DE10015620A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Wärme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Generator (1) zum Erzeugen von Wärme. Hierfür ist es bis jetzt üblich, Kohlenstoff und eventuell Wasserstoff, die in einem Brennstoff enthalten sind, unter Zufuhr von Luft in Kohlendioxid, Wasser und Wärme umgesetzt. Die hierfür vorgesehenen Kraftwerke sind mit Kesseln, Fördereinrichtungen für den Brennstoff, Brenner, Wärmetauscher und Rauchgasreinigungsanlagen ausgerüstet. Die Kessel weisen wegen des schlechten Wärmeübergangs vom Rauchgas zum Wärmetauscher große Abmessungen auf. Für die Reinigung des Rauchgases sind teilweise kostenintensive Maßnahmen erforderlich. Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren organischer Brennstoff bei einer Temperatur von mindestens 400 DEG C und einem Druck von 250 bar in überkritischem Wasser verbrannt. Der erfindungsgemäße Generator (1) ermöglicht einen höheren Wärmeübergang vom Verbrennungsbehälter (2) zum Wärmetauscher (3), weil das überkritische Wasser (9K) gegenüber dem Rauchgas von Kraftwerken eine um etwa drei Größenordnungen höhere Dichte aufweist. Ferner entfällt die Reinigung des Rauchgases, da bei dieser Form der Verbrennung nur feuchter Stickstoff und Kohlendioxid gebildet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Wärme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

Bei den konventionellen Einrichtungen zur Gewinnung von Wärme werden in den Brennstoffen enthaltener Kohlenstoff und eventuell Wasserstoff unter Zufuhr von Luft in Kohlendioxid, Wasser und Wärme umgesetzt. Zur Gewinnung von Wärme werden üblicherweise fossile oder regenerative Brennstoffe oder Müll verwendet. Der jeweilige Brennstoff muß in geeigneter Größe und in wasserfreiem Zustand für die Verbrennung bereit gestellt werden. Kraftwerke dieser Art sind mit Kesseln, Fördereinrichtungen für den Brennstoff, Brenner, Wärmetauscher, Rauchgaswäscher und Rauchgasreini­ gungsanlagen ausgerüstet. Die Kessel weisen wegen des schlechten Wärmeüber­ gangs vom Rauchgas zum Wärmetauscher große Abmessungen auf. Rauchgas­ wäscher und Rauchgasreinigungsanlagen sind deshalb erforderlich, weil die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, Schwefeloxide, Stickoxi­ de und Kohlendioxid und Staub nicht oder nur bedingt in die Atmosphäre abgegeben werden dürfen. Je nach Brennstoff muß ein beträchtlicher Aufwand für die Rauchgas­ reinigung betrieben werden, um den gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenz­ werten zu genügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Erzeugung von Wärme aufzuzeigen, bei dem ein hoher Wärmeübergang von der Seite der Verbren­ nung zum Wärmetauscher ermöglicht wird, und zudem auf eine Reinigung des Rauchgases verzichtet werden kann. Ferner soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit welcher dieses Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird, das Verfahren betreffend, durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst.

Diese Aufgabe wird, die Vorrichtung betreffend, durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 6 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgt die Verbrennung des Brennstoffes in einem Verbrennungsbehälter, der überkritisches Wasser enthält. Der Druck wird wäh­ rend der Verbrennung auf 250 bar gehalten. Das Wasser Weise über den gesamten Zeitraum der Verbrennung eine Temperatur von mehr als 400°C auf. In jedem Fall müssen Druck und Temperatur immer so gewählt werden, dass sich das Fluid zu je­ dem Zeitpunkt während der Verbrennung und an jeder Stelle im Brennraum im über­ kritischen Zustand befindet. Die Größe des Verbrennungsbehälters richtet sich nach der Menge der zu erzeugenden Wärme. Diese wird vorzugsweise über einen Wärme­ tauscher einem Sekundärkreislauf zugeführt. Für jeden Verbrennungsvorgang wird der Verbrennungsbehälter vorzugsweise zu 30% mit Luft und Brennstoff gefüllt. Der Anteil des Wassers beträgt 70%. Die Anteile an Brennstoff und Luft können jedoch auch zwischen 10 und 50 und der Anteil an Wasser zwischen 90 und 50 gewählt werden. Das Verhältnis von Brennstoff zu Luft wird dabei so gewählt, dass λ = 1 oder größer 1 ist. In dem Verbrennungsbehälter können Stein-, Fett- oder Braunkohle, Öle auch Die­ sel- und Schweröle sowie Erdgase, auch solche mit einem niedrigen Brennwert zur Gewinnung von Wärme verbrannt werden. Die Verbrennung von Klärschlämmen und Biomasse in Form von pumpbaren Schlämmen ist ebenfalls möglich. Die Brennstoffe können mit dem Wasser, der in ihnen enthalten ist, unmittelbar in den Verbrennungs­ behälter gefüllt werden. Ein aufwendiges Verfahren, mit welchem den Brennstoffen vor der Verbrennung das Wasser entzogen wird, muß hierbei nicht durchgeführt werden.

Ein Teil der Energie, welche für die Brennstoffzuführung, das Umwälzen, das Vorwär­ men und die Kompressionsarbeit erforderlich ist, kann direkt durch Auskopplung aus dem Kreislauf beispielsweise mit einem Stirling-Motor oder einem Turbolader gewonnen werden. Hierfür kann beispielsweise die Expansionsarbeit genutzt werden, welche beim Entspannen des Rauchgases frei wird.

Bei der Verbrennung im überkritischen Wasser werden die in den Brennstoffen ent­ haltenen organischen Verbindungen vollständig gelöst und in Kohlendioxid und Was­ ser umgesetzt. In vorteilhafter Weise wird dabei kein Stickoxid gebildet. Anorganische Verbindungen wie beispielsweise Inertstoffe und Halogenide, die in den Brennstoffen je nach Art enthalten sind, werden im überkritischen Wasser dagegen nicht gelöst. Sie werden im überkritischen Wasser nur ausgefällt. Die festen chemischen Verbindungen werden dem Verbrennungsbehälter entnommen und in einen Auffangbehälter einge­ leitet. Zum Entfernen des Rauchgases wird einem Separator überkritisches Wasser zugeführt. Dort wird das Rauchgas, das aus feuchtem Stickstoff und Kohlendioxid be­ steht, von der wässrigen Lösung abgetrennt. Diese kann beispielsweise noch schwe­ felhaltige oder andere anorganische Verbindungen enthalten, je nach dem welcher Brennstoff verwendet wird. Die wässrige Lösung wird anschließend auf einfache Wei­ se mit einem bekannten Verfahren neutralisiert. Nach dem entfernen von Stickstoff, Kohlenstoff und den anderen oben erwähnten Verbindungen wird das verbleibende Wasser wieder dem Verbrennungsbehälter zugeführt. Der Separator ist mit einem Wärmetauscher versehen. Die Wärme des überkritischen Wassers wird dazu genutzt, das Wasser, das in den Verbrennungsbehälter zurückgeführt wird, wieder auf 400° aufzuheizen.

Das überkritische Wasser des Verbrennungsbehälters besitzt gegenüber dem Rauch­ gas herkömmlicher Kraftwerke eine um etwa drei Größenordnungen höhere Dichte. Das führt zu einem entsprechend verbesserten Wärmeübergang am Wärmetauscher. Damit kann vom Verbrennungsbehälter pro Flächeneinheit mehr Wärme übertragen werden, als das in einem konventionellen Kraftwerk gleicher Temperatur der Fall ist. Der Wärmetauscher des Verbrennungsbehälters kann daher kleiner ausgebildet wer­ den.

Bei Bedarf kann das überkritische Wasser des Verbrennungsbehälters auch unmittel­ bar einer Turbine zugeführt werden. In den meisten Fällen wird jedoch nur die in dem Verbrennungsbehälter erzeugte Wärme genutzt, um mit einer konventionellen Dampfturbine im Sekundärkreislauf Strom zu erzeugen, Heißdampf für ein Heizkraft­ werk bereitzustellen, ein Prozeßgas, beispielsweise Wasserdampf, zu erzeugen, Re­ aktionswärme für Reaktanden oder eine Wärmequelle für einen Stirling-Motor zur Verfügung zu stellen.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung näher er­ läutert.

Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt einen Generator 1 zur Erzeugung von Wärme. Er umfaßt einen Verbrennungsbehälter 2, der über einen Wärmetauscher 3 mit einem Sekundärkreis 10 in Verbindung steht. Der Verbrennungsbehälter 2 wird für den Betrieb des Generators 1 mit Brennstoff, Luft und Wasser gefüllt. Das Verhält­ nis von Brennstoff und Luft zu Wasser beträgt bei dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel 30 : 70. Das Verhältnis von Brennstoff zu Luft wird so gewählt, dass λ = 1 oder größer 1 ist. Der Verbrennungsbehälter 2 ist bei dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel mit jeweils eine Zuführung 4, 5 und 6 für den Brennstoff 7, die Luft 8 und das Wasser 9 versehen. In jede Zuleitung 4, 5 und 6 ist eine Pumpe 4P, 5P und 6P inte­ griert, mit deren Hilfe der Brennstoff 7, die Luft 8 und das Wasser 9 in den Verbren­ nungsbehälter 2 befördert wird. Der für die Wärmegewinnung verwendete Brennstoff muß so beschaffen sein, dass er mittels einer Pumpe transportiert werden kann. Er muß deshalb flüssig oder gasförmig sein, oder aus Teilchen bestehen, die nur einige mm groß sind.

Der Verbrennungsbehälter 2 weist einen Innendruck von 250 bar auf. Um eine Ver­ brennung in überkritischem Wasser durchführen zu können, müssen der Brennstoff 7, die Luft 8 und das Wasser 9 eine Temperatur von mehr als 400°C aufweisen. Das Aufheizen von Brennstoff 7, Luft 8 und Wasser 9 kann vor dem Einfüllen in den Ver­ brennungsbehälter 2 oder innerhalb des Verbrennungsbehälters 2 erfolgen. Für das Aufheizen kann ein Teil der bei der Verbrennung erzeugten Wärme benutzt werden, wie es hier nur für das Aufheizen des Wassers 9 dargestellt ist. Anderseits können auch zusätzliche Heizeinrichtungen (hier nicht dargestellt) verwendet werden, die hierfür innerhalb oder außerhalb des Verbrennungsbehälters 2 installiert sind. Bei ei­ ner Temperatur von 400°C und einem Druck von 250 bar werden organische Verbin­ dungen, die in dem zugeführten Brennstoff 7 enthalten sind, vollständig in dem über­ kritischen Wasser 9 gelöst. Während der Verbrennung werden der Kohlenstoff und der Wasserstoff, die in dem Brennstoff 9 enthalten sind, in Kohlendioxid und Wasser umgesetzt, wobei Wärme entsteht. Diese kann über den Wärmetauscher 3 dem Se­ kundärkreis 10 zugeführt werden. Während des Verbrennungsvorgangs entsteht Rauchgas 11 in Form von feuchtem Stickstoff und Kohlendioxid. Ferner werden anor­ ganische Verbindungen, die in dem überkritischen Wasser 9K nicht gelöst werden, als chemische Verbindungen beispielsweise in Form von Salzen 12 ausgefällt. Das Rauchgas 11, die Salze 12 und das zusätzlich gebildete Wasser müssen von Zeit zu Zeit aus dem Verbrennungsbehälter 2 entfernt werden. Die Salze 12 werden über den Auslaß 3A und eine Leitung 3S in einen Auffangbehälter 13 eingeleitet. Zum Entfernen von überschüssigem Wasser und dem Rauchgas 11 wird überkritisches Wasser 9K über den Auslaß 3B des Verbrennungsbehälters 2 und eine Ableitung 3 R einem Sepa­ rator 14 zugeführt. Dort wird das Rauchgas 11 aus dem Wasser 9K separiert und über eine Leitung 15 einem Auffangbehälter 16 zugeführt. Das Wasser 9K wird über eine Leitung 17 in eine Filteranlage 18 eingeleitet. Dort werden Verunreinigen abgeschie­ den (hier nicht dargestellt), die noch im Wasser 9K enthalten sind, und über eine Lei­ tung 20 einem Auffangbehälter 21 zugeführt. Das gereinigte Wasser 9 wird von der Filteranlage 18 aus über die Zuleitung 6 in den Verbrennungsbehälter 2 zurückgelei­ tet. Die Zuleitung 6 steht mit der Sekundärseite eines zweiten Wärmetauschers 14 W in Verbindung, der an den Separator 14 angeschlossen ist. Mit Hilfe dieses Wärme­ tauschers 14 wird die Wärme des überkritischen Wassers 9K genutzt, um das Wasser 9 aufzuheizen, das in den Verbrennungsbehälter 2 zurückgeleitet wird. Der Filteranla­ ge 18 kann über eine Leitung 22 auch von außen Wasser zugeführt und dem gerei­ nigten Wasser 9 beigemischt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung von Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein organischer Brennstoff (7) zum Freisetzen von thermischer Energie in überkritischem Wasser (9K) mit einer definierten Menge an Luft bei einer vorgebbaren Temperatur und einem definierten Druck verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Brennstoff (7) bei einer Temperatur von mindestens 400°C und einem Druck von 250 bar in über kritischem Wasser (9K) verbrannt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Brennstoff zu Luft so gewählt wird, dass λ = 1 oder größer 1 ist, dass die Anteile an Brennstoff und Luft zwischen 10 und 50 und der Anteil an Wasser zwischen 90 und 50 gewählt wird, vorzugsweise jedoch so, dass das Verhält­ nis von Brennstoff (7) und Luft (8) zu überkritischem Wasser (9K) 30 : 70 beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischer Energie einer konventionellen Dampfturbine im Sekundärkreis­ lauf (10) zugeführt, zur Erzeugung von Heißdampf, von Prozeßgas in Form Wasser­ dampf, von Reaktionswärme für einen Reaktanden oder als Wärmequelle für einen Stirling-Motor verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das überkritische Wasser (9K) direkt zum Betreiben einer Turbine verwendet wird.

6. Generator zur Erzeugung von Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass we­ nigstens ein Verbrennungsbehälter (2) zum Verbrennen eines organischen Brenn­ stoffs (7) in überkritischem Wasser (9K) mit einer definierten Menge an Luft (8) bei ei­ ner vorgebbaren Temperatur und einem definierten Druck vorgesehen ist.

7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbren­ nungsbehälter (2) mit einem Wärmetauscher (3) versehen ist, der an einen Sekundär­ kreislauf (10) angeschlossen ist.

8. Generator nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsbehälter (2) mit jeweils einer Zuleitung (4, 5, 6) für den Brenn­ stoff (7), die Luft (9) und das Wasser (9) versehen ist, in die jeweils eine Pumpe(4P, 5P, 6P) eingebaut ist.

9. Generator nach einem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der erste Auslaß (3A) des Verbrennungsbehälter (2) mit einem Auf­ fangbehälter (13) für feste chemische Verbindungen (12) in Verbindung steht, wäh­ rend der zweite Auslaß (2B) des Verbrennungsbehälters (2) über eine Leitung (3R) an einen Separator (14) angeschlossen ist, dessen erster Auslaß (14A) über eine Leitung (17) mit einer Filteranlage (18) in Verbindung steht, die über eine Leitung (20) an ei nen Auffangbehälter (21) angeschlossen und der von außen Wasser (9) über eine Leitung (22) zuführbar ist.

10. Generator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranlage (18) über die Zuleitung (6) mit dem Verbrennungsbehälter (2) in Verbindung steht, und der Separator (14) mit einem Wärmetauscher (14 W) ausgerü­ stet ist, an dessen Sekundärseite die Zuleitung (6) angeschlossen ist, und dass ein zweiter Auslaß (14B) des Separators (14) über eine Leitung (15) an einen Auffangbe­ hälter (16) für das Rauchgas (11) angeschlossen ist.