Exhaust gas waste heat recovery in power plants based on natural gas fuelled reciprocating engines

摘要

Pakokaasut ovat polttomoottorivoimalaitoksen suurin hukkalämpövirta, joten niiden lämmöntalteenottoa tehostamalla parannetaan laitoksen energiatehokkuutta ja nostetaan kokonaishyötysuhdetta. Työn taustaluvussa tarkastellaan Euroopan energiamarkkinoita ja poliittista toimintaympäristöä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitosten ja maakaasukäyttöisten polttomoottorivoimalaitosten osalta. Energiatehokkuusvaatimusten motivoimana työssä selvitetään maakaasumoottorivoimaloiden lämmöntalteenoton nykyisiä käytäntöjä sekä tutkitaan lisälämmön talteenottopotentiaalia pakokaasuista matalilla lämpötiloilla. Tyypillisesti moottorivoimalaitoksissa pakokaasuista hyödynnetään helposti talteen otettava lämpöenergia korkeissa lämpötiloissa ja loput hukataan ympäristöön. Pakokaasut sisältävät kuitenkin edelleen suuren määrän lämpöenergiaa sekä kaasuseoksen tuntuvana lämpönä että vesihöyryyn sitoutuneena latenttilämpönä, joiden talteenottomahdollisuuksia työssä selvitetään. Aiempiin tutkimuksiin perustuen luodaan laskentamalli epäsuoran menetelmän lauhduttavan lämmönsiirtimen lämmönsiirtopintojen mitoittamiseen sekä lisätään laskenta pakokaasukattiloiden mitoitusohjelmaan. Lopuksi mitoitetaan lauhduttavat lämmönsiirtimet neljään olemassa olevaan maakaasumoottorivoimalaitokseen ja arvioidaan esimerkkitapausten avulla lauhduttavien lämmönsiirtimien kannattavuutta Euroopan toimintaympäristössä. Pakokaasujen sisältämää latenttilämpöä voidaan ottaa hyötykäyttöön jäähdyttämällä ne kastepisteen alle, jolloin vesihöyry alkaa lauhtua vedeksi ja luovuttaa latenttilämpöä. Tämä voidaan toteuttaa joko jäähdytysveden suorassa kontaktissa pakokaasuihin pesurityyppisillä savukaasulauhduttimilla tai epäsuoralla menetelmällä lämmönsiirtopintojen avulla. Pakokaasujen lämmöstä jopa puolet voi olla sitoutunut latenttilämpönä vesihöyryyn, joten lauhduttavilla lämmönsiirtimillä voidaan nostaa voimalaitoksen kokonaishyötysuhdetta jopa kymmenillä prosenteilla. Lauhduttavien lämmönsiirtimien haasteena on tarve toisiopuolen vesipiirin alhaiselle lämpötilalle. Toisin sanoen jätelämmölle tulee löytyä lämmönkäyttökohde, joka toimii matalilla lämpötiloilla, jotta paluuveden lämpötila on pakokaasujen kastepisteen alapuolella. Mahdollisia matalan lämpötilatason jätelämmön hyötykäyttökohteita ovat kaukolämmön ja -jäähdytyksen tuotanto lämpöpumppujen ja absorptiojäähdyttimien avulla sekä erilaiset lämmityskohteet kuten kasvihuoneet. Esimerkkitapausten kannattavuusarvioinnissa havaittiin, että ruostumattomasta teräksestä valmistettujen vesiputkityyppisten lauhduttavien lämmönsiirtimien takaisinmaksuajat ovat perinteisiin pakokaasukattiloihin verrattuna pidempiä, mutta voimalaitosinvestointeihin suhteutettuna edelleen verrattain lyhyitä, joten tuotteen edelleen kehittäminen on perusteltua.