以高效率產生蒸汽的裝置和方法

2023-10-17 06:10:14

專利名稱：以高效率產生蒸汽的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及在利用連接在蒸汽發生器前面的熱發生器(thermischen Generator) 的情況下在蒸汽發生器中產生蒸汽。
背景技術：
在諸如鋼廠裡、水泥廠裡、造紙時等很多工業過程中，在該過程結束時以廢熱的形式提供處於中等溫度水平的熱源，該熱源可被用於運行蒸汽發生器並由此最後產生電流。 從而有利的是可以利用存儲在該廢熱中的熱能，否則就會失去該熱能，使得可以提高整個工業過程的實際效率。在蒸汽發生器中按照公知方式蒸發一種工作介質，該工作介質接著例如被輸送到與發電機耦合的渦輪機中。為了蒸發這種工作介質，向該蒸汽發生器輸送加熱了的熱傳輸介質，其中存儲在該熱傳輸介質中的熱量被傳輸給所述工作介質，這導致該工作介質被蒸發掉。在利用工業過程的廢熱時，在使用廢熱的情況下加熱該熱傳輸介質。典型地，在此熱傳輸介質只能達到大約60°C到200°C數量級的中等溫度水平。因此，基於工業過程的廢熱產生蒸汽的效率比較差。替換的，還可以採用地熱設備作為熱源，在該地熱設備中按照公知的方式將熱傳輸介質用泵輸送到深孔中，以藉助地熱加熱該熱傳輸介質。在此可從該深孔中取出的熱傳輸介質也僅位於中等溫度水平。存儲在熱傳輸介質的熱能可以如上所述被用於產生蒸汽， 但是在此產生蒸汽的效率仍然比較差。

發明內容
因此本發明的目標是，在利用處於中等溫度水平的熱傳輸介質的熱量的情況下改善產生蒸汽的效率。該任務通過在獨立權利要求中說明的發明解決。有利的實施方式由從屬權利要求給出。根據本發明對該任務的解決方案的基本思想在於使用熱發生器，在本文獻中也稱為「熱轉換器」，以提高引起工作介質的蒸發的熱傳輸介質的溫度。熱發生器一般用於通過輸入處於中等溫度水平的熱量以及輸出處於低溫度水平的熱量來產生處於高溫度水平的熱量。向熱發生器輸送處於中等溫度水平的初級熱傳輸介質。例如，在利用諸如所提到的工業設備的廢熱管線或者諸如地熱設備的熱源的情況下，可以將該初級熱傳輸介質設置到中等溫度。然後可以從熱發生器或熱轉換器中取出次級熱傳輸介質及其它，該次級熱傳輸介質的溫度高於初級熱傳輸介質的溫度。該熱發生器的工作原理由例如DE3521195A1或 DE19816022B4公開，因此在此不再進一步解釋。因此利用該熱發生器可以將存儲在初級熱傳輸介質中的熱量用於加熱次級熱傳輸介質。然後，利用從現在起溫度比較高的次級熱傳輸介質，可以在蒸汽發生器中以比較高的效率加熱或蒸發工作介質。在本發明的用於產生蒸汽的方法中，為了蒸發尤其是構成為廢熱蒸汽發生器、 Kalina蒸汽發生器或ORC蒸汽發生器(「Organic Rankine Cycle」，有機朗肯循環)的蒸汽發生器的工作介質，在該蒸汽發生器的熱交換器中將熱能從熱傳輸介質傳輸給所述工作介質。通過根據本發明在將熱傳輸介質輸送給熱交換器之前在熱發生器中提高熱傳輸介質的溫度，可以保證產生蒸汽的高效率。藉助另一種熱傳輸介質向熱發生器輸送熱能，其中在該另一種熱傳輸介質到達熱發生器之前，在產生餘熱或廢熱的工業設備中在利用該餘熱或廢熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質的溫度。由此實現的是，否則要失去的工業設備的餘熱或廢熱可以被用於產生蒸汽。在替換實施方式中，也藉助另一種熱傳輸介質向熱發生器輸送熱能。在該另一種熱傳輸介質被輸送給熱發生器之前，在地熱設備中在利用地熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質的溫度，從而可以有效地將地熱用於產生蒸汽。輸送給熱發生器的另一種熱傳輸介質的溫度在這兩個實施方式中都低於輸送給蒸汽發生器的熱交換器的熱傳輸介質的溫度。根據本發明的用於在尤其是構成為廢熱蒸汽發生器、Kalina蒸汽發生器或ORC蒸汽發生器的熱交換器中蒸發工作介質的裝置，在該熱交換器中為了蒸發該工作介質可以將熱能從熱傳輸介質傳輸給該工作介質。此外，該裝置具有用於提高該熱傳輸介質的溫度的熱發生器。可以藉助另一種熱傳輸介質向所述熱發生器輸送熱能。在該另一種熱傳輸介質被輸送給熱發生器之前，在產生餘熱或廢熱的工業設備中在利用該餘熱或廢熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質的溫度。由此實現的是，否則要失去的工業設備的餘熱或廢熱可以被用於產生蒸汽。在替換實施方式中，藉助另一種熱傳輸介質也可以向熱發生器輸送熱能。在該另一種熱傳輸介質被輸送給熱發生器之前，在地熱設備中在利用地熱的情況下可以提高該另一種熱傳輸介質的溫度，從而可以有效地將地熱用於產生蒸汽。


由下面描述的實施例以及藉助附圖給出本發明的其它優點、特徵和細節。在此圖1示出根據現有技術的用於產生蒸汽的廢熱利用，圖2示出用於利用工業設備的廢熱的熱發生器的第一應用示例，圖3示出用於利用在地熱設備中累積的熱量的熱發生器的第二應用示例。在附圖中用相同的附圖標記表示相同或相互對應的區域、部件、組件或方法步驟。 在管線中的流動方向通過箭頭示出。
具體實施例方式圖1示出已經公知的用於利用諸如鋼廠的工業設備100的廢熱來蒸發蒸汽發生器 200的工作介質A的可能性。在僅示意的鋼廠100的廢熱管線110中安裝了被熱傳輸介質W流過的熱交換器120。熱傳輸介質W的溫度在熱交換器120中從溫度Tl (W)提高到溫度 T2(W)。經過加熱的熱傳輸介質W通過泵140輸送，經由管線130到達蒸汽發生器200的熱交換器220。此外，熱交換器220被待蒸發的工作介質A流過。在熱交換器220中進行從熱傳輸介質W到工作介質A的熱量轉移，其中工作介質A被加熱和蒸發，而熱傳輸介質W 的溫度相應降低。經過冷卻的熱傳輸介質W接著通過管線150返回到鋼廠100的廢熱管線 110中的熱交換器120，以便在該熱交換器中再次被加熱。在蒸汽發生器的熱交換器220中蒸發的工作介質A通過管線230輸送到渦輪機 240並且驅動該渦輪機。渦輪機240為了最終產生電流而與發電機250連接，從而最後以本身公知的方式可以在利用鋼廠100的廢熱的情況下產生電流。在渦輪機240中膨脹的工作介質A典型地在渦輪機240之後通過管線260弓I導至冷卻器270，以便接著藉助泵280又被輸送到熱交換器220。圖2示出本發明方案的第一應用。在此也假定在工業設備100的廢熱管線110中具有熱交換器120，在該熱交換器120中將工業設備100的廢熱用於將初級熱傳輸介質Wl 從溫度Tl (Wl)加熱到更高的溫度T2 (Wl)。經過加熱的初級熱傳輸介質Wl藉助泵140通過管線130到達熱發生器300的輸入端301。如開頭所提到的，藉助熱發生器300可以將存儲在工業設備100的廢熱流中的、位於大約60°C至80°C的相對較低溫度水平Tl的熱量用於提高次級熱傳輸介質W2的溫度，該次級熱傳輸介質在連接在熱發生器300之後的諸如產生蒸汽的過程中用於本身提高所述連接在後的過程的工作介質A的溫度，尤其是用於蒸發該工作介質A。初級熱傳輸介質Wl通過熱發生器300，其中該初級熱傳輸介質在熱發生器300中進行的過程中冷卻，最後可在輸出端302取出。初級熱傳輸介質Wl從輸出端302通過管線 150返回在工業設備100的廢熱管線110中的熱交換器120，以便在熱交換器120中再次被加熱。次級熱傳輸介質W2通過輸入端303輸送到熱發生器300。在該熱發生器中，次級熱傳輸介質W2最後通過利用初級熱傳輸介質Wl的熱量而從溫度Tl (W》被加熱到溫度 T2 (W2)。這樣加熱的次級熱傳輸介質W2現在在熱發生器300的輸出端304被取出，並藉助泵310通過管線210被輸送到蒸汽發生器200的熱交換器220。在熱交換器220中，如結合圖1所描述的那樣引起蒸汽發生器200的工作介質A的蒸發，從而可以接著利用渦輪機 240和發電機250產生電流。在此過程中次級熱傳輸介質W2冷卻，接著通過管線290又輸送到熱發生器300的輸入端303，在該熱發生器300中再次被加熱。由於使用熱發生器300，產生蒸汽或電流的效率高於在結合圖1中所描述的、現有技術中公知的設備中所達到的效率。該熱發生器實際連接在工業設備的廢熱管線和蒸汽發生器之間，並且引起輸送到蒸汽發生器的熱傳輸介質具有更高的溫度。為完整起見，在圖2中還表示出輸入端305和輸出端306，通過該輸入端和輸出端可以向熱發生器300輸入和輸出另一種介質。如開頭所提到的，熱發生器一般地用於通過輸入處於中等溫度水平的熱量並且輸出處於低溫度水平的熱量從而產生處於高溫度水平的熱量。從輸入端305輸入並且可在輸出端306取出的介質用於輸出處於低溫度水平的熱量。藉助初級熱傳輸介質Wl輸入處於中等溫度水平的熱量，而次級熱傳輸介質W2輸出處於高溫度水平的熱量並且將該熱量傳輸至蒸汽發生器200的熱交換器220。圖3示出本發明方案的第二應用。目前藉助工業設備的廢熱被設置到更高的溫度 T2(ffl)的初級熱傳輸介質Wl在此在地熱設備400中被加熱。按照公知的方式，地熱使用存儲在地殼中的熱量。熱交換器410被放置於特定深度處並且被初級熱傳輸介質Wl流過， 在該初級熱傳輸介質中佔主導地位的更高的溫度從而被用於將初級熱傳輸介質Wl的溫度 T(Wl)提高到值T2(W1)。根據本發明，這樣加熱的初級熱傳輸介質Wl藉助泵420通過管線 430被輸送到熱發生器300的輸入端301。如上所述，熱發生器300被用於基於在初級熱傳輸介質Wl中存儲的熱量將次級熱傳輸介質W2從溫度Tl (W2)加熱到更高的溫度T2 (W2)。 經過加熱的熱傳輸介質W2接著類似於結合圖2所描述的方法在蒸汽發生器200中用於產生蒸汽和電流。在附圖中以在工業設備中和地熱設備中的應用具體地描述了本發明。該工業設備原則上可以是其中累積餘熱或廢熱的設備，也就是例如鋼廠、水泥廠、造紙廠等等。還可以考慮將發電站的廢熱用於上述目的在發電站中產生的廢熱包含巨大的能量儲備，尤其是以餘熱的形式，該廢熱累積在例如燃料燃燒之後的煙氣中和/或在渦輪機的後方。根據本發明，該餘熱可以被用於加熱上述將被輸送給熱發生器的初級熱傳輸介質。該熱發生器用於將次級熱傳輸介質設置到更高的溫度。由此，利用次級熱傳輸介質例如可以對發電站中燃燒所需要的燃燒用空氣進行預熱，以引起更有效的燃燒。還可以將次級熱傳輸介質用於在蒸汽發生器中產生如上所述用於諸如泵這類發電站的工具器械的電流。一般地，所有這些設備，也就是如上所述適用於本發明的產生餘熱或廢熱的工業設備，包括發電站、地熱設備等都可以總結在概念「熱源」下。因此，這些設備一般地是可以提供熱能的設備，利用該熱能應當能將初級熱傳輸介質從低溫Tl (Wl)加熱到高溫T2 (Wl)。在附圖中示出的蒸汽發生器200可以是例如廢熱蒸汽發生器(AHDE或HRSG，「heat recovery steam generator」，廢熱回收蒸汽發生器)、Kalina蒸汽發生器或ORC蒸汽發生器。所有這些專用的蒸汽發生器的共同點是，待蒸發的工作介質與水相比具有較低的沸點。 所謂的「Kalina過程」描述了一種用於在較低的溫度水平時產生蒸汽的方法，其中待蒸發的工作介質不是水而是一種氨水混合物，該氨水混合物在較低溫度時就已經蒸發了。同樣公知的是所謂的「0RC過程」，其中採用具有較低蒸發溫度的有機流體作為待蒸發的工作介質。但是，由於次級熱傳輸介質的更高的溫度T2 (W2)，原則上還不應當排除採用將水作為工作介質A的蒸汽發生器。ORC過程和Kalina過程雖然都適用於通過利用處於較低或中等溫度水平的熱傳輸介質的熱量來產生蒸汽。但是，在產生蒸汽時的效率非常強烈地取決於熱源或熱傳輸介質的溫度。例如當熱傳輸介質的溫度從60°C提高到120°C時，Carnot效率提高到三倍。溫度提高到200°C導致效率大約升高到5倍值。因此，根據本發明，使用連接在蒸汽產生之前並且將熱傳輸介質設置到較高溫度的熱發生器對效率有積極作用。
權利要求
1.一種用於蒸發蒸汽發生器000)、尤其是廢熱蒸汽發生器、Kalina蒸汽發生器或ORC 蒸汽發生器的工作介質(A)的方法，其中，在該蒸汽發生器O00)的熱交換器(220)中為了蒸發該工作介質(A)將熱能從熱傳輸介質(M)傳輸給所述工作介質(A)，其特徵在於，在將所述熱傳輸介質(M)輸送給熱交換器(220)之前，在熱發生器(300)中提高該熱傳輸介質 (W2)的溫度(T(W2))。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，利用另一種熱傳輸介質(Wl)向所述熱發生器(300)輸送熱能，其中，在該另一種熱傳輸介質(Wl)被輸送到所述熱發生器(300)之前，在產生餘熱或廢熱的工業設備(100)中在利用該餘熱或廢熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質(Wl)的溫度(T(Wl))0
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，藉助另一種熱傳輸介質(Wl)向所述熱發生器(300)輸送熱能，其中，在該另一種熱傳輸介質(Wl)被輸送給熱發生器(300)之前，在地熱設備G00)中在利用地熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質(Wl)的溫度(T(Wl))。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，輸送給所述熱發生器(300)的所述另一種熱傳輸介質(Wl)的溫度(T2(W1))低於輸送給所述蒸汽發生器O00)的熱交換器 (220)的熱傳輸介質(W2)的溫度(T2(W2))。
5.一種用於在蒸汽發生器000)、尤其是廢熱蒸汽發生器、Kalina蒸汽發生器或ORC 蒸汽發生器的熱交換器(220)中蒸發工作介質(A)的裝置，其中，在該熱交換器(220)中為了蒸發所述工作介質(A)能夠將熱能從熱傳輸介質(M)傳輸給該工作介質(A)，其特徵在於，所述裝置具有用於提高所述熱傳輸介質(M)的溫度(T(W》)的熱發生器(300)。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，利用另一種熱傳輸介質(Wl)能夠向所述熱發生器(300)輸送熱能，其中，在所述另一種熱傳輸介質(Wl)被輸送給熱發生器(300) 之前，在產生餘熱或廢熱的工業設備(100)中在利用該餘熱或廢熱的情況下能夠提高該另一種熱傳輸介質(Wl)的溫度(T(Wl))0
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，利用另一種熱傳輸介質(Wl)能夠向所述熱發生器(300)輸送熱能，其中，在所述另一種熱傳輸介質(Wl)被輸送給所述熱發生器 (300)之前，在地熱設備000)中在利用地熱的情況下能夠提高該另一種熱傳輸介質(Wl) 的溫度(T(WI))0
全文摘要
本發明涉及在利用連接在蒸汽發生器之前的熱發生器(300)的情況下從蒸汽發生器(200)的工作介質(A)中產生蒸汽，該蒸汽發生器尤其體現在廢熱蒸汽發生器、Kalina蒸汽發生器或者ORC蒸汽發生器。為了蒸發該工作介質，蒸汽發生器使用了一種熱的熱量傳輸介質(W2)，在該熱量傳輸介質輸送到蒸汽發生器之前，根據本發明該熱量傳輸介質在熱發生器中被加熱，從而可以提高蒸發效率。例如，工業設備(100)的餘熱或廢熱，或者可使用地熱的地熱設備(400)能夠用作熱發生器的熱源。
文檔編號F01K23/02GK102362047SQ201080012609
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月17日 優先權日2009年3月20日
發明者B.格羅莫爾 申請人:西門子公司