一种基于氢氧燃烧的蒸汽发生器、系统及方法

本发明涉及蒸汽发生领域，尤其涉及一种基于氢氧燃烧的蒸汽发生器、系统及方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、蒸汽是工业发展的重要动力，工业蒸汽可以用于机械驱动、加热、发电、清洗和消毒等。我国工业蒸汽主要以煤炭、天然气等作为燃料，用锅炉生产。燃料在炉子内燃烧产生高温烟气，高温烟气通过导热、对流方式将烟气热量传递到金属管内的水中，热水经过加热变成一定温度、压力的蒸汽。常规蒸汽生产过程传热过程多，时滞大，存在污染、二氧化碳排放等问题。为了降低蒸汽生产过程燃煤消耗及污染排放，电锅炉、电力蒸汽发生器等装置相继开发使用，如发明公开号为cn107763594a提出的蒸汽发生装置即是以电加热装置对贮水室内的水进行加热产生蒸汽。又如申请号为cn202010158708.5提出的一种热电机组电蓄热供应工业蒸汽系统及工作方法，采用热电机组低价厂用电或调峰调频富余电力供电加热蓄热介质，然后在工业蒸汽换热发生器中采用热介质加热给水产生蒸汽。再如申请号为cn202211319518.2提出的一种宽域熔盐蒸汽发生系统及运行方法，将火电机组蒸汽存储于熔盐储热系统中，然后通过热熔盐以及电加热器产生工业蒸汽。然而这些装置均是通过电加热水的形式产生蒸汽，无法产生高温高压的高品质蒸汽，且存在响应速度慢、容量低以及效率偏低的劣势，难以满足工业蒸汽需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于氢氧燃烧的蒸汽发生器、系统及方法。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种基于氢氧燃烧的蒸汽发生器，包括壳体、进口双向活塞、出口双向活塞和驱动机构，其中，

4、所述壳体内设置有第一燃烧室和第二燃烧室，每个燃烧室均设置有进口和出口，且内部设置有点火器；

5、进口双向活塞安装于燃烧室的进口侧，其两端均设置有气门，且气门的设置方向相反，分别与两燃烧室的进口配合；

6、出口双向活塞安装于燃烧室的出口侧，其两端均设置有气门，分别与两燃烧室的出口配合；

7、驱动机构用于驱动进口双向活塞和出口双向活塞运动，将两燃烧室的进口交替打开，且对于同一燃烧室，进口和出口交替打开；

8、氢氧混合气体在两燃烧室交替燃烧，由于氢气作为燃料的高热值特性以及氢气和氧气在燃烧室密闭空间内的燃烧过程，不间断产生高温高压蒸汽。

9、氢气作为一种高能量密度、高能量品质的清洁能源，随着其存储和运输技术上的日益成熟，逐渐受到重视。氢能的生产方式包括电解水制氢、化石燃料制氢以及甲醇甲烷制氢等，随着谷电电价的下调以及制氢工艺的发展，氢气制备成本越来越低，促进了氢能的转化利用。氢气不仅蕴含高品质化学能，还是一种高热值燃料，其与氧气反应所产生的蒸汽温度高达2000℃以上，且产物无污染，适合作为高品质热源及动力源。

10、发明人在尝试采用氢气作为燃料制备工业蒸汽时发现，如果在氢气燃烧过程中连续向外输送高温高压气体时，由于氢气为气体，当其燃烧不充分时会随高温高压气体一同外排，造成严重的安全隐患。

11、所以需要将氢气充分燃烧得到高温高压蒸汽，再将燃烧室内的高温高压蒸汽外排，在该种情况下，采用单一燃烧设备时，无法连续提供高温高压蒸汽，进而难以连续维持工业应用。而采用多台燃烧设备时，则会存在燃烧设备体积大、占用空间大以及设备投资大等弊端。

12、本发明的蒸汽发生器，在同一壳体内至少设置有两个燃烧室，利用进口双向活塞择一打开燃烧室的进口，同时该燃烧室的出口关闭，使得氢气和氧气可以在一个燃烧室内燃烧的同时，将另一个燃烧室中得到的高温高压气体逐渐外排，通过控制燃烧和外排在两个燃烧室内交替进行，实现了氢气燃烧蒸汽的连续供给。

13、在一些实施例中，第一燃烧室和第二燃烧室的进口管道上设置有逆止阀。以防止燃烧室内的高温高压蒸汽回流，造成危险。

14、在一些实施例中，还包括连杆，连杆的中部铰接于壳体上，连杆的两端分别与进口双向活塞和出口双向活塞的端部铰接，连杆与驱动机构连接。

15、连杆的两端分别与进口双向活塞和出口双向活塞的端部连接，通过驱动机构带动连杆运动，进而可以带动两活塞反向运动，在该种情况下可以实现择一打开燃烧室进口，同一燃烧室的进口和出口交替打开。而且该种结构较为简单，可以有效节省空间。

16、在一些实施例中，每个燃烧室的进口位于燃烧室的端部，且点火器位于进口处。采用该种设置方式便于在通入氢气和氧气的同时将氢气点燃，更有利于氢气的充分燃烧。

17、在一些实施例中，进口双向活塞上套设有第一缓冲元件，第一缓冲元件的中部与进口双向活塞连接，第一缓冲元件的两个端部自由设置，所述壳体上设置有第一承接部和第二承接部，第一承接部和第二承接部分别位于第一缓冲元件的两端。当进口双向活塞往复运动时，第一承接部和第二承接部可以承接第一缓冲元件，用于对进口双向活塞缓冲。

18、缓冲元件可以是弹簧等。

19、在一些实施例中，进口双向活塞上套设有第一缓冲元件，第一缓冲元件的中部与进口双向活塞连接，第一缓冲元件的两个端部分别与壳体连接。

20、在一些实施例中，出口双向活塞上套设有第二缓冲元件，第二缓冲元件的中部与出口双向活塞连接，第二缓冲元件的两个端部自由设置，所述壳体上设置有第一承接部和第二承接部，第一承接部和第二承接部分别位于第二缓冲元件的两端。当出口双向活塞往复运动时，第一承接部和第二承接部可以承接第二缓冲元件，用于对出口双向活塞缓冲。

21、在一些实施例中，出口双向活塞上套设有第二缓冲元件，第二缓冲元件的中部与出口双向活塞连接，第二缓冲元件的两个端部分别与壳体连接。

22、在一些实施例中，所述壳体内壁为中空结构。中空结构在保证壳体承压的前提下，可以有效防止热量散失以及对蒸汽发生器减重。

23、第二方面，本发明提供一种基于氢氧燃烧的蒸汽发生系统，包括储氢罐、储氧罐、混合器和所述蒸汽发生器，储氢罐和储氧罐均与混合器的进口连接，混合器的出口与蒸汽发生器的第一燃烧室和第二燃烧室的进口连接。

24、在一些实施例中，储氢罐与混合器之间的连接管道上设置有氢气压力控制阀门，储氧罐与混合器之间的连接管道上设置有氧气压力控制阀门。

25、在一些实施例中，所述混合器还与低品质蒸汽源连接，利用氢氧燃烧产生的高温高压蒸汽来提高低品质蒸汽的温度，从而满足工业、供暖用汽需求。

26、第三方面，本发明提供一种基于氢氧燃烧的蒸汽发生方法，包括如下步骤：

27、氢气和氧气按比例混合，得到混合气；

28、驱动机构驱动进口双向活塞，打开第一燃烧室的进口，同时驱动出口双向活塞，关闭第一燃烧室的出口，向第一燃烧室内通入混合气，并点火，使氢气燃烧得到高温高压蒸汽；

29、然后驱动出口双向活塞，打开第一燃烧室出口，关闭第二燃烧室出口，将第一燃烧室内的高温高压蒸汽外排；并驱动进口双向活塞，关闭第一燃烧室进口，打开第二燃烧室进口，向第二燃烧室内通入混合气，并点火；

30、按照以上步骤循环，持续供给高温高压蒸汽。

31、在一些实施例中，在每一燃烧室内，氢气燃烧的时间为0.5s～2s。

32、在一些实施例中，驱动机构通过连杆驱动进口双向活塞和出口双向活塞反向运动。

33、在一些实施例中，混合气中，氢气和氧气的体积比为1～2:1。

34、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

35、在本发明提出的方法中，将一定压力的氢气、氧气以及低品质蒸汽在混合器内混合，然后通入双腔燃烧器内燃烧，从而产生高品质蒸汽，从而满足火力机组调峰提效、工业供汽、采暖供汽等不同场景需求。

36、利用进口双向活塞和出口双向活塞控制第一燃烧室和第二燃烧室交替燃烧，并保证高温高压蒸汽的外排供给与氢气的燃烧同时进行，以持续供给高温高压蒸汽，有利于工业化应用。