DE102008052640A1

DE102008052640A1 - Kraftwärmekopplungsteilanlage, Kraftwärmekopplungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer Kraftwärmekopplungsanlage

Info

Publication number: DE102008052640A1
Application number: DE102008052640A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Baas
Original assignee: MWM GmbH
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-04-29
Also published as: WO2010046450A1; EP2342442A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eie Kraftwärmekopplungs(teil)anlage 1 mit einem Abgasstrang 2 für eine Verbrennungskraftmaschine V, mit einem Kühlkreislauf 3 für eine Verbrennungskraftmaschine V und mit einem Heizkreislauf 4 für die Wärmenutzung, wobei im Abgasstrang 2 ein Abgaswärmetauscher 2.5 vorgesehen ist und wobei im Heizkreislauf 4 ein Kühlwärmetauscher 3.4 vorgesehen ist, über den der Heizkreislauf 4 mit dem Kühlkreislauf 3 der Verbrennungskraftmaschine V gekoppelt ist, wobei ein Abgaskühlkreislauf 5 und ein Heizwärmetauscher 5.4 vorgesehen sind, wobei der Abgaskühlkreislauf 5 über den Abgaswärmetauscher 2.5 mit dem Abgasstrang 2 und über den Heizwärmetauscher 5.4 mit dem Heizkreislauf 4 gekoppelt ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwärmekopplungsanlage 10, bei dem die Abwärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine V über den Abgaswärmetauscher 2.5 an ein Kühlmittel eines separaten Abgaskühlkreislaufs 5 und über den Abgaskühlkreislauf 5 an den Heizkreislauf 4 abgeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftwärmekopplungsteilanlage mit einem Abgasstrang für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kühlkreislauf für eine Verbrennungskraftmaschine und mit einem Heizkreislauf für die Wärmenutzung, wobei im Abgasstrang ein Abgaswärmetauscher vorgesehen ist und wobei im Heizkreislauf ein Kühlwärmetauscher vorgesehen ist, über den der Heizkreislauf mit dem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist, eine Kraftwärmekopplungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwärmekopplungsanlage bei dem die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine über einen Kühlkreislauf und die Abwärme des Abgases mittels eines Abgaswärmetauscher abgeführt werden.
Es sind bereits Kraftwärmekopplungsanlagen aus dem Stand der Technik gemäß 1a und 1b bekannt. Diese weisen eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Kühlkreislauf, sowie einen Heizkreislauf für die Wärmenutzung auf. Der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf sind über einen Kühlwärmetauscher gekoppelt. Zudem ist ein Abgaswärmetauscher vorgesehen, über den der Abgasstrang entweder direkt mit dem Heizkreislauf oder aber mit dem Kühlkreislauf gekoppelt ist. Somit werden die Kühlwasserabwärme und die Abgasabwärme der Verbrennungskraftmaschine in den Heizkreislauf übertragen.
Gemäß TA-Luft dürfen die Formaldehydemissionen bei stationären Gasmotoren einen Grenzwert von 60 mg/m³N nicht übersteigen. Im Erdgasbetrieb wird durch Einbau eines entsprechenden Oxidationskatalysators der Grenzwert unterschrit ten. Bei Biogasanlagen beispielsweise ist der Einsatz dieses Oxidationskatalysators nicht möglich, weil Schwefel im Biogas den Katalysator angreift. Zusätzlich wird in diesem Oxidationskatalysator auch SO₂ zu SO₃ aufoxidiert. Dadurch erhöht sich die Taupunkttemperatur auf einen Wert über der Betriebstemperatur der Abgaswärmetauscher-Wand, sodass saures Kondensat ausfällt. Dies führt zu Korrosionsschäden am Abgaswärmetauscher. Hier könnte eine Brenngasentschwefelungsanlage mit entsprechenden Kosten Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftwärmekopplungsteilanlage derart auszubilden und anzuordnen, dass Korrosionsschäden am Abgaswärmetauscher auf einfache Art verhindert werden.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Kraftwärmekopplungsteilanlage nach Anspruch 1, eine Kraftwärmekopplungsanlage nach Anspruch 5 und ein Verfahren nach Anspruch 8.
Erfindungsgemäß sind ein Abgaskühlkreislauf und ein Heizwärmetauscher vorgesehen, wobei der Abgaskühlkreislauf über den Abgaswärmetauscher mit dem Abgasstrang und über den Heizwärmetauscher mit dem Heizkreislauf gekoppelt ist. Der Heizkreislauf und der Abgaskühlkreislauf sind hierbei voneinander getrennt. Hierdurch wird erreicht, dass mittels des Abgaskühlkreislaufs ein weiteres Temperaturniveau abgasseitig an der Rohrwand des Abgaswärmetauschers bereitgestellt werden kann, bei dem ein Kondensieren von saurem Kondensat im Abgasstrang verhindert wird. Der Kühlkreislauf bildet einen Zwischenkreis, der heizkreisseitig das gewünschte Temperaturniveau aufweist und vor allem abgasstrangseitig, also an der abgasseitigen Rohrwand des Abgas wärmetauschers, ein ausreichend hohes Temperaturniveau gewährleistet.
Auf diese Art kann eine Biogasanlage auch ohne teure Entschwefelungsanlage betrieben werden und dabei der Formaldehydgrenzwert eingehalten werden. Durch die erhöhte Kühlmediumtemperatur wird im Abgaswärmetauscher die Rohrwandtemperatur über die Taupunkttemperatur des Schwefels im Abgas angehoben, sodass kein Kondensat während des Betriebes entsteht.
Die Kraftwärmekopplungsteilanlage kann erfindungsgemäß auch unter Einsatz einer Verbrennungskraftmaschine zu einer Kraftwärmekopplungsanlage ergänzt werden, die dieselben erfindungsgemäßen Vorteile bietet.
Dadurch, dass die Abwärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine über den Abgaswärmetauscher an ein Kühlmittel eines separaten Abgaskühlkreislaufs und über den Abgaskühlkreislauf an den Heizkreislauf abgeführt wird, werden die erfindungsgemäßen Vorteile auch erreicht. Der Abgaswärmetauscher wird über den Abgaskühlkreislauf und einen Heizwärmetauscher mit dem Heizkreislauf gekoppelt.
Vorteilhafterweise kann der Abgaskühlkreislauf mit dem Abgaswärmetauscher und dem Heizwärmetauscher als Zwischentemperaturkreis derart ausgebildet sein, dass im Betrieb der Kraftwärmekopplungsteilanlage bzw. Kraftwärmekopplungsanlage eine Eintrittstemperatur T in den Abgaswärmetauscher von mindestens 100°C, 110°C, 120°C, 130°C oder 140°C erreicht wird. Mit einer derart hohen Eintrittstemperatur T des Kühlmediums wird eine Kondensation von saurem Kondensat im Abgaswärmetauscher bzw. an dessen rauchgasführender Innenwand verhindert, da der Taupunkt von sauren Bestandteilen nicht erreicht wird. Selbst wenn die Eintritts-temperatur T an einer das Kühlmittel führenden Rohrwand des Abgaswärmetauschers unter den Taupunkt absinkt, so kann dies unschädlich sein, solange die Rauchgas führende Innenwand des Abgaswärmetauschers eine Temperatur oberhalb des Taupunktes aufweist.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn für den Abgaskühlkreislauf ein flüssiges Kühlmedium mit Wasser und/oder Öl vorgesehen ist. Für Temperaturen bis etwa 140°C kann unter Einsatz eines erhöhten Druckniveaus Wasser mit entsprechenden Additiven als Kühlmedium verwendet werden. Bei Verwendung eines höheren Temperaturniveaus ist der Einsatz von Öl als Kühlmedium notwendig. Für beide Fälle ist eine entsprechende Ausbildung des Abgaskühlkreislaufs bzw. des Abgaswärmetauschers und des Heizwärmetauschers notwendig.
Von Vorteil kann es hierbei sein, wenn der im Abgasstrang vorgesehene Oxidationskatalysator schwefelresistent ausgebildet ist. Der Einsatz einer Entschwefelungsanlage ist erfindungsgemäß nicht notwendig. Jedoch muss der Oxidationskatalysator in diesem Fall gegen Schwefel resistent sein, um die Langlebigkeit der Anlage zu gewährleisten.
Der Schalldämpfer kann mit Bezug zur Strömungsrichtung des Abgases grundsätzlich auch nach dem Abgaswärmetauscher angeordnet sein.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass im Betrieb mit einer Verbrennungskraftmaschine die Eintritts-Temperatur des Abgaskühlkreislaufs bzw. des Kühlmediums in den Abgaswärmetauscher mindestens 100°C, 110°C, 120°C, 130°C oder 140°C ist. Die Temperatur der Rauchgas führenden Innenwand des Abgaswärmetauschers erreicht somit nicht die Taupunkttemperatur, sodass eine schadhafte Kondensation von saurem Kondensat im Abgaswärmetauscher verhindert wird. Da die Taupunkttemperatur vom Schwefelgehalt des Abgases abhängt kann bei niedrigem Schwefelgehalt bereits eine Eintrittstemperatur T des Kühlmittels von 100°C ausreichend sein.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn die Eintritts-Temperatur des Abgaskühlkreislaufs in den Abgaswärmetauscher in Abhängigkeit des Schwefelgehalts des Abgases veränderbar ist. Mit dem Schwefelgehalt im Abgas variiert die Taupunkttemperatur der verschiedenen Säuren, insbesondere der Schwefelsäure, der schwefeligen Säure und der Salpetersäure. Bei niedrigem Schwefelgehalt kann die Eintrittstemperatur sehr niedrig sein, ohne dass eine schädliche Kondensation entsteht. Mit steigendem Schwefelgehalt ist einen höhere Eintrittstemperatur notwendig, damit eine schädliche Kondensation verhindert wird. Mit der Eintrittstemperatur variiert auch der erforderliche Betriebsdruck des Abgaskühlkreislaufs und damit die erforderliche Druckstufe des Abgas- und des Heizwärmetauschers. Eine entsprechende Anpassung bzw. Auswahl ist notwendig.
Verfahrensseitig kann es von Vorteil sein, wenn die Eintrittstemperatur T des Kühlmittels mindestens so hoch gewählt wird, dass eine Rauchgas führende Innenwand des Abgaswärmetauschers die Taupunkttemperatur einer oder mehrerer saurer Komponenten des Abgases nicht unterschreitet. Somit ist eine Kondensation dieser Komponenten an der Innenwand ausgeschlossen. Ausreichend kann es hierbei sein, wenn die Eintrittstemperatur T mindestens so hoch gewählt wird wie die Taupunkttemperatur einer oder mehrerer Komponenten des Abgases. Das Kühlmittel wird mit dem Eintritt in den Wärmetauscher erwärmt, so dass eine Kondensation von saurem Kondensat ausgeschlossen ist.
Wenn eine Eintrittstemperatur T von mindestens 100°C, 110°C, 120°C, 130°C oder 140°C gewählt wird, kann eine Kondensation von saurem Kondensat im Abgaswärmetauscher ebenfalls ausgeschlossen werden, da die Taupunktstemperatur in der Regel einen Wert von 100°C nicht unterschreitet. Die Taupunktstemperatur hängt vom Schwefelgehalt des Abgases ab. Bei niedrigem Schwefelgehalt kann bereits eine Eintrittstemperatur T von 100°C ausreichend sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1a, 1b je eine Prinzipskizze des Aufbaus einer Kraftwärmekopplungsanlage gemäß Stand der Technik;
2 eine Prinzipskizze eines Aufbaus einer Kraftwärmekopplungsanlage mit separatem Abgaskühlkreislauf.
Die im Stand der Technik vorbekannten Kraftwärmekopplungsanlagen 10, nach 1a und 1b, weisen eine Verbrennungskraftmaschine V mit einem Abgasstrang 2 zum Ableiten der heißen Abgase und einen Kühlkreislauf 3 zum Ableiten der Maschinenwärme auf. Innerhalb des Abgasstrangs 2 ist zwecks Abgabe der Abgaswärme ein Abgaswärmetauscher 2.5 angeordnet, während im Kühlkreislauf 3 zwecks Abgabe der damit abgeführten Motorwärme ein Kühlwärmetauscher 3.4 angeordnet ist.
Die Kraftwärmekopplungsanlage 10 besteht aus einer Kraftwärmekopplungsteilanlage 1 die durch Hinzufügung der Verbrennungskraftanlage V zur Kraftwärmekopplungsanlage 10 ergänzt wird.
Ferner weist die Kraftwärmekopplungsanlage 10 einen Heizkreislauf 4 auf, über den die abgeführte Motor- und Abgaswärme in einen nicht weiter dargestellten Verbraucherkreislauf eingespeist wird.
Im Abgasstrang 2 ist, neben einem Schalldämpfer 2.1, auch eine Stellklappe 2.3 mit einem Bypass 2' vorgesehen, über die das Abgas am Abgaswärmetauscher 2.5 vorbeigeführt werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispiel 1a sind sowohl der Kühlwärmetauscher 3.4 als auch der Abgaswärmetauscher 2.5 mit dem Heizkreislauf 4 gekoppelt. Der Kühlwärmetauscher 3.4 ist dabei in Bezug zur Strömungsrichtung des Heizkreislaufes 4 vor dem Abgaswärmetauscher 2.5 angeordnet. Das Heizkreislaufmedium tritt mit etwa 70°C in den Kühlwärmetauscher 3.4 ein und mit etwa 90°C aus dem Abgaswärmetauscher 2.5 aus.
Sowohl im Kühlkreislauf 3 als auch im Heizkreislauf 4 ist jeweils eine Kreislaufpumpe 3.2, 4.2 vorgesehen.
Gemäß Ausführungsbeispiel 1b kann der Abgaswärmetauscher 2.5 auch mit dem Kühlkreislauf 3 gekoppelt werden, sodass sowohl die aus der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine V gewonnene Wärme, als auch die aus dem Abgasstrang 2 gewonnene Wärme gemeinsam über den Kühlwärmetauscher 3.4 an den Heizkreislauf 4 abgegeben wird. Hierbei tritt das Kühlkreislaufmedium mit etwa 80°C in die Verbrennungskraftmaschine V, mit etwa 92°C in den Abgaswärmetauscher 2.5 und mit etwa 104°C in den Kühlwärmetauscher 3.4 ein.
Im Ausführungsbeispiel, gemäß 1a, beträgt die Eintrittstemperatur T des Heizkreislaufmediums in den Abgaswärmetauscher 2.5 etwa 85°C.
Im Ausführungsbeispiel, gemäß 1b, beträgt die Eintrittstemperatur T des Kühlwassers in den Abgaswärmetauscher 2.5 etwa 92°C.
In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Verbrennungskraftmaschine V über den Kühlkreislauf 3 und den Kühlwärmetauscher 3.4 mit dem Heizkreislauf 4 entsprechend Ausführungsbeispiel 1a gekoppelt.
Zwischen dem Abgaswärmetauscher 2.5 und dem Heizkreislauf 4 ist jedoch zusätzlich ein Abgaskühlkreislauf 5 vorgesehen. Der Abgaswärmetauscher 2.5 ist mit dem Abgaskühlkreislauf 5 über einen Heizwärmetauscher 5.4 mit dem Heizkreislauf 4 gekoppelt. Der Abgaskühlkreislauf 5 weist ebenfalls eine Pumpe 5.2, sowie ein Mischventil 5.1 mit einem Bypass 2' auf. Die Eintrittstemperatur T am Abgaswärmetauscher 2.5 beträgt je nach Schwefelgehalt des Abgases mindestens zwischen 100°C und 140°C.

1: Kraftwärmekopplungsteilanlage
2: Abgasstrang
2': Bypass
2.1: Schalldämpfer
2.2: Oxidationskatalysator
2.3: Stellklappe
2.5: Abgaswärmetauscher
3: Kühlkreislauf
3.2: Pumpe
3.4: Kühlwärmetauscher
4: Heizkreislauf
4.2: Pumpe
5: Abgaskühlkreislauf
5.1: Mischventil
5.2: Pumpe
5.4: Heizwärmetauscher
10: Kraftwärmekopplungsanlage
V: Verbrennungskraftmaschine
T: Eintrittstemperatur

Claims

Kraftwärmekopplungsteilanlage (1) mit einem Abgasstrang (2) für eine Verbrennungskraftmaschine (V), mit einem Kühlkreislauf (3) für eine Verbrennungskraftmaschine (V) und mit einem Heizkreislauf (4) für die Wärmenutzung, wobei im Abgasstrang (2) ein Abgaswärmetauscher (2.5) vorgesehen ist und wobei im Heizkreislauf (4) ein Kühlwärmetauscher (3.4) vorgesehen ist, über den der Heizkreislauf (4) mit dem Kühlkreislauf (3) der Verbrennungskraftmaschine (V) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaskühlkreislauf (5) und ein Heizwärmetauscher (5.4) vorgesehen sind, wobei der Abgaskühlkreislauf (5) über den Abgaswärmetauscher (2.5) mit dem Abgasstrang (2) und über den Heizwärmetauscher (5.4) mit dem Heizkreislauf (4) gekoppelt ist.
Kraftwärmekopplungsteilanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühlkreislauf (5) mit dem Abgaswärmetauscher (2.5) und dem Heizwärmetauscher (5.4) als Zwischentemperaturkreis derart ausgebildet ist, dass im Betrieb eine Eintrittstemperatur T in den Abgaswärmetauscher (2.5) von mindestens 100°C, 110°C, 120°C, 130°C oder 140°C erreicht wird.
Kraftwärmekopplungsteilanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abgaskühlkreislauf (5) ein flüssiges Kühlmedium mit Wasser und/oder Öl vorgesehen ist.
Kraftwärmekopplungsteilanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) ein Oxidationskatalysator (2.2) vorgesehen ist, wobei der Oxidationskatalysator (2.2) schwefelresistent ausgebildet ist.
Kraftwärmekopplungsanlage (10) mit einer Kraftwärmekopplungsteilanlage (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbrennungskraftmaschine (V) vorgesehen ist, die mit dem Abgasstrang (2) und mit dem Kühlkreislauf (3) gekoppelt ist.
Kraftwärmekopplungsanlage (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Eintrittstemperatur (T) des Abgaskühlkreislaufs (5) in den Abgaswärmetauscher (2.5) mindestens 100°C, 110°C, 120°C, 130°C oder 140°C ist.
Kraftwärmekopplungsanlage (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur (T) des Abgaskühlkreislaufs (5) in den Abgaswärmetauscher (2.5) in Abhängigkeit des Schwefelgehalts des Abgases veränderbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer Kraftwärmekopplungsanlage (10) bei dem die direkte Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (V) über einen Kühlkreislauf (3) und die Abwärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (V) mittels eines Abgaswärmetauscher (2.5) an einen Heizkreislauf (4) abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (V) über den Abgaswärmetauscher (2.5) an ein Kühlmittel eines separaten Abgaskühlkreislaufs (5) und über den Abgaskühlkreislauf (5) an den Heizkreislauf (4) abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur T des Kühlmittels mindestens so hoch gewählt wird, dass an einer Rauchgas führenden Innenwand des Abgaswärmetauschers die Taupunkttemperatur einer oder mehrerer saurer Komponenten des Abgases nicht unterschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperatur T mindestens so hoch gewählt wird wie die Taupunkttemperatur einer oder mehrerer Komponenten des Abgases.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintritts-Temperatur T von mindestens 100°C, 110°C, 120°C, 130°C oder 140°C gewählt wird.