SE416673B

SE416673B - Method and device for recovering residual heat from combustion gases as well as cleaning of same

Info

Publication number: SE416673B
Application number: SE7903078A
Authority: SE
Inventors: S Carlqvist; L Tiberg; L Eriksson
Original assignee: Fagersta Ab
Priority date: 1979-04-06
Filing date: 1979-04-06
Publication date: 1981-01-26
Also published as: SE7903078L

Abstract

The invention relates to a method related to a heating plant for recovering residual heat from combustion gases as well as cleaning of same. The method comprises compression of combustion gas in a compressor 2, burning a fuel with this gas, expansion of the combustion gases in an expander 4 and cooling of the gases partly directly to a heat receiving medium and partly through a heat pump system, the cooler 9 of which being constituted by cooling means in the flue gas system, and the heater of which returns the flue gas heat and the compression heat to the heat receiving medium, whereby the mechanical energy recovered in the expander is utilised for driving the compressor for the combustion gas as well as a compressor forming part of the heat pump system. <IMAGE>

Description

vsozovs-e 2 anvisningar om att drivningen av värmepumpens kompressor utförs av ett med värmepannan integrerat ångdrivsystem. vsozovs-e 2 instructions that the operation of the heat pump compressor is carried out by a steam drive system integrated with the boiler.

Föreliggande uppfinning utgår - för maximalt energi- utnyttjande och rening av förbränningsgaserna 1 en värmeanlägg- ning, som eldas med flytande, fasta, pulver- eller ångformiga ämnen -.från följande angelägna behov: “l. -Vid eldning för uppvärmningsändamål är det angeläget att ^ utnyttja bränslets totala värmeinnehåll inklusive kondensa- ringsvärmet hos bildad vattenånga så fullständigt som möjligt. 2., Vid eldning för uppvärmningsändamål av svavelhaltiga bränslen skall förbränningsgaserna i samband med energiut- vinningen renas från för omgivningen skadliga föroreningar, t.ex. svaveloxider. _ i Karakteristiskt för uppfinningen är för detta ända- mål att a) maximal energimängd absorberas ur bränslet genom konden- sering av förbränningsgaserna och nedkylning till nära atmos- färtemperatur, b) kondenseringen av ångan i förbränningsgagserna ger nöd- vändig vattenmängd för att lösa svavelsyran ur gasen och därmed rena gasen från svavel, p o) kondenseringen sker vid sådana temperaturer, ett korro- sion av kondensmaterialet blir ringa eller helt försumbar.The present invention is based on - for maximum energy utilization and purification of the combustion gases 1 a heating system fired with liquid, solid, powder or vaporous form substances -.from the following urgent needs: “L. -When firing for heating purposes, it is important that ^ utilize the total heat content of the fuel including condensate the heat of formation of formed water vapor as completely as possible. 2., When firing for heating purposes of sulfur-containing fuels, the combustion gases in connection with energy the proceeds are purified from pollutants harmful to the environment, for example sulfur oxides. _ i Characteristic of the invention is for this purpose goal to a) the maximum amount of energy is absorbed from the fuel by condensing combustion gases and cooling to near atmospheres speed, b) the condensation of the vapor in the combustion gags amount of water required to dissolve the sulfuric acid from the gas and thereby purifying the gas from sulfur, p o) the condensation takes place at such temperatures, a corrosion the condensation material becomes small or completely negligible.

Uppfinningen skiljer sig från den kända tekniken genom att den för drivning av värmepumpsystemet nödvändiga mekaniska energin utvinnes genom komprimering av för förbrän- ningen erforderlig luftmängd och expansion av förbränninge- gaserna, varvid skillnaden mellan under expansion genererat arbete och för kompression behövligt arbete utnyttjas för drivning av värmepumpsystemet. _ För det mekaniska drivsystemet kan väljas olika kända komponenter. För kompression av luft och kylmedia a ' 7903078“-9 kan väljas t.ex. turbosystem, skruvhjulssystem, kolvmaskinsystem.The invention differs from the prior art by making it necessary for the operation of the heat pump system mechanical energy is recovered by compressing the combustion required air volume and expansion of the combustion the gases, whereby the difference between during expansion generated work and for compression necessary work is utilized for operation of the heat pump system. _ For the mechanical drive system can be selected differently known components. For compression of air and refrigerants a '7903078 „-9 can be selected e.g. turbo system, screw wheel system, piston machine system.

För utvinning av expansionsenergi kan väljas turbosystem eller kolvmaskinsystem.For the extraction of expansion energy, turbo systems or piston machine system.

Vid val av turbosystem påverkas kostnaden för er- forderliga maskinkomponenter starkt av expansionsturbínernaâ. arbetstemperatur. Eftersom normalt maximal energimängd ej behöver uttas ur förbränningsgaserna, kan arbetstemperaturen väljas, så att en rimlig kostnad för turbosystemet erhålles.When choosing a turbo system, the cost of required machine components strongly of the expansion turbinesâ. working temperature. Because normally the maximum amount of energy is not need to be extracted from the combustion gases, the working temperature can selected, so that a reasonable cost for the turbo system is obtained.

Det ingår därför i uppfinningen att genom för-kylning av förbränningsgaserna med t.ex. pannvattnet i en prilärvärmevëxlare anpassa turbinens arbetstemperatur till det valda materia- let i turbinsystemet.It is therefore included in the invention that by pre-cooling of the combustion gases with e.g. the boiler water in a primary heat exchanger adjust the working temperature of the turbine to the selected material light in the turbine system.

Uppfinningen kännetecknas därvid närmare besmt väsentligen av kompression av förbränningsluft i en kompres- sor, förbränning av bränsle med denna luft, expansion av för- bränningsgaserna i en expander och kylning av gaserna dels direkt till ett värmeupptagande medium och dels genom ett värmepumpsystem, vars kyldel utgöres av kylorgan i rökgassyste- met och vars värmningsdel återför rökgasvärmet och kompressions- värmet till det värmeupptagande mediet, varvid den i expandern utvunne mekaniska energin används till att driva såväl kom- pressorn för förbränningsluften som en i värmepumpsystemet ingående kompressor.The invention is characterized in more detail herein essentially by compression of combustion air in a compression combustion of fuel with this air, expansion of combustion the combustion gases in an expander and cooling of the gases partly directly to a heat-absorbing medium and partly through a heat pump systems, the cooling part of which consists of cooling means in the flue gas system and the heating part of which returns the flue gas heat and the compression the heat to the heat-absorbing medium, leaving it in the expander the extracted mechanical energy is used to drive both the compressor for the combustion air as one in the heat pump system input compressor.

Kompressorerna kan vara av turbomaskintypen eller skruvhjulstypen och expandern kan vara av turbomaskintypen.The compressors can be of the turbomachine type or the screw wheel type and the expander can be of the turbomachine type.

De tre maskinenheterna kan vara anbragta på en gemensam axel.The three machine units can be mounted on a common shaft.

För att möjliggöra användning av en expanderturbin av kera- miskt materiel bör förbränningsluften kylas till maximalt a l.200°C i primärkylaren. Vidare bör för att möjliggöra använd- ning av en expanderturbin av metalliskt material av rimlig kostnad förbränningsluften kylas till maximalt 900°C i pri- märväxlaren. Kylningen i sekundärvärmeväxlaren bör lämpli- gen begränsas; så att utfällning av svavelsyrakondens undvikas. _ t7903078if9 4 Gastemperaturen är då minst 100 - l80°C beroende på svavel- halten. Kylarens/evaporatorns temperatur maximeras då till. ca 50°G. De angivna åtgärderna vidtagas för att möjliggöra an- vändning av ett ur korrosionssynpunkt säkert och ej alltför dyrt material.In order to enable the use of an expander turbine of chemical equipment, the combustion air should be cooled to a maximum of a l.200 ° C in the primary cooler. Furthermore, in order to enable the of an expanding turbine of metallic material of reasonable cost the combustion air is cooled to a maximum of 900 ° C in the additional exchanger. The cooling in the secondary heat exchanger should be gene is limited; so that precipitation of sulfuric acid condensation is avoided. _ t7903078if9 4 The gas temperature is then at least 100 - 180 ° C depending on the sulfur halten. The temperature of the radiator / evaporator is then maximized to. about 50 ° G. The specified measures are taken to enable the turning one from a corrosion point of view safe and not too expensive material.

Ett exempel på utförandet av anordningen enligt uppfinningen beskrivas i det följande i anslutning till bifo- gade schematiska ritning.An example of the design of the device according to the invention is described in the following in connection with the accompanying schematic drawing.

Luft inmatas i-värmeanläggningen genom ett luftin- tag med filter 1 till en luftkompressor 2, som via ett rör 2a matar en under övertryck arbetande brännkammare 5 med den er~ forderliga förbränningsluften. Bränsle insprutas i kammaren 5 med hjälp av ett bränslemunstycke 6. Förbränningsgaserna avgår genom en primärvärmeväxlare 7, som fungerar såsom huvud- värmeväxlare för varmvatten, till en gasturbin 4 för förbränninge- gasernas expansion och sveper sedan förbi en sekundärvärmeväxla- re 8, som är en mellanvärmare för varmvatten, och fortsättnings- vis förbi en kylare/evaporator 9 tillhörande värmepumpsyetemet, vilken fungerar som kondensor för vattenånga/förbränningsgae och för effektiv återvinning av förbränningsgasernas eneri. De renade förbränningsgaserna avgår sedan enligt pilarna till höger på ritningen. t ' Vattnet, som skall uppvärmas, inmatas vid lla till en förvärmare för varmvatten resp. kondensor i kylsystemet, där värme överförs från kylmediet till vattensystemet. Vatt- net matas vidare till mellanvärmaren 8 och till huvudvärmaren 7 samt utmatas 11111 för-brukarna vid 7a.Air is fed into the heating system through an air inlet take with filter 1 to an air compressor 2, as via a pipe 2a feeds an underpressure combustion chamber 5 with the er ~ necessary combustion air. Fuel is injected into the chamber 5 by means of a fuel nozzle 6. The combustion gases exits through a primary heat exchanger 7, which acts as the main heat exchanger for hot water, to a gas turbine 4 for combustion expansion of the gases and then sweeps past a secondary heat exchanger 8, which is an intermediate heater for hot water, and continued past a radiator / evaporator 9 belonging to the heat pump system, which acts as a condenser for water vapor / combustion gas and for efficient recovery of the energy of the combustion gases. The purified combustion gases then emit according to the arrows to the right on the drawing. t ' The water to be heated is fed at lla to a preheater for hot water resp. condenser in the cooling system, where heat is transferred from the refrigerant to the water system. Aquatic the net is passed on to the intermediate heater 8 and to the main heater 7 and the 11111 drivers are output at 7a.

Värmepumpsystemet innefattar en kylkompreesor 3 och ett ledningssystem innehållande en strypventil 10 mellan led- ningsslingan (kondensorn) i förvärmaren ll och elingan (eva- poratorn) i ångförbranningskondensorn 9. Med 12 betecknas ett uppsamlingskärl för kondensvatten från förbränningsgaserna. 7903078 '9 Karakterietiska tryck och temperaturer på för- bränningsgaserna är inom primärvärmeväxlaren 7 0,5 Mia 1800 - 80000, sekundärvärmeväxleren 8 atmoefärtryok och 500 - 20000 och kyla- ren evaporatorn 9 atmosfärtryck och 200 - 20°0. ^ För värmepumpsystemet beror tryck och temperatur på val av kylmedium. väljs t.ex. diklortetrafluoryten, kan för högtryckseidan väljas 60°G och 1,5 Mæa och för lågtryckssidan o°c och 0,09 mra.The heat pump system comprises a cooling compressor 3 and a line system containing a throttle valve 10 between the lines the condenser loop in the preheater II and the electric coil (eva- porator) in the steam combustion condenser 9. By 12 is denoted a collection vessels for condensate from the combustion gases. 7903078 '9 Characteristic pressures and temperatures of the combustion gases are within the primary heat exchanger 7 0.5 Mia 1800 - 80,000, the secondary heat exchanger 8 atmospheric smoke and 500 - 20000 and cooling clean evaporator 9 atmospheric pressure and 200 - 20 ° 0. ^ For the heat pump system, pressure and temperature depend choice of coolant. is selected e.g. the dichlorotetrafluorite, may for the high pressure side is selected 60 ° G and 1.5 Mæa and for the low pressure side o ° c and 0.09 mra.

Ytterligare ett kännetecken ligger i att rökgas- systemet utformas så, att de till en temperatur av lägst 180 - 1000 C (beroende på förbränningsgasens S03-halt, vilken i sin tur bestäms av bränslets svavelhalt och luftöverekottet vid förbränningen) nedkylda gaserna från eekundärkylaren 8 direkt träffar kylaren/evaporatorn 9, så att väggtemperaturen ej överskrider~caÉ0?G.Därigenom undvikas kondensation på sekun- därvärmevä:xlaren 8, och vid kondensation på kylaren/evapora- torn 9 blir väggtemperaturen så låg, att skadlig korrosion kan undvikas genom användande av ett icke alltför dyrbart material, t.ex. av typen SIS 142343. " Den tekniska effekten vid förfarandet enligt uppfin- ningen uppnås sammanfattningevis genom följande funktioner samt kombinationer av funktionen: 1. Energi utvinnes vid processen på sådant sätt, att mekanisk energi erhålles för att driva kyl- eller kondenseringspro- CG SSGII o 2. Alla förluster från energiomvandlingen kommer uppvärmnings- funktionen till godo. 5. Restvärmet i förbränningegaeerna värmepumpas till en tem- peraturnivå, där det kan nyttiggöras för vattenvärmning (oa 60 - 90°0). 4. A11 bränsleonergi 1 bränslet kommer därvid praktiskt taget till användning för uppvärmning av vatten.Another characteristic is that flue gas the system is designed so that they reach a temperature of at least 180 - 1000 C (depending on the SO3 content of the combustion gas, which in turn is determined by the sulfur content of the fuel and the excess air during combustion) cooled the gases from the condenser 8 directly hits the radiator / evaporator 9, so that the wall temperature does not exceed ~ caÉ0? G.This avoids condensation on the secondary where heat exchanger: xlaren 8, and in case of condensation on the radiator / evaporator tower 9, the wall temperature becomes so low that harmful corrosion can occur avoided by using a material which is not too expensive, for example of the type SIS 142343. " The technical effect of the process according to the invention The summary is achieved in summary through the following functions and combinations of the function: 1. Energy is extracted in the process in such a way that mechanical energy is obtained to drive cooling or condensing CG SSGII o 2. All losses from the energy conversion will be heated function for good. 5. The residual heat in the combustion gases is heat pumped to a temperature temperature level, where it can be utilized for water heating (i.a. 60 - 90 ° 0). 4. A11 fuel energy 1 the fuel then comes practically for use in heating water.

Claims

veozovs-e "av. eiiv 5. Condensation of steam in the combustion gas increases to such an extent (to about 90%) that the necessary amount of water arises to dissolve the sulfuric acid in the gas. 6. The condensation of the steam in the combustion gases takes place at one such temperature, that corrosion in the condenser is prevented 7. The constituent components are so simple that it is possible to manufacture a simple, reliable and inexpensive device which pays the investment cost in a short time.

1. Method in a heating plant for the recovery of residual heat from combustion gases and the purification of these, characterized by compression of combustion gas in a compressor, combustion of fuel with this gas, expansion of the combustion gases in an expander and cooling of the gases partly a directly to a heat-absorbing medium and partly through a heat pump system, the cooling part of which consists of cooling means in the flue gas system and whose heating part returns the flue gas heat and the compression heat to the heat-absorbing medium, the mechanical energy recovered in the expander being used to drive both the combustion gas compressor and the heat pump compressor.

2. A method according to claim 1, characterized in that the compound gas is cooled to a maximum of 1200 ° C in an annual cooler to enable the use of an expander turbine of ceramic material.

3. A method according to claim 1, characterized in that the combustion torque has a maximum temperature of 91 ° C in a primary heat exchanger to enable the use of an expander turbine of metallic material. t

4. A method according to any one of claims 1 - 5, characterized in that the cooling in a secondary heat exchanger is limited; so that precipitation of sulfur clay condensation is avoided, oohí that the temperature of a cooler / evaporator in the heat pump system f, i> 7903078-9 is maximized to about 50 ° C to enable the use of a safe and inexpensive material from a corrosion point of view.

Apparatus in a heating plant for carrying out the process according to any one of the preceding claims for recovering residual heat from combustion gases and purifying them, comprising a primary heat exchanger (7) and an secondary heat exchanger (8) in the flue gas duct for heat exchange between the flue gases and a heat sink medium and a heat pump system, the radiator / evaporator (9) of which is arranged in the flue gas duct and being a heater / condenser (II) transfers heat to said medium, characterized by a compressor (2) for the compression of the combustion liquor and at least one expander (4) for the combustion gases at the flue gas inlet and that the mechanical energy extracted in the blender (4) is arranged to drive both the combustion air compressor (2) and a compressor (3) included in the heat pump system.

Device according to claim 5, characterized in that the compressors (2,3) are of the turbo or screw wheel type and that the expander (4) is of the turbo type, these three units having a common drive shaft.