CN102635945B - 一种贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉 - Google Patents

Abstract

一种贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，包括外壳，外壳上部设有环形出水集箱，下部设有环形给水集箱，深度冷凝换热管束和带有冷凝液中和处理装置的V型冷凝收集装置布置在环形给水集箱下方，全预混金属纤维燃烧器布置在锅炉上顶板上，其金属纤维头部深入到辐射换热空间，以发挥其辐射换热能力强的特点，由多根竖直水管构成的内、外圈环形水冷壁将环形给、出水集箱导通，相邻竖直水管之间有1～2mm间隙作为烟气流通通道，烟气在竖直水管间流动时发生对流换热和凝结换热，将热量传递给竖直水管内的工质水，深度冷凝换热管束对烟气进行深度冷却，提高锅炉效率；具有结构简单，制造方便，能有效避免传统贯流锅炉热负荷分布不均造成的易爆管的危害。

Description

一种贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉

技术领域

本发明属于热能工程技术领域，特别涉及一种贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉。

背景技术

随着我国能源结构的调整，煤炭将逐渐退出一次能源消费，天然气在一次能源中的比例将逐年增大，同时，由于人民生活水平提高，对生存环境的要求也将导致天然气将在很多场合代替煤炭，特别是在大中城市，已经出台相关法律法规禁止在城市中运行燃煤锅炉。因此开发高效环保的天然气热能利用装置是大势所趋。

常规的燃气锅炉排烟温度一般在150℃以上，该温度远高于天然气烟气水露点温度(通常为55～60℃)，排烟不仅带走大量烟气显热，更重要的是烟气中水蒸气潜热得不到充分利用，热效率较低，不符合我国节能减排的战略路线。

冷凝锅炉采用高效燃烧技术，可以有效降低燃烧过量空气系数，提高天然气燃烧效率，降低NOx生成与排放，同时有利于烟气中水蒸气冷凝；采用烟气热能深度冷却技术，可将热能利用设备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汽化潜热，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脱除作用。

目前市面上出现的冷凝锅炉和冷凝式两用炉/热水器等主要有两种形式，即分离式和整体式，前者是在常规锅炉后加装冷凝段换热器；后者是将常规锅炉和冷凝换热器设计为整体结构。不管是那种结构，通常都是采用翅片管等扩展受热面强化传热元件，通过翅片强化扰流，增大对流换热系数，同时增大换热面积从而实现强化传热的目的。但是采用扩展受热面结构必然导致结构复杂，维护修理难度增大。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，有利于发挥全预混燃烧器辐射换热能力强的优势，同时采用微缝隙强化传热，换热系数大，锅炉结构简单，成本低且热效率高，在回水温度30℃时，锅炉热效率可达106％以上。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，包括外壳1，外壳1内部由多个外圈竖直水管依次顺排构成外圈环形水冷壁5，和外圈竖直水管间隔设置的多个内圈竖直水管依次顺排构成内圈环形水冷壁10，内圈环形水冷壁10包绕构成炉内空间13，炉内空间13被隔板4分为炉膛辐射换热空间20和排烟烟室21，外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10下端通过与下管板18胀紧连接同环形给水集箱16导通，外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10上端通过与上管板17胀紧连接同环形出水集箱3相导通，环形出水集箱3与加热水出口11、通大气管座14相导通，环形出水集箱3上部为上顶板19，全预混金属纤维燃烧器12安装在上顶板19上，全预混金属纤维燃烧器头部9深入到辐射换热空间20内部进行辐射换热，排烟烟室21内部布置有一圈以上的螺旋水冷壁管24，螺旋水冷壁管24与排烟烟室21下方深度冷凝换热管束23相导通，深度冷凝换热管束23下方和V形冷凝液收集装置15相导通，V形冷凝液收集装置15与排烟及冷凝液排出口7相导通，螺旋水冷壁管24和深度冷凝换热管束23与给水入口6相连通，并同环形给水集箱16相导通。

所述内圈环形水冷壁10和外圈环形水冷壁5，相邻竖直水管间留有1～2mm的窄间隙作为烟气通道，竖直水管既可采用普通圆管，为了强化烟气对流换热，亦可在圆管四周焊接角钢，或直接采用外方内圆管用于强化传热。

所述隔板4的横向分隔部位为从圆柱形炉内空间13中心到外圈环形水冷壁5竖直水管中心，在锅炉外壳1内壁面与外圈环形水冷壁5之间形成烟气转弯通道22，隔板4的竖向位置高度可根据锅炉功率及锅炉运行状况进行调整，以保证锅炉在最佳工况下运行。

隔板4采用Cr25Ni20耐高温不锈钢材料，因为锅炉运行时，隔板4处于高温环境，且缺少冷却。

在所述内圈环形水冷壁10和外圈环形水冷壁5上端包覆有耐火层2，防止此处烟气温度过高危害管板-管异性结构连接部位安全运行。

所述外壳1和外圈环形水冷壁5之间下部以及外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10之间下部布置倾斜预设角度的冷凝液收集板8，所述外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10的竖直水管穿过插入冷凝液收集板8。冷凝液收集板8用于收集在锅炉外壳及环形水冷壁上冷凝为液态水的水蒸气，避免冷凝液在锅炉下部聚集在锅炉下部对下管板18造成持续腐蚀。

所述外壳1内表面、内圈环形水冷壁10、外圈环形水冷壁5以及深度冷凝换热管束23采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ND钢、Corten钢、316L不锈钢、铝合金或钛合金材料。

所述的金属纤维全预混燃烧器头部9头部可以加工成各种形状，用以适应炉膛辐射换热空间20的形状，保证充分发挥全预混燃烧器辐射换热能力强的特点。

所述的深度冷凝换热管束23中部布置有烟气挡板25，用以防止出现烟气走廊。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、将传统贯流锅炉结构引入冷凝锅炉结构设计中，贯流锅炉生产技术成熟，生产贯流式冷凝锅炉只需要对原有的贯流锅炉生产线进行改进即可，极大节省投资成本。

2、贯流式冷凝锅炉对传统贯流锅炉结构加以改进，在所有相邻竖直上升管间均留有烟气流通间隙，可有效避免贯流锅炉中由于烟气出口不对称分布造成的烟气温度分布不均现象，烟气温度不均匀不仅会影响到锅炉安全运行，同时会对锅炉换热造成不利影响。

3、贯流式冷凝锅炉运用全预混金属纤维燃烧器，相比于传统扩散式燃烧器，全预混金属纤维燃烧器能够极大降低过量空气系数(1.02～1.05)，低过量空气系数不仅能够降低排烟热损失，并能提高烟气中水蒸气冷凝率，提高锅炉热效率；全预混金属纤维燃烧器具有较高表面辐射效率，头部能够加工成多种形状等特点，能够极好地适应炉膛辐射换热的需要，并易于贯流式冷凝锅炉标准化。

4、冷凝液中和处理装置的加入，是酸性冷凝液在排出锅炉之前得到预处理，能够有效减小对环境的污染及对城市排污管道的腐蚀，同时将冷凝液中和处理装置同冷凝液烟气排放装置有机结合为一个整体，结构简单。

5、传统锅炉，不管冷凝锅炉还是非冷凝锅炉，在强化烟气侧传热是，基本上均为采用烟气侧扩展受热面，如螺旋翅片管，高效传热C管等，通过将扩展受热面深入烟气主流内部，增强烟气湍流，强化对流换热；同时采用合理设计扩展受热面结构，可以在一定程度上撕裂冷凝液膜达到强化冷凝换热的目的，采用扩展受热面强华传热元件本身就使锅炉结构复杂，增大了制造安装及维护工作量，同时由于烟气换热和冷凝换热强化机理并不完全相同，在锅炉设计过程中，为了同时强化两种传热过程，最佳的结构应当是在冷凝段和非冷凝段采用不同结构的强化扩展受热面，这就更增大了结构复杂性。贯流式冷凝锅炉采用窄间隙强化传热机理，即将烟气分隔成为若干股气流，通过强制鼓风，使每股气流均通过相邻竖直上升管之间的微小流通通道(通道宽度1～2mm)，同时向竖直水管中的冷却介质释放热量。从边界层理论可知，对流换热热阻主要集中在流动边界层中，各种扩展受热面均有破坏流动边界层，提高流动紊乱程度，从而强化传热。而当烟气在微小缝隙中流动时，由于两边管壁的限制，边界层得不到充分发展便已完成换热过程，可以极大减小边界层热阻，强化对流传热。根据对流换热理论，对流换热无量纲关联式形式为

可看出，当烟气流动截面积尺寸变小时，对于相同的烟气流速和温度，对流换热系数将相应增大；同时，从冷凝传热相关资料中可以得出，对于撕裂冷凝液膜，减轻有冷凝液覆盖造成的热阻，最佳的翅片高度为1.2～1.8mm，如高效传热C管，这个范围的翅片高度虽然能够有效撕裂冷凝液膜，但是高度较低，难以深入到烟气主流，对于强化烟气主流整体换热效果不明显。而采用微小缝隙换热时，不仅能如上所述强化烟气换热，同时，当冷凝液在缝隙两侧管壁上形成时，由于缝隙极小，烟气通过时具有较高速度，能够通过烟气与液膜间粘性应力作用撕裂、减薄冷凝液膜，强化冷凝换热。在地板采暖回水温度为20～30℃的情况下，采用贯流式冷凝锅炉，锅炉效率可达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。

6、相比于采用扩展受热面传热元件，贯流式冷凝锅炉采用普通光管或者外方内圆管作为传热元件，相比于扩展受热面传热元件，这些管型制造工艺简单，生产成本较低，同时，能够达到同样甚至更好的换热效果，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的横向剖视图；其中图2a为内外圈环形水冷壁竖直水管均为为普通圆管的横向剖视图，图2b为内圈环形水冷壁竖直水管为普通圆管，外圈环形水冷壁竖直水管为普通圆管四周焊接角钢的横向剖视图，图2c为内外圈环形水冷壁竖直水管均为外方内圆管的横向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，包括外壳1，外壳1内部由多个外圈竖直水管依次顺排构成外圈环形水冷壁5，和外圈竖直水管间隔设置的多个内圈竖直水管依次顺排构成内圈环形水冷壁10，内圈环形水冷壁10包绕构成炉内空间13，炉内空间13被隔板4分为炉膛辐射换热空间20和排烟烟室21，外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10下端通过与下管板18胀紧连接同环形给水集箱16导通，外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10上端通过与上管板17胀紧连接同环形出水集箱3相导通，环形出水集箱3与加热水出口11、通大气管座14相导通，环形出水集箱3上部为上顶板19，全预混金属纤维燃烧器12安装在上顶板19上，全预混金属纤维燃烧器头部9深入到辐射换热空间20内部进行辐射换热，排烟烟室21内部布置有一圈以上的螺旋水冷壁管24，螺旋水冷壁管24与排烟烟室21下方深度冷凝换热管束23相导通，深度冷凝换热管束23下方和V形冷凝液收集装置15相导通，V形冷凝液收集装置15与排烟及冷凝液排出口7相导通，螺旋水冷壁管24和深度冷凝换热管束23与给水入口6相连通，并同环形给水集箱16相导通。所述的深度冷凝换热管束23中部布置有烟气挡板25，用以防止出现烟气走廊。所述隔板4的横向分隔部位为从圆柱形炉内空间13中心到外圈环形水冷壁5竖直水管中心，隔板4的竖向位置高度可根据锅炉功率及锅炉运行状况进行调整，以保证锅炉在最佳工况下运行，锅炉运行时，隔板4处于高温环境，且缺少冷却，采用Cr25Ni20等耐高温不锈钢材料。在所述内圈环形水冷壁10和外圈环形水冷壁5上端包覆有耐火层2，如耐火材料陶瓷纤维、耐火泥、刚玉砖等，防止此处烟气温度过高危害管板-管异性结构连接部位安全运行。所述外壳1和外圈环形水冷壁5之间下部以及外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10之间下部布置倾斜预设角度的冷凝液收集板8，所述外圈环形水冷壁5和内圈环形水冷壁10的竖直水管穿过插入冷凝液收集板8，冷凝液收集板8用于收集在锅炉外壳及环形水冷壁上冷凝为液态水的水蒸气，避免冷凝液在锅炉下部聚集在锅炉下部对下管板18造成持续腐蚀。

如图2所示，在锅炉外壳1内壁面与外圈环形水冷壁5之间形成烟气转弯通道22。所述内圈环形水冷壁10和外圈环形水冷壁5，相邻竖直水管间留有1～2mm的窄间隙作为烟气通道，竖直水管既可采用普通圆管，为了强化烟气对流换热，亦可在圆管四周焊接角钢，或直接采用外方内圆管或外六角形内圆等特殊管用于强化传热。

外壳1内表面、内圈环形水冷壁10、外圈环形水冷壁5以及深度冷凝换热管束23采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ND钢、Corten钢、316L不锈钢、铝合金或钛合金材料。

本发明的工作流程分为水流程和烟气流程，其中水流程为：锅炉回水经回水入口6进入深度冷凝换热管束23，在冷凝换热管束23中深度吸收排烟热量后进入螺旋水冷壁管24，在螺旋水冷壁管24中加热后进入环形给水集箱16，经环形给水集箱16的分配作用后进入内圈环形水冷壁10和外圈环形水冷壁5竖直水管加热，在水冷壁内被加热到额定温度后，进入出水环形集箱3，最后由加热水出口11排出提供给用户；烟气流程为：天然气和空气在全预混金属纤维燃烧器头部3中预混合后发生无焰燃烧并向辐射换热空间20四周围绕的内圈环形水冷壁10上半部进行辐射换热，随后，烟气依次流经内圈环形水冷壁10管间间隙，内圈环形水冷壁10和外圈环形水冷壁5之间流通空间，外圈环形水冷壁5管间间隙，外圈环形水冷壁5和外壳1内壁之间流通空间，同时与水冷壁面发生对流换热，向管中加热水释放热量，之后在隔板4的作用下，烟气在外圈环形水冷壁5和外壳1之间流通空间内流通方向改变，依次流经圈环形水冷壁5和外壳1之间流通空间，外圈环形水冷壁5管间间隙，内圈环形水冷壁10和外圈环形水冷壁5之间流通空间，内圈环形水冷壁10管间间隙，烟气在水冷壁面发生凝结换热，换热形式为对流、冷凝换热，冷凝液膜在重力作用下将沿着壁面向下流动，同时连续不断的受到高速烟气的撕裂作用，液膜厚度减薄，强化了凝结换热；经对流冷凝换热后的烟气汇集到排烟烟室21，并通过布置在排烟烟室21内部的螺旋水冷壁管24和布置在排烟烟室21下部的深度冷凝管束23进行热能深度利用，最后由排烟及冷凝液排出口7排出，冷凝液经冷凝液收集板8的汇集作用，并经过V形冷凝液处理装置15的处理后由排烟及冷凝液排出口7排出。

Claims (6)

1.一种贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，包括外壳（1），其特征在于：外壳（1）内部由多个外圈竖直水管依次顺排构成外圈环形水冷壁（5），和外圈竖直水管间隔设置的多个内圈竖直水管依次顺排构成内圈环形水冷壁（10），内圈环形水冷壁（10）包绕构成炉内空间（13），炉内空间（13）被隔板（4）分为炉膛辐射换热空间（20）和排烟烟室（21），外圈环形水冷壁（5）和内圈环形水冷壁（10）下端通过与下管板（18）胀紧连接同环形给水集箱（16）导通，外圈环形水冷壁（5）和内圈环形水冷壁（10）上端通过与上管板（17）胀紧连接同环形出水集箱（3）相导通，环形出水集箱（3）与加热水出口（11）、通大气管座（14）相导通，环形出水集箱（3）上部为上顶板（19），全预混金属纤维燃烧器（12）安装在上顶板（19）上，全预混金属纤维燃烧器头部（9）深入到辐射换热空间（20）内部进行辐射换热，排烟烟室（21）内部布置有一圈以上的螺旋水冷壁管（24），螺旋水冷壁管（24）与排烟烟室21下方深度冷凝换热管束（23）相导通，深度冷凝换热管束（23）下方和V形冷凝液收集装置（15）相导通，V形冷凝液收集装置（15）与排烟及冷凝液排出口（7）相导通，螺旋水冷壁管（24）和深度冷凝换热管束（23）与给水入口（6）相连通，并同环形给水集箱（16）相导通；所述内圈环形水冷壁（10）和外圈环形水冷壁（5），相邻竖直水管间留有1～2mm的窄间隙作为烟气流通通道，竖直水管采用普通圆管或在圆管四周焊接角钢或采用外方内圆管；所述隔板（4）的横向分隔部位为从圆柱形炉内空间（13）中心到外圈环形水冷壁（5）竖直水管中心，在锅炉外壳（1）内壁面与外圈环形水冷壁（5）之间形成烟气转弯通道（22）。 

2.根据权利要求1所述的贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，其特征在于： 所述隔板（4）采用Cr25Ni20耐高温不锈钢材料。 

3.根据权利要求1所述的贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，其特征在于：在所述内圈环形水冷壁（10）和外圈环形水冷壁（5）上端包覆有耐火层（2）。 

4.根据权利要求1所述的贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，其特征在于：所述外壳（1）和外圈环形水冷壁（5）之间下部以及外圈环形水冷壁（5）和内圈环形水冷壁（10）之间下部布置倾斜预设角度的冷凝液收集板（8），所述外圈环形水冷壁（5）和内圈环形水冷壁（10）的竖直水管穿过插入冷凝液收集板（8）。 

5.根据权利要求1所述的贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，其特征在于：所 述的外壳（1）内表面、内圈环形水冷壁（10）、外圈环形水冷壁（5）以及深度冷凝换热管束（23）采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ND钢、Corten钢、316L不锈钢、铝合金或钛合金材料。 

6.根据权利要求1所述的贯流型窄间隙整体冷凝式热水锅炉，其特征在于：所述的深度冷凝换热管束（23）中部布置有烟气挡板（25）。 

Images