CN104482547A - 一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置，属能源动力工程领域。本装置主要由燃烧器、燃烧室壁面、热管、碱金属热电转换器模块、空气预热通道、燃气预热通道、烟道组成。本装置既可实现工业废气发电的要求，又可减少环境污染。与传统的蒸汽轮机发电、燃气轮机发电和内燃机发电相比，本装置采用碱金属热电转换器实现热能与电能的直接转换，同时采用双预热技术(空气、燃气双预热)和热管技术，具有结构简单、发电效率高、投资成本低、可靠性好等优点。

Description

一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置
技术领域：
本发明的名称是一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置，属能源动力工程领域。
背景技术：
随着经济的快速发展，电力供应日趋紧张以及工业废气排放与环境保护的矛盾日益突出。面对这一系列问题，利用工业废气中的可燃气体(简称燃气)如焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气等发电，已经成为解决这些问题的较好途径之一。目前利用燃气发电一般有三种方式：蒸汽轮机发电、燃气轮机发电和内燃机发电。蒸汽轮机发电是燃气与空气在燃烧器内燃烧，燃烧产生蒸汽做功发电。蒸汽轮机发电技术成熟，并且可以利用各种热值、压力的燃气；但工艺复杂，建设周期比较长，效率较低，单机功率较大，适合建立大规模的专业发电站。燃气轮机发电则是用空气和燃料通过燃气轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。燃气轮机发电的优点是技术成熟、燃机运行效率较高、建设工期短、投资少。但是，采用该法需设置增压系统，噪声大，大修周期短，同时，燃机余热带走热能较大，热能损失大。内燃机发电是用燃气直接燃烧驱动燃气轮机进行发电，其效率大大超过了蒸汽轮机和燃气轮机，且该种发电方式单机功率相对小，建站灵活，为目前国内燃气发电采用的主要方式。
上述三种发电方式均为动态发电，即先将热能转换为机械能再转换为电能。而静态发电则是将热能直接转换为电能。一般来说，在整个能量流动中，转换环节越多，转换链条越长，能量的损失将呈几何级增长，并大大增加整个系统的运作成本和不稳定性。从这一点来看，静态发电与动态发电相比，可能具有更好的经济性和稳定性。另一方面，由于动态发电带有运动部件，磨损，噪音，维护等问题不可避免。此外，目前传统的动态发电为了获得更好的经济效益，装机容量比较大，因此投资成本较高，回收期较长，经济性不佳。于是，利用无运动部件、无声且无需维护的热电直接转换器来进行发电，即静态发电，可成为燃气发电的一种新途径。
碱金属热电转换器作为热电直接转换技术的一种，是以β″氧化铝固体电解质为离子选择性渗透膜，以液态或气态碱金属为循环工质的高效面积型热电直接转换装置。碱金属热电转换器具有许多优势，如高效率(20～40％)，高能流密度(可达0.5kW/kg)，无运动部件，无噪音，无需维护，可靠性好，可模块化组合，适应多种热源(包括核能、太阳能、燃烧产生的热能等)。特别是碱金属热电转换器发电功率较小(一般为5～50kW)，可模块化组合，能量转换效率与装置容量无关的优势使得碱金属热电转换器有着广阔的应用前景，不但可以应用于空间电源、深海动力电源，野外作业用电源，也可用于太阳能发电、余热发电、混合电力汽车等。
基于以上现状和思想，提出采用碱金属热电转换器将工业废气中的可燃气体燃烧产生的热能直接转换为电能，即一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置。
发明内容：
本发明提供一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置。本装置主要包括燃烧器、燃烧室壁面、热管、碱金属热电转换器模块、空气预热通道、燃气预热通道、烟道。本系统一方面可实现工业废气发电的要求，另一方面可减少环境污染。同时，本装置采用碱金属热电转换器实现热能与电能的直接转换，其发电效率与装置容量无关，因此具有发电效率高，成本低，投资回收期短等优点。
本发明通过以下技术方案实现：
一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置由燃烧器1、燃烧室壁面2、燃烧室壁面热管蒸发段3、燃烧室肩部热管蒸发段4、燃烧室壁面热管冷凝段5、燃烧室肩部热管冷凝段6、内侧碱金属热电转换器模块7、外侧碱金属热电转换器模块8、空气预热入口9、空气预热通道10、空气预热出口11、燃气预热入口12、燃气预热通道13、燃气预热出口14、烟道15组成；其特征在于：燃烧室壁面2内侧设有均匀分布的燃烧室壁面热管蒸发段3，在燃烧室内靠近肩部处设有位于同一平面内呈辐射状的燃烧室肩部热管蒸发段4；在燃烧室肩部外侧设有燃烧室壁面热管冷凝段5和燃烧室肩部热管冷凝段6，且每三根燃烧室壁面热管冷凝段5间隔布置一根燃烧室肩部热管冷凝段6；在燃烧室壁面热管冷凝段5和燃烧室肩部热管冷凝段6内、外侧分别装有内侧碱金属热电转换器模块7和外侧碱金属热电转换器模块8；热管内表面设有高毛细力、低流动阻力的毛细芯，并灌装有传热介质钠。
本发明的内侧碱金属热电转换器模块7和外侧碱金属热电转换器模块8的热端均吸收燃烧室壁面热管冷凝段5和燃烧室肩部热管冷凝段6内钠蒸汽释放的凝结热；内侧碱金属热电转换器模块7和外侧碱金属热电转换器模块8的冷端分别由空气和燃气经空气预热通道10和燃气预热通道13冷却；空气预热入口9和空气预热出口11分别位于空气预热通道10内侧壁面的左下方和右上方，燃气预热入口12和燃气预热出口14分别位于燃气预热通道13外侧壁面左边的的左下方和右上方。
本发明与现有能源利用装置相比具有以下特点：(1)本装置采用碱金属热电转换器不但能实现热能与电能的直接转换，而且其发电效率与装置容量无关，因此，与传统的蒸汽轮机发电、燃气轮机发电和内燃机发电相比，具有结构简单、无运动部件、发电效率高、投资成本低、可靠性好等优点。(2)本装置采用双预热技术(空气、燃气双预热)一方面可实现对碱金属热电转换器冷端的有效冷却；另一方面可提高空气和燃气进入燃烧器的温度，有利于稳定着火和燃烧。(3)本装置在热管冷凝段的内、外两侧均设有碱金属热电转换器，既简化了系统构成，又提高了能量利用率，降低了成本。(4)本装置采用的热管内表面设有高毛细力、低流动阻力的毛细芯，增大了钠液体回流的驱动力，有利于燃气燃烧产生的热能与碱金属热电转换器热端的高效均温传热。
附图说明：
图1、2、3为本发明实施示意图。
其中：1－燃烧器；2－燃烧室壁面；3－燃烧室壁面热管蒸发段；4－燃烧室肩部热管蒸发段；5－燃烧室壁面热管冷凝段；6－燃烧室肩部热管冷凝段；7－内侧碱金属热电转换器模块；8－外侧碱金属热电转换器模块；9－空气预热入口；10－空气预热通道；11－空气预热出口；12－燃气预热入口；13－燃气预热通道；14－燃气预热出口；15－烟道。
具体实施方式：
以下结合说明书附图中的图1、2、3对本发明具体实施进行详细说明。
本发明主要由燃烧器1、燃烧室壁面2、燃烧室壁面热管蒸发段3、燃烧室肩部热管蒸发段4、燃烧室壁面热管冷凝段5、燃烧室肩部热管冷凝段6、内侧碱金属热电转换器模块7、外侧碱金属热电转换器模块8、空气预热入口9、空气预热通道10、空气预热出口11、燃气预热入口12、燃气预热通道13、燃气预热出口14、烟道15组成。
本发明的工作过程如下：
工业废气经除尘、净化、调压等处理之后的可燃气体，简称燃气，经燃气预热入口12，进入燃气预热通道13，吸收外侧碱金属热电转换器模块8冷端放出的热量后，由燃气预热出口14进入燃烧器1；与此同时，冷空气经空气预热入口9，进入空气预热通道10，吸收内侧碱金属热电转换器模块7冷端放出的热量后，经空气预热出口11进入燃烧器1。在燃烧器1内，燃气与空气混合、着火、燃烧，燃烧产生的高温烟气以对流和辐射的方式将热能传递给位于燃烧室壁面内侧的燃烧室壁面热管蒸发段3和靠近燃烧室肩部的燃烧室肩部热管蒸发段4，使得热管内的钠液体蒸发汽化，变成钠蒸汽；而其余热能由烟气经烟道15带出或经燃烧室壁面2散失于环境中。钠蒸汽流向位于燃烧室肩部外侧的燃烧室壁面热管冷凝段5和燃烧室肩部热管冷凝段6，并将汽化潜热同时释放给内侧碱金属热电转换器模块7和外侧碱金属热电转换器模块8的热端，凝结为钠液体，钠液体在重力或毛细芯的驱动下回流至燃烧室壁面热管蒸发段3和燃烧室肩部热管蒸发段4循环吸热。同时，内侧碱金属热电转换器模块7和外侧碱金属热电转换器模块8将一部分热能直接转换为电能输出；另一部分热能分别由空气和燃气经空气预热通道10和燃气预热通道13预热带出，再进入燃烧器1，如此循环。

Claims (2)

1.一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置，主要由燃烧器(1)、燃烧室壁面(2)、燃烧室壁面热管蒸发段(3)、燃烧室肩部热管蒸发段(4)、燃烧室壁面热管冷凝段(5)、燃烧室肩部热管冷凝段(6)、内侧碱金属热电转换器模块(7)、外侧碱金属热电转换器模块(8)、空气预热入口(9)、空气预热通道(10)、空气预热出口(11)、燃气预热入口(12)、燃气预热通道(13)、燃气预热出口(14)、烟道(15)组成；其特征在于：燃烧室壁面(2)内侧设有均匀分布的燃烧室壁面热管蒸发段(3)，在燃烧室内靠近肩部处设有位于同一平面内呈辐射状的燃烧室肩部热管蒸发段(4)；在燃烧室肩部外侧设有燃烧室壁面热管冷凝段(5)和燃烧室肩部热管冷凝段(6)，且每三根燃烧室壁面热管冷凝段(5)间隔布置一根燃烧室肩部热管冷凝段(6)；在燃烧室壁面热管冷凝段(5)和燃烧室肩部热管冷凝段(6)内、外侧分别装有内侧碱金属热电转换器模块(7)和外侧碱金属热电转换器模块(8)；热管内表面设有高毛细力、低流动阻力的毛细芯，并灌装有传热介质钠。
2.根据权利要求1所述的一种以工业废气为热源的碱金属热电直接转换装置，其特征在于：内侧碱金属热电转换器模块(7)和外侧碱金属热电转换器模块(8)的热端均吸收燃烧室壁面热管冷凝段(5)和燃烧室肩部热管冷凝段(6)内钠蒸汽释放的凝结热；内侧碱金属热电转换器模块(7)和外侧碱金属热电转换器模块(8)的冷端分别由空气和燃气经空气预热通道(10)和燃气预热通道(13)冷却；空气预热入口(9)和空气预热出口(11)分别位于空气预热通道(10)内侧壁面的左下方和右上方，燃气预热入口(12)和燃气预热出口(14)分别位于燃气预热通道(13)外侧壁面的左下方和右上方。
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