專利名稱:以高效率產(chǎn)生蒸汽的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及在利用連接在蒸汽發(fā)生器前面的熱發(fā)生器(thermischen Generator) 的情況下在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽。
背景技術(shù):
在諸如鋼廠里、水泥廠里、造紙時(shí)等很多工業(yè)過程中,在該過程結(jié)束時(shí)以廢熱的形式提供處于中等溫度水平的熱源,該熱源可被用于運(yùn)行蒸汽發(fā)生器并由此最后產(chǎn)生電流。 從而有利的是可以利用存儲(chǔ)在該廢熱中的熱能,否則就會(huì)失去該熱能,使得可以提高整個(gè)工業(yè)過程的實(shí)際效率。在蒸汽發(fā)生器中按照公知方式蒸發(fā)一種工作介質(zhì),該工作介質(zhì)接著例如被輸送到與發(fā)電機(jī)耦合的渦輪機(jī)中。為了蒸發(fā)這種工作介質(zhì),向該蒸汽發(fā)生器輸送加熱了的熱傳輸介質(zhì),其中存儲(chǔ)在該熱傳輸介質(zhì)中的熱量被傳輸給所述工作介質(zhì),這導(dǎo)致該工作介質(zhì)被蒸發(fā)掉。在利用工業(yè)過程的廢熱時(shí),在使用廢熱的情況下加熱該熱傳輸介質(zhì)。典型地,在此熱傳輸介質(zhì)只能達(dá)到大約60°C到200°C數(shù)量級(jí)的中等溫度水平。因此,基于工業(yè)過程的廢熱產(chǎn)生蒸汽的效率比較差。替換的,還可以采用地?zé)嵩O(shè)備作為熱源,在該地?zé)嵩O(shè)備中按照公知的方式將熱傳輸介質(zhì)用泵輸送到深孔中,以借助地?zé)峒訜嵩摕醾鬏斀橘|(zhì)。在此可從該深孔中取出的熱傳輸介質(zhì)也僅位于中等溫度水平。存儲(chǔ)在熱傳輸介質(zhì)的熱能可以如上所述被用于產(chǎn)生蒸汽, 但是在此產(chǎn)生蒸汽的效率仍然比較差。
發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目標(biāo)是,在利用處于中等溫度水平的熱傳輸介質(zhì)的熱量的情況下改善產(chǎn)生蒸汽的效率。該任務(wù)通過在獨(dú)立權(quán)利要求中說明的發(fā)明解決。有利的實(shí)施方式由從屬權(quán)利要求給出。根據(jù)本發(fā)明對(duì)該任務(wù)的解決方案的基本思想在于使用熱發(fā)生器,在本文獻(xiàn)中也稱為“熱轉(zhuǎn)換器”,以提高引起工作介質(zhì)的蒸發(fā)的熱傳輸介質(zhì)的溫度。熱發(fā)生器一般用于通過輸入處于中等溫度水平的熱量以及輸出處于低溫度水平的熱量來產(chǎn)生處于高溫度水平的熱量。向熱發(fā)生器輸送處于中等溫度水平的初級(jí)熱傳輸介質(zhì)。例如,在利用諸如所提到的工業(yè)設(shè)備的廢熱管線或者諸如地?zé)嵩O(shè)備的熱源的情況下,可以將該初級(jí)熱傳輸介質(zhì)設(shè)置到中等溫度。然后可以從熱發(fā)生器或熱轉(zhuǎn)換器中取出次級(jí)熱傳輸介質(zhì)及其它,該次級(jí)熱傳輸介質(zhì)的溫度高于初級(jí)熱傳輸介質(zhì)的溫度。該熱發(fā)生器的工作原理由例如DE3521195A1或 DE19816022B4公開,因此在此不再進(jìn)一步解釋。因此利用該熱發(fā)生器可以將存儲(chǔ)在初級(jí)熱傳輸介質(zhì)中的熱量用于加熱次級(jí)熱傳輸介質(zhì)。然后,利用從現(xiàn)在起溫度比較高的次級(jí)熱傳輸介質(zhì),可以在蒸汽發(fā)生器中以比較高的效率加熱或蒸發(fā)工作介質(zhì)。在本發(fā)明的用于產(chǎn)生蒸汽的方法中,為了蒸發(fā)尤其是構(gòu)成為廢熱蒸汽發(fā)生器、 Kalina蒸汽發(fā)生器或ORC蒸汽發(fā)生器(“Organic Rankine Cycle”,有機(jī)朗肯循環(huán))的蒸汽發(fā)生器的工作介質(zhì),在該蒸汽發(fā)生器的熱交換器中將熱能從熱傳輸介質(zhì)傳輸給所述工作介質(zhì)。通過根據(jù)本發(fā)明在將熱傳輸介質(zhì)輸送給熱交換器之前在熱發(fā)生器中提高熱傳輸介質(zhì)的溫度,可以保證產(chǎn)生蒸汽的高效率。借助另一種熱傳輸介質(zhì)向熱發(fā)生器輸送熱能,其中在該另一種熱傳輸介質(zhì)到達(dá)熱發(fā)生器之前,在產(chǎn)生余熱或廢熱的工業(yè)設(shè)備中在利用該余熱或廢熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質(zhì)的溫度。由此實(shí)現(xiàn)的是,否則要失去的工業(yè)設(shè)備的余熱或廢熱可以被用于產(chǎn)生蒸汽。在替換實(shí)施方式中,也借助另一種熱傳輸介質(zhì)向熱發(fā)生器輸送熱能。在該另一種熱傳輸介質(zhì)被輸送給熱發(fā)生器之前,在地?zé)嵩O(shè)備中在利用地?zé)岬那闆r下提高該另一種熱傳輸介質(zhì)的溫度,從而可以有效地將地?zé)嵊糜诋a(chǎn)生蒸汽。輸送給熱發(fā)生器的另一種熱傳輸介質(zhì)的溫度在這兩個(gè)實(shí)施方式中都低于輸送給蒸汽發(fā)生器的熱交換器的熱傳輸介質(zhì)的溫度。根據(jù)本發(fā)明的用于在尤其是構(gòu)成為廢熱蒸汽發(fā)生器、Kalina蒸汽發(fā)生器或ORC蒸汽發(fā)生器的熱交換器中蒸發(fā)工作介質(zhì)的裝置,在該熱交換器中為了蒸發(fā)該工作介質(zhì)可以將熱能從熱傳輸介質(zhì)傳輸給該工作介質(zhì)。此外,該裝置具有用于提高該熱傳輸介質(zhì)的溫度的熱發(fā)生器。可以借助另一種熱傳輸介質(zhì)向所述熱發(fā)生器輸送熱能。在該另一種熱傳輸介質(zhì)被輸送給熱發(fā)生器之前,在產(chǎn)生余熱或廢熱的工業(yè)設(shè)備中在利用該余熱或廢熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質(zhì)的溫度。由此實(shí)現(xiàn)的是,否則要失去的工業(yè)設(shè)備的余熱或廢熱可以被用于產(chǎn)生蒸汽。在替換實(shí)施方式中,借助另一種熱傳輸介質(zhì)也可以向熱發(fā)生器輸送熱能。在該另一種熱傳輸介質(zhì)被輸送給熱發(fā)生器之前,在地?zé)嵩O(shè)備中在利用地?zé)岬那闆r下可以提高該另一種熱傳輸介質(zhì)的溫度,從而可以有效地將地?zé)嵊糜诋a(chǎn)生蒸汽。
由下面描述的實(shí)施例以及借助附圖給出本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)。在此圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于產(chǎn)生蒸汽的廢熱利用,圖2示出用于利用工業(yè)設(shè)備的廢熱的熱發(fā)生器的第一應(yīng)用示例,圖3示出用于利用在地?zé)嵩O(shè)備中累積的熱量的熱發(fā)生器的第二應(yīng)用示例。在附圖中用相同的附圖標(biāo)記表示相同或相互對(duì)應(yīng)的區(qū)域、部件、組件或方法步驟。 在管線中的流動(dòng)方向通過箭頭示出。
具體實(shí)施例方式圖1示出已經(jīng)公知的用于利用諸如鋼廠的工業(yè)設(shè)備100的廢熱來蒸發(fā)蒸汽發(fā)生器 200的工作介質(zhì)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(zhì)W流過的熱交換器120。熱傳輸介質(zhì)W的溫度在熱交換器120中從溫度Tl (W)提高到溫度 T2(W)。經(jīng)過加熱的熱傳輸介質(zhì)W通過泵140輸送,經(jīng)由管線130到達(dá)蒸汽發(fā)生器200的熱交換器220。此外,熱交換器220被待蒸發(fā)的工作介質(zhì)A流過。在熱交換器220中進(jìn)行從熱傳輸介質(zhì)W到工作介質(zhì)A的熱量轉(zhuǎn)移,其中工作介質(zhì)A被加熱和蒸發(fā),而熱傳輸介質(zhì)W 的溫度相應(yīng)降低。經(jīng)過冷卻的熱傳輸介質(zhì)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(fā)生器的熱交換器220中蒸發(fā)的工作介質(zhì)A通過管線230輸送到渦輪機(jī) 240并且驅(qū)動(dòng)該渦輪機(jī)。渦輪機(jī)240為了最終產(chǎn)生電流而與發(fā)電機(jī)250連接,從而最后以本身公知的方式可以在利用鋼廠100的廢熱的情況下產(chǎn)生電流。在渦輪機(jī)240中膨脹的工作介質(zhì)A典型地在渦輪機(jī)240之后通過管線260弓I導(dǎo)至冷卻器270,以便接著借助泵280又被輸送到熱交換器220。圖2示出本發(fā)明方案的第一應(yīng)用。在此也假定在工業(yè)設(shè)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(yè)設(shè)備100的廢熱用于將初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl 從溫度Tl (Wl)加熱到更高的溫度T2 (Wl)。經(jīng)過加熱的初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl借助泵140通過管線130到達(dá)熱發(fā)生器300的輸入端301。如開頭所提到的,借助熱發(fā)生器300可以將存儲(chǔ)在工業(yè)設(shè)備100的廢熱流中的、位于大約60°C至80°C的相對(duì)較低溫度水平Tl的熱量用于提高次級(jí)熱傳輸介質(zhì)W2的溫度,該次級(jí)熱傳輸介質(zhì)在連接在熱發(fā)生器300之后的諸如產(chǎn)生蒸汽的過程中用于本身提高所述連接在后的過程的工作介質(zhì)A的溫度,尤其是用于蒸發(fā)該工作介質(zhì)A。初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl通過熱發(fā)生器300,其中該初級(jí)熱傳輸介質(zhì)在熱發(fā)生器300中進(jìn)行的過程中冷卻,最后可在輸出端302取出。初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl從輸出端302通過管線 150返回在工業(yè)設(shè)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(jí)熱傳輸介質(zhì)W2通過輸入端303輸送到熱發(fā)生器300。在該熱發(fā)生器中,次級(jí)熱傳輸介質(zhì)W2最后通過利用初級(jí)熱傳輸介質(zhì)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(jí)熱傳輸介質(zhì)W2現(xiàn)在在熱發(fā)生器300的輸出端304被取出,并借助泵310通過管線210被輸送到蒸汽發(fā)生器200的熱交換器220。在熱交換器220中,如結(jié)合圖1所描述的那樣引起蒸汽發(fā)生器200的工作介質(zhì)A的蒸發(fā),從而可以接著利用渦輪機(jī) 240和發(fā)電機(jī)250產(chǎn)生電流。在此過程中次級(jí)熱傳輸介質(zhì)W2冷卻,接著通過管線290又輸送到熱發(fā)生器300的輸入端303,在該熱發(fā)生器300中再次被加熱。由于使用熱發(fā)生器300,產(chǎn)生蒸汽或電流的效率高于在結(jié)合圖1中所描述的、現(xiàn)有技術(shù)中公知的設(shè)備中所達(dá)到的效率。該熱發(fā)生器實(shí)際連接在工業(yè)設(shè)備的廢熱管線和蒸汽發(fā)生器之間,并且引起輸送到蒸汽發(fā)生器的熱傳輸介質(zhì)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(fā)生器300輸入和輸出另一種介質(zhì)。如開頭所提到的,熱發(fā)生器一般地用于通過輸入處于中等溫度水平的熱量并且輸出處于低溫度水平的熱量從而產(chǎn)生處于高溫度水平的熱量。從輸入端305輸入并且可在輸出端306取出的介質(zhì)用于輸出處于低溫度水平的熱量。借助初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl輸入處于中等溫度水平的熱量,而次級(jí)熱傳輸介質(zhì)W2輸出處于高溫度水平的熱量并且將該熱量傳輸至蒸汽發(fā)生器200的熱交換器220。圖3示出本發(fā)明方案的第二應(yīng)用。目前借助工業(yè)設(shè)備的廢熱被設(shè)置到更高的溫度 T2(ffl)的初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl在此在地?zé)嵩O(shè)備400中被加熱。按照公知的方式,地?zé)崾褂么鎯?chǔ)在地殼中的熱量。熱交換器410被放置于特定深度處并且被初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl流過, 在該初級(jí)熱傳輸介質(zhì)中占主導(dǎo)地位的更高的溫度從而被用于將初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl的溫度 T(Wl)提高到值T2(W1)。根據(jù)本發(fā)明,這樣加熱的初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl借助泵420通過管線 430被輸送到熱發(fā)生器300的輸入端301。如上所述,熱發(fā)生器300被用于基于在初級(jí)熱傳輸介質(zhì)Wl中存儲(chǔ)的熱量將次級(jí)熱傳輸介質(zhì)W2從溫度Tl (W2)加熱到更高的溫度T2 (W2)。 經(jīng)過加熱的熱傳輸介質(zhì)W2接著類似于結(jié)合圖2所描述的方法在蒸汽發(fā)生器200中用于產(chǎn)生蒸汽和電流。在附圖中以在工業(yè)設(shè)備中和地?zé)嵩O(shè)備中的應(yīng)用具體地描述了本發(fā)明。該工業(yè)設(shè)備原則上可以是其中累積余熱或廢熱的設(shè)備,也就是例如鋼廠、水泥廠、造紙廠等等。還可以考慮將發(fā)電站的廢熱用于上述目的在發(fā)電站中產(chǎn)生的廢熱包含巨大的能量儲(chǔ)備,尤其是以余熱的形式,該廢熱累積在例如燃料燃燒之后的煙氣中和/或在渦輪機(jī)的后方。根據(jù)本發(fā)明,該余熱可以被用于加熱上述將被輸送給熱發(fā)生器的初級(jí)熱傳輸介質(zhì)。該熱發(fā)生器用于將次級(jí)熱傳輸介質(zhì)設(shè)置到更高的溫度。由此,利用次級(jí)熱傳輸介質(zhì)例如可以對(duì)發(fā)電站中燃燒所需要的燃燒用空氣進(jìn)行預(yù)熱,以引起更有效的燃燒。還可以將次級(jí)熱傳輸介質(zhì)用于在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生如上所述用于諸如泵這類發(fā)電站的工具器械的電流。一般地,所有這些設(shè)備,也就是如上所述適用于本發(fā)明的產(chǎn)生余熱或廢熱的工業(yè)設(shè)備,包括發(fā)電站、地?zé)嵩O(shè)備等都可以總結(jié)在概念“熱源”下。因此,這些設(shè)備一般地是可以提供熱能的設(shè)備,利用該熱能應(yīng)當(dāng)能將初級(jí)熱傳輸介質(zhì)從低溫Tl (Wl)加熱到高溫T2 (Wl)。在附圖中示出的蒸汽發(fā)生器200可以是例如廢熱蒸汽發(fā)生器(AHDE或HRSG,“heat recovery steam generator”,廢熱回收蒸汽發(fā)生器)、Kalina蒸汽發(fā)生器或ORC蒸汽發(fā)生器。所有這些專用的蒸汽發(fā)生器的共同點(diǎn)是,待蒸發(fā)的工作介質(zhì)與水相比具有較低的沸點(diǎn)。 所謂的“Kalina過程”描述了一種用于在較低的溫度水平時(shí)產(chǎn)生蒸汽的方法,其中待蒸發(fā)的工作介質(zhì)不是水而是一種氨水混合物,該氨水混合物在較低溫度時(shí)就已經(jīng)蒸發(fā)了。同樣公知的是所謂的“0RC過程”,其中采用具有較低蒸發(fā)溫度的有機(jī)流體作為待蒸發(fā)的工作介質(zhì)。但是,由于次級(jí)熱傳輸介質(zhì)的更高的溫度T2 (W2),原則上還不應(yīng)當(dāng)排除采用將水作為工作介質(zhì)A的蒸汽發(fā)生器。ORC過程和Kalina過程雖然都適用于通過利用處于較低或中等溫度水平的熱傳輸介質(zhì)的熱量來產(chǎn)生蒸汽。但是,在產(chǎn)生蒸汽時(shí)的效率非常強(qiáng)烈地取決于熱源或熱傳輸介質(zhì)的溫度。例如當(dāng)熱傳輸介質(zhì)的溫度從60°C提高到120°C時(shí),Carnot效率提高到三倍。溫度提高到200°C導(dǎo)致效率大約升高到5倍值。因此,根據(jù)本發(fā)明,使用連接在蒸汽產(chǎn)生之前并且將熱傳輸介質(zhì)設(shè)置到較高溫度的熱發(fā)生器對(duì)效率有積極作用。
權(quán)利要求
1.一種用于蒸發(fā)蒸汽發(fā)生器000)、尤其是廢熱蒸汽發(fā)生器、Kalina蒸汽發(fā)生器或ORC 蒸汽發(fā)生器的工作介質(zhì)(A)的方法,其中,在該蒸汽發(fā)生器O00)的熱交換器(220)中為了蒸發(fā)該工作介質(zhì)(A)將熱能從熱傳輸介質(zhì)(M)傳輸給所述工作介質(zhì)(A),其特征在于,在將所述熱傳輸介質(zhì)(M)輸送給熱交換器(220)之前,在熱發(fā)生器(300)中提高該熱傳輸介質(zhì) (W2)的溫度(T(W2))。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,利用另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)向所述熱發(fā)生器(300)輸送熱能,其中,在該另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)被輸送到所述熱發(fā)生器(300)之前,在產(chǎn)生余熱或廢熱的工業(yè)設(shè)備(100)中在利用該余熱或廢熱的情況下提高該另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)的溫度(T(Wl))0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,借助另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)向所述熱發(fā)生器(300)輸送熱能,其中,在該另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)被輸送給熱發(fā)生器(300)之前,在地?zé)嵩O(shè)備G00)中在利用地?zé)岬那闆r下提高該另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)的溫度(T(Wl))。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法,其特征在于,輸送給所述熱發(fā)生器(300)的所述另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)的溫度(T2(W1))低于輸送給所述蒸汽發(fā)生器O00)的熱交換器 (220)的熱傳輸介質(zhì)(W2)的溫度(T2(W2))。
5.一種用于在蒸汽發(fā)生器000)、尤其是廢熱蒸汽發(fā)生器、Kalina蒸汽發(fā)生器或ORC 蒸汽發(fā)生器的熱交換器(220)中蒸發(fā)工作介質(zhì)(A)的裝置,其中,在該熱交換器(220)中為了蒸發(fā)所述工作介質(zhì)(A)能夠?qū)崮軓臒醾鬏斀橘|(zhì)(M)傳輸給該工作介質(zhì)(A),其特征在于,所述裝置具有用于提高所述熱傳輸介質(zhì)(M)的溫度(T(W》)的熱發(fā)生器(300)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置,其特征在于,利用另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)能夠向所述熱發(fā)生器(300)輸送熱能,其中,在所述另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)被輸送給熱發(fā)生器(300) 之前,在產(chǎn)生余熱或廢熱的工業(yè)設(shè)備(100)中在利用該余熱或廢熱的情況下能夠提高該另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)的溫度(T(Wl))0
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置,其特征在于,利用另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)能夠向所述熱發(fā)生器(300)輸送熱能,其中,在所述另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl)被輸送給所述熱發(fā)生器 (300)之前,在地?zé)嵩O(shè)備000)中在利用地?zé)岬那闆r下能夠提高該另一種熱傳輸介質(zhì)(Wl) 的溫度(T(WI))0
全文摘要
本發(fā)明涉及在利用連接在蒸汽發(fā)生器之前的熱發(fā)生器(300)的情況下從蒸汽發(fā)生器(200)的工作介質(zhì)(A)中產(chǎn)生蒸汽,該蒸汽發(fā)生器尤其體現(xiàn)在廢熱蒸汽發(fā)生器、Kalina蒸汽發(fā)生器或者ORC蒸汽發(fā)生器。為了蒸發(fā)該工作介質(zhì),蒸汽發(fā)生器使用了一種熱的熱量傳輸介質(zhì)(W2),在該熱量傳輸介質(zhì)輸送到蒸汽發(fā)生器之前,根據(jù)本發(fā)明該熱量傳輸介質(zhì)在熱發(fā)生器中被加熱,從而可以提高蒸發(fā)效率。例如,工業(yè)設(shè)備(100)的余熱或廢熱,或者可使用地?zé)岬牡責(zé)嵩O(shè)備(400)能夠用作熱發(fā)生器的熱源。
文檔編號(hào)F01K23/02GK102362047SQ201080012609
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者B.格羅莫爾 申請(qǐng)人:西門子公司