Abkühlen eines Gases vorgesehen sind,
12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Mittel zum wechselweisen Einschalten wenigstens einer ersten Einrichtung (4) zum Speichern thermischer Energie und wenigstens einer zweiten Einrichtung (6) zum Speichern thermischer Energie in den Turbinenzweig (T) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gasturbine (8) mindestens ein Wärmetauscher (1 1 ,12,13) nachgeschaltet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen die Gasturbine (8) und den Vergaser (1 ) mindestens ein Wärmetauscher (13) zur Auskopplung thermischer Energie eingeschaltet ist.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 9 - 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gasturbine (8) ein Dampfturbinenprozess nachgeschaltet ist.
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