SE517753C2

SE517753C2 - Method and arrangement for heat recovery from a gas stream

Info

Publication number: SE517753C2
Application number: SE9902900A
Authority: SE
Inventors: Thomas Haegglund
Original assignee: Waertsilae Nsd Oy Ab
Priority date: 1998-09-28
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2002-07-09
Also published as: FI982080A; FI105717B; SE9902900D0; FI982080A0; SE9902900L

Abstract

The invention relates to a method and also an arrangement for working the method, for recuperation of heat from a gas flow in a system in which the gas flow is carried at least through a heat exchanger of the type functioning as an evaporator and being connected to steam generating means. Heat is recuperated from the gas flow both before it is led to the evaporator and after the evaporator. The temperature of the heat recuperated after the evaporator is increased by utilising absorption heat pump means and feeding thereto heat energy recuperated before the evaporator. Recuperated heat energy is forwarded from the absorption heat pump means to the steam generating means in order to increase the efficiency of the steam generation.

Description

25 30 -uo n. hos inloppsvattnet, kan gasströmmen avkylas endast till en viss temperatur A efter förångaren 6 och till en sluttemperatur B efter förvärmaren 4. Den åter- vinnbara energimängden beror således i första hand på ångans tryck och tem- peraturen hos det inkommande vattnet. Temperaturskillnaden mellan punkt A och förångningstemperaturen, som i figur 1b är märkt PP, kalls för en s.k. pinch point. Förångarens yta kan förstoras och således kan pinch point mins- kas och värmeåtervinningen effektiveras. l figur 1b visas gasströmmens diagram 1' och detta motsvarande diagram 4',6',7' för temperaturen hos i förvärmaren 4, förångaren 6 och överhettaren 7 strömmande vatten och/eller ånga. Ur figur 1b ses att från den till pannan strömmande gasenergin behövs en ytterst liten del för att åstadkomma över- hettning av ångan, såvida man överhuvudtaget önskar åstakomma överhett- ning. l förångarens 6 framparti överföres energi från högtempererad gas 1' till ångans ångbildningstemperatur 6', varmed exergiförlusten eller förlusten som föranleds av energiomvandlingen är stor i förångarens 6 framparti. Detta syns i figur 1b som ett inbördes avstånd mellan diagrammen 1' och 6'. En lösning för att minska exergiförlusterna är just nämnda på olika tryck baserade flerstegs- system såvida det finns användning för ånga av olika tryck. 30 -uo n. Of the inlet water, the gas stream can be cooled only to a certain temperature A after the evaporator 6 and to a final temperature B after the preheater 4. The recoverable energy amount thus depends primarily on the pressure of the steam and the temperature of the incoming the water. The temperature difference between point A and the evaporation temperature, which in Figure 1b is marked PP, is called a so-called pinch point. The surface of the evaporator can be enlarged and thus the pinch point can be reduced and the heat recovery more efficient. Figure 1b shows the gas flow diagram 1 'and this corresponding diagram 4', 6 ', 7' for the temperature of water and / or steam flowing in the preheater 4, evaporator 6 and superheater 7. Figure 1b shows that an extremely small part is needed from the gas energy flowing to the boiler to cause the steam to overheat, unless it is desired to cause overheating at all. In the front part of the evaporator 6, energy is transferred from high-temperature gas 1 'to the steam formation temperature 6' of the steam, whereby the exergy loss or the loss caused by the energy conversion is large in the front part of the evaporator 6. This is seen in Figure 1b as a mutual distance between diagrams 1 'and 6'. A solution to reduce exergy losses is just mentioned multi-stage systems based on different pressures, unless there is use for steam of different pressures.

Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett nytt förfarande för åter- vinning av värme ur en gasström, särskilt ur en avgasström från förbrännings- motorer, medelst vilket det är möjligt att minimera exergiförlusterna vid om- vandling av en viss gasströms värmeenergi till en viss typ av ånga och således att förbättra ångproduktionens verkningsgrad. Avsikten är också att förfaran- dets tillämpning i och för sig är möjligt medelst möjligast enkla arrangemang. Ändamålet med uppfinningen åstadkommes på det sätt som beskrivs i patent- krav 1 och andra patentkrav. Enligt uppfinningen återvinns värmeenergi ur gasströmmen både före dess ledning till förångaren och efter förångaren. Tem- peraturen hos värmeenergin som återvunnits efter förångaren höjes genom att » u... ~ v 10 15 20 25 30 n ones 517 755 utnyttja absorptionspumpmedel så att till dessa matas före förångaren åter- vunnen värmeenergi. Slutligen ledes återvunnen värmeenergi från absorp- tionspumpmedlen till ånggenereringsmedel för att effektivera ånggenereringen.An object of the invention is to provide a new method for recovering heat from a gas stream, in particular from an exhaust gas stream from internal combustion engines, by means of which it is possible to minimize the exergy losses when converting the heat energy of a certain gas stream to a certain type. of steam and thus to improve the efficiency of steam production. The intention is also that the application of the procedure per se is possible by means of the simplest possible arrangements. The object of the invention is achieved in the manner described in claim 1 and other claims. According to the invention, heat energy is recovered from the gas stream both before its conduction to the evaporator and after the evaporator. The temperature of the heat energy recovered after the evaporator is raised by utilizing absorption pumping agents so that heat energy recovered before the evaporator is fed to these. Finally, recovered heat energy is transferred from the absorption pump means to steam generating means to make the steam generation more efficient.

Enligt uppfinningen utnyttjas alltså en del av i gasströmmen före förångaren förekommande höggradig värmeenergi för att driva en absorptionsvärmepump, med vilken gasströmmen efter förångaren avkyles och sålunda återvunnen värmeenergi överföres till en högre temperatur, varvid den kan ledas tillsam- mans med värmeenergin som fungerar som absorptionsvärmepumpens drive- nergi genom en lämplig värmeväxlare till ånggenereringsmedlen. l uppfinningen utnyttjas den i förångaren förekommande stora exergiförlusten för att effekti- vera ångproduktionen, varvid gasströmmen genom att återvinna värme kan av- kylas mera än med förångaren i ett i figur 1a och 1b visat normalt fall.According to the invention, a part of the high-grade heat energy present in the gas stream before the evaporator is thus used to drive an absorption heat pump, with which the gas stream after the evaporator is cooled and thus recovered heat energy is transferred to a higher temperature, which can be conducted together energy through a suitable heat exchanger to the steam generating means. In the invention, the large exergy loss present in the evaporator is used to make the steam production more efficient, whereby the gas stream can be cooled more by recovering heat than with the evaporator in a normal case shown in Figures 1a and 1b.

Den uppfinningsenliga lösningen har åskådliggjorts med figur 2a som visar som principskiss ett arrangemang för att tillämpa den uppfinningsenliga lösningen.The solution according to the invention has been illustrated with Figure 2a which shows as an outline of principle an arrangement for applying the solution according to the invention.

Figur 2b visar på motsvarande sätt som figur 1b temperaturen T hos gasen, ångan och/eller vattnet i arrangemanget enligt figur 2a som en funktion av energimängden E.Figure 2b shows in a manner similar to Figure 1b the temperature T of the gas, steam and / or water in the arrangement according to Figure 2a as a function of the amount of energy E.

Enligt figur 2a som exempel ledes en från en dieselmotor 9 kommande avgass- tröm 10 till en avgaspanna 11, i vilken finns en förångare 12 och värmeväxlare 13 och 14. Dessa delar motsvarar i fallet enligt figur 1a enbart förångaren 6.According to Figure 2a, as an example, an exhaust stream 10 coming from a diesel engine 9 is led to an exhaust boiler 11, in which there is an evaporator 12 and heat exchangers 13 and 14. In the case according to Figure 1a, these parts correspond only to the evaporator 6.

Således vore det i figur 2a också möjligt att ytterligare uttnyttja i enlighet med figur 1a en förvärmare 4 och/eller överhettare 7, men för enkelhetens skull har de ändå inte visats i figur 2a. Förvärmaren 4 skulle i detta fall placera sig efter eller parallellt med värmeväxlaren 14 och överhettaren 7 i avgasströmmen före värmeväxlaren 13.Thus, in Figure 2a it would also be possible to further utilize a preheater 4 and / or superheater 7 in accordance with Figure 1a, but for the sake of simplicity they have nevertheless not been shown in Figure 2a. The preheater 4 would in this case be located after or parallel to the heat exchanger 14 and the superheater 7 in the exhaust stream before the heat exchanger 13.

Förångaren 12 är i samverkan med ångsepareringskammaren 15, vilka är för- sedda med ett inloppsrör 15a för matarvatten och ett utloppsrör 15b för pro- 10 15 20 25 30 517 753 4 ducerad ånga. Dessutom tillhör arrangemanget en absorptionsvärmepump 16, som är separat kopplad till värmeväxlarna 13 och 14, samt med värmeväxlar- medel 17 för att överföra värmeenergi från absorptionsvärmepumpen 16 till ångsepareringskammaren 15. Grundprinciperna för absorptionsvärmepumpens 16 funktion är i och för sig kända, varmed de ej beskrivs mera exakt här. l arrangemanget enligt figur 2a tas medelst värmeväxlaren 13 ur gasströmmen 10 värmeenergi som behövs för absorptionsvärmepumpens 16 funktion, ge- nom vars utnyttjande absorptionspumpen 16 avkyler gasströmmen efter förångaren 12 via värmeväxlaren 14. Med hjälp av värmeväxlarna 13 och 14 överföres värmeenergin som erhålles ur gasströmmen sedan medelst värme- växlarmedlen 17 till ångsepareringskammaren 15. Temperaturnivån som be- stämms av värmeväxlarmedlen 17 är således den som kyler absorptionsvärme- pumpen 16.The evaporator 12 cooperates with the steam separation chamber 15, which are provided with an inlet pipe 15a for feed water and an outlet pipe 15b for produced steam. In addition, the arrangement belongs to an absorption heat pump 16, which is separately connected to the heat exchangers 13 and 14, and with heat exchanger means 17 for transferring heat energy from the absorption heat pump 16 to the steam separation chamber 15. The basic principles of the absorption heat pump 16 function are not known per se. more exactly here. In the arrangement according to Figure 2a, by means of the heat exchanger 13 heat energy required for the operation of the absorption heat pump 16 is taken from the gas stream 10, through which use the absorption pump 16 cools the gas stream after the evaporator 12 via the heat exchanger 14. The heat exchangers by means of the heat exchanger means 17 to the steam separation chamber 15. The temperature level determined by the heat exchanger means 17 is thus that which cools the absorption heat pump 16.

I figur 2b är gasströmmen märkt 10' och denna motsvarande i förångaren 12 och värmeväxlarna 13 och 14 strömmande vattnets och/eller ångans tempera- turnivådiagram är märkta 12',13' och 14'. l figur 2b motsvarar diagrammen 14',12' och 13' tillsammans diagrammet 6' i figur 1b. Såsom framgår ur figur 2b är avståndsskillnaden mellan de exergiförluståskådliggörande diagrammen 14',12' och 13' från diagrammet 10' mindre jämfört med situationen i figur 1a och dessutom kan pinch point PP' eller temperaturskillnaden i början av dia- grammet 10' jämfört med situationen i figur 1b vara negativ. Således har gass- trömmens temperatur medelst det uppfinningsenliga arrangemanget sänkts i avgaspannan 2 mera än i det kända fallet som figur 1b avser. Sålunda är den enligt uppfinningen återvunna värmeenergimängden på motsvarande sätt stör- fe.In Figure 2b, the gas flow is marked 10 'and this corresponding in the evaporator 12 and the heat exchangers 13 and 14 flowing the temperature level diagrams of the water and / or steam are marked 12', 13 'and 14'. In Figure 2b, diagrams 14 ', 12' and 13 'together correspond to diagram 6' in Figure 1b. As shown in Figure 2b, the distance difference between the exergy loss illustrating diagrams 14 ', 12' and 13 'from the diagram 10' is smaller compared to the situation in Figure 1a and in addition, the pinch point PP 'or the temperature difference at the beginning of the diagram 10' may be compared to the situation. in Figure 1b be negative. Thus, by means of the arrangement according to the invention, the temperature of the gas stream has been lowered in the exhaust boiler 2 more than in the known case to which Figure 1b relates. Thus, the amount of heat energy recovered according to the invention is correspondingly disturbing.

Uppfinningen är ej begränsad till den visade utföringsformen, utan ett antal va- riationer är tänkbara inom ramen för bifogade patentkrav. Uppfinningen kan tillämpas för återvinning av värmeenergi ur avgasströmmarna från olika för- 10 o nous 517 755 o enn n bränningsmotorer och i princip vilken som helst rökgasström. Uppfinningen är lämpad för användning särksilt när förångningstemperaturen år på ett viss sätt bestämd och när värmekällor med en temperatur under förångningstemperatu- ren är i användning. l figur 2b är exempelvis med brutna streck ritat en annan, från avgasströmmen 10 oberoende värmekälla, ur vilken lågvärdig värmeenergi kan återvinnas med en värmeväxlare 14', som om så önskas kan kopplas till värmeväxlarens 14 mediumkrets.The invention is not limited to the embodiment shown, but a number of variations are conceivable within the scope of the appended claims. The invention can be applied for recovering heat energy from the exhaust gas streams from different combustion engines and in principle any flue gas stream. The invention is suitable for use especially when the evaporation temperature is determined in a certain way and when heat sources with a temperature below the evaporation temperature are in use. Figure 2b shows, for example, with broken lines another heat source, independent of the exhaust gas stream 10, from which low-grade heat energy can be recovered with a heat exchanger 14 ', which can be connected to the medium circuit of the heat exchanger 14 if desired.

Absorptionsvärmepumpen 16 dimensioneras enligt till värmeväxlarnas 13 och 14 temperaturnivåer anslutande mediumströmmar och vid behov kan användas flere funktionellt parallellt anordnade absorptionsvärmepumpar 16. Uppfinning- en kan vid behov tillämpas också genom att kombinera lösningarna enligt den- na med ﬂertryckslösningar för att åstadkomma bästa möjliga verkningsgrad.The absorption heat pump 16 is dimensioned according to medium currents connected to the temperature levels of the heat exchangers 13 and 14 and, if necessary, several functionally arranged absorption heat pumps 16 can be used if necessary.

Claims

n vv. 10 15 20 25 30 517 753: en co PATENTKRAV

A method for recovering heat from a gas stream in a system, wherein the gas stream is conducted at least through such a heat exchanger, which acts as an evaporator and to which steam generating means are connected, characterized in that heat energy is recovered from the gas stream both before its conduction to the evaporator and after the evaporator, that the temperature of the heat energy recovered after the evaporator is raised by using absorption pump means so that heat energy recovered before the evaporator is fed to them, and that recovered heat energy is transferred from the absorption pump means to the steam generating means.

2.. Process according to Claim 1, characterized in that exhaust gases from an internal combustion engine, for example a large diesel engine, are used as the gas stream.

3.. Arrangement for applying a method according to any one of the preceding claims, in which an exhaust stream (10) from an internal combustion engine or equivalent is led to one or more exhaust boilers (11) with at least one such heat exchanger (12), which operates as an evaporator and which is connected to a steam generating means (15), characterized in that it comprises a second heat exchanger (13) for recovering heat energy from the exhaust stream (10) before its conduction to the evaporator (12) and a third heat exchanger (14) for recovery of heat energy from the exhaust gas stream (10) after the evaporator (12), that in said third heat exchanger (14) the temperature of the recovered heat energy is arranged to be raised by using absorption pump means (16) so that until it is fed into said second heat exchanger (13) recovered heat energy, and that in said second heat exchanger (13) and in said third heat exchanger (14) recovered heat energy is arranged to be transferred (17) from the absorption pump means (16) to the river the generating means (15) to make the steam generation more efficient. 5177755

Arrangement according to claim 3, characterized in that said evaporator (12), second heat exchanger (13) and third heat exchanger (14) are arranged in the same exhaust boiler (12).

Arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that one or two heat exchangers (14 ') connected to said third heat exchanger (14) are connected, which are arranged to recover heat from medium streams independent of said exhaust gas stream (10).