碱金属热电转换高效率垃圾发电

 

一、概述

碱金属热电转换是利用”- Al2O3固体电解质的离子导电性、用钠作工质，以热再生浓度差电池过程为工作原理的热电能量直接转换新技术。碱金属热电转换器(Alkali Metal Thermal to Electric Converter, AMTEC)则是一种面积型发电器件，它无运动部件、无噪声、无需维护，可以和温度在600° C至900° C范围任何形式的热源相结合，构成模块组合式发电装置，满足不同容量负载的要求，热电转换效率可超过30%，而且具有排热温度较高(300° C上下)的特点。

与垃圾气化熔融技术相结合，构成高效率垃圾发电系统，是碱金属热电转换技术的重要应用方向，碱金属热电转换高效率垃圾发电将在我国方兴未艾的垃圾发电技术发展中占有重要的地位。

本报告介绍碱金属热电转换器的基本原理及国内外发展概况；评述国外垃圾发电技术的发展动向，并探讨我国垃圾发电的发展战略；提出”十五”期间开发碱金属热电转换高效率垃圾发电系统的建议。

二、碱金属热电转换器的工作原理及发展概况

AMTEC的工作过程可以参照图1来说明。AMTEC是一个充有少量钠的密闭容器，由厚度约1毫米的 ”- Al2O3固体电解质和电磁泵将其分隔成压力不同的两部分。在高压侧，工质钠被热源加热，在钠与固体电解质的交界面，由压力差决定的化学势梯度驱使钠离子透过 ”- Al2O3向低压侧的电解质- 多孔电极界面迁移，负载开路时，在b ”- Al2O3两侧便形成电动势，这一过程和浓度差电池类似，因而，AMTEC的空载电压由能斯特方程决定。负载接通时，电子从高压侧经外电路到达多孔电极处，与离子复合成钠原子，然后 图1。AMTEC的工作原理

钠以蒸气相穿过低压空间到达冷凝器，凝结的液钠则由电磁泵送回高压侧。实质上，”- Al2O3在能量转换过程中起着选择性渗透膜的作用，而AMTEC是工质钠通过固体电解质等温膨胀做功的热机。

 

图2表示在热源温度1150K、冷源温度500K、”- Al2O3壁厚为1毫米、考虑器件的内部损失时，AMTEC的效率随电流密度的变化。当不可逆过程造成的损失为0.2瓦¤ [ 厘米] 2时，效率峰值为35%，对同样温度范围的卡诺循环效率的比值达62%。所谓不可逆过程,主要是多孔电极表面向冷凝器表面的热辐射以及通过构件的热传导。与同样是直接发电器件的热电半导体发电器不同的是，对于后者，热传导是一种本征损失，而对AMTEC，可以靠精心设计把这类不可逆损失降低到最低限度，这是AMTEC具有高效率的重要原因。图2所示的分析结果表明，如果把损失抑制到0.02瓦¤ [ 厘米] 2 ，那么理论效率将达45%。

迄今用于AMTEC的”- Al2O3都是管材，外径从7毫米至30毫米不等，壁厚最薄的做到0.7 图2。考虑不可逆损失时的效率

毫米。AMTEC是低电压器件，单管器件的空载电压约为1.5伏，按电极表面积计算的功率密度达0.5~ 1.0瓦¤ [ 厘米] 2。在实际使用时，靠多管单元的适当组合来满足负载的要求。每个单元由多根”- Al2O3管构成，在电气上串联连接。

碱金属热电转换器是1968年见于美国专利的新概念，美国福特汽车公司和美国宇航局喷气推进实验室是研究、开发AMTEC的先驱，先后取得了一系列重要进展：以单管实验器件效率19%验证了理论的可靠性;36管实验装置发电1千瓦;用电磁泵加压的实验装置连续发电14000小时;用毛细吸液芯加压的模块式器件连续稳定发电11000小时。

 

九十年代起，美国先进模块电源系统( AMPS) 公司则以令人瞩目的研究成果大大推动了AMTEC商用化的进程。用5至7根直径7毫米”- Al2O3管构成的器件已经在AMPS公司进行试生产，器件单元输出4瓦左右，其应用领域为空间电源、余热发电和热电联产 图3。单管实验器件

等等。图3是AMPS公司制作的单管器件进行模拟试验的照片。在多管单元运行特性研究和可靠性试验的基础上，AMPS设计了净输出500瓦的AMTEC装置作为住户微型热电联产系统的原型；与此同时，他们正在为欧洲的公司制造容量为350瓦、利用供暖锅炉余热的发电装置原型，并进行了35千瓦系统的设计研究，初步结果表明，35千瓦系统的尺寸仅为0.7立方米。

 

图5 单管实验器件的伏安特性

图4 单管实验装置的外观

中国科学院电工研究所从1994年起，先后在国家自然科学基金和国防科工委科技预研基金的支持下，并与中国科学院上海硅酸盐研究所的密切配合，在国内率先开展碱金属热电能量直接转换技术的应用研究，建立了热电转换器件实验室和薄膜电极制备、器件封接用的工艺装备，开展了多孔薄膜电极制备、单体封接、集流栅设计和工质循环技术等关键技术的研究和实用化多管器件的设计及工艺研究，取得了显著进展。单管实验器件达到了能够重复运行多次、累计发电2小时、峰值功率8.85瓦、功率密度0.9瓦¤ [ 厘米] 2的水平。为进一步进行碱金属热电转换垃圾发电的研究创造了良好的条件。图4、图5和图6分别为热电转换器件实验室、单管实验器件伏安特性和实用化多管单元的外观。

 

图6.多管实验器件实体

图7.系统流程图

三、国外垃圾发电技术的发展动向和我们的战略

随着国民经济的发展和生活水平的提高，垃圾处理日益成为环保的重要课题，迄今，处理垃圾的方法不外乎深埋、焚化和回收利用，利用垃圾焚化炉所产生的热来发电，是垃圾处理的重要方向，从发展看，垃圾发电将是形成分散型电源系统和电力生产一次能源多元化的重要内容。国外垃圾发电发展得最快的是美国、德国和日本。据1995年的数据，美国垃圾发电厂有114座，总容量达2650兆瓦，居世界第一位。居第二位的是德国，1993年已有垃圾发电厂50座，总容量1000兆瓦。日本的垃圾发电厂数量多达149座，但总容量仅有557兆瓦。美国垃圾发电的平均效率也居世界首位，达22%，德国的达17%，日本9%。除了垃圾的成分、性质方面的原因，平均效率方面的差别也反映了建设垃圾发电厂的立足点的不同。迄今为止，日本的垃圾焚化占垃圾处理总量的75%，但是，用于发电的焚化装置只占垃圾焚化装置总数的8%；日本从1965年起就有垃圾发电厂投入使用，主要着眼于环境保护，通产省、环境厅、自治省和厚生省设立有补助金。大部分垃圾发电厂锅炉出口蒸汽参数比较低，一般为250° C、20大气压左右。另一方面，美国和德国的垃圾处理以深埋为主(占60%)，焚化在美国垃圾处理总量中只占15%，德国稍高，占30%，但是，焚化装置几乎全部用于发电(美国的垃圾发电厂占焚化装置总数的78%，若按垃圾处理量计算，占93%；德国则接近100%)。因为政府不予财政补贴，他们在兼顾环保效果的同时，比较注重经济效益，多采用高温高压蒸汽运行条件(比如500° C、90大气压)，以期达到高效率。

近年来，特别是日本，一方面，从分散型电源在未来电力生产中的地位着眼，开始强调高效率垃圾发电的重要性，并且已经把垃圾发电纳入了1994年制订的新能源导入大纲，到2000年，垃圾发电总容量将达2000兆瓦，而到2010年将为4000兆瓦。另一方面，从抑制二恶英排放和重金属的排出水平、节省焚化后灰的处理场地考虑，从环保的角度对垃圾发电系统提出了更高的要求。

提高垃圾发电效率的方法很多，例如，采用耐腐蚀新材料来提高余热锅炉的工作温度；采用二次燃烧来提高蒸汽的参数；用燃气轮机组成联合循环等等。从技术发展趋势看，垃圾的气化熔融技术受到极大的关注，因为它在实现高效率的同时，还能抑制二恶英排放，并达到灰的减容化和排气的无害化。

气化熔融系统把垃圾的焚化和余灰的熔融在一个流程中完成，它具有下列优点：

(1)可以用垃圾的燃烧热来使余灰熔融，基本不需要外部热源。

(2)可以采用低空气比燃烧，排气量减少。

(3)燃烧温度高达1000~ 1300° C，可使二恶英分解，而且，因为前驱物质减少，再合成的量也少。

(4)可以在气化部分的出口分离金属以作再生利用。

德国是研究开发气化熔融技术的主要国家，西门子公司开发的日处理量480吨的系统，已于1997年春投入商用试运行。此外，据今年4月份OHM杂志报道，日本从事气化熔融技术开发的厂家已经超过20家，例如，NKK公司就从1996年起开始了日处理量24吨装置的验证试验。

我国的垃圾发电技术的发展还刚刚起步，然而却有迫切的需求和广阔的市场。借鉴发达国家的经验，我们应该在起步阶段就考虑垃圾焚化和发电结合，并且十分注意经济效益和社会效益并重，积极安排气化熔融处理技术和高效率发电新技术的研究与开发。

四、开展碱金属热电转换高效率垃圾发电技术研究的建议

实际上，在试图以提高燃烧温度来提高垃圾发电效率的场合，都可以考虑用碱金属热电转换器取代传统的动力设备，而达到所期望的性能指标。从发展着眼，将碱金属热电转换技术与垃圾的气化熔融技术相结合，是构成高效率垃圾发电系统极有前景的方案。碱金属热电转换器的受热面可以直接与高温烟气流接触，发电装置设在熔融炉排烟部分的炉壁上，直接把燃烧热转换成电能。这样，就省去了余热锅炉、汽轮发电机组以及蒸汽循环所需的附属设备。参照AMPS的估计，0.75兆瓦的AMTEC发电装置，体积约为15立方米。另一方面，0.75兆瓦汽轮发电机组的尺寸为24立方米，而与之匹配的余热锅炉(出口蒸汽参数设为300° C、13大气压)的尺寸则超过300立方米。因此，所建议的高效率垃圾发电系统在构成上的优点显而易见。图7是碱金属热电转换高效率垃圾发电系统的构成，在此系统中，垃圾的热解在流化床型气化炉中完成；AMTEC考虑用空气冷却，即，发电装置的排热可以用来预热气化炉的燃风或熔融炉的补燃风。当然，还可以有各种具体方案，包括余热利用，都需要进行详细的比较研究。建议国家科技部组织有关单位进行方案论证，确定项目和选题。

建议我国在“十五”期间开展碱金属热电转换垃圾发电系统关键技术的研究开发，并建成日处理量10吨级的试验装置，进行电厂效率的验证，为在2010年建成中试系统积累必要的数据，进行技术准备。主要研究内容如下。

(1)垃圾气化熔融机制和过程参数选择。

(2)气化炉和熔融炉装置的优化设计。

(3)余热利用、金属类物质的回收环节的设计。

(4)AMTEC发电装置的设计和可靠性试验。

(5)AMTEC发电装置的功率调节。

(6)AMTEC－垃圾发电系统技术经济评价。

我国“九五”期间，垃圾焚化、发电研究已经有了良好的开端，碱金属热电转换器的研究已经有了较好的基础，相信经过“十五”的努力，我国将在高效率垃圾发电技术的发展上走出自己的路。

参考文献

童建忠、倪秋芽，一种独特的热电能量直接转换器件¾ 碱金属热电转换器(AMTEC)，电工电能新技术，1993年第1期
Rahul Mital, et al., Micro-Cogen AMTEC Systems for Residential and Transportation Opportunities, Proceedings of 33rd IECEC, Colorado Springs,CO, August 2-6, 1998
都市型分散电源系统，(日本)电气学会技术报告，第609号，1996年10月
废弃物发电的内外动向和气化熔融技术，OHM，1998年 No.1
许萃群，余热发电，上海科技出版社，1981年版