以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法及裝置的製作方法

2023-12-03 07:13:41

專利名稱：以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以熱載體如導熱油為熱媒的工業餘熱半導體發電方法及裝置，屬 工業餘熱回收領域。
背景技術：
電站鍋爐、工業鍋爐、工業爐窯等排放的煙氣中含有大量的熱量，通常設有餘熱回 收裝置如省煤器和空氣預熱器等，吸收部分煙氣餘熱，但排煙溫度通常在140°C 160°C或 更高，較小容量的爐窯排煙溫度甚至更高。由於煙氣中硫化物的存在，空氣預熱器尾部受熱 面的煙氣出口溫度受到限制，排煙溫度過低會導致受熱面的壁面溫度低於煙氣酸露點而發 生嚴重的結露腐蝕和堵灰甚至穿孔，這是繼續利用煙氣餘熱、降低排煙溫度必須面對的難 題。相變換熱器可以在維持較低壁面溫度的前提下回收利用餘熱、大幅度降低排煙溫 度，並將排煙溫度控制在僅比最低壁面溫度高15°C左右，通常可以控制壁溫100°C時，排煙 溫度115°C左右。但在實際應用中也必須處理好熱平衡的限制，才有可能達到既避免結露又 降低排煙溫度的效果。實際操作中在不結露的前提下排煙溫度控制在130°C左右為宜。這 已被楊本洛教授的相變換熱器技術的成功實施所證明。ZL200710046604. X提供了一種鍋爐煙氣餘熱回收的裝置流程，該技術主要應用領 域是電站蒸汽鍋爐。該技術是一種鍋爐餘熱回收的好方法。但是，該餘熱回收流程產生的 是低品位的中低壓蒸汽，且如果產生的蒸汽如無法外供使用，該技術的應用即受到很大的 限制，通常僅能通過增加空氣預熱器或給水預熱器回收部分煙氣餘熱，鍋爐的排煙溫度仍 然較高，能量浪費仍然較大，不符合節能要求。ZL200910183368. 5公開了一種以導熱油為傳熱介質的工業餘熱半導體溫差發電 機發電技術，如圖1所示，圖中標識為1_換熱器，2-半導體溫差發電機，3-儲油罐，4-溫控 器，5-輸油泵，6-導熱油管道，7-冷卻水管，8-半導體溫差發電晶片。該技術採用共知的導熱油回收工業低溫餘熱技術，回收了餘熱的導熱油作為傳熱 介質，作為半導體溫差發電機的熱源，不失為一種很好的餘熱利用技術。但是該技術存在一 定的缺點即半導體溫差發電機的冷源需要使用大量的冷卻水，冷卻水帶走的熱量經冷卻 塔等散熱後才能循環使用，且冷卻水的循環需要使用一定量的電能。實際半導體溫差發電 機的發電效率很低，大量的熱量被冷卻水帶走白白散失在大氣中並造成熱汙染；設置的儲 油罐，裡面的導熱油溫度較高，儲油罐兼起油氣分離器的作用，導熱油回收餘熱過程中產生 的氣體要通過儲油罐分離出去，由於溫度高，接觸氧氣時容易導致導熱油變質；輸油泵採用 變流量調節作為保證半導體發電模塊入口導熱油溫度的措施，勢必導致輸油泵不能經濟、 高效運行，仍需配套變頻調速技術才能解決問題；而且為保證半導體發電模塊入口溫度的 相對穩定，勢必要採用大流量、低溫度的導熱油回收工業餘熱，如通過半導體發電模塊的導 熱油進出口溫差大，會引起發電模塊的熱應力，對其使用壽命有一定的影響；如採用通過半 導體發電模塊的導熱油進出口溫差小、低流量的運行方式，將導致導熱油的供回油溫度均提高，餘熱回收的熱量又會減少。ZL200810172026. 9公開了一種比較高效的用於半導體溫差發電模塊的冷卻裝置， 主要用於對內燃機尾氣餘熱回收半導體溫差發電系統頭功一種比較高效的冷卻系統。利用 液體相變潛熱較大的特點，可從半導體溫差發電模塊的冷端面吸收更多的熱量，能夠進一 步提高半導體溫差發電模塊冷熱端面的溫差，從而取得更好的利用餘熱的發電效果。同時 冷卻液循環使用，無需動力，無介質耗損、洩漏，節能環保。如圖2所示，圖中標識21_散熱 器，22-冷凝器，23-導液管，24-導氣管，25、26_薄翅片，27-半導體溫差發電模塊。但該技術 也有存在問題的地方由於半導體溫差發電模塊冷端面的熱量無法回收利用，只能散失到 大氣中，因此該技術限制了冷卻液的沸點低於100°C ；發電模塊冷端面蒸發器內部空腔為長 方體，裡面並未充滿冷卻液體，吸收發電模塊熱量的冷卻液體氣化時必然會夾帶冷卻液體， 從而與長方體空腔的大氣端薄翅片接觸吸熱氣化，吸收熱量的氣化氣體又會與冷卻液進行 熱交換而是冷卻液部分氣化，冷卻液的氣化潛熱並未被發電模塊冷端面全部利用。而且蒸 發器內部空腔為長方體，氣液並存，體積會加大。因此如何進一步合理回收利用如何利用工業餘熱，如降低排煙溫度等進而應 用半導體溫差發電機發電等成為該領域研究的熱點。

發明內容
本發明的目的就是解決上述現有技術存在的缺點，利用熱載體(如導熱油)為熱媒 的半導體溫差發電方法及裝置實現工業餘熱(如電站鍋爐煙氣餘熱)的高效回收利用，有 效回收了半導體溫差發電裝置冷端面的熱量，相當於把這部分熱量幾乎全部進行了回收利 用，不需要冷卻水，系統的綜合效率大大提高，系統運行調節方便，達到了節能降耗的目的。本發明對目前的回收工業低溫餘熱技術加以改進，採用熱載體如導熱油作為循環 介質。首先是對餘熱回收部分，如對於回收煙氣餘熱流程，本發明設置相變換熱器36，相變 換熱器36包括蒸發器36-1和冷凝器36-2，其中蒸發器36_1位於煙道31內，冷凝器36_2 位於煙道外。相變換熱器36的傳熱工質根據實際情況進行選擇，包括但不局限於水。蒸發 器36-1蒸發溫度的選擇根據煙氣的酸露點確定，總之確保蒸發器36-1的壁面溫度高於酸 露點溫度而不會發生低溫腐蝕。相變換熱器36根據實際情況至少設置一組。冷凝器36-2 的換熱介質採用熱載體如導熱油，這是對現有熱載體如導熱油餘熱回收技術的改進。對於 鍋爐或工業爐窯，相變換熱器36採用導熱油為介質，可以在維持較低壁面溫度的前提下回 收利用餘熱、大幅度降低排煙溫度，並將排煙溫度控制在僅比最低壁面溫度高15°C左右，通 常可以控制壁溫100°C時，排煙溫度115°C左右。但在實際應用中也必須處理好熱平衡的限 制，才有可能達到既避免結露又降低排煙溫度的效果。實際操作中在不結露的前提下排煙 溫度控制在130°C左右為宜。如果是清潔燃料燃燒形成的煙氣，酸露點更低，則可選用其他 合適的相變介質，在維持蒸發器36-1安全的情況下儘量多的回收熱量。本發明通過設置高位膨脹槽43，控制高位膨脹槽43裡面的導熱油溫度在70°C以 內，能避免導熱油氧化變質，大大延長導熱油的使用壽命。本發明以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法及裝置結構示意圖(見附圖3、 圖4及附圖標識說明)做說明利用導熱油作為回收利用餘熱的工質，包含鍋爐煙道31及 煙道內、外設備及其連接管道。煙道31內依次設有至少一個導熱油加熱器如33、35等、至少一個相變換熱器36，以及省煤器32、空氣預熱器34，相變換熱器36包含蒸發器36_1和冷 凝器36-2，其中的冷凝器36-2位於煙道外，蒸發器36-1的工作介質為水，產生的蒸汽利用 經過冷凝器36-2的導熱油進行冷凝。導熱油加熱器與鍋爐原有的省煤器32、空氣預熱器 34串聯或交錯連接設置。其中第一個導熱油加熱器設置在相變換熱器蒸發器36-1和空氣 預熱器34之間。煙道31外設有相變換熱器冷凝器36-2、半導體溫差發電裝置60、發電模 塊相變換熱器冷凝器44、鍋爐給水預熱器50，空氣預熱器51、油氣分離器42、過濾器39、熱 油泵38、高位膨脹槽43、低溫儲油槽41已經配套的管道儀表閥門等。半導體溫差發電裝置 60包括相變工質液相匯流排49、相變工質氣相匯流排45、發電模塊相變換熱器蒸發器46、 發電模塊熱端47以及半導體發電模塊48。相變換熱器36的冷凝器36-2採用間接換熱方式利用導熱油作為冷卻介質冷卻蒸 汽，將導熱油加熱後送入導熱油加熱器如33、35等繼續回收煙氣餘熱，經導熱油加熱器加 熱後的導熱油進入半導體溫差發電裝置60進行發電，出來的導熱油通過鍋爐給水預熱器 50、空氣預熱器51加熱鍋爐給水、空氣，鍋爐給水、熱空氣回收熱量後供系統利用，冷卻後 進入發電模塊相變換熱器冷凝器44，回收半導體發電模塊冷端面熱量後，經油氣分離器42 分離出氣體，從高位膨脹槽43排出，液態導熱油經過濾器39、熱油泵38、相變換熱器36的 冷凝器36-2循環使用。設有煙氣排出溫度調控裝置40，調控裝置40根據相變換熱器蒸發器36-1的壁溫 (如通過壁溫測試儀37測定)(或煙道出口處煙溫)的高低，通過控制相變換熱器冷凝器36-2 的旁路調節閥的開度等手段，可使煙道出口的排煙溫度降低至僅高於相變換熱器36的蒸 發器壁面的煙氣酸露點溫度，在避免結露的前提下，達到最大限度利用煙氣廢熱的目的，使 鍋爐能經濟、高熱效率運行，達到節能降耗的目的。設有發電模塊故障旁路調節閥57，在半導體溫差發電裝置60發生故障時，打開發 電模塊故障旁路調節閥57，關閉發電模塊故障用截止閥58、59，在對故障進行處理的同時， 系統仍能夠有效運行，不會導致緊急停車等事故。本發明的特色是可選擇沸點不低於100°C的、氣化潛熱大的液體作為相變換熱器 的工質，例如選擇水，常壓100°c吸熱氣化，在保持半導體溫差發電機冷端溫度恆定的同時， 產生的蒸汽將通過半導體溫差發電機的廢熱快速移走並在發電模塊相變換熱器冷凝器44 得到回收利用，設備安全可靠。實質上相當於犧牲從100°C到半導體溫差發電機冷端溫度的 溫度差所發的電量，幾乎全部回收了通過冷卻水散失在大氣中的熱量，實質上相當於一個 回熱循環，或者說相當於一個熱泵在運行。半導體溫差發電機冷端的排放熱量得到了有效 的利用，系統的綜合餘熱回收效率大大提高，是對現有半導體溫差發電餘熱回收技術的一 大改進。本發明的有益效果是，可以根據企業生產過程中餘熱的形式、特點以及設備和場 地情況等靈活進行設計，不影響原來的生產工藝或影響很小，導熱油將餘熱引出來後進入 半導體溫差發電機將導熱油攜帶的部分熱量轉換成電能，大量的通過半導體溫差發電機冷 端之相變換熱器蒸發器高效排出的熱量又被系統回收利用，用於加熱爐窯助燃空氣或加熱 鍋爐給水或其他需要加熱的工藝介質。本發明的半導體溫差發電裝置的蒸發器可採用板式、螺旋板式、波浪式等常規形 式，特徵是是豎直布置，半導體溫差發電機冷端之相變換熱器蒸發器內充滿飽和液體，吸熱即氣化成氣體利用密度差方便匯集到相變工質氣相匯流排。飽和氣體經冷凝器冷卻後靠重 力作用進入相變工質液相匯流排，再經過分配進入相變換熱器蒸發器各組片，循環使用，無 需消耗動力，無洩漏。對於新建的電站鍋爐，可以採用本發明附圖4的流程進行設計，煙道內的設備布 置大大簡化，相當於把原有的省煤器和空預器移至煙道外，導熱油回收餘熱提高溫度後進 入半導體溫差發電機，由於溫差增大，發電量有效增加，發電效率提高，同時設備布置簡化、合理。對於老系統，可採用本發明附圖3的流程進行改造，也可按本發明附圖4的流程進 行改造。


圖1是現有技術的工業餘熱半導體溫差發電機發電技術裝置流程圖。圖2是現有技術的用於半導體溫差發電模塊的冷卻裝置結構圖。圖3是本發明的以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法及裝置結構示意圖。圖4是本發明另一實施例的工業餘熱半導體發電裝置結構示意圖。圖中，31—鍋爐煙道，32—省煤器，33-導熱油加熱器，34—空氣預熱器，35—導熱 油加熱器，36—相變換熱器，36-1-相變換熱器蒸發器，36-2相變換熱器冷凝器，37—壁溫 測試儀，38—熱油泵，39—過濾器，40—調控裝置，41一低溫儲油槽，42—油氣分離器，43-高位膨脹槽，44一發電模塊相變換熱器冷凝器，45—相變工質氣相匯流排，46-發電模塊相 變換熱器蒸發器，47-發電模塊熱端，48-半導體發電模塊，49-相變工質液相匯流排，50-鍋 爐給水預熱器，51-空氣預熱器，52-鍋爐給水，53-加熱後的鍋爐給水，54-空氣，55-加熱後 的空氣，56-熱載體，57-發電模塊故障旁路調節閥，58、59_發電模塊故障用截止閥，60-半 導體溫差發電裝置。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明創造作進一步詳細描述。實施例1。如圖3所示，本發明以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法及裝置結構示意 圖進行詳細描述利用導熱油作為回收利用餘熱的工質，包含鍋爐煙道31及煙道內、外設 備及其連接管道。煙道31內依次設有至少一個導熱油加熱器如33、35等、至少一個相變換 熱器36，以及省煤器32、空氣預熱器34，相變換熱器36包含蒸發器36_1和冷凝器36_2，其 中的冷凝器36-2位於煙道外，蒸發器36-1的工作介質為水，產生的蒸汽利用經過冷凝器 36-2的導熱油進行冷凝。導熱油加熱器與鍋爐原有的省煤器32、空氣預熱器34串聯或交 錯連接設置。其中第一個導熱油加熱器設置在相變換熱器蒸發器36-1和空氣預熱器34之 間。煙道31外設有相變換熱器冷凝器36-2、半導體溫差發電裝置60、發電模塊相變換熱器 冷凝器44、鍋爐給水預熱器50，空氣預熱器51、油氣分離器42、過濾器39、熱油泵38、高位 膨脹槽43、低溫儲油槽41已經配套的管道儀表閥門等。半導體溫差發電裝置60包括相變 工質液相匯流排49、相變工質氣相匯流排45、發電模塊相變換熱器蒸發器46、發電模塊熱 端47以及半導體發電模塊48。
相變換熱器36的冷凝器36-2採用間接換熱方式利用導熱油作為冷卻介質冷卻蒸 汽，將導熱油加熱後送入導熱油加熱器如33、35等繼續回收煙氣餘熱，經導熱油加熱器加 熱後的導熱油進入半導體溫差發電裝置60進行發電，出來的導熱油通過鍋爐給水預熱器 50、空氣預熱器51加熱鍋爐給水、空氣，鍋爐給水、熱空氣回收熱量後供系統利用，冷卻後 進入發電模塊相變換熱器冷凝器44，回收半導體發電模塊冷端面熱量後，經油氣分離器42 分離出氣體，從高位膨脹槽43排出，液態導熱油經過濾器39、熱油泵38、相變換熱器36的 冷凝器36-2循環使用。設有煙氣排出溫度調控裝置40，調控裝置40根據相變換熱器蒸發器36-1的壁溫 (如通過壁溫測試儀37測定)(或煙道出口處煙溫)的高低，通過控制相變換熱器冷凝器36-2 的旁路調節閥的開度等手段，可使煙道出口的排煙溫度降低至僅高於相變換熱器36的蒸 發器壁面的煙氣酸露點溫度，在避免結露的前提下，達到最大限度利用煙氣廢熱的目的，使 鍋爐能經濟、高熱效率運行，達到節能降耗的目的。設有發電模塊故障旁路調節閥57，在半導體溫差發電裝置60發生故障時，打開發 電模塊故障旁路調節閥57，關閉發電模塊故障用截止閥58、59，在對故障進行處理的同時， 系統仍能夠有效運行，不會導致緊急停車等事故。實施例2。與實施例1基本相同，對於新建的電站鍋爐，可以採用本發明附圖4的流程進行設 計，煙道內的設備布置大大簡化，相當於把原有的省煤器和空預器移至煙道外，導熱油回收 餘熱提高溫度後進入半導體溫差發電機，由於溫差增大，發電量有效增加，發電效率提高， 同時設備布置簡化、合理。雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但它們並不是用來限定本發明，任何熟悉 此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，自當可作各種變化或潤飾，同樣屬於本發明之 保護範圍。例如，本發明的相變換熱器的流程同樣也適用於工業窖爐及其他餘熱回收場合。 因此本發明的保護範圍應當以本申請的權利要求所界定的為準。
權利要求
一種以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電裝置，它包含煙道(31)、煙道內、外設備及其連接管道，其特徵在於所述煙道(31)內設有至少一個導熱油加熱器、至少一個相變換熱器(36)，相變換熱器(36)包含蒸發器(36 1)和冷凝器(36 2)，其中的冷凝器(36 2位於煙道外；煙道(31)外設有半導體溫差發電裝置(60)、發電模塊相變換熱器冷凝器(44)、鍋爐給水預熱器(50)、空氣預熱器(51)、油氣分離器(42)，以及配套的管道儀表閥門；所述半導體溫差發電裝置(60)包括相變工質液相匯流排(49)、發電模塊相變換熱器蒸發器(46)、發電模塊熱端(47)、相變工質氣相匯流排(45)；其中，相變工質液相匯流排(49)、發電模塊相變換熱器蒸發器(46)、相變工質氣相匯流排(45)、發電模塊相變換熱器冷凝器(44)、相變工質液相匯流排(49)組成小循環；相變換熱器冷凝器(36 2)、導熱油加熱器、發電模塊熱端(47)、鍋爐給水預熱器(50)、空氣預熱器(51)、發電模塊相變換熱器冷凝器(44)、油氣分離器(42)、相變換熱器冷凝器(36 2)組成大循環。
2.根據權利要求1所述的以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電裝置，其特徵在於 所述煙道(31)內還設有省煤器(32)、空氣預熱器(34)，所述導熱油加熱器與省煤器(32)、 空氣預熱器(34)串聯或交錯連接設置。
3.根據權利要求1所述的工業餘熱半導體發電裝置，其特徵在於油氣分離器(42)與 相變換熱器(36)之間還設有過濾器(39)、熱油泵(38)。
4.根據權利要求3所述的工業餘熱半導體發電裝置，其特徵在於它還設有高位膨脹 槽(43)、低溫儲油槽(41)，所述油氣分離器(42)分離出的氣體高位膨脹槽(43)排出，所述 低溫儲油槽(41)通過熱油泵(38)對相變換熱器(36)供油。
5.根據權利要求1所述的工業餘熱半導體發電裝置，其特徵在於它還設有煙氣排出 溫度調控裝置(40 )，調控裝置(40 )根據相變換熱器蒸發器(36-1)的壁溫的高低，控制相變 換熱器冷凝器(36-2)的旁路調節閥的開度。
6.根據權利要求1所述的工業餘熱半導體發電裝置，其特徵在於它還設有發電模塊 故障旁路調節閥(57)、發電模塊故障用截止閥(58、59)，在半導體溫差發電裝置(60)發生 故障時，打開發電模塊故障旁路調節閥(57)，關閉發電模塊故障用截止閥(58、59)。
7.根據權利要求1至6任一項所述的工業餘熱半導體發電裝置，其特徵在於所述 半導體溫差發電裝置(60)還包括半導體發電模塊(48)，所述發電模塊相變換熱器蒸發器 (46)與所述發電模塊熱端(47)間隔排列，多個所述半導體發電模塊(48)依次設置於發電 模塊相變換熱器蒸發器(46)與發電模塊熱端(47)之間。
8.一種以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法，其特徵在於相變換熱器(36)的 冷凝器(36-2)採用間接換熱方式利用導熱油作為冷卻介質冷卻蒸汽，將導熱油加熱後送 入導熱油加熱器繼續回收煙氣餘熱，經導熱油加熱器加熱後的導熱油進入半導體溫差發電 裝置(60)進行發電，出來的導熱油通過鍋爐給水預熱器(50)、空氣預熱器(51)加熱鍋爐給 水、空氣，鍋爐給水、熱空氣回收熱量後供系統利用，冷卻後進入發電模塊相變換熱器冷凝 器(44)，回收半導體發電模塊冷端面熱量後，經油氣分離器(42)分離出氣體，從高位膨脹 槽(43)排出，液態導熱油經過濾器(39)、熱油泵(38)、相變換熱器(36)的冷凝器(36-2)循 環使用。
9.根據權利要求8所述的以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法，其特徵在於 設有煙氣排出溫度調控裝置(40 )，調控裝置(40 )根據相變換熱器蒸發器(36-1)的壁溫(如通過壁溫測試儀37測定)(或煙道出口處煙溫)的高低，通過控制相變換熱器冷凝器(36-2) 的旁路調節閥的開度等手段，可使煙道出口的排煙溫度降低至僅高於相變換熱器(36)的蒸 發器壁面的煙氣酸露點溫度，在避免結露的前提下，達到最大限度利用煙氣廢熱的目的，使 鍋爐能經濟、高熱效率運行，達到節能降耗的目的。
10.根據權利要求8所述的以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法，其特徵在於 設有發電模塊故障旁路調節閥(57)，在半導體溫差發電裝置(60)發生故障時，打開發電模 塊故障旁路調節閥(57)，關閉發電模塊故障用截止閥(58、59)，在對故障進行處理的同時， 系統仍能夠有效運行，不會導致緊急停車等事故。
全文摘要
本發明公開了一種以熱載體為熱媒的工業餘熱半導體發電方法及裝置，利用導熱油作為回收利用餘熱的工質，包含鍋爐煙道及煙道內、外設備及其連接管道，煙道內依次設有至少一個導熱油加熱器、至少一個相變換熱器，相變換熱器包含蒸發器和冷凝器，其中冷凝器採用間接換熱方式利用導熱油作為冷卻介質冷卻蒸汽，將導熱油加熱後送入導熱油加熱器繼續回收煙氣餘熱，經導熱油加熱器加熱後的導熱油進入半導體溫差發電裝置進行發電，出來的導熱油加熱鍋爐給水、空氣，鍋爐給水、熱空氣回收熱量後供系統利用，冷卻後進入發電模塊相變換熱器冷凝器，回收半導體發電模塊冷端面熱量後，經油氣分離器分離出氣體，從高位膨脹槽排出，液態導熱油可循環使用。
文檔編號H02N11/00GK101976987SQ201010511700
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月20日 優先權日2010年10月20日
發明者王海軍, 王海波 申請人:王海波