AT399372B - Verfahren zur energieumwandlung und einrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Description

AT 399 372 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieumwandlung, bei dem durch Vergasung fester Brennstoffe durch ein erhitztes Vergasungsmittel ein Brenngas erzeugt wird, das mit seinen dampfförmigen Verunreinigungen unter Zumischung von Heißluft in einer Brennkammer verbrannt wird, wobei ein Teil der durch die Verbrennung freiwerdenden Wärme durch das Vergasungsmittel dem Brennstoffvergaser sowie 5 ein anderer Teil über Heizflächen einem unter Druck stehenden reinen Fluid, wie z. B. Luft und/oder Heißdampf, zugeführt wird, welches anschließend unter Arbeitsabgabe an einen Stromerzeuger in einer Turbine entspannt wird und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der zwischen der Turbine und dem Brennstoffvergaser eine Luftleitung vorgesehen ist.

Es ist aus der DE-PS 847.381 bekannt, feste Brennstoffe durch Einblasen eines heißen Vergasungsmit-io tels zu vergasen, das erzeugte Gas zu verbrennen und in einer Turbine zu entspannen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß der Wirkungsgrad dieser mehrmaligen Energieumwandlung gering ist und daß durch das Auswaschen der Verunreinigungen am Austritt des Vergasers auch der Heizwert des Generatorgases vermindert wird bzw. durch die Einschleppung der Verunreinigungen in einen Energieerzeugungsprozeß, wie z. B. Gasmotor, es durch die Verunreinigungen zu Betriebsstörungen 75 kommt. Darüberhinaus stellen die Verunreinigungen des Generatorgases, die hauptsächlich aus Phenolen und Teerprodukten bestehen, ein Umweltprobiem dar, welches nur mit größeren Anstrengungen beseitigt werden kann, wobei mehrere Schmutzgasauslässe das Problem nicht vereinfachen. Aus der DE-AS 24 29 993 ist es darüberhinaus bekannt, Heißdampf und Luft gemeinsam in einer Heizfläche zu erhitzen und dieses Heißdampfluftgemisch als heißes Vergasungsmittel zu verwenden. 20 Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, diesen Energieumwandlungsprozeß umweltfreundlicher zu gestalten, den Wirkungsgrad und durch Vereinfachung die Verfügbarkeit derartiger Anlagen zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas in der Brennkammer eines Abhitzekessels unter Zumischung der im Abhitzekessel erhitzten Heißluft verbrannt wird und in an 25 sich bekannter Weise als Vergasungsmittel ein Gemisch aus Heißluft, im Abhitzekessel erzeugtem Dampf und/oder Abgas des Abhitzekessels in den Brennstoffvergaser eingebracht wird. Insbesondere wird im Abhitzekessel sowohl der Heißdampf als auch die Heißluft erzeugt und wird ein Teil der zu erhitzenden bzw. erhitzten Luft mit dem Heißdampf gemischt und in der Turbine entspannt sowie anschließend als Vergasungsmittel in den Brennstoffvergaser eingebracht. Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung so des Verfahrens, bei der zwischen der Turbine und dem Brennstoffvergaser eine Luftleitung vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftleitung zumindest über einen Teil ihrer Länge als Vergasungsmittel das Gemisch aus Heißluft/Abgas oder Heißluft/Wasserdampf geführt ist. Insbesondere weist die Turbine zumindest zwei Teile auf, von denen der eine von der reinen Luft und der andere von dem Luft wasserdampfgemisch durchströmt ist. Vorzugsweise ist zur Einleitung des Abgases des Abhitzekessels in 35 die Luftleitung ein Ejektor vorgesehen.

Die Erfindung ist in den angeschlossenen Fig, 1 und 2 beispielsweise und schematisch dargestellt, und der wirtschaftliche Wert der Erfindung wird durch ein Beispiel veranschaulicht. Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Energieumwandlungsanlage und Fig. 2 hiezu eine Konstruktionsvariante.

In Fig. 1 ist ein Brennstoffvergaser 1 für feste Brennstoffe dargestellt, in welchem durch Wärmezufuhr 40 und durch Zufuhr eines Vergasungsmittels ein Brenngas erzeugt wird, welches nach Durchströmung eines Trockenabscheiders 5 über die Leitung 6 einem Abhitzekessel 7 zugeführt und durch Zuführung von heißer Luft über die Leitung 8 verbrannt wird. Im, Abhitzekessel 7 sind Heizflächen 10 zur Erhitzung von Luft und Heizflächen 11 zur Erzeugung von Wasserdampf vorgesehen. Das im Abhitzekessel abgekühlte Rauchgas wird teilweise über die Leitung 12 einem Kamin zugeführt und teilweise in die Leitung 3 für das 45 Vergasungsmittel eingespeist. Das Vergasungsmittel wird in einem Kompressor 13 komprimiert, der im wesentlichen Umgebungsluft ansaugt und durch die Heizflächen 10 drückt, wo Luft hoch erhitzt wird. Diese erhitzte Luft wird nun einer Luftturbine 2 zum Antrieb des Kompressors 13 und eines Stromerzeugers 14 zugeführt. Die noch heiße entspannte Luft wird über die Luftleitung 8 der Brennkammer des Abhitzekessels 7 eingeleitet, wobei ein weiterer Teil 15 über einen Wärmetauscher 16 wieder ins Freie geführt wird. Die so Luftturbine 2 weist einen zweiten in die Luftleitung 3 führenden Ausgang für die teilweise entspannte Luft auf. Im Zuge der Luftleitung 3 ist ein Ejektor 4 vorgesehen, in welchem Abgas aus der Leitung 12 angesaugt und mit der heißen Luft vermischt wird. Durch die Mischung gelangt CO2 und Wasserdampf in das Vergasungsmittel, welche Bestandteile im Vergaser 1 zu CO und H2 reduziert werden, wodurch der Heizwert des Generatorgases erhöht wird. 55 In Fig. 2 ist eine Konstruktionsvariante zu Fig. 1 dargestelit, bei welcher in die vom Kompressor 13 komprimierte Luft über einen Teilstrom 17 in den Heizflächen 11 erzeugter Wasserdampf eingeblasen wird. Dieses heiße Dampf/Luftgemisch wird an den Heizflächen 18 erhitzt und der Turbine 2 zugeführt, die in diesem Fall aus zwei Aggregaten 2', 2" besteht, deren erstes 2' mit der reinen Luft und deren zweites 2" 2

Claims (5)

1. AT 399 372 B mit dem erzeugten Luft/Dampfgemisch betrieben wird. Das entspannte Luft/Dampfgemisch wird schließlich über die Luftleitung 3 dem Brennstoffvergaser 1 zugeführt, wobei der Wasserdampfgehalt zu Wasserstoff reduziert wird. Im nachstehenden Beispiel sind die wärmetechnsichen Daten anhand einer Holzvergasungsanlage erklärt, und man erkennt, daß durch die erfindungsgemäße Schaltung eine Verbesserung des Wirkungsgrades um rund 16 %, also z. B. von 25 % auf 29 %, erreicht wird. Bei einem Holzvergaser konventioneller Gegenstrom-Bauart ergibt sich ein Vergasungswirkungsgrad von 0,9 (90 %) ,d. h., daß bei einem -Holzein-satz von 1 kg mit 20 % Feuchte (unterer Heizwert 14.660 kJ/kg) und einer Gaserzeugung von 2,4 Nm3/kg Holz ein Gas mit einem unteren Heizwert von Hu = 14.660.0,9/2,4 = 5.500 kJ/Nm3 anfällt. a. Wird jedoch gemäß der Erfindung als Vergasungsmittel das Abgas aus der Heißluftturbine verwendet, so steigt bei einem Luftbedarf von z. B. 1,6 Nm3/kg Holz und einer Temperatur von 400' C sowie einer spezifischen Wärme von ca. 1,3 kJ/Nm3K der Heizwert des Gases auf Hu = (14.660 .0,9 + 1,6.400. 1,3)/2,4 = 5.840 kü/Nm3, was einer Verbesserung von 6,3 % entspricht. b. Durch die Verwendung des Abgases aus der Heißluftturbine als Verbrennungsluft im Abhitzekessel wird die Wärmeleistung der Brennkammer von Q = 2,4 . 5.840 = 14.020 kJ/kg Holz (bei einem Luftbedarf von ca. 1,5 Nm3 Luft/Nm3 Gas) auf Q = 2,4.5.840 + 1,5 .-.400. 1,3 = 14.800 kJ/kg Holz um weitere 5,5 % gesteigert. Damit beträgt die Gesamtverbeserung aus den Maßnahmen a) + b) 11,8 %. Eine zusätzliche Verbesserung ist möglich, wenn man den zur Vergasung benötigten Wasserdampf in den Kreisprozeß der Gasturbine einleitet. Besteht das Vergasungsmittel aus 20 Vol% Wasserdampf und der Rest aus der Luft, so sind 0.2 . 1,6 = 0,32 Nm3/kg Holz Wasserdampf erforderlich. Dadurch wird der Durchsatz im Turbinenkreislauf um ca. 1,25 % gesteigert. Da die Turbine ca. das 4-fach der Nettoleistung erbringt (der Kompressor absorbiert also ca. das 3-fache der Nettoleistung) und der Kompressor jedoch nicht betroffen ist, so leistet der Gasturbinensatz 4.1,25 % = 5 % mehr, und der Wirkungsgrad steigt von 25 % auf 25 x 1,05/1,0125 = 26 %. Die Gesamtwirkungsgradverbesserung aus den Maßnahmen a) + b) beträgt dann also 1,118.26/25 = 1,16 als Faktor oder 16%. Eine ähnliche Verbesserung ergibt sich, wenn ausgekühltes Abgas als Kohlenstoff- und Wasserträger anstelle von Wasserdampf der als Vergasungsmittel verwendeten Luft beigemischt wird, wobei die anderweitige Verwendung des Wasserdampfes nicht in Rechnung gestellt wurde. Es tritt allerdings durch den mitgeschleppten Stickstoff eine Heizwertverdünnung auf, die sich in einem erhöhten Massenfluß, also einer Vergrößerung des Leitungsdurchmessers, auswirkt. Patentansprüche 1. Verfahren zur Energieumwandlung, bei dem durch Vergasung fester Brennstoffe durch ein erhitztes Vergasungsmittel ein Brenngas erzeugt wird, das mit seinen dampfförmigen Verunreinigungen unter Zumischung von Heißluft in einer Brennkammer verbrannt wird, wobei ein Teil der durch die Verbrennung freiwerdenden Wärme durch das Vergasungsmittel dem Brennstoffvergaser sowie ein anderer Teil über Heizflächen einem unter Druck stehenden reinen Fluid, wie z. B. Luft und/oder Heißdampf, zugeführt wird, welches anschließend unter Arbeitsabgabe an einen Stromerzeuger in einer Turbine entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas in der Brennkammer eines Abhitzekessels (7) unter Zumischung der im Abhitzekessel (7) erhitzten Heißluft verbrannt wird und in an sich bekannter Weise als Vergasungsmittel ein Gemisch aus Heißluft, im Abhitzekessel (7) erzeugtem Dampf und/oder Abgas des Abhitzekessels (7) in den Brennstoffvergaser (1) eingebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abhitzekessel (7) sowohl der Heißdampf als auch die Heißluft erzeugt wird und ein Teil der zu erhitzenden bzw. erhitzten Luft mit dem Heißdampf gemischt und in der Turbine (2) entspannt sowie anschließend als Vergasungsmittel in den Brennstoffvergaser (1) eingebracht wird (Fig. 2).
3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bei der zwischen der Turbine und dem Brennstoffvergaser eine Luftleitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftleitung (3) zumindest über einen Teil ihrer Länge als Vergasungsmittel das Gemisch aus Heiß-luft/Abgas oder Heißluft/Wasserdampf geführt ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (2) zumindest zwei Teile (2', 2") aufweist, von denen der eine (2') von der reinen Luft und der andere (2") von dem Luft/Wasserdampfgemisch durchströmt ist (Fig. 2). 3 AT 399 372 B
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung des Abgases des Abhitzekessels (7) in die Luftleitung (3) ein Ejektor (4) vorgesehen ist (Fig. 1). Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 4