生物質能源熱、氣複合發電方法
2023-08-08 09:55:16 1
專利名稱：生物質能源熱、氣複合發電方法
技術領域：
本發明專利屬新能源利用領域。涉及一種生物質能源的熱、氣複合發電方法，能夠實現生物質能源陰 燃過程熱量、可燃氣的複合利用，大大提高能源利用率。利用載熱劑吸收陰燃過程及可燃氣燃燒放出的熱 量並通過半導體溫差發電裝置將熱能直接轉化為電能。
背景技術：
生物質能源是以化學能形式ie存在生物中的一種能量形式，它直接或間接地來源於植物的光合作用。 它遍布全球，其蘊藏量極大，包括薪柴，農林作物，尤其是為了生產能源而種植的能源作物，農林廢棄物 和加工的下腳料，城市生活垃圾，水生植物和排洩物等。
生物質能源發電的可以通過直接燃燒的方式。其利用現有設備，僅作相應的改裝，將熱源更換為生物 質燃料。相比於煤炭燃料，生物質燃料的溫度和熱值較低，水分不易控制，此外，有些技術還未成熟，這 些因素都影響到了生物質能源替代化石能源進行大規模發電的應用。
迄今為止，常規生物質氣化技術和工藝仍然存在一些不足①需要耗費大量的外部熱量，高溫雖然能 使產氣率和熱值升高。但與所耗費的額外熱量來說，提高總是不太明顯；②需要較複雜的外部設備，投資 較大；③對燃料的適應性差，隨著燃料的不同，生成氣的熱值會有較大的變化，甚至失去利用價值。
陰燃是生物質能源進行轉化和利用的一種有效方式。東北地區廣泛使用的燃池採暖技術就是利用了生 物質燃料陰燃放熱的原理，但熱效率很低，僅有36%，轉化的氣體副產品也沒有得到有效利用(孫文策， 謝茂昭，燃池的工作特點和熱能利用分析，中國能源，1994, 8, 38-42)。 一般地，陰燃即是沒有火焰的 燃燒，指可燃物質進行的緩慢而複雜的熱解和氧化反應，其不完全燃燒程度很高，除放出大量熱量外，還 會生成H2、 C0、 CH4等可燃氣體。生物質燃料的陰燃是自維持過程，無需外界能量，不需複雜的設備，對 燃料的適應性強，克服了常規氣化的絕大部分不足，並可通過混合添加劑等方式來提高產氣率。
半導體溫差發電技術是一種固態能量轉換方式，實現了熱電轉換，能將熱能直接轉化為電能。具有無 運動部件、體積小、重量輕、移動方便和可靠性高等特點，是綠色環保的發電技術，在低品位熱能發電方 面具有3蟲特的優勢和良好的應用前景，尤其符合生物質能源利用的特點。
發明內容
本發明的目的是提供一種適用於分布式能源系統以及野外、應急電力供應的生物質能源熱、氣複合發 電方法。能夠有效利用低品位的生物質能，並提高能源利用效率，緩解日益緊張的能源和用電危機。
本發明所述的生物質能源的熱、氣複合發電方法的技術方案是這樣實現的首先進行生物質燃料的陰 燃自維持過程，此過程為緩慢而複雜的熱解和氧化反應，除放出大量的過程熱量外，還同時生成H2、 C0、 CH4等可燃氣體，將這些可燃氣在燃燒器中充分燃燒並釋放熱量。通過載熱劑收集陰燃過程熱量，並且載 熱劑會在進一步吸收可燃氣體的燃燒熱量後繼續升溫。最後，攜帶熱能的高溫載熱劑通過半導體熱電轉換 裝置將熱能直接轉化為電能。
本發明的有益效果是，提出的一種生物質能源發電方法，複合利用了陰燃過程及其可燃氣燃燒生成的 熱量，通過半導體溫差發電技術直接發電。其能源利用率得到了大幅提高，適應了生物質能源燃燒溫度低、 熱值小的特性。並且結構簡單、無運動部件、造價低、可靠性高，是綠色環保的發電方法。本發明充分利 用了生物質能源分布廣、儲量大的特點，尤其適用於分布式能源系統的發電單元。
下面結合具體實施方式
進一步詳細說明
圖1為採用水平燃床的生物質燃料熱、氣複合發電方法示意圖。
圖2為水平燃床內典型工作點的溫度一時間曲線。
圖3為水平燃床內典型工況陰燃氣化過程生成氣體產物的組分比。
具體實施例方式
圖l中所示為水平燃床，採用長方形池形結構， 一側留有進氣孔12,另一側密封並裝備加熱板2以引 燃生物質燃料l，燃床四周密封，上部留有燃氣取氣孔13，將富含H2、 C0、 CH4等的可燃氣體引到燃氣儲 存器14中，穩定壓力後通過氣體管道16輸送到燃燒器7中進行燃燒放熱，可燃氣體的流量通過閥門15
進行調整。
本實施例中鋸末(椴木)作為生物質燃料l，以自然蓬鬆狀態填入水平燃床中。控制加熱板2的溫度 穩定在650'C左右，待鋸末自燃後，停止加熱，鋸末開始進行陰燃自維持過程，放出熱量並生成H2、 CO、 CH4等可燃氣體。燃床和燃燒器7外部分別裝備有油套3和6，本實施例中使用高溫油作為載熱劑，高溫 油首先在燃床油套3中循環吸收陰燃的過程熱量，然後通過高溫油管道4進入燃燒室油套6中循環，進一 步吸收可燃氣燃燒熱量後繼續升溫。最後攜帶大量熱能的高溫油被輸送到熱能發生器10中，通過半導體 溫差發電裝置8將這部分熱能直接轉化為電能。
半導體溫差發電裝置8由多組半導體熱電轉換器件串並聯來實現的。其熱側與熱能發生器10進行換 熱，吸收熱量，冷側與冷卻裝置9進行換熱，放出熱量。高溫油攜帶的熱能的傳遞方向為熱能發生器、半 導體熱電轉換器件熱側、半導體熱電轉換器件冷側和冷卻裝置。基於塞貝克效應，半導體溫差發電裝置8 兩側的溫度差異能使其產生電能，電能的大小與兩側溫度差的大小、半導體熱電轉換器件的材料和數量有 關。產生的直流電能通過供電穩壓電路17向負載進行供電，其保證了電能的輸出電壓和電流的強度，並 能維持平穩和恆定的輸出。
調節生物質燃料的含水量和進氣孔12的通道大小，可以改變燃料陰燃的激烈程度。也可通過改變堆 積密度和混合添加劑等方法來調節氣化過程H2、 CO、 CH4等可燃氣體的產氣率。高溫油循環迴路中裝備有 高溫油泵ll以提供動力，並通過管路中不同位置的閥門5來調節載熱劑一高溫油的循環流量，以改變負 載能力。油套3和6以及高溫油管道4外部覆有絕熱材料，防止散熱損失。
根據圖2所示的水平燃床內典型工作點的溫度一時間曲線，不同工況下所能達到的系統最高溫度差別 不大，且均在400 60(TC之間。加溼後(含水量由4.9%增到25.4%)能減緩燃燒速度，加空氣反之。故本 實施例通過調節燃料的含水量和空氣量來控制陰燃速度。
圖3給出了典型工況下，陰燃氣化過程生成氣體產物中，可燃燒利用的有效成分CH4、 C0和H2的含 量，利用熱值公式
Qv=12636 X C0%+10785 X H2%+35902 X CH4%(KJ/Nm3)
得到生成氣體的熱值約為4730KJ/Nm3，這是由於空氣中的惰性氣體-氮氣的積累造成其熱值較低。事實上， 根據燃燒學原理，可燃氣體的燃燒其實是可燃氣體與空氣的混合物的燃燒，而不僅僅是可嫌氣體本身的煥 燒。真正影響燃燒的，是燃氣和空氣的混合物的熱值，對於熱值高的氣體，其空氣混合物的熱值並不像人 們想像的那麼高。例如:天然氣的低位熱值是秸稈的7倍，但其空氣棍合物的低位熱值卻僅比秸稈高23 % ; 用做城市燃氣的混合煤氣，低位熱值是秸稈的3倍，其混合氣的低位熱值也僅高18% 。這就是說，向不 同熱值的可燃氣體供給適當的空氣，它們放出的熱分相差不大。實踐證明，陰燃生成的低熱值氣體在與空 氣合理匹配的情況下，完全可以滿足炊事、發電、烘乾等用途。
權利要求
1.一種生物質能源熱、氣複合發電方法，其特徵在於，對生物質能源的利用是通過陰燃實現的。首先進行生物質燃料的陰燃自維持過程，此過程為緩慢而複雜的熱解和氧化反應，除放出大量過程熱量外，還生成H2、CO、CH4等可燃氣體，這些可燃氣體在燃燒器中也會釋放燃燒熱量。然後通過載熱劑收集陰燃過程熱量，並且載熱劑在進一步吸收可燃氣體的燃燒熱量後繼續升溫。最後，通過溫差發電轉換裝置將高溫載熱劑通攜帶的熱能直接轉化為電能。
2. 根據權利要求1所述的生物質能源熱、氣複合發電方法，生物質能源進行的是陰燃自維持過程，其燃床 可以為水平、垂直等型式。
3. 根據權利要求l、 2所述的生物質能源熱、氣複合發電方法，可以通過改變風量、堆積密度、溼度和混 合添加劑等方法來調節生物質燃料陰燃的燃燒速度以及氣化過程H2、 CO、 CH4等可燃氣體的產氣率。
4. 根據權利要求1所述的生物質能源熱、氣複合發電方法，通過載熱劑來收集生物質燃料熱、氣複合利用 全過程的熱量，並且通過調節載熱劑的流量來改變負載能力。
5. 根據權利要求l、 4所述的生物質能源熱、氣複合發電方法，載熱劑的來源可以是高溫油和相變蓄熱材 料等可流動性蓄熱材料。
6. 根據權利要求1所述的生物質能源熱、氣複合發電方法，溫差發電轉換裝置是通過基於塞貝克效應的半 導體熱電轉換器件來實現的，並且可以是多組半導體熱電轉換器件串/並聯。
全文摘要
本發明涉及一種基於生物質能源陰燃放熱和氣化的原理，對放熱和燃氣複合利用的發電方法。具體技術方案為，利用生物質能源陰燃，收集過程產生的熱量，同時過程氣化生成H2、CO、CH4等可燃氣體，其燃燒也放出熱量。載熱劑吸收兩部分熱量後升溫，並儲存為熱能。最後通過半導體溫差發電轉換裝置將載熱劑攜帶的熱能直接轉化為電能。本發明對生物質能源熱、氣的複合利用大大提高了能源利用率。發電方法具有無運動部件、無需維護、可靠性高等優點，尤其適用於分布式能源系統的發電單元和野外電力供應。
文檔編號C10B53/02GK101515773SQ20091012667
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者君 劉, 鄭藝華, 馬永志 申請人:青島大學