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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Prozeßwärme insbesondere zur Verwendung bei der Papierherstellung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Prozeßwärme in Form von mehreren Wärmeträgermedien.
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Nachfolgend erfolgt die Beschreibung der vorliegenden Erfindung lediglich am Beispiel der Papierherstellung. Es ist für den Fachmann jedoch ohne weitere konkretisierende Ausführungen erkennbar, daß und wie die vorliegende Erfindung ebenso im Bereich der Kartonherstellung sowie bei der Herstellung von Span- und Faserplatten oder dergleichen ähnlichen Herstellungsprozessen zum Einsatz kommen kann.
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Bei der Herstellung von Papier werden regelmäßig große Mengen an elektrischer Energie benötigt, beispielsweise zur Versorgung der Antriebsaggregate. Darüber hinaus besteht bei der Papierherstellung auch erheblicher Wärmebedarf. Der nahezu größte Wärmebedarf innerhalb der Papiermaschine besteht dabei in der sog. Trockenpartie, d. h. dem Bereich, in dem der Papierbahn zumindest ein Teil ihrer Feuchtigkeit aus dem Herstellungsprozeß entzogen wird.
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Aufgrund des hohen Energiebedarfs bei der Papierherstellung hat es sich etabliert, zumindest einen Teil der erforderlichen elektrischen Energie mittels eines thermischen Kraftwerks vor Ort, d. h. zum Beispiel innerhalb der Papierfabrik, zu erzeugen. Die dabei üblicherweise verwendeten Kraft-Wärme-Kopplungs-Konzepte basieren unter Anderem auf einer Kombination von Gasturbine, Abhitzekessel und Dampfturbine, wobei es generell bekannt ist, den Abdampf der Dampfturbine im Rahmen der Papierherstellung zur Erwärmung einzelner Komponenten der Papiermaschine zu verwenden.
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Aufgrund stetig steigender Energierohstoffpreise und bestehender und zukünftig eventuell in Kraft tretender Auflagen zur Einsparung von Kohlendioxid (CO2) aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe besteht Interesse daran, den Energieerzeugungsprozeß im Rahmen der Papierherstellung auch auf alternative Brennstoffe, wie zum Beispiel Biomasse oder Ersatzbrennstoffe zu auszudehnen. Darüber hinaus ist eine Steigerung des Wirkungsgrades des gesamten Energieumwandlungsprozesses sowie eine verbesserte Abstimmung desselben auf den Energiebedarf bei der Papierherstellung von Interesse.
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Die Kraft-Wärme-Kopplung bietet aufgrund der optimalen Ausnutzung der aus dem Primärenergieträger erzeugten thermischen Energie bei Anwendungen, die sowohl thermischen als auch elektrischen Bedarf haben eine optimale Grundlage, da schon allein durch deren Verwendung bei gleichem Primärenergieträger-Einsatz nur ca. die hälfte an CO2 erzeugt wird, wenn man dem die Verstromung des Primärenergierträgers nur durch ein Kraftwerk ohne Abwärmenutzung gegenüber stellt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Prozeßwärme zur Verwendung bei der Papierherstellung bereitzustellen, mit der eine Verbesserung des Energieumwandlungsprozesses bekannter Kraftwerke zur Energieversorgung von Papierfabriken erfolgt und insbesondere die Verwendung alternativer Primärenergieträger zur Energieerzeugung ermöglicht wird. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung durch eine Anpassung des Energieerzeugungsprozesses auf den Gesamtenergiebedarf der Papiermaschine bei der Papierherstellung eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Energieumwandlungsprozesses zu erzielen.
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Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Prozeßwärme in Form von mehreren Wärmeträgermedien zur Verwendung bei der Papierherstellung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Demnach weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Prozeßwärme in Form von mehreren Wärmeträgermedien zur Verwendung bei der Papierherstellung wenigstens eine Verbrennungseinrichtung auf, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, einen zugeführten Brennstoff so zu verbrennen, daß Verbrennungsabgase mit Temperaturen zwischen 850° und 2.000° Celsius entstehen. Diese Abgase werden aus der Verbrennungseinrichtung abgeleitet und wenigstens einem Gasturbinenprozeß zugeführt, wo sie der Erwärmung der durch den Verdichter verdichteten und vorerwärmten Luft dienen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens eine Gasturbine auf, welche einen Verdichter und eine mit einem elektrischen Generator mechanisch gekoppelte erste Turbinenstufe umfaßt, die über einen gemeinsamen Turbinenläufer mechanisch miteinander gekoppelt sind, so daß die durch die erste Turbinenstufe erzeugte Arbeit zumindest teilweise zum Antrieb des Verdichters genutzt wird. Diese Turbine implementiert den bei der Erfindung zum Einsatz kommenden Gasturbinenprozeß, wobei innerhalb oder außerhalb der Gasturbine wenigstens ein Abgaswärmetauscher angeordnet ist, der dazu vorgesehen ist, einen Wärmeübergang zwischen den heißen Verbrennungsabgasen und der durch den Verdichter verdichteten Frischluft herzustellen, so daß hierdurch die verdichtete Frischluft vor deren Eintritt in die erste Turbinenstufe erhitzt wird. Die Abluft der Gasturbine weist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Temperatur von über 500° Celsius auf.
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Darüber hinaus weist die Erfindungsgemäße Vorrichtung eine erste Dampferzeugungseinrichtung auf, durch welche wenigstens ein Teil der nach Abkühlung der Verbrennungsabgase durch den Abgaswärmetauscher verbleibenden Wärme der Abgase zur Erzeugung von Heißdampf dient. Dieser Heißdampf wird als erster Prozeßwärmeträger einem Wärmeverbraucher zugeführt. Daneben wird die heiße Gasturbinenabluft als zweiter Prozeßwärmeträger ebenfalls einem Wärmeverbraucher zugeführt.
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Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine dem Abgaswärmetauscher der Gasturbine nachgeschaltete Abgasrückführungseinrichtung auf, durch welche zumindest ein Teil der durch den Abgaswärmetauscher abgekühlten Abgase dem Abgasstrom entnommen und dem Verbrennungsabgasstrom vor Eintritt in den Abgaswärmetauscher geregelt zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine genaue und der Dynamik des Verbrennungsprozesses gut angepaßte Regelung der Temperatur der Verbrennungsabgase auf einen vorgegebenen Wert oberhalb 850° Celsius jedoch jedenfalls unterhalb der Ascheerweichungstemperatur der im Verbrennungsabgas enthaltenen Asche erfolgen. Die Ascheerweichungstemperatur ist dabei von dem verwendeten Primärenergieträger, also Brennstoff abhängig.
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Eine Regelung der Verbrennungsabgastemperatur auf einen Wert unterhalb der Ascheerweichungstemperatur ist deshalb nötig bzw. vorteilhaft, da anderenfalls der Abgaswärmetauscher des Gasturbinenprozesses einer erhöhten Korrosion ausgesetzt sein könnte oder aber sich zusetzen könnte, was zu einer Störung der Energieerzeugung führt. Wird durch die geregelte Abgasrückführung die Verbrennungsabgastemperatur vor Eintritt des Verbrennungsabgases in den Abgaswärmetauscher auf einen Wert unterhalb der Ascheerweichungstemperatur eingestellt so kann ein effizienter Wärmeübergang von den Verbrennungsabgasen an die verdichtete Frischluft des Gasturbinenprozesses erfolgen.
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An dieser Stelle liegt ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung. Die Integration einer Wärmeübertragung der Wärme des Verbrennungsabgases an die verdichtete Frischluft des Gasturbinenprozesses führt dazu, daß im Gasturbinenprozeß reine Luft unterschiedlicher Temperaturen und Drücke zur Anwendung kommt und daher das Abgas der Gasturbine keinerlei Schadstoffe oder anderweitige die Weiterverwendung dieser Heißluft im Rahmen des Papierherstellungsprozesses beeinträchtigende Komponenten enthält. Dagegen spielt es keine Rolle, wenn die zum Wärmeaustausch verwendeten Verbrennungsabgase schadstoffbelastet sind.
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Die nach der Erhitzung der verdichteten Frischluft im Gasturbinenprozeß mittels des Abgaswärmetauschers verbleibende Restwärme des Abgases wird innerhalb der ersten Dampferzeugungseinrichtung zu einem Großteil zur Herstellung von Heißdampf verwendet. Auch hier spielt eine eventuelle Schadstoffbelastung der Abgase keine Rolle.
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Besonders bevorzugt wird zumindest ein Teil der durch den Gasturbinenprozeß erzeugten Heißluft als vorgewärmte Verbrennungsluft der Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung mit dem Brennstoff zugeführt. Hierdurch wird der Verbrennungsprozeß positiv beeinflußt und ein vollständiger und möglichst schadstoffarmer Ver- bzw. Ausbrand des Brennstoffes begünstigt. Zudem wird durch die vorgewärmte Verbrennungsluft der Energieaufwand zur Aufrechterhaltung einer vollständigen und sauberen Verbrennung, auch schwer entzündlicher Brennstoffe, minimiert.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, eventuell in dem Heißluft-Abgas des Gasturbinenprozesses enthaltene Überschußwärme, die den Bedarf der Papiermaschine an diesem Prozeßwärmeträger übersteigt, in einer zweiten Dampferzeugungseinrichtung zur wiederum Erzeugung von Heißdampf zu verwenden. Besonders bevorzugt wird der durch die erste und/oder zweite Dampferzeugungseinrichtung erzeugte Heißdampf einem Wärmeverbraucher der Papiermaschine als Prozeßwärmeträger zugeführt.
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Vorzugsweise sind die erste und zweite Dampferzeugungseinrichtung innerhalb eines Dampferzeugers integriert angeordnet, wobei durch eine hermetische Abdichtung zwischen dem das Abgas führenden System und dem die Heißluft führenden System gewährleistet wird, daß es zu keinem Übertritt von schadstoffverunreinigtem Abgas in die als Prozeßwärmeträger verwendete Heißluft kommt oder aber Heißluft in den Abgasstrang abfließen könnte, was letztlich einem unerwünschten Wärmeverlust und damit einer verringerten Effizienz des Energiegewinnungsprozesses gleich käme.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der durch die erste und/oder zweite Dampferzeugungseinrichtung erzeugte Heißdampf einer Gegendruckturbine zugeführt, innerhalb derer eine Entspannung des Dampfes auf einen durch die Betriebsparameter der Papiermaschine vorgegebenen Druck erfolgt bei gleichzeitiger Erzeugung von mechanischer Energie, die über einen mit dem Turbinenläufer mechanisch gekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Abdampf der Gegendruckturbine wird dann als Prozeßwärmeträger einem Wärmeverbraucher der Papiermaschine zugeführt.
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Sollte bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Verringerung des Dampfbedarfs im Rahmen des Papierherstellungsprozesses erfolgen, beispielsweise bei einem Papierbahnabriß, der zu einer nahezu schlagartigen Reduktion des Wärmebedarfs und damit des Bedarfs an dem Prozeßwärmeträger Heißdampf führt, so wird durch eine im Abdampfstrang der Gegendruckturbine vorgesehene Dampfsteuerungseinrichtung zumindest ein Teil des der Papiermaschine zugeführten Dampfes an eine mechanisch mit einem Generator gekoppelte Kondensationsturbine abgeleitet. Für den Fall eines Papierbahnabrisses kann somit kurzfristig die im Prozeßwärmeträger enthaltene thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt und beispielsweise in das Stromversorgungsnetz eingespeist werden. Der über die Laufzeit des Kraftwerkes gemittelter elektrische Wirkungsgrad kann hierdurch somit erhöht werden.
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Ein reduzierter oder sogar abgefallener Prozeßwärmeträgerbedarf an der Papiermaschine führt damit nicht, zumindest nicht zwangsläufig, zu einer entsprechend zu verringernden Kraftwerksleistung, was regelmäßig nur unter Inkaufnahme von erheblichen Wirkungsgradverlusten erreicht werden kann, sondern kann über die zwischenzeitliche Umwandlung in elektrische Energie, die dann gegebenenfalls in das Stromversorgungsnetz rückgespeist wird, überbrückt werden bis die Wärmeverbraucher der Papiermaschine wieder mit ihrer vollen thermischen Leistungsabnahme arbeiten.
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Schließlich führt ein derartiger abgefallener Prozeßwärmeträgerbedarf an der Papiermaschine auch nicht zu einem bzw. keine stark ausgeprägten Wärmeanstieg am Abgaswärmetauscher aufgrund einer verringerten Wärmeabnahme. Die Betriebstemperatur des Abgaswärmetauschers kann somit – auch im Falle beispielsweise eines Papierbahnrisses – gleichmäßiger eingehalten werden wodurch ein materialschonender Betrieb des Wärmetauschers gewährleistet wird.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Abgaswärmetauscher mehrstufig ausgeführt und weist wenigstens eine Niedertemperaturstufe und eine Hochtemperaturstufe auf. Bei einer derartigen Ausführungsform weist darüber hinaus die Gasturbine bevorzugt eine zweite Turbinenstufe auf, die entweder mit der ersten Turbinenstufe gemeinsam auf einem Läufer angeordnet ist oder aber auf einem von dem mit der ersten Turbinenstufe getrennten Läufer angeordnet ist, der ebenso wie der Läufer der ersten Turbinenstufe mechanisch mit dem Verdichter und/oder einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppelt ist.
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Vorzugsweise wird die vom Verdichter verdichtete Frischluft zunächst in der Niedertemperaturstufe des Abgaswärmetauschers erhitzt und hiernach der ersten Turbinenstufe zugeführt. Nach der Entspannung in der ersten Turbinenstufe wird die Abluft derselben einer Zwischenerhitzung durch die Hochtemperaturstufe des Abgaswärmetauschers zugeführt und hiernach in der zweiten Turbinenstufe erneut entspannt. Auf diese Weise wird die durch das Verbrennungsabgas zur Verfügung gestellte Wärme durch einen zweistufigen Gasturbinenprozeß mit Zwischenerhitzung auf besonders effiziente Weise zur Herstellung von mechanischer bzw. elektrischer Energie verwendet.
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Um dabei ohne zu großen Regelungsaufwand einen stationären Betrieb des Gasturbinenprozesses zu erreichen ist es bevorzugt die Hochtemperaturstufe des Abgaswärmetauschers als Gleichstromwärmetauscher auszuführen. Hierdurch wird gewährleistet, daß bei vorgegebener Verbrennungsabgastemperatur dem Verbrennungsabgasstrom aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus des Verbrennungsabgases einerseits und der Abluft der ersten Turbinenstufe andererseits dem Verbrennungsabgasstrom nur eine kontrollierte Wärmemenge entnommen wird. Zudem werden durch die Ausführung der Hochtemperaturstufe des Abgaswärmetauschers die Anforderungen an die Materialeigenschaften des Wärmetauschers reduziert, da beim Gleichstromprinzip die Materialtemperatur im wesentlichen am gesamten Wärmetauscher verhältnismäßig gering bleibt, nämlich ungefähr mittig zwischen den Temperaturen der beiden den Wärmetauscher durchströmenden Arbeitsmedien liegt, vorliegend also der Verbrennungsabgastemperatur einerseits und der Abluft der ersten Turbinenstufe andererseits.
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Die im Verbrennungsabgasstrom verbleibende Wärme steht für die Niedertemperaturstufe des Abgaswärmetauschers zur Verfügung, welcher vorzugsweise als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt ist um damit dem Verbrennungsabgasstrom eine maximale Wärmemenge in der Niedertemperaturstufe des Abgaswärmetauschers zur Erhitzung der verdichteten Frischluft in der Gasturbine zu entnehmen.
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Zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es bevorzugt, die Verbrennungsabgastemperatur im Rahmen der Möglichkeiten, das heißt, ohne die Ascheerweichungstemperatur zu überschreiten, so hoch wie möglich einzustellen. Dabei können jedoch Abgastemperaturen auftreten, die einerseits aus thermischen Gründen die Materialeigenschaften des Abgaswärmetauschermaterials überlasten können oder andererseits zu einer erhöhten Korrosion des Abgaswärmetauschermaterials führen können. In beiden Fällen kann dies zu einem schleichenden oder aber auch spontanen Versagen des Abgaswärmetauschers führen.
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Zur Überwindung dieser Probleme ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, zumindest einen Teil des Abgaswärmetauschers und insbesondere die Hochtemperaturstufe des Abgaswärmetauschers aus einem keramischen Material auszuführen. Durch die erheblich höhere thermische Beständigkeit von keramischen Materialien im Vergleich zu Metallen ist es einerseits möglich, die Betriebstemperaturen des Wärmetauscherprozesses zu erhöhen ohne daß es hierbei zu einem thermisch bedingten Versagen des Abgaswärmetauschers kommt, andererseits ist das Problem von Korrosionen bei keramischen Materialien ebenfalls nicht gegeben. Somit kann durch eine Erhöhung der Betriebstemperaturen des Wärmetauscherprozesses auch die gesamte Effizienz des Gasturbinenprozesses gesteigert werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen in Verbindung mit den Ansprüchen. Es zeigt:
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1 eine Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Prozeßwärme in Form von mehreren Wärmeträgermedien gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine erste bevorzugte Weiterbildung einer Vorrichtung gemäß 1;
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3 eine weitere bevorzugte Weiterbildung einer Vorrichtung gemäß den 1 oder 2.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Prozeßwärme in Form von mehreren Wärmeträgermedien zur Verwendung bei der Papierherstellung, wobei die durch den Prozeß zur bereit gestellten Prozeßwärmeträger Heißdampf D mit Temperaturen zwischen 200°C und 400°C und einem Druck zwischen 3 und 20 bar einerseits und Heißluft HL mit Temperaturen zwischen 100°C und 600°C andererseits sind. Beide werden neben der durch die Gasturbine 20 erzeugten Arbeit, die wiederum durch einen (nicht gezeigten) Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann, gegebenenfalls nach einer weiteren Verwendung im Energiegewinnungsprozeß der Trockenpartie einer Papiermaschine (in 1 ebenfalls nicht gezeigt) zugeführt, um dort den erheblichen Bedarf an thermischer Energie bei der Trocknung der Papierbahn zumindest teilweise zu decken.
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Die Bereitstellung der beiden Prozeßwärmeträger erfolgt nach einer Variante des Kraft-Wärme-Kopplungsprinzips bei dem ein Gasturbinenprozeß ohne unmittelbare Verbrennung eines Brennstoffs in der Gasturbine 20, sondern lediglich unter Einbringung von Wärme über einen Abgaswärmetauscher 22, die den Verbrennungsabgasen A1 einer Verbrennung von Brennstoff in einer Verbrennungseinrichtung 10 entzogen wird. Der Gasturbinenprozeß verläuft damit ohne interne Verbrennung und somit auch ohne die Erzeugung von schadstoffbelasteten Abgasen. Als „Abgas” der Gasturbine 20 liegt lediglich Heißluft HL mit Temperaturen zwischen 400°C und 700°C vor.
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Darüber hinaus wird Restwärme, die den Verbrennungsabgasen im Rahmen des Wärmeaustauschs im Gasturbinenprozesses nicht entzogen wird in einem Dampferzeuger zur Erzeugung von Dampf D verwendet, indem das Abgas A2 nach Durchströmen des Abgaswärmetauschers 22 der Gasturbine 20 einer Dampferzeugungseinrichtung 30 zugeführt wird. Der erzeugte Dampf D dient gleichzeitig als erster Prozeßwärmeträger zur Verwendung in der Papiermaschine.
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Hiernach wird das Abgas A3, soweit nötig, einer Abgasreinigung unterzogen und gegebenenfalls über einen Schornstein an die Umgebung abgegeben (nicht gezeigt). Da als Brennstoff für die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung neben fossilen Brennstoffen auch Biomasse zur Feuerung der Verbrennungseinrichtung verwendet werden kann, kann in einem solchen Fall auf eine zukünftig möglicherweise erforderliche CO2-sequestration verzichtet werden, da Biomasse-Brennstoffe allgemein als CO2-neutral eingestuft werden.
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Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie in 1 gezeigt, eine Abgasrückführungseinrichtung AR auf, durch welche abgekühlte Abgase A2 stromabwärts des Abgaswärmetauschers 22 der Gasturbine 20 abgeleitet und durch eine Förderungseinrichtung F in den Verbrennungsabgasstrom unmittelbar nach der Verbrennungseinrichtung 10 wieder eingeleitet wird. Durch eine Regelung der Fördermenge der Förderungseinrichtung F ist es möglich einen vorgegebenen Temperaturwert des Verbrennungsabgases A1 vor dessen Eintritt in den Abgaswärmetauscher 22 mit großer Genauigkeit zuhalten. Bevorzugte Temperaturwerte des Verbrennungsabgases A1 liegen dabei zwischen 850°C und 1.300°C.
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Jedenfalls aber dient die Abgasrückführungseinrichtung AR dazu, die Temperatur des Verbrennungsabgases A1 auf einen Wert unterhalb des Ascheerweichungspunktes zu begrenzen, so daß wirksam vermieden werden kann, daß die im Verbrennungsabgas enthaltene Asche den Abgaswärmetauscher 22 der Gasturbine 20 zusetzt und dadurch der effiziente Betrieb der Gasturbine 20 beeinträchtigt wird. Solche Ascheerweichungspunkte liegen beispielsweise für Holz zwischen 1.000°C und 1.550°C, insbesondere für Fichtenholz bei ca. 1.250°C, für Weizenstroh bei ca. 1.000°C, wobei die entsprechenden Werte der Ascheerweichungstemperaturen durch die Zugabe von geeigneten Additiven wie, zum Beispiel Kalk oder Kaolin oder dergleichen bei der Verbrennung beeinflußt und insbesondere angehoben werden können.
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1 zeigt zudem eine bevorzugte Ausführungsform der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Gasturbine 20. Die Gastrubine weist einen Verdichter 21 und eine erste Turbinenstufe 23 auf, welche bevorzugt auf einem gemeinsamen Läufer angeordnet sind. Der Verdichter 21 saugt Frischluft FL aus der Umgebung an und verdichtet diese bevorzugt mit einem Kompressionsverhältnis zwischen 1:6 und 1:12. Die so verdichtete Frischluft wird dann dem Abgaswärmetauscher 22 zugeführt, durch den dem Verbrennungsabgas A1 Wärme entzogen und der verdichteten Frischluft zugeführt, die dadurch erhitzt wird. Die erhitzte Luft wird nun in der ersten Turbinenstufe 23 entspannt und verläßt die Gasturbine 20 als Heißluft HL, die als zweiter Prozeßwärmeträger für die Papiermaschine dient.
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Darüber hinaus wird von der durch den Gasturbinenprozeß erzeugten Heißluft HL ein Teil abgeleitet und der Verbrennungseinrichtung 10 zur Verbrennung mit dem Brennstoff zugeführt. Durch die so vorerwärmte Verbrennungsluft VL kann eine energetisch günstige und vor allem saubere und vollständige Verbrennung des Brennstoffs erfolgen.
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2 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist. Gemäß 2 werden die Prozeßwärmeträger Heißluft HL und Dampf D vor deren Zuführung zur Papiermaschine PM weiteren Kraftwerkskomponenten zugeführt, um so die Effizienz des gesamten Energieumwandlungsprozesses der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter zu verbessern.
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Danach wird zum Einen die Abluft des Gasturbinenprozesses als Heißluft HL einer zweiten Dampferzeugungseinrichtung 31 zugeführt, welche beispielsweise zur Überhitzung des durch die erste Dampferzeugungseinrichtung 30 erzeugten Dampfes dient oder aber als gesonderte Dampferzeugungseinrichtung betreibbar ist. Bevorzugt sind dabei die erste und die zweite Dampferzeugungseinrichtung 30, 31 in einem Dampferzeuger integriert, wobei es dabei erforderlich ist, daß innerhalb des Dampferzeugers primärseitig eine hermetische Abdichtung zwischen der mittels der Abgaswärme betrieben Dampferzeugereinrichtung 30 und der mittels der Heißluft betriebenen Dampferzeugereinrichtung 31 besteht, so daß eine Vermischung von Abgas A2 und Heißluft HL sicher vermieden werden kann und somit keine Kontamination der Heißluft mit Abgasbestandteilen erfolgt oder aber Heißluft in den Abgasstrom übertritt.
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Desweiteren wird der mittels der Dampferzeugereinrichtungen erzeugte und gegebenenfalls überhitzte Dampf D vor dessen Zuführung zur Papiermaschine PM einer Dampfturbine 40 zugeführt und dort zumindest teilweise entspannt. Auf diese Weise kann zumindest ein Teil der thermischen Energie des Heißdampfes D in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden. Bei der Dampfturbine 40 handelt es sich vorzugsweise um eine Gegendruckturbine, so daß der Abdampf der Turbine, der dann beispielweise der Papiermaschine PM zugeführt wird einen Restdruck von 2 bar bis 7 bar aufweist und nicht vollständig innerhalb der Dampfturbine 40 entspannt wird.
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Um im Falle eines Abfalls des Bedarfs an thermischer Energie der Papiermaschine PM, beispielsweise durch eine Betriebsunterbrechung oder einem Abriß der Papierbahn etwaigen Überschuß-Dampf nicht ungenutzt an die Umgebung abblasen zu müssen ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 auch eine Dampfsteuerungseinrichtung 50 vorgesehen durch die zumindest ein Teil des Abdampfs der Gegendruckturbine 40 bedarfsweise an eine Kondensationsturbine 41 abgeleitet werden kann. Die Dampfsteuerungseinrichtung 50 erlaubt dabei vorzugsweise eine geregelte Ableitung von Dampf zur Kondensationsturbine 41. Die Kondensationsturbine 41 ist, ebenso wie die Gegendruckturbine 40 mechanisch mit einem Generator (nicht gezeigt) zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt. Gegendruckturbine 40 und Kondensationsturbine können sowohl getrennt als auch in einer Turbine integriert ausgeführt sein.
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3 zeigt eine weitere Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, insbesondere der Gasturbine 20, wie sie bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt zum Einsatz kommt, wobei die Weiterbildung sowohl auf der Ausführungsform gemäß 1, als auch auf der Ausführungsform gemäß 2 basieren kann. Danach weist der Abgaswärmetauscher eine Niedertemperaturstufe 22a und eine Hochtemperaturstufe 22b auf, welche nacheinander von den Verbrennungsabgasen A1 der Verbrennungseinrichtung durchströmt werden. Vorzugsweise findet in der Hochtemperaturstufe 22b eine Abkühlung der Verbrennungsabgase um 100°C bis 500°C statt und in der Niedertemperaturstufe 22a eine weitere Abkühlung der Verbrennungsabgase um 300°C bis 800°C.
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Wie in 3 gezeigt ist, wird die von der Gasturbine angesaugte Frischluft FL nach der Verdichtung im Verdichter 21 als Vorerwärmte Luft HL0 der Niedertemperaturstufe 22a des Abgaswärmetauschers zugeleitet und von dort nach ihrer Erhitzung als erhitzte Luft HL1 der ersten Turbinenstufe 23 zugeführt. Nach ihrer Entspannung in der ersten Turbinenstufe 23 wird die Abluft HL2 der ersten Turbinenstufe 23 der Hochtemperaturstufe 22b des Abgaswärmetauschers zugeführt und dort erneut zwischenerhitzt. Die zwischenerhitzte Luft HL3 wird schließlich der zweiten Turbinenstufe 24 zugeführt und dort weiter bis auf im Wesentlichen Umgebungsdruck entspannt. Die Abluft der zweiten Turbinenstufe stellt die im Prozeß als zweiter Prozeßwärmeträger weiter verwendete Heißluft HL dar.
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Die Vorerwärmte Luft HL0 weist vorzugsweise einen Druck von 5 bar bis 12 bar und eine Temperatur von 200°C bis 400°C auf Durch die Niedertemperaturstufe 22a des Abgaswärmetauschers erfolgt eine Erhitzung der vorerwärmten Luft auf 600°C bis 1.000°C. Die Abluft HL2 der ersten Turbinenstufe 23 weist nach deren Entspannung einen Druck von 2 bar bis 8 bar auf und eine Temperatur von 400°C bis 700°C. Nach der Erwärmung durch die Hochtemperaturstufe 22b weist die zwischenerhitzte Luft eine Temperatur von ebenfalls 600°C bis 1.000° auf.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird es möglich, Kraftwerksanlagen welche sowohl elektrische als auch thermische Energie in Form mehrerer Prozeßwärmeenergieträger zur Verwendung bei der Papierherstellung bereitstellen zu konzipieren. Diese Kraftwerksanlagen sind erfindungsgemäß dafür vorgesehen neben den herkömmlichen fossilen Brennstoffen auch Biomasse und/oder Ersatzbrennstoffe zur Feuerung zu verwenden. Dabei erfolgt die Energieumwandlung in einem Gesamtprozeß mit größtmöglicher Effizienz, bei dem nicht nur elektrische Wirkungsgrade von bis zu 25% erreicht werden, sondern darüber hinaus auch Gesamtwirkungsgrade von bis zu 88%.
