AT514579B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus feuchten Abgasen - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus feuchten Abgasen, bei dem Abgas mit einer Temperatur von 90-130°C und einem Wassertaupunkt von 50-75°C zuerst in einem indirekten, ersten Wärmetauscher (3) auf eine über dem Taupunkt liegende Temperatur abgekühlt und das abgekühlte Abgas danach durch einen Direktkontaktkondensator (2) geleitet wird, wird das im Direktkontaktkondensator (2) entstehende Kondensat (6) gesammelt und im ersten Wärmetauscher (3) durch Wärmeaustausch mit dem Abgas erwärmt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus feuchten Abga¬sen mit einer Temperatur von 90- 130°C und einem Wassertaupunkt von 50-75^.

[0002] Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0003] In industriellen Prozessen entstehen Abgasströme auf unterschiedlichen Temperaturni¬veaus. Um die in den Abgasströmen enthaltene Wärmeenergie zu nutzen, wurden bereits ver¬schiedene Wärmerückgewinnungsverfahren vorgeschlagen. Die Wärmegewinnung ist insbe¬sondere bei Abgasströmen mit einer Temperatur von über 300 °C mit einem hohen wirtschaftli¬chen Nutzen verbunden, wobei in der Regel herkömmliche Wärmetauscher zum Einsatz gelan¬gen, in denen eine Wärmeübertragung vom heißen Abgasstrom auf ein anderes Medium zuerreichen ist.

[0004] Zur Nutzung der latenten Wärme eines Abgasstromes sind weiters Verfahren zurRauchgaskondensation vorgeschlagen worden, und zwar insbesondere bei Feuerungsanlagen,in denen feuchte Brennstoffe verfeuert werden, sodass der Abgasstrom einen entsprechendhohen Wasserdampfgehalt aufweist.

[0005] In einer Zementherstellungsanlage entstehen Abgasströme, deren thermische Verwer¬tung wirtschaftlich sinnvoll erscheint. Es ist beispielsweise allgemein üblich, die Abluft desKlinkerkühlers einer Sekundärfeuerung der Zementherstellungsanlage als Tertiärluft zur Verfü¬gung zu stellen. Weniger Beachtung wurde bisher jedoch der energetischen Nutzung von relativfeuchten Niedertemperaturabgasströmen einer Zementklinkerherstellungsanlage geschenkt.Dabei handelt es sich beispielsweise um den aus dem Rohmehlvorwärmer kommenden Ab¬gasstrom, der nach Durchströmen der Rohmehlmühle aufgrund des Feuchtegehalts des Roh¬mehls bei einer Temperatur zwischen 90 und 150°C einen Taupunkt von 50 bis 80°C bei Um¬gebungsdruck aufweist. Weiters ist in diesem Zusammenhang Abluft aus einem Schlacken¬trocknungsaggregat zu nennen, die typischerweise eine Temperatur von 90 bis 120^ undeinen Taupunkt von 50 bis 80°C bei Umgebungsdruck aufweist. Solche feuchten Niedertempe¬raturabgase besitzen nicht nur einen nutzbaren Gehalt an fühlbarer Wärme, sondern aucheinen nicht unerheblichen latenten Wärmeinhalt, der rückgewonnen werden kann. Aufgrund desniedrigen Temperaturniveaus des Abgasstroms hängt die Wirtschaftlichkeit der Energierückge¬winnung entscheidend von der Effizienz des Rückgewinnungsverfahrens ab.

[0006] Die Erfindung befasst sich insbesondere mit der Rückgewinnung von Energie aus feuch¬ten Abgasen mit einer Temperatur von unter 130^. Unter Abgasen im Sinne der Erfindungwerden nicht nur Abgase aus Verbrennungsprozessen, sondern generell Aerosole, d.h. Gemi¬sche aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen und einem Gas verstanden. Unter einem Ab¬gas wird daher beispielsweise auch Abluft verstanden, die nicht aus einem Verbrennungspro¬zess stammt.

[0007] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, feuchte Abgase bzw. feuchte Abluft miteiner Temperatur von 90 bis 130^0 und einem Wassertaupunkt von 50 bis 75°C (bei Umge¬bungsdruck gemessen) im Sinne einer Rückgewinnung des fühlbaren und des latenten Wärme¬inhalts zu nutzen. Dabei sollen insbesondere Abgas- bzw. Abluftströme aus Zementklinkerher¬stellungsanlagen möglichst effizient genutzt werden können. Insbesondere soll eine Nutzungzur Stromerzeugung ermöglicht werden.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs ge¬nannten Art vor, dass Abgas mit einer Temperatur von 90 bis 130°C und einem Wassertau¬punkt von 50-75°C zuerst in einem indirekten, ersten Wärmetauscher auf eine über dem Tau¬punkt liegende Temperatur abgekühlt und das abgekühlte Abgas danach durch einen Direkt¬kontaktkondensator geleitet wird, wobei das im Direktkontaktkondensator entstehende Konden¬sat gesammelt und im ersten Wärmetauscher durch Wärmeaustausch mit dem Abgas erwärmtwird. Die Erfindung sieht somit einen zweistufigen Wärmerückgewinnungsprozess vor, bei demin einem ersten Schritt lediglich die fühlbare Wärme des Abgasstroms in einem indirekten Wär¬ metauscher genutzt wird und danach der latente Wärmeinhalt in einem Direktkontaktkondensa¬tor rückgewonnen wird. Dabei sind der indirekte Wärmetauscher und der Direktkontaktkonden¬sator in Serie geschalten, sodass das feuchte Abgas zuerst den indirekten Wärmetauscher unddanach den Direktkontaktkondensator durchläuft. Dadurch, dass das feuchte Abgas im indirek¬ten Wärmetauscher auf eine über dem Taupunkt liegende Temperatur abgekühlt wird, wird eineKondensation und die damit verbundenen Korrosionsprobleme vermieden. Erst im Direktkon¬taktkondensator wird das feuchte Abgas auf eine Temperatur unter dem Taupunkt abgekühlt,sodass es zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassergehalts kommt und dieentsprechende Kondensationswärme in der Folge genutzt werden kann.

[0009] Unter einem Direktkontaktkondensator wird dabei ein Kondensationsaggregat verstan¬den, bei dem ein Kühlmedium in direkten Kontakt mit dem Abgas kommt. Das Kühlmedium wirdhierbei in der Regel in eine von dem Abgas durchströmte Kammer gesprüht, sodass eine über¬aus große Oberfläche für die Wärmeübertragung zur Verfügung steht. Das Einsprühen desKühlmediums erfolgt in der Regel am oberen Ende der Kammer, wobei das Abgas am gegen¬überliegenden unteren Ende eingeleitet wird und die Kammer in der Regel von unten nach obendurchströmt. Das im Direktkontaktkondensator entstehende Kondensat wird am Boden derKammer gesammelt und abgeleitet.

[0010] Das Kühlmedium kommt bevorzugt als Wasser mit einer Temperatur unterhalb desWassertaupunkts des Abgases zum Einsatz. Das sich im Kondensator ansammelnde Konden¬sat hat aufgrund der Kondensationswärme eine gegenüber dem beim Einsprühen herrschendenAnfangszustand höhere Temperatur.

[0011] Erfindungsgemäß wird das im Direktkontaktkondensator entstehende Kondensat alsKühlmedium für den ersten Wärmetauscher verwendet, in dem es unter Abkühlung des Abga¬ses weiter erwärmt wird.

[0012] Der Wärmetauscher ist als indirekter Wärmetauscher ausgebildet, um einen direktenKontakt zwischen dem Kühlmedium und dem Abgasstrom zu vermeiden. Die beiden Stoffströ¬me sind somit räumlich durch wenigstens eine wärmedurchlässige Wand getrennt. Der indirekteWärmetauscher wird dabei bevorzugt im Gegenstrom vom Abgas und dem Kühlmedium durch¬strömt. Der indirekte Wärmetauscher kann bevorzugt als Plattenwärmetauscher, Spiralwärme¬tauscher oder als Rohrwärmetauscher ausgebildet sein.

[0013] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Direktkontaktkondensator und imindirekten Wärmetauscher dasselbe Kühlmedium zum Einsatz gelangt, um den fühlbaren bzw.den latenten Wärmeinhalt des Abgases abzuziehen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass derDirektkontaktkondensator gleichzeitig als Abgaswäscher genutzt werden kann.

[0014] Insgesamt gelingt es, eine größtmögliche Enthalpie, d.h. die größtmögliche Energie beieinem größtmöglichen Temperaturniveau eines feuchten Abgasstromes zu nutzen.

[0015] Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, dass das im ersten Wärmetauschererwärmte Kondensat auf eine unter dem Wassertaupunkt des Abgases liegende Temperaturgekühlt und danach dem Direktkontaktkondensator als Kühlmedium zugeführt, insbesondere indiesen eingesprüht wird. Dadurch kann das Kühlmedium im Kreislauf geführt werden. Das ausdem indirekten Wärmetauscher kommende Kühlmedium, insbesondere Wasser, weist bevor¬zugt eine Temperatur von 70 bis 95 °C auf. Der Wärmeinhalt des Kühlmediums kann dabei inverschiedenster Art und Weise genutzt werden. Aufgrund des relativ niedrigen Temperaturni¬veaus des Kühlmediums ist eine unmittelbare Verwendung des Kühlmediums zur Stromerzeu¬gung jedoch nicht ohne weiteres möglich. Eine bevorzugte Weiterbildung sieht daher vor, dassdie Kühlung des erwärmten Kondensats in einem zweiten Wärmetauscher erfolgt, in dem einArbeitsmedium eines thermodynamischen Kreisprozesses verdampft wird. Bevorzugt ist derthermodynamischen Kreisprozess als Rankine Gasturbinenprozess ausgebildet, sodass ineinfacher Art und Weise eine Umwandlung des thermischen Energieinhalts des Kühlmediums inmechanische Energie und in weiterer Folge in elektrische Energie gelingt. Um dem niedrigenTemperaturniveau des Kühlmediums Rechnung zu tragen, ist eine Ausbildung des thermody¬ namischen Kreisprozesses als Organic Rankine Cycle besonders bevorzugt. Dieser thermody¬namische Kreisprozess zeichnet sich dadurch aus, dass ein anderes Arbeitsmedium als Was¬serdampf zum Einsatz gelangt. Das Organic Rankine Cycle (ORC)-Verfahren kommt vor allemdann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequel¬le und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist.Mögliche Arbeitsmedien sind beispielsweise Ammoniak, R12, HFC-245fa, HFC-245ca, R11oder HFC-236fa oder Gemische davon.

[0016] Wie bereits erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Rück¬gewinnung von Energie aus dem Abgas aus einer Rohmehlmühle einer Zementherstellungsan¬lage oder von Abluft aus einem Schlackentrocknungsaggregat einer Zementherstellungsanlage.

[0017] Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Rückgewin¬nung von Energie aus feuchten Abgasen, umfassend einen indirekten, ersten Wärmetauscher,dem Abgas über eine Zuleitung zuführbar und von dem gekühltes Abgas über eine Ableitungabführbar ist, und einen Direktkontaktkondensator, dem das gekühlte Abgas aus dem erstenWärmetauscher zuführbar ist und der eine Sprüheinrichtung zum Versprühen von Kühlmediumund eine Kondensatleitung zum Abführen des entstehenden Kondensats aufweist, wobei dasKondensat dem ersten Wärmetauscher über die Kondensatleitung als Kühlmedium zum Abküh¬len des Abgases zuführbar ist.

[0018] Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Rückführungsleitung zum Rückführen des Konden¬sats aus dem ersten Wärmetauscher zur Sprüheinrichtung des Direktkontaktkondensatorsvorgesehen ist. Insbesondere kann die Rückführungsleitung durch einen zweiten Wärmetau¬scher führen, wobei der zweite Wärmetauscher zum Kühlen des im ersten Wärmetauschererwärmten Kondensats auf eine unter dem Wassertaupunkt des Abgases liegende Temperaturvorgesehen ist.

[0019] Bevorzugt ist weiters vorgesehen, dass eine Anlage zur Durchführung eines thermody¬namischen Kreisprozesses vorgesehen ist, die den zweiten Wärmetauscher zum Verdampfeneines Arbeitsmediums des thermodynamischen Kreisprozesses umfasst.

[0020] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestell¬ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser ist mit 1 ein Wasserkreislauf als Kühlmittel¬kreislauf für den Direktkontaktkondensator 2 und den indirekten Wärmetauscher 3 bezeichnet.Das im Kühlkreislauf befindliche Kühlwasser wird mittels einer Pumpe 4 dem Direktkontaktkon¬densator 2 zugeleitet und im Inneren des Direktkontaktkondensators 2 mittels einer Sprühein¬richtung 5 versprüht. Das sich am Boden des Direktkontaktkondensators 2 ansammelnde Kon¬densat 6 wird mittels einer Pumpe 7 dem indirekten Wärmetauscher 3, der bevorzugt als Röh¬renwärmetauscher ausgebildet ist, als Kühlmedium zugeleitet. Das feuchte Abgas wird entspre¬chend dem Pfeil 8 bei einer Temperatur zwischen 90 und 130Ό zugeführt und durchläuft zuerstden indirekten Wärmetauscher 3, in dem die Temperatur im Gegenstrom zum Kühlwasserdurchströmt und auf eine Temperatur von beispielsweise 70°C, jedoch oberhalb des Wasser¬taupunkts des Abgases unter Erwärmung des Kühlwassers erwärmt wird. Das erwärmte Abgaswird danach in den Direktkontaktkondensator 2 geleitet und durchläuft diesen von unten nachoben, wobei es den Direktkontaktkondensator 2 über die Austragsleitung 9 verlässt. Im Direkt¬kontaktkondensator 2 tritt das erwärmte Abgas mit dem versprühten Kühlwasser in Kontakt,wobei der im Abgas enthaltene Wasserdampf unter Erwärmung des Kühlwassers kondensiert.Gegebenenfalls können im Direktkontaktkondensator 2 Schwefel, Chlor, Staub und andereFeststoffe vom Abgas abgetrennt werden.

[0021] Der Kühlmittelkreislauf 1 umfasst weiters einen Wärmetauscher 10, der in einen thermo¬dynamischen Kreisprozess 11 integriert ist. Der Wärmetauscher 10 dient dabei dazu, das imthermodynamischen Kreisprozess 11 enthaltene Arbeitsmedium zu verdampfen, wobei demKühlwasser soviel Wärme entzogen wird, dass es dem Direktkontaktkondensator 2 mit einerunterhalb des Taupunkts des Abgases liegenden Temperatur zugeführt wird.

[0022] Der thermodynamische Kreisprozess 11 ist beispielsweise als Organic Rankine Cycle (ORC) ausgebildet, wobei als Arbeitsmedium beispielsweise HFC-245fa gewählt ist. Das Ar¬beitsmedium wird im Wärmetauscher 10 verdampft und in der Dampfturbine 12 entspannt,wobei die entstehende mechanische Energie in einem elektrischen Generator 13 in elektrischeEnergie umgewandelt werden kann. Der Kondensator des Kreisprozesses 11 ist mit 14 be¬zeichnet.

[0023] Das im Kondensator 14 verflüssigte Arbeitsmedium wird danach im Verdichter 15 kom¬primiert.

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus feuchten Abgasen, bei dem Abgas miteiner Temperatur von 90-130°C und einem Wassertaupunkt von 50-75°C zuerst in einemindirekten, ersten Wärmetauscher (3) auf eine über dem Taupunkt liegende Temperaturabgekühlt und das abgekühlte Abgas danach durch einen Direktkontaktkondensator (2) ge¬leitet wird, wobei das im Direktkontaktkondensator (2) entstehende Kondensat (6) gesam¬melt und im ersten Wärmetauscher (3) durch Wärmeaustausch mit dem Abgas erwärmtwird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Wärmetau¬scher (3) erwärmte Kondensat (6) auf eine unter dem Wassertaupunkt des Abgases lie¬gende Temperatur gekühlt und danach dem Direktkontaktkondensator (2) als Kühlmediumzugeführt, insbesondere in diesen eingesprüht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des erwärmtenKondensats (6) in einem zweiten Wärmetauscher (10) erfolgt, in dem ein Arbeitsmediumeines thermodynamischen Kreisprozesses (11) verdampft wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamische Krei¬sprozess (11) als Gasturbinenprozess ausgebildet ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamische Krei¬sprozess (11) als Organic Rankine Cycle ausgebildet ist.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas einerZementherstellungsanlage als feuchtes Abgas eingesetzt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas auseiner Rohmehlmühle einer Zementherstellungsanlage als feuchtes Abgas eingesetzt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Abluft auseinem Schlackentrocknungsaggregat einer Zementherstellungsanlage als feuchtes Abgaseingesetzt wird.
9. 9. Vorrichtung zur Rückgewinnung von Energie aus feuchten Abgasen, insbesondere zurDurchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen indirek¬ten, ersten Wärmetauscher (3), dem Abgas über eine Zuleitung zuführbar und von demgekühltes Abgas über eine Ableitung abführbar ist, und einen Direktkontaktkondensator(2), dem das gekühlte Abgas aus dem ersten Wärmetauscher (3) zuführbar ist und der eineSprüheinrichtung (5) zum Versprühen von Kühlmedium und eine Kondensatleitung zumAbführen des entstehenden Kondensats (6) aufweist, wobei das Kondensat (6) dem erstenWärmetauscher (3) über die Kondensatleitung als Kühlmedium zum Abkühlen des Abga¬ses zuführbar ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführungsleitungzum Rückführen des Kondensats (6) aus dem ersten Wärmetauscher (3) zur Sprüheinrich¬tung (5) des Direktkontaktkondensators (2) vorgesehen ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführungsleitungdurch einen zweiten Wärmetauscher (10) führt, wobei der zweite Wärmetauscher zumKühlen des im ersten Wärmetauscher (3) erwärmten Kondensats (6) auf eine unter demWassertaupunkt des Abgases liegende Temperatur vorgesehen ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage zur Durchfüh¬rung eines thermodynamischen Kreisprozesses (11) vorgesehen ist, die den zweiten Wär¬metauscher (10) zum Verdampfen eines Arbeitsmediums des thermodynamischen Kreis¬prozesses (11) umfasst.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamischeKreisprozess (11) als Gasturbinenprozess ausgebildet ist.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamischeKreisprozess (11) als Organic Rankine Cycle ausgebildet ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen