本發(fā)明涉及一種基于斯特林機(jī)的電熱聯(lián)供系統(tǒng)及其電熱聯(lián)供方法，尤其是涉及一種基于斯特林機(jī)的生物質(zhì)直燃蓄熱電熱聯(lián)供系統(tǒng)及其電熱聯(lián)供方法。

背景技術(shù)：

近階段在一些特殊地理分布的地區(qū)，如山區(qū)、欠發(fā)達(dá)地區(qū)等，仍有很大一部分家庭電網(wǎng)短期內(nèi)還無法鋪設(shè)到戶，人民群眾的生活質(zhì)量和生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響，經(jīng)濟(jì)文化普遍落后，造成此類現(xiàn)象至今仍無法得到根本解決的原因有以下幾點：風(fēng)力發(fā)電所需的風(fēng)場條件較為苛刻，難以應(yīng)用；太陽能能量密度低、穩(wěn)定性差，太陽能發(fā)電電力供應(yīng)非常不穩(wěn)定；清潔燃?xì)赓Y源無法送達(dá)；礦產(chǎn)資源匱乏。但這些地區(qū)生物質(zhì)資源豐富。

斯特林機(jī)又稱斯特林發(fā)動機(jī)，具有熱效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)特性好，噪音低等優(yōu)點，由此在清潔燃?xì)獍l(fā)電領(lǐng)域、太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在清潔燃?xì)獍l(fā)電領(lǐng)域，一般使用天然氣、柴油、液化石油氣、沼氣、煤層氣、氫氣、人工煤氣等清潔能源。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有三種：槽式、塔式和碟式。其中碟式太陽能熱發(fā)電具有聚光比高、能效高、機(jī)構(gòu)緊湊、安裝方便、可分布式也可規(guī)?；l(fā)電的優(yōu)點，已經(jīng)越來越為市場青睞，斯特林機(jī)是碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備。

斯特林機(jī)是獨特的熱機(jī)，因為他們實際上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環(huán)效率。斯特林機(jī)是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動力的。這是一種外燃發(fā)動機(jī)，使燃料連續(xù)地燃燒，在熱端蒸發(fā)的膨脹工質(zhì)(氫氣或氦)作為動力氣體使活塞運(yùn)動，膨脹氣體在冷端冷卻，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過程。斯特林循環(huán)是由兩個定容吸熱過程和兩個定溫膨脹過程組成的可逆循環(huán)，而且定容放熱過程放出的熱量恰好為定容吸熱過程所吸收。熱機(jī)在定溫(T1)膨脹過程中從高溫?zé)嵩次鼰?，而在定?T2)壓縮過程中向低溫?zé)嵩捶艧帷?/p>

斯特林機(jī)是一種封閉式外燃機(jī)，外燃系統(tǒng)是斯特林發(fā)動機(jī)的重要組成部分，其主要功能是通過合理、高效地組織燃燒與換熱，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給熱端機(jī)內(nèi)工質(zhì)，從而使得機(jī)內(nèi)工質(zhì)在發(fā)動機(jī)內(nèi)膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能/電能。由此可見，一臺發(fā)動機(jī)效率的高低，不僅取決于發(fā)動機(jī)本身的循環(huán)效率，而且與外燃系統(tǒng)的燃燒效率和熱端換熱效率的高低也有著很大的關(guān)系。為此，要設(shè)計出高效、可靠的斯特林發(fā)動機(jī)，外燃系統(tǒng)的設(shè)計和熱端的換熱設(shè)計至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前斯特林機(jī)應(yīng)用于生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐，易引起熱端積灰結(jié)焦嚴(yán)重，發(fā)電效率急劇下降的問題，以及由于燃料量不穩(wěn)定、種類不穩(wěn)定和停留時間不穩(wěn)定，易引起煙氣濃度和溫度劇烈波動對斯特林機(jī)的沖擊，電力輸出波動較大的問題，提供一種基于斯特林機(jī)的電熱聯(lián)供系統(tǒng)及其電熱聯(lián)供方法，將斯特林機(jī)的燃料范圍擴(kuò)大到能直接燃燒煤、生物質(zhì)(木材、秸稈等)和固廢(垃圾、污泥等)等能源領(lǐng)域；由于電力輸出穩(wěn)定，非常適合儲放能，系統(tǒng)也為邊遠(yuǎn)地區(qū)電力孤島的電力解決提供了出路；系統(tǒng)同時實現(xiàn)了電熱聯(lián)供。

本發(fā)明一種基于斯特林機(jī)的電熱聯(lián)供系統(tǒng)，包括一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、集灰室、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器、一次風(fēng)空氣預(yù)熱器、省煤器、排氣筒、水箱、循環(huán)水泵、斯特林機(jī)、蓄熱鍋、攪拌裝置、燃燒爐和煙道；所述的燃燒爐包括一次風(fēng)口、二次風(fēng)口、爐膛、爐排和集渣室。所述的蓄熱鍋設(shè)置在爐膛頂部；爐排設(shè)置在爐膛底部，集渣室設(shè)置在爐排底部，集渣室側(cè)壁開設(shè)出渣口；爐膛側(cè)壁設(shè)有加料口和觀察窗。爐膛側(cè)壁頂部通過煙道與集灰室側(cè)壁連通；煙道設(shè)有除灰孔；所述的集灰室頂部連通二次風(fēng)空氣預(yù)熱器，二次風(fēng)空氣預(yù)熱器頂部連通一次風(fēng)空氣預(yù)熱器，一次風(fēng)空氣預(yù)熱器頂部連通省煤器，省煤器頂部連通排氣筒；一次風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口接一次風(fēng)空氣預(yù)熱器的預(yù)熱管入風(fēng)口，一次風(fēng)空氣預(yù)熱器的預(yù)熱管出風(fēng)口接集渣室的一次風(fēng)口，一次風(fēng)口設(shè)有沿集渣室周向均布的多個；二次風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口接二次風(fēng)空氣預(yù)熱器的預(yù)熱管入風(fēng)口，二次風(fēng)空氣預(yù)熱器的預(yù)熱管出風(fēng)口接開設(shè)在爐膛側(cè)壁中部的二次風(fēng)口，二次風(fēng)口設(shè)有沿爐膛周向均布的多個。蓄熱鍋中充滿熔鹽，斯特林機(jī)的熱端浸沒在熔鹽中，攪拌裝置用于攪拌蓄熱鍋中的熔鹽；所述循環(huán)水泵的入水口接水箱出水口，出水口接斯特林機(jī)的冷端入水口；斯特林機(jī)的冷端出水口接省煤器的管道入水口和水箱入水口，省煤器的管道出水口作為熱水供應(yīng)口。

所述的攪拌裝置包括攪拌棒和電機(jī)；攪拌棒固定在電機(jī)的輸出軸上，并浸入熔鹽中。

所述的攪拌裝置采用熔鹽泵。

所述的斯特林機(jī)優(yōu)先選用自由浮筒式斯特林機(jī)。

本發(fā)明一種基于斯特林機(jī)的電熱聯(lián)供系統(tǒng)的電熱聯(lián)供方法，具體如下：將生物質(zhì)通過加料口送入燃燒爐的爐膛，從而落在爐排上。一次風(fēng)機(jī)將加壓的常溫空氣經(jīng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器加熱升溫至100～200℃后，通過一次風(fēng)口送入爐排下方的集渣室，吸收爐排上方爐渣顯熱后將爐排上方的生物質(zhì)燃燒成為煙氣和爐渣，爐排得到冷卻降溫，煙氣上升，爐渣落入下方的集渣室。二次風(fēng)機(jī)將加壓的常溫空氣經(jīng)二次風(fēng)空氣預(yù)熱器加熱升溫至200～300℃后，通過二次風(fēng)口送入爐膛，與爐膛中的煙氣混合燃燒；周向布置的二次熱風(fēng)使得爐膛溫度更加均勻；爐膛中經(jīng)二次風(fēng)燃盡的煙氣持續(xù)加熱蓄熱鍋，保持蓄熱鍋內(nèi)的熔鹽溫度為400～580℃內(nèi)的一個設(shè)定值，浸沒在熔鹽中的斯特林機(jī)熱端溫度保持在300～550℃內(nèi)的一個值，斯特林機(jī)穩(wěn)定輸出電力。水箱利用循環(huán)水泵冷卻斯特林機(jī)的冷端；斯特林機(jī)的冷端出水口一路返回水箱，另一路送往省煤器加熱作為熱水供應(yīng)。

所述斯特林機(jī)的冷端溫度為50～60℃。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

(1)針對目前斯特林機(jī)應(yīng)用于生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐，易引起熱端積灰結(jié)焦嚴(yán)重，發(fā)電效率急劇下降的問題，以及由于燃料量不穩(wěn)定、種類不穩(wěn)定和停留時間不穩(wěn)定，易引起煙氣濃度和溫度劇烈波動對斯特林機(jī)的沖擊，電力輸出波動較大的問題，通過在爐膛中布置蓄熱鍋，將斯特林機(jī)熱端浸沒在鍋內(nèi)高溫熔鹽中，并在鍋內(nèi)布置攪拌裝置強(qiáng)化換熱效果，形成斯特林機(jī)恒定高溫?zé)嵩从枰越鉀Q，將斯特林機(jī)的燃料范圍擴(kuò)大到能直接燃燒煤、生物質(zhì)(木材、秸稈等)和固廢(垃圾、污泥等)等能源領(lǐng)域。

(2)采用高溫?zé)煔庵苯蛹訜嵝顭徨?，斯特林機(jī)熱端浸在熔鹽中結(jié)合攪拌裝置或熔鹽泵循環(huán)能均勻熱端附近溫度場分布，改善熱端的熱應(yīng)力狀況，降低熱端對金屬材料的高溫性能要求，選用更為廉價的材料制作加工熱端，有利于降低斯特林機(jī)的制造成本和商品化推廣。

(3)余熱利用充分：對斯特林機(jī)冷端進(jìn)行冷卻的循環(huán)水系統(tǒng)，分別流經(jīng)斯特林機(jī)的冷端和省煤器，對兩部分的余熱進(jìn)行回收，最終得到50～100℃的熱水，實現(xiàn)了能量梯級利用，系統(tǒng)熱效率高；實現(xiàn)了電熱聯(lián)供，節(jié)能效果顯著；結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、易操作、節(jié)能環(huán)保、性能穩(wěn)定。

(4)系統(tǒng)采用生物質(zhì)直燃鍋爐，燃料來源廣泛，基于熔鹽蓄熱的斯特林機(jī)電力輸出品質(zhì)穩(wěn)定，提高了斯特林機(jī)的實用性，非常適合儲放能，系統(tǒng)也為邊遠(yuǎn)地區(qū)電力孤島的電力解決提供了出路。進(jìn)一步地，本發(fā)明也可以作為分布式能源發(fā)電領(lǐng)域的有益補(bǔ)充和結(jié)合。

(5)燃燒爐布置一次風(fēng)和二次風(fēng)，實現(xiàn)分級燃燒減小了穿過爐排的風(fēng)量風(fēng)速，煙氣中飛灰攜帶量明顯減少；布置一次風(fēng)空氣預(yù)熱器和二次風(fēng)空氣預(yù)熱器，充分利用煙氣余熱。多點布置的二次熱風(fēng)使得爐膛溫度更加均勻，消除局部高溫，從而減少煙塵、NOx和CO等污染物的排放；減少了過量空氣系數(shù)從而減少廢氣熱的排放，提高系統(tǒng)效率。本發(fā)明燃燒爐的生物質(zhì)燃燒充分，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的設(shè)計指標(biāo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、出渣口，2、一次風(fēng)口，3、一次風(fēng)機(jī)，4、二次風(fēng)機(jī)，5、除灰孔，6、集灰室，7、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器，8、一次風(fēng)空氣預(yù)熱器，9、省煤器，10、排氣筒，11、水箱，12、循環(huán)水泵，13、斯特林機(jī)，14、熱端，15、蓄熱鍋，16、攪拌裝置，17、熔鹽，18、二次風(fēng)口，19、觀察窗，20、燃燒爐，21、加料口，22、爐排，23、集渣室，24、爐膛，25、煙道。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種基于斯特林機(jī)的電熱聯(lián)供系統(tǒng)，包括一次風(fēng)機(jī)3、二次風(fēng)機(jī)4、集灰室6、二次風(fēng)空氣預(yù)熱器7、一次風(fēng)空氣預(yù)熱器8、省煤器9、排氣筒10、水箱11、循環(huán)水泵12、斯特林機(jī)13、蓄熱鍋15、攪拌裝置16、燃燒爐20和煙道25；燃燒爐20包括一次風(fēng)口2、二次風(fēng)口18、爐膛24、爐排22和集渣室23。蓄熱鍋15設(shè)置在爐膛24頂部；爐排22設(shè)置在爐膛24底部，集渣室23設(shè)置在爐排22底部，集渣室23側(cè)壁開設(shè)出渣口1；爐膛24側(cè)壁設(shè)有加料口21和觀察窗19。爐膛24側(cè)壁頂部通過煙道25與集灰室6側(cè)壁連通；煙道25設(shè)有除灰孔5；集灰室6頂部連通二次風(fēng)空氣預(yù)熱器7，二次風(fēng)空氣預(yù)熱器7頂部連通一次風(fēng)空氣預(yù)熱器8，一次風(fēng)空氣預(yù)熱器8頂部連通省煤器9，省煤器9頂部連通排氣筒10；一次風(fēng)機(jī)3的出風(fēng)口接一次風(fēng)空氣預(yù)熱器8的預(yù)熱管入風(fēng)口，一次風(fēng)空氣預(yù)熱器8的預(yù)熱管出風(fēng)口接集渣室23的一次風(fēng)口2，一次風(fēng)口2設(shè)有沿集渣室23周向均布的4個；二次風(fēng)機(jī)4的出風(fēng)口接二次風(fēng)空氣預(yù)熱器7的預(yù)熱管入風(fēng)口，二次風(fēng)空氣預(yù)熱器7的預(yù)熱管出風(fēng)口接開設(shè)在爐膛24側(cè)壁中部的二次風(fēng)口18，二次風(fēng)口18設(shè)有沿爐膛周向均布的4個。蓄熱鍋15中充滿熔鹽17，斯特林機(jī)13的熱端14浸沒在熔鹽中，攪拌裝置16用于攪拌蓄熱鍋15中的熔鹽17；生物質(zhì)在爐膛24中燃燒，加熱蓄熱鍋15中的熔鹽17，高溫熔鹽17加熱斯特林機(jī)13的熱端14驅(qū)動斯特林機(jī)13發(fā)電。循環(huán)水泵12的入水口接水箱11出水口，出水口接斯特林機(jī)13的冷端入水口；斯特林機(jī)13的冷端出水口接省煤器9的管道入水口和水箱11入水口，省煤器9的管道出水口作為熱水供應(yīng)口。

攪拌裝置為帶有攪拌棒的電機(jī)，利用電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動攪拌棒在熔鹽中旋轉(zhuǎn)造成熔鹽紊流利于換熱，也可以選用熔鹽泵進(jìn)行熔鹽循環(huán)，增強(qiáng)換熱效果。

斯特林機(jī)優(yōu)先選用自由浮筒式斯特林機(jī)，靜音好，熱效率更高。本發(fā)明以自由浮筒式斯特林機(jī)為示意圖及部分?jǐn)⑹龇绞?，不影響其余機(jī)種的應(yīng)用。

該基于斯特林機(jī)的電熱聯(lián)供系統(tǒng)的電熱聯(lián)供方法，具體如下：將生物質(zhì)通過加料口送入燃燒爐的爐膛，從而落入并堆放在爐排上。一次風(fēng)機(jī)將加壓的常溫空氣經(jīng)一次風(fēng)空氣預(yù)熱器加熱升溫至100～200℃后，通過一次風(fēng)口送入爐排下方的集渣室，吸收爐排上方高溫爐渣顯熱后將爐排上方的生物質(zhì)燃燒成為煙氣和爐渣，爐排得到冷卻降溫，煙氣上升，爐渣落入下方的集渣室。二次風(fēng)機(jī)將加壓的常溫空氣經(jīng)二次風(fēng)空氣預(yù)熱器加熱升溫至200～300℃后，通過二次風(fēng)口送入爐膛，與爐膛中的高溫?zé)煔饣旌先紵岣吡苏麄€爐膛的平均溫度；周向布置的二次熱風(fēng)使得爐膛溫度更加均勻，消除局部高溫，從而減少煙塵、NOx和CO等污染物的排放；減少了過量空氣系數(shù)從而減少廢氣熱的排放，提高系統(tǒng)效率。爐膛中經(jīng)二次風(fēng)燃盡的高溫?zé)煔獬掷m(xù)加熱蓄熱鍋，保持蓄熱鍋內(nèi)的熔鹽溫度為400～580℃內(nèi)的一個設(shè)定值(實際操作時允許有幾度的誤差波動)，浸沒在熔鹽中的斯特林機(jī)熱端溫度保持在300～550℃內(nèi)的一個值(實際操作時允許有幾度的誤差波動)，斯特林機(jī)穩(wěn)定輸出電力。蓄熱鍋中的恒溫熔鹽作為高溫?zé)嵩幢ＷC斯特林機(jī)的熱端有穩(wěn)定的熱量輸入，熱端溫度相對恒定，保證系統(tǒng)電力輸出品質(zhì)穩(wěn)定，提高了斯特林機(jī)的實用性；水箱作為系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，利用循環(huán)水泵強(qiáng)制冷卻斯特林機(jī)的冷端；斯特林機(jī)的冷端出水口一路返回水箱，另一路送往省煤器加熱作為熱水供應(yīng)；冷端工質(zhì)的溫度在50～60℃，送往省煤器的熱水溫度為40～50℃，經(jīng)省煤器加熱成50～100℃的熱水，用作洗澡、洗衣服、餐廚用水等，做到發(fā)電優(yōu)先原則的同時，實現(xiàn)電熱聯(lián)供。循環(huán)水系統(tǒng)中，水箱中的水經(jīng)循環(huán)水泵加壓，依次流經(jīng)斯特林機(jī)的冷端和省煤器，對兩部分的余熱進(jìn)行回收，最終得到50～100℃的熱水，節(jié)能效果顯著，系統(tǒng)熱效率高。

斯特林機(jī)熱端部分在常規(guī)應(yīng)用中經(jīng)常會發(fā)生受熱不均勻現(xiàn)象。為了防止熱端加熱管被燒毀，加熱溫度必須等于或低于金屬所能承受的最高工作溫度(冶金限)。熔鹽的工作溫度一般在400～580℃，將熱端浸在高溫熔鹽中能有效規(guī)避熱端加熱管被燒毀現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高斯特林機(jī)的使用壽命；斯特林機(jī)熱端設(shè)計溫度530℃(工作溫度300～550℃)，熔鹽一般設(shè)計溫度在150～580℃，只要調(diào)整熔鹽配方就能適應(yīng)不同的運(yùn)行溫度要求，非常適合斯特林機(jī)在光熱發(fā)電領(lǐng)域的儲能。斯特林機(jī)熱端浸在熔鹽中結(jié)合攪拌裝置或熔鹽泵循環(huán)能均勻熱端附近溫度場分布，改善熱端的熱應(yīng)力狀況，降低熱端對金屬材料的高溫性能要求，選用更為廉價的材料制作加工熱端，有利于降低斯特林機(jī)的制造成本和商品化推廣。在熔鹽鍋中布置攪拌裝置或熔鹽泵循環(huán)，強(qiáng)制熔鹽與斯特林機(jī)的換熱，也強(qiáng)化了爐膛煙氣與熔鹽的換熱，進(jìn)一步提升斯特林機(jī)的發(fā)電效率。

燃燒爐采用熔鹽蓄熱，有效降低了爐膛中燃料量不穩(wěn)定、種類不穩(wěn)定和停留時間不穩(wěn)定，造成煙氣濃度和溫度劇烈波動對斯特林機(jī)的沖擊，起到穩(wěn)定熱負(fù)荷波動的效果，將斯特林機(jī)的燃料范圍擴(kuò)大到能直接燃燒煤、生物質(zhì)(木材、秸稈等)和固廢(垃圾、污泥等)等能源領(lǐng)域。

斯特林機(jī)熱端一般體積較少，很難應(yīng)用于生物質(zhì)直燃鍋爐，而利用熔鹽蓄熱，其熔鹽鍋能極大增大與爐膛煙氣的有效換熱面積，不但提升燃燒爐的燃燒效率，也極大提升斯特林機(jī)的發(fā)電效率。

熔鹽鍋中熔鹽溫度相對恒定，從而保證斯特林機(jī)的熱端有穩(wěn)定的熱量輸入，工質(zhì)溫度相對恒定，保證系統(tǒng)輸出電力的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

斯特林機(jī)熱端與煙氣直接接觸加熱，一旦換熱表面出現(xiàn)積灰、結(jié)焦現(xiàn)象，發(fā)電效率會急劇下降，采用熔鹽蓄熱，能有效規(guī)避此類情況出現(xiàn)，提高了斯特林機(jī)的使用壽面，也為斯特林機(jī)在直燃鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)出了新途徑。

熔鹽鍋后布置一次風(fēng)空氣預(yù)熱器和二次風(fēng)空氣預(yù)熱器，換熱的一、二次熱風(fēng)使燃燒更充分，提高了整個爐膛的平均溫度，強(qiáng)化了與熔鹽的換熱，進(jìn)一步提升發(fā)電效率；多點布置的二次熱風(fēng)使得爐膛溫度更加均勻，消除局部高溫，從而減少煙塵、NOx和CO等污染物的排放；減少了過量空氣系數(shù)從而減少廢氣熱的排放，提高系統(tǒng)效率。

空氣預(yù)熱器后布置省煤器，進(jìn)一步減少排煙損失，提高系統(tǒng)熱效率。斯特林機(jī)冷端循環(huán)水系統(tǒng)，在冷卻斯特林機(jī)冷端的同時，提升水溫至40～50℃，并作為省煤器的供水，經(jīng)省煤器換熱升溫至50～100℃后用作洗澡、洗衣服、餐廚用水等，做到發(fā)電優(yōu)先原則的同時，實現(xiàn)電熱聯(lián)供。隨著熱水的消耗，水箱相應(yīng)進(jìn)行給水，循環(huán)水系統(tǒng)維持斯特林機(jī)冷端內(nèi)工質(zhì)溫度在50～60℃。對斯特林機(jī)的冷端進(jìn)行冷卻，維持斯特林機(jī)高溫空間和低溫空間的溫差穩(wěn)定，可以提高發(fā)電的質(zhì)量，并利于儲放能或并網(wǎng)等后續(xù)電力應(yīng)用。

熔鹽的配方為常規(guī)技術(shù)，在光熱電站中普遍應(yīng)用。

所述實施例為本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。