CN102362047A - 以高效率产生蒸汽的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在利用连接在蒸汽发生器之前的热发生器(300)的情况下从蒸汽发生器(200)的工作介质(A)中产生蒸汽，该蒸汽发生器尤其体现在废热蒸汽发生器、Kalina蒸汽发生器或者ORC蒸汽发生器。为了蒸发该工作介质，蒸汽发生器使用了一种热的热量传输介质(W2)，在该热量传输介质输送到蒸汽发生器之前，根据本发明该热量传输介质在热发生器中被加热，从而可以提高蒸发效率。例如，工业设备(100)的余热或废热，或者可使用地热的地热设备(400)能够用作热发生器的热源。

Description

以高效率产生蒸汽的装置和方法
技术领域
本发明涉及在利用连接在蒸汽发生器前面的热发生器(thermischenGenerator)的情况下在蒸汽发生器中产生蒸汽。
背景技术
在诸如钢厂里、水泥厂里、造纸时等很多工业过程中，在该过程结束时以废热的形式提供处于中等温度水平的热源，该热源可被用于运行蒸汽发生器并由此最后产生电流。从而有利的是可以利用存储在该废热中的热能，否则就会失去该热能，使得可以提高整个工业过程的实际效率。
在蒸汽发生器中按照公知方式蒸发一种工作介质，该工作介质接着例如被输送到与发电机耦合的涡轮机中。为了蒸发这种工作介质，向该蒸汽发生器输送加热了的热传输介质，其中存储在该热传输介质中的热量被传输给所述工作介质，这导致该工作介质被蒸发掉。在利用工业过程的废热时，在使用废热的情况下加热该热传输介质。典型地，在此热传输介质只能达到大约60℃到200℃数量级的中等温度水平。因此，基于工业过程的废热产生蒸汽的效率比较差。
替换的，还可以采用地热设备作为热源，在该地热设备中按照公知的方式将热传输介质用泵输送到深孔中，以借助地热加热该热传输介质。在此可从该深孔中取出的热传输介质也仅位于中等温度水平。存储在热传输介质的热能可以如上所述被用于产生蒸汽，但是在此产生蒸汽的效率仍然比较差。
发明内容
因此本发明的目标是，在利用处于中等温度水平的热传输介质的热量的情况下改善产生蒸汽的效率。
该任务通过在独立权利要求中说明的发明解决。有利的实施方式由从属权利要求给出。
根据本发明对该任务的解决方案的基本思想在于使用热发生器，在本文献中也称为“热转换器”，以提高引起工作介质的蒸发的热传输介质的温度。热发生器一般用于通过输入处于中等温度水平的热量以及输出处于低温度水平的热量来产生处于高温度水平的热量。
向热发生器输送处于中等温度水平的初级热传输介质。例如，在利用诸如所提到的工业设备的废热管线或者诸如地热设备的热源的情况下，可以将该初级热传输介质设置到中等温度。然后可以从热发生器或热转换器中取出次级热传输介质及其它，该次级热传输介质的温度高于初级热传输介质的温度。该热发生器的工作原理由例如DE3521195A1或DE19816022B4公开，因此在此不再进一步解释。
因此利用该热发生器可以将存储在初级热传输介质中的热量用于加热次级热传输介质。然后，利用从现在起温度比较高的次级热传输介质，可以在蒸汽发生器中以比较高的效率加热或蒸发工作介质。
在本发明的用于产生蒸汽的方法中，为了蒸发尤其是构成为废热蒸汽发生器、Kalina蒸汽发生器或ORC蒸汽发生器(“Organic Rankine Cycle”，有机朗肯循环)的蒸汽发生器的工作介质，在该蒸汽发生器的热交换器中将热能从热传输介质传输给所述工作介质。通过根据本发明在将热传输介质输送给热交换器之前在热发生器中提高热传输介质的温度，可以保证产生蒸汽的高效率。
借助另一种热传输介质向热发生器输送热能，其中在该另一种热传输介质到达热发生器之前，在产生余热或废热的工业设备中在利用该余热或废热的情况下提高该另一种热传输介质的温度。由此实现的是，否则要失去的工业设备的余热或废热可以被用于产生蒸汽。
在替换实施方式中，也借助另一种热传输介质向热发生器输送热能。在该另一种热传输介质被输送给热发生器之前，在地热设备中在利用地热的情况下提高该另一种热传输介质的温度，从而可以有效地将地热用于产生蒸汽。
输送给热发生器的另一种热传输介质的温度在这两个实施方式中都低于输送给蒸汽发生器的热交换器的热传输介质的温度。
根据本发明的用于在尤其是构成为废热蒸汽发生器、Kalina蒸汽发生器或ORC蒸汽发生器的热交换器中蒸发工作介质的装置，在该热交换器中为了蒸发该工作介质可以将热能从热传输介质传输给该工作介质。此外，该装置具有用于提高该热传输介质的温度的热发生器。
可以借助另一种热传输介质向所述热发生器输送热能。在该另一种热传输介质被输送给热发生器之前，在产生余热或废热的工业设备中在利用该余热或废热的情况下提高该另一种热传输介质的温度。由此实现的是，否则要失去的工业设备的余热或废热可以被用于产生蒸汽。
在替换实施方式中，借助另一种热传输介质也可以向热发生器输送热能。在该另一种热传输介质被输送给热发生器之前，在地热设备中在利用地热的情况下可以提高该另一种热传输介质的温度，从而可以有效地将地热用于产生蒸汽。
附图说明
由下面描述的实施例以及借助附图给出本发明的其它优点、特征和细节。
在此：
图1示出根据现有技术的用于产生蒸汽的废热利用，
图2示出用于利用工业设备的废热的热发生器的第一应用示例，
图3示出用于利用在地热设备中累积的热量的热发生器的第二应用示例。
在附图中用相同的附图标记表示相同或相互对应的区域、部件、组件或方法步骤。在管线中的流动方向通过箭头示出。
具体实施方式
图1示出已经公知的用于利用诸如钢厂的工业设备100的废热来蒸发蒸汽发生器200的工作介质A的可能性。在仅示意的钢厂100的废热管线110中安装了被热传输介质W流过的热交换器120。热传输介质W的温度在热交换器120中从温度T1(W)提高到温度T2(W)。
经过加热的热传输介质W通过泵140输送，经由管线130到达蒸汽发生器200的热交换器220。此外，热交换器220被待蒸发的工作介质A流过。在热交换器220中进行从热传输介质W到工作介质A的热量转移，其中工作介质A被加热和蒸发，而热传输介质W的温度相应降低。经过冷却的热传输介质W接着通过管线150返回到钢厂100的废热管线110中的热交换器120，以便在该热交换器中再次被加热。
在蒸汽发生器的热交换器220中蒸发的工作介质A通过管线230输送到涡轮机240并且驱动该涡轮机。涡轮机240为了最终产生电流而与发电机250连接，从而最后以本身公知的方式可以在利用钢厂100的废热的情况下产生电流。在涡轮机240中膨胀的工作介质A典型地在涡轮机240之后通过管线260引导至冷却器270，以便接着借助泵280又被输送到热交换器220。
图2示出本发明方案的第一应用。在此也假定在工业设备100的废热管线110中具有热交换器120，在该热交换器120中将工业设备100的废热用于将初级热传输介质W1从温度T1(W1)加热到更高的温度T2(W1)。经过加热的初级热传输介质W1借助泵140通过管线130到达热发生器300的输入端301。
如开头所提到的，借助热发生器300可以将存储在工业设备100的废热流中的、位于大约60℃至80℃的相对较低温度水平T1的热量用于提高次级热传输介质W2的温度，该次级热传输介质在连接在热发生器300之后的诸如产生蒸汽的过程中用于本身提高所述连接在后的过程的工作介质A的温度，尤其是用于蒸发该工作介质A。
初级热传输介质W1通过热发生器300，其中该初级热传输介质在热发生器300中进行的过程中冷却，最后可在输出端302取出。初级热传输介质W1从输出端302通过管线150返回在工业设备100的废热管线110中的热交换器120，以便在热交换器120中再次被加热。
次级热传输介质W2通过输入端303输送到热发生器300。在该热发生器中，次级热传输介质W2最后通过利用初级热传输介质W1的热量而从温度T1(W2)被加热到温度T2(W2)。这样加热的次级热传输介质W2现在在热发生器300的输出端304被取出，并借助泵310通过管线210被输送到蒸汽发生器200的热交换器220。在热交换器220中，如结合图1所描述的那样引起蒸汽发生器200的工作介质A的蒸发，从而可以接着利用涡轮机240和发电机250产生电流。在此过程中次级热传输介质W2冷却，接着通过管线290又输送到热发生器300的输入端303，在该热发生器300中再次被加热。
由于使用热发生器300，产生蒸汽或电流的效率高于在结合图1中所描述的、现有技术中公知的设备中所达到的效率。该热发生器实际连接在工业设备的废热管线和蒸汽发生器之间，并且引起输送到蒸汽发生器的热传输介质具有更高的温度。
为完整起见，在图2中还表示出输入端305和输出端306，通过该输入端和输出端可以向热发生器300输入和输出另一种介质。如开头所提到的，热发生器一般地用于通过输入处于中等温度水平的热量并且输出处于低温度水平的热量从而产生处于高温度水平的热量。从输入端305输入并且可在输出端306取出的介质用于输出处于低温度水平的热量。借助初级热传输介质W1输入处于中等温度水平的热量，而次级热传输介质W2输出处于高温度水平的热量并且将该热量传输至蒸汽发生器200的热交换器220。
图3示出本发明方案的第二应用。目前借助工业设备的废热被设置到更高的温度T2(W1)的初级热传输介质W1在此在地热设备400中被加热。按照公知的方式，地热使用存储在地壳中的热量。热交换器410被放置于特定深度处并且被初级热传输介质W1流过，在该初级热传输介质中占主导地位的更高的温度从而被用于将初级热传输介质W1的温度T(W1)提高到值T2(W1)。根据本发明，这样加热的初级热传输介质W1借助泵420通过管线430被输送到热发生器300的输入端301。如上所述，热发生器300被用于基于在初级热传输介质W1中存储的热量将次级热传输介质W2从温度T1(W2)加热到更高的温度T2(W2)。经过加热的热传输介质W2接着类似于结合图2所描述的方法在蒸汽发生器200中用于产生蒸汽和电流。
在附图中以在工业设备中和地热设备中的应用具体地描述了本发明。该工业设备原则上可以是其中累积余热或废热的设备，也就是例如钢厂、水泥厂、造纸厂等等。还可以考虑将发电站的废热用于上述目的：在发电站中产生的废热包含巨大的能量储备，尤其是以余热的形式，该废热累积在例如燃料燃烧之后的烟气中和/或在涡轮机的后方。根据本发明，该余热可以被用于加热上述将被输送给热发生器的初级热传输介质。该热发生器用于将次级热传输介质设置到更高的温度。由此，利用次级热传输介质例如可以对发电站中燃烧所需要的燃烧用空气进行预热，以引起更有效的燃烧。还可以将次级热传输介质用于在蒸汽发生器中产生如上所述用于诸如泵这类发电站的工具器械的电流。
一般地，所有这些设备，也就是如上所述适用于本发明的产生余热或废热的工业设备，包括发电站、地热设备等都可以总结在概念“热源”下。因此，这些设备一般地是可以提供热能的设备，利用该热能应当能将初级热传输介质从低温T1(W1)加热到高温T2(W1)。
在附图中示出的蒸汽发生器200可以是例如废热蒸汽发生器(AHDE或HRSG，“heat recovery steam generator”，废热回收蒸汽发生器)、Kalina蒸汽发生器或ORC蒸汽发生器。所有这些专用的蒸汽发生器的共同点是，待蒸发的工作介质与水相比具有较低的沸点。所谓的“Kalina过程”描述了一种用于在较低的温度水平时产生蒸汽的方法，其中待蒸发的工作介质不是水而是一种氨水混合物，该氨水混合物在较低温度时就已经蒸发了。同样公知的是所谓的“ORC过程”，其中采用具有较低蒸发温度的有机流体作为待蒸发的工作介质。
但是，由于次级热传输介质的更高的温度T2(W2)，原则上还不应当排除采用将水作为工作介质A的蒸汽发生器。
ORC过程和Kalina过程虽然都适用于通过利用处于较低或中等温度水平的热传输介质的热量来产生蒸汽。但是，在产生蒸汽时的效率非常强烈地取决于热源或热传输介质的温度。例如当热传输介质的温度从60℃提高到120℃时，Carnot效率提高到三倍。温度提高到200℃导致效率大约升高到5倍值。因此，根据本发明，使用连接在蒸汽产生之前并且将热传输介质设置到较高温度的热发生器对效率有积极作用。

Claims (7)

1.一种用于蒸发蒸汽发生器(200)、尤其是废热蒸汽发生器、Kalina蒸汽发生器或ORC蒸汽发生器的工作介质(A)的方法，其中，在该蒸汽发生器(200)的热交换器(220)中为了蒸发该工作介质(A)将热能从热传输介质(W2)传输给所述工作介质(A)，其特征在于，在将所述热传输介质(W2)输送给热交换器(220)之前，在热发生器(300)中提高该热传输介质(W2)的温度(T(W2))。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用另一种热传输介质(W1)向所述热发生器(300)输送热能，其中，在该另一种热传输介质(W1)被输送到所述热发生器(300)之前，在产生余热或废热的工业设备(100)中在利用该余热或废热的情况下提高该另一种热传输介质(W1)的温度(T(W1))。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助另一种热传输介质(W1)向所述热发生器(300)输送热能，其中，在该另一种热传输介质(W1)被输送给热发生器(300)之前，在地热设备(400)中在利用地热的情况下提高该另一种热传输介质(W1)的温度(T(W1))。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，输送给所述热发生器(300)的所述另一种热传输介质(W1)的温度(T2(W1))低于输送给所述蒸汽发生器(200)的热交换器(220)的热传输介质(W2)的温度(T2(W2))。
5.一种用于在蒸汽发生器(200)、尤其是废热蒸汽发生器、Kalina蒸汽发生器或ORC蒸汽发生器的热交换器(220)中蒸发工作介质(A)的装置，其中，在该热交换器(220)中为了蒸发所述工作介质(A)能够将热能从热传输介质(W2)传输给该工作介质(A)，其特征在于，所述装置具有用于提高所述热传输介质(W2)的温度(T(W2))的热发生器(300)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，利用另一种热传输介质(W1)能够向所述热发生器(300)输送热能，其中，在所述另一种热传输介质(W1)被输送给热发生器(300)之前，在产生余热或废热的工业设备(100)中在利用该余热或废热的情况下能够提高该另一种热传输介质(W1)的温度(T(W1))。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，利用另一种热传输介质(W1)能够向所述热发生器(300)输送热能，其中，在所述另一种热传输介质(W1)被输送给所述热发生器(300)之前，在地热设备(400)中在利用地热的情况下能够提高该另一种热传输介质(W1)的温度(T(W1))。
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