DE2749985A1

DE2749985A1 - Verfahren und einrichtung zur waermeversorgung von in geschlossenem raum verlaufenden technologischen vorgaengen

Info

Publication number: DE2749985A1
Application number: DE19772749985
Authority: DE
Inventors: Janos Dipl Ing Dr Fueloep; Tamas Dipl Ing Dr Jaszay; Robert Dipl Phys Dr Toeroes; Tade Dipl Phys Dr Vadja; Lajos Dipl Ing Dr Varga; Geb Varga Eniko Dipl Vasanits
Original assignee: Magyar Tudomanyos Akademia
Current assignee: Magyar Tudomanyos Akademia
Priority date: 1976-11-09
Filing date: 1977-11-08
Publication date: 1978-05-24
Also published as: CH631518A5; FR2370249B1; HU174031B; FR2370249A1

Description

DIPL. INC. HEINZ BARÜEHLE PATENTANWALT

München, P.November 1977

Aktenzeichen:

Mein Zeichen: P 2 588

Anmelder: Magyar Tudomanyos Akademia Müszaki Kemiai Kutatb Intfezete

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"Verfahren und Einrichtung zur Wärmeversorgung von in geschlossenem Raum verlaufenden _Lechnqljq^i sehen Vorgä

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VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR WÄRMEVERSORGUNG VON IN GESCHLOSSENEM RAUM VERLAUFENDEN TECHNOLOGISCHEN VORGÄNGEN

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmeversorgung von in geschlossenem Raum verlaufenden technologischen Vorgängen, sowie auf eine Einrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens.

Wie bekannt, wird elektrische Energie in mit Kondensation arbeitenden zeitgemäßen Kraftwerken bei einem spezifischen Wärmeverbrauch von 2400 bis 3000 kcal/kWh erzeugt. Der spezifische Wärmeverbrauch von mit Gegen-

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druck arbeitenden Wasserdampfwerken liegt etwa bei 1200 kcal/kWh. Es muß jedoch bei beiden Arten der Energieerzeugung noch immer mit einem beträchtlichen Verlust gerechnet werden, der durch die bei verhältnismäßig hoher Temperatur entweichende Abwärme hervorgerufen wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer weiteren Verringerung des zur Energieerzeugung erforderlichen spezifischen Wärmeverbrauchs und insbesondere in der Nutzbarmachung der Abwärme bei gutem Wirkungsgrad. Ge maß dem Grundgedanken der Erfindung werden die Luft und das Rauchgas, welche bis jetzt bei den üblichen Technologien nur zur Wärmeerzeugung und Wärmelieferung (Heizung) verwendet worden sind, auch als Arbeitsmittel von thermodynamischen Vorgängen verwendet. Die mechanische Energie wird dann in elektrische Energie umgewandelt, die bereits in breitem Kreise verbraucht werden kann. Die Abwärme wird derart nutzbar gemacht, daß sie entweder zum Befriedigen des Wärmebedarfes bei in geschlossenem Raum verlaufenden technologischen Vorgängen verwendet, oder

nach erfolgter Wärmeversorgung de9 technologischen Vorganges zur Energieerzeugung verwertet wird« Demgemäß können zwei verschiedene Arten derselben erfinderischen Idee zur Lösung derselben Aufgabe unterschieden werden. Das Wesen der einen Art besteht darin, daß dem geschlosse- ηem Raum, in welchem sich der technologische Vorgang

abspielt. Brennstoff zugeführt und dieser erfindungsgemäß mit einem Rauchgas verbrannt wird, das einen Luftüberschuß enthält. Gemäß der anderen Art wird anstatt Rauchgas mit L_uftüberschuß vielmehr komprimierte Luft

zum Verbrennen des in den geschlossenen Raum eingeführten Brennstoffes verwendet, wobei die neu entstehenden Rauchgase, die dem geschlossenen Raum entweichen, unter

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Energielieferung expandiert werden. Berechnungen beweisen, daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens rund 1000 kcal/kWh an spezifischem Wärmeverbrauch erreicht werden kann. Dieser Wert beträgt praktisch lediglich ein Drittel des Wärmeverbrauches guter Kondensationskraftwerke, was einerseits dem erhöhten Verbrennungswirkungsgrad, anderseits dem verringerten Selbstverbrauch, vor allem aber dem Umstand zuzuschreiben ist, daß der Wärmeträger auch als Arbeitsmittel zur Anwendung gelangt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann mit einer Einrichtung ausgeübt werden, die in an sich bekannter Weise mit einem Ofen und mit einer Innenverbrennungskraftmaschine ausgerüstet ist. Erfindungsgemäß wird nun der Brennlufteinlaß des Ofens mit dem Auspuffstutzen der Innenverbrennungskraf tmaschine verbunden. Bei der vorerwähnten zweiten Art des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig eine Einrichtung verwendet, die ebenfalls einen Ofen und eine Innenverbrennungskraftmaschine aufweist, bei welcher jedoch der Ofen zwischen der Gasturbine und ihrem Kompressor liegt. Beide Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung haben den Vorteil eines äußerst einfachen Aufbaues, wobei sie gleichzeitig gestatten, das erfindungsgemäße Verfahren bei gutem Wirkungsgrad auszuführen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 bis 6 sechs verschiedene Ausführungsbeispiele der Einrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch darstellen.

Gleiche Bezugszeichen weisen in der Zeichnung auf ähnliche Einzelheiten hin.

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In der Zeichnung ist mit 10 eine Gasturbine bezeichnet, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht. Weitere Einheiten der Gasturbine 10 bestehen aus einem Kompressor 12 und einem Brennraum 14. Die Abtriebswelle der Gasturbine 10 ist mit einem elektrischen Generator 16 ver bunden. Der Einlaßstutzen des Kompressors 12 ist mit bezeichnet. Der Auslaßstutzen*20 des Kompressors 12 ist «/her eine Leitung 22 mit dem Brennraum 14 verbunden, der einerseits über eine Leitung 24 an einen nicht darge stellten Brennstoffvorrat, und Ober eine Leitung 26 an den Einlaßstutzen 10a der Gasturbine 10 angeschlossen ist.

Der Auslaßstutzen 10b der Gasturbine 10 ist über eine Leitung 28 an den Einlaßstutzen 32 für Verbrennungs luft eines Ofens 30 angeschlossen, der einen geschlossenen Raum im Sinne der Erfindung bildet. Oer Einlaßstutzen für Brennstoff des Ofens 30 ist mit 34 bezeichnet. Der Brennstoff wird über eine Leitung 36 zugeführt.

Die im Ofen 30 entstandenen Verbrennungs- und

Reaktionsprodukte entweichen über einen Auslaßstutzen 38 und eine Leitung 40. Stellen, wo das Behandlungsgut in den Ofen 30 eintritt bzw. den Ofen verläßt, sind mit 42 bzw. 44 bezeichnet.

Die dargestellte Ausführungsform gemäß Fig. 1 der

erfindungsgemäßen Einrichtung arbeitet wie folgt:

Die über den Einlaßstutzen 18 dem Kompressor 12 zuströmende Luft (gestrichelter Pfeil A) gelangt nach Verdichten über die Leitung 22 in den Brennraum 14. Hier wird die komprimierte Luft mit dem über die Leitung 24 zufließenden Brennstoff (dicker Pfeil B) verbrannt, wodurch ein Rauchgas mit Luftüberschuß (dünner Pfeil C) entsteht, das in der Gasturbine 10 expandiert. Die

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Gasturbine 10 ist nämlich derart bemessen, daß nach dem sich in ihr abspielenden Zyklus der Sauerstoffgehalt der entweichenden Rauchgase hinreicht, den Sauerstoffbedarf der Verbrennung im Ofen 30 bei Berücksichtigung des in der Regel erforderlichen Luftüberschusses zu decken. Im Brennraum 14 wird dagegen so viel Brennstoff verbrannt, daß die Temperatur des entstehenden Rauchgases der für die Gasturbine 10 zulässigen höchsten Expansionstemperatur entsprich. Es soll auch durch geeignete Wahl des Brennstoffes verhindert werden, daß die Verbrennungsprodukte, die aus dem im Brennraum 14 verbrannten Brennstoff entstehen, keine nachteilige Wirkung auf den technologischen Vorgang im Ofen 30 ausüben .

Somit enthalten die aus der Gasturbine 10 entweichenden Rauchgase noch eine beträchtliche Menge an Sauerstoff. Die für die Gasturbine 10 zulässige Höchsttemperatur ist nämlich etwa 700 bis 800 ⁰C, d.h. wesentlich geringer als die theoretische Verbrennungstemperatür des ohne Luftüberschuß verbrannten Brennstoffes.

Die Expansion der in die Gasturbine 10 bei hohem Druck und hoher Temperatur eintretenden Verbrennungsprodukte liefert die Arbeit des sich in der Gasturbine abspielenden thermodynamischen Zyklus, wobei diese Arbeit in an sich bekannter Weise zum Teil zur Deckung des Energiebedarfes des Kompressors 12 dient, und zum Teil im durch die Gasturbine 10 angetriebenen Generator 16 in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Enddruck der Expansion wird derart eingestellt, daß nach erfolgter Expansion der Druck der aus der Gasturbine 10 entweichenden Verbrennungsprodukte (d.h. der Rauchgase) jenem Druck entspricht, der zum Verbrennen des

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über den Einlaßstutzen 34 des Ofens 30 eintretenden Brennstoffes erforderlich ist. Die Verbrennungsluft besteht aus dem Luftüberschuß der Rauchgase.

Somit vermischen sich die aus der Gasturbine 10 b entweichenden Rauchgase im Ofen 30 mit dem über den Einlaßstutzen 34 zugeführten Brennstoff, wobei die Verbrennung des Gemisches für den Wärmebedarf des im Ofen verlaufenden technologischen Vorganges sorgt. Nachdem die Verbrennungsprodukte im Ofen 30 eine dem Bedarf des technologischen Vorganges entsprechende Wärmemenge ab gegeben haben, entweichen sie über den Auslaßstutzen 38 aus dem Ofen 30 und strömen über die Leitung 40 in den Umgebungsraum aus, wobei sie von den gasförmigen Stoffen begleitet werden, die aus dem im Ofen 30 behan delten Gut austreten.

Die beispielsweise Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheide^ sich von der vorherigen insofern, daß die Wärme der aus dem Ofen 30 über die Austrittsstelle 44 entweichenden Güter (strichpunktierter Pfeil D) zum

Vorwärmen der aus dem Kompressor 12 herausströmenden

komprimierten Luft verwendet wird. Zu diesem Zweck ist zwischen Kompressor 12 und Brennraum 14 ein Regenerator 46 vorgesehen, dessen Primärseite mit der Austrittsstelle 44 des Ofens 30 und dessen Sekundärseite mit der Leitung 22 verbunden ist. Das Behandlungsgut verläßt die Anlage nur nachdem ein Teil seiner bei der Behandlung aufgenommenen Wärme im Regenerator 46 der aus dem Kompressor 12 entweichenden komprimierten Luft übergeben worden ist. Durch das aus dem Ofen 30 entweichenden Gut wird somit die aus dem Kompressor 12 der Gasturbine 10 zuströmende Verbrennungsluft vorgewärmt.

Die beispielsweise Ausführungsform gemäß Fig. 3 bietet eine weitere Möglichkeit zum Ausüben des erfin-

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dungsgemäßen Verfahrens. Hier wird nicht nur die Abwärme der aus dem Ofen 30 entweichenden Behandlungsgüter, sondern auch jene der aus dem Ofen 30 austretenden Rauchgase nutzbar gemacht. Zu diesem Zweck ist in der Leitung 22, die den Kompressor 12 mit dem Brennraum 14 verbindet, ein weiterer Regenerator 48 (ein Rauchgasregenerator) vorgesehen, dessen Primärseite über die Leitung 40 mit dem Auslaßstutzen 38 des Ofens 30 verbunden ist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird der dem geschlossenen Raum zugeführte Brennstoff nicht mit einem Rauchgas mit Luftüberschuß, sondern mit komprimierter Luft verbrannt; wobei die entweichenden Rauchgase unter Energielieferung expandiert werden. Die dargestellte Einrichtung unterscheidet sich von der vorherigen insofern, daß der Brennraum 14 fehlt und die an die Druckseite des Kompressors 12 angeschlossene Leitung 22 unmittelbar mit dem Einlaßstutzen 32 des Ofens 30 verbunden ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß die an den Auslaßstutzen 38 des Ofens 30 angeschlossene Leitung 40 über einen Separator 50 mit dem Einlaßstutzen 10a der Gasturbine 10 verbunden ist. Der Kompressor 12 liefert die Luft zum Einlaßstutzen 32 des Ofens 30. Die zuströmende Luft bildet unter Vermischung mit dem über den Einlaßstutzen 34 zuströmenden Brennstoff ejn Hochdruckrauchgas, das den Energiebedarf des technologischen Vorganges gewährleistet. Infolge des im Ofen 30 herrschenden Oberdruckes muß das Behandlungsgut über eine Schleuse 52 in den Ofen 30 eingeführt, und über eine Schleuse 54 aus demselben entfernt werden.

Nach der technologischen Wärmelieferung wird das über den Auslaßstutzen 38 entweichende Rauchgas dem Separator 50 zugeführt, wo schwebende Feststoffe aus dem

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Rauchgas abscheiden· Das gereinigte Rauchgas gelangt über die Leitung 40 in die Gasturbine 10, wo es expandiert und dadurch einen Teil der zurückgebliebenen Energie des Arbeitsmittels in der bereits beschriebenen Weise nutzbar macht.

Eine derartige Ausübungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat auch den Vorteil« daß der technologische Vorgang im Ofen 30 anstatt des üblichen atmosphärischen Druckes bei einem energietechnologisch optimalen Druck ^vor sich geht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die im Verlauf des technologischen Vorganges frei werdenden Reaktionsprodukte, d.h. Gase und Dämpfe bei hohem Druck entstehen und über die Gasturbine 10 den Umgebungsraum erreichen, so daß ein Teil ihrer Energie ebenfalls nutzbar gemacht werden kann.

Die Fig. 5 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform, die sich von der vorherigen dadurch unterscheidet, daß sie einen Brennraum 14 aufweist, dessen gaszuführender Einlaß mit der Leitung 40 verbunden ist, während der

Lufteinlaß derselben sich an eine Anzapfung (Leitung

56) der Leitung 22 anschließt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann demnach das erfindungemäße Verfahren derart durchgeführt werden, daß die dem Ofen 30 entweichenden Rauchgase vor ihrer Zuführung in die Gasturbine 10 erneut erwärmt werden. Der zum Erwärmen erforderliche Brennstoff wird über die bereits erwähnte Leitung 24 dem Brennraum 14 zugeführt. Läßt es der Sauerstoffgehalt des aus dem Ofen 30 entweichenden Rauchgases zu, so kann eine Luftzuführung über die Leitung 56 wegfallen.

Eine derartige Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß die Temperatur der aus dem Ofen 30 entströmenden Rauchgase, sowie die Tem-

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peratur des in die Gasturbine 10 eintretenden Rauchgases voneinander unabhängig gemacht und somit beide auf technologisch noch erreichbare Höchstwerte eingestellt werden können. Gemäß einem weiteren Vorteil können auch die Durchströmmengen im Ofen 30 bzw. in der Gasturbine 10 voneinander unabhängig gemacht werden. Hierdurch wird in der Wahl der Leistung der Gasturbine 10 eine gewisse Freiheit erlangt, ohne daß an anderen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingebüßt werden müßte.

Schließlich stellt auch einen Vorteil dar, daß die Atmosphäre im Ofen 30 und insbesondere die Sauerstoffkonzentration innerhalb gewisser Grenzen frei gewählt werden können, ohne daß hierdurch Energieverluste eintreten würden.

Schließlich zeigt Fig, 6 eine Anlage, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren bei Nutzbarmachung der Abwärme sowohl der aus dem Ofen entweichenden Behandlungsgüter wie auch der aus der Gasturbine 10 ausströmenden Rauchgase durchgeführt werden kann. Zu diesem Zweck werden die in den vorherigen Ausführungsbeispielen bereits erwähnten Regeneratoren 46 bzw. 48 verwendet, woraus folgt, daß die in Fig. 6 dargestellte Anlage im Wesen eine Kombination der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Einrichtungen bildet. Werden die Regeneratoren 46, 48 bzw. der Brennraum 14 und die Leitung 22 ausschaltbar angeordnet, dann kann die Einrichtung gemäß Fig. 6 jeweils in einer optimalen Schaltung betrieben werden.

Im Obigen ist die Erfindung anhand von Drehtrommelöfen beschrieben worden. Es ist jedoch leicht einzusehen, daß die Erfindung in jeder Technologie verwendet werden kann, wo in einem geschlossenen Raum unter

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Erwärmen technologische Vorgänge vor sich gehen, deren Wärmebedarf durch Rauchgase gedeckt wird. Ein Beispiel hierfür bieten die Fluidisationsöfen.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Wärmeversorgung von in geschlossenem Raum verlaufenden technologischen Vorgängen, wobei ein Rauchgas mit LutfÜberschuß erzeugt und dem geschlossenen Raum Brennstoff zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet , daß zunächst das Rauchgas mit Luftüberschuß unter Energieabgabe expandiert,

dann dem geschlossenen Raum zugeführt, schließlich dort zum Verbrennen des dem geschlossenen Raum ebenfalls zugeführten Brennstoffes verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Rauchgas mit komprimierter Luft erzeugt und

durch die aus dem geschlossenen Raum entweichenden Rauchgase vorerwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der dem geschlossenen Raum zugeführte Brennstoff anstatt des Rauchgases mit Luftüberschuß mit der zum Erzeugen des Rauchgases verwendeten komprimierten Luft verbrannt wird, wobei

die dem geschlossenen Raum entweichenden Rauchgase unter Energielieferung expandiert werden.
4. Einrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit Ofen und Innenverbrennungskraftmachine,

dadurch gekennzeichnet , daß der Brennlufteinlaß (32) des Ofens (30) mit dem Auspuffstutzen (1Ob) der Innenverbrennungskraftmaschine (10) verbunden ist (Fig. 1 bis 3).

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Einrichtung nach Anspruch S' »"it Ofen und Gasturbine als Innenverbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet , daß der Ofen (30) zwischen der Gasturbine (10) und ihrem Kompressor (12) liegt (Fig. 4 bis 6).
6. Einrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß in der Förderleitung (22) des Kompressors (12) der Gasturbine (10) ein Regenerator (46) vorgesehen ist, dessen Primärseite mit dem Gutauslaßstutzen (44) des Ofens (30) verbunden ist (Fig. 3 und 6).
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daiS

in der Förderleitung (13) des Kompressors (12) der Gasturbine (10) ein Rauchgasregenerator (48) vorgesehen ist, dessen Primärseite mit der Leitung für die Abgase (Fig. 3: 40, Fig. 6: 28) verbunden ist.

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