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Die Erfindung betrifft eine Klärschlammverbrennungsanlage mit Fernwärmeauskopplung und ein Verfahren zum Betrieb einer Klärschlammverbrennungsanlage mit Fernwärmeauskopplung.
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Klärschlämme werden zunehmend einer Verbrennung zugeführt, um die darin enthaltene Energie gewinnbringend nutzen zu können. Hierzu werden Verbrennungsanlagen eingesetzt, denen der Klärschlamm in Bunkern zugeführt wird. Von dort wird der Klärschlamm über Trockner geleitet, um den Feuchtigkeitsgehalt unter eine Höchstgrenze senken zu können. Dieser getrocknete Klärschlamm wird nachfolgend in Verbrennungsöfen verbrannt. Üblicherweise werden zur Verbrennung von Klärschlamm Wirbelschichtofen eingesetzt. Das hierbei entstehende heiße Rauchgas wird durch Dampfkessel geleitet, wobei eine Übertragung der Wärmeenergie vom heißen Rauchgas auf ein Verdampfungsfluid erfolgt. Dieses derartig erhitzte Verdampfungsfluid wird üblicherweise einer Dampfturbine zugeführt, um somit eine Stromerzeugung zu ermöglichen. Das abgekühlte warme Verdampfungsfluid wird in der Regel über eine Kühleinrichtung weiter herunter gekühlt und wiederum dem Dampfkessel zugeführt.
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Dabei ist es bekannt, dass die vorhandene Wärmeenergie im Verdampfungsfluid besser ausgenutzt werden kann, wenn eine Kopplung an ein Fernwärmenetz möglich ist. Hierzu erfolgt eine Wärmeübertragung vom Verdampfungsfluid auf ein Fernwärmemedium.
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Wenngleich durch die Kopplung mit dem Fernwärmenetz eine bessere Energieausbeute möglich ist, so bleibt dennoch eine Restwärme im Verdampfungsfluid ungenutzt und muss darüber hinaus herunter gekühlt werden. Jedoch ist die Temperatur des Verdampfungsfluids mit der Restwärme zu gering um unmittelbar nutzbar eingesetzt werden zu können.
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Ebenso sind in anderen Anlagenteilen, beispielsweise einem Aschekasten oder einem Kamin, Wärmequellen vorhanden, welche in aller Regel aufgrund der unzureichenden Temperatur nicht wirtschaftlich zur Wärmegewinnung und Wärmeübertragung eingesetzt werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Energieausbeute bei der Verbrennung von Klärschlamm oder dergleichen weiter zu verbessern.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausdrucksform nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 14 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die gattungsgemäße Verbrennungsanlage dient zunächst einmal zur Verbrennung eines Brennstoffes zur Energiegewinnung. Um welchen Brennstoff es sich hierbei handelt ist zunächst unerheblich, wobei die Verbrennungsanlage sich insbesondere zur Verbrennung von Klärschlamm eignet.
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Hierbei umfasst die Verbrennungsanlage zunächst einmal einen Verbrennungsofen zur Verbrennung des Brennstoffs. Bei der Verbrennung des Brennstoffes entsteht inhärent ein heißes Rauchgas als Träger der Wärmeenergie. Weiterhin umfasst die Verbrennungsanlage eine Brennstoffzuführung, mittels der der zu verbrennen Brennstoff dem Verbrennungsofen zugeführt werden kann. Nachfolgend dem Verbrennungsofen weist die Verbrennungsanlage einen Dampferzeuger auf. Hierbei ist vorgesehen, dass das heiße Rauchgas aus dem Verbrennungsofen kommend zum Dampferzeuger geleitet wird und diesen durchströmt. Der Dampferzeuger weist hierbei zumindest einen Wärmetauscher auf, welcher bestimmungsgemäß von einem Verdampfungsfluid durchströmt wird. Im Betrieb der Verbrennungsanlage kann somit eine Wärmeübertragung vom heißen Rauchgas auf das Verdampfungsfluid erfolgen, womit eine Abkühlung des Rauchgases und Erwärmung des Verdampfungsfluids einhergeht.
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Nachfolgend dem Dampferzeuger weist die Verbrennungsanlage eine Dampfturbine auf, wobei eine Strömung des heißen Verdampfungsfluids in die Dampfturbine möglich ist. Hierbei bewirkt die Strömung des Verdampfungsfluids durch die Dampfturbine den Antrieb einer Dampfturbinenwelle der Dampfturbine. Zu welchem Zweck der Antrieb der Dampfturbinenwelle erfolgt ist zunächst unerheblich. Zumindest geht mit dem Antrieb der Dampfturbinenwelle eine Abkühlung des Verdampfungsfluids beim Durchströmen der Dampfturbine einher.
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Zur Energieausnutzung weist die Verbrennungsanlage weiterhin einen Fernwärmeerzeuger auf. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Eingang des Fernwärmeerzeugers mit einem Ausgang an der Dampfturbine verbunden ist. Dabei kann das die Dampfturbine durchströmende Verdampfungsfluid vollständig oder teilweise dem Fernwärmeerzeuger zugeführt werden. Der Fernwärmeerzeuger ist hierbei als Wärmetauscher ausgeführt und ermöglicht eine Wärmeübertragung auf ein Fernwärmemedium. Entsprechend durchströmen das Fernwärmemedium sowie das Verdampfungsfluid getrennt voneinander den Fernwärmeerzeuger. Bestimmungsgemäß erfolgt hierbei eine weitere Abkühlung des Verdampfungsfluids und Erhitzung des Fernwärmemediums.
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Das Fernwärmemedium kann nunmehr beliebig eingesetzt werden. Für die erfindungsgemäße Ausführungsform ist dabei unerheblich, ob dies zur Heizung von Gebäuden eingesetzt wird oder für anderweitige Prozesszwecke Verwendung findet.
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Mit der gattungsgemäßen Verbrennungsanlage verbunden ist ein gattungsgemäßes Verfahren, bei dem ein Brennstoff verbrannt und unter anderem Fernwärme erzeugt wird. Hierzu wird der Brennstoff, d.h. in aller Regel Klärschlamm, einem Verbrennungsofen zugeführt und dort bei Erzeugung eines heißen Rauchgases verbrannt. Das Rauchgas wird nachfolgend durch einen Dampferzeuger geleitet, in dem eine Wärmeübertragung vom Rauchgas auf ein Verdampfungsfluid erfolgt. Entsprechend wird das Verdampfungsfluid erhitzt und das Rauchgas abgekühlt. Das heiße Verdampfungsfluid wird nunmehr einer Dampfturbine zugeführt in der eine Abkühlung des Verdampfungsfluids erfolgt. Dabei wird eine Dampfturbinenwelle angetrieben, welche üblicherweise mit einem Generator verbunden ist, mittels dem wiederum Strom erzeugt wird.
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Zumindest ein Teil des Verdampfungsfluid wird nachfolgend aus der Dampfturbine einem Fernwärmeerzeuger zugeführt. Hierbei handelt es sich wiederum um einen Wärmetauscher, der weiterhin von einem Fernwärmemedium durchflossen wird. Beim Durchströmen des Fernwärmeerzeugers vom Verdampfungsfluid und vom Fernwärmemedium erfolgt eine Abkühlung des Verdampfungsfluid und im Gegenzug eine Erwärmung des Fernwärmemediums.
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Das den Fernwärmeerzeuger durchströmende Verdampfungsfluid sowie der Restanteil (sofern ein Rest vorhanden) des Verdampfungsfluids aus der Dampfturbine wird mittelbar zum Dampferzeuger zurück geführt um dort erneut erhitzt werden zu können.
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Erfindungsgemäß wird zur Verbesserung der Energieausbeute (bei beispielsweise der Klärschlammverbrennung) zumindest ein Abwärmetauscher eingesetzt, welcher von einem Kreislauffluid durchströmt werden kann. Hierbei erfolgt bestimmungsgemäß eine Wärmeübertragung von einer Abwärmequelle auf das Kreislauffluid. Zur weiteren Energieübertragung wird ein Fernwärmetauscher eingesetzt, welcher ebenso vom Kreislauffluid durchströmt werden kann. Dabei ist bestimmungsgemäß vorgesehen, dass eine Wärmeübertragung vom Kreislauffluid auf das Fernwärmemedium erfolgt.
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Zur Lösung des Problems, das in aller Regel die Abwärmequelle keine hinreichende Temperatur aufweist, um über Wärmeübertragung eine sinnvolle Erwärmung des Fernwärmemediums zu ermöglichen, ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Hochtemperaturwärmepumpe eingesetzt wird, welche bei bestimmungsgemäßem Antrieb einer Antriebswelle ein Temperaturgefälle im dem die Hochtemperaturwärmepumpe durchströmenden Kreislauffuid erzeugt werden kann. Somit ist es möglich, dass von der Abwärmequelle vorgewärmte Kreislauffluid auf eine hinreichende Temperatur zu erhitzen, sodass eine sinnvolle Wärmeübertragung auf das Fernwärmemedium möglich wird. Hierzu ist ein Ausgang des Abwärmetauschers mit einem Eingang an der Hochtemperaturwärmepumpe und ein Ausgang der Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Eingang des Fernwärmetauschers verbunden.
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Durch die Einbringung von mechanischer Energie beim Antrieb der Antriebswelle der Hochtemperaturwärmepumpe wird im Gegenzug eine Nutzung von Restwärme möglich, welche ansonsten ungenutzt verloren wäre. Die gesamte Energiebilanz ist hierbei trotz augenscheinlicher notwendigem Energieeinsatz zum Antrieb der Antriebswelle insgesamt positiv.
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In der erfindungsgemäßen Ausführung werden demnach zur Erwärmung des Fernwärmemediums ein Fernwärmeerzeuger und ein Fernwärmetauscher eingesetzt. Der Fernwärmeerzeuger nutzt hierbei unmittelbar die Wärmeenergie aus dem Verdampfungsfluid. Demgegenüber stammt die Wärme beim Fernwärmetauscher aus einer Abwärmequelle, welche mittels Hochtemperaturwärmepumpe auf ein hinreichendes Temperaturprofil erwärmt wurde.
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Die Übertragung der beiden Wärmequellen über die beiden Einrichtungen zur Wärmeübertragung auf das Fernwärmemedium kann in unterschiedlichen Anordnungen erfolgen. So ist es in einer Ausführungsform möglich, den Fernwärmeerzeuger und den Fernwärmetauscher parallel zueinander zu schalten, sodass das Fernwärmemedium vom Fernwärmeerzeuger oder vom Fernwärmetauscher erwärmt wird, bzw. ein Anteil des Fernwärmemedium den Fernwärmeerzeuger und ein anderer Anteil den Fernwärmetauscher durchströmt. In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, den Fernwärmetauscher sequenziell im Anschluss an den Fernwärmeerzeuger anzuordnen. Entsprechend wird das Fernwärmemedium zunächst im Fernwärmeerzeuger vorgewärmt wobei es sodann im Fernwärmetauscher weiter erhitzt wird.
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Besonders vorteilhaft und entsprechend besonders effizient ist jedoch eine Ausführungsform, bei der in sequenzieller Anordnung das Fernwärmemedium zunächst den Fernwärmetauscher durchströmt und in diesem vorgewärmt wird und sodann im Fernwärmeerzeuger auf die notwendige Temperatur erhitzt wird. Diese Konstellation erfordert die geringste notwendige Energie zur Erhöhung der Temperatur des Kreislauffluids durch die Hochtemperaturwärmepumpe bei bestmöglicher Ausnutzung der Wärme im Verdampfungsfluid und im Kreislauffluid.
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Eine weitere effiziente Energiegewinnung wird ermöglicht, wenn ein Generator eingesetzt wird, welcher mit der Dampfturbinenwelle verbunden ist. Somit kann bei Betrieb der Dampfturbine mit Antrieb der Dampfturbinenwelle im Generator Strom produziert werden, welches in ein angeschlossenes Stromnetz eingespeist werden kann.
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Zur Reduzierung bzw. der Vermeidung einer Umweltbelastung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn eine Rauchgasbehandlungsanlage eingesetzt wird. Diese ist hierbei im Anschluss an den Dampferzeuger anzuordnen, sodass das den Dampferzeuger verlassende Rauchgas von Partikeln und/oder giftigen Stoffen gereinigt werden kann. Ausführungen hierzu sind dem Fachmann wohl bekannt, sodass es diesbezüglich keiner weiteren Erläuterung bedarf. Zumindest ist es besonders vorteilhaft, wenn im Anschluss an die Rauchgasbehandlungsanlage ein Kamin zur Abführung des gereinigten Rauchgases vorhanden ist.
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Wie die Brennstoffzuführung erfolgt ist zunächst unerheblich, jedoch ist es von Vorteil, wenn ein Brennstoffbunker zur Zwischenlagerung des zuvor brennenden Brennstoff vorhanden ist. Weiterhin ist es von besonderem Vorteil, wenn die Brennstoffzuführung einen Brennstofftrockner umfasst. Mit dem Brennstofftrockner kann somit der Feuchtigkeitsgehalt des Brennstoffes reduziert werden, sodass höhere Brenntemperaturen und somit eine höhere Energieausbeute bei geringeren Schadstoffausstoß möglich ist.
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Je nach Art des zuvor brennenden Brennstoffes kommen verschiedene Arten von Öfen zur Verbrennung in Betracht. Entsprechend der bevorzugten Anwendung zur Verbrennung von Klärschlamm wird in besonders vorteilhafterweise als Verbrennungsofen ein Wirbelschichtkessel eingesetzt. Hierbei können sowohl die bekannten Verfahren der stationären Wirbelschichtfeuerung oder der zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung zum Einsatz kommen. In jedem Fall bietet der Wirbelschichtkessel den Vorteil einer gleichmäßigen Verbrennung des Brennstoffes bei einer geringen Schadstoffbelastung. Ausführungen zu Wirbelschichtkessel sind dem Fachmann wohl bekannt und deren Details weisen für die vorliegende Erfindung keine Relevanz auf.
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Der Antrieb der Antriebswelle des Hochdruckwärmetauschers kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei zunächst einmal ein elektrischer Motor eingesetzt werden kann, welcher beispielsweise mit dem im Generator produzierten Strom angetrieben wird. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn eine notwendige Umwandlung der Antriebsenergie der Dampfturbinenwelle in Strom und von Strom in eine Antriebsenergie zum Antrieb der Antriebswelle vermeiden wird und stattdessen einen unmittelbaren Antrieb der Antriebswelle mittels der Dampfturbinenwelle vorzusehen. Ob hierbei ein Getriebe und oder eine Kupplung zwischen der Dampfturbinenwelle und der Antriebswelle notwendig ist bzw. vorteilhaft ist, hängt von den jeweiligen möglichen Lastzuständen und Drehzahlen ab. Zumindest entfällt somit die Notwendigkeit des Einsatzes eines elektrischen Motors.
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Eine besonders effiziente Energiegewinnung wird ermöglicht, wenn diejenige Menge an Fernwärme erzeugt wird, welche entsprechend benötigt wird, ohne dass es eine unnötig überhöhte Temperatur im Fernwärmefluid mit geringerem Wirkungsgrad erzeugt wird. Entsprechend wird in besonders vorteilhafter Verbrennungsanlage die notwendige Menge an Fernwärme und darüber hinausgehend eine maximale Menge an Strom mittels der Dampfturbine und des daran angeschlossenen Generators erzeugt.
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Zur vorteilhaften Anpassung an den Wärmebedarf im Fernwärmefluid und zur maximalen Stromerzeugung ist daher besonders vorteilhaft vorgesehen, dass die Dampfturbine neben einem Hochdruckeingang, welcher mit dem Dampferzeuger zu Zuführung des Verdampfungsfluid verbunden ist, einerseits einen Mitteldruckausgang und andererseits eine Niederdruckausgang aufweist. Hierbei ist vorgesehen, dass das Verdampfungsfluid am Mitteldruckausgang mit einer mittleren Temperatur zwischen dem Eintritt am Hochdruckeingang und der geringeren Temperatur am Niederdruckausgang am Ende der Dampfturbine zum Fernwärmeerzeuger geleitet wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Rücklauf vom Fernwärmeerzeuger zu einer Zusammenführung führt, welche ebenso mit dem Niederdruckausgang an der Dampfturbine verbunden ist. Wenngleich nicht zwingend erforderlich, wird die Verbrennungsanlage derartig ausgelegt, dass das Verdampfungsfluid im Rücklauf vom Fernwärmeerzeuger ungefähr die gleiche Temperatur wie das vom Niederdruckausgang kommende Verdampfungsfluid aufweist. In der Zusammenführung werden die beiden Ströme des Verdampfungsfluids wieder vereint und gegebenenfalls über weitere Einrichtungen zum Dampferzeuger zurückgeführt.
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Um dem Dampferzeuger das Verdampfungsfluid mit einer möglichst geringen Temperatur zuführen zu können, ist weiterhin vorteilhaft zwischen der Dampfturbine und dem Dampferzeuger bzw. zwischen dem Fernwärmeerzeuger und dem Dampferzeuger ein Verdampfungskühler als Wärmetauscher angeordnet. Besonders vorteilhaft ist entsprechend die Anordnung des Verdampfungskühlers zwischen der Zusammenführung und dem Dampferzeuger. Hierbei ist vorgesehen, dass im Verdampfungskühler eine Wärmeübertragung vom Verdampfungsfluid und eine Abkühlung desselben erfolgt.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verdampfungskühler wiederum an eine Kühlvorrichtung, beispielsweise einem Kühlturm, angeschlossen ist.
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Eine besonders vorteilhafte Wärmegewinnung von Abwärme in der Verbrennungsanlage wird geschaffen, wenn ein Dampfabwärmetauscher den Abwärmetauscher bildet. Dabei ist vorgesehen, dass der Dampfabwärmetauscher vom Verdampfungsfluid durchströmt wird und insofern bestimmungsgemäß eine Wärmeübertragung vom Verdampfungsfluid auf das Kreislauffluid erfolgt. Somit kann in besonders vorteilhafterweise die vorhandene Restwärme genutzt werden und nach Möglichkeit eine Rückkühlung des Verdampfungsfluids in einem Vedampfungskühler vermieden werden.
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Dazu wird der Dampfabwärmetauscher vorteilhaft zwischen dem Fernwärmeerzeuger und dem Dampferzeuger bzw. zwischen der Dampfturbine und dem Dampferzeuger angeordnet und kann entsprechend vom Verdampfungsfluid bei Abkühlung desselben durchströmt werden. Somit kann in besonders vorteilhafterweise die Restwärme aus dem Verdampfungsfluid nachfolgend der Dampfturbine bzw. dem Fernwärmeerzeuger ausgenutzt werden. Folglich ist es besonders vorteilhaft, wenn der Dampfabwärmetauscher zwischen der Zusammenführung und dem Dampferzeuger angeordnet wird.
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Bei Vorhandensein eines Verdampfungskühlers sowie eines Dampfabwärmetauschers kann einerseits vorgesehen sein, den Verdampfungskühler vorteilhaft nachfolgend dem Dampfabwärmetauscher in Strömungsrichtung des Verdampfungsfluids anzuordnen. Alternativ ist es ebenso möglich, den Verdampfungskühler und den Dampfabwärmetauscher parallel zueinander einzusetzen, sodass beispielsweise bei einem Überschuss an Wärmeenergie anstelle dessen Nutzung mittels der Hochtemperaturwärmepumpe eine Abkühlung über den Verdampfungskühler erfolgt.
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Anstelle des Einsatzes eines Dampfabwärmetauschers oder besonders bevorzugt zusätzlich zum Dampfabwärmetauscher ist es möglich, zur Nutzung einer Restwärme in der Verbrennungsanlage einen Abwärmetauscher vorzusehen, welcher die von der Trocknung abstrahlende Restwärme auffängt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Trocknung derartig mit dem Brennstoffbunker in Verbindung steht, dass die von der Trocknung ab strahlende Wärme in den im Brennstoffbunker gelagerten Brennstoff übertragen werden kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass am Brennstoffbunker ein Abwärmetauscher zur Gewinnung von Abwärme vorhanden ist.
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Zur bestmöglichen Energieausbeute bei der Verbrennung von Klärschlamm oder dergleichen Brennstoffe ist es vorteilhaft, wenn eine weitere Nutzung von Wärmeenergie aus dem Rauchgas bis zum Austritt aus dem Kamin erfolgt. Entsprechend ist es denkbar auch dort einen Abwärmetauscher zur Nutzung von Abwärme vorzusehen. Eine besonders vorteilhafte Anordnung sieht einen Abwärmetauscher in einem Aschekasten des Dampferzeugers und/oder der Rauchgasbehandlungsanlage vor. Weiterhin es ist denkbar, einen Abwärmetauscher in den Kamin zu integrieren.
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Eine weitere vorteilhafte Energieausnutzung kann erreicht werden, indem bei der Verbrennungsanlage weiterhin eine Oxidationsvorrichtung eingesetzt wird. Die Oxidationsvorrichtung ist hierbei vorgesehen zur Verbrennung eines Brenngases, wobei es sich bei dem Brenngas vorteilhaft um Deponiegas oder Klärgas handelt. Das bei der Verbrennung entstehende Heißgas wird hier bei einer Gasturbine zum Antrieb einer Gasturbinenwelle zugeführt. Weiterhin zugeordnet ist der Gasturbine ein Verdichter, welcher ebenso von der Gasturbinenwelle angetrieben wird. Mittels des Verdichters kann insofern in bekannter Art und Weise eine Komprimierung von Verbrennungsluft erfolgen, welche wiederum der Oxidationsvorrichtung zugeführt werden kann.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführung bei Einsatz eine Oxidationsvorrichtung zur Verbrennung eines Brenngases sieht eine weitere Verwendung des die Gasturbine verlassenen Heißgas ist vor, wenngleich die Temperatur deutlich geringer ist als beim Eintritt in die Gasturbine. Diesbezüglich sind zwei Varianten der Restwärmenutzung einsetzbar.
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In einer ersten Variante ist vorgesehen, dass am Brennstofftrockner eine Wärmevorrichtung angeordnet ist. Die Wärmevorrichtung wird wiederum am Ausgang der Gasturbine angeschlossen und insofern vom Heißgas durchströmt. Somit wird eine Wärmeübertragung vom Heißgas auf den im Brennstofftrockner vorhandenen Brennstoff und somit eine besonders energieeffiziente Trocknung des Brennstoffes ermöglicht.
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In einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass ein Gasabwärmetauscher verwendet wird, welcher den erfindungsgemäßen Abwärmetauscher bildet. Hierbei ist vorgesehen, dass der Gasabwärmetauscher an die Gasturbine angeschlossen ist und insofern das in der Gasturbine abgekühlte Heißgas nachfolgend den Gasabwärmetauscher durchströmen kann. Entsprechend wird in dieser fortlaufenden Ausführungsform eine Übertragung von Wärmeenergie vom Heißgas auf das Kreislauffluid ermöglicht.
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Insofern wird mit dieser vorteilhaften Ausführungsform die Restwärme aus dem Heißgas ausgenutzt, um über den Kreislauf mit dem Kreislauffluid bei Antrieb der Hochtemperaturwärmepumpe das Fernwärmemedium im Fernwärmetauscher vorzuwärmen.
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Alternativ zum Einsatz einer erfindungsgemäßen Hochtemperaturwärmepumpe zur Ausnutzung der Abwärme ist in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Verbrennungsanlage mit einer Brennstoffzuführung, umfassend einen Brennstoffbunker und einen Brennstofftrockner, und mit einem Verbrennungsofen und mit einem Dampferzeuger und mit einer Dampfturbine und mit einem Fernwärmeerzeuger in einer Ausführung wie zuvor beschrieben vorgesehen, dass die Verbrennungsanlage weiterhin eine Oxidationsvorrichtung und eine Gasturbine und einen Verdichter wie zuvor beschrieben aufweist. Hierbei ist vorgesehen, dass mit einer Wärmevorrichtung in Anordnung an den Brennstofftrockner eine Wärmeübertragung vom die Gasturbine verlassenen Heißgases auf den im Brennstofftrockner vorhandenen Brennstoff erfolgt.
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Verbunden mit der erfindungsgemäßen Verbrennungsanlage ist weiterhin ein neuartiges erfindungsgemäßes Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffes, bei dem es sich in besonders geeigneter Weise um Klärschlamm handelt.
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Hierbei wird gattungsgemäß der Brennstoff zu einem Verbrennungsofen gefördert, indem eine Verbrennung und Erzeugung eines heißen Rauchgases erfolgt. Das heiße Rauchgas wird im Anschluss an den Verbrennungsofen durch einen Dampferzeuger geleitet, indem mittels Wärmetauscher eine Übertragung der Wärmeenergie auf ein den Wärmetauscher durchströmendes Verdampfungsfluid erfolgt. Das verdampfte Verdampfungsfluid wird im Anschluss durch eine Dampfturbine geleitet, wobei eine Abkühlung des Verdampfungsfluids erfolgt und ein Antrieb einer Dampfturbinenwelle bewirkt wird. Üblicherweise wird mittels der Dampfturbinenwelle ein Generator zur Erzeugung von Strom angetrieben. Die Dampfturbine verlassen wird zumindest ein Teil des Verdampfungsfluids zu einem Fernwärmeerzeuger geleitet, welcher in Art eines Wärmetauschers eine Übertragung von Wärmeenergie vom Verdampfungsfluid auf ein Fernwärmemedium bewirkt. Das Verdampfungsfluid wird im Anschluss an den Fernwärmeerzeuger und/oder der Dampfturbine zurück zum Dampferzeuger geleitet, sodass das Verdampfungsfluid erneut erhitzt werden kann.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren ist nunmehr vorgesehen, dass das Verdampfungsfluid von der Dampfturbine und/oder dem Fernwärmeerzeuger kommend vor der Rückführung in den Dampferzeuger durch einen Dampfabwärmetauscher geleitet wird. Den Dampfabwärmetauscher durchströmt weiterhin ein Kreislauffluid, welches bei Abkühlung des Verdampfungsfluids erwärmt wird. Das entsprechend mit der Abwärme aus dem Verdampfungsfluid erwärmte Kreislauffluid wird im Folgenden zu einer Hochtemperaturwärmepumpe geleitet, wobei durch Antrieb eine Antriebswelle der Hochtemperaturwärmepumpe eine Temperaturerhöhung im Kreislauffluid bewirkt wird. Das erhitzte Kreislauffluid wird nunmehr zu einem Fernwärmetauscher geführt, welcher ebenso von dem Fernwärmemedium durchströmt wird. Hierbei erfolgt eine Wärmeübertragung vom Kreislauffluid auf das Fernwärmemedium.
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Somit wird eine vorteilhafte Ausnutzung der im Verdampfungsfluid vorhandenen Restwärme zur Erhitzung des Fernwärmemediums erreicht.
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Die Ausnutzung der Restwärme ist in jedem Fall vorteilhaft, besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die verschiedenen Kreislaufströme bestimmte Temperaturbereiche aufweisen. In diesem Fall weist das Fernwärmemedium im Zulauf in den Fernwärmetauscher eine Temperatur zwischen 40 °C und 70 °C auf. Besonders vorteilhaft ist es hierbei wenn die Temperatur zwischen 50 °C und 45 °C beträgt. Beim Ablauf aus dem Fernwärmetauscher und somit dem Zulauf in den Fernwärmeerzeuger durch die Erwärmung im Fernwärmetauscher liegt die Temperatur des Fernwärmemediums zwischen 70 °C und 100 °C. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Temperaturbereich zwischen 75 °C und 85 °C. Hierbei wird das Fernwärmemedium im Fernwärmeerzeuger auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 150 °C erhitzt. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Temperaturerhöhung auf 105 °C bis 120 °C.
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Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in besonders vorteilhafterweise eine Verbrennungsanlage gemäß vorheriger Beschreibung eingesetzt.
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In den nachfolgenden Figuren wird zum einen eine Klärschlammverbrennungsanlage nach dem Stand der Technik sowie eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Verbrennungsanlage schematisch skizziert. Es zeigen:
- 1 ein Beispiel für eine Klärschlammverbrennungsanlage nach dem Stand der Technik in schematischer Darstellung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Verbrennungsanlage in erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer Hochtemperaturwärmepumpe;
- 3 eine Erweiterung der Ausführung aus 2 um eine Oxidationsvorrichtung.
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In der 1 wird schematisch die Ausgangslage für die vorliegende Erfindung schematisch skizziert. Dargestellt wird eine Klärschlammverbrennungsanlage mit einem Klärschlammbunker 02 als Brennstoffbunker, dem von extern Klärschlamm als Brennstoff zugeführt werden kann. Der Klärschlamm gelangt nachfolgend in einem Klärschlammtrockner 03 als Brennstofftrockner. Der getrocknete Klärschlamm wird nachfolgend in einen Wirbelschichtofen 04 als Verbrennungsofen gefördert. In diesem 04 erfolgt die Verbrennung des Klärschlamms, wobei ein heißes Rauchgas entsteht. Das heiße Rauchgas wird aus dem Wirbelschichtofen 04 durch einen Dampferzeuger 05 geleitet. Darin befinden sich Wärmetauscher, welche von einem Verdampfungsfluid durchströmten werden. Dabei erfolgt eine Wärmeübertragung vom heißen Rauchgas auf das Verdampfungsfluid und entsprechend eine Abkühlung des heißen Rauchgases und Erhitzung des Verdampfungsfluid. Das abgekühlte Rauchgas wird im Anschluss an den Dampferzeuger 05 eine Reinigung in einer Rauchgasbehandlungsanlage 06 unterzogen. Darin 06 werden Partikel und Giftstoffe aus dem heißen Rauchgas nach Möglichkeit entfernt. Ein sich hieran 06 anschließender Kamin ergibt sich für den Fachmann naheliegend und ist hier nicht dargestellt.
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Das Verdampfungsfluid durchläuft einen Kreislauf, wobei es nach dem Dampferzeuger 05 zu einer Dampfturbine 12 gefördert wird. Dort tritt es mit einer hohen Temperatur T1 am Hochdruck Eingang in die Dampfturbine 12 ein. Unter Entspannung des Verdampfungsfluids und einer damit einhergehenden Temperaturabsenkung erfolgt ein Antrieb einer Dampfturbinenwelle 13. Diese 13 ist in aller Regel mit einem Generator 14 verbunden zur Erzeugung von Strom. Weiterhin weist die Dampfturbine 12 einen Niederdruckausgang auf, an dem das Verdampfungsfluid die Dampfturbine 12 mit einer geringen Temperatur verlässt und zu einem Verdampfungskühler 17 geleitet wird. Dort wird das Verdampfungsfluid weiter abgekühlt und mit einer niedrigen Temperatur T0 zum Dampferzeuger 05 zurückgeleitet.
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Beim Verdampfungskühler 17 handelt es sich um einen Wärmetauscher, welcher mit einem zweiten Kreislauf an einer Kühlvorrichtung 19, beispielsweise einem Kühlturm, angeschlossen ist.
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Die Ausnutzung der im Klärschlamm vorhandenen Energie wird üblicherweise dadurch verbessert, indem neben Strom weiterhin Fernwärme erzeugt wird. In einer möglichen Ausführung wird hierzu die Dampfturbine mit einem Mitteldruckausgang versehen, aus dem das Verdampfungsfluid anteilig mit einer Temperatur T2 abgeleitet wird und von dort einem Fernwärmeerzeuger 16 zugeführt wird. Beim Fernwärmeerzeuger 16 handelt es sich wiederum um einen Wärmetauscher, welcher 16 einerseits vom Verdampfungsfluid und andererseits vom Fernwärmemedium durchflossen wird. Hierbei findet eine Wärmeübertragung vom Verdampfungsfluid auf das Fernwärmemedium statt. Von einem externen Wärmeverbraucher 11 strömt das Fernwärmemedium von einem Rücklauf mit der Temperatur Tr von beispielsweise 60 °C in den Fernwärmeerzeuger 16 ein und wird in diesem auf eine Temperatur von beispielsweise 120 °C erhitzt. Dabei wird das Verdampfungsfluid abgekühlt und verlässt den Fernwärmeerzeuger mit der Temperatur T4, welche ungefähr der Temperatur T3 am Niederdruckausgang der Dampfturbine 12 entspricht. Die beiden anteiligen Ströme des Verdampfungsfluids einerseits von der Dampfturbine 12 am Niederdruckausgang und andererseits vom Fernwärmeerzeuger 16 werden in einer Zusammenführung 18 vereint.
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In der nachfolgenden 2 wird nunmehr ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsanlage am Beispiel einer Klärschlammverbrennungsanlage 21 skizziert. Da sich wesentliche Teile der beispielhaften erfindungsgemäßen Klärschlammverbrennungsanlage 21 ebenso in der gattungsgemäßen Klärschlammanlage nach dem Stand der Technik wieder finden, wie diese in 1 dargestellt ist, soll hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Zunächst einmal ist zu erkennen, dass das Fernwärmemedium vom Rücklauf des externen Wärmeverbrauchers 11 kommend zunächst einmal einem Fernwärmetauscher 26 als Wärmetauscher zugeführt wird. In diesem erfolgt eine Vorwärmung des Fernwärmemediums von der Rücklauftemperatur Tr auf eine mittlere Temperatur Tm. Das Fernwärmemedium wird nachfolgend mit der mittleren Temperatur Tm in den aus 1 bekannten Fernwärmeerzeuger 16 geleitet und auf die gewünschte Vorlauftemperatur Tv erhitzt. Es ist offensichtlich, dass aufgrund der Vorwärmung im Fernwärmetauscher 26 eine geringere Temperaturerhöhung in Fernwärmeerzeuger 16 notwendig ist. Dies kann zum einen dahingehend genutzt werden, den Mitteldruckausgang an der Dampfturbine 12 weiter stromab anzuordnen, da eine etwas geringere Temperatur T2* des Verdampfungsfluid insofern hinreichend ist. Weiterhin ergibt sich hieraus naheliegend, dass ebenso die Temperatur T4* aus dem Fernwärmeerzeuger 16 kommen etwas höher ausfällt, als dies üblicherweise ohne vor Erwärmung des Fernwärmemediums der Fall ist.
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Die Gewinnung der notwendigen Wärme vor Erwärmung des Fernwärmemediums im Fernwärmetauscher 26 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch Einsatz eines Dampfwärmetauschers 27 im Kreislauf des Verdampfungsfluids. Hierzu ist vorgesehen, dass nachfolgend der Zusammenführung 18 eine Abzweigung 25 eingesetzt wird, in der 25 das Verdampfungsfluid je nach Anforderung einerseits zum bekannten Verdampfungskühlung 17 und andererseits zum Dampfabwärmetauscher 27 geleitet wird. Die Aufteilung in der Abzweigung 25 kann hierbei wahlweise oder anteilsmäßig erfolgen. In einer weiteren Zusammenführung 28 wird die Strömung des Verdampfungsfluids durch den Verdampfungskühler 17 sowie durch den Dampfabwärmetauscher 27 zusammengeführt, sodass nachfolgend das Verdampfungsfluid wieder vollständig zum Dampferzeuger 05 geleitet werden kann.
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Üblicherweise ist die Temperatur des Verdampfungsfluids in der Zuführung zum Verdampfungskühler 17 unzureichend zur weiteren sinnvollen Wärmeübertragung. Erfindungsgemäß wird zur Steigerung der Temperatur eine Hochtemperaturwärmepumpe 22 eingesetzt. Hierzu durchströmt ein Kreislauffluid zunächst den Dampfabwärmetauscher 27 und nachfolgend die Hochtemperaturwärmepumpe 22, in der 22 das Kreislauffluid bei Antrieb einer Antriebswelle 23 der Hochtemperaturwärmepumpe 22 weiter erwärmt wird, so das eine sinnvolle Wärmeübertragung vom Kreislauffluid auf das Fernwärmemedium im Fernwärmetauscher 26 möglich wird.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Nutzung der Energie aus Brenngasen mit geringem Heizwert in Verbindung mit der Verbrennungsanlage wird mit der schematischen Darstellung in 3 skizziert. Diese Anordnung zeigt eine vorteilhafte Ergänzung der Ausführung aus 2.
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Hierbei wird die Verbrennungsanlage um eine Oxidationsvorrichtung 31 in Form eines PowerOxidizers ergänzt. Dieser 31 wird Brenngas beispielsweise in Form von Klärgas oder Deponiegas zugeführt und darin verbrannt. Das hierbei entstehende Heißgas wird einer Gasturbine 32 zugeführt und kann in besonders Fortlauf der Weise im Anschluss an die Gasturbine 32 zu einer Wärmevorrichtung 38 geleitet werden. Die Wärmevorrichtung 38 ist hierbei am zuvor beschriebenen Brennstofftrockner 03 angeordnet. Somit kann mit der Restwärme des Heißgases die Trocknung des Brennstoffes, d.h. des Klärschlamms, gefördert werden. Die Gasturbine 32 treibt hierbei eine Gasturbinenwelle 33 an, welche 33 wiederum zu einem Gasverdichter 35 führt, in dem Verbrennungsluft verdichtet wird. Die verdichtete Verbrennungsluft wird nachfolgend der Oxidationsvorrichtung zugeführt. Weiterhin mit der Gasturbinenwelle 33 verbunden ist ebenso ein Generator 34 zur Erzeugung von Strom.
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Anstelle der Nutzung der Restwärme im Heißgas im Anschluss an die Gasturbine 32 ist es ebenso möglich, dass Heißgas durch einen Gasabwärmetauscher 37 zu leiten. Dieser 37 ist ebenso in diesem Ausführungsbeispiel in den Kreislauf des Kreislauffluids eingebunden und wird parallel zum Dampfabwärmetauscher vom Kreislauffluid durchströmt.