DE102009029912A1 - Method for extracting energy from gaseous or liquid fuel, involves providing gaseous or liquid fuel and discharging fuel in catalyst unit, where catalytic cleaning of fuel is performed into catalyst unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff sowie eine Vorrichtung hierzu mit einer Energiewandlereinheit zur Umsetzung des Energiegehaltes im Brennstoff in mechanische oder elektrische Energie und einer Katalysatoreinheit.The invention relates to a method for obtaining energy from a gaseous or liquid fuel and a device for this purpose with an energy converter unit for converting the energy content in the fuel into mechanical or electrical energy and a catalyst unit.
Verfahren zur Gewinnung von Energie aus gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen und geeignete Vorrichtungen hierfür sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichster Weise seit Jahrzehnten bekannt. Hierbei wird üblicherweise ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff einer Energiewandlereinheit zugeführt, die den Energiegehalt des Brennstoffes in eine nutzbare Form, nämlich in mechanische Arbeit oder in elektrische Energie umwandelt. Im Kraftwerksbereich wird der Brennstoff üblicherweise einer Wärmekraftmaschine, sei es ein Verbrennungsmotor (bei kleineren Kraftwerkeinheiten) oder eine Gasturbine, zugeführt, in der die bei der Reaktion des Brennstoffes mit Sauerstoff entstehende Wärme zunächst in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Diese wird anschließend in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt, die in das Stromnetz eingespeist werden kann.Methods for recovering energy from gaseous or liquid fuels and suitable devices therefor are well known in the art in a variety of ways for decades. In this case, a gaseous or liquid fuel is usually fed to an energy converter unit, which converts the energy content of the fuel into a usable form, namely into mechanical work or into electrical energy. In the power plant area, the fuel is usually supplied to a heat engine, be it an internal combustion engine (for smaller power plant units) or a gas turbine, in which the heat produced by the reaction of the fuel with oxygen is first converted into mechanical work. This is then converted in a generator into electrical energy, which can be fed into the power grid.
Insbesondere im Bereich der Verstromung von Biomasse ergibt sich das Problem, dass der aus der Biomasse gewonnene Brennstoff noch mit Verunreinigungen verschiedenster Art versetzt ist, die zu entsprechenden Ablagerungen in den Turbinen oder Verbrennungsmotoren führen und diese langfristig beschädigen und einen stabilen Betrieb der Kraftwerkseinheit verhindern.In particular, in the field of biomass power generation there is the problem that the fuel obtained from the biomass is still mixed with impurities of various kinds, which lead to corresponding deposits in the turbines or internal combustion engines and damage them in the long term and prevent stable operation of the power plant unit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff anzugeben, welches auch beim Einsatz teilweise verunreinigter Brennstoffe eine zeitlich stabile Energiegewinnung in effizienter Weise sicherstellt. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff mit einer Energiewandlereinheit zur Umsetzung des Energiegehaltes im Brennstoff in mechanische oder elektrische Energie und einer Katalysatoreinheit anzugeben, welche einfach aufgebaut ist und beim Einsatz teilweise verunreinigter Brennstoffe eine zeitlich stabile Energiegewinnung in effizienter Weise sicherstellt.The invention is therefore based on the object to provide a method for recovering energy from a gaseous or liquid fuel, which ensures a stable temporal energy production in an efficient manner even when using partially contaminated fuels. It is a further object of the present invention to provide an apparatus for recovering energy from a gaseous or liquid fuel having an energy conversion unit for converting the energy content of the fuel into mechanical or electrical energy and a catalyst unit which is simple in construction and uses partially contaminated fuels ensures stable energy generation in an efficient manner.
Die Aufgabe mit einem Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff gelöst, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:
- – Bereitstellen eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes,
- – Einleiten des Brennstoffs in eine Katalysatoreinheit,
- – Katalytisches Reinigen des Brennstoffs in der Katalysatoreinheit,
- – Einleiten des gereinigten Brennstoffs in eine Energiewandlereinheit
- – Reaktion des gereinigten Brennstoffs mit Sauerstoff in der Energiewandlereinheit zur Erzeugung elektrischer und/oder mechanischer Energie.
- Providing a gaseous or liquid fuel,
- Introducing the fuel into a catalyst unit,
- Catalytically purifying the fuel in the catalyst unit,
- - Introducing the purified fuel in an energy converter unit
- - Reaction of the purified fuel with oxygen in the energy conversion unit for generating electrical and / or mechanical energy.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass der der Energiewandlereinheit zuzuführende Brennstoff zunächst einer katalytischen Reinigung in einer Katalysatoreinheit unterworfen wird, wo die in dem Brennstoff noch enthaltenen Verunreinigungen zumindest teilweise durch eine katalytische Reaktion in hinsichtlich einer Schädigung der Energiewandlereinheit unproblematische Substanzen umgewandelt werden. Da die Katalysatoreinheit von dem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff durchströmt wird, handelt es sich um eine heterogene Katalysereaktion.The present invention is based on the idea that the fuel to be supplied to the energy converter unit is first subjected to catalytic purification in a catalyst unit, where the impurities still contained in the fuel are at least partially converted by a catalytic reaction into unproblematic substances with respect to damage to the energy converter unit. As the catalyst unit is flowed through by the gaseous or liquid fuel, it is a heterogeneous catalytic reaction.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt entsprechend darin, dass der Brennstoff trotz eines zunächst vorhandenen Anteils an Verunreinigungen praktisch uneingeschränkt auch für hinsichtlich der Reinheit des einzusetzenden Brennstoffs anspruchsvolle Energiewandlereinheiten, beispielsweise Kolbenmotoren, eingesetzt werden kann. So enthalten beispielsweise gasförmige Brennstoffe, die aus Biomasse gewonnen werden, regelmäßig Anteile an langkettigen Kohlenwasserstoffen, Teeren und Ölen, welche bei gasförmigen Brennstoffen unterhalb einer bestimmten Temperatur auskondensieren und beispielsweise die Einlassventile von in Blockheizkraftwerken (BHKW) eingesetzte Kolbenmotoren verstopfen können. Die der Energiewandlereinheit, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine in Form einer Turbine, speziell Gasturbine, oder eines Kolbenmotors, vorgeschaltete Katalysatoreinheit bietet nun die Möglichkeit, beispielsweise langkettige Kohlenwasserstoffanteile in dem gasförmigen Brennstoff zu spalten und somit zu einfach brennbaren gasförmigen Substanzen umzuwandeln.The particular advantage of the method according to the invention lies in the fact that the fuel despite an initially present proportion of impurities can be used practically without restriction for demanding energy converter units, for example reciprocating engines, with regard to the purity of the fuel to be used. For example, gaseous fuels obtained from biomass regularly contain long chain hydrocarbons, tars and oils which, when gaseous fuels condense below a certain temperature, may clog and block, for example, the intake valves of reciprocating engines used in combined heat and power (CHP) plants. The energy converter unit, for example an internal combustion engine in the form of a turbine, especially a gas turbine, or a piston engine, upstream catalyst unit now offers the possibility, for example, to split long-chain hydrocarbon fractions in the gaseous fuel and thus to convert it into readily combustible gaseous substances.
Aus dem Stand der Technik sind lediglich Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff bekannt, bei denen die Katalysatoreinheit in Prozessrichtung hinter der Energiewandlereinheit angeordnet ist und beispielsweise im Falle eines Kolbenmotors in einem Kraftfahrzeug als Abgaskatalysator die im Abgas des Kolbenmotors enthaltenen gasförmigen Schadstoffe in unbedenkliche Substanzen umwandeln.Only methods for obtaining energy from a gaseous or liquid fuel are known from the prior art, in which the catalyst unit is arranged behind the energy converter unit in the process direction and, for example, in the case of a piston engine in a motor vehicle as the exhaust gas catalyst, the gaseous pollutants contained in the exhaust gas of the piston engine into harmless substances.
Als Energiewandlereinheit kann eine Fülle verschiedener Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für Verbrennungskraftmaschinen in Form von Kolbenmotoren oder Gasturbinen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich jedoch auch in vorteilhafter Weise auf Brennstoffzellen anwenden. As energy converter unit, a wealth of different devices can be used. In particular, the inventive method is suitable for internal combustion engines in the form of piston engines or gas turbines. However, the method according to the invention can also be applied advantageously to fuel cells.
Die in der Katalysatoreinheit ablaufenden Reaktionen können teilweise auch unter Einschluss von Sauerstoff als Reaktionspartner ablaufen, so dass nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass der Katalysatoreinheit Sauerstoff zur oxidativen katalytischen Reinigung des Brennstoffs zugeführt wird.Some of the reactions taking place in the catalyst unit can also take place with the inclusion of oxygen as the reactant, so that according to a further embodiment of the invention it is provided that oxygen is fed to the catalyst unit for the oxidative catalytic purification of the fuel.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Brennstofftemperatur zur Einleitung des Brennstoffs in die Katalysatoreinheit ca. 700 bis 800°C. In diesem Fall können in der Katalysatoreinheit unmittelbar chemische Reaktionen ablaufen, die zu einer Umsetzung der im Brennstoff enthaltenen verunreinigten Substanzen in unschädliche Substanzen führen.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the fuel temperature for introducing the fuel into the catalyst unit is about 700 to 800 ° C. In this case, immediately chemical reactions take place in the catalyst unit, which lead to a conversion of the contaminants contained in the fuel into harmless substances.
Laufen in der Katalysatoreinheit exotherme Reaktionen, insbesondere unter Beteiligung separat in die Katalysatoreinheit zugeführten Sauerstoffs ab, so kann das geforderte Temperaturniveau selbstständig aufrecht erhalten werden. Hierzu kann die Katalysatoreinheit auch ein Heizmodul zur Bereitstellung thermischer Energie für in Initialisierung der katalytischen Reaktionen aufweisen, welches im stationären Betriebszustand der Katalysatoreinheit wieder deaktiviert werden kann.If exothermic reactions take place in the catalyst unit, in particular with the participation of oxygen fed separately into the catalyst unit, the required temperature level can be maintained independently. For this purpose, the catalyst unit can also have a heating module for providing thermal energy for initialization of the catalytic reactions, which can be deactivated again in the stationary operating state of the catalyst unit.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Brennstoff Pyrolysegas verwendet. Dieses fällt bei der thermischen Zersetzung von biogener Masse in einem Pyrolysereaktor unter Sauerstoffabschluss (Pyrolyse) an. Bei biogener Masse kann es sich insbesondere um Pflanzenreste, Abfälle und Nebenprodukte pflanzlicher und tierischer Herkunft, sowie Bioabfälle, Altholz oder auch kommunale und industrielle Klärschlämme handeln. Dieses Pyrolysegas hat nach Austritt aus dem Pyrolysereaktor in der Regel bereits eine sehr hohe Temperatur, typischerweise ca. 700°C, so dass die verunreinigenden Substanzen im Pyrolysegas in der Katalysatoreinheit unmittelbar in der gewünschten Weise reagieren. Ohne Einfluss eines Katalysators würden die fraglichen Reaktionen erst bei einer Temperatur von ca. 1200–1300°C einsetzen.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention is used as a fuel pyrolysis gas. This is due to the thermal decomposition of biogenic mass in a pyrolysis reactor under exclusion of oxygen (pyrolysis). In particular, biogenic mass may be plant residues, wastes and by-products of plant and animal origin, as well as biowaste, waste wood or even municipal and industrial sewage sludge. After leaving the pyrolysis reactor, this pyrolysis gas usually already has a very high temperature, typically about 700 ° C., so that the contaminating substances in the pyrolysis gas in the catalyst unit react directly in the desired manner. Without the influence of a catalyst, the reactions in question would only start at a temperature of about 1200-1300 ° C.
Vorrichtungsmäßig wird die eingangs genannte Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7 dadurch gelöst, dass die Katalysatoreinheit in Prozessrichtung vor der Energiewandlereinheit angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass der Brennstoff in der Katalysatoreinheit zunächst katalytisch gereinigt wird und anschließend in gereinigter Form in die Energiewandlereinheit zur Reaktion mit Sauerstoff zum Zwecke der Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie eingeleitet wird.In terms of apparatus, the object mentioned at the outset is achieved with a device according to the preamble of claim 7, in that the catalyst unit is arranged in front of the energy conversion unit in the process direction and is designed such that the fuel in the catalyst unit is first catalytically cleaned and then in purified form into the Energy converter unit is initiated to react with oxygen for the purpose of generating electrical or mechanical energy.
Für die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile entsprechend.For the advantages of the device according to the invention, the advantages mentioned in connection with the method according to the invention apply accordingly.
Die in der Vorrichtung vorgesehene Energiewandlereinheit kann als Verbrennungskraftmaschine, insbesondere als Kolbenmotor oder Gasturbine ausgebildet sein. Ferner ist der Einsatz einer Brennstoffzelle als Energiewandlereinheit ebenso möglich.The energy converter unit provided in the device can be designed as an internal combustion engine, in particular as a piston engine or gas turbine. Furthermore, the use of a fuel cell as energy conversion unit is also possible.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to a drawing illustrating an embodiment.
Es zeigen:Show it:
In
Der so gereinigte Brennstoff wird über eine Leitung
Die in
Ebenso ist es möglich, dass die die Vorrichtung der
In
Die in der Gasturbine
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