SE450688B - Sett och anleggning for att astadkomma vermeatervinning ur varm fuktig gas - Google Patents

Description

450 40 sas 2 sibelt värme vid temperaturer över gasens daggpunkt.

Ett annat ändamål är att åstadkomma en anordning som lätt kan appliceras i befintliga anläggningar som pro- ducerar fuktig gas t.ex. förbränningsanläggningar samt som ger en utgående gas som ej ligger på eller nära mättnadsgränsen för vattenånga.

Rökgaser som bildas vid förbränning innehål- ler alltid en del vattenånga bildat av bränslets väte- innehåll samt den vattenånga som finns i förbränninge- luften. Innehåller bränslet fukt ökas naturligtvis fukt- innehållet i rökgasen. Normalt anser man att den energi som finns framförallt i vattenångan i rökgasen inte kan återvinnas. Detta återspeglas bl.a. i definitionen av effektivt värmevärde som förutsätter att vattnets ång- bildningsvärme icke âtervinns. Vid förbränning av sva- velhaltiga bränslen måste rökgastemperaturen hållas över ett visst värde för att inte svavelsyradaggpunkten skall underskridas. I samband med t.ex. oljeeldning är vanligt- vis den praktiska nedre gränsen för rökgastemperaturen ca 15000. Detta begränsar möjligheten för återvinning av värme.

Biomassa och torv har låga svavelhalter och vid förbränning av sådana bränslen är utfällning av sva- velsyra ur rökgaserna ett väsentligt mindre problem än t.ex. vid oljeeldning. Emellertid gäller, att dessa bränslen normalt har relativt höga fukthalter, vilket höjer halten vattenånga i rökgaserna och därmed sänker det effektiva värmevärdet. Detsamma gäller sopor, där torkning dessutom av miljöskäl torde vara ogenomförbar.

En metod som föreslagits för förbättring av värmeekonomin vid förbränning av fuktiga bränslen som t.ex. bark, träflis och torv är, att använda rökgaserna från förbränningen för torkning av bränslet. Detta ger en del fördelar i själva förbränningsprocessen, men den totala mängden vattenånga som lämnar systemet genom skor- stenen pâverkas inte beroende på att samma vattenmängd går in i systemet tork + panna som i fallet med enbart panna. Ingen förbättrad återvinning av latent värme sker alltså med denna process.

Med en värmeåtervinninq, där även vattenångans 40 450 688 kondensationsvärme utnyttjas, skulle fukthalten hos bränslet inte längre nedsätta den utvinningsbara ener- gimängden. Behovet av torkning blir sålunda mindre.

I det ovanstående har stort utrymme ägnats återvinning av värme ur rökgaser eftersom detta idag kan ge ett avsevärt värmetillskott. Gasens ursprung är dock av mindre intresse för den principiella utform- fningen av den här föreslagna värmeâtervinningsproces- Sen.

Genom föreliggande uppfinning uppnås bl.a. de mål som ovan uppställts. Uppfinningen går i huvudsak ut på att gasen bringas i direkt kontakt med en hygrosko- pisk lösning, varvid härigenom upptagen energi kan ut- nyttjas företrädesvis genom värmeväxling med lösningen.

Det kännetecknande för föreliggande uppfinning 7 framgår av efterföljande patentkrav.

Uppfinningen skall närmare beskrivas med hän- visning till ett utföringsexempel åskådliggjort på bi- fogade ritningar.

Figur 1 visar schematiskt en anläggning för värmeåtervinning enligt föreliggande uppfinning.

Figur 2 är en flödesfigur visande återvunnen nyttig effekt vid förbränning utan värmeåtervinning.

Figur 3 visar ett exempel på energiflöden vid förbränning med värmeåtervinning enligt föreliggande upp- finning.

Den nedan beskrivna anläggningen och förfaran~ det i samband med denna hänför sig till en fliseldad värmeanläggning. Den i figur 1 schematiskt visade anlägg- ningen består av en rökgaskanal 1 som antages vara an- sluten till utgången av en stoftavskiljare. Rökgaskana- len 1 mynnar i en kammare 2, i vilken ett filter 3 är anordnat. Vatten eller annan lämplig vätska i en reser- voar 4 pumpas medelst en pump 5 via en ledning 6 till ett duschliknande munstycke 7 riktat mot filtret 3. En returledning 8 är ansluten till kammarens 2 botten för återförande av vätska till reservoaren 4. En avtappnings- ventil 9 är anordnad i reservoarens 4 botten.

Kammaren 2 mynnar i en droppavskiljningskam- mare 10 försedd med ett bottenutlopp 11 anslutet till 40 en återgångsledning 12 och en tillförselledning 13 som senare skall beskrivas. Den övre delen av droppavskilj- ningskammaren 10 kommunicerar via en förbindelsekanal 14 med den nedre delen av ett absorptionstorn 15. Ab- sorptionstornet innehåller en fyllning 16 som kan be- stå av kermaiska s.k. raschigringar. över zonen 16 med raschigringar är anordnade ett antal vätskespridande munstycken 17. övre delen av absorptionstornet kommuni- cerar med ettfrökgasutlopp 18.

I botten av absorptionstornet 15 är anordnad en utloppsledning 19 som står i förbindelse dels via en grenledning 20 med en matarledning 21 och dels med en första värmeväxlare 22. Grenledningen 20 innefattar en flödesstyrande ventil 20'. Matarledningen 21 är an- sluten till en andra värmeväxlare 23, vars utlopp via en ytterligare matarledning 24 står i förbindelse med de nämnda munstyckena 17. Den genom ledningen 19 och den förstavärmeväxlaren22 gående vätskan ledes via en rörledning 25 till en indunstningskammare 26. Nämnda indunstningskammare innefattar en värmeväxlarslinga 27 för tillförsel av värmeenergi genom en hetfluidumled- ning 28 som efter slingan 27 står i förbindelse med en returledning 29. Indunstningskammarens 26 nedre del kom- municerar via en förbindelseledning 30 med en värmeväx- lingsslinga 31 i nämnda första värmeväxlare 22, varvid slingans 31 utlopp är förbundet med matarledningen 21.

Indunstningskammaren 26 kommunicerar med sin övre del genom en kommunikationsledning 32 med en i en tredje vär- meväxlare 33 befintlig värmeväxlingsslinga 34, vars ut- lopp står i förbindelse med den tidigare nämnda tillför- selledningen 13. Värmeväxlaren 23 innefattar en värme- växlingsslinga 35 för tillförsel av exempelvis returvat- ten genom en ledning 36 och utmatning av uppvärmt vatten genom en ledning 37. Detta vatten uppvärms därefter yt- terligare vid passage genom värmeväxlaren 33, varefter duL uppvärmda vuttncL matas ut genom en utgänqsludnínq 38.

Vid ett praktiskt utförande kan det vara lämp- ligt att anordna ett mekaniskt filter 39 i ledningen 19 före avqreningcn 20 i och för rening av lösningen som 40 450 ess varit i kontakt med rökgasen. Filtret 39 kan utgöras av ett konventionellt sandfilter. Det kan ur driftsteknis~ ka synpunkter även vara lämpligt att insätta ett filter 40 före värmeväxlaren 22 för att skydda indunstaren 26 mot föroreningar. Sistnämnda filter kan lämpligen utgö- ras av ett s.k. patronfilter dvs ett filter med en ut- ïbytbar filterenhet.

Anläggningen fungerar på följande sättr Som ovan nämnts inkommer rökgas genom rökgas- kanalen I in i kammaren 2. Det antages att reservoaren 4 är fylld med vatten och att detta genom pumpen 5 och ledningen 6 pumpas ut till munstycket 7 som sprider vattnet i finfördelad form över filtret 3. Rökgasen tvättas härvid effektivt och smutsbemängt vatten avgår genom ledningarna 8 och 12 till reservoaren 4. Det kan i vissa sammanhang vara lämpligt att i samband med re- servoaren 4 anordna en sedimenteringsutrustning eller ett filter för avskiljning av fast fas från vattenfa- sen i cirkulationskretsen. Man kan även tänka sig att öka förmågan att avskilja absorberbara gaser i denna anläggning genom en lämplig kemikalietillsats till det cirkulerande vattnet. Under alla förhållanden kommer gasen att kylas och det bortkylda värmet åtgår för för- ångning av en del av vattnet. Den ingående rökgasen an- tages ha en temperatur av 2000C och en matning av 13.300 ma norm/h, varvid den utgående gasen antages ha den adiabatiska mättnadstemperaturen av ca 70°C.' Gasen kommer nu in i droppavskiljningskamma- ren 10, där eventuellt avskilt vatten avledes från kam- maren genom utloppet 11 och ledningen 12 tillbaka till reservoaren 4. Rökgasen går härefter via förbindelse- kanalen 14 över till nedre delen av absorptionstornet och genom fyllningszonen 16. Ledningssystemet omfat- tande bl.a. ledningarna 19, 20, 21 och 24 innefattar en hygroskopisk lösning, i föreliggande fall en 50-procen- tig lösning av litiumklorid, LiCl-lösning, med en ingå- ende temperatur av 60oC, dvs lösningen sprutas ut ge- nom munstyckena 17 med en temperatur av 60°C över fyll- ningszonen 16. Rökgas och LiCl-lösning möts nu i fyll- ningszonen, varvid ca 90 % av vattenângan absorberas. 40 450 688 Gastemperaturen sänks härvid ytterligare till ca 60°C.

I den ifrågakommande anläggningen motsvarar detta en överföring av 2,5 MW från gasen till LiCl-lösningen om det antages att som nämnts 13.300 ma norm rökgas per timme av 200oC inmatas i rökgaskanalen 1. LiCl-lösning- en uppvärms till ca 7OOC och avgår genom ledningen 19.

Det bör i föreliggande sammanhang påpekas att merparten av lösningen bringas att recirkulera genom ledningen 20 till ledningen 21 för återmatning till munstyckena 17 via värmeväxlaren 23 och ledningen 24. Enligt beräkning- ar är för processens genomförande det nödvändigt att endast till viss del uppkoncentrera den cirkulerande lösningen. Man uppnår temperatur- och driftsbalans om exempelvis minst 75 % av lösningen shuntas förbi in- dunstaren 26 genom ledningen 20. Det är möjligt att sådana förhållanden kan vara praktiskt försvarbara, vid vilka mellan 80 till 95 % av lösningen kan tillå- tas flyta genom ledningen 20, varvid flödet kan styras bl.a. genom ventilen 20'.

Såsom framgår ledes vederbörande del av lös- ningen från ledningen 19, i förekommande fall genom filtren 39 och 40, via värmeväxlaren 22 och ledningen in i indunstningskammaren 26. Här tillföres lösning- en värme genom slingan 27 genom exempelvis ett från pannan kommande hetvattencirkulationssystem 28, 29 med en effekt av ca 3 MW. Lösningen indunstas härvid och vattenånga avgår genom kommunikationsleden 32 till slingan 34 i värmeväxlaren 33, varvid vattnet i led- ningen 37 uppvärmes ca 10°C. Kondensatet från slingan 34 matas via ledningen 13 och ledningen 12 till re- servoaren 4. Med hänsyn till påfyllningen av reservoa- ren 4 kan det bli nödvändigt att genom ventilen 9 tap- pa av förorenat vatten med jämna mellanrum. Den in- dunstade LiCl-lösningen från indunstaren 26 avgår ge- nom ledningen 30 till slingan 31 i värmeväxlaren 22 och avger härvid värme till den genom ledningen 19 in- gående lösningen. Den genom ledningen 21 därefter ut- gående lösningen har en temperatur av drygt 7000. Lös- ningen föres nu vidare genom ledningen 21 och ledes tillsammans med vad som utmatas genom ledningen 20 'as 40 450 688 till värmeväxlaren 23. Ledningarna 36, 37 och slingan kan tänkas innehålla vatten som cirkuleras för upp- värmningsändamål. Om exempelvis ledningen 36 tillför 5000 returvatten och en sådan värmeväxling kan tänkas förekomma, att ledningen 37 matar ut 60°C vatten skul- le i den ytterligare matarledningen 24 alltså lösning- en få en temperatur av ca 60°C fram till munstyckena 17, där den sprutas ut över fyllningszonen 16. Efter behandling i absorptionstornet kommer rökgasen att i ledningen 18 hålla en temperatur av ca 60°C, vilket anses tillräckligt för att gasen skall kunna lyfta sig ut ur en därtill kopplad skorsten.

LiCl-lösningen måste som nämnts uppkoncent- reras för att en sluten process skall bibehållas och man utför indunstning endast av en lämpligt avpassad delström, dvs den genom ledningen 19, filtren 39 och 40, värmeväxlaren 22 och ledningen 25. Indunstningsan- läggningen värms enligt ovan lämpligen med hetvatten under tryck från själva den rökgasen alstrande pannan- läggningen. Detta tar visserligen ca 3 MW av pannans effekt, men detta värme återvinns till väsentlig del i systemet efter indunstningskammaren.

Såsom framgår av figur 2, som visar förbrän- ning utan den föreslagna värmeåtervinningen, tillföres 9,5 MW räknat på det kalorimetriska värmevärdet. Som synes avgår 1,8 MW såsom förlust av latent värme i vat- tenånga. Kvar står då 7,7 MW räknat på det effektiva värmevärdet. Vidare avgår 1,9 MW utgörande förlust som sensibelt värme. Den från pannanläggningen utgående nyt- tiga effekten 5,8 MW som motsvarar 75 % av effektivt värmevärde och 65 % av kalorimetriskt värmevärde är den effekt som kan uttagas ur anläggningen utan till- lämpning av föreliggande uppfinning.

Som framgår av figur 3 blir förlusterna betyd- ligt mindre genom tillämpning av föreliggande uppfin- ning. Som förut antages att 9,5 MW räknat på kalorimet- riskt värmevärde tillföres. Av detta avgår 2,5 MW driv- effekt till värmeåtervinningsprocessen, dvs den effekt som tillföres slingan 27 i indunstaren 26 genom led- ningarna 28 och 29. Till värmeåtervinningsprocessen fö- 40 450 sea 8 res 1,9 MW sensibelt värme i rökgas och 1,8 MW latent värme i rökgas. Genom tillämpning av systemet enligt figur 1 återvinnes väsentligen all effekt utom 1,2 MW, som hänför sig till oundvikliga förluster i samband med sensibelt och latent värme. Kvar står alltså en ff, nyttig effekt av 8,3 MW motsvarande 108 % av effektivt \ värmevärde och 87 % av kalorimetriskt värmevärde. En f) effektökning av drygt 40 % har således kunnat åstadkom- mas genom tillämpning av ett förfarande och en anlägg- ning enligt uppfinningen. Värmeåtervinningsanläggning- en ökar alltså eldningsanläggningens effekt med ca 2,5 MW.

Värmekällan för den här föreslagna värme- återvinningsprocessen skapas i själva den värmeprodu- cerande anläggningen. Såväl värmekällans temperaturni- vå som geografiska läge relativt var värmebehovet finns är alltså vida mer fördelaktiga än t.ex. när avloppsvat- ten används som värmekälla för en värmepump. Gemensamt för förekommande tillämpningar av uppfinningen är att det absorptionssteg, där vattenånga absorberas i en hygroskopisk lösning, innefattar en indunstningsdel (re- genereringsdel), i vilken lösningen uppkoncentreras.

Indunstningen kan utformas i flera steg om detta är lämp- ligt. Vidare kan en och samma indunstningsdel vara gemen- sam för flera absorptionsenheter arbetande på olika plat- 'ser eller vid olika temperaturnivåer. Systemen kan också dimensioneras så, att indunstad lösning får utgöra ener- gilager.

Vid förbränning av biobränslen som skogsav- fall och i ännu högre grad torv anses allmänt fukthal- ten i bränslet vara en kritisk storhet. Ur värmevärdes- synpunkt blir inte fukthalten längre av samma betydelse om vattenångans kondensationsvärme kan återvinnas efter rn förbränningen. En viktig teknisk effekt i den här före- slagna värmeåtervinningsprocessen är att en hygroskopisk lösning användes för värmeåtervinning från varm och fuk- ° tig gas genom samtidig direktkylning och vattenångkonden- sation. Det återvunna värmet kan avges vid en temperatur- nivå lämplig för t.ex. ett varmvattennät såsom vid värme- växlarna 23 och 33. Det värme som åtgår för indunstning 40 9 450 ess av den utspädda hygroskopiska lösningen återvinns i pro- cessen och innebär således ingen förlust.

I det beskrivna exemplet har angivits att den i kammaren 2 befintliga reningsanläggningen 3, 7 är an- ordnad som en säkerhetsåtgärd för att förhindra nedsmuts- ning av absorptionsanläggningen. Det är dock möjligt att som nämnts i kammaren 2 utföra en kompletterande gasre- ning för eliminering av finpartikulärt stoft eller gas- formiga föroreningar. Nämnda del arbetar adiabatiskt och stjäl därmed ingen värmeenergi från återvinningsan- läggningen.

Gasreningsanläggningen 3 - 10 kan naturligt- vis ha annat utseende än den här visade. Det väsentliga är att kvarvarande stoft efter stoftavskiljningen av- skiljes samt att gasen kyls till lämplig temperatur.

Fyllningen 16 har i exemplet ovan antagits bestå av ra- schigringar. Den kan emellertid även utgöras av andra typer av fyllkroppar, ribbfyllning eller kontinuerlig fyllning. I Den hygroskopiska lösningen har i exemplet antagits bestå av litiumkloridlösning. Emellertid kan andra hygroskopiska lösningar komma till användning t.ex. lösningar av svavelsyra och/eller fosforsyra, kal- ciumklorid och/eller magnesiumklorid, kaliumkarbonat och/ eller kaliumvätekarbonat, kaliumacetat och/eller natrium- acetat, kalciumbromid, natriumjodid, natriumhydroxid och/ eller kaliumhydroxid samt litiumbromid med eller utan li- tiumklorid.

Det förutsättes i det beskrivna exemplet att all vätske- och gascirkulation sker genom aktiv matning, dvs genom pumpanordningar. För att icke komplicera figu- ren har dessa uteslutits på ritningen.

Inom ramen för uppfinningen kan givetvis ett sådant utförande tänkas, vid vilket från indunstaren 26 utgående ånga matas via ledningen 32 till en i shuntled- ningen 20 anordnad värmeväxlare så att en temperaturhöj- ning av det delflöde som går genom nämnda ledning åstad- kommes. Den härvid tillförda energin återvinnes givetvis i värmeväxlaren 23 och omsättes till nyttigt värme. Nack- delen med ett dylikt arrangemang är att värmeväxlaren 23 40 450 688 10 måste dimensioneras för avsevärd kapacitet och värmeväx- laren i ledningen 20 blir relativt dyrbar, enär den skall kunna motstå korrosion förorsakad av lösningen, vilket icke är fallet enligt figur 1 med värmeväxlaren 33.

Claims (10)

10 15 20 30 35 11 450 ess Patentkrav

1. Sätt att åstadkomma värmeåtervinning ur varm, fuktig gas över omgivningstemperatur genom att gasen bringas i direktkontakt (16) med en hygroskopisk lös- ning (17) med ett vattenångtryck, som understiger det i gasen, varvid vattenånga övergår från gasen till lös- ningen under viss sänkning av gastemperaturen, och var-' vid ett delflöde av lösningen (19,22,25) uppkoncentreras (26) genom avdrivning av vattenånga, k ä n n e t e c k- n a t av att ångans kondensationsvärme genom värme- växling (33) avledes för utnyttjande innan den uppkon- centrerade lösningen (21) återföres tillsammans med den icke uppkoncenterade lösningen för att via värmeväxling (23) avge ytterligare värme för utnyttjande och därefter återföras till kontakt med fuktig gas (15,17) .

2. Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att uppkoncentreringen av hygroskopisk lösning åstad- kommes genom tillförsel av värme (28,27,29) från den an- läggning, som alstrar den varma och fuktiga gasen.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t av att kondensationsvärmet från den avdrivna vattenångan värmeväxlas (33) till sammansättning med det ytterligare värme som växlas från de hopförda flödena (21) av lösningen (17).

4. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att det vattenångkondensat (13) som erhålles genom kondensering av den genom upp- koncentrering av lösningen alstrade ångan (32) återföres till en begynnelsefas av processen innefattande rening och kylning (3,7) av den inkommande gasen innan den bringas i kontakt med den hygroskopiska lösningen.

5. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att den hygroskopiska lösningen utgöres av en vattenlösning av fosforsyra eller av fosforsyra tillsammans med svavelsyra.

6. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att den hygroskopiska lös- ningen utgöres av lösningar av svavelsyra och/eller litiumklorid, natriumhydroxid och/eller kaliumhydroxid, 10 15 20 25 30 35 450 688 12 kalciumklorid och/eller magnesiumklorid, kaliumkarbonat och/eller kaliumvätekarbonat, kaliumacetat och/eller natriumacetat, kalciumbromid, natriumjodid eller litium- bromid med eller utan litiumklorid.

7. Anläggning för utförande av sättet enligt något av föregående krav, vid vilken varm fuktig gas företrädes- vis efter eventuell tvättning och nedkylning (3,7) föres genom en ledning (14) till ett absorptionstorn (15) ut- rustat med en absorptionszon (16) och spridningsdon (17) för hygroskopisk lösning som är anordnad att spridas över absorptionszonen, vilket absorptionstorn kommunicerar med ett rökgasutlopp (18) och med ett utlopp (19) för hygroskopisk lösning, som är avgrenat till tvâ delflöden (l9,20), varvid vätskan i det ena delflödet (l9,25) kom- municerar med en indunstningsanordning (26) för uppkon- centrering av lösningen genom tillförsel av värme (27), och varvid det första delflödet är sammanfört med det andra uppkoncentrerade delflödet (Zl) till en värme- växlare (23) och äter till spridningsdonen i absorptions- tornet, k ä n n e t e c k n a d av att indunstnings- anordningen är anordnad att tillföras (28,29) värme via värmeväxlingsdon (27), varvid uppkoncentrerad lösning är anordnad att via en värmeväxlare (22), för avgivande av värme till delflöde av lösningen som skall uppkon- centreras, kommunicera (21) med icke uppkoncentrerat delflöde (20) till värmeväxlaren (23) för uttagande (35,37) av värme för utnyttjande.

8. Anläggning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att indunstningsanordningen (26) är förbunden med en kommunikationsledning (32) ledande ånga till en värmeväx- lare (33) för avgivande av värme för utnyttjande, varvid ångkondensat är anordnat att ledas (13) till en uppsamlings- reservoar (4).

9. Anläggning enligt krav 7 och 8, k ä n n e - t e c k n'a d av att förstnämnda värmeväxlares (23) utgângssida (35-37) kommunicerar med utgångssidan (34,38) för sistnämnda värmeväxlare (33) som håller högre tempera- tur än förstnämnda, varigenom temperaturen hos det för ut- nyttjande avsedda värmet höjes. f) 13 450 688

10. Anläggning enligt något av kraven 7-9, k ä n n e t e c k n a d av att gasen före inpassering till absorptionstornet (15) passerar genom en gastvätt med vätska som pumpas (5,6,7) från nämnda reservoar (4), varvid rökgasen efter tvättning och avkylning passerar en droppavskiljningskanunare (10) och därefter via en ledning (14) till absorptionstornet (15).