CN101000175B

CN101000175B - 低温余热回收式热管锅炉装置

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Publication number: CN101000175B
Application number: CN2006101662832A
Authority: CN
Inventors: 崔付林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-17
Filing date: 2006-12-17
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2026-12-17
Also published as: CN101000175A

Abstract

本发明涉及一种锅炉装置，特别是一种带有新型热管和低温余热回收系统的低温余热回收式热管锅炉装置，在锅炉体中制有热管和低温余热回收系统，三者构成工质和蒸气管路顺通的燃烧蒸发产生热能的输热系统，锅炉为能使用矿物或生物质燃料的溴化锂吸收式制冷机组式结构体系；热管为用薄壁铜管加工制成波形吸液芯，壳与吸液芯之间填充金属铝，碳钢管管壳，薄壁铜管加工制成分流管，并在管壁上制有占壁面一定比例的孔，采用碳钢板加工后镀Ni-P合金的蒸发和冷凝端盖以水为工质，热管焊接在上锅体上，具有适用燃料范围广，结构简单，维修方便，能源利用率高，设备投资低等突出优点。

Description

低温余热回收式热管锅炉装置

技术领域：

本发明涉及一种新型锅炉装置，特别是一种带有新型热管和低温余热回收系统的低温余热回收式热管锅炉装置。

技术背景：

现有的热管是由管壳、吸液芯、端盖与传热工质组成的由蒸发段吸热到冷凝段放热的超导传热元件。公开技术的碳钢-水热管的缺陷是在运行中产生不凝性H₂气，H₂气的累积降低了热管的传热功效。以不凝性H₂气充满管长三分之一时热管失效为准，工作温度150℃的碳钢-水热管寿命在5年左右，工作温度210℃的碳钢-水热管寿命在1年左右。铜或铜钢复合管式水热管的缺点是造价太高、限制了此种热管的普及应用，以槽道吸液芯的铜钢复合管管壳-水工质热管为例其用铜的材料价格要达到600元/m²热管，比碳钢高5倍；金属壳体式有机工质热管缺陷是有机工质高温分解，热管的寿命不长；不锈钢壳体式碱金属工质热管的缺陷是在高温时过烧和在中温度时晶间腐蚀，且造价高。

现有热管的管壳是同壁厚的，而热管的蒸发段和冷凝段所受的腐蚀和磨擦损耗是不同的，一般情况下热管的蒸发段所受的腐蚀和磨擦损耗要大大高于冷凝段-用于锅炉、冶金、建材、化工的热管都是如此。管壳同壁厚的热管其制造成本和使用成本都大于管壳不同壁厚的热管。已有热管的槽道吸液芯是在管壳上机械切削加工的单一内槽道，管壳的厚度大于吸液芯的深度。

现有的溴化锂吸收式制冷机组有蒸汽型和直接燃烧型。蒸汽型是以蒸汽锅炉产生的蒸汽为热源加热溴化锂溶液，制冷时需要蒸汽锅炉和蒸汽型吸收式制冷机组两套装置，且能源的实际利用率低。如以热效率70％的燃煤锅炉产出蒸汽、蒸汽制冷的直接利用率达90％，能源的实际利用率低于63％；直接燃烧型是用锅炉直接加热溴化锂溶液，锅炉与吸收式制冷机组一体；由于溴化锂吸收式制冷机组锅炉是在高真空状态下运行，因此要求结构简单、维修方便；现有吸收式制冷机组锅炉全部是以石油和天然气为燃料，锅炉的焊缝在制造完成后都能够检出漏点并得到维修，锅炉排烟温度大于160℃，锅炉热效率在86％以下。现有的锅炉不能使用煤和生物质做燃料，不能解决灰堵和热效率低的技术缺陷；现有用煤做燃料产生蒸汽和热水的水管锅炉结构复杂，用于溴化锂吸收式制冷机组锅炉无法保证锅炉的所有焊缝在制造完成后都能够检出漏点并得到维修，无法保证锅炉在真空状态下运行，燃料限制在石油和天然气等清洁燃料是现有锅炉的主要技术缺陷。

现有热水和蒸汽锅炉的主要传热元件是锅筒和炉管、没有高效和超导传热元件，一般热效率在65％-90％。由于要承受压力和温度，锅筒和炉管需要有足够的厚度，因此热水和蒸汽锅炉的主要技术不足是锅炉的钢材消耗量大。以热效率(65-70)％的燃煤工业蒸汽锅炉为例，其钢材消耗量在6t/t蒸汽；以热效率(84-90)％的燃气工业蒸汽锅炉为倒、其钢材消耗量在4t/t蒸汽；锅炉的回转式空气预热器漏风率高，锅炉引风机负荷大，锅炉热效率低。为避免低温腐蚀、设计要求锅炉排烟温度大于酸露点120℃，锅炉排烟温度大于160℃，这就使锅炉的热效率较低；燃煤工业和民用热水和蒸汽锅炉的热效率(65-70)％，燃气工业和民用热水和蒸汽锅炉的热效率(84-90)％。

归结起来，现有的锅炉装置在热管附件和低温余热回收方面都普遍存在着结构复杂，成本高，安装使用安全性差和热效率低等突出缺点。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，设计制作一种使用新型热管附件并具有低温(低沸点相变)余热回收功能的锅炉系统装置，其技术点是将超导传热元件热管的碳钢-水热管易产生H₂气、有机工质高温分解、有色金属管壳热管造价高以及在高粉尘中使用管壳磨损快的缺点通过渗出H₂气螺纹付、螺纹快速在线再生头、波形吸液芯和防粉尘套管等解决；并用沸点低、蒸发潜热大的有机工质、耐腐蚀金属材料结合设计制造成传热系数高、可减少受热面积的低沸点相变余热回收系统；再将两个技术点组合或单独应用在锅炉的设计制造上，形成新型结构的锅炉装置。

为了实现上述目的，本发明在锅炉体中制有热管和低温余热回收系统，三者构成工质和蒸气管路顺通的燃烧蒸发产生热能的输热系统，锅炉为能使用矿物固体或生物质燃料的溴化锂吸收式制冷机组式结构体系；其热管为用薄壁铜管加工制成波形吸液芯，壳与吸液芯之间填充金属铝，碳钢管管壳，薄壁铜管制成的分流管竖向置于热管内侧，其管壁上制有孔，采用碳钢板加工后镀Ni-P合金的蒸发端盖和冷凝端盖以水为工质的热管，热管焊接在上锅体上。

本发明锅炉体主要包括炉墙、炉排、下锅、喇叭形(挡烟)导流板、热管、上锅、挡液装置、溶液下降管、蒸汽上升管、下锅支撑、烟道、低沸点相变余热回收系统及其支撑组成；其工作原理是：固体燃料由炉门加入后在炉膛燃烧，火焰在炉膛辐射到喇叭形(挡烟)导流板内的热管和锅底面上；经喇叭形(挡烟)导流板上的孔流出辐射加热下锅上的另一部分热管和锅面、然后烟气向上加热上锅、热管和蒸汽上升管；烟气再流经具有余热回收功能的蒸发器系统排出；低温溶液先经冷凝器系统加热后进入上锅、再经溶液下降管进入下锅加热成高温溶液进入下一循环；下锅产生的蒸汽经蒸汽上升管上升到上锅，经出汽口进入下一循环。

本发明所述的热管由蒸发端盖、管壳、分流管、波形吸液芯、壳芯填充金属、冷凝端盖、渗H₂螺栓和防尘套管组成；在热管增加的蒸发端盖上制有一个或多个螺纹快速再生头，并在冷凝端盖上制有渗H₂螺栓，螺栓用Ni密封，在热管失效或功效降低时对热管进行在线再生；在热管的蒸发段安装防尘套管，套管与热管之间的间隙用铜或铝或锡等熔点低于1080℃的金属或其三者的合金填满，套管按寿命定期更换；热管的波形吸液芯由薄壁金属管加工制成；吸液芯与管壳之间用铜及合金或铝及合金或镁及合金或铅填充；热管的波形吸液芯是由薄壁金属管加工制成的内外波。

本发明所述的低温余热回收系统的组成包括：蒸发器、冷凝器、蒸汽上升管、冷凝液下降管和低沸点工质；蒸发器的蒸发管和冷凝器的冷凝管用碳素钢管或合金钢管或不锈钢管或铜和铜合金管或铝和铝合金管制做，与铝和铝合金管相配套的管板和筒体是铝和铝合金或不锈钢或碳钢与铝、铝合金、不锈钢的复合板。低温余热回收系统在真空状态下运行，热源经蒸发管加热蒸发器内的工质并蒸发，蒸汽通过上升管到冷凝器冷凝，冷凝液通过下降管回流到蒸发器；低温余热回收系统可用于各种燃料和工质的锅炉，其中燃料包括矿物质、生物质、液体质或气体质等；其工质包括水、甲醇、丙酮、联苯、萘或甲苯等。

本发明与现有技术相比具有适用燃料范围广，结构简单，维修方便，能源利用率高，设备投资低等突出优点，特别是将热管和低温余热回收系统与锅炉配套组成系统装置在制作成本上大量节省钢材。

附图说明：

图1为本发明主体结构原理示意图，图中a为蒸汽管口，b为低温(稀)溶液入口，c为烟气出口，d为高温(浓)溶液出口。

图2为本发明的热管结构原理示意图，其中Z表示蒸发段，F表示冷凝段。

图3为本发明的热管断面结构原理示意图。

具体实施方式：

本发明主体结构包括炉墙1、炉排2、喇叭形(挡烟)导流板3、下锅4、下锅支撑5、热管6、溶液下降管7、蒸汽上升管8、挡液装置9、上锅10、烟道管11、冷凝器管箱12、冷凝器管板13、蒸汽上升管14、支撑和防冲装置15、冷凝管16、冷凝器筒体17、冷凝液下降管18、蒸发器进排烟箱19、蒸发器管板20、蒸发器烟管21、蒸发器筒体22、蒸发器支撑23、冷凝器支撑24、炉门25、蒸发端盖26、管壳27、分流管28、冷凝端盖29、渗H₂螺栓30、螺纹密封31、防尘套管32、套管填充金属33、波形吸液芯34和壳芯填充金属35。

其热管6用薄壁的铜管加工制成波形吸液芯，壳芯内填充的金属为铝，管壳为碳钢管，用薄壁铜管加工制成分流管并在管壁上加工出占壁面一定比例的孔、用碳钢板加工后再镀Ni-P合金的蒸发和冷凝端盖以水为工质；热管6焊接在上锅10上，其尾部制有低沸点相变或低温余热回收系统组合构成锅炉系统，其结构如下：

在由钢板卷筒焊接的筒体和内衬耐火水泥保温层组成的炉墙上安装有多条炉排；用钢板制造的上封头和下封头及短筒焊接成下锅4，下锅4安装在下锅支撑5上，热管6焊接在上锅10上，喇叭形(挡烟)导流板3及溶液下降管7焊接在下锅4上；用钢板制造的上和下封头及短筒焊接成上锅10，在上锅10下封头上焊接热管；挡液装置9中由碳钢钢板制造的挡液支撑立板焊在上锅10上，挡液支撑平板焊在立板上，挡液板插入上下联接平板制造的挡液板组件，下联接平板焊在支撑平板上；溶液下降管7焊接在上锅10的下封头和下锅4的上封头上，下降管7浸在下锅4内溶液部位钻有布液小孔；炉门安装在炉墙上。

工作原理是：固体燃料由炉门25加入后在炉膛燃烧，火焰在炉膛辐射到喇叭形(挡烟)导流板3内的热管6和锅底面上；经喇叭形(挡烟)导流板3上的孔流出辐射加热下锅4上的另一部分热管6和锅面，然后烟气向上分别加热上锅10、热管6、蒸汽上升管8；烟气再流经余热回收蒸发器22排出。低温溶液先经冷凝器17加热后进入上锅10，再经溶液下降管7进入下锅4加热成高温溶液进入下一循环，下锅4产生的蒸汽经蒸汽上升管8上升到上锅10，经出汽口进入下一循环。

本发明所述的可在线再生波形吸液芯热管6由蒸发端盖26、管壳27、分流管28、波形吸液芯34、壳芯填充金属35、冷凝端盖29、渗H₂螺栓30、螺纹密封31和防尘套管32组成。可在线再生波形吸液芯热管6具有渗出H₂气和再生功能；就是在蒸发端盖26上设计一个或多个螺纹快速再生头，并在冷凝端盖29上增加渗H₂螺栓30，螺栓30用Ni密封，在热管6失效或功效降低过大时对热管6进行在线再生。在热管6的蒸发段安装防尘套管32，套管32与热管6之间的间隙用铜、铝、锡等低熔点金属及其合金(指熔点低于1080℃的所有低熔点金属)填满(用于增加传热效率)，套管按寿命定期更换。可在线再生波形吸液芯热管6解决了现有热管寿命不长和功效降低的缺点。加套管的(不锈钢壳体-碱金属工质)热管消除了高温时壳体过烧和晶体间腐蚀的缺陷。

可在线再生波形吸液芯热管6的波形吸液芯由薄壁金属管加工制成，吸液芯与管壳之间用铜及合金或铝及合金或镁及合金或铅填充。

实施例1：

本发明热管6的波形吸液芯是由薄壁金属管加工制成的内外波，可用薄壁金属管加工出需要深的波，因此可减少铜、不锈钢等高价格金属的用量，降低热管的制造成本；如用薄壁的铜管加工制成波形吸液芯，壳芯填充金属铝，碳钢管管壳，薄壁的铜管加工制成分流管并在管壁上加工出占壁面一定比例的孔，碳钢板加工后镀Ni-P合金的蒸发和冷凝端盖，以水为工质。此种热管的寿命与铜管壳-水工质热管相同，但管壳材料成本只是铜管壳的12-15％；管壳材料成本只是碳钢管管壳的二倍、但寿命确是碳钢-水热管的15-20倍。溴化锂吸收式制冷机组锅炉、燃气(燃油)承压的热水和蒸汽锅炉和水泥煅烧窑热管余热交换器都可使用这种热管。再如用薄壁的不锈钢管加工制成波形吸液芯，壳芯填充金属是铝，低合金钢管管壳，低合金钢板加工的蒸发和冷凝端盖制造的以钾、钠或萘等有机工质为工质的工作温度520℃以下的热管。其寿命与全不锈钢管管壳热管相同，但管壳材料成本只是全不锈钢管管壳的20-25％，水泥煅烧窑热管余热热风交换器中可使用这种热管。

实施例2：

如用薄壁的耐热不锈钢管加工制成波形吸液芯，壳芯填充金属是黄铜，耐热铸管或耐热不锈钢管做蒸发段管壳(冷凝段管壳用薄壁不锈钢管制成的波形吸液芯代)，不锈钢板加工的蒸发和冷凝端盖制造的以钠为工质的工作温度在520-800℃之间的热管。其寿命与全不锈钢管管壳热管相同，但管壳材料成本只是全不锈钢管管壳的20-25％，在水泥煅烧窑热管余热交换器中可使用这种热管。热管冷凝端盖上有渗H₂螺栓，此螺栓采用过盈配合，外部的空气不能进入热管，但H₂气却能在蒸汽压力作用下通过内外螺纹接触面渗出，蒸发端盖上有一到三个螺孔(盲孔)并可以定期进行再生，使用寿命可达到50年，解决了现有热管寿命短和功效降低的缺点，此热管可应用在承受压力的热水锅炉、蒸汽锅炉和溴化锂吸收式制冷机组锅炉上。

本发明所述的低沸点相变(低温)余热回收系统的主要结构是：

蒸发器由进排烟箱(上下件)、上下管板、筒体、蒸发管、烟箱与管板紧固联接，管板与筒体采用紧固联接，蒸发管与上下管板紧固联接；冷凝器由左右管箱、左右管板、筒体、冷凝管、支撑板和防冲板、管箱与管板紧固联接，管板与筒体紧固联接，冷凝管与左右管板紧固联接；蒸汽上升管紧固联接在蒸发器和冷凝器壳体上；冷凝液下降管，紧固联接在蒸发器和冷凝器壳体上；采用甲醇、丙酮等沸点低于65℃的工质；蒸发器和冷凝器的承重支撑柱，支撑柱与蒸发器和冷凝器采用紧固联接。蒸发管和冷凝管可用碳素钢管、合金钢管、不锈钢管、铜和铜合金管、铝和铝合金管等制造。与铝和铝合金管相配套的管板和筒体是铝和铝合金及不锈钢或碳钢与铝、铝合金、不锈钢的复合板。

实施例3：

以甲醇(蒸发温度65℃)为工质、以煤为燃料(含粉尘的烟气)的低沸点相变余热回收系统。用以下注明的材料和方法制造：

a.蒸发器：进排烟箱、上下管板、筒体以上零部件可用碳钢、不锈钢材料制造；蒸发管可用碳钢管、不锈钢管、铜管制造；蒸发管与上下管板胀焊紧固联接，烟箱与管板紧固联接，管板与筒体紧固联接。

b.冷凝器左右管箱、左右管板、筒体以上零部件可用碳钢、不锈钢材料制造；冷凝管可用碳钢管、不锈钢管、铜管制造；冷凝管与左右管板胀焊紧固联接，管箱与管板紧固联接，管板与筒体紧固联接；

c.蒸汽上升管(碳钢管、不锈钢管)紧固联接在蒸发器和冷凝器壳体上；

d.冷凝液下降管(碳钢管、不锈钢管)，紧固联接在蒸发器和冷凝器壳体上。

实施例4：

在以石油和天然气为燃料的热水和蒸汽锅炉上，以丙酮(蒸发：56℃)为工质、(不含粉尘的烟气)的低沸点相变余热回收装置。用以下注明的材料和方法制造。

a.蒸发器：进排烟箱、上下管板、筒体以上零部件可用碳钢、不锈钢、铝材料制造；蒸发管可用铝管、不锈钢管、铜管制造；蒸发管与上下管板胀焊紧固联接，烟箱与管板紧固联接，管板与筒体紧固联接。

b.冷凝器左右管箱、左右管板、筒体以上零部件可用碳钢、不锈钢、铝材料制造；冷凝管可用铝管、不锈钢管、铜管制造；冷凝管与左右管板胀焊紧固联接，管箱与管板紧固联接，管板与筒体紧固联接；

c.蒸汽上升管(铝管、不锈钢管)紧固联接在蒸发器和冷凝器壳体上；

d.冷凝液下降管(铝管、不锈钢管)紧固联接在蒸发器和冷凝器壳体上。

本发明的工作原理：低沸点相变余热回收系统在真空状态下运行，热源经蒸发管加热蒸发器内的工质，工质被加热后蒸发、蒸汽从蒸发器通过上升管到冷凝器冷凝，冷凝液通过下降管回流到蒸发器。低沸点相变余热回收系统可以回收低温热源，可广泛应用在各种锅炉上，将锅炉排烟温度设计到70℃，锅炉热效率在90％的基础上提高6％-7％。在排烟温度和吸收热量相同的条件下低沸点相变余热回收系统比低温烟气直接加热水节省受热面积30％。

本发明能使用煤和生物质燃料(秸杆、木质类)，溴化锂吸收式制冷机组锅炉在使用生物质燃料(秸杆、木质类)的热效率82％；在使用煤做燃料时热效率87％，燃气(燃油)热效率97％，可节省燃料10％-12％以上。以煤(秸、木质类)为燃料也不需要先用蒸汽锅炉产出蒸汽，可以取代蒸汽锅炉和蒸汽型吸收式制冷机组中的高压发生器等。

本发明具有热效率高、结构简单、金属消耗量低、维修方便、不易灰堵的优点，可以使用石油和天然气、煤和生物质燃料，特别适合在秸杆多的地区推广使用，应用在热水和蒸汽锅炉环境。

Claims

1.一种低温余热回收式热管锅炉装置，在锅炉体中制有热管和低温余热回收系统，三者构成工质和蒸气管路顺通的燃烧蒸发产生热能的输热系统，锅炉为能使用矿物固体或生物质燃料的溴化锂吸收式制冷机组式结构体系，其特征在于热管为用薄壁铜管制成的波形吸液芯，壳与吸液芯之间填充金属铝，碳钢管管壳，薄壁铜管制成的分流管竖向置于热管内侧，其管壁上制有孔，碳钢板加工后镀Ni-P合金的蒸发端盖和冷凝端盖以水为工质，热管焊接在上锅体上。

2.根据权利要求1所述的低温余热回收式热管锅炉装置，其特征在于热管由蒸发端盖、管壳、分流管、波形吸液芯、壳芯填充金属、冷凝端盖、渗H₂螺栓和防尘套管组成；在热管的蒸发端盖上制有一个或多个螺纹快速再生头，并在冷凝端盖上制有渗H₂螺栓，螺栓用Ni密封，在热管失效或功效降低时对热管进行在线再生；在热管的蒸发段安装防尘套管，套管与热管之间的间隙用铜或铝或锡或三者的合金填满；热管的波形吸液芯由薄壁金属管制成；吸液芯与管壳之间用铜及合金或铝及合金或镁及合金或铅填充；热管的波形吸液芯由薄壁金属管制成内外波。

3.根据权利要求1所述的低温余热回收式热管锅炉装置，其特征在于低温余热回收系统包括蒸发器、冷凝器、蒸汽上升管、冷凝液下降管和低沸点工质；蒸发器的蒸发管和冷凝器的冷凝管用碳素钢管或合金钢管或不锈钢管或铜和铜合金管或铝和铝合金管制做，与铝和铝合金管相配套的管板和筒体是铝和铝合金或不锈钢或碳钢与铝、铝合金、不锈钢的复合板；低温余热回收系统在真空状态下运行，热源经蒸发管加热蒸发器内的工质并蒸发，蒸汽通过上升管到冷凝器冷凝，冷凝液通过下降管回流到蒸发器。

4.根据权利要求1所述的低温余热回收式热管锅炉装置，其特征在于低温余热回收系统用于各种燃料和工质的锅炉，其中燃料包括矿物质或生物质；工质包括水、甲醇、丙酮、联苯、萘或甲苯。