DE102016012420A1 - Verfahren und System zum Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners (101), wobei der Brennstoff einer Anode (121) einer Brennstoffzelle (120) zugeführt und ein sauerstoffhaltiges Gas einer Kathode (122) der Brennstoffzelle (120) zugeführt wird, und wobei ein Anodenabgas von der Anode (121) der Brennstoffzelle (120) abgeführt und das abgeführte Anodenabgas dem Brenner (101) zugeführt und von dem Brenner (101) zu einem Rauchgas verbrannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Vorwärmsystem zum Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners.
  • Stand der Technik
  • In Brennern kann ein Brennstoff, z.B. Erdgas oder Methan, zusammen mit einem Oxidationsmittel, z.B. Luft oder Sauerstoff, zu einem Rauchgas verbrannt werden. Derartige Brenner können zum Befeuern von Öfen verwendet werden, z.B. von Glasöfen, um Glas von seinem festen Aggregatszustand in seinen flüssigen zu überführen.
  • Das von einem derartigen Brenner erzeugte Rauchgas hat vergleichsweise hohe Temperaturen von üblicherweise bis zu 1500°C oder höher und kann genutzt werden, um den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel vorzuwärmen. Zu diesem Zweck kann ein sog. diskontinuierlich betriebener Regenerator verwendet werden, welcher zumeist zwei Regeneratorbetten aufweist und abwechselnd in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden kann. Während des ersten Betriebsmodus kann das heiße Rauchabgas durch ein erstes Regeneratorbett geführt werden und dieses aufwärmen. Sobald dieses vom Rauchgas durchströmte erste Regeneratorbett auf eine ausreichende Temperatur aufgewärmt ist, wird zwischen den Betriebsmodi umgeschaltet und das Rauchgas kann in dem zweiten Betriebsmodus durch ein zweites Regeneratorbett geführt werden. Durch das aufgewärmte erste Regeneratorbett kann in diesem zweiten Betriebsmodus das Brenngas und/oder das Oxidationsmittel geführt, vorgewärmt und anschließend dem Brenner zugeführt werden. Analog können Brenngas und/oder Oxidationsmittel in dem ersten Betriebsmodus durch das aufgewärmte zweite Regeneratorbett geführt und darin vorgewärmt werden.
  • Ein derartiges herkömmliches Vorwärmen des Brennstoffs kann zumeist nur mit geringer Effizienz durchgeführt werden, so dass nur ein vergleichsweise geringer Anteil der thermischen Energie des Rauchgases auf den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel übertragen werden kann. Das Rauchgas kann nach Durchlauf durch das entsprechende Regeneratorbett noch vergleichsweise hohe Temperaturen von bis zu über 800°C besitzen. Demgemäß kann ein entsprechend großer Anteil der im Rauchgas enthaltenen Energie nicht durch die Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelvorwärmung zurückgewonnen werden, was zu einer vergleichsweise geringen Effizienz des entsprechenden Brenners führt.
  • Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners zu ermöglichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners sowie ein Vorwärmsystem zum Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Das erfindungsgemäße Vorwärmsystem ist dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Vorwärmsystems ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung jeweils in analoger Weise.
  • Erfindungsgemäß wird der Brennstoff einer Anode einer Brennstoffzelle zugeführt. Ein sauerstoffhaltiges Gas wird einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Ein Anodenabgas wird von der Anode der Brennstoffzelle abgeführt und dieses abgeführte Anodenabgas wird dem Brenner zugeführt und von dem Brenner zu einem Rauchgas verbrannt. Zu diesem Zweck ist eine Anodenabgasführung vorgesehen.
  • Die Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, in welcher chemische Energie des Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Brennstoff, der Wasserstoff aber auch organische Verbindungen wie beispielsweise Methan oder Methanol umfassen kann, und das sauerstoffhaltige Gas werden der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt. Die Anode und die Kathode sind durch einen Elektrolyten oder eine semipermeable Membran bzw. durch eine Elektrolytmembran voneinander getrennt, welcher bzw. welche den Transport bestimmter Ionen zulässt.
  • Bei den in einer Brennstoffzelle ablaufenden chemischen Reaktionen wird Wärme freigesetzt. Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass diese Wärme vorteilhafterweise genutzt werden kann, um weiteren Brennstoff für einen Brenner vorzuwärmen. Mit anderen Worten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein brennbares Gas oder Gasgemisch einer Brennstoffzelle zugeführt. Ein Teil des Gases oder Gasgemischs wird in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser und Freisetzung von elektrischer Energie umgesetzt, ein weiterer, in der Brennstoffzelle nicht umgesetzter Teil wird dort lediglich vorgewärmt und dem Brenner zugeführt.
  • Durch die erzeugte Wärme kann also überschüssiger Brennstoff erwärmt werden, welcher der Anode zugeführt, aber nicht für die Stromerzeugung genutzt wird. Dieser vorgewärmte Brennstoff wird als Anodenabgas abgeführt. Weiterhin enthält das Anodenabgas insbesondere Wasserdampf. Insbesondere wird die Brennstoffzelle bei Temperaturen zwischen 400°C und 1000°C betrieben, insbesondere zwischen 600°C und 900°C, wodurch der Brennstoff effektiv vorgewärmt werden kann. Dem Brenner werden somit als Anodenabgas vorgewärmter Brennstoff und Wasserdampf zugeführt. Die Verbrennung kann von dem Brenner somit effektiv durchgeführt werden. Dabei kann nur ein Teil des dem Brenner zugeführten Brennstoffs durch die Brennstoffzelle geführt werden oder die gesamte Menge an Brennstoff.
  • Durch die Erfindung kann das von dem Brenner zu verbrennende Gas deutlich effektiver vorgewärmt werden, als es bei herkömmlichen Vorwärmsystemen der Fall ist, insbesondere bei zyklisch bzw. diskontinuierlich betriebenen Regeneratoren. Insbesondere kann die Vorwärmung ohne das vom Brenner erzeugte korrosive Rauchgas durchgeführt werden.
  • Wie eingangs erwähnt, können in herkömmlichen Vorwärmsystemen diskontinuierlich betriebene Regeneratoren eingesetzt werden. Neben den Nachteilen in der Effizienz der Wärmeübertragung ist eine derartige Lösung insbesondere beim Betrieb eines Brenners mit reinem Sauerstoff aufgrund wesentlicher anlagentechnischer Unterschiede nicht zweckmäßig. Durch den im Vergleich zur Verwendung von Verbrennungsluft verringerten Volumenstrom von Sauerstoff ist eine Wärmerückgewinnung durch eine Sauerstoffvorwärmung hier in der Regel nicht vorteilhaft. Dies hat neben dem energetischen Aspekt durch den verringerten Volumenstrom noch weitere Gründe, wie beispielsweise die technischen Herausforderungen an die verwendeten Materialen bei einer Vorwärmung von Sauerstoff in Wärmetauschern.
  • Unabhängig von der Art des verwendeten Oxidationsmittels erfolgt, mit anderen Worten, eine schlechte Wärmerückgewinnung aus dem Rauchgas bei herkömmlichen Vorwärmsystemen. Beim sauerstoffbetriebenen Brenner ist die Wärmerückgewinnung aber aufgrund des schlecht vorwärmbaren Sauerstoffes noch schlechter als beim luftbetriebenen Brenner. Dies führt zu einem Wärmeverlust in Form von Abgas an die Umgebung. Die schlechte Energieeffizienz führt letztendlich zu einem erhöhtem Brennstoff- und Oxidationsmittelverbrauch sowie zu einer höheren Belastung der Umwelt durch erhöhte Emissionen. Im Gegensatz dazu kann durch die Erfindung eine effektive Vorwärmung durchgeführt werden, unabhängig von der Art des verwendeten Oxidationsmittels und des verwendeten Brennstoffs.
  • Weiterhin wird durch die Brennstoffzelle nicht nur der Brennstoff für den Brenner vorgewärmt, sondern zusätzlich elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad erzeugt, welche beispielsweise für den Betrieb des Brenners und/oder des Vorwärmsystems verwendet werden kann, z.B. um Pumpen, Motoren etc. zu betreiben. Alternativ oder zusätzlich kann die erzeugte elektrische Energie auch gespeichert oder in ein Stromnetz eingespeist werden. Beispielswiese kann die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie auch für die Bereitstellung von Sauerstoff für einen OxyFuel-Ofen verwendet werden. Die Energieerzeugung innerhalb der Brennstoffzelle kann zweckmäßigerweise unabhängig von dem Brenner durchgeführt werden.
  • Das Verfahren eignet sich besonders vorteilhaft zur Anwendung von Kraft-Wärme-Kopplung bei Feuerungsanlagen. Somit wird durch die Erfindung ein Gesamtsystem bereitgestellt, welches effektiv thermische und elektrische Energie erzeugen kann. Insbesondere kann eine effiziente Stromproduktion erfolgen, da die heißen Abgase der Brennstoffzelle nicht als Abfallprodukte verloren gehen, sondern im Gesamtsystem weiter verwendet werden können.
  • Vorteilhafterweise wird ein Kathodenabgas von der Kathode der Brennstoffzelle abgeführt, zweckmäßigerweise um die in dem Kathodenabgas gespeicherte thermische Energie zurückzugewinnen. Das abgeführte Kathodenabgas wird vorzugsweise dem Brenner zugeführt und von dem Brenner zusammen mit dem Anodenabgas und/oder zugeführtem Brennstoff zu dem Rauchgas verbrannt. Zu diesem Zweck ist vorteilhafterweise eine Kathodenabgasführung vorgesehen. Das Kathodenabgas ist insbesondere überschüssiges sauerstoffhaltiges Gas, welches in der Brennstoffzelle nicht zur Erzeugung von Wasser verwendet wird. Durch die in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme wird dieses überschüssige sauerstoffhaltige Gas erwärmt. Durch die Verbrennung dieses vorgewärmten Kathodenabgases zusammen mit dem Anodenabgas kann die Effizienz des Brenners weiter erhöht werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann dem Brenner ein Oxidationsmittel zugeführt und. zusammen mit dem Anodenabgas zu dem Rauchgas verbrannt werden. Zu diesem Zweck ist bevorzugt eine Oxidationsmittelzufuhr zu dem Brenner vorgesehen. Als Oxidationsmittel können bevorzugt Luft und/oder Sauerstoff und/oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet werden. Analog können bevorzugt Luft und/oder Sauerstoff und/oder mit Sauerstoff angereicherte Luft als sauerstoffhaltiges Gas für die Kathode der Brennstoffzelle verwendet werden. Es versteht sich, dass das Oxidationsmittel und das sauerstoffhaltige Gas nicht notwendigerweise dieselbe Zusammensetzung haben müssen, sondern zweckmäßigerweise auch unterschiedliche Zusammensetzung haben können. Es ist auch denkbar, eine Anlage zur Bereitstellung von Sauerstoff in das Vorwärmsystem zu integrieren.
  • Als Brennstoff können vorzugsweise Erdgas und/oder Methan und/oder Wasserstoff verwendet werden. Bevorzugt können dem Brenner zusätzlich ein weiterer Brennstoff und/oder ein weiteres Oxidationsmittel zugeführt werden. Falls das Anodenabgas nur einen Teil der benötigten Feuerungsleistung bereitstellen kann, kann somit gewährleistet werden, dass der Brenner dennoch die benötigte Leistung liefert.
  • Es kann beispielsweise die gesamte Menge an dem Brenner zugeführten Brennstoff und/oder Oxidationsmittel durch die Brennstoffzelle geführt und von dieser vorgewärmt werden. Ebenso ist es denkbar, auch nur einen Teil des dem Brenner zugeführten Brennstoffs und/oder Oxidationsmittels durch die Brennstoffzelle zu führen.
  • Die Wärme des Kathodenabgases kann zur Vorwärmung von weiteren Stoffen, Gasen, Elementen usw. verwendet werden. Die in dem Kathodenabgas gespeicherte Wärme geht somit nicht verloren, sondern kann sinnvoll weiter verwendet werden.
  • Vorzugsweise wird abgeführtes Kathodenabgas verwendet, um das sauerstoffhaltige Gas vorzuwärmen. Somit kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle insbesondere weiter erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich kann das abgeführte Kathodenabgas bevorzugt verwendet werden, um den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel, falls verwendet, vorzuwärmen, wobei das vorgewärmte Oxidationsmittel dem Brenner zugeführt und von dem Brenner zusammen mit dem Anodenabgas und/oder zusätzlichem Brennstoff zu dem Rauchgas verbrannt wird. Zu diesem Zweck kann vorzugsweise eine Wärmeübertragungseinheit vorgesehen sein, welche beispielsweise als Wärmeübertrager ausgebildet sein kann, etwa als Kühlschlange oder als Plattenwärmeübertrager. Beispielswiese kann das Kathodenabgas nach Durchströmen eines derartigen Wärmeübertragers zum Beheizen eines Dampferzeugers verwendet werden.
  • Vorteilhafterweise kann alternativ oder zusätzlich auch das von dem Brenner erzeugte Rauchgas verwendet werden, um den Brennstoff und/oder das sauerstoffhaltige Gas und/oder das Oxidationsmittel, falls verwendet, vorzuwärmen. Zu diesem Zweck ist bevorzugt eine Rauchgasabführung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, ein von dem Brenner erzeugtes Rauchgas abzuführen. Eine Wärmeübertragungseinheit ist dazu eingerichtet, mittels des Rauchgases in der Rauchgasabführung das sauerstoffhaltige Gas und/oder den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelzufuhr vorzuwärmen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann thermische Energie des Rauchgases vorzugsweise zumindest teilweise auf ein Wärmeträgermedium übertragen und dieses Wärmeträgermedium zur Erwärmung des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels und/oder des sauerstoffhaltigen Gases genutzt werden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck das Wärmeträgermedium der Wärmeübertragungseinheit zugeführt werden. Somit kann das Rauchgas indirekt bzw. mittelbar zur Vorwärmung weiterer Elemente verwendet werden. Das Wärmeträgermedium dient dabei als Zwischenmedium.
  • Somit können insbesondere die Prozesse der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle und die Verbrennung von dem Brenner miteinander gekoppelt werden und es kann eine optimale Ausnutzung der Abwärme aus den jeweiligen Prozessen zur Vorwärmung ermöglicht werden, so dass nur geringe Abwärmeverluste auftreten. Somit ergeben sich ein hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und eine effektive Verbrennung durch den Brenner. Insbesondere kann die Abwärme des Brenners zum Vorwärmen von der Brennstoffzelle zugeführten Gasen verwendet werden und die Abwärme der Brennstoffzelle kann zum Vorwärmen des im Brenner zu verbrennenden Gases verwendet werden.
  • Vorzugsweise wird das abgeführte Anodenabgas von der Brennstoffzelle zunächst gekühlt und einem Abscheider zugeführt, um Wasser aus dem Anodenabgas abzuscheiden. Nach dem Abscheider wird das Anodenabgas dem Brenner zugeführt. Das aus dem Anodenabgas extrahierte Wasser kann zweckmäßigerweise in dem Vorwärmsystem weiter verwendet werden. Beispielsweise kann das Wasser zu Wasserdampf umgewandelt werden. Insbesondere kann für diese Wasserdampferzeugung Wärme des Anodenabgases und/oder des Rauchgases verwendet werden.
  • Bevorzugt wird der Brennstoff zunächst einem Reformer und anschließend der Anode der Brennstoffzelle zugeführt. Der Reformer kann als ein separates Bauteil stromaufwärts der Brennstoffzelle realisiert sein oder auch in die Brennstoffzelle integriert sein. In dem Reformer kann der Brennstoff zunächst vorbehandelt werden. Zweckmäßigerweise wird in dem Reformer eine Reformierungsreaktion von dem Brennstoff zu einem Synthesegas durchgeführt. Unter Synthesegas ist zweckmäßigerweise ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu verstehen. Es versteht sich, dass dieses Gasgemisch noch andere Stoffe aufweisen kann, Wasserstoff und Kohlenmonoxid stellen jedoch insbesondere den größten Stoffteil dar. Im Zuge der Reformierungsreaktion reagieren Methan und Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Bevorzugt wird daher Erdgas und/oder Methan und/oder Wasserstoff als Brennstoff verwendet. Der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff kann in der Brennstoffzelle insbesondere für die Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden.
  • Die Reformierungsreaktion ist eine endotherme chemische Reaktion. Die für die Reaktion benötigte Reaktionswärme kann vorteilhafterweise teilweise oder auch vollständig durch die Abwärme in dem Rauchgas und/oder dem Kathodenabgas zur Verfügung gestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Zusatzfeuerung für den Reformer vorgesehen sein, um die benötigte Reaktionswärme bereitzustellen. Der für die Reformierungsreaktion benötigte Wasserdampf kann vorzugsweise durch Rückführung des wasserdampfhaltigen Anodenabgases zur Verfügung gestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das von dem Abscheider aus dem Anodenabgas extrahierte Wasser verdampft und dem Reformer zugeführt werden. Es kann alternativ oder zusätzlich auch ein Dampferzeuger zur Bereitstellung des benötigten Wasserdampfes in das Vorwärmsystem integriert werden.
  • Vorteilhafterweise kann eine Festoxidbrennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC) und/oder eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (molten carbonate fuel cell, MCFC) als Brennstoffzelle verwendet werden. Eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle wird insbesondere zwischen 500°C und 700°C betrieben. Als Elektrolyt wird insbesondere eine Alkalicarbonat-Mischschmelze aus Lithium- und Kaliumcarbonat verwendet. Eine Festoxidbrennstoffzelle wird insbesondere zwischen 600°C und 1000°C betrieben mit einem Elektrolyt aus einem festen keramischen Werkstoff.
  • Der Brenner kann vorteilhafterweise zum Beheizen eines Ofens verwendet werden, vorzugsweise eines Glasofens zum Schmelzen von Glas. Der Ofen kann somit effizient betrieben werden. Betriebskosten, elektrischer Verbrauch, Umweltbelastungen und Emissionen beim Betrieb des Ofens können reduziert werden. Der Ofen kann kontinuierlich oder auch diskontinuierlich betrieben werden. Bei einem diskontinuierlichen Betrieb kann die Kopplung beider Prozesse (Erzeugung elektrische Energie in der Brennstoffzelle und Verbrennung von dem Brenner) auch aufgelöst werden, um lediglich die Brennstoffzelle kontinuierlich weiter zu betreiben.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
  • 1 bis 2 zeigen jeweils schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Vorwärmsystems, das jeweils dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Vorwärmsystems schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet, das dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
  • In einem Ofen 102, z.B. einem Glasofen, ist ein Brenner 101 angeordnet, um diesen Ofen 102 zu befeuern. Zum Vorwärmen eines Brennstoffs des Brenners ist eine Brennstoffzelle 120, z.B. eine Festoxidbrennstoffzelle, vorgesehen.
  • Ein Brennstoff, z.B. Erdgas, wird über eine Brennstoffzufuhr 130 zunächst einem Reformer 135 zugeführt. Über eine Dampfzufuhr 131 wird an einem Knotenpunkt 132 Wasserdampf in die Brennstoffzufuhr 131 geleitet. Somit wird dem Reformer 135 der Brennstoff zusammen mit dem Wasserdampf zugeführt.
  • Der Brennstoff wird in dem Reformer 135 zunächst vorbehandelt, bevor er der Brennstoffzelle 120 zugeführt wird. In dem Reformer 135 wird eine Reformierungsreaktion zumindest eines Teils des Brennstoffs und des Wasserdampfs durchgeführt. Dabei reagieren Methan und Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
  • Über eine Brennstoffzufuhr 133 wird dieser vorbehandelte Brennstoff einer Anode 121 der Brennstoffzelle 120 zugeführt. Über eine Gaszufuhr 140 wird einer Kathode 122 der Brennstoffzelle 120 ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Sauerstoff zugeführt.
  • An der Anode 121 wird beispielsweise in dem zugeführten Brennstoff enthaltener Wasserstoff katalytisch oxidiert, wodurch positive Wasserstoff-Ionen und Elektronen erzeugt werden. Die Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zu der Kathode 122. An der Kathode 122 wird der über die Gaszufuhr 140 zugeführte Sauerstoff mittels der Elektronen katalytisch reduziert, wodurch negativen Sauerstoff-Ionen entstehen. Durch eine Membran gelangen die Sauerstoff-Ionen von der Kathode 122 zu der Anode 121, wo sie sich mit den Wasserstoff-Ionen zu Wasser verbinden.
  • Somit wird in der Brennstoffzelle elektrische Energie 125 erzeugt, welche z.B. gespeichert oder in ein Stromnetz eingespeist werden kann. Weiterhin wird Wärme erzeugt, mittels welcher überschüssiger Brennstoff erwärmt wird. Dieser vorgewärmte Brennstoff, insbesondere eine Mischung aus Erdgas, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasserdampf, wird als Anodenabgas über eine Anodenabgasführung 123 abgeführt. Ebenso wird durch die erzeugte Wärme überschüssiger Sauerstoff erwärmt, welcher als Kathodenabgas über eine Kathodenabgasführung 124 abgeführt wird.
  • Das abgeführte Anodenabgas wird über die Anodenabgasführung 123 dem Brenner 101 zugeführt. Weiterhin wird dem Brenner 101 über eine Oxidationsmittelzufuhr 150 ein Oxidationsmittel zugeführt, z.B. Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft.
  • Das Anodenabgas und das Oxidationsmittel werden in dem Brenner 101 zu einem Rauchgas verbrannt, z.B. einer Mischung aus Kohlendioxid und Wasserdampf. Eine Rauchgasabführung 110 ist vorgesehen, um das von dem Brenner 101 erzeugte Rauchgas aus dem Ofen 102 abzuführen.
  • Aus dem abgeführten Rauchgas kann wiederum Wärme rückgewonnen werden, um beispielswiese den Brennstoff, das sauerstoffhaltige Gas und das Oxidationsmittel vorzuwärmen. Zu diesem Zweck ist eine Vielzahl von Wärmeübertragungseinheiten vorgesehen, die jeweils beispielsweise als Wärmetauscher ausgebildet sind. Es ist auch möglich, dass das Rauchgas indirekt zur Vorwärmung verwendet wird, beispielsweise indem thermische Energie des Rauchgases zumindest teilweise auf ein Wärmeträgermedium übertragen und dieses Wärmeträgermedium zur direkten Erwärmung genutzt wird.
  • Eine erste Wärmeübertragungseinheit 111 ist vorgesehen, um Wärme von dem Rauchgas in der Rauchgasabführung 110 auf den Reformer 135 zu übertragen. Die in dem Reformer ablaufende Reformierungsreaktion ist eine endotherme chemische Reaktion. Die für die Reaktion benötigte Reaktionswärme kann somit durch die Abwärme in dem Rauchgas zur Verfügung gestellt werden. Es kann auch eine Zusatzfeuerung für den Reformer 135 vorgesehen sein, um die benötigte Reaktionswärme bereitzustellen.
  • Eine zweite Wärmeübertragungseinheit 141 ist stromabwärts der ersten Wärmeübertragungseinheit 111 vorgesehen, um Wärme von dem Rauchgas auf den Sauerstoff in der Gaszufuhr 140 zu übertragen.
  • Eine dritte Wärmeübertragungseinheit 151 ist stromabwärts der zweiten Wärmeübertragungseinheit 111 vorgesehen, um Wärme von dem Rauchgas auf das Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelzufuhr 150 zu übertragen.
  • Stromabwärts der dritten Wärmeübertragungseinheit 151 kann das abgekühlte Rauchgas an die Atmosphäre abgegeben werden.
  • Neben der Wärme des Rauchgases kann ebenso die Wärme des Kathodenabgases rückgewonnen werden. Zu diesem Zweck ist in die Kathodengasabführung 124 eine vierte Wärmeübertragungseinheit 142 integriert, um Wärme von dem Kathodenabgas auf den Sauerstoff in der Gaszufuhr 140 zu übertragen. Der Sauerstoff wird in der Gaszufuhr 140 somit einerseits durch das Rauchgas erwärmt und weiter stromabwärts andererseits durch das Kathodenabgas.
  • Stromabwärts der vierten Wärmeübertragungseinheit 142 kann das abgekühlte Kathodenabgas an die Atmosphäre abgegeben oder beispielsweise zum Beheizen eines Dampferzeugers verwendet werden.
  • In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmerückgewinnungssystems schematisch dargestellt und mit 100' bezeichnet. Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente.
  • Das Vorwärmsystem 100' gemäß 2 weist einen Abscheider 160 auf, der zwischen der Brennstoffzelle 120 und dem Brenner 101 in die Anodenabgasabführung 123 integriert ist. Durch den Abscheider 160 wird kondensierter Wasserdampf aus dem Anodenabgas extrahiert.
  • Dieses extrahierte Wasser wird über eine Wasserleitung 161 einer fünften Wärmeübertragungseinheit 171 zugeführt. Bei Bedarf kann sich in der Wasserleitung 161 zwischen dem Abscheider 160 und der Wärmeübertragungseinheit 171 eine Pumpe befinden, die für eine ausreichende Druckerhöhung sorgt. Durch diese fünfte Wärmeübertragungseinheit 171 wird Wärme des Anodenabgases in der Anodengasabführung 123 stromaufwärts des Abscheiders 160 verwendet, um das Wasser in der Wasserleitung 161 zu verdampfen. Auf diese Weise erzeugter Wasserdampf wird über eine Dampfleitung 162 einem Knotenpunkt 163 zugeführt, an welchem der Wasserdampf in die Brennstoffzufuhr 130 geleitet wird. Der Wasserdampf wird somit für die Reformierungsreaktion in dem Reformer 135 verwendet.
  • Eine sechste Wärmeübertragungseinheit 172 wird verwendet, um Wärme von dem Anodenabgases stromaufwärts des Abscheiders 160 auf das abgekühlte Anodenabgas in der Anodenabgasführung 123 stromabwärts des Abscheiders 160 zu übertragen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Vorwärmsystem
    100'
    Vorwärmsystem
    101
    Brenner
    102
    Ofen, Glasofen
    110
    Rauchgasabführung
    111
    erste Wärmeübertragungseinheit
    120
    Brennstoffzelle, Festoxidbrennstoffzelle
    121
    Anode
    122
    Kathode
    123
    Anodenabgasführung
    124
    Kathodenabgasführung
    125
    erzeugte elektrische Energie
    130
    Brennstoffzufuhr
    131
    Dampfzufuhr
    132
    Knotenpunkt
    133
    Brennstoffzufuhr
    135
    Reformer
    140
    Gaszufuhr
    141
    zweite Wärmeübertragungseinheit
    142
    vierte Wärmeübertragungseinheit
    150
    Oxidationsmittelzufuhr
    151
    dritte Wärmeübertragungseinheit
    160
    Abscheider
    161
    Wasserleitung
    162
    Dampfleitung
    163
    Knotenpunkt
    171
    fünfte Wärmeübertragungseinheit
    172
    sechste Wärmeübertragungseinheit

Claims (15)

  1. Verfahren zum Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners (101), wobei der Brennstoff einer Anode (121) einer Brennstoffzelle (120) zugeführt und ein sauerstoffhaltiges Gas einer Kathode (122) der Brennstoffzelle (120) zugeführt wird, und wobei ein Anodenabgas von der Anode (121) der Brennstoffzelle (120) abgeführt und das abgeführte Anodenabgas dem Brenner (101) zugeführt und von dem Brenner (101) zu einem Rauchgas verbrannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rauchgas verwendet wird, um den Brennstoff und/oder das sauerstoffhaltige Gas und/oder das Oxidationsmittel vorzuwärmen.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rauchgas verwendet wird, um ein Oxidationsmittel vorzuwärmen, wobei das vorgewärmte Oxidationsmittel dem Brenner (101) zugeführt und von dem Brenner (101) zusammen mit dem Anodenabgas zu dem Rauchgas verbrannt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kathodenabgas von der Kathode (122) der Brennstoffzelle (120) abgeführt, dem Brenner (101) zugeführt und von dem Brenner (101) zusammen mit dem Anodenabgas und/oder zugeführtem Brennstoff zu dem Rauchgas verbrannt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Kathodenabgas von der Kathode (122) der Brennstoffzelle (120) abgeführt und verwendet wird, um zumindest das sauerstoffhaltige Gas und/oder den Brennstoff vorzuwärmen.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das abgeführte Anodenabgas von der Brennstoffzelle (120) zunächst gekühlt und einem Abscheider (160) zugeführt wird, um Wasser aus dem Anodenabgas abzuscheiden, und wobei das Anodenabgas nach dem Abscheider (160) dem Brenner (101) zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Brennstoff zunächst einem Reformer (135) und anschließend der Anode (121) der Brennstoffzelle (120) zugeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Festoxidbrennstoffzelle und/oder eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle als Brennstoffzelle (120) verwendet werden.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem Brenner (101) zusätzlich ein weiterer Brennstoff und/oder ein weiteres Oxidationsmittel zugeführt werden.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Brenner (101) verwendet wird, um einen Ofen (102) zu beheizen, insbesondere einen Glasofen.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei thermische Energie des Rauchgases zumindest teilweise auf ein Wärmeträgermedium übertragen und dieses Wärmeträgermedium zur Erwärmung des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels und/oder des sauerstoffhaltigen Gases genutzt wird.
  12. Vorwärmsystem (10, 100') zum Vorwärmen eines Brennstoffs eines Brenners (101) mit einer Brennstoffzelle (120), die dazu eingerichtet ist, den Brennstoff einer Anode (121) zuzuführen und ein sauerstoffhaltiges Gas einer Kathode (122) zuzuführen, und mit einer Anodenabgasführung (123), die dazu eingerichtet ist, ein Anodenabgas von der Anode (121) der Brennstoffzelle (120) abzuführen und dem Brenner (101) zuzuführen, wobei das Vorwärmsystem (100, 100') dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  13. Vorwärmsystem (100, 100') nach Anspruch 12, mit einer Kathodenabgasführung (124), die dazu eingerichtet ist, ein Kathodenabgas von der Kathode (122) der Brennstoffzelle (120) abzuführen und dem Brenner (101) zuzuführen und/oder Kathodenabgas von der Kathode (122) einer Wärmeübertragungseinheit (142) zuzuführen, welche dazu eingerichtet ist, zumindest das sauerstoffhaltige Gas und/oder den Brennstoff vorzuwärmen.
  14. Vorwärmsystem (100, 100') nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei zwischen der Brennstoffzelle (120) und dem Brenner (101) ein Abscheider (160) geschaltet ist, der dazu eingerichtet ist, Wasser aus dem Anodenabgas abzuscheiden.
  15. Vorwärmsystem (100, 100') nach einem der Ansprüche 12 bis 14 mit einem Reformer (135) stromaufwärts der Brennstoffzelle (120).
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