CN105763142B - 一种实现火焰分级利用的燃烧发电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃烧发电技术领域，旨在提供一种实现火焰分级利用的燃烧发电的方法。该方法是在传统燃油或燃气锅炉的燃烧室内围绕燃烧器设置至少一组光伏电池，光伏电池通过导线与设于燃烧室外的光伏电池配套部件连接，光伏电池的背部设置冷却器；光伏电池将燃烧释放的光能直接转换为电能，并存储于光伏电池配套部件中的蓄电池组；通过对冷却器结构选型、燃烧器与光伏电池间距和介质循环工艺参数的调节，使冷却器的换热量占燃烧室内总燃烧能量的10～20％。本发明体现了能量梯级利用理念，对能够直接转变为电的光能进行光电转化作为能量转换第一步，热能的回收作为能量转换第二步。通过对能量的合理利用避免了能量品质的浪费，提高了系统热效率。
Description
技术领域
本发明属于燃烧发电技术领域，具体是一种实现火焰分级利用的燃烧发电的方法。
背景技术
燃烧技术是现代工业的核心技术，也是化石能源的主要消耗方式。目前燃烧技术的应用最为主要的是方式是锅炉燃烧，其燃烧效率能够达到95％以上。但如果考虑到主要热量用来发电，因此实际效率并不高，最为先进的超超临界燃烧技术的热电转换效率也仅为45％，且该效率已达到领域的瓶颈，进一步提升难度大且空间有限。
目前新式化学能利用方式有：燃料电池、化学链燃烧、热光伏等。其中，光作为能量具有品级的差别，根据光能量频率的大小分为紫外光、可见光与红外光。而紫外光波长小、能量大。如通过常规手段将这部分能量利用起来，需通过热能、机械能的能量转化途径实现最后的电能输出。但在光领域如光伏、光催化上，高品质的紫外光能够直接激发半导体材料产生光生电流而不需要复杂的流程。因此对于火焰燃烧这种常规技术中使用单一方法获取能量的方式势必会造成能量浪费，而同时利用火焰的光效应和热效应才是未来对燃烧能量利用的有效手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中对锅炉燃烧释放能量品质利用不合理的缺陷，提供一种实现火焰分级利用的燃烧发电的方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种实现火焰分级利用的燃烧发电的方法，包括利用燃烧器使燃油或燃气充分燃烧对锅炉中的水进行加热，产生蒸汽进行发电；还在锅炉的燃烧室内围绕燃烧器设置至少一组光伏电池，光伏电池通过导线与设于燃烧室外的光伏电池配套部件连接，光伏电池的背部设置冷却器；光伏电池将燃烧释放的光能直接转换为电能，并存储于光伏电池配套部件中的蓄电池组；通过对冷却器结构选型、燃烧器与光伏电池间距和介质循环工艺参数的调节，使冷却器的换热量占燃烧室内总燃烧能量的10～20％。
本发明中，还包括在燃烧室出口的烟道中设置烟气换热器，冷却器的出口端通过管路依次连接烟气换热器、汽轮机、发电机、凝汽器和介质泵，介质泵的出口接至冷却器的入口端，汽轮机与发电机相连；介质在介质泵的提升作用下流经光伏电池背面的冷却器，通过热交换带走光伏电池未能吸收的辐射能量，同时使光伏电池工作于设定的温度范围内，以保证光伏电池的热电转换效率；经换热的介质经过烟气换热器后进一步升温为过热介质，推动汽轮机运转，进而使发电机运行以输出电能；在凝汽器的作用下介质实现冷凝和降温，并再度由介质泵送至冷却器进入下一个循环。
本发明中，还包括在燃烧室出口的烟道内设置空气预热器，由引风机将空气送入空气预热器进行预热后，在燃料混合器与燃油或燃气进行混合，再进入燃烧室中的燃烧器进行燃烧。
发明原理描述：
本发明中实现火焰分级利用的燃烧发电系统，其核心部件为燃烧器、光伏电池和冷却器。燃料与预热后的空气混合，通过锅炉的燃烧器完成燃烧，实现化学能到光能与热能的转变，其中一部分的热能通过对水进行加热，产生蒸汽推动汽轮机的做功以实现发电，这是传统技术中对热能的应用模式。而本发明中，还能同时通过光伏电池及冷却器把燃烧过程释放的一部分光能和热能回收利用起来。
光伏电池面对火焰接受光和热辐射，其背部通过冷却器实现降温以维持正常的工作温度。燃料经燃烧释放的光能，在光伏电池的作用下实现直接发电，而一部分热辐射被冷却器中循环介质回收利用，形成高温蒸汽带动汽轮发电机组做功，实现热能的电转化。在介质循环过程中，还更进一步利用了设置在烟道中的烟气换热器来回收烟气中的热量。同时，在烟道后段还进一步设置空气预热器，将空气加热后用于与燃料混合。
在本发明的系统中，基于半导体光伏效应的光电转化即高品质能量利用阶段，利用这一部分高品质能量直接发电的转化效率能够高达90％以上，远高于目前电厂仅依靠其热效应的45％发电效率，因而燃烧辐射能中可利用光能的比例是本发明对现有发电技术效率提升的重要影响因素。根据辐射分布规律，可利用光能与燃烧火焰温度息息相关。以常见光伏电池GaSb半导体元件为例，其截止频率为0.73eV，在光伏电池保持300K条件下，辐射温度1700K时可利用范围内的高品质能量占总辐射能约26.1％；而在辐射温度2500K时可利用光能为53.7％，辐射温度的提高使得可利用光能占比大大增加。
本发明的系统中，由于半导体光照时的反向电压会导致电能输出受到阻碍，而这一不利因素与温度具有明确关系，故光伏电池的保温是决定光电转换效率的关键因素。在热源辐射温度1700K的条件下，电池温度为300K情况下实际输出电能能够达到实际光伏电池上投射辐射能的29.4％；当电池温度升高到400K时，效率下降到16.9％；当温度继续升高到500K时，这一效率仅为5.6％。设置换热器设计换热量占总燃烧能量的10-20％，保证了光伏电池可以维持在低温下工作，维护光电元件自身安全稳定前提下保证了效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的创新部分是以光发电为核心，在能量利用本质上区分能量优劣，有效缩短发电过程中能量转换流程，技术上易操作，与现有技术结合方便。
2、本发明核心创新点改变了目前燃烧热量的利用方式，通过光伏电池利用对原本被浪费掉的辐射能量直接发电；通过冷却器实现对光伏电池降温的同时，将燃烧产生的一部分热能回收利用。
3、与目前燃烧技术相比，本发明的燃烧系统对火焰的分级利用体现了能量梯级利用理念，两者结合能显著提高现有系统发电效率。区别于目前锅炉发电技术中对燃烧释放能量一律以热形式吸收的方式，本发明对能够直接转变为电的光能进行光电转化作为能量转换第一步，热能的回收作为能量转换第二步。通过对能量的合理利用避免了能量品质的浪费，提高了系统热效率。
附图说明
图1是火焰分级利用的高效燃烧发电系统装置图。
图中：1.燃料；2.燃料混合器；3.燃烧器；4.辐射能；5.光伏电池；6.低温介质；7.冷却器；8.高温介质；9.高温烟气；10.烟气换热器；11.空气预热器；12.引风机；13.预热助燃气；14.过热介质；15.介质泵；16.汽轮机；17.发电机；18.凝汽器；19.冷却介质；20.光伏电池配套部件。
具体实施方法
下面结合附图与实例对本发明做进一步详细说明。
本发明中实现火焰分级利用的燃烧发电系统，包括设于锅炉的燃烧室中的燃烧器3(可使用燃油或燃气)，还包括与燃烧器3配合使用的锅炉设备及发电设备。在燃烧室内围绕燃烧器3设置至少一组光伏电池5，光伏电池5通过导线与设于燃烧室外的光伏电池配套部件20连接；光伏电池5的背部设冷却器7，冷却器7通过管路与介质循环系统相接。光伏电池5的导线和冷却器7的管路分为位于燃烧室中和位于燃烧室外两部分，位于燃烧室中的外侧设置隔热层，起到隔热保护作用。
光伏电池配套部件可利用市售的常规设备，但至少应包括蓄电池组、充放电控制器、逆变器和交流配电柜，交流配电柜与发电输出线路相接。
在燃烧室出口的烟道中，依次设置烟气换热器10和空气预热器11；引风机12通过管路依次连接空气预热器11和燃料混合器2，燃料混合器2与燃烧器3相连；冷却器7、烟气换热器10、汽轮机16、发电机17、凝汽器18和介质泵15共同组成了介质循环系统；其中，冷却器7的出口端通过管路依次连接烟气换热器10、汽轮机16、凝汽器18和介质泵15，介质泵15的出口接至冷却器7的入口端；汽轮机16与发电机17相连。
本发明中实现火焰分级利用的燃烧发电的方法，是对传统锅炉燃烧技术的一种补充。传统锅炉燃烧技术中，是利用燃烧器3使燃油或燃气充分燃烧，对锅炉中的水进行加热，产生蒸汽进行发电。除此之外，本发明还在锅炉的燃烧室内围绕燃烧器3设置至少一组光伏电池5，光伏电池5通过导线与设于燃烧室外的光伏电池配套部件20连接，光伏电池5的背部设置冷却器7；燃烧器3产生的火焰持续向外释放辐射能4(光能和热能)，光电池5四周环绕燃烧器，其受光面正对燃烧器3的火焰，将燃烧释放的光能直接转换为电能，并存储于光伏电池配套部件20中的蓄电池组；通过对冷却器7结构选型、燃烧器3与光伏电池5间距和介质循环工艺参数的调节，使冷却器7的换热量占燃烧室内总燃烧能量的10～20％。
本发明介质循环系统中，介质(可选用水)在介质泵15的提升作用下流经光伏电池5背面的冷却器7，通过热交换带走光伏电池5未能吸收的辐射能量，同时使光伏电池5工作于设定的温度范围内，以保证光伏电池5的热电转换效率；经换热的介质经过烟气换热器10后进一步升温为过热介质，推动汽轮机16运转，进而使发电机17运行以输出电能；在凝汽器18的作用下介质实现冷凝和降温，并再度由介质泵15送至冷却器7进入下一轮循环。
本发明还在燃烧室出口的烟道内设置空气预热器11，由引风机12将空气送入空气预热器11进行预热后，在燃料混合器2与燃油或燃气进行混合，再进入燃烧室中的燃烧器3进行燃烧。燃烧室排出的高温烟气9经过烟气换热器10和空气预热器11的换热后，转变为低温烟气排出系统。
经过上述技术实现，本发明能显著提高系统的热效率与电效率，减少能量损失，相对于传统锅炉系统有更大的发展潜力。以炉温2500K，总效率40％的600MW锅炉系统为例，选用实现光利用最大化的匹配光电池组件，光伏电池对光能的实际转化效率按90％计算，光电功率能够达到594MW，热电功率336MW，总效率62％，通过对燃烧中不同品质能量的分级利用，实现整体系统发电效率提高22％。就这一点而言，对于在总效率提升空间本已无多的传统燃料锅炉而言，是技术上的极大突破。
Claims (3)
1.一种实现火焰分级利用的燃烧发电的方法，包括利用燃烧器使燃油或燃气充分燃烧对锅炉中的水进行加热，产生蒸汽进行发电；其特征在于，还在锅炉的燃烧室内围绕燃烧器设置至少一组光伏电池，光伏电池通过导线与设于燃烧室外的光伏电池配套部件连接，光伏电池的背部设置冷却器；光伏电池将燃烧释放的光能直接转换为电能，并存储于光伏电池配套部件中的蓄电池组；通过对冷却器结构选型、燃烧器与光伏电池间距和介质循环工艺参数的调节，使冷却器的换热量占燃烧室内总燃烧能量的10～20％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在燃烧室出口的烟道中设置烟气换热器，冷却器的出口端通过管路依次连接烟气换热器、汽轮机、发电机、凝汽器和介质泵，介质泵的出口接至冷却器的入口端，汽轮机与发电机相连；介质在介质泵的提升作用下流经光伏电池背面的冷却器，通过热交换带走光伏电池未能吸收的辐射能量，同时使光伏电池工作于设定的温度范围内，以保证光伏电池的热电转换效率；经换热的介质经过烟气换热器后进一步升温为过热介质，推动汽轮机运转，进而使发电机运行以输出电能；在凝汽器的作用下介质实现冷凝和降温，并再度由介质泵送至冷却器进入下一轮循环。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在燃烧室出口的烟道内设置空气预热器，由引风机将空气送入空气预热器进行预热后，在燃料混合器与燃油或燃气进行混合，再进入燃烧室中的燃烧器进行燃烧。
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