NO852859L

NO852859L - PROCEDURE AND DEVICE FOR USE OF CONDENSATION HEAT FROM WATER CONTENT IN SMOKE GAS.

Info

Publication number: NO852859L
Application number: NO852859A
Authority: NO
Inventors: Niels Edmund Guldbaek Kaiser
Original assignee: Krueger As I
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1985-07-17
Publication date: 1986-01-21
Also published as: DK355184A; EP0172660A3; DK355184D0; EP0172660A2

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til utvinning av kondensvarme fra vanninnhold i røkgasser fra et fjernvarmeanleggs kjeler, ved hvilken en dampdrevet varmepumpe benyttes til overføring av røkgassens varmeinnhold til fjernvarmeanleggets returvann før dette føres tilbake i kjelene. The present invention relates to a method for extracting condensation heat from the water content of flue gases from a district heating plant's boilers, in which a steam-driven heat pump is used to transfer the heat content of the flue gas to the district heating plant's return water before it is fed back into the boilers.

De varmemengder som kan gjenvinnes fra røkgassen i form av kondensvarme er av størrelsesorden 5-6% av brennverdien av oljefyring og 12-13% av brennverdien ved fyring med metangass. Til denne varmemengde kommer varme-energien av den energimengde som tilføres varmepumpen. Denne energimengde avhenger først og fremst av varme-pumpens energifaktor, som ved en mekanisk drevet varmepumpe kan nå opp i verdier på mellom 3 og 4 ved de fore-kommende temperaturer og ved temperatursprang på mellom 20°C og 50°C. Ved større temperatursprang kan man på bekostning av en lavere energifaktor utnytte en større del av kondensvarmen i røkgassens vanninnhold og omvendt. Det er imidlertid alltid nødvendig fra varmepumpen å The amounts of heat that can be recovered from the flue gas in the form of condensation heat are of the order of 5-6% of the calorific value of oil firing and 12-13% of the calorific value of firing with methane gas. To this amount of heat comes the heat energy from the amount of energy supplied to the heat pump. This amount of energy depends primarily on the heat pump's energy factor, which with a mechanically driven heat pump can reach values of between 3 and 4 at the prevailing temperatures and at temperature jumps of between 20°C and 50°C. At the expense of a lower energy factor, a larger part of the condensation heat in the water content of the flue gas can be utilized in the event of a larger temperature jump, and vice versa. However, it is always necessary from the heat pump to

råde over en avgangstemperatur som er minst 10°C høyere enn temperaturen på det returvann som skal oppvarmes. have a discharge temperature that is at least 10°C higher than the temperature of the return water to be heated.

Hvis varmepumpen drives ved hjelp av en utenfra tilført elektrisk energi, stiger varmetilførelsen til returvannet avhengig av returvannets temperatur med 30 til 50% av den gjenvundne varmemengde. Det vil si at det resulterende temperaturstigning i returvannet vil utgjøre opptil 18% av den totale temperaturstigning mellom returvannet og innløpsvannet i fjernvarmeanlegget. Da imidlertid elektrisk energi er vesentlig dyrere enn energi fra det brensel som benyttes i fjernvarmeanleggets kjeler, er detønskelig at drivenergien til varmepumpen kommer fra an-leggets kjeler, idet all spillvarme utnyttes tapsfritt. Dampenergien lar seg imidlertid ikke utnytte med samme energifaktor som elektrisk energi, hvorved varmetil- førselen til returvannet økes i forhold til den gjenvundne varmemengden. Da den økte varmetilførsel til returvannet nødvendiggjør høyere avleveringstemperatur for den konverterte varmen og dermed utløser større energibehov i varmepumpen, kan det ved slike anlegg frem-komme problemer med utnyttelse av kondensvarme. If the heat pump is operated using externally supplied electrical energy, the heat input to the return water rises, depending on the temperature of the return water, by 30 to 50% of the recovered heat quantity. This means that the resulting temperature rise in the return water will amount to up to 18% of the total temperature rise between the return water and the inlet water in the district heating system. Since, however, electrical energy is significantly more expensive than energy from the fuel used in the district heating plant's boilers, it is desirable that the drive energy for the heat pump comes from the plant's boilers, as all waste heat is utilized loss-free. However, the steam energy cannot be utilized with the same energy factor as electrical energy, whereby the heat supply to the return water is increased in relation to the amount of heat recovered. As the increased heat supply to the return water necessitates a higher delivery temperature for the converted heat and thus triggers greater energy demand in the heat pump, problems with the utilization of condensation heat can arise in such systems.

Hensikten med oppfinnelsen er å minske disse problemene. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at fremgangsmåten erkarakterisert veddet i den kjennetegnende delen av krav 1 angitte. The purpose of the invention is to reduce these problems. This is achieved according to the invention in that the method is characterized by the characterizing part of claim 1.

I det temperaturområde hvor varmepumpefunksjonen skal foregå, supplerer kompressorvarmepumpetrinnet og damp-strålekompressortrinnet på overraskende gunstig måte hverandre, idet det største temperatursprang besørges ved hjelp av kompressorvarmen, mens det annet trinn, hvor temperaturspranget er mindre, besørges av den i etabler-ingsomkostninger gunstigere dampstrålekompressor. Da dampekspansjonsmaskinen kan drives som mottrykksmaskin, kan den mekaniske del av varmepumpen utformes kompakt. Ettersom begge trinn i varmepumpearrangementet utnyttes In the temperature range where the heat pump function is to take place, the compressor heat pump stage and the steam jet compressor stage complement each other in a surprisingly favorable way, as the largest temperature jump is provided by means of the compressor heat, while the second stage, where the temperature jump is smaller, is provided by the steam jet compressor, which is more favorable in terms of establishment costs. As the steam expansion machine can be operated as a back pressure machine, the mechanical part of the heat pump can be designed compactly. As both stages of the heat pump arrangement are utilized

i områder hvor de fungerer effektivt, oppnås det en god virkningsgrad, hvorved det kan påregnes en moderat energi-tilførsel fra den kondenserte drivdampen og en moderat avlevringstemperatur for den gjenvundne varmemengden. in areas where they work effectively, a good degree of efficiency is achieved, whereby a moderate energy supply from the condensed drive steam and a moderate delivery temperature for the recovered amount of heat can be expected.

Ifølge en spesiell utforming i henhold til oppfinnelsen utnyttes avløpsdampen fra første trinn i det minste delvis til drift av det andre trinn, hvorved en særskilt kondensator til første trinn kan elimineres. According to a special design according to the invention, the waste steam from the first stage is at least partially utilized for the operation of the second stage, whereby a separate condenser for the first stage can be eliminated.

I henhold til en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen er de to trinnene plassert parallelt, idet et varmebærende medium som opptar kondensvarmen i røk-gassen først føres gjennom annet varmepumpetrinns for damper, og returvannet først føres gjennom første varmepumpetrinns kondensator. Med dette arrangement unngås det at varmeenergi som er pumpet opp i det ene trinn, pumpes ytterligere opp i det annet trinn. According to a preferred embodiment of the invention, the two stages are placed in parallel, with a heat-carrying medium that absorbs the condensation heat in the flue gas first being passed through the second heat pump stage for steam, and the return water first being passed through the first heat pump stage condenser. With this arrangement, it is avoided that heat energy that has been pumped up in one stage is further pumped up in the second stage.

Ifølge oppfinnelsen er det hensiktsmessig at første trinn bringes til å arbeide i et større temperaturintervall, idet proporsjoneringen mellom de to trinn reguleres via varmevekslertemperaturen til annet trinns fordamper, på en slik måte at dampstrålekompressoren utnytter spilldampen fra første trinn. Det er derved mulig mellom de to trinn å oppnå den balanse, der noe mer enn halvdelen av temperaturintervallet bæres av første trinn, og hvor dampens energi utnyttes fullt ut. According to the invention, it is appropriate that the first stage is brought to work in a larger temperature interval, the proportioning between the two stages being regulated via the heat exchanger temperature of the second stage evaporator, in such a way that the steam jet compressor utilizes the waste steam from the first stage. It is thereby possible between the two stages to achieve the balance, where slightly more than half of the temperature interval is carried by the first stage, and where the steam's energy is fully utilized.

Oppfinnelsen omfatter også en innretning til utøvelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Innretningen ved fjernvarmeanlegg til utvinning av kondensvarme fra vanninnhold i røkgasser fra fjernvarmeanleggets kjeler, hvor en dampdrevet varmepumpe overfører røkgassenes varmeinnhold til fjernvarmeanleggets returvann, før dette føres tilbake til kjelene, er ifølge oppfinnelsenkarakterisert vedat varmepumpen har to trinn, hvor første trinn omfatter et dampekspansjonstrinn som driver en kompressorvarmepumpe, og annet trinn en dampstrålekompressor, idet dampavgangen fra første trinn eventuelt er forbundet med innløpet til det andre trinnet. The invention also includes a device for carrying out the method according to the invention. The device at a district heating plant for extracting condensation heat from the water content of flue gases from the district heating plant's boilers, where a steam-driven heat pump transfers the heat content of the flue gases to the district heating plant's return water, before this is fed back to the boilers, is characterized according to the invention in that the heat pump has two stages, where the first stage comprises a steam expansion stage that drives a compressor heat pump, and the second stage a steam jet compressor, the steam outlet from the first stage possibly being connected to the inlet to the second stage.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere med henvisning til tegningen, som skjematisk viser et fjernvarmekjeleanlegg ved hvilket kondensvarmen i røkgassen blir utnyttet. In the following, the invention will be described in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a district heating boiler system in which the heat of condensation in the flue gas is utilised.

Det på tegningen skjematisk viste fjernvarmekjeleanlegg med et fra fjernvarmeanleggets kjeler dampdrevet røk-kjøleanlegg omfatter en vannoppvarmingskjeie 1, som er vist med en innebygget dampgenerator 2. Dampgeneratoren kan imidlertid også være atskilt fra vannoppvarmingskjelen og være forsynt med sitt eget fyrsted. Kjelen 1 avleverer oppvarmet innløpsvann til et forbrukerkrets-løp 3. Fra kjelen 1 leder et røkgassuttak 4 gjennom et ikke vist economiseranlegg, hvorved forbrenningsluften oppvarmes under tilsvarende avkjøling av røkgassene, til to eller flere røkgasscrubbere 5 og 6. The district heating boiler system shown schematically in the drawing with a smoke cooling system powered by steam from the district heating system's boilers comprises a water heating boiler 1, which is shown with a built-in steam generator 2. However, the steam generator can also be separate from the water heating boiler and be provided with its own boiler. Boiler 1 delivers heated inlet water to a consumer circuit 3. From boiler 1, a flue gas outlet 4 leads through an economizer system (not shown), whereby the combustion air is heated while corresponding cooling of the flue gases, to two or more flue gas scrubbers 5 and 6.

Den første scrubberen 5 mottar røkgass ved en temperatur på ca. 60°C og avleverer røkgassen til scrubberen 6 med en temperatur omkring røkgassens duggpunkt 40-45°C. Hver scrubber har et sirkulasjonskretsløp for scrubberoppløs-ning som kan være en vanndig oppløsning av ammonium-sulfit-bisulfit. Ved hjelp av en varmeveksler 7 avkjøler den utgående scrubberoppløsning fr.a scrubberen 6 den sirkulerende oppløsning i scrubberen 5. Den således ekstra oppvarmede scrubberoppløsningen fra scrubberen 6 føres deretter gjennom den til en annen varmepumpe 9 hørende fordamper 8 og deretter gjennom den til en første varmepumpe 10 hørende fordamper 11, før den ved hjelp av et dysearrangement 12 i avkjølt stand fordeles ut over scrubberens fylling med reaksjonslegemer 13. I scrubberne 5 og 6 møter den oppoverstigende røkgassen i motstrøm den nedovergående, avkjølte scrubbervæsken som ved scrubberens bunn vil være i tilnærmet likevekt om-krings dennes duggpunkt. The first scrubber 5 receives flue gas at a temperature of approx. 60°C and delivers the flue gas to the scrubber 6 at a temperature around the dew point of the flue gas 40-45°C. Each scrubber has a circulation circuit for scrubber solution which can be an aqueous solution of ammonium-sulphite-bisulphite. By means of a heat exchanger 7, the outgoing scrubber solution from the scrubber 6 cools the circulating solution in the scrubber 5. The thus extra heated scrubber solution from the scrubber 6 is then passed through the evaporator 8 belonging to another heat pump 9 and then through it to a first heat pump 10 hearing evaporator 11, before it is distributed by means of a nozzle arrangement 12 in a cooled state over the scrubber's filling with reaction bodies 13. In the scrubbers 5 and 6, the rising flue gas meets the descending, cooled scrubber liquid which will be in approximate equilibrium at the bottom of the scrubber around its dew point.

Den første varmepumpen 11 drives ved hjelp av en dampekspansjonsmaskin 14, f.eks. en stempeldampmaskin eller en turbin, som avleverer sin spilldamp til videre ekspansjon i en dampstrålekompressor 15 i den andre varmepumpe 9 eller til kondensering i en av returvannet kjølt kondensator 18. The first heat pump 11 is operated by means of a steam expansion machine 14, e.g. a piston steam engine or a turbine, which delivers its waste steam for further expansion in a steam jet compressor 15 in the second heat pump 9 or for condensation in a condenser 18 cooled by the return water.

Til kjøling av de to varmepumpenes 9,11 kondensatorer 16 og 17 ledes returvann fra fjernvarmenettet først gjennom kondensatoren 16 og deretter gjennom kondensatoren 17 til dampstrålepumpen 9 før det til sluttoppvarming ledes til vannoppvarmingskjelen. Der er muligheten for å be-nytte sirkulasjonsvannet som det varmeoverførende medium 1 dampstrålevarmepumpen 9, idet det derved samtidig kan skje en utlufting av eventuell luft som måtte være opp-løst i sirkulasjonsvannet. En slik utlufting kan medvirke til å redusere tæring i forbrukskretsløpets rørnett. To cool the condensers 16 and 17 of the two heat pumps 9,11, return water from the district heating network is led first through the condenser 16 and then through the condenser 17 to the steam jet pump 9 before it is led to the water heating boiler for final heating. There is the possibility of using the circulating water as the heat-transferring medium 1, the steam jet heat pump 9, since any air that may have been dissolved in the circulating water can thereby be vented at the same time. Such venting can help to reduce corrosion in the pipe network of the consumption circuit.

Ved hjelp av dampen som er fremstilt enten i en separat dampkjele eller ved hjelp av det i kjelens 1 innløps-kasse innebygde rørarrangement 2, skaffes det drivkraft til drift av varmepumpearrangementet. Drivdampen leveres ved ca. 15 bar og med en moderat overoppehting. Dampekspansjonsmaskinen 11 arbeider i trykkområdet 15 bar til 2 bar, og det anslås et forbruk på. 20 kg damp pr. produsert kw til kompressoren i den mekaniske varmepumpen. Den avleverte spilldamp ved 2 bar føres videre til dampstrålevarmepumpen 9. With the help of the steam that is produced either in a separate steam boiler or with the help of the pipe arrangement 2 built into the boiler's 1 inlet box, driving force is provided to operate the heat pump arrangement. The propellant steam is delivered at approx. 15 bar and with a moderate superheat. The steam expansion machine 11 works in the pressure range 15 bar to 2 bar, and a consumption of 20 kg of steam per produced kw for the compressor in the mechanical heat pump. The delivered waste steam at 2 bar is passed on to the steam jet heat pump 9.

Den mekaniske varmepumpen arbeider i temperaturområdet 20°C til 70°C med en energifaktor på 3,25, hvilket krever en damptilførsel på 5,33 kg pr. kg kondensvånn (dampfaktor y = 5,33). The mechanical heat pump works in the temperature range 20°C to 70°C with an energy factor of 3.25, which requires a steam supply of 5.33 kg per kg condensed water (steam factor y = 5.33).

Dampstrålevarmepumpen arbeider i temperaturområdet 35°C til 70°C og krever en dampfaktor på 7,22. The steam jet heat pump works in the temperature range 35°C to 70°C and requires a steam factor of 7.22.

For å oppnå balanse i utnyttelsen av dampen skal 58%To achieve a balance in the utilization of the steam, 58%

av kondenskjølingen skje i den dampmaskindrevne varmepumpen, mens 42% av kondenskjølingen skal foregå i den dampstråledrevne varmepumpen. Det resulterende dampforbruk blir derved 3,1 kg damp pr. kg vanndamp konden-sert fra røkgassen. Den tilstrebede balansen oppnås ved en kondenstemperaturgrense i røkgassen på 38,5°C under forutsetning av at duggpunktet i den tilførte røkgassen of the condensation cooling takes place in the steam engine-driven heat pump, while 42% of the condensation cooling must take place in the steam jet-driven heat pump. The resulting steam consumption is therefore 3.1 kg of steam per kg of water vapor condensed from the flue gas. The desired balance is achieved by a condensation temperature limit in the flue gas of 38.5°C, on the condition that the dew point in the supplied flue gas

er 45°C. Ved utnyttelse av kondensvarmen i en røkgass med et duggpunkt på 60°C (ved forbrenning av metangass) skal kondenstemperaturgrensen flyttes vesentlig opp, hvilket gjør det mulig med dampstråleaggregatet å is 45°C. When utilizing the heat of condensation in a flue gas with a dew point of 60°C (when burning methane gas), the condensation temperature limit must be moved up significantly, which makes it possible with the steam jet unit to

arbeide i temperaturområdet 40°C - 70°C, hvorved damp-faktoren reduseres fra 7,22 til 4,64. Heretter oppnås det balanse i dampforbrukene når den dampmaskindrevne varmepumpe utfører 46,8% av kondenseringsarbeidet, idet 53% av kondenseringsarbeidet overlates til dampstråleaggregatet. Den kritiske kondenstemperaturgrense er 4 6°C, hvilket innebærer at dampstråleaggregatet med samme differenstemperatur kan arbeide med en bunn-temperatur på f.eks. 45°C og en avleveringstemperatur på 75°C. Systemets resulterende dampforbruk i forhold til kondensmengden kan derved reduseres til en dampfaktor på 2,5. work in the temperature range 40°C - 70°C, whereby the steam factor is reduced from 7.22 to 4.64. Thereafter, a balance is achieved in the steam consumption when the steam engine-driven heat pump performs 46.8% of the condensing work, with 53% of the condensing work being left to the steam jet unit. The critical condensation temperature limit is 4 6°C, which means that the steam jet unit with the same differential temperature can work with a bottom temperature of e.g. 45°C and a delivery temperature of 75°C. The system's resulting steam consumption in relation to the amount of condensation can thereby be reduced to a steam factor of 2.5.

Beregnet eksempel 1Calculated example 1

I et oljefyrt fjernvarmeanlegg er returvanntemperaturen 60°C og innløpstemperaturen 90°C motsvarende en oppvarming i kjeleanlegget på 30°C. In an oil-fired district heating system, the return water temperature is 60°C and the inlet temperature is 90°C, corresponding to a heating in the boiler system of 30°C.

Ved en kondenstemperatur på 20°C kan det kondenseresAt a condensation temperature of 20°C, it can condense

76% av den totale vannmengden i røkgassen eller 0,99 kg vann pr. 10.000 kcal (ca. 1 kg olje), og derved innvinnes i forhold til forbrenningsvarmen ytterligere 5,94% varme. 76% of the total amount of water in the flue gas or 0.99 kg of water per 10,000 kcal (approx. 1 kg of oil), and thereby an additional 5.94% heat is recovered in relation to the heat of combustion.

Med en dampfaktor på 3,1 motsvarer varmemengden, som tilføres returvannet 18,41% av brennstofforbrukets varmeekvivalent, og den samlede varmemengde som tilføres returvannet blir 24,35% av brennstofforbrukets varmeavgivelse. Den fra varmepumpeanlegget kommende del av den varmemengde som utgår fra fjernvarmeanlegget er 22,99% eller 6,9°C av den totale oppvarming på 30°C. With a steam factor of 3.1, the amount of heat supplied to the return water corresponds to 18.41% of the heat equivalent of the fuel consumption, and the total amount of heat supplied to the return water is 24.35% of the heat output of the fuel consumption. The part of the heat coming from the heat pump system that comes from the district heating system is 22.99% or 6.9°C of the total heating of 30°C.

Beregnet eksempel 2Calculated example 2

I et metangassfyrt fjernvarmeanlegg kan det med en 20°C kondenstemperatur kondenseres 88% av den totale vann-mengde, som med metanrøkgass er ca. dobbelt så stor som ved oljerøkgass, og som er 2,29 kg vann pr. 10.000 kcal. Herved innvinnes i forhold til forbrenningsvarmen ytterligere 13,74% varme. In a methane gas-fired district heating system, with a condensation temperature of 20°C, 88% of the total amount of water can be condensed, which with methane flue gas is approx. twice as large as with oil flue gas, which is 2.29 kg of water per 10,000 kcal. In this way, a further 13.74% of heat is recovered in relation to the heat of combustion.

Med en dampfaktor på 2,5 motsvarer mengden som fra den kondenserte damp tilføres returvannet 34,35% av brenn-stoff orbrukets varmeekvivalent, og den samlede varmemengde som tilføres returvannet blir 48,12% av brenn-stoffets varmeavgivelse. Den fra varmepumpen kommende del av varmemengden som utgår fra fjernvarmeanlegget er 42,28% av den totale varmemengde, motsvarende 12,7°C av den totale oppvarming på 30°C...Den største andelen av oppvarmingen av fjernvarmevannet medfører at temperaturen i varmepumpeanleggets varmekjeler vil stige til maksimalt 72,7°C, hvoretter det vil bli nødvendig at den del av varmepumpen (dampstråledelen), som arbeider ved de høyeste temperaturer, disponeres til en avgangstemperatur på ca. 75°C og en innløpstemperatur på 45°C. With a steam factor of 2.5, the amount supplied to the return water from the condensed steam corresponds to 34.35% of the heat equivalent of the fuel or mill, and the total amount of heat supplied to the return water is 48.12% of the fuel's heat output. The part of the heat coming from the heat pump that comes from the district heating system is 42.28% of the total heat, corresponding to 12.7°C of the total heating of 30°C... The largest part of the heating of the district heating water means that the temperature in the heat pump system heating boilers will rise to a maximum of 72.7°C, after which it will be necessary for the part of the heat pump (steam jet part), which works at the highest temperatures, to be set to a discharge temperature of approx. 75°C and an inlet temperature of 45°C.

Claims

1. Method for extracting heat of condensation from the water content of flue gases from a district heating plant's boilers (1), in which a steam-driven heat pump is used to transfer the heat content of the flue gas to the district heating plant's return water before this is fed back into the boilers, characterized in that the heat pump (9, 11) has two stages, where waste steam from the first stage (11) is used to operate the second stage (9), the first stage, which operates at a lower temperature than the second stage, comprises a compressor heat pump driven by a steam expansion machine (14) (10) and the second stage a steam jet compressor (15).

2. Method according to claim 1, characterized in that the waste steam from the first stage is at least partly used for operation of the second stage.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the two stages are placed in parallel, a heat-carrying medium which absorbs the condensation heat in the flue gas is first passed through the second heat pump stage evaporator, and the return water is first passed through the first heat pump stage condenser.

4. Method according to claim 1,2 or 3, characterized in that the first stage is brought to work in a larger temperature interval than the second stage, the proportioning between the two stages being regulated via the heat exchanger temperature of the second stage evaporator, in such a way that the vapor jet compressor utilizes the game steam from the first stage.

5. Device at a district heating plant for the extraction of condensation heat from other content in flue gases from the district heating plant's boilers, where a steam-driven heat pump transfers the heat content of the flue gases to the district heating plant's return water, before this is fed back into the boilers, characterized by the heat pump having two stages, where the first stage comprises a steam expansion machine (14) which drives a compressor heat pump (11), and a second stage a steam jet compressor (15), the steam outlet from the first stage being connected to the inlet to the second stage.