以有机废料为燃料的可移动的发电系统的制作方法

专利名称：以有机废料为燃料的可移动的发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力发电。更具体地说，本发明涉及一种以有机废料或生物量为燃料的可移动的发电系统。
世界上有许多居民地区还没有足够的电力提供给居民以为居民提供按一般标准来说是最低的生活标准。而有电力供应的地方，电力通常是汽油，柴油，或烧油的发电机提供的，这就需要将石油燃料运送到遥远的地方。这样既困难且成本很高。目前，各种组织机构都在考虑和寻求以何种设施和方式将电力提供给孤立的和遥远的地区的居民的问题。然而考虑到经济和地理等方面的因素，通常的输配电系统显然是很难采用的。
本发明提供了一种发电装置，它可以组装后运送到遥远的地方，而且它可以利用各种生物量或生物废料作为燃料。通过空气循环以加热的压缩空气为涡轮发电机装置提供动力而达到有效地利用燃料。
该系统包括一炉子，该炉子采用一种可有效地燃烧农业废料的流化床燃烧器。有两股空气环流通过该炉子。在第一股空气环流中，将燃烧空气在两个部位加压送入炉子。在第一个部位，将流化空气送入流化床燃烧器的底部使该流化床内一般为铝硅砂子的颗粒流态化。在第二个部位，将燃烧空气送到该流化床上方的炉子中以便在炉子中形成一股促进燃烧效率的平衡气流。该炉子包括一与将在下文描述的涡轮相连的辐射热交换器。从该炉子出来的气体通过一对流热交换器，后者用于对通过该炉子内的辐射热交换器的空气进行预热，然后流到一旋风除尘器，以便将灰分从燃烧气体中分离出去。干净的燃烧气体从旋风除尘器通过一用于预热注入流化床的空气和注入流化床上方的空气的空气预热器。通过该空气预热器之后，该干净的燃烧气体就从系统排出。
第二股环流空气用于驱动涡轮发电机装置。空气经过一过滤器后进入一压缩机。压缩空气以加压、加热的状态离开该压缩机。来自压缩机的空气进入另一个称作为同流换热器(余热回收器)的热交换器，它将压缩空气的温度升高。该同流换热器利用来自涡轮的热空气加热该压缩空气。该压缩空气从该同流换热器流到一对流热交换器，该热交换器利用来自炉子的燃烧气体进一步提高压缩空气的温度。该压缩空气再通过一位于炉子内的辐射热交换器从而进一步使其温度升高，达到当它进入涡轮时的最后的高压、高温装态。该高压、高温空气通过涡轮机时使涡轮驱动压缩机和发电机。该压缩空气以较低的压力和温度离开该涡轮，并通过同流换热器去对新的离开压缩机的压缩空气进行加热。
本发明的另一个方面是采用了仿真(虚)负载。该负载与发电机的输出相连，并与用户从该系统中汲取能量的量成反比地增加或减少。该仿真负载导致从发电机上取用的能量是一个比较恒定的量，从而使该系统的运行，即发电机的转速和燃料的提供率保持恒定。燃料消耗无波动使得系统能够通过使压力和温度达到最佳化而更有效地工作。当提供给该仿真负载的能量用于做有用功时，例如加热用于家庭或工业用的水时，就能获得最大的效率。
由一数字微处理机系统提供对该系统的控制。该微处理机位于控制面板内，用于监控系统内的温度及其他变量。该仿真负载也由该微处理机进行控。
本发明的系统是很紧凑的，使它适于安装在一平板车上。这样，该系统就可用一辆卡车运送到需要电力而电力站又无法送到的遥远的地区。这种系统可以对遥远的地区暂时供电，而且可以采用当地的生物量或农业废料发电。本发明的一个优点是除了空气以外无需产生蒸气的水或任何热流体。而且，可以采用生物量或农业废料，并且也不需要运送燃料给已有这些燃料的地方。由于炉子内采用了流化床燃烧器，这就有利于广泛地使用各种生物量燃料。
为了更全面地理解本发明的特点的优点，请参阅下面结合附图所作的详细说明。


图1是本发明的可移动的发电系统的立体图，其中，为清晰起见去掉了燃料贮存仓;
图2A是包括燃料贮存仓在内的图1所示系统俯视图;
图2B是沿着图2A中B-B线取的图1所示系统的侧视图;
图2C是沿图2A中C-C线取的侧视图;
图3是图1所示可移动的发电系统的简化示意图;
图4是图1所示系统的较详细的示意图;
图5是图1中炉子的侧视图;
图6是图5中炉子的端视图;
图7是图1所示可移动的发电系统的另一个实施例的简化示意图，它以原油为燃烧。
图1-3表示了一种其大小适于安装在一种平板车上或可安装在一种标准集装箱内的可移动的发电系统2。该系统2的各部分均安装在一平板架3上，可以将该装置迅速举起并加以移动。系统2最好不要超过32英尺长，8英尺宽，及12英尺高。系统2包括一具有流化床6的流化床炉子4，该炉子4的下部8最好装有铝-硅砂，而其上部12最好装有辐射热交换器10。燃料从位于流化床6的上表面16上方的燃料口14送入。流化床燃烧空气从流化床燃烧空气入口18送入该流化床6的底部。位于上表面16上方的入口20提供用作炉子4内平衡气流的燃烧空气，且能对炉子4上部12内的易挥发物质进行燃烧。
来自炉子4的燃烧气体穿过一对流热交换器22和一旋风除尘器24，后者将灰份从燃烧气体中分离出来。从旋内除尘器24出来的干净的燃烧气体穿过管道26和一空气预热器28。离开该空气预热器28之后，干净的燃烧气体便经过烟囱30进入大气。鼓风机36、38迫使流化床燃烧空气和辅助燃烧空气经过管道32、34。鼓风机36、38是通常的风机。但是为了使效率达到最高，也可以用空气喷射器代替风机。各空气喷射器与风机不同，它们并不需要系统2提供动力。它们可以由管道中直接由压缩机42驱动的空气驱动。因此，系统2内部所产生的电力可以被消耗得较少，因而就可以有较多的电力提供给用户使用。
当流化床燃烧空气和辅助燃烧空气经过空气预热器28时被预热，从而可以提高系统2的效率。在图2A、3和4中示出了鼓风机36、38与预热器28配合使用从而对燃烧空气进行预热的情形。然而，在实际使用中，也许会利用单个鼓风机使单股空气流过空气预热器28，然后使该股空气在该空气预热器28和炉子4之间进行分流。
系统2还包括一涡轮装置40。该装置40最好是一种通常类型的涡轮，例如由Sunstrand制造的Solar Titan T-26-T-32-3型。装置40包括一具有一空气进口44和一空气出口46的压缩机42。外界空气经一空气滤清器48后进入压缩机42，并由驱动公共轴52的涡轮50压缩，然后从出口46离开压缩机42。该压缩空气通过一称作同流换热器(余热回收器)的热交换器54，该热交换器54将压缩空气的温度升高，它是从涡轮的废气中提取热量的。该压缩空气通过管道56到达对流热交换器22，后者进一步提高了该压缩空气的温度。
压缩空气继续通过管道58并穿过辐射热交换器10，使压缩空气的温度达到它的最高水平，然后，该被加热的压缩空气通过管道60并进入涡轮50的进口62。该加热的压缩空气穿过涡轮50使公共轴52旋转从而驱动压缩机42和发电机64。来自涡轮50的废气通过管道66进入同流换热器54以加热来自压缩机42的压缩空气。然后，涡轮的废气从废气出口处68进入大气。
图4比图3的简要示意图更详细地说明了系统2。将燃料，一般是生物量用碾磨机70碾或斩碎成适当尺寸。然后使燃料通过一气动馈给管道72送入一燃料贮存仓74。该燃料贮存仓74沿着一螺旋馈入器78将燃料馈入一燃料入口76。螺旋馈入器78与炉子4的燃料口14相连接，并由马达80驱动。清除阀79用以从炉子4底部清除掉残渣。
为了获得最大的灵活性，本系统采用了几个带有阀的旁路管道。在管道53和60之间设有一带阀的旁路管道82，以防止一部分沿管道53的压缩气体流入管道60而不流经任何一个热交换器。类似地，在管道53与56之间采用了带阀的管道84，以对同流换热器54构成旁路。带阀管道86使管道56和58相连，从而对对流热交换器22形成旁路。最后，带阀管道88使空气预热器28两侧的管道34的两段相连，从而使一部分流过管道34的空气绕过预热器28。
当将系统2初次开动时，一个位于管道32上的“进气启动/燃烧器”90(INDUCT START UP/BURNER 90)被开动而对流化床6进行预热。启动器92将涡轮50和压缩机42驱动直到该系统的运行处于自动维持状态为止。一旦该系统进入稳定运行，启动器92便停止运转。
图4中虚线表示的一燃烧器96可用在管道60上，以便当生物量燃烧暂时用完或没有生物量可用的情况下燃烧石油类燃料。
控制器94是一种通常的微处理机控制器，例如由Honeywell，Yogogawa or Bailey制造的各种形号的控制器等。虽然本发明的系统可以由人工操作，但采用控制器94可简化操作且提高其效率。控制器94包括与各部件相连接的线路98，这些部件包括压缩机42，涡轮50，碾磨机70，马达80等等。
本发明系统采用一个仿真负载100以在涡轮发电机40上维持一个恒定的负载。最好用该仿真负载100进行一些有用的工作，例如加热用于家庭或工业用途的水等。在系统2上维持一个恒定的负载，目的是使燃烧和热传递效率达到最大值。
图5和图6更详细地说明了图4中的炉子4。炉子呈矩形，大致是7英尺高，10英尺长和6英尺宽。流化床燃烧空气经进口18进入炉子4使流化床6中的砂子100流态化。炉子4的下部8呈漏斗形以便更好地控制气流和砂子100的活化，从而增强燃料在炉子4中的燃烧。一种有效的结构是将炉子4的底部8的形状做成其高度为1.5到2英尺左右的漏斗。总的空气流的约 1/3 通过入口18而大约 2/3 通过入口20。这个比例可由控制器94根据燃料的类型以及其他变量进行调节。该炉子的形状设计成分两个步骤燃烧燃料。由于燃料从燃料口14送入，非挥发性的或固体部分在炉子4的底部8的流化床6中燃烧，而挥发性或气态的部分上升到流体床6的上方并在炉子4的主体部分中燃烧。来自入口20的上部气流促进了气态部分的燃烧，而来自入口18的气流则加强了固体部分的燃烧。
将气流分成经入口18的流化床燃烧气体和经入口20的辅助燃烧气体两股空气流，加上炉子下部8的漏斗形状，提高了炉子4的效率。尤其是因为将炉子4设计成可采用各种类型的燃料且可将经过入口18、20的空气的百分比调节到使其具有最高的效率，因而炉子的效率得以大大提高。
辅助热交换器10包括一系列其两端与一对头部103相连接的辐射管102，头部103的第一头部103A从管58上的对流热交换器22(未画出)获得空气流。该气流穿过构成辐射热交换器10的各辐射管102到达第二头部103B。处于辐射管102中的空气由炉子加热。加热的空气借助管道60从第二头部103B离开炉子4，并流到涡轮50。
头部103位于辐射热交换器10的外侧。这样，如果任一辐射管102出现泄漏，可以将炉子4的外壳打开，将泄漏的管子从系统2中取出焊好。当系统2要在遥远地区使用时，可以很方便地进行这样的修理，这样，系统2就不会因为某一根辐射管102出现一个小小的泄漏而很长时间无法使用。
虽然炉子4最好呈矩形，但也可以采用其他合适的形式。例如，可以将炉子4做成圆形。此时还须改变辐射热交换器22以及头部103的形状。不过，圆形炉子的工作方式及其作用是与矩形炉子相类似的。
下面讨论系统2的工作过程。在将空气从入口18、20送入炉子4之前先将它们泵入管道32、34和预热器28。经入口18流入的流化床燃烧空气使砂子100流态化。它还用于对进入炉子4的燃料的非挥发性部分进行燃烧。流经入口20的辅助燃烧空气主要用于对进入炉子的该燃料的挥发部分进行燃烧及用于由风机104提供的平衡气流。该燃烧气体通过由炉子4，出口59，对流热交换器22和旋风器24构成的通路。旋风除尘器24将流动气体中的飞灰除去，并将剩余的流动气体通过管道26送到空气预热器28。鼓风机104将废气经烟囱30送入大气。
将大气空气经一过滤器48送入系统2并进入压缩机42进行压缩。然后压缩空气经过管道53和同流换热器54。开足功率时，空气以大约210℃离开出口46。同流换热器54将压缩空气的温度剧增到约293℃。然后压缩空气通过管道56和对流热交换器22使其温度增加到通约732℃。压缩空气经过辐射热交换器10并在进入涡轮50的入口6之前被再次加热到约871℃。较低压力和温度的该空气大约以638℃的温度从涡轮50中出来并通过同流换热器54去加热从管道53流过同流换热器54到管道56的压缩空气。涡轮废气以大约260℃的温度从废气出口68进入大气。将燃料仓74中的燃料经燃料口14的螺旋馈入器78送入炉子4。燃料仓74中的搅拌器106可维持一个平稳的燃料流。
砂子100最好是具有高熔点和高热容的铝硅砂子。砂子的高热容，流化床的均匀性及对经过入口18的流化床燃烧空气的预热保证了可以使用各种质量变化和波动的燃料。例如，木屑和谷糠这两种典型的燃料，其热值，灰分及水分就是变化很大的。燃烧的稳定性在很大程度上取决于燃料的种类及其所处的状态。
图7简单地说明了系统2改用原油作为燃料源的情形。该系统110，包括一快速(闪)蒸发装置112或一个蒸馏塔，原油经入口114送入该阀蒸装置112。快速(闪)蒸发装置112采用经过一热交换器116的涡轮废气加热原油并将其轻质部分加以蒸发。该轻质部分或称“顶部”从快速蒸气(闪蒸)装置112经管道118进入一轻质油贮存容器120。重质部分或称“底部”从快速闪蒸装置112经管道122进入一重质油贮存容器124。泵126将重质油从容器124经管道128送到炉子130进行燃烧。炉子130内重质油燃烧所提供的热量加热热交换器132中的空气。废气由烟囱134从炉子130排出。
涡轮发电机装置140包括一压缩机142，压缩机142具有一空气入口144和一空气出口146。装置140还包括一通过公共轴152与压缩机142连接的涡轮150。空气在出口146处从压缩机42中出来并通过管道154。管道154中的压缩空气经过炉子130中的热交换器132，然后经管道156从涡轮进口158进入涡轮150。涡轮废气则从涡轮出口160出来经管道162进入快速闪蒸装置112内的热交换器116。废气在快速闪蒸装置112中对原油加热之后便在出口164处离开系统110。
系统110还包括一燃烧器166，它用于燃烧贮存于容器120中的轻质燃料或“顶部”燃料。轻质燃料由泵170经管道168泵入燃烧器166。在那里，来自管道156的加热的压缩空气与轻质油的燃烧产物相混合从该燃烧器166进入涡轮150的入口158。这样，由于采用了来自“顶部”燃料的比较干净的燃烧产物，而且，还间接地利用了炉子130内的“底部”的燃烧产物对通过涡轮的空气进行预热，因而，涡轮就在十分有利的情况下使用着原油。该系统还大大地降低了原油中所含的矿物质及其他杂质进入涡轮150的可能性。这样就无需对原油作各种去除这种杂质的化学处理，同时又可充分利用了轻质的、干净的部分和重质的、较脏的、含有所有会损害涡轮150的各种杂质的部分。
由于包括有燃烧器166，炉子130的温度就无需高到它本来需要的那种高温以提供足以驱动涡轮150所需的热空气。这样就降低了由于原油的底部或重质部分的污染物所引起的腐蚀和灰分问题。系统中设置在各个阀门172、174和176，可以调节“顶部”燃料流向燃烧器166和炉子130(如果需的话)的流量。
系统2和110最好具有模块化的结构，其尺寸最好适于安装在大约呈32英尺长，8英尺宽和12英尺高的平板车上。例如，将涡轮发电装置40象炉子4那样制成一个单个模件。模块化的结构便于将一个带有故障部件的模件取下和替换，而无需在现场修理该部件。
一般说来，与本发明技术领域有关的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，完全可以设想出许多对结构的变化和种种其他的实施例。例如，可以用效率效高的空气喷射器代替鼓风机，以有效地将空气流送进、送出炉子4。同样，在燃烧原油的系统的情况下，可以用一个带有油料燃烧器的较低的炉子代替换流化床。因此，本文所揭示和描述的完全是作为用以举例说明本发明的例子，本发明并不局限于以上用于举例说明的揭示和描述。本发明的保护范围将在所附的权利要求书中加以阐述。
权利要求
1.一种以农业废料为燃料的可移动的发电系统，其特征在于，它包括一将外界空气加压的压缩机；一接受加热的空气流而产生旋转机械动力的涡轮，其中，该涡轮在工作时放出加热的空气；一用于将由所述的涡轮提供的旋转机械动力转化为电力的发电机；一与所述的压缩机和涡轮相连通的同流换热器，它接受由压缩机提供的压缩空气并用来自涡轮的废气所提供的能量加热该压缩空气；一第一热交换器，用于在来自所述同流换热器的空气与来自所述第一热交换器的空气之间进行热传递；一炉子，它包括一具有一底部和一顶部的炉腔；一第二热交换器，用于在来自所述第一热交换器的空气和送到所述的涡轮的加热的空气流之间进行热传递；将第一空气流送入所述炉腔的底部的第一装置；位于所述底部和所述顶部之间的第二装置，用于提供可在所述的炉腔内维持一平衡气流的第二空气流，从而将热流导入第二热交换器；一旋风除尘器，用于从离开所述炉子的烟气中去除飞灰(飘尘)；一空气预热器，用于对所述第一空气流中的空气进行预热；用于排除系统中的烟气的排气装置；及一该系统的各部件均可固定于其上的平板架，该平板架适于安装在一运输装置上以便运输，从而可以将该系统以最小的劳动力从一个地方移动到另一个地方。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的运输装置包括一平板车。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，该系统的尺寸不超过12英尺高，8英尺宽及32英尺长。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一与所述的发电机的输出端相连的负载补偿装置，用于通过维持一恒定的负载输出，及对系统维持相应的恒定的燃料供应使系统的工作稳定，从而当用户增加功率消耗时，便降低对该负载补偿装置所提供的负载，而当用户减少功率消耗时，便增加对该负载补偿装置所提供的负载。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的炉子的底部呈漏斗状，以便使炉子内的所述的第一空气流集中地流向置于炉子中的燃料。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括连接在所述的炉子与所述的涡轮之间的燃料装置，用于燃烧石油燃料，将燃烧时所提供的能量用于驱动所述的涡轮。
7.一种以原油为燃料的可移动的发电系统，其特征在于，它包括-对外界空气加压的压缩机;-接受加热的空气流而产生旋转机械动力的涡轮，其中，该涡轮在工作时放出加热的空气;-用于将由所述涡轮提供的旋转机械动力转化为电力的发电机;-炉子，它包括-具有底部和顶部的炉腔;-第一热交换器，用于在来自压缩机的空气和送到所述的涡轮的加热的空气流之间进行热传递;-蒸发装置，用于接受原油和来自所述涡轮的热空气，其中所述的热空气所提供的能量用于将原油中的不纯的部分与基本纯的部分分离，从而将不纯的部分从所述的蒸发装置的底部送走而将所述的纯的部分从所述的蒸发装置的顶部送走;连接在第一热交换器与涡轮机之间的燃烧装置，用于对原油的所述的基本纯的部分进行燃烧，从而将燃烧所获得的能量去驱动所述的涡轮;第一贮油装置，用于存放原油中基本纯的部分并将该基本纯的部分送到所述的燃烧器进行燃烧;第二贮油装置，用于贮存原油中不纯的部分，并将该不纯的部分送到所述的炉子中进行燃烧;及一该系统的各部件均可固定于其上的平板架，该平板架适于安装在一运输装置上以便运输，从而可以将该系统以最小的劳动力从一个地方移动到另一个地方。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的蒸发装置是一蒸馏塔，当原油经一蒸馏过程馈入该系统时，该蒸馏塔便从原油中分离出干净而质轻的部分。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的蒸发装置是一快速(闪)蒸发装置，当原油经一蒸发过程馈入该系统时，该快速蒸发(闪蒸)装置便从原油中分离出干净而轻质的部分。
10.一种提供电力的可移动的闭环发电系统，它包括制成多个模件的部件，这些模件适于集中安装在一平板架上，如果某一模件中的一个部件发生故障，该模件可方便地取下并加以替换，其特征在于，该系统包括-用于对外界空气进行压缩的压缩机;-接受加热的空气流而产生旋转机械动力的涡轮，其中，当该涡轮工作时放出加热的空气;-用于将由涡轮提供的旋转机械动力转化为电力的发电机;-炉子，它包括-具有底部和顶部的炉腔，且该炉腔具有一定的尺寸，使该炉腔内的燃烧分成两步，第一步在炉腔的底部的流化床中进行，燃烧非挥发性燃料，第二步在流化床上方进行，燃烧挥发性燃料;-热交换器，用于对传送给涡轮的气流传递热量;第一空气流装置，用于将第一空气流送入所述的炉腔的底部;及第二空气流装置，用于使在炉腔内维持一平衡气流的第二空气流将热流导向所述热交换器。
全文摘要
一种提供可移动的发电装置的设备。本发明包括一种以农业废料或生物量为燃料的发电系统。另一个实施例以原油为燃料。该装置可固定在一标准拖车的平板装卸台上并可用单独一辆卡车运输。该系统的高度适于装载在一标准超长集装箱里。
文档编号F02C3/20GK1057508SQ9110433
公开日1992年1月1日 申请日期1991年6月21日 优先权日1990年6月21日
发明者查尔斯F·桑德斯, 爱伦·W·贝尔, A·菲力浦·布雷 申请人:能量股份有限公司