提供工艺蒸汽的方法和利用工艺蒸汽的过程技术设备

技术领域

本发明涉及一种利用地热为工艺过程，尤其是过程技术工艺过程提供工艺蒸汽的方法。此外，本发明还涉及一种利用使用地热提供的工艺蒸汽的过程技术设备，尤其是用于造纸。

背景技术

地热被理解为地表以下以热形式存在的能量。如果使用在地表以下400米深处的地热，则称为近地表地热能，而在更深的地方则称为深层地热能。深层地热能的潜在用途分为水热系统和岩热系统，前者利用的是天然存在的温热地下水，后者主要利用岩石中储存的能量，例如通过深层地热探测器或泵入岩石中的水。在许多情况下，可用地热的温度水平非常低，只能用于建筑物的供暖和制冷。但在某些地方，地热的温度却很高，使得可以从地热中获取工艺蒸汽，用于过程技术设备。

在这种情况下，已知这样的方法，在这些方法中，在蒸发器中通过使用热水的间接热交换将水转化为工艺蒸汽，然后将其用于过程技术设备。然而，这需要有温度水平高于工艺蒸汽温度水平的热水可用。由于热水的温度通常不足以满足这一要求，因此提出了各种方法来提供温度水平高于热水温度水平的工艺蒸汽。由此已知，在闪蒸罐中减压热水以获得蒸汽，其中通过燃烧化石燃料加热热水或蒸汽，以提供处于所需的温度水平的工艺蒸汽。替代性地，也可以通过机械压缩将闪蒸罐中产生的蒸汽加热到所需的工艺蒸汽温度，或使其达到所需的工艺蒸汽压力。在该方法的另一种变体中，闪蒸罐产生的蒸汽首先用于蒸发工艺流体，其中随后通过机械压缩提高工艺流体蒸汽的温度，以获得所需温度水平或压力水平的工艺蒸汽。在压力升高的同时，温度也随之升高，其中可以在下一个工艺步骤中对温度进行目的性的设置或改变。此外，在这种情况下使用封闭式热泵也是众所周知的。然而，由于需要热泵介质，这些方法在热水温度和可达到的温度方面受到严重限制。利用已知的方法使用封闭热泵达到了最大160℃的温度。因此，还需要更简单、更高效和更经济的方法和过程技术设备。

发明内容

因此，本发明的目的在于设计和进一步开发上文开头提到并详细说明类型的方法和过程技术设备，使其能够更环境友好、更简单、更高效和更经济地运行。

根据权利要求1，该目的通过一种利用地热为工艺过程，尤其是过程技术工艺过程提供工艺蒸汽的方法来实现，

-其中，利用在地热热源中加热的热流体的地热提供地热蒸汽，

-其中，利用增强蒸汽来增强地热蒸汽，以及

-其中，地热蒸汽在增强过程中同时被压缩和加热。

根据权利要求10，该目的进一步通过用于尤其是根据权利要求1至9中任一项所述利用使用地热的工艺蒸汽的过程技术设备，尤其是用于造纸的过程技术设备实现，其具有地热站，用于通过地下地热源中的地热加热热流体并利用热流体的地热提供地热蒸汽，还具有增强蒸汽源和增强装置，用于通过增强蒸汽同时压缩和加热地热蒸汽。

因此，根据本发明，工艺蒸汽是通过使用地热蒸汽和增强蒸汽产生的。地热蒸汽在此是利用地热热源产生的。为此，从地下抽取加热的热流体，其优选是水，并用于产生地热蒸汽。在此，热流体例如可以在闪蒸罐中减压，尤其是当热流体为液态时。从闪蒸罐出来的蒸汽可直接用作地热蒸汽或进一步加热。尤其是在热流体最初是以液体-蒸汽混合物的形式存在的情况下，则可以在闪蒸罐中将热流体分离成蒸汽和液体。如果热流体也进行部分减压，则液相的一部分可进一步在闪蒸罐中蒸发。

原则上，也可以设想热流体先将其部分热量转移到另一种流体中，以将其蒸发或至少加热。这尤其适用于提供一个热回路，例如，如果地热热源中的热流体中存在不希望出现的杂质。然后，热流体的热量可以首先转移到水或其他易于处理的介质中。加热后的水或其他介质可在闪蒸罐中分离成蒸汽和液体和/或部分减压以形成蒸汽。这些蒸汽可以直接用作地热蒸汽，也可以在此之前在单独步骤中进一步加热。

如果地热热源中的热流体被加热到低于100℃的温度，则随后可以使用另一个热源进一步加热热流体，以利用相应加热的热流体产生地热蒸汽。如有必要，也可以先将热流体的热量转移到水或其他介质中，然后在下一步中进一步对其加热，以这种方式产生地热蒸汽。

尤其是在热流体只能在低温度水平下可用的情况下，可以使用或提供具有低于环境压力或正常压力的压力的地热蒸汽。这与能源优势有关，因为只需要较低的汽化焓。在此，地热蒸汽的温度相应地可以远低于正常条件下所需的100℃。通过随后的增强，仍然可以顺利获得压力明显高于环境压力或正常压力的工艺蒸汽。换句话说，地热蒸汽的压力水平并不一定向下受环境压力或正常压力的限制。相反，地热蒸汽的压力可以根据应用情况以适当的方式进行选择。

除了利用地热之外，还可以通过其他方式获得增强蒸汽，或者已经存在增强蒸汽可用。这样，增强蒸汽就可以通过增强的方式对地热蒸汽进行能量增强。在本文中，增强被理解为其中同时进行地热蒸汽的加热和压缩的工艺步骤。加热和压缩在此不能分为两个独立且彼此分开的工艺步骤。因此，原则上也可称为热压缩。

上述方法可用于过程技术设备中，以提供工艺蒸汽。为此，需要地热站来通过地下地热热源加热热流体。此外，在地热站中利用热流体的地热产生地热蒸汽。此外，还需要增强蒸汽源，其中必要时增强蒸汽可以已经随时待用，即无需单独产生。增强蒸汽用于增强装置中，通过利用增强蒸汽同时压缩和加热地热蒸汽来增强地热蒸汽。

在此，如果过程技术设备是造纸设备，这一点尤其有用。在这种情况下，该方法的优势尤为明显，因为造纸生产需要大量的至少达到中等至较高的温度和压力水平的工艺蒸汽。通过所述方式方法，可确保以特别环境友好、简单、高效和经济的方式实现这一点。

在该方法的第一个特别优选的实施方案中，使用压力和温度高于地热蒸汽压力和温度的增强蒸汽对地热蒸汽进行增强。这一点特别容易做到。例如，在设备和工艺方面，可以在增强过程中混合增强蒸汽和地热蒸汽。不过，这并非必要。也可以在增强过程中同时压缩和加热地热蒸汽，而不混合增强蒸汽和地热蒸汽。一个特别简单的例子是间接传热。此外还可以设想用压力和温度低于地热蒸汽的增强蒸汽对地热蒸汽进行增强。但原则上，这需要更高的设备成本。

为简单起见有利的是，地热蒸汽在蒸汽喷射压缩机中借助于直接热交换通过增强蒸汽加热和压缩。在此过程中，增强蒸汽通过蒸汽喷射压缩机的节流阀部分减压，使增强蒸汽达到较高的速度，并在此以低于增强蒸汽初始压力的压力从二级管线吸入地热蒸汽。然后，地热蒸汽与增强蒸汽混合并加速。随后，由地热蒸汽和增强蒸汽产生的混合蒸汽在扩散器中减速，从而产生具有足够压力和足够温度的工艺蒸汽。工艺蒸汽的压力及其温度优选介于增强蒸汽和地热蒸汽的压力和温度之间。

替代性地或额外地，地热蒸汽还可以借助具有由增强蒸汽驱动的涡轮机的压缩机，利用增强蒸汽加热和压缩。由此，这原则上在地热蒸汽增强的程度和类型方面实现了更大的灵活性。在这里，如有必要，可以省略增强蒸汽和地热蒸汽的混合。增强蒸汽与地热蒸汽分开驱动涡轮机，该涡轮机然后驱动压缩机，在压缩机中对地热蒸汽进行至少单阶段的增强。该增强使得地热蒸汽的压缩和加热同时进行。

在此，如果使用涡轮增压器的由涡轮机驱动的涡轮压缩机作为压缩机，则尤为合适。在这样的涡轮增压器中，涡轮机和涡轮压缩机可以布置在一个共同的轴上，这样涡轮机和涡轮压缩机必要时就可以直接耦合，而不需要传动。但这并不是强制性的。也可以在涡轮机和涡轮压缩机之间安装任何类型的传动装置，以在涡轮机和涡轮压缩机之间提供传动或选择性减速。涡轮机在此可以利用可用增强蒸汽运行，其中增强蒸汽具有哪些工艺参数对地热蒸汽的增强并不具有决定性作用。在此，原则上说，增强蒸汽的可用质量流量更为重要。在这种情况下，增强蒸汽的温度和压力低于地热蒸汽的温度和压力也没有问题。涡轮增压器的设计允许在涡轮增压器的涡轮压缩机中对地热蒸汽在压力和温度方面进行有利的增强。涡轮压缩机由增强蒸汽和涡轮机驱动，涡轮机和涡轮压缩机通过轴、必要时还可通过传动装置耦合。在涡轮压缩机中，地热蒸汽被压缩，并通过在此产生的热量加热。

增强蒸汽在通过涡轮机时不一定要完全减压。如果增强蒸汽在涡轮机中只是部分减压，那么在离开涡轮机后，将部分减压的增强蒸汽与地热蒸汽混合，尤其是用于驱动蒸汽喷射压缩机时，可以有效提高效率。如果蒸汽喷射压缩机在地热蒸汽离开压缩机后用于进一步加热和压缩地热蒸汽，这一点尤为有用。在这种情况下，压缩机优选是涡轮增压器的涡轮压缩机。但这并非绝对必要。

也可以设定，在例如涡轮增压器的涡轮机中对增强蒸汽进行减压，使增强蒸汽在离开涡轮机后至少基本上达到与在涡轮压缩机中压缩的地热蒸汽相对应的压力水平。然后，部分减压的增强蒸汽和经压缩的地热蒸汽可以混合，以有效利用产生的增强蒸汽。这样就不需要蒸汽喷射压缩机了。只需一个简单的混合室就足够了。此外，压缩的地热蒸汽和部分减压的增强蒸汽的温度水平可以相互至少基本对应。但这并不是必须的。如果在与压缩的地热蒸汽混合之前，增强蒸汽的温度明显比压缩的地热蒸汽更热，通常会更有利。这样不仅可以特别有效利用增强蒸汽的压力，还可以有效利用其温度。不过，如果在混合之前，增强蒸汽的温度低于压缩的地热蒸汽的温度，那么也可以将部分减压的增强蒸汽和压缩的地热蒸汽混合在一起。无论如何，离开涡轮压缩机的压缩的地热蒸汽和离开涡轮机的增强蒸汽可以混合形成工艺蒸汽。这样，部分减压的增强蒸汽就可以用于运行后续工艺，尤其是过程技术工艺。

热流体可能会例如由于在地热热源中的地下加热而加载有杂质。在这种情况下，如果热流体首先通过间接热交换将地热传递给水或其他介质，然后由水或其他介质接管地热在过程技术工艺方向上的进一步传递，则会非常有用。在这种情况下，如果热流体不是水，而是另一种传热介质，则更为合适。在这种情况下，热流体例如不需要被蒸发并产生水蒸气，因此在选择热流体时无需考虑这一点。不过，为了简单起见，使用水作为热流体也是适宜的。

与选择哪种热流体无关，如果通过与热流体的间接热交换至少将水部分蒸发，形成地热蒸汽，则特别简单可靠。当水仅被部分蒸发为地热蒸汽时，有利的是将地热蒸汽和未蒸发的水送入闪蒸罐，以将地热蒸汽和水相互分离。如果闪蒸罐中的压力还显著降低，可以将至少部分水蒸发成地热蒸汽。相应获得的水蒸汽可以作为地热蒸汽，来通过增强蒸汽在同时提高压力和温度的情况下进行增强。

出于经济性权衡，增强蒸汽可以通过例如在锅炉中燃烧化石燃料获得。然而，为了提高整体效率，并从生态学的角度出发，优选使用生物质、生物气体和/或残余材料作为化石燃料的至少部分替代品来产生增强蒸汽，其中，如果需要的话，残余材料也可以是来自生物质的剩余材料。如果生物质、生物气体和/或残余材料是在需要加热的过程技术设备中，在需要被提供工艺蒸汽的工艺过程中，尤其是过程技术工艺工程过程中产生和/或制造的，情况尤其如此。不过，也可以完全舍弃燃烧化石燃料、生物质、生物气体或残余材料来产生增强蒸汽。这里的生物气体也可以理解为合成性，尤其是再生性生产的氢气和甲烷。相应的替代性方法是本领域技术人员所熟知的，并且在现有技术中也有充分的说明。

如果使用温度至少为60℃、至少80℃，尤其是至少100℃的加热的热流体来提供地热蒸汽，则该方法可以以特别高的效率使用。这样只需要对地热蒸汽进行适度的增强。替代性地或补充性地，如果使用温度不超过220℃，优选不超过180℃，尤其是不超过140℃的加热的热流体以提供地热蒸汽，也可能有助于提高效率。否则，在大多数情况下，仅还需要进行小规模的增强，这只能部分证明过程技术和设备成本的合理性。

出于同样的原因，替代或额外地，在使用增强蒸汽进行增强之前，地热蒸汽优选不要太冷和/或太热。在这种情况下，如果地热蒸汽在增强前的温度至少为60℃，至少80℃，尤其是至少100℃，则可以实现高效率。不过，也可以规定地热蒸汽在增强前的温度不超过220℃，优选不超过180℃，尤其是不超过140℃。

如果地热蒸汽在增强过程中升温至少20℃，优选至少50℃，尤其是至少100℃，则可以简单有效地利用热流体的热量。然而替代性地或附加地，如果地热蒸汽在增强过程中被压缩至少1bar，优选是至少2bar，尤其是至少3巴，这也同样适用。

在过程技术设备的第一个特别优选的实施方案中，增强蒸汽源是这样的来源，其形成用于提供具有比地热蒸汽的压力和温度更高的压力和温度的增强蒸汽。在这种情况下，地热蒸汽的增强在设备和工艺方面可以简单地进行，例如通过将增强蒸汽与地热蒸汽混合。

尤其是在这种情况下，增强装置优选包括蒸汽喷射压缩机，以便通过在蒸汽喷射压缩机中相应混合地热蒸汽和增强蒸汽，来提供温度和压力高于地热蒸汽输出压力的工艺蒸汽。这可以简单实现并且高效实施。但是，在上述情况下或除上述情况之外的其他情况下，这并不是强制性的。

替代性地或附加地，增强装置还包括压缩机用于加热和压缩地热蒸汽，该压缩机具有由增强蒸汽驱动的涡轮机。如果压缩机是涡轮增压器的热压缩机，则可以特别容易地同时也很经济地实现这一点。增强蒸汽则可以驱动涡轮增压器的涡轮机，该涡轮机驱动涡轮增压器的热压缩机来压缩地热蒸汽。当地热蒸汽在热压缩机中被压缩时，会产生大量热量，地热蒸汽也会在压缩的同时被加热。

为进一步优化能源，还可提供一条连接管路，用于将离开涡轮机的部分减压的增强蒸汽送入蒸汽喷射压缩机。蒸汽喷射压缩机的作用是进一步加热和压缩已经在涡轮压缩机中部分加热和压缩的地热蒸汽。尽管这里优选使用蒸汽喷射压缩机来混合部分减压的增强蒸汽和部分压缩的地热蒸汽，但这种混合也可以在不同于蒸汽喷射压缩机的混合室中进行。

为了避免热流体造成不必要的污染，同时也为了减少维护工作量，热流体在热回路中引导是有利的。该热回路在此具有间接热交换器，以便将热流体的热量转移到水或其他介质中。

如果热流体的温度高于100℃，并且至少部分是液体，则可将热流体送入闪蒸罐以产生蒸汽。如果热流体是水，可以在热流体未蒸发的部分中加水，然后将热流体重新用于通过地热进行地下加热。不过，地热也可以在间接加热的蒸发器中首先从热回路的热流体转移到水中，以便在蒸发器中蒸发水。在此，原则上，是否使用水作为热流体并不重要。从能源和结构的角度来看，如果上述热回路的热交换器构成用于至少部分蒸发水和提供地热蒸汽的蒸发器的一部分，原则上也是可取的。

如果没有增强蒸汽直接可用，也可以使用燃烧化石燃料、生物气体和/或生物质的蒸发器来简单经济地产生增强蒸汽和/或地热蒸汽。不过，原则上也可以采用所有其他方法和设备来生产蒸汽或提供增强蒸汽和/或地热蒸汽。

附图说明

下面借助仅示出实施例的附图对本发明进行更详细的说明。图中：

图1示出了根据本发明的用于利用地热的过程技术设备的示意图，

图2示出了根据本发明的用于利用地热的第一种方法的示意图，

图3示出了根据本发明的用于利用地热的第二种方法的示意图，

图4示出了根据本发明的用于利用地热的第三种方法的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于造纸的过程技术设备1，其中在该过程技术设备1中使用了利用地热产生的工艺蒸汽。为了使用地热，设置了地热站2，在地热站中，热流体3，为简单起见可以是水，被泵入地下，以便通过地热热源加热热流体3。通过这种方式加热的热流体3被输送回地表4，并被送到蒸发器5中，在该蒸发器中，由热流体3生产地热蒸汽6，该地热蒸汽然后被输送到造纸处7。在造纸处7的造纸过程中产生废水，该废水在废水处理装置8中处理并产生生物气体9。为了生成生物气体9，需要时也可以使用生物质，该生物质在总工艺流程的其它位置产生。生物气体9被输送到热电联产设备10，并在此与天然气11一起燃烧，形成增强蒸汽12。此外，还设置有生物质发电设备13，其由生物质14一方面产生电力15，但也产生增强蒸汽16。如有必要，也可省去生物质发电设备13或热电联产设备10。不过，也可以为增强蒸汽12、16使用完全不同的来源。但增强蒸汽12、16的压力与其生产无关地高于地热蒸汽6的压力。此外，增强蒸汽12、16的温度也高于地热蒸汽6的温度。

在造纸处7中，从增强蒸汽12、16和地热蒸汽6中产生工艺蒸汽，然后将其用于造纸生产，尤其是用于在造纸生产中加热某些工艺。为此可以采用多种方法，图2至图4仅以示例性的方式展示了其中三种不同的方法，并在下文中加以说明。

图2示出了一种方法，在该方法中，热流体3在未示出的地下地热热源中被加热到100℃以上的温度。在加热的热流体3被输送回地表4后，将热流体3的热量用于在蒸发器5中蒸发水17，然后以地热蒸汽6的形式输送到蒸汽喷射压缩机18。蒸汽喷射压缩机18利用增强蒸汽12、16运行，增强蒸汽12、16在蒸汽喷射压缩机18中通过节流阀19进行部分减压而加速，这样在节流阀19之后，地热蒸汽6被吸入混合室20，并在此与增强蒸汽12、16混合。然后，蒸汽引导通过扩散器21并再次减速，从而产生压力和温度均高于地热蒸汽6压力和温度的工艺蒸汽22。这样，通过使用增强蒸汽12、16，地热蒸汽6的压力和温度都得到了增强，然后就可以在造纸处7中有效地用作工艺蒸汽22用于造纸生产。

作为图2所示方法的替代方案，热流体例如可以在闪蒸罐中减压，产生的蒸汽可以作为地热蒸汽输送到蒸汽喷射压缩机。这样就可以省去事先将地热从热流体转移到水中的过程。

图3示出了一种方法，在该方法中在未显示的地下地热热源中将热流体3加热到低于100℃的温度。在加热后的热流体3被输送回地表4后，在热交换器23中与水17进行间接热交换，从而以这种方式将地热传递给水17。然后，水17在使用化石燃料和/或可再生燃料24燃烧的锅炉25的蒸发器5中蒸发。不过，也可以采用以不同的方式运行的蒸发器5。在图示的并且在此方面优选的实施例中，地热蒸汽6离开蒸发器5后被输送到蒸汽喷射压缩机18，并如上所述借助于使蒸汽喷射压缩机18运行的增强蒸汽12、16以同时提高温度和压力的方式增强。

作为图3所示方法的替代方案，热流体3例如也可以在闪蒸罐中减压，并且在此过程中产生的蒸汽可以作为地热蒸汽6输送到蒸汽喷射压缩机18。这样就省去了之前将地热从热流体3转移到水17的过程。不过，也可以设定，利用额外的热量在蒸发器5中蒸发热流体3。由此产生的蒸汽随后可以直接作为地热蒸汽6输送到蒸汽喷射压缩机18或用于蒸发水17。在后一种情况下，由此形成的水蒸汽将作为地热蒸汽6输送到蒸汽喷射压缩机18。

图4示出了一种方法，在该方法中在一个未显示的地下地热热源中将热流体3加热到100℃以上的温度。在加热后的热流体3被输送回地表4后，热流体3的热量在蒸发器5中用于蒸发水17，然后作为地热蒸汽6输送到涡轮增压器26。对此，热流体不一定要循环引导。热流体也可以在某个位置从地下抽出，然后在另一个位置再次注入地下。尤其是，如果热流体以天然出现的地下水的形式流经地层，则并不总是使用同一热流体，而是根据需要总是使用同一来源的不同热流体。

在此，涡轮增压器26具有涡轮机27，其通过轴28与涡轮压缩机29相连。涡轮机27加载有增强蒸汽12、16，这些增强蒸汽在涡轮机27中部分减压并驱动轴28。然后，轴28驱动涡轮压缩机29，该涡轮压缩机在压缩地热蒸汽6的同时对其进行加热。随后，在图示且在此方面为优选的实施例中，压缩的地热蒸汽6与部分减压的增强蒸汽12、16在混合室30中混合，以便除了在涡轮增压器26中同时提高压力和温度对地热蒸汽6的增强，还提供了同时提高压力和温度的进一步的增强。为此，涡轮机27通过连接管路31与混合室30相连。在此，混合室30优选是蒸汽喷射压缩机的混合室。如果增强蒸汽12、16的压力远高于地热蒸汽6，则将压缩的地热蒸汽6和部分减压的增强蒸汽12、16进行后续混合以形成工艺蒸汽22尤其是有利的。也即是增强蒸汽12、16在涡轮增压器26的涡轮机27中部分减压后，其压力优选仍然大于离开涡轮压缩机29后的压缩地热蒸汽6的压力。

替代性地也可以设定，在涡轮增压器26的涡轮机27中将增强蒸汽12、16刚好减压到这样的程度，即离开涡轮机27后部分减压的增强蒸汽12、16的压力水平至少与离开涡轮压缩机29的压缩地热蒸汽6的压力水平基本一致。则部分减压的增强蒸汽12、16和地热蒸汽6可以无需使用蒸汽喷射压缩机而在必要时在非常简单的混合室30中混合。然后，部分减压的增强蒸汽12、16和增强后的地热蒸汽6可作为工艺蒸汽22一起用于后续工艺，尤其是过程技术工艺。

作为图4所示方法的替代方案，例如，热流体3也可以在闪蒸罐中减压，产生的蒸汽可以作为地热蒸汽6输送到涡轮增压器26的涡轮压缩机29中。这样就可以省去事先将地热从热流体3转移到水17的过程。

附图标记说明

1 过程技术设备

2 地热站

3 热流体

4 地表

5 蒸发器

6 地热蒸汽

7 造纸处

8 水处理

9 生物气体

10 热电联产设备

11 天然气

12 增强蒸汽

13 生物质发电设备

14 生物质

15 电力

16 增强蒸汽

17 水

18 混合室

19 节流阀

20 混合室

21 扩散器

22 工艺蒸汽

23 热交换器

24 燃料

25 锅炉

26 涡轮增压器

27 涡轮机

28 轴

29 涡轮压缩机

30 混合室

31 连接管路