DE1767700A1

DE1767700A1 - Verwendung der Abwaerme von Kraftwerksanlagen fuer die Gewinnung von schwerem Wasser

Info

Publication number: DE1767700A1
Application number: DE19681767700
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl-Ing Kluge
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag GmbH
Priority date: 1968-06-06
Filing date: 1968-06-06
Publication date: 1972-05-18
Also published as: JPS4949357B1; SE360841B; FR2010285A1; US3632316A; GB1224946A

Description

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PATENTAN WA LTi Essen, den 29. Mai 1968

Dr. Andrejewflki (50 698/to-)

Dr.-Ing. Honka
43 Essen, Kettwiger Str. 35

(A« Hauptfjofcnhof ücktberf)

TW 225802/03

Patentanmeldung der Firma
Steinkohlen-Elektrizität AG.
43 Essen, Bismarckstraße 54

Verwendung der Abwärme von Kraftwerksanlagen für die Gewinnung von schwerem Wasser

Die Erfindung bezieht sich auf die Gewinnung von schwerem Wasser mit Hilfe eines Destillationsverfahrens und besteht in der Verwendung der Abwärme des Rückkühlbetriebes von Kraftwerksanlagen mit Rückkühl-Kühltürmen für die Gewinnung von schwerem Wasser.

Sogenanntes schweres Wasser DgO ist wegen seiner geringen Neutronenabsorption ein ausgezeichneter Moderator für Kernen ergiereaktoren. Schweres Wasser ist jedoch teuer, weil seine Gewinnung sehr aufwendig ist. Im normalen Wasser ist es mit einer sehr geringen Konzentration von nur 0,015 % gleichmäßig auf der Erde verteilt. Zur Gewinnung von 1 kg schwerem Wasser muß man etwa 10 t normales Wasser verarbeiten. Da sich D_p0 und H_p0 in ihren chemischen Eigenschaften kaum

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unterscheiden, kommen hauptsächlich physikalische Trennverfahren in Frage. So beträgt der Siedepunktsunterschied zwischen den beiden Komponenten bei 760 mm Hg ziemlich genau 1,4 C. Deshalb ist eine destillative Trennung möglich. Aufgrund der physikalischen Gesetze für das Gemisch Hg DgO ergibt sich ein Rücklaufverhältnis, je nach Arbeitstemperatur, von größenordnungsmäßig 10. Das bedeutet, daß die zehnfache Menge normalen Wassers verdampft werden muß, also 100 t, um 1 kg DgO destillativ zu gewinnen. Setzt man die Verdampfungswärme mit etw-a 500 kcal/kg ein, so benötigt man rund 50 Mio kcal zur Gewinnung von 1 kg DpO. Das macht die destillative Gewinnung von schwerem Wasser unwirtschaftlich, so daß Destillationsverfahren zur Gewinnung von schwerem Wasser in großtechnische Praxis kaum Eingang gefunden hat.

Bei Kraftwerksanlagen mit Rückkühlbetrieb (d.h. Kühlluftkühlung des Kühlwassers der Kondensatoranlage der Dampfturbinenanlagen in Kühltürmen und Kühlwasserkreislauf mit Zusatzwasser-Einspeisung über Kondensatoranlage und Kühlturm) fällt Abwärme an, die bisher kaum verwertet werden kann. Für diese Kühlung sind im Kraftwerksbetrieb sogar erhebliche Kosten aufzuwenden, um die Kondensationswärme an die Atmosphäre abzuführen. - Die Probleme um die Gewinnung von schwerem Wasser mit Hilfe eines Destillationsverfahrens sind durch diese Verhältnisse im Kraftwerksbetrieb bisher nicht beeinflußt worden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise in Kraftwerksanlagen schweres Wasser zu gewinnen. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß für die Gewinnung von schwerem Wasser die Abwärme des Rückkühlbetriebes von Kraft-Werksanlagen eingesetzt werden kann. Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung der Abwärme des RUckkühlbetriebes von Kraftwerksanlagen mit Hückkühl-Kühltürmen und Kühlwasserkreislauf für die Gewinnung von schwerem wasser, wozu die wasserdampfgesättigte Kühlluft eines Kühlturms in einer nachgeschalteten Abtriebszone zum Abtreiben der leichter siedenden HpO-Komponente des bei normalem Kühlturmbetrieb aufzugebenden Zusatzwassers eingesetzt und dadurch DpO im Kühlwasserkreislauf angereichert wird, - aus dem das DgO-angereicherte Wasser abgezogen werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die zu einer Verstärkung des Effektes führt, ist dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Wasserdampf/Luft-Gemisch der Abtriebszone in einer nachgeschalteten Verstärkungszone mit D₂O abgereichertem Wasser DpO ausgewaschen und dazu das austretende Wasserdampf/ Luft-Gemisch oberhalb der Verstärkungszone kondensiert und durch die Verstärkungsζone geführt wird. - Selbstverständlich muß man dafür sorgen, daß in der Abtriebszone und in der Verstärkungszone hinreichend große Austauschoberflächen zur Verfügung stehen, was durch Einbauten, Füllkörper oder auch auf andere Weise erreicht werden kann. Das DgO-angereicherte Wasser wird aus dem Kühlwasserkreislauf abgezogen.

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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß erfindungsgemäß die billige Abwärme des Rückkühlbetriebes von Kraftwerksanlagen für die Gewinnung von schwerem Wasser mit Hilfe eines Destillationsverfahrens eingesetzt werden kann, c· ^ ' ^ -s. Gegenstand der Erfindung ist in diesem Zusammenhang auch ein Kühlturm für die erfindungsgemäße Verwendung, wie im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung ausführlicher erläutert wird»

Die einzige Figur zeigt in einem Vertikalschnitt einen erfindungsgemäßen Kühlturm.

Der in den Figuren dargestellte Kühlturm besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus einem Kühlturmmantel 1, Rieselr einbauten 2 und Wasserverteilungsvorrichtung 3 eines über die Kondensatoranlage 4 einer Turbinenanlage geführten Kühlwasserfe kreislaufs 5> Einrichtung 6 zur Aufgabe von Zusatzwasser, unterem Kühllufteintritt 7 und oberem Kühlluftaustritt 8, wobei im Kühlluftaustritt 8 im Ausführungsbeispiel ein Ventilator 9 vorgesehen ist. Die Erfindung läßt sich jedoch auch bei Kühltürmen mit thermischem Auftrieb verwirklichen. Erfindungsgemäß ist dieser Kühlturm gleichsam zu einer Destillationskolonne für das schwere Wasser weiter ausgebildet. Dazu ist die Anordnung so getroffen, daß oberhalb der Rieseleinbauten 2 für den normalen Rückkühlbetrieb mit zugeordneter Wasserverteilungsvorrichtung 3 eine Abtriebskolonne 10 für die wasser-

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dampfgesättigte Kühlluft angeordnet und oberhalb der Abtriebskolonne 10 die Einrichtung 6 zur Aufgabe des Zusatzwassers vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung befindet sich oberhalb der Abtriebskolonne 10 noch eine besondere Verstärkungskolonne 11 mit nachgeschaltetem Kondensator 12, vorzugsweise in den Kühlwasserkreislauf 5 einbezogenen Rücklaufkondensator. Die Abtriebskolonne 10 sowie die Verstärkungskolonne 11 sind als Einbauten in dem entsprechend verlängerten Kühlturmmantel 1 oder in einem Aufsatz untergebracht· So kann die Abwärme des Rückkühlbetriebes von Kraftwerksanlagen mit Rückkühltürmen für die Gewinnung von schwerem Wasser eingesetzt werden. Die wasserdampfgesättigte Kühlluft des Kühlturms wird in der nachgeschalteten Abtriebskolonne 10 zum Abtreiben der leichter siedenden HpO-Komponente des bei normalen Kühlmittelbetrieb aufgegebenen Zusatzwassers und damit zur Anreichung von DpO im Zusatzwasser und im Kühlwasserkreislauf 5 eingesetzt. Es handelt sich gleichsam um eine Destillationskolonne, die zur Erniedrigung des Partialdruckes des zu trennenden Gemisches mit einem Inertgas arbeitet. Durch den niedrigen Partialdruck der zu trennenden Komponenten wird der Trenneffekt erhöht. Aus dem Wasserdampf/ Luft-Gemisch der Abtriebskolonne 10 wird in der nachgeschalteten Verstärkungskolonne 11 mit.DgO angereichertem Wasser DgO ausgewaschen und dazu oberhalb der Verstärkungszone die schon beschriebene Kondensation durchgeführt.

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Das in dem Kondensator H erwärmte Kühlwasser fließt über die bei Kühltürmen übliche Wasserverteilungsvorrichtung 3 und rieselt durch die Rieseleinbauten 2 nach unten. Durch die aufsteigende Kühlluft wird es in der üblichen Weise abgekühlt und sammelt sich in dem Auffangbecken 13. Die durch die Rieseleinbauten 2 aufsteigende Luft erwärmt sich dabei und sättigt sich mit Wasserdampf. Der Dampfgehalt der warmen Kühlluft richtet sich nach der Warmwassertemperatur aus der Kondensatoranlage 4 und der Kühlluftmenge. Dies ist der normale bekannte Kühlturmbetrieb. Jetzt sind aber zur Anreicherung des DpO zusätzliche Einbauten erforderlich. Die erwärmte Luft mit einem Wasserdampfgehalt entsprechend einem Partieidruck, der zu der Lufttemperatur gehört, steigt weiter durch die sogenannte Abtriebskolonne 10 nach oben. Diese besteht aus einer Füllkörperschicht oder aus Rieseleinbauten mit einer spezifisch sehr großen Oberfläche. Durch diese Abtriebskolonne 10 rieselt gewichtsmäßig die gleiche Menge Wasser nach unten wie Dampf, der im Bereich der Rieseleinbauten 2 entstanden ist, nach oben strömt. Die leichter siedende Komponente HgO wird aus der Flüssigkeit abgetrieben und reicher sich im Dampf an, wohingegen sich die schwerer siedende Komponente D₂O in der Flüssigkeit anreichert. Über der Abtriebskolonne 10 wird das für den normalen Kühlturmbetrieb erforderliche Zusatzwasser über die Einrichtung 6 aufgegeben. Die DpP-Konzentration des Wasserdampfes über der Abtriebskolonne 10 entspricht der des Zusatzwassers. Das Wasserdampf-Lüftgemisch steigt weiter nach oben durch die Verstärkungskolonne 11, in der die H₂0-Konzentration verstärkt wird· In

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ihr rieselt an DgO abgereichertes Wasser nach unten, das DpO aus dem aufsteigenden Wasserdampf auswäscht und sich somit an DpO anreichert. Der an D-O verarmte Wasserdampf wird zum größten Teil an dem Kondensator 12 aus der Kühlluft herauskondensiert und fließt nach unten durch die Verstärkungskolonne 11. Es verbleibt nur so viel Wasserdampf in der Kühlluft, wie für den normalen Kühlturmbetrieb erforderlich ist. Der Rücklaufkondensator 12 wird durch das in das Sammelbecken 13 ablaufende kalte Kühlwasser gekühlt« Im Rücklaufkondensator 12 erwärmt es sich und tritt dann in die Kondensatoranlage k zur Abführung der Abdampfwärme ein. Dadurch erwärmt es sich noch weiter und tritt mit einer höheren Temperatur aus der Kondensatoranlage, als es bei dem konventionellen Kühlturmbetrieb üblich ist, aus. Dies bedeutet eine Erhöhung des Kondensatordrucks, was eine Erniedrigung der Turbinenleistung oder eine Erhöhung des spezifischen Dampfverbrauchs zur Folge hat. Diese Wirkungsgradverschlechterung von größenordnungsmäßig 10 % ist als Warmeverbrauch der DgO-Gewinnungsanlage anzulasten. Gegenüber dem eingangs erwähnten Richtwert von 50 Mio kcal/kg DpO reduziert sich der Wärmeaufwand nach dem "Kühlturmverfahren" um den Faktor 10 auf etwa 5 Mio ' kcal/kg DgO.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich das DgO des natürlichen Wassers auf größenordnungsmäßig 1 % anreichern. - Im Kühlwasserkreislauf befindet sich dann etwa 1 % angereichert tes DgO, das kontinuierlich über 14 abgezogen wird. Die Menge

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entspricht etwa 1 % von dem Zusatzwasser. Die Übrigen 99 % gehen mit der warmen Kühlluft als an D_gO abgereicherter Wasserdampf in die Atmosphäre.

Bei der beschriebenen AusfUhrungsform ist das Kühlwasser für den Rücklaufkondensator 12 kaltes Wasser des Kühlturmes» welches nach Erwärmung zur Abführung der Kondensatorwärme in einem Wärmekraftwerk benutzt wird. Es besteht die Möglichkeit, die Anordnung so zu treffen, daß der Rücklaufkondensator 12 kurzgeschlossen werden kann, so daß das frische Kaltwasser direkt in die Kondensatoranlage 4 fließt und somit eine höhere Kraftwerksleistung, beispielsweise für den Spitzenbetrieb, zur Verfügung steht.

Ansprüche ;

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Claims

- 9 Ansprüche

1. Verwendung der Abwärme des RückkUhlbetrlebea von Kraftwerksanlagen mit Rückkühl-Kühltürmen und Kühlwasserkreislauf für die Gewinnung von schwerem Wasser, wozu die wasserdampfgesättigte Kühlluft eines Rückkühl-Kühlturms in einer nachgeschalteten Abtriebszone zum Abtreiben der leichter siedenden HpO-Komponente des bei normalem Kühlturmbetrieb aufzugebenden Zusatzwassers eingesetzt und dadurch DpO im Kühlwasserkreislauf angereichert wird, - aus dem das DpO-angereicherte Wasser abgezogen werden kann.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Wasserdampf/Luft-Gemisch der Abtriebszone in einer nachgeschalteten Verstärkungszone mit DpO abgereichertem Wasser DpO ausgewaschen und dazu das aus der Verstärkungszone austretende Wasserdampf/Luft-Gemisch oberhalb der Verstärkungszone kondensiert und das Kondensat durch die Verstärkungozone geführt wird.

3. Kühlturm für die Verwendung nach Anspruch 1 mit Kühlturmmantel, Rieseleinbauten und WasservertAlungsvorrichtung eines Kühlwasserkreislaufs, Einrichtung zur Aufgabe von Zusatzwasser, unterem Kühllufteintritt und oberem KUhlluftaustritt, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Rieseleinbauten (2) mit Wasser verteilungsvorrichtung (3) eine Abtriebskolonne (lO) für die wasserdampfgesättigte Kühlluft angeordnet und oberhalb der Abtriebskolonne (10) die Einrichtung (6) zur Aufgabe des Zusatzwaseers angenrdnet.

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4. Kühlturm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet« dafl oberhalb der Abtriebskolonne (10) «ine Verstärkungskolonne (11) mit nachgeschaltetem Kondensator (12), vorzugsweise Rüoklaufkondensator des Kühlwasserkreislaufs, angeordnet ist·

5. Kühlturm nach Anspruch J> und h, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebskolonne (10) und die Verstärkungskolonne (11) als Einbauten in den (verlängerten) KUhlturmmantel (1) einbezogen sind und dadurch der Kühlturm zu einer Destillationskolonne ausgebildet ist.

PAe Dr.AndreJewski, Dr.Honke

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