DE3143161C2 - - Google Patents
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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Description
Bei einigen Elektrizitätserzeugungsanlagen und vielen Indu
strieanlagen ist es nötig, Wasser aus einem verfügbaren feuch
ten Gasstrom abzutrennen und das abgetrennte Wasser für seine
Wiederverwendung in der Anlage in Dampf umzuwandeln. Dazu wird
üblicherweise der feuchte Gasstrom durch einen Kondensor
geführt, und das darin gesammelte Wasser wird unter Verwendung
von Wärme verdampft, die an einer anderen Stelle des Systems
anfällt und die üblicherweise Abwärme hoher Qualität ist. In
solchen Systemen wird daher Wärme niedriger Qualität aus der
Kondensation des Wassers auf Kosten von Wärme hoher Qualität,
die zur Überführung des Wassers in Dampf verbraucht wird,
erzeugt. In Systemen, in denen die Abwärme hoher Qualität für
andere Anwendungen nötig ist, ergibt sich aus diesem Verlust
der Abwärme hoher Qualität zur Erzeugung von Dampf niedriger
Qualität eine unwirtschaftliche Ausnützung der thermischen
Energie. Beispielsweise wird bei einer Verbundgeneratoranlage,
bei der eine Brennstoffzelle die Hauptenergiequelle darstellt,
Abwärme hoher Qualität aus der Brennstoffzelle in der Ver
bundgeneratoranlage für andere Erhitzungsvorgänge oder zur
Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie durch Antrieb
eines elektrischen Generators benötigt. Auch das Brennstoff
zellensystem kann Dampf benötigen, beispielsweise für die
Verwendung in einem Dampfreformierungsreaktor, in dem Kohlen
wasserstoffe in Wasserstoff, der in den Brennstoffzellen
gebraucht wird, überführt werden. Unter Druck arbeitende
Brennstoffzellenanlagen, wie sie beispielsweise in den US-
PS 39 82 962, 40 01 041 und 40 04 947 beschrieben sind,
nützen für den Dampfreformierungsreaktor das Wasser, das durch
Kondensation aus den Abgasströmen der Brennstoffzelle, die
Quellen für Wärme hoher Qualität darstellen, erhalten wird.
Das Wasser wird in Dampf überführt, indem es in einem geson
derten Boiler unter Verwendung dieser Abwärme hoher Qualität
oder im Wärmeaustausch mit anderen Quellen von Wärme hoher
Qualität verdampft wird. Das Ergebnis ist in diesen Fällen
Wärme einer weniger hohen Qualität und eine Verminderung der
für eine Verbundgeneratoranlage nutzbaren Wärme, woraus sich
ein System mit insgesamt geringerem Nutzeffekt ergibt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Betreiben einer Energieerzeugungsanlage mit einer primären
Stromerzeugungseinrichtung und einer Verbundgeneratoreinrich
tung so zu verbessern, daß eine bessere Energieausnützung
erhalten wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff von
Patentanspruch 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
wiedergegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden durch die Unteransprüche wiedergegeben.
Der feuchte Gasstrom ist eine
Quelle für Wärme hoher Qualität. Seine Temperatur wird bis
auf kurz über den Taupunkt des Stroms abgesenkt, wobei ein
Teil der Wärme hoher Qualität ausgenutzt wird, beispielswei
se für eine Verbundgeneratoranlage, die Wärme
hoher Qualität braucht. Der feuchte Gasstrom verringerter
Temperatur wird dann durch eine Kombination aus Kondensor/
Boiler hindurchgeführt, wo die Temperatur des Gasstroms
auf eine Temperatur unterhalb des Taupunkts gebracht wird,
die so niedrig liegt, daß die gewünschte Menge Wasser aus
dem Strom auskondensiert. Der Druck des Gasstroms bleibt
während dieser Stufe im wesentlichen der gleiche. Das aus
kondensierte Wasser wird dann vom Gasstrom abgetrennt und
bis zu einem Punkt abgekühlt, bei dem der Verdampfungs
wärmebedarf des kondensierten Wassers so groß ist wie oder
kleiner ist als die Kondensationswärme der Kondensations
stufe plus der fühlbaren Wärme, die vom feuchten Gasstrom
während der Kondensation abgegeben wird. Der Druck wird
dann so verringert, daß die Siedetemperatur der Flüssig
keit niedriger liegt als die Temperatur, auf welche der
feuchte Gasstrom während der Kondensationsstufe abgekühlt
worden ist. Das abgetrennte Wasser verringerter Tem
peratur und verringerten Drucks wird wieder in den Konden
sor/Boiler eingeführt und verdampft, wobei die Kondensa
tionswärme und die fühlbare Wärme aus dem feuchten Gas
strom, die während der Kondensationsstufe abgegeben werden,
verwendet wird. Durch dieses Verfahren wird Wasser
aus einem Gasstrom kondensiert und in Dampf überführt, ohne
daß Wärme hoher Qualität im Kondensations/Verdampfungs-
Prozeß aufgewendet werden muß. Somit kann also Wärme hoher
Qualität für andere Anwendungen genutzt werden, wo sie ge
braucht wird.
In einer unter Druck arbeitenden Brennstoffzellenanlage
mit Verbunderzeugung ist der Abstrom aus der Brennstoff
zelle ein feuchter, heißer, unter Druck stehender Gasstrom,
der Abwärme hoher Qualität enthält. Angenommen, die Elek
trizitätserzeugungsanlage umfaßt einen Dampfreformierungs
reaktor für die Wasserstofferzeugung, dann ist es erwünscht,
das Wasser im feuchten Abgasstrom für die Dampfreformierung
zu verwenden. Für einen hohen Gesamtnutzeffekt (d. h. ther
mischen und elektrischen) ist es auch erwünscht, die Menge
an Wärme hoher Qualität, die direkt für die Verbundgeneratoreinheit
verfügbar ist, möglichst groß zu machen. Gemäß der Er
findung wird die Temperatur des feuchten Gasstroms zunächst
auf kurz über seine Sättigungstemperatur oder über den
Taupunkt verringert, indem die Wärme hoher Qualität für eine
Anwendung in der Verbunderzeugung abgezogen wird. Die ge
wünschte Menge Wasser wird dann bei im wesentlichen kon
stantem Druck im Kondensorteil einer Kombination aus Kon
densor und Boiler auskondensiert, indem die Temperatur des
feuchten Gasstroms auf eine geeignet niedrige Temperatur
gebracht wird. Das auskondensierte Wasser wird vom Gas
strom abgetrennt und weiter bis zu einem Punkt abgekühlt,
bei dem der Verdampfungswärmebedarf genausogroß ist wie
oder etwas kleiner ist als die Kondensationswärme aus der
Kondensationsstufe und die fühlbare Wärme, die durch den
feuchten Gasstrom während der Kondensationsstufe abgege
ben wird. Der Druck dieses Wassers niedrigerer Temperatur
wird dann so verringert, daß sein Siedepunkt niedriger
liegt als die Temperatur des Gasstroms kurz nach Beendi
gung der Kondensation. Diese Flüssigkeit niedrigen Drucks
und niedriger Temperatur wird dann in den Boilerteil der
Kondensor/Boiler-Kombination eingeführt, worauf sie ver
dampft wird und sogar überhitzt werden kann, wobei nur
Wärme verwendet wird, die durch den feuchten Gasstrom wäh
rend der Kondensation abgegeben wird, wobei es sich um
die Wärme der Kondensation plus die fühlbare Wärme aus dem
feuchten Gasstrom handelt. Der Dampf niedrigen Drucks wird
dann durch Komprimieren auf den Druck gebracht, der im
Dampfreformierungsreaktor nötig ist, und dann darin ver
wendet.
Die Erfindung wird in der Folge anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems für
die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzel
lenverbundgeneratorsystems, welches das erfindungsgemäße
Verfahren beinhaltet.
Gemäß Fig. 1 strömt ein feuchter Gasstrom aus einer nicht
gezeigten Quelle in einer Leitung 10. Der Strom besitzt
eine hohe Temperatur über dem Taupunkt des Wassers im Strom
und einen hohen Druck, so daß es sich
also um eine Quelle für Wärme hoher Qualität handelt. Der
Ausdruck "Wärme hoher Qualität" bezieht sich hier auf Wärme
mit ausreichender Temperatur, um Dampf mit einem Druck von
7 bar absolut zu erzeugen.
Die Temperatur des Dampfs wird im Wärmeaustauscher 12 von der
Temperatur T1 auf eine Temperatur
T2 herabgesetzt, die so nahe wie möglich am Taupunkt
oder an der Sättigungstemperatur des Gasstroms liegt. Die
se Temperatur liegt typischerweise 5,5 bis 11°C über dem
Taupunkt, kann aber sogar bis zu 28°C über dem Taupunkt liegen.
Die Wärme QA, die im Wärmeaustauscher ab
gegeben wird , ist eine Wärme hoher Qualität, die sich für eine
Verbundgeneratoranwendung eignet.
Aus dem Wärmeaustauscher 12 betritt der feuchte Gasstrom
mit einer Temperatur T2 und einem Druck P1 den Kondensor
teil 19 einer Kondensor/Boiler-Kombination 16, und zwar
über eine Leitung 18. Im Kondensorteil 14 wird Wärme QB
aus dem feuchten Gasstrom abgeführt, ohne daß der Druck
des Gasstroms wesentlich verringert wird. Die Temperatur
des Gasstroms wird dadurch auf T3 verringert. T3 liegt un
terhalb des Taupunkts des Gasstroms. Hierdurch wird Wasser
aus dem Gasstrom auskondensiert. Ein Gemisch aus Wasser und
Gas verläßt den Kondensorteil 14 mit der Temperatur T3
und dem Druck P1, und zwar über eine Leitung 20.
Aus der Leitung 20 betritt das Gemisch aus Wasser und Gas
einen Separator 22, in welchem die kondensierte Flüssig
keit vom Gas abgetrennt wird. Das Gas, welches nun gegen
über dem ursprünglichen feuchten Gasstrom ein "trockenes"
Gas ist, verläßt den Separator 22 über eine Leitung 24 und
kann irgendwo verwendet werden, je nach seiner Zusammen
setzung, seiner Temperatur und seinem Druck. Wenn auch der
Separator 22 als eigenes Bauteil gezeigt ist, er kann einen
integralen Teil der Kondensor/Boiler-Kombination 16 bilden,
wie es in der Technik an sich bekannt ist.
Das flüssige Wasser verläßt den Separator 22 über eine Lei
tung 26 und betritt einen Wärmeaustauscher oder Radiator
28, wobei Wärme QC abgeführt wird, um seine Temperatur auf
eine Temperatur T4 zu verringern. Die Wärme QC wird aus dem
flüssigen Wasser abgeführt, um das System ausgewogen zu ge
stalten, wie dies weiter unten erläutert werden wird. Die
Wärme ist Wärme niedriger Qualität und kann je nach Zweck
mäßigkeit entweder verwendet oder verworfen werden. Das
flüssige Wasser verläßt den Wärmeaustauscher 28 über eine
Leitung 30 und wird durch ein Drosselventil 32 geführt, um
seinen Druck auf P2 zu verringern. Wie einzusehen ist, muß
der Druck P2 so niedrig sein, daß der Siedepunkt des flüs
sigen Wassers kleiner ist als die Temperatur T3, aber gleich
der oder größer als die Temperatur T4.
Das flüssige Wasser mit dem Druck P2 und der Temperatur T4
wird hierauf in den Boilerteil 34 der Kondensor/Boiler-Kom
bination 16 über eine Leitung 36 eingeführt und dann in
Dampf verkocht, wobei nur die Wärme QB verwendet wird, bei
der es sich um die Wärme der Kondensation des flüssigen Was
sers plus der fühlbaren Wärme aus dem feuchten Gasstrom,
der durch den Kondensorteil 14 hindurchgeht, handelt. Dampf
mit dem Druck P2 und einer Temperatur T5 (die gleich dem
Siedepunkt ist oder etwas darüber liegt, d. h., daß der Dampf
überhitzt ist) verläßt den Boilerteil 34 über eine Leitung
38.
Bei dieser Ausführungsform kann die Kondensor/Boiler-Kombi
nation aus einem Plattenwärmeaustauscher oder aus einem
Hülse-und-Rohr-Wärmeaustauscher bestehen, wobei Flüssig
keit an einer Seite der Wärmeaustauscherwandung konden
siert wird, während die kondensierte Flüssigkeit auf der
anderen Seite der Wandung verdampft wird. Das flüssige
Wasser, welches den Boilerteil betritt, nimmt die Konden
sationswärme und die fühlbare Wärme aus dem Kondensorteil
auf. Die direkte Verwendung des kondensierten Wassers für
die Aufnahme der Kondensationswärme ergibt hohe Wärmeüber
gangskoeffizienten, was eine Verringerung der gesamten
Wärmeübertragungsoberfläche ergibt, die typisch für Was
serrückgewinnung erforderlich ist.
Wie bereits erwähnt, wird die Temperatur des auskondensier
ten flüssigen Wassers vor Überführung in Dampf verringert,
um das System hinsichtlich der Wärme in Ausgewogenheit zu
bringen. Dies ist erforderlich, weil die Wärme im feuchten
Gasstrom viel größer ist, als dies zur Verdampfung des Was
sers nötig ist, während dieses durch den Boilerteil 34
hindurchgeht. Wenn die überschüssige Wärme nicht abgeführt
wird (wie z. B. im Wärmeaustauscher 28 oder durch Verwen
dung zum Überhitzen des Dampfs, der in der Kondensor-Boi
ler-Kombination erzeugt wird), dann wird sie mit dem flüssi
gen Wasser in den Boilerteil 34 eingeführt. In diesem Fall
kann dann die gewünschte Menge Wasser nicht kondensiert
werden und/oder kann die gewünschte Überhitzung nicht zu
stande gebracht werden. Es wird besonders bevorzugt, daß
die Wärmemenge QC, welche aus dem flüssigen Wasser im Wär
meaustauscher 28 abgeführt ist, gerade ausreicht, seine
Temperatur bis zu dem Punkt zu verringern, wo der Wärme
bedarf für die Verdampfung und ggf. für die Dampfüberhit
zung des kondensierten Wassers annähernd gleich ist der
Kondensationswärme der aus dem feuchten Gasstrom auszukon
densierenden Wassermenge plus der fühlbaren Wärme, die
durch den feuchten Gasstrom an dieses Wasser während der
Kondensationsstufe abgegeben wird.
Als Alternative zum Wärmeaustauscher 28 könnte das Sy
stem dadurch wärmemäßig ausgewogen gestaltet werden, daß
eine Menge flüssiges Wasser von einer anderen Quelle dem
kondensierten Wasser zugegeben wird, so daß der Wärmebe
darf für die Verdampfung und die Überhitzung der vereinig
ten Wassermengen gerade gleich der Kondensationswärme des
kondensierten Wassers plus der fühlbaren Wärme des feuch
ten Gasstroms ist, die an die vereinigten Wassermengen
während der Kondensationsstufe abgegeben wird. Dies würde
einen Verlust der Wärme QC vermeiden.
Wie bereits erwähnt wird das flüssige Wasser gedrosselt,
um seinen Siedepunkt auf eine Temperatur unterhalb T3 zu
verringern, bei welcher es sich um die Temperatur des Gas
stroms und des Wassers handelt, welche den Kondensorteil
14 verlassen. Dies ist erforderlich, wenn der kondensieren
de Strom dazu in der Lage sein soll, Wasser im Boilerteil 34 auf
über seinen Siedepunkt zu erhitzen. Je größer ΔP am Dros
selventil ist, desto größer wird die Annäherungstempera
tur sein und desto kleiner wird die erforderliche Wärme
übergangsfläche der Kondensor/Boiler-Kombination sein. Es
gilt aber auch, je größer ΔP, desto niedriger ist der Druck
des erzeugten erhitzten Dampfs, eine andere Betrachtung bei
der Auswahl der besten Annäherungstemperatur für ein be
stimmtes System. Außerdem sollte der Siedepunkt nicht unter
T4 abgesenkt werden, da sonst das Wasser beim Durchgang
durch das Drosselventil blitzartig verdampfen würde, wo
durch natürlich der Zweck dieses Systems nicht erreicht
würde. Für praktische Zwecke ist die minimal mögliche An
näherungstemperatur ungefähr 11°C.
Die Brennstoffzellenstromerzeugungsanlage gemäß Fig. 2
ist die primäre Energiequelle für das Verbundgenerator
system und erzeugt Elektrizität. Die Abwärme kann dazu ver
wendet werden, Dampf für eine Verbundgenerator-Anwendung zu produ
zieren, wie z. B. für die Verwendung in der Fleischverar
beitungs- oder Papierherstellungsindustrie. In dieser
Brennstoffzellenstromerzeugungsanlage sind die Brennstoff
zellen schematisch als einzige Zelle 100 dargestellt. Die
se besitzt eine Anode und einen Brennstoffgasraum 102,
eine Kathode und einen Oxydationsgasraum 104 sowie einen
geschmolzenen Carbonatelektrolyten dazwischen. Eine Strom
erzeugungsanlage wird normalerweise Hunderte solcher Zel
len aufweisen, die elektrisch in Reihe oder parallel ge
schaltet sind. Zellen mit geschmolzenem Carbonat arbeiten
bei Temperaturen von ungefähr 650°C nominal. Bei dieser
Ausführungsform steht die Stromerzeugungsanlage unter
Druck, was bedeutet, daß die Brennstoffzellen mit unter
Druck stehendem Brennstoff und unter Druck stehendem Oxy
dationsmittel arbeiten. Für die weiteren Betrachtungen
wird angenommen, daß die Zellen unter einem Druck von
10,5 bar absolut arbeiten. Zum Zwecke der Erläuterung und
aus Einfachheitsgründen wird weiterhin angenommen, daß
keine Reibungsdruckverluste bestehen.
Beim Betrieb wird Luft, welche das Oxydationsmittel für
die Brennstoffzelle 100 darstellt, in einem Kompressor
106 auf 10,5 bar absolut gebracht. Eine entsprechende Men
ge dieser unter Druck stehenden Luft wird in Mischung mit
erschöpftem Anodenabgas aus einer Leitung 107 und rückge
führtem Kathodenabgas aus einer Leitung 108 dem Kathoden
raum 104 über eine Leitung 109 zugeführt. Erschöpftes Oxy
dationsmittel verläßt die Kathode über eine Leitung 110
mit einer Temperatur von ungefähr 705°C und einem Druck
von ungefähr 10,5 bar absolut. Dieser Abgasstrom enthält
Abwärme hoher Qualität. Der Strom wird bei 111 aufgeteilt,
und ein Teil des Gasstroms wird durch einen Wärmeaustau
scher 112 geführt, wo ein Teil dieser Wärme hoher Quali
tät abgezogen und für die Verbundgeneratoreinrichtung verwendet wird.
Dieser Teil wird in einem Kompressor 114 wieder auf 10,5
bar absolut gebracht und wieder zum Kathodenraum 104 ge
führt. Der Kompressor 114 kann durch einen Elektromotor
angetrieben werden. Der restliche Teil des Kathodenabga
ses wird durch eine Turbine 116 expandiert, die auch einen
Kompressor 118, dessen Funktion später erläutert wird,
antreibt.
An der Anodenseite wird verdampfter Kohlenwasserstoffbrenn
stoff aus einer Quelle 120 mit Dampf in einer Leitung 122
gemischt, die unter einem Druck von mehr als 10,5 bar ab
solut steht. Das Gemisch wird in einem Wärmeaustauscher
124 vorerhitzt und dann in einen Dampfreformer 126 einge
führt, und zwar über eine Leitung 128. Im Dampfreformer
wird der Brennstoff unter Verwendung von Wärme, die durch
einen Brenner 130 erzeugt wird, in Wasserstoff überführt.
Der Druck des Stroms fällt während dieser Stufe leicht.
Der Wasserstoff wird in den Anodenraum 102 mit einem Druck
von 10,5 bar absolut eingeführt, und zwar über eine Lei
tung 132.
Ein feuchter Anodenabgasstrom verläßt den Anodenraum 102
über eine Leitung 134. Zu diesem Zeitpunkt besitzt der
feuchte Gasstrom einen Druck von annähernd 10,5 bar abso
lut und eine Temperatur von 705°C. Dieser Strom enthält
Abwärme hoher Qualität von den Brennstoffzellen. Der Strom
wird etwas in einem regenerativen Wärmeaustauscher 136 ab
gekühlt und dann in den Wärmeaustauscher 138 eingeführt,
und zwar über eine Leitung 104, worauf eine Menge Q1 an Wärme
hoher Qualität abgezogen und für die Verbundgeneratoran
wendung verwendet wird. Beispielsweise kann die Wärme zur
Erzeugung von Dampf hoher Qualität für oben beschriebene
industrielle Prozesse verwendet werden.
Der feuchte Anodenabgasstrom wird dann durch eine Konden
sor/Boiler-Kombination 140 geführt, und zwar über eine
Leitung 142, um die gewünschte Wassermenge aus dem Strom
ohne wesentlichen Druckabfall auszukondensieren. In die
sem Fall entspricht die gewünschte Menge Wasser dem Dampf
bedarf für den Reaktor 126. In diesem System besitzt der
Anodenabgasstrom, welcher die Kondensor/Boiler-Kombina
tion 140 betritt, einen Druck von annähernd 10,5 bar ab
solut und eine Temperatur von 162°C. Der Taupunkt bei die
sem Druck für die betreffende Zusammensetzung des Anoden
abgases ist 156°C. Es wird bevorzugt, daß die Temperatur
des feuchten Gasstroms, welcher die Kondensor/Boiler-Kom
bination betritt, in der Nähe des Taupunkts liegt, um die
Größe des erforderlichen Kondensationsapparats zu verrin
gern und um die Menge an Wärme hoher Qualität Q1, die für
die Verbundgeneratoreinrichtung verwendet werden kann, maximal zu ge
stalten.
Das Flüssigkeit/Gas-Gemisch verläßt die Kondensor/Boiler-
Kombination 140 in der Leitung 144 mit einer Temperatur
von 126°C und besitzt nach wie vor einen Druck von annä
hernd 10,5 bar absolut. Dieses Gemisch betritt einen Was
ser/Gas-Separator oder eine Knock-out-Trommel 146, wobei
trockenes Anodenabgas über eine Leitung 148 und im wesent
lichen reines flüssiges Wasser über eine Leitung 150 ab
strömt. Das trockene Abgas wird im Wärmeaustauscher 136
regeneriert und an einem Punkt 152 mit Luft von 10,5 bar
absolut aus einer Leitung 154 gemischt, welche im Kompres
sor 106 komprimiert worden ist. Es strömt dann in den
Brenner 130, und zwar über eine Leitung 155. Aus dem Bren
ner 130 wird sie in den Wärmeaustauscher 124 geführt, und
zwar über eine Leitung 156, und dann bei 158 mit kompri
mierter Luft aus dem Kompressor 106 vereinigt, um durch
den Oxydationsgasraum 104 geführt zu werden.
Zurück zum flüssigen Wasser in der Leitung 150. Dieses
besitzt einen Druck von 10,5 bar absolut und eine Tempe
ratur von 126°C. In dieser bevorzugten Ausführungsform
ist es erwünscht, das kondensierte Wasser in Dampf zu über
führen und zusätzlich den Dampf im Boiler zu überhitzen,
um sicherzustellen, daß keine Kondensation während der spä
teren Komprimierung des Dampfs stattfindet. Dies geschieht
durch Verringerung seiner Temperatur auf 71°C in einem
Wärmeaustauscher oder Radiator 160, so daß sein Verdamp
fungswärme- und Überhitzungswärmebedarf nunmehr annähernd
gleich der Kondensationswärme des Wassers plus der fühlba
ren Wärme ist, die durch den feuchten Gasstrom abgegeben
wird, welcher durch die Kondensor/Boiler-Kombination 140
hindurchgeführt wird. Die abgezogene Wärme Q2 ist Wärme
von niedriger Qualität und kann verworfen werden.
Die Flüssigkeit mit verringerter Temperatur wird dann
durch ein Drosselventil 162 hindurchgeführt, wo ihr Druck
auf 1 bar absolut verringert wird. Bei diesem Druck ist
der Siedepunkt des Wassers 100°C. Es wird darauf hingewie
sen, daß der Siedepunkt der Flüssigkeit vor dem Drossel
ventil 181°C ist, so daß diese Flüssigkeit nicht für die
Abfuhr von Wärme aus dem Kühler verwendet werden könnte.
Die durch das Drosselventil hindurchgegangene Flüssigkeit
wird dann in den Boilerteil der Kondensor/Kühler-Kombina
tion 140 über die Leitung 164 eingeführt und strömt dann
im Wärmeaustausch zum feuchten Gasstrom, wobei sie die
Kondensationswärme und fühlbare Wärme aus dem feuchten Gas
strom aufnimmt. Die Flüssigkeit wird hierdurch zum Kochen
gebracht, in Dampf niedriger Qualität mit einem Druck von
1 bar absolut überführt und auf eine Temperatur von 109°C
überhitzt. Da es dieser Strom ist, der für die Dampfrefor
mierungsreaktion im Dampfreformer 126 verwendet werden
soll, muß er nunmehr auf etwas mehr als den Systemdruck von
10,5 bar absolut gebracht werden, bevor er verwendet werden
kann.
Wie in Fig. 2 gezeigt, verläßt der Dampf die Kondensor/
Boiler-Kombination 140 über eine Leitung 166 und wird in
einer ersten Stufe durch einen Kompressor 168, welcher
durch einen Elektromotor 170 angetrieben wird, auf 3,5
bar absolut gebracht. Zwar wird der elektrische Motor
170 durch Strom angetrieben, der durch die Brennstoffzelle
100 erzeugt wird, aber die zusätzliche Wärme hoher Quali
tät, die für die Verbundgeneratoreinrichtung als Ergebnis des hier
beschriebenen Verfahrens zur Wasserrückgewinnung und zur
Dampferzeugung gewonnen wird, gleicht die zusätzliche
elektrische Belastung der Brennstoffzellen mehr als aus.
Auf jeden Fall äußert sich die Energie für die Komprimie
rung in einem Temperaturanstieg des Dampfs und kann in einem
Wärmeaustauscher 172 als fühlbare Wärme hoher Qualität Q3
für die Verbundgeneratorsanwendung zurückgewonnen werden
oder dazu dienen, den Dampf vor seiner Verwendung im Dampf
reformer weiter zu erhitzen. Wenn der letztere Weg ge
wählt wird, dann ist weitere Systemwärme hoher Qualität,
die sonst für Überhitzung verwendet würde, für Verbund
generatoranwendungen verfügbar. Eine Druckerhöhung auf
gewünschte 11,2 bar absolut wird im Kompressor 118 erhal
ten, der durch verfügbare Expansionsenergie aus dem Katho
denabgas angetrieben wird. Es wird angenommen, daß die Ar
beitsparameter dieser Brennstoffzellenstromerzeugungsan
lage so eingestellt werden könnten, daß Abwärme hoher Qua
lität und nicht ein Elektromotor 170 für die erste Stufe
der Dampfkomprimierung verwendet werden könnten.
Bei einem System, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, kann er
rechnet werden, daß 86% der erzeugten thermischen Ener
gie als Dampf hoher Qualität zur Verfügung stehen (der in
diesem Fall einen Druck von mehr als 21 bar absolut auf
weist) im Vergleich zu 34% bei einem herkömmlichen Ver
fahren, bei dem Wasser kondensiert und dann für die Um
wandlung in Dampf zu einem Boiler geschickt wird, in wel
chem eine Quelle für Wärme hoher Qualität verwendet wird.
Claims (7)
1. Verfahren zum Betreiben einer Energieerzeugungsanlage
mit einer primären Stromerzeugungseinrichtung und einer Ver
bundgeneratoreinrichtung, wobei die primäre Stromerzeugungs
einrichtung einen feuchten Gasstrom mit einem Gehalt an
Abwärme hoher Qualität und mit einem hohen ersten Druck und
einer ersten Temperatur, die wesentlich über dem Taupunkt des
Stromes liegt, erzeugt, aus dem das Wasser durch Kondensation
entfernt und zur Erzeugung von Dampf, der in der Energie
erzeugungsanlage benötigt wird, verwendet wird, wobei weiter
hin die Verbundgeneratoreinrichtung mindestens einen Teil
ihrer Energie von Abwärme hoher Qualität aus der primären
Stromerzeugungseinrichtung bezieht,
gekennzeichnet durch die Stufen:
Verringerung der Temperatur des feuchten Gasstroms auf eine zweite Temperatur, die noch über dem Taupunkt des Gas stroms liegt, wobei eine Abwärme hoher Qualität gewonnen wird, die dazu verwendet wird, Energie für die Verbundgeneraturein richtung zu liefern;
Einführen des feuchten Gasstroms mit der zweiten Tempe ratur in eine Kondensor/Boiler-Einheit;
Kondensieren von Wasser aus dem Gasstrom in der Kon densor/Boiler-Einheit durch Abkühlen des Gasstroms auf eine dritte Temperatur, die unter dem Taupunkt des Gasstroms liegt, ohne daß dabei der Druck des Gasstroms wesentlich verringert wird, um flüssiges Wasser mit der dritten Temperatur und einem Druck, der im wesentlichen der gleiche ist wie der Druck des in die Kondensor/Boiler-Einheit eintretenden Gasstroms, zu erzeugen;
Abtrennen des kondensierten flüssigen Wassers aus dem Gasstrom;
Verringerung der Temperatur des kondensierten flüssigen Wassers von der dritten Temperatur auf eine niedrigere vierte Temperatur;
Verringerung des Drucks des kondensierten flüssigen Wassers auf einen zweiten Druck, so daß die Siedetemperatur des Wassers gleich ist wie oder kleiner ist als die dritte Temperatur; und
Verdampfen des den verringerten Druck und die verrin gerte Temperatur aufweisenden abgetrennten flüssigen Wassers in der Kondensor/Boiler-Einheit durch Erhitzen bei dem zweiten Druck, wobei nur die Kondensationswärme aus der Kondensations stufe und die fühlbare Wärme aus dem durch die Konden sor/Boiler-Einheit hindurchströmenden Gasstrom verwendet wird, um aus dem abgetrennten flüssigen Wasser Dampf mit dem zweiten Druck zu erzeugen.
Verringerung der Temperatur des feuchten Gasstroms auf eine zweite Temperatur, die noch über dem Taupunkt des Gas stroms liegt, wobei eine Abwärme hoher Qualität gewonnen wird, die dazu verwendet wird, Energie für die Verbundgeneraturein richtung zu liefern;
Einführen des feuchten Gasstroms mit der zweiten Tempe ratur in eine Kondensor/Boiler-Einheit;
Kondensieren von Wasser aus dem Gasstrom in der Kon densor/Boiler-Einheit durch Abkühlen des Gasstroms auf eine dritte Temperatur, die unter dem Taupunkt des Gasstroms liegt, ohne daß dabei der Druck des Gasstroms wesentlich verringert wird, um flüssiges Wasser mit der dritten Temperatur und einem Druck, der im wesentlichen der gleiche ist wie der Druck des in die Kondensor/Boiler-Einheit eintretenden Gasstroms, zu erzeugen;
Abtrennen des kondensierten flüssigen Wassers aus dem Gasstrom;
Verringerung der Temperatur des kondensierten flüssigen Wassers von der dritten Temperatur auf eine niedrigere vierte Temperatur;
Verringerung des Drucks des kondensierten flüssigen Wassers auf einen zweiten Druck, so daß die Siedetemperatur des Wassers gleich ist wie oder kleiner ist als die dritte Temperatur; und
Verdampfen des den verringerten Druck und die verrin gerte Temperatur aufweisenden abgetrennten flüssigen Wassers in der Kondensor/Boiler-Einheit durch Erhitzen bei dem zweiten Druck, wobei nur die Kondensationswärme aus der Kondensations stufe und die fühlbare Wärme aus dem durch die Konden sor/Boiler-Einheit hindurchströmenden Gasstrom verwendet wird, um aus dem abgetrennten flüssigen Wasser Dampf mit dem zweiten Druck zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
im wesentlichen die gesamte Feuchtigkeit im feuchten Gasstrom
in der Kondensor/Boiler-Einheit auskondensiert wird.
3. Verfahren nach Aspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Temperatur etwas über dem Taupunkt des feuchten
Gasstroms liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Abtrennung des auskondensierten flüssigen Wassers ein
im wesentlichen trockener Gasstrom erzeugt wird und daß ein
Teil der aus dem feuchten Gasstrom vor seiner Einführung in
die Kondensor/Boiler-Einheit gewonnenen Wärme hoher Qualität
dazu verwendet wird, die Temperatur des trockenen Gasstroms zu
erhöhen.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der in der Kondensor/Boiler-Einheit erzeugte Dampf ein über
hitzter Dampf ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die primäre Stromerzeugungseinrichtung aus
einer unter Druck arbeitenden Brennstoffzellenanlage besteht,
die eine Vielzahl von Brennstoffzellen und einen Brennstoff
reaktor umfaßt, der unter Druck stehenden Dampf für die Um
wandlung von Kohlenwasserstoffen in unter Druck stehenden
Wasserstoff benötigt, der in den Brennstoffzellen verwendet
wird, wobei die Brennstoffzellen einen Brennstoffgasraum und
einen Oxidationsmittelgasraum aufweisen und wobei der feuchte
Gasstrom der Abgasstrom aus dem Brennstoffgasraum ist, wobei
das Verfahren die folgenden zusätzlichen Stufen umfaßt:
Komprimieren des Oxidationsmittelgases für die Brenn stoffzellen in einem ersten Kompressor, der durch die Energie aus dem Abgasstrom aus dem Oxidationsmittelgasraum angetrieben wird;
Komprimieren des in der Verdampfungsstufe erzeugten Dampfes in einem zweiten Kompressor, der durch Energie aus dem Abgasstrom aus dem Oxidationsmittelgasraum angetrieben wird; und
Überführen des unter Druck stehenden Dampfes in den Brennstoffreaktor.
Komprimieren des Oxidationsmittelgases für die Brenn stoffzellen in einem ersten Kompressor, der durch die Energie aus dem Abgasstrom aus dem Oxidationsmittelgasraum angetrieben wird;
Komprimieren des in der Verdampfungsstufe erzeugten Dampfes in einem zweiten Kompressor, der durch Energie aus dem Abgasstrom aus dem Oxidationsmittelgasraum angetrieben wird; und
Überführen des unter Druck stehenden Dampfes in den Brennstoffreaktor.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennstoffzellen mit geschmolzenem Carbonat als Elektrolyt
betrieben werden, wobei der trockene Gasstrom durch die Oxida
tionsmittelgasräume der Zellen geführt wird.
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