DE102016103741A1

DE102016103741A1 - Vorrichtung und Verfahren zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage und einer Meerwasserentsalzungsanlage

Info

Publication number: DE102016103741A1
Application number: DE102016103741.9A
Authority: DE
Inventors: Falah Alobaid; Vitali Kez; Bernd Epple; Nicolas Mertens
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Eine Vorrichtung zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage (1) und einer Meerwasserentsalzungsanlage (2) ist offenbart, wobei die Abfallverbrennungsanlage (1) ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst eine Mengenregelung (51) und einen Dämpfer (54). Die Mengenregelung (51) ist ausgebildet, um von dem erzeugten Dampf (M) eine fluktuierende Dampfmenge (M2) von der Abfallverbrennungsanlage (1) an die Meerwasserentsalzungsanlage (2) weiterzuleiten. Der Dämpfer (54) ist ausgebildet, um Fluktuationen in der fluktuierenden Dampfmenge (M2) auszugleichen und der Meerwasserentsalzungsanlage (2) einen geglätteten Dampffluss (M3) zuzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen Kopplung einer Abfallverbrennungsanlage und einer Meerwasserentsalzungsanlage.
Hintergrund
In vielen Ländern führt das rapide Wachstum der urbanen Bevölkerungszentren dazu, dass der Trinkwasserbedarf nicht mehr alleine durch natürliche Ressourcen abzudecken ist. Es wird allgemein erwartet, dass sich dieses Problem mit dem Klimawandel weiter verschärfen wird. Da Meerwasser in allen küstennahen Regionen verfügbar ist, gewinnt die Meerwasserentsalzung zunehmend an Bedeutung, insbesondere in Regionen, in denen ein Mangel an natürlichem Süßwasser herrscht. Die Meerwasserentsalzung wird häufig durch mehrstufige Entspannungsverdampfung industriell genutzt. Der entsprechende Prozess läuft kontinuierlich ab und ist sehr energieintensiv 4–6 kWh/m³), wobei die erforderliche Wärme durch eine Kopplung mit thermischen Kraftwerken bereitgestellt werden kann. Meistens kommt in den Kraftwerken hochwertiger Brennstoff mit konstantem oder nahezu konstantem Heizwert wie beispielsweise Mineralöl oder Erdgas zur Anwendung.
Auf der anderen Seite erfordert das mit Bevölkerungszahl und Lebensstandard steigende Müllaufkommen effektive Lösungen im großen Maßstab, um Haus- und Siedlungsmüll effektiv zu entsorgen. Eine Möglichkeit ist die thermische Verwertung von Restmüll oder Abfall in Wirbelschicht-Müllverbrennungsanlagen, wobei diese Technologie derzeit fast ausschließlich in Industrieländern Anwendung findet.
Daher ist eine Technologie wünschenswert, die sowohl Trinkwasserproduktion als auch Müllentsorgung wirtschaftlich bereitstellt.
Ein wesentliches Problem bei der Kombination dieser Technologien besteht darin, dass der schwankende Heizwert des Mülls zu Oszillationen der dadurch freigesetzten Energie (insbesondere einen oszillierenden Dampfmassestrom) führt, die den Prozess der anschließenden Wärmenutzung beeinträchtigen kann. Um diese Fluktuationen (Oszillationen im Dampfmassenstrom) zu beseitigen und zum Schutz der Dampfturbine, werden derzeit bis zu 30% der Dampfproduktion ungenutzt einem Kondensator zugeführt und somit „verklappt“.
In DE 196 33 039 A1 wird eine Kopplung einer Müllverbrennungsanlage mit einer Meerwasserentsalzungsanlage vorgeschlagen und in US 3,467,587 wird der stark fluktuierende Energiegehalt des genutzten Abfalles durch einen zusätzlichen Kondensator abgefangen, der den erzeugten (fluktuierenden) Dampf von der Abfallverbrennungsanlage kondensiert und erneut dem Kreislauf der Dampferzeugung zuführt.
In WO 02/21048 wird alternativ eine Sortieranlage vorgeschlagen, die hochkalorische Anteile des Abfalles von niederkalorischen Anteilen trennt und die hochkalorischen Anteile für die Energieerzeugung nutzt. Außerdem wird in WO 02/20412 A1 aus dem Abfall im Rahmen einer Aufbereitung zunächst ein Trockenstabilat erzeugt, das dann zur Energieerzeugung genutzt wird. Diese konventionellen Verfahren führen dazu, dass zur Energieerzeugung ein Energieträger genutzt wird, dessen Energiegehalt weniger stark fluktuiert als unbehandelter Abfall.
Die konventionellen Verfahren zur Beseitigung von Fluktuationen in der Energieerzeugung erfordern somit einen höheren Aufwand (bei der Sortierung/Vorbehandlung des Abfalles) oder führen zu einem zusätzlichen Energieverlust und somit zu einem geringeren Wirkungsgrad (wenn ein Kondensator genutzt wird).
Daher besteht ein Bedarf nach einer intelligenten Kopplung einer Müllverbrennungsanlage mit einer Entsalzungsanlage, die wenig zusätzlichen Aufwand erfordert und gleichzeitig die Gesamtanlage mit höchstmöglicher Effizienz betreibt.
Zusammenfassung
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 18 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die geeignet ist zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage (Müllverbrennungsanlage) und einer Meerwasserentsalzungsanlage, wobei die Abfallverbrennungsanlage ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst eine Mengenregelung und einen Dämpfer. Die Mengenregelung ist ausgebildet, um von dem erzeugten Dampf eine fluktuierende Dampfmenge von der Abfallverbrennungsanlage an die Meerwasserentsalzungsanlage weiterzuleiten. Der Dämpfer ist ausgebildet, um Fluktuationen in der fluktuierenden Dampfmenge auszugleichen und der Meerwasserentsalzungsanlage einen geglätteten Dampffluss zuzuführen.
Die Fluktuationen sollen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise nur auf den Druck beziehen, sondern können sich auch auf das Dampfvolumen bzw. die Dampfmenge beziehen, die durch die Abfallverbrennungsanlage erzeugt wird. Der Begriff „Dampfmenge“ kann beispielsweise über die Anzahl der enthaltenen Wassermoleküle definiert werden. Unter einer Mengenregelung sollen alle Einrichtungen verstanden werden, die in der Lage sind, ein Dampfvolumen (z.B. bei einem festen Druck) regelbar zu beeinflussen. Die Abfallverbrennungsanlage kann alle Anlagen umfassen, die in der Lage sind, aus Abfall thermische Energie zu erzeugen, wobei der Begriff „Abfall“ oder „Müll“ sich auf beliebige Brennstoffe mit einem nicht klar definierten oder nicht-konstanten Brennwert bezieht und insbesondere auch Bestandteile aufweisen kann, die nicht brennbar sind. Der Begriff „koppeln“ ist so auszulegen, dass er jegliche Verbindung umfasst, über die eine Energie (z.B. Dampf) transportiert werden kann.
Die fluktuierende Dampfmenge, die von dem produzierten Dampf abgezweigt wird (und nicht einer Dampfturbine zugeführt wird) kann beispielsweise bei einem bestimmten Druck ein vorbestimmtes Volumen sein. Da das Gesamtvolumen des verfügbaren Dampfes nicht notwendigerweise bekannt ist, kann das vorbestimmte Volumen so definiert werden, dass es das Gesamtdampfvolumen abzüglich einer definierten (bekannten) Menge ist, die dann zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das bietet den Vorteil, dass die Turbine mit einer (idealerweise) konstanten Menge an Dampf pro Zeiteinheit versorgt werden kann – auch dann wenn der erzeugte Dampf stark fluktuiert. Somit ist die Mengenregelung nicht notwendigerweise ausgebildet, um ein vorbestimmtes Volumen (oder vorbestimmte Menge) pro Zeiteinheit dem produzierten Dampf zu entnehmen, sondern vielmehr jene Dampfmenge abzuzweigen, die die Fluktuationen enthält. Mit anderen Worten, das produzierte Dampfvolumen, welches der Dampfturbine bereitgestellt wird, sollte nahezu konstant sein, wobei Restfluktuationen in einem bestimmten Rahmen jedoch tolerierbar sein können.
Die oben genannte technische Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, dass eine Müllverbrennungsanlage mit einer Meerwasserentsalzungsanlage kombiniert wird, und zwar unter Nutzung einer Kopplung, die Fluktuationen der niederkalorischen Brennstoffe bzw. deren Heizwerte durch eine Massenregelung und einen Dämpfer glättet. Dadurch ist es möglich, hochwertigen fossilen Brennstoff wie beispielsweise Mineralöl oder Erdgas durch die Nutzung von Siedlungsabfall als Brennstoffressource zu ersetzen. Der schwankende Heizwert und daraus resultierende Dampfoszillationen werden gemäß Ausführungsbeispielen durch einen Dämpfer und eine geeignete Massenstromregelung beseitigt, so dass eine effiziente Umsetzung der gesamten Dampfproduktion ermöglicht wird.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Mengenregelung ein steuerbares Ventil. Optional kann zwischen Ventil und Dämpfer beziehungsweise in Kombination mit dem Ventil eine Druckreduzierungseinrichtung aufweisen, die einen steuerbaren Zufluss an Wasser bereitstellt, um eine Reduktion des Dampfdrucks durch eine steuerbare Verdampfung des eingetragenen Speisewassers zu bewirken. Der Dämpfer kann optional einen Expansionsraum bereitstellen, um Druckfluktuationen zu dämpfen. Beispielsweise kann der Dämpfer im einfachsten Fall ein zylinderförmiger Hohlkörper sein, der einen zusätzlichen Raum für eine Dissipation der Schwankungen bereitstellt und dadurch eine eine Vergleichmäßigung der Strömung bewirkt. Die Mengenregelung, die Druckreduzierungseinrichtung und/oder der Dämpfer sind somit ausgebildet, Fluktuationen in der Dampfproduktion bis auf ein solches Maß zu reduzieren, dass die nachfolgende Meerwasserentsalzungsanlage problemlos die verbleibenden Fluktuationen nutzen kann, um Meerwasser zu entsalzen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Abfallverbrennungsanlage an eine Dampfturbine gekoppelt und die Massenregelung ist ausgebildet, um die fluktuierende Dampfmenge zwischen der Abfallverbrennungsanlage und der Dampfturbine zu abzuzweigen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung weiter eine Bypass-Leitung zur Umfahrung der Dampfturbine, wobei entlang der Bypass-Leitung ein steuerbares Regelventil zum Regeln eines Volumendurchsatzes durch die Bypass-Leitung und/oder eine Wassereinspritzung zur Druck- und/oder Temperaturregelung ausgebildet sein kann. Das steuerbare Regelventil ist somit ausgebildet, die Bypass-Leitung steuerbar zu aktivieren und/oder zu deaktivieren bzw. teilweise zu öffnen oder zu schließen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung eine weitere Bypass-Leitung, die eine Verbindung vom Auslass der Dampfturbine zu einem Eingang oder einem Ausgang des Dämpfers bereitstellt. Ein Vorteil dieser Ausführung ist, dass der Wirkungsgrad höher ist, da kein Dampf ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung weiter einen Speisewasserbehälter und einen Kondensator. Der Kondensator umfasst einen Eingang zur Aufnahme von Dampf aus der Dampfturbine, einen Ausgang und einen Flusspfad für Meerwasser. Der Kondensator ist ausgebildet, um den Dampf von der Dampfturbine unter Nutzung des Meerwassers zu kondensieren und an den Speisewasserbehälter weiterzuleiten. Der Speisewasserbehälter dient beispielsweise dazu, der Müllverbrennungsanlage ein Wasserreservoir bereitzustellen, aus welchem unter Nutzung der bei der Verbrennung des Abfalls freigesetzten Wärme Wasserdampf erzeugt wird.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der Dämpfer weiter ausgebildet, um einen vorbestimmten Dampfzustand an seinem Ausgang in Abhängigkeit von dem genutzten Entsalzungsverfahren bereitzustellen. Der vorbestimmte Dampfzustand ist beispielsweise: 0,3 bar/80 °C (für eine mehrstufige Destillationsanlage) oder 2 bar/120 °C (für eine mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein System zur Meerwasserentsalzung mit einer der genannten Vorrichtungen und einer thermischen Meerwasserentsalzungsanlage und auf ein Verbundsystem aus dem System, einer Abfallverbrennungsanlage und einer Dampfturbine zur Stromerzeugung. Die Abfallverbrennungsanlage ist ausgebildet, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen und der Dampfturbine zur Stromerzeugung bereitzustellen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die thermische Meerwasserentsalzungsanlage eine mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage oder eine mehrstufige Destillationsanlage.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das System weiter eine Umkehrosmose-Entsalzungsanlage und eine Mischungseinrichtung. Die Umkehrosmose-Entsalzungsanlage kann Wasser unter Nutzung der Umkehrosmose aufbereiten und die Mischungseinrichtung kann ausgebildet sein, um Destillatwasser aus der thermischen Meerwasserentsalzungsanlage mit dem aufbereiteten Wasser aus der Umkehrosmose-Anlage zu mischen. Da die Umkehrosmose-Anlage meistens keine 100%-ige Aufbereitung von Salzwasser ermöglicht und andererseits die Meerwasserentsalzungsanlage durch Destillation Wasser erzeugt, welches erst unter Zusatz von Mineralien erst in Trinkwasser umgewandelt werden kann, kann bei weiteren Ausführungsbeispielen die Umkehrosmose-Anlage mit der thermischen Meerwasserentsalzungsanlage derart gekoppelt werden, dass das aufbereitete Wasser der Umkehrosmose-Anlage in einem vorbestimmten Verhältnis mit dem Destillat der Meerwasserentsalzungsanlage gemischt wird. Auf diese Weise kann die Anzahl der benötigten Umkehrosmose-Stufen bei gleichzeitiger Einhaltung des niedrigen Salzgehaltes für Trinkwasser kosteneffizient reduziert werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen nutzt die Umkehrosmose-Anlage den durch den Generator erzeugten Strom zum Aufbereiten von Wasser. Die Existenz eines geeigneten elektrischen Übertragungsnetzes vorausgesetzt, kann die Umkehrosmose-Anlage damit flexibel und standortungebunden positioniert werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage einen Wärmeübertrager und Vorwärmestufen zum Vorwärmen von Meerwasser. Der Wärmeübertrager kann an den Dämpfer über eine Leitung koppeln und ausgebildet sein, vorgewärmtes Meerwasser von den Vorwärmestufen unter Nutzung des Dampfes von dem Dämpfer bis auf eine Höchsttemperatur von 115°C zu erhitzen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der Wärmeübertrager ausgebildet, um den geglätteten Dampffluss von dem Dämpfer unter Nutzung von Meerwasser von den Vorwärmestufen zu kondensieren. Außerdem kann das System weiter eine Verbindung zwischen dem Wärmeübertrager und einem Speisewasserbehälter aufweisen, um den kondensierten Dampf als Wasser in dem Speisewasserbehälter zu sammeln.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die mehrstufige Destillationsanlage eine Dampfstrahlpumpe und Vorwärmestufen zum Destillieren von Meerwasser unter einer stufenweisen Verdampfung. Die Dampfstrahlpumpe kann an den Dämpfer koppeln, um den Dampfstrom aus dem Dämpfer unter Nutzung eines Abdampfstromes aus den Vorwärmestufen zu verdichten und einen Dampfstrahl zu erzeugen und in eine erste Stufe der Vorwärmestufen zu leiten.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das System weiter eine Steuereinheit. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um unter Nutzung der Bypass-Leitung das System nur zur Meerwasserentsalzung zu betreiben oder in einem weiteren Modus nur zur Stromproduktion zu nutzen (oder flexibel in jeder beliebigen Kombination).
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das System mehrere Pumpen, die redundant ausgebildet sind, um auch bei Ausfall einer Pumpe die betriebliche Verfügbarkeit des Gesamtsystems sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage und einer Meerwasserentsalzungsanlage, wobei die Abfallverbrennungsanlage ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Weiterleiten einer fluktuierenden Dampfmenge von dem durch die Abfallverbrennungsanlage erzeugten Dampf an die Meerwasserentsalzungsanlage, Dämpfen von Fluktuationen in der fluktuierenden Dampfmenge, und Weiterleiten des geglätteten Dampfflusses an die Meerwasserentsalzungsanlage.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erlauben somit eine effiziente Produktion von Trinkwasser durch Meerwasserentsalzung unter Einsatz preiswerter niederkalorischer Brennstoffe mit schwankendem Heizwert und insbesondere von Siedlungsabfällen. Weiterhin erlauben Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige Produktion von volldestilliertem Wasser zur Deckung des Eigenbedarfs der Anlage und des Bedarfs weiterer Anlagen, die beispielsweise einen thermischen Kraftwerksprozess nutzen.
Bei konventionellen Meerwasserentsalzungsanlagen werden die Kosten aufgrund des energieintensiven Prozesses / des hohen spezifischen Energiebedarfs im Wesentlichen durch die Brennstoffkosten dominiert. Diese lassen sich gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung signifikant reduzieren und somit Trinkwasser kostengünstig herstellen. Weitere Vorteile umfassen die Möglichkeit in erdölproduzierenden Ländern Exporterlöse für das eingesparte Mineralöl und Erdgas zu generieren. Insbesondere für Regionen oder Ländern, in denen ein Mangel an Süßwasser herrscht und noch keine geregelte Müllentsorgung vorliegt, bietet die vorliegende Erfindung einen signifikanten sozialen, ökologischen und ökonomischen Mehrwert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
1 zeigt eine Vorrichtung zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage und einer Meerwasserentsalzungsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht die auftretenden Fluktuationen in einer Dampfmenge.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Verbund einer Müllverbrennungsanlage und einer thermischen Meerwasserentsalzungsanlage unter Verwendung des mehrstufigen Entspannungsverdampfungsprozesses.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbund einer Müllverbrennungsanlage und einer thermischen Meerwasserentsalzungsanlage unter Verwendung des mehrstufigen Destillationsprozesses.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Kopplung zwischen der Müllverbrennungsanlage und der Meerwasserentsalzungsanlage.
6 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage und einer Meerwasserentsalzungsanlage.
Detaillierte Beschreibung
Ein bewährter Ansatz zur Entsorgung großer Mengen von Siedlungsabfällen ist die thermische Verwertung in einer Müll- oder Abfallverbrennungsanlage. Hierbei wird nach einer Konditionierung des Abfalls der Heizwert von bis zu 11 MJ/kg durch Verbrennung freigesetzt. Die thermische Energie kann von im Abgasweg installierten Rohrbündelwärmeübertragern zur Produktion von Frischdampf absorbiert werden, welcher wiederum eine Dampfturbine zur Stromerzeugung antreiben kann.
Diese Technologie bietet signifikante Vorteile im Vergleich zur konventionellen Müllentsorgung auf einer Deponie. So wird die Abfallmenge mittels Verbrennung auf etwa ein Zehntel des ursprünglichen Volumens reduziert; weiterhin wird die Methanfreisetzung auf einer Deponie eliminiert und der Flächenverbrauch der Anlage ist im direkten Vergleich vernachlässigbar. Die festen Verbrennungsrückstände fallen vor allem als Schlacke an, die sich beispielsweise als Füllmaterial im Straßenbau verwenden lassen. Allerdings kann der idealerweise stadtnahe Standort der Müllverbrennungsanlage eine Abgasreinigung zur Emissionskontrolle erforderlich machen.
Meerwasserentsalzung ist eine vielversprechende Option zur Ergänzung des natürlichen Trinkwasserangebots, insbesondere in Regionen mit wenig Niederschlag. Generell lassen sich die Entsalzungsprozesse in zwei Gruppen unterteilen, thermische Prozesse und Membranprozesse (z.B. basierend auf Umkehrosmose). In thermischen Prozessen wird ein Teil des Meerwassers verdampft, sodass eine Sole mit höherer Salzkonzentration zurückbleibt. Nach Kondensation des Dampfes liegt reines Destillat vor, aus dem durch Zusatz von Calciumhydrogencarbonat und weiteren Mineralstoffen Trinkwasser hergestellt werden kann.
Bei der mehrstufigen Entspannungsverdampfung (engl.: multi-stage flash distillation, MSF) wird Meerwasser auf eine Maximaltemperatur von ca. 115 °C erhitzt, welches anschließend eine Serie von Kammern durchläuft. Da jede Kammer einen geringeren Druck als die vorhergehende aufweist, wird jeweils ein Teil des Salzwassers spontan in Dampf umgewandelt, um den lokalen Sättigungszustand zu erreichen.
Beim mehrstufigen Destillationsprozess (engl.: multi-effect distillation, MED) wird in jeder Stufe ein Flüssigkeitsfilm aus Meerwasser in Richtung der Schwerkraft über horizontale Rohre geführt, die von innen durch einen Dampfstrom beheizt werden. Ein Teil des Meerwassers wird dabei verdampft, gesammelt und in die horizontalen Rohre der nächsten Stufe geleitet. Dort kondensiert der Dampf wieder und gibt seine Kondensationswärme an einen weiteren Meerwasserfilm ab, sodass die Zufuhr einer gewissen Dampfmenge ein Vielfaches an Destillat produziert. Durch Kombination mit einer Dampfstrahlpumpe (engl.: thermal vapour compression, TVC) kann die Effizienz des MED-Verfahrens mittels Rezirkulation von Niedertemperaturdampf der letzten Stufe weiter gesteigert werden.
Im Allgemeinen sind die thermischen Entsalzungsprozesse durch die aufzubringende Verdampfungsenthalpie äußerst energieintensiv: So sind dem MSF-Prozess ca. 4 kWh_el/m³ spezifische Pumpenleistung und ca. 80 kWh_th/m³ spezifische Wärmeleistung zuzuführen, während eine MED-TVC-Anlage ca. 1,5 kWh_el/m³ und 65 kWh_th/m³ erfordert. Diese Werte gelten für typische Anlagenkapazitäten von 25.000 t/d bei MSF und 5.000 t/d bei MED-TVC. Die spezifischen Energiekosten sinken degressiv mit steigender Kapazität. Bei konventionellen Verfahren wird der Energiebedarf typischerweise durch die Strom- und Dampfproduktion eines öl- oder gasgefeuerten Kraftwerks aufgebracht.
In Membranverfahren wird eine Druckdifferenz über eine semi-permeable Membran abgebaut, welche die im Wasser gelösten Salzionen bei der Durchströmung zurückhält. Für technische Anwendungen ist vor allem die Umkehrosmose (engl.: reverse osmosis, RO) relevant, bei der ein äußerer Druck deutlich oberhalb des osmotischen Drucks (Meerwasser: 23 bar) auf der Seite mit hoher Salzkonzentration angelegt wird, um einen Fluss entgegen des natürlichen Diffusionsstroms zum Konzentrationsausgleich in der Lösung zu bewirken. Eine RO-Anlage mit Rückgewinnung der mechanischen Energie erfordert lediglich eine Pumpenleistung von ca. 2–3 kWh_el/m³ und ist damit deutlich energieeffizienter als die thermischen Verfahren. Jedoch sind die Membranen empfindlich für Chlor oder organische Bestandteile, sodass eine zusätzliche Vorbehandlung des Meerwassers erforderlich sein kann.
Trotz der Konditionierung schwankt der Heizwert von Siedlungsmüll mit seiner Zusammensetzung. Dies führt unmittelbar zu einer Fluktuation des Dampfmassenstroms (Dampfmengenstrom), die eine Amplitude von bis zu 30 % oder mehr des nominalen Massenstroms erreichen kann. Da eine solche Schwingungsbreite den sicheren Betrieb der Dampfturbine gefährden würde, wird in derzeitigen Müllverbrennungsanlagen ein erheblicher Dampfanteil vor dem Turbineneinlassventil abgezweigt und über einen Bypass direkt einem Kondensator zugeführt, mit dem die Abwärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen neuartigen Prozess, welcher eine Müllverbrennungsanlage mit einem thermischen Entsalzungsprozess koppelt, um eine signifikante Reduktion der spezifischen Produktionskosten von Trinkwasser aus Meerwasserentsalzung zu erzielen.
1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die geeignet ist, eine Abfallverbrennungsanlage 1 und eine Meerwasserentsalzungsanlage 2 thermisch zu koppeln, wobei die Abfallverbrennungsanlage 1 ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst eine Mengenregelung 51 und einen Dämpfer 54. Die Mengenregelung ist ausgebildet, um von dem erzeugten Dampf M eine fluktuierende Dampfmenge M2 von der Abfallverbrennungsanlage 1 an die Meerwasserentsalzungsanlage 2 weiterzuleiten. Die verbleibende Dampfmenge kann einer Turbine zugeführt werden (nicht in der 1 gezeigt). Der Dämpfer 54 ist ausgebildet, um Fluktuationen in der fluktuierenden Dampfmenge M2 auszugleichen und der Meerwasserentsalzungsanlage 2 einen geglätteten Dampffluss M3 zuzuführen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit der zuvor beschriebene Bypass-Massenstrom nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben, sondern zur Wärmezufuhr für einen thermischen Entsalzungsprozess 2 verwendet. Sowohl die MSF- als auch insbesondere die MED-TVC-Technologie zeichnen sich dadurch aus, dass sie lediglich minderwertigen Heizdampf erfordern und sich dadurch besonders für eine effektive Nutzung von Abwärme eignen. Hierzu kann der Druck der Dampfmenge M ausgehend von Frischdampfdruck in einer Druckreduzierungsstation (z.B. Teil der Mengenregelung 51) vermindert werden, die Dampftemperatur mittels einer Wassereinspritzung konditioniert und der Massenstrom mit dem Dämpfer 54 geglättet werden.
2 veranschaulicht die auftretenden Fluktuationen einer Dampfmenge M, die in Abhängigkeit von der Zeit t durch die Abfallverbrennungsanlage 1 erzeugt wird. Die Dampfmenge M kann sich beispielsweise bei einem konstanten Druck auf ein Volumen oder aber bei einem konstanten Volumen auf einen Druck des Dampfes (oder eine Kombination daraus) beziehen. Die Dampfmenge kann beispielsweise über die Anzahl vorhandener Wassermoleküle definiert werden und kann beispielsweise ein Äquivalent für die erzeugte Wärmeenergie durch die Verbrennung des Abfalles sein. Die Fluktuationen entsprechen daher dem (nichtkonstanten) Energiewert des genutzten Brennmaterials.
Die fluktuierende Dampfmenge M2, die durch die Mengenregelung 51 dem erzeugten Dampf M entnommen wird, ist beispielsweise durch die gestrichelte Linie M0 definiert, d.h. sie entspricht der Dampfmenge M2 oberhalb der Trennlinie M0. Die Dampfmenge M1 unterhalb der Trennlinie M0 entspricht jener Dampfmenge, die beispielsweise der Turbine zugeführt wird. Dadurch erhält die Turbine eine über die Zeit möglichst konstante Menge an Dampf M1 und kann somit mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden. Es versteht sich, dass der Wert M0 vorteilhafterweise konstant ist, die Erfindung darauf aber nicht eingeschränkt ist, d.h. es können Restfluktuationen durchaus in einer bestimmten Bandbreite tolerierbar sein. Die Fluktuationen der Dampfproduktion werden gemäß von Ausführungsbeispielen durch einen Dämpfer 54 soweit abgeflacht, dass sie durch die Meerwasserentsalzungsanlage 2 problemlos benutzt werden können (siehe 2 unten).
Die in der 1 gezeigte Vorrichtung kann für eine Kopplung einer Müllverbrennungs- und Meerwasserentsalzungsanlage genutzt werden, wobei die 3–5 schematische Darstellungen und weitere Details des kombinierten Müllverbrennungs- und Meerwasserentsalzungsverfahrens zeigen. Zum besseren Verständnis sind ebenfalls Prozessparameter angegeben, diese sind jedoch lediglich zur Veranschaulichung des Verfahrens zu verstehen und sollen nicht die vorliegende Erfindung einschränken.
3 zeigt eine Müllverbrennungsanlage 1, welche den nötigen Prozessdampf für die thermische Meerwasserentsalzungsanlage 2 bereitstellt. Der niederkalorische Abfall (vor allem Siedlungsabfälle) wird über die Müllbestückung 3 mittels eines Mechanismus (z.B. Vorschubrost) auf einen beweglichen Rost 4 in einen Brennerraum 5 eingeleitet, der den Abfall durch den Verbrennungsprozess transportiert. Entlang dieses Transportweges wird über einen Trichter 6 dem Rost 4 Primärluft zugeführt, um einerseits den Rost 4 zu kühlen und andererseits den Abfall zu trocknen, zu zünden, zu vergasen, zu verbrennen und auszubrennen. Das entstehende Abgas wird durch Zuführung von Sekundärluft über eine Lufteindüsung 7 homogenisiert (unverbrannte Bestandteile werden nachverbrannt) und gelangt in einen Abgaskanal 8.
Im Abgaskanal 8 befinden sich Hilfsbrenner 9 (öl- oder gasgefeuert) die zum einen dem Anfahren der Müllverbrennungsanlage 1 dienen. Zum anderen können die Hilfsbrenner 9 für den Ausgleich eines Wärmedefizits bei unzureichendem Heizwert des Abfalls eingesetzt werden, um eine stetige Trinkwasserproduktion garantieren zu können. Der Abgaskanal 8 kann je nach Anwendungsfall als Einzug- oder wie abgebildet als Mehrzugkanal realisiert werden. Im Abgaskanal 8 wird die Abgaswärme über Wärmeübertrager an einen Wasser-/Dampfkreislauf übertragen. Diese Wärmeübertrager umfassen einen Verdampfer, der als Strahlungswärmeübertrager 10 an den Wänden des Abgaskanals und als konvektiver Wärmeübertrager 11 im Abgaskanal realisiert ist, Überhitzer 12, 13 sowie einen Economiser 14. Anschließend wird das Abgas in die Abgasreinigung (hier nicht abgebildet) geleitet, welche die Emissionen (z.B. Schwefeldioxid, Staubbeladung usw.) gemäß den gesetzlich festgelegten Grenzwerten reduziert. Die inerte Asche wird am Ende des Rostes und entlang des Abgaskanals über Trichter 15 abgezogen. Die verbleibenden Feinstaubanteile können bei der Abgasreinigung mit elektrostatischen Abscheidern beseitigt werden. Die abgeschiedene Asche kann beispielsweise als Füllmaterial im Straßenbau verwendet werden. Andere Bestandteile, wie z.B. Schwermetalle, werden auf einer Deponie gelagert.
Das Speisewasser des Wasser-/Dampfkreislaufs wird mittels einer Speisewasserpumpe 16 aus einem Speisewasserbehälter 17 gefördert und über eine Leitung 18 einem in einer Trommel 19 installierten Vorwärmer 20 zugeführt. Der Vorwärmer 20 nutzt zum Vorwärmen des Speisewassers die vorhandene Wärme des Wasser-/Dampfgemisches in der Trommel 19. Anschließend gelangt das Speisewasser über eine Leitung 21 in den Economiser 14, in dem die Restwärme des Abgases zur weiteren Speisewasservorwärmung verwendet wird. Dieses Vorgehen erhöht den thermischen Wirkungsgrad der Müllverbrennungsanlage. Mit einem gegebenen Brennstoffeinsatz kann dadurch mehr Dampf generiert werden.
Über eine Leitung 22 wird das vorgewärmte Speisewasser in die Trommel 19 geleitet. Die Trommel 19 dient zur Trennung des Zweiphasengemisches aus Wasser und Dampf im Sättigungszustand bei einem Druck von beispielsweise 50 bar. Über Fallrohre 23 wird ein Teilstrom des gesättigten Wassers in die Verdampferrohre des Strahlungswärmeübertrages 10 geführt, welche an den Wänden des gesamten Abgaskanals 18 angebracht sind. Ein weiterer Teilstrom wird über die Fallrohre 24 in die Verdampferrohre des konvektiven Wärmeübertragers 11 geleitet. Der durch die Verdampfung verursachte Dichteunterschied treibt den Massenstrom durch die Verdampferrohre an. Das Wasser-/Dampfgemisch aus den jeweiligen Verdampferrohren wird in einem gemeinsamen Sammler 25 gemischt und der Trommel 19 zugeführt. Der Sattdampf aus der Trommel 19 wird über die Leitung 26 den Wärmeübertragerrohren der Überhitzer zugeführt. Der Überhitzer ist in zwei Wärmeübertragerflächen 12 und 13 unterteilt, zwischen denen eine Wassereinspritzung 28 zur Regelung der Austrittstemperatur auf beispielsweise 400 °C bei einem Druck von beispielsweise 40 bar vorgesehen ist. Die Wassereinspritzung 28 wird über eine Leitung 27 mit Speisewasser aus der Leitung 22 stromabwärts des Economisers 14 gespeist.
Nach dem Überhitzer 13 wird der überhitzte Dampf über Leitungen 29 und 30 in eine Hochdruckstufe 32 der Dampfturbine geleitet. Ein Turbineneinlassventil 31 kann leicht angedrosselt sein, um kurzfristige Schwankungen der elektrischen Leistung durch die Dampfspeicherkapazität der Trommel 19 flexibel ausgleichen zu können. Der überhitzte Dampf wird in der Hochdruckstufe 32 teilentspannt und über eine Leitung 33 den Niederdruckstufen 34 der Dampfturbine zur vollständigen Entspannung auf den Kondensatordruck von beispielsweise 0,04 bar zugeführt. Durch die Entspannung des Dampfmassenstromes wird die thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie einer Welle 35, auf welcher die Turbinenstufen 32 und 34 der Dampfturbine angeordnet sind, umgewandelt. Die Welle 35 kann über eine Kupplung 36 mit einem Generator 37 verbunden sein, in dem die mechanische Energie der Welle 35 in elektrische Energie umgewandelt wird.
Nach der vollständigen Entspannung in der Niederdruckstufe 34 der Dampfturbine gelangt der Dampf über eine Leitung 38 in einen Kondensator 39. Hier wird der Dampfmassenstrom mit einer Meerwasserkühlung vollständig kondensiert. Das Meerwasser kann über eine Leitung 40 in Wärmeübertragerrohre des Kondensators 39 eingeleitet werden und über eine Leitung 41 mit einer leicht gestiegenen Temperatur wieder ins Meer zurückgeführt werden. Das Kondensat kann anschließend mittels einer Kondensatpumpe 42 über eine Leitung 43 dem Speisewasserbehälter 17 zugeführt werden.
Ein Teil des Dampfmassenstromes wird in der Hochdruckstufe 32 der Dampfturbine über eine Leitung 44 entnommen und über eine Leitung 45 dem Speisewasserbehälter 17 zugeführt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Temperatur im Speisewasserbehälter 17 annähernd im Sättigungszustand liegt und im Speisewasser keine korrosiven Gase (z.B. Sauerstoff) gelöst sind. Ein Anteil des in der Leitung 44 befindlichen Dampfmassenstromes wird über eine Leitung 46 einem Luftvorwärmer 47 zugeführt. Im Luftvorwärmer 47 wird angesaugte Luft aus einer Leitung 48 von der Umgebungstemperatur vorgewärmt und über eine Leitung 49 zu der Primärlufteindüsung in den Trichtern 6 sowie der Sekundärlufteindüsung 7 geleitet. Der kondensierte und abgekühlte Dampfmassenstrom wird nach dem Luftvorwärmer 47 über eine Leitung 50 dem Speisewasserbehälter 17 zugeführt.
Aufgrund der Inhomogenität des in die Müllverbrennungsanlage 1 zugeführten Abfalls fluktuiert der Heizwert des Abfalls, welcher beispielsweise einen maximalen Wert von ungefähr 11 MJ/kg aufweisen kann. Diese Fluktuation des Heizwertes bewirkt eine Schwankung des Dampfmassenstroms, deren Amplitude bis zu ca. 30 % des nominalen Massenstromes in der Leitung 29 erreicht. Da die Stufen 32 und 34 der Dampfturbine nur mit einem konstanten Dampfmassenstrom zu betreiben sind, wird ein mit den Schwankungen behafteter Teil des Massenstroms mit Hilfe eines beispielhaften Regelventils 51 (Mengenregelung) aus der Leitung 29 abgezweigt. Durch das Ventil 51 kann der Druck reduziert und/oder die Schwankungsamplitude des Dampfmassenstroms verringert werden. Anschließend kann der Dampfmassenstrom in eine Leitung 52 durch eine Wassereinspritzung 53 auf eine geringere Temperatur abgekühlt werden. Für die Einspritzung kann Speisewasser aus der Leitung 18 verwendet werden. Zur endgültigen Beseitigung der Schwankungen wird der gekühlte Dampfmassenstrom aus der Leitung 52 in den Dämpfer 54 geleitet. Der gewünschte Dampfzustand in der Leitung 55 kann abhängig vom gewählten Entsalzungsverfahren gewählt werden: (i) für den MED-TVC-Prozess beispielsweise 0,3 bar/80 °C bzw. (ii) für den MSF-Prozess beispielsweise 2 bar/115 °C.
Bei der Beschreibung der folgenden Prozessschritte ist zwischen zwei möglichen Ausführungen zu unterscheiden. Die bisher beschriebenen Komponenten können in beiden Ausführungen gleich ausgebildet sein.
Ausführung 1: Verwendung des mehrstufigen Entspannungsverdampfungsprozesses
Bei Verwendung des mehrstufigen Entspannungsverdampfungsprozesses für die Entsalzung des Meerwassers, siehe 3, wird der Dampfmassenstrom aus der Leitung 55 einem Kondensations-Wärmeübertrager 56a zugeführt. Nach der vollständigen Kondensation im Wärmeübertrager 56a wird das Kondensat in eine Leitung 57a über eine Kondensatpumpe 58a in den Speisewasserbehälter 17 geleitet, sodass es als Speisewasser wieder dem Wasser-/Dampfkreislauf zur Verfügung steht.
Für die Trinkwassererzeugung aus Meerwasser wird ein Teil des Salzwasserstromes aus der Leitung 41 mittels eines Regelventils 59 abgezweigt und über eine Leitung 60 zunächst einer Filteranlage 61 zugeführt, um feste, nicht lösliche Bestandteile wie etwa Algen oder Sandpartikel abzutrennen. Anschließend wird der gefilterte Meerwasserstrom über eine Leitung 62 Vorwärmern in den Stufen 63a–67a zugeführt und im Wärmeübertrager 56a durch Aufnahme der Kondensationswärme auf eine Höchsttemperatur von beispielsweise 115 °C erhitzt. Diese Höchsttemperatur sollte nicht überschritten werden, da sonst eine erhöhte Gefahr der Salzablagerung und Korrosion in den Wärmeübertragerrohren gegeben ist. Die erhitzte Sole wird über eine Leitung 68a einer ersten Stufe 67a der MSF-Entsalzungsanlage 2 zugeführt. Aufgrund des geringeren Druckes verdampft ein Teil der Sole und kondensiert am Vorwärmer in der ersten Stufe 67a. Diese Kondensationswärme wird genutzt, um den aus Leitung 62 kommenden Solemassenstrom aufzuwärmen. Das anfallende Kondensat wird in einer Rinne aufgefangen. Anschließend gelangen das Kondensat und die Sole mit erhöhter Salzkonzentration in die nächste Stufe 66a, in der sich der Verdampfungs- und Kondensationsvorgang aufgrund des geringeren Druckes wiederholt.
Nach mehreren nachgeschalteten Stufen 65a–63a entsteht als Produktstrom ein salzfreies Destillat, welches über eine Leitung 69 einem Destillattank 71 über eine Kondensatpumpe 70 zugeführt werden kann. Das Destillat in Leitung 72 wird anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt durch Zugabe von Calciumhydrogenkarbonat und weiteren Mineralstoffen zu Trinkwasser umgewandelt (nicht in den Figuren dargestellt). Ein kleiner Teil des Destillats kann über ein Ventil 73a und eine Leitung 74 als Makeup-Strom für den Wasser-/Dampfkreislauf in eine Leitung 57a zurückgeführt werden. Der Solemassenstrom mit erhöhter Salzkonzentration kann über eine Leitung 75 dem Rücklauf in eine Leitung 41 beigemischt und verdünnt ins Meer zurückgeleitet werden.
Ausführung 2: Verwendung des mehrstufigen Destillationsprozesses
4 zeigt die Verwendung des mehrstufigen Destillationsprozesses mit den Stufen 64b–66b für die Entsalzung des Meerwassers, wobei hier der Dampf aus der Leitung 55 als Treibmedium in eine Dampfstrahlpumpe 56b geleitet wird. In der Dampfstrahlpumpe 56b wird Niedertemperaturdampf aus einer Stufe 64b des mehrstufigen Destillationsprozesses angesaugt, mit dem Dampfstrom aus der Leitung 55 vermischt und auf einen höheren Druck komprimiert. Der vermischte Dampfmassenstrom gelangt in eine vorgelagerte Kammer 58b der ersten Stufe 66b und durchströmt die horizontalen Wärmeübertragerrohre 68b. Bei der Durchströmung kondensiert der Dampfmassenstrom, gibt seine Kondensationswärme ab und wird in eine vorgelagerte Kammer der nächsten Stufe geleitet. Da der Druck von Stufe zu Stufe abnimmt, wird in dieser Kammer aufgrund des geringeren Druckes das Kondensat wieder verdampft und mit dem Dampf aus der ersten Stufe 66b vermischt.
Ähnlich wie beim MSF-Verfahren gelangt der gefilterte Meerwasserstrom über die Leitung 62 in einen Vorwärmer in Kammer 63b. Anschließend wird der Meerwasserstrom in die einzelnen Kammern der Stufen 64b–66b geleitet. Dieser Prozess wird beispielhaft für die erste Kammer 66b erläutert und läuft in den anderen Kammern analog ab.
Das Meerwasser wird über eine Leitung 67b als Film in Richtung der Schwerkraft über horizontale Wärmeübertragerrohre 68b der ersten Kammer 66b geführt. Ein Teil des Meerwassers wird durch Aufnahme der Kondensationswärme verdampft, in einer Leitung 69b gesammelt und als Heizdampf in die vorgelagerte Kammer der nächsten Stufe geleitet. Der nicht verdampfte Anteil sammelt sich als Sole mit erhöhter Salzkonzentration im unteren Bereich der ersten Kammer 66b an und wird der nächsten Kammer zugeführt. In den nachfolgenden Kammern wiederholt sich dieser Prozess bei jeweils geringeren Drücken und Temperaturen.
In der letzten Kammer 63b wird das Destillat gesammelt und über eine Kondensatpumpe 70 einem Destillattank 71 zugeführt. Das Destillat in Leitung 72 kann wie beim MSF-Prozess anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt durch Zugabe von Calciumhydrogenkarbonat und weiteren Mineralstoffen zu Trinkwasser umgewandelt werden (nicht in den Figuren dargestellt). Ein Teil des Destillates wird über eine Kondensatpumpe 73b als Makeup-Strom für den Wasser-/Dampfkreislauf in den Speisewasserbehälter 17 geleitet.
Damit die Müllverbrennungsanlage 1 weiterhin Strom generieren kann, auch wenn die thermische Entsalzungsanlage 2 etwa aufgrund von Wartungsarbeiten nicht in Betrieb ist, kann der fluktuierende Anteil des Dampfmassenstromes über einen Bypass an den Turbinenstufen 32 und 34 vorbei direkt in den Kondensator 39 geleitet werden. Der Bypass kann über ein Regelventil 76, eine Wassereinspritzung 77 und eine Leitung 78 realisiert werden. Das Regelventil 76 erzeugt den nötigen Druckabfall des Dampfmassenstroms aus der Leitung 29. Die optionale Wassereinspritzung 77, die von Speisewasser aus der Leitung 18 versorgt werden kann, bewirkt die Kühlung des Dampfmassenstroms. Über die Leitung 78 wird der Dampfmassenstrom in den Kondensator 39 geleitet.
Mit Hilfe des Bypasses kann auch nur die Entsalzungsanlage 2 betrieben werden, falls die Dampfturbine nicht am Stromnetz angeschlossen ist, da der nicht benötigte Dampfmassenstrom direkt in den Kondensator 39 geleitet werden kann. Auf diese Weise sind die Strom- und Trinkwasserproduktion der Anlage unabhängig voneinander gewährleistet. Um diese Funktionen bereitzustellen, kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die die Ventile entsprechend steuert, um den Dampfmassenstrom entsprechend zu leiten.
Die in den 3 und 4 dargestellten Prozessabläufe weisen den Vorteil auf, dass die anfallende Elektrizität z.B. für die Trinkwasserproduktion mittels einer Umkehrosmose genutzt werden kann.
Möchte man hingegen möglichst viel Trinkwasser über die eingesetzten thermischen Entsalzungsverfahren gewinnen, bietet sich die in 5 gezeigte Kopplung zwischen der Müllverbrennungsanlage 1 und der Meerwasserentsalzungsanlage 2 an. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen aus der 3 und der 4, ist der Kondensator nach der Niederdruckstufe 34 der Dampfturbine nicht vorhanden. Um den Dampfmassenstrom in Leitung 38 auf den für den Entsalzungsprozess notwendigen Prozessdruck zu entspannen, erfolgt eine Vermischung mit dem konditionierten Dampf aus der Leitung 52 in der Leitung 55. Der gesamte Dampfmassenstrom wird so in die thermische Entsalzungsanlage (MSF oder MED-TVC) geleitet.
Das Meerwasser wird in diesem Ausführungsbeispiel direkt aus dem Meer analog zu den zuvor beschriebenen Prozessen über das Regelventil 59 und die Leitung 60 in eine Filteranlage 61 geleitet. Das anfallende Destillat wird über die Kondensatpumpe 70 in einen Destillattank 71 überführt. Entsprechend wird aus dem Destillat in der Leitung 72 über einen weiteren Prozessschritt Trinkwasser produziert. Es besteht zusätzlich die Möglichkeit das Destillat über das Regelventil 73 und die Leitung 74 dem Wasser-/Dampfkreislauf als Makeup-Strom zuzuführen. Die anfallende Sole mit erhöhter Salzkonzentration wird über Leitung 75 ins Meer geleitet. Die Leitung 57 ist, wie in 3 gezeigt, bei der Verwendung einer MSF-Entsalzungsanlage erforderlich.
Die in den 3–5 verwendeten Pumpen können gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung redundant (doppelt) ausgeführt werden, um eine erhöhte Verfügbarkeit der Gesamtanlage sicherzustellen.
6 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage 1 und einer Meerwasserentsalzungsanlage 2, wobei die Abfallverbrennungsanlage 1 ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Weiterleiten S51 einer fluktuierenden Dampfmenge M2 eines durch die Abfallverbrennungsanlage 1 erzeugten Dampfes M an die Meerwasserentsalzungsanlage 2, Dämpfen S54 von Fluktuationen in der fluktuierenden Dampfmenge M2 und Weiterleiten S55 des geglätteten Dampfflusses M3 an die Meerwasserentsalzungsanlage 2.
Alle zuvor beschriebenen Funktionen der Vorrichtung aus der 1 und/oder der Anlagen aus den 3 bis 5 können als weitere optionale Verfahrensschritte in dem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt sein.
Im Vergleich zu den konventionellen Anlagen bieten die Ausführungsbeispiele die folgenden Vorteile:
Thermodynamische Prozessrechnungen zeigen, dass eine derartige kombinierte Müllverbrennungs- und Meerwasserentsalzungsanlage bei einer jährlichen Müllentsorgungskapazität von 200.000 t eine Produktion von ca. 20 MW elektrischer Leistung und 5.000–10.000 m³ Trinkwasser pro Tag (je nach Technologie und Auslegung des Prozesses) erzielen kann. Da auf diese Weise hochwertige fossile Brennstoffe wie Mineralöl oder Erdgas substituiert werden, ist eine erhebliche Reduktion der spezifischen Energie- und damit Trinkwasserkosten der Meerwasserentsalzung realisierbar. Prinzipiell ist dieser Prozess jedem thermischen Entsalzungsverfahren zugänglich, allerdings ist die Kombination mit dem MED-TVC-Verfahren im Hinblick auf typische Anlagengrößen effizienter und somit als bevorzugte Ausführung anzusehen. Unabhängig davon kann der Hauptmassenstrom in der Dampfturbine unverändert bis auf Kondensatordruck entspannt werden. Die dabei produzierte elektrische Leistung kann flexibel ins Netz eingespeist oder auch einer Umkehrosmose-Anlage zugeführt werden, was eine erhebliche Steigerung der Trinkwasserproduktion auf mehr als 100.000 m³/d ermöglicht. Eine hybride MED-TVC/RO-Anlage hat mehrere wirtschaftliche Vorteile, wie beispielsweise die Nutzung eines gemeinsamen Eintrags-/Auslassweges für Meerwasser sowie die Reduzierung der erforderlichen Stufenanzahl für die Umkehr-Osmoseanlage. Zudem besteht durch die Vermischung mit Destillat aus dem thermischen Prozess die Möglichkeit, die Salzkonzentration auf der Produktseite der Membran zu erhöhen und so die Lebensdauer der Membran und die Energierückgewinnung des RO-Verfahrens zu steigern.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Abfallverbrennungsanlage
2: Meerwasserentsalzungsanlage
3: Abfallbestückung
4: beweglicher Rost
5: Brennerraum
6: Trichter
7: Lufteindüsung
8: Abgaskanal
9: Hilfsbrenner
10: Verdampfer als Strahlungswärmeübertrager
11: Verdampfer als konvektiver Wärmeübertrager
12, 13: Überhitzer
14: Economiser
15: Ascheabzugstrichter
16: Speisewasserpumpe
17: Speisewasserbehälter
19: Trommel
20: Speisewasservorwärmer
23, 24: Fallrohre
25: Sammler
28: Wassereinspritzung
31: Turbineneinlassventil
32: Hochdruckstufe
34: Niederdruckstufe
35: Turbinenwelle
36: Kupplung
37: Generator
39: Kondensator
42: Kondensatpumpe
47: Luftvorwärmer
51: Regelventil
53: Wassereinspritzung
54: Dämpfer
56a: Wärmeübertrager
56b: Dampfstrahlpumpe
58: Kondensatpumpe
59: Regelventil
61: Filteranlage
63a–67a: Vorwärmstufen
64b–66b: Stufen/Kammern
68b: horizontale Wärmeübertragerrohre
70: Destillatpumpe
71: Destillattank
73a: Ventil
73b: Kondensatpumpe
76: Regelventil
77: Wassereinspritzung
18, 21, 22, 26, 27, 30, 33, 38, 40, 41, 43–46, 48–50, 52, 55, 57, 62, 67b, 68a, 69b, 75, 78: Leitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19633039 A1 [0006]
US 3467587 [0006]
WO 02/21048 [0007]
WO 02/20412 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage (1) und einer Meerwasserentsalzungsanlage (2), wobei die Abfallverbrennungsanlage (1) ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen, mit folgenden Merkmalen: eine Mengenregelung (51), die ausgebildet ist, um von dem erzeugten Dampf (M) eine fluktuierende Dampfmenge (M2) von der Abfallverbrennungsanlage (1) an die Meerwasserentsalzungsanlage (2) weiterzuleiten; und ein Dämpfer (54), der ausgebildet ist, um Fluktuationen in der fluktuierenden Dampfmenge (M2) auszugleichen und der Meerwasserentsalzungsanlage (2) einen geglätteten Dampffluss (M3) zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mengenregelung (51) ein steuerbares Ventil umfasst und/oder die Vorrichtung weiter eine Druckreduzierungseinrichtung (53) aufweist, wobei die Druckreduzierungseinrichtung in Kombination mit dem Ventil oder stromabwärts des Ventils vorgesehen ist, um den Druck und/oder die Temperatur der fluktuierenden Dampfmenge (M2) durch Eintrag von Wasser steuerbar zu reduzieren, und/oder einen Hohlraum aufweist, um Druckfluktuationen zu dämpfen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Abfallverbrennungsanlage (1) weiter an eine Dampfturbine (34) koppelbar ist und die Massenregelung (51) ausgebildet ist, die fluktuierende Dampfmenge (M2) zwischen der Abfallverbrennungsanlage (1) und der Dampfturbine (34) zu entnehmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter eine Bypass-Leitung (78) zur Umfahrung der Dampfturbine (34) aufweist, wobei entlang der Bypass-Leitung (78) ein steuerbares Regelventil (76) zum Regeln eines Volumendurchsatzes durch die Bypass-Leitung (78) und/oder eine Wassereinspritzung (77) zur Druckregelung und/oder Temperaturregelung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, die eine weitere Leitung (38) aufweist, die eine Verbindung von der Dampfturbine (34) zu einem Einlass oder einem Auslass des Dämpfers (54) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, die weiter einen Speisewasserbehälter (17) und einen Kondensator (39) aufweist, wobei der Speisewasserbehälter (17) Wasser für die Dampferzeugung in der Abfallverbrennungsanlage (1) bereitstellt und der Kondensator (39) einen Eingang, einen Ausgang und einen Flusspfad für Meerwasser aufweist, wobei der Kondensator (39) ausgebildet ist, um über den Eingang Dampf aus der Dampfturbine (34) aufzunehmen und den Dampf unter Wärmeabfuhr an das Meerwassers zu kondensieren und über den Ausgang an den Speisewasserbehälter (17) weiterzuleiten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Dämpfer (54) weiter ausgebildet ist, einen vorbestimmten Dampfzustand an seinem Ausgang in Abhängigkeit von dem genutzten Entsalzungsverfahren bereitzustellen, wobei der Dampfzustand durch eine vorbestimmte Dampftemperatur und/oder vorbestimmten Dampfdruck definiert ist.
System zur Meerwasserentsalzung mit: einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und einer thermischen Meerwasserentsalzungsanlage (2).
System nach Anspruch 8, wobei die thermische Meerwasserentsalzungsanlage (2) eine mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage oder eine mehrstufige Destillationsanlage umfasst.
System nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, das außerdem eine Umkehrosmose-Entsalzungsanlage und eine Mischungseinrichtung aufweist, wobei die Umkehrosmose-Entsalzungsanlage Wasser unter Nutzung der Umkehrosmose aufbereitet und die Mischungseinrichtung ausgebildet ist, um Destillatwasser aus der thermischen Meerwasserentsalzungsanlage (2) mit dem aufbereiteten Wasser aus der Umkehrosmose-Anlage zu mischen.
System nach Anspruch 10, wobei die Umkehrosmose-Anlage den durch den Generator erzeugten Strom zum Aufbereiten von Wasser nutzt.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die mehrstufige Entspannungsverdampfungsanlage einen Wärmeübertrager (56a) und Vorwärmestufen (63a–67a) zum Vorwärmen von Meerwasser aufweist, wobei der Wärmeübertrager (56a) an den Dämpfer (54) über eine Leitung (55) gekoppelt und ausgebildet ist, vorgewärmtes Meerwasser von den Vorwärmestufen (63a–67a) bis auf eine Höchsttemperatur zu erhitzen.
System nach Anspruch 12, wobei der Wärmeübertrager (56a) ausgebildet ist, um den geglätteten Dampffluss (M3) von dem Dämpfer (54) unter Nutzung von Wasser von den Vorwärmestufen (63–67) zu kondensieren und dadurch das vorgewärmte Meerwasser zu erhitzen, und das System weiter eine Verbindung (57) zwischen dem Wärmeübertrager (56a) und einem Speisewasserbehälter (17) aufweist, um den kondensierten Dampf als Wasser in dem Speisewasserbehälter (17) zu sammeln.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die mehrstufige Destillationsanlage eine Dampfstrahlpumpe (56b) und Vorwärmestufen (64b–66b) zum Destillieren von Meerwasser unter einer stufenweisen Verdampfung aufweist, wobei die Dampfstrahlpumpe (56b) an den Dämpfer (54) gekoppelt ist, um den Dampfstrom aus dem Dämpfer (54) unter Nutzung eines Dampfstromes aus den Vorwärmestufen (64b–66b) zu vermischen und/oder zu verdichten und den erzeugten Dampfstrahl in eine erste Stufe der Vorwärmestufen (66b) zu leiten.
Verbundsystem mit einem System nach einem der Ansprüche 8 bis 14, einer Abfallverbrennungsanlage (1) und einer Dampfturbine (34) zur Stromerzeugung, wobei die Abfallverbrennungsanlage (1) ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen und der Dampfturbine (34) zur Stromerzeugung bereitzustellen.
Verbundsystem nach Anspruch 15, das weiter eine Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, um unter Nutzung der Bypass-Leitung (78) das System nur zur Meerwasserentsalzung (2) zu betreiben oder in einem weiteren Modus nur zur Stromerzeugung zu nutzen.
Verbundsystem nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, das mehrere Pumpen aufweist, die redundant ausgebildet sind, um auch bei Ausfall einer Pumpe die Verfügbarkeit des Systems sicherzustellen.
Verfahren zum thermischen Koppeln einer Abfallverbrennungsanlage (1) und einer Meerwasserentsalzungsanlage (2), wobei die Abfallverbrennungsanlage (1) ausgebildet ist, um unter Verbrennung von Abfall Dampf zu erzeugen, mit folgenden Merkmalen: Weiterleiten (S51) einer fluktuierenden Dampfmenge (M2) von der Abfallverbrennungsanlage (1) an die Meerwasserentsalzungsanlage (2); und Dämpfen (S54) von Fluktuationen in der fluktuierenden Dampfmenge (M2); und Weiterleiten (S55) eines geglätteten Dampfflusses (M3) an die Meerwasserentsalzungsanlage (2).