DE3503103C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärme eines Glasschmelzofens mit zwei beidseitig zu die­ sem angeordneten Regeneratoren, die gegensinnig betreibbar sind, bei welchem Verfahren das aus jeweils einem der Rege­ neratoren austretende heiße Abgas auf seinem Weg zu einem Abgasschacht durch den Primärteil eines Wärmeübertragers einer nach dem Überdruck-Brayton-Prozeß arbeitenden, einen Verdichter und eine Turbine aufweisenden Gasturbinenanlage geschickt wird, während Umgebungsluft im Verdichter kompri­ miert, die komprimierte Luft durch den Sekundärteil des Wärmeübertragers geschickt, die komprimierte erwärmte Luft in der Turbine entspannt und die entspannte Luft als vor­ gewärmte Luft in den anderen Regenerator eingeführt wird.

Ein derartiges Verfahren wird in zwei Aufsätzen beschrieben, und zwar Hnat et.al., 9th Energy Technology Conference, 1982, S. 375-388, sowie Hnat et.al., "Rankine and Brayton Cycle Cogeneration for Glass Melting", The 1981 Industrial Energy Conservation Technology Conference and Exhibition, Houston, Texas, 26.-29. April 1981, S. 1-9 bis 9-9, insbesondere Figur 4. Beide Aufsätze berichten über theoretische Unter­ suchungen derartiger Wärmerückgewinnungsverfahren. Insbeson­ dere der zweitgenannte Aufsatz berichtet darüber, daß zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Überdruck-Brayton-Prozes­ ses der Wirkungsgrad des Wärmetauschers und/oder die Regene­ rator-Abgastemperatur geändert wurden. Durch Erhöhen der Regenerator-Abgastemeperatur auf 1300°F (704°C) und des Wirkungsgrades des Wärmetauschers auf 65% konnte die rück­ gewonnene Wärme in Form elektrischer Energie beträchtlich gesteigert werden; dennoch war die rückgewonnene Energie deutlich niedriger als bei einem nach dem Rankine-Prozeß arbeitenden Rückgewinnungsverfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärme eines Glasschmelzofens der eingangs angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß der Wirkungsgrad des Überdruck-Brayton-Prozesses erhöht und dadurch die Ge­ samtausbeute der Wärmerückgewinnung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den eingangs an­ gegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das vom Regenerator zum Wärmeübertrager strömende heiße Abgas durch einen zwischen den Regeneratoren und dem Wärme­ übertrager angeordneten Brenner zusätzlich beheizt wird, um die Temperatur der den Wärmeübertrager verlassenden in die Turbine eintretenden Luft auf mindestens 788°C zu er­ höhen.

Es ist in der Thermodynamik schon lange bekannt, daß der thermische Wirkungsgrad des Überdruck-Brayton-Prozesses (offener Gasturbinenprozeß) um so höher ist, je höher die Prozeßtemperaturen und insbesondere die Turbineneinlaßtem­ peratur sind, vgl. zum Beispiel das Buch "Technische Thermo­ dynamik" von E. Schmidt, Bd. 1, 11. Auflage 1975, S. 264-288 und das Buch "The Theory and Design of Gas Turbines and Jet Engines" von E. T. Vincent, 1950, S. 92-126, 161-177 sowie 241-256. Aus diesen Büchern ist es auch bekannt, daß die externe Wärmezufuhr des Brayton-Prozesses entweder durch Wärmeübertragung oder Verbrennung erfolgen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch zusätzlich zu dem Wärmeübertrager ein weiterer Brenner vorgesehen. Dieser Brenner erfordert zusätzliche Energie (Brennstoff), die dem Überdruck-Brayton-Prozeß zugeführt werden muß. Dies steht scheinbar in Widerspruch zu dem Konzept der Wärme­ rückgewinnung, bei dem ja die beim Glasschmelzen anfallende Abwärme zumindest teilweise in nutzbare Energie, zum Bei­ spiel elektrische Energie, umgewandelt und damit rückgewon­ nen werden soll. Tatsächlich läßt sich jedoch zeigen, daß die zusätzliche Zufuhr externer Energie und die dadurch bedingte Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Überdruck-Brayton-Prozesses zur Folge haben, daß die Gesamtausbeute der Wärmerückgewinnung verbessert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Glasschmelzofens mit einer Anlage zur Rückge­ winnung seiner Abwärme;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht eines Glasschmelzofens, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärme arbeitet;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Glasschmelz­ ofens.

Fig. 1 zeigt einen Glasschmelzofen 9 mit zwei beidseitig zu diesem angeordneten Regeneratoren 12, 15. Die oberen Teile 11 bzw. 14 der Regeneratoren 12 bzw. 15 sind jeweils über einen Durchlaß 10 bzw. 13 mit dem Glasschmelzofen verbunden.

Die Unterseiten der Regeneratoren 12, 15 sind jeweils über einen Kanal 16 bzw. 19 an einem gemeinsamen Kanal 17 ange­ schlossen, der zu einem Abgasschacht 18 führt.

Im Kanal 17 befindet sich ein Wärmeübertrager 20, der das gesamte Abgas des Glasschmelzofens empfängt. Der Wärme­ übertrager 20 ist Teil einer nach dem Überdruck-Brayton- Prozeß arbeitenden Gasturbinenanlage. Der Überdruck-Brayton- Prozeß ist ein thermodynamsicher Kreisprozeß, der sich aus zwei Adiabaten und zwei Isobaren zusammensetzt.

Die Gasturbinenanlage umfaßt einen Verdichter C, der durch eine Welle 21 mit einer Turbine T gekoppelt ist, wobei die Welle 21 einen elektrischen Generator 22 antreibt. Der Einlaß des Verdichters C ist über ein Filter 23 mit der Umgebung verbunden, von wo Umgebungsluft einer Tempe­ ratur von ungefähr 16°C angesaugt wird. Die gefilterte Luft gelangt zum Verdichter C, der die Luft verdichtet und gleichzeitig ihre Temperatur auf ungefähr 177°C erhöht. Die verdichtete Luft strömt dann durch den Sekundärteil des Wärmeübertragers 20, wo sie zusätzliche Wärme aufnimmt. Bei ihrem Austritt aus dem Wärmeübertrager 20 besitzt die Luft eine Temperatur von ungefähr 704°C und einen Druck im Bereich von 6,9 bar. Die erwärmte, verdichtete Luft expandiert in der Turbine T, die ihrerseits den Verdichter C und den elektrischen Generator 22 antreibt. Die Abluft der Turbine T, die einer Temperatur von näherungsweise 399°C bis 427°C hat, wird dem linksseitigen Generator 12 zugeführt, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Bei gegensinnigem Betrieb des Glasschmelzofens wird die aus der Turbine T austretende Luft dem rechtsseitigen Kanal 16 bzw. Regenerator 15 zugeführt, so daß die Strö­ mungsrichtung des Arbeitsmediums umgekehrt ist.

Bei der Anlage der Fig. 1 sorgt die nach dem Überdruck- Brayton-Prozeß arbeitende Gasturbinenanlage dafür, daß ein Teil der Abwärme durch Vorwärmen der im Glasschmelz­ ofen zugeführten Luft und durch Zeugen elektrischer Leistung zurückgewonnen wird. Außerdem steht von der durch die Gasturbinenanlage strömenden Luft, die dann die vor­ gewärmte Verbrennungsluft für den Glasschmelzofen wird, mehr zur Verfügung als erforderlich. Ein Teil der aus der Turbine T austretenden Luft muß daher abgezweigt wer­ den; diese Luft, die eine Temperatur von ca. 399°C bis 427°C besitzt und sauber ist, kann zur Raumheizung oder anderen Heizzwecken verwendet werden.

Die aus dem Wärmeübertrager 20 austretende und in die Turbine T eintretende Luft hat eine Temperatur von unge­ fähr 704°C. Um den Wirkungsgrad der Turbine T und damit der nach dem Überdruck-Brayton-Prozeß arbeitenden Gas­ turbinenanlage zu erhöhen, sollte die Einlaßtemperatur der Turbine T auf mindestens 788°C erhöht werden. Diese Temperaturerhöhung im Einlaß der Turbine wird, wie in Fig. 2 dargestellt, durch einen Brenner 24 erzielt, dessen Verbrennungsluft von der aus der Turbine T aus­ tretenden vorgewärmten Luft einer Temperatur von ca. 399°C bis 427°C gebildet wird.

Die in Fig. 2 gezeigte Glasschmelzofen-Anlage hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in Fig. 1 ge­ zeigte Anlage, abgesehen von dem in Fig. 2 zusätzlich vorgesehenen Brenner 24. Die gleichen Bauteile wurden daher in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen ver­ sehen.

Der Brenner 24 erhöht die Temperatur des aus dem rechts­ seitigen Regenerator 15 austretenden Abgases von 732°C auf ungefähr 871°C am Einlaß des Wärmeübertragers 20. Der Brenner 24 wird, wie bereits erwähnt, mit einem Teil der aus der Turbine austretenden vorgewärmten Luft einer Temperatur von ungefähr 399°C bis 427°C versorgt. Die zuvor vorgewärmte Verbrennungsluft zum Brenner 24 sorgt für eine Kosteneinsparung beim Betrieb des Brenners 24. Der ver­ bleibende Teil der von der Turbine T kommenden Luft wird wiederum dem linksseitigen Regenerator 12 zugeführt.

Wie ersichtlich, ist unter diesen Umständen die Menge der abzuzweigenden Luft etwas kleiner, und zwar je nach der Menge der vorgewärmten Luft, die zum Betrieb des Brenners 24 verwendet wird. Da das dem Wärmeübertrager 20 zugeführte Abgas eine erhöhte Temperatur von 871°C hat, verläßt die Luft, die mit 177°C vom Verdichter C kommt und dem Wärme­ übertrager 20 zugeführt wird, den Wärmeübertrager 20 mit einer Temperatur von ungefähr 788°C. Diese vom Wärmeüber­ trager 20 kommende Luft einer Temperatur von 788°C hat einen Druck von ungefähr 6,9 bar und wird in der Turbine T expandiert, um die Turbine T, den Verdichter C wie auch den elektrischen Generator 22 anzutreiben. Die Leistung des elektrischen Generators beträgt beispielsweise ungefähr 122 KWH/ton geschmolzenen Glases.

Der Nutzungsgrad des in Fig. 2 gezeigten Energierückge­ winnungssystems, wie er sich durch einen Vergleich der Summe aus der zum Glasschmelzofen zurückgeführten Wärme und dem Dreifachen der elektrischen Leistung mit der Summe aus der dem Wärmerückgewinnungssystem zugeführten Wärme und dem Brennerkraftstoff ergibt, beträgt 83,1%.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Anlage sind die Regeneratoren in primäre und sekundäre Regeneratoren unterteilt. Der Glasschmelzofen 26 wird mit Verbrennungsluft und Brennstoff durch einen seitlichen Durchlaß 27 versorgt, während das Abgas durch einen auf der gegenüberliegenden Seite ange­ ordneten Durchlaß 28 abströmt, welcher zu einem rechts­ seitigen primären Regenerator 29 führt. Ein sekundärer Regenerator 30, der in der Praxis unterhalb des primären Regenerators 29 angeordnet ist und mit der Unterseite des primären Regenerators 29 voll in Verbindung steht, empfängt normalerweise das heiße Abgas des primären Regenerators 29 und leitet es an den Abgasschacht weiter, nachdem er ihm soviel Wärme wie möglich entzogen hat, ohne jedoch das Abgas unter eine Temperatur von 232 bis 260°C zu kühlen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein beträchtlicher Anteil des Abgases an der Verbindungsstelle zwischen dem primären und sekundären Regenerator über ein Ventil 32 durch einen Kanal 31 entnommen und einer Sammelleitung 33 zugeführt, die zu einem Wärmeübertrager 34 führt. Der Wärmeübertrager 34 bildet wiederum Teil einer nach dem Überdruck-Brayton-Prozeß arbeitenden Gasturbinenanlage.

Die Sammelleitung 33 ist mit einem Brenner 35 verbunden. Der Brenner 35 dient dazu, die Temperatur des Abgases auf ungefähr 871°C zu erhöhen. Die Sammelleitung 33 ist mit dem Primärteil des Wärmeübertragers 34 verbunden. Das aus dem Primärteil des Wärmeübertragers 34 austretende Gas strömt durch ein Ventil in eine Leitung 36 und gelangt über einen T-Anschluß zu einem drehzahlveränderlichen Gebläse 37, dessen Auslaß zum Abgasschacht führt. Derjenige Teil des vom primären Regenerator 29 kommenden Abgases, der durch den sekundären Regenerator 30 strömt, gelangt durch ein Umkehrventil 38 über ein weiteres Ventil in eine Leitung 39, die mit dem Gebläse 37 des Abgasschachtes verbunden ist.

Umgebungsluft von ungefähr 16°C tritt durch eine Einlaß­ leitung 40 in einen Verdichter C ein. Während der Verdichter C in der Zeichnung in schematischer Weise einstufig darge­ stellt ist, besteht er in der Praxis aus mehreren Stufen, die das erforderliche hohe Verdichtungsverhältnis liefern. Der Verdichter C ist ferner mit einer Zwischenstufen­ kühlung versehen, um die in der zweiten Stufe erforder­ liche Arbeit zu verringern. Im gleichen Sinne kann die Turbine C zur Verbesserung des Wirkungsgrades eine mehr­ stufige Turbine sein.

Der Auslaß des Verdichters C ist an einer Leitung 41 ange­ schlossen, die zu dem Sekundärteil des Wärmeübertragers 34 führt. Das den Sekundärteil des Wärmeübertragers 34 ver­ lassende Gas hat eine Temperatur von ungefähr 788°C und einen Druck von 6,9 bar. Dieser Auslaßstrom des Wärme­ übertragers 34 gelangt durch eine Leitung 42 zum Einlaß der Turbine T. Der Auslaß der Turbine T ist an einer Leitung 43 angeschlossen, die zu einer Dosier- und Steuervorrichtung 44 führt.

Das das Umkehrventil 38 durchströmende Gas gelangt zum linksseitigen sekundären Regenerator 45 und von dort zu dem linksseitigen primären Regenerator 46. Die die Turbine T durch die Leitung 43 verlassende Luft hat eine Tempera­ tur von ungefähr 399°C bis 427°C. Aus der Turbine T aus­ tretende überschüssige Luft, die für die Verbrennung nicht benötigt wird, wird durch eine Zweigleitung 47 abgezweigt. Wie bereits erwähnt, kann diese überschüssige Luft zu Raumheizzwecken verwendet werden, da diese Luft sauber ist und eine Temperatur von 399 bis 427°C hat.

Eine zweite Dosier- und Steuervorrichtung 48, die mit der Vorrichtung 44 zusammenarbeitet, dient zur Dosierung der Menge der Umgebungsluft, die den Regeneratoren auf der Vorwärmseite des Glasschmelzofens zugeführt wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind dies der primäre Regenerator 46 und der sekundäre Regenerator 45, die die Verbrennungsluft auf eine Temperatur von 399°C bis 427°C vorwärmen. Die Tempera­ tur der Luft am oberen Ende des primären Regenerators 46 beträgt ungefähr 1260°C und im Regenerator 29 auf der Aus­ laßseite ungefähr 1427°C. Die Temperatur des Gases, das von dem rechtsseitigen primären Regenerator 29 kommt, beträgt ungefähr 760°C; wie bereits erwähnt, strömt das den Brenner 35 verlassende Abgas in den Wärmeübertrager 34 mit einer Temperatur von ungefähr 871°C. Die Temperatur des durch den Abgasschacht strömenden Abgases liegt im Bereich von 232° bis 260°C, und das die Turbine T ver­ lassende Gas hat, wie bereits erwähnt, eine Temperatur von 399° bis 427°C.

Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen treibt die Turbine T sowohl den Verdichter C wie auch einen elektrischen Generator 49. Der in Fig. 3 gezeigte Glas­ schmelzofen ist ein Glasschmelzofen relativ großer Ab­ messungen.

Ein besonderer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die Anlage indifferent ist gegenüber der Tat­ sache, ob die Gasturbinenanlage arbeitet oder nicht. Im letzteren Fall strömt das gesamte Abgas durch den sekundä­ ren Regenerator. In jedem Fall kann der Betrieb des Glas­ schmelzofens ohne Brennstoffeinbuße aufrechterhalten wer­ den. Außerdem bietet diese Ausführungsform die Möglichkeit, einen bereits existierenden Glasschmelzofen mit sekundären Regeneratoren nachträglich mit einer nach dem Überdruck- Brayton-Prozeß arbeitenden Gasturbinenanlage auszurüsten.

Claims (3)

1. Verfahren zur Rückgewinnung von Abwärme eines Glasschmelz­ ofens mit zwei beidseitig zu diesem angeordneten Regene­ ratoren, die gegensinnig betreibbar sind, bei welchem Verfahren das aus jeweils einem der Regeneratoren aus­ tretende heiße Abgas auf seinem Weg zu einem Abgasschacht durch den Primärteil eines Wärmeübertragers einer nach dem Überdruck-Brayton-Prozeß arbeitenden, einen Verdichter und eine Turbine aufweisenden Gasturbinenanlage geschickt wird, während Umgebungsluft im Verdichter komprimiert, die komprimierte Luft durch den Sekundärteil des Wärme­ übertragers geschickt, die komprimierte erwärmte Luft in der Turbine entspannt und die entspannte Luft als vorgewärmte Luft in den anderen Regenerator eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Regenerator zum Wärmeübertrager strömende heiße Abgas durch einen zwischen den Regeneratoren und dem Wärmeübertrager angeordneten Brenner zusätzlich beheizt wird, um die Temperatur der den Wärmeübertrager verlassenden in die Turbine eintre­ tenden Luft auf mindestens 788°C zu erhöhen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des vom Regenerator zum Wärmeübertrager strömenden Abgases durch den Brenner auf 871°C erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der aus der Turbine austretenden vorgewärmten Luft ein Teil abgezweigt wird, um dem Regenerator die korrekte Menge vorgewärmter Luft zuzuführen.