一种高温发电的余热再利用系统的制作方法

1.本发明属于高温发电的技术领域，具体涉及一种高温发电的余热再利用系统。


背景技术：

2.高温发电系统，通常有燃料气轮机系统、燃煤蒸汽轮机系统、蒸汽和燃气轮机混合发电系统及高温燃料电池系统等。我们针对的高温发电系统是指需要连续给发电器供应气态或液态燃料，且不断排出高温尾气或尾液的高温发电系统等。以下以高温燃料电池为例重点阐述。
3.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是十分有发展前途的发电技术。
4.燃料电池的优点除了发电效率很高(欧洲elcogen公司曾报道其产品发电效率达到74％；日本大阪燃料气公司ene farm type s产品稳定发电效率55％)外，其热电联供综合用能效率也很高(87％以上)。而以固体氧化物燃料电池发电系统为例，电堆运行温度高达650℃以上，一般运行在700
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800℃之间。如此高的运行温度，反应完的系统尾气通常温度也较高，常见的技术路线为将尾气通过换热给二次侧的冷却水，一则实现尾气的冷却，防止高温热蒸汽直接扩散到大气中造成热污染；二则达到将冷水加热为热水的目的，从而为用户提供热水及冬季供暖等。
5.当今，随着各国氢能战略的规划出台，日、欧、美等国使用基于燃料电池的车用、户用热电联产、工商业分布式热电联产等呈现蓬勃发展趋势。近十年先进的燃料电池技术如pafc(磷酸盐燃料电池)、 pem(质子交换膜燃料电池)及sofc(固体氧化物燃料电池)的利用都逐渐达到新高峰。燃料电池尤其是固体氧化物燃料电池的正常运行温度较高，适合热电联供领域。在发电功率固定时，热能的释放基本也是固定的，而用户侧对热能的需求并非固定。比如在需要热水、热蒸汽、供暖等领域。常随着不同季节不同时间点的差异，用户侧需求也呈现较大差异。主要系于用户侧热水需求量与燃料电池供热量的不匹配，比如经初算，对于900w的户用型燃料电池热电系统，其供热量往往会大于用户侧需求量，造成尤其是夏季的热供应过剩，使得实际综合利用效率不达预期，从而造成一定的热能浪费。如何使余热较多的高温发电系统的余热得以充分利用就显得尤为重要。
6.因此，基于可持续发展，减少二氧化碳对外排放的需求，怎么合理利用高温发电系统产生的大量的余热能源，成为了研究的重点。


技术实现要素：

7.为了实现以上目的，本发明提供了一种高温发电的余热再利用系统，通过燃料电
池发电系统的余热多用途利用方式，巧妙地解决了余热利用不足或者热利用与用能不匹配的问题。可供发电系统进行余热的回收利用，本系统应用于高温发电的余热回收利用具有重要的意义，可广泛应用于户用、工商用、农业用系统多方向多渠道进行供能。
8.本发明采用以下技术方案：一种高温发电的余热再利用系统，包括发电器、热交换器a、空气输入管道、燃料输入管道，高温尾气输出管道，所述
9.空气输入管道、燃料输入管道分别与热交换器a连接，热交换器a 与发电器连接，所述空气输入管道、燃料输入管道输送的空气、燃料经热交换器后输入发电器进行发电；
10.所述高温尾气输出管道两端分别与发电器、热交换器a连接，所述热交换器a的输出端与低温尾气碳收集回收管道连接；所述发电器发电后产生的尾气通过高温尾气输出管道与热交换器a连接，热交换器a换热后输出的尾气经过低温尾气碳收集回收管道输出供用户使用。
11.本系统利用发电器(或者发电装置)的高温尾气对进入发电器或者发电系统的常温燃料和常温氧气(或正常含氧气的常温空气)进行预热。
12.进一步的，所述空气输入管道、燃料输入管道还与所述发电器的输入端直接连接。
13.进一步的，还包括重整器，所述热交换器a的输出端、重整器、发电器的输入端三者通过燃料输入管道连接。
14.进一步的，连接发电器、热交换器a之间的高温尾气输出管道上设有智能调节阀，所述智能调节阀还与所述热交换器b连接，热交换器b换热后输出的尾气经低温尾气碳收集回收管道输出供用户使用。
15.更进一步的，所述热交换器b的输入端还与冷水管道连通，经热交换器b换热后通过热水管道输出热水供用户使用。
16.更进一步的，所述冷水管道上设有测温仪、流量计。
17.更进一步的，所述热水管道上设有流量计或测温仪。
18.更进一步的，所述热水管道输出的热水存储在水箱；和/或，所述热水管道输出的热水与再热器连接，经再热器加热输出供暖。
19.进一步的，所述空气输入管道或燃料输入管道上设有流量计和/或测温仪。
20.进一步的，与热交换器a连接的所述空气输入管道与气泵连接。
21.进一步的，所述热交换器a采用同心设计的环形多层结构，所述发电器发电后产生的尾气位于中间层，所述空气输入管道、燃料输入管道输入的常温空气、常温燃料位于靠近中间层的相邻层。
22.采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：本系统核心为集发电、高温蒸汽、碳收集利用于一体，通过本系统的余热多用途回收利用方式，巧妙地解决了传统余热利用不足或者热利用与用能不匹配，可广泛用于发电系统使用，可推广复制性强；过合理的设计，使得高温发电系统的尾气可实现多级分梯次的利用，且在掌握和设施好各系统设备的设计运行范围、需求范围的前提下，进行智能的控制，实现系统用能的效率最大化。
附图说明
23.图1是本发明一种高温发电的余热再利用系统的流程示意图。
具体实施方式
24.结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述，使得本技术方案更加清楚、明白。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.本实施例涉及一种高温发电的余热再利用系统，如图1所示，主要包括发电器(发电设备)、热交换器a、热交换器b、再热器、空气输入管道、燃料输入管道、高温尾气输出管道、低温尾气碳收集回收管道(含碳)及外围控制设备(如计算机等智能控制设备或通过网络组成的单个或多个智能控制设备)等，构建成一套完整的发电、高温蒸汽余热利用、碳收集回收的系统，具有运行模式灵活、运行场景广泛等优点。
26.所述空气输入管道、燃料输入管道分别与热交换器a连接，热交换器a再与发电器连接。或者，所述空气输入管道、燃料输入管道与所述发电器的输入端直接连接。所述空气输入管道、燃料输入管道输送的空气、燃料经热交换器后输入发电器进行发电。
27.所述高温尾气输出管道两端分别与发电器、热交换器a连接，所述热交换器a的输出端与低温尾气碳收集回收管道连接；所述发电器发电后产生的尾气通过高温尾气输出管道与热交换器a连接，热交换器a换热后输出的尾气经过低温尾气碳收集回收管道输出供用户使用，如用作温室气肥、烘干、烹饪等。
28.所述热交换器a的输出端、重整器、发电器的输入端三者通过燃料输入管道连接。连接发电器、热交换器a之间的高温尾气输出管道上设有智能调节阀，所述智能调节阀还与所述热交换器b连接，热交换器b换热后输出的尾气经低温尾气碳收集回收管道输出供用户使用。所述热交换器b的输入端还与冷水管道连通，经热交换器b换热后通过热水管道输出热水供用户使用。可以用于供热水存储在水箱，或者作为热能用于居民供暖。
29.本系统的主要余热利用方式：利用发电器产生的尾气对燃料气、氧化气(如纯氧，或包含氧气的空气等)进行预加热。具体如下。
30.1.由于发电器需要高温运行(600
‑
800℃)，即便用很好的保温材料，也存在一定的热耗散，而且进入发电器的空气和燃料气通常为常温，在进入发电器后也会吸收热量从而降低发电器温度。发电器反应产生的热量通常不足以维持运行温度，所以发电器需要间歇性用燃料气燃烧发热来加热，从而确保其高温运行环境。为了提升整体热利用效率，可以通过将尾气预加热进入发电系统的燃料气以及氧化气(空气)等，使燃料气和氧化气在进入发电器之前得到预热。减少常温的燃料气和氧化气进入发电器后对发电器温度的降低，从而提升系统总体的能量利用率；
31.2.高温发电器的尾气通常为高温热源，这部分的尾气一般会通过换热的形式供给外界热量，比如通入冷水(如自来水等)，通过热交换器与高温尾气进行换热，从而从冷水变成热水供家庭使用。如果热水量已充分满足用户需求，无需继续加热冷水时，在尾气调节阀门的控制下可针对该部分尾气进行智能调节。直接做法是将尾气大流量通往另一路通道，进入发电系统的气路供应侧，与常温空气及燃料气进行热交换，实现这部分燃料气和空气的预加热。
32.通过上述巧妙的设计，使原来发电器系统高温尾气的热能得到充分的利用。而且
使得用户在使用热电联供功能时，可智能调节其用途。满足基本供热量需求的同时，增加了余热利用方式，提升了整体用能效率。
33.本系统的余热利用的其他多用途方式：高温余热的尾气输出后不直接排放大气，与高温蒸汽锅进行耦合，提供烹饪功能；提供烘干：衣物烘干/食物烘干/药物烘干/化学物质烘干等功能；为温室大棚供热、供二氧化碳等；为高温碳收集系统提供热源等。
34.本系统中的发电器，可以采用各类高温燃料电池发电器(如高温固体氧化物燃料电池发电系统等)。其一般需要燃料(气态或液态燃料)输入，氧化器(如氧气或燃料输入)，输出包括电、高温尾气等。
35.热交换器a，采用具备三侧换热功能的热交换器，主要功能为将发电器产生的高温热尾气或者尾液，通过换热将中间侧尾气的热量通过环状热交换器换给内外两侧的冷源。这里的冷源包括环状热交换器内侧流动的常温燃料气和外环的常温氧化气(一般为空气或者氧气等)。这里主要是用于高温尾气热量供给燃料气与氧气，实现燃料气和空气进入发电装置前的预加热。
36.本实施例提供了一种优选结构的热交换器a，采用同心设计的环形多层结构由于主要是利用尾气针对燃料、空气进行三侧换热，因此设计为三层，中间层作为尾气通道，空气和燃料位于最外层、最内层，利用中间层的热量对内、外两层进行加热。
37.热交换器b，采用现有的常规的成熟热交换器即可，主要功能为将发电设备产生的高温热尾气或者尾液，通过换热将一次侧尾气的热量换给热交换器二次侧的冷源。这里指将高温尾气热量供给外部输入的冷水，实现冷水的加热，提供用户侧热水、取暖等功能。
38.本系统由于采用了两个热交换器，热交换器a和b可以互相备用，在一台热交换器故障时，可以经由另一台热交换器提供完全冷却功能。比如热交换器b失效时，热交换器a投入使用，能通过加大空气流量实现对尾气的冷却(主要为空冷)，当然也需要配合对下游高温尾气的需求进行合适调整。热交换器b失效时用户将无法获得热水。
39.再热器，为小型燃烧器，在冬季需要供暖但热水量不足情况下，从燃料输入口输入燃料气进行点火燃烧。内置点火针等。再热器需要配置燃料气和空气输入管道对热水进一步加热。
40.空气输入管道，一般会配置空气泵入泵；并配置智能控制装置(如通过计算机或网络等方式)以控制进气量。
41.燃料输入管道，可输入各类不含碳燃料如氢气以及含碳气燃料、液态燃料等，如果为碳气态燃料以及液态燃料，可以加装重整器作为重整后进入发电设备。
42.重整器，安装于热交换器a和发电器中间，指燃料需要预加热后再进入重整器最后进入发电器(装置)。在燃料电池发电机中，电池堆所需的氢通常产生自重整器。
43.高温蒸汽输出管道，输出的尾气余热主要分为两部分进行回收利用：
44.(a)高温余热利用：可连接高温蒸汽用于烹饪：高温蒸汽锅；烘干：衣物烘干/食物烘干；药材烘干和化学品烘干等。此处如果高温蒸汽直接接触食物等需要对蒸汽进行过滤。
45.(b)低温(含碳)尾气碳收集回收用途：通过低温尾气碳收集回收管道输出供给温室大棚气肥及温度供应等。如果发电设备采用含碳燃料，则为尾气中含有二氧化碳、部分低温余热和水蒸气等，通过冷凝后的尾气等可通入农场，给温室大棚供热和供co2。温室大棚旁边设置沼气池，沼气可通入发电系统进行再利用。实现整个系统的负碳循环。冷却利用完
的高温蒸汽冷凝水均可并入尾气冷凝管道可进行进一步回收利用。
46.外围控制设备，本系统采用全智能化控制，在各处管道均设置智能流量计、智能温度计，智能流量计、智能温度计等采集到的信号通过无线网络传输至控制设备进行智能控制。
47.本系统包括多种运行模式：
48.(一)发电 供热(仅供热水) 预热燃气/空气：正常的运行模式，控制系统掌握热水箱的出水温度及流量，在满足用户设定温度和水量的前提下，系统对尾气流量进行预分配。从而实现其余的尾气对燃气/空气。使得系统的尾气余热得到充分的利用。在此种运行模式下，发电器基本无需进行补充加热，其系统的自发热足够维持发电所需高温环境，而调节空气的进气阀可调整电堆运行温度，系统的余热丧失仅仅包括发电器保温材料、管道气道保温材料、水箱保温材料的热损失，这类热损失较难避免。预测系统总体热电综合利用效率可达 95％以上；
49.(二)发电 供热(仅供热水) 预热燃气/空气 高温蒸汽(烹饪 /烘干)：此处尾气进行了进一步余热的利用，进一步提高了系统的总体热电综合利用效率；
50.(三)发电 供热(仅供热水)：此种模式适合于对热水需求量较大的情况，也适合于对热交换器a故障时的情况；
51.(四)发电 供热 供暖：此种模式适合于冬天；
52.(五)应急：发电 供水(少量冷凝水)，此时系统作为紧急情况下使用，比如在无冷水源情况下可以开放使用，由空气冷却。紧急情况下的冷凝水可作他用(和过滤器相连后可做饮用水)。
53.本系统可广泛用于发电系统、可推广复制性强。该系统通过合理的设计，使得高温发电系统的尾气可实现多级分梯次的利用，且通过智能控制系统，在掌握和设置好各系统设备的设计运行范围、需求范围的前提下，进行智能的控制，实现系统用能的效率最大化。同时，也设计了一种紧急运行模式。该系统运行模式灵活，运行场景广泛。
54.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。