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PATENTANSPRÜCHE
1. Prozesswärmeanlage mit Wasser als Wärmetragmedium, wobei von einem Prozesswärmeübertrager (1) ausgangsseitig eine Rückführleitung (2) mit Förderorgan (3) zum Eintritt eines mit fossilem Brennstoff beheizten Prozesswärmeerzeugers (5) vorgesehen ist, dessen Austritt über eine Frischdampfleitung (10) mit Absperrorgan (11) zum Eintritt des Prozesswärmeübertragers (1) zurückführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesswärmeerzeuger (5) zur Wärme übertragung an das Wärmetragmedium ausschliesslich Überhitzerheiznächen (22, 20; 22', 90) aufweist und dass zur Dekkung von Wasserverlusten ein Speisewassergefäss (69) über eine Druckerhöhungspumpe (66) mit der Rückführleitung (2) zwischen Prozesswärmeübertrager (1) und Prozesswärmeerzeuger (5) verbunden ist.
2. Prozesswärmeanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass im Rauchgasstrom des Prozesswärmeerzeugers (5) stromunterhalb der Überhitzerheizflächen (22, 20) ein Luflvorwärmer (34) für die Verbrennungsluft angeordnet ist.
3. Prozesswärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Frischdampfleitung (10) ein Temperaturfühler (44) für die Wärmetragmediumtemperatur angeschlossen ist, der über einen PI-Regler (45) mit vorzugsweise PID-Charakter auf die Brennstoff- und die Luftzufuhr des Prozesswärmeerzeugers (5) einwirkt.
4. Prozesswärmeanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem PI-Regler (45) zusätzlich die Temperatur des in der Rückführleitung (2) strömenden Wärmetragmediums als Störgrösse aufgeschaltet ist.
5. Prozesswärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Frischdampfleitung (10) ein Druckmessorgan (60) vorgesehen ist, das auf die Fördermenge der Druckerhöhungspumpe (66) einwirkt.
6. Prozesswärmeanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmessorgan (60) zusätzlich auf ein in einer Ablaufleitung (68) zwischen der Frischdampfleitung (10) und dem Speisewassergefäss (69) angeordnetes Regelventil (65) einwirkt.
7. Prozesswärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenschluss zum Prozesswärmeübertrager (1) zum An- und Abfahren der Anlage eine Bypassleitung (14) mit Bypassventil (15) vorgesehen ist.
8. Prozesswärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesswärmeerzeuger (5) eine Brennkammer (20, 20') und dieser in einem Rauchgaszug (16) nachgeschaltete Bündelüberhitzerheizflächen (22; 90, 22) aufweist.
9. Prozesswärmeanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Brennkammer (20) aus gasdicht verschweissten Überhitzerrohren gebildet sind.
10. Prozesswärmeanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (82 bis 85) vorgesehen sind, durch die den Brennkammerwänden innen ein Sekundärluftschleier vorgelegt werden kann.
Die Erfindung betrifft eine Prozesswärmeanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Es ist schon eine sol- che Anlage vorgeschlagen worden, die einen Dampferzeuger mit Economiser und Verdampfer umfasst. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Anlage zu vereinfachen und einen wirtschaftlicheren Betrieb zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird von einer Anlage mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs
1 gelöst. Als zusätzlicher Vorteil führt die erfindungsgemässe Prozesswärmeanlage zu einer einfacheren und zuverlässigeren
Betriebsweise.
Durch die Anordnung nach Anspruch 2 gelingt es, den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.
Nach den Merkmalen gemäss Anspruch 3 wird die Be triebsführung vereinfacht und gleichzeitig werden die Prozesstemperaturen, bei denen im Prozesswärmeübertrager ein chemischer Prozess durchgeführt wird, genauer eingehalten.
Nach Anspruch 4 werden beim Auftreten von prozesseitigen Störungen die Abweichungen der Prozesstemperaturen verringert.
Durch die Druckhaltungseinrichtungen nach den Ansprüchen 5 und 6 werden die Abweichungen im Druck des Wärmetragmediums minimal gehalten.
Das Bypasssystem nach Anspruch 7 erlaubt ein einfacheres An- und Abfahren der Anlage.
Durch die Merkmale nach Anspruch 8 wird ein wirtschaftlicherer Betrieb ermöglicht, indem der Brennstoff gut ausgebrannt und die Rauchgase bei geringem Aufwand für die Heizflächen möglichst weit zurückgekühlt werden.
Das Merkmal nach Anspruch 9 führt zu einer leichten Konstruktion, die grösstenteils in der Werkstatt gefertigt werden kann.
Durch den Luftschleier gemäss Anspruch 10 kann eine hohe Wärmebelastung der Brenukammerwände vermieden werden.
Die erfindungsgemässe Prozesswärmeanlage wird an zwei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1: das Schaltschema einer ersten Ausführungsform der Prozesswärmeanlage mit Vertikalschnitt durch den Pro zesswärmeerzeuger,
Figur 2: eine alternative Ausführungsform eines Prozesswärmeerzeugers.
Figur 1 zeigt einen Prozesswärmeübertrager 1, von dem aus eine Rückführleitung 2 mit einem Förderorgan 3 zu einem Verteiler 4 eines Prozesswärmeerzeugers 5 führt. Von einem Sammler 7 des Prozesswärmeerzeugers 5 führt sodann eine Frischdampfleitung 10 über ein Absperrorgan 11 zum Eintritt des Prozesswärmeübertragers 1. Von der Frischdampfleitung 10 zweigt stromoberhalb des Absperrorgans 11 eine Bypassleitung 14 mit Bypassventil 15 ab, die stromoberhalb des Förderorgans 3 in die Rückführleitung 2 einmündet.
An der Frischdampfleitung 10 ist überdies eine Abzweigung 18 mit einem Sicherheitsventil 19 vorgesehen.
Der Prozesswärmeerzeuger 5 weist eine, aus mehreren parallelgeschalteten, wendelförmig verlaufenden, miteinander verschweissten Rohren bestehende Brennkammer 20 auf, oberhalb der und innerhalb eines an die Brennkammer 20 anschliessenden Rauchgaszuges 16 aus Blechwänden 21 sich ein Überhitzerrohrbündel 22 befindet. Im Boden der Brennkammer 20 ist ein Brenner 24 vorgesehen, der über eine ein Regelventil 26 aufweisende Leitung 25 mit Brennstoff gespeist wird. Der Brenner 24 ist beispielsweise als Heissgaserzeuger ausgeführt, wie ein solcher in der Schweizer Patentschrift 499 748 beschrieben ist. Die Verbrennungsluft wird dem Brenner 24 über eine Drosselklappe 30 durch eine Leitung 32 zugeführt, die am Austritt eines Luftvorwärmers 34 angeschlossen ist. Dieser Luftvorwärmer 34 wird mittels eines Gebläses 36 über eine Leitung 37 mit Frischluft gespeist.
Primärseitig ist der Luftvorwärmer 34 am Rauchgaszug 16 des Prozesswärmeerzeugers 5 angeschlossen. Sein primärseitiger Austritt führt über eine Leitung 40 und einen Kamin 41 ins Freie.
Die Regelung des Brenners 24 geschieht von einem Frischdampf-Temperaturfühler 44 aus, der über einen PID Regler 45 auf einen Lastgeber 46 wirkt, der Stellsignale über zwei Signalleitungen 47 und 48 an das Brennstoffventil 26 bzw. die Luftklappe 30 abgibt. Als Störgrösse ist dem Lastgeber 46 zusätzlich das Signal eines an der Rückführleitung 2 angebrachten Temperaturfühlers 50 aufgeschaltet.
An der Frischdampfleitung 10 ist stromoberhalb des Ab
sperrorgans 11 ein Druckfühler 60 angeordnet, dessen Signal einem Regler 62 als Istwert zugeführt ist. Der Regler 62 weist zwei Ausgänge 63 und 64 auf, die auf ein Abflussventil 65 beziehungsweise eine Druckerhöhungspumpe 66 wirken. Der Regler 62 ist derart ausgebildet, dass dann und nur dann, wenn der über die Leitung 61 eingeführte Istwert um einen vorgegebenen Wert höher ist als ein ihm über eine Signalleitung 67 eingegebener Sollwert, das Ventil 65 geöffnet ist und dass dann und nur dann, wenn der Istwert um einen zweiten, vorgegebenen Wert kleiner ist als der Sollwert, die Druckerhöhungspumpe fördert.
Das Abflussventil 65 sitzt in einer die Frischdampfleitung 10 mit einem Speisewassergefäss 69 verbindenden Abflussleitung 68, während die Druckerhöhungspumpe 66 in einer vom Speisewassergefäss 69 zur Rückführleitung 2 führenden Zuflussleitung 70 stromoberhalb eines Rückschlagventils 71 angeordnet ist. Druckerhöhungspumpe 66 und Rückschlagventil 71 sind durch eine Nebenschlussleitung 73 mit Ventil 74 überbrückt.
Das Speisewassergefäss 69 ist mit einem Entgaserturm 75 versehen, in den über eine Leitung 76 Frischwasser zugeführt werden kann, während die Entgasung über eine Leitung 77 erfolgt. Zusätzlich kann auch eine für das Anfahren dienende, nicht gezeichnete Fremddampf-Zufuhrleitung vorgesehen sein.
Im Betrieb verlässt das Wärmetragmedium, und zwar Wasser, den Prozesswärmeübertrager 1 mit einer Temperatur von 340 "C und einem Druck von 240 bar. Es wird durch die Zentrifugalpumpe 3 auf einen Druck von 250 bar gebracht und strömt hernach durch das Überhitzerbündel 22 und anschliessend durch den die Brennkammer 20 bildenden Wand überhitzer. Vom Sammler 7 aus strömt das Wasser mit 600 "C durch die Frischdampfleitung 10 zum Prozesswärmeübertrager 1, in dem Wärme zur Durchführung eines chemischen Prozesses abgegeben wird. Treten Wasserverluste auf, so sinkt der Dampfdruck in der Frischdampfleitung 10.
Gerät dabei der Istwert des Dampfdruckes unter den zweiten vorgegebenen Wert, so wird durch den Regler 62 die Druckerhöhungspumpe 66 in Betrieb gesetzt, wodurch der Druck im gesamten Rohrleistungssystem steigt, bis der gewünschte Sollwert erreicht ist. Steigt umgekehrt der Druck in der Frischdampfleitung 10, beispielsweise weil im Prozesswärmeübertrager die Temperaturverteilung sich ändert, so wird Wasser aus der Frischdampfleitung 10 über das Ventil 65 in den Speisewasserbehälter abgelassen. Hier sei bemerkt, dass das Wärmetragmedium im Falle des Ausführungsbeispiels dem Stoffe nach wohl Wasser, dem Aggregatzustand nach jedoch Dampf überkritischen Druckes ist.
Steigt, beispielsweise infolge Heizwertänderung des Brennstoffes, die Temperatur des Frischdampfes, so wird über den PID-Regler 45 die Leistung des Brenners 24 reduziert. Dasselbe tritt ein, wenn die Temperatur des Wassers in der Rückführleitung 2 ansteigt, zum Beispiel weil der Prozesswärmeübertrager 1 weniger Wärme konsumiert.
Zum Anfahren der Anlage wird der Prozesswärmeerzeuger 5 und das damit verbundene Wasserleitungssystem (10,2) durch Öffnen des Ventils 74 mit Wasser überfüllt, wobei eine an der höchsten Stelle des Überhitzerbündels 22 angebrachte Überfülleitung 80 zur Entlüftung geöffnet wird. Hernach wird das Förderorgan 3 bei geschlossenem Absperrorgan 11 und offenem Bypassventil 15 umgewälzt. Nun wird der Brenner 24 gezündet und das Wärmetragmedium auf den gewünschten Zustand gebracht. Ist dieser erreicht - oder gegebenenfalls schon vorher - wird der Prozesswärmeübertrager 1 durch Öffnen des Ventils 11 mit Wasser beschickt und das Bypassventil geschlossen.
Es kann auch zweckmässig sein, beim Anfahren nach dem Überfüllen des Leitungssystems den über die Signalleitung 67 dem Regler 62 zugeführten Drucksollwert so einzustellen, dass das Ventil 65 offen steht und die Umwälzung, bei zunächst geschlossenem Bypassventil 15, über den Entgaser erfolgt, der mit Frischdampf beheizt wird. Auf diese Weise wird das im ganzen Rohrsystem befindliche Wasser bei ungefährlichen Temperaturen entgast.
Für den Fall, dass die Brennkammerrohrwand im Betrieb thermisch zu hoch belastet werden sollte, ist eine Sekundärluftzufuhreinrichtung vorgesehen, die aus einer Sekundärluftringleitung 82 mit Sekundärluftdüsen 83 und einer eine Drosselklappe 84 aufweisenden Sekundärluftzuleitung 85 besteht.
Über diese Sekundärluftzufuhreinrichtung 82 bis 85 lässt sich der Brennkammerwand ein Luftschleier vorlegen, der den konvektiven Wärmeübergang an die Wandrohre herabsetzt.
Beim Prozesswärmeerzeuger nach Figur 2 ist die Brennkammer 20' aus temperaturbeständigem Mauerwerk erstellt und alle Heizflächen sind als Berührungsheizflächen ausgebildet. Diese Berührungsheizflächen sind im Flammenschatten angeordnet. Im Rauchgasstrom folgt einem Endüberhitzer 90 ein Vorüberhitzer 22', wobei die Schaltung so vorgenommen ist, dass das Wärmetragmedium zuerst im Überhitzerbündel 22' im Kreuzgegenstrom und hernach im Endüberhitzer 90 im Kreuzgleichstrom fliesst. Durch diese Schaltung wird bei geringen Rauchgasverlusten vermieden, dass das Rohrmaterial des Endüberhitzers 90 thermisch zu hoch belastet wird.
Im Gegensatz zur Beschreibung der Druckhalteeinrichtung 60 bis 68 kann es auch zweckmässig sein, die Arbeitsbereiche des Ventils 65 und der Druckerhöhungspumpe 66 in Bezug auf den Druck p etwas überlappen zu lassen, sodass das Speisewassergefäss 69 dauernd schwach druchströmt wird.
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PATENT CLAIMS
1. Process heat system with water as the heat transfer medium, with a process line (1) on the output side providing a return line (2) with a conveying element (3) for the entry of a process heat generator (5) heated with fossil fuel, the outlet of which is via a live steam line (10) with shut-off device (11) leads back to the entry of the process heat exchanger (1), characterized in that the process heat generator (5) has only superheater heating surfaces (22, 20; 22 ', 90) for heat transfer to the heat transfer medium and that a feed water vessel (69 ) is connected via a booster pump (66) to the return line (2) between the process heat exchanger (1) and the process heat generator (5).
2. Process heating system according to claim 1, characterized. that an air preheater (34) for the combustion air is arranged in the flue gas stream of the process heat generator (5) downstream of the superheater heating surfaces (22, 20).
3. Process heat system according to one of claims 1 and 2, characterized in that a temperature sensor (44) for the heat transfer medium temperature is connected to the live steam line (10), which is preferably via a PI controller (45) with a PID character on the fuel and the air supply to the process heat generator (5) acts.
4. Process heating system according to claim 3, characterized in that the PI controller (45) is additionally subjected to the temperature of the heat transfer medium flowing in the return line (2) as a disturbance variable.
5. Process heating system according to one of claims 1 to 4, characterized in that a pressure measuring element (60) is provided on the live steam line (10), which acts on the delivery rate of the booster pump (66).
6. Process heating system according to claim 5, characterized in that the pressure measuring element (60) additionally acts on a control valve (65) arranged in a drain line (68) between the live steam line (10) and the feed water vessel (69).
7. Process heat system according to one of claims 1 to 6, characterized in that a bypass line (14) with a bypass valve (15) is provided in the bypass to the process heat exchanger (1) for starting and stopping the system.
8. Process heat system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the process heat generator (5) has a combustion chamber (20, 20 ') and this in a flue gas train (16) downstream bundle superheater heating surfaces (22; 90, 22).
9. Process heating system according to claim 8, characterized in that the walls of the combustion chamber (20) are formed from superheater tubes welded in a gas-tight manner.
10. Process heating system according to claim 8 or 9, characterized in that means (82 to 85) are provided, through which a secondary air curtain can be placed inside the combustion chamber walls.
The invention relates to a process heating system according to the preamble of claim 1. Such a system has already been proposed, which comprises a steam generator with economizer and evaporator. It is an object of the invention to simplify the system and to enable more economical operation. This task is performed by an installation with the characteristics of the characterizing part of the claim
1 solved. As an additional advantage, the process heating system according to the invention leads to a simpler and more reliable
Mode of operation.
The arrangement according to claim 2 succeeds in improving the efficiency of the system.
According to the features of claim 3, the operational management is simplified and, at the same time, the process temperatures at which a chemical process is carried out in the process heat exchanger are more precisely observed.
According to claim 4, the deviations of the process temperatures are reduced when process-side faults occur.
By the pressure maintenance devices according to claims 5 and 6, the deviations in the pressure of the heat transfer medium are kept to a minimum.
The bypass system according to claim 7 allows easier starting and stopping of the system.
The features of claim 8 enable more economical operation by the fuel being well burned out and the flue gases being cooled back as far as possible with little effort for the heating surfaces.
The feature of claim 9 leads to a lightweight construction, which can be largely made in the workshop.
A high thermal load on the walls of the combustion chamber can be avoided by the air curtain.
The process heating system according to the invention is explained in more detail using two exemplary embodiments shown schematically in the drawing. Show it:
FIG. 1: the circuit diagram of a first embodiment of the process heating system with a vertical section through the process heat generator,
Figure 2: an alternative embodiment of a process heat generator.
FIG. 1 shows a process heat exchanger 1, from which a return line 2 with a conveying element 3 leads to a distributor 4 of a process heat generator 5. A live steam line 10 then leads from a collector 7 of the process heat generator 5 via a shut-off element 11 to the inlet of the process heat exchanger 1. From the live steam line 10, a bypass line 14 with a bypass valve 15 branches off upstream of the shut-off element 11 and opens into the return line 2 upstream of the conveying element 3.
A branch 18 with a safety valve 19 is also provided on the live steam line 10.
The process heat generator 5 has a combustion chamber 20 consisting of a plurality of parallel, helically running, welded pipes, above and above which and within a flue gas duct 16 connected to the combustion chamber 20, a bundle of superheater tubes 22 is located. A burner 24 is provided in the bottom of the combustion chamber 20 and is fed with fuel via a line 25 having a control valve 26. The burner 24 is designed, for example, as a hot gas generator, as is described in Swiss Patent 499,748. The combustion air is fed to the burner 24 via a throttle valve 30 through a line 32 which is connected to the outlet of an air preheater 34. This air preheater 34 is fed with fresh air by means of a fan 36 via a line 37.
On the primary side, the air preheater 34 is connected to the flue gas duct 16 of the process heat generator 5. Its primary exit leads via a line 40 and a chimney 41 to the outside.
The burner 24 is controlled by a live steam temperature sensor 44, which acts via a PID controller 45 on a load transmitter 46, which emits control signals via two signal lines 47 and 48 to the fuel valve 26 or the air flap 30. The signal from a temperature sensor 50 attached to the return line 2 is additionally applied to the load transmitter 46 as a disturbance variable.
On the live steam line 10 is upstream of the Ab
blocking element 11, a pressure sensor 60 is arranged, the signal of which is fed to a controller 62 as the actual value. The controller 62 has two outputs 63 and 64, which act on a drain valve 65 or a booster pump 66. The controller 62 is designed such that the valve 65 is opened only when the actual value introduced via the line 61 is higher than a set value entered via a signal line 67, and only when and the actual value is smaller than the target value by a second, predetermined value, which the booster pump conveys.
The drain valve 65 is located in a drain line 68 connecting the live steam line 10 to a feed water vessel 69, while the booster pump 66 is arranged in an inflow line 70 leading from the feed water vessel 69 to the return line 2 upstream of a check valve 71. Booster pump 66 and check valve 71 are bridged by a bypass line 73 with valve 74.
The feed water vessel 69 is provided with a degassing tower 75, into which fresh water can be supplied via a line 76, while the degassing takes place via a line 77. In addition, an external steam supply line, not shown, for starting, can also be provided.
During operation, the heat transfer medium, namely water, leaves the process heat exchanger 1 at a temperature of 340 ° C. and a pressure of 240 bar. It is brought to a pressure of 250 bar by the centrifugal pump 3 and then flows through the superheater bundle 22 and then through the wall forming the combustion chamber 20. From the collector 7, the water flows at 600 ° C. through the live steam line 10 to the process heat exchanger 1, in which heat is released for carrying out a chemical process. If water losses occur, the steam pressure in the live steam line 10 drops.
If the actual value of the steam pressure falls below the second predetermined value, the pressure-increasing pump 66 is started by the controller 62, as a result of which the pressure in the entire pipeline system increases until the desired setpoint is reached. Conversely, if the pressure in the live steam line 10 increases, for example because the temperature distribution changes in the process heat exchanger, water is discharged from the live steam line 10 via the valve 65 into the feed water tank. It should be noted here that in the case of the exemplary embodiment, the heat transfer medium is probably water in terms of substance, but is supercritical in terms of physical state after vapor.
If the temperature of the live steam rises, for example as a result of a change in the calorific value of the fuel, the output of the burner 24 is reduced via the PID controller 45. The same occurs when the temperature of the water in the return line 2 rises, for example because the process heat exchanger 1 consumes less heat.
To start up the system, the process heat generator 5 and the associated water pipe system (10, 2) are overfilled with water by opening the valve 74, an overfill pipe 80 attached to the highest point of the superheater bundle 22 being opened for venting. Afterwards, the conveying member 3 is circulated with the shut-off member 11 closed and the bypass valve 15 open. Now the burner 24 is ignited and the heat transfer medium is brought to the desired state. If this has been reached - or possibly before - the process heat exchanger 1 is charged with water by opening the valve 11 and the bypass valve is closed.
When starting up after the line system has been overfilled, it may also be expedient to set the pressure setpoint supplied to the controller 62 via the signal line 67 so that the valve 65 is open and the circulation, with the bypass valve 15 initially closed, takes place via the degasifier, which uses live steam is heated. In this way, the water in the entire pipe system is degassed at safe temperatures.
In the event that the combustion chamber tube wall is subjected to excessive thermal loads during operation, a secondary air supply device is provided, which consists of a secondary air ring line 82 with secondary air nozzles 83 and a secondary air supply line 85 having a throttle valve 84.
Via this secondary air supply device 82 to 85, an air curtain can be placed in front of the combustion chamber wall, which reduces the convective heat transfer to the wall pipes.
In the process heat generator according to FIG. 2, the combustion chamber 20 'is made of temperature-resistant masonry and all heating surfaces are designed as touch heating surfaces. These touch heating surfaces are arranged in the flame shadow. In the flue gas stream, a final superheater 90 is followed by a preheater 22 ', the switching being carried out in such a way that the heat transfer medium flows first in the superheater bundle 22' in cross-countercurrent and then in the final superheater 90 in cross-co-current. With low flue gas losses, this circuit prevents the tube material of the final superheater 90 from being subjected to excessive thermal stress.
In contrast to the description of the pressure maintaining device 60 to 68, it can also be expedient to let the working areas of the valve 65 and the pressure booster pump 66 overlap somewhat in relation to the pressure p, so that the feed water vessel 69 is continuously weakly flowed through.