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1、(10)申请公布号 CN 103335502 A(43)申请公布日 2013.10.02CN103335502A*CN103335502A*(21)申请号 201310250604.7(22)申请日 2013.06.22F26B 21/00(2006.01)F02G 1/055(2006.01)F23L 15/00(2006.01)F28D 15/02(2006.01)(71)申请人中国科学院工程热物理研究所地址 100190 北京市海淀区北四环西路11号A202(72)发明人聂超群 牛强 李明震 周天彭少剑 江海 李荣林 樊哲海朱权清 张莹(54) 发明名称一种应用于稻谷烘干过程的能源综合利。
2、用系统(57) 摘要本发明公开了一种应用于稻谷烘干的能源综合利用系统,包括热源产生单元、高温换热单元、动力单元和烘干供热单元:所述热源产生单元包括燃烧炉、生物质燃料供应装置、预热空气供应管道、排渣装置和烟气排出管道;所述高温换热单元包括加热器、预热器和换热器;所述动力单元包括热端、冷端和动力输出部件；经所述烘干供热单元的烘干空气供应管道进入所述换热器后的空气,通入稻谷烘干机装置。本发明提供了一种应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统，将现有烘干技术在生产过程中损失掉的可用能加以利用，在不影响稻谷烘干的同时发出电力，同时回收碳化稻壳颗粒。同时还提供了一种可高效回收热量的加热器，以适应以稻壳成型颗粒。
3、为燃料的高温烟气。(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书5页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书5页 附图3页(10)申请公布号 CN 103335502 ACN 103335502 A1/2页21.一种应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统，包括热源产生单元、高温换热单元、动力单元和烘干供热单元，其特征在于，所述热源产生单元包括燃烧炉、生物质燃料供应装置、预热空气供应管道、排渣装置和烟气排出管道，所述生物质燃料和预热空气在所述燃烧炉中燃烧产生高温烟气，其中，所述高温烟气经所述烟气排出管道进入所述高温换热单元，而燃烧产生的废渣则通过排渣装。
4、置排出所述燃烧炉外，所述高温换热单元包括加热器、预热器和换热器，所述燃烧炉产生的高温烟气依次经所述加热器、预热器和换热器后作为废气排放，外界空气经所述排渣装置后进入预热器或者不经过所述排渣装置而直接进入预热器与所述预热器中的高温烟气换热后成为预热空气进入所述预热空气供应管道，所述动力单元包括热端、冷端和动力输出部件，其中：所述热端同所述高温换热单元中的加热器为同一部件；所述冷端连接一冷却水散热器，所述冷却水散热器的热侧和所述冷端构成冷却水循环，所述冷却水散热器的冷侧通入室温空气对所述热侧的冷却水进行冷却；所述动力输出部分直接对外输出机械动力或者带动发电机对外输出电能；所述烘干供热单元包括烘干空。
5、气供应管道，未经任何预热的外界空气或者经过所述冷却水散热器预热后的空气,经所述烘干空气供应管道进入所述换热器后,通入稻谷烘干机装置。2.根据权利要求1所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述排渣装置为螺旋排渣装置或活塞排渣装置，其中设置有空气降温部分，该部分可以对外界空气进行加热然后进入所述预热器。3.根据权利要求1所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述外界空气经鼓风机及与鼓风机直接连接的空气供应管路通入所述系统，且所述与鼓风机直接连接的空气供应管路上设置有蝶阀。4.根据权利要求3所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述生物质燃料供应装置和燃烧炉之间的管道上也设置有蝶阀。5.根据权利要求4所。
6、述的能源综合利用系统，其特征在于，所述系统还包括温度控制装置和布置于所述动力单元的加热器中的温度传感器，所述温度控制装置根据所述温度传感器采集到的温度信号来控制各个蝶阀的开度，继而控制相应物料（如生物质燃料或空气）的供应量。如果加热器中的温度超过安全上限，则立即关闭空气供应管路蝶阀，并停止燃料进料。6.根据权利要求1所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述加热器包括外壳和位于外壳中的热管组，所述外壳上设置有使气体切向进入和切向排出的进气口和排气口，且所述进气口靠近所述外壳的顶部布置，所述排气口布置在靠近所述外壳的底部的位置。7.根据权利要求6所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述热管组包括绕。
7、所述加热器外壳的中心线周向均匀布置的多个热管，且各所述热管的顶部皆位于所述进气口的下方，热管组上方的加热器外壳构成高温烟气的混合腔，使高温烟气的温度均匀化，之后以旋流状态与热管发生热交换。8.根据权利要求7所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述混合腔的圆心位置设有竖直向下的稳流锥以稳定旋流，所述加热器的外壳内壁设有旋转向下的导流螺纹之后从权 利 要 求 书CN 103335502 A2/2页3排风口排出。9.根据权利要求8所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述热管组中相邻两根热管在空间上呈交错布置，包括水平方向和垂直方向两个方向中的交错布置方式，以增大所述热管组的有效换热面积，强化其吸热能。
8、力。10.根据权利要求9所述的能源综合利用系统，其特征在于，所述动力单元为外燃机，优选为斯特林机，各所述热管的两端分别与斯特林机的气缸和回热器相连接。权 利 要 求 书CN 103335502 A1/5页4一种应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统技术领域0001 本发明涉及能源利用技术领域，特别是涉及一种在稻谷烘干过程中的能源综合利用技术。背景技术0002 现有烘干技术是通过燃烧燃料获取热量，再以空气流动带走热量对湿稻谷进行烘干。燃烧所得的热量通常温度较高（1000左右），而稻谷烘干所需的气流温度很低（低温烘干3060，高温烘干100150）。高温燃烧热量直接用于烘干造成大量可用能损失，导致能。
9、源的浪费。0003 同时现有技术以稻壳为燃料，现有的燃烧过程既无法将稻壳燃尽，又无法实现较好的碳化，燃烧后的残渣无法有效利用。0004 此外，现有技术的斯特林发动机的加热器部分，不能适应以稻壳为燃料产生的高温烟气，不利于能量的高效可靠吸收。0005 本发明要解决的就是现有烘干技术中的可用能损失问题。同时以稻壳成型颗粒为燃料，能够实现较好的碳化，从而有较高的回收利用价值。此外，为了适应以稻壳成型颗粒为燃料的高温烟气，本发明还旨在提供一种可高效回收热量的斯特林发动机的加热器。发明内容0006 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统，将现有烘干技术在生产过程。
10、中损失掉的可用能加以利用，在不影响稻谷烘干的同时发出电力，同时回收碳化稻壳颗粒。同时本发明还提供了一种可高效回收热量的斯特林发动机的加热器，以适应以稻壳成型颗粒为燃料的高温烟气。0007 本发明所采用的技术方案是：0008 一种应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统，包括热源产生单元、高温换热单元、动力单元和烘干供热单元，其特征在于，0009 所述热源产生单元包括燃烧炉、生物质燃料供应装置、预热空气供应管道、排渣装置和烟气排出管道，所述生物质燃料和预热空气在所述燃烧炉中燃烧产生高温烟气，其中，所述高温烟气经所述烟气排出管道进入所述高温换热单元，而燃烧产生的废渣则通过排渣装置排出所述燃烧炉外，00。
11、10 所述高温换热单元包括加热器、预热器和换热器，所述燃烧炉产生的高温烟气依次经所述加热器、预热器和换热器后作为废气排放，外界空气经所述排渣装置后进入预热器或者不经过所述排渣装置而直接进入预热器与所述预热器中的高温烟气换热后成为预热空气进入所述预热空气供应管道，0011 所述动力单元包括热端、冷端和动力输出部件，其中：所述热端同所述高温换热单元中的加热器为同一部件；所述冷端连接一冷却水散热器，所述冷却水散热器的热侧和所述冷端构成冷却水循环，所述冷却水散热器的冷侧通入室温空气对所述热侧的冷却水进行说 明 书CN 103335502 A2/5页5冷却；所述动力输出部分直接对外输出机械动力或者带动发。
12、电机对外输出电能；0012 所述烘干供热单元包括烘干空气供应管道，未经任何预热的外界空气或者经过所述冷却水散热器预热后的空气,经所述烘干空气供应管道进入所述换热器后,通入稻谷烘干机装置。0013 优选地，所述排渣装置为螺旋排渣装置或活塞排渣装置，其中设置有空气降温部分，该部分可以对外界空气进行加热然后进入所述预热器。0014 优选地，所述外界空气经鼓风机及与鼓风机直接连接的空气供应管路通入所述系统，且所述与鼓风机直接连接的空气供应管路上设置有蝶阀。0015 优选地，所述生物质燃料供应装置和燃烧炉之间的管道上也设置有蝶阀。0016 优选地，所述系统还包括温度控制装置和布置于所述动力单元的加热器中。
13、的温度传感器，所述温度控制装置根据所述温度传感器采集到的温度信号来控制各个蝶阀的开度，继而控制物料（如生物质燃料或空气）的供应量。如果加热器中的温度超过安全上限，则立即关闭空气供应管路蝶阀，并停止燃料进料。0017 优选地，所述加热器包括外壳和位于外壳中的热管组，所述外壳上设置有使气体切向进入和切向排出的进气口和排气口，且所述进气口靠近所述外壳的顶部布置，所述排气口布置在靠近所述外壳的底部的位置。0018 优选地，所述热管组包括绕所述加热器外壳的中心线周向均匀布置的多个热管，且各所述热管的顶部皆位于所述进气口的下方，热管组上方的加热器外壳构成高温烟气的混合腔，使高温烟气的温度均匀化，之后以旋流。
14、状态与热管发生热交换。0019 优选地，所述混合腔的圆心位置设有竖直向下的稳流锥以稳定旋流，所述加热器的外壳内壁设有旋转向下的导流螺纹之后从排风口排出。0020 优选地，所述热管组中相邻两根热管在空间上呈交错布置，包括水平方向和垂直方向两个方向中的交错布置方式，以增大所述热管组的有效换热面积，强化其吸热能力。0021 优选地，所述动力单元为外燃机，优选为斯特林机，各所述热管的两端分别与斯特林机的气缸和回热器相连接。0022 优选地，各所述热管从气缸顶端出来后弯曲一角度后，然后通过一直管段，经过圆弧段过渡后，再通过一直管段折返，进入回热器前再经一钝角弯曲后垂直进入回热器内。0023 优选地，所述。
15、加热器外壳的底部设置有旋流叶片，高温烟气与所述热管组换热后通过旋流叶片经排风口排出。0024 优选地，所述热管组的圆心位置设有圆锥体形的旋流稳定器，防止流场震荡以及噪声的产生。0025 优选地，所述加热器外壳由防火绝热材料制成。0026 优选地，所述生物质燃料为稻壳成型颗粒。0027 本发明的应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统，以稻壳成型颗粒为燃料，将燃烧产生的高温热量先用来发电，发电后排出的低温热量，以及燃烧部分和发电部分回收的热量再用于稻谷烘干。0028 与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、在完成烘干作业的情况下还发出了电力，提高了能源综合利用效率。烘干同样多的稻谷，本发明与现有烘干。
16、技术相比，所需的燃料会有增加，但增加的燃料与发出的电力能量当量值相等，相当于发电效率100%。无论从节说 明 书CN 103335502 A3/5页6能减排还是从经济创收方面都是有着大的益处。2、本发明提供的斯特林发动机的加热器，可高效回收热量，非常适应以稻壳成型颗粒为燃料的高温烟气。附图说明0029 图1为本发明的应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统的示意图；0030 图2为本发明的加热器的结构示意图；0031 图3为图2的俯视图；0032 图4为加热器中热管组的俯视图；0033 图5为加热器中热管布置示意图；0034 图6为本发明中另一种加热器的结构示意图；0035 图7为本发明的另一实施。
17、例的示意图。具体实施方式0036 下面结合附图对本发明进一步说明。0037 本发明就是通过将燃烧炉产生的高温热量先用来发电，再用发电后的低温热量用来烘干，同时回收整个系统散失的热量也用来烘干。通过此技术，在实现能源数量上的高效利用的同时，还实现了能源在质量上的高效利用，即再完成烘干任务的同时还发出了高品位能量-电力。0038 如图1、7所示，本发明的应用于稻谷烘干过程的能源综合利用系统，包括热源产生单元、高温换热单元、动力单元和烘干供热单元，所述热源产生单元包括燃烧炉1、生物质燃料供应装置2、预热空气供应管道3、排渣装置4和烟气排出管道5，所述生物质燃料和预热空气在所述燃烧炉1中燃烧产生高温烟。
18、气，其中，所述高温烟气经所述烟气排出管道5进入所述高温换热单元，而燃烧产生的废渣则通过排渣装置4排出所述燃烧炉1外。其中加热器连接着斯特林发动机，并将吸收的热量传递给后者用于做功。其中燃烧炉中的燃烧为正压燃烧，压力由鼓风机来提供（与燃烧炉相连接的进料和排渣装置都要营造正压环境），使得燃烧炉排除的高温烟气能够克服斯特林机加热器、预热器以及换热器中的压力损失。最后的废弃排放部分视流量以及温度的情况可以设置引风机以协助此系统的气流运行。排渣部分，由于本系统主要是以稻壳成型颗粒为燃料，而稻壳燃烧后会留下大量碳化残余，这部分残余还含有高温的余热，因此由鼓风机鼓入的空气首先进入排渣装置带走碳化残余中的热量。
19、再进入预热器进行再次加热，供燃烧使用。0039 所述高温换热单元包括加热器6、预热器7和换热器8，所述燃烧炉1产生的高温烟气依次经所述加热器6、预热器7和换热器8后作为废气排放，外界空气经所述排渣装置4后进入预热器7或者不经过所述排渣装置4而直接进入预热器7与所述预热器7中的高温烟气换热后成为预热空气进入所述预热空气供应管道3。0040 所述动力单元包括热端、冷端和动力输出部件，其中：所述热端同所述高温换热单元中的加热器6为同一部件；所述冷端连接一冷却水散热器9，所述冷却水散热器9的热侧和所述冷端构成冷却水循环，所述冷却水散热器9的冷侧通入室温空气对所述热侧的冷却水进行冷却；所述动力输出部件直。
20、接对外输出机械动力或者带动发电机对外输出电能。优选地，所述动力单元为外燃机，优选为斯特林机，各所述热管的两端分别与斯特林机的气缸说 明 书CN 103335502 A4/5页7和回热器相连接。0041 所述烘干供热单元包括烘干空气供应管道10，未经任何预热的外界空气或者经过所述冷却水散热器9预热后的空气,经所述烘干空气供应管道10进入所述换热器8后,通入稻谷烘干机装置。0042 优选地，所述排渣装置4为螺旋排渣装置或活塞排渣装置，其中设置有空气降温部分，该部分可以对外界空气进行加热然后进入所述预热器7。0043 优选地，所述外界空气经鼓风机13及与鼓风机13直接连接的空气供应管路通入所述系统，。
21、且所述与鼓风机13直接连接的空气供应管路上设置有蝶阀12。优选地，所述生物质燃料供应装置2和燃烧炉1之间的管道上也设置有蝶阀12。优选地，所述系统还包括温度控制装置11和布置于所述动力单元的加热器6中的温度传感器，所述温度控制装置11根据所述温度传感器采集到的温度信号来控制各个蝶阀12的开度，继而控制物料（如生物质燃料或空气）的供应量。如果加热器中的温度超过安全上限，则立即关闭空气供应管路蝶阀12，并停止燃料进料。0044 如图2、3、4所示，优选地，所述加热器6包括外壳61和位于外壳中的热管组62，所述外壳上61设置有使气体切向进入和切向排出的进气口63和排气口64，且所述进气口63靠近所述。
22、外壳61的顶部布置，所述排气口64布置在靠近所述外壳61的底部的位置。0045 优选地，所述热管组62包括绕所述加热器外壳61的中心线周向均匀布置的多个热管，且各所述热管的顶部皆位于所述进气口的下方，热管组62上方的加热器外壳构成高温烟气的混合腔，使高温烟气的温度均匀化，之后以旋流状态与热管发生热交换。优选地，所述混合腔的圆心位置设有竖直向下的稳流锥65以稳定旋流，所述加热器6的外壳61内壁设有旋转向下的导流螺纹之后从排风口64排出。图2是加热器的侧视图，燃烧炉产生的热空气从左上端进入加热器，经过切向旋流（见图3）并与热管换热，之后从右下端出口排出。温度控制器起温度检测和过热保护作用，一旦斯特。
23、林机加热器中的温度过高（比如斯特林机工作异常或者突然停机），温度控制器便关闭两个蝶阀，停止鼓风和进料，从而停止燃烧炉对加热器的热量供应。0046 加热器在使用时热管朝正上方，即进气口在上，出气口在下。整体上呈周向对称形式排布，每相邻的两根为一组，每组的两根互相错开（以增大旋流烟气与热管的换热面积），各组之间呈周向对称关系。每根之间的周向距离相等。高温烟气经过切向进气入口，先经过热管上方的混合腔，使高温烟气的温度均匀化，之后以旋流状态与热管发生热交换。其中混合强的圆心位置设有竖直向下的稳流轴以稳定旋流，加热器的圆周形外壳的内壁设有旋转向下的导流螺纹，以促进高温烟气在加热器中旋流运动的同时向下运动。
24、。之后从排风口排出。0047 如图2、4、5所示，优选地，所述热管组62中相邻两根热管在空间上呈交错布置，包括水平方向和垂直方向两个方向中的交错布置方式，以增大所述热管组的有效换热面积，强化其吸热能力。0048 如图5所示，优选地，各所述热管从气缸顶端出来后弯曲一角度后，然后通过一直管段，经过圆弧段过渡后，再通过一直管段折返，进入回热器前再经一钝角弯曲后垂直进入回热器内。例如，热管从气缸顶端出来后弯曲135度，然后通过一直管段，经过圆弧段过渡后，再通过一直管段折返，进入回热器前再经150度角弯曲后垂直进入回热器内。热管总长说 明 书CN 103335502 A5/5页8为350mm，管内工质为。
25、高压氦气。0049 如图6所示，优选地，所述加热器外壳61的底部设置有旋流叶片，高温烟气与所述热管组62换热后通过旋流叶片经排风口排出。优选地，所述热管组62的圆心位置设有圆锥体形的旋流稳定器66，防止流场震荡以及噪声的产生。优选地，所述加热器外壳61由防火绝热材料制成。0050 优选地，所述生物质燃料为稻壳成型颗粒。0051 如图7，常温空气通过鼓风机进入冷却水散热器9进行初步预热。之后的空气分成两股，一股通过换热器8变为6080，一股进入预热器7进行二次预热，出来后变为300400的热空气进入燃烧炉1作为氧化剂与生物质燃料颗粒进行燃烧。0052 燃烧过程会产生的9001100的高温烟气，同。
26、时炉体的散热会造成一部分能量散失（这部分能量可以通过热水加以回收利用）。燃烧产生的高温烟气首先先进入加热器对斯特林机热头进行加热，并做功、发电（斯特林机的冷却水在散热器中通过初步预热空气进行散热）。之后高温烟气分别进入预热器和换热器，对二次预热空气和烘干用气进行加热。最后烟气温度降为80120，并通过烟囱排出。0053 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。说 明 书CN 103335502 A1/3页9图1图2图3说 明 书 附 图CN 103335502 A2/3页10图4图5图6说 明 书 附 图CN 103335502 A10。