一种串行式直燃梯级发电系统及方法与流程

本发明属于能源发电技术领域，具体涉及一种串行式直燃梯级发电系统及方法。

背景技术：

能源结构的改革与清洁能源生产是能源紧缺是制约经济和社会发展当前生态文明建设和供给侧改革的重要环节因素之一，为缓解能源危机与环境污染之矛盾，大力发展新能源产业和清洁能源生产方式是有效途径之一，尤其是可再生能源的发展与利用。近年来，新兴的生物质能源备受关注，它来源于自然，将太阳能通过植物光合作用转化储存，并以多种形式呈现，便于利用。作为太阳能的天然载体，生物质能源具有燃烧热值高，含硫含芳烃量较低，来源与用途广泛等突出优点，逐渐成为能源界研究的热点。

进入21世纪后，世界各国均加大了对发展生物质能源利用技术的经费投入与人才培养，有专家指出，生物质能源利用技术将成为社会发展新的支撑点。在未来世界，谁拥有生物物质高效利用技术，谁就能把握能源大局，在国际竞争中有更多的话语权。此外“三农”问题是我国发展的根本，大力发展生物质能源能有效利用农村剩余劳动力，进一步实现农民增收，增加农村与城市的联系加速实现城乡一体化。故发展生物能源高效利用技术是符合我国能源战略与以人为本的核心思想。

通过能源的梯级利用，一方面实现了热与电同时输出，另一方面也提高了一次能源的综合利用率。但是，传统的热电联产方案通常至少由一个发电子系统构成，有时甚至由多个复杂的子系统耦合在一起，系统庞大，投资大，控制难度大，复杂度较高，实施困难，尤其小功率发电系统经济效益极低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种串行式直燃梯级发电系统及其方法，能够解决能源热利用率低的难题，特别是小微发电系统能源利用率低的问题。

本发明的技术方案为：提供一种串行式直燃梯级发电系统，所述系统由管路顺序连接的燃烧机、混风炉膛、旋风分离器、进气管路、外燃发电机组、排气管路、烟气净化处理器、引风机和烟囱组成，所述外燃发电机组包括顺序连接的分流炉膛、分流进气管、小微外燃发电机、集气管和集气箱，其中所述小微外燃发电机有若干个，若干个小微外燃发电机分成若干组进行并联，每组中的每个小微外燃发电机串联连接。

优选地，所述混风炉膛由顶部的卧式炉膛、卧式炉膛通过管路连接的混风机、卧式炉膛与混风机的管路上设置的电动风阀组成。

优选地，所述旋风分离器由进风端口、离心分离段、降尘捕捉灰斗、排风端口组成，所述进风端口所在横截面和所述排风端口所在横截面相互垂直，所述排风端口竖直向上，所述离心分离段设置在所述排风端口下方，所述降尘捕捉灰斗位于所述离心分离段底部。

优选地，所述分流炉膛与所述分流进气管的连接方式择一选用以下一种：(1)分流炉膛上设置有一排分流进气管，每个所述分流进气管连接单组中的第一个小微外燃发电机；(2)所述分流炉膛上设有环绕其一周的若干列分流进气管，每个所述分流进气管连接单组中的第一个小微外燃发电机。

优选地，所述系统中的燃烧机根据燃料的不同选用不同燃烧机，当燃料为生物质时，选用生物质燃烧机；当燃料为油燃料时，选用燃油燃烧机。

本发明还提供一种技术方案：提供一种串行式直燃梯级发电方法，包括以下步骤：

步骤一：引风机开启，燃烧机腔体及外部烟道内形成微小负压，开启燃烧机，对燃料进行燃烧；

步骤二：电动风阀打开后调节混风机频率，即时调控炉膛热风温度，使炉膛恒温在800℃，高温热风经卧式炉膛进入旋风分离器，分离后的烟气通过高温烟管进入到外燃发电机组中；

步骤三：若干个小微外燃发电机分成若干组进行并联，每组中的每个小微外燃发电机串联连接，高温烟气经分流进气管分流至每组小微外燃发电机，给每组小微外燃发电机供热，由于各组中的每个小微外燃发电机串联连接，后置位的小微外燃发电机吸收前置位的小微外燃发电机的余热继续发电，高温烟气逐渐降温，经集气管和集气箱集流；

步骤五：经集气箱集流的烟气经排气管路进入烟气净化处理器中做排烟前的脱硫除尘处理，最后经引风机牵引到烟囱排出。

所述串行式直燃梯级发电方法，进一步包括：

所述步骤二中的所述旋风分离器的含尘气流由进风端口由切线方向进入旋风分离器内,在旋风分离器的壳体内壁与排气管外壁之间形成螺旋涡流后,向下做旋转运动,在离心力的作用下,尘粒到达壳体内壁并在下旋气流和重力共同作用下,沿壁面落入降尘捕捉灰斗,净化后的气体经排风端口排除；

所述步骤三中的热能震荡外燃发电机，通过吸收外界热源热能，转化为发电机内部分子震荡，传递给直线活塞往复运动切割磁感线发电。

本发明的有益效果为：

1.本系统中的各个部件均功能稳定且价格低廉；

2.本系统中的小微外燃发电机是一种温差式直线震荡斯特林发电机，相比于传统燃气轮机和内燃机，该发电机运动部件少，可靠性高，发电效率高，噪声低，对环境友好；小微外燃发电机通过多级串联，对能源形成梯级利用，节能减排，提高能源综合利用率。

3.由于小微外燃发电机多级串联，对能源形成梯级利用，最后一级上的小微外燃发电机排出的烟气温度已经有所降低，不需另外设置烟气节能器进行气水热能交换，可以直接进入烟气净化处理器。

3.基于离心作用的旋风分离器，是一种结构简单、除尘效果明显的环保设备，当含尘烟气由切线方向流入旋风分离器，在离心力的作用下，尘粒到达壳体内壁并在下旋气流和重力共同作用下,沿壁面落入降尘捕捉灰斗,净化后的气体则经排风端口排出；

4.烟气净化处理器利用高压离心风机的吸力，把含尘气体压到装有一定高度水的水槽中，水浴会把一部分灰尘吸附在水中，经均布分流后，气体从下往上流动，而高压喷头则由上向下喷洒水雾，捕集剩余部分的尘粒，环保排放。

附图说明

图1是本发明串行式直燃梯级发电系统整体结构示意图。

图2是本发明串行式直燃梯级发电系统的生物质燃烧机结构示意图。

图3是本发明串行式直燃梯级发电系统的燃油燃烧机结构示意图。

图4是本发明串行式直燃梯级发电系统的混风炉膛结构示意图。

图5是本发明串行式直燃梯级发电系统的旋风分离器结构示意图。

图6是本发明串行式直燃梯级发电系统的小微外燃发电机组结构示意图。

图7是本发明串行式直燃梯级发电系统的小微外燃发电机的连接关系框图。

图8是本发明串行式直燃梯级发电系统的分流炉膛与分流进气管的一种连接结构示意图。

附图中各部件的标记如下：1、燃烧机；2、混风炉膛；3、旋风分离器；4、进气管路；5、外燃发电机组；6、排气管路；7、烟气净化处理器；8、引风机；9、烟囱；10、混风机；11、电动风阀；12、卧式炉膛；13、分流炉膛；14、分流进气管；15、小微外燃发电机；16、串联进气管；17、集气管；18、集气箱；19、排风端口；20、进风端口；21、离心分离段；22、降尘捕捉灰斗；23、进料料斗；24、燃烧机体的腔体；25、进料电机；26、鼓风机；27、燃烧筒；28、风机；29、增压泵；30、油泵。

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述：

请参阅图1所示，本发明提供了一种串行式直燃梯级发电系统，所述系统由管路顺序连接的燃烧机1、混风炉膛2、旋风分离器3、进气管路4、外燃发电机组5、排气管路6、烟气净化处理器7、引风机8和烟囱9组成。

所述系统中的燃烧机1根据燃料的不同选用不同燃烧机，当燃料为生物质时，选用生物质燃烧机；请参阅图2所示，生物质燃烧机包括进料料斗23，所述进料料斗23由其底部设置的进料电机25驱动，并与燃烧机体的腔体24连通，燃烧机体内部设有与外界贯通的鼓风机26。

请参阅图3所示，当系统的燃料为油燃料时，选用燃油燃烧机，所述燃油燃烧机包括燃烧筒27、风机28、增压泵29和油泵30，所述风机28往燃烧筒27内送入一定风速和风量的空气，油泵30和增压泵29为燃烧机持续提供雾化的燃料，经高压电子点火后，燃料在燃烧筒27里持续燃烧，通过控制风机28转速和油泵30转速来实现对输出功率的控制。

请参阅图4所示，所述混风炉膛2由顶部的卧式炉膛12、卧式炉膛12通过管路连接的混风机10、卧式炉膛12与混风机10的管路上设置的电动风阀11组成。

请参阅图5所示，所述旋风分离器3由进风端口19、离心分离段21、降尘捕捉灰斗22、排风端口20组成，所述进风端口19所在横截面和所述排风端口20所在横截面相互垂直，所述排风端口20竖直向上，所述离心分离段21设置在所述排风端口20下方，所述降尘捕捉灰斗22位于所述离心分离段21底部。

请参阅图6和图7所示，所述外燃发电机组5包括顺序连接的分流炉膛13、分流进气管14、小微外燃发电机15、集气管17和集气箱18，其中所述小微外燃发电机15有若干个，若干个小微外燃发电机15分成若干组进行并联，每组中的每个小微外燃发电机15串联连接。

所述分流炉膛13与所述分流进气管14的连接方式择一选用以下一种：(1)分流炉膛13上设置有一排分流进气管14，每个所述分流进气管14连接单组中的第一个小微外燃发电机15；(2)所述分流炉膛13上设有环绕其一周的若干列分流进气管14，所述进气管路4从所述分流炉膛13顶部中心通入所述分流炉膛13内，每个所述分流进气管14连接单组中的第一个小微外燃发电机15。所述分流炉膛13与所述分流进气管14的第一种连接方式在图1中已示出，所述分流炉膛13与所述分流进气管14的第二种连接方式可参阅图8所示。

利用上述串行式直燃梯级发电系统，可以实现一种串行式直燃梯级发电方法，包括以下步骤：

步骤一：引风机8开启，燃烧机腔体及外部烟道内形成微小负压，开启燃烧机，对燃料进行燃烧；

步骤二：电动风阀11打开后调节混风机10频率，即时调控炉膛热风温度，使炉膛恒温在800℃，高温热风经卧式炉膛12进入旋风分离器3，分离后的烟气通过高温烟管进入到外燃发电机组5中；

步骤三：若干个小微外燃发电机15分成若干组进行并联，每组中的每个小微外燃发电机串联连接，高温烟气经分流进气管14分流至每组小微外燃发电机15，给每组小微外燃发电机15供热，由于各组中的每个小微外燃发电机15串联连接，后置位的小微外燃发电机15吸收前置位的小微外燃发电机15的余热继续发电，高温烟气逐渐降温，经集气管17和集气箱18集流；

步骤五：经集气箱18集流的烟气经排气管路进入烟气净化处理器7中做排烟前的脱硫除尘处理，最后经引风机8牵引到烟囱排出。

所述串行式直燃梯级发电方法，进一步包括：

当燃烧机为生物质燃烧机时，步骤一的具体过程为：引风机8开启，燃烧机的腔体24及外部烟道内形成微小负压，开启燃烧机，进料电机运转，料斗中部分生物质颗粒滑入燃烧炉膛内，开启鼓风机并点火，通过控制进料电机和鼓风机运行频率来调节输出热功率，生物质颗粒在进料料斗底部电机的驱动下，通过控制进料电机25和鼓风机26运行频率来调节输出热功率后流入燃烧机体并持续燃烧10小时；

当燃烧机为燃油燃烧机时，步骤一的具体过程为：开启风机，所述风机28往燃烧筒27内送入一定风速和风量的空气，开启油泵30和增压泵29为燃烧机持续提供雾化的燃料，经高压电子点火后，燃料在燃烧筒27里持续燃烧，通过控制风机28转速和油泵30转速来实现对输出功率的控制。

所述步骤二中的所述旋风分离器3的含尘气流由进风端口20由切线方向进入旋风分离器3内,在旋风分离器3的壳体内壁与排气管外壁之间形成螺旋涡流后,向下做旋转运动,在离心力的作用下,尘粒到达壳体内壁并在下旋气流和重力共同作用下,沿壁面落入降尘捕捉灰斗22,净化后的气体经排风端口19排除；

所述步骤三中的热能震荡外燃发电机，通过吸收外界热源热能，转化为发电机内部分子震荡，传递给直线活塞往复运动切割磁感线发电。

本发明所用的燃料机可以是常规生物质压块或颗粒燃烧机，也可以是天然气、液化石油气、沼气等燃烧机，燃烧机的出火孔直径为热风温度800℃，热风流量300m³/h；燃烧机整体外部保温；旋风分离器3才用不锈钢材质制造，耐高温，依靠离心力来分离烟气中的飞灰。

本发明中的外燃发电机组可以选用6个小微外燃发电机，分成2并联的两组，每组中的3个小微外燃发电机串联，小微外燃发电机是一种外燃温差式斯特林热机，热电效率大于30％，沿烟气的进入方向，每组中串联的3个小微外燃发电机依次为第一级发电机、第二级发电机和第三级发电机，高温烟气经过第一级发电机换热前后温度分别为t1＝800℃和t2＝700℃；经过第二级发电机换热前后温度分别为t2＝700℃和t3＝550℃；经过第三级发电机换热前后温度分别为t3＝550℃和t4＝300℃；高温烟气携带的热能被最大化吸收，对能源形成梯级利用；最后经过除尘后排烟。

系统运行流程为：引风机开启，燃烧机炉膛及外部烟道内形成微小负压，开启燃烧机，点火，燃烧机持续提供高温热风；高温热风经卧式炉膛进入旋风分离器，分离后的烟气通过高温烟管进入到外燃发电机组中；通过分流炉膛进风、集气箱回风，完成发电机的吸热发电；经由发电机吸热后，热风流经烟气节能器，回收烟气中的绝大部分热能，回收的热能进行余热利用，进行或蒸汽或热水输出，提高系统热利用率；经由烟气节能器换热后的烟，进入烟气净化处理器中做排烟前的脱硫除尘处理，最后经引风机牵引到烟囱排出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。