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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Prozessdampf sowie eine Prozessdampferzeugungsanlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Unter Prozessdampf versteht man aus Speisewasser gewonnenen Wasserdampf, der dazu genutzt wird, einem Industrieprozess Prozesswärme und/oder gasförmiges Wasser zuzuführen. Druck und Temperatur des Prozessdampfes können dabei in Abhängigkeit vom Industrieprozess variieren.
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Die Energie zur Erzeugung von Prozessdampf wird normalerweise durch Verbrennung fossiler Energieträger bereitgestellt. In jüngerer Zeit wird zur Prozessdampferzeugung aus bereits vorgeheiztem Speisewasser auch Wärmeenergie von Prozessmedien genutzt, die eine vergleichsweise geringe Temperatur aufweisen, beispielsweise in Form von durch den Prozess erwärmten Kühlwassers mit Temperaturen im Bereich von 60-80°C. Ein Vorteil besteht in besagtem Fall zum einen darin, dass die Restenergie des Kühlwassers genutzt wird. Zum anderen wird das Kühlwasser rückgekühlt, so dass es erneut eingesetzt werden kann. Um Speisewasser mit der Wärmeenergie von Prozessmedien im besagten Temperaturbereich bei Umgebungsdruck verdampfen zu können, werden mit einem Kältemittel betriebene Wärmepumpenprozesse eingesetzt. Bei solchen Wärmepumpenprozessen wird das Kältemittel unter Einsatz des Prozessmediums in einem Wärmetauscher verdampft, anschließend verdichtet und dann in einem Kondensator kondensiert. Die bei der Kondensation freigesetzte Wärme wird dann in einem Dampferzeuger zur Verdampfung des Speisewassers genutzt, woraufhin der erzeugte Prozessdampf weiter verdichtet wird. Das kondensierte Kältemittel wird dann expandiert und zum Wärmetauscher rückgeführt.
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Als Kältemittel werden sowohl synthetische Kältemittel, beispielsweise R1233zd(E) als auch natürliche Kältemittel eingesetzt, beispielsweise R600. Aus umwelttechnischer Sicht wäre es allerdings wünschenswert, auf den Einsatz solcher Kältemittel zu verzichten. Zudem ergeben sich bei optimierter und sicherer Auslegung komplexe Anlagenverschaltungen. Trotz intensiver Bemühungen bleibt bei der Verwendung eines ein Kältemittel verwendenden Wärmepumpenprozesses der Makel zusätzlicher Grädigkeiten mit den verbundenen Einbußen bezüglich der Prozesseffizienz.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Erzeugung von Prozessdampf sowie eine alternative Prozessdampferzeugungsanlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Prozessdampf, umfassend die Schritte: a) Verdampfen von Speisewasser unter Erzeugung von Prozessdampf in einem Dampferzeuger durch Wärmetausch mit einem Prozessmedium, wobei das Verdampfen unter Unterdruck erfolgt und der Unterdruck in Abhängigkeit von der Temperatur des Prozessmediums eingestellt wird, b) Überhitzen des den Dampferzeuger verlassenden, unter Unterdruck stehenden Prozessdampfes durch Drosselung und / oder in einem Überhitzer und c) Verdichten des überhitzten, unter Unterdruck stehenden Prozessdampfes in einem mehrstufigen, ein einzelnes Gehäuse aufweisenden Axialverdichter derart, dass der den Axialverdichter verlassende Prozessdampf Überdruck aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet somit vollständig auf den Einsatz von Kältemitteln, was durch die damit verbundene Reduzierung der Prozesskomplexität, die insbesondere mit dem Wegfall des Kältemittelkondensators einhergeht, zu deutlich besseren Wirkungsgraden führt. Statt Nutzung eines Kältemittels wird das Speisewasser direkt unter Einsatz der Wärmeenergie des Prozessmediums verdampft. Um ein Verdampfen des Speisewassers bei Temperaturen des Prozessmediums von meist deutlich unterhalb von 100°C zu realisieren, wird der Dampferzeuger unter Unterdruck betrieben, also bei Drücken unterhalb von 1 bar, wobei der zur Verdampfung erforderliche Unterdruck in Abhängigkeit von der Temperatur des Prozessmediums gewählt wird. Der den Dampferzeuger verlassende, weiterhin unter Unterdruck stehende Prozessdampf wird dann in einem Überhitzer überhitzt, um am Eingang des stromabwärts angeordneten Axialverdichters trocken, leicht überhitzten Wasserdampf zu gewährleisten. Alternativ oder in Kombination mit dem Überhitzer, kann die notwendige Überhitzung auch durch Drosselung des erzeugten Sattdampfes über Drosseleinrichtungen wie Blenden und Klappen oder durch eine modifizierte Rohrleitungsauslegung mit erhöhtem Druckverlust erfolgen. Der Axialverdichter wird dann dazu eingesetzt, den durch die geringe Dichte verursachten großen Prozessdampfvolumenstrom aus dem Unterdruckbereich in den Überdruckbereich zu verdichten. Der Axialverdichter zeichnet sich dadurch aus, dass er große Volumenströme mit hohen Verdichtungsverhältnissen kombinieren kann.
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Das Prozessmedium weist beim Eintritt in den Dampferzeuger bevorzugt eine Temperatur im Bereich von 30 bis 90°C auf. In diesem Temperaturbereich ist der Unterdruck, der zum Verdampfen des Speisewassers erforderlich ist, vergleichsweise problemlos realisierbar.
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Vorteilhaft wird das Speisewasser in den Dampferzeuger eingesprüht. Ziel ist es, die auf den Dampferzeugerrohren, die von dem Prozessmedium durchströmt werden, auftreffenden Speisewassertröpfchen möglichst unmittelbar zu verdampfen, um auf diese Weise die Entstehung einer Wassersäule innerhalb des Dampferzeugers und die damit einhergehende Druckerhöhung zu vermeiden. Um einen beim Einsatz eines Sprühprozeese recht wahrscheinlichen Tröpfchenmitriss zu verhindern, kann vor oder unmittelbar nach dem Austritt des Prozessdampfes aus dem Dampferzeuger eine Tropfenabscheidung erfolgen, beispielsweise unter Einsatz eines Demisters.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dem Überhitzer über das Speisewasser Wärmeenergie zugeführt, wodurch ein besonders einfacher und kompakter Aufbau erzielt wird.
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Bevorzugt wird der den Axialverdichter verlassende Prozessdampf in einem mehrstufigen Radialverdichter auf einen höheren Druck weiter verdichtet, den der Prozessdampf für einen vorbestimmten Industrieprozess benötigt. Der Einsatz eines Radialverdichters hat kosten- und leistungstechnische Vorteile.
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Die einzelnen Stufen des Axialverdichters und/oder die einzelnen Stufen des Radialverdichters werden vorteilhaft über einen gemeinsamen Antriebsstrang motorisch angetrieben, wobei jedem Verdichter bevorzugt ein eigenes Getriebe zugeordnet ist. Auf diese Weise wird ein preiswerter Aufbau erzielt.
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Vorteilhaft wird der den Axialverdichter verlassende Prozessdampf vor dem Eintritt in den Radialverdichter gekühlt, um zu hohe Ein- bzw. Austrittstemperaturen zu vermeiden, welche den Radialverdichter beschädigen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Kühlung zusätzlicher Prozessdampf erzeugt, der dem den Radialverdichter verlassenden Prozessdampf zugeführt wird, wobei der Druck des bei der Kühlung erzeugten Prozessdampfes bevorzugt im Wesentlichen dem vorbestimmten Druck des Prozessdampfes beim Austritt aus dem Radialverdichter entspricht.
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Zusätzlich oder alternativ wird bei der Kühlung bevorzugt zusätzlicher Prozessdampf erzeugt, der zwischen einzelnen Stufen des Radialverdichters eingespeist wird, insbesondere dann, wenn der Enddruck hinter dem Radialverdichter zu hoch ist.
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Bevorzugt wird der Prozessdampf vor Eintritt in den Radialverdichtet und/oder zwischen einzelnen Stufen des Radialverdichters und/oder nach Austritt aus dem Radialverdichter durch Einspritzen von Speisewasser gekühlt, um insbesondere Beschädigungen des Radialverdichters sicher zu vermeiden und/oder die Temperatur des Prozessdampfes nach erfolgter Verdichtung einzustellen.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe eine Prozessdampferzeugungsanlage, die insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt ist, umfassend einen Dampferzeuger, der dazu ausgelegt ist, Speisewasser unter Erzeugung von Prozessdampf unter Unterdruck durch Wärmetausch mit einem Prozessmedium zu verdampfen, wobei der Unterdruck einstellbar ist, einen Überhitzer, der dazu ausgelegt ist, den Dampferzeuger verlassenden, unter Unterdruck stehenden Prozessdampf zu überhitzen, und einen einzelnes Gehäuse aufweisenden Axialverdichter, der dazu ausgelegt ist, den Überhitzer verlassenden, überhitzten und unter Unterdruck stehenden Prozessdampf auf Überdruck zu verdichten.
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Bevorzugt weist der Dampferzeuger eine Sprüheinrichtung zum Einsprühen von Speisewasser auf.
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Vor dem Dampferzeuger ist vorteilhaft ein Speisewasserregelventil angeordnet, über das die erforderliche Speisewassermenge einstellbar ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Speisewasser derart geführt, dass es als wärmeabgebendes Medium durch den Überhitzer geleitet wird, bevor es dem Dampferzeuger zugeführt wird.
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Vorteilhaft ist stromabwärts des Axialverdichters ein mehrstufiger Radialverdichter angeordnet.
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Die einzelnen Stufen des Axialverdichters und/oder die einzelnen Stufen des Radialverdichters sind bevorzugt über einen gemeinsamen Antriebsstrang angetrieben, wobei jedem Verdichter insbesondere ein eigenes Getriebe zugeordnet ist.
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Bevorzugt ist zwischen dem Axialverdichter und dem Radialverdichter ein Kühler angeordnet, der dazu ausgelegt ist, den vom Axialverdichter kommenden Prozessdampf zu kühlen und aus Speisewasser Dampf zu erzeugen, wobei zumindest eine Leitung vorgesehen ist, um den im Kühler erzeugten Prozessdampf stromabwärts des Radialverdichters und/oder zwischen einzelnen Stufen des Radialverdichters einzuspeisen.
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Vorteilhaft sind Einspritzeinrichtungen vorgesehen, die derart angeordnet und ausgelegt sind, dass dem Prozessdampf vor Eintritt in den Radialverdichtet und/oder zwischen einzelnen Stufen des Radialverdichters und/oder nach Austritt aus dem Radialverdichter Speisewasser zugeführt werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Überhitzung zusätzlich oder alternativ durch eine oder mehrere Drosseleinrichtungen eingestellt. Durch eine Drosselung des erzeugten Sattdampfes über Drosseleinrichtungen wie Blenden und Klappen oder durch eine modifizierte Rohrleitungsauslegung wird ein erhöhter Druckverlust ewrzeugt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich, die eine schematische Ansicht einer Prozessdampferzeugungsanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Gleiche Bezugsziffern bezeichnen nachfolgend gleiche oder gleichartige Komponenten.
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Die in der Zeichnung dargestellte Prozessdampferzeugungsanlage 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Überhitzer 2, ein Speisewasserregelventil 3, einen Dampferzeuger 4, einen Axialverdichter 5, einen Kühler 6 und einen Radialverdichter 7, die in besagter Reigenfolge über Leitungen miteinander verbunden sind, durch die während des Betriebs der Prozessdampferzeugungsanlage 1 Speisewasser bzw. aus dem Speisewasser erzeugter Prozessdampf geleitet wird. Ferner umfasst die Prozessdampferzeugungsanlage 1 weitere Speisewasserregelventile 8 und mehrere Einspritzeinrichtungen 9.
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Der Dampferzeuger 4 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform eine Sprüheinrichtung 10, über die das dem Dampferzeuger 4 zugeführte Speisewasser in eine Dampferzeugungskammer des Dampferzeugers 4 eingesprüht wird. Ferner wird dem Dampferzeuger 4 über eine Prozessmediumleitung 11 ein Prozessmedium zugeführt, das im Dampferzeuger 4 Wärme an das Speisewasser abgibt, um dieses zu verdampfen, wie es nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Der Axialverdichter 5 weist ein einzelnes Gehäuse auf und ist dazu ausgelegt, den Überhitzer 2 verlassenden, überhitzten und unter Unterdruck stehenden Prozessdampf auf Überdruck zu verdichten, wie es nachfolgend noch näher beschrieben wird.
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Der Radialverdichter 7 ist mehrstufig ausgeführt.
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Vorliegend werden die einzelnen Stufen des Axialverdichters 5 und die einzelnen Stufen des Radialverdichters 7 über einen gemeinsamen Antriebsstrang 12 und einen gemeinsamen Motor 13 angetrieben, wobei jedem Verdichter ein eigenes Getriebe 14, 15 zugeordnet ist.
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Nachfolgend wird beispielhaft ein möglicher Betrieb der Prozessdampferzeugungsanlage 1 erläutert. Zur Dampfgewinnung wird der Prozessdampferzeugungsanlage 1 kontinuierlich über eine erste Leitung 16 vorgeheiztes Speisewasser zugeführt, vorliegend mit einem Druck von 10 bar, einer Temperatur von 95°C und einem Massestrom von 21,0 kg/s. Es sei darauf hingewiesen, dass diese und nachfolgend genannte Parameterwerte nur ungefähre Werte darstellen und lediglich zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Prozessdampferzeugungsanlage 1 dienen. Ein Teilmassestrom des Speisewassers wird über eine Speisewasserzweigleitung 17 abgezweigt, vorliegend 5,8 kg/s, während der größere Teilmassestrom von 15,2 kg/s zum Überhitzer 2 geleitet wird, wo es als wärmeabgebendes Medium genutzt wird. Von dem Überhitzer 2 aus strömt das Speisewasser über eine Leitung 18 in Richtung Dampferzeuger 4, in den es nach Passieren des Speisewasserregelventils 3 mit einem Druck von 0,13 bar eintritt, der auch in der Dampferzeugungskammer des Dampferzeugers 4 vorherrscht. Das Prozessmedium, das im Dampferzeuger 4 als wärmeabgebendes Medium dient, wird dem Dampferzeuger über die Prozessmediumleitung 11 mit einem Druck von 6 bar, einer Temperatur von 63°C und einem Massestrom von 995 kg/s zugeführt. Bei dem Prozessmedium kann es sich beispielsweise um in einem Industrieprozess verwendetes Kühlwasser handeln, das rückgekühlt werden muss, um im Industrieprozess erneut zur Kühlung verwendet werden zu können. Innerhalb des Dampferzeugers 4 wird das Speisewasser im vorliegenden Fall über die Sprüheinrichtung 10 in Form kleiner Tröpfchen auf von dem Prozessmedium durchströmte Rohre gesprüht und verdampft. Der im Dampferzeuger 4 vorherrschende Unterdruck ist entsprechend an die Temperatur des Prozessmediums angepasst, um diese Verdampfung zu bewirken. Im erzeugten Prozessdampf mitgerissene Speisewassertröpfchen werden bevorzugt über einen Wasserabscheider, beispielsweise in Form eines Demisters, abgeschieden, bevor der Prozessdampf den Dampferzeuger 4 verlässt und über eine Leitung 19 dem Überhitzer 2 zugeführt wird. Das Prozessmedium hat beim Austritt aus dem Dampferzeuger 4 eine Temperatur von 55°C. Im Überhitzer 2 wird der Prozessdampf über das Speisewasser überhitzt und verlässt den Überhitzer 2 mit einem Druck von 0,12 bar und einer Temperatur von 54°C, wobei die Enthalpie nach Passieren des Dampferzeugers 4 und des Überhitzers 2 von 400 auf 2600 kJ/kg angestiegen ist. Vom Überhitzer 2 wird der Prozessdampf über eine Leitung 20 zum Axialverdichter 5 geführt, den dieser mit einem Druck von 1,5 bar, einer Temperatur von 390°C und einer Enthalpie von 3250 kJ/kg verlässt. Anschließend wird der Prozessdampf dem Kühler 6 über eine Leitung 21 zugeführt und über Speisewasser gekühlt, das dem Kühler 6 über die Speisewasserzweigleitung 17 mit einem Massestrom von 2,7 kg/s zugeführt wird. Dabei wird aus dem Speisewasser Prozessdampf mit einem Druck von 7,2 bar und einer Temperatur von 166°C erzeugt, das über eine Leitung 22 aus dem Kühler 6 geführt wird. Der im Kühler 6 gekühlte Prozessdampf verlässt den Kühler 6 über eine Leitung 23, in der es weiter abgekühlt wird, indem durch eine über die Speisewasserzweigleitung 17 gespeiste Einspritzeinrichtung 9 Speisewasser mit einem Massestrom von 0,77 kg/s eingespritzt wird. Hinter der Einspritzeinrichtung 9 beträgt die Temperatur des Prozessdampfes, mit der der Prozessdampf in den Radialverdichter 7 eintritt, 119°C. Nach Passieren der einzelnen Verdichterstufen verlässt der Prozessdampf den Radialverdichter 7 über eine Leitung 24 mit einem Druck von 7,2 bar und einer Temperatur von 226°C. Innerhalb des Radialverdichters 7 wird zwischen den einzelnen Verdichterstufen ebenfalls über die Speisewasserzweigleitung 17 zugeführtes Speisewasser über entsprechende Einspritzeinrichtungen 9 eingespritzt, um eine Kühlung des Prozessdampfes vor Eintritt in die nächste Verdichterstufe zu bewirken. Hinter dem Radialverdichter 7 wird der Prozessdampf dann mit dem im Kühler 6 erzeugten Prozessdampf gemischt und schließlich durch erneutes Einspritzen von Speisewasser mittels einer Einspritzeinrichtung 9 auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt, die für einen nachgeschalteten Industrieprozess erforderlich ist. Der Prozessdampf verlässt die Prozessdampferzeugungsanlage 1 mit einem Druck von 7 bar, einer Temperatur von 170°C und einem Massestrom von 21,0 kg/s.
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Ein wesentlicher Vorteil des zuvor beschriebenen Prozesses besteht darin, dass er ohne einen herkömmlichen Kältemittelkreislauf auskommt, was zu den eingangs bereits genannten Vorteilen führt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.