NO152660B - Fremgangsmaate for aa utnytte restvarme i en cellulosefabrikk - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å utnytte restvarme i en cellulosefabrikk hvor benyttet kokelut inndampes med damp i flertrinns inndampere samt et anlegg til utførelse av fremgangsmåten.

I en cellulosefabrikk med vidt drevet tilbakevinning, inklusive forbrenning av forbrukt kokelut, samt strømfremstilling i mottrykksturbin, oppnås et betydelig overskudd av varmt vann ved temperaturer i størrelsesordenen 50-60°C.

Det er foreslått at man skulle utnytte dette varmtvann

i fjernvarmedistribusjonsnett, men dette forutsetter tildels en viss geografisk beliggenhet for fabrikken i forhold til tenkte forbrukere og tildels blir rørledningssystemet alltid kostbart. Dessuten er temperaturen på tilgjengelig vann lavere enn normalt ved fjernvarmeanlegg. Endelig er behovet for fjernvarme minst om sommeren når tilgangen på overskuddsvarme i fabrikken er størst.

En stor varmeforbruker i prosessen er inndampningsanlegg for ovennevnte lut,hvilke blir en vesentlig produsent av vann med 50-60°C.

Ønsket om å spare varmeenergi har i lang tid ført til

at fordampningen kan ordnes i flere suksessive trinn. Vanligvis er det fem trinn, men fire eller seks trinn forekommer også. Med en innløpstemperatur på dampen avtappet fra mottrykksturbinen på ca. 140°C fåes en temperarur på det siste trinns lutside i området 55-60°C.

Grensen nedad betinges bl.a. av vanskeligheter med pul-sasjdner som fysisk sett henger sammen med damptrykkurvens forløp og væskesøylehøydene i fordampningsapparatene. Man kan således for inndampningen ikke utnytte temperaturfallet mellom ca. 60°C

og omgivelsenes temperatur. Det varmtvann som produseres ved kondensering av avløpsdampen, bidrar til lavtemperaturoverskuddet i fabrikken.

En dampturbin er egentlig den eneste maskin som kan utnytte rasjonelt varmefallet mellom 60°C og omgivelsestemperaturen. Å la dampen etter inndampningsanleggene passere en vakuumturbin for sluttekspansjon er teoretisk mulig og også riktig, men støter på bestemte praktiske vanskeligheter. Det blir spørsmål om ekstra-ordinært grovdimensjonerte rørledninger og særlig dyre turbiner og dertil kommer risikoen for belegg på turbinskovlene fra de masse-partikler i luften som følger med dampen, samt også problemer med kompresjon av slike ikke kondenserbare gasser som innføres med luten.

Et utbytte av varmefallet ved inndampningen helt ned mot omgivelsestemperaturen kan ifølge oppfinnelsen oppnås på en mer rasjonell måte. Ved hensiktsmessig å arrangere fordampningstrinnene kan sluttenoeraturen i fordampningsanleggene økes til omtrent 100°C.

Et tidligere 5-trinns fordampningsanlegg kan f.eks. anordnes slik at man får to parallelle dampstrømmer gjennom to hhv. tre trinn. Den innkommende tynne lut fordampes i trippeltrinn,mens den således fortykkede lut fordampes'i dobbelttrinn. Avløpsdampen står dermed til rådighet fra 100°C uten at fordampningsgraden på-virkes .

En sådan anordning er mulig innenfor rammen for normalt tilgjengelig utrustning, men man kan hensiktsmessig øke antallet trinn, slik at det fåes to ganger tre sådanne.

Inndampningsanlegget får en økt kapasitet ettersom den høyere middeltemperatur medfører lavere viskositet hos luten.

Det høyere damptrykk fører med seg radikalt reduserte dampvolumer som bør i en slik grad minske risikoen for skumming at den inngående tynne lut sannsynligvis ikke behøver å oppblandes med tykkere lut, som tilfelle er ifølge vanlig praksis for å for-hindre skumming. De derved lavere lutkonsentrasjoner medfører reduserte, ineffektive temperaturfall på grunn av kokepunktforhøy-elser og således en mer effektiv inndampning. Hertil bidrar også at den nevnte sirkulasjon av lut krever en viss del av stasjonens varmeoverføringskapasitet uten dermed å bevirke noen vannavdamp-ning.

Ved direkte ekspansjon i en dampturbin vil ledningsdi-mensjonene visselig reduseres påtagelig sammenlignet med hva til-fellet ble om man gikk ut fra 60° damp, men det er fremdeles tale om store dampvolumer,- hvilket innebærer problemer på regulerings-siden. Vanskelighet med kompresjon av ikke kondenserbare gasser står igjen hvis man anvender flatekondensator, og man risikerer miljøpåvirkning hvis man anvender blandingskondensator. Fare for belegg fra luten må også tas med i betraktningen.

Her åpner det seg imidlertid en mulighet for etter var-meveksling å drive turbinen med et annet medium enn vanndamp. Tenkbare medier er ammoniakk, vanlige kjølemedier - type F12 (fluorsubstituert hydrokarbon, diklorfluormetan CF2CI2, e.l.).

Fordelene med disse arbeidsmedier er at turbinens dimensjoner kan reduseres betydelig, at rimelige innløp og konvensjo-nelle styreventiler kan komme på tale, og at rørledninger av rimelige dimensjoner kan transportere det fordampede fluidum til et hensiktsmessig sted innen fabrikken, hvor angjeldende turbin best kan plasseres, f.eks. av hensyn til kjølevannsbehovet. En betydelig fordel er også at ikke kondenserbare gasser fra fordampningen kan separeres ved atmosfærisk trykk eller i nærheten av dette og uten større merarbeide kan pumpes til en destruksjonsovn.

Som en sammenligning kan nevnes at for et visst, gjen-nomregnet tilfelle resulterte 51 m 3/sek. vanndamp ved et trykk på 0,9 bar og en temperatur på 97°C ved innløpet til turbinen i en strøm på ca. 1000 m<3>/sek. ved et trykk på 0,04 bar med tilsvarende metningstemperatur 29°C ved utløpet fra turbinen. Tilsvarende verdier for F12 hhv. ammoniakk blir ved innløpet 29 hhv. 53,5 bar ved i begge tilfelle 93°C og ved utløpet 7 hhv. 11 bar ved metningstemperatur på 29°C. Strømningsmengdene blir ved innløpet 2,3 hhv. 1,3 m 3 /sek. og ved utløpet 10,6 hhv. 5,8 m 3/sek.

De senere verdier viser klart hvilke vesentlige gevin-ster med hensyn til rørutlegning, plassbehov for turbiner og re-guleringsmuligheter som kan oppnås ved de her aktuelle temperaturer å anvende et medium som ved høyere trykk, men samme temperatur har betydelig mindre spesifikt volum enn vanndamp.

I samsvar med oppfinnelsen foreslåes nå at lutinndamp-ningen drives i et antall trinn som på dampsiden kan være koblet såvel flere i serie som flere serier parallelt, og at avløpsdam-pen fra disse kondenseres i varmevekslere under avkoking av et fluidum, hvis volum i dampform for tilsvarende varmemengde og ved det trykk og den noe lavere temperatur som er betinget av den for varmeovergangen nødvendige temperaturdifferanse, er påtagelig mindre enn vanndampens.

Oppfinnelsens karakteristiske trekk fremgår av patent-kravene som er rettet mot en fremgangsmåte og et anlegg.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor ved hjelp av et eksempel og under henvisning til tegningen som viser skjematisk et fordampningsanlegg samt et turbinanlegg drevet med et fluidum som fordampes ved varmeoverføring fra fordampningsanleg-gets avløpsdamp.

Øverst på tegningen vises et fordampningsanlegg omfat-tende seks fordampningstrinn 10-15 anordnet i to grupper med tre trinn i hver. Damp med metningstemperatur på omtrent 140°C tas ut på et hensiktsmessig sted i fremstillingsprosessen og føres gjennom en ledning 16 til trinnene 10 og 13.

Dampen kondenseres i trinnene under avdrivning av damp fra luten og denne sekundærdamp føres gjennom forbindelsesledninger 17 til etterfølgende fordampningstrinn 11 hhv.14 og siden videre til 12 hhv. 15. Kondensvannet fra fordampningstrinnene samles i ledninger 18 hhv. 19.

Tynnlut tilføres gjennom en ledning 20 til fordampnings- „ trinnet 15 og føres gjennom forbindelsesledninger 21 til trinnene 14 og 13 og derfra gjennom en overledning 22 til fordampnings-trinnet 12 og derfra videre gjennom trinnene 11 og 10 for fordam-pet i ønsket grad å forlate det siste trinn gjennom en ledning 23.

Avløpsdampen fra de siste fordampningstrinn 12 og 15 i hver rekke føres gjennom en ledning 24 til kondensatordelen 25a i en varmeveksler 25.

Det viste inndampningsanlegg er bare et eksempel blant mange anlegg som kan tenkes og en-fagmann vil lett innse hvilke endringer angående antall og type av trinn som behøver å gjøres for å tilfredsstille behovet ved et visst fabrikkanlegg. Koblingen på lutsiden mellom inndampningstrinnene kan om det finnes hensikts-messigå utføres på annen måte enn vist. Det vesentlige er at man med vesentlig samme utgangstemperatur på den tilførte damp som i et konvensjonelt anlegg med samme grad av inndampning får en metningstemperatur på avløpsdampen som er høyere enn hva man vanligvis arbeider med, nemlig ca. 100°C, fortrinnsvis omtrent 70°C istedenfor 50 a 60°C

Varmeveksleren 25 kan være av vilkårlig kjent type og omfatter en kondensatordel 25a og en evaporatordel 25b. Konden-satet fra delen 25a ledes gjennom en ledning 26 for eventuell be-handling i fabrikken. Ikke kondenserbare gasser som følger med. dampen, samles og kjøles i en anordning 27 og overføres gjennom en ledning 28 til en destruksjonsovn eller évakueringsskorsten.

Evaporatordelen 25b inngår i et lukket system som arbeider med et fluidum som i damptilstand, for tilsvarende varmemengde og ved det trykk og-den temperatur somer aktuelle, har påtagelig mindre volum enn avløpsdampen.

Hensiktsmessige fluider er f.eks. ammoniakk eller kjøle-fluidum av typen F12. Sammenlignende data for disse fluider hhv.

vanndamp er gitt ovenfor i beskrivelsen

Den i 25b avkokede damp føres til en turbin 29 som driver en elektrisk generator 30. Med hensyn til de ovenfor gitte opp-gaver angående volumer og trykk er det helt åpenbart at både turbinen og ledningssystemet får vesentlig mindre dimensjoner enn om man skulle ha ført avløpsdampen fra inndampningstrinnene gjennom ledningen 24 til en vakuumdampturbin.

Avløpsdampen fra turbinen 29 føres gjennom en ledning

31 til en kondensator 32 som inneholder atskilte deler for det kondenserende fluidum og for kjølevæsken 32a hhv. 32b. Kjølingen i den sistnevnte del skjer under utnyttelse av laveste rimelige omgivelsestemperatur.

Fra'32a føres det kondenserte fluidum gjennom en ledning 33 tilbake til varmeveksleren 25, og en pumpe 34 øker fluidets trykk til hva som er hensiktsmessig for avkokning i varmeveksler-delen 25b. Ved beregning av anleggets virkningsgrad må man huske på at matepumpearbeidet i det her aktuelle tilfelle blir større enn ved et konvensjonelt dampanlegg.

Fluiddampturbinen 2 9 kan på vanlig måte utstyres med et eller flere organer 35 for avtapning av damp, f.eks. for å oppvar-me fluidets væskefase i en eller flere varmeinnretninger 36 mellom pumpen 34 og varmeveksleren 25, eller til andre oppvarmings-behov i fabrikken.

Det kan i endel tilfelle være aktuelt også å utnytte annen restvarme i fabrikken, f.eks. fra terpentinkjøling, nedgas-sing o.l. Man anordner da en annen varmeveksler 37, hvor man i en del 37a utnytter denne restvarme for i en annen del 37b å til-veiebringe fordampning av en viss del av systemfluidet.

Delen 37b er således koblet parallelt med delen 25b og hører med til turbinen 29 og kondensatoren 32. Denne gren av sir-kulasjonssystemet kan eventuelt forsynes med egen pumpe.

Det foreslåtte anlegg gjør det mulig helt å eliminere overskuddet av lavverdig varmeenergi og å øke betydelig mulighe-tene for produksjon av elektrisk strøm. Om det skulle oppstå overskudd av dette, kan elektrisk kraft leveres til høyspennings-nettet gjennom fabrikkens normale forbindelseslinjer fra dette nett.

For å møte ulike behov i et komplisert fabrikkanlegg kan det være hensiktsmessig å modifisere eller komplettere det ovenfor skjematisk beskrevne system. Overvåkings- og kontrollut-styr er ikke vist, men anordning av slike likesom også de modifi-kasjoner som kan være hensiktsmessige innenfor patentkravenes ramme, ligger innenfor fagmannens kompetanseområde.

I forbindelse med omtalen av den tidligere kjente teknikk kan det også nevnes at det f.eks. fra US-patentskrift 4 033 141 er et system tidligere kjent som kan brukes til økning av temperaturen på spillvarme, f.eks. fra papir- og masseindustri, under oppoffring av en del av spillvarmen i en varmepumpe. I britisk

patentskrift 397 755 er en prosess beskrevet med mottrykks- og kondensasjonsturbiner med avtapping til varmeforbrukere til dels fra høytrykksledningen og til dels fra mottrykksledningen, hvor eventuell overskuddsdamp går til en kondensasjonsturbin. Bare primærvarmen fra dampkjelen benyttes i prosessen.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for å utnytte restvarme i en cellulosefabrikk hvor benyttet kokelut inndampes med damp i flertrinns-inndampere, karakterisert ved at det på dampsiden anordnes inndampningstrinn (10-15) i serie på en slik måte, eventuelt ved å koble trinn eller grupper av trinn parallelt, at avløpsdampen etter de siste trinn (12, 15) holder et met-ningstrykk like under atmosfæretrykket og en metningstemperatur i størrelsesorden 100°C, at avløpsdampen kondenseres i en varmeveksler (25) under avkoking av et fluidum, hvis volum i dampform, som oppnås med den varmemengde som kan utvinnes fra avløpsdampen, og ved den noe lavere temperatur som er betinget av den for varmeovergangen nødvendige temperaturdifferanse, er påtagelig mindre enn avløpsdampens, og at dampen fra det avkokte fluidum ekspanderes i en turbin (29) i en forøvrig konvensjonell damp-kraftprosess under utvinning av mekanisk arbeide, deretter kondenseres i en kondensator (32) og etter pumping til nødven-dig trykk tilbakeføres til fornyet avkoking i varmeveksleren (25).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fluiddamp tappes (ved 35) fra turbinen (29) for forvarming av det kondenserte fluidum og/eller for andre varme-behov.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at ammoniakk eller annet hensiktsmessig organisk fluidum benyttes som fluidum.

4. Anlegg til utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, for å utnytte restvarme ved en cellulosefabrikk, karakterisert ved at det omfatter et antall inndampningstrinn (10-15) koblet på en slik måte, eventuelt ved anordning av flere trinn eller grupper av trinn parallelt, at avløpsdampen fra det eller de siste trinn holder et metnings-trykk like under atmosfæretrykket og en metningstemperatur i størrelsesorden 100°C, en varmeveksler (25) for kondensering av avløpsdampen fra inndampningstrinnene under avkoking av et fluidum, som for tilsvarende varmemengde ved den aktuelle varmevekslingstemperatur har et påtagelig mindre volum enn avløpsdampen, en turbin (29) for ekspansjon av fluidumdampen, en kondensator (32) for kondensering av avløpsdampen fra turbinen, samt en pumpe (34) for økning av trykket på det kondenserte fluidum til et for tilbakeføring til varmeveksleren (25) hensiktsmessig trykk.

5. Anlegg ifølge krav 4, karakterisert ved organer (35) for avtapping av ikke fullstendig ekspandert fluiddamp fra turbinen og for overføring av denne fluiddamp til en forvarmer (36) anordnet mellom pumpen (34) og varmeveksleren (25) .

6. Anlegg ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at det omfatter en ytterligere varmeveksler (37) hvis kondenseringsdel (37a) er tilkoblet en annen restvarmekilde i fabrikken, og hvis fordamperdel (3 7b) arbeider med samme fluidum som den første varmeveksler (25) og er koblet parallelt med det første system når det gjelder fluidstrømning gjennom turbinen (29) og kondensatoren (32).