极低热值燃气多孔介质内燃烧温差发电装置.pdf

本发明是涉及极低热值燃气多孔介质内燃烧温差发电装置，由低热值乃至极低热值预混合气体排气出口、鼓风机、混合气体进气管道下支路、温差发电器、温差发电器换热器、温差发电器换热器、多孔陶瓷块、废气处理燃烧器、直流-直流转换器、正、反气流通路、燃烧室、电磁阀、控制系统、温差发电单元、温差发电单元冷热端、电加热点火器等组成，将U型PN半导体FeSi2温差发电单元嵌入在多孔陶瓷块内，温差发电单元的热电偶冷端置于燃烧室的进出口端与换热器壁面接触，热端与燃烧区域多孔介质端面接触，可以产生高效温差热电效应，转换效率也远远高于常规的温度差发电器。

1、  极低热值燃气多孔介质内燃烧温差发电装置，其特征在于，由低热值乃至极低热值预混合气体排气出口(1)、鼓风机(2)、温差发电装置进气管道(3)、混合气体进气管道下支路(4)、空气进气管道(5)、空气进气管道右支路(6)、温差发电器(7)、温差发电器进气口(8)、温差发电器换热器(9)、热水用户(10)、混合气体进气管道上支路(11)、空气进气管道左支路(12)、废气处理燃烧器(13)、废气处理燃烧器进口(14)、高热值燃气进气口(15)、温差发电器电极导线(16)、直流-直流转换器(17)、直流-直流转换器输出导线(18)、温差发电器进气管路(19)、正、反气流通路(20)、燃烧室(21)、温差发电器排气管路(22)、电磁阀(23)、控制系统(24)、燃烧器外壳(25)、小于淬熄直径的多孔介质(26)、温差发电单元(27)、温差发电单元热端(28)、温差发电单元冷端(29)、多孔陶瓷块(30)、泡沫多孔介质块(31)、燃烧室点火空间(32)、温差发电器电极导线(33)、电加热点火器(34)和点火器导线(35)组成，低热值乃至极低热值预混合气体排气出口(1)与鼓风机(2)进口相连，鼓风机(2)出口与温差发电装置进气管道(3)相连，混合气体进气管道下支路(4)与空气进气管道(5)右支路(6)汇合后与温差发电器(7)的温差发电器进气口(8)相连，温差发电器换热器(9)管程进出口与热水用户(10)相连。混合气体进气管道上支路(11)与空气进气管道左支路(12)汇合后与废气处理燃烧器(13)的废气处理燃烧器进口(14)相连，废气处理燃烧器(13)、高热值燃气进气口(15)与城市煤气管道相连，温差发电器(7)的排气管道和废气处理燃烧器(13)的排气管道汇合后与大气环境相连，废气处理燃烧器(13)换热器的进出口与热水用户(10)相连接，温差发电器电极导线(16)与直流-直流转换器(17)相连，直流-直流转换器输出导线(18)与日用电器相连；温差发电器进气管路(19)与正、反向气流通路(20)连接，正、反向气流通路(20)与温差发电器(7)上的左右对称两个温差发电器换热器(9)壳程进出口连接，温差发电器换热器(9)壳程进出口与燃烧室(21)连接，正、反气流通路(20)与温差发电器排气管路(22)连接，两对同步电磁阀(23)与控制系统(24)连接；燃烧器外壳(25)和燃烧室(21)之间置满绝缘耐火材料，两块小于淬熄直径的多孔介质(26)对称布置在燃烧室(21)进出口端，U型半导体FeSi₂温差发电单元(27)的P电偶和N电偶在温差发电单元热端(28)熔结在一起，温差发电单元(27)嵌入在多孔陶瓷块(30)内，多孔陶瓷块(30)与泡沫多孔介质块(31)相连接，泡沫多孔介质块(31)对称布置在燃烧室点火空间(32)的左右两侧，嵌入在多孔陶瓷块(30)内的U型PN半导体FeSi₂温差发电单元热电偶的冷端(29)置于燃烧室的进出口端与温差发电器换热器(9)壁面接触，温差发电单元热电偶(27)的热端与燃烧区域泡沫多孔介质(31)端面接触，每块多孔陶瓷块内温差发电单元(27)电极串联在一起，通过导线与温差发电器电极导线(33)连接，电极导线(33)与直流-直流转换器(17)相连，燃烧室点火空间(32)内布置电加热点火器(34)，点火器导线(35)与控制系统(24)相连接。

极低热值燃气多孔介质内燃烧温差发电装置
所属技术领域
本专利属于利用低热值燃气或有机废气在多孔介质内燃烧释放的热量进行高效温差热电转换的领域，涉及极低热值燃气多孔介质内燃烧温差发电装置。
背景技术
温差发电具有结构简单，无运动部件，无环境污染等优点，可以广范地应用于野外作业、偏僻地域的发电。目前，温差发电存在的问题是能量转换效率较低，为提高温差发电器的发电效率，各国科技人员研究工作多集中在寻求一个高优值(ZT)的材料上，但近20年无论是在理论上还是在实验上都没有突破。
研究表明，如果将空气和燃气混合气体以一定的时间间隔分别从多孔介质两端引入，在多孔介质内实现周期往复流动燃烧，新鲜气体总是不停地流过上个半周期的火焰的下游区域，吸收由多孔介质储存的上个半周期的尾气余热被预热，这样，燃烧放热的能量损失达到最小化，大大地强化了燃烧，使得低热值乃至极低热值燃气在其中能自维持燃烧。另外，由于气流往复流动作用，在燃烧器多孔介质内轴向形成中间温度高两边温度接近室温的梯形温度场，如果在燃烧器靠近中间高温区放置PN热电偶热端；在靠近进出口位置放置PN热电偶冷端，可以产生高效温差热电效应，进而实现发电，热电转换效率远远高于常规的温度差发电器。这样，利用含低热值燃气在往复流动下多孔介质内燃烧温差发电装置中不仅可实现自维持燃烧，还可以利用这些低品味能源进行热电转换。
世界范围内煤矿每年排放的矿井通风瓦斯中含有甲烷气体为29～41×10⁹m³，由于混合气体热值低，只有2.3×10⁹m³的甲烷被当作燃料利用，其余的都直接排放到大气中。这一方面造成了严重能源浪费；另一方面甲烷作为温室气体，加剧了大气环境污染。目前，国内尚无形成可对浓度低于6％的超低浓度瓦斯气进行燃烧与热利用的技术。另外，工业有机废气、垃圾填埋气和生物质可燃气体，在通常情况下，这些气体需要额外能源去处理，如果排放到大气当中，也会造成环境污染。因此，合理利用含低热值矿井通风瓦斯和工业生产废气具有节能和环保双重意义。所以，本发明具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的就是提供一种回收利用极低热值燃气实现高效温差热电转换的装置。
本发明的技术解决方案是：极低热值燃气多孔介质内燃烧温差发电装置，由低热值乃至极低热值预混合气体排气出口、鼓风机、温差发电装置进气管道、混合气体进气管道下支路、空气进气管道、空气进气管道右支路、温差发电器、温差发电器进气口、温差发电器换热器、热水用户、混合气体进气管道上支路、空气进气管道左支路、废气处理燃烧器、废气处理燃烧器进口、高热值燃气进气口、温差发电器电极导线、直流-直流转换器、直流-直流转换器输出导线、温差发电器进气管路、正、反气流通路、燃烧室、温差发电器排气管路、电磁阀、控制系统、燃烧器外壳、小于淬熄直径的多孔介质、温差发电单元、温差发电单元热端、温差发电单元冷端、多孔陶瓷块、泡沫多孔介质块、燃烧室点火空间、温差发电器电极导线、电加热点火器和点火器导线组成，低热值乃至极低热值预混合气体排气出口与鼓风机进口相连，鼓风机出口与温差发电装置进气管道相连，混合气体进气管道下支路与空气进气管道右支路汇合后与往复流动温差发电器进气口相连，往复流动温差发电器换热器管程进出口与热水用户相连。混合气体进气管道上支路与空气进气管道左支路汇合后与废气处理燃烧器进口相连，废气处理燃烧器高热值燃气进口与城市煤气管道相连。温差发电器排气管道和废气处理燃烧器排气管道汇合后与大气环境相连。废气处理燃烧器换热器进出口与热水用户相连。温差发电器的电极导线与直流-直流转换器相连，直流-直流转换器输出导线与用电器相连。温差发电器由换热器、燃烧器、电磁阀和控制周期换向进排气管路系统组成。他们的依次连接是进气管路和正、反向气流通路连接，正、反向气流通路与温差发电器左右对称两个换热器壳程进口连接，两个换热器壳程出口与燃烧室连接，正、反气流通路与排气管路连接，两对同步电磁阀与控制系统连接。燃烧器外壳和燃烧室之间充满了绝缘耐火材料。燃烧室由小孔径多孔介质、多孔陶瓷块、泡沫多孔介质和电加热点火器组成。两块小于淬熄直径的多孔介质对称布置在燃烧室进出口端，U型PN半导体FeSi₂温差发电单元嵌入在多孔陶瓷块内，两块多孔陶瓷块对称布置在燃烧室两侧，多孔陶瓷块与泡沫多孔介质块相连接，两块泡沫多孔介质块对称布置在燃烧室点火空间的左右两侧。嵌入在多孔陶瓷块内的U型PN半导体FeSi₂温差发电单元热电偶的冷端与换热器壁面接触，热端与燃烧区域多孔介质端面接触。嵌入在多孔陶瓷块内PN热电偶对电极串联，然后电极导线与直流-直流转换器相连。点火空间内布置电加热点火器，点火器导线与控制系统相连。
矿井的通风瓦斯、石化加工过程中产生的含有热值的“废气”、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，由鼓风机引入温差发电装置进气管路，与引入的空气混合成给定范围内当量比的预混合气体，然后通入往复流动下多孔介质温差发电器中，电加热器通电预热泡沫多孔介质块并点火，控制系统控制两对电磁阀同步开关控制气流周期换向，气体在温差发电器燃烧室内周期往复流动、吸热和放热，从而，在燃烧器内实现极低热值气体自维持燃烧。由于燃烧过程中燃烧室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，使得嵌入在多孔陶瓷块内的U型PN半导体FeSi₂温差发电单元热电偶的冷端、热端产生大温差，所以可以进行高效热电转换，发电经直流-直流转换器电压与电流转换后，供用电器使用，燃烧产生的余热用于加热换热器中的热水，供用户使用。如果气源燃气热值过低，将引入废气处理燃烧器中与城市燃气混合后燃烧处理，产生热量通过换热器供用户使用。整个装置燃烧排放热气通过换热器循环冷却，排放烟气温度降为接近室温。
本发明所达到的有益效果和益处是：矿井的通风瓦斯、石化加工过程中产生的含有热值的“废气”、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可在其中自维持燃烧，即可以防止了他们对环境的污染，也对这些气体加以了利用。燃烧稳定，内部的温度分布特点有利于降低CO和NO_x等污染物的排放。对于家用石油液化气燃料，燃烧排放中CO只有25ppm，NO_x低于10ppm。空气和燃气混合气体，在多孔介质内实现周期往复流动燃烧，燃烧过程中，气体在燃烧室内周期往复地吸热和放热，形成燃烧室内轴向中间温度高、两边温度接近室温的梯形温度场。燃烧室中应用嵌有PN热电转换单元的冷端、热端之间产生大温差，进行高效热电转换，温差热电转换效率明显高于常规温差发电器。
附图说明：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明装置的结构示意图
图2是本发明温差发电器装配图
图3是本发明嵌入温差发电单元多孔陶瓷块结构图
图中，1.低热值乃至极低热值预混合气体排气出口，2.鼓风机，3.温差发电装置进气管道，4.混合气体进气管道下支路，5.空气进气管道，6.空气进气管道右支路，7.温差发电器，8.温差发电器进气口，9.温差发电器换热器，10.热水用户，11.混合气体进气管道上支路，12.空气进气管道左支路，13.废气处理燃烧器，14.废气处理燃烧器进口，15.高热值燃气进气口，16.温差发电器的电极导线，17.直流-直流转换器，18.直流-直流转换器输出导线，19.温差发电器进气管路，20.正、反气流通路，21.燃烧室，22.温差发电器排气管路，23.电磁阀，24.控制系统，25.燃烧器外壳，26.小于淬熄直径的多孔介质，27.温差发电单元，28.温差发电单元热端，29.温差发电单元冷端，30.多孔陶瓷块，31.泡沫多孔介质块，32.燃烧室点火空间，33.温差发电器电极导线，34.电加热点火器，35.点火器导线。
具体实施方式
本发明由低热值乃至极低热值预混合气体排气出口1、鼓风机2、温差发电装置进气管道3、混合气体进气管道下支路4、空气进气管道5、空气进气管道右支路6、温差发电器7、温差发电器进气口8、温差发电器换热器9、热水用户10、混合气体进气管道上支路11、空气进气管道左支路12、废气处理燃烧器13、废气处理燃烧器进口14、高热值燃气进气口15、温差发电器电极导线16、直流-直流转换器17、直流-直流转换器输出导线18、温差发电器进气管路19、正、反气流通路20、燃烧室21、温差发电器排气管路22、电磁阀23、控制系统24、燃烧器外壳25、小于淬熄直径的多孔介质26、温差发电单元27、温差发电单元热端28、温差发电单元冷端29、多孔陶瓷块30、泡沫多孔介质块31、燃烧室点火空间32、温差发电器电极导线33、电加热点火器34、点火器导线35组成，低热值乃至极低热值预混合气体排气出口1与鼓风机2进口相连，鼓风机2出口与温差发电装置进气管道3相连，混合气体进气管道下支路4与空气进气管道5右支路6汇合后与温差发电器7的温差发电器进气口8相连，温差发电器换热器9管程进出口与热水用户10相连。混合气体进气管道上支路11与空气进气管道左支路12汇合后与废气处理燃烧器13的废气处理燃烧器进口14相连，废气处理燃烧器13、高热值燃气进气口15与城市煤气管道相连。温差发电器7的排气管道和废气处理燃烧器13的排气管道汇合后与大气环境相连，废气处理燃烧器13换热器的进出口与热水用户10相连接，温差发电器电极导线16与直流-直流转换器17相连，直流-直流转换器输出导线18与用电器相连；温差发电器进气管路19与正、反向气流通路20连接，正、反向气流通路20与温差发电器7上的左右对称两个温差发电器换热器9壳程进出口连接，温差发电器换热器9壳程进出口与燃烧室21连接，正、反气流通路20与温差发电器排气管路22连接，两对同步电磁阀23与控制系统24连接；燃烧器外壳25和燃烧室21之间置有绝缘耐火材料，两块小于淬熄直径的多孔介质26对称布置在燃烧室21进出口端，U型半导体FeSi₂温差发电单元27的P电偶和N电偶在温差发电单元热端28熔结在一起，温差发电单元27嵌入在多孔陶瓷块30内，多孔陶瓷块30与泡沫多孔介质块31相连接，两块燃烧区域泡沫多孔介质块31对称布置在燃烧室点火空间32的左右两侧，嵌入在多孔陶瓷块30内的U型PN半导体FeSi₂温差发电单元热电偶的冷端29置于燃烧室的进出口端与温差发电器换热器9壁面接触，温差发电单元热电偶27的热端与燃烧区域泡沫多孔介质31端面接触，每块多孔陶瓷块内温差发电单元27电极串联在一起，通过导线与温差发电器电极导线33连接，电极导线33与直流-直流转换器17相连，燃烧室点火空间32内布置电加热点火器34，点火器导线35与控制系统24相连接。例如：汽车制造厂中涂装车间喷漆过程中喷底漆和喷漆都要进行三遍，在每个喷漆线，每小时喷漆最大车辆数是50辆。在每个喷漆线上，每辆汽车需要2.5公斤的漆，其中40％挥发到环境中，变成含有极低热值有害气体，通常采用了脱臭炉将有机废气高温燃烧降解后由30m高的烟囱外排。如果采用3kW多孔介质内燃烧温差热电转换装置替代脱臭炉，不仅可以节省脱臭炉热力燃烧消耗的燃气，而且将这部分低热值燃气利用起来。使废气中的有机污染物燃烧得更完全，大大减少有机污染物对环境的影响。