一种逆流换热式燃烧器 【技术领域】
本发明属于燃料的高效清洁利用，特别涉及利用燃料燃烧实现热电直接转换的技术领域。
背景技术
所谓热电转换装置就是把由热电材料构成的热电元件置于冷热环境或气流中，热电元件在冷热环境或气流的温差作用下可以输出电势。热电转换装置的发电效率在很大程度上取决于热电元件冷、热两端的温差。
基于燃烧的热电转换装置可以直接实现热能向电能的转变，而不需要热机，且燃烧效率高，燃烧温度较低，避免普通热机发电系统由于燃料的燃烧温度很高，以及燃烧不完全等因素，造成烟气中有大量的污染气体排放，影响空气质量的不良后果。
在我们原有地《基于燃料燃烧直接实现热电转换的装置》专利(发明专利号：02291536.2；发明专利申请号：021568960)中，采用了一种特殊结构的回旋型燃烧器。该燃烧器通过位于绝热外壳内、把预混可燃气和烟气隔开的墙体实现高温烟气和预混可燃气体之间的热量传递，使预混可燃气在燃烧前被加热。这样不仅可以提高火焰的稳定性，还可以回收高温烟气的热量。但是，在该专利的发电装置中，热电元件也是布置在实现烟气和预混可燃气热量交换的墙体内，因而产生了如下的问题：为了提高热量的回收率，燃烧器内的上述墙体需要使用了导热系数大的材料，但是使用导热系数大的材料就难以获得热电元件发电所需的大温差，严重地影响了发电效率。因此，在该专利所述的发电装置中，很难同时兼顾高效的热量回收和高效的热电转换。如何提高燃料的利用率和热电转换装置的发电效率是发展基于燃料燃烧热电转换装置的关键技术。
【发明内容】
本发明的目的就是为了解决上面提到的热量回收和热电元件发电效率难两全的矛盾。本发明提供了一种逆流换热式燃烧器，它可以与热电元件配套使用，构成一个整体式热电转换装置。逆流换热式燃烧器可有效地实现化学能向热能的转变，并提供热电元件发电所需的较大温差，同时提高燃料的利用率和热电转换装置的发电效率。
一种逆流换热式燃烧器，燃烧器设计成如图1或图2所示的回旋型。它由外壳绝热墙体(3)和两条把预混可燃气和烟气隔开的隔离墙体(5a)和(5b)组成。隔离墙体(5a、5b)把燃烧器分隔成预混可燃气通道(4)和烟气通道(6)，并在燃烧器的中心构成燃烧区(8)。该燃烧器通过燃料燃烧(包括微尺度燃烧)实现化学能向热能的转变。预混可燃气和烟气在隔离墙体(5a、5b)两侧形成逆流形式。
为了同时解决热量的有效回收和提高热电元件发电效率所需的温差问题，本发明提供了以下技术方案，即两条隔离墙体(5a、5b)采用导热系数不同的材料。这样，在导热系数较大的隔离墙体两侧，温度较高的烟气(9)可以把热量传给温度较低的预混可燃气(1)，实现热量的有效回收。同时，由于预混可燃气的温度升高，有利于燃烧区(8)火焰的稳定。该隔离墙体的导热系数越大，热量回收的效率越高，燃烧区(8)的火焰越稳定。在导热系数较小的隔离墙体两侧可以形成较大的温差，把热电元件布置在导热系数小的隔离墙体内，在此大温差作用下，热电元件实现高效的热电转换，向外输出电能；该隔离墙体的导热系数越小，墙体两侧的温差越大，发电效率越高。即通过选择两条不同材料的隔离墙体(5a、5b)，使其实现不同的功能。导热系数较大的隔离墙体完成回收烟气热量的任务，而导热系数较小的隔离墙体完成形成热电元件发电所需的大温差任务，提高热电转换效率。
隔离墙体可以是5a导热系数较大，5b导热系数较小，也可以是5a导热系数较小，5b导热系数较大。
此外，可以在燃烧区(8)附近位置的隔离墙体(5)上涂催化剂，利用表面催化燃烧进一步增强火焰的稳定性，同时降低燃烧温度，实现污染物NOx的低排放。
该燃烧器和热电元件构成了一个整体式发电装置，满足不同的需要，应用范围非常广，如既可用作大型设备的动力源、或分布式发电设备，其小型(微型)化后可用作移动设备、便携设备的电源。
【附图说明】
图1为矩形逆流换热式燃烧器的内部结构示意图，图1(b)是图1(a)的A-A剖视图；
图2为圆形或椭圆形逆流换热式燃烧器的内部结构示意图，图2(b)是图2(a)的B-B剖视图。
【具体实施方式】
下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。
图1为矩形逆流换热式燃烧器的内部结构示意图。图中1是预混可燃气，2是预混可燃气入口，3是外壳绝热墙体，4是预混可燃气通道，5(包括5a和5b)是隔离墙体，6是烟气通道，7是点火器，8是燃烧区，9是烟气，10是烟气排出口，11是点火器引线。
燃烧器由外壳绝热墙体3和两条隔离墙体5a和5b构成。由燃料和氧化剂(通常是空气)组成的预混可燃气1由入口2进入燃烧器，随后经过预混可燃气通道4流向位于燃烧器中心的燃烧区8，着火燃烧，实现燃料化学能向热能的转变，并形成高温烟气。高温烟气离开燃烧区8进入烟气通道6，与预混可燃气成逆流状态。高温烟气沿流动方向不断通过隔离墙体5与预混可燃气1实现热量交换，使预混可燃气在着火燃烧前温度升高，同时烟气温度沿流动方向逐渐降低，随后经过出口10排出燃烧器。这样，室温的预混可燃气不断从燃烧器入口2进入燃烧器，沿途不断通过隔离墙体5吸收来自高温烟气的热量，直至到达燃烧区8着火燃烧，离开燃烧区8的高温烟气沿通道6通过隔离墙体5不断把热量传递给预混可燃气1。经过热量交换后的烟气9通过出口10排出燃烧器。在燃烧器的设计中，两条隔离墙体采用了导热系数不同的材料，每条隔离墙体完成的主要功能不同，导热系数较大的一条隔离墙体主要完成热量回收的任务，而导热系数较小的另一条隔离墙体的主要任务是在其两侧产生热电元件发电所需要的较大的温差。这样，同时兼顾了较高的热量回收效率和提高热电元件发电效率所需要的温差，解决了以前采用由单一材料构成的隔离墙体5时出现的问题。试验证明，使用本发明所提出的燃烧器结构达到了在回收热量的同时、又获得了热电元件发电所需较大温差的预期目的。
系统启动时，预混可燃气1由入口2进入逆流换热式燃烧器后，流向位于燃烧器中心的燃烧区8，然后由固定在燃烧器壁面的点火器7点燃，形成稳定的火焰。点火器由点火引线11引出，与外部电源连接。
此外，还可以在燃烧区8周围的燃烧器壁面上涂催化剂实现表面低温催化燃烧。这样，不仅可以进一步扩展预混可燃气的可燃极限，提高火焰的稳定性，而且可以实现NOx的低排放。
如果使用氢气作为燃料，同时在燃烧区的内壁上涂有催化剂，则燃烧器可实现无点火装置的自燃启动。使用更加方便，而且烟气中只有水，真正实现零排放。
本发明的燃烧器可以根据需要有不同的结构形式。例如，除图1所示的矩形结构形式外，还可以做成圆形和椭圆形的结构，如图2所示。该燃烧器的微型化可用作取代化学电池的微小型热电装置的核心部件，通过微尺度燃烧技术和集成加工技术有利于促进热电装置的微小型化，从而降低产品价格，有利于商业化，使用非常方便。