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Dokumentenidentifikation DE3824813A1 25.01.1990
Titel Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder einer Gasturbinenanlage und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit integrierter Abgasnachbehandlung, insbesondere zur Verwendung in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen
Anmelder Schneider, Arno, Dipl.-Ing., 5307 Wachtberg, DE;
Wester, Hermann-Josef, Dipl.-Ing., 5000 Köln, DE
Erfinder Schneider, Arno, Dipl.-Ing., 5307 Wachtberg, DE;
Wester, Hermann-Josef, Dipl.-Ing., 5000 Köln, DE
Vertreter Koch, T., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 5300 Bonn
DE-Anmeldedatum 21.07.1988
DE-Aktenzeichen 3824813
Offenlegungstag 25.01.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.01.1990
IPC-Hauptklasse F02G 5/02
IPC-Nebenklasse F23G 7/06   F02C 6/18   F02B 65/00   F01K 23/00   F22B 1/18   F01N 3/36   F01N 5/02   
Zusammenfassung Gemäß der Erfindung "Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder einer Gasturbinenanlage und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit integrierter Abgasnachbehandlung, insbesondere zur Verwendung in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen" werden die schadstoffbelasteten Abgase nicht in die Verbrennungskammern zurückgeführt, da in diesen bei einer Motoren- bzw. Gasturbinenanlage die Verbrennungsprozesse in äußerst kurzer Zeit ablaufen und somit trotz Regelung eine saubere Verbrennung der unverbrannten Primärbrennstoffe und restlichen Abgasbestandteile nicht möglich ist. Erfindungsgemäß erfolgt ohne Abgasrückführung hinter dem Auslaß der Verbrennungskammern bzw. in einem dortigen Abhitzekessel eine sofortige Nachverbrennung eines Großteils der unverbrannten Primärenergiestoffe und der reaktiven Restsauerstoffmengen unter Eindüsung zusätzlicher Brennstoffe und von Sauerstoff in Abhängigkeit von der Restsauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkammern und weiterer für die ideale Verbrennung wesentlicher Parameter, (unverbrannten Primärenergiestoffmengen, Anteil freier oder gebundener reaktiver oder molekularer Sauerstoffmengen, Abgasstoffkonzentrationen und -anteile, Abgasmengen, Massenströmen, Strömungsgeschwindigkeiten, Abgastemperatur).
Da aufgrund der stöchiometrischen Verbrennung kein freier Sauerstoff im Abgas vorhanden ist, sind trotz hoher Verbrennungstemperaturen die NOx-Anteile im Abgas gering.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage mit einem nachgeschalteten Rekuperator, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Derartige Einheiten aus einer Motoren- bzw. Turbinenanlage mit nachgeschaltetem Rekuperator sind beispielsweise gem. der DE-OS 29 19 052 bekannt.

Es ist dabei möglich, einerseits über einen mittels Lastgetriebe angetriebenen Generator die notwendige elektrische Energie für die Stromversorgung herzustellen, und andererseits die beim Betrieb der Motoren- bzw. Gasturbinenanlage anfallende Wärme aus dem Kühlwasser bzw. Abgas auszukoppeln und in das Verteilsystem des zu versorgenden Objektes einzuspeisen, wodurch in der Regel die Wärmegrundlast gedeckt wird. Spitzenlasten des Wärmebedarfs werden dabei durch eine zusätzliche konventionelle Anlage zur Wärmeerzeugung gedeckt.

Derartige Kraft-Wärme-Kopplungssysteme sind dabei so ausgelegt, daß die die größere finanzielle Investition darstellenden Einrichtungen zeitlich möglichst ununterbrochen betrieben werden, dagegen die Einrichtungen zur Deckung der Spitzenbelastungen möglichst unter geringen Investitionen erstellt und betrieben werden. Derartige Anlagen sind in der Technik als Blockheizkraftwerke bekannt.

Es ist dabei bekannt, zur Entgiftung der Abgase oder auch zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Motoren- bzw. Turbinenanlage, insbesondere im Teillastbereich, den Abgasstrom nach der Abgaswärmenutzung in die Verbrennungsmotorenanlage bzw. in den Verdichter der Gasturbinenanlage über ein Gebläse ganz oder teilweise zurückzuführen oder über nachgeschaltete Katalysatorenanlagen zu führen.

Da insofern eine Nachverbrennung der schadstoffbelasteten Abgase in den Verbrennungskammern der Verbrennungsmotoren- bzw. Gasturbinenanlage selbst erfolgt, und dabei der Brennprozeß bei geringeren Temperaturen abläuft, verringert sich der Restsauerstoffgehalt im Abgas und die Verbrennungstemperatur in den Brennkammern selbst. Auf diese Weise wird insbesondere die NOx-Bildung verringert.

Eine derartige Abgasnachbehandlung ist aber insofern nachteilig, als die Verbrennungsprozesse in Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlagen in äußerst kurzen Zeiten ablaufen und insofern auch elektronisch gesteuert bzw. geregelt werden müssen. Es ist dabei nicht möglich, eine saubere Verbrennung der zugeführten Primärbrennstoffe und der Abgase so durchzuführen, daß die Verbrennung nahezu ideal abläuft, also im Abgas fast kein Restsauerstoff mehr vorhanden ist, und somit mit dem Abgas lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf, sowie ggf. aus der Verbrennungsluft molekularer Stickstoff anfällt. Bei Gasturbinenanlagen sind dabei die Verbrennungsprozesse gegenüber denen in Verbrennungsmotorenanlagen insofern nachteilig, als bei der Gasturbinenanlage ein größerer Anteil von "freiem Sauerstoff" anfällt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Verfahrens und einer Anlage zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage mit einem nachgeschalteten Rekuperator, also eines Kraft- Wärme-Kopplungssystems, z. B. in Form eines Blockheizkraftwerkes, bei welcher der Abgasstrom, welcher den Rekuperator dieser Anlage verläßt, eine äußerst geringe Restschadstoffbelastung aufweist. Die zur Verbrennung eingesetzten Primärbrennstoffe sollen dabei auch ohne eigentliche Abgasrückführung mit den freien oder gebundenen reaktiven oder molekularen Sauerstoffmengen oder Gasgemischen daraus nahezu stöchiometrisch verbrennen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 vorgesehen.

Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, durch die Zugabe zusätzlicher Primärbrennstoffmengen zu den in dem Abgas enthaltenen unverbrannten Brennstoffmengen und deren Verbrennung im Abhitzekessel eine fast vollständige Verbrennung der im Abgas hinter dem Auslaß der Verbrennungsmotoren- und Gasturbinenanlage enthaltenen Sauerstoffmengen vorzunehmen. Aufgrund der insofern lediglich nur noch vorhandenen äußerst geringen Restsauerstoffmengen können sich im Abgasstrom hinter dem Abhitzekessel lediglich geringe Mengen von Stickoxid und anderen Schadstoffen bilden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also außerhalb der eigentlichen Brennkammern der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage in einem gleichzeitig einen Abhitzekessel darstellenden Rekuperator ein separater Verbrennungsvorgang zur Abgasnachbehandlung geschaffen, welcher insofern durch Oxidation oder auch Reduktion der Schadstoffe zu deren Beseitigung führt.

Der Abhitzekessel wird dabei gleichzeitig synchron mit der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage betrieben, wobei das gereinigte Abgas vorzugsweise zumindest teilweise der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage bzw. deren Brennkammern zugeführt wird, um dort unter einer hohen Motorleistung und unter geringerem Brennstoffverbrauch die Zündung durchzuführen. Durch diesen geschlossenen Brennstoffkreis wird dabei der Wirkungsgrad der Anlage erheblich verbessert.

Die beim Einsatz von Brennstoffen, z.B. halogenisierten Bestandteilen in der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage aufgrund der Chloranteile bei Verbrennungstemperaturen zwischen 1200-1300°C anfallenden Dioxine können dabei bei genügend langer Verweilzeit und ausreichenden Temperaturen im Brennraum des Abhitzekessels aufgeschlossen und abgebaut werden. Die lange Verweilzeit läßt sich dabei durch eine geeignete Dimensionierung der Größe des Abhitzekessels und durch eine geeignete Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Abhitzekessel erreichen.

Die Aufbereitung der schädlichen Abgase im Abhitzekessel bzw. Prozeßofen ist dabei deshalb möglich, weil dort die Verbrennungsgeschwindigkeiten sehr viel geringer als bei einem Verbrennungsmotor oder einer Gasturbinenanlage sind. lnsofern ist es möglich, den "Abgas-Verbrennungsprozeß" im Abhitzekessel bzw. im Prozeßofen z. B. unter Eindüsung zusätzlicher Primärbrennstoffe oder auch von Sauerstoff derart zu steuern, daß eine nahezu "ideale Verbrennung" abläuft, also Schadstoffe wie MOx, CO, HC, SO2 u.a.m. nicht gebildet oder in dem Abhitzekessel bzw. Prozeßofen verbrannt oder reduziert werden.

Wesentlich ist dabei, daß der Verbrennungsmotor bzw. die Gasturbinenanlage gleichzeitig mit dem Abhitzekessel bzw. dem Prozeßofen gefahren wird, insofern also ein kontinuierlicher, gleichzeitiger Betrieb beider Einheiten vorliegt.

Die Größe des Abhitzekessels ist dabei der gegebenen Größe der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage anzupassen, wobei ggfs. bei einem vorgegebenen Prozeßofen die Größe der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage, insbesondere die Anzahl und Leistung der einzelnen, in diesen Anlagen verwendeten Einheiten der Art des vorgegebenen Prozeßofens und der in ihm herzustellenden Produkte oder ablaufenden Verfahrensgängen anzupassen ist.

Trotz dieser ablaufenden Prozesse oder Verfahren ist es dabei möglich, bei der Verbrennung im Abhitzekessel bzw. im Prozeßofen neben einer weitgehenden Schadstoffbeseitigung auch einen sehr guten thermischen Wirkungsgrad zu erzielen. Obwohl in den Abhitzekesseln und Prozeßöfen mit hohen Verbrennungstemperaturen gearbeitet wird, und insofern an sich die Stick-Oxidbildungsrate hoch ist, ist es dabei möglich, den Verbrennungsprozeß im Abhitzekessel bzw. Prozeßofen derart zu steuern, daß eine nahezu exakt stöchiometrische Verbrennung mit Sauerstoff stattfindet. Da insofern im Abgas kein freier Sauerstoff vorhanden ist, können auch nur geringe NOx, CO, HC-Bestandteile im Abgas enthalten sein.

Zur Beseitigung dieser schädlichen Abgasbestandteile genügt es dabei, den z.B. 5-15%igen Restsauerstoffanteil aus dem Abgas der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage zur Verbrennung im Abhitzekessel bzw. im Prozeßofen zu nutzen. Insofern ist es lediglich notwendig, zur Nachverbrennung der Abgase Primärbrennstoffe wie z.B. Öl (Diesel, Heizöl, Rapsöl, Petroleum) oder Gas (Erd-, Deponie-, Bio-, Flüssig- oder Kokereigas) im geeigneten Maß dem Abgas beizufügen und im Abhitzekessel der Kesselanlage bzw. im Prozeßoffen zu verbrennen.

Für diese getrennte Verbrennung der Schadstoffe und Restsauerstoffmengen in dem etwa eine Temperatur > 450°C aufweisenden Abgas können dabei alle Kesselanlagen und Ofen, z.B. Prozeßöfen, wie Drehrohröfen, Trockenanlagen für die Herstellung von Ziegelsteinen, Trockentrommeln, Hochöfen und andere Ofenanlagen benutzt werden, mit welchen sich eine optimale Verbrennung und damit auch ein hoher thermischer Wirkungsgrad erzielen läßt.

Bei dem Abhitzekessel einer Kesselanlage läßt sich dabei durch den Feuerraum neben einem Strahlungsanteil gleichzeitig auch noch ein hoher konvektiver Wärmeanteil gewinnen.

Die Einbringung der zusätzlichen Brennstoffmengen bzw. ggf. auch von Sauerstoff, zur Nachverbrennung im Abhitzekessel bzw. im Prozeßofen erfolgt dabei in Abhängigkeit von der im Abgas der Verbrennungsmotoren- bzw. Gasturbinenanlage gemessenen Restsauerstoffkonzentration und weiterer für die ideale Verbrennung wesentlicher Parameter.

Es läßt sich dabei eine nahezu stöchiometrische Umsetzung bzw. Reduktion solcher Bestandteile der Abgase erzielen, welche kleinere Sauerstoff-Bindungsenergien als Kohlendioxid aufweisen, also eine Reduktion von MOx, CO und HC. Zu diesem Zwecke erfolgt eine Regelung der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von den im Abgas unmittelbar hinter der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage gemessenen unverbrannten Primärstoffmengen bzw. -partikel, von der dortigen Sauerstoffkonzentration, dem Anteil von freien oder gebundenen reaktiven oder molekularen Sauerstoffmengen (z. B. MOx, SO2, CO) oder Gasgemischen daraus, den Abgasstoffkonzentrationen und den Abgasstoffanteilen, den Abgasmengen und den im dortigen Abgas gegebenen Strömungsgeschwindigkeiten, den Massenströmen des Abgases sowie der Abgastemperatur.

Je nach Temperatur des dem Abhitzekessel bzw. dem Prozeßofen zugeführten Abgases, sowie seiner Zündtemperatur, erfolgt dort eine Fremdzündung oder eine Selbstzündung.

Indem das Abgas vor der Nachverbrennung zunächst einzelnen Abgas-Speichern zugeführt wird, ist zudem eine diskontinuierliche Nachverbrennung der Abgase möglich.

Die Beseitigung von Abgasanteilen aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoffverbindungen, welche als solche nicht durch Reduktion abgebaut werden können, sondern oxidiert werden müssen, erfolgt dabei in der Kessel- oder Ofenanlage vorzugsweise durch eine anschließende Eindüsung von zusätzlichen Brennstoffanteilen und zusätzlichem Sauerstoff entsprechend der zur nahezu stöchiometrischen Umsetzung der Restsauerstoffmengen notwendigen Anteile und maßgeblichen Parameter. Da insofern eine zusätzliche Sauerstoffzufuhr notwendig ist, werden diese im allgemeinen geringen Anteile in einer weiteren zweiten Stufe durch Oxidation beseitigt, in welcher im Abgas bereits keine Stickstoffverbindungen mehr vorhanden sind.

Alternativ kann auch an einer Stelle der Abgasführung hinter dem Auslaß der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffverbindungen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases und/oder der Abgastemperatur erfolgen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage mit einer zur Abgasnachbehandlung durch zusätzliche Verbrennung nachgeschalteten Kesselanlage bzw. Prozeßofen übernimmt diese Ofen- bzw. Kesselanlage gleichzeitig mehrere Funktionen, welche ansonsten eigene Komponenten übernehmen müßten, nämlich die Nachverbrennung und Reduktion jeglicher Abgasbestandteile oder auch von Ruß und in diesem eingelagerte Schadstoffanteile (z. B. Benzol), die Funktion eines Wärmetauschers sowie aufgrund der Abmessung der Kesselanlage bzw. der Abhitzekessel und Prozeßöfen die Funktion eines Schalldämpfers.

Insofern ergeben sich erhebliche Investitionseinsparungen, Schadstoffsenkungen bei Motor- und Gasturbinenabgasen, eine bessere Nutzung der vorhandenen Erzeugungsanlage im Sinne eines Blockheizkraftwerkes, ein höherer Gesamtwirkungs- und Gesamtnutzungsgrad sowie ein verringerter Einsatz von Verbrennungsluft und Brennstoffen.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung bzw. Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens ergeben sich im übrigen aus den Patentansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und der zur Durchführung dieses Verfahrens verwendeten Anlage.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Schaltung eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit integrierter Abgasnachbehandlung, in welcher zusätzliche Brennstoffmengen dem Abgas der Verbrennungsmotorenanlage zugemischt werden, bevor dieses in einer nachgeschalteten Kesselanlage bzw. in einem Abhitzekessel zur Abgasnachbehandlung nachverbrennt.

Die in dem Kraft-Wärme-Kopplungssystem der Fig. 1 verwendeten Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlagen bestehen aus in Form einer Ein- oder Mehreinheitenanlage aufgebauten Antriebseinheiten (2) zur Erzeugung einer hohen Antriebsleistung für einen über eine Verbindung anzutreibenden Generator.

In die Verbrennungsräume bzw. Brennkammern dieser Antriebseinheiten werden Primär-Brennstoffe (1), z.B. Dieselöl, Erdgas oder andere fossile Energieträger darstellende Öl- oder Gasarten verbrannt. Da derartige Antriebseinheiten im Abgas einen 5-15%igen Restsauerstoffanteil auch bei Abgasrückführung aufweisen, und somit zwangsweise aufgrund der Verbrennungstemperaturen von z.B. 1000-1200°C ein großer Anteil schädlicher Stoffe, wie NOx, HC, SO2, CO, im Abgas vorhanden ist, wird das aus den Antriebseinheiten (2) austretende Gas einer integrierten Abgasnachbehandlung unterworfen, bevor es nach Abgabe eines bestimmten Anteils seines Wärmeinhaltes als vorgewärmtes Prozeßgas den Brennkammern bzw. Verbrennungsräumen der Antriebseinheiten (2) wieder zugeführt oder teilweise oder ganz in die Atmosphäre ausgelassen wird.

Die Antriebseinheiten (2) können dabei auch durch eine Kombination von nach- oder parallelgeschalteten Verbrennungsmotoren oder Gasturbinenanlagen (Verdichter, Brennkammern, Turbinen mit Generator) sowie aus Kombinationen derartiger Anlagen bestehen.

Die Rückgewinung eines Teils des Wärmeinhaltes des Abgases erfolgt dabei in einer gleichzeitig einen Wärmetauscher und mindestens einen Abhitzekessel bildenden Kesselanlage (3), wobei in dieser gleichzeitig die eigentliche Abgasnachbehandlung stattfindet.

Zu diesem Zweck erfolgt in Abhängigkeit von der im Abgas an einer Meßstelle (11) unmittelbar hinter der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage gemessenen Sauerstoffkonzentration, in Abhängigkeit von den freien oder gebundenen reaktiven oder molekularen Sauerstoffmengen oder Gasgemischen daraus, sowie von den Abgasstoffkonzentrationen, Abgasstoffanteilen, den Abgasmengen, der im dortigen Abgas gegebenen Strömungsgeschwindigkeit, den Massenströmen des Abgases und der Abgastemperatur eine Eingebung und Einmischung von zusätzlichen Brennstoffmengen (13) in das in den Abhitzekessel bzw. die Kesselanlage (3) strömende Abgas, bzw. unmittelbar in diese Kesselanlage, so daß ein nahezu stöchiometrischer Verbrauch der gesamten Restsauerstoffmengen unter Reduktion der Abgasbestandteile wie NOx, CO oder unter Oxidation der in den Antriebseinheiten (2) unverbrannten Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffverbindungen erfolgt.

Die Oxidation der Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffverbindungen erfolgt dabei an einer Stelle der Abgasführung hinter dem Auslaß des Abgases der Antriebseinheiten (2) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases und/oder der Abgastemperatur und weiteren Parametern, welche die Verbrennung und chemische Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffverbindung in der gewünschten stöchiometrischen Weise beeinflussen.

In der Kesselanlage (3) erfolgt dabei unter einem sehr hohen thermischen Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen die Verbrennung der im Abgas noch vorhandenen Brennstoffe, wie Rußbestandteile von Brennstoffen, sowie der zusätzlich entsprechend der Brennstoffregelung für eine stöchiometrische Verbrennung der Schadstoffe einzudüsenden Brennstoffmengen (13).

Die Brennstoffregelung über die Eingabe zusätzlicher Brennstoffmengen (13) erfolgt dabei mittels Regelvorrichtungen, durch welche die Brennstoffzufuhr und eine ggf. noch notwendige Sauerstoffzufuhr über eine rechnergesteuerte und/oder programmierbare Steuerungs- und Regeleinheit (5) in Abhängigkeit von den über Meßvorrichtungen (z.B. Lamdasonde) festgestellten Massenströmen des Abgases, der Abgasströmungsgeschwindigkeit, reaktiven und/oder molekularen Sauerstoffmengen des Abgases, der Sauerstoffkonzentration, der Abgastemperatur und/oder im Abgas vorhandener unverbrannter Kohlenwasserstoffe bzw. Kohlenwasserstoffverbindungen derart aussteuerbar ist, daß zumindest eine nahezu stöchiometrische Reduktion und Oxidation bzw. Aufspaltung der im Abgas vorhandenen Schadstoffe erfolgt.

Der Betrieb der Steuerungs- und Regeleinheit (5) erfolgt dabei automatisch oder auch manuell. Ein manueller Betrieb bzw. Regelung erfolgt dabei, solange sich noch keine nahezu stationären Betriebsverhältnisse der Antriebseinheit (2) und/oder der Kesselanlage (3) eingestellt haben. Dabei erfolgt zunächst manuell eine Regelung entsprechend der dem Betreiber bekannten grundlegenden Parametern bzw. Betriebsverhältnisse (z.B. bei hauptsächlichen NOx-Anteilen im Abgas). Die automatische Regelung mittels der Steuerungs- und Regeleinheit (5) erfolgt dann, wenn die Betriebsverhältnisse der Anlage ausreichend stationär sind, so daß insofern eine sichere automatische Regelung möglich wird.

Von den Meßstellen befindet sich die Meßstelle (10) dabei im Abgasstrom der Kamin- bzw. Auspuffanlage (9).

Diese Messung dient dabei speziell der Durchführung einer Abgaskontrolle. Die Meßstelle (11) befindet sich dabei im Abgasstrom unmittelbar hinter der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage, während die Meßstelle (12) sich im in der Kesselanlage ausströmenden nachbehandelten Abgasstrom befindet.

Außer Gas und Öl kann als in den Feuerraum der Kesselanlage einzubringender Brennstoff (13) auch Kohle, Kohlenstaub oder ein anderer brennbarer fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoff eingebracht werden.

Zur Verbrennung von im Abgas der Antriebseinheiten (2) noch vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoffverbindungen wird dabei zusätzlich, ggf. in einem zweiten nachgeschalteten Abhitzekessel, und nach Entfernung der durch die Abgasbehandlung bereits entstandenen Bestandteile wie N2, NO2, zusätzlich zum Brennstoff (13) Sauerstoff eingegeben, so daß in stöchiometrischer Weise die bisher unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen oxidieren.

Der aus der Kesselanlage (3) austretende Abgasstrom wird dabei entweder über die Schornsteine einer Kaminanlage oder den Auspuffanlagen (9) der Antriebseinheiten (2) nach außen in die Atmosphäre abgegeben oder ganz oder teilweise als Abgasstrom (6) über einen Verdichter oder ein Gebläse (7) den Brennkammern bzw. Verbrennungsräumen der Antriebseinheiten (2) zugeführt.

Über ein Abgasklappensystem (4) ist es dabei möglich, den Abgasstrom (18) der Antriebseinheiten (2) unmittelbar ganz oder teilweise dem Feuerraum der Kesselanlage (3) zuzuführen oder als Abgasstrom (6a) in die Verbrennungsräume bzw. Brennkammern der Antriebseinheiten (2) zurückzuführen oder auch unmittelbar in die Kaminbzw. Auspuffanlage (9) ganz oder teilweise abzuleiten.

Vorzugsweise erfolgt dabei an der Meßstelle (10) im Abgasstrom vor dem Auslaß der Auspuff- bzw. Kaminanlage eine Kontrollmessung der zur Brennstoffregelung und Sauerstoffzuführung bzw. zur Erreichung der stöchiometrischen Verbrennung in der Kesselanlage (3) maßgeblichen Parameter, also der Abgasmenge, der Abgastemperatur, des Abgasdruckes, der Schadstoffkonzentration im Abgas (z.B. NOx, CO, HC, SO2) und weiterer für die manuelle oder automatische Steuerung und Regelung des Prozesses notwendiger Parameter.

Das Kühlsystem der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage ist in Fig. 1 mit der Bezugsziffer (12) gekennzeichnet. Über eine Umwälzpumpe (14) mit Druckerhaltung wird dabei über eine Rücklaufleitung (15) das Kühlwasser dem Kühlsystem (12) der Antriebseinheiten (2) zugeführt. Der Kühl- bzw. Heizkreis läuft dann über die Leitung (16) weiter in den im Abhitzekessel bzw. in der Kesselanlage (3) angelegten Wärmetauscher und von dort in den Vorlauf (17) zu einem Wärmeverbraucher.

Gleichzeitig kann über eine Ventileinrichtung vorgesehen werden, daß ein Teil des Wärmestromes in einem Kühlturm gekühlt wird, so daß der Wärmestrom danach mit dem den Wärmetauscher des Wärmeverbrauchers verlassenden Anteil die geeignete Prozeßtemperatur aufweist, um in den Antriebseinheiten (2) eine optimale Verbrennung der zugeführten Brennstoffe (1) zu bewirken. Der Rücklauf des Heiz- oder Wärmekreises ist dabei mit der Umwälzpumpe (14) versehen, so daß das den Antriebseinheiten (2) rückzuführende Kühlmedium für die richtigen Verbrennungsvoraussetzungen in den Antriebseinheiten sorgt.

Insofern ist es zusätzlich möglich, auf die Schadstoffbildung in den Brennkammern und Verbrennungsräumen der Antriebseinheiten (2) Einfluß zu nehmen und dabei auch die Schadstoffbildung im Abgas der Antriebseinheiten (2) zu verringern, wobei auch die bei Dieselbetrieb anfallenden Schadstoffe wie SOx beseitigt werden können.

Ohne Verwendung einer Katalysatoranlage lassen sich dabei mit der bloßen Abgasnachbehandlung auch für BHKW- mit kleinen Leistungsgrößen im Abgas die Emissionsgrenzwerte der technischen Anleitung Luft (Februar 1986) bei geringem technischem und investivem Aufwand ohne Schwierigkeiten unterschreiten.

Ausgangs- und Führungsgröße für die Auslegung der technischen Anlage des Kraft-Wärme-Kopplungssystems ist dabei der eigene Wärme- und Strombedarf des jeweiligen zu versorgenden Unternehmens. Sowohl das Kraft-Wärme-Kopplungssystem (KWK-System) als auch das konventionelle Kesselsystem übernehmen dabei beim BHKW die Wärmeversorgung. Die Eigenstromerzeugung erfolgt dabei lediglich im Parallelbetrieb zum öffentlichen Netz.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage mit einem nachgeschalteten Rekuperator, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen integrierten Abgasnachbehandlung zumindest ein Teil der kleinere "O"-Bindungsenergien als CO2 aufweisenden Bestandteile der Abgase von in der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage verbrannten Primär-Energiestoffen (Kohlenstoff-, Kohlenwasserstoffpartikel, Partikel aus Kohlenwasserstoffverbindungen oder vergaste Bestandteile aus diesen Stoffen) zusammen mit deren und weiteren im Abgas vorhandenen reaktiven Restsauerstoffmengen in einem Prozeßofen oder einer Kesselanlage gleichzeitig unter Eingebung und Vermischung mit zusätzlichen Brennstoffmengen derart umgesetzt werden, daß eine nahezu stöchiometrische Reduktion aller im Abgas vorhandenen reaktiven Restsauerstoffmengen bis auf die Restsauerstoffmengen von Kohlenwasserstoffverbindungen mit höheren Bindungsenergien bei der Nachverbrennung in dem Prozeßofen oder der Kesselanlage durch die im Abgas vorhandenen Kohlenwasserstoff- bzw. Kohlenstoffpartikel und die eingedüsten zusätzlichen Brennstoffmengen erfolgt, wobei eine Kessel- oder Ofenanlage verwendet wird, welche gleichzeitig als Funktionseinheit zur Abgasnachbehandlung, als Rekuperator, als Abhitzekessel und/oder Prozeßofen ausgebildet ist, und wobei deren Betrieb jeweils parallel zu dem der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage erfolgt.
  2. 2. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittel- oder unmittelbar der Abgasstrom der Kesselanlage oder des Prozeßofens ganz oder teilweise den Brennkammern oder Verbrennungsräumen der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage zurückgeführt wird.
  3. 3. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der zusätzlichen Brennstoffmengen in Abhängigkeit von den für die nahezu stöchiometrische Umsetzung der reaktiven Restsauerstoffmengen des Abgases maßgeblichen Paramtern geregelt wird.
  4. 4. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung in Abhängigkeit von der im Abgas unmittelbar hinter der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage gemessenen Sauerstoffkonzentration, den freien oder gebundenen reaktiven oder molekularen Sauerstoffmengen oder Gasgemischen daraus, den Abgasstoffkonzentrationen und Abgasstoffanteilen, den Abgasmengen, der im dortigen Abgas gegebenen Strömungsgeschwindigkeit, den Massenströmen des Abgases sowie der Abgastemperatur ganz oder teilweise erfolgt.
  5. 5. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach einem der Patentansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachbehandlung von im Abgas vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffverbindungen in der Kessel- oder Ofenanlage nach der Reduktion der Abgasbestandteile mit den reaktiven Sauerstoffmengen oder Gasgemischen daraus (z.B. NOx-Abgasbestandteile) zur Verbrennung der Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffverbindungen und zu deren chemischer Aufspaltung eine Eingabe zusätzlicher Brennstoffmengen und von Sauerstoff in Abhängigkeit der für die nahezu stöchiometrische Umsetzung der Restsauerstoffmengen und vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffverbindungen maßgeblichen Paramter erfolgt.
  6. 6. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung und chemische Aufspaltung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffverbindungen nach Entfernung der nachbehandelten Abgasbestandteile mit reaktiven Sauerstoffmengen in einem zweiten nachgeschalteten Abhitzekessel erfolgt, wobei in einem ersten Schritt zur Reduktion eine Brennstoffzugabe und im zweiten Schritt zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffverbindungen unter Brennstoff- und/oder Sauerstoffzugabe eine Verbrennung dieser Bestandteile bei den dazu notwendigen Verbrennungstemperaturen erfolgt.
  7. 7. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Stelle der Abgasführung hinter dem Auslaß der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases und/oder der Abgastemperatur die Verbrennung und chemische Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffverbindungen erfolgt.
  8. 8. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach Patentanspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung der Zugabe zusätzlicher Brennstoffmengen und von Sauerstoff zur Verbrennung und chemischen Aufspaltung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffverbindungen unter nahezu stöchiometrischer Umsetzung mit den somit gegebenen Restsauerstoffmengen, insbesondere in Abhängigkeit von der gemessenen freien und/oder gebundenen molekularen Sauerstoffmenge im Abgas, der Sauerstoffkonzentration im Abgas, den Abgasstoffkonzentrationen und -anteilen, den Massenströmen des Abgases, den Abgasmengen, der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases sowie der Abgastemperatur erfolgt.
  9. 9. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach einem der Patentansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasnachbehandlung kontinuierlich mit dem Betrieb der Verbrennungsmotoren- oder Gasturbinenanlage erfolgt oder bei Zwischenschaltung von Abgas-Speichersystemen diskontinuierlich.
  10. 10. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage nach einem der Patentansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entfernung der bereits durch Reduktion oder Oxidation nachbehandelten Abgasbestandteile durch Kondensation der Abgase bzw. von Abgasbestandteilen in einem Kondensator erfolgt.
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung einer der Verfahren nach den vorhergehenden Patentansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einer Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage sowie einer gleichzeitig als Rekuperator betriebenen Kessel- oder Ofenanlage besteht, in die das Abgas der Verbrennungsmotoren- oder Gasturbinenanlage und die beizumischenden Brennstoff-, Sauerstoff- oder Zuschlagmengen zur Abgasnachbehandlung regelbar automatisch und/oder manuell einbringbar sind.
  12. 12. Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage (2) nachgeschaltete Kessel- oder Ofenanlage (3) derart ausgelegt ist, daß sie als einzige Baueinheit gleichzeitig als Schalldämpfer, Rekuperator und/oder als Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung wirkt.
  13. 13. Vorrichtung nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Kessel- oder Ofenanlage (3) ein oder mehrere Kessel, Ofen, Drehrohröfen, Trockeneinheiten mit Verbrennungsraum oder Schalldämpfer mit Verbrennungsraum angelegt sind.
  14. 14. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung eines Teil (6) des Abgasstromes der Kessel- oder Ofenanlage (3) zum Verbrennungsraum bzw. der Brennkammer der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage (2) ein Leitungssystem (19) mit Gebläse (7) zwischen dem Verbrennungsraum bzw. der Brennkammer und dem Auslaß (20) der Kessel- oder Ofenanlage vorgesehen ist.
  15. 15. Vorrichtung nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dieses Leitungssytem (19) zwischen Kessel- und Ofenanlage (3) und der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage (2) eine zusätzliche Rückführungsleitung für einen Teilstrom (6a) des Abgasstromes (18) der Verbrennungsmotoren- und/oder Gasturbinenanlage zuschaltbar ist.
  16. 16. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß Regelvorrichtung (4, 5, 13) für die der Kessel- oder Ofenanlage (3) zugeführten Abgas- und Brennstoffmengen vorgesehen sind, welche über eine rechnergesteuerte und/oder programmierbare Steuerungs- und/oder Regelungseinheit (5) in Abhängigkeit von den über Meßvorrichtungen an Meßstellen (10, 11, 12) festgestellten Massenströmen des Abgases, der Abgasströmungsgeschwindigkeit, reaktiven und/oder molekularen Sauerstoffmengen des Abgases, der Abgastemperatur und/oder im Abgas vorhandener unverbrannter Kohlenwasserstoffe bzw. Kohlenwasserstoffverbindungen derart aussteuerbar sind, daß zumindest eine nahezu stöchiometrische Reduktion oder Oxidation bzw. Aufspaltung der im Abgas vorhandenen Schadstoffe erfolgt.
  17. 17. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 11- 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel- oder Ofenanlage (3) ein Kondensator nachgeschaltet ist, in welchem Abgase ganz oder teilweise kondensieren.
  18. 18. Verwendung einer Vorrichtung nach den Patentansprüchen 11-17 in einem Blockheizkraftwerk.






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