一种工业排烟发电系统

1.本发明涉及能源回收利用技术领域，具体涉及一种工业排烟发电系统。


背景技术：

2.烟囱是一种为锅炉，炉子，炉子或壁炉的热烟气或烟雾提供通风的结构。烟囱通常是垂直的，或尽可能接近垂直，以确保气体平稳流动，吸入空气进入所谓的烟囱燃烧或烟囱效应。由热电厂、船舶或其他设备的烟囱中排出的烟气中包含大量能量，将其直接排放到大气中会造成大量能量被浪费。
3.现有技术中为了对工业排烟烟囱中的能量进行回收利用，通过在烟囱内部安装转轴，转轴上设置涡轮叶片，利用烟囱内部上升的烟气驱动涡轮叶片带动转轴转动进行发电，来对烟囱内部烟气的能量进行利用。然而在系统进行发电工作时，由于烟囱内安装了转轴，气流从转轴与烟囱内壁之间的通道流过，带动涡轮叶片旋转。烟囱中的涡轮机的转轴会占据大部分通道面积，导致烟囱内实际的通道面积变小，烟囱的排烟能力大大下降，严重影响工业排烟系统的排烟效率。而且由于烟囱内通过的烟气内含固态杂质，固态杂质堆积在转轴和涡轮叶片上会造成转轴旋转困难，导致发电系统的发电效率大大降低。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的工业排烟涡轮发电系统的排烟效率和发电效率均较低的缺陷，从而提供一种工业排烟发电系统。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种工业排烟发电系统，包括：
6.烟囱本体，其内侧壁设置有环形的安装槽，安装槽内安装有电机定子；
7.电机转子，转动安装在安装槽内，电机转子设于电机定子内侧，电机转子上安装有涡轮叶片；
8.防护罩体，电机定子与电机转子均设于防护罩体内，涡轮叶片贯穿防护罩体以延伸至防护罩体外。
9.可选地，还包括通气管路，与防护罩体的内腔连通，防护罩体朝向烟囱本体内腔的一侧设置有出气口。
10.可选地，出气口至少设于涡轮叶片的下侧。
11.可选地，出气口沿周向间隔设置有多个。
12.可选地，安装槽、电机转子、电机定子和涡轮叶片沿烟囱本体的轴向间隔设置有多个。
13.可选地，电机定子与电网连接，电机定子与电网之间安装有变频器。
14.可选地，烟囱本体内安装有流量计，流量计与变频器之间电连接。
15.可选地，电机定子与电机转子之间安装有电机轴承。
16.可选地，电机轴承为滚动轴承或电磁轴承。
17.可选地，涡轮叶片的外表面上覆盖有防护层。
18.本发明技术方案，具有如下优点：
19.1.本发明提供的工业排烟发电系统，包括：烟囱本体，其内侧壁设置有环形的安装槽，安装槽内安装有电机定子；电机转子，转动安装在安装槽内，电机转子设于电机定子内侧，电机转子上安装有涡轮叶片；防护罩体，电机定子与电机转子均设于防护罩体内，涡轮叶片贯穿防护罩体以延伸至防护罩体外。
20.工业排烟发电系统在工作时，烟气沿烟囱本体内腔上升，烟气驱动涡轮叶片运动，带动电机转子相对于电机定子转动产生电流，以对外输出电能。通过将电机转子转动安装在安装槽中，涡轮叶片带动电机转子在安装槽内转动，省去了涡轮叶片中心的转轴结构，同时将电机装置和电机定子设置在防护罩体内部，能够避免电机转子和电机定子暴露在烟气中。系统运行进行发电时，烟囱本体内部空间能够完全被烟气填充，不会有转轴占据烟气通道的流通面积，使得产生的烟气能够顺利在烟囱中上升并排出，保证系统的排烟效率的同时电机转子和电机定子不会与烟气接触，还保证了电机定子和电机转子上不会附着烟气中的固态物质，使得工业排烟发电系统在保证排烟效率的同时具有较高的发电效率。
21.2.本发明提供的工业排烟发电系统，还包括通气管路，与防护罩体的内腔连通，防护罩体朝向烟囱本体内腔的一侧设置有出气口。通过设置通气管路向防护罩体内通入气体，系统运行时保持防护罩体的气压大于烟囱本体内腔中的气压，避免烟气从防护罩体的边缘进入防护罩体内部，保证防护罩体内保持清洁的环境，保证电机转子和电机定子的发电效率。通气管路中的气体来源可以为风机、压缩机吹入的清洁空气，也可以为从压缩空气储能系统引出的压缩空气等清洁气源，以使清洁气体充满防护罩体并维持防护罩体内部的正压。
22.3.本发明提供的工业排烟发电系统，出气口至少设于涡轮叶片的下侧。出气口吹出的气体在烟气带动下，斜向上冲击涡轮叶片，能够增加涡轮叶片转动的驱动力，同时还能够对涡轮叶片进行清洁，将涡轮叶片上粘连的固体物质吹落，方便发电系统的日常维护。
23.4.本发明提供的工业排烟发电系统，涡轮叶片的外表面上覆盖有防护层，用于防止烟气中的腐蚀性物质或微小固体颗粒物对涡轮叶片的损害，提升涡轮叶片在烟气环境下的使用寿命。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明的实施方式中提供的工业排烟发电系统的结构示意图。
26.图2为本发明的实施方式中提供的电机定子和电机转子配合安装的结构示意图。
27.附图标记说明：1、涡轮叶片；2、防护层；3、电机定子；4、电机轴承；5、电机转子；6、防护罩体；7、流量计；8、变频控制器；9、变频器；10、电网；11、烟囱本体；12、通气管路；13、出气口。
具体实施方式
28.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
32.实施例1
33.如图1和图2所示为本实施例提供的一种工业排烟发电系统，包括烟囱本体11、电机转子5、电机定子3和防护罩体6。
34.烟囱本体11内侧壁设置有环形的安装槽，安装槽内安装有电机定子3。烟囱本体11内安装有用于测量烟气流量的流量计7。电机转子5转动安装在安装槽内，电机转子5设于电机定子3内侧，电机转子5上安装有涡轮叶片1。电机定子3与电机转子5均设于防护罩体6内，涡轮叶片1贯穿防护罩体6以延伸至防护罩体6外。为了保证防护罩体6内部的清洁程度，防护罩体6的内腔连通有通气管路12，通气管路12冲烟囱本体11外部延伸至防护罩体6内，用于向防护罩体6内部通入清洁气体。防护罩体6朝向烟囱本体11内腔的一侧设置有出气口，出气口13至少设于涡轮叶片1的下侧。本实施例中，出气口在涡轮叶片1的上侧和下侧设置有两排。同一排的出气口13沿周向间隔设置有多个。由于工厂中工业排烟行为不会持续进行，而是间歇性的，使得工业排烟发电系统的发电过程也是间歇性的。在实际应用时，将工业排烟发电系统与压缩空气储能系统相结合，在工厂运行时将烟气能量通过发电机转换为电能，并通过压缩空气储能压缩机转化为空气压力能储存起来，在用电高峰再释放出来，通过膨胀机做功发电，能够将工厂间歇运行产生的烟气热能更合理的储存利用。工业排烟发电系统与压缩空气储能系统进行耦合后，还可以利用压缩空气储能系统提供压缩空气，将压缩空气通过通气管路通入到电机中，吹出杂质。
35.电机定子3与电网10连接，为了便于将发电系统中的电能之间并入电网10，在电机定子3与电网10之间安装有变频器9。烟囱本体内安装有流量计，流量计与变频器之间电连接，流量计与变频器之间设置有变频控制器。电机定子3与电机转子5之间安装有电机轴承4。电机轴承4为滚动轴承或电磁轴承。为了提升涡轮叶片1在烟气环境下的工作寿命，在涡轮叶片1的外表面上覆盖有防护层2。
36.电机定子3和电机转子5安装在外罩中，电机转子5呈环形，与涡轮叶片1连接为一
个整体，电机定子3通过导线与变频器9相连，变频器9通过导线与电网10相连，烟气流量计7通过变频控制器8与变频器9相连，涡轮叶片1防腐蚀层布置在叶片表面上。涡轮叶片1受到烟气气流作用时会带动电机转子5转动，旋转的电机转子5切割电机定子3磁场，形成电磁感应，产生电能，电能经过变频器9变频后符合并网条件，并入电网10。变频控制器8通过接收烟气流量计7测量到的实时烟气流量值，并根据烟气流量值利用变频器9调整涡轮叶片1的转速。
37.涡轮叶片1的几何形状根据来流压力、温度转速和出口压力参数经过设计确定；涡轮叶片1的转动速度通过变频器9实时控制，以保证该涡轮处于最佳运行效率。涡轮叶片1的截面型线可以是naca系列、clark系列、等厚度形式等。涡轮叶片1上布置有防护层2，用于防止烟气中的腐蚀性物质或微小固体颗粒物对叶片的损害。防护层2的形式可以是防磨涂料、防磨薄片等。轮缘电机转子5与涡轮叶片1的顶部集成固定，电机转子5随涡轮叶片1的旋转而转动；轮缘电机定子3则固定在烟囱本体11内部的安装槽。通过轮缘电机转子5与电机定子3之间的相对运动产生电能。发电机类型可以为同步电机，也可以为异步电机。电机轴承4用于支撑涡轮叶片1，保证涡轮叶片1能够按照旋转轴自由旋转。轴承类型可以是：滚动轴承、电磁轴承等。
38.变频器9用于将轮缘发电机发出的电能转化为工频电能以满足电网10要求。流量计7用于测量涡轮前烟气流量，给变频控制器8提供控制参数。流量计7的形式可以是：差压式流量计7、转子流量计7、节流式流量计7、涡轮流量计7、容积流量计7、电磁流量计7、超声波流量计7等。变频控制器8能够根据测得的烟气流量进行求解得到涡轮叶片1的最佳转速，并通过变频器9将转速施加到涡轮叶片1上，保证涡轮叶片1始终工作在最佳工况点上。
39.本实施例提供的工业排烟发电系统无中间转轴结构，增加了气流在涡轮内部的通流面积，提高了烟气的通流面积和涡轮的做功能力，并能够根据烟气流量调节运行参数，提高运行效率，同时将电机定子3和电机转子5设置在防护罩体6内，并保持防护罩体6内气压高于烟气气压，维持电机定子3和电机转子5清洁的工作环境。系统运行进行发电时，烟囱本体11内部空间能够完全被烟气填充，不会有转轴占据烟气通道的流通面积，使得产生的烟气能够顺利在烟囱中上升并排出，保证系统的排烟效率的同时电机转子5和电机定子3不会与烟气接触，还保证了电机定子3和电机转子5上不会附着烟气中的固态物质，使得工业排烟发电系统在保证排烟效率的同时具有较高的发电效率。系统运行时根据烟气控制涡轮转速，使其能够随时根据工况调节运行参数，保证其在最高效率点下运行。涡轮叶片1布置有防护层2，能够防止烟气中的腐蚀性物质或微小固体颗粒物对叶片的损害。
40.作为替代的实施方式，安装槽、电机转子5、电机定子3和涡轮叶片1沿烟囱本体11的轴向间隔设置有多个。变频器9数量与电机定子3数量相同以保证每组电机转子5和电机定子3发出的电能均能够充分利用。
41.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种工业排烟发电系统，其特征在于，包括：烟囱本体(11)，其内侧壁设置有环形的安装槽，所述安装槽内安装有电机定子(3)；电机转子(5)，转动安装在所述安装槽内，所述电机转子(5)设于所述电机定子(3)内侧，所述电机转子(5)上安装有涡轮叶片(1)；防护罩体(6)，所述电机定子(3)与所述电机转子(5)均设于所述防护罩体(6)内，所述涡轮叶片(1)贯穿所述防护罩体(6)以延伸至所述防护罩体(6)外。2.根据权利要求1所述的工业排烟发电系统，其特征在于，还包括通气管路，与所述防护罩体(6)的内腔连通，所述防护罩体(6)朝向所述烟囱本体(11)内腔的一侧设置有出气口。3.根据权利要求2所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述出气口至少设于所述涡轮叶片(1)的下侧。4.根据权利要求2或3所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述出气口沿周向间隔设置有多个。5.根据权利要求1至4任一项所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述安装槽、所述电机转子(5)、所述电机定子(3)和所述涡轮叶片(1)沿所述烟囱本体(11)的轴向间隔设置有多个。6.根据权利要求1至5任一项所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述电机定子(3)与电网(10)连接，所述电机定子(3)与所述电网(10)之间安装有变频器(9)。7.根据权利要求6所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述烟囱本体内安装有流量计，所述流量计与所述变频器(9)之间电连接。8.根据权利要求1至7任一项所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述电机定子(3)与所述电机转子(5)之间安装有电机轴承(4)。9.根据权利要求8所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述电机轴承(4)为滚动轴承或电磁轴承。10.根据权利要求1至4任一项所述的工业排烟发电系统，其特征在于，所述涡轮叶片(1)的外表面上覆盖有防护层(2)。

技术总结
本发明涉及能源回收利用技术领域，具体涉及一种工业排烟发电系统，包括：烟囱本体，其内侧壁设置有环形的安装槽，安装槽内安装有电机定子；电机转子，转动安装在安装槽内，电机转子设于电机定子内侧，电机转子上安装有涡轮叶片；防护罩体，电机定子与电机转子均设于防护罩体内，涡轮叶片贯穿防护罩体以延伸至防护罩体外。系统运行进行发电时，烟囱本体内部空间完全被烟气填充，不会有转轴占据烟气通道的流通面积，使得产生的烟气能够顺利在烟囱中上升并排出，保证系统的排烟效率的同时电机转子和电机定子不会与烟气接触，还保证了电机定子和电机转子上不会附着烟气中的固态物质，使得工业排烟发电系统在保证排烟效率的同时具有较高的发电效率。高的发电效率。高的发电效率。


技术研发人员：李文 王星 朱阳历 徐玉杰 陈海生
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/6/27