Analýza: Nová technológia využitia odpadového tepla

Technologické riešenie WHR (Waste Heat Recovery) sa týka spôsobu a systému spracovania spalín, ktoré vznikajú pri spaľovacom procese v teplárňach, kogeneračných jednotkách, elektrárňach a podobne, kde sa spaľuje plynné palivo, predovšetkým zemný plyn alebo metán, bioplyn, geotermálny plyn alebo iné plynné zmesi obsahujúce vodík. Podstatou riešenia je efektívnejšie a netradičné využitie plynného paliva na vykurovanie, pri ktorom sa spaliny spracovávajú s cieľom získať z nich ďalšie využiteľné teplo a prípadne odstrániť CO2.

Súčasný stav technického riešenia

Súčasná generácia plynových kotlov, ktoré využívajú kondenzačné teplo pracujú tak, že vykurovacie médium vo vratnej vetve má teplotu nižšiu ako rosný bod, čo je pri bežných spaľovacích podmienkach menej ako 57 °C.

Teplota vykurovacieho média vo vratnej vetve kondenzačného kotla by mala byť v rozmedzí 35 až 40 °C. Takéto riešenie je nepoužiteľné pri centrálnom vykurovaní, kde tepláreň pracuje s oveľa teplejším vykurovacím médiom vo vratnej vetve (55 °C). Pri takejto teplote nie je možné (ani pri veľkých teplovýmenných plochách) dosiahnuť kondenzáciu spalín s priamym využitím vratnej vetvy.

Doposiaľ známe zapojenie termokondenzátorov s odvedením spalín má nevýhodu v tom, že spaliny nie je možné ochladiť pod teplotu vratnej vetvy.

Čiastočná kondenzácia začína už pri teplote spalín pod 70 °C, efektívne využitie merného skupenského tepla však nastáva až pri teplote pod rosným bodom. Ochladením spalín pod rosný bod dôjde ku kondenzácii vodnej pary a k uvoľneniu kondenzačného tepla. Našim cieľom je zabezpečiť veľmi intenzívny priebeh kondenzácie vodnej pary. Čím je vychladenie spalín a priebeh kondenzácie vodnej pary efektívnejší, tým viac zvyškového tepla je možné využiť.

Je potrebné navrhnúť taký spôsob, ktorý pri rôznych, aj vyšších teplotách vratnej vetvy umožní schladzovať spaliny a využívať ich na vykurovanie. Súčasne vyšší stupeň ochladzovania spalín by umožnil efektívne odlučovať CO2.

Nedostatky doterajšieho stavu techniky podstatným spôsobom odstraňuje práve spôsob spracovania odpadného tepla spalín technológiou WHR, kde tepelný zdroj odovzdáva teplo do vykurovacieho média na výstupnej vetve a vykurovacie médium sa vratnou vetvou vracia k tepelnému zdroju.

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Technológia umožňuje opakovane využívať teplo zo spalín tepelného zdroja pracujúceho na princípe schladzovania a výhodne odlučovať zo spalín aj CO2. Navrhnuté zapojenie zvyšuje tepelnú účinnosť systému, a tým technickú využiteľnosť plynného paliva.

Princíp novej technológie WHR

Zo schémy zapojenia kotolne na obr. 1 je zrejmé, že zemný plyn je privádzaný do kotla vykurovania a do ďalšieho zdroja tepla – kogeneračnej jednotky (KGJ), v ktorej sa efektívne vyrába elektrická energia na prevádzku zariadení kotolne, vrátane pohonu tepelného čerpadla.

Obr. 1 – Schéma spracovania odpadového tepla

Spaliny, vznikajúce spaľovaním plynného paliva v kotle vykurovania (120 °C) a v KGJ (170 °C) sú v spoločnom vedení spalín napojené na systém tepelných výmenníkov a termokondenzátora, kde sú ochladené na teplotu, ktorá je nižšia ako rosný bod spalín a zároveň nižšia, ako teplota vykurovacieho média vo vratnej vetve. Chladiaci okruh termokondenzátora nebude pritom priamo prepojený s vratnou vetvou vykurovacieho média.

V tepelnom výmenníku (TV1) dochádza k prenosu tepla do vykurovacieho média pri teplotách nad teplotu média vo vratnej vetve a je zdrojom tepla (70 °C) pre sekundárny okruh, smerujúci do kotla. Tým sa zabezpečuje predhrievanie vratného okruhu.

Za TV1 (typu plyn/tekutina) sa nachádza termokondenzátor (TK), ktorý je špecifickým typom tepelného výmenníka a ktorý je prispôsobený na agresívne pôsobenie kondenzátu, vyzrážaného zo spalín.

TK je schopný vychladiť spaliny pod teplotu vykurovacieho média vo vratnej vetve na teplotu 25 °C a ochladzovanie je sprevádzané vysokým stupňom kondenzácie vodných pár, ktoré spôsobuje vysušenie spalín.

WHR Proces má dve vzájomne kombinovateľné výhody: uvoľňuje sa teplo a zároveň je možné z vysušených spalín odstraňovať CO2 v odlučovacom zariadení, ktoré môže byť zapojené za VT2.

Termokondenzátor je zapojený v samostatnom okruhu ako zdroj tepla pre tepelné čerpadlo, kde sa toto nízkopotenciálne teplo prečerpáva na vyššiu teplotu, teraz už využiteľnú vo vykurovacom systéme.

Kombinácia kogeneračnej jednotky s tepelným čerpadlom je vysoko efektívna. Tepelné čerpadlá sú istotou budúcnosti pri použití elektriny z kogeneračného zdroja a sú vďaka svojmu vysokému výkonovému číslu COP (3.8 až 4.5) dôležitým komponentom, zvyšujúcim energetickú efektívnosť celého technologického systému až na 115 % (kombináciou 30 % účinnosti výroby elektriny a 85 % účinnosti výroby tepla).

Spaliny ochladené v termokondenzátore môžu byť na jeho výstupe čiastočne ohrievané v tepelnom výmenníku (TV2) (typu plyn/tekutina), a to tesne nad teplotu rosného bodu, osadenom pred spalinovým ventilátorom, aby prípadné zvyšky H2O nemali snahu kondenzovať v komíne, čo je nežiaduci jav.

Chladenie KGJ je možné zabezpečiť súčasne dvojakým spôsobom:

Pripojením na tepelný výmenník v tepelnom okruhu (60 °C) s následným prenosom tepla na predohrev vratnej vetvy vykurovacieho média,

Pripojením absorbčnej jednotky (AJ), napojenej na tepelný okruh KGJ, kde dochádza k efektívnej premene vyrobeného tepla z KGJ na chlad (6 – 12 °C) pri teplotnom režime 90/70 °C.

Odpadná voda z absorbčnej jednotky (40 °C) je vhodná na efektívne predhrievanie výroby teplej úžitkovej vody.

Nevyužitý objem spalín (25 °C) je po ohreve teplom z TV2 vháňaný spalinovým ventilátorom už v suchom stave (asi 30 – 40 °C) do komína, keďže v kondenzačnom režime došlo k jeho úplnému vysušeniu, t. j. k odvedeniu skondenzovanej H2O s významným podielom emisií NOx do odpadu.

Obr. 2 – Schéma porovnania spotreby ZP

Prínosy využitia novej technológie WHR

Do kotla vstupuje predhriate médium s teplotou 60 °C. Zjednodušene konštatujeme, že inovatívnym riešením bola ušetrená energia, ktorá zodpovedá zohriatiu vykurovacieho média z 55 na 60 °C. Úspora vstupného média – zemného plynu je zrejmá zo schémy na obr. 2 a výpočtu pri porovnaní dvoch systémov s rovnakým výkonom v tab. 1.

Autor: Ing. Imrich Discantiny (1946) je absolventom Stavebnej fakulty SVŠT v Bratislave. Do roku 1993 sa venoval investičnej činnosti v stavebníctve. Od roku 1993 zastával v SPP funkciu vedúceho odboru medzinárodnej spolupráce. V roku 1994 prijal ponuku pôsobiť vo funkcii generálneho sekretára SPNZ. Od roku 2009 pôsobí ako externý konzultant v spoločnostiach Heloro, s.r.o., a COM-therm, s.r.o., v Komárne.

Lektor: Ing. Radovan Illith, PhD., SPP – distribúcia, a.s.

Článok bol v origináli publikovaný v časopise SLOVGAS (február 2015), ktorý vydáva Slovenský plynárenský a naftový zväz. Text je zverejnený so súhlasom SPNZ a autora.

K téme