DE102011015717B4

DE102011015717B4 - Wärmerückgewinnungseinrichtung

Info

Publication number: DE102011015717B4
Application number: DE102011015717.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Heinrich
Original assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: DE102011015717A1

Abstract

Wärmerückgewinnungseinrichtung (1) mit einem Rauchgaskanal (21) und in Stromrichtung eines Rauchgases (19) angeordneten Wärmeüberträgern (22, 23, 24), wobei zumindest durch einen Wärmeüberträger (23) Verbrennungsluft und zumindest durch einen Wärmeüberträger (24) Dampf leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass- zumindest einem Wärmeüberträger (23) ein Bypass (29) zur Steuerung der Menge von durch den Wärmeüberträger (23) leitbarer Verbrennungsluft zugeordnet ist; und- die Wärmeüberträger (22, 23, 24) als Bündel (26) vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmerückgewinnungseinrichtung mit einem Rauchgaskanal und in Stromrichtung eines Rauchgases angeordnete Wärmeüberträger.
Zudem betrifft die Erfindung eine Wasserstoffanlage mit einer Wärmerückgewinnungseinrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf in einer Wärmeüberträger aufweisenden Wärmerückgewinnungseinrichtung.
Wärmerückgewinnungseinrichtungen der eingangs genannten Art dienen u.a. der Dampferzeugung und sind beispielsweise Bestandteil von Wasserstoffanlagen.
In Wasserstoffanlagen erfolgt die großtechnische Produktion von Wasserstoff. Hierzu wird zumeist die Dampf-Methan-Reformierung eingesetzt. Bei der Dampf-Methan-Reformierung werden Methan oder andere Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf gemischt und in einer katalytischen endothermen Reaktion in einem Reformer in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgesetzt.
Die für diese Reaktion erforderliche Wärme wird durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in einer Brennkammer des Reformers erzeugt. Durch die Verbrennung entsteht Rauchgas, dessen Energie zur weiteren Verwendung in einer Wärmerückgewinnungseinrichtung der Wasserstoffanlage zum großen Teil zurückgewonnen wird. Hierzu wird das Rauchgas von der Brennkammer in einen Rauchgas-kanal der Wärmerückgewinnungseinrichtung geleitet. Das Rauchgas weist am Eintritt in die Wärmerückgewinnungseinrichtung eine Temperatur von ca. 1.000°C auf und erfährt in dem Rauchgaskanal in Stromrichtung eine Abkühlung, indem thermische Energie des Rauchgases von in Stromrichtung des Rauchgases angeordneten Wärmeüberträgern auf andere Medien übertragen wird. Bei den Medien handelt es sich u.a. um Verbrennungsluft, die für die Verbrennung in der Brennkammer benötigt wird, und um Prozessströme, um die durch den Reformer geleiteten Ströme vorzuwärmen. Ein weiteres Medium in Wärmerückgewinnungseinrichtungen, auf das thermische Energie des Rauchgases übertragen wird, stellt Wasserdampf dar, um die Produktion von Wasserdampf in Wasserstoffanlagen zu erhöhen.
Der Kunde hat häufig das primäre Interesse, neben Wasserstoff auch Wasserdampf als Produkt zu erhalten. Um auch den Bedarf an Wasserdampf zu decken, wird die Produktion von Wasserdampf zwecks Erhöhung der Wasserdampfproduktion häufig über die Veränderung der Verbrennungsluftmenge in der Brennkammer und über die Veränderung des Dampf-/Kohlenstoffverhältnisses bei der Dampf-Methan-Reformierung geregelt.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Form der Regelung derartige Veränderungen eine Verschlechterung der Energieeffizienz der Wasserstoffanlage zur Folge hat.
Aus US 2009/0232729 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und/oder Synthesegas in einer Produktionsanlage bekannt, wobei nur wenig oder kein Exportdampf erzeugt wird. Der größte Teil oder sämtlicher aus der Abhitze des Verfahrens erzeugte Hochdruckdampf wird im Dampf-Kohlenwasserstoff-Reformer verwendet.
Das nachveröffentlichte Dokument DE 10 2010 048 065 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Wärmetauscher mit einer Zuleitung für ein Medium von einem Mediumeinlass zum Wärmetauschereingang und einer Ableitung vom Wärmetauscherausgang, die einen ersten Bypass vom Mediumeinlass zur Ableitung und einen zweiten Bypass von der Zuleitung zum Mediumauslass und Ventile aufweist, so dass das Medium auch vom Wärmetauscherausgang zum Wärmetauschereingang fließen kann.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Wärmerückgewinnungseinrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine Erhöhung der Wasserdampfproduktion auch ohne Veränderung der Verbrennungsluftmenge und des Dampf-/Kohlenstoffverhältnisses gewährleistet.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kernidee der Erfindung ist es, zwecks Erhöhung der Energieeffizienz in einer Wasserstoffanlage die Dampfproduktion in einer Wärmerückgewinnungseinrichtung einer Wasserstoffanlage über den Wärmeaustausch zwischen Rauchgas und Verbrennungsluft zu regeln. Hierzu ist es vorgesehen, einem Wärmeüberträger, durch den Verbrennungsluft leitbar ist, einen Bypass zuzuordnen, so dass die Menge der Verbrennungsluft durch den Wärmeüberträger gesteuert werden kann. In einer hier verwendeten Terminologie wird zwischen „geschlossener Bypass“ und „offener Bypass“ unterschieden. Im Falle der Einstellung „geschlossener Bypass“ wird die gesamte einem Wärmeüberträger zugeführte Verbrennungsluft durch den Wärmeüberträger geleitet und somit bei einer maximalen Auslastung der Wärmetauscherflächen des Wärmeüberträgers eine maximale Aufwärmung der Verbrennungsluft erreicht. Die Folge hiervon ist, dass die Kühlung des Rauchgases, das die Wärme auf die Verbrennungsluft überträgt, maximiert wird. Das abgekühlte Rauchgas strömt vorzugsweise zu einem Wärmeüberträger, wo ein Wärmeübertrag auf Dampf vorgesehen ist. In diesem Fall wird jedoch die Dampfmenge reduziert, da sich die Sattdampftemperatur, d.h. die Temperatur zwischen Nassdampf und Heissdampf, der abgekühlten Rauchgastemperatur derart annähert, dass trotz der zur Verfügung stehenden Wärmetauscherflächen keine zusätzliche Wärme übertragen wird. Im Gegensatz hierzu wird bei der Einstellung „offener Bypass“ ein Teil oder die gesamte Verbrennungsluft derart geleitet, dass sie nicht den Wärmeüberträger, d.h. die Wärmetauscherflächen erreicht, sondern um den Wärmeüberträger geleitet wird, so dass kein Wärmeaustausch zwischen Rauchgas und Verbrennungsluft stattfindet. Hierdurch wird die Vorwärmung der Verbrennungsluft minimiert. Damit steigt die Temperatur des Rauchgases zum Wärmeüberträger, durch den Dampf geleitet ist, und infolgedessen die Menge des erzeugten Dampfes. Im Rahmen der Erfindung sind sämtliche Einstellungen zwischen „geschlossener Bypass“ und „offener Bypass“ möglich.
Zusätzlich zur reduzierten Rauchgastemperatur in dem Rauchgaskanal wird durch die erhöhte Vorwärmtemperatur der Verbrennungsluft auch die Effizienz der Verbrennung in der Brennkammer des Reformers verbessert und somit auch die bei der Verbrennung produzierte Rauchgasmenge reduziert. Diese Reduzierung der Rauchgasmenge reduziert wiederum die Dampfproduktion in der Wärmerückgewinnungseinrichtung zusätzlich.
Im Gegensatz hierzu wird zur erhöhten Rauchgastemperatur durch die niedrigere Vorwärmtemperatur die Effizienz der Verbrennung in der Brennkammer des Reformers verschlechtert und infolgedessen die Rauchgasmenge erhöht. Diese Erhöhung der Rauchgasmenge hat wiederum zur Folge, dass die Dampfproduktion in der Wärmerückgewinnungseinrichtung zusätzlich gesteigert wird.
Als leistungsfähige Wärmeüberträger haben sich Bündel, insbesondere Rohrbündel, erwiesen. Die Erfindung sieht daher vor, dass die Wärmeüberträger als Bündel vorliegen.
Eine praktikable Variante der Erfindung sieht vor, dass Wärmeüberträger mit unterschiedlich bemessenen Wärmetauscherflächen einsetzbar sind. Hierdurch ist vorteilhafterweise gewährleistet, dass ausreichend große Wärmeaustauschflächen für die Verbrennungsluft und für den Wasserdampf im Rauchgaskanal zur Verfügung stehen.
Vorzugsweise liegt ein Bündel als Verbrennungsluftbündel, d.h. ein Bündel, durch das Verbrennungsluft leitbar ist, und ein Bündel als Dampfbündel, d.h. als Bündel, durch das Wasserdampf leitbar ist, vor.
Schließlich sieht die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf in einer Wärmeüberträger aufweisenden Wärmerückgewinnungseinrichtung vor, bei dem zumindest an einem Wärmeüberträger der Wärmeübertrag auf Verbrennungsluft steuerbar ist. Im Rahmen dieses Verfahrens wird vorzugsweise Wärme von Rauchgas auf die Verbrennungsluft übertragen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung:

1 eine Wärmerückgewinnungseinrichtung als Bestandteil einer Wasserstoffanlage und
2 eine Wärmerückgewinnungseinrichtung gemäß der Erfindung.

1 zeigt eine Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 als Bestandteil einer Wasserstoffanlage 2.
Die Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 ist zwischen dem Reformer 3 und dem Kamin 4 angeordnet. Der Reformer 3 weist an seinem oberen Ende Einlässe 5, 7 für die Einleitung von Wasserdampf 8 und Kohlenwasserstoffe 9, wie beispielsweise Methan, in die Reformerrohre 10, 11 des Reformers 3 sowie einen Einlass 6 für die Einleitung von Verbrennungsluft 12 und Brenngas 12a, wie z.B. Methan, in die Brennkammer 13 des Reformers 3 auf. In den Reformerrohren 10, 11 erfolgt katalytisch die endotherme Reaktion, die das Wasserdampf-/Kohlenwasserstoffgemisch in Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umsetzt. Die für diese Reaktion benötigte Wärme wird durch die in der Brennkammer 13 stattfindenden Verbrennungsreaktionen erzeugt. Aus den unteren Auslässen 14, 15 der Reformerrohre 10, 11 tritt das durch die Reformierung entstandene Gas 16, das praktisch keine Kohlenwasserstoffe und nahezu vollständig Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthält.
Das Gas 16 wird einem Teilkomplex 17 der Wasserstoffanlage 2 zugeführt, in dem das Kohlenmonoxid in einer katalytischen Konvertierung zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt wird, um danach beispielsweise im Rahmen einer nachgeschalteten Druckwechseladsorption einen Prozessgasstrom 18, der im Wesentlichen nur noch Wasserstoff aufweist, zu erzeugen.
Das bei der Verbrennung in der Brennkammer 13 entstandene Rauchgas 19 wird dagegen durch den Eintritt 25 in die Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 geleitet, um endseitig der Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 durch den Ausgang 20 in den Kamin 4 zu gelangen.
Wie 2 zeigt, findet in der Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 in erfindungswesentlicher Weise ein Wärmeübertrag statt, der mit einer erhöhten Wasserdampfproduktion einhergeht.
In der Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 strömt das Rauchgas 19, wie aus 2 hervorgeht, durch den Rauchgaskanal 21 und passiert mehrere Wärmeüberträger 22, 23, 24, die in Strömungsrichtung des Rauchgases 19 angeordnet sind. Die Pfeilrichtung P in 2 kennzeichnet die Strömungsrichtung des Rauchgases 19. An den Wärmeüberträgern 22, 23, 24 ist Wärme des Rauchgases 19 auf andere Medien übertragbar. Der dem Eintritt 25 der Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 nächst angeordnete Wärmeüberträger 22 dient der Vorwärmung der Prozessströme, d.h. der Gase, die durch die in 1 gezeigten Reformerrohre 10, 11 strömen. Hierzu weist der Wärmeüberträger 22 ein Vorwärmerbündel in Gestalt eines Wärmetauscher 28 aufweisenden Rohrbündels 26 auf, an das sich außerhalb des Wärmeüberträgers 22 Leitungen 27, 27a für die Zu- und Abführung des Prozessstromes anschließen. Der Prozessstrom gelangt durch die Leitung 27 in das Rohrbündel 26, an dessen Wärmetauscherflächen 28 der Übertrag der Wärme Q vor dem Rauchgas 19 auf den Prozessstrom stattfindet, wodurch das Rauchgas 19 eine erste Abkühlung und der Prozessstrom eine Erwärmung erfährt. In 2 ist der Wärmeübertrag in den jeweiligen Wärmeüberträgern 22, 23, 24 zeichnerisch durch nach unten weisende Pfeile gekennzeichnet.
Dem Wärmeüberträger 22 schließt sich in Stromrichtung des Rauchgases 19 ein Wärmeüberträger 23 an, durch dessen mit Wärmetauscherflächen 28 versehenes Rohrbündel 26 Verbrennungsluft leitbar ist. Dem Wärmeüberträger 23 ist ein Bypass 29 zugeordnet, der zwischen den Leitungen 27, 27a und dem Rohrbündel 26 angeordnet ist und die Funktion der Steuerung der durch den Wärmeüberträger 23 leitbaren Verbrennungsluftmenge erfüllt. Hierzu umfasst der Bypass 29 ein Ventil 30, das sowohl eine Geschlossenstellung als auch eine Offenstellung einnehmen kann. In der Offenstellung des Ventils 30 gelangt Verbrennungsluft über die Leitung 27 in das Rohrbündel 26, wodurch Wärme von dem Rauchgas 19 auf die Verbrennungsluft übertragen werden kann. Die Verbrennungsluft wird aufgewärmt. Eine Erhöhung der Aufwärmung kann zusätzlich dadurch erreicht werden, dass die Wärmetauscherflächen 28 möglichst maximal sind, so dass die Wärmetauscherflächen 28 eine maximale Auslastung erfahren.
Befindet sich hingegen das Ventil in der Offenstellung, so wird ein Teil oder die gesamte Verbrennungsluft, die über die Leitung 27 in Richtung des Wärmeüberträgers 23 strömt, um das Rohrbündel 26 geleitet und über die Leitung 27a abgeführt, ohne das Rohrbündel 26 zu erreichen.
Dem Wärmeüberträger 23 ist der Wärmeüberträger 24 in Stromrichtung des Rauchgases 19 nachgeordnet, der ein Dampfbündel in Form eines Rohrbündels 26 aufweist, über dessen Wärmetauscherflächen 28 Wärme Q auf den durch den Wärmeüberträger 24 leitbaren Wasserdampf übertragen wird. Hierzu wird über die Leitung 27 Wasserdampf dem Rohrbündel 26 zugeführt, wodurch der Wärmeübertrag stattfinden kann.
Im Rahmen der Erfindung kann die Wärmetauscherfläche 28 des Rohrbündels 26 der Wärmeüberträger 23, 24 maximal gestaltet werden.
In erfindungswesentlicher Weise wird also in der Geschlossenstellung des Ventils 30 die Kühlung des Rauchgases 19 maximiert. Durch diese Kühlung des Rauchgases 19 wird dann trotz der ausreichend zur Verfügung stehenden Wärmetauscherflächen 28 im Rohrbündel 26 des Wärmeüberträgers 24 die Wasserdampfmenge in dem Wärmeüberträger reduziert, da trotz der zur Verfügung stehenden Wärmetauscherflächen 28 keine zusätzliche Energie übertragen wird.
In der Offenstellung des Ventils 30 wird dagegen die Temperatur des Rauchgases erhöht, so dass bei dem Wärmeüberträger 24 die Menge des erzeugten Wasserdampfes erhöht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Wärmerückgewinnungseinrichtung
2: Wasserstoffanlage
3: Reformer
4: Kamin
5, 6, 7: Einlässe
8: Wasserdampf
9: Kohlenwasserstoff
10, 11: Reformerrohre
12: Verbrennungsluft
12a: Brenngas
13: Brennkammer
14, 15: untere Auslässe
16: Gas
17: Teilkomplex
18: Prozessgasstrom
19: Rauchgas
20: Ausgang
21: Rauchgaskanal
22, 23, 24: Wärmeüberträger
25: Eintritt
26: Rohrbündel
27, 27a: Leitungen
28: Wärmetauscher
29: Bypass
30: Ventil

Claims

Wärmerückgewinnungseinrichtung (1) mit einem Rauchgaskanal (21) und in Stromrichtung eines Rauchgases (19) angeordneten Wärmeüberträgern (22, 23, 24), wobei zumindest durch einen Wärmeüberträger (23) Verbrennungsluft und zumindest durch einen Wärmeüberträger (24) Dampf leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - zumindest einem Wärmeüberträger (23) ein Bypass (29) zur Steuerung der Menge von durch den Wärmeüberträger (23) leitbarer Verbrennungsluft zugeordnet ist; und - die Wärmeüberträger (22, 23, 24) als Bündel (26) vorliegen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeüberträger (24), durch den Dampf leitbar ist, dem Wärmeüberträger (23), durch den Verbrennungsluft leitbar ist, in Stromrichtung nachgeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeüberträger (22, 23, 24) mit unterschiedlich bemessenen Wärmetauscherflächen (28) einsetzbar sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bündel (26) ein Verbrennungsluftbündel und ein Bündel (26) ein Dampfbündel ist.
Wasserstoffanlage (2) mit einer Wärmerückgewinnungseinrichtung (1), die einen Rauchgaskanal (21) und in Stromrichtung eines Rauchgases (19) angeordnete Wärmeüberträger (22, 23, 24) aufweist, wobei zumindest durch einen Wärmeüberträger (23) Verbrennungsluft und zumindest durch einen Wärmeüberträger (24) Dampf leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - zumindest einem Wärmeüberträger (23) ein Bypass (29) zur Steuerung der Menge von durch den Wärmeüberträger (23) leitbarer Verbrennungsluft zugeordnet ist; und - die Wärmeüberträger (22, 23, 24) als Bündel (26) vorliegen.
Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeüberträger (24), durch den Dampf leitbar ist, dem Wärmeüberträger (23), durch den Verbrennungsluft leitbar ist, in Stromrichtung nachgeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeüberträger (22, 23, 24) mit unterschiedlich bemessenen Wärmetauscherflächen (28) einsetzbar sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bündel (26) ein Verbrennungsluftbündel und ein Bündel (26) ein Dampfbündel ist.
Verfahren zur Erzeugung von Dampf in einer Wärmeüberträger aufweisenden Wärmerückgewinnungseinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einem Wärmeüberträger (23) der Wärmeübertrag auf Verbrennungsluft mittels eines Bypasses (29) steuerbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme von Rauchgas (19) auf die Verbrennungsluft übertragen wird.