CN102694187B - 一种固体氧化物燃料电池发电系统及蒸发混合换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种蒸发混合换热器，包括上盖板、下盖板、第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和第二侧壁分别以两个具有预定距离的轴线为基础向外逐圈旋绕，形成高温烟气通道和混合气通道，所述上盖板将高温烟气通道和混合气通道的上侧边封闭，所述高温烟气通道的下侧边封闭；所述下盖板与最外侧的第一侧壁或第二侧壁的下侧边封闭；所述高温烟气通道的两端分别具有高温烟气入口和高温烟气出口，所述混合气通道的两端分别具有甲烷入口和混合气出口，还设置有与混合气通道相通的入水口；所述混合气出口的内端面的高度高于所述下盖板的内表面。本发明所提供的换热器具有蒸发、混合和换热的作用，减小了蒸发混合换热系统的总体积。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，更具体地说，涉及一种蒸发混合换热器。此外，本发明还涉及一种包括上述蒸发混合换热器的固体氧化物燃料电池发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(英文简称：SOFC)是一种高效率、低污染的新型发电装置。现有技术中的固体氧化物燃料电池及其附属装置的工作过程如下：空气经压缩机压缩后进入预热器预热，然后将预热后的空气通入固体氧化物燃料电池的阴极；蒸发混合换热系统为甲烷、水蒸气重整装置提供混合均匀的、并且具有一定温度的甲烷与水蒸气的混合气体，甲烷与水蒸气在甲烷、水蒸气重整装置内进行重整反应，然后将重整反应后的气体通入固体氧化物燃料电池的阳极；进入固体氧化物燃料电池阴极与阳极的气体在固体氧化物燃料电池内部发生电化学反应，固体氧化物燃料电池发出电能。
阳极未完全反应的气体和阴极剩余的气体被一起通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生大量的高温烟气，这些高温烟气具有较高的利用价值，因此，现有技术中利用高温烟气来预热空气和甲烷，也利用高温烟气提供产生水蒸气所需要的热量，并且还为甲烷、水蒸气重整装置提供所需要的热量。高温烟气经过上述各个环节的初步利用后仍具有利用价值，可以通过余热回收装置提供热水或者用来供暖。
上述蒸发混合换热系统包括水蒸气发生器、混合器和换热器，蒸发混合换热系统对甲烷和水蒸气的处理具体有以下三个环节：第一环节，水在水蒸气发生器内吸收热量，进而汽化为水蒸气；第二环节，将甲烷和水蒸气分别通入混合器内，将水蒸气和甲烷混合均匀；第三环节，将混合均匀的甲烷和水蒸气的混合气通入换热器中，甲烷和水蒸气的混合气在换热器内与高温烟气进行热交换。其中，换热器一般情况为螺旋板式换热器，螺旋板式换热器是一种用于两种流体之间进行热交换的装置。该螺旋板式换热器包括上盖板、下盖板、第一侧壁和第二侧壁；第一侧壁和第二侧壁一般由两张平行的钢板制作而成，这两张平行钢板分别以两个具有预定距离的轴线为基础向外逐圈旋绕，形成了两个同心通道，两个同心通道分别为高温介质通道和低温介质通道；上盖板与第一侧壁和第二侧壁的上侧边固定，从而将高温介质通道和低温介质通道的上方封闭；下盖板与第一侧壁和第二侧壁的下侧边固定，从而将高温介质通道和低温介质通道的下方封闭；这样高温介质通道和低温介质通道就成为相对独立的通道；高温介质通道的两端分别具有高温流体入口和高温流体出口，低温介质通道的两端分别具有低温流体入口和低温流体出口。这样将低温流体和高温流体分别通入低温介质通道和高温介质通道内，就可以实现低温流体和高温流体之间的换热。
由于上述蒸发混合换热系统包括蒸发器、混合器和换热器三种装置，因此现有技术中的蒸发混合换热系统的体积较大，内部组成装置较多，各个装置之间的连接复杂。
因此，如何使得蒸发混合换热系统的总体积较小，内部组成装置较少是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种蒸发混合换热器，该蒸发混合换热器具有蒸发、混合和换热的作用，减小蒸发混合换热系统的总体积。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种蒸发混合换热器，包括上盖板、下盖板、第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和第二侧壁分别以两个具有预定距离的轴线为基础向外逐圈旋绕，形成高温烟气通道和混合气通道，所述上盖板将高温烟气通道和混合气通道的上侧边封闭，所述高温烟气通道的下侧边封闭；所述下盖板与最外侧的第一侧壁或第二侧壁的下侧边封闭；所述高温烟气通道的两端分别具有高温烟气入口和高温烟气出口，所述混合气通道的两端分别具有甲烷入口和混合气出口；还设置有与混合气通道相通的入水口；所述混合气出口的内端面的高度高于所述下盖板的内表面。
优选地，所述第一侧壁和第二侧壁下侧边均与所述下盖板封闭相连。
优选地，所述蒸发混合换热器还包括螺旋形延展的底板，所述底板将高温烟气通道的下侧边封闭。
优选地，所述下盖板上表面与所述底板下表面之间具有预定的距离。
优选地，所述高温烟气入口与所述混合气出口分别设置在所述高温烟气通道和混合气通道的外端；所述高温烟气出口在高温烟气通道的内端，并通过高温烟气管与外界连通；所述甲烷入口在混合气通道的内端，并通过甲烷管与外界连通；所述入水口通过入水管与外界连通。
优选地，所述甲烷管穿过所述上盖板向内伸出，所述入水管穿过所述下盖板向上伸出。
优选地，所述甲烷管穿过所述下盖板向上伸出，所述入水管穿过所述下盖板向上伸出，所述甲烷管的上端面高于所述入水管的上端面。
优选地，所述蒸发混合换热器还包括螺旋形的底板，所述底板将高温烟气通道的下侧边封闭；所述下盖板上表面与所述底板下表面之间具有预定的距离；所述甲烷入口穿过所述下盖板向上伸出，所述入水口穿过所述下盖板向上伸出；所述甲烷入口的上端面高于所述入水口的上端面，同时高于所述底板的上表面。
优选地，所述高温烟气通道各处的宽度相等，所述混合气通道各处的宽度相等。
一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括甲烷、水蒸气重整装置，包括上述任一项所述的蒸发混合换热器，所述混合气出口与甲烷、水蒸气重整装置的入口相通。
相对上述背景技术，本发明提供的蒸发混合换热器包括上盖板、下盖板、第一侧壁和第二侧壁；所述第一侧壁和第二侧壁分别以两个具有预定距离的轴线为基础向外逐圈旋绕，形成高温烟气通道和混合气通道；所述上盖板将高温烟气通道和混合气通道的上侧边封闭，所述高温烟气通道的下侧边封闭；所述下盖板与最外侧的第一侧壁或第二侧壁的下侧边封闭；所述高温烟气通道的两端分别具有高温烟气入口和高温烟气出口，所述混合气通道的两端分别具有甲烷入口和混合气出口；还设置有与混合气通道相通的入水口；所述混合气出口的内端面的高度高于所述下盖板的内表面。当本发明所提供的蒸发混合换热器处于工作状态时，由入水口通入一定量的水，又由于混合气出口的内端面的高度高于下盖板的内表面，进而能够使水保持在混合气通道中，并且甲烷与水蒸气的混合气体可以通过混合气出口向外流出；然后由高温烟气入口和甲烷入口分别通入高温烟气和甲烷；此时混合气通道中的水吸收高温烟气的热量从而发生汽化，这样水蒸气就分布在混合气通道内；同时混合气通道内的甲烷也吸收高温烟气的热量，并且甲烷在由甲烷入口向混合气出口的方向流动时还与水蒸气混合；由上述分析可知，本发明所提供的蒸发混合换热器可以使水汽化，具有水蒸气发生器的功能；可以使得水蒸气与甲烷混合，具有混合器的功能；还可以与高温烟气换热，具有换热器的功能；这样本发明所提供的蒸发混合换热器同时具有了现有技术中水蒸气发生器、混合器和换热器的功能，因此本发明所提供的蒸发混合换热器的体积较现有技术中蒸发混合换热系统的体积小很多。
附图说明
图1为本发明所提供的蒸发混合换热器的立体图；
图2为本发明所提供的蒸发混合换热器的内部气体的流向示意图；
图3为本发明所提供的蒸发混合换热器的内部结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种蒸发混合换热器，该蒸发混合换热器具有蒸发、混合和换热的作用，减小了蒸发混合换热系统的总体积。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
请参考图1、图2和图3，图1为本发明所提供的蒸发混合换热器的立体图；图2为本发明所提供的蒸发混合换热器的内部气体的流向示意图；图3为本发明所提供的蒸发混合换热器的内部结构示意图。
本发明所提供的蒸发混合换热器包括上盖板1、下盖板2、第一侧壁8和第二侧壁9；第一侧壁8和第二侧壁9分别以两个具有预定距离的轴线为基础向外逐圈旋绕，形成高温烟气通道和混合气通道；上盖板1将高温烟气通道和混合气通道的上方封闭，可以是上盖板1与第一侧壁8和第二侧壁9的上侧边固定；高温烟气通道的下侧边封闭，通常情况可以采用底板10将高温烟气通道的下侧边封闭，底板10的具体形状为螺旋形，并且底板10与高温烟气通道的下方配合，这样底板10可以方便、简单的将高温烟气通道的下侧边封闭；下盖板2与最外侧的第一侧壁8或第二侧壁9的下侧边封闭；当然还可以将第一侧壁8和第二侧壁9的下侧边均与下盖板2封闭相连；对于上述上盖板1、下盖板2、底板10、第一侧壁8和第二侧壁9来说，一般情况本领域的技术人员会采用钢板制作上述零部件，这样可以使得蒸发混合换热器具有耐高温的特性，并且同时可以使得上盖板1、下盖板2、底板10、第一侧壁8和第二侧壁9之间采用焊接的方式固定，当然也可以选用其它耐高温的材料；高温烟气通道的两端分别具有高温烟气入口4和高温烟气出口5，混合气通道的两端分别具有甲烷入口6和混合气出口3；还设置有与混合气通道相通的入水口7；为了使得甲烷与水蒸气的混合气可以通过混合气出口3流出，并且可以使得水保持在混合气通道中，应该使得混合气出口3的内端面的高度高于下盖板的内表面。
当本发明所提供的蒸发混合换热器处于工作状态时，由入水口7通入一定量的水，然后由高温烟气入口4和甲烷入口6分别通入高温烟气和甲烷；此时混合气通道中的水吸收高温烟气的热量从而发生汽化，这样水蒸气就分布在混合气通道内；同时混合气通道内的甲烷也吸收高温烟气的热量，并且甲烷在由甲烷入口6向混合气出口3的方向流动时还与水蒸气混合。由上述的分析可知，本发明所提供的蒸发混合换热器可以使水汽化，具有水蒸气发生器的功能；可以使得水蒸气与甲烷混合，具有混合器的功能；还可以与高温烟气换热，具有换热器的功能；这样本发明所提供的蒸发混合换热器同时具有了现有技术中水蒸气发生器、混合器和换热器的功能，因此本发明所提供的蒸发混合换热器的体积较现有技术中蒸发混合换热系统的体积小很多。
本领域的技术人员还可以对上述的实施例作进一步的改进，请继续参考图3。
将下盖板2的上表面与底板10的下表面之间设置预定的距离，从而使得下盖板2与底板10之间形成了注水腔。这样本发明所提供的蒸发混合换热器的高温烟气通道的下端被底板10封闭，而混合气通道则未被封闭，这样混合气通道的空间与注水腔的空间就连通起来，并且下盖板2上表面到混合气通道的下方和高温烟气通道的下方之间的注水腔本来就为连通的空间，因此，当本发明所提供的蒸发混合换热器处于工作状态时，由入水口7通入一定量的水，使得水的液面超过混合气通道的下方，水的液面就将混合气通道的下方封闭，此时混合气通道为一个单独的螺旋通道；同时水可以吸收高温烟气通道内高温烟气的热量，并且由于注水腔为连通的空间，水在注水腔内就可以随意流动，因此使得各处水的温度均较高，从而使得各处水汽化均匀，进而使得混合气通道内的水蒸气分布均匀；由甲烷入口6通入甲烷，这样甲烷在混合器通道内与高温烟气通道内的高温烟气进行热交换，从而甲烷的温度升高，甲烷在混合气通道内吸收热量的同时与混合气通道内均匀分布的水蒸气混合；由于水蒸气的分布均匀，并且甲烷和水蒸气在混合气通道内要流动一定的距离，这样甲烷就可以与水蒸气充分混合。
请继续参考图2，将高温烟气入口4和混合气出口3分别设置在高温烟气通道和混合气通道的外端；高温烟气出口5在高温烟气通道的内端，并通过高温烟气管与外界连通；甲烷入口6在混合气通道的内端，并通过甲烷管与外界连通；入水口7通过入水管与外界连通。这样高温烟气的的气流流向就和甲烷与水蒸气的混合气的气流流向方向相反，从而使得高温烟气和低温的混合气错流流动，增大了高温烟气和混合气之间的换热面积，提高了蒸发混合换热器总的传热效率。
另外，可以将甲烷管穿过上盖板1向内伸出，入水管穿过下盖板2向上伸出。还可以将甲烷管穿过下盖板2向上伸出，入水管穿过下盖板2向上伸出，此时为了保证蒸发混合换热器内的液面低于甲烷管的端口，从而水不会流入甲烷管内，可以使甲烷管的上端面高于入水管的上端面。一般本领域的技术人员会直接使用底板10将高温烟气通道的下侧边封闭；使得下盖板2的上表面与底板10的下表面之间具有预定的距离；甲烷入口6穿过下盖板2向上伸出，入水口7穿过下盖板2向上伸出；甲烷入口6的上端面高于入水口7的上端面，同时高于底板10的上表面。
还可以将高温烟气通道各处的宽度设置为相等，混合气通道各处的宽度也设置为相等，这样由于高温烟气通道和混合气通道为螺旋通道，并且高温烟气通道各处的宽度相等，混合气通道各处的宽度相等，高温烟气和混合气分别在高温烟气通道和混合气通道内没有大的转弯，并且高温烟气在高温烟气通道中各处的流速相同，混合气在混合气通道中各处的流速相同，这样高温烟气和混合气中的杂质不易在等截面的螺旋通道表面存留，从而使得蒸发混合换热器的自洁能力很强。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括甲烷、水蒸气重整装置和上述任一实施例中所描述的蒸发混合换热器；该蒸发混合换热器的混合气出口与甲烷、水蒸气重整装置的入口相通。由于本发明所提供的蒸发混合换热器具有了蒸发器、混合器和换热器的功能，因此，使得采用该种蒸发混合换热器的固体氧化物燃料电池发电系统的总体积较小，并且使得固体氧化物燃料电池发电系统内部的装置较少，各个装置之间的连接关系较为简单。
以上对本发明所提供的固体氧化物燃料电池发电系统及蒸发混合换热器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种蒸发混合换热器，包括上盖板、下盖板、第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和第二侧壁分别以两个具有预定距离的轴线为基础向外逐圈旋绕，形成高温烟气通道和混合气通道，所述上盖板将高温烟气通道和混合气通道的上侧边封闭，其特征在于，所述高温烟气通道的下侧边封闭；所述下盖板与最外侧的第一侧壁或第二侧壁的下侧边封闭；所述高温烟气通道的两端分别具有高温烟气入口和高温烟气出口，所述混合气通道的两端分别具有甲烷入口和混合气出口；还设置有与混合气通道相通的入水口；所述混合气出口的内端面的高度高于所述下盖板的内表面；
还包括螺旋形的底板，所述底板将高温烟气通道的下侧边封闭；所述下盖板上表面与所述底板下表面之间具有预定的距离；所述甲烷入口穿过所述下盖板向上伸出，所述入水口穿过所述下盖板向上伸出；所述甲烷入口的上端面高于所述入水口的上端面，同时高于所述底板的上表面。
2.如权利要求1所述的蒸发混合换热器，其特征在于，所述第一侧壁和第二侧壁下侧边均与所述下盖板封闭相连。
3.如权利要求1所述的蒸发混合换热器，其特征在于，还包括螺旋形延展的底板，所述底板将高温烟气通道的下侧边封闭。
4.如权利要求3所述的蒸发混合换热器，其特征在于，所述下盖板上表面与所述底板下表面之间具有预定的距离。
5.如权利要求1至4任一项所述的蒸发混合换热器，其特征在于，所述高温烟气入口与所述混合气出口分别设置在所述高温烟气通道和混合气通道的外端；所述高温烟气出口在高温烟气通道的内端，并通过高温烟气管与外界连通；所述甲烷入口在混合气通道的内端，并通过甲烷管与外界连通；所述入水口通过入水管与外界连通。
6.如权利要求5所述的蒸发混合换热器，其特征在于，所述甲烷管穿过所述上盖板向内伸出，所述入水管穿过所述下盖板向上伸出。
7.如权利要求5所述的蒸发混合换热器，其特征在于，所述甲烷管穿过所述下盖板向上伸出，所述入水管穿过所述下盖板向上伸出，所述甲烷管的上端面高于所述入水管的上端面。
8.如权利要求1至4任一项所述的蒸发混合换热器，其特征在于，所述高温烟气通道各处的宽度相等，所述混合气通道各处的宽度相等。
9.一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括甲烷、水蒸气重整装置，其特征在于，包括上述权利要求1至8任一项所述的蒸发混合换热器，所述混合气出口与甲烷、水蒸气重整装置的入口相通。
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