DE10308585B4

DE10308585B4 - Verfahren und Anlage zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen mit integrierter Gasreinigung

Info

Publication number: DE10308585B4
Application number: DE10308585A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Heinz; Christoph Dr. Unger; Peter Dipl.-Ing. Noeres
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: WO2004077586A3; DE10308585A1; WO2004077586A2; EP1608848A2

Abstract

Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen, bei dem die im Heißgas (31) enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel in einem thermischen Mehrstoffverdichter (1) verdichtet wird und im Anschluss daran vollständig oder teilweise einen Kraftteil (11) durchströmt, in dem es in zumindest einem Überhitzer (2) unter Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas (31) überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine (3a, 3b) zur Krafterzeugung entspannt wird,
wobei die Verdichtung des Arbeitsmittels im thermischen Mehrstoffverdichter (1) derart erfolgt, dass das Arbeitsmittel bei einem unterem Prozessdruck in einem Absorber (7) unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem Arbeitsmittel angereicherte Lösung mechanisch auf einen oberen Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in einem Austreiber (8) aus der arbeitsmittelangereicherten Lösung unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas (31) ausgetrieben und die dadurch arbeitsmittelabgereicherte Lösung über zumindest eine Drossel (10) wieder auf den...

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen, bei dem die im Heißgas enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel in einem thermischen Mehrstoffverdichter verdichtet wird und im Anschluss daran vollständig oder teilweise einen Kraftteil durchströmt, in dem es in zumindest einem Überhitzer unter Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine zur Krafterzeugung entspannt wird, wobei die Verdichtung des Arbeitsmittels im thermischen Mehrstoffverdichter derart erfolgt, dass das Arbeitsmittel bei einem unterem Prozessdruck in einem Absorber unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem Arbeitsmittel angereicherte Lösung mechanisch auf einen oberen Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in einem Austreiber aus der arbeitsmittelangereicherten Lösung unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas ausgetrieben und die dadurch arbeitsmittelabgereicherte Lösung über zumindest eine Drossel wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und in den Absorber zurückgeleitet wird, und wobei das Arbeitsmittel parallel und/oder in Reihe zum Mehrstoffverdichter und zur Expansionsmaschine in einen in den geschlossenen Kreislauf integrierten Wärmepumpenteil geleitet wird, innerhalb dessen das Arbeitsmittel in einem Kondensator unter Wärmeabgabe kondensiert wird, in einer Drossel entspannt wird und mindestens einen Verdampfer durchströmt. Die Erfindung betrifft auch eine Anlage, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Der primäre Einsatzzweck des vorliegenden Verfahrens liegt in der Strom-, Wärme- und/oder Kältebereitstellung aus Festbrennstoffen, insbesondere fester Biomasse, im Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung. Zu diesem Zweck kann das Verfahren anlagentechnisch mit einer Verbrennungs- und/oder einer Vergasungsanlage für feste Biomasse sowie mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom kombiniert werden. Das den Prozess antreibende Heißgas ist in diesem Fall das heiße Rauchgas aus der Biomassefeuerung, das heiße Produktgas aus der Biomassevergasung (welches z. B. vor seiner weiteren Verwendung in einer Motorenanlage gekühlt und gereinigt werden soll) oder das bei der Verbrennung von Produktgas aus der Biomassevergasung entstehende heiße Rauchgas.

Die Energiegewinnung aus Biomasse gewinnt weltweit zunehmend an Bedeutung, da eine Vielzahl von ökologischen, volkswirtschaftlichen und sozialen Vorteilen mit dieser Form der regenerativen Energie in Verbindung gebracht werden. Dies gilt insbesondere für die aus Effizienzgründen anzustrebende gekoppelte Strom- und Wärmebereitstellung aus fester Biomasse. Realisiert werden derartige Anlagen heute meist auf der Basis konventioneller Dampfkraftprozesse. Sie haben sich bereits vielfach im kommerziellen Einsatz bewährt. Aus Kostengründen liegen derartige Anlagen jedoch meist im Leistungsbereich von deutlich über 1 MW elektrischer Leistung. Bioenergieanlagen kleinerer elektrischer Leistung sind mit dieser konventionellen Technologie meist nicht zu wirtschaftlichen Konditionen realisierbar (geringe Wirkungsgrade bei Dampfmotoren, hohe spezifische Kosten bei Dampfturbinen). Im kleinen Leistungsbereich ab weniger kW Feuerungsleistung sind heute praktisch ausschließlich die exergetisch weniger hochwertigen Anlagen zur ausschließlichen Wärmebereitstellung aus fester Biomasse im praktischen Einsatz, da bis heute keine Technologie zur Verfügung steht, die es erlaubt, auch im Bereich elektrischer Leistungen von deutlich unter 1 MW zuverlässig und wirtschaftlich Strom und Wärme aus fester Biomasse zu erzeugen.

In den vergangenen Jahrzehnten wurde vor diesem Hintergrund die Vergasung von fester Biomasse mit nachfolgender Nutzung des erzeugten Produktgases in effizienten Kraftmaschinen, wie bspw. Verbrennungsmotoren oder vereinzelt auch Gasturbinen, intensiv erforscht. Der Bau eines zuverlässig funktionierenden und wirtschaftlich betreibbaren Gesamtsystems konnte aber bis heute nicht realisiert werden, da insbesondere mit der Aufbereitung des aus der Vergasung gewonnenen Schwachgases auf die von der Kraftmaschine angeforderten Qualitäten eine Vielzahl von technischen und ökonomischen Problemen einher gehen. Dies zeigt die vom Öko-Institut (Institut für angewandte Ökologie e. V.), Darmstadt, im Jahr 2001 publizierte „Marktübersicht dezentrale Holzvergasung : Marktanalyse 2000 für Holzvergasersysteme bis 5 MW" auf eindrucksvolle Weise.

Im Zuge der Problemlösung werden diese Verfahren zunehmend komplexer und verfahrenstechnisch aufwändiger, so dass sie in absehbarer Zukunft zwar für einen Leistungsbereich von über 1 MW elektrischer Leistung eine vielversprechende Technologie darstellen können, im kleinen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung aber aus wirtschaftlichen Gründen kaum mehr in Frage kommen können.

Nicht zuletzt aufgrund dieses Trends erfährt der Stirlingmotor seit einigen Jahren eine deutlich zunehmende Aufmerksamkeit im Bereich der Energiegewinnung aus fester Biomasse. Beispielhaft ist eine solche Anlage aus H. Carlsen, „Biomasse betriebene Stirling Motoren", BWK Band 53 (2001) Nr. 12, Seite 61 bekannt. Die Kombination dieser Kraftmaschine mit einer konventionellen und in hohen Stückzahlen produzierten Holzfeuerung zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse im sehr kleinen Leistungsbereich erscheint aus Kostengründen ein grundsätzlich vielversprechender Ansatz. Trotz seiner bereits jahrzehntelangen Entwicklung ist der Stirlingmotor aber eine überaus störanfällige Maschine, die noch immer technologische Risiken und vor allem viel zu hohe Kosten aufweist. Aus diesem Grunde werden Biomassebefeuerte Stirlingmotorsysteme derzeit praktisch ausschließlich zu Forschungs- und Demonstrationszwecken eingesetzt.

Weitere, in einem Artikel von P. Heinrich et al., „Stromerzeugung aus Biomasse: Überblick über die technischen Verfahren und deren Wirtschaftlichkeit" in: Gülzower Fachgespräche: „Energetische Nutzung von Biomasse durch Kraft-Wärme-Kopplung", Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (Hrsg.), Gülzow, 2000, Seiten 25–39, aufgeführte Technologien zur Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse im sehr kleinen Leistungsbereich sind der Staubmotor (d. h. die direkte Verbrennung staubförmig aufgemahlener Biomasse), die Pyrolyse von fester Biomasse mit nachgeschalteten Kraftprozessen sowie der Brennstoffzelleneinsatz in Verbindung mit der vorangegangenen Vergasung oder Pyrolyse der Biomasse. Diese Technologien befinden sich einheitlich in sehr frühen Entwicklungsstadien und stehen dem Markt damit auf absehbare Zeit nicht zur Verfügung.

Zusammenfassend lässt sich damit feststellen, dass es eine Vielzahl von Verfahren zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse gibt, derzeit aber keine überzeugenden Anlagenkonzepte für den kleinen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung zur Verfügung stehen. Hinzu kommt, dass die derzeit diskutierten Anlagensysteme auf der Basis von konventionellen Biomassefeuerungen meist vergleichsweise hohe Schadstofffreisetzungen (z. B. an Stickstoffoxiden, Staubpartikeln und – je nach eingesetzter Biomasse – auch von sauren Komponenten wie z. B. Chlorwasserstoff) aufweisen, da Festbrennstofffeuerungen prinzipiell zu höheren Schadstoffbildungen führen und in Kleinanlagen aus ökonomischen Gründen häufig keine aufwändige Rauchgasreinigungen installiert werden. Darüber hinaus kann die in der festen Biomasse enthaltene Energie bei den derzeit bekannten Technologien zur Energiegewinnung aus fester Biomasse häufig nur unzureichend genutzt werden, da diese Anlagen meist an Wärmeverbraucher angeschlossen sind, deren Rücklauftemperaturen zu hoch für eine umfassende Nutzung der im Rauchgas enthaltenen latenten und sensiblen Wärme sind. Gerade bei stark wasserhaltigen Biomassen verbleiben damit häufig erhebliche Energiemengen im Rauchgasstrom ungenutzt.

Aus der US 4803958 A ist eine Absorptionsmaschine zur Komprimierung von Dampf in einem offenen Kreislauf bekannt, bei dem der auf einem niedrigen Druckniveau befindliche Dampf mittels eines thermischen Mehrstoffverdichters auf ein nützliches höheres Druckniveau komprimiert wird. In dem thermischen Mehrstoffverdichter wird der Dampf bei niedrigem Druck durch eine flüssige Absorberlösung unter Wärmeabgabe aufgenommen. Die abgegebene Wärme wird zum Verdampfen von Speisewasser genutzt. Die flüssige Absorberlösung mit dem aufgenommenen Dampf wird über eine Pumpe auf einen höheren Druck komprimiert und der Dampf auf diesem höheren Druckniveau unter Wärmeaufnahme von heißen Abgasen einer mit der Absorptionsmaschine gekoppelten internen Verbrennungsmaschine ausgetrieben.

Aus der DE 3824046 A1 ist ein Verfahren zur Reinigung lösungsmittelhaltiger Abluft mit Rückgewinnung des Lösungsmittels bekannt. Dabei wird Abluft mit hohen Lösungsmittelkonzentrationen zunächst gekühlt und dabei der größte Teil des Lösungsmittels durch Kondensation zurück gewonnen. Die weitere Reinigung erfolgt durch Adsorption in einem Adsorber. Die Desorption des beladenen Adsorbers erfolgt bei höheren Temperaturen. Das desorbierte Lösungsmittel wird durch Kondensation bei tiefen Temperaturen zum größten Teil zurückgewonnen. Zur Kühlung und zur Erwärmung wird eine Wärmepumpe eingesetzt, wobei bei Verwendung einer Kompressionswärmepumpe durch Ausnutzung der Über hitzungswärme des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe im Verdichter und bei Verwendung einer Absorptionswärmepumpe durch Ausnutzung der Abgaswärme des Austreibers der zur Desorption eingesetzte Wärmeträgerstrom auf Temperaturen erwärmt wird, die erheblich über der Kondensationstemperatur des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe liegen.

Ausgehend von diesem nicht zufrieden stellenden Stand der Technik bei der gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse im Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Anlage anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine gesteigerte Brennstoffenergieausnutzung bei gleichzeitig reduziertem Luftschadstoffausstoß, eine Stromerzeugung gerade im elektrischen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW sowie – als zusätzliche optionale Energiedienstleistung – eine prozessintegrierte Kältebereitstellung ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Anlage gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 23 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anlage sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen mit prozess integrierter Gasreinigung, bei dem die im Heißgas enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel in einem thermischen Mehrstoffverdichter verdichtet wird und im Anschluss daran vollständig oder teilweise einen Kraftteil durchströmt, in dem es in zumindest einem Überhitzer durch Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine entspannt wird, die vorzugsweise zur Erzeugung elektrischer Energie einen Generator antreibt. Mindestens ein Teilstrom des Arbeitsmittels durchströmt ferner parallel und/oder in Reihe zum thermischen Mehrstoffverdichter einen Wärmepumpenteil, in dem das Arbeitsmittel in einem Kondensator unter Wärmeabgabe nach außen vollständig kondensiert wird, in einer Drossel expandiert und in mindestens einem Verdampfer die gering temperierten Abwärmeströme eines zur kombinierten Gasreinigung und Wärmerückgewinnung eingesetzten Gaskondensators sowie ggf. darüber hinaus die Abwärmeströme externer Verbraucher aufnimmt. Der Kreisprozess wird geschlossen durch die erneute Kompression des Arbeitsmittels im Mehrstoffverdichter. Der Gaskondensator kann hierbei in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage auch als Gaswäscher ausgebildet sein.

Die Verdichtung des Arbeitsmittels im thermischen Mehrstoffverdichter erfolgt hierbei derart, dass das Arbeitsmittel bei einem unterem Prozessdruck in einem Absorber unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem Arbeitsmittel angereicherte Lösung mittels zumindest einer Pumpe auf einen oberen Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in einem Austreiber aus der konzentrierten Lösung unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas ausgetrieben und die dadurch arbeitsmittelabgereicherte Lösung über zumindest eine Drossel auf den unteren Prozessdruck entspannt und in den Absorber zurückgeleitet wird. Zur Effizienzsteigerung ist es dabei sinnvoll, einen Wärmeaustausch zwischen arbeitsmittelangereicherter und arbeitsmittelabgereicherter Lösung mittels zumindest eines Wärmetauschers zu ermöglichen.

Enthält das Heißgas ausreichend kondensierbare Bestandteile (z. B. Wasserdampf), werden allein durch Unterkühlung des Heißgases im Gaskondensator sowohl staubförmige als auch gasförmige Luftschadstoffe aus dem Heißgas teilweise ausgewaschen. Das dabei anfallende Kondensat wird dem Prozess kontinuierlich entzogen. Enthält das Heißgas nicht genügend kondensierbare Bestandteile und/oder soll eine umfangreichere Gasreinigung erzielt werden, wird eine Waschflüssigkeit und/ oder das Kondensat vor seiner Auskopplung aus dem Prozess aufgefangen, ggf. aufbereitet (z. B. gefiltert), im Wärmeaustausch mit dem Verdampfer des Wärmepumpenteils abgekühlt und zurück in den Heißgasstrom eingedüst, um dort einen erhöhten Stoff- und Wärmeaustausch zu bewirken.

Dieses Verfahren umfasst damit im Wesentlichen die folgenden Verfahrensvarianten:

1. Geschlossener Kreisprozess mit einer Parallelschaltung von thermischem Mehrstoffverdichter, Kraftteil (mindestens eine Einheit aus Überhitzer und nachgeschalteter Expansionsmaschine) und Wärmepumpenteil (Einheit aus einem Kondensator, einer Drossel und mindestens einem Verdampfer), wobei das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen und die dabei frei werdende Abwärme in den Kreisprozess eingekoppelt wird;
2. Geschlossener Kreisprozess mit einer Reihenschaltung von thermischem Mehrstoffverdichter, Kraftteil und Wärmepumpenteil, wobei das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen und die dabei frei werdende Abwärme in den Kreisprozess eingekoppelt wird;
3. Geschlossener Kreisprozess mit einer Reihenschaltung von thermischem Mehrstoffverdichter, Kraftteil und Wärmepumpenteil, wobei dem Wärmepumpenteil zusätzlich ein Kraftteil parallelgeschaltet ist und das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen und die dabei frei werdende Abwärme in den Kreisprozess eingekoppelt wird;
4. Verfahrensvarianten nach 1., 2. und 3., wobei der Gaskondensator als Gaswäscher ausgebildet ist, in dem das den Kreisprozess antreibende Heißgas durch Eindüsung von einer Waschsubstanz und/oder Kondensat unterkühlt und teilweise ausgewaschen und die dabei frei werdende Abwärme in den Kreisprozess eingekoppelt wird.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 19650183 A1 oder der US 4009575 A , sind bereits geschlossene Kreisprozesse mit Parallelschaltungen von thermischen Verdichtern, Kraftteilen und Wärmepumpenteilen bekannt. Diese Druckschriften zielen allerdings ausschließlich auf die exergetisch hochwertige, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus im Überhitzer und Austreiber stattfindende Nutzung der Abwärme eines beliebigen Wärmestroms zur Kraft-, ggf. Wärme- und optionalen Kältebereitstellung ab. Das hier als Erfindung vorgestellte Verfahren zur gekoppelten Kraft, Wärme und/oder Kältebereitstellung aus schadstoffbeladenen Heißgasen mit integrierter Heißgasreinigung unterscheidet sich von den Verfahren dieser Druckschriften insbesondere darin, dass hier nicht nur die (durch prozessintegrierte Unterkühlung des Heißgases im übrigen weiter gesteigerte) Energiegewinnung aus einem Wärmeträger, sondern – bei einer Beschränkung der Wärmeträger auf schadstoffbeladene Heißgase – erstmalig auch die Reinigung des Wärmeträgers erreicht wird. Diese bedeutsame, bisher nicht realisierte Zusatzfunktion des Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass im Gegensatz zu den bestehenden Verfahren der Druckschriften die in den Verdampfer des Wärmepumpenteils eingekoppelte Wärme nicht nur externen Wärmequellen entzogen wird, sondern insbesondere auch dem Heißgas, welches in einem Gaskondensator infolge der Wärmeabgabe an den Verdampfer unterkühlt und teilweise ausgewaschen wird. Eine zusätzliche Gaswäsche kann erfindungsgemäß mit dem Kondensat aus dem Heißgas und/oder mit zusätzlichen Waschsubstanzen erfolgen, falls der Kondensatanfall zu gering ist oder die Reinigungswirkung einer allein auf dem Kondensat basierenden Wäsche nicht ausreicht. Darüber hinaus wird die nach der Wärmeübertragung an Überhitzer und Austreiber im Heißgas noch enthaltene Wärme als Abwärme der Gaskondensation bzw. Gaswäsche zusätzlich in den Prozess eingebunden und damit potenziellen Verbrauchern auf einem erhöhten Temperaturniveau (im Kondensator des Wärmepumpenteils ) zur Verfügung gestellt.

Weitere Abgrenzungen gegenüber den bestehenden Druckschriften ergeben sich aus den nachfolgend aufgeführten, z. T der Optimierung des Verfahrens und z. T. der Konkretisierung von Anlagenkonzepten dienenden Verfahrensvarianten.

In einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage wird als Expansionsmaschine eine Gasturbine eingesetzt, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. In dieser Ausgestaltung ist der Mehrstoffverdichter vorzugsweise parallel zum Kraftteil und zum Wärmepumpenteil geschaltet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, in der der Mehrstoffverdichter in Reihe zum Wärmepumpenteil und zum Kraftteil geschaltet ist, wird als Expansionsmaschine aufgrund der anderen Dampfzustände des Arbeitsmittels ein Schraubenmotor oder Hubkolbenmotor eingesetzt, der in gleicher Weise einen Generator zur Stromerzeugung antreiben kann. In diesem Falle kann zusätzlich – um das Ausmaß der Verdampferleistung im Wärmepumpenteil zu variieren – ein Teilstrom des Arbeitsmittels nach der Kondensation im Kondensator des Wärmepumpenteils abgezweigt und auf einem Zwischen druckniveau direkt dem Mehrstoffverdichter zugeführt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage wird im Mehrstoffverdichter ein aus dem Einsatz in kommerziellen Kältemaschinen bzw. Wärmepumpen bekanntes Mehrstoffgemisch verwendet. Hierbei kann es sich insbesondere um eines der Stoffpaare Ammoniak/Wasser, Wasser/Lithiumbromid und Wasser/Lithiumchlorid oder um eine Mischung aus Wasser/Lithiumbromid/Zinkbromid handeln.

Zur Steigerung der Effizienz des Gesamtprozesses ist in einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage denkbar, eine jede Expansionsmaschine durch mehrere, hintereinander geschaltete Expansionsmaschinen, zwischen denen das Arbeitsmittel jeweils im Wärmeaustausch mit dem Heißgas zwischenüberhitzt wird, zu ersetzen (Zwischenüberhitzung).

Eine weitere effizienzsteigernde Verfahrensvariante besteht darin, bei der Krafterzeugung mindestens einen Wärmeaustauscher (Rekuperator) einzusetzen, mit dem das Arbeitsmittel noch vor dem Eintritt in den ersten Überhitzer (d. h. unmittelbar nach seinem Austritt aus dem Austreiber) über das aus der letzten Expansionsmaschine austretende Arbeitsmittel (d.h. unmittelbar vor seinem Rückfluss in den Absorber) vorgewärmt wird.

Eine funktionserweiternde Ausgestaltung des genannten Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage besteht in der Installation einer Einrichtung zur variablen Änderung der Konzentrationsverhältnisse des Stoffgemisches im Mehrstoffverdichter. Diese Einrichtung kann erforderlich sein, um die sehr unterschiedlichen Temperatur- und Druckverhältnisse, die für einen zeitlich stark variierenden Betrieb der Anlage (z. B. einmal zur Wärmeerzeugung und ein anderes Mal zur Kälteerzeugung) im Kreisprozess notwendig sind, realisieren zu können. Diese Einrichtung zur Änderung des Mischungsverhältnisses kann bspw. durch einen Behälter für die Speicherung des Arbeitsmittels realisiert werden, der dem geschlossenen Kreislauf zusätzliches Arbeitsmittel zuführt oder entzieht, um dadurch das Mischungsverhältnis zu verändern. Denkbar sind aber auch technische Lösungen, bei denen das im Mehrstoffverdichter zirkulierende Stoffgemisch, die arbeitsmittelangereicherte oder die arbeitsmittelabgereicherte Lösung, zwischengespeichert werden.

Für den Wärmeübergang vom Heißgas auf den oder die Überhitzer, den Austreiber und den oder die Verdampfer sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Anlage geeignete Einrichtungen im Heißgaskanal vorgesehen. Die Wärmeübertragung kann dabei durch geeignete Wärmetauscher direkt oder über einen Zwischenkreislauf erfolgen. Dem Fachmann sind entsprechende Einrichtungen bekannt. Aus energetischen Gründen ist es sinnvoll, dass beim Einsatz des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage dem Heißgas zunächst die (hochtemperierte) Wärmeenergie für den oder die Überhitzer entnommen wird, stromab davon die (geringer temperierte) Wärmeenergie für den Austreiber des Mehrstoffverdichters und erst danach die Gaskondensation unter Abgabe von Niedertemperaturwärme erfolgt. Die Installation zusätzlicher Wärmetauscher z. B. zur direkten Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas in ein externes Wärmenetz, sind jederzeit möglich.

In Verbindung mit einer Biomassefeuerung, deren Rauchgase als schadstoffbeladenes Heißgas dienen, ist das vorliegende Verfahren einschließlich all seiner Varianten sowie der zugehörigen Anlagen insbesondere für die gekoppelte Kraft- oder Strom-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus fester Biomasse im Leistungsbereich von weit unter 1 MW elektrischer Leistung geeignet. Damit erschließen sich für diese Ausgestaltung eine Vielzahl von Anwendungen, wie bspw. die Bereitstellung von Grundlastwärme in Gewerbebetrieben, landwirtschaftlichen Höfen, öffentlichen Gebäuden, Mehrfamilienhäusern und Wohnsiedlungen bei gleichzeitiger Einspeisung des erzeugten Stromes in das Netz der öffentlichen Versorgung und zusätzlichem Angebot von Kälte z.B. zur Klimatisierung im Hochsommer. Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass infolge der bewussten Rauchgaskondensation bzw. -Wäsche gegenüber konventionellen Festbrennstofffeuerungen ohne aufwändige Rauchgasreinigung reduzierte Schadstoffgehalte (z. B. an Staub und sauren gasförmigen Komponenten) im Abgas erzielt werden können. Ein weiterer Vorteil der Rauchgaskondensation bzw. -Wäsche besteht u. a. darin, dass ein Großteil der im Rauchgas befindlichen latenten und sensiblen Wärme in den Prozess eingekoppelt und infolge der Anhebung auf ein höheres Temperaturniveau erstmalig auch für eine Nutzung z. B. zu Heizzwecken auf üblichen Temperaturniveaus erschlossen werden kann. Darüber hinaus wird das Rauchgas durch die Kondensation teilweise getrocknet, was eine reduzierte Schwadenbildung am Schornstein zur Folge haben kann. Dies kann sich im Einzelfall positiv auf die Betriebsgenehmigung auswirken. Außerdem könnte hierdurch die bestehende Korrosionsproblematik am Schornstein vermindert und damit der Einsatz kostengünstigerer Materialien möglich werden.

In Verbindung mit einer Biomassevergasung, deren Produktgase als schadstoffbeladenes Heißgas dienen, kann das vorliegende Verfahren einschließlich all seiner Varianten sowie der zugehörigen Anlagen zur Abkühlung, Trocknung und Reinigung der Produktgase bei gleichzeitiger Energiebereitstellung eingesetzt werden. Das primäre Ziel ist hierbei die zielgenaue Gasaufbereitung für den nachfolgenden Einsatz des Produktgases z. B. in Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen und die Erhöhung des Stromwirkungsgrades des Gesamtprozesses. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens bzw. seiner zugehörigen Anlage ist eine vorgeschaltete katalytische Teerreinigung des Produktgases sinnvoll, um den Ausfall von teerigen Kondensaten im oder noch vor dem Gaskondensator zu verhindern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Anlage werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage bei einer Parallelschaltung von Mehrstoffverdichter, Wärmepumpenteil und Kraftteil;
2 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Gaskondensators;
3 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage bei einer Reihenschaltung von Mehrstoffverdichter, Wärmepumpenteil und Kraftteil mit der optionalen Rückführung eines Arbeitsmittelteilstroms in den Mehrstoffverdichter auf Zwischendruckniveau;
4 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage bei einer kombinierten Reihen- und Parallelschaltung von Mehrstoffverdichter, Wärmepumpenteil und Kraftteil;
5 ein viertes Beispiel für eine um Rekuperator und zusätzliche Wärmeentnahmestellen erweiterte Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage;
6 ein fünftes Beispiel für eine um Arbeitsmittelspeicher und Kältebereitstellung erweiterte Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage; und
7 ein Beispiel für die Nutzung der Wärmeenergie des Rauchgases einer Biomassefeuerung in der vorliegenden Anlage bzw. dem vorliegenden Verfahren.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorliegende Verfahren sowie die vorliegende Anlage werden im Folgenden anhand der in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele in ihrer Funktion exemplarisch erläutert. Zur Beschreibung der Zustände des Arbeitsmittels in den jeweiligen Anlagenkomponenten sind die für eine gekoppelte Strom-, Wärme und/oder Kältebereitstellung zu erwartenden Temperaturen beispielhaft angegeben. Die gleichzeitig im Prozess vorherrschenden Drücke variieren je nach eingesetztem Mehrstoffgemisch erheblich und können bei Ammoniak/Wasser-Gemischen in der Größenordnung von 1 bis 10·10⁵ Pa (1 bis 10 bar) und darüber liegen, während die Drücke bei Wasser/Lithiumbromid-Gemischen eher um den Faktor 10 darunter zu erwarten sind.
In der 1 ist der Aufbau einer Anlage schematisch dargestellt, bei der der Wärmepumpenteil 13 parallel zum Mehrstoffverdichter 1 und zum Kraftteil 11 geschaltet ist. Beim Betrieb dieser Anlage mit dem vorliegenden Verfahren wird im Absorber 7 des Mehrstoffverdichters 1 das aus der Gasturbine 3a als Expansionsmaschine kommende Arbeitsmittel abgekühlt und unter Wärmeabgabe 23 bei bspw. 70°C an ein Wärmenetz in die Lösung des Mehrstoffverdichters aufgenommen. Die nach Absorption des Arbeitsmittels angereicherte Mehrstofflösung wird nach einem internen Wärmeaustausch im Wärmetauscher 19 mit dem arbeitsmittelabgereicherten Rückfluss aus dem Austreiber 8 auf den oberen Prozess druck verdichtet und gelangt anschließend in den Austreiber 8. Die Verdichtung erfolgt über geeignete Pumpen 9. Im Austreiber 8 wird das Arbeitsmittel auf einem Temperaturniveau von z. B. 120°C durch Zufuhr von Wärme aus dem Heißgas 31 aus der Mehrstofflösung ausgetrieben. Die auf diese Weise arbeitsmittelabgereicherte Mehrstofflösung wird daraufhin in einem kontinuierlichen Prozess über Drosseln 10 wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und über den Wärmetauscher 19 in den Absorber 7 zurück geleitet. Ein Teilstrom des aus dem Austreiber 8 ausgetriebenen Arbeitsmittels wird im Überhitzer 2 im Wärmeaustausch mit dem Heißgasstrom 31 (z.B. auf 600°C) aufgeheizt. Nach dem Überhitzen des Arbeitsmittels im Überhitzer 2 wird dieses in die Gasturbine 3a geleitet und dort vom oberen auf den unteren Prozessdruck entspannt. Die Turbine 3a treibt dadurch einen Generator 15 an und erzeugt elektrischen Strom. Das aus der Turbine 3a austretende Arbeitsmittel wird wieder in den Absorber 7 geleitet, um dort erneut in Lösung zu gehen und anschließend komprimiert zu werden. Der Kreisprozess beginnt von Neuem.
Der nicht die Gasturbine 3a durchströmende Teilstrom des aus dem Austreiber 8 ausgetriebenen Arbeitsmittels wird in den Kondensator 4 des Wärmepumpenteils 13 geleitet. Dort wird er unter Abgabe von Wärme 24 (z.B. bei 100°C an ein Wärmnetz) kondensiert, über die Drossel 5 entspannt, im Verdampfer 6 auf unterem Prozessdruckniveau wieder verdampft (z.B. bei 30°C) und schließlich wieder dem Absorber 7 zugeführt. Die Wärme für den Verdampfungsprozess im Verdampfer 6 stammt aus der Abwärme des Gaskondensators 27 (vgl. 2).
2 zeigt beispielhaft für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage die Ausführung einer Vorrichtung zur Kondensation bzw. Wäsche des Heißgases. Die reine Gaskondensation wird gewählt, wenn allein durch die Unterkühlung und Wärmeabgabe des Heißgases an den Verdampfer eine ausreichende kondensationsbedingte Auswaschung von Schadstoffen aus dem Heißgas erfolgt. In diesem Fall wird das Heißgas 31 in einen entsprechenden Reaktor 33 geleitet, in dem es mit Hilfe eines Wärmetauschers 34 auf ein möglichst geringes Temperaturniveau (z.B. 40°C) abgekühlt wird. Infolge der Abkühlung kondensieren einige Bestandteile – z.B. Wasser – aus dem Heißgas aus und waschen im Heißgas ggf. enthaltene Stäube und andere Schadstoffe teilweise aus. Das dabei anfallende, ggf. staubbeladene Kondensat wird über die Entnahmestelle 36 aus dem Reaktor 33 abgeführt und vor seiner Entsorgung ggf. weiter aufbereitet (z. B. neutralisiert). Nach dem Durchströmen eines Tropfen- und Aerosolabscheiders verlässt das gereinigte Heißgas 32 schließlich gekühlt und teilweise getrocknet den Reaktor 33. Ist die Reinigungswirkung der Heißgaskondensation – z.B. aufgrund zu geringer Kondensatmengen – nicht ausreichend, wird die Gaskondensation durch eine Gaswäsche unterstützt. Hierbei wird grundsätzlich von einem sehr ähnlichen anlagentechnischen Aufbau ausgegangen, nur wird das Heißgas 31 hier durch die Eindüsung von gekühltem Kondensat in den Reaktor 33 abgekühlt, um damit den Stoff- und Wärmeaustausch im Heißgas zu intensivieren. Das Kondensat wird zu diesem Zweck vor seiner Auskopplung aus dem Prozess aufgefangen, ggf. gefiltert, über mindestens einen Wärmetauscher 35 abgekühlt und über ein Pumpen- und Düsensystem 37 zurück in den Heißgasstrom eingesprüht. Je nach realisierbarem Kondensataufkommen und gewünschter Reinigungswirkung kann es zusätzlich notwendig sein, dem Wäscherprozess weitere Waschsubstanzen 38 zuzuführen und/oder das Heißgas 31 vor seinem Eintritt in den Reaktor 33 zusätzlich vorzureinigen (z. B. mit einem Filter 39).
3 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfahrens, bei der der Wärmepumpenteil 13 in Reihe zum Mehrstoffverdichter 1 und zum Kraftteil 11 geschaltet ist. In diesem Beispiel wird als Expansionsmaschine ein Schraubenmotor 3b eingesetzt, der für die in diesem Fall vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnisse des Arbeitsmittels ggf. besser geeignet ist als eine Gasturbine. Der aus dem Schraubenmotor 3b austretende Arbeitsmittelstrom wird in den Kondensator 4 geleitet, wo er unter Abgabe von Wärmeenergie 24 bei bspw. 100°C an ein Wärmenetz kondensiert. Dieser kondensierte Teilstrom wird im vorliegenden Beispiel im Verhältnis von 60:40 aufgespalten, wobei der größere Anteil auf diesem Zwischendruckniveau direkt dem Mehrstoffverdichter 1 und im Wesentlichen ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung zugeführt wird. Mit Ausnahme dieser Besonderheit funktioniert der Mehrstoffverdichter 1 aber in gleicher Weise, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Ausgestaltung der 1 erläutert wurde. Der verbleibende Anteil von hier beispielhaft angenommenenen 40% des kondensierten Arbeitsmittels wird über die Drossel 5 weiter entspannt und dem Verdampfer 6 zugeführt. Der Verdampfer 6 nimmt die Abwärme aus der Gaskondensation in gleicher Weise wie bei der Ausge staltung der 1 und 2 auf. Das im Verdampfer verdampfte Arbeitsmittel wird schließlich dem Absorber 7 zugeführt und von dort wieder auf das obere Prozessdruckniveau komprimiert. Das obere Druckniveau kann hierbei grundsätzlich höher gewählt werden als bei der Parallelschaltung (1), da der durch die (z.B. durch die Temperaturverhältnisse in externen Wärmenetzen vorgegebene) Kondensationstemperatur festgelegte Druck im Kondensator 4 des Wärmepumpenteils 13 bei der Parallelschaltung gleich dem oberen Prozessdruck, bei der Reihenschaltung aber nur gleich einem Zwischendruck ist. Bei der Reihenschaltung kann sich der obere Prozessdruck somit allein an den Bedürfnissen der Expansion orientieren. Als eine optionale Ausgestaltung der Reihenschaltung ist in 3 eine Bypass-Leitung 22 angedeutet, über die eine Entkopplung von Kraftteil 11 und Wärmepumpenteil 13 bewirkt wird und dadurch ein Betrieb der Anlage auch ausschließlich zur Wärme- bzw. Kälteerzeugung möglich ist. In diesem Fall ist der obere Prozessdruck wieder gleich dem Kondensatordruck.
4 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfahrens, bei der der Wärmepumpenteil 13 in Reihe zum Mehrstoffverdichter und einer ersten Stufe des Kraftteils 11 und parallel zu einer zweiten Stufe des Kraftteils 11 geschaltet ist. Im Prinzip handelt es sich hierbei um eine Anlagenausführung in Reihenschaltung (vgl. 3), bei der ein Teilstrom des Arbeitsmittelstroms noch vor dem Kondensator des Wärmepumpenteils 13 entnommen, in einem Zwischenüberhitzer 2b aufgeheizt und in einer separaten Expansionsmachine (z. B. einer Gasturbine 3a) auf den unteren Prozessdruck entspannt wird. Der verbleibende Teilstrom des Arbeitsmittels durchströmt den Wärmepumpenteil 13 auf übliche Weise. Mit Ausnahme dieser Besonderheit gelten für das vorliegende Ausführungsbeispiel sämtliche zu Parallel- (1) und Reihenschaltung (3) sowie zur Gasreinigung (2) genannten Anlagenfunktionen.
Bei allen drei in den 1, 3 und 4 (jeweils in Verbindung mit 2) dargestellten Anlagen bzw. Verfahrensgestaltungen lassen sich zusätzliche Maßnahmen z.B. zur Effizienzsteigerung oder Funktionserweiterung vorsehen. Diese werden in den folgenden Beispielen (5 bis 7) anhand erweiterter Ausgestaltungen der 1 erläutert werden, sie sind selbstverständlich jedoch auch auf die Ausgestaltungen der 3 und 4 übertragbar.
5 zeigt ein derartiges Beispiel, bei dem in den Kraftteil 11 ein Rekuperator 14 integriert wird, der die Effizienz des Gasturbinenprozesses durch interne Wärmerückgewinnung steigert. Das aus dem Austreiber 8 austretende Arbeitsmittel wird hierbei durch den Rekuperator 14 geleitet, in dem es von dem heißen, aus der Turbine 3a austretenden Arbeitsmittel im Gegenstrom vorgeheizt wird, um schließlich im Überhitzer 2 weiter aufgeheizt zu werden. Das aus der Turbine 3a austretende Arbeitsmittel wird im Rekuperator 14 infolge des Wärmeaustauschs vorgekühlt und gelangt dadurch gekühlt in den Absorber 7. Eine weitere praxisrelevante, in 5 beispielhaft aufgezeigte Anlagenoption besteht darin, dass neben den für das Verfahren unbedingt notwendigen Stellen der Wärmeauskopplung aus dem Heißgas 31 (Überhitzer 2, Austreiber 8, Gaskondensator/-Wäscher 27) weitere direkte Wärmeentnahmestellen in den Heißgaskanal installiert werden können. Sinnvoll erscheint z. B. eine Entnahme von Wärme 20 aus dem Heißgas 31, unmittelbar nachdem es den Wärmeaustausch mit dem Austreiber 8 beendet hat (z.B. zur Wärmeauskopplung in ein Wärmenetz bei 90°C). An dieser Stelle des Heißgaskanals sind die Temperaturen für einen direkten Wärmeaustausch noch hoch genug. Auch ein Wärmetauscher 21 z.B. zur Vorwärmung der Verbrennungsluft einer dem Prozess vorgeschalteten Biomasseverbrennungsanlage bietet sich z.B. an dieser Stelle an. Beide Wärmeauskopplungen reduzieren die Heißgastemperatur weiter, senken damit die im Gaskondenstor bzw. -Wäscher 27 notwendige Kühlung durch das Arbeitsmittel und erhöhen damit die Gesamteffizienz des Verfahrens.
In einer weiteren möglichen Anlagenausgestaltung, wie sie in der 6 beispielhaft dargestellt ist, wird die optionale Bereitstellung von Kühlleistung für externe Vebraucher ermöglicht, d. h. der Verdampfer 6 wird durch Umschaltung zumindest teilweise vom Gaskondensator 27 getrennt und insbesondere mit Abwärme 28 aus einem Kältenetz gespeist. Im Regelfall benötigt der Verbraucher hierbei allerdings niedrigere Verdampfertemperaturen (z.B. etwa 5°C), als sie zur Heißgaskondensation bei „Normalbetrieb" der Anlage notwendig sind (vgl. 1, 3, 4 und 5). Die zu diesem Zweck notwendige Reduktion der Verdampfertemperatur lässt sich mit dem vorliegenden Verfahren grundsätzlich durch angepasste (herabgesetzte) Druck- und Temperaturniveaus im Absorber 7 realisieren. Um die Funktionsfähigkeit der Anlage aber auch bei dieser veränderten Betriebsweise zu gewährleisten, kann es erforderlich sein, das Mischungsverhältnis des Stoffgemischs im Mehrstoffverdichter zu verändern. Zu diesem Zweck zeigt 6 eine beispielhafte Einrichtung zur vorübergehenden Veränderung des Mischungsverhältnisses im Mehrstoffverdichter. Selbstverständlich sind auch andere Einrichtungen für diesen Zweck möglich. Ausgehend von der Anlagenkonzeption nach 1 wurde hier ein Fluidspeicher 26 vorgesehen, über den zwischen dem Kondensator 4 und dem Verdampfer 6 kondensiertes Arbeitsmittel dem Kreislauf entzogen und zwischen dem Verdampfer 6 und dem Absorber 7 wieder zugeführt werden kann. Durch Stellelemente lässt sich der Zufluss zum oder vom Fluidspeicher 26 öffnen oder schließen. Durch den Behälter 26, in dem das Arbeitsmittel zwischengespeichert werden kann, kann das Konzentrationsverhältnis des im Mehrstoffverdichter 1 umlaufenden Stoffgemisches verändert und damit die sich im Betrieb einstellenden Druck- und Temperaturverhältnisse insbesondere am Verdampfer 6 umfangreicher verändert werden, als es ohne diese zusätzliche Einrichtung möglich wäre. In analoger Weise ließe sich zur Beeinflussung der Konzentrationsverhältnisse im Stoffgemisch auch die arbeitsmittelan- oder arbeitsmittelabgereicherte Lösung im Mehrstoffverdichter 1 zwischenspeichern. Die Abwärme 25 des Gaskondensators 27 kann im Fall der Kältebereitstellung grundsätzlich ebenfalls in den Verdampfer 6 des Wärmepumpenteils eingespeist werden. Sollte im Fall der Kältebereitstellung allerdings gleichzeitig kein ausreichender Wärmebedarf auf dem Temperaturniveau des Kondensators 4 bestehen, wäre die vorübergehende Abgabe der Abwärme 25 des Gaskonden sators 27 an einen Kühlturm vorzuziehen. Gleiches gilt für die Abwärmeströme von Absorber 23 und Kondensator 24, auch sie können im Fall mangelnder Wärmenachfrage über einen Notkühler an die Umgebung abgegeben werden.
Abschließend zeigt 7 beispielhaft die Kombination einer Anlage nach 1 mit einer Feuerungseinrichtung 16 für feste Biomasse einschließlich Rauchgaskanal 17 und Abgaskamin 18, die das den Prozess antreibende Heißgas in Form von heißem Rauchgas liefert. Die Wärmekopplung zwischen dem Rauchgas und dem Überhitzer 2 und dem Austreiber 8 der in 1 beschriebenen Anlage ist hierbei nur schematisch angedeutet. Der Wärmepumpenteil 13, dessen Verdampfer 6 seine Energie aus dem Gaskondensator 27 bezieht, ist in dieser Abbildung ebenfalls nur angedeutet. Beispielhaft könnte eine solche Anlage als kompakte Containeranlage ausgeführt werden, in die an einer Stelle der biogene Brennstoff eingetragen wird und in der an anderer Stelle Normanschlüsse für die mit diesem Verfahren bereitgestellten Endenergien Kraft/ elektrischer Strom, Wärme und/oder Kälte bestehen.

1: Mehrstoffverdichter
2: Überhitzer
2b: Zischenüberhitzer
3a: Gasturbine
3b: Schraubenmotor
4: Kondensator
5: Drossel
6: Verdampfer
7: Absorber
8: Austreiber
9: Pumpe
10: Drossel
11: Kraftteil
12: Kondensatrückführung auf Zwischendruckniveau
13: Wärmepumpenteil
14: Rekuperator
15: Generator
16: Biomassefeuerung
17: Rauchgaskanal
18: Abgaskamin
19: Wärmetauscher
20: Wärmetauscher zur direkten Wärmeauskopplung
: aus dem Heißgas an externe Verbraucher
21: Wärmetauscher zur Vorheizung der
: Verbrennungsluft einer dem Prozess
: vorgeschalteten Biomassefeuerungsanlage
22: Bypassleitung
23: Wärmeabgabe aus dem Absorber
24: Wärmeabgabe aus dem Kondensator
25: Wärmeabgabe aus dem Gaskondensator
26: Fluidspeicher
27: Gaskondensator ggf. mit Gaswäscher
28: Wärmeaufnahme
31: Heißgasstrom (ungereinigt)
32: Heißgasstrom (gereinigt)
33: Reaktor
34: Wärmetauscher zur Heißgaskühlung
35: Wärmeabgabe zur Kondensatkühlung
36: Kondensatabzug bzw. Waschsubstanzabzug
37: Kondensat- bzw. Waschsubstanzrückführung
: inkl. Pumpe und Zerstäuber
38: Waschsubstanz zur Heißgaswäsche
39: trockene Gasreinigungsstufe

Claims

Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen, bei dem die im Heißgas (31) enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel in einem thermischen Mehrstoffverdichter (1) verdichtet wird und im Anschluss daran vollständig oder teilweise einen Kraftteil (11) durchströmt, in dem es in zumindest einem Überhitzer (2) unter Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas (31) überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine (3a, 3b) zur Krafterzeugung entspannt wird, wobei die Verdichtung des Arbeitsmittels im thermischen Mehrstoffverdichter (1) derart erfolgt, dass das Arbeitsmittel bei einem unterem Prozessdruck in einem Absorber (7) unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem Arbeitsmittel angereicherte Lösung mechanisch auf einen oberen Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in einem Austreiber (8) aus der arbeitsmittelangereicherten Lösung unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas (31) ausgetrieben und die dadurch arbeitsmittelabgereicherte Lösung über zumindest eine Drossel (10) wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und in den Absorber (7) zurückgeleitet wird, und wobei das Arbeitsmittel parallel und/oder in Reihe zum Mehrstoffverdichter (1) und zum Kraftteil (11) in einen in den geschlossenen Kreislauf integrierten Wärmepumpenteil (13) geleitet wird, innerhalb dessen das Arbeitsmittel in einem Kondensator (4) unter Wärmeabgabe kondensiert wird, mittels einer Drossel (5) entspannt wird und mindestens einen Verdampfer (6) durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (6) neben der optionalen Aufnahme externer Abwärmeströme die Abwärmeströme eines prozessintegrierten Gaskondensators (27) aufnimmt, in dem durch Gaskühlung und Kondensation einzelne im Heißgas (31) enthaltene Schadstoffe ausgewaschen und mit einem dabei anfallendenen Kondensat aus dem Prozess ausgeschleust werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das durch Abkühlung des Heißgases (31) anfallende Kondensat vor seiner Ausschleusung aus dem Prozess aufgefangen, ggf. gefiltert, gekühlt und – ggf. unter Zugabe von weiteren Waschsubstanzen – in den Heißgasstrom (31) eingedüst wird, um dort den Stoff- und Wärmeaustausch zu intensivieren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas (31) vor Eintritt in den Gaskondensator (27) einer trockenen Gasreinigung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mit der Expansionsmaschine (3a, 3b) ein Generator (15) zur Erzeugung von elektrischem Strom angetrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperaturwechsler (19) im Mehrstoffverdichter (1) eingesetzt wird, in dem die arbeitsmittelabgereicherte und die arbeitsmittelangereicherte Lösung miteinander Wärme austauschen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reihenschaltung von Mehrstoffverdichter (1), Kraftteil (11) und Wärmepumpenteil (13) das Arbeitsmittel zwischen Kondensator (4) und Drossel (5) des Wärmepumpenteils (13) vollständig oder teilweise entnommen und der arbeitsmittelangereicherten Lösung im Mehrstoffverdichter (1) zwischen Absorber (7) und Austreiber (8) auf einem Zwischendruckniveau beigemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reihenschaltung von Mehrstoffverdichter (1), Kraftteil (11) und Wärmepumpenteil (13) das Arbeitsmittel vor dem Kondensator (4) des Wärmepumpenteils (13) vollständig oder teilweise entnommen, durch Wärmeaustausch mit dem Heißgas (31) in mindestens einem Zwischenüberhitzer überhitzt und anschließend in mindestens einer Expansionsmaschine (3a, 3b) entspannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reihenschaltung von Mehrstoffverdichter (1), Kraftteil (11) und Wärmepumpenteil (13) das Arbeitsmittel nach Austritt aus dem Austreiber (8) vollständig oder teilweise entnommen und über einen Bypass (22) zum Kondensator (4) des Wärmepumpenteils (13) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb des Wärmepumpenteils (13) in Reihe zum Mehrstoffverdichter (1) und zum Kraftteil (11) ein Schraubenmotor (3b) als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb des Wärmepumpenteils (13) in Reihe zum Mehrstoffverdichter (1) und zum Kraftteil (11) ein Dampfmotor als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb des Wärmepumpenteils (13) parallel zum Mehrstoffverdichter (1) und zum Kraftteil (11) eine Gasturbine (3a) als Expansionsmaschine (3a, 3b) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel vor dem Eintritt in den ersten Überhitzer (2) nach dem Austreiber (8) durch Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmittel vorgewärmt wird, das aus der letzten Expansionsmaschine (3a, 3b) vor dem Absorber (7) austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle der mindestens einen Expansionsmaschine (3a, 3b) mindestens zwei Expansionsmaschinen mit etwa gleichem summarischen Druckgefälle eingesetzt werden, zwischen denen das Arbeitsmittel im Wärmeaustausch mit dem Heißgas (31) jeweils zwischenüberhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Mehrstoffverdichter (1) eine Mischung aus Wasser als Arbeitsmittel und Lithiumbromid als Sorptionsmittel zur Bildung der Lösung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Mehrstoffverdichter (1) eine Mischung aus Wasser als Arbeitsmittel und Lithiumchlorid als Sorptionsmittel zur Bildung der Lösung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Mehrstoffverdichter (1) eine Mischung aus Ammoniak als Arbeitsmittel und Wasser als Sorptionsmittel zur Bildung der Lösung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Mehrstoffverdichter (1) eine Mischung aus Wasser als Arbeitsmittel und eine Mischung aus Lithiumbromid und Zinkbromid als Sorptionsmittel zur Bildung der Lösung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Antrieb des Kreisprozesses eingesetzte Heißgas (31) das Rauchgas einer Festbrennstofffeuerung (16), insbesondere für feste Biomasse, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Antrieb des Kreisprozesses eingesetzte Heißgas (31) das Produktgas aus einer Festbrennstoffvergasung, insbesondere für feste Biomasse, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Antrieb des Kreisprozesses eingesetzte Heißgas (31) das Rauchgas aus einer Festbrennstoffvergasung, insbesondere für feste Biomasse, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Wärmetauscher (20, 21) zwischen Überhitzer (2), Zwischenüberhitzer (2b), Austreiber (8) und/oder Gaskondensator (27) für den direkten Wärmeaustausch zwischen Heißgas (31) und externen Verbrauchern angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erweiterung des Arbeitsbereichs des Mehrstoffverdichters (1) die Mengenverhältnisse eines die Lösung bildenden Mehrstoffgemisches durch Zwischenspeicherung von einer oder mehrerer Komponenten dieses Mehrstoffgemisches während des Betriebs verändert werden können.
Anlage zur gekoppelten Kraft-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung, insbesondere nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 22, mit einem thermischen Mehrstoffverdichter (1) für ein Arbeitsmittel, einem Kraftteil (11) aus mindestens einem Überhitzer (2) für das Arbeitsmittel und zumindest einer Expansionsmaschine (3a, 3b), die durch das erhitzte und verdichtete Arbeitsmittel unter Entspannung des Arbeitsmittels Arbeit verrichtet, in einem geschlossenen Kreislauf, wobei parallel und/oder in Reihe zum Mehrstoffverdichter (1) und zum Kraftteil (11) ein Wärmepumpenteil (13) bestehend aus einem Kondensator (4), einer Drossel (5) und mindestens einem Verdampfer (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (6) mit einem Gaskondensator (27) in Verbindung steht, um Abwärme aus dem Gaskondensator (27) aufnehmen zu können.
Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anlage zusammen mit einer Festbrennstofffeuerung (16) und einem Generator (15) in einem Container angeordnet ist, der über Anschlüsse zur Aufnahme von Brennstoff und Hilfsenergien sowie zur Abgabe von elektrischem Strom, Wärme und Kälte sowie dabei anfallender Abfallströme von Asche und Kondensat verfügt, ebenso wie über einen Gaskamin (18) und einen Notkühler auf einem Dach des Containers zur Abfuhr überschüssiger Wärme.
Anlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anlage zusammen mit einem Generator (15) in einem Container angeordnet ist, der über Anschlüsse zur Aufnahme von schadstoffbeladenem Heißgas (31) und Hilfsenergien sowie zur Abgabe von elektrischem Strom, Wärme und Kälte sowie dabei anfallender Abfallströme von Asche und Kondensat verfügt, ebenso wie über einen Gasaustritt und einen Notkühler auf einem Dach des Containers zur Abfuhr überschüssiger Wärme.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zur Veränderung des Mischungsverhältnisses von Arbeitsmittel und Sorptionsmittel im Mehrstoffverdichter (1) ein Arbeitsmittelspeicher zwischen Kondensator (4) und Drossel (5) des Wärmepumpenteils vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zur Veränderung des Mischungsverhältnisses von Arbeitsmittel und Sorptionsmittel des Mehrstoffverdichters (1) ein Fluidspeicher (26) für eine arbeitsmittelangereicherte oder arbeitsmittelabgereicherte Lösung im Mehrstoffverdichter (1) vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskondensator (27) als Gaswäscher ausgebildet ist.