Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Wasserdampf wir häufig in Prozessen sowie in der Wärmeversorgung verwendet, nachfolgend wird allgemein der Begriff Industrieprozesse verwendet. Ein typisches Anwendungsgebiet ist die Bereitstellung von Wärme, beispielsweise für Koch-, Eindampf- oder Destillationsprozesse, darüber hinaus können auch Trocknungsprozesse oder die Wärmebereitstellung bei endothermen Reaktionen in der Chemieindustrie mit Wasserdampf realisiert werden. Wasserdampf welcher in industriellen Prozessen verwendet wird, wird dabei häufig auch als Prozessdampf bezeichnet.

Die Erzeugung von Wasserdampf für Industrieprozesse stellt einerseits hohe Anforderungen an das zur Erzeugung benötigte Equipment, andererseits beeinflusst die Erzeugung auch wesentlich den Energieverbrauch. Die klassische Wasserdampferzeugung mit Hilfe eines konventionellen Kessels (und ggf. einer Dampfturbine) ist in der Betriebsflexibilität (Lastgradienten, Anfahrzeit, ...) limitiert. Zudem bedingt der Einsatz eines Kessels hohe Investitionskosten. Der Kessels wird in der Regel mit fossilen Energieträgern befeuert, was sich negativ auf die Emissionen der Anlage und somit auch auf ökologische und betriebswirtschaftliche Aspekte auswirkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik bei der Bereitstellung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern zu vermeiden und einen effektiveren Prozess zur Bereitstellung des Wasserdampfs aufzuzeigen . Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche .

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:

- Druck beaufschlagte, interne Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoffund unter Zugabe von Wasser (unabhängig vom Aggregatzustand), in einem Dampferzeuger und Erzeugung von Frischdampf;

- Zuführen des im Dampferzeuger erzeugten Frischdampfs zu einer Dampfturbine;

- Expandieren des Frischdampfs entlang einer Expansionsstrecke in der Dampfturbine;

- Entnehmen von Zwischendampf entlang der Expansionsstrecke und/oder Entnehmen von Abdampf am Ende der Expansionsstrecke mit definierten Dampfparametern und

- Zuführen des entnommenen Zwischendampfs und/oder Abdampfs zu einem nachfolgenden Industrieprozess.

Im Gegensatz zur klassischen Dampferzeugung mit Hilfe eines konventionellen Kessels ergibt sich eine deutlich erhöhte Betriebsflexibilität (Lastgradienten, Anfahrzeit, ...). Insbesondere ergeben sich durch die interne Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff sehr kurze Anfahrzeiten. Durch die Zugabe von Wasser (unabhängig vom Aggregatzustand) kann bereits eine (Vor-)Konditionierung des Frischdampfes erfolgen . Das Zuführen und Entspannen des Frischdampfes in der Dampfturbine ermöglicht die Bereitstellung von Wasserdampf mit definierten und ggf. unterschiedlichen Dampfparametern . Hierzu kann Wasserdampf mit den entsprechenden Dampfparametern durch eine oder mehrere Zwischendampfentnahmen entlang der Expansionsstecke innerhalb der Dampfturbine entnommen und dem jeweiligen

Industrieprozess zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Dampfturbinen als Regelorgan der Prozessdampfparameter können auch andere technische Vorrichtungen wie z.B. Drosseln (z.B. in Kombination mit Wassereinspitzung oder sonstiger Kühlung) eingesetzt werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zur Verbrennung genutzte Wasserstoff und Sauerstoff mittels regenerativer Energie erzeugt wird. Hierdurch kann die Erzeugung des Prozessdampfs völlig emissionsfrei erfolgen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Teil des Frischdampfes vor dem Eintritt in die Dampfturbine entnommen und direkt einem Industrieprozess zugeführt wird. Durch die Zugabe von Wasser können die Dampfparameter des Frischdampfs, der bei der internen Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht, so beeinflusst werden, dass zumindest ein Teil des Frischdampfs direkt dem Industrieprozess zugeführt werden kann. Wird weiterer Wasserdampf mit niedrigeren Dampfparametern benötigt, kann dieser durch Expansion eines weiteren Teils des Frischdampf in einer Dampfturbine bereitgestellt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die von der Dampfturbine erzeugte mechanische Energie zum Antreiben von Maschinen und/oder zum Erzeugen elektrischer Energie mit Hilfe eines Generators genutzt wird. Durch die doppelte Nutzung des Dampfes, welche auch als Kraft-Wärme- Kopplung bezeichnet wird, können besonders hohe Gesamtwirkungsgrade erreicht werden, die die Wirtschaftlich keit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöhen.

Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend Anhand einer Figur erläutert. Die Figur zeigt eine Anlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Figur zeigt nur die wesentlichen, zur Erläuterung des Verfahrens notwendigen Bauteile und stellt keine maßstabsgerechte Darstellung dar.

Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst im Wesentlichen einen Dampferzeuger 1 und eine dem Dampferzeuger nachgeschaltete Dampfturbine 2.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Dampferzeugung durch innere Verbrennung und nicht wie sonst üblich, durch reine Wärmezufuhr (teils aus externer Verbrennung), wie beispielsweise bei der Verwendung eines konventionellen Kessels.

Die interne Verbrennung erfolgt dabei in einem als Clean Steam Generator, CSG, bezeichneten Dampferzeuger 1. Der CSG 1 wird durch eine Druck beaufschlagte, interne Verbrennung von Wasserstoff H ₂ mit Sauerstoff 0 ₂ und der Zugabe von Wasser H ₂ 0 _{2 (} unabhängig vom Aggregatzustand) charakterisiert, wobei Frischdampf S _L mit definierten Dampfparametern (Druck, Temperatur...)sowie in einer definierten Menge und Reinheit entsteht.

Der Frischdampf S _L wird anschließend, der dem CSG nachgeschalteten Dampfturbine 2, zugeführt. Entlang einer Expansionsstrecke, welche sich von einem Dampfturbinen eintritt 4 bis zu einem Dampfturbinenaustritt 5 erstreckt, wird der Frischdampf auf niedrigere Dampfparameter entspannt. Je nachdem welche Dampfparameter für den jeweiligen Industrieprozess gefordert sind, kann der Dampf entlang der Expansionsstrecke durch eine oder mehrere Zwischendampf- entnahmen entnommen werden und als Prozessdampf S _P2 , dem jeweiligen Industrieprozess zugeführt werden. Der restliche Teil des Dampfes wird vollständig entlang der Expansionsstrecke entspannt und verlässt die Dampfturbine am Dampfturbinenaustritt 5 als Abdampf S · Der Abdampf kann dann einem Kondensator zugeführt oder einem weiteren Industrieprozess als Prozessdampf S _P 3 zugeführt werden. Je nachdem, ob der Dampf am Ende der Expansionsstrecke als Abdampf dem Kondensator oder als Prozessdampf einem Industrieprozess zugeführt wird, ist die Dampfturbine 1 als (Entnahme-) Kondensationsturbine oder als (Entnahme-) Gegendruckturbine ausgebildet.

Erfordert ein Industrieprozess sehr hohe Dampfparameter, so kann ein Teil, oder der komplette Frischdampf, bereits vor der Dampfturbine abgeleitet und als Prozessdampf S _Pi unmittelbar einem Industrieprozess zugeführt werden. Die Aufteilung des Wasserdampfs S _Pi - S _P 3 auf die unterschied lichen Industrieprozesse kann sowohl zeitlich, als auch von der jeweiligen Dampfmenge variieren.

Die Dampfturbine treibt im Ausführungsbeispiel einen Generator 3 zur Erzeugung elektrischer Energie an, alternativ kann die Dampfturbine auch eine Arbeitsmaschine (Kompressor, Pumpe,....) antreiben.

Die Dampfturbine kann ein- oder mehrstufig ausgebildet sein und zudem aus einem oder mehreren Gehäusen bestehen.

Weiterhin ist es möglich, dass der Frischdampf auf mehrere Dampfturbinen aufgeteilt, entspannt und den unterschiedlichen Industrieprozessen zugeführt wird. Die verschiedenen Dampfturbinen und Gehäuse können mit gleicher oder unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden und müssen nicht zwangsläufig mechanisch über eine Welle miteinander gekoppelt sein (mehrere Generatoren)und auch nicht zwangsläufig dem gleichen Zweck dienen (z.B. Hochdruckturbine als mechanischer Antrieb einer Antriebsmaschine, Niederdruckturbine als Antrieb eines Generators.)

Der zur Verbrennung genutzte Wasserstoff und Sauerstoff kann vorzugsweise mittels regenerativer Energie erzeugt und anschließend für die weitere Verwendung im CSG gespeichert werden. Durch die regenerative Erzeugung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Prozessdampf CCh-frei erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf bietet sowohl hinsichtlich der Brennstoffausnutzung als auch der Betriebsflexibilität (Der CSG kann höhere Lastgradierten fahren als ein konventioneller Kessel) deutliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren.