Erfindung betrifft auch eine Anlage, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.

Der primäre Einsatzzweck des vorliegenden Verfahrens liegt in der flexiblen und bedarfsgerechten Strom-, Wärme-und/oder Kältebereitstellung aus Festbrennstoffen, insbesondere fester Biomasse, im Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung (bezogen auf die mit diesem Verfahren erzielbare elektrische Leistung). Zu diesem Zweck kann das Verfahren anlagentechnisch mit einer Verbrennungs- und/oder einer Vergasungsanlage für feste Biomasse kombiniert werden. Das den Prozess antreibende Heißgas ist in diesem Fall das heiße Rauchgas aus der Biomasse- feuerung, das heiße Produktgas aus der Biomasse- vergasung (welches z. B. vor seiner weiteren Verwendung in einer Motorenanlage gekühlt und gereinigt werden soll) oder das bei der Verbrennung von Produktgas aus der Biomassevergasung entstehende heiße Rauchgas.

Die Energiegewinnung aus Biomasse gewinnt weltweit zunehmend an Bedeutung, da eine Vielzahl von öko- logischen, volkswirtschaftlichen und sozialen Vorteilen mit dieser Form der regenerativen Energie in Verbindung gebracht werden. Dies gilt insbesondere für die aus Effizienzgründen anzustrebende gekoppelte Strom-und Wärmebereitstellung aus fester Biomasse. Realisiert werden derartige Anlagen heute meist auf der Basis konventioneller Dampfkraftprozesse. Sie haben sich bereits vielfach im kommerziellen Einsatz bewährt. Aus Kostengründen liegen derartige Anlagen jedoch meist im Leistungsbereich von deutlich über 1 MW elektrischer Leistung. Bioenergieanlagen kleinerer elektrischer

Leistung sind mit dieser konventionellen Technologie meist nicht zu wirtschaftlichen Konditionen reali- sierbar (geringe Wirkungsgrade bei Dampfmotoren, hohe spezifische Kosten bei Dampfturbinen). Im kleinen Leistungsbereich ab weniger kW Feuerungswärmeleistung sind heute praktisch ausschließlich die exergetisch weniger hochwertigen Anlagen zur ausschließlichen Wärmebereitstellung aus fester Biomasse im praktischen Einsatz, da bis heute keine Technologie zur Verfügung steht, die es erlaubt, auch im Bereich elektrischer Leistungen von deutlich unter 1 MW zuverlässig und wirtschaftlich Strom und Wärme aus fester Biomasse zu erzeugen.

Der gegenwärtig durch Markteinführungsprogramme geförderte Organic Rankine Cycle (ORC-Prozess) stellt eine Alternative zum Dampfmotor dar. Es handelt sich hierbei um einen weitgehend konventionellen Wärmekraft- prozess, bei dem das Arbeitsmittel allerdings ein organisches Lösungsmittel ist. Aufgrund der besonderen Eigenschaften dieses Arbeitsmittels lassen sich mit dem ORC-Prozess Dampfkraftprozesse realisieren, die gerade im Leistungsbereich von 200 bis 1.500 kW elektrisch gegenüber dem Dampfmotor technisch und ökonomisch konkurrenzfähig bzw. vorteilhaft erscheinen. Aufgrund vergleichsweise geringer Prozesstemperaturen sind die erzielbaren elektrischen Wirkungsgrade des ORC- Prozesses aber physikalisch begrenzt.

In den vergangenen Jahrzehnten wurde auch die Vergasung von fester Biomasse mit nachfolgender Nutzung des erzeugten Produktgases in effizienten Kraft- maschinen, wie bspw. Verbrennungsmotoren oder

vereinzelt auch Gasturbinen, intensiv erforscht. Der Bau eines zuverlässig funktionierenden und wirtschaft- lich betreibbaren Gesamtsystems konnte aber bis heute nicht realisiert werden, da insbesondere mit der Aufbereitung des aus der Vergasung gewonnenen Schwachgases auf die von der Kraftmaschine ange- forderten Qualitäten eine Vielzahl von technischen und ökonomischen Problemen einher gehen. Dies zeigt die vom Öko-Institut (Institut für angewandte Ökologie e. V.), Darmstadt, im Jahr 2001 publizierte"Marktübersicht dezentrale Holzvergasung : Marktanalyse 2000 für Holz- vergasersysteme bis 5 MW"auf eindrucksvolle Weise. Im Zuge der Problemlösung werden diese Verfahren zunehmend komplexer und verfahrenstechnisch aufwändiger, so dass sie in absehbarer Zukunft zwar für einen Leistungs- bereich von über 1 MW elektrischer Leistung eine vielversprechende Technologie darstellen können, im kleinen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung aber aus wirtschaftlichen Gründen kaum mehr in Frage kommen können.

Nicht zuletzt aufgrund dieses Trends erfährt der Stirlingmotor seit einigen Jahren eine deutlich zunehmende Aufmerksamkeit im Bereich der Energie- gewinnung aus fester Biomasse. Beispielhaft ist eine solche Anlage aus H. Carlsen,"Biomasse betriebene Stirling Motoren", BWK Band 53 (2001) Nr. 12, Seite 61 bekannt. Die Kombination dieser Kraftmaschine mit einer konventionellen und in hohen Stückzahlen produzierten Holzfeuerung zur gekoppelten Strom-und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse im sehr kleinen Leistungsbereich von unter 100 kW elektrischer Leistung erscheint aus Kostengründen ein grundsätzlich vielversprechender

Ansatz. Trotz seiner bereits jahrzehntelangen Entwicklung ist der Stirlingmotor aber eine überaus störanfällige Maschine, die noch immer technologische Risiken und vor allem viel zu hohe Kosten aufweist. Aus diesem Grunde werden Biomasse-befeuerte Stirlingmotor- systeme derzeit praktisch ausschließlich zu Forschungs- und Demonstrationszwecken eingesetzt.

Weitere, in einem Artikel von P. Heinrich et al., Stromerzeugung aus Biomasse : Überblick über die technischen Verfahren und deren Wirtschaftlichkeit"in : Gülzower Fachgespräche :"Energetische Nutzung von Biomasse durch Kraft-Wärme-Kopplung", Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (Hrsg. ), Gülzow, 2000, Seiten 25-39, aufgeführte Technologien zur Strom-und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse im sehr kleinen Leistungsbereich sind der Staubmotor (d. h. die direkte Verbrennung staubförmig aufgemahlener Biomasse), die Pyrolyse von fester Biomasse mit nachgeschalteten Kraftprozessen sowie der Brennstoffzelleneinsatz in Verbindung mit der vorangegangenen Vergasung oder Pyrolyse der Biomasse. Diese Technologien befinden sich einheitlich in sehr frühen Entwicklungsstadien und stehen dem Markt damit auf absehbare Zeit nicht zur Verfügung.

Zusammenfassend lässt sich damit feststellen, dass es eine Vielzahl von Verfahren zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung aus fester Biomasse gibt, derzeit aber keine überzeugenden Anlagenkonzepte für den kleinen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung zur Verfügung stehen. Hinzu kommt, dass die derzeit bekannten Anlagensysteme auf

der Basis von konventionellen Biomassefeuerungen meist vergleichsweise hohe Schadstofffreisetzungen (z. B. an Stickstoffoxiden, Staubpartikeln und-je nach eingesetzter Biomasse-auch von sauren Komponenten wie z. B. Chlorwasserstoff) aufweisen, da Festbrennstoff- feuerungen prinzipiell zu höheren Schadstoffbildungen führen und in Kleinanlagen aus ökonomischen Gründen häufig keine aufwändige Rauchgasreinigungen installiert werden. Darüber hinaus kann die in der festen Biomasse enthaltene Energie bei den derzeit bekannten Techno- logien zur Energiegewinnung aus fester Biomasse häufig nur unzureichend genutzt werden, da diese Anlagen meist an Wärmeverbraucher angeschlossen sind, deren Rücklauf- temperaturen zu hoch für eine umfassende Nutzung der im Rauchgas enthaltenen sensiblen und latenten Wärme sind.

Gerade bei stark wasserhaltigen Biomassen verbleiben damit häufig erhebliche Energiemengen im Rauchgasstrom ungenutzt. Ferner ist festzustellen, dass bei kon- ventionellen Biomassetechnologien eine Kälteerzeugung nicht unmittelbar systemintegriert, sondern aus- schließlich durch die Ergänzung des Energiesytems um weitere Teilsysteme (z. B eine Absorptionskältemaschine) möglich ist.

Ausgehend von diesem nicht zufrieden stellenden Stand der Technik bei der gekoppelten Strom-, Wärme- und/oder Kälteerzeugung aus fester Biomasse gerade im Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW elektrischer Leistung besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren sowie eine Anlage anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik eine gesteigerte Brennstoffenergieausnutzung bei gleich- zeitig reduziertem Luftschadstoffausstoß, eine

Stromerzeugung gerade im elektrischen Leistungsbereich von deutlich unter 1 MW sowie-als zusätzliche optionale Energiedienstleistung-eine prozessintegrierte Kältebereitstellung ermöglicht.

Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Anlage gemäß den Patentansprüchen 1 bis 63 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anlage sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme-und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen mit prozess- integrierter Gasreinigung, bei dem die im Heißgas enthaltene Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus genutzt und mindestens teilweise zum Antrieb eines geschlossenen Kreislaufs eingesetzt wird, in dem ein Arbeitsmittel (einzelner Stoff oder Stoffgemisch ; im Folgenden vereinfacht"Arbeitsmittel" genannt) in einem thermischen Mehrstoffverdichter verdichtet und, z. B. im Anschluss daran, vollständig oder als Teilstrom durch Zufuhr von Wärmeenergie aus dem Heißgas überhitzt und unter Antrieb mindestens einer Expansionsmaschine entspannt wird, die vorzugsweise zur Erzeugung elektrischer Energie einen Generator antreibt.

Mindestens ein Teilstrom des Arbeitsmittels durchströmt mindestens einen Wärmetransformator, in dem das Arbeitsmittel, z. B. in einem Kondensator, unter

Wärmeabgabe möglichst vollständig kondensiert wird, anschließend, z. B. in einer Drossel, expandiert und, z. B. in einem Verdampfer, möglichst vollständig verdampft und dabei die Abwärmeströme eines zur kombinierten Gasreinigung und Wärmerückgewinnung eingesetzten Heißgaskondensators und/oder externe Wärmeströme aufnimmt. Der Kreisprozess wird geschlossen durch die erneute Kompression des z. B. durch Expansionsmaschine und/oder Wärmetransformator auf unteren Prozessdruck entspannten Arbeitsmittels.

Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Anlage ermöglichen damit auf einzigartige Weise eine schadstoffarme, energieeffiziente und hochflexible Kraft-bzw. Strom-, Wärme-und/oder Kälteerzeugung aus schadstoffbeladenen Heißgasen im Allgemeinen und aus festen Biomassen im Besonderen.

Der Heißgaskondensator kann in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage auch als Heißgaswäscher ausgebildet sein.

Ebenso kann der Wärmetransformator in einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage auch als Resorber ausgeführt sein.

In diesem Fall wird das Arbeitsmittel bei einem oberem Prozessdruck unter Wärmeabgabe in einem Absorber in eine Mehrstofflösung eingebunden (hierin enthalten ist nicht zwingend das gleiche Mehrstoffgemisch wie im Mehrstoffverdichter), die mit dem Arbeitsmittel angereicherte Lösung wird auf einen unteren Prozessdruck gedrosselt und das Arbeitsmittel wird anschließend in einem Austreiber unter Wärmezufuhr von

außen aus der Lösung wieder ausgetrieben. Die dadurch verdünnte Lösung wird z. B. mittels einer Pumpe wieder zurück zum Absorber des Wärmetransformators transportiert. Der besondere Vorteil eines derart gestalteten Wärmetransformators ist die allein durch Variation der Konzentrationsverhältnisse im Resorber beeinflussbare Temperatur von Wärmeaufnahme und-abgabe im Wärmetransformator.

Eine weitere optionale Ausgestaltung des Wärmetransformators des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage ist die Dampfstrahlkälte- maschine. In diesem Fall wird die Druckenergie des auf einem oberen Prozessdruck befindlichen, dampfförmigen und ggf. überhitzten Arbeitsmittels in der Treibdüse eines Strahlverdichters in Strömungsenergie umgesetzt.

In einer nachfolgenden Mischkammer wird durch Impuls- austausch Arbeitsmitteldampf aus einem Verdampfer angesaugt. Das im dortigen Verdampfer bei geringem Druck verdampfende Arbeitsmittel nimmt Wärme in den Wärmetransformator auf. In dem sich an die Mischkammer anschließenden Diffusor wird die Strömungsenergie des treibenden und verdampften Arbeitsmittels wieder in Druckenergie umgesetzt. Der Gesamtarbeitsmittelstrom verlässt den Wärmetransformator dampfförmig auf reduziertem Prozessdruckniveau und kann z. B. direkt in den Absorber geleitet und/oder mindestens teilweise in einem Kondensator kondensiert werden. Das in den Verdampfer eingeleitete Arbeitsmittel wird dem Kreis- lauf an geeigneter Stelle (z. B. nach einem Kondensator) entnommen und z. B. mittels einer Drossel auf den Verdampferdruck entspannt.

Die Verdichtung des aus der Durchströmung von Kraftprozess und/oder Wärmetransformator auf unteren Prozessdruck entspannten Arbeitsmittels im thermischen Mehrstoffverdichter erfolgt derart, dass das Arbeitsmittel bei einem unterem Prozessdruck in einem Absorber unter Wärmeabgabe in eine Lösung eingebunden, die mit dem Arbeitsmittel aufkonzentrierte Lösung z. B. mittels einer Pumpe auf einen höheren Prozessdruck verdichtet, das Arbeitsmittel in einem Austreiber unter Wärmezufuhr aus dem Heißgas und/oder ggf. anderer Wärmequellen aus der konzentrierten Lösung ausgetrieben und die dadurch verdünnte Lösung-ggf. über den Umweg einer weiteren Kompression und der anschließenden Austreibung in einem zweiten Austreiber durch Wärme- zufuhr aus dem Heißgas-z. B. über eine Drossel wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und in den Absorber zur erneuten Aufnahme von Arbeitsmittel zurückgeleitet wird. Alternativ ist auch die Parallel- schaltung mehrerer von Heißgas und/oder anderen Wärmequellen beheizten Austreibern auf unterschied- lichen Druckniveaus denkbar, die z. B. aus einem einzigen Absorber mit konzentrierter Lösung gespeist werden und ihre verdünnte, gedrosselte Lösung in diesen Absorber wieder zurückführen. Zur Effizienzsteigerung ist es dabei meist sinnvoll, einen Wärmeaustausch zwischen aufkonzentrierter und verdünnter Lösung z. B. mittels eines Wärmetauschers zu ermöglichen. Gleiches gilt für einen als Wärmetransformator eingesetzten Resorber.

Enthält das Heißgas ausreichend kondensierbare Bestandteile, werden allein durch Unterkühlung des Heißgases im Heißgaskondensator sowohl staubförmige als

auch gasförmige Luftschadstoffe sowie ggf. Geruchs- stoffe aus dem Heißgas teilweise ausgewaschen. Der dabei anfallende Kondensatschlamm wird dem Prozess entzogen.

Enthält das Heißgas nicht genügend kondensierbare Bestandteile und/oder soll eine umfangreichere Gasreinigung erzielt werden, wird eine Waschflüssigkeit und zusätzlich ggf. das Kondensat (z. B. nach einer angemessenen Aufbereitung wie Sedimentation oder Filtrierung) abgekühlt und zurück in den Heißgasstrom eingedüst, um dort einen erhöhten Stoff-und Wärme- austausch zu bewirken. Die Kühlung des Kondensats und/ oder der Waschflüssigkeit erfolgt durch Wärmeabgabe an einen verfahrensintegrierten Wärmetransformator und/oder an externe Verbraucher. Der anfallende Kondensatschlamm wird dem Prozess entzogen.

Die Verfahrensbeschreibung umfasst damit im Wesentlichen die folgenden Grundvarianten : 1. Geschlossener Kreisprozess mit einer Parallel- schaltung von einem thermischen Mehrstoffverdichter (Einheit aus Absorber, Pumpe, Austreiber und Drossel), einem Kraftprozess (Einheit aus Überhitzer und einer nachgeschalteten Expansionsmaschine) und einem Wärmetransformator (Einheit aus einem Kondensator, einer Drossel und einem Verdampfer), wobei das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.

2. Geschlossener Kreisprozess mit einer Reihenschaltung von einem thermischem Mehrstoffverdichter, einem

Kraftprozess und einem Wärmetransformator, wobei das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.

3. Geschlossener Kreisprozess mit einer Reihenschaltung von einem thermischem Mehrstoffverdichter, einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator, wobei dem Wärmetransformator zusätzlich ein Kraftprozess parallelgeschaltet ist und das den Kreisprozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.

4. Geschlossener Kreisprozess mit einer Verschaltung von einem zweistufigen thermischen Mehrstoffver- dichter (Einheit aus Absorber, Pumpen, zwei Austreibern und Drossel), einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator, wobei das aus der Expansionsmaschine kommende Arbeitsmittel einen auf Zwischendruckniveau betriebenen Austreiber beheizt und das beheizende Arbeitsmittel nach seiner Kondensation und Drosselung zusammen mit dem auf Zwischendruckniveau ausgetriebenen Arbeitsmittel in den Wärmetransformator eingeleitet wird und wobei das den Prozess antreibende Heißgas in einem Gaskondensator unterkühlt und damit teilweise ausgewaschen wird.

5. Verfahrensvarianten nach 1.) bis 4. ), wobei der Wärmetransformator als Resorber ausgeführt ist.

6. Verfahrensvarianten nach 1.) bis 4.), wobei der Wärmetransformator als Dampfstrahlkältemaschine ausgeführt ist.

7. Verfahrensvarianten nach 1.) bis 6. ), wobei der Gaskondensator als Gaswäscher ausgebildet ist, indem das den Kreisprozess antreibende Heißgas durch Eindüsung einer Waschsubstanz und/oder ggf. aufbereitetem Kondensat unterkühlt und teilweise ausgewaschen wird.

Hierauf aufbauend sind vielzählige Varianten des als Erfindung angemeldeten Verfahrens und der Anlage möglich. So zum Beispiel durch die Integration mehrerer Wärmetransformatoren in einen einzigen Kreisprozess (z. B. durch Reihen-oder Parallelschalten einer Einheit aus Kondensator, Drossel und Verdampfer einerseits und Dampfstrahlkältemaschine andererseits), die Integration mehrerer, auf unterschiedlichen Druckniveaus betriebener und an den/die gleichen Austreiber angeschlossener Absorber in einen einzigen Kreisprozess, die wärmetechnische Verschaltung mehrerer Kreisprozesse des genannten Verfahrens unter gegenseitiger Nutzung von Abwärme, Kühlleistung und/oder Heizwärme, die Einbindung externer Wärmequellen in den Gesamtprozess (z. B. Nutzung der Wärme einer Solaranlage oder eines Spitzenlastkessels zur Beheizung eines Austreibers oder Verdampfers ;

oder Nutzung von Erd-oder Umgebungswärme als Wärmequelle für den Wärmetransformator), o die verstärkte interne Wärmenutzung (z. B.

Aufheizung aufkonzentrierter Lösung durch Rauchgas ; oder Nutzung von kondensierendem Arbeitsmittel zum Beheizen weiterer Austreiber) sowie die erweiterte Wärmeabfuhr (z. B. Wärmeabgabe des aus der Turbine austretenden Arbeitsmittels an einen Heizkreislauf ; oder Wärmeauskopplung aus der heißen Mehrstofflösung des Austreibers z. B. zu Hochtemperatur-Beheizungszwecken).

Weitere Variationen und Ergänzungen des dieser Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens und der zugehörigen Anlage werden im weiteren Verlauf dieser Beschreibung noch vorgestellt und erläutert.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 19650183 Al oder der US 4009575 A, sind bereits geschlossene Kreisprozesse mit Parallelschaltungen von thermischen Verdichtern, Kraftprozessen und Wärmetransformatoren bekannt. Diese Druckschriften zielen meist ausschließlich auf die Nutzung der Abwärme eines beliebigen Wärmestroms zur Kraft-, ggf. Wärme- und optionalen Kältebereitstellung ab.

Beispielhaft ist auch aus der US 4803958 A eine Absorptionsmaschine zur Komprimierung von Dampf in einem offenen Kreislauf bekannt, bei dem der auf einem niedrigen Druckniveau befindliche Dampf mittels eines thermischen Mehrstoffverdichters auf ein nützliches höheres Druckniveau komprimiert wird. In dem

thermischen Mehrstoffverdichter wird der Dampf bei niedrigem Druck durch eine flüssige Absorberlösung unter Wärmeabgabe aufgenommen. Die abgegebene Wärme wird zum Verdampfen von Speisewasser genutzt. Die flüssige Absorberlösung mit dem aufgenommenen Dampf wird über eine Pumpe auf einen höheren Druck komprimiert und der Dampf auf diesem höheren Druckniveau unter Wärmeaufnahme von heißen Abgasen einer mit der Absorptionsmaschine gekoppelten internen Verbrennungsmaschine ausgetrieben.

Das hier als Erfindung vorgestellte Verfahren zur gekoppelten Kraft-, Wärme und/oder Kältebereitstellung aus schadstoffbelasteten Heißgasen mit integrierter Heißgasreinigung unterscheidet sich von den Verfahren derartiger Druckschriften insbesondere darin, dass hier nicht nur die (durch prozessintegrierte Unterkühlung des Heißgases im übrigen weiter gesteigerte) Energie- gewinnung aus einem Wärmeträger, sondern-bei einer Beschränkung der Wärmeträger auf schadstoffbeladene Heißgase-erstmalig auch die Reinigung des Wärmeträgers erzielt wird. Diese bedeutsame, bisher nicht reali- sierte Zusatzfunktion des Verfahrens wird erfindungs- gemäß dadurch erzielt, dass das Heißgas in einem Heißgaskondensator infolge der Wärmeabgabe an den Verdampfer und/oder externe Verbraucher unterkühlt und teilweise ausgewaschen wird. Eine zusätzliche Gaswäsche kann erfindungsgemäß mit dem ggf. aufbereiteten Kondensat aus dem Heißgas und/oder mit zusätzlichen Waschsubstanzen erfolgen, falls der Kondensatanfall zu gering ist und/oder die Reinigungswirkung einer allein auf der Kondensation basierenden Wäsche nicht ausreicht. Darüber hinaus kann die nach der

Wärmeübertragung z. B. an Überhitzer und Austreiber im Heißgas noch enthaltene Wärme als Abwärme der Gaskondensation bzw. Gaswäsche zusätzlich in den Prozess eingebunden und damit potenziellen Verbrauchern auf einem erhöhten Temperaturniveau (durch Wärmeaus- kopplung aus Austreiber und Wärmetransformator) zur Verfügung gestellt werden.

In diesem Zusammenhang gewinnt auch die Druck- schrift DE 3824046 AI an Bedeutung. Hier wird die Wärme eines Heißgases dazu verwendet, mittels eines Absorptionsverfahrens lösungsmittelhaltige Abluft unter Rückgewinnung des Lösungsmittels zu reinigen. Dabei wird Abluft mit hohen Lösungsmittelkonzentrationen zunächst gekühlt und dabei der größte Teil des Lösungs- mittels durch Kondensation zurück gewonnen. Die weitere Reinigung erfolgt durch Adsorption in einem Adsorber.

Die Desorption des beladenen Adsorbers erfolgt bei höheren Temperaturen. Das desorbierte Lösungsmittel wird durch Kondensation bei tiefen Temperaturen zum größten Teil zurückgewonnen. Zur Kühlung und zur Erwärmung wird eine Wärmepumpe eingesetzt, wobei bei Verwendung einer Kompressionswärmepumpe durch Aus- nutzung der Überhitzungswärme des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe im Verdichter und bei Verwendung einer Absorptionswärmepumpe durch Ausnutzung der Abgaswärme des Austreibers der zur Desorption eingesetzte Wärme- trägerstrom auf Temperaturen erwärmt wird, die erheblich über der Kondensationstemperatur des Arbeitsstoffes der Wärmepumpe liegen.

Bei dieser Druckschrift steht somit allein die Gasreinigung und Lösemittelrückgewinnung im Vorder- grund, nicht aber die Bereitstellung von Nutzenergie

(Kraft, Wärme, Kälte) für externe Verbraucher. Somit liegt auch hier eine eindeutige Abgrenzung gegenüber dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Anlage vor.

Die im vorliegenden Verfahren optional verwendete Dampfstrahlkältemaschine ist an sich Stand der Technik.

So wird beispielsweise in der DE 0010162934 AI eine Technik zur direkten Kopplung einer Dampfstrahlkälte- maschine mit einem Parabolrinnenkollektorsystem beschrieben.

Weitere Abgrenzungen gegenüber den bestehenden Druckschriften ergeben sich aus den nachfolgend aufgeführten, z. T der Optimierung des Verfahrens und z. T. der Konkretisierung von Anlagenkonzepten dienenden Verfahrensvarianten.

In einer bevorzugten Ausführungsform des vor- liegenden Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage wird als Expansionsmaschine eine weitgehend kommerzielle Anlagentechnik verwendet. Hierbei kann es sich z. B. um eine Heißgasturbine, eine Gasentspannungsturbine, eine Dampfturbine, einen Schraubenmotor oder einen Dampf- motor handeln, die optional einen Generator zur Stromerzeugung antreiben. Ist ein Mehrstoffverdichter in Reihe zu einem Kraftprozess und einem Wärmetrans- formator geschaltet, kann ein Teilstrom des Arbeits- mittels nach der Kondensation im Kondensator des Wärmetransformators abgezweigt und auf einem Zwischen- druckniveau direkt z. B. dem aufkonzentrierten Strom des Mehrstoffverdichters zugeführt werden, um das Ausmaß der Verdampferleistung im Wärmetransformator zu variieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage wird ein aus dem Einsatz in kommerziellen Kältemaschinen bzw. Wärmepumpen bekanntes Mehrstoff- gemisch verwendet. Hierbei kann es sich insbesondere um die Stoffpaare Ammoniak/Wasser, Wasser/Lithiumbromid und Wasser/Lithiumchlorid handeln.

Je nach eingesetztem Mehrstoffgemisch (z. B.

Ammoniak-Wasser) ist ggf. der Einsatz einer Einrichtung notwendig, die die Arbeitsmittelkonzentration des aus dem Mehrstoffverdichter ausgetriebenen Dampfstromes erhöht. Dies kann z. B. durch Membranverfahren erfolgen und/oder durch einen Rektifikator. Beim Rektifikator wird z. B. aus dem Kondensator bzw. Absorber eines Wärmetransformators ein Teilstrom des Arbeitsmittel- kondensats bzw. der Mehrstofflösung zurück zum Austreiber des Mehrstoffverdichters geführt und dort in intensiven Kontakt mit dem ausgetriebenen Dampfstrom gebracht. Zusätzlich kann auch die reiche Lösung des Mehrstoffverdichters in intensiven Kontakt zum aus- tretenden Dampfstrom gebracht werden. Dadurch erhöht sich der gewünschte Arbeitsmittelanteil im Dampfstrom.

Alternativ oder ergänzend ist bei Einsatz eines Resorber-Wärmetransformators denkbar, zur Regelung der Mehrstoffkonzentrationen im Mehrstoffverdichter einer- seits und im Resorber-Wärmetransformator andererseits einen zusätzlichen Lösemittelaustausch zwischen beiden Systemen zu ermöglichen.

Zur Steigerung der Effizienz des Gesamtprozesses ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage

möglich, eine Expansionsmaschine durch mehrere, hintereinander geschaltete Expansionsmaschinen, zwischen denen das Arbeitsmittel jeweils optional (z. B. im Wärmeaustausch mit dem Heißgas) zwischenüberhitzt wird, zu ersetzen (mehrstufige Expansion, Zwischenüberhitzung).

Eine weitere effizienzsteigernde Verfahrens-bzw.

Anlagenvariante besteht darin, bei der Krafterzeugung z. B. einen Rekuperator einzusetzen, mit dem das Arbeitsmittel noch vor dem Eintritt in den Überhitzer bzw. Zwischenüberhitzer durch Wärmeaustausch mit dem aus einer Expansionsmaschine austretenden Arbeitsmittel vorgewärmt wird (Rekuperator).

Zur Steigerung der Effizienz des Wärmetrans- formationsprozesses ist es in einer bevorzugten Ausge- staltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vor- liegenden Anlage möglich, das entspannte Arbeitsmittel nach weitgehender Verdampfung im Wärmetransformator in Wärmeaustausch mit dem komprimierten Arbeitsmittelstrom des gleichen Wärmetransformationsprozesses zu bringen, welcher zuvor weitgehend kondensiert wurde. Hierdurch werden höhere Kondensatgehalte im Arbeitsmittel nach Entspannung erzielt und dadurch die Effizienz der Wärmetransformation gesteigert (Kälte-Rekuperator).

Die Effizienz eines thermischen Mehrstoffver- dichters lässt sich in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage dadurch steigern, dass die aufkonzentrierte Lösung und die verdünnte Lösung des Mehrstoffverdichters z. B. über einen Wärmetauscher in

Wärmeaustausch miteinander gebracht werden. Dadurch wird die aufkonzentrierte Lösung vor Eintritt in den Austreiber aufgeheizt und die verdünnte Lösung vor Eintritt in den Absorber abgekühlt. Ergänzend oder alternativ ist auch die Aufheizung der aufkonzen- trierten Lösung durch Wärmeaustausch mit dem Heißgas und die Abkühlung der verdünnten Lösung durch Wärme- abgabe an externe Verbraucher möglich.

Eine ebenfalls effizienzsteigernde Ausgestaltung des genannten Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage besteht darin, die Entspannung der verdünnten Lösung im thermischen Mehrstoffverdichter nicht mittels einer Drossel, sondern mittels einer Expansionsmaschine zu realisieren. Optional ist es in diesem Fall sogar möglich, die verdünnte Lösung mindestens als Teilstrom, z. B. im Wärmeaustausch mit dem Heißgas, zu verdampfen und zu überhitzen, mit einem Teilstrom des kompri- mierten Arbeitsmittels zusammenzuführen und in mindestens einer Expansionsmaschine gemeinsam zu entspannen. Alternativ ist es möglich, mindestens einen Teilstrom der verdünnten Lösung z. B. mit Hilfe einer Pumpe weiter zu komprimieren, separat zu überhitzen und dann in mindestens einer separaten Expansionsmaschine zur Kraft-oder Stromerzeugung zu entspannen. Diese Varianten beschränken sich auf Mehrstoffgemische, die weitgehend rückstandlos verdampfbar sind (z. B.

Ammoniak-Wasser-Gemische).

Eine funktionserweiternde Ausgestaltung des genannten Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage besteht in der variablen Änderung der Konzen- trationsverhältnisse des Stoffgemisches im Mehrstoff-

verdichter und/oder im als Resorber ausgeführten Wärmetransformator. Diese Änderung kann erforderlich sein, um die sehr unterschiedlichen Temperatur- und/oder Druckverhältnisse, die für einen zeitlich variierenden Betrieb der Anlage (z. B. einmal zur Wärmeerzeugung und ein anderes Mal zur Kälteerzeugung) im Kreisprozess notwendig sind, realisieren zu können.

Die Änderung des Mischungsverhältnisses kann bspw. durch regelungstechnische Eingriffe und/oder durch Einsatz eines Speicherbehälters realisiert werden, der dem geschlossenen Kreislauf zusätzliches Arbeitsmittel zuführt oder entzieht. Alternativ oder ergänzend dazu sind auch technische Lösungen möglich, bei denen das im Mehrstoffverdichter und/oder im als Resorber ausge- führten Wärmetransformator zirkulierende Stoffgemisch, d. h. die aufkonzentrierte und/oder die verdünnte Lösung, zwischengespeichert werden.

Weitere optionale Ausgestaltungen insbesondere zur Erzielung hoher Betriebstüchtigkeiten der genannten Anlage bestehen z. B. darin, dass die Anlage hermetisch dicht ausgeführt wird, dass die Expansionsmaschinen schmiermittelfrei betrieben werden, dass eine Einrichtung zum teilweisen oder vollständigen Austausch des Arbeitsmittels und/oder des im Mehrstoffverdichter und/oder im Resorber eingesetzten Lösungsmittels vorgesehen ist, dass eine Einrichtung zur Reinigung des Arbeitsmittels und/oder eines im Mehrstoffverdichter und/oder Resorber eingesetzten Lösungsmittels vorgesehen ist, dass eine Einrichtung zur Entfernung von Fremd-bzw. Störstoffen aus dem Wärmetransformator vorgesehen ist, und/oder dass Zuschlagstoffe (z. B.

Korrosionsinhibitoren) in die Mehrstofflösung gegeben

werden. Diese Maßnahmen können einzeln oder auch kombiniert angewendet werden.

Beispielhaft ist die Installation einer Ent- gasungseinrichtung des Absorbers und Kondensators eines Wärmetransformators möglich, weil sich hier bei Betrieb u. a. gasförmige Verunreinigungen oder Spaltprodukte des Arbeitsmittels bzw. Arbeitsmittelgemisches anreichern und die Funktion der Anlage beeinträchtigen könnten.

Beim Einsatz von Ammoniak und Wasser als Stoffpaar könnten die Entgasungsstoffe (z. B. NH3, H20, N2, H2) z. B. kontinuierlich aus dem Absorber und Kondensator als Teilstrom entzogen und einer vorangeschalteten Feuerung oder Vergasung mit oder ohne Einsatz von nachgeschalteten Katalysatoren gleichmäßig dosiert als Entstickungsmittel zugegeben werden (SCR bzw. SNCR Entstickung). Auf diese Weise würde nicht nur der Absorber von unerwünschten Stoffen entgast, sondern es würden auch u. a. auch Stickstoffoxidemissionen- reduzierende Effekte in der Feuerung erzielt.

Weitere optionale Ausgestaltungen der genannten Anlage bestehen darin, dass z. B. in einen Kondensator oder Absorber eines Wärmetransformators eine Einrichtung zur Auskopplung nicht-kondensierbarer Komponenten aus dem Kreislauf integriert wird und dass z. B. in einen Verdampfer eines Wärmetransformators eine Einrichtung zur Ableitung von Kondensat z. B. in den Absorber des Mehrstoffverdichters integriert ist. Diese Vorrichtungen können einzeln oder auch in Kombination eingesetzt werden.

Für den Wärmeübergang vom Heißgas auf den oder die Überhitzer, Austreiber, Verdampfer und andere Wärme- abnehmer sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Anlage geeignete Einrichtungen im Heißgaskanal vorgesehen. Die Wärmeübertragung kann dabei z. B. durch geeignete Wärmetauscher oder über zusätzliche Zwischenkreisläufe (z. B. unter Verwendung von Wasser oder Thermoöl) erfolgen. Der Austreiber kann bspw. als Flammrohr-Rauchrohr- (Druck)-Kessel ausgeführt werden. Dem Fachmann sind entsprechende Einrichtungen bekannt. Aus energetischen Gründen ist es sinnvoll, dass beim Einsatz des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage dem Heißgas zunächst die (hochtemperierte) Wärmeenergie für den oder die Überhitzer, stromabwärts davon die (geringer temperierte) Wärmeenergie für den oder die Austreiber eines Mehrstoffverdichters entnommen wird und erst danach die Heißgaskondensation bzw. -Wäsche unter Abgabe von Niedertemperaturwärme erfolgt. Die Installation zusätzlicher Wärmetauscher in den Heißgaskanal z. B. zur Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas und Abgabe an externe Verbraucher sind überall möglich.

In Verbindung mit einer Biomassefeuerung, deren Rauchgase als schadstoffbeladenes Heißgas dienen, ist das vorliegende Verfahren einschließlich all seiner Varianten sowie der zugehörigen Anlagen insbesondere für die gekoppelte Kraft-bzw. Strom-, Wärme-und/oder Kälteerzeugung aus fester Biomasse im Leistungsbereich von unter 1 MW elektrischer Leistung geeignet. Damit erschließen sich für diese Ausgestaltung eine Vielzahl von Anwendungen, wie bspw. die Bereitstellung von

Grundlastwärme in Gewerbebetrieben, landwirtschaft- lichen Höfen, öffentlichen Gebäuden, Mehrfamilien- häusern und Wohnsiedlungen bei gleichzeitiger Einspeisung des erzeugten Stromes in das Netz der öffentlichen Versorgung und zusätzlichem optionalem Angebot von Kälte z. B. zur Klimatisierung im Hoch- sommer. Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Anlage besteht darin, dass infolge der verfahrensintegrierten Rauchgas- kondensation bzw. -Wäsche gegenüber konventionellen Festbrennstofffeuerungen reduzierte Schadstoffgehalte (z. B. an Staub und sauren gasförmigen Komponenten) im Abgas erzielt werden können. Ein weiterer Vorteil der Rauchgaskondensation bzw. -Wäsche besteht u. a. darin, dass mindestens ein Teil der im Rauchgas befindlichen latenten Wärme in den Prozess eingekoppelt und durch Wärmetransformation auf ein höheres Temperaturniveau auch für eine Nutzung z. B. zu Heizzwecken auf üblichen Temperaturniveaus erschlossen werden kann. Darüber hinaus wird das Rauchgas durch die Kondensation teilweise getrocknet, was insbesondere nach Vermischung des auskondensierten bzw. gewaschenen Heißgases mit Umgebungsluft eine reduzierte Schwadenbildung am Schornstein zur Folge haben kann. Dies kann sich im Einzelfall positiv auf die Betriebsgenehmigung auswirken. Auch könnte sich die Geruchsbelastung in der Umgebung einer erfindungsgemäßen Biomasseanlage durch die Gaswäsche reduzieren.

In Verbindung mit einer Biomassevergasung, deren Produktgase als schadstoffbeladenes Heißgas dienen, kann das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Anlage zur Abkühlung, Trocknung und Reinigung der

Produktgase bei gleichzeitiger Energiebereitstellung eingesetzt werden. Das primäre Ziel ist hierbei die zielgenaue Gasaufbereitung für den nachfolgenden Einsatz des Produktgases z. B. in Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen und die Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens bzw. seiner zugehörigen Anlage ist z. B. eine vorgeschaltete katalytische Teerreinigung des Produktgases sinnvoll, um den Ausfall von teerartigen Kondensaten im Heißgaskondensator bzw. -Wäscher zu verhindern.

Gerade in Verbindung mit der Energiegewinnung aus Biomasse kann das bei dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Anlage anfallende Kondensat besonders zweckmäßige Verwertungswege erfahren. Beispielweise ist es möglich, den Kondensatschlamm aufzubereiten (z. B. durch Sedimentation, pH-Neutralisierung) und die separierte Flüssigfraktion anschließend als Prozess- wasser z. B. in einer dem Gesamtprozess vorgeschalteten Brennstoffwäsche oder in einem dem Prozess nachgeschal- teten Nasskühlturm einzusetzen. Eine andere beispiel- hafte Option ist die Verwertung des anfallenden Kondensatschlamms als Düngemittel.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Anlage werden nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen :

Figur 1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage bei einer Parallelschaltung von einem Mehrstoffverdichter, einem Wärmetransformator und einem Kraftprozess ; Figur 2 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des Heißgaskondensators bzw. -Wäschers ; Figur 3 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage, bei der ein Wärmetransformator als Resorber ausgeführt ist ; Figur 4 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage, bei der ein Wärmetransformator als Dampfstrahlkältemaschine ausgeführt ist ; Figur 5 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage bei einer Reihenschaltung von einem thermischem Mehrstoffverdichter, einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator ; Figur 6 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Anlage bei einer Verschaltung von einem zweistufigen thermischem Mehrstoffverdichter, einem Kraftprozess und einem Wärmetransformator ;

Figur 7 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage bei einer kombinierten Reihen-und Parallelschaltung von einem Mehrstoffverdichter, einem Wärmetransformator und zwei Kraftprozessen ; Figur 8 ein Beispiel für eine um einen Rekuperator und zusätzliche Wärmeentnahmestellen erweiterte Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage ; Figur 9 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage, bei der verarmte Lösung aus dem Mehrstoffverdichter teilweise entnommen und verdampft wird und die Expansionsmaschine von einem überhitzten Gemisch aus Arbeitsmittel und verarmter Lösung durchströmt wird ; Figur 10 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der vorliegenden Anlage, die um einen Arbeitsmittelspeicher und eine Kältebereitstellung für externe Verbraucher erweitert ist ; und Figur 11 ein Beispiel für die Nutzung der Wärmeenergie des Rauchgases einer Biomassefeuerung in der vorliegenden Anlage bzw. dem vorliegenden Verfahren.

Wege ur Ausführung der Erfindung Das vorliegende Verfahren sowie die vorliegende Anlage werden im Folgenden anhand der in den Figuren 1 bis 11 dargestellten Ausführungsbeispiele in ihrer Funktion exemplarisch erläutert. Die im Prozess vorherrschenden Drücke variieren je nach eingesetztem Mehrstoffgemisch und je nach Temperaturniveau der Wärmetransformation erheblich und können z. B. bei Ammoniak-Wasser-Gemischen in der Größenordnung von 105 bis 50*105 Pa und darüber liegen, während die Drücke bei Wasser-Lithiumbromid-Gemischen eher im Bereich von 102 bis 5*105 Pa zu erwarten sind.

In der Figur 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Anlage schematisch dargestellt, bei der ein Wärme- transformator 13 parallel zu einem Mehrstoffverdichter 1 und zu einem Kraftprozess 11 geschaltet ist. Beim Betrieb dieser Anlage mit dem vorliegenden Verfahren wird im Absorber 7 des Mehrstoffverdichters 1 das aus der Gasexpansionsturbine 3a als Expansionsmaschine kommende Arbeitsmittel abgekühlt und unter Wärmeabgabe 23 (bei bspw. 70°C an ein Wärmenetz) in die Lösung des Mehrstoffverdichters aufgenommen. Die nach Absorption des Arbeitsmittels aufkonzentrierte Mehrstofflösung wird nach einem internen Wärmeaustausch im Wärme- tauscher 19 mit dem verdünnten Rückfluss aus dem Austreiber 8 auf den oberen Prozessdruck verdichtet und gelangt anschließend in den Austreiber 8. Die Verdichtung erfolgt über geeignete Pumpen 9. Im Austreiber 8 wird das Arbeitsmittel durch Zufuhr von Wärme aus dem Heißgas 31 auf einem Temperaturniveau von z. B. 100-250°C aus der Mehrstofflösung ausgetrieben.

Beispielhaft wurde hierzu ein zusätzlicher Wärme- übertragerkreislauf installiert. Die auf diese Weise verdünnte Mehrstofflösung wird daraufhin in einem kontinuierlichen Prozess über Drosseln 10 wieder auf den unteren Prozessdruck entspannt und über den Wärme- tauscher 19 in den Absorber 7 zurück geleitet.

Ein Teilstrom des aus dem Austreiber 8 ausge- triebenen Arbeitsmittels wird im Überhitzer 2 im Wärmeaustausch mit dem Heißgasstrom 31 (z. B. auf 450°C) aufgeheizt. Nach dem Überhitzen des Arbeitsmittels im Überhitzer 2 wird dieses in die Gasexpansionsturbine 3a geleitet und dort vom oberen auf den unteren Prozess- druck entspannt. Die Gasexpansionsturbine 3a treibt einen Generator 15 an und erzeugt damit elektrischen Strom. Das aus der Turbine 3a austretende Arbeitsmittel wird wieder in den Absorber 7 geleitet, um dort erneut in Lösung zu gehen und anschließend komprimiert zu werden. Der Kreisprozess beginnt von Neuem.

Der nicht die Gasexpansionsturbine 3a durch- strömende Teilstrom des aus dem Austreiber 8 ausgetriebenen Arbeitsmittels wird in den Kondensator 4 eines Wärmetransformators 13 geleitet. Dort wird er unter Abgabe von Wärme 24 (z. B. bei 90°C an ein externes Wärmenetz) kondensiert, über die Drossel 5 entspannt, im Verdampfer 6 auf unterem Prozessdruck- niveau wieder verdampft (z. B. bei 30°C) und schließlich wieder dem Absorber 7 zugeführt. Die Wärme für den Verdampfungsprozess im Verdampfer 6 wird aus der Abwärme des Heißgaskondensators 27 erhalten (vgl. Figur 2).

Figur 2 zeigt beispielhaft für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage die Ausführung eines Heißgas- kondensators 27. Neben den für das Verfahren unbedingt notwendigen Stellen der Wärmeauskopplung aus dem Heißgas 31 sind hier weitere Wärmeentnahmestellen installiert. Sinnvoll erscheint z. B. eine Entnahme von Wärme 20 aus dem Heißgas 31, sobald es in den Heißgas- kondensator eintritt (z. B. zur Wärmeauskopplung in ein Wärmenetz bei 90°C). An dieser Stelle des Heißgaskanals sind die Temperaturen für einen direkten Wärmeaustausch noch hoch genug. Auch eine Wärmeentnahme 21 z. B. zur Vorwärmung der Verbrennungsluft einer dem Prozess vorgeschalteten Verbrennungsanlage bietet sich an dieser Stelle im Bedarfsfall an. Beide Wärmeauskopp- lungen reduzieren die Heißgastemperatur, senken die im Heißgaskondensator bzw. -Wäscher 27 notwendige Konden- sationskühlung und erhöhen damit die Gesamteffizienz des Verfahrens. Eine weitere Wärmeentnahme 33 aus dem Heißgas ist z. B. durch einen Rückkühler möglich. Damit könnte z. B. im Falle einer Kälteerzeugung im Sommer die Rauchgaskondensation aufrechterhalten und gleichzeitig ein maximaler Arbeitsmittelstrom zur Kälteerzeugung in einen Wärmetransformator geleitet werden. Den gleichen Effekt hätte auch ein Wärmeaustausch 43 von Heißgas und Umgebungsluft.

Der in Figur 2 beispielhaft dargestellte Heißgas- kondensator kann in unterschiedlichen Varianten ausge- führt werden. Grundsätzlich ist zwischen der Heißgas- kondensation und der Heißgaswäsche zu unterscheiden.

Die Heißgaskondensation wird z. B. gewählt, wenn allein durch die Unterkühlung und Wärmeabgabe des Heißgases an externe Verbraucher 20 21, einen Rück-

kühler 33, Umgebungsluft 43 und/oder den Verdampfer 6 eines Wärmetransformators 13 (vgl. Figur 1) eine ausreichende kondensationsbedingte Auswaschung von Schadstoffen aus dem Heißgas erfolgt. In diesem Fall wird das Heißgas 31 in den Heißgaskondensator 27 geleitet, in dem es mit Hilfe von Wärmetauschern auf ein möglichst geringes Temperaturniveau (z. B. 40°C) abgekühlt wird. Infolge der Abkühlung kondensieren einige Bestandteile-z. B. Wasser-aus dem Heißgas aus und waschen im Heißgas ggf. enthaltene Stäube und andere Schadstoffe und/oder Geruchsstoffe teilweise aus. Der dabei anfallende Kondensatschlamm wird z. B. über eine Entnahmestelle 36 aus dem Reaktor abgeführt und vor seiner weiteren Nutzung oder Entsorgung ggf. weiter aufbereitet (z. B. sedimentiert, gefiltert oder neutralisiert). Nach dem Durchströmen eines optionalen Tropfen-und Aerosolabscheiders 41 verlässt das gereinigte Heißgas 32 schließlich gekühlt und teilweise getrocknet den Reaktor. Zur Reduktion der Schwaden- bildung am Kaminaustritt besteht die Möglichkeit, das z. T. auskondensierte Heißgas 32 bei Austritt aus dem Reaktor mit ggf. vorgeheizter Umgebungsluft 40 zu vermischen.

Ist die Kühl-und/oder Reinigungswirkung der Heißgaskondensation-z. B. aufgrund zu geringer Kondensatmengen-nicht ausreichend, wird die Heißgaskondensation als Heißgaswäsche ausgeführt.

Hierbei wird grundsätzlich von einem sehr ähnlichen anlagentechnischen Aufbau ausgegangen, allerdings wird das Heißgas 31 zusätzlich oder alternativ zur bereits erläuterten Wärmeauskopplung 25 durch die Eindüsung von gekühltem Kondensat und/oder einer Waschsubstanz in den

Heißgasstrom abgekühlt (Quench). Damit wird der Stoff- und Wärmeaustausch im Heißgas intensiviert. Der anfallende Kondensatschlamm wird zu diesem Zweck vor seiner Auskopplung aus dem Prozess aufgefangen, ggf. aufbereitet (z. B. gefiltert oder sedimentiert), über z. B. einen Wärmetauscher 35 durch Wärmeabgabe 25 an den Verdampfer 6 eines Wärmetransformators 13 und/oder externe Wärmeabnehmer (vgl. Figur 1,10) abgekühlt und beispielsweise über ein Pumpen-und Düsensystem 37 zurück in den Heißgasstrom eingesprüht. Je nach realisierbarem Kondensataufkommen und gewünschter Reinigungswirkung kann es zusätzlich oder alternativ notwendig sein, dem Wäscherprozess weitere Wasch- substanzen 38 zuzuführen und/oder das Heißgas 31 vor seinem Eintritt in den Reaktor zusätzlich vorzureinigen (z. B. mit einem Elektro-oder Gewebefilter 39).

Ergänzend zeigt Figur 2 für eine beispielhafte Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Anlage die Ausführung einer Bypassleitung 30 für den Heißgaskondensator 27. Durch Verstellen z. B. entsprechender Klappen ermöglicht dieser Bypass, das Heißgas z. B. im Falle einer Betriebsstörung schnellst- möglich und ohne Durchströmen des gesamten Heißgas- kondensators zum Kamin zu führen.

Figur 3 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfah- rens, bei der ein Wärmetranformator 13 als Resorber ausgeführt ist. Im Resorber 45 wird das Arbeitsmittel bei oberem Prozessdruck in einem Absorber 7b in eine Mehrstofflösung eingebunden, die nicht identisch mit der Mehrstofflösung des thermischen Mehrstoffver-

dichters 1 sein muss. Hier wird das Arbeitsmittel unter Wärmeabgabe 24 nach außen absorbiert. Die mit dem Arbeitsmittel daraufhin aufkonzentrierte Lösung wird z. B. über eine Drossel 10b auf einen unteren Prozess- druck entspannt und dort in einem Austreiber 8b unter Aufnahme von Wärme von außen wieder aus der Mehrstofflösung ausgetrieben. Im vorliegenden Beispiel stammt diese Wärme ausschließlich aus dem Heißgas- kondensator bzw.-Wäscher 27. Die daraufhin abge- reicherte Lösung wird z. B. über eine Pumpe 9b wieder auf den oberen Betriebsdruck zurückgepumpt, um dort erneut Arbeitsmittel aufzunehmen. Das ausgetriebene Arbeitsmittel strömt schließlich zum Absorber 7 des Mehrstoffverdichters 1.

Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfahrens, bei der der Wärmetransformator 13 als Dampfstrahlkältemaschine ausgeführt ist.

Herzstück dieses Wärmetransformators 13 ist die Dampfstrahlpumpe 46, die im dargestellten Beispiel bei oberem Prozessdruck vom dampfförmigen, den Austreiber 8 verlassenden Arbeitsmittel durchströmt wird und dabei eine Saugwirkung bewirkt. Alternativ wäre hierbei auch die Verwendung von überhitztem Dampf z. B. aus dem Überhitzer 2 möglich. Aufgrund der erzeugten Saug- wirkung wird ein hier beispielhaft im Kondensator 4b kondensierter. Teilstrom des Arbeitsmittels über eine Drossel 5b angesaugt und unter Aufnahme von externen Wärmeströmen 24 im Verdampfer 6 des Wärmetransformators 13 verdampft. Im vorliegenden Beispiel stammt diese Verdampfungswärme ausschließlich aus dem Heißgas- kondensator bzw.-Wäscher 27. Das aus der

Dampfstrahlpumpe austretende Arbeitsmittelgemisch wird nach Abzweigung des zu Verdampfungszwecken angesaugten Teilstroms bei unterem Prosessdruck in den thermischen Mehrstoffverdichter 1 geleitet.

Figur 5 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfah- rens, bei der ein Wärmetransformator 13 in Reihe zu einem Mehrstoffverdichter 1 und zu einem Kraftprozess 11 geschaltet ist. In diesem Beispiel wird als Expansionsmaschine ein Dampfmotor 3b eingesetzt. Der aus dem Dampfmotor 3b austretende Arbeitsmittelstrom wird in einen Kondensator 4 geleitet, wo er unter Abgabe von Wärmeenergie 24 an ein externes Wärmenetz bei bspw. 100°C weitgehend kondensiert. Dieser konden- sierte Teilstrom wird im vorliegenden Beispiel im Verhältnis von 60 : 40 aufgespalten, wobei der größere Anteil auf diesem Zwischendruckniveau direkt z. B. der aufkonzentrierten Lösung des Mehrstoffverdichters 1 zugeführt wird. Mit Ausnahme dieser Besonderheit funktioniert der Mehrstoffverdichter 1 aber in gleicher Weise, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Ausgestaltung der Figur 1 erläutert wurde. Der verbleibende Anteil von hier beispielhaft angenommenen 40% des kondensierten Arbeitsmittels wird über eine Drossel 5 weiter entspannt und einem Verdampfer 6 zugeführt. Der Verdampfer 6 nimmt die Abwärme aus der Heißgaskondensation oder-Wäsche in gleicher Weise wie bei der Ausgestaltung der Figur 1 auf. Das im Verdampfer verdampfte Arbeitsmittel wird schließlich einem Absorber 7 zugeführt und von dort wieder auf das obere Prozessdruckniveau komprimiert. Das obere Druckniveau kann bei der hier dargestellten

Reihenschaltung grundsätzlich höher gewählt werden als bei der Parallelschaltung, da der durch die Wärme- transformation (z. B. durch die Temperaturverhältnisse in externen Wärmenetzen vorgegebene) festgelegte Druck z. B. im Kondensator 4 des Wärmetransformators 13 bei der Parallelschaltung gleich dem oberen Prozessdruck, bei der Reihenschaltung aber nur gleich einem Zwischen- druck ist. Bei der Reihenschaltung kann sich der obere Prozessdruck somit primär an den Bedürfnissen der Expansion orientieren.

Als eine optionale Ausgestaltung der Reihenschaltung ist in Figur 5 eine Bypass-Leitung 22 angedeutet, über die eine Entkopplung von Kraftprozess 11 und Wärmetransformator 13 möglich wird und dadurch ein Betrieb der Anlage vorübergehend auch ausschließlich zur Wärme-bzw. Kälteerzeugung möglich ist. In diesem Fall ist der obere Prozessdruck wieder gleich dem Kondensatordruck.

Figur 6 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfah- rens, bei der eine zweistufige Austreibung realisiert wurde. Ausgangspunkt ist wieder das Anlagenbeispiel nach Figur 1. Die aus dem Austreiber 8 austretende, verdünnte Lösung wird hierbei erneut mittels einer Pumpe 9c komprimiert und in einen zweiten Austreiber 8c geleitet. Aus diesem zweiten, bei maximalem Prozess- druck betriebenen Austreiber 8c wird durch Wärmeübertragung aus dem Heißgas 31 Arbeitsmittel ausgetrieben, welches zunächst vollständig überhitzt wird und eine Gasexpansionsturbine 3a zur Krafterzeugung durchströmt. Das aus der Turbine austretende, teilweise entspannte Arbeitsmittel wird

dann abgekühlt und kondensiert und die dabei frei werdende Wärme wird zum Austreiben des bei mittlerem Prozessdruckniveau betriebenen Austreibers 8 benutzt.

Das aus diesem Austreiber 8 ausgetriebene Arbeitsmittel wird zusammen mit dem kondensierten und durch Drossel 10c weiter entspannten Arbeitsmittel aus der Gas- expansionsturbine vermischt und in den Wärmetrans- formator 13 eingeleitet. Durch die Verwendung der zwei Austreiber und die prozessinterne Nutzung der Kondensationswärme steht dem Wärmetransformator nun ein deutlich erhöhter Arbeitsmittelstrom zur Verfügung.

Figur 7 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Anlage bzw. des vorliegenden Verfah- rens, bei der die Wärmetransformation 13 in Reihe zum Mehrstoffverdichter und einer ersten Stufe des Kraft- prozesses 11 und parallel zu einer zweiten Stufe des Kraftprozesses 11 geschaltet ist. Im Prinzip handelt es sich hierbei um eine Anlagenausführung in Reihen- schaltung (vgl. Figur 5), bei der ein Teilstrom des Arbeitsmittelstroms noch vor dem Kondensator des Wärmetransformators 13 entnommen, in einem Zwischen- überhitzer 2b aufgeheizt und in einer separaten Expansionsmachine (z. B. einer Gasexpansionsturbine 3a) auf den unteren Prozessdruck entspannt wird. Der verbleibende Teilstrom des Arbeitsmittels durchströmt den Wärmetransformator 13 auf übliche Weise. Mit Ausnahme dieser Besonderheit gelten für das vorliegende Ausführungsbeispiel sämtliche zu Parallel- (Figur 1) und Reihenschaltung (Figur 5) sowie zur Gasreinigung (Figur 2) genannten Anlagenfunktionen.

Bei allen sechs in den Figuren 1, 3 bis 7 (jeweils in Verbindung mit Figur 2) dargestellten Anlagen bzw.

Verfahrensgestaltungen lassen sich zusätzliche Maßnahmen z. B. zur Effizienzsteigerung oder Funktionserweiterung vorsehen. Diese werden in den folgenden Beispielen (Figur 8 bis 10) anhand erweiterter Ausgestaltungen der Figur 1 erläutert, sie sind selbstverständlich auch auf die Ausgestaltungen der Figuren 3 bis 7 übertragbar.

Figur 8 zeigt ein derartiges Beispiel, bei dem in den Kraftprozess 11 ein Rekuperator 14 integriert wird, der die Effizienz des Expansionsprozesses durch interne Wärmerückgewinnung steigert. Das aus dem Austreiber 8 austretende Arbeitsmittel wird hierbei durch den Rekuperator 14 geleitet, in dem es von dem heißen, aus der Gasexpansionsturbine 3a austretenden Arbeitsmittel im Gegenstrom vorgeheizt wird, bevor es im Überhitzer 2 weiter aufgeheizt wird. Das aus der Gasexpansions- turbine 3a austretende Arbeitsmittel wird im Rekuperator 14 infolge des Wärmeaustauschs vorgekühlt und gelangt dadurch gekühlt in den Absorber 7.

Figur 8 enthält noch ein weiteres Ausführungs- beispiel für eine effizienzsteigernde Maßnahme. Hier wird die Drossel 10 des thermischen Mehrstoffver- dichters 1 durch eine Turbine 42 ersetzt und beispielhaft mit der Pumpe 9 mechanisch gekoppelt.

Damit wird der Energiebedarf zum Antrieb des thermischen Mehrtoffverdichters reduziert.

Figur 9 führt diese Idee der energetischen Nutzung der komprimierten verdünnten Lösung weiter. Mit der

Einschränkung auf rückstandlos verdampfbare Stoff- gemische (z. B. Ammoniak-Wasser-Gemisch) wird hier beispielhaft die Option dargestellt, komprimierte, verdünnte Lösung aus dem Austreiber 8 mindestens als Teilstrom zu entnehmen, diesen im Wärmeaustausch mit dem Heißgas zu verdampfen (Wärmetauscher 43), dann zusammen mit dem komprimierten Arbeitsmittel im Überhitzer 2 zu überhitzen und in der Gasexpansions- turbine 3a zu entspannen. In dieser Variante könnte der Arbeitsmittelstrom durch die Turbine auch vollständig vom verdampften und überhitzten Lösungsstrom substituiert werden.

In einer weiteren möglichen Anlagenausgestaltung, wie sie in der Figur 10 beispielhaft dargestellt ist, wird die optionale Bereitstellung von Kühlleistung für externe Verbraucher ermöglicht, d. h. der Verdampfer 6 eines Wärmetransformators 13 wird primär oder ausschließlich mit Abwärme z. B. aus einem externen Kältenetz 29 gespeist. Im Regelfall benötigt der Verbraucher hierbei allerdings meist niedrigere Verdampfertemperaturen (z. B. etwa 0 bis 5°C zu Klimatisierungszwecken oder-20 bis-60 °C zu industriellen Kühlzwecken), als sie allein zur Heißgas- kondensation bzw. -Wäsche notwendig sind (hier reichen in der Regel Verdampfungstemperaturen im Bereich von 10 bis 40 °C aus ; vgl. Figur 1,3 bis 7).

Dies lässt sich wie folgt erzielen.

In der dargestellten Ausführung eines Wärmetransfor- mators 13 bestehend aus Kondensator 4, Drossel 5 und Verdampfer 6 lässt sich die Temperatur grundsätzlich durch ein angepasstes Druckniveau im Wärmetransformator

13 (und damit auch im Mehrstoffverdichter 1) realisieren. Um die Funktionsfähigkeit der Anlage aber auch bei diesem veränderten Druckniveau zu gewähr- leisten, kann es erforderlich sein, das Mischung- verhältnis des Stoffgemisches im Mehrstoffverdichter zu verändern. Zu diesem Zweck zeigt Figur 10 eine beispielhafte Einrichtung zur vorübergehenden Veränderung des Mischungsverhältnisses im Mehrstoff- verdichter. Ausgehend von der Anlagenkonzeption nach Figur 1 wurde hier beispielhaft ein Fluidspeicher 26 vorgesehen, über den zwischen dem Kondensator 4 und dem Verdampfer 6 kondensiertes Arbeitsmittel dem Kreislauf entzogen und zwischen dem Verdampfer 6 und dem Absorber 7 wieder zugeführt werden kann. Durch Stellelemente lässt sich der Zufluss zum oder vom Fluidspeicher 26 öffnen oder schließen. Durch den Behälter 26, in dem das Arbeitsmittel zwischengespeichert werden kann, kann das Konzentrationsverhältnis des im Mehrstoffverdichter 1 umlaufenden Stoffgemisches verändert und damit die sich im Betrieb einstellenden Druck-und Temperatur- verhältnisse insbesondere am Verdampfer 6 umfangreicher verändert werden, als es ohne diese zusätzliche Einrichtung möglich wäre. Ergänzend oder alternativ ließe sich zur Beeinflussung der Konzentrations- verhältnisse im Stoffgemisch auch die aufkonzentrierte oder verdünnte Lösung im Mehrstoffverdichter 1 zwischenspeichern.

Bei einer Ausgestaltung des Wärmetransformators 13 als Resorber 45 (vgl. Figur 3) könnte eine Änderung der Temperaturen im Wärmetransformator ebenfalls über das Druckverhältnis, alternativ oder ergänzend aber auch über die Stoffkonzentrationen im Resorber 45 erfolgen.

Für die Veränderung des Stoffgemisches im Resorber 45 gelten daher die zuvor gemachten Aussagen zur Veränderung des Stoffgemisches im Mehrstoffverdichter 1 analog.

Bei Ausgestaltung eines Wärmetransformators 13 als Dampfstrahlkältemaschine (vgl. Figur 4) kann die Änderung der Temperaturen im Wärmetransformator über eine Anpassung des Drucks im Kondensator 4 (ggf. gleich dem Prozessdruck im Absorber des Mehrstoffverdichters) und/oder im Verdampfer 6 erfolgen.

Unabhängig von der Wahl des Wärmetransformators 13 kann die Abwärme 25 des Heißgaskondensators 27 im Fall der Kältebereitstellung grundsätzlich ebenfalls über einen Wärmetransformator eingespeist werden. Sollte allerdings kein ausreichender Wärmebedarf auf dem Temperaturniveau des Absorbers 7 oder der Wärmetrans- formatorabwärme bestehen, wäre die möglichst weit- gehende Abgabe der Abwärme 25 des Heißgaskondensators 27 z. B. an ein Rückkühlwerk vorzuziehen (vgl. Figur 2).

Gleiches gilt für die Abwärmeströme 23 und 24 von Absorber und Wärmetransformator ; auch sie können im Fall mangelnder Wärmenachfrage über einen Notkühler an die Umgebung abgegeben werden.

Eine weitere, in Figur 10 beispielhaft darge- stellte Verfahrensbesonderheit ist der aus Effizienz- gründen ergänzbare Kälterekuperator. Hierbei wird das Arbeitsmittel nach Durchströmen eines Verdampfers 6 durch einen zusätzlichen Wärmetauscher 28 geleitet, in dem es Wärme mit dem Arbeitsmittelstrom austauscht, welcher zuvor aus dem Kondensator 4 ausströmt. Mit Hilfe dieses zusätzlichen Wärmeaustauschs 28 besteht

grundsätzlich die Möglichkeit, den Kondensatanteil des Arbeitsmittels nach Drossel 5 zu erhöhen und damit die spezifische Kälteleistung des Arbeitsmittels im Verdampfer 6 zu steigern.

Abschließend zeigt Figur 11 beispielhaft die Kombination einer Anlage nach Figur 1 mit einer Feuerungseinrichtung 16 für feste Biomasse ein- schließlich Rauchgaskanal 17 und Abgaskamin 18. Das heiße Rauchgas der Feuerung ist das den Prozess antreibende Heißgas. Die Wärmekopplung zwischen dem Rauchgas, dem Überhitzer 2 und dem Austreiber 8 der in Figur 1 beschriebenen Anlage ist hierbei nur schematisch angedeutet. Der Wärmetransformator 13, dessen Verdampfer 6 seine Energie im dargestellten Beispiel ausschließlich aus dem Rauchgaskondensator bzw. -Wäscher 27 bezieht, ist in dieser Abbildung ebenfalls nur angedeutet.

Beispielhaft könnte eine solche Anlage als kompakte Containeranlage ausgeführt werden, in die an einer Stelle der biogene Brennstoff eingetragen wird und an anderer Stelle Normanschlüsse für die mit diesem Verfahren bereitgestellten Endenergien Elektrizität, Wärme und/oder Kälte bestehen.

Bezugszeichenliste 1 Thermischer Mehrstoffverdichter 2 Überhitzer 2b Zwischenüberhitzer 3a Expansionsmaschine (bei Parallelschaltung von Kraftteil, Mehrstoffverdichter und Wärmetransformator) 3b Expansionsmaschine (bei Reihenschaltung von Kraftteil, Mehrstoffverdichter und Wärmetransformator) 4 Kondensator 4b Kondensator (Dampfstrahlkältemaschine) 5 Drossel 6 Verdampfer 7 Absorber 7b Absorber (Resorber) 8 Austreiber 8b Austreiber (Resorber) 8c Austreiber (Double-Effect) 9 Pumpe 9b Pumpe (Resorber) 9c Pumpe (Double-Effect) 10 Drossel 10b Drossel (Resorber) 10c Drossel (Double Effect) 11 Kraftprozess 12 Kondensatrückführung auf Zwischendruckniveau 13 Wärmetransformator 14 Rekuperator 15 Generator 16 Biomassefeuerung 17 Rauchgaskanal 18 Abgaskamin

19 Wärmetauscher für aufkonzentrierte und verdünnte Lösung 20 Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas an externe Verbraucher 21 Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas zur Vorheizung der Verbrennungsluft einer dem Prozess vorgeschalteten Feuerungsanlage 22 Bypassleitung 23 Wärmeabgabe aus dem Absorber 24 Wärmeabgabe aus dem Wärmetransformator 25 Wärmeabgabe aus dem Heißgaskondensator bzw.

-Wäscher an das Arbeitsmittel 26 Arbeitsmittelspeicher 27 Heißgaskondensator, ggf. mit Gaswäscher 28 Wärmetauscher (Kälterekuperator) 29 Wärmeaufnahme zu Kühlzwecken 30 Bypassleitung für den Heißgaskondensator 31 Heißgasstrom (ungereinigt) 32 Heißgasstrom (gereinigt) 33 Auskopplung von Wärme aus dem Heißgas an externe Rückkühlwerke 34 Wärmetauscher zur Heißgaskühlung 35 Wärmetauscher zur Kondensat-bzw.

Waschsubstanzkühlung 36 Kondensat (schlamm)- bzw. Waschsubstanzabzug 37 Kondensat-bzw. Waschsubstanzrückführung inkl. Pumpe und Zerstäuber 38 Waschsubstanz zur Heißgaswäsche 39 trockene Gasreinigungsstufe 40 Beimischung von Umgebungsluft zum gereinigten Heißgas 41 Aerosol-und Tröpfchenabscheider 42 Expansionsmaschine zur Entspannung der Mehrstofflösung

43 Wärmetauscher zur Vorheizung von Umgebungsluft 44 Verdampfer für verarmte Lösung 45 Resorber 46 Dampfstrahlpumpe