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DE102015000833B3 - Device for coupled waste incineration and production of electrical energy - Google Patents

Device for coupled waste incineration and production of electrical energy Download PDF

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DE102015000833B3
DE102015000833B3 DE102015000833.1A DE102015000833A DE102015000833B3 DE 102015000833 B3 DE102015000833 B3 DE 102015000833B3 DE 102015000833 A DE102015000833 A DE 102015000833A DE 102015000833 B3 DE102015000833 B3 DE 102015000833B3
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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung (7) und ein Verfahren zur gekoppelten Müllverbrennung und Gewinnung elektrischer Energie, die als kompakte Baueinheit ausgebildet ist. Die Vorrichtung (7) hat eine Müll-Brennkammer (3), die einen Brennkammereingang (31), einen Brennkammerausgang (32) und eine Beschickungsöffnung (9) aufweist. Ferner sind eine Vorverbrennungskammer (2), die zum Betrieb mit einem Zusatzbrennstoff ausgebildet ist und einen Eingang (21) und einen Ausgang (22) hat, eine Gasturbine (4a), ein Kompressor (4b) und ein Generator (5) vorgesehen, die über zumindest eine Welle drehfest mechanisch gekoppelt sind. Der Kompressor (4b) ist in Strömungsrichtung (S) gesehen der Vorverbrennungskammer (2) vorgelagert, und dazu ausgebildet, Umgebungsluft anzusaugen und zu komprimieren. Der Brennkammereingang (31) ist mit dem Ausgang (22) der Vorverbrennungskammer (2) verbunden und der Brennkammerausgang (32) ist direkt mit der Gasturbine (4a) verbunden.The present invention discloses a device (7) and a method for coupled waste incineration and production of electrical energy, which is designed as a compact unit. The device (7) has a refuse combustion chamber (3) having a combustion chamber inlet (31), a combustion chamber outlet (32) and a feed opening (9). Further, a pre-combustion chamber (2) adapted to operate with an auxiliary fuel and having an inlet (21) and an outlet (22), a gas turbine (4a), a compressor (4b) and a generator (5) are provided are mechanically coupled via at least one shaft rotatably. The compressor (4b) is upstream of the pre-combustion chamber (2) seen in the flow direction (S), and designed to suck in and compress ambient air. The combustor inlet (31) is connected to the outlet (22) of the precombustion chamber (2) and the combustor outlet (32) is directly connected to the gas turbine (4a).

Figure DE102015000833B3_0001
Figure DE102015000833B3_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gekoppelten Müllverbrennung und Gewinnung elektrischer Energie.The present invention relates to a device for coupled waste incineration and production of electrical energy.

Abfall, insbesondere nicht sortenreiner Hausmüll, stellt auf der ganzen Welt ein ernst zu nehmendes Umweltproblem dar. In den Schwellen- und Entwicklungsländern verschärft sich dieses durch den internationalen Warenaustausch, der dazu führt, dass auch in solchen Ländern abfallintensive Einwegprodukte konsumiert werden, immer weiter. Die Folgen dort sind Gewässerverschmutzung, Zerstörung weiter Landstriche durch Deponierung, auch mit der Folge der Ausbreitung von Seuchen, und Luftverschmutzung durch unkontrollierte offene Verbrennung, insbesondere durch NOx- bzw. SOx-Emissionen. Neben dem Müllproblem gibt es in Schwellen- und Entwicklungsländern oft Stromengpässe; die Stromversorgung ist – wenn überhaupt – oft nur für wenige Stunden am Tag verfügbar. Darüber hinaus sind ländliche Gebiete oft ganz vom Stromnetz abgeschnitten und haben daher entweder keinen Strom oder sind gezwungen, diesen durch Dieselgeneratoren selbst zu erzeugen.Waste, especially non-MSEE, is a serious environmental problem around the world. In emerging and developing countries, it is getting worse as a result of international trade, which means that waste-based disposable products are also consumed in such countries. The consequences there are water pollution, destruction of large areas by landfill, also with the consequence of the spread of disease, and air pollution by uncontrolled open combustion, in particular by NO x - or SO x emissions. In addition to the garbage problem, there are often power bottlenecks in emerging and developing countries; The power supply is - if at all - often only available for a few hours a day. In addition, rural areas are often cut off from the power grid and therefore either have no electricity or are forced to produce it by diesel generators themselves.

Es ist bekannt, dass trockener Hausmüll einen vergleichsweise hohen Heizwert hat, der im Bereich von 2,5 bis 12 MJ/kg liegt. In Müllverbrennungsanlagen muss daher lediglich in bestimmten Betriebszuständen (bspw. beim Anfahren oder bei Teillast) zugefeuert werden. Die bei der Müllverbrennung erzeugte Wärme wird in üblichen Müllverbrennungsanlagen daher in thermodynamischen Kreisprozessen genutzt. Üblicherweise wird dabei eine Rostfeuerung eingesetzt, die mit dem Hausmüll beschickt wird, dort sind auch die Hilfs- bzw. Anfahrbrenner angeordnet. Die Rauchgase werden dann zu einem konventionellen Dampfkessel geleitet, über den überhitzter Wasserdampf bereitgestellt wird, mit dem eine Dampfturbine betrieben wird, die einen Stromgenerator antreibt.It is known that dry household waste has a comparatively high calorific value, which is in the range of 2.5 to 12 MJ / kg. In waste incineration plants must therefore be fired only in certain operating conditions (eg, when starting or at partial load). The heat generated in waste incineration is therefore used in conventional waste incineration plants in thermodynamic cycles. Usually, a grate firing is used, which is charged with household waste, there are also the auxiliary or Anfahrbrenner arranged. The flue gases are then routed to a conventional steam boiler, where superheated steam is supplied to operate a steam turbine that drives a power generator.

Ein solches System ist aufgrund der vielen Systemkomponenten, der hohen Drücke von mehreren Hundert bar und der großen Komplexität nicht dafür geeignet, wesentlich herunter skaliert zu werden. Bei Müllverbrennungsanlagen, die Strom über einen Dampfkraftwerksprozess erzeugen, handelt es sich daher ausschließlich um zentrale Großanlagen. Eine solche Müllverbrennungsanlage wird in der EP 2 541 144 A1 beschrieben.Such a system is not capable of being scaled down significantly due to the many system components, high pressures of several hundreds of bars, and high complexity. In waste incineration plants that generate electricity through a steam power plant process, therefore, it is all about centralized large-scale facilities. Such a waste incineration plant is in the EP 2 541 144 A1 described.

Zur energetischen Nutzung von Hausmüll in kleineren Anlagen sind verschiedene Ansätze bekannt. So wird in der DE 20 315 416 U1 ein System beschrieben, das eine in einem Container untergebrachte Kompostieranlage aufweist, die mit Bioabfällen beschickt wird und unter Regelung von Feuchte, Temperatur und einer Durchmischung Fertigkompost erzeugt. Der Fertigkompost wird anschließend mit Papierabfällen vermischt und in Brikettform gepresst um verbrannt zu werden.For the energetic use of household waste in smaller systems, various approaches are known. So will in the DE 20 315 416 U1 describes a system comprising a composting plant housed in a container, which is charged with biowaste and produces finished compost under the control of humidity, temperature and mixing. The finished compost is then mixed with paper waste and pressed in briquette form to be burned.

Aus US 20120235423 A1 ist eine Verbrennungsanlage für Holzhäcksel bekannt. Dort sind angrenzend an einen Verbrennungsraum, der mit dem gehäckseltem Holz beschickt wird, Wärmetauscher angeordnet, durch die ein Prozessfluid geleitet wird, das durch die Wärmeaufnahme insbesondere vergast werden kann. Das Prozessfluid treibt einen Turbosatz an, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Vorrichtung dort ist zwar etwas kleiner als die gewöhnlichen Müllverbrennungsanlagen jedoch immer noch zu groß, um wirtschaftlich Kleinstmengen zu verbrennen; auch ist die Systemkomplexität aufgrund des Prozessfluidkreises relativ hoch.Out US 20120235423 A1 is a wood chimney incinerator known. There are adjacent to a combustion chamber, which is fed with the chopped wood, arranged heat exchanger through which a process fluid is passed, which can be gasified by the heat absorption in particular. The process fluid drives a turbo set to generate electrical energy. The device there is indeed a little smaller than the usual incinerators but still too large to economically burn small amounts; Also, the system complexity is relatively high due to the process fluid circuit.

Darüber hinaus sind für den medizinischen Bereich Kleinverbrennungsvorrichtungen bekannt, die jedoch einzig der Abfallbeseitigung dienen, beispielsweise zur Keimabtötung, und keine Kraftkopplung haben.In addition, small combustion devices are known in the medical field, but only serve the disposal of waste, for example, the germ killing, and have no power coupling.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur gekoppelten Müllverbrennung und Stromerzeugung zu schaffen, die sich für den dezentralen Einsatz zur Verbrennung von Kleinmengen im Bereich einiger Kilogramm Müll eignet und die sich durch eine geringe Systemkomplexität und kompakte Bauweise auszeichnet.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a device for coupled waste incineration and power generation, which is suitable for the decentralized use for the combustion of small amounts in the range of a few kilograms of waste and which is characterized by a low system complexity and compact design ,

Diese Aufgabe wird durch eine Müllverbrennungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a refuse incineration device having the features of independent claim 1.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments are set forth in the subclaims.

Die weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Müllverbrennung und Stromerzeugung zu schaffen, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.The further object of providing a method for waste incineration and power generation is achieved by the method having the features of claim 10.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur gekoppelten Müllverbrennung und Gewinnung elektrischer Energie ist als kompakte Baueinheit ausgebildet. Die Vorrichtung weist eine Müll-Brennkammer auf, die einen Brennkammereingang, einen Brennkammerausgang und eine Beschickungsöffnung hat. Ferner hat die Vorrichtung eine Vorverbrennungskammer, die zum Betrieb mit einem Zusatzbrennstoff vorgesehen ist und einen Eingang und einen Ausgang hat. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung noch eine Gasturbine, einen Kompressor und einen Generator, die über zumindest eine Welle drehfest mechanisch gekoppelt sind. Der Kompressor ist in Strömungsrichtung gesehen der Vorverbrennungskammer vorgelagert und dazu ausgebildet, Umgebungsluft anzusaugen und zu komprimieren. Der Eingang der Müll-Brennkammer ist dabei mit dem Ausgang der Vorverbrennungskammer verbunden und der Ausgang der Müll-Brennkammer ist direkt mit der Gasturbine verbunden. The inventive device for coupled waste incineration and recovery of electrical energy is designed as a compact unit. The apparatus includes a refuse combustor having a combustor inlet, a combustor exit, and a feed opening. Further, the apparatus has a pre-combustion chamber, which is provided for operation with an auxiliary fuel and has an input and an output. In addition, the device also comprises a gas turbine, a compressor and a generator, which are mechanically coupled in a rotationally fixed manner via at least one shaft. The compressor is upstream of the precombustion chamber as seen in the flow direction and adapted to suck and compress ambient air. The input of the refuse combustion chamber is connected to the output of the precombustion chamber and the output of the refuse combustion chamber is connected directly to the gas turbine.

Unter „kompakte Baueinheit” wird hierin verstanden, dass die wesentlichen technischen Einrichtungen, also zumindest die Brennkammern, der Kompressor und die Turbine in einem engen örtlichen Bezug angeordnet sind und insbesondere nicht getrennt sind. So wird eine Vorrichtung geschaffen, die mobil ist und mit wenig Aufwand auf- und abgebaut werden kann. In der Vorverbrennungskammer wird erfindungsgemäß ein Zusatz- bzw. Hilfsbrennstoff verbrannt, der die Müll-Brennkammer bei der Inbetriebnahme auf die nötige Temperatur im Bereich von mindestens 400 bis 450 K bringt. Je nach Zusammensetzung, Feuchte und anderen Eigenschaften des zu verbrennenden Mülls stellt sich dann ein stationärer Betriebszustand ein, in dem kein Zusatz- bzw. Hilfsbrennstoff mehr zugefeuert werden muss.By "compact unit" is meant herein that the essential technical equipment, ie at least the combustion chambers, the compressor and the turbine are arranged in a close local reference and in particular are not separated. Thus, a device is created that is mobile and can be assembled and disassembled with little effort. In the precombustion chamber according to the invention an auxiliary or auxiliary fuel is burned, which brings the refuse combustion chamber at startup to the required temperature in the range of at least 400 to 450 K. Depending on the composition, humidity and other properties of the refuse to be incinerated, a stationary operating state then arises in which no additional or auxiliary fuel needs to be added.

Die Gasturbine, der Kompressor und der Generator werden vorteilhafter Weise koaxial angeordnet und können aus Kostengründen als Einwellenmaschine ausgebildet sein; es bleibt eine abweichende Anordnung mit geteilten Wellen, Zwischengetrieben etc. aber möglich. Die Gesamtheit von Welle, Brennkammern, Kompressor und Gasturbine kann auch als Wellentriebwerk bezeichnet werden. Der in der Vorrichtung ablaufende Prozess kann unter Vernachlässigung auftretender Irreversibilitäten als Gasturbinenprozess (Joule-Brayton-Prozess) berechnet werden. Dieser aus einer adiabatischen Kompression, einer isobaren Erwärmung, einer adiabatischer Expansion und einer isobaren Kompression bestehende Kreisprozess ist dem Fachmann bekannt.The gas turbine, the compressor and the generator are advantageously arranged coaxially and can be designed for cost reasons as a single shaft machine; it remains a different arrangement with split shafts, intermediate gears, etc. but possible. The totality of shaft, combustion chambers, compressor and gas turbine can also be referred to as a shaft engine. The running in the device process can be calculated neglecting occurring irreversibilities as a gas turbine process (Joule-Brayton process). This cyclic process consisting of adiabatic compression, isobaric heating, adiabatic expansion and isobaric compression is known to the person skilled in the art.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere als „Mikro-Müllverbrennungsvorrichtung” zu verstehen, die eine hohe Systemintegration hat, einfach auf- und abzubauen ist und einfach gewartet werden kann. Unter „Mikro” wird hierin verstanden, dass die Vorrichtung für die Verbrennung von Müll im Kilogramm-Bereich ausgebildet ist, während Groß-Müllverbrennungsanlagen durchaus Kapazitäten von einigen hundert Tonnen pro Tag haben. Die räumlichen Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung betragen in keiner Raumrichtung mehr als einige wenige Meter; typischerweise etwa maximal 3 Kubikmeter oder die Größe eines typischen Mittelklasse-PKW. Damit kann die Vorrichtung an nahezu jedem beliebigen Ort aufgestellt werden.The device according to the invention is to be understood in particular as a "micro-waste incineration device" which has a high system integration, is easy to assemble and disassemble and can be easily maintained. By "micro" it is meant herein that the apparatus is designed for the incineration of garbage in the kilogram range, while large-scale incinerators have quite capacities of a few hundred tons per day. The spatial dimensions of the device according to the invention in any spatial direction are more than a few meters; typically about a maximum of 3 cubic feet or the size of a typical mid-range car. Thus, the device can be placed in almost any location.

Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen, diskontinuierlich mit einer bestimmten vergleichsweise kleinen Müllmenge beschickt zu werden.The device is intended to be charged discontinuously with a certain comparatively small amount of waste.

Im Ergebnis ist die erfindungsgemäße Vorrichtung technisch minimalistisch und kann daher kostengünstiger hergestellt und betrieben werden als bekannte Müllverbrennungsanlagen mit Dampfkraftwerksprozess. Insbesondere in Entwicklungsländern mit unzureichend entwickelter Infrastruktur hat die erfindungsgemäße Vorrichtung das Potential, die Umweltverschmutzung signifikant zu verringern, da der Müll nicht mehr deponiert werden muss; ihr Einsatz trägt zur Luftreinhaltung bei, da bei einer kontrollierten Verbrennung bei den wie vorgesehen sehr hohen Temperaturen weniger Schadstoffe frei werden. Zudem erzeugt die Vorrichtung während ihres Betriebs vorteilhaft elektrischen Strom, der insbesondere in entlegenen Gegenden eine Stromversorgung ermöglicht und die Abhängigkeit von Dieselgeneratoren senkt. Die Nutzbarkeit des Landes wird erhöht, da dort kein Müll deponiert werden muss; das Land kann produktiv genutzt werden.As a result, the device according to the invention is technically minimalist and can therefore be manufactured and operated more cost-effectively than known waste incineration plants with steam power plant process. Particularly in developing countries with insufficiently developed infrastructure, the device according to the invention has the potential to significantly reduce environmental pollution, since the waste no longer has to be disposed of; their use contributes to the air pollution control, as with a controlled combustion at the very high temperatures as intended, less pollutants are released. In addition, the device advantageously generates electrical power during its operation, which enables a power supply, especially in remote areas, and reduces dependence on diesel generators. The usability of the land is increased because there no waste has to be dumped; the land can be used productively.

Der Hauptnutzen der Vorrichtung liegt in der Vernichtung des Mülls, während die Bereitstellung elektrischen Stroms als Nebennutzen verstanden wird; aus diesem Grund ist die Vorrichtung nicht zwingend auf möglichst hohen Strom-Output optimiert; sie kann aber dahingehend optimiert werden. In erster Linie soll die Vorrichtung robust und kostengünstig sein; die Gasturbine und/oder der Kompressor sollen daher als günstig bereitstell-bare lowtec-Bauteile verstanden werden.The main benefit of the device is the destruction of the waste, while the provision of electrical power is understood as a secondary benefit; For this reason, the device is not necessarily optimized for the highest possible current output; but it can be optimized to that effect. First and foremost, the device should be robust and inexpensive; The gas turbine and / or the compressor should therefore be understood as low-component available lowtec components.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Müll-Brennkammer einen Rost aufweisen, der an die Vorverbrennungskammer angrenzt. Alternativ oder zusätzlich kann die Müll-Brennkammer so dimensioniert sein, dass sie ein Fassungsvermögen von Müll in einem Bereich von 1 bis 1000 kg hat. Die Müll-Brennkammer kann aber auch noch bedeutend kleiner sein und beispielsweise ein Fassungsvermögen von 10 bis 300 kg oder sogar nur von 10 bis 40 kg haben. Die genannten Müllmengen beziehen sich auf eine einmalige Füllung der Müll-Brennkammer zum Abbrand. Es wird klar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von typischen Müllmengen eines Mehrpersonen-Haushalts oder kleinen Dorfes vorgesehen ist und nicht zur Müllbeseitigung im industriellen Maßstab. Die Vorrichtung eignet sich daher zum Einsatz in einer dezentral organisierten Infrastruktur; Transporte können dadurch auf ein Minimum reduziert werden.In another embodiment, the garbage combustor may include a grid adjacent to the precombustion chamber. Alternatively or additionally, the garbage combustor may be sized to have a garbage capacity in a range of 1 to 1000 kg. The refuse combustion chamber can also be significantly smaller and, for example, a capacity of 10 to 300 kg or even only from 10 to 40 kg. The above amounts of refuse refer to a one-time filling of the refuse combustion chamber for burning. It will be appreciated that the apparatus according to the invention is intended for treating typical refuse quantities of a multi-person household or small village and not for waste removal on an industrial scale. The device is therefore suitable for use in a decentrally organized infrastructure; Transport can be reduced to a minimum.

Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung ein Gehäuse aufweisen, in dem die Müll-Brennkammer, die Vorverbrennungskammer, die Gasturbine, der Kompressor und der Generator angeordnet sind. Das Gehäuse stellt dann einen zusammenhängenden und fluiddichten Strömungspfad von den Lufteintrittsöffnungen bis zu der Gasturbine bereit.In yet another embodiment, the apparatus may include a housing in which the garbage combustor, pre-combustion chamber, gas turbine, compressor, and generator are disposed. The housing then provides a continuous and fluid-tight flow path from the air inlets to the gas turbine.

Das Gehäuse kann etwa in einem – in Strömungsrichtung gesehen – dem Kompressor vorgelagerten Bereich Lufteintrittsöffnungen haben, die über einen Gehäuseumfang verteilt vorliegen. Optional kann an den Lufteintrittsöffnungen jeweils zumindest ein Wirbelerzeuger, beispielsweise ein Luftleitblech, angeordnet sein. Über die Wirbelerzeuger wird der Strömung bevorzugt ein Drall um die Strömungsrichtung aufgeprägt, der sowohl die Verbrennung in der Müll-Brennkammer unterstützt als auch eine effiziente Anströmung der Laufschaufeln der Gasturbine ermöglicht.The housing can have approximately in a - upstream in the flow direction - the compressor air inlet openings, which are distributed over a housing circumference. Optionally, at least one vortex generator, for example an air guide plate, can be arranged at the air inlet openings. About the vortex generators the flow is preferably impressed a swirl around the flow direction, which supports both the combustion in the refuse combustion chamber and allows efficient flow of the blades of the gas turbine.

Zur Befüllung kann das Gehäuse eine Abdeckung oder Klappe haben, die geöffnet wird, um die Müll-Brennkammer über die Beschickungsöffnung mit zu verbrennendem Müll zu befüllen. Es kann sogar vorgesehen sein, dass der Durchlassquerschnitt der Lufteintrottsöffnungen durch Klappen geregelt werden kann und/oder dass ein zweiter Luftströmungspfad durch einen Gehäuseboden bereitgestellt wird; somit kann die Luftzufuhr optimal geregelt werden, sodass die Verbrennung stets unter der optimalen Luftzahl stattfinden kann.For filling, the housing may have a cover or flap which is opened to fill the garbage combustion chamber via the feed opening with garbage to be incinerated. It can even be provided that the passage cross-section of the air inlets can be regulated by means of flaps and / or that a second airflow path is provided by a housing bottom; Thus, the air supply can be optimally controlled, so that the combustion can always take place below the optimum air ratio.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch das Gehäuse auch leicht transportiert werden; zu diesem Zweck kann/können daran beispielsweise Griffe, Haken oder Rollen vorgesehen sein, sodass die Vorrichtung entweder händisch oder mit Hilfe eines Krans bzw. einer anderen mobilen Arbeitsmaschine oder einem PKW bewegt werden kann.The device according to the invention can also be easily transported through the housing; For this purpose, handles, hooks or rollers can be provided thereon, for example, so that the device can be moved either manually or by means of a crane or another mobile working machine or a car.

Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Müllverbrennungsvorrichtung als Standgerät mit einer vertikalen Ausrichtung der Welle ausgebildet ist. Hierbei kann das Gehäuse etwa eine Standbasis aufweisen, an der zumindest drei Standfüße angeordnet sind.It can also be provided that the refuse incinerator is designed as a stand-alone unit with a vertical orientation of the shaft. Here, the housing may have approximately a stand base on which at least three feet are arranged.

Unter „Gerät” wird die Gesamtheit der zusammenhängenden Systemkomponenten bei voller Systemintegration verstanden; die Luft strömt daher in vertikaler Richtung. Bevorzugt ist hierbei die Luftansaugung bzw. der Kompressor unten angeordnet und die Gasturbine weiter oben. In dieser Anordnung wird vorteilhaft auch ein Kamineffekt erreicht, bei dem durch die Erhitzung der Luft in der Müll-Brennkammer deren Aufsteigen durch natürliche Konvektion erreicht wird, was dazu führt, dass Frischluft von unten (durch die Lufteintrittsöffnungen) nachgesaugt wird. Hierdurch kann auch ein höherer Druck in der/den Brennkammer(n) erreicht werden, was einer erhöhten Sauerstoffzufuhr und damit zu höheren Verbrennungstemperaturen führt."Device" means the entirety of the connected system components with full system integration; the air therefore flows in a vertical direction. Preferably, the air intake or the compressor is arranged below and the gas turbine further up. In this arrangement, a chimney effect is advantageously achieved, in which by the heating of the air in the garbage combustion chamber whose rise is achieved by natural convection, resulting in that fresh air from below (through the air inlet openings) is sucked. As a result, a higher pressure in the / the combustion chamber (s) can be achieved, resulting in an increased oxygen supply and thus higher combustion temperatures.

Des Weiteren kann in dem Gehäuse ein elektrischer Energiespeicher, bevorzugt ein Akkumulator, angeordnet sein, der elektrisch mit dem Generator verbunden ist. Der elektrische Energiespeicher ist vorteilhaft in der Standbasis des Gehäuses angeordnet, sodass die Vorrichtung einen tiefen Schwerpunkt hat und standsicher ist. Ferner kann an dem Gehäuse eine von außen zugängliche Steckdose angeordnet sein, die elektrisch mit dem Energiespeicher verbunden ist. Einrichtungen, die üblicherweise zum Laden von Akkus eingesetzt werden, wie ein Laderegler mit Verpolungsschutz, Übertemperaturwächter etc. und/oder ein Spannungswandler mit Wechselrichter, der die Akkuspannung auf übliches Netzniveau bringt, können auch vorgesehen sein, sodass an der Steckdose Standard-Elektrogeräte betrieben werden können. Selbstverständlich muss der erzeugte Strom nicht zwischengespeichert werden, er kann auch direkt verbraucht werden.Furthermore, an electrical energy store, preferably an accumulator, which is electrically connected to the generator can be arranged in the housing. The electrical energy store is advantageously arranged in the base of the housing, so that the device has a low center of gravity and is stable. Further, an externally accessible socket can be arranged on the housing, which is electrically connected to the energy storage. Devices that are commonly used to charge batteries, such as a charge controller with reverse polarity protection, overtemperature monitor, etc. and / or a voltage converter with inverter, which brings the battery voltage to normal network level, can also be provided so that standard electrical appliances are operated at the socket can. Of course, the electricity generated must not be cached, it can also be consumed directly.

Darüber hinaus kann die Vorverbrennungskammer entweder zur Verbrennung von festen oder von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen ausgebildet sein. Eine Vorverbrennungskammer zu Verbrennung von festen Brennstoffen weist beispielsweise einen Feuerungsrost auf, während die Vorverbrennungskammer zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen zumindest einen Brenner, eine Einspritzdüse und/oder ein Einspritzventil für den Brennstoff aufweist.In addition, the precombustion chamber may be designed either for combustion of solid or liquid or gaseous fuels. For example, a pre-combustion chamber for burning solid fuel has a combustion grate, while the pre-combustion chamber for combustion of liquid or gaseous fuels has at least one burner, an injection nozzle and / or an injection valve for the fuel.

Unter festem Brennstoff kann beispielsweise Holz, Holkohle, Torf, Kohle, Koks etc. verstanden werden; mögliche flüssige/gasförmgie Brennstoffe können Benzin, Diesel, Alkohol, Methan, Propan, Butan und andere sein. Die festen Brennstoffe können der Vorverbrennungskammer auch als Staub oder feines Granulat bzw. Pellets zugeführt werden, sodass dann auch ein Brenner und kein Feuerungsrost vorgesehen ist.By solid fuel may be understood, for example, wood, coal, peat, coal, coke, etc.; Potential liquid / gas fuels can include gasoline, diesel, alcohol, methane, propane, butane and others be. The solid fuels can be supplied to the precombustion chamber as dust or fine granules or pellets, so that then a burner and no Feuerungsrost is provided.

In einer Weiterbildung kann der Brenner, die Einspritzdüse und/oder das Einspritzventil der Vorverbrennungskammer über eine Leitung, die durch das Gehäuse nach außen geführt ist, mit einer Brennstoffquelle verbunden sein. Die Brennstoffquelle kann dabei vorteilhafter Weise eine Aufnahme für einen auswechselbaren Brennstoffbehälter etwa für eine Normkartusche, haben. Als Normkartusche kommen die sehr weit verbreiteten Einstechkartuschen, wie sie in Campingkochern und -lampen eingesetzt werden, in Frage. Der Brenner, die Einspritzdüse und/oder das Einspritzventil können insbesondere so in Bezug zu der Müll-Brennkammer angeordnet sein, dass eine optimale Wärmezufuhr zu der Müll-Brennkammer ermöglicht wird.In a development, the burner, the injection nozzle and / or the injection valve of the pre-combustion chamber can be connected to a fuel source via a line which is led through the housing to the outside. The fuel source can advantageously have a receptacle for a replaceable fuel tank as for a standard cartridge. As a standard cartridge come the very widespread piercing cartridges, as used in camping cookers and lamps, in question. The burner, the injection nozzle and / or the injection valve may in particular be arranged in relation to the garbage combustion chamber, that an optimal supply of heat to the garbage combustion chamber is made possible.

Ferner kann es sich bei der Gasturbine um eine mehrstufige Gasturbine handeln, die bevorzugt jeweils wenigstens einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Kompressor über ein Übersetzungsgetriebe, etwa ein Planetengetriebe, mit der Welle gekoppelt sein. Die Gasturbine kann, wenn es geeignet erscheint, auch noch mehr als zwei Stufen haben. Über die Aufteilung der Gasturbine in Hochdruck- und Niederdruckteil kann ein besserer Turbinenwirkungsgrad erreicht werden, da die Lauf-/Leitschaufeln besser an die vorliegenden Strömungsgeschwindigkeiten und Mediumseigenschaften angepasst werden können.Furthermore, the gas turbine may be a multi-stage gas turbine, which preferably has at least one high-pressure part and one low-pressure part. Alternatively or additionally, the compressor via a transmission gear, such as a planetary gear to be coupled to the shaft. The gas turbine may, if deemed appropriate, also have more than two stages. By dividing the gas turbine into high-pressure and low-pressure parts, a better turbine efficiency can be achieved since the rotor / guide vanes can be better adapted to the prevailing flow rates and medium properties.

Schließlich kann die Gasturbine einen Brenngasauslass aufweisen, der an einen Abgasstrang angekoppelt ist. Optional kann in dem Abgasstrang zumindest ein Wärmetauscher, durch den ein Wärmeträgermedium leitbar ist und/oder zumindest ein Filter, bevorzugt ein druckverlustoptimierter Filter, angeordnet sein. Unbenommen bleibt die Möglichkeit, Filter auch auf der Ansaugseite im Bereich der Lufteinlassöffnungen vorzusehen. Der Abgasstrang kann in einen Schornstein münden, der direkt hinter der Turbine beispielsweise auch als Diffusor ausgebildet sein kann. Über eine Anordnung eines Wärmetauschers im Abgasstrang kann die Abwärme des Gasturbinenprozesses genutzt werden, beispielsweise zur Raumheizung oder als Prozesswärme; durch diese Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) lässt sich der energetische Gesamtwirkungsgrad verbessern.Finally, the gas turbine may have a fuel gas outlet, which is coupled to an exhaust line. Optionally, at least one heat exchanger through which a heat transfer medium can be conducted and / or at least one filter, preferably a pressure loss-optimized filter, can be arranged in the exhaust gas line. It is not possible to provide filters on the suction side in the area of the air inlet openings. The exhaust system can lead into a chimney, which can be formed directly behind the turbine, for example, as a diffuser. About an arrangement of a heat exchanger in the exhaust system, the waste heat of the gas turbine process can be used, for example for space heating or process heat; This combined heat and power (CHP) can be used to improve overall energy efficiency.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Müllverbrennung und Gewinnung elektrischer Energie wird unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung ausgeführt. Es umfasst die folgenden Schritte:

  • a) Beschicken der Müll-Brennkammer über die Beschickungsöffnung mit einer vorbestimmten Menge Müll,
  • b) so lange Verbrennen von Zusatzbrennstoff in der Vorverbrennungskammer bis in der Müll-Brennkammer eine vorbestimmte Betriebstemperatur herrscht, dadurch Entzünden und Verbrennen des Mülls,
  • c) dabei kontinuierlich Ausleiten von Brenngasen aus der Müll-Brennkammer zu der Gasturbine, dadurch Antreiben der Gasturbine und dadurch über die Welle Antreiben des Kompressors und des Generators,
  • d) dabei durch den Kompressor Ansaugen und Komprimieren von Umgebungsluft und der Vorverbrennungskammer Zuführen und durch den Generator Erzeugen von elektrischer Energie,
  • e) kontinuierlich Ausführen der Schritte c) und d) bis die vorbestimmte Menge Müll verbrannt ist.
The inventive method for waste incineration and recovery of electrical energy is carried out using the apparatus described above. It includes the following steps:
  • a) Charging the waste combustion chamber via the feed opening with a predetermined amount of waste,
  • b) as long as burning of additional fuel prevails in the pre-combustion chamber until the waste-combustion chamber reaches a predetermined operating temperature, thereby igniting and burning the refuse,
  • c) thereby continuously discharging fuel gases from the refuse combustion chamber to the gas turbine, thereby driving the gas turbine and thereby via the shaft driving the compressor and the generator,
  • d) supplying by the compressor suction and compression of ambient air and the precombustion chamber and by the generator generating electrical energy,
  • e) continuously performing steps c) and d) until the predetermined amount of refuse is burnt.

Nachdem der Abbrand beendet ist, kann die Müll-Brennkammer gereinigt werden und wird für den nächsten Abbrand vorbereitet. Die Betriebstemperaturen in der Müll-Brennkammer betragen mindestens 400 K, besser 450 K und mehr, wobei höhere Verbrennungstemperaturen, etwa im Bereich von 975 K, zu einer schadstoffarmen Verbrennung und einem guten Wirkungsgrad führen.After the burnup is finished, the garbage combustor can be cleaned and prepared for the next burnup. The operating temperatures in the garbage combustor are at least 400 K, better 450 K and more, with higher combustion temperatures, such as in the range of 975 K, lead to a low-emission combustion and good efficiency.

Es kann optional beim Anfahren vorgesehen sein, den Rotor (Laufbeschaufelung) des Kompressors zunächst „festzuhalten”, d. h., seinen Drehfreiheitsgrad zu sperren, sodass dieser als Stator wirkt und der Strömung in die Vorverbrennungskammer und die Müll-Brennkammer einen Drall aufprägt; diese Sperrung des Drehfreiheitsgrads kann dann bei Erreichen der vorbestimmten Temperatur der Müll-Brennkammer wieder aufgehoben werden.It may optionally be provided when starting to "hold" the rotor (rotor blading) of the compressor first, d. h., To lock its rotational freedom, so that it acts as a stator and the flow in the precombustion chamber and the refuse combustion chamber imparting a twist; This blocking of the rotational degree of freedom can then be canceled again upon reaching the predetermined temperature of the refuse combustion chamber.

Der Zusatzbrennstoff (z. B. Stückholz) wird vorteilhafter Weise bereits angezündet, bevor dieser in die Vorverbrennungskammer gegeben wird; es kann darin aber auch eine geeignete Zündvorrichtung angeordnet sein.The additional fuel (eg piece of wood) is advantageously already ignited before it is added to the precombustion chamber; but it can also be arranged in a suitable ignition device.

Über das erfindungsgemäße Verfahren können etwa 170 Wh Strom pro kg trockenem Haushaltsmüll erzeugt werden; wobei die genaue Strommenge stark von der Zusammensetzung und dem Feuchtegrad des Haushaltsmülls abhängt.About 170 Wh of electricity per kg of dry household waste can be generated by the process according to the invention; where the exact amount of electricity depends heavily on the composition and the moisture content of household waste.

Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.Other embodiments as well as some of the advantages associated with these and other embodiments will become apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings Figures clear and easier to understand. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung, 1 a perspective view of the device,

2 eine Detailansicht der Vorverbrennungskammer für flüssige oder gasförmige Brennstoffe, 2 a detailed view of the precombustion chamber for liquid or gaseous fuels,

3 eine Detailansicht der Vorverbrennungskammer für feste Brennstoffe, 3 a detailed view of the pre-combustion chamber for solid fuels,

4 ein Systemschaltbild der Vorrichtung, 4 a system diagram of the device,

5a, b p-V- und T-s-Diagramme des Joule-Brayton-Prozesses. 5a , b pV and Ts diagrams of the Joule-Brayton process.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 7, wie in 1 gezeigt, mit der in Kombination Müll verbrannt und elektrische Energie erzeugt wird, handelt es sich um eine kompakte Baueinheit, in der alle funktionsrelevanten Komponenten zusammenhängend angeordnet sind. Anders als bekannte Müllverbrennungsanlagen mit Kraftnutzung, die sehr große und komplexe Einrichtungen sind, die den Dampfkraftwerksprozess nutzen, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 7 technisch puristisch.In the device according to the invention 7 , as in 1 shown, burned with the combined waste and electrical energy is generated, it is a compact unit in which all functionally relevant components are arranged contiguously. Unlike known power-driven waste incinerators, which are very large and complex devices that utilize the steam power plant process, the device of the present invention 7 technically puristic.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um ein kompaktes Standgerät, innerhalb dessen Gehäuses 70 in Strömungsrichtung S gesehen ein Kompressor 4b, eine Vorverbrennungskammer 2, eine Müll-Brennkammer 3, und eine zweistufige Gasturbine 4a angeordnet ist. Der Eingang 21 der Vorverbrennungskammer 2 ist mit dem Kompressor 4b verbunden und der Ausgang 22 der Vorverbrennungskammer 2 mit dem Eingang 31 der Müll-Brennkammer 3.In the in 1 embodiment shown is a compact stand device, within which housing 70 in the flow direction S seen a compressor 4b , a precombustion chamber 2 , a garbage combustor 3 , and a two-stage gas turbine 4a is arranged. The entrance 21 the precombustion chamber 2 is with the compressor 4b connected and the output 22 the precombustion chamber 2 with the entrance 31 the garbage combustor 3 ,

Der Müll, etwa trockener Hausmüll, wird der Müll-Brennkammer 3 diskontinuierlich über die Beschickungsöffnung 9 zugeführt, die nach dem Beschicken mit einer Klappe verschlossen wird.The garbage, such as dry household waste, becomes the garbage combustor 3 discontinuously over the feed opening 9 fed, which is closed after loading with a flap.

Um den Müll-Verbrennungsprozess in Gang zu setzen, wird zunächst in der Vorverbrennungskammer 2 ein Hilfsbrennstoff, der fest, flüssig oder gasförmig sein kann, verbrannt, um die Müll-Brennkammer 3 auf Betriebstemperatur zu bringen. Hat die Müll-Brennkammer 3 ihre Betriebstemperatur (bei trockenem Hausmüll etwa 475 K), entzündet sich der Müll und gibt Wärme ab. Frischluft kann hierbei von unten nachströmen; hierzu hat das Gehäuse 70 über seinen Umfang verteilt Lufteintrittsöffnungen 8, durch die die Luft zum Kompressor 4b gelangen kann; wenn sich der Rotor des Kompressors 4b noch nicht dreht, wird die Luft noch nicht in die Vorverbrennungskammer 2 gepresst, sondern wird durch die Beschaufelung des Kompressors 4b gesaugt, wobei der Luftströmung ein Drall aufgeprägt werden kann.To start the garbage combustion process, first in the precombustion chamber 2 an auxiliary fuel, which may be solid, liquid or gaseous, burned to the garbage combustor 3 bring to operating temperature. Has the garbage combustor 3 their operating temperature (with dry household waste about 475 K), ignites the garbage and gives off heat. Fresh air can flow in from below; this has the case 70 Air inlets distributed over its circumference 8th through which the air to the compressor 4b can reach; when the rotor of the compressor 4b not yet spinning, the air is not yet in the precombustion chamber 2 It is pressed by the blading of the compressor 4b sucked, wherein the air flow can be imparted a twist.

Ist die Müll-Brennkammer 3 auf Betriebstemperatur, treiben die aus ihrem Ausgang 32 austretenden Rauchgase direkt die Gasturbine 4a an, die hier einen Hochdruckteil 41a und einen Niederdruckteil 42a hat. Über die mechanisch starre drehfeste Kopplung des Rotors der Turbine 4a mit dem Rotor des Kompressors 4b wird daher auch der Kompressor angetrieben, sodass Frischluft eingesaugt und in die Vorbrennkammer 2 und von dort in die Müll-Brennkammer 3 gepresst wird; durch die hieraus resultierende Zuführung eines vermehrten Massenstroms an Sauerstoff lässt sich die Verbrennungstemperatur in der Müll-Brennkammer 3 weiter steigern.Is the garbage combustor 3 to operating temperature, drive those out of their exit 32 Exiting flue gases directly the gas turbine 4a to, here's a high-pressure part 41a and a low pressure part 42a Has. About the mechanically rigid non-rotatable coupling of the rotor of the turbine 4a with the rotor of the compressor 4b Therefore, the compressor is driven, so sucked in fresh air and in the pre-combustion chamber 2 and from there to the garbage combustor 3 is pressed; by the resulting supply of an increased mass flow of oxygen, the combustion temperature in the garbage combustion chamber can be 3 further increase.

Die Welle, die Turbine 4a und Kompressor 4b verbindet, verläuft in Längsrichtung der Vorrichtung gesehen konzentrisch durch die Müll-Brennkammer 3 und die Vorverbrennungskammer 2, wobei es sinnvoll sein kann, damit die Welle nicht in Kontakt mit den Verbrennungstemperaturen kommt, die Brennkammern 2, 3 als im Querschnitt kreisringförmig auszubilden, d. h., in der Mitte, eine „Aussparung” zum Durchtritt der Welle vorzusehen.The wave, the turbine 4a and compressor 4b connects, runs in the longitudinal direction of the device seen concentrically through the refuse combustion chamber 3 and the precombustion chamber 2 it may be useful, so that the shaft does not come into contact with the combustion temperatures, the combustion chambers 2 . 3 as annular in cross-section form, ie, to provide in the middle, a "recess" for the passage of the shaft.

Mit dem der Turbine 4a abgewandten Ende der Welle 10 (siehe 2 und 3) ist ein Generator, bzw. genauer der Läufer eines Generators, verbunden, über den Strom erzeugt wird. Der Generator ist in der gezeigten Ausführungsform in einer Standbasis des Gehäuses 70 angeordnet. In diesem Gehäusebereich sind auch Batterien bzw. Akkus zur Energiespeicherung vorgesehen. Diese Anordnung trägt dazu bei, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr standsicher ist, da sowohl Generator als auch Akkus schwere Bauteile sind. Das Gehäuse 70 hat zudem drei Standfüße 71.With the turbine 4a opposite end of the shaft 10 (please refer 2 and 3 ) is a generator, or more precisely the rotor of a generator connected, is generated over the stream. The generator is in the illustrated embodiment in a stand base of the housing 70 arranged. Batteries or rechargeable batteries are also provided for energy storage in this housing area. This arrangement helps that the device of the invention is very stable, since both generator and batteries are heavy components. The housing 70 also has three feet 71 ,

Die Welle verläuft in Gehäuselängsrichtung und ist bei Ausbildung der Vorrichtung als Standgerät eine stehende (vertikale) Welle. Durch diesen Aufbau ist die Vorrichtung zudem sehr platzsparend aufstellbar. Als Hauptvorteil der stehenden Ausrichtung der Systemkomponenten ergibt sich aber ein Kamineffekt, der dafür sorgt, dass durch die über natürliche Konvektion durch nach oben aus der Gasturbine 4a ausströmenden heißen Rauchgase Frischluft von unten nachgesaugt wird; hierdurch kann ein höherer Brennkammerdruck erreicht werden, was zu höheren Temperaturen und damit zu einem verbesserten Wirkungsgrad und zu einer saubereren thermischen Müllzerlegung führt. The shaft extends in the housing longitudinal direction and is in training of the device as a standing device a standing (vertical) shaft. By this construction, the device is also very space-saving set up. However, the main advantage of the upright orientation of the system components is a chimney effect, which ensures that through the natural convection by upward from the gas turbine 4a outgoing hot flue gases fresh air is sucked in from below; As a result, a higher combustion chamber pressure can be achieved, which leads to higher temperatures and thus to improved efficiency and to a cleaner thermal waste separation.

Mit dem Auslass 4a' der Gasturbine 4a, bzw. deren Niederdruckteil 42a, ist der Abgasstrang 40 angekoppelt, der hier lediglich durch ein kurzes Rohrstück gebildet wird. Der Abgasstrang kann in einer nicht figurativ gezeigten Ausführungsform auch länger sein und insbesondere als Diffusor ausgebildet sein. Es ist zur Nutzung von KWK auch möglich, darin einen Sekundärwärmetauscher anzuordnen.With the outlet 4a ' the gas turbine 4a , or their low-pressure part 42a , is the exhaust system 40 coupled, which is formed here only by a short piece of pipe. The exhaust gas system may also be longer in a non-figurative embodiment and, in particular, be designed as a diffuser. It is also possible to use CHP to arrange a secondary heat exchanger therein.

In den 2 und 3 sind nun Teilansichten der Vorverbrennungskammer 2 gezeigt. Die erste Variante zur Nutzung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen in der Vorverbrennungskammer 2 ist in 2 gezeigt. Dort sind Einspritzdüsen, -ventile oder Brenner 14 vorgesehen, über die der Zusatzbrennstoff zugeführt wird. Der Zusatzbrennstoff kommt über die Leitung 15 von einer externen Brennstoffquelle, beispielsweise einem Kanister oder einer Normkartusche. Der zu verbrennende Müll liegt dabei auf dem Rost 13 der Müll-Brennkammer 3 auf.In the 2 and 3 are now partial views of the precombustion chamber 2 shown. The first variant for the use of liquid or gaseous fuels in the precombustion chamber 2 is in 2 shown. There are injectors, valves or burners 14 provided, via which the auxiliary fuel is supplied. The additional fuel comes over the line 15 from an external fuel source, such as a canister or a standard cartridge. The waste to be incinerated lies on the grate 13 the garbage combustor 3 on.

Die in 3 gezeigte zweite Variante zeigt eine Vorverbrennungskammer 2 zur Verbrennung von festem Zusatzbrennstoff 11. Der Zusatzbrennstoff 11 wird bereits brennend in die Vorverbrennungskammer 2 gegeben und liegt auf dem Feuerungsrost 12 auf. Über natürliche Konvektion ziehen die Rauchgase nach oben ab und erwärmen den Müll in der Müll-Brennkammer 3, wodurch diese auf Betriebstemperatur gebracht wird. Der zu verbrennende Müll liegt auch hier auf dem Rost 13 auf.In the 3 shown second variant shows a pre-combustion chamber 2 for combustion of solid additional fuel 11 , The additional fuel 11 is already burning in the precombustion chamber 2 given and lies on the grate 12 on. Natural convection pulls the flue gases upwards and heats the garbage in the garbage combustion chamber 3 , whereby this is brought to operating temperature. The garbage to be incinerated is also on the grid here 13 on.

4 zeigt das der Erfindung zu Grunde liegende Systemschaltbild. Bezugszeichen 1 bezeichnet den zugeführten zu verbrennenden Müll und Bezugszeichen 6 bezeichnet die Batterien zur Speicherung des im Generator 5 erzeugten Stroms. 4 shows the system diagram underlying the invention. reference numeral 1 denotes the supplied refuse to be incinerated and reference numerals 6 refers to the batteries for storing in the generator 5 generated electricity.

Eine Berechnung des Prozesses als idealisierter Gasturbinenprozess (Joule-Brayton) mit Luft als Arbeitsmedium (p-V-, und T-S-Diagramme siehe 5a, b) wurde unter den folgenden Annahmen durchgeführt: p1, p4 = 100 kPa cp,Luft = 1,004 kJ/kg·K p2, p3 = 200 kPa cv,Luft = 0,717 kJ/kg·K T1 = 293,15 K KLuft = 1,4 ηVerbr = 0,5 T3 = 850 K VVerbr = 1 m3 MLuft = 28,97 g/mol R = 0,00831 kJ/mol·K mit:

cp,i:
pezifische Wärmekapazität, dP = 0
cv,i:
spezifische Wärmekapazität, dV = 0
pi:
Drücke [Pa]
Ti:
Temperaturen [K]
Ki:
Isentropenexponent
ηVerbr:
Verbrennungswirkungsgrad
VVerbr:
Volumen der Müll-Brennkammer
Mluft:
Molare Masse Luft
R:
Universelle Gaskonstante
A calculation of the process as an idealized gas turbine process (Joule-Brayton) with air as the working medium (pV and TS diagrams see 5a , b) was carried out under the following assumptions: p 1 , p 4 = 100 kPa c p, air = 1.004 kJ / kg · K p 2 , p 3 = 200 kPa c v, air = 0.717 kJ / kg · K T 1 = 293.15 K. K air = 1.4 η burn = 0.5 T 3 = 850 K V burn = 1 m 3 M air = 28.97 g / mol R = 0.00831 kJ / mol · K With:
cp, i :
specific heat capacity, dP = 0
cv , i :
specific heat capacity, dV = 0
p i :
Press [Pa]
T i :
Temperatures [K]
Ki:
isentropic
η burn :
Combustion efficiency
V burn :
Volume of the garbage combustion chamber
M air :
Molar mass air
R:
Universal gas constant

Die fehlenden Temperaturen T2 und T4 können über den Zusammenhang

Figure DE102015000833B3_0002
berechnet werden. Hieraus ergibt sich für T2 = 357,35 K und für T4 = 697,29 K.The missing temperatures T 2 and T 4 can be related
Figure DE102015000833B3_0002
be calculated. This results in T 2 = 357.35 K and T 4 = 697.29 K.

Für die spezifische Leistung der Turbine gilt wturb = cv,Luft(T3 – T4) und für den Kompressor wcomp = cv,Luft(T2 – T1) For the specific performance of the turbine applies w turb = c v, air (T 3 - T 4 ) and for the compressor w comp = c v, air (T 2 - T 1 )

Die im Generator nutzbare Wellenleistung wnet beträgt dann: wnet = wturb – wcomp The usable wave power w net in the generator is then: w net = w turb - w comp

Der Heizwert qhausmüll wird durch eine gewichtete Mittelung der Heizwerte einzelner typischer Hausmüllbestandteile errechnet. Die Einzelheizwerte der Hausmüllbestandteile und deren Gewichtung an der Gesamtzusammensetzung des Hausmülls sind folgende: qOrganischer Müll: 1.912 kJ/kg 35% qPlastik: 20.144 kJ/kg 30% qTextilien: 11.789 kJ/kg 3% qPapierprodukte: 6440 kJ/kg 15% qLeder: 14.265 kJ/kg 2% qGummi: 14.265 kJ/kg 5% qHolz: 9.310 kJ/kg 10% sodass sich qHausmüll zu 9.900 kJ/kg ergibt.The calorific value q household waste is calculated by a weighted average of the calorific value of individual typical household waste components. The individual calorific values of household waste components and their weighting on the total composition of household waste are the following: q Organic waste : 1,912 kJ / kg 35% q plastic : 20,144 kJ / kg 30% q textiles : 11,789 kJ / kg 3% q paper products : 6440 kJ / kg 15% q leather : 14,265 kJ / kg 2% q rubber : 14,265 kJ / kg 5% q wood : 9,310 kJ / kg 10% so that q household waste amounts to 9,900 kJ / kg.

Die Verbrennung wird durch folgende Formel beschrieben: qh = cp·(T3 – T2) The combustion is described by the following formula: q h = c p · (T 3 - T 2 )

Da die spezifischen Leistungen und der Heizwert bekannt sind, kann nun die Masse der Verbrennungsluft und die Müllmasse berechnet werden:

Figure DE102015000833B3_0003
Since the specific power and the calorific value are known, the mass of the combustion air and the waste mass can now be calculated:
Figure DE102015000833B3_0003

Unter Annahme eines Verbrennungswirkungsgrades ηVerbr von 50%, was in erster Näherung dem schwankenden gemittelten Heizwert des Hausmülls infolge schwankender Zusammensetzung Rechnung trägt, ergibt sich daraus ein thermischer Wirkungsgrad

Figure DE102015000833B3_0004
von ca. 6%.Assuming a combustion efficiency η Verbr of 50%, which takes into account, in a first approximation, the fluctuating average calorific value of domestic waste due to fluctuating composition, this results in a thermal efficiency
Figure DE102015000833B3_0004
of about 6%.

Claims (10)

Vorrichtung (7) zur gekoppelten Müllverbrennung und Gewinnung elektrischer Energie, die als kompakte Baueinheit ausgebildet ist, umfassend – eine Müll-Brennkammer (3), die einen Brennkammereingang (31), einen Brennkammerausgang (32) und zumindest eine Beschickungsöffnung (9) aufweist, und – eine Vorverbrennungskammer (2), die zum Betrieb mit einem Zusatzbrennstoff ausgebildet ist und einen Eingang (21) und einen Ausgang (22) hat, und – eine Gasturbine (4a), einen Kompressor (4b) und einen Generator (5), die über zumindest eine Welle drehfest mechanisch gekoppelt sind, – wobei der Kompressor (4b) in Strömungsrichtung (S) gesehen der Vorverbrennungskammer (2) vorgelagert ist, und dazu ausgebildet ist, Umgebungsluft anzusaugen und zu komprimieren, – und wobei der Brennkammereingang (31) mit dem Ausgang (22) der Vorverbrennungskammer (2) verbunden ist und der Brennkammerausgang (32) direkt mit der Gasturbine (4a) verbunden ist.Contraption ( 7 ) for coupled waste incineration and production of electrical energy, which is designed as a compact unit, comprising - a refuse combustion chamber ( 3 ), which has a combustion chamber inlet ( 31 ), a combustion chamber outlet ( 32 ) and at least one charging opening ( 9 ), and - a pre-combustion chamber ( 2 ), which is designed for operation with an additional fuel and an input ( 21 ) and an output ( 22 ), and - a gas turbine ( 4a ), a compressor ( 4b ) and a generator ( 5 ), which are mechanically non-rotatably coupled via at least one shaft, - wherein the compressor ( 4b ) in the flow direction (S) seen the pre-combustion chamber ( 2 ) and is adapted to suck in and compress ambient air, and wherein the combustion chamber entrance ( 31 ) with the output ( 22 ) of the precombustion chamber ( 2 ) and the combustion chamber outlet ( 32 ) directly with the gas turbine ( 4a ) connected is. Vorrichtung (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Müll-Brennkammer (3) – einen Rost (13) aufweist, der an die Vorverbrennungskammer (2) angrenzt und/oder – so dimensioniert ist, dass sie ein Fassungsvermögen von Müll in einem Bereich von 1 bis 1000 kg, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 300 kg, am meisten bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 40 kg, aufweist.Contraption ( 7 ) according to claim 1, characterized in that the refuse combustion chamber ( 3 ) - a rust ( 13 ) which is connected to the precombustion chamber ( 2 ) and / or is dimensioned to have a capacity of refuse in a range of 1 to 1000 kg, preferably in a range of 10 to 300 kg, most preferably in a range of 10 to 40 kg. Vorrichtung (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Müllverbrennungsvorrichtung (7) ein Gehäuse (70) aufweist, in dem die Müll-Brennkammer (3), die Vorverbrennungskammer (2), die Gasturbine (4a), der Kompressor (4b) und der Generator (5) angeordnet sind, wobei bevorzugt das Gehäuse (70) in einem in Strömungsrichtung gesehen dem Kompressor (2) vorgelagerten Bereich Lufteintrittsöffnungen (8) hat, die über einen Gehäuseumfang verteilt vorliegen, und an denen bevorzugt jeweils zumindest ein Wirbelerzeuger, besonders bevorzugt ein Luftleitblech, angeordnet ist, wobei das Gehäuse (70) einen zusammenhängenden Strömungspfad von den Lufteintrittsöffnungen (8) bis zu der Gasturbine (4a) bereitstellt.Contraption ( 7 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the waste incinerator ( 7 ) a housing ( 70 ), in which the refuse combustion chamber ( 3 ), the precombustion chamber ( 2 ), the gas turbine ( 4a ), the compressor ( 4b ) and the generator ( 5 ) are arranged, wherein preferably the housing ( 70 ) in a direction of flow seen the compressor ( 2 ) upstream area air inlets ( 8th ), which are distributed over a housing circumference, and on which preferably at least one vortex generator, particularly preferably an air guide plate, is arranged, wherein the housing ( 70 ) a continuous flow path from the air inlet openings ( 8th ) to the gas turbine ( 4a ). Vorrichtung (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Müllverbrennungsvorrichtung (7) als Standgerät mit einer vertikalen Ausrichtung der Welle (10) ausgebildet ist und das Gehäuse (70) bevorzugt eine Standbasis aufweist, an der zumindest drei Standfüße (71) angeordnet sind.Contraption ( 7 ) according to claim 3, characterized in that the waste incinerator ( 7 ) as a stationary device with a vertical orientation of the shaft ( 10 ) is formed and the housing ( 70 ) preferably has a base on which at least three feet ( 71 ) are arranged. Vorrichtung (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (70) ein elektrischer Energiespeicher (6), bevorzugt ein Akkumulator (6), angeordnet ist, der elektrisch mit dem Generator (5) verbunden ist, wobei bevorzugt der Energiespeicher (6) in der Standbasis des Gehäuses (70) angeordnet ist, und wobei besonders bevorzugt an dem Gehäuse (70) von außen zugänglich eine Steckdose angeordnet ist, die elektrisch mit dem Energiespeicher (6) verbunden ist.Contraption ( 7 ) according to claim 4, characterized in that in the housing ( 70 ) an electrical energy store ( 6 ), preferably an accumulator ( 6 ), which is electrically connected to the generator ( 5 ), wherein preferably the energy store ( 6 ) in the base of the housing ( 70 ), and particularly preferably on the housing ( 70 ) is arranged externally accessible a socket which is electrically connected to the energy storage ( 6 ) connected is. Vorrichtung (7) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverbrennungskammer (2) – zur Verbrennung von festen Brennstoffen (11) ausgebildet ist und bevorzugt einen Feuerungsrost (12) aufweist, oder – zur Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen ausgebildet ist und bevorzugt zumindest einen Brenner, eine Einspritzdüse und/oder ein Einspritzventil (14) für den Brennstoff aufweist.Contraption ( 7 ) according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the precombustion chamber ( 2 ) - for burning solid fuels ( 11 ) and preferably a firing grate ( 12 ), or - is designed for the combustion of liquid or gaseous fuels, and preferably at least one burner, an injection nozzle and / or an injection valve ( 14 ) for the fuel. Vorrichtung (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner, die Einspritzdüse und/oder das Einspritzventil (14) der Vorverbrennungskammer (2) über eine Leitung (15), die durch das Gehäuse (70) nach außen geführt ist, mit einer Brennstoffquelle verbunden ist/sind, wobei bevorzugt die Brennstoffquelle eine Aufnahme für einen auswechselbaren Brennstoffbehälter, bevorzugt eine Normkartusche, aufweist.Contraption ( 7 ) according to claim 6, characterized in that the burner, the injection nozzle and / or the injection valve ( 14 ) of the precombustion chamber ( 2 ) via a line ( 15 ) passing through the housing ( 70 ) is guided to the outside, is / are connected to a fuel source, wherein preferably the fuel source has a receptacle for a replaceable fuel tank, preferably a standard cartridge. Vorrichtung (7) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gasturbine (4a) eine mehrstufige Gasturbine (4a) ist, die bevorzugt jeweils zumindest einen Hochdruckteil (41a) und einen Niederdruckteil (42a) aufweist und/oder – der Kompressor (4b) über ein Übersetzungsgetriebe, bevorzugt über ein Planetengetriebe, mit der Welle (10) gekoppelt ist.Contraption ( 7 ) according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that - the gas turbine ( 4a ) a multi-stage gas turbine ( 4a ), which preferably in each case at least one high-pressure part ( 41a ) and a low pressure part ( 42a ) and / or - the compressor ( 4b ) via a transmission gear, preferably via a planetary gear, with the shaft ( 10 ) is coupled. Vorrichtung (7) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (4a) einen Brenngasauslass (4a') aufweist, der an einen Abgasstrang (40) angekoppelt ist, wobei bevorzugt in dem Abgasstrang (40) zumindest ein Wärmetauscher angeordnet ist, durch den ein Wärmeträgermedium leitbar ist und/oder in dem Abgasstrang (40) zumindest ein Filter, bevorzugt ein druckverlustoptimierter Filter, angeordnet ist.Contraption ( 7 ) according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the gas turbine ( 4a ) a fuel gas outlet ( 4a ' ) which is connected to an exhaust gas line ( 40 ) is coupled, wherein preferably in the exhaust line ( 40 ) is arranged at least one heat exchanger through which a heat transfer medium is conductive and / or in the exhaust line ( 40 ) at least one filter, preferably a pressure loss-optimized filter, is arranged. Verfahren zur Müllverbrennung und Gewinnung elektrischer Energie, unter Verwendung einer Vorrichtung (7) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte: a) Beschicken der Müll-Brennkammer (3) über die Beschickungsöffnung (9) mit einer vorbestimmten Menge Müll, b) so lange Verbrennen von Zusatzbrennstoff in der Vorverbrennungskammer (2) bis in der Müll-Brennkammer (3) eine vorbestimmte Betriebstemperatur herrscht, dadurch Entzünden des Mülls, c) dabei kontinuierlich Ausleiten von Brenngasen aus der Müll-Brennkammer (3) zu der Gasturbine (4a), dadurch Antreiben der Gasturbine (4a) und dadurch über die Welle (10) Antreiben des Kompressors (4b) und des Generators (5), d) dabei durch den Kompressor (4b) Ansaugen und Komprimieren von Umgebungsluft und der Vorverbrennungskammer (2) Zuführen und durch den Generator (5) Erzeugen von elektrischer Energie, e) kontinuierlich Ausführen der Schritte c) und d) bis die vorbestimmte Menge Müll verbrannt ist.Method for waste incineration and production of electrical energy, using a device ( 7 ) according to at least one of claims 1 to 9, comprising the steps of: a) charging the garbage combustion chamber ( 3 ) via the charging opening ( 9 ) with a predetermined amount of waste, b) burning additional fuel in the pre-combustion chamber ( 2 ) in the garbage combustion chamber ( 3 ) there is a predetermined operating temperature, thereby igniting the refuse, c) while continuously discharging fuel gases from the refuse combustion chamber ( 3 ) to the gas turbine ( 4a ), thereby driving the gas turbine ( 4a ) and thereby over the wave ( 10 ) Driving the compressor ( 4b ) and the generator ( 5 d) thereby by the compressor ( 4b ) Suction and compression of ambient air and the precombustion chamber ( 2 ) Feeding and by the generator ( 5 ) Generating electrical energy, e) continuously performing steps c) and d) until the predetermined amount of refuse is burned.
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