堿金屬熱電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電介紹
一箱式給料機(jī)、概述
堿金屬熱電轉(zhuǎn)換是利用”- Al2O3固體電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性、用鈉作工質(zhì)，以熱再生濃度差電池過(guò)程為工作原理的熱電能量直接轉(zhuǎn)換新技術(shù)。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(Alkali Metal Therma反擊式破碎機(jī)l to Electric Converter, AMTEC)則是一種面積型發(fā)電器件，它無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、無(wú)需維護(hù)，可以和溫度在600° C至900° C范圍任何形式的熱源相結(jié)合，構(gòu)成模塊組合式發(fā)電裝置，滿(mǎn)足不同容量負(fù)載的要求，熱電轉(zhuǎn)換效率可超過(guò)30%，而且具有排熱溫度較高(300° C上下)的特點(diǎn)。
與垃圾氣化熔融技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)，是堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的重要應(yīng)用方向，堿金屬熱板鏈?zhǔn)教嵘龣C(jī)電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電將在我國(guó)方興未艾的垃圾發(fā)電技術(shù)發(fā)展中占有重要的地位。
二、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的工作原理及發(fā)展概雙螺旋輸送機(jī)況
AMTEC的工作過(guò)程可以參照?qǐng)D1來(lái)說(shuō)明。AMTEC是一個(gè)充有少量鈉的密閉容器，由厚度約1毫米的 ”- Al2O3固體電解質(zhì)和電磁泵將其分隔成壓力不同的兩部分。在高壓側(cè)，工質(zhì)鈉被熱源加熱，在鈉與固體電解質(zhì)的交界面，由壓力差決定的化學(xué)勢(shì)梯度驅(qū)使鈉離子透過(guò) ”- Al2O3向低壓側(cè)的電解質(zhì)- 多孔電極界面遷移，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，在b ”- Al2O3兩側(cè)便形成電動(dòng)勢(shì)，這一過(guò)程和濃度差電池類(lèi)似，因而，AMTEC的空載電壓由能斯特方程決定。負(fù)載接通時(shí)，電子從高壓側(cè)經(jīng)外電路到達(dá)多孔電極處，與離子復(fù)合成鈉原子，然后 圖1。AMTEC的工作原TZSM系列煤粉篩理
鈉以蒸氣相穿過(guò)低壓空間到達(dá)冷凝器，凝結(jié)的液鈉則由電磁制砂機(jī)泵送回高壓側(cè)。實(shí)質(zhì)上，”- Al2O3在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著選擇性滲透膜的作用，而AMTEC是工質(zhì)鈉通過(guò)固體電解質(zhì)等溫膨脹做功的熱機(jī)。 圖2表示在熱源溫度1150K、冷源溫度500K、”- Al2O3壁厚為1毫米、考慮器件的內(nèi)部損失時(shí)，AMTEC的效率隨電流密度的變化。當(dāng)不可逆過(guò)程造成的損失為0.2瓦¤ [ 厘米] 2時(shí)，效率峰值為35%，對(duì)同樣溫度范圍的卡諾循環(huán)振動(dòng)清理篩效率的比值達(dá)62%。所謂不可逆過(guò)程,主要是多孔電極表面向冷凝器表面的熱輻射以及通過(guò)構(gòu)件的熱傳導(dǎo)。與同樣是直接發(fā)電器件的熱電半導(dǎo)體發(fā)電器不同的是，對(duì)于后者，熱傳導(dǎo)是一種本征損失，而對(duì)AMTEC，可以靠精心設(shè)計(jì)把這類(lèi)不可逆損失降低到最低限度，這是AMTEC具有高效率的重要原因。圖2所示的分析結(jié)果表明，如果把損失抑制到0.02瓦¤ [ 厘米] 2 ，那么理論效率將達(dá)45%。
迄今用于AMTEC的”- Al2給料機(jī)O3都是管材，外徑從7毫米至30毫米不等，壁厚最薄的做到0.7 圖2?？紤]不可逆損失時(shí)的效率
毫米。AMTEC是低電壓器件，單管器件的空載電壓約為1.5伏，按電極表面積計(jì)算的功率密度達(dá)0.5~ 1.0瓦¤ [ 厘米] 2。在實(shí)際使用時(shí)，靠多管單元的適當(dāng)組合來(lái)滿(mǎn)足負(fù)載的要求。每yzs振動(dòng)電機(jī)個(gè)單元由多根”- Al2O3管構(gòu)成，在電氣上串聯(lián)連接。
堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器是1968年見(jiàn)于美國(guó)專(zhuān)利的新概念，美國(guó)福特汽車(chē)公司和美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室是研究、開(kāi)發(fā)AMTEC的先驅(qū)，先后取得了一系列重要進(jìn)展：以單管實(shí)驗(yàn)器件效率19%驗(yàn)證了理論的可靠性;36管實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)電1千瓦;用電磁石頭制砂機(jī)泵加壓的實(shí)驗(yàn)裝置連續(xù)發(fā)電14000小時(shí);用毛細(xì)吸液芯加壓的模塊式器件連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電11000小時(shí)。
九十年代起，美國(guó)先進(jìn)模塊電源系統(tǒng)( AMPS) 公司則以令人矚目的研究成果大大推動(dòng)了AMTE精密篩分機(jī)C商用化的進(jìn)程。用5至7根直徑7毫米”- Al2O3管構(gòu)成的器件已經(jīng)在AMPS公司進(jìn)行試生產(chǎn)，器件單元輸出4瓦左右，其應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榭臻g電源、余熱發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn) 圖3。單管實(shí)驗(yàn)器件
等等。圖3是AMPS公司制作的單管器件進(jìn)行模擬試驗(yàn)的照片。在多管單元運(yùn)行特性研究和可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，AMPS設(shè)計(jì)了凈輸出500瓦的AMTEC裝置作為住戶(hù)微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的原型；與此同時(shí)，他們正在生產(chǎn)設(shè)備為歐洲的公司制造容量為350瓦、利用供暖鍋爐余熱的發(fā)電裝置原型，并進(jìn)行了35千瓦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，初步結(jié)果表明，35千瓦系統(tǒng)的尺寸僅為0.7立方米。
拍擊篩圖5 單管實(shí)驗(yàn)器件的伏安特性
圖振動(dòng)給料盤(pán)4 單管實(shí)驗(yàn)裝置的外觀
中國(guó)科學(xué)院電工研究所從1994年起，先后在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)防科工委科技預(yù)研基金的支持下，并與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的密切配合，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展堿金屬熱電能量直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用研究，建立了熱電轉(zhuǎn)換器件實(shí)驗(yàn)室和薄膜電極制備、器件封接用的工藝裝備，開(kāi)展了多孔薄膜電極制備、單體封接、集流柵設(shè)計(jì)和工質(zhì)循環(huán)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)用化多管器件的設(shè)計(jì)及工藝研究，取得了顯著進(jìn)展。單管實(shí)驗(yàn)器件達(dá)到了能夠重復(fù)運(yùn)行多次、累計(jì)發(fā)電2小時(shí)、峰值功率8.85瓦、功率密度0.9瓦¤ [ 厘米] 2的水平。為進(jìn)一步進(jìn)行堿金屬熱電轉(zhuǎn)換垃圾發(fā)電的研究創(chuàng)造了良好的條件。圖4、圖5和圖6分別為熱電轉(zhuǎn)換器件實(shí)驗(yàn)室、單管實(shí)驗(yàn)器件伏安特性和實(shí)用化多管單元的外觀。
圖6.多管實(shí)驗(yàn)器件實(shí)體
圖7.系統(tǒng)流程圖
三、國(guó)外垃圾發(fā)電技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向和我們的戰(zhàn)略
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，垃圾處理日益成為環(huán)保的重要課題，迄今，處理垃圾的方法不外乎深埋、焚化和回收利用，利用垃圾焚化爐所產(chǎn)生的熱來(lái)發(fā)電，是垃圾處理的重要方向，從發(fā)展看，垃圾發(fā)電將是形成分散型電源系統(tǒng)和電力生產(chǎn)一次能源多元化的重要內(nèi)容。國(guó)外垃圾發(fā)電發(fā)展得最快的是美國(guó)、德國(guó)和日本。據(jù)1995年的數(shù)據(jù)，美國(guó)垃圾發(fā)電廠(chǎng)有114座，總?cè)萘窟_(dá)2650兆瓦，居世界第一位。居第二位的是德國(guó)，1993年已有垃圾發(fā)電廠(chǎng)50座，總?cè)萘?000兆瓦。日本的垃圾發(fā)電廠(chǎng)數(shù)量多達(dá)149座，但總?cè)萘績(jī)H有557兆瓦。美國(guó)垃圾發(fā)電的平均效率也居世界首位，達(dá)22%，德國(guó)的達(dá)17%，日本9%。除了垃圾的成分、性質(zhì)方面的原因，平均效率方面的差別也反映了建設(shè)垃圾發(fā)電廠(chǎng)的立足點(diǎn)的不同。迄今為止，日本的垃圾焚化占垃圾處理總量的75%，但是，用于發(fā)電的焚化裝置只占垃圾焚化裝置總數(shù)的8%；日本從1965年起就有垃圾發(fā)電廠(chǎng)投入使用，主要著眼于環(huán)境保護(hù)，通產(chǎn)省、環(huán)境廳、自治省和厚生省設(shè)立有補(bǔ)助金。大部分垃圾發(fā)電廠(chǎng)鍋爐出口蒸汽參數(shù)比較低，一般為250° C、20大氣壓左右。另一方面，美國(guó)和德國(guó)的垃圾處理以深埋為主(占60%)，焚化在美國(guó)垃圾處理總量中只占15%，德國(guó)稍高，占30%，但是，焚化裝置幾乎全部用于發(fā)電(美國(guó)的垃圾發(fā)電廠(chǎng)占焚化裝置總數(shù)的78%，若按垃圾處理量計(jì)算，占93%；德國(guó)則接近100%)。因?yàn)檎挥柝?cái)政補(bǔ)貼，他們?cè)诩骖櫗h(huán)保效果的同時(shí)，比較注重經(jīng)濟(jì)效益，多采用高溫高壓蒸汽運(yùn)行條件(比如500° C、90大氣壓)，以期達(dá)到高效率。
近年來(lái)，特別是日本，一方面，從分散型電源在未來(lái)電力生產(chǎn)中的地位著眼，開(kāi)始強(qiáng)調(diào)高效率垃圾發(fā)電的重要性，并且已經(jīng)把垃圾發(fā)電納入了1994年制訂的新能源導(dǎo)入大綱，到2000年，垃圾發(fā)電總?cè)萘繉⑦_(dá)2000兆瓦，而到2010年將為4000兆瓦。另一方面，從抑制二惡英排放和重金屬的排出水平、節(jié)省焚化后灰的處理場(chǎng)地考慮，從環(huán)保的角度對(duì)垃圾發(fā)電系統(tǒng)提出了更高的要求。
提高垃圾發(fā)電效率的方法很多，例如，采用耐腐蝕新材料來(lái)提高余熱鍋爐的工作溫度；采用二次燃燒來(lái)提高蒸汽的參數(shù)；用燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)等等。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，垃圾的氣化熔融技術(shù)受到極大的關(guān)注，因?yàn)樗趯?shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)，還能抑制二惡英排放，并達(dá)到灰的減容化和排氣的無(wú)害化。
氣化熔融系統(tǒng)把垃圾的焚化和余灰的熔融在一個(gè)流程中完成，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：
(1)可以用垃圾的燃燒熱來(lái)使余灰熔融，基本不需要外部熱源。
(2)可以采用低空氣比燃燒，排氣量減少。
(3)燃燒溫度高達(dá)1000~ 1300° C，可使二惡英分解，而且，因?yàn)榍膀?qū)物質(zhì)減少，再合成的量也少。
(4)可以在氣化部分的出口分離金屬以作再生利用。
德國(guó)是研究開(kāi)發(fā)氣化熔融技術(shù)的主要國(guó)家，西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的日處理量480噸的系統(tǒng)，已于1997年春投入商用試運(yùn)行。此外，據(jù)今年4月份OHM雜志報(bào)道，日本從事氣化熔融技術(shù)開(kāi)發(fā)的廠(chǎng)家已經(jīng)超過(guò)20家，例如，NKK公司就從1996年起開(kāi)始了日處理量24噸裝置的驗(yàn)證試驗(yàn)。
我國(guó)的垃圾發(fā)電技術(shù)的發(fā)展還剛剛起步，然而卻有迫切的需求和廣闊的市場(chǎng)。借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，我們應(yīng)該在起步階段就考慮垃圾焚化和發(fā)電結(jié)合，并且十分注意經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益并重，積極安排氣化熔融處理技術(shù)和高效率發(fā)電新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。
四、開(kāi)展堿金屬熱電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電技術(shù)研究的建議
實(shí)際上，在試圖以提高燃燒溫度來(lái)提高垃圾發(fā)電效率的場(chǎng)合，都可以考慮用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器取代傳統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備，而達(dá)到所期望的性能指標(biāo)。從發(fā)展著眼，將堿金屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)與垃圾的氣化熔融技術(shù)相結(jié)合，是構(gòu)成高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)極有前景的方案。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的受熱面可以直接與高溫?zé)煔饬鹘佑|，發(fā)電裝置設(shè)在熔融爐排煙部分的爐壁上，直接把燃燒熱轉(zhuǎn)換成電能。這樣，就省去了余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組以及蒸汽循環(huán)所需的附屬設(shè)備。參照AMPS的估計(jì)，0.75兆瓦的AMTEC發(fā)電裝置，體積約為15立方米。另一方面，0.75兆瓦汽輪發(fā)電機(jī)組的尺寸為24立方米，而與之匹配的余熱鍋爐(出口蒸汽參數(shù)設(shè)為300° C、13大氣壓)的尺寸則超過(guò)300立方米。因此，所建議的高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)在構(gòu)成上的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。圖7是堿金屬熱電轉(zhuǎn)換高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，在此系統(tǒng)中，垃圾的熱解在流化床型氣化爐中完成；AMTEC考慮用空氣冷卻，即，發(fā)電裝置的排熱可以用來(lái)預(yù)熱氣化爐的燃風(fēng)或熔融爐的補(bǔ)燃風(fēng)。當(dāng)然，還可以有各種具體方案，包括余熱利用，都需要進(jìn)行詳細(xì)的比較研究。建議國(guó)家科技部組織有關(guān)單位進(jìn)行方案論證，確定項(xiàng)目和選題。
建議我國(guó)在“十五”期間開(kāi)展堿金屬熱電轉(zhuǎn)換垃圾發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，并建成日處理量10噸級(jí)的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行電廠(chǎng)效率的驗(yàn)證，為在2010年建成中試系統(tǒng)積累必要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。主要研究?jī)?nèi)容如下。
(1)垃圾氣化熔融機(jī)制和過(guò)程參數(shù)選擇。
(2)氣化爐和熔融爐裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(3)余熱利用、金屬類(lèi)物質(zhì)的回收環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。
(4)AMTEC發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和可靠性試驗(yàn)。
(5)AMTEC發(fā)電裝置的功率調(diào)節(jié)。
(6)AMTEC－垃圾發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。
我國(guó)“九五”期間，垃圾焚化、發(fā)電研究已經(jīng)有了良好的開(kāi)端，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的研究已經(jīng)有了較好的基礎(chǔ)，相信經(jīng)過(guò)“十五”的努力，我國(guó)將在高效率垃圾發(fā)電技術(shù)的發(fā)展上走出自己的路。
參考文獻(xiàn)
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- 雙齒輥式破碎機(jī)適用于煤炭、冶金、礦山、化工、建材等行業(yè)更適用于大型煤礦或選煤廠(chǎng)原煤（含矸石）的破碎。
- 石灰石破碎機(jī)
- 石灰石破碎機(jī)廣泛適用于花崗巖、玄武巖、石灰?guī)r、河卵石、水泥熟料、石英石、鐵礦石、鋁礬土等多種礦物的細(xì)式破碎。
- 濕煤破碎機(jī)
- 濕煤破碎機(jī)適用于煤炭，電力，科研等行業(yè)和部門(mén)破碎干燥或含有大于15％水分的煤炭，礦石，巖石或其它中等硬度物料。
- 破碎機(jī)器
- PF系列反擊式破碎機(jī)器主要用于中碎，可破碎抗壓強(qiáng)度不超過(guò)320 兆帕的物料，適宜生產(chǎn)高等級(jí)公路、水電、建筑等行業(yè)用石料。
- 密封錘式破碎機(jī)
- 密封錘式破碎機(jī)常被用于對(duì)原材料的中碎和細(xì)碎，如煤、焦碳、石灰石、硫鐵礦、磷礦石、煤矸石等各種需要破碎的物料，廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)、建材行業(yè)。
- 錳鋼雙輥破碎機(jī)
- 錳鋼雙輥破碎機(jī)可供選礦、化工、水泥、耐火材料、磨料、建筑材料等工業(yè)部門(mén)中細(xì)碎各種高、中等硬度的礦石和巖石之用。
- 煤炭破碎機(jī)
- 煤炭破碎機(jī)可廣泛適用于水泥廠(chǎng)的生料、熟料細(xì)碎作業(yè)，同時(shí)也可用于白云石、焦寶石、鉛鋅礦、蛇紋石、高爐渣、煤矸石、磷礦石等中等硬度物料的細(xì)碎作業(yè)。
- 鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)
- 鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)適用于復(fù)合肥生產(chǎn)中塊狀物的破碎，同時(shí)也廣泛用于化工、建材、礦山等行業(yè)。
- 立軸沖擊式破碎機(jī)
- PCL立軸沖擊式破碎機(jī)是常用制沙機(jī)械，目前已經(jīng)替代錘式破碎機(jī)機(jī)、對(duì)輥破碎機(jī)、棒磨機(jī)等傳統(tǒng)設(shè)備，成為制沙行業(yè)的主流制沙設(shè)備。
- 立式復(fù)合式破碎機(jī)
- 立式復(fù)合破碎機(jī)是綜合國(guó)內(nèi)外同類(lèi)破碎機(jī)技術(shù)，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研制而成的新型細(xì)碎、粗磨產(chǎn)品。
- 立式?jīng)_擊破碎機(jī)
- PL立式?jīng)_擊破碎機(jī)廣泛用于水利水電、耐火材料、建筑、高等級(jí)公路、鐵路等行業(yè)的人工制砂作業(yè)。
- 礦山破碎設(shè)備
- 礦山破碎設(shè)備是指礦山設(shè)備中的選礦設(shè)備中的破碎機(jī)械-破碎機(jī)。礦山破碎設(shè)備廣泛運(yùn)用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利和化學(xué)工業(yè)等眾多部門(mén)。
- 可逆錘式破碎機(jī)
- PCKW系列可逆錘式破碎機(jī)主要用途適用于破碎中等硬度脆性物料，如煉焦用煤、小塊石灰石、石膏、明礬、磚、瓦等。
- 剪切式破碎機(jī)
- 剪切式破碎機(jī)廣泛應(yīng)用于建材、冶金、礦山等行業(yè)物料的細(xì)碎。尤其適用于水泥熟料的細(xì)碎，以破代磨，以提高磨機(jī)產(chǎn)量。
- 腭式破碎機(jī)
- 腭式破碎機(jī)廣泛運(yùn)用廠(chǎng)礦山、冶煉、建材，公路、鐵路、水利和化學(xué)工業(yè)等眾多部門(mén)，破碎抗壓強(qiáng)度不超過(guò)350兆帕的各種物料。
- 鵝卵石破碎機(jī)
- 鵝卵石破碎機(jī)具有破碎比大、產(chǎn)品粒度均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維修簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。
- 單輥破碎機(jī)
- 單輥破碎機(jī)適宜用來(lái)粉碎中硬或松軟的物料，比如石灰石、硬質(zhì)粘土及煤塊等。
- 礦山破碎機(jī)
- 顎式破碎機(jī)是常用礦用破碎機(jī)（礦山碎石機(jī)），廣泛用于水電、高速公路、人工砂石料、破碎等行業(yè)。設(shè)備破碎比大、產(chǎn)量高、產(chǎn)品粒度均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維修簡(jiǎn)便、
- 單段破碎機(jī)
- DPC系列單段破碎機(jī)廣泛應(yīng)用于水泥、陶瓷、玻璃、人工砂石、煤炭、非金屬礦山和新型綠色建材等行業(yè)。
- 單段錘式破碎機(jī)
- DPC系列單段錘式破碎機(jī)廣泛應(yīng)用于水泥、陶瓷、玻璃、人工砂石、煤炭、非金屬礦山和新型綠色建材等行業(yè)。
- 單齒輥破碎機(jī)
- 單齒輥破碎機(jī)主要用在選礦或石料廠(chǎng)、電廠(chǎng)的粗碎和中碎作業(yè)中。
最新產(chǎn)品
CZ系列倉(cāng)壁振動(dòng)器
- 倉(cāng)壁振動(dòng)器用于防止和排除各種料倉(cāng)由于物料的內(nèi)摩擦、潮解、帶電、成分偏析等原因引起的“堵塞”、“塔拱”現(xiàn)象；亦可用于清除各種倉(cāng)壁、管道粘結(jié)物料
防閉塞裝置(ZFB)
慣性振動(dòng)器(ZG)
振動(dòng)電機(jī)
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