太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

中國(guó)的固體發(fā)芽法采用了間歇式氯仿桶，蒸汽的加熱溫度為150250c。在操作過程中，采用燃煤鍋爐產(chǎn)生蒸汽作為水源。許多裝置分散，固體殘?jiān)y以處理，熱能利用不經(jīng)濟(jì)。結(jié)合固態(tài)發(fā)酵法白酒連續(xù)蒸餾及酒糟連續(xù)干燥裝置,設(shè)計(jì)開發(fā)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng),以太陽(yáng)能為能源產(chǎn)生蒸汽作為加熱介質(zhì),體現(xiàn)其節(jié)能、低碳、環(huán)保等特點(diǎn)。1蒸汽發(fā)生器內(nèi)的汽化太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器和蒸汽發(fā)生器等組成,集熱器用于吸收太陽(yáng)輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能傳遞給傳熱工質(zhì)(如導(dǎo)熱油),傳熱工質(zhì)升溫后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器內(nèi)與受熱工質(zhì)(水)進(jìn)行換熱,受熱工質(zhì)沸騰汽化產(chǎn)生蒸汽,換熱后的傳熱工質(zhì)的溫度降低而后流回太陽(yáng)能集熱器中進(jìn)行循環(huán)。吸收器中的工質(zhì)水依次經(jīng)歷過冷水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽5個(gè)階段。循環(huán)過程中濕蒸汽中的水與蒸汽在汽水分離器中分離,未蒸發(fā)的水經(jīng)循環(huán)管路送回集熱系統(tǒng),分離出的蒸汽經(jīng)過熱段進(jìn)一步加熱到所需要的溫度后即可用于蒸餾及干燥過程。2能源蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱、蓄熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)以及輔助蒸汽系統(tǒng)等組成(見圖1)。2.1聚光器單元及支撐結(jié)構(gòu)采用拋物面槽式線聚焦,由反射鏡、支撐結(jié)構(gòu)、跟蹤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成,多個(gè)聚光器同軸安裝,組成聚光器單元。反射鏡由熱彎成型的玻璃板組成。鏡面為在低鐵浮法玻璃的背面用銀鍍,再覆蓋多層保護(hù)膜。反射鏡能將97%的反射光反射到線性接收器上。支撐結(jié)構(gòu)必須滿足對(duì)整體剛度、強(qiáng)度及抗風(fēng)性能的要求,便于對(duì)聚光器的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)連接跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。聚光器主要技術(shù)參數(shù)見表1。2.2電機(jī)和光學(xué)等的跟蹤采用單軸跟蹤方式,拋物面槽式集熱器南北軸傾斜放置,聚光器繞垂直固定軸通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)東西向180度自動(dòng)跟蹤,南北向間歇手動(dòng)調(diào)整跟蹤。采用聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行太陽(yáng)光跟蹤,由多個(gè)獨(dú)立的聚光槽通過列連桿、鉸鏈組成一列;多個(gè)列通過行連桿、鉸鏈聯(lián)動(dòng)后組成陣列,即使用一套跟蹤動(dòng)力裝置可帶動(dòng)多個(gè)聚光槽同時(shí)、同程、同向跟蹤太陽(yáng)光。2.3涂層和金屬結(jié)構(gòu)采用直通式真空管,真空管內(nèi)的金屬吸熱管芯外鍍高性能耐高溫選擇性吸收涂層Cu/Cr-Ni-Al-N/AlN,涂層耐溫500℃。金屬吸熱管芯外套真空玻璃管,玻璃管表面采用減反射技術(shù),可提高太陽(yáng)光的透過率,使之達(dá)到93%以上。桑達(dá)SEIDO6-Ⅲ直通式真空管技術(shù)參數(shù)見表2。2.4壓力和速度有小的特性傳熱介質(zhì)導(dǎo)熱油在較低的壓力下可獲得較高的工作溫度,高溫運(yùn)行時(shí)壓力較小;具有較低的凝固點(diǎn)和較高的沸點(diǎn)與閃點(diǎn);具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱;具有較低的酸值和殘?zhí)?腐蝕性小;可進(jìn)行穩(wěn)定的傳熱和精確的溫度調(diào)節(jié)。選擇BD-350高溫導(dǎo)熱油,其主要參數(shù)見表3。2.5蓄熱裝置設(shè)計(jì)蓄熱器內(nèi)置導(dǎo)熱油與鵝卵石,導(dǎo)熱油用作載熱工質(zhì),鵝卵石用作儲(chǔ)熱介質(zhì)。鵝卵石的平均直徑為30~60mm。2.6水蒸汽的產(chǎn)生和壓力的控制采用沉浸式蒸汽發(fā)生器,見圖2。管內(nèi)流動(dòng)導(dǎo)熱油;水在螺旋盤管外定壓沸騰汽化。根據(jù)所需的水蒸汽溫度,利用壓力控制裝置使鍋筒內(nèi)保持一定的壓力;導(dǎo)熱油經(jīng)強(qiáng)制對(duì)流將熱量傳遞至管壁,管壁再將熱量傳遞到不飽和水,不飽和水吸收熱量后升溫至沸點(diǎn)成飽和水,飽和水繼續(xù)吸熱產(chǎn)生水蒸汽,并排出鍋筒外。在蒸汽發(fā)生器的蒸汽出口處安裝自力式壓力調(diào)節(jié)閥,對(duì)出口蒸汽的壓力進(jìn)行控制,使產(chǎn)生的蒸汽符合工藝要求。當(dāng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力超過規(guī)定值時(shí),安全閥自動(dòng)開啟;當(dāng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力回降到工作壓力時(shí),安全閥自動(dòng)關(guān)閉。蒸汽發(fā)生器安裝兩個(gè)水位計(jì):電感浮球液位計(jì)和透反射式雙色水位計(jì),前者用來(lái)控制液位,后者用來(lái)顯示液位。在蒸汽發(fā)生器的出口處安裝溫度變送器及壓力變送器,其信號(hào)與數(shù)據(jù)采集儀相連接,每隔一段時(shí)間記錄1次,并顯示在計(jì)算機(jī)上,可實(shí)時(shí)監(jiān)控所產(chǎn)生蒸汽的溫度和壓力。2.7蒸汽分離器打水補(bǔ)水系統(tǒng)主要由輕型立式多級(jí)離心泵、液位控制儀、蓄水箱、止回閥及閘閥等組成(見圖3)。其作用是保證蒸汽蒸發(fā)器水位處于正常水位。當(dāng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)水位低于一定位置時(shí),液位控制儀控制水泵開啟打水,當(dāng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)水位高于一定位置時(shí),液位控制儀控制水泵關(guān)停。水泵必須達(dá)到一定的揚(yáng)程才能將水打進(jìn)蒸汽發(fā)生器。在水泵前設(shè)置1個(gè)蓄水箱,在停水時(shí)仍能保證持續(xù)供水。2.8輔助蒸汽系統(tǒng)當(dāng)蓄熱器的容量無(wú)法滿足生產(chǎn)中長(zhǎng)期并且持續(xù)的用熱需求時(shí),可利用輔助蒸汽系統(tǒng)供應(yīng)蒸汽。對(duì)于用熱需求缺口較小的情況,可采用太陽(yáng)能發(fā)電加熱輔助蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。3能源蒸汽系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算3.1金屬吸熱芯管能量平衡方程集熱器傳熱過程見圖4,集熱器吸收的太陽(yáng)有效輻射能,一部分轉(zhuǎn)換為集熱管內(nèi)導(dǎo)熱油的熱能QU,另一部分為熱損失QL(主要包括金屬吸熱芯管向玻璃管的輻射熱損失、玻璃管向周圍環(huán)境的輻射及對(duì)流熱損失)。金屬吸熱芯管能量平衡方程:式中:Ib——聚光跟蹤的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,W/m2;ρ——聚光器反射鏡的鏡面反射率;τα——玻璃管的透射率與金屬吸熱芯管上選擇性吸收涂層吸收率之積;γ——光學(xué)采集因子,即由聚光器反射聚焦的太陽(yáng)輻射能被接收器實(shí)際采集的部分;BL——聚光器的開口面積(B為聚光器的開口寬度,L為聚光器的長(zhǎng)度),m2;UL——集熱器的熱損失系數(shù),W/(m2·℃);太陽(yáng)能集熱器的熱損失系數(shù):式中:hp-g——金屬吸熱芯管向玻璃管的輻射換熱系數(shù),W/(m2·℃);hg-a——玻璃管向周圍環(huán)境的輻射換熱系數(shù),W/(m2·℃);3.2太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)使用地區(qū)的結(jié)果太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的總熱效率η與集熱器熱效率η1、導(dǎo)熱油回路熱效率η2及蒸汽發(fā)生器熱效率η3之間關(guān)系為:η=η1×η2×η3。集熱器總熱效率η1為有用能量QU與太陽(yáng)有效輻射能QS之比:式中各參數(shù)見表4,當(dāng)中通式真空集熱管中金屬吸熱芯管工作溫度為350℃時(shí),散熱損失為200W/m2。例如該系統(tǒng)使用地區(qū)為淮安,由文獻(xiàn)可知,當(dāng)?shù)靥?yáng)能平均總輻射量為4322.65~4895.97MJ/m2,年日照時(shí)數(shù)為2076h,則可以估算當(dāng)?shù)仄骄?yáng)輻射強(qiáng)度:集熱器總體熱效率:導(dǎo)熱油回路熱效率η2為螺旋盤管中換熱量與太陽(yáng)能集熱器吸熱管內(nèi)的導(dǎo)熱油吸收的總熱量之比。若導(dǎo)熱油在太陽(yáng)能集熱器中由190℃加熱到310℃,在蒸汽發(fā)生器的螺旋盤管中由300℃冷卻到200℃,其中太陽(yáng)能集熱器熱端到螺旋盤管熱端以及螺旋盤管冷端到太陽(yáng)能集熱器冷端的10℃溫差來(lái)自于中間管路的散熱損失。則熱油回路熱效率η2:導(dǎo)熱油的熱量經(jīng)過螺旋盤管傳遞到蒸汽發(fā)生器內(nèi)使水汽化產(chǎn)生蒸汽。在此過程中,一部分能量通過蒸汽發(fā)生器的保溫層、儀表、支座及各管路接口散失到環(huán)境中。蒸汽發(fā)生器熱效率η3為最終以蒸汽形式獲得的熱量與螺旋盤管中換熱量之比。經(jīng)測(cè)定,蒸汽發(fā)生器熱效率η3為0.8,則太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)總熱效率為:3.3太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)此連續(xù)蒸餾裝置酒醅處理能力為mt=34473.6kg/h,酒醅產(chǎn)酒率為4.1%,則原酒產(chǎn)率為:mj=34473.6×4.1%=1413.4kg/h。生產(chǎn)1t原酒約需消耗7t蒸汽,則蒸餾裝置消耗蒸汽量為:mg=1413.4×7=9893.8kg/h。蒸汽發(fā)生器運(yùn)行壓力為0.8MPa,給水為20℃過冷水,產(chǎn)生的蒸汽為170℃飽和蒸汽,則蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽需要消耗的能量為:導(dǎo)熱油在蒸汽發(fā)生器的螺旋盤管內(nèi)由300℃冷卻到200℃,則螺旋盤管中導(dǎo)熱油的流量為:太陽(yáng)能集熱器吸收的太陽(yáng)輻射能為:集熱器總面積:At=nBL=346×5.77×12=23957m2與該連續(xù)蒸餾裝置相配套的太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見圖5。在淮安地區(qū)平均太陽(yáng)能輻照條件下,與該蒸餾裝置相配套的太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)需要安裝346個(gè)集熱器單元,集熱器總面積為23957m2。安裝時(shí),也可將太陽(yáng)能和常規(guī)能源工業(yè)鍋爐同時(shí)使用,通過太陽(yáng)能生產(chǎn)熱水,自動(dòng)注入保溫水箱,水箱內(nèi)的熱水進(jìn)入鍋爐受熱產(chǎn)生蒸汽。關(guān)于太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器在白酒蒸餾過程的生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用個(gè)例另文轉(zhuǎn)述。4太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)4.1白酒企業(yè)利用太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)替代常規(guī)能源的工業(yè)鍋爐可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,具有清潔、無(wú)污染、輻射功率大、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。4.2選擇拋物面槽式聚光器及直通式真空管集熱器,以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的間接換熱蒸汽發(fā)生系統(tǒng),產(chǎn)生150~250℃的蒸汽,可滿足白酒生產(chǎn)企業(yè)需要。4.3在淮安地區(qū)太陽(yáng)能輻照條件下,集熱器熱效率為75%,太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的總熱效率η可達(dá)50%。4.4用于該連續(xù)蒸餾裝置的太陽(yáng)能蒸汽發(fā)