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Patent Searching and Data


Title:
SYSTEM FOR PRODUCING ENERGY IN CONVENTIONAL WASTE INCINERATION AND METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/105511
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system for producing energy from conventional waste utilization, consisting of: a combustion chamber (1) having a combustion grate; an exhaust gas cleaning system (3); an evaporator (2, 9, 13, 14); a steam drum (10, 15, 16); a steam turbine (4); a generator (12); a condenser (12); a flue (19); and lines, wherein: the steam generator (9) consists at least of a low-pressure (LP) evaporator (13) and a high-pressure (HP) evaporator (14) and each evaporator (13, 14) is assigned a steam drum (15, 16) and a separate condenser (17.1, 17.2); and the condensers (17.1, 17.2) couple the evaporators (13, 14) to an ORC turbine (28). The invention further relates to a method for producing energy. The system according to the invention and the method according to the invention combine, in a conventional waste incineration system (waste incineration system), a conventional steam boiler with an ORC process, with the advantage that the corrosion caused by exhaust gases at the steam boiler is minimized by means of a special heating surface circuit, high efficiency being achievable at the same time.

Inventors:
ZORBACH INGO (DE)
MÜCK MICHAEL (DE)
BAER MARTIN (DE)
Application Number:
PCT/DE2018/100961
Publication Date:
June 06, 2019
Filing Date:
November 27, 2018
Export Citation:
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Assignee:
STEINMUELLER BABCOCK ENV GMBH (DE)
NIPPON STEEL & SUMIKIN ENG CO (JP)
International Classes:
F01K25/08; F01K3/18; F23G5/00
Domestic Patent References:
WO2014195882A22014-12-11
WO2006092786A22006-09-08
WO2011018814A22011-02-17
Foreign References:
DE102014202275A12015-08-27
EP2011972A22009-01-07
DE102012217339A12014-03-27
DE19856417A12000-06-15
DE102008027740A12009-12-17
Attorney, Agent or Firm:
ADVOPAT PATENT- UND RECHTSANWÄLTE (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Anlage zur Energieerzeugung aus der konventionellen Abfallverwer- tung, bestehend aus einer Brennkammer (1 ) mit einem Verbrennungs- rost, einer Abgasreinigungsanlage (3), einem Verdampfer (2, 13, 14), einer Dampftrommel (15, 16), einer Turbine (4,38), einem Generator (5,38), einem Kondensator (12), und Leitungen, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Verdampfer (2) mindestens aus einem Nieder- druck-Verdampfer (13) und einem Hochdruck-Verdampfer (14) besteht und jeder Verdampfer (13,14) über Leitungen mit einer Dampftrommel

(15,16) und einem separaten Kondensator (17.1 ,17.2) verbunden ist und die Kondensatoren (17.1 , 17.2) über Leitungen mit einer ORC Turbine (28) verbunden sind. 2. Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der ND-

Verdampfer (13) zum Teil als Strahlungswärmetauscher mit einer Membranwand (8) und zum anderen Teil mit einer konvektiven Bün- delheizfläche ausgestaltet ist.

3. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ND-Verdampfer (13) im Abgasweg dem HD-Verdampfer (14) vor- geschaltet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der HD-Verdampfer (14) mit einer konvektiven Bündelheizfläche ausgestaltet ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate Kondensatoren (17.1 , 17.2) hintereinander ge- schaltet angeordnet sind, wobei ein erster Kondensator (17.1 ) über

Leitungen mit dem ND-Verdampfer (13), ein zweiter Kondensator (17.2) über Leitungen mit dem HD-Verdampfer (14) verbunden und beide Kondensatoren (17.1 , 17.2) über Leitungen für ein Arbeitsmedi- um (32) miteinander und mit einer ORC Turbine (38) verbunden sind. 6. Verfahren zum Betreiben einer Anlage nach den Merkmalen der An- sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Wasser betrie- bener Dampferzeuger mehrstufig aufgebaut und mit dem ORC- Prozess (17) gekoppelt ist. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein ND-

Dampf (20) mit einem Druckniveau von 15 bis 30 bar erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7 dadurch gekennzeich- net, dass ein HD-Dampf (21 ) mit einem Druckniveau von 75 bis 120 bar erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich- net, dass die Überhitzung des Dampfes 3 bis 5 K nicht übersteigt. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich- net, dass als Arbeitsmedium im ORC-Prozess (17) ein organisches Arbeitsmedium (31 ) eingesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeich- net, dass in einem ersten Kondensator (17.1 ) das flüssige organische

Arbeitsmedium (31 ) durch einen sich abkühlenden ND-Dampf (20) vorgewärmt und teilweise oder gänzlich verdampft wird, in einem zweiten Kondensator (17.2) entweder fertig verdampft und anschlie- ßend überhitzt oder noch bis zum Verdampfungspunkt aufgewärmt, verdampft und überhitzt und anschließend einer ORC-Turbine (38) zugeführt wird.

Description:
Anlage zur Energieerzeugung bei der konventionellen

Abfallverbrennung und Verfahren

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Energieerzeugung bei der konven- tionellen Abfallverbrennung entsprechend dem Oberbegriff des ersten Pa- tentanspruches und ein Verfahren.

Die Erfindung ist überall dort nutzbar, wo eine konventionelle Abfallver- brennung auf Abfallverbrennungsrosten stattfindet, wobei die entstehende Abwärme zur Energieerzeugung genutzt wird.

Aus DE 198 56 417 A1 ist ein Dampferzeuger mit Verdampfer, Dampf- trommel und Überhitzer zum Einsatz in Abfallverbrennungsanlagen bekannt.

Ein Mehrzugkessel in einer Abfallverbrennungsanlage ist in

DE 10 2008 027 740 A1 beschrieben. Die Energienutzung bei einer konventionellen Abfallverbrennung in Ab- fallverbrennungsanlagen erfolgt über einen einstufigen Dampfprozess. Eine derartige Anlage wird nachfolgend allgemein beschrieben.

Zunächst wird der Abfall durch Zuführung von Luft in einer Brennkam- mer auf einem Rost verbrannt. Die dabei entstehenden Abgase werden typi- scherweise in einem Umlaufdampferzeuger, wie einen Naturumlaufdampfer- zeuger energetisch genutzt und anschließend einer Abgasreinigungsanlage zugeführt. Die Wärmeübertragung vom Abgas an das Wasser-Dampfsystem erfolgt über Strahlungs- und Berührungsheizflächen mit dem Ziel Frisch- dampf für die Dampfturbine zu erzeugen. Der gesamte Dampferzeuger be- steht aus einem Druckgerät.

Der im Verdampfer produzierte Sattdampf wird in der Dampftrommel von Wasser getrennt, in Überhitzer geleitet und anschließende als Frisch- dampf typischerweise zu einer Dampfturbine geleitet und dort zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Generator genutzt. Weiterhin kann der Ab- dampf der Turbine in einem Fleizkondensator zur Erzeugung von Fernwärme genutzt werden. Mit Anzapfungen an der Turbine wird typischerweise der Speiswasserbehälter entgast und aufgewärmt sowie das Kondensat vorge- wärmt. Wird kein Fleizkondensator verwendet, kommt typischerweise ein luftgekühlter Kondensator zum Einsatz.

Um einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad in der Turbine zu erzielen sind für den Dampfprozess möglichst hohe Dampfdrücke und Dampftemperaturen notwendig. Die bei der Abfallverbrennung entstehenden Abgase enthalten korrosive Gase (im wesentlichen Chorwasserstoff FICI und Schwefeldioxid S02) sowie korrosive, Schlacke bildende Stäube (Kalium- und Bleisalze uvm.). Aufgrund der deutlichen Zunahme der Korrosionsrate mit steigender Temperatur, ist der Dampfdruck auf etwa 90 bar und die Frischdampftemperatur auf ca. 500°C begrenzt. Eine weitere Einschränkung ist, dass zur Vermeidung von Flochtemperaturkorrosion sowie Verschlackung der Überhitzerflächen die Abgastemperatur vor dem ersten Überhitzer im Bereich von 650 - 700°C liegen sollte, bzw., dass die Überhitzerheizflächen im Strahlungsbereich kostenaufwendig und wartungsintensiv sind.

In einem Naturumlaufkessel haben alle Membranwände ungefähr die Temperatur des zugehörigen Sattdampfdruckes. Der Dampfdruck ist im We- sentlichen durch das heiße Abgas und die Wandtemperatur nach der Brenn- kammer, also im 1. Kesselzug begrenzt (~ 90 bar Sattdampfdruck entspricht etwa 308°C). Die Frischdampftemperatur ist durch die Hochtemperaturkorro- sion an den Überhitzern begrenzt. Zur Reduktion der Korrosion wird die Membranwand und der Endüberhitzer typischerweise mit metallischen oder keramischen Schutzschichten versehen. Beispielsweise kommt hier Auf- tragsschweißung aus Inconel zum Einsatz. Der Einsatz dieser Schutzschich- ten ist mir hohen Kosten verbunden.

Eine Alternative zum Dampfprozess mit Wasser als Arbeitsmedium stellt der ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) dar. Hier wird anstelle von Dampf ein organisches Arbeitsmedium mit einer wesentlich niedrigeren Ver- dampfungsenthalpie als Wasser eingesetzt, welches die Turbine antreibt.

Seit 2010 haben sich die verfügbaren Anlagengrößen sowie der Wirkungs- grad der ORC Anlagen durch die Verfügbarkeit neuer Arbeitsmedien stark verbessert. Der ORC Prozess läuft auf einem geringeren Temperaturniveau ab. Werden dem ORC-Prozess Verbrennungsanlagen zur Energiebereitstel- lung vorgeschaltet, sorgt ein Trägermedium, meist Thermalöl für die Übertra- gung der bei der Verbrennung erzeugten Wärme. Das organische Arbeits- medium welches die Turbine antreibt, wird in einem separaten geschlosse- nen Kreislauf geführt.

Bei der Abfallverbrennung ist die Nutzung von Wasser als Wärmeüber- tragungsmedium von Vorteil. Die Abfallverbrennung ist eine Speicherfeue- rung, d.h. die Energiezufuhr kann nicht spontan abgestellt werden, hier bietet Wasser bzw. Dampf als Übertragungsmedium einen Schutz für das System in mehrerer Hinsicht. Treten in einer Anlage zum Beispiel korrosionsbedingte Rohrreißer auf, dann tritt nur Wasser (flüssig und/oder dampfförmig) aus den Rohren aus. Dies stellt nur aufgrund der hohen Temperatur und des Drucks des Arbeitsmediums eine Gefahr dar. Würde hingegen ein im OCR Prozess verwendetes Thermalöl aus einem Rohr austreten, so kann es zu einem Brand im Kessel kommen. Dieser ist dann nur noch sehr schwer zu löschen und würde zu entsprechend großen Schäden und Sicherheitsrisiken führen. Ein weiterer Vorteil von Wasser besteht darin, dass der Druck im Kessel durch eine zielgerichtete Entspannung des Wassers in die Atmosphäre (typi- scherweise auf dem Dach des Kesselhauses) entlastet werden kann. Dies ist insbesondere dann nötig, wenn es in der Anlage zu einem totalen Stromaus- fall kommt. Hier sorgt dann ein Sicherheitsventil für den automatischen Schutz der Anlage.

Dampferzeuger mit mehreren Druckniveaus, d.h. Hochdruck (HD) und Niederdruck (ND) werden bereits für Gas und Dampf (GuD) Anlagen zur Optimierung des Wirkungsgrades eingesetzt. Der produzierte Dampf wird direkt der Turbine zugeführt. Durch die verschiedenen Druckniveaus kann mehr Abwärme aus dem Abgas der Gasturbine genutzt werden. Beim GuD Abhitze-Dampferzeuger ist das Hochdruck-System (HD), welches auf einem höheren Temperaturniveau arbeitet, im Abgasweg dem Niederdruck-System (ND) vorgeschaltet. Mit eine derartigen Schaltung lässt sich Korrosion gerade nicht vermindern. Damit können die bei GuD-Anlagen typischen Schaltungen in einer Abfallverbrennung aufgrund der Korrosionsbedingungen nicht ge- nutzt werden. Außerdem würden solche Schaltungen durch deren Komplexi- tät die Anlageninvestition ohne nennenswerte Verbesserung erhöhen. Durch die geringe absolut übertragbare Wärmemenge bei der Abfallverbrennung ist eine solche Schaltung für Dampfprozesse außerdem unwirtschaftlich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfin- düng, eine Anlage und ein Verfahren zur Energieerzeugung bei der konven- tionellen Abfallverbrennung zu entwickeln, bei der die Korrosion im Dampf- kessel und die Größe der Heizfläche verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Anlage nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und ein Verfahren nach den Merkmalen der Anspruches 6 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wie- der.

Die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren kombinieren in einer konventionellen Abfallverbrennungsanlage einen kon- ventionellen Dampfkessel mit einem ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) mit dem Vorteil, dass die Korrosion durch Abgase am Dampfkessel durch eine besondere Heizflächenschaltung minimiert wird, wobei gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Unter einem ORC-Prozess wird hierbei ein Prozess verstanden, bei dem anstelle von Dampf ein organisches Arbeitsmedium mit einer wesentlich niedrigeren Verdampfungsenthalpie als Wasser eingesetzt wird, welches in einem Kondensator erhitzt wird und eine ORC-Turbine antreibt. Der ORC- Prozess läuft auf einem geringeren Temperaturniveau ab. Das organische Arbeitsmedium welches in einem Kondensator erhitzt wird und die Turbine antreibt, wird in einem separaten geschlossenen Kreislauf geführt.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht zur Kopplung beider Anlagenteile und Prozesse in der Weise vor, dass das mit Wasser betriebene Dampfer- zeugersystem bestehend aus mindestens einem Hochdruck (HD)- Dampfsystem und mindestens einem Niederdruck (ND)-Dampfsystem mit dem ORC-Prozess gekoppelt wird. Denkbar sind Im Dampferzeugersystem auch mehrere hintereinander- geschaltete Dampferzeugersysteme.

Jedes der mindestens zwei Dampfsysteme bestehen aus einem Ver- dampfer im Abgasweg, eine nachgeschalteten Dampftrommel, einem Kon- densator und Leitungen zwischen den Apparaten. Hierbei ist es vorteilhaft wenn der ND-Verdampfer dem HD-Verdampfer im Abgasweg vorgeschaltet ist. Das gereinigte Abgas verlässt über einen Kamin die Anlage.

Das ND-Dampfsystem nutzt die Wärme, des in der Brennkammer er- zeugten Abgases, in einem Temperaturbereich, der sich von der adiabaten Verbrennungstemperatur des Abfalls bis hinab zu ca. 700°C erstreckt. Durch die hohe Temperatur des Abgases ist ein Teil des ND-Dampfsystems in vor- teilhafter Weise als Strahlungswärmetauscher ausgeformt, der als Memb- ranwand die äußere Begrenzung des ND-Verdampfers bildet. Der andere Teil des ND-Verdampfers ist in vorteilhafter weise als konvektive Bündel- heizfläche ausgebildet.

Das HD-Dampfsystem nutzt die Wärme des Abgases in einem Tempe- raturbereich, der sich von maximal etwa 900°C bis minimal zur Sattdampf- temperatur des HD-Dampfes des HD-Dampfsystems erstreckt. Die Heizflä- che des HD-Verdampfers ist in vorteilhafter weise als konvektive Bündel- heizfläche in den Abgasweg eingebaut und hat hierdurch die Möglichkeit sich ungehindert und unabhängig vom ND-System zu dehnen

Beide Dampfdrucksysteme sind als Naturumlaufdampferzeuger ausge- bildet.

Durch Variation der Dampfdrücke kann das System in einem bestimm- ten Rahmen flexibel auf geänderte Anforderungen seitens des Brennstoffs und des Verschmutzungsverhaltens des Dampferzeugers reagieren.

Diese Schaltungsvariante der Dampfdrucksysteme dient der Minderung der Hochtemperaturkorrosion aller einer hohen Abgastemperatur ausgesetz- ten Übertragungsflächen, insbesondere dem ersten Kesselzug und der Brennkammer. Durch den geringen Sattdampfdruck im ND-Dampfsystem haben die Übertragungsflächen Wandtemperaturen im Bereich von nur 200 - 230 °C, was für die Hochtemperaturkorrosion im unkritischen Bereich liegt.

Der ORC-Kreis für den ORC-Prozess besteht aus mindestens zwei Kondensatoren die durch eine Leitung für das organische Arbeitsmedium

(ORC-Medium) miteinander und mit einer ORC-Turbine verbunden sind, wo bei jeder der beiden Kondensatoren mit einem der beiden Dampfsysteme, also dem ND-, und dem HD- Verdampfer, verbunden ist. Durch die Wahl des ORC-Mediums als Wärmeträgers wie Cyclopentan

(CAS-Nummer 287-92-3) oder Toluol (CAS-Nummer 108-88-3) im ORC- Kreis werden die benötigten Wärmemengen und die Temperaturen der bei- den Dampfkreise bzw. Dampfsysteme festgelegt. Durch die Wahl der Tem- peraturen wird auch über die Kopplung der Sattdampftemperatur an den Sattdampfdruck direkt auch der Druck in den Dampfsystemen bestimmt. Mit steigenden Systemdrücken im ORC-Kreis nehmen die Verdampfungstempe- raturen im ORC-Kreis/Prozess ebenfalls zu. Dadurch müssen auch die Tem- peraturen und somit auch die Drücke in den Dampfsystemen angehoben werden. Die oben genannten Parameter stellen einen optimalen Bereich dar, bei dem die Gesamtanlage sowohl wirtschaftlich gebaut als auch energetisch effizient betrieben werden kann.

Die Energieerzeugung erfolgt erfindungsgemäß über ein mindestens zweistufiges Dampfsystem. Zunächst wird der Abfall durch Zuführung von Luft in einer Brennkammer verbrannt. Die dabei entstehenden Abgase wer- den in einem Dampferzeuger energetisch genutzt und anschließend einer Abgasreinigungsanlage zugeführt und durch einen Kamin in die Umwelt ent- lassen. Die Wärmeübertragung vom Abgas an das Wasser-Dampfsystem erfolgt über Strahlungs- und Berührungsheizflächen an den Membranwänden des Naturumlaufkessels und an Bündelheizflächen des ND- des HD- Verdampfers, mit dem Ziel, Sattdampf oder leicht überhitzten Sattdampf zu erzeugen.

Im erfindungsgemäßen zweistufigen Dampfsystem wird HD- und ND- Dampf erzeugt. Das Druckniveau des HD-Dampfes beträgt 75-120 bar, das Niveau des ND-Dampfes 15-30 bar. Der produzierte Dampf muss nicht über- hitzt sein. Wenn er überhitzt wird, dann soll die Überhitzung nur 3-5 K betra- gen und dient nur der Vermeidung von Kondensatbildung im zuführenden Dampfsystem.

Der produzierte HD-Dampf und ND-Dampf dient zur Wärmeübertragung der durch die Abfallverbrennung frei gewordenen Wärme auf den ORC- Prozess. Die Wärmeübertragung auf das organische Arbeitsmedium erfolgt durch die Kondensation der Dämpfe in separaten Kondensatoren im ORC- System. Hierbei wird im ersten Kondensator das flüssige organische Ar- beitsmedium mit ND-Dampf vorgewärmt und teilweise oder gänzlich ver- dampft. Im zweiten Kondensator wird das organische Arbeitsmedium je nach Zustand nach dem Austritt aus dem ersten Kondensator entweder fertig ver- dampft und anschließend überhitzt oder noch bis zum Verdampfungspunkt aufgewärmt, verdampft und überhitzt.

Die erfindungsgemäße Lösung weist die folgenden Vorteile auf:

Reduktion der Korrosion am Dampfkessel,

Verkleinerung der erforderlichen Heizflächen zur Wärmeübertragung am Dampferzeuger,

Vermeidung von Überhitzerheizflächen (Dampfüberhitzung ist nicht erforder- lich),

Verringerung der Ansprüche an die Dampfqualität gegenüber dem herkömm- lichen Dampfprozess durch einen zweiten Kreislauf, da Wärmeübertragung durch Kondensation, Verringerung an die Speisewasserqualität gegenüber dem herkömmlichen Dampfprozess, da die Komponenten des ORC Prozesses wesentlich gerin- gerer Anforderungen an die Dampfqualität haben,

Reduktion (oder sogar gänzlicher Wegfall der Überhitzerheizflächen) durch sehr geringe Überhitzung (max. 10K), dadurch Verkleinerung des

Kessels, des Stahlbaus, der Entaschung, etc. und somit Kostenreduktion. Kostenreduktion durch Verkleinerung der Systeme,

Vereinfachung der Montage durch hohen Vorfertigungsgrad von großen Komponenten,

Verringerung des Inbetriebnahmeaufwandes der Gesamtanlage durch fertig installierte Komponenten,

Erhöhung der Flexibilität der Anlage durch Verbesserung der Teillastfähig- keit,

Erhöhung der Reisezeit. Verringerung von Verschleiß an Ausmauerungen durch Verlängerung der Intervalle zwischen zwei Stillständen.

(Durch die Verlängerung der Reisezeit erhöht sich außerdem der Durchsatz der Anlage, wodurch ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil entsteht).

Kombination eines konventionellen Dampfkessels mit einem ORC-Prozess ohne Zwischenmedium (Thermalöl).

Minimierung des Risikos bei Rohreißer mit Dampf (Speicherfeuerung)

Im Folgenden werden der Stand der Technik und die Erfindung an ei- nem Ausführungsbeispiel und drei Figuren näher erläutert. Die Figuren zei- gen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Anlage bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 3 ein QT-Diagramm für die Wärmeübertragung in einem Kon- densator von FID-Dampf und ND-Dampf auf das ORC- System. Die Figur 1 zeigt eine Abfallverbrennungsanlage entsprechend dem

Stand der Technik. Abfall 32 wird auf einem Verbrennungsrost durch Zufüh- rung von Luft 33 in einer Brennkammer 1 verbrannt. Die dabei entstehenden Abgase werden typischerweise in einem Naturumlaufdampferzeuger 2 ener- getisch genutzt und anschließend einer Abgasreinigungsanlage 3 zugeführt. Das gereinigte Abgas verlässt die Anlage über einen Kamin 19. Die Wärme- Übertragung vom Abgas an das Wasser-Dampfsystem erfolgt über Strah- lungs- und Berührungsheizflächen mit dem Ziel, Frischdampf auf mindestens zwei unterschiedlichen Druckstufen für die Dampfturbine 4 zu erzeugen. Der gesamte Dampferzeuger besteht aus einem Druckgerät 18.

Der im Verdampfer produzierte Sattdampf wird in der Dampftrommel 10 von Wasser getrennt, in einen oder mehrere Überhitzer 9 geleitet und an- schließend als Frischdampf typischerweise zu einer Dampfturbine 4 geleitet und dort entspannt. Dabei wird die im Dampf enthaltene Druckenergie und dessen Wärme in mechanische Energie gewandelt und diese anschließend zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Generator 5 genutzt. Weiterhin kann der Abdampf der Turbine 4 in einem Heizkondensator 11 zur Erzeu- gung von Fernwärme genutzt werden. Mit Anzapfungen 46 an der Turbine 4 wird typischerweise der Speiswasserbehälter 6 entgast und aufgewärmt so- wie das Kondensat 7 vorgewärmt. Wird kein Heizkondensator 11 verwendet, kommt typischerweise ein luftgekühlter Kondensator 12 zum Einsatz.

Um einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad in der Turbine zu erzielen, sind für den Dampfprozess möglichst hohe Dampfdrücke und Dampftemperaturen notwendig. Die bei der Abfallverbrennung entstehenden Abgase enthalten korrosive Gase (im wesentlichen Chorwasserstoff HCl und Schwefeldioxid S02) sowie korrosive, Schlacke bildende Stäube (Kalium- und Bleisalze uvm.). Aufgrund der deutlichen Zunahme der Korrosionsrate mit steigender Temperatur, ist der Dampfdruck auf etwa 90 bar und die Frischdampftemperatur auf ca. 500°C begrenzt. Eine weitere Einschränkung ist, dass zur Vermeidung von Hochtemperaturkorrosion sowie Verschlackung der Überhitzerfläche die Abgastemperatur vor dem ersten Überhitzer 9 im Bereich von 650 - 700°C liegen sollte.

In einem Naturumlaufdampferzeuger 2 haben alle Membranwände 8 ungefähr die Temperatur des zugehörigen Sattdampfdruckes. Der Dampf- druck ist im Wesentlichen durch die Wandtemperatur im heißen Abgas nach der Brennkammer, also im ersten Kesselzug (42) begrenzt (~ 90 bar Satt- dampfdruck entspricht etwa 300°C). Die Frischdampftemperatur ist durch die Hochtemperaturkorrosion an den Überhitzern 9 begrenzt. Zur Reduktion der Korrosion wird die Membranwand 8 und der Überhitzer 9 typischerweise mit metallischen oder keramischen Schutzschichten versehen.

Die Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Anlage. Der Dampferzeuger besteht demnach aus einem Hochdruck- Dampfsystem 41 , (im Folgenden als HD-Dampfsystem bezeichnet) und ei- nem Niederdruck-Dampfsystem 40, (im Folgenden als ND-Dampfsystem be- zeichnet). Hierbei ist ein ND-Verdampfer 13 des Niederdruck-Dampfsystems 40 einem HD-Verdampfer 14 des HD-Dampfsystems 41 im Abgasweg vor- geschaltet.

Das ND-Dampfsystem 40 nutzt die Wärme des in der Brennkammer 1 erzeugten Abgases in einem Temperaturbereich, der sich von der adiabaten Verbrennungstemperatur des Abfalls bis hinab zu ca. 700°C erstreckt. Durch die hohe Temperatur des Abgases ist ein Teil des ND-Verdampfers 13 als Strahlungswärmetauscher ausgeformt, der als Membranwand 8 die äußere Begrenzung des ND-Verdampfers 13 bildet. Der andere Teil des ND- Verdampfers 13 ist als konvektive Bündelheizfläche ausgebildet.

Das HD-Dampfsystem 41 nutzt durch den HD-Verdampfer 14 die Wär- me des Abgases in einem Temperaturbereich, der sich von maximal etwa 900°C bis minimal zur Sattdampftemperatur des HD-Dampfes erstreckt. Die Heizflächen des HD-Verdampfers 14 sind als konvektive Bündelheizfläche in den Abgasweg eingebaut.

Beide Dampfdrucksysteme sind als Naturumlaufdampferzeuger ausge- bildet. Jedes Dampfdrucksystem 40,41 weist demnach eine eigene Dampf- trommel 15, 16 auf, das heißt, dem ND-Dampfsystem 40 ist eine ND- Dampftrommel 15, dem HD-Dampfsystem 41 eine HD-Dampftrommel 16 zu- geordnet.

Diese Schaltungsvariante dient der Minderung der Hochtemperaturkor- rosion aller einer hohen Abgastemperatur ausgesetzten Übertragungsflä- chen, insbesondere dem ersten Kesselzug 42 und der Brennkammer 1. Durch den geringen Sattdampfdruck im ND-Dampfsystem 40 haben die Übertragungsflächen des ND-Verdampfers 13 Wandtemperaturen im Be- reich von nur 200 - 230 °C, was für die Hochtemperaturkorrosion im unkriti- schen Bereich liegt. Durch die Wahl des Wärmeträgers im ORC-Prozess 17, der aus der

Speisepumpe 45, den Kondensatoren 17.1 , 17.2, Leitungen, in denen ein organisches Arbeitsmedium 31 fließt, einer ORC-Turbine 38, einem Genera- tor 39 sowie einem Kondensator 43 und typischerweise einem Rekuperator 44 besteht, werden die benötigten Wärmemengen und die Temperaturen der beiden Dampfkreise bzw. Dampfsysteme (ND, HD) festgelegt. Durch die

Wahl der Temperaturen wird auch über die Kopplung der Sattdampftempera- tur an den Sattdampfdruck direkt auch der Druck in den Dampfdrucksyste- men 40,41 bestimmt. Mit steigendem Systemdrücken im ORC-Prozess 17 nehmen die Verdampfungstemperaturen im ORC-Kreis 17 ebenfalls zu.

Dadurch müssen auch die Temperaturen und somit auch die Drücke in den beiden Dampfdrucksystemen 40,41 angehoben werden. Die oben genannten Parameter stellen einen optimalen Bereich dar, bei dem die Gesamtanlage sowohl wirtschaftlich gebaut als auch energetisch effizient betrieben werden kann.

Die Wärmeübertragung vom Abgas an das Wasser-Dampfsystem er- folgt über Strahlungs- und Berührungsheizflächen von Membranwänden 8 und Bündelheizflächen des HD- und des ND-Verdampfers 13,14 mit dem Ziel Sattdampf oder leicht überhitzten Sattdampf zu erzeugen.

Im Folgenden wird nur das zweistufige Dampfdrucksystem 40,41 näher erläutert:

Es wird HD-Dampf 21 und ND-Dampf 20 über die HD- bzw. ND- Dampftrommel 15, 16 erzeugt. Das Druckniveau des HD-Dampfes 21 beträgt 75-120 bar, das Niveau des ND-Dampfes 20 15-30 bar. Der produzierte Dampf muss nicht überhitzt sein. Wenn er überhitzt wird, dann soll die Über- hitzung nur 3-5 K betragen und dient nur der Vermeidung von Kondensatbil- dung im zuführenden Dampfsystem.

Der produzierte HD-Dampf 21 und ND-Dampf 20 dient zur Wärmeüber- tragung der durch die Abfallverbrennung frei gewordenen Wärme, auf den ORC-Prozess 17 und somit auf die ORC Turbine 38. Die Wärmeübertragung auf das ORC Medium 31 (organische Arbeitsmedium) erfolgt durch die Kon- densation der Dämpfe in separaten Kondensatoren 17.1 ,17.2 im ORC- System 17. Hierbei wird im ersten Kondensator 17.1 , der über Rohrleitungen mit dem ND-Verdampfer 13 verbunden ist, das flüssige organische Arbeits- medium mit ND-Dampf 20 vorgewärmt und teilweise oder gänzlich ver- dampft. Im zweiten Kondensator 17.2, der mit dem HD-Verdampfer 14 ver- bunden ist, wird das ORC Medium 31 mit HD-Dampf 21 je nach Zustand nach dem Austritt aus dem ersten Kondensator 17.1 entweder fertig ver- dampft und anschließend überhitzt oder noch bis zum Verdampfungspunkt aufgewärmt verdampft und überhitzt. Die Leitungen, in denen sich das orga- nische ORC Medium (Arbeitsmedium) 31 befindet, sind mit der ORC-Turbine 38, die den Generator 39 antreibt, und jedem einzelnen Kondensator 17.1 , 17.2 verbunden.

Das gereinigte Abgas verlässt die Anlage über einen Kamin 19.

Die Figur 3 zeigt die Wärmeübertragung in Form eines QT-Diagramms.

Der überhitzte ND-Dampf wird abgekühlt 22, isotherm kondensiert 23 und anschließend unterkühlt 24. Gleichzeit wird das ORC Medium aufge- wärmt 30 und teilweise verdampft 29a. Die vollständige Verdampfung 29b sowie die Überhitzung 28 des ORC-Mediums , findet durch die Abkühlung des überhitzten HD-Dampfes 25 statt, dessen isotherme Kondensation 26 und seiner Unterkühlung 27. Die Prozessschritte 22, 23 und 24 sowie 29a und 30 finden in einem ersten Kondensator 17.1 statt. Die Prozessschritte 25, 26, 27 sowie 29b und 28 finden in einem zweiten Kondensator 17.2 statt.

Anschließend wird der Dampf des organischen Arbeitsmediums 31 der ORC-Turbine 38 zur Stromgewinnung zugeführt.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Brennkammer

2 Naturumlaufverdampfer

3 Abgasreinigungsanlage

4 Turbine

5 Generator

6 Speisewasserbehälter

7 Kondensat

8 Membranwand des Naturumlaufdampferzeugers

9 Überhitzer in Figur 1

10 Dampftrommel

11 Heizkondensator

12 Kondensator luftgekühlt

13 ND-Verdampfer

14 HD-Verdampfer

15 Dampftrommel des ND-Dampfsystems

16 Dampftrommel des HD-Dampfsystems

17 ORC-Prozess

17.1 erster Kondensator im ORC-System

17.2 zweiter Kondensator im ORC-System

18 Druckgerät

19 Kamin

20 ND-Dampf

21 HD-Dampf

22 Abkühlung des überhitzten ND-Dampfs

23 isotherme Kondensation ND-Dampf

24 Abkühlung des ND--Kondensats

25 Abkühlung des überhitzten HD-Dampfs

26 isotherme Kondensation HD-Dampf 27 Abkühlung des ND--Kondensats 28 Überhitzung des ORC- Mediums

29a teilweise Verdampfung des ORC-Mediums

29b vollständige Verdampfung des ORC-Mediums

30 Aufwärmung des ORC-Mediums

31 ORC-Medium, Arbeitsmedium

32 Abfall

33 Luft

34 Schlacke

35 Kondensat

36 Luftvorwärmer

37 Speisewasservorwärmer (ECO)

38 ORC Turbine

39 ORC Generator

40 ND Dampfsystem

41 HD Dampfsystem

42 erster Kesselzug

43 Kondensator des ORC Systems

44 Rekuperator des ORC Systems

45 Speisepumpe des ORC Systems

46 Anzapfdampf zur Luftvorwärmung