具有斯特林发动机按热值技术的木片-组合热电站

摘要

本发明涉及一种木片-组合热电站，其包括木片供给装置、燃烧室、除灰装置和斯特林发动机，为了达到最佳效率规定：废气回收装置(11)将燃烧空气(10)预热以及用此热空气的一部分使木片气化；在炉篦(4)上方将热的燃烧空气(10)的这一部分(13)导入气化燃烧室(3a)；以及如此形成的燃气(18)与灰一起被侧通道压缩机(7)向下通过炉篦(4)抽吸；燃气(18)在炉篦(4)下方以这样的方式掺入热的燃烧空气(10)的剩余部分的流动脉冲，即，一方面保持接近CO极限的低λ值并根据燃烧室(3b)的温度稳定中央喷嘴(19)处的燃烧，或随燃烧室(3b)的温度上升越来越形成无火焰燃烧状态，此时，在燃烧室(3b)内形成潜在涡流(20)，废气、燃气(18)和热的燃烧空气的剩余部分强烈混合，从而使燃气(18)和灰粒完全燃烧。

权利要求

1.一种木片-组合热电站，包括木片供给装置、燃烧室、除灰装置和斯特林发动机(22)，其特征为：废气回收装置(11)将燃烧空气(10)预热以及用此热空气的一部分使木片气化，在炉篦(4)上方将热的燃烧空气(10)的这一部分导入气化燃烧室(3a)，以及如此形成的燃气(18)与灰一起被侧通道压缩机(7)向下通过炉篦(4)抽吸，燃气(18)在炉篦(4)下方以这样的方式掺入热的燃烧空气(10)的剩余部分的流动脉冲，即，一方面保持接近CO极限的低λ值并根据燃烧室(3b)的温度稳定中央喷嘴(19)处的燃烧，或随燃烧室(3b)的温度上升越来越形成无火焰燃烧状态，此时，在燃烧室(3b)内形成潜在涡流(20)，废气、燃气(18)和热燃烧空气的剩余部分强烈混合，从而使燃气(18)和灰粒完全燃烧。

2.按照权利要求1所述的木片-组合热电站，其特征为，

灰与废气一起通过废气回收装置(11)和连接在其下游的热值换热器(24)抽吸，此时保持高的流速，使灰粒不能积聚在换热器壁上，灰粒在热值换热器(24)内与在那里形成的凝结水混合，此时可溶成分溶解在凝结水中，而不可溶成分被凝结水和废气流(6)冲洗或排出，以及通过废气、灰粒和凝结水的紧密混合，也从废气中冲洗掉细颗粒。

3.按照权利要求1或2所述的木片-组合热电站，其特征为，废气-凝结水-灰-混合物，在侧通道压缩机(7)之前或之后，在废气-凝结水分离器(27)内分离。

4.按照权利要求3所述的木片-组合热电站，其特征为，废气-凝结水分离器(27)是旋风分离器。

5.按照权利要求1或2所述的木片-组合热电站，其特征为，沉降在燃烧室内潜在涡流(20)中的灰粒，被来自设在燃烧室底部的空气喷嘴的鼓风或废气回流重新卷起。

6.按照权利要求1或2所述的木片-组合热电站，其特征为，以这样的方式实施控制，即，使煤气燃烧器(2)的瞬时功率通过侧通道压缩机(7)的转速来调整，并仅由斯特林发动机(22)的加热器头温度决定，λ值和燃料的供入同样与瞬时的燃烧器功率无关，此时，通过调整一次与二次空气流量比来控制λ值，以及通过用光传感器监测高温床上侧的亮度的反射来调整木片的供入。

7.按照权利要求2所述的木片组合热电站，其特征为，回收装置(11)和热值换热器(24)以它们的换热面同心地绕燃烧室设置并集成在隔热装置中。

说明书

具有斯特林发动机按热值技术的木片-组合热电站

技术领域

[0001] 本发明涉及一种木片(Holzpellet)-组合热电站(木片-BHKW)，包括木片供给装置、燃烧室、除灰装置和斯特林发动机。

背景技术

[0002] 这些木片-组合热电站最近具有极大的兴趣，将在小功率装置中生物材料分散发电作为在一户和多户家庭住宅中的力-热耦合装置(KWK)。在那里它们应取代普通的家用供暖和热水制备装置，并附加地产生尽可能多的电量，将该电量馈入公共电网并按能量馈入法(EEG)得到补偿。

[0003] 这些有斯特林发动机的木片-BHKWs，在国际市场还不能作为批生产设备买到。一些木片锅炉制造厂试图将它们的木片锅炉配备斯特林发动机，例如列支敦士登的Hoval公司或奥地利的Energiebig公司。在这些木片锅炉中借助计量螺旋输送机将木片输送到炉篦上，在那里点火燃烧。灰部分通过炉篦掉落，部分被火焰带走并沉积在灰箱中、锅炉底部、废气道内和烟囱中，以及必须定期从那里清除。斯特林发动机将其加热器头伸入高温燃烧区内，从那里提取部分高温热量，并由这部分热量相应于其效率产生例如20％电流和80％热水。在热废气内剩余的高温热量，在废气通过斯特林加热器头后，在锅炉壁和废气道上转化为热水。因此，这些有斯特林发动机的木片-BHKWs，由燃料只产生很少的电流(5-10％)，所以具有大而重的木片锅炉，而且因为除灰需要经常维护。在木片锅炉中由于存在灰的疑难问题所以还没有应用热值技术。

[0004] 为了在一户和多户家庭住宅中经济地使用这样的BHKWs，绝对有必要获得尽可能高的电流份额。

发明内容

[0005] 值得追求一种尽可能小而紧凑且较少维护的设备，它利用附加的热值技术提高总效率。因此本发明要解决的技术问题是，创造一种有斯特林发动机的具有上述特性的木片-BHKW。

[0006] 按照本发明上述技术问题通过一种木片-组合热电站解决，其包括木片供给装置、燃烧室、除灰装置和斯特林发动机。按本发明：

[0007] ·废气回收装置将燃烧空气预热以及用此热空气的一部分(一次空气)使木片气化，

[0008] ·热燃烧空气的这一部分在炉篦上方被导入气化燃烧室，以及如此形成的燃气与灰一起被侧通道压缩机(强力抽气机)向下通过炉篦抽吸，

[0009] ·燃气在炉篦下方以这样的方式加入热燃烧空气剩余部分(二次空气)的流动脉冲，即，一方面保持接近CO极限的低λ值并根据燃烧室的温度稳定中央喷嘴处的燃烧，或随燃烧室温度的上升越来越多地形成无火焰燃烧状态，此时，在燃烧室内形成潜在涡流，废气、燃气和热的燃烧空气强烈混合，从而使燃气和灰粒彻底燃烧。

[0010] 本发明的核心在于，在一个围绕斯特林发动机的加热头布置的燃烧室内，首先利用通过热废气流预热的空气气化所述木片，并紧接在这之后燃烧。在这里除灰应完全借助废气流和用来自热值技术设备的凝结水实现。

[0011] 按一种优选的实施形式，灰与废气一起通过废气回收装置和连接在其下游的热值换热器抽吸，此时保持高的流速，使灰粒不能积聚在换热器壁上。灰粒在热值换热器内与在那里形成的凝结水混合，此时可溶成分溶解在凝结水中，而不可溶成分被凝结水和废气流冲洗或排出。通过废气、灰粒和凝结水的紧密混合也从废气中冲洗掉细颗粒，如尘埃或气溶胶。

[0012] 按一种优选的实施形式规定，废气-凝结水-灰的混合物，在侧通道压缩机之前或之后，在废气-凝结水分离器中、例如旋风分离器内分离。

[0013] 按一种优选的实施形式规定，沉降在燃烧室的潜在涡流中的灰粒，被来自设在燃烧室底部的空气喷嘴的鼓风或废气回流重新卷起，并从燃烧室排出。

[0014] 按一种优选的实施形式，以这样的方式实施控制，即，使燃烧器的瞬时功率通过侧通道压缩机的转速调整，并仅由斯特林发动机的加热器头温度决定。λ值和燃料的供入同样与瞬时燃烧器功率无关，此时，λ值通过调整一次与二次空气的流量比控制，以及木片供入通过用光传感器监测高温床上侧亮度的反射调整。

[0015] 按一种优选的紧凑的实施形式，废气回收装置和热值换热器以其换热面同心地绕燃烧室设置并集成在隔热装置中。

附图说明

[0016] 下面借助附图详细说明本发明两种优选的实施形式。其中：

[0017] 图1表示总示意图，它示出了按本发明第一种实施形式的木片-组合热电站的所有功能部分；

[0018] 图2表示图1中示出的气化燃烧室的一个局部放大图，其中除此之外还示出了专用的燃烧空气、燃气和废气导引；

[0019] 图3a-3d表示气化燃烧室的基本结构，包括炉篦和有关一次和二次空气导引的具体实施例；

[0020] 图4表示按优选的第二种实施形式的一种特别紧凑的木片-组合热电站示意简图；以及

[0021] 图5表示图4中示出的气化燃烧室的一个局部放大图，其中除此之外仍示出了专用的燃烧空气、燃气和废气导引。

具体实施方式

[0022] 通过电加热器1(图1)或煤气燃烧器2，将其中设有炉篦4的尚未加入木片的气化燃烧室3a预热到超过木片的点火温度。计量螺旋输送机5a通过斜竖井5b和垂直竖井5c将木片从储箱5d输送到热的炉篦4上。置于燃烧室3b的废气流6中的侧通道压缩机7，通过双壁的热值烟囱9的外套8从周围环境抽吸燃烧空气。燃烧空气10在回收装置11内从环境温度被加热到接近燃烧室温度，来自燃烧室通过回收装置11反向流动的废气流6在回收装置内从燃烧室温度被冷却到温度＜200℃。回收装置11设在燃烧室3b与侧通道压缩机7之间，以及构成燃烧空气10的空气预热装置。

[0023] 现在热的燃烧空气10在回收装置11下游分为两个分流(图2)由置入废气流6中的λ探头12控制，通过或多或少释放在气化燃烧室上的一次或二次空气口15、16，为此如在这里举例表示的那样，借助在气化燃烧室上部的小型步进电机(步进电动机)17提升或下降，从而或多或少释放作为二次空气喷嘴的环形通道。原则上，如图3a-3d中更详细表示的那样，一次空气13在炉篦4上方流动，而二次空气14在炉篦4下方流动。根据一次和二次空气13、14的空气量之比，热的一次空气13气化或燃烧在炉篦4上的木片。

[0024] 在此过程形成的燃气或燃烧的煤气18通过炉篦4向下抽吸，并以直至超过20m/s的高流速通过中央喷嘴19，以及根据期望的λ值附加地加入来自环形通道或冠状布置的中央喷嘴19的热的二次空气14的流动脉冲。所述高的流动脉冲在燃烧室3b(图1)内产生潜在涡流20，使废气、二次空气14和燃气18强烈混合，从而根据燃烧室的温度稳定中央喷嘴19处的燃烧，或随燃烧室温度的上升使燃烧扩展到整个燃烧室，以及由于高的废气回流率可按已知的方式成为无火焰的，此时燃烧特别彻底以及实际上可以肯定在废气中没有氮氧化物。燃气18和偶而通过炉篦4落下的小的、尚未完全烧尽的燃料颗粒，通过潜在涡流20在燃烧室内有长的平均停留时间并完全燃烧。

[0025] 斯特林发动机22的设在燃烧室内的加热器小管21，通过潜在涡流20的对流和高温燃烧室壁23的辐射被均匀地施加高温热量。仍是热的废气通过回收装置11离开燃烧室，并在回收装置中被反向流入的冷的燃烧空气10冷却，如上面早已说明的那样。

[0026] 废气在回收装置11后经过λ探头12，然后在热值换热器24中通过例如来自家用供暖再循环的冷却水24b，如热值技术中常见的那样，被冷却到露点以下。此时废气的水蒸汽凝结成小水滴25，以及凝结热作为有效热可供冷水使用。λ探头也可以装在热值换热器后，但此时必须用电保持在工作温度。

[0027] 除灰完全通过废气流6进行。在回收装置11、热值换热器24以及通向侧通道压缩机7的收集通道内的流速选择得如此高，使灰粒不能沉积。意外从潜在涡流20向下沉降的灰粒，可以通过喷嘴26的压缩空气鼓风或废气回流重新卷起，由此将灰粒抛入潜在涡流20中并有机会到达回收装置入口，从而可以排出。

[0028] 灰粒由可溶于水和不溶于水的成分组成。生物材料废气有很高的水蒸汽含量，例如一升木片约产生0.25升凝结水。反之，灰占的份额极其微小，亦即0.001升。灰可溶于水的成分溶解在水中，不能溶解的部分被凝结水冲洗并与凝结水滴一起通过侧通道压缩机7流入废气-凝结水分离器，例如旋风分离器27。它将干燥的废气28送入烟囱内(通常它如热值技术设备中常见的那样是一个塑料管)以及凝结水25与极小量灰粒一起排入下水道内。凝结水-灰的混合物，一种光亮、清澈、有香气的液体，是ph中性的以及也可以收集作为肥料使用。以此方式在热值换热器24、侧通道压缩机7和旋风分离器27内通过水的凝结冲洗出的废气不再含有尘埃。免除由于燃烧固体燃料在大气中加入可怕的气溶胶(烟雾)。

[0029] 图3a和3b表示气化燃烧室3a的基本结构，包括炉篦4、燃料供给装置29和中央喷嘴19，以及表示两种类型的二次空气导引，亦即图3a表示在中央喷嘴19前加入二次空气，而图3b表示在中央喷嘴19后加入二次空气。一次空气13与二次空气14之比的调整，通过提升或旋转气化燃烧室3a实现，由此或多或少释放二次空气口，如在图3c和3d中更详细地表示的那样。在图3c中二次空气口16由环形间隙构成，它通过提升气化燃烧室增大。在图3d中二次空气口16是一些冠状排列的孔，它们通过提升或旋转气化燃烧室或多或少被遮盖。

[0030] 为了建造气化燃烧室3a需要简单而牢固的结构，因为全都处于高温区内(700℃-1400℃)。这种结构必须能精确计量二次空气14，以便调整λ值接近CO极限(λ约1.5)，因为过高的空气余量相应地降低电效率；例如λ2.5取代λ1.5导致电效率仅为25％，而不是30％。然而气化燃烧室的壁和空气喷嘴通过“仅”约700℃的热的燃烧空气10冷却。炉篦4必须用陶瓷材料制造。

[0031] 图4表示有斯特林发动机22的木片-BHKWs的一种特别紧凑的实施形式，在这里仅表示斯特林发动机的加热器头。废气回收装置11以其换热面同心地围绕燃烧室壁23设置并集成在隔热装置中。此外，设置一个同样同心地装在回收装置11下端的热值换热器24。它由水冷的内表面24c构成，废气流6通过此内表面转向。燃烧空气和废气的同心的换热器通道，通过收集通道31、32与热值烟囱9或与侧通道压缩机7连接。图5表示燃烧空气和废气导引。

[0032] 可以通过更换气化燃烧室3a利用不同的固态、液态和气态燃料，如木片、碎屑、植物油、沼气等。固态和液态燃料原则上通过预热的燃烧空气(一次空气)气化，在这之后在添加预热的二次空气的情况下直接燃烧。燃烧空气在起动阶段的预热以及已气化燃料的点火，用电或通过小型(丙烷)煤气加热燃烧器实现。

[0033] 对有斯特林发动机的木片-BHKWs的控制(无图)按斯特林发动机的要求进行。为了达到高的电效率，加热器小管的温度即使在部分负荷区内也必须保持在允许的上限(约850℃)。瞬时燃烧器功率通过改变侧通道压缩机转速调整为，能与斯特林发动机的转速并因而与输出功率无关地保持为加热器小管的额定温度。木片输入仍与瞬时燃烧器功率无关。光传感器30(图1和图4)，通过它在高温床上方测量例如红外线亮度，识别在高温床上是否有足够的木片。若高温床过亮，则添加新鲜木片，直至相应地覆盖亮的高温床并停止加料。额定λ值仍与瞬时燃烧器功率和瞬时斯特林发动机功率无关地，借助λ传感器通过调整一次与二次空气量之比进行调整。

[0034] 木片-BHKWs的木片燃烧器杰出地适用于产生高的有效温度(大于700℃)以及除了加热斯特林发动机外还适合加热蒸汽转换器，以便由甲烷和氢造成或加热高温燃料电池。按本发明的设计因为特别实用所以特别杰出，其中，灰与废气通过废气换热器和热值换热器抽吸，并通过形成的凝结水从废气冲洗掉，在废气与凝结水分离后可与凝结水一起导入下水道。通过从废气提取能量加热燃烧空气，由此将能量留在燃烧区内，所以BHKW消耗的燃料少以及电效率比较高(25％-30％)。产生的电量可以按照可更新能量法(EEG)以一个好价格出售给供电商。因此有高的经济价值。

[0035] 附图标记清单

[0036] 1 电加热器

[0037] 2 煤气燃烧器

[0038] 3a 气化燃烧室

[0039] 4 炉篦

[0040] 5a 螺旋输送机

[0041] 5b 斜竖井

[0042] 5c 垂直竖井

[0043] 6 废气流

[0044] 7 侧通道压缩机

[0045] 8 外套

[0046] 9 双壁的热值烟囱

[0047] 10 燃烧空气

[0048] 11 回收装置，空气预热器

[0049] 12 λ探头

[0050] 13 一次空气

[0051] 14 二次空气

[0052] 15 一次空气口

[0053] 16 二次空气口，环形通道

[0054] 17 小型步进电机，步进电动机

[0055] 18 燃烧气体

[0056] 19 中央喷嘴

[0057] 20 潜在涡流

[0058] 21 加热器小管

[0059] 22 斯特林发动机

[0060] 23 燃烧室壁

[0061] 24b 冷却水

[0062] 25 小水滴，凝结水

[0063] 26 喷嘴

[0064] 27 废气-凝结水分离器，旋风分离器

[0065] 28 干燥的废气

[0066] 29 燃料供入

[0067] 30 光传感器

[0068] 31 燃烧空气的收集通道

[0069] 32 废气的收集通道