CN106351765B - 一种基于斯特林机的电热联供系统及其电热联供方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斯特林机的电热联供系统及其电热联供方法。山区、欠发达地区仍有很大一部分家庭电网短期内还无法铺设到户。本发明将生物质在燃烧炉中燃烧，加热蓄热锅中的熔盐，高温熔盐加热斯特林机的热端驱动斯特林机发电；对斯特林机冷端进行冷却的循环水系统，分别流经斯特林机的冷端和省煤器，对两部分的余热进行回收，最终得到50～100℃的热水。本发明解决了斯特林机应用于生物质直燃发电锅炉，易引起热端积灰结焦严重，发电效率急剧下降的问题；实现了能量梯级利用，系统热效率高；实现了电热联供，节能效果显著；电力输出品质稳定，非常适合储放能，为边远地区电力孤岛的电力解决提供了出路。

Description

一种基于斯特林机的电热联供系统及其电热联供方法

技术领域

本发明涉及一种基于斯特林机的电热联供系统及其电热联供方法，尤其是涉及一种基于斯特林机的生物质直燃蓄热电热联供系统及其电热联供方法。

背景技术

近阶段在一些特殊地理分布的地区，如山区、欠发达地区等，仍有很大一部分家庭电网短期内还无法铺设到户，人民群众的生活质量和生产受到严重影响，经济文化普遍落后，造成此类现象至今仍无法得到根本解决的原因有以下几点：风力发电所需的风场条件较为苛刻，难以应用；太阳能能量密度低、稳定性差，太阳能发电电力供应非常不稳定；清洁燃气资源无法送达；矿产资源匮乏。但这些地区生物质资源丰富。

斯特林机又称斯特林发动机，具有热效率高，运转特性好，噪音低等优点，由此在清洁燃气发电领域、太阳能热发电领域有着重要的应用。在清洁燃气发电领域，一般使用天然气、柴油、液化石油气、沼气、煤层气、氢气、人工煤气等清洁能源。太阳能热发电系统主要有三种：槽式、塔式和碟式。其中碟式太阳能热发电具有聚光比高、能效高、机构紧凑、安装方便、可分布式也可规模化发电的优点，已经越来越为市场青睐，斯特林机是碟式太阳能热发电系统的核心设备。

斯特林机是独特的热机，因为他们实际上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，在热端蒸发的膨胀工质(氢气或氦)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷端冷却，反复地进行这样的循环过程。斯特林循环是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸热，而在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。

斯特林机是一种封闭式外燃机，外燃系统是斯特林发动机的重要组成部分，其主要功能是通过合理、高效地组织燃烧与换热，将燃料的化学能转化为热能传递给热端机内工质，从而使得机内工质在发动机内膨胀做功，将热能转换成机械能/电能。由此可见，一台发动机效率的高低，不仅取决于发动机本身的循环效率，而且与外燃系统的燃烧效率和热端换热效率的高低也有着很大的关系。为此，要设计出高效、可靠的斯特林发动机，外燃系统的设计和热端的换热设计至关重要。

发明内容

本发明的目的是针对目前斯特林机应用于生物质直燃发电锅炉，易引起热端积灰结焦严重，发电效率急剧下降的问题，以及由于燃料量不稳定、种类不稳定和停留时间不稳定，易引起烟气浓度和温度剧烈波动对斯特林机的冲击，电力输出波动较大的问题，提供一种基于斯特林机的电热联供系统及其电热联供方法，将斯特林机的燃料范围扩大到能直接燃烧煤、生物质(木材、秸秆等)和固废(垃圾、污泥等)等能源领域；由于电力输出稳定，非常适合储放能，系统也为边远地区电力孤岛的电力解决提供了出路；系统同时实现了电热联供。

本发明一种基于斯特林机的电热联供系统，包括一次风机、二次风机、集灰室、二次风空气预热器、一次风空气预热器、省煤器、排气筒、水箱、循环水泵、斯特林机、蓄热锅、搅拌装置、燃烧炉和烟道；所述的燃烧炉包括一次风口、二次风口、炉膛、炉排和集渣室。所述的蓄热锅设置在炉膛顶部；炉排设置在炉膛底部，集渣室设置在炉排底部，集渣室侧壁开设出渣口；炉膛侧壁设有加料口和观察窗。炉膛侧壁顶部通过烟道与集灰室侧壁连通；烟道设有除灰孔；所述的集灰室顶部连通二次风空气预热器，二次风空气预热器顶部连通一次风空气预热器，一次风空气预热器顶部连通省煤器，省煤器顶部连通排气筒；一次风机的出风口接一次风空气预热器的预热管入风口，一次风空气预热器的预热管出风口接集渣室的一次风口，一次风口设有沿集渣室周向均布的多个；二次风机的出风口接二次风空气预热器的预热管入风口，二次风空气预热器的预热管出风口接开设在炉膛侧壁中部的二次风口，二次风口设有沿炉膛周向均布的多个。蓄热锅中充满熔盐，斯特林机的热端浸没在熔盐中，搅拌装置用于搅拌蓄热锅中的熔盐；所述循环水泵的入水口接水箱出水口，出水口接斯特林机的冷端入水口；斯特林机的冷端出水口接省煤器的管道入水口和水箱入水口，省煤器的管道出水口作为热水供应口。

所述的搅拌装置包括搅拌棒和电机；搅拌棒固定在电机的输出轴上，并浸入熔盐中。

所述的搅拌装置采用熔盐泵。

所述的斯特林机优先选用自由浮筒式斯特林机。

本发明一种基于斯特林机的电热联供系统的电热联供方法，具体如下：将生物质通过加料口送入燃烧炉的炉膛，从而落在炉排上。一次风机将加压的常温空气经一次风空气预热器加热升温至100～200℃后，通过一次风口送入炉排下方的集渣室，吸收炉排上方炉渣显热后将炉排上方的生物质燃烧成为烟气和炉渣，炉排得到冷却降温，烟气上升，炉渣落入下方的集渣室。二次风机将加压的常温空气经二次风空气预热器加热升温至200～300℃后，通过二次风口送入炉膛，与炉膛中的烟气混合燃烧；周向布置的二次热风使得炉膛温度更加均匀；炉膛中经二次风燃尽的烟气持续加热蓄热锅，保持蓄热锅内的熔盐温度为400～580℃内的一个设定值，浸没在熔盐中的斯特林机热端温度保持在300～550℃内的一个值，斯特林机稳定输出电力。水箱利用循环水泵冷却斯特林机的冷端；斯特林机的冷端出水口一路返回水箱，另一路送往省煤器加热作为热水供应。

所述斯特林机的冷端温度为50～60℃。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)针对目前斯特林机应用于生物质直燃发电锅炉，易引起热端积灰结焦严重，发电效率急剧下降的问题，以及由于燃料量不稳定、种类不稳定和停留时间不稳定，易引起烟气浓度和温度剧烈波动对斯特林机的冲击，电力输出波动较大的问题，通过在炉膛中布置蓄热锅，将斯特林机热端浸没在锅内高温熔盐中，并在锅内布置搅拌装置强化换热效果，形成斯特林机恒定高温热源予以解决，将斯特林机的燃料范围扩大到能直接燃烧煤、生物质(木材、秸秆等)和固废(垃圾、污泥等)等能源领域。

(2)采用高温烟气直接加热蓄热锅，斯特林机热端浸在熔盐中结合搅拌装置或熔盐泵循环能均匀热端附近温度场分布，改善热端的热应力状况，降低热端对金属材料的高温性能要求，选用更为廉价的材料制作加工热端，有利于降低斯特林机的制造成本和商品化推广。

(3)余热利用充分：对斯特林机冷端进行冷却的循环水系统，分别流经斯特林机的冷端和省煤器，对两部分的余热进行回收，最终得到50～100℃的热水，实现了能量梯级利用，系统热效率高；实现了电热联供，节能效果显著；结构简单、易维护、易操作、节能环保、性能稳定。

(4)系统采用生物质直燃锅炉，燃料来源广泛，基于熔盐蓄热的斯特林机电力输出品质稳定，提高了斯特林机的实用性，非常适合储放能，系统也为边远地区电力孤岛的电力解决提供了出路。进一步地，本发明也可以作为分布式能源发电领域的有益补充和结合。

(5)燃烧炉布置一次风和二次风，实现分级燃烧减小了穿过炉排的风量风速，烟气中飞灰携带量明显减少；布置一次风空气预热器和二次风空气预热器，充分利用烟气余热。多点布置的二次热风使得炉膛温度更加均匀，消除局部高温，从而减少烟尘、NOx和CO等污染物的排放；减少了过量空气系数从而减少废气热的排放，提高系统效率。本发明燃烧炉的生物质燃烧充分，达到了节能环保的设计指标。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图中：1、出渣口，2、一次风口，3、一次风机，4、二次风机，5、除灰孔，6、集灰室，7、二次风空气预热器，8、一次风空气预热器，9、省煤器，10、排气筒，11、水箱，12、循环水泵，13、斯特林机，14、热端，15、蓄热锅，16、搅拌装置，17、熔盐，18、二次风口，19、观察窗，20、燃烧炉，21、加料口，22、炉排，23、集渣室，24、炉膛，25、烟道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于斯特林机的电热联供系统，包括一次风机3、二次风机4、集灰室6、二次风空气预热器7、一次风空气预热器8、省煤器9、排气筒10、水箱11、循环水泵12、斯特林机13、蓄热锅15、搅拌装置16、燃烧炉20和烟道25；燃烧炉20包括一次风口2、二次风口18、炉膛24、炉排22和集渣室23。蓄热锅15设置在炉膛24顶部；炉排22设置在炉膛24底部，集渣室23设置在炉排22底部，集渣室23侧壁开设出渣口1；炉膛24侧壁设有加料口21和观察窗19。炉膛24侧壁顶部通过烟道25与集灰室6侧壁连通；烟道25设有除灰孔5；集灰室6顶部连通二次风空气预热器7，二次风空气预热器7顶部连通一次风空气预热器8，一次风空气预热器8顶部连通省煤器9，省煤器9顶部连通排气筒10；一次风机3的出风口接一次风空气预热器8的预热管入风口，一次风空气预热器8的预热管出风口接集渣室23的一次风口2，一次风口2设有沿集渣室23周向均布的4个；二次风机4的出风口接二次风空气预热器7的预热管入风口，二次风空气预热器7的预热管出风口接开设在炉膛24侧壁中部的二次风口18，二次风口18设有沿炉膛周向均布的4个。蓄热锅15中充满熔盐17，斯特林机13的热端14浸没在熔盐中，搅拌装置16用于搅拌蓄热锅15中的熔盐17；生物质在炉膛24中燃烧，加热蓄热锅15中的熔盐17，高温熔盐17加热斯特林机13的热端14驱动斯特林机13发电。循环水泵12的入水口接水箱11出水口，出水口接斯特林机13的冷端入水口；斯特林机13的冷端出水口接省煤器9的管道入水口和水箱11入水口，省煤器9的管道出水口作为热水供应口。

搅拌装置为带有搅拌棒的电机，利用电机的转动带动搅拌棒在熔盐中旋转造成熔盐紊流利于换热，也可以选用熔盐泵进行熔盐循环，增强换热效果。

斯特林机优先选用自由浮筒式斯特林机，静音好，热效率更高。本发明以自由浮筒式斯特林机为示意图及部分叙述方式，不影响其余机种的应用。

该基于斯特林机的电热联供系统的电热联供方法，具体如下：将生物质通过加料口送入燃烧炉的炉膛，从而落入并堆放在炉排上。一次风机将加压的常温空气经一次风空气预热器加热升温至100～200℃后，通过一次风口送入炉排下方的集渣室，吸收炉排上方高温炉渣显热后将炉排上方的生物质燃烧成为烟气和炉渣，炉排得到冷却降温，烟气上升，炉渣落入下方的集渣室。二次风机将加压的常温空气经二次风空气预热器加热升温至200～300℃后，通过二次风口送入炉膛，与炉膛中的高温烟气混合燃烧，提高了整个炉膛的平均温度；周向布置的二次热风使得炉膛温度更加均匀，消除局部高温，从而减少烟尘、NOx和CO等污染物的排放；减少了过量空气系数从而减少废气热的排放，提高系统效率。炉膛中经二次风燃尽的高温烟气持续加热蓄热锅，保持蓄热锅内的熔盐温度为400～580℃内的一个设定值(实际操作时允许有几度的误差波动)，浸没在熔盐中的斯特林机热端温度保持在300～550℃内的一个值(实际操作时允许有几度的误差波动)，斯特林机稳定输出电力。蓄热锅中的恒温熔盐作为高温热源保证斯特林机的热端有稳定的热量输入，热端温度相对恒定，保证系统电力输出品质稳定，提高了斯特林机的实用性；水箱作为系统的低温热源，利用循环水泵强制冷却斯特林机的冷端；斯特林机的冷端出水口一路返回水箱，另一路送往省煤器加热作为热水供应；冷端工质的温度在50～60℃，送往省煤器的热水温度为40～50℃，经省煤器加热成50～100℃的热水，用作洗澡、洗衣服、餐厨用水等，做到发电优先原则的同时，实现电热联供。循环水系统中，水箱中的水经循环水泵加压，依次流经斯特林机的冷端和省煤器，对两部分的余热进行回收，最终得到50～100℃的热水，节能效果显著，系统热效率高。

斯特林机热端部分在常规应用中经常会发生受热不均匀现象。为了防止热端加热管被烧毁，加热温度必须等于或低于金属所能承受的最高工作温度(冶金限)。熔盐的工作温度一般在400～580℃，将热端浸在高温熔盐中能有效规避热端加热管被烧毁现象的出现，提高斯特林机的使用寿命；斯特林机热端设计温度530℃(工作温度300～550℃)，熔盐一般设计温度在150～580℃，只要调整熔盐配方就能适应不同的运行温度要求，非常适合斯特林机在光热发电领域的储能。斯特林机热端浸在熔盐中结合搅拌装置或熔盐泵循环能均匀热端附近温度场分布，改善热端的热应力状况，降低热端对金属材料的高温性能要求，选用更为廉价的材料制作加工热端，有利于降低斯特林机的制造成本和商品化推广。在熔盐锅中布置搅拌装置或熔盐泵循环，强制熔盐与斯特林机的换热，也强化了炉膛烟气与熔盐的换热，进一步提升斯特林机的发电效率。

燃烧炉采用熔盐蓄热，有效降低了炉膛中燃料量不稳定、种类不稳定和停留时间不稳定，造成烟气浓度和温度剧烈波动对斯特林机的冲击，起到稳定热负荷波动的效果，将斯特林机的燃料范围扩大到能直接燃烧煤、生物质(木材、秸秆等)和固废(垃圾、污泥等)等能源领域。

斯特林机热端一般体积较少，很难应用于生物质直燃锅炉，而利用熔盐蓄热，其熔盐锅能极大增大与炉膛烟气的有效换热面积，不但提升燃烧炉的燃烧效率，也极大提升斯特林机的发电效率。

熔盐锅中熔盐温度相对恒定，从而保证斯特林机的热端有稳定的热量输入，工质温度相对恒定，保证系统输出电力的稳定性和持续性。

斯特林机热端与烟气直接接触加热，一旦换热表面出现积灰、结焦现象，发电效率会急剧下降，采用熔盐蓄热，能有效规避此类情况出现，提高了斯特林机的使用寿命，也为斯特林机在直燃锅炉领域的应用创出了新途径。

熔盐锅后布置一次风空气预热器和二次风空气预热器，换热的一、二次热风使燃烧更充分，提高了整个炉膛的平均温度，强化了与熔盐的换热，进一步提升发电效率；多点布置的二次热风使得炉膛温度更加均匀，消除局部高温，从而减少烟尘、NOx和CO等污染物的排放；减少了过量空气系数从而减少废气热的排放，提高系统效率。

空气预热器后布置省煤器，进一步减少排烟损失，提高系统热效率。斯特林机冷端循环水系统，在冷却斯特林机冷端的同时，提升水温至40～50℃，并作为省煤器的供水，经省煤器换热升温至50～100℃后用作洗澡、洗衣服、餐厨用水等，做到发电优先原则的同时，实现电热联供。随着热水的消耗，水箱相应进行给水，循环水系统维持斯特林机冷端内工质温度在50～60℃。对斯特林机的冷端进行冷却，维持斯特林机高温空间和低温空间的温差稳定，可以提高发电的质量，并利于储放能或并网等后续电力应用。

熔盐的配方为常规技术，在光热电站中普遍应用。

所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于斯特林机的电热联供系统，包括一次风机、二次风机、集灰室、二次风空气预热器、一次风空气预热器、省煤器、排气筒、水箱、循环水泵、斯特林机、蓄热锅、搅拌装置、燃烧炉和烟道，其特征在于：所述的燃烧炉包括一次风口、二次风口、炉膛、炉排和集渣室；所述的蓄热锅设置在炉膛顶部；炉排设置在炉膛底部，集渣室设置在炉排底部，集渣室侧壁开设出渣口；炉膛侧壁设有加料口和观察窗；炉膛侧壁顶部通过烟道与集灰室侧壁连通；烟道设有除灰孔；所述的集灰室顶部连通二次风空气预热器，二次风空气预热器顶部连通一次风空气预热器，一次风空气预热器顶部连通省煤器，省煤器顶部连通排气筒；一次风机的出风口接一次风空气预热器的预热管入风口，一次风空气预热器的预热管出风口接集渣室的一次风口，一次风口设有沿集渣室周向均布的多个；二次风机的出风口接二次风空气预热器的预热管入风口，二次风空气预热器的预热管出风口接开设在炉膛侧壁中部的二次风口，二次风口设有沿炉膛周向均布的多个；蓄热锅中充满熔盐，斯特林机的热端浸没在熔盐中，搅拌装置用于搅拌蓄热锅中的熔盐；所述循环水泵的入水口接水箱出水口，出水口接斯特林机的冷端入水口；斯特林机的冷端出水口接省煤器的管道入水口和水箱入水口，省煤器的管道出水口作为热水供应口。

2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林机的电热联供系统，其特征在于：所述的搅拌装置包括搅拌棒和电机；搅拌棒固定在电机的输出轴上，并浸入熔盐中。

3.根据权利要求1所述的一种基于斯特林机的电热联供系统，其特征在于：所述的搅拌装置采用熔盐泵。

4.根据权利要求1所述的一种基于斯特林机的电热联供系统，其特征在于：所述的斯特林机选用自由浮筒式斯特林机。

5.根据权利要求1所述一种基于斯特林机的电热联供系统的电热联供方法，其特征在于：该方法具体如下：将生物质通过加料口送入燃烧炉的炉膛，从而落在炉排上；一次风机将加压的常温空气经一次风空气预热器加热升温至100～200℃后，通过一次风口送入炉排下方的集渣室，吸收炉排上方炉渣显热后将炉排上方的生物质燃烧成为烟气和炉渣，炉排得到冷却降温，烟气上升，炉渣落入下方的集渣室；二次风机将加压的常温空气经二次风空气预热器加热升温至200～300℃后，通过二次风口送入炉膛，与炉膛中的烟气混合燃烧；周向布置的二次热风使得炉膛温度更加均匀；炉膛中经二次风燃尽的烟气持续加热蓄热锅，保持蓄热锅内的熔盐温度为400～580℃内的一个设定值，浸没在熔盐中的斯特林机热端温度保持在300～550℃内的一个值，斯特林机稳定输出电力；水箱利用循环水泵冷却斯特林机的冷端；斯特林机的冷端出水口一路返回水箱，另一路送往省煤器加热作为热水供应。

6.根据权利要求5所述一种基于斯特林机的电热联供系统的电热联供方法，其特征在于：所述斯特林机的冷端温度为50～60℃。