CN102109164A - 一种腔式太阳能直流蒸汽锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腔式太阳能直流蒸汽锅炉，以腔体式太阳能吸收器作为炉膛，所述炉膛的腔体壁面由外层至内层依次包括有腔体外壁、耐火保温材料层和腔体内壁；所述炉膛腔体的入射窗呈喇叭口状，在所述入射窗的喇叭口底部设有石英玻璃，所述石英玻璃的上方设有预热盘管；所述炉膛的腔体内于石英玻璃下方设有与预热盘管连接的螺旋水冷壁管，所述螺旋水冷壁管的下端连接有锥状开口布置的过热蒸汽管；在靠近所述炉膛内腔周边填装有大比热容的高温蓄热介质。该直流蒸汽锅炉结构紧凑、高效环保，特别适用于碟式或塔式太阳能聚光集热装置，有利于高效、低成本、规模化聚焦太阳能热转化为高品质蒸汽的实现。

Description

一种腔式太阳能直流蒸汽锅炉

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，涉及一种能将太阳光能转化成热能的太阳能锅炉，尤其是一种腔式太阳能直流蒸汽锅炉。

背景技术

能源短缺和化石燃料引起的环境问题已经成为制约全球经济和社会发展的长期、重大瓶颈；节约一次能源，加强环境保护，减少有害气体的排放，降低地球的温室效应，已越来越受到国内外的高度重视，因此加速可再生能源的开发和利用迫在眉睫。太阳热利用是可再生能源利用的一个重要方面。美国能源部主持的研究表明，在大规模太阳能热发电方面，塔式太阳能热发电将是所有太阳能发电技术中成本最低的一种方式。高温太阳能接收器是影响塔式太阳能发电效率的核心部件，它集吸热、传热和储热三项功能为一体。吸热器吸收通过入射窗的太阳光反射器反射的太阳能，一部分能量直接传递给循环工质，剩余能量利用相变蓄热材料储存起来；在太阳辐照阴影期，蓄热材料向循环工质放热，保证系统在太阳辐照下降或乌云遮挡情况下正常运行。国际上现有的塔式太阳能接收器主要分为间接照射接收器和直接照射接收器两大类。间接照射接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面，工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面，受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的载热工质传递。管状接收器即为间接式。直接照射接收器也称空腔式接收器，特点是接收器向载热工质的传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生，由于特定形状的内表面具有几近黑体的特性，可有效吸收入射的太阳能。太阳能锅炉适合采用间接照射空腔吸收器，开发大规模、高效、低成本适合多碟或塔式集热器的太阳能接收器对我国能源发展具有战略意义。

常规锅炉主要是通过煤炭、石油、天然气等化石能源作为燃料在炉膛中燃烧加热锅炉中的水产生热水或蒸汽，不但资源有限，而且会造成环境污染等问题。而太阳能锅炉设计原理是由太阳能低温或中高温集热器收集清洁可再生的太阳能作为“燃料”替代炉膛产生热量，用一个装置将热能最大程度地吸收和储存，并通过控制来获得所需热水或蒸汽的装置，因为它无排放、无污染，属于环保节能设备，社会效益显著因而是实现减排目标的最优选择之一。直流锅炉是指靠给水泵压力，使给水顺序通过省煤器、蒸发受热面(水冷壁)、过热器并全部变为过热水蒸气的锅炉。由于给水在进入锅炉后，水的加热、蒸发和水蒸气的过热，都是在受热面中连续进行的，不需要在加热中途进行汽水分离。因此，它没有自然循环锅炉的汽包。在省煤器受热面、蒸发受热面和过热器受热面之间没有固定的分界点，随锅炉负荷变动而变动。它可用于一切压力，特别是在临界压力及以上压力范围内广泛应用。因为它没有汽包，所以加工制造方便，金属消耗量小；水冷壁布置比较自由，不受水循环限制；调节反应快，负荷变化灵活；启、停迅速；最低负荷通常低于汽包锅炉。由于直流锅炉的这些优点，因此特别适合与太阳能腔式吸收器结合应用。

实用新型ZL 02245350.4提出一种太阳能蒸汽锅炉，由加装透光盖的凹面聚光锅聚焦太阳光加热位于焦点位置的保温箱，保温箱中装有水汽管产生蒸汽。发明专利CN 101126553A提出一种太阳能锅炉，采用槽式太阳聚光镜将太阳辐射反射集聚到其轴线处的吸热管上，由循环热管输送热能到用热换热器。专利CN 101266077提出一种折射聚光、高温蓄热式太阳能锅炉，由平板聚光板、高温集热管组件、蓄热箱、中高温相变材料、辅助加热炉等组成，可获得高温热水、蒸汽。专利CN 1766460A提出了一种太阳能聚集系统的腔式吸收器，采用梨形腔式吸收器，可以实现腔式吸收器内部壁面上安装的管道表面热流等值分布。专利CN101504331A提供一种太阳能腔式吸热器的模拟装置，采用六棱柱状吸热腔体，腔内布置沸腾管和过热管，二者与锅筒连接，采用电加热模拟太阳能辐照加热。目前槽式太阳能聚光集热系统研究较多，而适用于碟式或塔式定日镜聚光器大规模、高效热利用的腔式太阳能蒸汽锅炉研究成果较少。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种腔式太阳能直流蒸汽锅炉，该装置结构紧凑、高效环保，特别适用于碟式或塔式太阳能聚光集热装置，有利于高效、低成本、规模化聚焦太阳能热转化为高品质蒸汽的实现。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种腔式太阳能直流蒸汽锅炉，以腔体式太阳能吸收器作为炉膛，所述炉膛的腔体壁面由外层至内层依次包括有腔体外壁、耐火保温材料层和腔体内壁；所述炉膛腔体的入射窗呈喇叭口状，在所述入射窗的喇叭口底部设有石英玻璃，所述石英玻璃的上方设有预热盘管；所述炉膛的腔体内于石英玻璃下方设有与预热盘管连接的螺旋水冷壁管，所述螺旋水冷壁管的下端连接有过热蒸汽管；在靠近所述炉膛内腔周边填装有大比热容的高温蓄热介质。

进一步，以上锅炉还设有一台为锅炉提供去离子水的给水泵；所述给水泵的出口通过管道连接至所述预热盘管的入口。

上述螺旋水冷壁管是由内螺纹无缝钢管制成；螺旋水冷壁管紧凑布置在炉膛腔体内壁用以充分吸收太阳聚焦热流，同时降低炉膛腔体内壁面温度。

上述预热盘管、螺旋水冷壁管和过热蒸汽管的表面均附着太阳光选择性吸收涂层。

上述过热蒸汽管采用锥形螺旋管结构，与炉膛腔体同轴布置，并且在靠近炉膛上端入射窗位置的锥口直径较大，在靠近炉膛腔体底部的锥口直径较小。

上述高温蓄热介质是高温相变蓄热介质。高温蓄热介质是熔融盐或高温导热油。

在炉膛腔体的各金属受热面焊接热电偶监测壁面温度，防止超温爆管；在所述螺旋水冷壁管和过热蒸汽管的出口均插入铠装热电偶。

本发明中采用多碟聚光集热器或塔式定日镜集热器聚焦太阳光并使焦斑正对炉膛腔体的入射窗。

相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明的结构紧凑、操作简单、环保高效：由于没有汽包，加工制造方便，金属消耗量小；水冷壁布置比较自由，不受水循环限制；调节反应快，负荷变化灵活；启、停迅速；最低负荷通常低于汽包锅炉，能将太阳能转化为高品质的蒸汽。

(2)本发明的炉膛入射窗采用透光性能好的石英玻璃密封既可以极大地减少腔体内部与外部环境的自然对流换热损失，又可以在密闭的腔体内部通入温室气体如CO₂，增强吸热换热效果，达到减少热损失的目的。

(3)本发明炉膛腔体喇叭口布置预热盘管一方面冷却保护腔口不被烧坏，另一方面充分吸收因太阳光余弦效应未能进入入射窗的散光；采用螺旋水冷壁管紧凑布置在太阳能吸收器腔内侧面作为蒸发受热面，可以极大降低腔体内壁面温度，从而减少腔体壁面导热损失及重辐射损失。

(4)本发明利用太阳光为“燃料”，不存在常规锅炉使用中出现的烟气颗粒磨损、腐蚀管道等问题，因此使用寿命大大延长。

附图说明

图1是本发明的腔式太阳能直流蒸汽锅炉一种实施例结构示意图。

其中：1、预热盘管；2、石英玻璃；3、螺旋水冷壁管；4、过热蒸汽管；5、耐火保温材料层；6、高温蓄热介质；7、腔体外壁；8、给水泵；9腔体内壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的腔式太阳能直流蒸汽锅炉是以腔体式太阳能吸收器作为炉膛，其中炉膛的腔体壁面由外层至内层依次包括有腔体外壁7、耐火保温材料层5和腔体内壁9。炉膛腔体的入射窗呈喇叭口状，在所述入射窗的喇叭口底部设有高透光的石英玻璃2，石英玻璃2的上方设有预热盘管1。炉膛的腔体内于石英玻璃2下方设有与预热盘管1连接的螺旋水冷壁管3，螺旋水冷壁管3的下端连接有过热蒸汽管4。能承受高温高压的冷却腔口预热盘管1、螺旋水冷壁管3和过热蒸汽管4依次连接组成炉膛内的炉腔，其中预热盘管1布置在腔体喇叭口处一方面冷却腔口，另一方面充分吸收因太阳光余弦效应未能进入入射窗的散光。在靠近炉膛内腔周边填装有大比热容的高温蓄热介质6，本发明的炉膛内腔周围填装大比热容高温蓄热介质6可以是高温相变蓄热介质如熔融盐，也可以是高温导热油。另外还设有一台为锅炉提供去离子水的给水泵8；给水泵8的出口通过管道连接至所述预热盘管1的入口。

整个炉体采用保温材料5绝热。螺旋水冷壁管3可以是内螺纹无缝钢管，以推迟膜态沸腾的出现，根据聚焦太阳热流密度及热负荷，合理设计管径使管内工质有相对较高的质量流速，这样不但提高了传热能力而且节省了金属，减少了锅炉的热惯性。螺旋水冷壁管3紧凑布置在腔体内壁充分吸收太阳光，同时降低内壁面温度。另外在预热盘管1、螺旋水冷壁管3和过热蒸汽管4的表面均附着太阳光选择性吸收涂层。

根据太阳能热流高斯分布的特点，靠近炉膛腔口轴线附近热流密度较大，因此过热蒸汽管4采用锥形螺旋管结构，与炉膛腔体同轴布置，并且在靠近炉膛上端入射窗位置的锥口直径较大，在靠近炉膛腔体底部的锥口直径较小，管材可以采用采用优质高温热强钢如Super304H和HR3C等。蒸汽从腔体底部进入过热蒸汽管4，出口靠近炉膛腔口位置。

为了监测控制水泵及炉膛内部，在炉膛腔体的各金属受热面焊接热电偶监测壁面温度，防止超温爆管；在螺旋水冷壁管3和过热蒸汽管4的出口均插入铠装热电偶，实时监测管内流体温度，通过反馈调节给水泵8的流量可调节蒸汽出口温度。依靠给水泵8的压力，使锅炉中的工质，水、汽水混合物和蒸汽一次通过全部受热面。

在本发明的较佳实施例中，是采用多碟聚光集热器或塔式定日镜集热器聚焦太阳光为直流锅炉提供高温热能。

以下详述本发明的腔式太阳能直流蒸汽锅炉的工作过程：

1)开启给水泵8进锅炉软化水，对腔式太阳能直流蒸汽锅炉的各管道进行清洗；

2)建立启动压力和启动流量：综合考虑受热面内的水动力特性、工质膨胀现象(工质膨胀现象在亚临界直流锅炉和启动压力在临界压力以下的超临界直流锅炉的启动过程中出现，全压启动的超临界直流锅炉不存在膨胀现象)、节流阀的磨蚀、给水泵的电耗等因素选择合适的启动压力。选择启动流量的原则是在保证受热面得到可靠冷却和工质流动稳定的条件下，启动流量尽可能选择得小一些，超临界直流炉的启动流量一般选取为额定流量的25％～35％；

3)利用聚焦太阳光加热：开启太阳能碟式聚光器或塔式定日镜聚光器，使焦斑正对腔式太阳能直流蒸汽锅炉腔口入射窗，开始对炉膛进行升温、暖管，大比热容高温蓄热介质6开始吸收并储存太阳能热量；

4)升温、升压：随着腔式太阳能炉膛不断吸收太阳辐照，炉膛温度不断升高，锅炉压力经历了从低压、高压、超高压到亚临界，再到超临界的过程，锅炉送出去的工质开始是热水，然后是汽水混合物、饱和蒸汽，最后为过热蒸汽。从启动开始到临界点，工质经过预热盘管1加热、螺旋水冷壁管3蒸发、过热蒸汽管4过热三个阶段。当达到临界点(压力22.12MPa，温度374.15℃)时，汽化潜热为零，汽水重度差为零，水被全部汽化，随着热负荷继续增加，进入超临界范围内运行，工质只经过加热和过热两个阶段，呈单相流体变化；

5)调节腔式太阳能直流蒸汽锅炉压力、温度控制过热蒸汽出口品质：由于太阳直接辐照度波动，导致炉膛热负荷波动，因此加强对各受热面金属壁面温度监测，防止超温爆管，根据安装在螺旋水冷壁管3、过热蒸汽管4出口的铠装热电偶实时监测管内流体温度，通过反馈调节给水泵8的压力、流量来谨慎控制中间点温度、调节蒸汽出口温度，控制过热蒸汽出口品质。

综上所述，本发明可根据蒸汽品质需要实现从常压、高压、亚临界、超临界甚至超超临界参数运行。

本发明的过热蒸汽管采用锥形螺旋管结构，与太阳能吸收器腔体同轴布置，使管道热流密度尽量均匀分布，避免过热爆管；靠近腔口管道作为过热蒸汽出口，保证热流密度较大的区域用来加热过热蒸汽，提高了蒸汽品质。另外本发明的炉膛内腔周围填装大比热容高温蓄热介质，可以吸收并储存太阳能热，在太阳能直接辐照度降低或乌云遮挡时，释放储存的热量，减少吸收腔内温度波动，维持锅炉蒸汽出口温度的稳定。

Claims (9)

1.一种腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：以腔体式太阳能吸收器作为炉膛，所述炉膛的腔体壁面由外层至内层依次包括有腔体外壁(7)、耐火保温材料层(5)和腔体内壁(9)；所述炉膛腔体的入射窗呈喇叭口状，在所述入射窗的喇叭口底部设有石英玻璃(2)，所述石英玻璃(2)的上方设有预热盘管(1)；所述炉膛的腔体内于石英玻璃(2)下方设有与预热盘管(1)连接的螺旋水冷壁管(3)，所述螺旋水冷壁管(3)的下端连接有过热蒸汽管(4)；在靠近所述炉膛内腔周边填装有大比热容的高温蓄热介质(6)。

2.根据权利要求1所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：还设有一台为锅炉提供去离子水的给水泵(8)；所述给水泵(8)的出口通过管道连接至所述预热盘管(1)的入口。

3.根据权利要求1所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：所述螺旋水冷壁管(3)是由内螺纹无缝钢管制成；螺旋水冷壁管(3)紧凑布置在炉膛腔体内壁用以充分吸收太阳聚焦热流，同时降低炉膛腔体内壁面温度。

4.根据权利要求1所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：所述预热盘管(1)、螺旋水冷壁管(3)和过热蒸汽管(4)的表面均附着太阳光选择性吸收涂层。

5.根据权利要求1所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：所述过热蒸汽管(4)采用锥形螺旋管结构，与炉膛腔体同轴布置，并且在靠近炉膛上端入射窗位置的锥口直径较大，在靠近炉膛腔体底部的锥口直径较小。

6.根据权利要求1所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：所述高温蓄热介质(6)是高温相变蓄热介质。

7.根据权利要求6所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：所述高温蓄热介质(6)是熔融盐或高温导热油。

8.根据权利要求1所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：在所述炉膛腔体的各金属受热面焊接热电偶监测壁面温度，防止超温爆管；在所述螺旋水冷壁管(3)和过热蒸汽管(4)的出口均插入铠装热电偶。

9.根据权利要求1所述的腔式太阳能直流蒸汽锅炉，其特征在于：采用多碟聚光集热器或塔式定日镜集热器聚焦太阳光并使焦斑正对炉膛腔体的入射窗。

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