专利名称：将生物原料的热能转换为机械功的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求I的前序的、将生物原料(biomass)的热能转换为机械功的方法，以及涉及根据权利要求7的前序的、将热能转换为机械功的设备。将结合生物原料描述本发明，但应指出的是，根据本发明的方法和设备也可用于其它含碳产品。
背景技术：
DE 100 39 246 C2涉及将热能转换为机械功的方法，其中，第一热能储存装置和第二热能储存装置与涡轮机支路交替连接。这里的缺点在于，各处理步骤所释放的热量未充分整合，通过例如旋风分离器(cyclone)移除的烟气中形成有灰尘。
发明内容
因此，本发明基于提供一种将源自含碳原材料的燃烧或气化的热能转换为机械功的方法及设备的目的；随着使热量更好地整合到燃烧过程，所述方法及设备具有高水平的效率(efficiency)和高水平的效力(efficacy),而且优选地,所述方法及设备在免除了烟气中灰尘的同时进行运作。此外，创建一种将产生的能量高效提供给单个过程的方法。这通过根据权利要求I的方法以及根据权利要求7的设备来实现。优选实施例和改进(refinement)为从属权利要求的主旨。本发明的基本点在于一种将含碳原材料的热能转换为机械功的方法，所述方法采用至少一个第一热能储存和散发装置以及至少一个第二热能储存和散发装置，所述第一热能储存和散发装置以及第二热能储存和散发装置至少与涡轮机支路交替连接(alternately in a turbine branch),在所述润轮机支路下游有燃气润轮机(gasturbine);所述方法包括以下步骤a)在燃气燃烧器(gas burner)中使燃料(fuel)燃烧,为所述燃气燃烧器提供助燃气体(combustion air),b)通过热能储存装置传递所述燃气燃烧器中产生的烟气，以及c)将至少一个热能储存和散发装置所散发的热空气引入所述燃气涡轮机内、尤其引入其扩展器(expander)内，其中，向至少一个热交换器提供所述燃气涡轮机散发的热空气，所述至少一个热交换器连接在所述燃气涡轮机的下游，通过这一热交换器对提供给所述燃气燃烧器的助燃气体进行加热。尤其地，术语“下游的”表示相对于待处理气体或热流的下游。优选地，这里的所述燃气燃烧器直接连接在所述气化炉之后。优选地，所述热能储存装置也适合于以例如热空气(hot air)的形式散发所储存的热能。尤其地，如EPO 620 909 BI或DE 42 36 619C2中所描述的,热能储存装置可能是疏松材料(bulk material)发生器。本公开完全包含2008年11月8日向德国专利商标局(DPMA)登记的DE 100 39 246 Al的公开内容，以供参考。通过根据本发明的流程，通过对所述系统使用更为定向的拉姆达控制(lambdacontrol),可使所述设备的功率产额(power yield)增加。根据本发明因此提出，通过热交换器对燃气燃烧器的助燃气体进行加热，优选使用所述燃气涡轮机散发的热量或热空气。另外，可向所述热交换器提供压缩空气。因此，所述方法允许将热量最优地整合到燃烧过程中。同样地，通过热交换器将燃烧形成的热量作为受热助燃气体反馈给燃气燃烧器，从而进一步提高所述方法的效率。优选地，所述燃气涡轮机散发的、且提供给至少一个热交换器(所述热交换器连接在所述燃气涡轮机的扩展器下游)的热空气将作为热废气至少部分地提供给其他热交换器，将获得的热能作为可用热量分离(coupled out)。这进一步提高了环境友好性和所述方法的效率。优选地，所述燃气涡轮机散发的、且提供给至少一个热交换器(所述热交换器连接在所述燃气涡轮机的扩展器下游)的热空气将作为热废气至少部分地提供给至少一个其他热交换器，产生的热能用于产生饱和蒸汽。在这一实施例中，所述废热用于产生饱和蒸汽。这尤其用于将所述废热导向至少一个其他热交换器，所述至少一个其他热交换器依次连接在与所述燃气涡轮机下游连接的所述热交换器下游，且所述至少一个其他热交换器对水进行加热以产生饱和蒸汽。另外或替代性地，优选地，至所述燃气涡轮机散发的、且提供给至少一个热交换器(所述热交换器连接在所述燃气涡轮机的扩展器下游)的热空气将作为热废气至少部分地提供给至少一个其他热交换器，获得的热能用于产生热空气。可为气化炉提供这一热空气。优选地，所述整个方法包括在第一步，在气化炉内使含碳原材料气化，其中，将气体产物作为燃料提供给连接在所述气化炉下游的所述燃气燃烧器。这里优选地，通过连接在所述燃气涡轮机下游的所述热交换器将所述受热饱和蒸汽和/或热空气引入气化炉内，所述受热饱和蒸汽和/或所述热空气用作用于气化的气化介质。优选地，将固体床逆流气化炉用作气化炉。此处，通过热交换器将受热水蒸气引入所述气化炉内并用于气化。优选地，与所述水蒸气一起向所述气化炉提供作为助燃气体的其他气态介质。例如，合适的助燃气体为热空气、氧气、富含氧气的气体和类似气体。一般而言，可使用根据现有技术的各种气化炉类型。但是，固体床逆流气化炉的具体优点在于在这一反应器内形成单个区，在所述单个区内产生不同温度，因此在所述单个区内发生不同过程。所述不同温度由以下事实造成各个过程高度吸热，而仅从下面提供热量。这样，特别优选地使用非常高的蒸汽温度。在其他优选方法中，通过燃气涡轮机使由所述燃气涡轮机释放的膨胀热空气用于产能。这里，这一蒸汽润轮机可并入一单独水回路(separate water circuit),可通过热交换器使这一回路中的水蒸发和过热。在所述蒸汽涡轮机之后，将蒸汽再次提供给所述热交换器之前，为了接下来通过泵使所述蒸汽以液体形式增压，使所述蒸汽冷凝。根据本发明，将热能转换为机械功的设备基本上包括使燃料燃烧的燃气燃烧器；至少一个第一热能储存装置和至少一个第二热能储存装置，所述第一热能储存装置和第二热能储存装置可至少有时与涡轮机支路交替连接，在所述涡轮机支路下游有燃气涡轮机；以及至少一个连接管线，所述连接管线向热能储存装置提供所述燃气燃烧器内产生的烟气，其中，至少一个热交换器连接在所述燃气涡轮机下游、且用于对导向所述燃气燃烧器的助燃气体进行加热。
尤其地，为了使所述燃气燃烧器内所述燃烧过程的构成更高效，在所述燃气涡轮机与所述热交换器之间、以及在所述热交换器与所述燃气燃烧器之间提供连接管线，以便自所述燃气涡轮机出现的热量首先对所述助燃气体进行加热，因此可向所述燃气燃烧器再次提供所散发的能量。优选地，所述设备具有向所述燃气燃烧器提供空气(尤其新鲜空气)的空气供给装置。所述热交换器设置在这一管线内。优选地，在所述燃气涡轮机与所述燃气燃烧器之间没有直接的气体连接。但是，通过所述热交换器向其他媒介(例如助燃气体、饱和蒸汽和热空气)传输所述燃气涡轮机散发的气体的热能，并且如上所述，将这些媒介再次提供给所述燃气燃烧器和/或气化炉。此外优选地，所述燃气涡轮机也用作压缩机，所述压缩机对提供的空气进行压缩、以及为所述热能储存装置再次提供待加热的冷空气，其中，至少一个热交换器连接在所述燃气涡轮机下游、且向所述燃气燃烧器提供受热空气。 优选地，在所述燃气燃烧器上游连接有产生所述燃料或对所述燃料进行转换的气化炉。优选地，在所述涡轮机支路下游连接有对至少一种气体进行加热的其他装置。例如，这些装置也是热交换器，所述热交换器同时对空气加热、以产生可提供给气化炉的热空气。此外，这些装置可产生饱和蒸汽，也可向所述气化炉提供所述饱和蒸汽。优选地，至少部分地将提供给至少一个热交换器(所述至少一个热交换器连接在所述燃气涡轮机下游)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器，将获得的热能作为可用热量分离。优选地，至少部分地将提供给至少一个热交换器(所述至少一个热交换器连接在所述燃气涡轮机空气下游)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器，所述至少一个其他热交换器使用获得的热能来产生饱和蒸汽。优选地，至少部分地将提供给至少一个热交换器(所述至少一个热交换器连接在所述燃气涡轮机空气下游)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器，所述至少一个其他热交换器使用获得的热能来产生热空气。因此优选地，在自所述涡轮机出现的热空气之后将数个热交换器连续设置成线。这里优选地，提供使至少一个第一热能储存装置和至少一个第二热能储存装置在所述涡轮机支路中交替连接的装置。例如，这些交替连接装置可能是多个可控阀，所述可控阀各自允许向所述热能储存装置交替供应烟气、以及允许向所述燃气涡轮机交替散发受热空气。优选地，提供连接在所述燃气涡轮机的所述压缩机下游的至少一个其他热交换器，所述至少一个其他热交换器为所述第一热能储存装置和/或第二热能储存装置提供至少部分冷却的热空气、且所述热空气作为冷空气提供。首先，这保证了使储能的效能增加。其次，对空气进行冷却也降低了烟气的温度。进一步优选地，在所述燃气涡轮机的压缩机下游连接有注水器。优选地，在所述压缩机与所述燃气涡轮机的扩展器之间提供至少一个阀状装置，所述至少一个阀状装置用于截断所述涡轮机支路。所述阀状装置用于紧急关闭，且优选地设置在通向卸压单元的管线与通离所述燃气涡轮机的压缩机的管线之间的旁路内。此外，提供温度传感器，所述温度传感器在所述热能储存装置的适当点测量温度，并对这些测量值作出响应而对相应阀进行开关，以便始终允许至所述燃气涡轮机的最佳供应，此外，还允许所述热能储存装置的高效重装载。尤其地，通过设置热交换器对燃烧过程或气化过程进行控制的基本优点在于，对燃气燃烧器进行高度定向的拉姆达控制。在其他优选实施例中，在所述燃气涡轮机下游连接有蒸汽涡轮机。这一下游的蒸汽涡轮机可重新使用来自第一燃气涡轮机的热空气、以产能。因此可进一步改进当前产额。
在结合附图的以下描述中对设备的各优点和适当用途进行解释，附图中图I是第一流程图；以及图2是第二流程图。标号清单I连接在燃气涡轮机下游的热交换器2燃气燃烧器3烟气、连接管线4第一热能储存和散发装置6第二热能储存和散发装置7助燃气体、连接管线8燃气涡轮机9饱和蒸汽10热空气11、12、13、15 热交换器14含碳原材料16气化介质的供料管线18气化炉21,22至燃气涡轮机的供料管线25 管线26至热交换器的供料管线32、34、36、38、40、42、44、46 可控阀52、54、56 压缩机58 泵60发生器61注水器70 回路 71热交换器72蒸汽涡轮机74发生器76冷凝器Pl方向箭头T涡轮机支路具体实 施方式图I是使用根据本发明的设备将含碳原材料的热能转换为机械功的示例性流程图。这里的标号I涉及连接在燃气涡轮机8下游的热交换器。首先从上面向气化炉18内引入原材料14，从下面沿供料管线16引入气化介质(例如空气/饱和蒸汽)。这使得气化介质和气体产物在与燃料流相反的方向上在反应室内流过。气化炉18内产生的灰向下(即沿箭头Pl)散发。气体产物进入燃气燃烧器2并且燃烧。然后，通过连接管线3和通过阀44和46向第一疏松产品蓄热器(bulk product regenerator) 4或第二疏松产品蓄热器6引导燃气燃烧器2内产生的烟气，通过管线12向燃气涡轮机8提供由疏松产品蓄热器4和6散发的热空气7。发生器G设置在涡轮机支路T的燃气涡轮机8上。标号23表示释放管线，其用于释放第一热能储存装置4和6内形成的烟气。管线22从第一蓄热器4引向燃气涡轮机8。通过管线26向热交换器I提供自燃气涡轮机8出现的热废气。散发的热量用于对引入的压缩空气进行加热，将所述压缩空气作为预热的助燃气体7提供给燃气燃烧器2。然后，向其他热交换器13提供自燃气涡轮机8出现的热废气，所述热废气用于产生热水。热交换器13的下游连接有热交换器11、12，从而将受热空气和水作为气化媒介提供给固体床逆流反应器18。热交换器13直接连接在第一热交换器I的下游。例如，通过这一装置可能使用释放的热量来产生高温热水。用于将空气和水作为气化媒介进行加热的热交换器11、12连接在热交换器13的下游。根据本发明，一系列热交换器允许对方法中的热量分布进行精确控制。尤其地，接收最高温度助燃气体的第一热交换器I用于为燃气燃烧器产生热空气。下一个热交换器13用于产生提供给其他热交换器11和12的热量以随后产生热空气或饱和蒸汽。此外同样可能的是，改变两个热交换器12和11的顺序。热交换器15连接在燃气涡轮机8的压缩机下游，其对自燃气涡轮机8的压缩机出现的压缩热空气进行冷却、以及接着将冷空气导向第一热能储存装置4和/或第二热能储存装置6。这使得储能的温度效能增加、而降低了烟气的温度。图中的标号58涉及传输水的泵。图中的标号10涉及热空气，标号9涉及饱和蒸汽。标号32、34、36、38、40、42、44和46各自涉及可控阀，所述可控阀控制向疏松产品蓄热器4和6提供烟气(阀44和46)、控制从疏松产品蓄热器4和6向燃气涡轮机8输出热空气(阀36和42)、控制疏松产品蓄热器4和6的烟气输出(阀32和38)、以及相反地控制向疏松产品蓄热器4和6提供冷空气(阀34和40)填充有黑色的阀为打开状态，而仅仅有轮廓的阀为关闭状态。标号52、54和56涉及对空气(标号56)、烟气(标号52)和废气(标号54)进行压缩或传输的压缩机。此外，通过管线25向燃气涡轮机8提供空气，并通过其他热交换器15引导空气，以便将空气作为冷空气提供给疏松产品蓄热器4和6内。
优选地，通过使用气化炉I可能省略对烟气3进行成本很高的除尘。图2是本发明的另一实施例的示意图。在这一实施例中提供有其它回路70，所述回路连接在燃气涡轮机8下游。更精确地，来自燃气涡轮机8的热空气导入这一回路70内整合的热交换器71中。热交换器对回路70内的水进行加热，并将其提供给蒸汽涡轮机72，所述蒸汽涡轮机转而驱动一发生器74。标号78涉及泵，标号76涉及冷凝器。采用这一流程，该设备的当前产额可进一步提高本申请文件公开的所有特征对本发明是必要的，在与现有技术相比的范围内，他们单独地或结合地具有新颖性。
权利要求
1.一种将含碳原材料的热能转换为机械功的方法，所述方法采用至少一个第一热能储存和散发装置(4)以及至少一个第二热能储存和散发装置￠)，所述第一热能储存和散发装置以及第二热能储存和散发装置至少有时与涡轮机支路(T)交替连接，在所述涡轮机支路下游有燃气涡轮机(8);所述方法包括以下步骤a)在燃气燃烧器(2)中使燃料燃烧，其中向所述燃气燃烧器提供助燃气体，b)通过热能储存装置(4、6)传递所述燃气燃烧器(2)中产生的烟气(3)，以及c)将装置(4、6)的至少一个所散发的热空气(7)引入所述燃气涡轮机(8)内，其特征在于，向至少一个热交换器(I)提供所述燃气涡轮机(8)散发的热空气，所述至少一个热交换器连接在所述燃气涡轮机(8)的下游，通过这一热交换器(I)对提供给所述燃气燃烧器(2)的助燃气体进行加热。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，至少部分地将所述燃气涡轮机(8)散发的且提供给至少一个热交换器(I)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器(13)， 所述至少一个热交换器(I)连接在所述燃气涡轮机(8)下游；所述获得的热能作为可用热量分离。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，至少部分地将所述燃气涡轮机(8)散发的且提供给至少一个热交换器(I)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器(11)， 所述至少一个热交换器(I)连接在所述燃气涡轮机(8)下游；所述获得的热能用于产生饱和蒸汽(9)。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，至少部分地将所述燃气涡轮机(8)散发的且提供给至少一个热交换器(I)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器(12)， 所述至少一个热交换器(I)连接在所述燃气涡轮机(8)下游；所述获得的热能用于产生热空气(10)。
5.根据前述权利要求中一项权利要求所述的方法，其特征在于，在第一步，通过气化炉(18)使所述含碳原材料(14)发生气化，以及将所述气体产物作为燃料提供给所述气化炉(I)下游连接的所述燃气燃烧器(2)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将固体床逆流气化炉(18)用作气化炉 (18)。
7.根据前述权利要求中至少一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过蒸汽涡轮机 (72)使从所述燃气涡轮机(8)释放的热空气用于产能。
8.一种将热能转换为机械功的设备，其中提供以下组件使燃料燃烧的燃气燃烧器(2);至少一个第一热能储存装置(4)及至少一个第二热能储存装置出)，所述第一热能储存装置及所述第二热能储存装置至少有时与涡轮机支路 (T)交替连接，在所述涡轮机支路下游有燃气涡轮机(8);以及至少一个连接管线(3)，所述连接管线向所述热能储存装置(4、6)提供所述燃气燃烧器(2)内产生的烟气，其特征在于，至少一个热交换器(I)连接在所述燃气涡轮机(8)下游、且用于对提供给所述燃气燃烧器⑵的助燃气体(7)进行加热。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，在所述燃气燃烧器(2)上游连接有气化炉(I)，所述气化炉用于产生所述燃料。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，在所述涡轮机支路(T)下游连接有对至少一种气体进行加热的其他装置(I、11、12、13)。
11.根据权利要求8至10至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，至少部分地将提供给至少一个热交换器(I)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器(13)，所述至少一个热交换器(I)连接在所述燃气涡轮机(8)下游；所述获得的热能作为可用热量分离。
12.根据权利要求8至11至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，至少部分地将提供给至少一个热交换器(I)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器(11)，所述至少一个热交换器(I)连接在所述燃气涡轮机(8)下游；所述至少一个其他热交换器使用所述获得的热能来产生饱和蒸汽(9)。
13.根据权利要求8至12至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，至少部分地将提供给至少一个热交换器(I)的热空气作为热废气提供给至少一个其他热交换器(12)，所述至少一个热交换器(I)连接在所述燃气涡轮机(8)下游；所述至少一个其他热交换器使用所述获得的热能来产生热空气(10)。
14.根据权利要求8至13至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，在所述涡轮机支路(T)提供使至少一个第一热能储存装置(4)和至少一个第二热能储存装置(6)交替连接的装置。
15.根据权利要求8至14至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，提供位于所述燃气涡轮机(8)的所述压缩机下游的至少一个其他热交换器(15)，所述至少一个其他热交换器至少部分地对提供的热空气进行冷却、且将这一至少部分冷却的热空气作为冷空气提供至所述第一热能储存装置(4)。
16.根据权利要求8至15至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，在所述燃气涡轮机(8)的压缩机下游提供注水器。
17.根据权利要求8至16至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，在所述燃气涡轮机的所述压缩机(8)与卸压单元之间提供至少一个阀状装置，所述至少一个阀状装置用于截断所述涡轮机支路(T)。
18.根据权利要求8至17至少一项权利要求所述的设备，其特征在于，在所述燃气涡轮机(8)下游连接有蒸汽处理。
全文摘要
本发明尤其涉及将碳质原材料的热能转换为机械功的方法，其具有至少一个第一热能储存和散发装置(4)和至少一个第二热能储存和散发装置(6)，上述装置至少暂时地与涡轮机支路(T)交替连接，该涡轮机支路在其下游具有与其连接的燃气涡轮机(8)；该方法包括以下步骤a)在燃气燃烧器(2)内使气体燃烧；b)通过热能储存装置(4、6)传递燃气燃烧器(2)内产生的烟气(3)，以及c)向燃气涡轮机(8)供应至少一个装置(4、6)散发的热空气(7)，其中，向燃气涡轮机(8)下游连接的至少一个热交换器供应燃气涡轮机(8)所散发的热空气(7)。
文档编号F02C7/08GK102625877SQ201080037007
公开日2012年8月1日 申请日期2010年8月12日 优先权日2009年8月21日
发明者德拉干·斯蒂凡诺维奇 申请人:克朗斯股份有限公司