CN107110486A - 使用液态金属作为工作介质的锅炉及包括其的发电*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锅炉及包括该锅炉的发电***，该锅炉使用液态金属作为工作介质产生高温高压状态下的热介质。根据本发明的使用液态金属作为工作介质的锅炉是循环该工作介质以与热介质进行热交换的锅炉，并且包括：燃烧炉，向其中供应工作介质并加热；热交换部，其与该燃烧炉连接并且向其中供应在该燃烧炉中加热的工作介质；热介质注入部，其位于该热交换部中；以及供应部，其与该热交换部连接并且将该热介质供应到该热介质注入部中。在该热交换部中，供应到该热介质注入部中的热介质与所加热的工作介质进行热交换。该热介质通过热交换达到阈值点以上的高温高压状态。此外，该工作介质是液态金属。

Description

使用液态金属作为工作介质的锅炉及包括其的发电***
技术领域
本发明涉及一种锅炉，更具体地涉及一种锅炉及包括其的发电***，该锅炉使用液态金属作为工作介质生产高温高压状态下的热介质。
本发明是根据RCOE推进项目在战略与财政部支持的韩国生产技术研究院进行的，并于2015年在“应对气候变化的下一代能量生产***”的研究标题下以分配识别号EO150006进行。
背景技术
通常，用于生产蒸气或发电的锅炉中配备有许多水管，以向其中供水，获得高温高压下的蒸气，并将其用作热源或蒸汽轮机。
特别是在发电的情况下，由于使用蒸汽轮机的Rankin循环的效率随着蒸汽的温度和压力增加而增加，所以获得高温高压下的蒸汽以改善发电效率是至关重要的。
例如，在目前商业化的煤热发电的粉煤锅炉的情况下，采用主蒸汽压力为241巴、主蒸汽温度为566℃、再加热蒸汽温度为593℃的超超临界(USC)条件。为了提高效率，正在开发适用于700℃以上蒸汽温度的更高超临界(HSC)条件的锅炉。
同样，为了产生高温高压下的蒸汽，需要在锅炉内安装许多热介质注入部(或热交换管)以进行蒸汽生产。特别地，能够在温度和压力升高时承受升高的温度和压力的蒸汽条件的高温部分的热介质注入部的材料的性能是重要的。在USC锅炉的情况下，使用非常高成本的钢，但是对于HSC锅炉，能够承受更高温高压蒸汽的材料尚未商业化。
在将蒸汽保持在高温高压的部分处，传热变得特别重要，并且在生产过程中，热介质注入部的焊接耐久性和耐腐蚀性被认为是非常重要的，导致锅炉价格高昂。然而，在大多数情况下，热介质注入部发生故障，导致巨大的损坏。
同时，最近在世界各地(包括韩国)一直在努力使用二氧化碳代替水作为锅炉的工作介质。二氧化碳的临界温度和压力分别为31.04℃和72.8atm，分别在低于水的超临界温度的温度(374℃)和压力(218atm)下变为超临界状态。此外，已知使用超临界CO2作为工作介质的涡轮机相比于蒸汽轮机具有尺寸减小的效果。
然而，在常规锅炉中使用CO2时，能够承受高温高压下的超临界CO2的材料仍在研究之中。
作为常规技术的示例，韩国专利公开号2010-0104563公开了一种使用诸如油的工作介质间接地加热热介质注入部的锅炉，以解决由直接加热热介质注入部引起的问题。然而，作为用于加热热介质注入部的介质的油的沸点为约250℃和350℃之间，不可能如上所述使热介质成为超临界或超超临界状态。
发明内容
[技术问题]
在这方面，为了解决上述常规问题，已经设计了本发明。本发明提供一种锅炉以及使用其的发电***，该锅炉使用能够产生临界温度和压力或更高下的热介质的液态金属，而不会破坏其中热介质流动的热介质注入部。
[技术方案]
为了实现上述目的，根据本发明的使用液态金属作为工作介质的锅炉是使工作介质循环以与热介质进行热交换的锅炉，并且包括：燃烧炉，向其中供应所述工作介质并加热；热交换部，其与所述燃烧炉连接，并且将所述燃烧炉中加热的所述工作介质供应到燃烧炉；热介质注入部，其一侧与所述热交换部连接；以及供应部，其与所述热介质注入部的另一侧连接，并且通过所述热交换部将所述热介质供应至所述热介质注入部。在所述热交换部中，进行供应至所述热介质注入部的所述热介质与所加热的工作介质之间的热交换。所述热介质通过所述热交换达到阈值点以上的高温高压状态。此外，所述工作介质是液态金属。
将通过热交换将温度降低至预定温度以下的液态金属供应至燃烧炉，在其中加热，然后再供应至热交换部，产生液态金属的再循环。再加热液态金属的温度优选高于液态金属的熔点。
此外，作为通过使工作介质循环以与热介质进行热交换的锅炉，本发明提供了一种锅炉，其使工作介质循环以与热介质进行热交换，包括：两个以上的燃烧炉，向其中供应加热到不同温度的所述工作介质；两个以上的热交换部，其与相应数量的燃烧炉连接，并且向其中供应在每个燃烧炉中在不同温度下加热的所述工作介质；热介质注入部，其一侧将所述热介质供应至所述热交换部中具有最低温度的所述热交换部；以及供应部，其与所述热介质注入部的另一侧连接，并且向其中供应所述热介质，其中，在两个以上的热交换部中进行从所述热介质注入部的端部供应的所述热介质和所述工作介质的热交换，其中，所述热介质通过所述热交换逐渐达到阈值点以上的高温高压状态，并且所述工作介质是液态金属。
将通过所述热交换将温度降低至预定温度以下的液态金属供应至燃烧炉中在最低温度下加热的燃烧炉，再加热并再供应至热交换部中的一个，从而再循环液态金属，其中，再加热液态金属的温度优选地高于液态金属的熔点。
此外，本发明提供了一种锅炉，其使工作介质循环以与热介质进行热交换，包括：燃烧炉，向其中供应工作介质并加热；热交换部，其与所述燃烧炉连接并且将所述燃烧炉中加热的所述工作介质供应到燃烧炉；管道，其位于所述热交换部中；热介质注入部，其一侧与所述管道连接；以及供应部，其与所述热介质注入部的另一侧连接，并且将所述热介质供应至所述热交换部中的所述管道，其中，在所述热交换部中进行通过所述管道供应的所述热介质与所加热的工作介质之间的热交换，其中，所述热介质通过所述热交换达到阈值点以上的高温高压状态，并且所述工作介质是液态金属。
此外，本发明提供了一种发电***，其包括：锅炉，其使用所述液态金属作为工作介质；以及涡轮机，其用于使用阈值点以上的高温高压状态下的热介质产生电力。
液态金属优选地选自由锡、铋、铅和镓组成的组。
[有益效果]
当将液态金属作为工作介质供应至燃烧炉内的注入部(管道)时，当通过向其直接供应诸如水或二氧化碳的热介质而进行加热时产生相变，与相变有关的注入部或管道中的热应力的问题可以得到解决。特别地，可以从根本上防止热介质处于超临界状态并影响注入部材料的性能时引起的注入部件的破坏所引起的问题，从而显著提高热介质注入部的寿命。此外，本发明的优点在于，通过仅在由于液态金属和热介质的热交换而产生临界点以上的高温高压下的热介质的部分使用能够承受超超临界条件的材料，能够构成更经济的***，并且通过加热热交换部(其中存在具有恒温的液态金属)中的热介质，能够更加稳定地改善发电***的效率。此外，通过添加通过控制用作工作介质的液态金属的量和温度来将燃烧炉中产生的热量储存一段时间的功能，从而可以实现能够响应于电力需求的波动的效果。
附图说明
图1是根据一个示例性实施方式的使用液态金属作为工作介质的锅炉的示意图。
图2是根据另一个示例性实施方式的使用液态金属作为工作介质的锅炉的示意图。
图3是根据另一个示例性实施方式的使用液态金属作为工作介质的锅炉的示意图。
具体实施方式
如上所述的本发明的目的、特征和其它优点将从本发明的适当的示例性实施方式中变得更为明显。在该过程中，为了清楚和方便的解释，附图中所示的构成元件的线或尺寸的厚度可能被夸大。此外，考虑本发明中的功能来定义后述的所有术语，并且可以根据用户、操作者的意图或习惯而不同。因此，应当基于本发明的整个说明书的内容来公开这些术语的定义。
此外，所描述的示例性实施方式仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的技术范围。
使用本发明的液态金属作为工作介质的锅炉及使用其的发电***的每个构成元件可以以集成形式使用，或者分开并分别使用。此外，根据使用的形式，可以省略一些构成元件。
以下，参考附图(图1)详细说明根据本发明的示例性实施方式的使用液态金属的锅炉(为了便于说明，以下称为“锅炉”)及使用其的发电***。
图1是根据示例性实施方式的使用液态金属作为工作介质的锅炉的示意图，其中实心箭头表示液态金属的流动，虚线箭头表示热介质的流动。
如图1中所示，根据本发明的示例性实施方式的锅炉可以包括燃烧炉100、热交换部200、热介质注入部300和供应部400。
优选地通过位于燃烧炉100内的管道将工作介质供应至燃烧炉100，如图1中所示。对燃烧炉100的种类没有限制，只要其能够通过供应热量将液态金属加热至熔点以上即可。例如，作为将氧化剂供应到燃料例如煤、粉煤、油等的燃烧装置，燃烧炉能够加热工作介质。此外，作为供应的工作介质，作为本发明的特征，优选地使用液态金属。此外，对液态金属没有限制，但是可以优选地使用熔点相对低和沸点高的金属，例如锡、铋、铅、镓等。
为了在约2000℃的温度(在锡的情况下，在大气压下，熔点为约231℃，沸点为2602℃)(其是在使用空气作为氧化剂的一般锅炉中的燃烧反应中可达到的最高温度)下处于液态，液态金属可以吸收在大气压下从燃烧反应释放的所有热量，因此在制造时不需要能够承受高压的特定材料。目前，商业化材料可以自己使用。根据上述说明，燃烧炉100内的液态金属应加热至至少液态金属的熔点，从而以液态存在。
与燃烧炉100连接的热交换部200接收作为工作介质在燃烧炉100中加热的液态金属。
热介质注入部300配置在热交换部200中。热介质注入部300的一侧与热交换部200连接，并允许热介质流动，从而在热交换部200内进行热介质与液态金属的热交换。对流入其中的热介质没有限制，但是例如水或CO2可以流入。热介质通过热交换达到临界点以上的高温高压，并被释放到热介质注入部300的另一侧。由于可以流入的热介质的材料(例如水或CO2)的临界点是已知的，因此将省略其详细描述。
如上所述，与热介质注入部300的另一侧连接的供应部400将热介质供应至热介质注入部300，从而将热介质供应至热交换部200。如图1中所示，供应部400的一侧靠近燃烧炉100的一侧定位，并且能够通过使用从燃烧炉释放的废气的显热来主要对热介质进行加热，从而供应供应至热交换部200的热介质。
以下，锅炉操作的细节被描述如下：主要在供应部400中加热并供应至热介质注入部300的热介质在热交换部200内流动并穿过，在热交换部200内与液态金属进行热交换，从而达到其临界点以上的高温高压，并通过热交换部200的一侧释放。如图1中所示，由于热交换而具有降低温度的液态金属被再供应至燃烧炉100，并且可以设置泵(P)，其用于将液态金属从热交换部200供应至燃烧炉100。供应至燃烧炉100的液态金属被再加热并再供应至热交换部200。这使得液态金属连续循环，并且重复加热和热交换过程。
根据液态金属的温度和热交换的程度，加热介质的温度和压力处于临界、超临界、超超临界或更高超临界状态，并且热介质可以制造和使用期望状态的热介质。特别地，超超临界或更高超临界状态的热介质不容易通过常规锅炉的结构生产，而是可以通过使用液态金属在相对简单的制造工艺中产生。
此外，如上所述，超超临界或更高超临界状态的热介质通常需要能够承受高温高压等的材料，例如合金钢。然而，代替将热介质直接供应至锅炉以达到高温高压状态，在燃烧炉100的操作温度范围内通过以液态存在的液态金属获得热量而能够承受燃烧炉100内的高温高压的高成本管道不需要如上所述安装。通过在供应至燃烧炉100的高温下将热介质直接注入到液态金属中以达到高温高压状态的方法，可以高效率地制造出低成本蒸汽和CO2以用于发电或供热。
基于图2，将描述根据本发明的另一个示例性实施方式的锅炉。在下文中，将主要描述与上述示例性实施方式的不同之处，为了便于理解和解释本发明，将省略其它相同的构成和操作。
图2是根据本发明的另一示例性实施方式的锅炉的示意图，其中实线箭头表示液态金属的流动，虚线箭头表示热介质的流动。热交换单元内的气泡表示高温高压下的蒸发热介质。
在示例性实施方式中，可以配备两个以上的燃烧炉100和热交换部200。下面的描述公开了两个燃烧炉100和热交换部200的示例。
燃烧炉100由两个燃烧炉100即第一燃烧炉110和第二燃烧炉120组成。将每个燃烧炉100中的液态金属优选地加热到不同的温度。对温度的范围没有限制，但是如上所述，优选地将液态金属加热至至少其熔点。
配备有与燃烧炉100相对应的多个热交换部200。根据燃烧炉100的数量，配置有两个热交换部，即第一热交换部210和第二热交换部220并且将它们与各热交换部210、220连接。各热交换部210、220连接至其对应的燃烧炉110、120，从而从每个燃烧炉110、120注入在不同温度下加热的液态金属。
换句话说，将第一热交换部210连接至第一燃烧炉110，而将第二热交换部220连接至第二燃烧炉120。从第二燃烧炉120供应的液态金属可以供应至连接第一热交换部210和第二热交换部220的工作介质流动路径250。
第一热交换部210内的液态金属的温度优选地高于第二热交换部220的温度。
将热介质注入部300的一侧与第二热交换部220连接，另一侧与供应部400连接，从供应部400接受一次加热的热介质。
通过热介质注入部300供应的热介质从第二热交换部220流到第一热交换部210，逐渐达到其临界点以上的高温高压状态。此外，如果是热介质从位于第二热交换部220内的热介质注入部300释放，则有利的是具有不同温度和压力的热介质可以单独流动并被使用。
此外，由于第一热交换部210中的热交换而导致的降低温度的液态金属通过连接第一热交换部210和第二热交换部220的工作介质流动路径250流到第二热交换部。具有降低温度的液态金属用于另一次热交换并供应至第二燃烧炉120，从而改善热交换效率。
本发明的示例性实施方式公开了具有两个燃烧炉100和热交换部200作为示例的构造，但是可以配备更多的燃烧炉。此外，可以清楚地理解配备多个燃烧炉100和热交换部200的情况。
以下，基于图3说明本发明的另一个示例性实施方式的锅炉。图3是根据又一示例性实施方式的使用液态金属作为工作介质的锅炉的示意图，其中实线箭头表示液态金属的流动，虚线箭头表示热介质的流动。
如在示例性实施方式的描述中，将主要描述与上述示例性实施方式的不同之处。
在本发明的示例性实施方式中，热交换部200'位于管道201内。当管道201的一侧与热介质注入部300'连接时，从供应单元400供应热介质，并且所供应的热介质流过管道201，由此与热交换部200'内的液态金属进行热交换。
因此，与直接加热的方法相比，由于在热交换部200的液态金属内的温度相对一致的状态下间接加热管道201，所以不太可能由于热和压力而发生破坏，并且不会受到由于热量高而引起的松弛或结垢以及腐蚀性气体例如含氯化合物或其它硫化合物而导致的传热屏障的影响，从而获得显著地延长管道201的使用寿命的效果。
此外，在上述示例性实施方式中，可以配备连接至热交换部200的一侧(上述另一示例性实施方式中的管道201的另一侧)并使用从其释放的热介质来发电的涡轮机，并且用于发电***。
在使用蒸汽的涡轮机的情况下，由于热介质即蒸汽处于较高的温度和压力下，不仅其效率提高，而且涡轮机本身的尺寸也减小。如上所述，根据本发明的锅炉可以产生超超临界到更高超临界状态的热介质，其高于其临界点，因此能够构造高效率的发电***。
如上所述，根据本发明的锅炉的优点在于，它使用液态金属产生高温高压状态下的热介质，从而解决了起因于直接加热热介质的问题，并且可以相对容易地间接产生其临界点以上的高温高压状态下的热介质。此外，通过使用由其产生的热介质发电，可以构造效率大幅提高的发电***。
尽管已经描述和示出了本公开的实施方式，但本公开并不限于具体实施方式，而是在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下可以由本领域技术人员以各种方式进行变形，并且这样的变形不应与本公开的技术特征和前景分开解释。
(附图标记说明)
100：燃烧炉
110：第一燃烧炉
120：第二燃烧炉
200、200'：热交换部
201：管道
210：第一热交换部
220：第二热交换部
300、300'：热介质注入部
400：供应部

Claims (7)

1.一种锅炉，其使工作介质循环以与热介质进行热交换，包括：
燃烧炉(100)，向其供应的所述工作介质在其中加热；
热交换部(200)，其与所述燃烧炉(100)连接并且将所述燃烧炉(100)中加热的所述工作介质供应到所述燃烧炉(100)；
热介质注入部(300)，其一侧与所述热交换部(200)连接；以及
供应部(400)，其与所述热介质注入部(300)的另一侧连接并且通过所述热介质注入部(300)将所述热介质供应至所述热交换部(200)，
其中，在所述热交换部(200)中，在供应到所述热介质注入部(300)中的所述热介质与所加热的工作介质之间进行热交换，
其中，所述热介质通过所述热交换达到阈值点以上的高温高压状态，并且所述工作介质是液态金属。
2.根据权利要求1所述的锅炉，其中，将通过所述热交换而降低至低于预定温度的所述液态金属供应至所述燃烧炉(100)，将液态金属再加热并再供应至所述热交换部(200)，从而使所述液态金属再循环，
其中，再加热所述液态金属的温度高于所述液态金属的熔点。
3.一种锅炉，其使工作介质循环以与热介质进行热交换，包括：
两个以上的燃烧炉(100)，向其中供应加热到不同温度的所述工作介质；
两个以上的热交换部(200)，与相应数目的燃烧炉(100)连接并且向其供应在每个燃烧炉(100)中在不同温度下加热的所述工作介质；
热介质注入部(300)，其一侧将所述热介质供应至所述热交换部(200)当中具有最低温度的所述热交换部(220)；以及
供应部(400)，与所述热介质注入部(300)的另一侧连接并且向其供应所述热介质，
其中，在两个以上的热交换部(200)中，从所述热介质注入部(300)的端部供应的所述热介质与所述工作介质进行热交换，
其中，所述热介质通过所述热交换而逐渐达到阈值点以上的高温高压状态，并且所述工作介质是液态金属。
4.根据权利要求3所述的锅炉，其中，将通过所述热交换降低至低于预定温度的所述液态金属供应至所述燃烧炉(100)当中在最低温度下加热的燃烧炉(120)，将液态金属再加热并再供应至所述热交换部(200)中的一个，从而使所述液态金属再循环，
其中，再加热所述液态金属的温度高于所述液态金属的熔点。
5.一种锅炉，其使工作介质循环以与热介质进行热交换，包括：
燃烧炉(100)，向其中供应所述工作介质并加热所述工作介质；
热交换部(200')，其与所述燃烧炉(100)连接并且将所述燃烧炉(100)中加热的所述工作介质供应到所述燃烧炉(100)；
管道(201)，其位于所述热交换部(200')中；
热介质注入部(300')，其一侧与所述管道(201)连接；以及
供应部(400)，与所述热介质注入部(300')的另一侧连接并且将所述热介质供应至所述热交换部(200')中的所述管道(201)，
其中，在所述热交换部(200')中，通过所述管道201供应的所述热介质与所加热的工作介质之间进行热交换，
其中，所述热介质通过所述热交换达到阈值点以上的高温高压状态，并且所述工作介质是液态金属。
6.一种发电***，包括：
锅炉，其使用根据权利要求1至5中任一项所述的液态金属作为工作介质；以及
涡轮机，其用于使用阈值点以上的高温高压状态下的热介质产生电力。
7.根据权利要求5所述的发电***，其中，所述液态金属选自由锡、铋、铅和镓组成的组。
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