CN104197310A - 太阳能热水辅助蓄热装置及由其构成的电厂锅炉太阳能热水供给系统 - Google Patents

太阳能热水辅助蓄热装置及由其构成的电厂锅炉太阳能热水供给系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能热水辅助蓄热装置包括至少一台分子筛蓄热床和蓄热水箱；所述分子筛蓄热床包括筒状的蓄热床外壳，蓄热床外壳内设有若干蓄热管，所述蓄热管由带网孔金属管和附着在带网孔金属管表面的吸附剂层构成，用于蓄热，所述吸附剂层中的吸附材料为能够与水作为蓄热工质对配对的分子筛吸附材料。本发明还公开了由上述太阳能热水辅助蓄热装置构成的电厂锅炉太阳能热水供给系统。本发明能够充分利用太阳能作为电厂锅炉的补充燃料，且锅炉的正常运转不受太阳能不稳定性及间歇性等影响，显著降低电厂成本。

Description

太阳能热水辅助蓄热装置及由其构成的电厂锅炉太阳能热水供给系统
技术领域
本发明涉及发电厂锅炉的给水系统，具体地指一种太阳能热水辅助蓄热装置，及包含该蓄热装置的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统。
背景技术
目前世界能源非常短缺，但锅炉特别是大型电厂的锅炉每天都在消耗着大量的煤、天然气和生物质等各种能源。而作为太阳能，由于其不稳定性和间歇性等原因，始终没有被列入锅炉燃料的行列。随着科学的发展，太阳能中温集热器得到了开发，蓄能技术也有了进步，使得太阳能作为锅炉的补充燃料成为可能。
以生物质发电厂为例，太阳能作为其锅炉的补充燃料对于生物质发电厂就有着十分特殊的意义，因为目前生物质发电厂的容量往往不大，大都在30～50MW之间，如果仅考虑太阳能补充锅炉三分之一的燃料，其经济效益也将十分可观。以30MW的生物质发电厂为例，如果考虑太阳能补充锅炉三分之一的燃料，每年大约可节省7万吨生物质燃料，仅燃料费就可节省3150万元左右。此外，由于仅考虑补充锅炉三分之一的燃料，太阳能设备的占地面积不会太大，具有可操作性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种太阳能热水辅助蓄热装置和包含该蓄热装置的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统，能够充分利用太阳能作为电厂锅炉的补充燃料，且锅炉的正常运转不受太阳能不稳定性及间歇性等影响，显著降低电厂成本。
为解决上述技术问题，本发明提供的太阳能热水辅助蓄热装置包括至少一台分子筛蓄热床和蓄热水箱；所述分子筛蓄热床包括筒状的蓄热床外壳，蓄热床外壳内设有若干蓄热管，所述蓄热管由带网孔金属管和附着在带网孔金属管表面的吸附剂层构成，用于蓄热，所述吸附剂层中的吸附材料为能够与水作为蓄热工质对配对的分子筛吸附材料；蓄热床外壳的两端均设有密封阀门并分别通过通气管道与空气预热器的气体进、出口连通；蓄热床外壳的一端侧面设有入水口，所述入水口与所述蓄热水箱的出水口连通，另一端侧面设有出水口，用于将热水输至后续设备。
在上述技术方案中，所述吸附剂层由吸附材料和导热性好的金属粉末混合构成或采用化学聚合法制作的化学聚合吸附材料。
在上述技术方案中，所述吸附剂层中的吸附材料可采用硅胶、天然沸石、人工沸石、氯化钙和复合吸附材料。
在上述技术方案中，所述吸附剂层中的吸附材料最优选人工沸石13X分子筛。
在上述技术方案中，所述蓄热床外壳由双层钢板夹聚氨酯保温层构成。
本发明还提供了一种包含上述太阳能热水辅助蓄热装置的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统，包括依次与汽轮机出气口连接的冷凝器、凝结水泵、轴封加热器、若干级低压加热器、除氧器和若干级高压加热器，最后一级高压加热器与锅炉的入水口连通，所述各通水管道上设有阀门和水泵，各通气管道上设有阀门和风机，还包括太阳能中温集热器、太阳能二级加热器和太阳能热水辅助蓄热装置；
所述太阳能中温集热器的入水口与轴封加热器的出水口连通，太阳能中温集热器的出水口与最后一级低压加热器的入水口连通；
所述太阳能二级加热器的入水口与太阳能中温集热器的出水口连通，太阳能二级加热器的出水口分别与最后一级低压加热器的入水口、第一级高压加热器的入水口和空气预热器的入水口连通，空气预热器的出水口与所述太阳能中温集热器的入水口连通；
所述太阳能热水辅助蓄热装置的分子筛蓄热床的出水口与最后一级低压加热器的入水口连通。
上述技术方案中，所述太阳能一级加热设备为集热温度可达到100℃以上的真空管太阳能集热器。
上述技术方案中，所述太阳能二级加热设备器槽式太阳能集热器或者CPC集热器。
上述技术方案中，所述太阳能二级加热器的出水口还连有吸收式制冷机，吸收式制冷机的出水口与所述太阳能中温集热器的入水口连通。
进一步地，所述吸收式制冷机为溴化锂制冷机。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)采用了太阳能真空管集热器用作一级加热设备，在太阳辐射强度足够时(＞600w/m2)可制备出150℃以上的热水或0.2MPa的蒸汽，能够直接用水泵送至低压加热器并进而作为锅炉给水的补充；
2)太阳能二级加热器的利用的目的是进一步提高水温，不仅节能，而且可保证太阳辐射强度较低时太阳能的利用；当太阳辐射强度足够时，太阳能二级加热器可将水温加热到150℃以上，从而直接送入高压加热器作为锅炉给水的补充；
3)该系统的核心设备是分子筛蓄热床，是本发明的创新装置，它采用分子筛吸附蓄热，蓄热容积大、它是保证系统连续供热的关键设备，它的第一功能是可以利用太阳能二级加热的高温水储备高品位的热量，第二功能是能够在夜间或者太阳辐射能比较低的情况下，对从蓄热水箱放出的热水进行加热以提高水温，保证供热水的品质，也是系统连续供热的保证，而且该装置具有提高温度幅度大、蓄热容积大、保温性能好。造价低廉的优点；
4)除充分利用太阳能外，本发明由于直接取电厂排气凝结水作为工质还充分利用了电厂余热；
5)由于系统能提供的水温较高，因此它也可以作为吸附式制冷机的热源，为热水系统提供了多途径的用途；
6)本发明由于采用了太阳能二级加热使热水系统能获得较高的品位的热能，同时由于采用了分子筛蓄热装置，可以使系统连续运转，该蓄热装置相对于耗资巨大操作程序复杂的高温熔盐蓄热系统投资要节省得多，而且还具有提高温度幅度大、蓄热容积大、保温性能好优点。非常适合作为电厂锅炉热水供应的辅助系统。
附图说明
图1为本发明一个实施例的系统示意图；
图2为图1中分子筛蓄热床的结构示意图；
图3为图1的A-A剖视图；
图4为图2和图3中蓄热管的横截面图；
图5为图1系统的工作原理图；
图中：1—锅炉，2—汽轮机，3—发电机，4—冷凝器，5—凝结水泵，6—除氧器，7—除氧水箱，8～10—低压加热器，11—电动给水泵，12～13—高压加热器，14—轴封加热器，15—平板太阳能集热器，16—CPC集热器，17—蓄热水箱，18—分子筛蓄热床(其中：18.1—蓄热床外壳、18.2—密封阀门、18.3—通风机、18.4—调节水阀、18.5—蓄热管、18.5.1—带网孔金属管、18.5.2—吸附剂层)，19—定压装置，20—溴化锂制冷机，21—水泵，22—风机，23—空气预热器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：
如图2至图4所示，本发明的一种太阳能热水辅助蓄热装置，包括至少一台分子筛蓄热床18和蓄热水箱17；所述分子筛蓄热床18包括筒状的蓄热床外壳18.1，蓄热床外壳18.1内设有若干蓄热管18.5，所述蓄热管18.5由带网孔金属管18.5.1和附着在带网孔金属管18.5.1表面的吸附剂层18.5.2构成，用于蓄热，所述吸附剂层18.5.2中的吸附材料为能够与水作为蓄热工质对配对的分子筛吸附材料；蓄热床外壳18.1的两端均设有密封阀门18.2并分别通过通气管道与空气预热器23的气体进、出口连通；蓄热床外壳18.1的一端侧面设有入水口，所述入水口与所述蓄热水箱17的出水口连通，另一端侧面设有出水口，用于将热水输至后续设备。
由于本发明只是向锅炉提供150～250℃的热水，以节省锅炉燃料为目的，而不是提供600～800℃的热源直接发电，因此蓄热装置无需使用耗资巨大操作程序复杂的高温熔盐蓄热系统，而采用一种简单的低温蓄热装置即可。上述蓄热装置完全能够满足需求。
为了便于保温，本实施例中的蓄热床外壳18.1可由双层钢板夹约100mm聚氨酯保温层构成，蓄热水箱17可采用钢制加保温层制作也可以采用钢筋混凝土结构加保温层制作。
本实施例中的所述吸附剂层18.5.2优选由吸附材料和导热性好的金属粉末混合构成。所述吸附剂层18.5.2中的吸附材料优选硅胶、天然沸石、人工沸石或复合吸附剂。
本实施例中的吸附剂层18.5.2最优选为人造沸石13X分子筛与导热性好的金属粉末混合并利用粘接剂附着在带网孔金属管18.5.1表面构成。选择人工沸石13X分子筛作为蓄热材料，是考虑其成本低、吸附性极强，一般情况下，人工沸石13X分子筛的蓄热密度可达640kj/kg，且能再生重复使用，蓄热稳定，不提取无热损失。如果采用化学聚合法，则在吸附剂颗粒表面覆盖一层很薄的导热高分子的物质，利用少量的导热高分子聚合在吸附剂颗粒表面形成一层连续的导热网，提高颗粒的导热性能，减少吸附剂内部传热温度梯度，达到强化吸附剂传热性能的目的，该方法通过许多实践证明这种方法对降低吸附剂吸附能力的影响也最小。本项目初拟采用导电聚苯胺作为导热工质，该工质可以在沸石颗粒表面直接化学氧化聚合使少量导热聚苯胺形成一层均匀连续的导热网，从而显著提高吸附剂的导热系数。此外，为了将覆盖了高分子导热层吸附剂凝聚成一个整体，除了在蓄热装置中紧密夯实外在吸附剂中还应添加一些粘胶剂，将沸石粘结成一个整体。在制作过程中要注意必须保证吸附剂有足够的吸附通道，不至于大幅度降低吸附剂的吸附能力，而且在选用粘胶剂粘胶剂时，要注意粘胶剂不能与吸附剂发生任何化学反应。
上述蓄热装置的工作原理为：机构蓄热时，太阳能加热后的热水送入空气预热器23，加热后的空气温度一般可达120～150℃，加热后的空气送入分子筛蓄热床18，热空气在蓄热管18.5外强制通过并与吸附剂层18.5.2充分进行热交换，人工沸石分子筛受热，水分蒸发，并实现吸热蓄热，高湿的空气可外排，蓄热结束后，关闭两端的密封阀门18.2；机构放热时，将蓄热水箱17中约60～70℃的水送入分子筛蓄热床18，水与干涸的人工沸石充分接触后大量放热，水温被提高。为配合蓄热水箱17的容积而分子筛蓄热床18不宜做的过大，可并联设置4～8个分子筛蓄热床18，以保证系统正常稳定运行。
如图1至图4所示，本发明的一种电厂锅炉太阳能热水供给系统，包括依次与汽轮机2出气口连接的冷凝器4、凝结水泵5、轴封加热器14、三级低压加热器8、9、10、除氧器6和除水箱7，以及二级高压加热器12、13，最后一级高压加热器13与锅炉1的入水口连通，此外，还包括太阳能中温集热器、太阳能二级加热器和太阳能热水辅助蓄热装置；
本实施例中的太阳能中温集热器选用平板太阳能集热器15，其入水口与轴封加热器14的出水口连通，其出水口与最后一级低压加热器10的入水口连通；
本实施例中的太阳能二级加热器选用CPC集热器16，其入水口与平板太阳能集热器15的出水口连通，其出水口分别与最后一级低压加热器10的入水口、第一级高压加热器12的入水口和空气预热器23的入水口连通，空气预热器23的出水口与上述平板太阳能集热器15的入水口连通；
太阳能热水辅助蓄热装置的分子筛蓄热床18的出水口与最后一级低压加热器10的入水口连通；为适应夜间使用，蓄热水箱17的设计容积可为锅炉1的8～10小时容量；
此外，为实现不同工况，各通水管道上必要处设有阀门和水泵23，各通气管道上则设有阀门和风机22。
上述蓄热机构的工作原理为：机构蓄热时，太阳能加热后的热水送入空气预热器23，加热后的空气温度一般可达120～150℃，加热后的空气送入分子筛蓄热床18，热空气在蓄热管18.5外强制通过并与吸附剂层18.5.2充分进行热交换，人工沸石分子筛受热，水分蒸发，并实现吸热蓄热，高湿的空气可外排，蓄热结束后，关闭两端的密封阀门18.2；机构放热时，将蓄热水箱17中约60～70℃的水送入分子筛蓄热床18，水与干涸的人工沸石充分接触后大量放热，水温被提高。为配合蓄热水箱17的容积而分子筛蓄热床18不宜做的过大，可并联设置4～8个分子筛蓄热床18，以保证系统正常稳定运行。
本发明的工作原理如图1和图5所示：从电厂的轴封加热器14抽取凝结水作为本热水供给系统的运行工质，用水泵23送至平板太阳能集热器15，当白天且太阳辐射强度足够(＞600w/m2)时吸收太阳能，水温可达150℃左右，这些经加温的水分为三路输出：
1)直接送入低压加热器10，然后至除氧器6，除氧后的水依次经高压加热器12、13后，送至锅炉1；
2)进入蓄热水箱17储存，当晚间没有太阳能时，用水泵23抽取蓄热水箱17内的热水送至分子筛蓄热床18进行二次加热，使水温达到150℃以上，再送入低压加热器10，然后至除氧器6，除氧后的水依次经高压加热器12、13后，送至锅炉1，实现晚间或其他没有太阳能情况下对太阳能的利用；
3)用水泵送至CPC集热器16进行二次加热，加热后的出水有四种用途：3.1)当CPC集热器16的出水口水温高于250℃时，出水可直接送入高压加热器12、13，加热后送至锅炉1；3.2)热水可送入吸收式制冷机作为制冷的热源，出口端的热水再送回平板太阳能集热器15入水口循环使用；3.3)当太阳辐射强度较弱的情况下，CPC集热器16出水口水温可能低于200℃，此时将出水送入低压加热器10，然后至除氧器6，除氧后的水依次经高压加热器12、13后，送至锅炉1；3.4)热水送入空气预热器23，加热分子筛蓄热床18内低温高湿空气，利用吸附剂层18.5.2储能，空气预热器23的出水返回平板太阳能集热器15。
上述工况可根据实际条件进行切换。
本发明的核心在于由太阳能中温集热器、太阳能二级加热器、空气加热器、出热水箱、分子筛蓄热床18、吸收式制冷机组组成的太阳能热水供应系统与电厂锅炉给水系统接口可以连续不断地为电厂提供60～250℃的热水，能够充分利用太阳能作为电厂锅炉的补充燃料，且锅炉的正常运转不受太阳能不稳定性及间歇性等影响，显著降低电厂成本。系统的核心装置是分子筛蓄热床18，有了它才能保证系统连续不断地提供高品位的热量。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：分子筛蓄热床18中蓄热管18.5的数量及排布方式并不限于上述实施例中的具体形式，只要便于分子筛蓄热床18两端的通气和侧面的通水，并满足蓄热要求即可；吸附剂层18.5.2中吸附材料采用人工沸石是本发明的优选方案，采用活性炭、硅胶等蓄热材料也能够实现本发明技术方案；太阳能二级加热器不仅可采用CPC集热器16，还可采用槽式太阳能集热器等其它中高温集热器等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种太阳能热水辅助蓄热装置，其特征在于：所述蓄热装置包括至少一台分子筛蓄热床(18)和蓄热水箱(17)；所述分子筛蓄热床(18)包括筒状的蓄热床外壳(18.1)，蓄热床外壳(18.1)内设有若干蓄热管(18.5)，所述蓄热管(18.5)由带网孔金属管(18.5.1)和附着在带网孔金属管(18.5.1)表面的吸附剂层(18.5.2)构成，用于蓄热，所述吸附剂层(18.5.2)中的吸附材料为能够与水作为蓄热工质对配对的分子筛吸附材料；蓄热床外壳(18.1)的两端均设有密封阀门(18.2)并分别通过通气管道与空气预热器(23)的气体进、出口连通；蓄热床外壳(18.1)的一端侧面设有入水口，所述入水口与所述蓄热水箱(17)的出水口连通，另一端侧面设有出水口，用于将热水输至后续设备。
2.根据权利要求1所述的太阳能热水辅助蓄热装置，其特征在于：所述吸附剂层(18.5.2)由吸附材料和导热性好的金属粉末混合构成或采用化学聚合吸附材料。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能热水辅助蓄热装置，其特征在于：所述吸附剂层(18.5.2)中的吸附材料采用硅胶、天然沸石、人工沸石、氯化钙或复合吸附材料。
4.根据权利要求3所述的太阳能热水辅助蓄热装置，其特征在于：所述吸附剂层(18.5.2)中的吸附材料为人工沸石13X分子筛。
5.根据权利要求1或2所述的太阳能热水辅助蓄热装置，其特征在于：所述蓄热床外壳(18.1)由双层钢板夹聚氨酯保温层构成。
6.一种包含权利要求1～5所述的太阳能热水辅助蓄热装置的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统，包括依次与汽轮机(2)出气口连接的冷凝器(4)、凝结水泵(5)、轴封加热器(14)、若干级低压加热器、除氧器(6)和若干级高压加热器，最后一级高压加热器与锅炉(1)的入水口连通，所述各通水管道上设有阀门和水泵(21)，各通气管道上设有阀门和风机(22)，其特征在于：还包括太阳能中温集热器、太阳能二级加热器和太阳能热水辅助蓄热装置；
所述太阳能中温集热器的入水口与轴封加热器(14)的出水口连通，太阳能中温集热器的出水口与最后一级低压加热器的入水口连通；
所述太阳能二级加热器的入水口与太阳能中温集热器的出水口连通，太阳能二级加热器的出水口分别与最后一级低压加热器的入水口、第一级高压加热器的入水口和空气预热器(23)的入水口连通，空气预热器(23)的出水口与所述太阳能中温集热器的入水口连通；
所述太阳能热水辅助蓄热装置的分子筛蓄热床(18)的出水口与最后一级低压加热器的入水口连通。
7.根据权利要求6所述的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统，其特征在于：所述太阳能中温集热器为集热温度在100℃以上的真空管太阳能集热器(15)。
8.根据权利要求6所述的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统，其特征在于：所述太阳能二级加热器为槽式太阳能集热器或者CPC集热器(16)。
9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统，其特征在于：所述太阳能二级加热器的出水口还连有吸收式制冷机，吸收式制冷机的出水口与所述太阳能中温集热器的入水口连通。
10.根据权利要求9所述的电厂锅炉太阳能热水辅助供给系统，其特征在于：所述吸收式制冷机为溴化锂制冷机(20)。
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