DK169634B1 - Fremgangsmåde og apparat til optimering af virkningsgraden og minimering af nox-dannelsen i forbrændingsanlæg - Google Patents

Description

Opfindelsen angår en fremgangsmåde af den i krav l's ind-5 ledning angivne art, som kan udøves i forbindelse med et anlæg, f.eks. af den i krav 6’s indledning angivne art.

Det er almindeligt kendt at forbedre virkningsgraden af et forbrændingsanlæg, f.eks. en fjernvarmecentral eller et ke-10 delanlæg i en almindelig varmecentral, ved at anbringe en såkaldt economizer i forbindelse med kedlen, idet en del af røggassens termiske energi herved genvindes. En economizer er en art varmeveksler, der anvendes til at overføre en del af røggassens termiske energi til det spædevand eller det 15 returvand, der tilføres kedlen. Ved visse economizer-konstruktioner sker der en kondensering af en del af røggassen, således at der fremkommer et kondensat, som er en blanding af vand, svovl, svovlsyre, salte, sodpartikler m.v., alt afhængigt af, hvilket brændstof der indfyres i 20 kedlen. Kondensatet er sædvanligvis at betragte som affald-og bortledes til deponering, idet man dog i visse tilfælde udnytter den i kondensatet værende termiske energi i en varmeveksler. Kondensatet er ofte aggressivt, og man må foretage besværlige og kostbare foranstaltninger i forbin-25 delse med neutralisering og bortskaffelse heraf.

Fra EP offentliggørelsesskrift nr. 305.351 kendes et anlæg til forvarmning af forbrændingsluften ved overføring af både termisk energi og vanddamp fra røggassen til for-30 brændingsluften ved anvendelse af en roterende varmeveksler af hygroskopisk materiale. Overføringen sker ved temperaturforhold ved eller i nærheden af dugpunktet for røggassen, idet man tilstræber, at røggassens vanddampindhold kondenseres på den roterende varmeveksler på forbrændings-35 gassiden, og genfordampes på forbrændingsluftsiden. Dette fungerer formentlig udmærket i praksis, men med forholdsvis 2 ringe virkningsgrad, og kan i øvrigt medføre dråbedannelser i forbrændingsluften, hvilket er stærkt uønsket. Forbrændingsluften kan også forvarmes, inden den tilføres den roterende varmeveksler, formentlig for bedre at kunne gen-5 fordampe kondensatet, men dette medfører ifølge offentliggørelsesskriftet, at forbrændingsluften ikke mættes med vanddamp, og den efterfølgende forbrændingsgas bliver tør. Dette er en ulempe, da det medfører reduceret virkningsgrad, hvilket er stærkt uønsket.

10

Det er desuden almindeligt kendt at nedsætte NOx-mængden i røggas ved at inddyse vand ved flammeroden i et gas- eller oliefyr samt ved anvendelse af forskellige tilsætningstoffer til fastforbrændingsfyr. Man kan også recirkulere en 15 del af den iltfattige røggas til forbrændingskammeret.

Det er almindeligt kendt at anvende en roterende, keramisk varmeveksler til overføring af termisk energi og vanddamp fra én luftstrøm til en anden i et ventilationsanlæg, jfr. 20 f.eks. hvad der er kendt fra engelsk patentansøgning nr. 2.092.732. Det er også kendt at anvende en roterende, keramisk varmeveksler til et forbrændingsanlæg med meget høj røggast emper atur, hvor en almindelig varmeveksler ikke kan anvendes, og til opvarmning af forbrændingsluften for at 25 øge virkningsgraden i et forbrændingsanlæg, jfr. f.eks. hvad der er kendt fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.944.818.

Den stærkt befugtede primærluft føres til brænderen med 30 lavere flammerodstemperatur til følge, d.v.s. lavere NOx-dannelse. Da al vanddamp i forbrændingsluften ender i røggassen, får denne ændrede egenskaber i forhold til kendte fremgangsmåder og anlæg. Røggassen får, for samme brændselsforbrug, større varmefylde, d.v.s. større kapacitet, og 35 dugpunkttemperaturen hæves, så man kan udtrække (genvinde) større varmeenergi i både economizer og den/de efterfølgen- 3 j de entalpi-varmevekslere. Man får altså på én gang en forøget energiudnyttelse af brændslet og en lavere NOx-dannel-se, fordi flammerodstemperaturen sænkes.

5 Formålet med opfindelsen er at optimere virkningsgraden af et varmeanlæg med entalpioverføring fra røggassen til forbrændingsluften, uden at der opstår andre ulemper ved optimeringen.

10 Dette opnås ved at gå frem som angivet i krav l's kendetegnende del, f.eks. under anvendelse af et anlæg, som angivet i krav 5's kendetegnende del. Man opvarmer den sædvanligvis vanddampmættede røggas, så den "tørres". Herved undgås kondens i entalpi-varmeveksleren, og optimal varmeoverføring 15 opnås. Al den energi, der på denne måde yderligere tilføres røggassen, vil blive genbrugt og er altså ikke tab eller spild, men medvirker til at give optimal overføring af vanddamp til forbrændingsluften uden at reducere den termiske virkningsgrad. Tværtimod har det vist sig, at man får 20 forøget virkningsgrad, og hvad der er mere vigtigt, - man får et anlæg, der er forholdsvis nemt at styre og regulere.

Praktiske forsøg har vist, at varmeanlæg med kondensering i den roterende varmeveksler ikke er nemme at styre. Man får derfor en ringere virkningsgrad, og store problemer med 25 overskudskondensatet, som må bortskaffes.

Ved at gå frem som angivet i krav 2's kendetegnende del, f.eks. under anvendelse af et anlæg, som angivet i krav 6's kendetegnende del, kan man fuldstændig undgå kondens i 30 skorstenen. Dette er ved nogle anlæg ikke nogen nødvendighed, men er ofte et krav for at holde skorstenen helt tør og for at undgå en dampfane fra skorstenspiben, der af omkringboende kan opfattes som forurening. Den eventuelle tilførte energi er tab, men skal selvfølgelig ses i forhold 35 til længere levetid for skorstenen.

9 4

Ved at gå frem som angivet i krav 3's kendetegnende del, f.eks. under anvendelse af et anlæg som angivet i krav 7's kendetegnende del, opnår man fuld sikkerhed for, at der ikke opstår dråbedannelser i forbrændingsluften. Vanddråber 5 i forbrændingsluften medfører stød-forbrænding, hvilket er stærkt uønsket. Eventuel tilføring af termisk energi er ikke tab, men indgår fuldstændig i forbrændingsluften og genbruges således fuldt ud.

10 Endelig kan man gå frem som angivet i krav 4's kendetegnende del, f.eks. under anvendelse af et anlæg indrettet som angivet i krav 8's kendetegnende del, idet man herved får optimeret vanddampindholdet i forbrændingsluften og reduceret, eventuelt helt bortskaffet, mængden af kondensat.

15

Opfindelsen forklares herefter nærmere under henvisning til tegningen, idet fig. 1 viser et principdiagram over fremgangsmåden i-20 følge opfindelsen, fig. 2 viser et eksempel på en entalpi-varmeveksler til brug i forbindelse med opfindelsen, 25 fig. 3 viser en første udførelsesform for et anlæg i- følge opfindelsen, og fig. 4 viser en anden udførelsesform for et anlæg ifølge opfindelsen.

30 På fig. 1 ses et principdiagram i form af et flowdiagram over fremgangsmåden over anlægget ifølge opfindelsen. En kedel K, f.eks. en gas- eller oliefyret kedel, afgiver røggas 1, der på sædvanlig og kendt måde passerer en econo-35 mizer A, hvori en del af den termiske energi genvindes på traditionel måde. Fra economizeren A ledes røggassen til en 5 entalpi-varmeveksler D, der senere forklares nærmere i forbindelse med fig. 2. I røggasledningen 2,3 er der anbragt en mellemvarmer B, der f.eks. er en vand/luft- eller luft/ luftvarmeveksler, så røggassen gives en mindre temperatur-5 stigning, så der ikke vil kunne ske nogen kondensering i varmeveksleren D. En eventuel kondensering i varmeveksleren D vil reducere dennes virkningsgrad. I varmeveksleren D fratages røggassen hovedparten af dens termiske energi og hovedparten af dens vanddampindhold, så røggassen herefter 10 kan ledes direkte til en skorsten 5. Eventuelt kan der i røggasledningen 4,5 være anbragt en eftervarmer C, der kan være en luft/luft- eller vand/luftvarmeveksler, så temperaturen i røggassen eventuelt hæves så meget, at der ingen kondensering kan ske i skorstenen 5.

15

For at undgå, at varmeveksleren D tilstoppes af sodpartikler eller lignende i røggassen, hvis kedlen K ikke er en gaskedel, kan der indskydes et filter mellem economizeren A og varmeveksleren, så eventuelle sodpartikler eller lignen-20 de frafiltreres forinden.

Forbrændingsluft, f.eks. i form af almindelig udeluft 6, ledes via varmeveksleren D til kedlens K brænder. I varmeveksleren D opvarmes og befugtes luften, så den endelige 25 forbrændingsluft, der er meget energirig, føres til brænderen i kedlen. På grund af det store vandindhold i forbrændingsluften vil flammerodstemperaturen blive nedsat, og NOx-produktionen vil· blive væsentligt formindsket. Den store vandtilførsel bevirker også, at varmefylden og masse-30 strømmen vil blive noget større end i sædvanlige varmeanlæg, hvilket giver større udnyttelsesgrad på kedlen og frem for alt et betydeligt højere dugpunkt. For at undgå stødbrændinger i brænderen i kedlen kan der være indført en sikkerhedsvarmer E, hvis formål er at sikre mod, at for-35 brændingsluften indeholder vanddråber. Den eventuelle ter miske energi, der anvendes i sikkerhedsvarmeren, overføres 6 fuldstændigt til forbrændingsluften og genvindes således fuldstændigt. 8 angiver den endelige forbrændingsluft, der ledes til brænderen i kedlen K. Sikkerheds varmer en E kan være en vand/luft- eller luft/luftvarmeveksler.

5

Varmeapparaterne B,C og E energiforsynes med kedelvand eller vand fra economizeren, hvis der anvendes vand/luft-varmeveksler, og energiforsynes med røggas, hvis der anvendes luft/luftvarmeveksler.

10 På fig. 2 ses en roterende entalpi-varmeveksler omfattende en motordrevet, roterende varmeveksler-masse i form af en rotor 15. Denne varmeveksler-masse kan være et keramisk materiale eller et andet materiale med lignende virkning, så-15 ledes at det under rotationen optager både termisk energi og vanddamp fra røggassen 3, således at den fraførte røggas 4 er af væsentlig lavere temperatur og med væsentligt lavere absolut vandindhold end den tilledte røggas 3.

20 Udeluften 6 passerer varmevekslerens rotormasse og forlader denne som forbrændingsluft 7, der er energirig, både i form af en hævet temperatur og i form af øget vanddampindhold.

Hele luft/røggas-kredsløbet mellem kedlen og varmeveksleren 25 D foregår således med et væsentligt højere vanddampindhold, hvilket er hovedårsagen til den forøgede mulighed for at opnå maksimale forhold, både med hensyn til energiudnyttelse og reduktion af NOx i skorstensafkastet samt optimerede driftbetingelser for hele anlægget.

30 På fig. 3 ses et anlæg, der er udført således, at varmegen-vindingen sker ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen. En gasfyret kedel K med et gasbrænderaggregat BA er tilkoblet en economizer A og en mellemvarmer B, hvorfra røggassen 35 ledes til en entalpi-varmeveksler D. Inden røggassen ledes til skorstenen 5, opvarmes denne i varmeveksleren C, såle- 7 des at der med sikkerhed fås tør skorsten helt til skorstenens top. Varmeveksleren C er en luft/luftvarmeveksler, der energiforsynes direkte fra røggassen. Forbrændingsluften 6,7,8 tilledes gasbrænderen BA i form af opvarmet luft med 5 stort fugtighedsindhold, således at brænderen BA får lavere flammerodstemperatur, og dermed NOx-dannelse. løvrigt er der på fig. 3 anvendt samme henvisningsbetegnelser som på fig. 1.

10 Fig. 4 viser en anden udføreIsesform for et anlæg ifølge opfindelsen, nemlig et anlæg, hvor der anvendes et antal rekuperative-varmevekslere D]/D2'D3,D4 og Dg.

Røggassen 1 ledes via economizeren A og mellemvarmeren B 15 til de i serie anbragte rekuperative-varmevekslere D1 - Dg, der er sammenkoblet ved kanaler - 9^, og ud i en røggaskanal 7, og via en luft/luftvarmeveksler C til skorstenen 5. Varmeveksleren C er energiforsynet direkte fra røggassen. Kondensat fra røggassen opsamles i en beholder 14, 20 hvorfra det via rørledninger 13 og pumper 12 gennem dyser 11 inddyses i forbrændingsluften, således at der fås en forbrændingsluft 7,8 med meget stort vanddampindhold. Alle varmevekslere er sammenkoblet via kanaler 6^ - 64· Det store vanddampindhold i forbrændingsluften vender tilbage 25 via røggassen 1, og medvirker til en meget stor kondensdannelse, således at ekstrem varmeoverføring fra røggassen til forbrændingsluften kan opnås, så man får en var-megenvinding, der næsten er fuldstændig, således at røggassen til skorstenen 5 er i nærheden af sædvanlig udetem-30 peratur. Mængden af røggas vil totalt set være forøget med tilvæksten af vanddamp, således at røggassens forøgede varmefylde både betyder en større kedelydelse og en større varmegenvinding i genvindingsdelen. Røggassen, der kommer ud af kedlen og føres til economizeren A, har altså et 35 højere dugpunkt, hvilket betyder, at economizeren kan yde væsentligt mere.

δ

EKSEMPEL

En 2,0 MW gaskedel i et varmeanlæg med en kedelvirkningsgrad på 0,92% belastes 100%, d.v.s. anlægget belastes med 5 2,0 MW afgiven effekt.

Kedelanlægget har følgende input: - 120,00°C røggas før ECO (A) - 2579,87 kg/h tør røggas 10 - 52,006C efter ECO (A) - 97,00 g/kg efter ECO (A) - 90,00°C efter forvarmer (B) - 2792,80 kg/h tør luft (primær luft)

- 4,00°C luft før D

15 - 4,00 g/kg før D

- 2000.00 kW afgiven effekt - 0,92% kedelvirkningsgrad - 11815,00 kcal/kg nedre brændværdi - 13120,00 kcal/kg øvre brændværdi 20 - 158,24 kg/h indfyret mængde - 1,05 luftoverskud - 11,33% CO,, Λ - 12,21 Nm /kg tør røggas - 16,30 kg/kg tør røggas 25 - 17,65 kg/kg tør primær luft - 100,00% last Røggassen fra kedlen føres via en economizer (A) til et røggasanlæg, som forklaret i forbindelse med fig. 1 under 30 tre forskellige driftformer benævnt driftform 1,2 og 3. I alle driftformer anvendes samme kedel med samme gasbrænder.

35

Driftform 1: 9

Entalpi-varmeveksleren (D) er frakoblet (fjernet), og der foretages en mindre genopvarmning (B), inden røggassen le-5 des til skorstenen, så der lige netop ikke sker kondensering heri.

Fra varmeanlægget fås følgende output: 10 Pos. °C g/kg kJ/kg kg/h tør kg/h våd 1 120,00 132,66 479,97 2579,87 2922,11 2 52,00 97,00 302,02 2579,87 2830,11 15 3 90,00 97,00 347,49 2579,87 2830,11 4 90,00 97,00 347,49 2579,87 2830,11 5 90,00 97,00 347,49 2579,87 2830,11 6 4,00 4,00 13,94 2792,80 2803,97 7 4,00 4,00 13,94 2792,80 2803,97 20 8 4,00 4,00 13,94 2792,80 2803,97

Element Kapacit. Kondensat Vand ind Vand ud

Nr. kW kg/h °C °C

25 _ A 127,40 91,99 45,00 48,70 B 32,56 0,00 95,00 85,00 C 0,00 0,00 95,00 85,00 30 D 0,00 0,00 0,00 0,00 E 0,00 0,00 95,00 85,00

System virkningsgrad = 99,60 35 Positionsnumre og elementnumre henviser til fig. 1.

Driftform 2: 10

Entalpi-varmeveksleren (D) er tilkoblet (indsat), og der foretages samme genopvarmning efter economizeren som under 5 driftform 1.

Fra varmeanlægget fås følgende output:

Pos. °C g/kg kJ/kg kg/h tør kg/h våd 10 _ 1 120,00 203,13 670,84 2579,87 3103,92 2 52,00 97,00 302,02 2579,87 2830,11 3 90,00 97,00 347,49 2579,87 2830,11 15 4 27,56 26,53 94,74 2579,87 2648,30 5 27,56 26,53 94,74 2579,87 2648,30 6 4,00 4,00 13,94 2792,80 2803,97 7 67,10 69,10 247,43 2792,80 2985,78 8 72,10 69,10 253,13 2792,80 2985,78 20

Element Kapacit. Kondensat Vand ind Vand ud

Nr. kW kg/h °C eC

25 A 264,06 273,80 45,00 48,70 B 32,56 0,00 95,00 85,00 C 0,00 0,00 95,00 85,00 D 180,96 0,00 0,00 0,00 30 E 4,42 0,00 95,00 85,00

System virkningsgrad = 107,93 35 5 11

Driftform 3: I det væsentlige samme driftform som driftform 2, men med en varmeveksler D med lidt større virkningsgrad.

Fra varmeanlægget fås følgende output:

Pos. “C g/kg kJ/kg kg/h tør kg/h våd 10 1 120,00 213,20 698,10 2579,87 3129,89 2 52,00 97,00 302,02 2579,87 2830,11 3 90,00 97,00 347,49 2579,87 2830,11 4 17,28 16,46 58,63 2579,87 2622,33 15 5 17,28 16,46 58,63 2579,87 2622,33 6 4,00 4,00 13,94 2792,80 2803,97 7 74,97 78,40 280,78 2792,80 3011,76 8 74,97 78,40 286,58 2792,80 3011,76 20

Element Kapacit. Kondensat Vand ind Vand ud

Nr. kW kg/h °C °C

25 A 253,58 299,78 45,00 48,70 B 32,56 0,00 95,00 85,00 C 0,00 0,00 95,00 85,00 D 206,81 0,00 0,00 0,00 E 4,50 0,00 95,00 85,00 30

System virkningsgrad = 109,11

De tre driftformer er alle edb-simuleringer udført på et 35 anerkendt edb-program til termiske beregninger og udregning af system virkningsgrad på anlægssystemer af den art, der 12 er vist på tegningens fig. 1.

KONKLUSION: 5 Effektforbedring ved sammenligning mellem driftform 1 og 2:

Virkningsgrad 2 107,93 _ = _ = 1,08 svarende til + 8% 10 Virkningsgrad 1 99,60

Effektforbrug ved sammenligning mellem driftform 1 og 3: Virkningsgrad 3 109,11 15 _ = _ = 1,09 svarende til + 9%

Virkningsgrad 1 99,60

Begge eksempler angiver således en positiv forbedring ved 20 anvendelse af opfindelsen, hvilken forbedring er usædvanlig stor, da der jo er tale om en kontinuerlig forbedring. Få procent forbedret virkningsgrad giver i store varmeanlæg en væsentlig økonomisk besparelse på grund af de høje brændselspriser og energiafgifter. Ved anvendelse af opfindelsen 25 fås ud over brændstofbesparelsen en reduktion i NOx-dannel-sen og sikkerhed mod skorstenskondens.

30 35

Claims (8)

13

1. Fremgangsmåde til optimering af virkningsgraden i et forbrændingsanlæg omfattende en kedel med economizer og et 5 røggasanlæg og til minimering af NOx-dannelsen i røggassen fra forbrændingsanlæg, hvor røggassens varmeindhold anvendes til forvarmning af forbrændingsluften til kedlen ved entalpi-overføring, d.v.s. samtidig overføring af både termisk energi og vanddamp fra røggassen til forbrændingsluf-10 ten, kendetegnet ved, at røggassen forud for entalpi-overføringen tilføres yderligere termisk energi.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at røggassen efter entalpi-overføringen tilføres yder- 15 ligere termisk energi.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at forbrændingsluften efter entalpi-overføringen tilføres yderligere termisk energi. 20

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene ΙΟ, kendetegnet ved, at forbrændingsluften tilføres yderligere vanddamp ved inddysning af vand eller kondensat fra røggassen. 25

5. Anlæg til optimering af virkningsgraden i en kedel (K) med economizer (A) og røggasanlæg og til minimering af NOx-dannelsen i røggassen (5) fra anlægget, idet røggassens (2,3) varmeindhold anvendes til forvarmning af forbræn- 30 dingsluften (8) til kedlen (K) via en eller flere varmevekslere, og hvor mindst én af varmevekslerne (D) er en motordreven, roterende entalpi-varmeveksler, omfattende en rotormasse af et materiale, der både kan optage og afgive termisk energi og vanddamp, f.eks. en keramisk masse med et 35 stort antal gennemgående åbninger, kendetegnet ved, at der i en røggasledning (2,3) foran den første 14 entalpi-varmeveksler (D) er anbragt et apparat (B) for opvarmning af røggassen, fortrinsvis en vand/luftvarmeveksler, der forsynes med kedelvand fra kedlen (K) eller econo-mizeren (A), eller i form af en luft/luftvarmeveksler, der 5 energiforsynes af røggassen fra kedlen.

6. Anlæg ifølge krav 5, kendetegnet ved, at der i en røggasledning (4) efter den sidste entalpi-varme-veksler (D) er anbragt et apparat (C) for opvarmning af 10 røggassen (4,5), f.eks. i form af en vand/luftvarmeveksler, der forsynes med kedelvand fra kedlen (K) eller fra econo-mizeren (A), eller i form af en luf t/luf tvarmeveksler, der energiforsynes af røggassen fra kedlen.

7. Anlæg ifølge krav 5 eller 6, kendetegnet ved, at der i en forbrændingsluftledning (7,8) efter den sidste entalpi-varmeveksler (D) er anbragt et apparat (E) for yderligere opvarmning af forbrændingsluften (8) til kedlen (K), fortrinsvis en vand/luftvarmeveksler, der for-20 synes med kedelvand fra kedlen (K) eller fra economizeren (A) , eller i form af en luft/luftvarmeveksler, der energiforsynes af røggassen fra kedlen.

8. Anlæg ifølge et hvilket som helst af kravene 5-7, 25 kendetegnet ved, at der i forbrændingsluftled-ningen (6,7) er anbragt mindst én dyse (11) for inddysning af vand eller kondensat opsamlet fra røggassen.