CN102678385B - 基于斯特林发电机的尾气余热发电和尾气净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，包括相连接的尾气排放净化单元和尾气余热发电单元。尾气排放净化单元包括顺次连接的第一尾气管、单向气门、二次燃烧及换热装置、第二尾气管尾气。尾气余热发电单元包括斯特林发电机、散热器、冷热气体交换器、伸入二次燃烧及换热装置中的热腔管、稳压适配器。高温尾气经过尾气管和单向气门后进入二次燃烧及换热装置，尾气中的固体大颗粒被螺旋形电阻丝产生的瞬间高温燃烧掉，从而达到PM2.5的尾气排放要求。热腔管从螺旋形电阻丝的环形中央穿过，高温尾气给其加热的同时，高温螺旋形电阻丝放热也使斯特林发电机的热腔温度更高，提高了斯特林发电机的热效率。

Description

基于斯特林发电机的尾气余热发电和尾气净化系统

技术领域

本发明涉及大型柴油机的废气处理及余热利用技术，具体涉及基于斯特林发电机的尾气余热发电和尾气净化系统。

背景技术

我国将于2016年开始在全国实施的PM2.5(粒径小于2.5微米的细微尘颗粒)监测，就像一把悬于环保部门头顶的“达摩克利斯之剑”。PM2.5，会直接进入血液、肺部，并存留在肺的深处，对呼吸系统和心血管系统造成伤害。PM2.5主要来源于人类各种污染物排放，而机车尾气的排放是其重要原因之一。

柴油发动机作为大型机车的心脏，是其动力的来源，也是燃料的直接消耗者。大型柴油发动机动力输出占燃料燃烧总热量的 25％～42％。 发动机尾气的余热具有温度高、压强大、流速快的特点，因此尾气所含能量在浪费的热量中占主要部分。将这些废气直接排放到大气中，这样一方面造成了大量的能量散失，另一方面给目前严重的温室效应带来更大的压力。

因此，若能将柴油机尾气中的这部分能量回收利用起来，并且将柴油机尾气颗粒进行处理，使排出的尾气达到国家PM2.5的要求，一定能够带来可观的经济效益，能为我国建立“资源节约型，环境友好型”社会做出贡献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统。该系统能够很好的利用柴油机的尾气余热进行发电，有效的处理尾气颗粒，从而减少能量损耗，使尾气排放达到PM2.5标准。本发明通过以下技术方案实现。

基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，包括相连接的尾气排放净化单元和尾气余热发电单元；尾气排放净化单元包括顺次连接的第一尾气管、单向气门、二次燃烧及换热装置和第二尾气管；尾气余热发电单元包括斯特林发电机、散热器、冷热气体交换器、稳压适配器和斯特林发电机热腔管；斯特林发电机热腔管从二次燃烧及换热装置管道中央通过，一端接冷热气体交换器，另一端接斯特林发电机热腔；斯特林发电机的冷腔直接接到散热器上，散热器与冷热气体交换器的另一端相连；斯特林发电机电源输出端连接到稳压适配器上。通过稳压，为二次燃烧装置的螺旋形电阻丝供电及普通用电。大型船舶柴油机的尾气经过单向气门进入二次燃烧及换热装置中为斯特林发电机的热腔管加热，斯特林发电机转动发电，经适配器稳压后用于二次燃烧装置螺旋形电阻丝加热和普通用电，二次燃烧装置中的螺旋形电阻丝发热燃烧掉尾气中的固体颗粒，从而使尾气的排放标准符合国家新定标准PM2.5，同时螺旋形电阻丝发热又为斯特林发电机的热管腔加热，从而提高尾气余热利用率。

进一步改进的，所述单向气门包括壳体、弹簧、阀瓣、止回阀和密封垫圈；壳体中空，弹簧顶紧阀瓣，阀瓣顶紧止回阀，止回阀与壳体之间通过密封垫圈密封，单向气门开启压力<=1000Pa。

进一步改进的，所述斯特林发电机内采用密闭形式的高压He气，安全可靠。

进一步改进的，所述散热器采用水冷，包括出水口、密封圈、第一出气口、第一进气口、铜管束、进水口、散热器壳体和铜箍；进水口、铜管束与散热器壳体通过法兰固定在一起，铜管束深入到散热器壳体内部，铜管束另一端的尾部由铜箍束缚并在铜箍上打有并列的三个凹槽，三个密封圈放入三个凹槽中，密封圈与散热器壳体内壁过盈配合，从而实现水汽分离；冷却水流经进水口、铜管束、出水口流出散热器；斯特林发电机内部气体由第一进气口进入散热器壳体内壁，环绕铜管流动，由第一出气口排入冷热气体交换器。

进一步改进的，所述二次燃烧及换热装置包括壳体、斯特林发电机热腔管、螺旋形电阻丝及托架、第二进气口和第二出气口；所述螺旋形电阻丝嵌套在带有凹槽的托架内，托架固定在壳体内，所述壳体上有两个孔，螺旋形电阻丝两端接线穿过上述孔与外界相连引入电流；斯特林发电机热管从二次燃烧及换热装置螺旋形电阻丝的中央通过，螺旋形电阻丝发热除了燃烧尾气中的固体颗粒，同时也为斯特林发电机的热管腔加热，实现能量的循环利用。

进一步改进的，所述托架呈倒“7”型。所述二次燃烧及换热装置的壳体为空心圆柱形，且在壳体内的同一圆周上设有三个托架，壳体同一母线上并排7个托架。

上述基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统中，所述的单向气门选取小开启压力的单向气门，防止产生背压，只允许尾气顺流，避免尾气回流，是通入二次燃烧及换热装置的过渡环节。

所述的二次燃烧及换热装置，是一种利用高温加热螺旋形电阻丝烧除尾气颗粒物的处理装置，采用螺旋形电阻丝作为加热介质，螺旋形电阻丝温度可达到千度以上，同时螺旋形电阻丝热电转换时间短，效率高，利用电能通过螺旋形电阻丝，形成回路，在螺旋形电阻丝上电能转换成热能，产生瞬间高温，达到瞬间烧除颗粒物目的；斯特林发电机的热腔管道从螺旋形电阻丝中央通过，除了尾气的温度为热腔管加热，螺旋形电阻丝产生的高温也为热腔加热，提高斯特林发电机的效率；而斯特林发电机又为螺旋形电阻丝提供电能，如此实现能源的高效率利用。

所述的斯特林发电机采用密闭高压He气，安全可靠，气体在斯特林发电机内循环利用，在二次燃烧及换热装置中加热，在散热器中冷却，循环往复使斯特林发电机转动发电。

所述的散热器使用水冷方式，方便简洁，尤其在船舶上更加实用；壳体与斯特林发电机的通气管道相连，铜管芯插入壳体由密封圈实现水汽分离，铜管内部通过水流冷却气体，两端接入外部水源。

本发明的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统使用时，其能量转化过程为：热能——机械能——电能——热能；具体为：斯特林发电机经历加热行程、膨胀行程、冷却行程、压缩行程完成一次循环；高温尾气通过单向气门进入二次燃烧及换热装置为斯特林发电机的热腔管道加热，斯特林发电机热腔膨胀做功，热腔中的活塞下降，冷腔中的活塞向上运动，工作气体从冷腔流入热腔，斯特林发电机内部压力上升；密闭空间中的压力上升到临界值，两个活塞均向下运动，此时斯特林发电机就得到一个驱动动力发电；由于惯性轮储备的能量使曲柄轴转动起来，这使热腔中的活塞向上运动，冷腔中的活塞向下运动，工作气体便由热腔进入冷腔，斯特林发电机内的压力便下降；由于受到工作气体压力与两个活塞背面的压力差，两个活塞同时向上推进；如此周而复始，斯特林发电机就实现了热能——机械能——电能之间的转化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统能有效解决大型柴油机尾气直接排放所造成的大量热散失的问题，在大范围内提高柴油机的热效率，达到节能减排目的的同时，也减少大量废气的排放，从而有效缓解温室效应，有利于低碳生活的推进和环境质量的进一步改善。

本发明的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统采用斯特林发电机进行发电，具有振动小、噪音、排放低、结构简单、单机容量小、热能效率高且出力和效率不受海拔高度影响等优点，为尾气发电提供了新的参考模式；

本发明的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统设置二次燃烧及换热装置，在通道处设置高温区，使得尾气通过时瞬间被烧除；利用电能通过，形成回路，在螺旋形电阻丝上电能转换成热能，产生瞬间高温，达到瞬间烧除颗粒物目的；将螺旋形电阻丝的形状做成螺旋状，增大了高温区的面积同时，也利于对螺旋形电阻丝进行保温；斯特林发电机的热腔通过螺旋形电阻丝环形中央，在瞬间燃烧尾气颗粒的同时，为斯特林发电机的热腔加热，加大斯特林发电机冷热腔之间的温差，实现能量的高效利用；而斯特林发电机所发出的电能又为螺旋形电阻丝所利用，不消耗别的能量，从而使尾气排放达到新的PM2.5的要求。

本发明的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统通过尾气排放净化单元和尾气余热发电单元实现“热能——机械能——电能——热能等”的转化，结构简单灵活、发出的电也可以供其他设备使用，尤其适合于船舶大型柴油机的尾气处理。

附图说明

图1为实施方式中尾气余热发电和尾气净化系统总装图。

图2为单向阀剖面图。

图3a为二次燃烧及换热装置剖面图。

图3b为图3a 中 A-A部分的局部放大图。

图4a为散热器剖面图。

图4b为图4a B-B部分局部放大图。

图4c为铜管束4-5右视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式并不仅限于此。

本实例的适用于大型柴油机的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，包括相连接的尾气排放净化单元和尾气余热发电单元。如图1所示，尾气排放净化单元由图中的第一尾气管1、单向气门2、二次燃烧及换热装置3，第二尾气管组成；尾气余热发电单元由图中的斯特林发电机热腔管4、冷热气体交换器5、散热器6、斯特林发电机7、稳压适配器10和导线11组成。单向气门的结构如图2所示，包括壳体2-1、弹簧2-2、阀瓣2-3、止回阀2-4，密封垫圈2-5。壳体2-1中空，弹簧2-2顶紧阀瓣2-3，阀瓣2-3顶紧止回阀2-4，止回阀2-4与壳体2-1通过密封垫圈2-5密封，单向气门选取小开启压力，以防产生背压，它的作用是防止气体回流对柴油机运行产生影响。二次燃烧及换热装置的内部结构如图3a、图3b所示，包括壳体3-1，斯特林发电机热腔管3-2，螺旋形电阻丝3-3及托架3-4，冷热气交换器3-5，第二进气口3-6和第二出气口3-7。所述螺旋形电阻丝3-3嵌套在带有凹槽的托架3-4内，托架3-4呈倒“7”型，每周三个，固定在壳体3-1上，同一母线上并排7个托架3-4；所述壳体3-1上有两个孔，螺旋形电阻丝3-3两端接线穿过上述孔与外界相连引入电流；高温尾气经过第一尾气管1和单向气门2后进入二次燃烧及换热装置3，尾气中的固体大颗粒被螺旋形电阻丝3-3产生的瞬间高温燃烧掉，从而达到PM2.5的尾气排放要求。斯特林发电机的热腔管4从螺旋形电阻丝3-3的环形中央穿过，高温尾气给其加热的同时，高温螺旋形电阻丝3-3放热也使斯特林发电机7的热腔8温度更高，提高了斯特林发电机7的热效率，斯特林发电机7发出的电能又为螺旋形电阻丝3-3所利用，不会产生额外耗能。

斯特林发电机热腔管4、冷热气体交换器5、散热器6、斯特林发电机7以及斯特林发电机的热腔8和冷腔9组成了斯特林发电机总体。内部工作气体与外界隔离并且高压。如图4a、图4b、图4c，散热器由出水口4-1、密封圈4-2、第一出气口4-3、第一进气口4-4、铜管束4-5、进水口4-6、散热器壳体4-7、铜箍4-8；进水口4-6、铜管束4-5与散热器壳体4-7通过法兰固定在一起，铜管束4-5深入到散热器壳体4-7内部，铜管束4-5另一端的尾部由铜箍4-8束缚并在铜箍4-8上打有并列的三个凹槽，三个密封圈4-2放入凹槽，密封圈4-2与散热器壳体4-7内壁过盈配合，从而实现水汽分离；冷却水流经进水口4-6、铜管束4-5、出水口4-1流出散热器6，斯特林发电机7内部气体由第一进气口4-4进入散热器壳体4-7内壁，环绕铜管束4-5流动，由第一出气口4-3排入冷热气体交换器5。高温尾气通过单向气门2进入二次燃烧及换热装置3为斯特林发电机的热腔管4加热，斯特林发电机热腔8膨胀做功，热腔8中的活塞下降，冷腔9中的活塞向上运动，工作气体从冷腔9经过散热器6流入热腔8，斯特林发电机内部压力上升；密闭空间中的压力上升到临界值，两个活塞均向下运动，此时斯特林发电机就得到一个驱动动力发电；由于惯性轮储备的能量使曲柄轴转动起来，这是热腔8中的活塞向上运动，冷腔9中的活塞向下运动，工作气体便由热腔8进入冷腔9，斯特林发电机内的压力便下降；由于受到工作气体压力与两个活塞背面的压力差，两个活塞同时向上推进；如此周而复始，斯特林发电机就实现了热能——机械能——电能之间的转化。转化出的电能经过稳压适配器10稳压后用于螺旋形电阻丝3-3的用电和普通用电，或者将电能储存到蓄电池中。

如上所述，便可以较好的实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (6)

1.基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，其特征在于，包括相连接的尾气排放净化单元和尾气余热发电单元；尾气排放净化单元包括顺次连接的第一尾气管、单向气门、二次燃烧及换热装置和第二尾气管；尾气余热发电单元包括斯特林发电机、散热器、冷热气体交换器、稳压适配器和斯特林发电机热腔管；斯特林发电机热腔管从二次燃烧及换热装置管道中央通过，一端接冷热气体交换器，另一端接斯特林发电机热腔；斯特林发电机的冷腔直接接到散热器上，散热器与冷热气体交换器的另一端相连；斯特林发电机电源输出端连接到稳压适配器上；

散热器采用水冷，包括出水口、密封圈、第一出气口、第一进气口、铜管束、进水口、散热器壳体和铜箍；进水口、铜管束与散热器壳体通过法兰固定在一起，铜管束深入到散热器壳体内部，铜管束另一端的尾部由铜箍束缚并在铜箍上打有并列的三个凹槽，三个密封圈放入三个凹槽中，密封圈与散热器壳体内壁过盈配合，从而实现水汽分离；冷却水流经进水口、铜管束、出水口流出散热器；斯特林发电机内部气体由第一进气口进入散热器壳体内壁，环绕铜管流动，由第一出气口排入冷热气体交换器。

2.根据权利要求1所述的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，其特征在于单向气门包括壳体、弹簧、阀瓣、止回阀和密封垫圈；壳体中空，弹簧顶紧阀瓣，阀瓣顶紧止回阀，止回阀与壳体之间通过密封垫圈密封，单向气门开启压力<=1000Pa。

3.根据权利要求1所述的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，其特征在于斯特林发电机内采用密闭形式的高压He气。

4.根据权利要求1所述的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，其特征在于二次燃烧及换热装置包括壳体、螺旋形电阻丝及托架、第二进气口和第二出气口；所述螺旋形电阻丝嵌套在带有凹槽的托架内，托架固定在壳体内，所述壳体上有两个孔，螺旋形电阻丝两端接线穿过上述孔与外界相连引入电流；斯特林发电机热腔管从二次燃烧及换热装置螺旋形电阻丝的中央通过。

5.根据权利要求4所述的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，其特征在于所述托架呈倒7型。

6.根据权利要求4所述的基于斯特林发电机的尾气余热发电及尾气净化系统，其特征在于二次燃烧及换热装置的壳体为空心圆柱形，且在壳体内的同一圆周上设有三个托架，壳体同一母线上并排7个托架。