CN101515773A - 生物质能源热、气复合发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于生物质能源阴燃放热和气化的原理，对放热和燃气复合利用的发电方法。具体技术方案为，利用生物质能源阴燃，收集过程产生的热量，同时过程气化生成H₂、CO、CH₄等可燃气体，其燃烧也放出热量。载热剂吸收两部分热量后升温，并储存为热能。最后通过半导体温差发电转换装置将载热剂携带的热能直接转化为电能。本发明对生物质能源热、气的复合利用大大提高了能源利用率。发电方法具有无运动部件、无需维护、可靠性高等优点，尤其适用于分布式能源系统的发电单元和野外电力供应。

Description

生物质能源热、气复合发电方法

技术领域

本发明专利属新能源利用领域。涉及一种生物质能源的热、气复合发电方法，能够实现生物质能源阴燃过程热量、可燃气的复合利用，大大提高能源利用率。利用载热剂吸收阴燃过程及可燃气燃烧放出的热量并通过半导体温差发电装置将热能直接转化为电能。

背景技术

生物质能源是以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用。它遍布全球，其蕴藏量极大，包括薪柴，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农林废弃物和加工的下脚料，城市生活垃圾，水生植物和排泄物等。

生物质能源发电的可以通过直接燃烧的方式。其利用现有设备，仅作相应的改装，将热源更换为生物质燃料。相比于煤炭燃料，生物质燃料的温度和热值较低，水分不易控制，此外，有些技术还未成熟，这些因素都影响到了生物质能源替代化石能源进行大规模发电的应用。

迄今为止，常规生物质气化技术和工艺仍然存在一些不足：①需要耗费大量的外部热量，高温虽然能使产气率和热值升高。但与所耗费的额外热量来说，提高总是不太明显；②需要较复杂的外部设备，投资较大；③对燃料的适应性差，随着燃料的不同，生成气的热值会有较大的变化，甚至失去利用价值。

阴燃是生物质能源进行转化和利用的一种有效方式。东北地区广泛使用的燃池采暖技术就是利用了生物质燃料阴燃放热的原理，但热效率很低，仅有36％，转化的气体副产品也没有得到有效利用(孙文策，谢茂昭，燃池的工作特点和热能利用分析，中国能源，1994，8，38-42)。一般地，阴燃即是没有火焰的燃烧，指可燃物质进行的缓慢而复杂的热解和氧化反应，其不完全燃烧程度很高，除放出大量热量外，还会生成H2、CO、CH4等可燃气体。生物质燃料的阴燃是自维持过程，无需外界能量，不需复杂的设备，对燃料的适应性强，克服了常规气化的绝大部分不足，并可通过混合添加剂等方式来提高产气率。

半导体温差发电技术是一种固态能量转换方式，实现了热电转换，能将热能直接转化为电能。具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点，是绿色环保的发电技术，在低品位热能发电方面具有独特的优势和良好的应用前景，尤其符合生物质能源利用的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于分布式能源系统以及野外、应急电力供应的生物质能源热、气复合发电方法。能够有效利用低品位的生物质能，并提高能源利用效率，缓解日益紧张的能源和用电危机。

本发明所述的生物质能源的热、气复合发电方法的技术方案是这样实现的：首先进行生物质燃料的阴燃自维持过程，此过程为缓慢而复杂的热解和氧化反应，除放出大量的过程热量外，还同时生成H2、CO、CH4等可燃气体，将这些可燃气在燃烧器中充分燃烧并释放热量。通过载热剂收集阴燃过程热量，并且载热剂会在进一步吸收可燃气体的燃烧热量后继续升温。最后，携带热能的高温载热剂通过半导体热电转换装置将热能直接转化为电能。

本发明的有益效果是，提出的一种生物质能源发电方法，复合利用了阴燃过程及其可燃气燃烧生成的热量，通过半导体温差发电技术直接发电。其能源利用率得到了大幅提高，适应了生物质能源燃烧温度低、热值小的特性。并且结构简单、无运动部件、造价低、可靠性高，是绿色环保的发电方法。本发明充分利用了生物质能源分布广、储量大的特点，尤其适用于分布式能源系统的发电单元。

下面结合具体实施方式进一步详细说明

附图说明：

图1为采用水平燃床的生物质燃料热、气复合发电方法示意图。

图2为水平燃床内典型工作点的温度-时间曲线。

图3为水平燃床内典型工况阴燃气化过程生成气体产物的组分比。

具体实施方式：

图1中所示为水平燃床，采用长方形池形结构，一侧留有进气孔12，另一侧密封并装备加热板2以引燃生物质燃料1，燃床四周密封，上部留有燃气取气孔13，将富含H2、CO、CH4等的可燃气体引到燃气储存器14中，稳定压力后通过气体管道16输送到燃烧器7中进行燃烧放热，可燃气体的流量通过阀门15进行调整。

本实施例中锯末(椴木)作为生物质燃料1，以自然蓬松状态填入水平燃床中。控制加热板2的温度稳定在650℃左右，待锯末自燃后，停止加热，锯末开始进行阴燃自维持过程，放出热量并生成H2、CO、CH4等可燃气体。燃床和燃烧器7外部分别装备有油套3和6，本实施例中使用高温油作为载热剂，高温油首先在燃床油套3中循环吸收阴燃的过程热量，然后通过高温油管道4进入燃烧室油套6中循环，进一步吸收可燃气燃烧热量后继续升温。最后携带大量热能的高温油被输送到热能发生器10中，通过半导体温差发电装置8将这部分热能直接转化为电能。

半导体温差发电装置8由多组半导体热电转换器件串并联来实现的。其热侧与热能发生器10进行换热，吸收热量，冷侧与冷却装置9进行换热，放出热量。高温油携带的热能的传递方向为热能发生器、半导体热电转换器件热侧、半导体热电转换器件冷侧和冷却装置。基于塞贝克效应，半导体温差发电装置8两侧的温度差异能使其产生电能，电能的大小与两侧温度差的大小、半导体热电转换器件的材料和数量有关。产生的直流电能通过供电稳压电路17向负载进行供电，其保证了电能的输出电压和电流的强度，并能维持平稳和恒定的输出。

调节生物质燃料的含水量和进气孔12的通道大小，可以改变燃料阴燃的激烈程度。也可通过改变堆积密度和混合添加剂等方法来调节气化过程H2、CO、CH4等可燃气体的产气率。高温油循环回路中装备有高温油泵11以提供动力，并通过管路中不同位置的阀门5来调节载热剂-高温油的循环流量，以改变负载能力。油套3和6以及高温油管道4外部覆有绝热材料，防止散热损失。

根据图2所示的水平燃床内典型工作点的温度-时间曲线，不同工况下所能达到的系统最高温度差别不大，且均在400～600℃之间。加湿后(含水量由4.9％增到25.4％)能减缓燃烧速度，加空气反之。故本实施例通过调节燃料的含水量和空气量来控制阴燃速度。

图3给出了典型工况下，阴燃气化过程生成气体产物中，可燃烧利用的有效成分CH4、CO和H2的含量，利用热值公式

Qv＝12636×CO％+10785×H2％+35902×CH4％(KJ/Nm³)

得到生成气体的热值约为4730KJ/Nm³，这是由于空气中的惰性气体-氮气的积累造成其热值较低。事实上，根据燃烧学原理，可燃气体的燃烧其实是可燃气体与空气的混合物的燃烧，而不仅仅是可嫌气体本身的焕烧。真正影响燃烧的，是燃气和空气的混合物的热值，对于热值高的气体，其空气混合物的热值并不像人们想象的那么高。例如：天然气的低位热值是秸秆的7倍，但其空气棍合物的低位热值却仅比秸秆高23％；用做城市燃气的混合煤气，低位热值是秸秆的3倍，其混合气的低位热值也仅高18％。这就是说，向不同热值的可燃气体供给适当的空气，它们放出的热分相差不大。实践证明，阴燃生成的低热值气体在与空气合理匹配的情况下，完全可以满足炊事、发电、烘干等用途。

Claims (6)

1.一种生物质能源热、气复合发电方法，其特征在于，对生物质能源的利用是通过阴燃实现的。首先进行生物质燃料的阴燃自维持过程，此过程为缓慢而复杂的热解和氧化反应，除放出大量过程热量外，还生成H2、CO、CH4等可燃气体，这些可燃气体在燃烧器中也会释放燃烧热量。然后通过载热剂收集阴燃过程热量，并且载热剂在进一步吸收可燃气体的燃烧热量后继续升温。最后，通过温差发电转换装置将高温载热剂通携带的热能直接转化为电能。

2.根据权利要求1所述的生物质能源热、气复合发电方法，生物质能源进行的是阴燃自维持过程，其燃床可以为水平、垂直等型式。

3.根据权利要求1、2所述的生物质能源热、气复合发电方法，可以通过改变风量、堆积密度、湿度和混合添加剂等方法来调节生物质燃料阴燃的燃烧速度以及气化过程H2、CO、CH4等可燃气体的产气率。

4.根据权利要求1所述的生物质能源热、气复合发电方法，通过载热剂来收集生物质燃料热、气复合利用全过程的热量，并且通过调节载热剂的流量来改变负载能力。

5.根据权利要求1、4所述的生物质能源热、气复合发电方法，载热剂的来源可以是高温油和相变蓄热材料等可流动性蓄热材料。

6.根据权利要求1所述的生物质能源热、气复合发电方法，温差发电转换装置是通过基于塞贝克效应的半导体热电转换器件来实现的，并且可以是多组半导体热电转换器件串/并联。

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