DE19544452A1

DE19544452A1 - Verfahren zur Nutzung der Rauchgaskondensationswärme

Info

Publication number: DE19544452A1
Application number: DE19544452A
Authority: DE
Inventors: Walter Ing Falkinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 1997-07-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nutzung der Rauchgaskondensationswärme bei bestehenden kalorischen Kraftwerken (Feuerungsanlagen zur Versorgung von Fernwärmenetzen) mit Fernwärmeauskopplung und deren Nutzung in einem angrenzenden Siedlungsraum zur Raumwärmeerzeugung.

Bei bestehenden kalorischen Kraftwerken (insbesonders mit flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen befeuerten) mit Stromproduktion und Fernwärmeauskopplung werden Gesamtwirkungsgrade von max. 75 bis 80% erreicht, Gas- und Dampfturbinenprozesse erreichen max. 85%. Die restliche Wärme kann nicht genutzt werden, um eine Kondensation des Rauchgases in den Anlagenteilen zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Rauchgaskondensationswärme bis zum "Oberen Heizwert" zu nutzen und in vorhandenen Fernwärmenetzen einzuspeisen, das zu einer beträchtlichen Wirkungsgradsteigerung des jeweiligen Fernheizkraftwerkes (Feuerungsanlage) führt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Rauchgase in einem "Brennwertwärmetauscher" kondensiert werden, und das vorgewärmte Wärmeübertragungsmedium (Wasser, Sole, Öl, Kältemittel) als Wärmequelle einer Wärmepumpe zugeführt wird. Die Wärmepumpe hebt das Temperaturniveau durch die Nutzung der noch wählbaren Wärme sowie der Kondensationswärme des Rauchgasstromes soweit an, daß der Wärmestrom in den Rücklauf der Fernwärmeleitung eingekoppelt werden kann.

Vorerkundigungen haben ergeben, daß bei einem Temperaturniveau wärmequellenseitig mit ca. 40 bis 50 Grad Celsius zu rechnen ist, und die Einkopplung in den Fernwärmerücklauf bei 60 bis 70 Grad Celsius erfolgen kann. Die Leistungsziffer für einen derartigen Betriebsfall werden mit 6 bis 7 angeben.

Es ist darauf hinzuweisen, daß nicht in jedem Fall eine Temperaturanhebung in den Bereich von 60 bis 70 Grad Celsius erfolgen muß. Sollte es sich um relativ nahegelegene Objektgruppen handeln, die entweder neu errichtet werden oder auf Fernwärme umgestellt werden, ist die Ausrüstung dieser Objektgruppen mit Niedertemperaturheizsystemen (Fußboden-, Wand-, Deckenheizsysteme auf Niedertemperaturniveau) sicher von noch größerem energetischen Vorteil, mitunter kann sogar die Wärmepumpe entfallen. Ein Entfall der einzelnen Wärmetauscher in den Objekten kann durch den geringen Druck im Rohrsystem in Betracht gezogen werden.

Es ergibt sich somit folgende energetische Betrachtungsweise:
Durch die Kondensation des Rauchgasstromes von kohlenwasserstoffhältigen flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen insbesonders auch aus Rauchgasreinigungsanlagen mit Wasserdampf angereicherter Rauchgasstrom (auch bei Festbrennstoffen) ergibt sich die Nutzung des Brennstoffwärmeinhaltes nahe dem "Oberen Heizwert", welcher im Bereich von 105 bis 110% des "Unteren Heizwertes" liegt.

Dadurch ergibt sich ein noch zusätzlich nutzbares Wärmepotential, abhängig vom Kraftwerkstyp, von ca. 20 bis 35%.

Durch den Einsatz von 3 bis 5% elektrischer Energie an der Gesamterzeugung zum Antrieb einer Wärmepumpe mit einer Leistungsziffer von 6 bis 7 ergeben sich somit Gesamtwirkungsgrade solcher Anlagenanordnungen über, bzw. um 100% am "Unteren Heizwert" orientiert.

Diese Anordnung ist nicht nur auf Kraftwerke beschränkt, besonders interessant scheint auch der Einsatz bei Hackschnitzelheizungen im gewerblichen Bereich, wo oft mit Feuchtigkeitsanteilen im eingesetzten Hackgut bis zu 45% gearbeitet wird, und so der Heizwert entsprechend vermindert wird. Die Kondensation in einem nachgeschalteten Brennwertwärmetauscher mit der Einkopplung mittels Wärmepumpe oder deren separater Nutzung im Niedertemperaturbereich, bringt noch höhere Wirkunksgradsteigerungen.

Das Kondensat wird entweder direkt oder dementsprechend konditioniert in den Kanal geleitet.

Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von Fernheizkraftwerken (Feuerungsanlagen zur Versorgung von Fernwärmenetzen) wird der Rauchgasstrom kondensiert und mittels Wärmepumpe (mechanischen bzw. Adsorptionswärmepumpe) auf ein derartiges Temperaturniveau angehoben, daß eine

a) Einkoppelung in den Rücklauf eines bestehenden Fernwärmenetzes erfolgen kann
b) mit oder ohne Wärmepumpe Objekte mit einem Niedertemperaturheizsystem versorgt werden können.

Da in den meisten Fällen eine Anlagerung von doch vorhandenen Schadstoffen am Wasserdampf geschieht, welcher dann kondensiert wird, ist mit einer zusätzlichen Reduktion noch vorhandener Rauchgasschadstoffe (SO₂, NOX, ect.) zu rechnen und damit ist eine zusätzliche Umweltentlastung gegeben.

Von besonderem Interesse ist der Einsatz einer Adsorptionswärmepumpe (Paarung Lithiumbromid-Wasser) mit der Antriebswärmequelle des noch heißen Rauchgases am Kamineintritt, wegen der Einfachheit der Anlagenteile und dem weitestgehenden Entfall an zusätzlicher mechanischer bzw. elektrischer Antriebsenergie.

Ergänzung zu dem beschriebenen Verfahren zur Restrauchgaswärmenutzung bei Heizkraftwerken (gewerblichen Großfeuerungsanlagen)

Die Ergänzung bezieht sich auf die Art des Antriebes für die Wärmepumpe (Gasturbine oder Verbrennungsmotor) bzw. Adsorptionswärmepumpe mit der nachfolgenden Einbindung der anfallenden Abwärme.

Bei den gegebenen Tarifverhältnissen für die Zurverfügungstellung elektrischer Energie (Arbeitspreis sowie Leistungspreis) insbesonders für die Verhältnisse in Österreich und auch Deutschland, als großteils auch international ist meistens eine Trennung in den örtlichen Versorger mit dem Heizkraftwerken (und Fernwärmeversorgung) gegeben, meistens mit einem nicht unerheblichen Bezug an elektrischer Energie aus dem übergeordneten Versorgungsnetz mit dem dadurch zu entrichtenden Leistungs- und Arbeitspreis für die bezogene bzw. zusätzlich für den Betrieb der Wärmepumpe erforderlichen Arbeits- und Leistungsbezug. Dies stellt einen nicht unbeträchtlichen wirtschaftlichen Nachteil für den Betrieb der Wärmepumpe dar.

Sollte aber die leistungsmäßige Kraftwerkskapazität ÜBER jenen der erforderlichen Netzbedarfsleistung für das Versorgungsgebiet liegen, kann mit den Selbstgestehungskosten für die erzeugte elektrische Energie, sowie mit dem Entfall des Leistungspreises gerechnet werden. Dies bedeutet eine erhebliche Reduktion des Preises für die zur Verfügung gestellte elektrische Antriebsenergie für die Wärmepumpe und damit eine Entscheidung zu Gunsten der elektrischen Antriebsart. Der Vorzug für diese Antriebsart liegt vor allem auch bei großen Industriebetrieben mit einer Leistungskapazität der Eigenversorgung (Kraftwerkes) größer als des Eigenbedarfes, daß hier der vorerwähnte Vorteil der Gestehungskosten zum Tragen kommt.

Da aber in der Mehrzahl der Einsatzfälle dieser Wärmepumpenanlagen bei Betreibern mit einer geringeren Leistungskapazität ihrer Eigenanlage als des Netzleistungsbedarfes liegen, empfiehlt sich hier der Antrieb der Wärmepumpe mit einer Gasturbine (motor), um nicht in den zusätzlichen Bezug (und damit Verrechnen) eines Leistungsanteiles an der Antriebsenergie für die Wärmepumpe gegenüber dem übergeordneten Versorger zu gelangen.

Für diese Einsatzfälle mit dem Antrieb einer Verbrennugskraftmaschine (Turbine oder Motor) ergeben sich folgende energetische und wirtschaftlich anrechenbare Vorteile. Die Anordnung der Wärmerückgewinnungsanlage mit den Wärmeströmen hat dann wie in beiliegender Skizze auszusehen.

Der Antrieb der Wärmepumpe erfolgt mittels Verbrennungskraftmaschine. Der Abwärmestrom aus den Abgasen (bis zu 600°C) wird einem Wärmetauscher zugeführt, welcher die Temperatur des gesamten vorhanden Fernwärmestromes auch aus der Auskoppelung aus der Dampfturbine im oberen Bereich (bei den meisten Fernwärmenetzen bei ca. 120°C bis 140°C) einspeist. Der Restrauchgasstrom kann zur Erwärmung des Wärmestromes aus der Rauchgasrestwärmegewinnung mit der Wärmepumpe zur Temperaturniveauanhebung des Rücklaufes eingesetzt werden. Der Rauchgasstrom aus der Verbrennungskraftmaschine wird dann jenem Hauptrauchgasstrom zugeleitet zum Entzug der Restwärme mit der Wärmepumpe.

Durch die Einspeisung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine im oberen Temperaturbereich des gesamten Fernwärmestromes ergibt sich eine Verminderung des Temperaturniveaus des auszukoppelnden Wärmestromes aus der Dampfturbine und somit eine Verschiebung des Verhältnisses für den Verlust elektrischer Leistung und Energieerzeugung von ca. 1 : 4 auf ca. 1 : 6 oder noch höher. Da durch die Einkoppelung von Wärme nicht nur im oberen Bereich erfolgt, sondern auch im unteren zur Erwärmung des Rücklaufes, ergibt sich bei gleichbleibendem Fernwärmebedarf eine Reduktion sowohl mengenmäßig als auch ein abgesenktes Temperaturniveau des auszukoppelnden Dampfes. Dies hat einen entsprechenden Minderentfall von elektrischer Leistungs- und Energieerzeugung zur Folge, mit den dadurch lukrierbaren Leistungs- und Arbeitspreisersparnis gegenüber dem übergeordneten E-Versorger.

Insbesonders bei Ausweitung der Fernwärmeabnahme ist der zusätzliche Vorteil des abgesenkten Temperaturniveaus der Dampfauskoppelung in Form von elektrischer Leistungsgewinnung vorhanden.

Bei der separaten Verwendung in einem Niedertemperaturniveausystem als auch in der zusätzlichen Einkoppelung in der Rücklauf der Fernwärme ergibt sich durch die Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine der Verteil von höheren Leistungsziffern der Wärmepumpe wegen der abgesenkten oberen Temperatur der Wärmestromanhebung.

Der Einsatz von Adsorptionswärmepumpen bietet für dieses Anwendungsgebiet große Vorteile. Da die Rauchgastemperatur zumeist bei 150°C bis 200°C liegt, kann dieses Hochtemperaturniveau bis ca. 80°C (bei Paarung Lithiumbromid und Wasser) zum Antrieb der Adsorptionswärmepumpe verwendet werden. Der restliche Wärmeinhalt des Rauchgasstromes kann bis zum Eintreten der Kondensation bis ca. 20°C abgekühlt werden und dann mit der Wärmepumpe wie bei der mechanischen WP in den Rücklauf der Fernwärmeleitung eingekoppelt werden. Die Ausrüstungsteile einer solchen Konfiguration sind wesentlich einfacher und benötigen keine zusätzliche mechanische Antriebsquelle bzw. keinen, oder nur minimale elektrische Antriebsenergie.

Die Bezugszeichen in der Figur haben folgende Bedeutung:

1 Dampfkessel
2 Kamin
3 Wärmetauscher Rauchgas/Wasser
4 Wärmetauscher Rauchgas/Wasser
5 Wärmetauscher Wasser/Kältemittel
6 Wärmetauscher Wasser/Kältemittel
7 Wärmetauscher Rauchgas/Wasser
8 Wärmepumpe
9 Gasturbine o. E-Motor
10 Wärmetauscher Kältemittel/Wasser
11 Absorptionswärmepumpe
12 Wärmetauscher Kältemittel/Wasser
13 Dampfturbine
15 Wärmetauscher/Wasser
16 Kondensator
17 Fernwärmevorlauf
18 Fernwärmerücklauf
Die Linien in der Figur haben folgende Bedeutung
- - - - Rauchgasstrom
- · - · - Kältemittelkreisläufe
- - - - Alternativanordnung mit Absorptionswärmepumpe (14)

Claims

1. Verfahren zur Nutzung der Rauchgaskondensationswärme dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturniveau des kondensierten Rauchgasstromes mittels Wärmepumpe (mechanischer und Adsorptionswärmepumpe) soweit angehoben wird, daß dieser in den Rücklauf von einem bestehenden Fernwärmenetz (Heizsystem) eingekoppelt werden kann. (Heizkraftwerke, Hackschnitzelheizungsanlagen, gewerbliche und Einzelfeuerungsanlagen).

2. Verfahren zur Nutzung der Rauchgaskondensationswärme dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationswärme des Rauchgasstromes in Niedertemperaturheizsystemen direkt für eine Objektheizung genutzt wird oder indirekt mittels Wärmepumpe (mechanischer und Adsorptionswärmepumpe) auf ein höheres Temperaturniveau angehoben wird und dann erst genutzt wird.