DE102010063239A1

DE102010063239A1 - Wärmerückgewinnung aus der Abluft einer Papier-, Karton-, Tissue- oder Faserbahn-Herstellungsmaschine

Info

Publication number: DE102010063239A1
Application number: DE201010063239
Authority: DE
Inventors: Hermann Post; Karl-Heinz Klein; Wolfgang Hiller
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft (40) einer Papier-, Karton-, Tissue oder Faserstoff-Herstellmaschine, wobei die Abluft aus einer Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine zu einem Wärmetauscher (6) geführt wird, welcher durch die aus der Abluft (40) abgegebene Wärme Wasser (20), insbesondere Kondensat, erwärmt, welches zum Kondensat-Dampfkreislauf (20–26) eines Kraftwerks gehört und welches als Speisewasser (22) zu einem Dampferzeuger (1) des Kraftwerks und dann als Dampf (23) über eine Dampfturbine (2, 2a, 2b) geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft einer Papier-, Karton-, Tissue- oder Faserbahn-Herstellmaschine, wobei die Abluft aus einer Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine zu einem Wärmetauscher geführt wird, welcher durch die aus der Abluft abgegebene Wärme Wasser, insbesondere Kondensat, erwärmt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft einer Papier-, Karton-, Tissue- oder Faserbahn-Herstellmaschine, wobei die Vorrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der Wärme aus der Abluft einer Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine auf einen Wassermassenstrom, insbesondere einen Kondensatmassenstrom überträgt.
Es ist bekannt, die Energie der Abluft einer Papiermaschine über Wärmetauscher zu nutzen, um die Zuluft zur Trockenpartiehaube vorzuwärmen, wie es beispielsweise in DE 4304244 A1 offenbart ist. Weiterhin ist es auch aus EP 2085514 A1 bekannt, die Abluftenergie noch zur Vorwärmung von Verbrennungsluft an einer gasgefeuerten Trocknungshaube und zur Vorwärmung von Heizwasser und Prozesswasser, wie zum Beispiel Spritzwasser oder Stoffaufbereitungswasser, an einer Papiermaschine zu verwenden. Ebenso ist aus dieser Schrift bekannt, die Abwärme zur Erzeugung von Heizdampf für die Beheizung von Trockenzylindern an der Papiermaschine zu verwenden.
Alle bekannten Nutzungsmöglichkeiten beschränken sich auf die Wärmeübertragung an Luft- und Wasserströme an der Papiermaschine. Da an Papiermaschinen immer mehr Lufttrockner eingesetzt werden und auch immer höhere Trocknungsleistungen benötigt werden, fällt auch mehr Abluft an. Deren Energie kann mit den bekannten Systemen nicht immer vollständig ausgenutzt werden, da oft an der Papiermaschine nicht genug geeignete Luft- und Wasserströme zur Aufnahme der Abluftenergie vorhanden sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Wärmerückgewinnung zu entwickeln, die es ermöglicht, auch hohe Abluftenergiemengen einer Papiermaschine besser und möglichst vollständig zu nutzen.
Die Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Abluft aus einer Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine zu einem Wärmetauscher geführt wird, welcher durch die aus der Abluft abgegebene Wärme Wasser, insbesondere Kondensat, erwärmt, welches zum Kondensat-Dampfkreislauf eines Kraftwerks gehört und dass das erwärmte Wasser als Speisewasser zu einem Dampferzeuger des Kraftwerks und dann als Dampf über eine Dampfturbine geleitet wird.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass auch eine große Wärmemenge der Abluft auf mittlerem Temperaturniveau, beispielsweise bei 60–110°C Ablufttemperatur noch genutzt werden kann. Oft gibt es an der Herstellmaschine keinen Bedarf für eine so große Wärmemenge auf mittlerem Temperaturniveau. In einem Luft-Luft-Wärmetauscher beispielsweise für die Zulufterwärmung der Trocknungsvorrichtung lässt sich nur eine begrenzte Wärmemenge übertragen. Und für die Erzeugung von Heizdampf zur Beheizung von Trockenzylindern ist eine höhere Ablufttemperatur von mindestens 150°C notwendig.
Im Kondensat-Dampfkreislauf des Kraftwerks kann somit auch Energie eingespart werden, weil weniger Anzapfdampf von der Turbine zur Aufwärmung des Speisewassers benötigt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wasser, bevor es dem Wärmetauscher zugeführt wird, einen Kondensator durchlaufen hat, in welchem dem Wasser Wärme entzogen wurde und/oder vor dem Kondensator noch vorhandener Dampf kondensiert wurde. Dadurch kann durch die größere Temperaturdifferenz besonders viel Wärme ans Wasser übertragen werden. Die Wassertemperatur vor dem Wärmetauscher ist beispielsweise bevorzugt kleiner als 80°C, besonders bevorzugt kleiner als 50°C.
Der Wärmetauscher kann einfach und effizient gestaltet werden, wenn der Wasserdruck im Wärmetauscher absolut weniger als 2 bar, insbesondere weniger als 1 bar beträgt.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Wasser, bevor es dem Wärmetauscher zugeführt wird oder nachdem es den Wärmetauscher verlassen hat, durch eine Entgasungseinrichtung geführt wird. Dadurch werden nicht-kondensierbare Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid oder Luft entfernt, welche den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung verringern.
Da das Speisewasser in den nachfolgenden Prozessstufen bei höherem Druck benötigt wird, kann das Wasser nach dem Wärmetauscher von einer Pumpe auf einen absoluten Druck von mehr als 3 bar, insbesondere von mehr als 10 bar gebracht werden.
Besonders geeignet ist das Verfahren, wenn die Trocknungsvorrichtung eine Trockenpartie mit mehreren dampfbeheizten Trockenzylindern und mit einer Dunsthaube zum Sammeln und Abführen der Dampfschwaden ist. Ebenso geeignet ist es, wenn die Trocknungsvorrichtung ein Pralllufttrockner ist, bei dem heiße Luft beispielsweise auf die Papierbahn geblasen wird und bei dem die Abluft zusammen mit dem verdunsteten Wasser gesammelt und abgeführt wird. In solch einem Fall können auch Ablufttemperaturen von 150 bis 300°C auftreten. Hier ist eine effektive Energierückgewinnung besonders wichtig.
Vorteilhaft ist es, wenn die Ablufttemperatur vor dem Wärmetauscher mindestens 70°C, bevorzugt mindestens 80°C beträgt. So lässt sich das Wasser des Kondensat-Dampfkreislaufs gut aufheizen.
Um die Effizienz der gesamten Wärmerückgewinnung zu optimieren, kann die Abluft vor und/oder nach dem Wärmetauscher noch durch einen oder mehrere weitere Wärmetauscher geleitet werden, so dass zusätzlich Wärme an einen Luftstrom und/oder andere Wasserströme abgegeben wird. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Abluft von der Trocknungsvorrichtung kommend zunächst einen weiteren Wärmetauscher für die Erwärmung der Zuluft zu einer Trocknungsvorrichtung durchströmt, danach den Wärmetauscher, der das Wasser des Kondensat-Dampf-Kreislaufs des Kraftwerks aufwärmt, und danach noch einen weiteren Wärmetauscher, der Heizwasser oder Prozesswasser der Papiermaschine erwärmt. So wird die Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus ausgenutzt.
Weiterhin wird die Aufgabe für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der Wärme aus der Abluft einer Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine auf einen Wassermassenstrom, insbesondere einen Kondensatmassenstrom übertragen kann, wobei der Wärmetauscher in den Kondensat-Dampfkreislauf eines Kraftwerks eingebunden ist und so angeordnet ist, dass er Speisewasser eines Dampferzeugers des Kraftwerks erwärmt. Durch diese Vorrichtung kann die Wärme der Abluft, die an der Herstellmaschine nicht sinnvoll genutzt werden kann, stattdessen im Kraftwerksprozess genutzt werden, wodurch weniger Anzapfdampf benötigt wird.
Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung, wenn mindestens zwei, insbesondere drei parallel angeordnete Abluftleitungen von der Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine vorhanden sind, in denen jeweils ein Wärmetauscher in den Kondensat-Dampfkreislauf des Kraftwerks eingebunden ist und die so angeordnet sind, dass sie jeweils Speisewasser des Dampferzeugers des Kraftwerks erwärmen. Dadurch kann einen größere Wärmemenge ans Speisewasser übertragen werden.
Bevorzugt sind die Abluftleitungen zwischen der Trocknungsvorrichtung und dem Wärmetauscher gegen Wärmeverlust isoliert. Dabei weist das Isoliermaterial eine Dicke von wenigsten 100 mm auf.
Der Wärmetauscher kann als Plattenwärmetauscher oder als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet sein. Der Plattenwärmetauscher ist oft die günstigere Alternative. Dagegen ist der Rohrbündelwärmetauscher für höhere Wasserdrücke und für größere Wasserströme besser geeignet. Der Rohrbündelwärmetauscher ist bevorzugt so ausgelegt, dass das Wasser durch die Rohre und die Abluft um die Rohre herum strömen kann.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen:
1 schematische Darstellung einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführung eines Kondensat-Dampfkreislaufs,
2 schematische Darstellung eines Ausschnitts einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführung der Wärmerückgewinnung aus der Abluft
Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben.
In 1 ist ein einfacher Kondensat-Dampfkreislauf (20–26) eines Kraftwerks dargestellt. Hierbei wird Wasser, das speziell zu Speisewasser aufbereitet ist (u. a. durch Entsalzung), verdampft und wieder kondensiert.
Das Speisewasser 22 wird von der Speisewasserpumpe 8 auf höheren Druck gebracht und durch den Hochdruckwärmetauscher 9, in dem das Speisewasser mit Dampf aus der Anzapfung der Turbine erhitzt wird, zum Dampferzeuger gepumpt. Dort wird das Wasser weiter erhitzt und verdampft. Befeuert wird der Kraftwerkskessel, mit dessen Wärme der Dampferzeuger betrieben wird, beispielsweise mit Gas oder Öl oder Biomasse oder brennbarem Abfall.
Der erzeugte Hochdruckdampf 23 wir über eine Turbine 2 mit einem Hochdruckteil 2a und einem Niederdruckteil 2b entspannt. An die Turbine 2 angekoppelt ist ein Generator 3 zur elektrischen Stromerzeugung. An den Turbinenteilen 2a, 2b kann Anzapfdampf 24, 25 entnommen werden. Der auf niedrigen Druck entspannte Dampf 26 wird im Kondensator 4 beispielsweise mithilfe von Kühlwasser 30 vollends kondensiert. Das Kondensat oder Wasser 20 wird von der Kondensatpumpe 5 durch den Wärmetauscher 6 gepumpt. Im Wärmetauscher 6 wird das Kondensat oder Wasser 20 durch die aus der Abluft (40) zurück gewonnene Wärme wieder erwärmt und dann, auch als Speisewasser 21 benannt, in den Speisewasserbehälter 7 mit Entgasungseinrichtung gepumpt, aus dem das Speisewasser 22 wieder entnommen wird. Die Entgasung erfolgt mit Heizdampf. Da bei höherer Temperatur weniger nicht-kondensierbares Gas im Wasser löslich ist, kann es durch Aufheizen ausgetrieben und mit dem überschüssigen Dampf abgeführt werden.
2 zeigt einen Ausschnitt einer Wärmerückgewinnung aus Abluft beispielsweise einer Papiermaschine. Die Abluft 40, die von einer Trocknungsvorrichtung kommt, zum Beispiel von der Dunsthaube einer Trockenpartie oder von einem Pralllufttrockner, wird zunächst in einem Wärmetauscher 60 zur Vorwärmung der Zuluft 52 zur Trocknungsvorrichtung verwendet. Danach erwärmt die Abluft 40 im Wärmetauscher 6 das Wasser 20 aus dem Kondensat-Dampfkreislauf eines Kraftwerks. Um die restliche Energie der Abluft (40) noch möglichst vollständig auszunutzen, folgen in dieser Ausführung noch einen Wärmetauscher 61 für die Erwärmung von Heizwasser 50 und ein Wärmetauscher 62 zur Erwärmung von Prozesswasser der Papiermaschine.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung sich auch auf andere als den hier dargestellten Kondensat-Dampfkreislauf eines Kraftwerkes bezieht. Also zum Beispiel auf solche mit mehrstufigen Turbinen, mit Zwischenüberhitzung, mit mehreren parallelen Dampferzeugern, mit anderen Turbinendampfanzapfungen oder mit anderen Varianten zur Speisewasservorwärmung. Und genauso bezieht sie sich auch auf andere als die in 2 dargestellte Variante zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft. Also zum Beispiel mit anderer Anzahl oder anderer Reihenfolge der Wärmetauscher.
Bezugszeichenliste

1: Dampferzeuger des Kraftwerks
2: Turbine
2a: Hochdruckteil der Turbine
2b: Niederdruckteil der Turbine
3: Generator
4: Kondensator
5: Kondensatpumpe
6: Wärmetauscher
7: Speisewasserbehälter mit Entgasungseinrichtung
8: Speisewasserpumpe
9: Hochdruckwärmetauscher
20: Wasser (auch Kondensat oder Speisewasser genannt)
21: Speisewasser (auch Kondensat oder Wasser genannt)
22: Speisewasser (auch Kondensat oder Wasser genannt)
23: Hochdruckdampf
24: Anzapfdampf
25: Anzapfdampf
26: entspannter Dampf
30: Kühlwasser
40: Abluft
50: Heizwasser
51: Prozesswasser
52: Zuluft
60: weiterer Wärmetauscher
61, 62: noch weitere Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4304244 A1 [0003]
EP 2085514 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft (40) einer Papier-, Karton-, Tissue oder Faserstoff-Herstellmaschine, wobei die Abluft (40) aus einer Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine zu einem Wärmetauscher (6) geführt wird, welcher durch die aus der Abluft (40) abgegebene Wärme Wasser (20), insbesondere Kondensat erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (20) zum Kondensat-Dampfkreislauf (20–26) eines Kraftwerks gehört und dass das erwärmte Wasser (20) als Speisewasser (22) zu einem Dampferzeuger (1) des Kraftwerks und dann als Dampf (23) über eine Dampfturbine (2, 2a, 2b) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (20), bevor es dem Wärmetauscher (6) zugeführt wird, einen Kondensator (4) durchlaufen hat, in welchem dem Wasser (20) Wärme entzogen wurde und/oder vor dem Kondensator (4) noch vorhandener Dampf (26) kondensiert wurde.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (20) im Wärmetauscher (6) einen absoluten Druck von weniger als 2 bar, insbesondere weniger als 1 bar aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (20, 21), bevor es dem Wärmetauscher (6) zugeführt wird oder nachdem es den Wärmetauscher (6) verfassen hat, durch eine Entgasungseinrichtung (7) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (21), nachdem es dem Wärmetauscher zugeführt wird, von einer Pumpe (8) auf einen absoluten Druck von mehr als 3 bar, insbesondere mehr als 10 bar gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknungsvorrichtung eine Trockenpartie mit Dunsthaube und mit mehreren dampfbeheizten Trockenzylindern oder ein Prallluftrockner ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Abluft (40) vor dem Wärmetauscher (6) mindestens 70°C, bevorzugt mindestens 80°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft (40) vor und/oder nach dem Wärmetauscher (6) einen oder mehrere weitere Wärmetauscher (60, 61, 62) durchströmt, welche die jeweils abgegebene Wärme an einen Luftstrom (52) oder andere Wasserströme (50, 51) übertragen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft (40) von der Trocknungsvorrichtung kommend zunächst einen weiteren Wärmetauscher (60) für die Erwärmung der Zuluft (52) zu einer Trocknungsvorrichtung durchströmt, danach den Wärmetauscher (6), der das Wasser (20) des Kondensat-Dampf-Kreislaufs (20–26) des Kraftwerks aufwärmt, und danach noch einen weiteren Wärmetauscher (61, 62)), der Heizwasser (50) oder Prozesswasser (51) der Papiermaschine erwärmt.
Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft (40) einer Papier-, Karton-, Tissue oder Faserstoff-Herstellmaschine gemäß eines der Ansprüche 1–9, wobei die Vorrichtung einen Wärmetauscher (6) aufweist, der Wärme aus der Abluft (40) einer Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine auf einen Wassermassenstrom (20), insbesondere einen Kondensatmassenstrom übertragen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) in den Kondensat-Dampfkreislauf (20–26) eines Kraftwerks eingebunden ist und so angeordnet ist, dass er Speisewasser (20, 21, 22) eines Dampferzeugers (1) des Kraftwerks erwärmt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, insbesondere drei parallel angeordnete Abluftleitungen von der Trocknungsvorrichtung der Herstellmaschine vorhanden sind, in denen jeweils ein Wärmetauscher (6) in den Kondensat-Dampfkreislauf (20–26) des Kraftwerks eingebunden ist und die so angeordnet sind, dass sie jeweils Speisewasser (20, 21, 22) des Dampferzeugers (1) des Kraftwerks erwärmen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) so ausgeführt ist, dass das Wasser (20) durch die Rohre strömen kann und die Abluft (40) um die Rohre herum geleitet werden kann.