CN201426102Y - 一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，属于利用矿井乏风中甲烷逆流氧化释放热量进行高效温差热电转换的技术领域。含甲烷浓度极低的气体可在本实用新型的系统的逆流氧化床内进行自维持周期往复流动氧化反应，形成远高于理论绝热燃烧温度的中间高温度区域，温差发电单元热端接触此区域的内绝缘板，温差发电单元冷端接触与换热器相连的外绝缘板接触，温差发电单元热端和温差发电单元冷端之间产生大温度梯度，不需要复杂的蒸汽循环和发电系统，可以进行高效热电转换发电，温差热电转换效率明显高于常规温差发电器。本实用新型设备简单，结构紧凑，成本低，效率高，为治理和利用矿井乏风高效提供了一个有效的方法和设备选择。
Description
技术领域
本实用新型属于利用矿井乏风中甲烷逆流氧化释放热量进行高效温差热电转换的技术领域。
背景技术
煤矿抽放甲烷含量较低的瓦斯时，采用“风排”的方法，向矿井注入空气，与瓦斯掺混排出矿井，这部分气体被称为“矿井乏风”。由于矿井乏风中甲烷含量一般低于1％，难以被常规的燃烧技术所利用，大部分被直接排放到大气当中。我国是煤炭大国，根据统计，每年排空的矿井乏风折合成纯甲烷有10～15×109m3，与西气东输的12×109m3天然气量相当，造成具大的能源浪费。此外，每年排空矿井乏风占我国工业甲烷总排放量多于20％，占总温室气体排放量的5％，如此巨大的排放量对环境产生巨大危害。
目前，瑞典MEGTEC公司开发研制出了逆流氧化反应系统，正趋于商业化。我们国家胜动集团公司自主开发研制出一台逆流氧化反应装置，并在阜新矿业集团恒大公司北风井安装试运行。但逆流氧化反应系统在回收利用矿井乏风在其内燃烧释放出热量时，特别是将其转化为高品质电能，必须采用传统的蒸汽循环和发电系统，使得整个逆流氧化反应发电系统结构复杂、体积庞大，核心设备昂贵，应用项目投资大收益小，所以，至今没有得到大范围的推广应用。
实用新型内容
本实用新型就是克服上述不足，提供一种设备简单、结构紧凑、生产成本低的一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置。矿井乏风中甲烷在本实用新型的逆流氧化床内氧化，生成二氧化碳和水，利用氧化释放热量实现高效温差热电转换。
本实用新型的技术解决方案是：一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，由矿井1、管路2、引风机3、气体净化储存装置4、鼓风机5、矿井乏风进气管道6、空气进气管道7、混合气体进气管道8、逆流氧化温差发电装置9、控制系统10、排气管道11、温差发电器电极导线12、直流-直流转换器13、直流电流输出导线14、用电设备15和热水用户16组成，矿井1出口与引风机3进口相连，引风机3出口与气体净化储存装置4进口相连，气体净化储存装置4出口与鼓风机5进口相连，鼓风机5出口与矿井乏风进气管道6相连，矿井乏风进气管道6同空气进气管道7汇合后与混合气体进气管道8相连，混合气体进气管道8与逆流氧化温差发电装置9相连，逆流氧化温差发电装置9与排气管道11相连，排气管道11与大气环境相连。
逆流氧化温差发电装置9由混合气体进气管道8、正向气流通路17、反向气流通路18、电磁阀a19、电磁阀b20、电磁阀c21、电磁阀d22、逆流氧化器23、逆流氧化器进排气管道24、循环水换热器28、排气管道11和温差发电器32组成，混合气体进气管道8同正向气流通路17、反向气流通路18连接，正向气流通路17、反向气流通路18与逆流氧化器进排气管道24连接，正向气流通路17、反向气流通路18与排气管路11连接，混合气体进气管道8和逆流氧化器进排气管道24之间正向气流通路17上设有电磁阀a19，混合气体进气管道8和逆流氧化器进排气管道24之间反向气流通路18上设有电磁阀b20，逆流氧化器进排气管道24和排气管道11之间反向气流通路18上设有电磁阀c21，逆流氧化器进排气管道24和排气管道11之间正向气流通路17上设有电磁阀d22，控制系统10与电磁阀a19、电磁阀b20、电磁阀c21、电磁阀d22控制线连接，逆流氧化器23上下对称布置温差发电器32，在每个温差发电器32外布置循环水换热器28，依次连接是逆流氧化器23的上下壁板25与温差发电器32的内绝缘板33相连，温差发电器32的外绝缘板34与循环水换热器28的底板30相连，循环水换热器28的循环水进出口29与热水用户16相连，温差发电器电极36与温差发电器电极导线12相连，温差发电器电极导线12与直流-直流转换器13相连，直流-直流转换器13的输出导线与用电设备15相连。
逆流氧化器23由逆流氧化器进排气管道24、陶瓷外壳27、上下壁板25、侧壁板26、进排气空间38、气流调整板39、逆流氧化床40和电加热器37组成，逆流氧化器23的上下壁板25上设有防止热膨胀应力的垄槽41，上下壁板25和侧壁板26连接构成长方体陶瓷外壳27，逆流氧化器进排气管道24与陶瓷外壳27连接，逆流氧化器23的侧壁板26和未与内绝缘板33接触的上下壁板25部分覆盖有陶瓷保温材料，陶瓷外壳27内设有进排气空间38、气流调整板39、逆流氧化床40，进排气空间38与气流调整板39相连，气流调整板39与逆流氧化床40相连，逆流氧化40床轴向中间区域设有电加热器37。
温差发电器32由外绝缘板34、温差发电单元35、内绝缘板33、导电薄片42和温差发电器电极36组成，温差发电单元35在内绝缘板33和外绝缘板34之间前后左右阵列排列布置，温差发电单元35热端与内绝缘板33接触，温差发电单元35冷端与外绝缘板34接触，温差热电单元35由导电薄片42串联而成，导电薄片42与温差发电器电极36相连。内绝缘板33和外绝缘板34上有防止热膨胀应力的垄槽41。
温差发电单元35由P型热电偶臂43、N型热电偶臂44、绝缘层45和导电体46构成，导电体46把温差发电单元35的P型热电偶臂43和N型热电偶臂44熔结在一起，P型热电偶臂43和N型热电偶臂44之间由绝缘层45隔开。
循环水换热器28由底板30、盖板31、铝合金制褶皱散热片47和循环水进出口29组成，底板30、盖板31构成循环水换热器28的外壳，循环水换热器外壳内设有铝合金制褶皱散热片47，底板30上有防止热膨胀应力的垄槽41。
本实用新型所达到的有益效果是：矿井乏风、城市垃圾填埋产生的气体、自然界和人类生活中生物质热解和阴燃(如燃池取暖)过程中产生的可燃气体等含甲烷浓度极低的气体可在其中进行自维持氧化反应，使气体中甲烷转化为二氧化碳和水，防止了其对环境的污染。另外，混合气体在逆流氧化床内实现周期往复流动氧化反应，周期往复地吸热和放热，形成沿逆流氧化床内温度远高于理论绝热燃烧温度轴向中间高温度区域。温差发电器的布置在逆流氧化器高温区域的上下部，温差发电单元热端接触此区域的内绝缘板，温差发电单元冷端接触与换热器相连的外绝缘板接触，温差发电单元热端和温差发电单元冷端之间产生大温度梯度，所以可以进行高效热电转换发电，发电经直流-直流转换器电压与电流转换后，供用电设备使用，冷却循环水在循环水换热器中被加热成热水，供用户使用。温差热电转换效率明显高于常规温差发电器，对于低成本温差材料制成的温差电偶，热电转换效率可达到10-15％。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
附图说明：
附图1是本实用新型一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置结构示意图；
附图2是本实用新型逆流氧化温差发电装置结构示意图；
附图3是本实用新型逆流氧化器、温差发电和循环水换热器三维结构示意图；
附图4是本实用新型逆流氧化器、温差发电和循环水换热器正面结构示意图；
附图5是附图4的A-A剖面结构示意图。
图中，1.矿井，2.管路，3.引风机，4.气体净化储存装置，5.鼓风机，6.矿井乏气进气管道，7.空气进气管道，8.混合气体进气管道，9.逆流氧化温差发电装置，10.控制系统，11.排气管道，12.温差发电器的电极导线，13.直流-直流转换器，14.直流-直流转换器输出导线，15.用电设备，16.热水用户，17.正向气流通路，18.反向气流通路，19.电磁阀a，20.电磁阀b，21.电磁阀c，22.电磁阀d，23.逆流氧化器，24.逆流氧化器进排气管道，25.上下壁板，26.侧壁板，27.陶瓷外壳，28.循环水换热器，29.循环水进出口，30.底板，31.盖板，32.温差发电器，33.内绝缘板，34.外绝缘板，35.温差发电单元，36.温差发电器电极，37.电加热器，38.进排气空间，39.气流调整板，40.逆流氧化床，41.防止热膨胀应力的垄槽，42.导电薄片，43.P型热电偶臂，44.N型热电偶臂，45.绝缘层，46.导电体，47.铝合金制褶皱散热片。
具体实施方式
如图1-5所示，本实用新型一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，由矿井1、管路2、引风机3、气体净化储存装置4、鼓风机5、矿井乏风进气管道6、空气进气管道7、混合气体进气管道8、逆流氧化温差发电装置9、控制系统10、排气管道11、温差发电器电极导线12、直流-直流转换器13、直流电流输出导线14、用电设备15和热水用户16组成，矿井1出口与引风机3进口相连，引风机3出口与气体净化储存装置4进口相连，气体净化储存装置4出口与鼓风机5进口相连，鼓风机5出口与矿井乏风进气管道6相连，矿井乏风进气管道6同空气进气管道7汇合后与混合气体进气管道8相连，混合气体进气管道8与逆流氧化温差发电装置9相连，逆流氧化温差发电装置9与排气管道11相连，排气管道11与大气环境相连。
逆流氧化温差发电装置9由混合气体进气管道8、正向气流通路17、反向气流通路18、电磁阀a19、电磁阀b20、电磁阀c21、电磁阀d22、逆流氧化器23、逆流氧化器进排气管道24、循环水换热器28、排气管道11和温差发电器32组成，混合气体进气管道8同正向气流通路17、反向气流通路18连接，正向气流通路17、反向气流通路18与逆流氧化器进排气管道24连接，正向气流通路17、反向气流通路18与排气管路11连接，混合气体进气管道8和逆流氧化器进排气管道24之间正向气流通路17上设有电磁阀a19，混合气体进气管道8和逆流氧化器进排气管道24之间反向气流通路18上设有电磁阀b20，逆流氧化器进排气管道24和排气管道11之间反向气流通路18上设有电磁阀c21，逆流氧化器进排气管道24和排气管道11之间正向气流通路17上设有电磁阀d22，控制系统10与电磁阀a19、电磁阀b20、电磁阀c21、电磁阀d22控制线连接，逆流氧化器23上下对称布置温差发电器32，在每个温差发电器32外布置循环水换热器28，依次连接是逆流氧化器23的上下壁板25与温差发电器32的内绝缘板33相连，温差发电器32的外绝缘板34与循环水换热器28的底板30相连，循环水换热器28的循环水进出口29与热水用户16相连，温差发电器电极36与温差发电器电极导线12相连，温差发电器电极导线12与直流-直流转换器13相连，直流-直流转换器13的输出导线与用电设备15相连。
逆流氧化器23由逆流氧化器进排气管道24、陶瓷外壳27、上下壁板25、侧壁板26、进排气空间38、气流调整板39、逆流氧化床40和电加热器37组成，逆流氧化器23的上下壁板25上设有防止热膨胀应力的垄槽41，上下壁板25和侧壁板26连接构成长方体陶瓷外壳27，逆流氧化器进排气管道24与陶瓷外壳27连接，逆流氧化器23的侧壁板26和未与内绝缘板33接触的上下壁板25部分覆盖有陶瓷保温材料，陶瓷外壳27内设有进排气空间38、气流调整板39、逆流氧化床40，进排气空间38与气流调整板39相连，气流调整板39与逆流氧化床40相连，逆流氧化40床轴向中间区域设有电加热器37。
温差发电器32由外绝缘板34、温差发电单元35、内绝缘板33、导电薄片42和温差发电器电极36组成，温差发电单元35在内绝缘板33和外绝缘板34之间前后左右阵列布置，温差发电单元35热端与内绝缘板33接触，温差发电单元35冷端与外绝缘板34接触，温差热电单元35由导电薄片42串联而成，导电薄片42与温差发电器电极36相连。内绝缘板33和外绝缘板34上有防止热膨胀应力的垄槽41。
温差发电单元35由P型热电偶臂43、N型热电偶臂44、绝缘层45和导电体46构成，导电体46把温差发电单元35的P型热电偶臂43和N型热电偶臂44熔结在一起，P型热电偶臂43和N型热电偶臂44之间由绝缘层45隔开。
循环水换热器28由底板30、盖板31、铝合金制褶皱散热片47和循环水进出口29组成，底板30、盖板31构成循环水换热器28的外壳，循环水换热器外壳内设有铝合金制褶皱散热片47，底板30上有防止热膨胀应力的垄槽41。
该装置的工作过程是：矿井乏风由引风机3从矿井1引入到气体净化储存装置4中，然后由鼓风机5引出，与引入的空气混合成给定范围内当量比的预混合气体，然后通入逆流氧化温差发电装置9中，电加热器37通电预热点火，电磁阀a19和电磁阀d22同步、电磁阀b20和电磁阀c21同步，控制系统10控制两对同步电磁阀开关，从而控制气流周期换向，气体在逆流氧化器23的氧化床40内周期往复流动、吸热和放热，从而在氧化床40内实现含甲烷浓度矿井乏风自维持发生氧化反应。在氧化反应中，氧化床40内会形成轴向中间温度高、两边温度接近室温的梯形温度场，中间高温区域温度远大于燃烧绝热温度，温度差发电器32设置在逆流氧化器23的高温区域上下部，温差发电单元35热端接触此区域的内绝缘板33，温差发电单元35冷端与换热器循环水28的底板30相连的外绝缘板34接触，温差发电单元35热端和冷端之间产生大温度梯度，可以进行高效热电转换，发电经直流-直流转换器13电压与电流转换后，供用电设备15使用，冷却循环水在循环水换热器28中被加热成热水，供热水用户16使用。
Claims (6)
1.一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置由矿井(1)、管路(2)、引风机(3)、气体净化储存装置(4)、鼓风机(5)、矿井乏风进气管道(6)、空气进气管道(7)、混合气体进气管道(8)、逆流氧化温差发电装置(9)、控制系统(10)、排气管道(11)、温差发电器电极导线(12)、直流-直流转换器(13)、直流电流输出导线(14)、用电设备(15)和热水用户(16)组成，其特征在于，矿井(1)出口与引风机(3)进口相连，引风机(3)出口与气体净化储存装置(4)进口相连，气体净化储存装置(4)出口与鼓风机(5)进口相连，鼓风机(5)出口与矿井乏风进气管道(6)相连，矿井乏风进气管道(6)同空气进气管道(7)汇合后与混合气体进气管道(8)相连，混合气体进气管道(8)与逆流氧化温差发电装置(9)相连，逆流氧化温差发电装置(9)与排气管道(11)相连，排气管道(11)与大气环境相连。
2.根据权利要求1所述的一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，其特征在于，所述的逆流氧化温差发电装置(9)由混合气体进气管道(8)、正向气流通路(17)、反向气流通路(18)、电磁阀a(19)、电磁阀b(20)、电磁阀c(21)、电磁阀d(22)、逆流氧化器(23)、逆流氧化器进排气管道(24)、循环水换热器(28)、排气管道(11)和温差发电器(32)组成，混合气体进气管道(8)同正向气流通路(17)、反向气流通路(18)连接，正向气流通路(17)、反向气流通路(18)与逆流氧化器进排气管道(24)连接，正向气流通路(17)、反向气流通路(18)与排气管路(11)连接，混合气体进气管道(8)和逆流氧化器进排气管道(24)之间正向气流通路(17)上设有电磁阀a(19)，混合气体进气管(8)和逆流氧化器进排气管道(24)之间反向气流通路(18)上设有电磁阀b(20)，逆流氧化器进排气管道(24)和排气管道(11)之间反向气流通路(18)上设有电磁阀c(21)，逆流氧化器进排气管道(24)和排气管道(11)之间正向气流通路(17)上设有电磁阀d(22)，控制系统(10)与电磁阀a(19)、电磁阀b(20)、电磁阀c(21)、电磁阀d(22)控制线连接，逆流氧化器(23)上下对称布置温差发电器(32)，在每个温差发电器(32)外布置循环水换热器(28)，逆流氧化器(23)的上下壁板(25)与温差发电器(32)的内绝缘板(33)相连，温差发电器(32)的外绝缘板(34)与循环水换热器(28)的底板(30)相连，循环水换热器(28)的循环水进出口(29)与热水用户(16)相连，温差发电器电极(36)与温差发电器电极导线(12)相连，温差发电器电极导线(12)与直流-直流转换器(13)相连，直流-直流转换器(13)的输出导线与用电设备(15)相连。
3.根据权利要求2所述的一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，其特征在于，所述的逆流氧化器(23)由逆流氧化器进排气管道(24)、上下壁板(25)、侧壁板(26)、陶瓷外壳(27)、进排气空间(38)、气流调整板(39)、逆流氧化床(40)和电加热器(37)组成，逆流氧化器(23)的上下壁板(25)上设有防止热膨胀应力的垄槽(41)，上下壁板(25)和侧壁板(26)连接构成长方体陶瓷外壳(27)，逆流氧化器进排气管道(24)与陶瓷外壳(27)连接，逆流氧化器(23)的侧壁板(26)和未与内绝缘板(33)接触的上下壁板(25)部分覆盖有陶瓷保温材料，陶瓷外壳(27)内设有进排气空间(38)、气流调整板(39)、逆流氧化床(40)，进排气空间(38)与气流调整板(39)相连，气流调整板(39)与逆流氧化床(40)相连，逆流氧化(40)床轴向中间区域设有电加热器(37)。
4.根据权利要求2所述的一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，其特征在于，所述的温差发电器(32)由内绝缘板(33)、外绝缘板(34)、温差发电单元(35)、导电薄片(42)和温差发电器电极(36)组成，温差发电单元(35)在内绝缘板(33)和外绝缘板(34)之间前后左右阵列排列布置，温差发电单元(35)热端与内绝缘板(33)接触，温差发电单元(35)冷端与外绝缘板(34)接触，温差热电单元(35)由导电薄片(42)串联而成，导电薄片(42)与温差发电器电极(36)相连，内绝缘板(33)和外绝缘板(34)上有防止热膨胀应力的垄槽(41)。
5.根据权利要求2所述的一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，其特征在于，所述的循环水换热器(28)由底板(30)、盖板(31)、铝合金制褶皱散热片(47)和循环水进出口(29)组成，底板(30)、盖板(31)构成循环水换热器(28)的外壳，循环水换热器外壳内设有铝合金制褶皱散热片(47)，底板(30)上有防止热膨胀应力的垄槽(41)。
6.根据权利要求4所述的一种矿井乏风逆流氧化温差发电装置，其特征在于，所述的温差发电单元(35)由P型热电偶臂(43)、N型热电偶臂(44)、绝缘层(45)和导电体(46)构成，导电体(46)把温差发电单元(35)的P型热电偶臂(43)和N型热电偶臂(44)熔结在一起，P型热电偶臂(43)和N型热电偶臂(44)之间由绝缘层(45)隔开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100317 Termination date: 20110306 |