CN113531552A - 船舶焚烧炉废热回收利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶焚烧炉废热回收利用系统，该系统包括热电转换装置、冷却水系统、整流电路和蓄电池；船舶焚烧炉的炉体外壁由上至下环绕设置有若干个热电转换装置，若干个热电转换装置的外圈设置有冷却水系统；每个热电转换装置包括热电模块组，热电模块组的一侧吸收船舶焚烧炉炉体外壁积累的热量形成热端，另一侧设置有散热组件形成冷端，利用冷热端的温差产生电能，经整流电路储存至蓄电池中。本发明船舶焚烧炉废热回收利用系统利用热电模块组的合理布置安装，实现对焚烧炉产生热量的回收再利用，并设计冷却水系统，增大热电模块组冷热端温差，将产生的大量热能经热电模块组的吸收转化变为电能。

Description

船舶焚烧炉废热回收利用系统

技术领域

本发明涉及废热回收利用系统的技术领域，具体涉及一种船舶焚烧炉废热回收利用系统。

背景技术

船舶在海上的漂流时间周期长，船员在此期间的衣食住行都在船舶中进行，由此产生大量生活垃圾和材料垃圾，加之船舶运行同时产生燃油垃圾，这样导致各种垃圾的积累。

根据劳氏船级社1996年统计，全世界100吨以上的海上船舶84264艘，这些船舶每天向海洋倾倒的食品垃圾总共约3800t。从其它污染源来看，在上述船舶中，有油轮6625艘，化学品船1859艘，它们的压舱水、洗舱水和舱底水的排放对水域的污染更为严重。随着船舶数量的增加，通航密度也大大增加，这样导致大量油污染，以我国为例，随着国家对外贸易的发展，1985年至1995年各种船舶每年排入长江的机舱污油水40万t以上，燃油垃圾8000t之多。

这些垃圾处理不当，例如直接排放海中，就会导致海洋环境的巨大污染。食品垃圾所含的耗氧有机物，使水域缺氧，引起发臭，水质变坏，甚至造成鱼类等海洋生物死亡，还会影响水域环境和港口吃水深度，不利于船舶航行；另一方面，局部水域的船舶数量增多，造成局部水域的严重污染，例如日趋增多的散装化学品船舶造成的有毒有害物质，对长江水域等内河的污染和对港口与水上交通安全已构成较严重的威胁。

船舶焚烧炉是一种用于焚烧船舶产生的可燃烧废弃物、污泥、污油，并能使焚烧后的排放物达到环保排放标准的船用环保设备。其主要由燃烧室、燃烧机、风机及调节风门、污泥柜、污泥计量泵、控制箱等部件构成。主要工作原理为利用一定空气与垃圾在焚烧炉进行氧化燃烧反应，使垃圾中的有害有毒物质在高温下氧化、热解而被破坏，同时将固态、油污等废料快速变成灰渣或气化，使废物的重量和体积大大减小，也大大增加废料的无害化程度。

目前采用船舶焚烧炉将垃圾做焚烧处理已成为一种比较成熟的垃圾处理方式，在远洋船舶上得到广泛应用，这种方法的优点是可以及时消除船舶航行中的生活燃料垃圾，减少垃圾污染。现在己经有数十种国内外研制的焚烧炉产品投入使用或即将投入使用，大致可以概括为5种类型；处理废油和固态废料的焚烧炉；处理废油和污泥污水的焚烧炉；处理废油、污泥污水和固态废料的综合焚烧炉；既能处理废料又能回收焚烧热量的焚烧炉，又称锅炉联合设备；兼具有惰性气体发生器功能的焚烧炉团，处理废油和废料的焚烧炉产生的热能较大。

对于焚烧炉来说，能源利用率低，其产生的热能几乎全部浪费，没有得到利用。实际应用中船舶焚烧炉处理量较大，采用高温处理技术，垃圾在高温下氧化分解，焚烧炉产生的高温烟气的废热温度高，可用潜力巨大，可以采取措施加以回收利用。这些热能的散失还有其他弊端，例如，为了保证机舱正常的工作温度，还需配置大量价格昂贵的隔热材料，造成经济浪费。

这样来说，船舶焚烧炉余热资源十分丰富，在焚烧炉的燃烧室中和燃烧排烟的装置中合理设计安装船舶焚烧炉废热回收利用系统，将废热回收并转化为电能，产生的电能可以直接能源供其他设备使用，这样就提高了能源的利用率，填补了焚烧炉能源回收的空白。从能源、环保和经济方面出发，采取船舶焚烧炉废热回收利用系统利用这部分热能，既利用了废热，又可以降低焚烧炉的温度，减少了焚烧炉设备的损耗机隔热材料的使用。焚烧垃圾可以使其体积减少90％，重量减少80％，这一点，无疑又可以降低船舶的运行成本。

因此，有必要设计一种船舶焚烧炉废热回收利用系统，用于解决现有船舶焚烧炉热能浪费问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种船舶焚烧炉废热回收利用系统，该船舶焚烧炉废热回收利用系统实现收集并利用船舶废热，将其转化为电能，优化船舶能源供应体系。

为实现上述目的，本发明所设计的一种船舶焚烧炉废热回收利用系统，用于回收船舶焚烧炉的废热，所述船舶焚烧炉设置有进料口、出料口以及排气口，其特殊之处在于：它包括热电转换装置、冷却水系统、整流电路和蓄电池；所述船舶焚烧炉的炉体外壁由上至下环绕设置有若干个热电转换装置，若干个所述热电转换装置的外圈设置有冷却水系统；每个所述热电转换装置包括热电模块组，所述热电模块组的一侧吸收船舶焚烧炉炉体外壁积累的热量形成热端，另一侧设置有散热组件形成冷端，利用冷热端的温差产生电能，经整流电路储存至蓄电池中。

进一步地，所述热电转换装置包括沿船舶焚烧炉炉体外壁由内至外依次设置的热端集热铜片、热端陶瓷片、热端铜片、热电模块组、冷端铜片、冷端陶瓷片；所述热端集热铜片、热端陶瓷片、热端铜片形成热电模块组的热端，所述冷端铜片、冷端陶瓷片构成散热组件形成热电模块组的冷端。

进一步地，所述热电模块组由若干个P型半导体、N型半导体和导流片组成，其中：多列P型半导体和多列N型半导体交错排列构成热电偶对，并通过导流片串联形成一条完整环形线路。

进一步地，所述P型半导体为放出空穴的半导体，所述N型半导体为放出自由电子的半导体；当热电模块组的热端和冷端维持设定的温差时，热电模块组的P型半导体和N型半导体两端形成电压差，进而产生电流，最终电流通过整流电路整合储存进入蓄电池中。

进一步地，所述冷却水系统包括冷却水管道和冷却水箱，所述冷却水管道环绕设置在若干个所述热电转换装置的外圈，所述冷却水管道的进水端与冷却水箱的出水端连接，所述冷却水管道的出水端与冷却水箱的进水端连接。

进一步地，所述冷却水箱上设置有冷却水进水管和冷却水出水管，所述冷却水进水管用于与外界冷却水水源相连通，所述冷却水出水管用于将热交换后的冷却水排出。

进一步地，所述冷却水箱的出水端与冷却水管道之间的管路上还设置有生活水储箱。

进一步地，所述冷却水管道包括若干根冷却水环管和连接管，上下相邻两根冷却水环管之间通过连接管连通。

再进一步地，所述冷却水环管与连接管之间通过旋转接头连接。

更进一步地，所述船舶焚烧炉的肩部上设置有若干个肩部热电转换装置，所述肩部热电转换装置与热电转换装置的结构相同；每个所述热电转换装置的下方设置有用于对其进行支撑固定的支撑件。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，本发明的船舶焚烧炉废热回收利用系统利用船舶焚烧炉通过燃烧的方式减少垃圾的质量和体积，减少了垃圾对环境的污染，但是燃烧产生的热量却直接散失，未能够回收再利用，该发明利用热电模块组的合理布置安装，实现对焚烧炉产生热量的回收再利用，并设计冷却水系统，增大热电模块组冷热端温差，将产生的大量热能经热电模块组的吸收转化变为电能，并储存到蓄电池中或直接利用实现能源再利用的目的。

其二，本发明的船舶焚烧炉废热回收利用系统将船舶焚烧炉产生的热能将冷却水加热，经加热的冷却水可以直接用于生活用水，减少其他设备加热冷水的步骤，方便船员生活用水。

其三，本发明的船舶焚烧炉废热回收利用系统利用新型材料热电模块组，将其合理布置安装，实现能源再利用，热电模块组安装方便，结构简单，并且在运行中，没有任何机械振动，没有噪声产生和环境的污染，符合绿色生活理念。

其四，本发明的体积小，结构简单，质量轻，易于安装，价格低廉，适合推广，具有良好的社会经济效应。

附图说明

图1为一种船舶焚烧炉废热回收利用系统的结构示意图；

图2为冷却水系统的结构示意图；

图3为热电转换装置的剖视结构示意图；

图中：船舶焚烧炉1(进料口1.1、出料口1.2、排气口1.3)、热电转换装置2、冷却水系统3(冷却水管道3.1、冷却水环管3.11、连接管3.12、旋转接头3.13、冷却水箱3.2、冷却水进水管3.21、冷却水出水管3.22、生活水储箱3.3)、整流电路4、蓄电池5、热电模块组6(P型半导体6.1、N型半导体6.2、导流片6.3)、热端集热铜片7、热端陶瓷片8、热端铜片9、冷端铜片10、冷端陶瓷片11、肩部热电转换装置12、支撑件13。

具体实施方式

下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

如图1和图2所示的一种船舶焚烧炉废热回收利用系统，针对船舶焚烧炉热能的散失而提出的，用于回收船舶焚烧炉1的废热，船舶焚烧炉1设置有进料口1.1、出料口1.2以及排气口1.3，它包括热电转换装置2、冷却水系统3、整流电路4和蓄电池5；船舶焚烧炉1的炉体外壁由上至下环绕设置有若干个热电转换装置2，若干个热电转换装置2的外圈设置有冷却水系统3；每个热电转换装置2包括热电模块组6，热电模块组6的一侧吸收船舶焚烧炉1炉体外壁积累的热量形成热端，另一侧设置有散热组件形成冷端，利用冷热端的温差产生电能，经整流电路4储存至蓄电池5中。

如图3所示，热电转换装置2包括沿船舶焚烧炉1炉体外壁由内至外依次设置的热端集热铜片7、热端陶瓷片8、热端铜片9、热电模块组6、冷端铜片10、冷端陶瓷片11；热端集热铜片7、热端陶瓷片8、热端铜片9形成热电模块组6的热端，冷端铜片10、冷端陶瓷片11构成散热组件形成热电模块组6的冷端。船舶焚烧炉的外壁比较粗糙，直接帖附热电模块组进行能源利用会因粗糙的炉壁导致吸热不均匀，降低热电转化效率，因此，在船舶焚烧炉的炉壁附着一层热端集热铜片，其宽度与热电模块组的外端导流片一致，由炉壁传导出的热量最大限度的保留在热端集热铜片上。热电模块组6是将热能转化为电能，在热电模块组6的输出端将会有电流产生，若直接将热电模块组安装在热端集热铜片7外，可能会发生电流经铜片直接流失的现象，为防止上述现象的发生，采用绝缘陶瓷片环绕在船舶焚烧炉外壁来实现目的，称该绝缘陶瓷片作热端陶瓷片8，它的宽度与热端集热铜片一致，安装在热端集热铜片外层。为保证经热端陶瓷片热量较少散失，在陶瓷片外层安装热端铜片，保证电流的收集顺畅，再安装热电模块组。

热电模块组6的整体安装结构图3所示，热电模块组6由若干个P型半导体6.1、N型半导体6.2和导流片6.3组成，其中：多列P型半导体6.1和多列N型半导体6.2交错排列构成热电偶对，并通过铜质材料的导流片6.3串联形成一条完整环形线路。P型半导体6.1为放出空穴的半导体，N型半导体6.2为放出自由电子的半导体；当热电模块组6的热端和冷端维持设定的温差时，热电模块组6的P型半导体6.1和N型半导体6.2两端形成电压差，进而产生电流，最终电流通过整流电路4整合储存进入蓄电池5中。每一圈热电模块组是由多个P型半导体和N型半导体环绕船舶焚烧炉外壁实现的，每两圈的热电模块组通过导流片末端的导线串联得到的，每一圈热电模块组的内直径略大于炉壁外直径，并且热电模块组制作时的弯曲弧度和炉壁相吻合，最大限度的贴近炉壁，吸收热能。热电模块组其利用半导体热电效应中塞贝克效应作为原理进行废热吸收，并转化为电能；半导体热电效应包括五种基本效应，其中塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆孙效应是热电理论的基础，而焦耳热效应和傅立叶效应是不可逆效应，塞贝克效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。电流通过整流电路整合，储存进入蓄电池中，供其它用电设备使用，或直接利用。每一个热电模块组是通过温差产生电流的，所以保持一定的温差是必要的。热端有热端集热铜片保持温度的均匀和稳定，在热电模块组的另一端冷端，首先安装冷端铜片高效收集热量，加速热量的散失，然后安装冷端陶瓷片防止电流的损失，之后再采用冷却水系统的方法及时带走热量，从而实现热电模块组冷端的均匀和稳定。

如图2所示，冷却水系统3的设计是为了快速带走散失出的热量。冷却水系统3包括冷却水管道3.1和冷却水箱3.2，冷却水管道3.1环绕设置在若干个热电转换装置2的外圈，冷却水管道3.1的进水端与冷却水箱3.2的出水端连接，冷却水管道3.1的出水端与冷却水箱3.2的进水端连接。冷却水箱3.2上设置有冷却水进水管3.21和冷却水出水管3.22，冷却水进水管3.21用于与外界冷却水水源相连通，冷却水出水管3.22用于将热交换后的冷却水排出。冷却水箱3.2的出水端与冷却水管道3.1之间的管路上还设置有生活水储箱3.3。冷却水管道3.1包括若干根冷却水环管3.11和连接管3.12，上下相邻两根冷却水环管3.11之间通过连接管3.12连通。冷却水环管3.11与连接管3.12之间通过旋转接头3.13连接。冷却水环管3.11安装在冷端陶瓷片的外圈，其截面长与冷端铜片的宽一致，紧贴冷端陶瓷片11，在每个冷却水环管的两端，即在过截面圆心的一条直径两个端点，设计两个直立的圆柱形循环水管连接管3.12，一端开口向上，连接上一层的水管，一端开口向下，连接下一层冷却水环管，两个连接管作为每一层冷却水环管3.11的进水口、出水口，在每层的两个连接管和冷却水环管3.11的接口处，设计为平滑连接，这样可以增加流速，减少摩擦阻力。冷却水管道采用多环形结构，为实现安装方便，在每一层冷却水环管的固定处，采用旋转接头3.13，该旋转接头3.13旋开后，每一层冷却水环管即可拆开，这样方便将多层管道套在船舶焚烧炉壁上。冷却水箱3.2并入生活用水系统中，吸收热能的冷却水可以提供低温生活用水，提高了能源利用率。

按照上述的连接方式，从上到下，依次安装冷却水管道，每一个冷却水环管3.11通过连接管3.12与另一个单层的冷却水管道13连接，在最下面的一个冷却水环管的进水口输入冷却水，并由最上面一个冷却水管的出水口排出，这样，经过冷却水的循环，热电模块组冷端温度降低，形成稳定的冷端，同时，冷却水吸收热能，排出的冷却水可以直接接到生活用水管道中供使用，冷却水箱采用从下端进水，上端出水的方式，冷却热电模块组的冷端。

由于该船用焚烧炉船舶焚烧炉设计为凸字形状，肩部和炉体下部一样，同时铺设热电转换装置12，肩部热电转换装置12与热电转换装置2的结构原理一样，在肩部冷却水管道的安装中，最下层的出水口直接与船用焚烧炉船舶焚烧炉的下部最上层的出水口连接，这样冷却水直接可以进入上端接着冷却热电转换装置12冷端，这样就实现了热电转换装置12冷端的冷却。每个热电转换装置2的下方设置有用于对其进行支撑固定的支撑件13，如支撑钢钉。在船舶焚烧炉的下端部分，热电模块组的热端垂直帖附在热端铜片的外围，为防止环形的热电模块组脱落下滑，在炉壁横截面上安装若干个支撑钢钉，起到拦隔得作用，每一层都安装3个支撑钢钉。在船舶焚烧炉上端排气盖部分安装原理与下端一样，两肩部分由于呈水平结构，安装时不需要考虑脱落的可能，无需安装支撑钢钉固定，直接采用上述的安装顺序即可。

本发明提供的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其工作过程如下：

船舶焚烧炉在燃烧完废油、生活垃圾等之后，炉中燃烧室的热量传递到炉壁，炉壁上的热量首先传递到热端集热铜片上，此时热量分布均匀，接着热量传递到热端陶瓷片上，然后经热端铜片吸收陶瓷片上的热量，形成热电模块组的热端；热量经过热端进入热电模块组然后传递到冷端，产生电能，冷端的散热装置加速热量的流失，冷端铜片保证热能快速收集，冷端陶瓷片防止电流流失，冷端陶瓷片外层的冷却水的流动带走内层热量，这样热电模块组冷端便可以保持热量快速散失，形成稳定冷端。热电模块组利用冷热端的温差产生电能，电流经过导线进入蓄电池中，可以直接利用或者被储存起来。冷却水经冷却热电模块组的冷端，吸收了热量，温度升高，可以将冷却水管道并入生活低温用水管道中，实现焚烧炉热能的多次利用。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本发明公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。

用于描述本说明书和权利要求的各方面公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅仅是示例，因此，本说明书和权利要求的不限于所示出的细节。在以下描述中，当相关的已知功能或配置的详细描述被确定为不必要地模糊本说明书和权利要求的重点时，将省略详细描述。

在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包含”的情况下，除非使用否则还可以具有另一部分或其他部分，所用的术语通常可以是单数但也可以表示复数形式。

应该指出，尽管在本说明书可能出现并使用术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”等来描述各种不同的组件，但是这些成分和部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个成分和部分和另一个成分和部分。例如，在不脱离本说明书的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件，顶部和底部的部件在一定情况下，也可以彼此对调或转换；一端和另一端的部件可以彼此性能相同或者不同。

此外，在构成部件时，尽管没有其明确的描述，但可以理解必然包括一定的误差区域。在描述位置关系时，例如，当位置顺序被描述为“在...上”、“在...上方”、“在...下方”和“下一个”时，除非使用“恰好”或“直接”这样的词汇或术语，此外则可以包括它们之间不接触或者接触的情形。如果提到第一元件位于第二元件“上”，则并不意味着在图中第一元件必须位于第二元件的上方。所述部件的上部和下部会根据观察的角度和定向的改变而改变。因此，在附图中或在实际构造中，如果涉及了第一元件位于第二元件“上”的情况可以包括第一元件位于第二元件“下方”的情况以及第一元件位于第二元件“上方”的情况。在描述时间关系时，除非使用“恰好”或“直接”，否则在描述“之后”、“后续”、“随后”和“之前”时，可以包括步骤之间并不连续的情况。

本发明的各种实施方案的特征可以部分地或全部地彼此组合或者拼接，并且可以如本领域技术人员可以充分理解的以各种不同地构造来执行。本发明的实施方案可以彼此独立地执行，或者可以通过相互依赖的关系一起执行。

Claims (10)

1.一种船舶焚烧炉废热回收利用系统，用于回收船舶焚烧炉(1)的废热，所述船舶焚烧炉(1)设置有进料口(1.1)、出料口(1.2)以及排气口(1.3)，其特征在于：它包括热电转换装置(2)、冷却水系统(3)、整流电路(4)和蓄电池(5)；所述船舶焚烧炉(1)的炉体外壁由上至下环绕设置有若干个热电转换装置(2)，若干个所述热电转换装置(2)的外圈设置有冷却水系统(3)；

每个所述热电转换装置(2)包括热电模块组(6)，所述热电模块组(6)的一侧吸收船舶焚烧炉(1)炉体外壁积累的热量形成热端，另一侧设置有散热组件形成冷端，利用冷热端的温差产生电能，经整流电路(4)储存至蓄电池(5)中。

2.根据权利要求1所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述热电转换装置(2)包括沿船舶焚烧炉(1)炉体外壁由内至外依次设置的热端集热铜片(7)、热端陶瓷片(8)、热端铜片(9)、热电模块组(6)、冷端铜片(10)、冷端陶瓷片(11)；所述热端集热铜片(7)、热端陶瓷片(8)、热端铜片(9)形成热电模块组(6)的热端，所述冷端铜片(10)、冷端陶瓷片(11)构成散热组件形成热电模块组(6)的冷端。

3.根据权利要求2所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述热电模块组(6)由若干个P型半导体(6.1)、N型半导体(6.2)和导流片(6.3)组成，其中：多列P型半导体(6.1)和多列N型半导体(6.2)交错排列构成热电偶对，并通过导流片(6.3)串联形成一条完整环形线路。

4.根据权利要求3所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述P型半导体(6.1)为放出空穴的半导体，所述N型半导体(6.2)为放出自由电子的半导体；当热电模块组(6)的热端和冷端维持设定的温差时，热电模块组(6)的P型半导体(6.1)和N型半导体(6.2)两端形成电压差，进而产生电流，最终电流通过整流电路(4)整合储存进入蓄电池(5)中。

5.根据权利要求1～4任一项所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述冷却水系统(3)包括冷却水管道(3.1)和冷却水箱(3.2)，所述冷却水管道(3.1)环绕设置在若干个所述热电转换装置(2)的外圈，所述冷却水管道(3.1)的进水端与冷却水箱(3.2)的出水端连接，所述冷却水管道(3.1)的出水端与冷却水箱(3.2)的进水端连接。

6.根据权利要求5所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述冷却水箱(3.2)上设置有冷却水进水管(3.21)和冷却水出水管(3.22)，所述冷却水进水管(3.21)用于与外界冷却水水源相连通，所述冷却水出水管(3.22)用于将热交换后的冷却水排出。

7.根据权利要求6所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述冷却水箱(3.2)的出水端与冷却水管道(3.1)之间的管路上还设置有生活水储箱(3.3)。

8.根据权利要求7所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述冷却水管道(3.1)包括若干根冷却水环管(3.11)和连接管(3.12)，上下相邻两根冷却水环管(3.11)之间通过连接管(3.12)连通。

9.根据权利要求8所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述冷却水环管(3.11)与连接管(3.12)之间通过旋转接头(3.13)连接。

10.根据权利要求1～4任一项所述的船舶焚烧炉废热回收利用系统，其特征在于：所述船舶焚烧炉(1)的肩部上设置有若干个肩部热电转换装置(12)，所述肩部热电转换装置(12)与热电转换装置(2)的结构相同；每个所述热电转换装置(2)的下方设置有用于对其进行支撑固定的支撑件(13)。

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