CN102331085B

CN102331085B - 一种整体式冷凝锅炉

Info

Publication number: CN102331085B
Application number: CN201110282129.2A
Authority: CN
Inventors: 赵钦新; 苟远波; 姜薇薇; 王云刚
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: CN102331085A

Abstract

一种整体式冷凝锅炉，利用燃用油气燃料的全预混无焰燃烧器在炉胆中进行辐射换热，利用板翅式传热元件进行整体对流和凝结换热，焊接销钉或铸造凸台直接插入烟气主流温度区，有效地减小了从烟气主流到壁面的温度梯度，连续不断地破坏壁面和烟气中心的流动边界层，强化了对流换热；使凝结换热从壁面扩展到销钉或铸造凸台的整个表面，有效地扩大了凝结换热面积，同时，强化了烟气中水蒸气的冷凝换热，大大提高了冷凝锅炉整体对流和凝结换热系数，同时，凝结液吸收了烟气中的部分CO₂，NO_x，SO_x等有害气体，有效减少了污染物排放，该锅炉结构紧凑，对流和凝结整体换热系数高，最大限度地提高了热能转换效率。

Description

一种整体式冷凝锅炉

技术领域

本发明属于热能工程技术领域，特别涉及一种整体式冷凝锅炉。

背景技术

近年来我国为改善大气环境，在大中型城市中实施煤改气工程，使得天然气在我国能源消费中所占的比例越来越大。2010年，天然气在我国能源消费中所占的比例为5.3％，未来20年天然气需求增长速度将明显超过煤炭和石油，到2020年将增至10％，天然气需求量将达到2037亿m³，我国的能源特点是贫油少气，油气资源储量严重不足，为满足不断增长的使用需求，需要进口大量的石油和天然气，更重要的是，石油、天然气是清洁能源，如何提高天然气利用效率，减少石油、天然气消耗是我国今后长期的国家战略。

目前，常规利用天然气的热能动力设备，存在利用效率低的问题，一方面石油、天然气的燃烧效率需要进一步提高，另一方面还需要进一步降低天然气利用设备的排烟温度，提高设备转换效率。目前，户用热水供暖两用热水器/炉多采用大气式或扩散式燃烧装置，燃烧效率低，NOx排放高，热水器/炉的排烟温度在120℃以上；燃气供暖热水锅炉的排烟温度一般在150～180℃以上，工业蒸汽锅炉的排烟温度在200～260℃以上，燃气蒸汽联合循环的电锅炉的排烟温度仍在180℃以上，以上这些油气利用装置燃烧后的烟气热能缺乏深度利用，造成石油、天然气清洁能源的极大浪费，同时也一定程度上加重了环境污染。

在天然气利用设备系统中采用高效燃烧和烟气深度利用的冷凝锅炉，可以提高石油、天然气燃烧效率、减少NOx排放，同时设备的排烟温度降到烟气露点温度(或水露点)以下，不仅可以回收利用排烟显热，还可利用天然气燃烧时产生的水蒸气凝结时放出的大量潜热，节约能源，同时凝结液对烟气中的CO₂，NO_x，SO_x等有害气体还有一定的吸收作用。因此，开发应用石油、天然气冷凝锅炉，是高效利用石油和天然气，减少环境污染最有效的途径之一。经市场调研发现，现有冷凝锅炉结构存在以下不足：

(1)现有冷凝锅炉是常规锅炉对流换热器尾部加装冷凝换热器，组成分离式冷凝锅炉结构，但常规锅炉烟气的凝结换热条件差，热效率增加幅度小。

(2)现有分离式冷凝锅炉配备的燃烧器仍然采用传统的大气式或扩散式燃烧装置，过量空气系数高，水露点低，限制了水蒸气冷凝换热的潜热回收效率；同时传统燃烧装置燃烧时NOx排放量大，增加了对环境的污染。

(3)现有整体式冷凝锅炉系统多采用中空的无缝或有缝钢管作为对流和冷凝传热元件，只在烟气和金属接触的壁面上发生对流换热和水蒸气凝结换热，传热元件中心的烟气温度很高，不可能实现烟气流通截面上的整体对流和冷凝换热效果，而发生凝结换热后的金属壁面，也没有有效的措施撕裂冷凝液膜，致使膜状凝结换热效果差，冷凝锅炉热效率增加幅度有限。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于设计开发一种整体式冷凝锅炉，采用鼓风式全预混无焰燃烧器于上部炉胆进行辐射换热，辐射换热之后的高温烟气进入销钉板翅式传热元件进行显热对流换热和潜热凝结换热，燃烧器在极低的过量空气系数下进行全预混无焰燃烧，不凝结气体减少，NOx生成量极少；焊接或铸造在平板上的销钉或铸造凸台深入到烟气中心，将高温烟气分割成销钉或凸台间烟气薄层，有效地减小了从烟气主流到壁面的温度梯度，连续不断地破坏壁面和烟气中心的流动边界层，强化了对流换热，同时显著削弱了不凝性气体层对水蒸气凝结换热的阻碍，烟气主流中的水蒸气不必穿过较厚的不凝性气体层即可在焊接销钉或铸造凸台的壁面上发生凝结，有效地扩大了凝结换热面积；焊接销钉或铸造凸台直接插入烟气主流温度区，完全破坏了烟气流通截面存在的从截面轴心到壁面主流温度逐步降低的温布分布模式，有效地减小了从烟气主流到壁面的温度梯度；同时销钉能够有效地撕裂冷凝液膜，增强了烟气中水蒸气的冷凝换热系数，在地板采暖30℃的回水温度条件下，天然气锅炉的低位发热值效率可达106％以上，大大提高了冷凝锅炉的热效率，同时，凝结液吸收了烟气中的部分CO₂，NO_x，SO_x等有害气体，有效减少了污染物排放。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种整体式冷凝锅炉，包括由外壳4包绕的冷凝锅炉，冷凝锅炉的上方为炉胆2，而全预混无焰燃烧器1顶置于炉胆2的上顶板3上，炉胆2的外壁和外壳4的内壁之间包覆有水套5，炉胆2底部的下底板7同一个以上的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件8的顶部相导通，板翅式传热元件8的底部与转弯烟室11的顶部相导通，带有冷凝液排出管14的冷凝液中和处理装置13布置在转弯烟室11下方，转弯烟室11的外侧面带有与之相导通的排烟出口12，板翅式传热元件8外侧设置有水空间9，水空间9的顶部与水套5左侧底部的喉口16相导通，而外壳4上部带有与水套5相导通的热水出口6，外壳4下部带有与水空间9内部相导通的回水入口10。

所述的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件8和水空间9之间设置有第一横向隔板15和第二横向隔板17。

所述的冷凝液中和处理装置13能让冷凝液通过碱性物质进行中和，从而实现冷凝液的中性排放。

所述的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件8包括顶部为上翅板801、底部为底翅板802、左侧为左平板804以及右侧为右平板805焊接或铸造而成的框架结构，一个以上的焊接销钉或铸造凸台803叉排或顺排地焊接或铸造在上翅板801和底翅板802之上，相邻的上翅板801和底翅板802上的焊接销钉或铸造凸台803之间留有2～3mm的间隙，上翅板801和底翅板802之间还焊接有一个以上的拉撑杆806。

所述的上翅板801、底翅板802、焊接销钉或铸造凸台803、左平板804、右平板805以及拉撑杆806用碳钢辅以表面化学镀膜或热喷涂防腐处理材料，或者采用能抗硫酸露点腐蚀能力的Corten钢、ND钢、316L不锈钢、铝合金或钛合金材料。

本发明设计一种具有整体对流和凝结换热的板翅式传热元件的整体式冷凝锅炉结构，由置于炉胆2的上顶板3上的全预混无焰燃烧器1、炉胆2、外壳4、板翅式传热元件8、炉胆2外侧的水套5、板翅式传热元件8外侧的水空间9、转弯烟室11以及冷凝液中和处理装置13这些部分构成，各部分有机构成一个整体，避免了锅炉主体与冷凝段分别设计安装而造成的复杂结构，有利于高温烟气的整体对流和凝结换热和高冷凝率的实现，本技术方案中的板翅式传热元件8垂直布置，焊接销钉或铸造凸台直接插入烟气主流温度区，有效地减小了从烟气主流到壁面的温度梯度，连续不断地破坏壁面和烟气中心的流动边界层，强化了对流换热，凝结换热形成的冷凝液受重力作用自然向下流动，连续不断地受到焊接销钉或铸造凸台803的撕裂，强化了凝结换热，同时，凝结液吸收了烟气中的部分CO₂，NO_x，SO_x等有害气体，有效减少了污染物排放。是一种结构紧凑的、实现了单一换热器的整体对流和凝结换热的高效环保的整体式冷凝锅炉结构。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的整体对流和凝结换热板翅式传热元件的横截面结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的说明。

如图1所示，整体式冷凝锅炉，包括由外壳4包绕的冷凝锅炉，冷凝锅炉的上方为炉胆2，而全预混无焰燃烧器1顶置于炉胆2的上顶板3上，炉胆2的外壁和外壳4的内壁之间包覆有水套5，炉胆2底部的下底板7同一个以上的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件8的顶部相导通，板翅式传热元件8的底部与转弯烟室11的顶部相导通，带有冷凝液排出管14的冷凝液中和处理装置13布置在转弯烟室11下方，转弯烟室11的外侧面带有与之相导通的排烟出口12，板翅式传热元件8外侧设置有水空间9，水空间9的顶部与水套5左侧底部的喉口16相导通，而外壳4上部带有与水套5相导通的热水出口6，外壳4下部带有与水空间9内部相导通的回水入口10。所述的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件8和水空间9之间设置有第一横向隔板15和第二横向隔板17，强迫水流冲刷炉胆2的下底板7，以避免下底板7发生过冷沸腾现象。所述的冷凝液中和处理装置13能让冷凝液通过碱性物质进行中和，从而实现冷凝液的中性排放。

如图2所示，所述的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件8包括顶部为上翅板801、底部为底翅板802、左侧为左平板804以及右侧为右平板805焊接或铸造而成的框架结构，一个以上的焊接销钉或铸造凸台803叉排或顺排地焊接或铸造在上翅板801和底翅板802之上，相邻的上翅板801和底翅板802上的焊接销钉或铸造凸台803之间留有2～3mm的间隙，翅板801和翅板802之间还焊接有一个以上的拉撑杆806。所述的上翅板801、底翅板802、焊接销钉或铸造凸台803、左平板804、右平板805以及拉撑杆806用碳钢辅以表面化学镀膜或热喷涂防腐处理材料，或者采用能抗硫酸露点腐蚀能力的Corten钢、ND钢、316L不锈钢、铝合金或钛合金材料。

本发明的工作原理分成水流程和烟气流程，其中水流程为锅炉的回水经由回水入口10进入板翅式传热元件8外侧的水空间9，在第一横向隔板15和第二横向隔板17的作用下完成水的强制流动，同时接受板翅式传热元件8传递的热量被不断加热，随后流经水空间9的顶部与水套5左侧底部的喉口16进入炉胆2外侧的水套5被继续加热，最后被加热到额定的热水出口温度由热水出口6排出，供给热水用户；而烟气流程为燃料油或天然气和空气在燃烧器1中预混合后在板面18上发生无焰燃烧并向炉胆2进行辐射换热，热量传递给炉胆2外壁和外壳4内壁包覆的水套5；燃烧后的高温烟气流通进入与炉胆2底部下底板7导通的一个以上的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件8，热量传递给板翅式传热元件8外侧的水空间9，高温烟气在一个以上板翅式传热元件8内部进行整体对流和凝结换热，在炉胆2底部下底板7和板翅式传热元件8的高温烟气入口，为了防止焊接销钉或铸造凸台过热损坏，入口处的焊接销钉或铸造凸台高度比较小，相对的上翅板801和底翅板802上焊接销钉或铸造凸台803顶端的间隙比较大，高温烟气进入板翅式传热元件8后，烟温迅速下降，板翅式传热元件8的中下部的焊接销钉或铸造凸台803高度比较大，但是为了撕裂冷凝液膜的需要，相对的焊接销钉或铸造凸台的顶端留有2～3mm的合理间隙；随着烟气温度的下降，1个以上的板翅式传热元件8中的内板面和一个以上的焊接销钉或铸造凸台的金属壁面温度降低到烟气水露点之下，烟气中的水蒸气将在板翅式传热元件8中的内板面和一个以上的焊接销钉或铸造凸台803的表面上发生凝结换热，换热形式为整体对流和凝结换热。整体对流和凝结换热之后从板翅式传热元件8下部出烟口流出的烟气随后进入转弯烟室11，从排烟出口12排出通过烟囱排入大气，冷凝液在重力作用下向下流动，连续不断地受到焊接销钉或铸造凸台的撕裂，强化了凝结换热，同时，凝结液吸收了烟气中的部分CO₂，NO_x，SO_x等有害气体，不断滴落到冷凝液中和处理装置13，最后由冷凝液排出管14排出。

Claims

1.一种整体式冷凝锅炉，包括由外壳（4）包绕的冷凝锅炉，其特征在于：冷凝锅炉的上方为炉胆（2），而全预混无焰燃烧器（1）顶置于炉胆（2）的上顶板（3）上，炉胆（2）的外壁和外壳（4）的内壁之间包覆有水套（5），炉胆（2）底部的下底板（7）同一个以上的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件（8）的顶部相导通，板翅式传热元件（8）的底部与转弯烟室（11）的顶部相导通，带有冷凝液排出管（14）的冷凝液中和处理装置（13）布置在转弯烟室（11）下方，转弯烟室（11）的外侧面带有与之相导通的排烟出口（12），板翅式传热元件（8）外侧设置有水空间（9），水空间（9）的顶部与水套（5）左侧底部的喉口（16）相导通，而外壳（4）上部带有与水套（5）相导通的热水出口（6），外壳4下部带有与水空间（9）内部相导通的回水入口（10）；整体对流和凝结换热的板翅式传热元件（8）包括顶部为上翅板（801）、底部为底翅板（802）、左侧为左平板（804）以及右侧为右平板（805）焊接或铸造而成的框架结构，一个以上的焊接销钉或铸造凸台（803）叉排或顺排地焊接或铸造在上翅板（801）和底翅板（802）之上，相邻的焊接销钉或铸造凸台（803）之间留有2～3mm的间隙，上翅板（801）和底翅板（802）之间还焊接有一个以上的拉撑杆（806）；所述的上翅板（801）、底翅板（802）、焊接销钉或铸造凸台（803）、左平板（804）、右平板（805）以及拉撑杆（806）用碳钢辅以表面化学镀膜或热喷涂防腐处理制成，或者采用能抗硫酸露点腐蚀能力的Corten钢、ND钢、316L不锈钢、铝合金或钛合金材料制成；所述的整体对流和凝结换热的板翅式传热元件（8）和水空间（9）之间设置有第一横向隔板（15）和第二横向隔板（17）。

2.根据权利要求1所述的整体式冷凝锅炉，其特征在于：所述的冷凝液中和处理装置（13）能让冷凝液通过碱性物质进行中和，从而实现冷凝液的中性排放。