Maakaasukäyttöisten polttomoottorivoimalaitosten pakokaasujen lämmöntalteenotto

Abstract

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.

Exhaust gas flow is the biggest waste heat source in a power plant based on reciprocating engines, hence improving its heat recovery enhances the energy efficiency and total efficiency of the plant. As a background the European energy market and political environment are reviewed from combined heat and power generation’s and natural gas fuelled engine based power plants’ point of view. Motivated by the energy efficiency requirements this thesis discusses current practices of the heat recovery in the natural gas engine power plants and studies the heat recovery potential of the exhaust gases at low temperatures. Typically the exhaust gas waste heat is recovered in the high temperature range in the engine power plants and the rest is wasted to the environment. Yet the exhaust gas still contains a lot of energy in the form of sensible heat and latent heat comprised in the water vapor. The recovery potential of this low temperature heat is studied in the thesis. A calculation method for dimensioning an indirect condensing heat exchanger is developed and integrated into a dimensioning tool for exhaust gas waste heat recovery boilers. Lastly condensing heat exchangers are dimensioned for four existing natural gas engine power plants and the feasibility of such heat exchangers is evaluated through these examples. The latent heat can be recovered by cooling the exhaust gas down below the dew point after which the water vapor starts to condense and release the latent heat. This can be conducted through direct water contact exhaust gas scrubbers or via an indirect method using heating surfaces. Latent heat comprises up to a half of the heat energy in the exhaust gas, hence condensing heat exchangers may increase the total efficiency of a power plant by more than ten percent. One of the challenges about condensing heat exchangers is the low temperature of the water circuit. A heat demand that operates at a low temperature range needs to be found, so that the return water temperature lies below the exhaust gas dew point. Potential low-grade waste heat applications are district heating and cooling together with heat pumps and absorption cooling as well as various heating demands such as greenhouses. In the feasibility study of the dimensioned water tube type condensing heat exchangers it was discovered that the payback period is longer than that of the traditional exhaust gas boiler, but still rather short in terms of power plant investments. This leads to conclude that further development of the condensing heat exchanger product is justifiable.