CN111256159B - 用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器、换热系统及方法 - Google Patents

用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器、换热系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器、换热系统及方法，包括：筒状壳体，其两端均为缩口结构，形成烟气入口和烟气出口；第一固定板和第二固定板，分别设置于筒状壳体的两端的横截面上，且与筒状壳体内壁之间密封设置；第一固定板和第二固定板之间的筒状壳体的侧壁上设置有空气进口和空气出口，空气进口和空气出口之间设置有折流板；换热管，为若干个，其两端分别嵌套于第一固定板和第二固定板上，与筒状壳体共轴设置，换热管的一端与烟气入口连通，另一端与烟气出口连通；布液管，设置于换热管的正上方，与换热管同轴设置，使喷淋液落在换热管上，在换热管上成膜。

Description

用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器、换热系统及方法
技术领域
本发明属于烟气余热回收技术领域，具体涉及一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器、换热系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
燃气锅炉的燃料为天然气，主要成分是甲烷，燃烧过后的烟气主要成分有三种：氮气、水蒸气和二氧化碳。天然气在锅炉里燃烧释放出的热量不会全部被应用，不可避免地要产生一部分损失。其中排烟损失是各项热损失中最大的一项。锅炉的排烟温度一般在110℃-160℃，其烟气中所含大量热量被无效排放，若对烟气排放中的热量加以回收利用可以提高锅炉的热效率，对于节能减排具有重要意义。
随着北方清洁能源供热的任务的推广，燃气锅炉得到了广泛的推广应用。同时由于“煤改气”的进行，燃煤锅炉向燃气锅炉进行过渡，但是随之出现的问题有两点：(1)常规的燃气热水锅炉的排烟温度为150-200℃，由于燃气锅炉的燃料为甲烷，燃烧生成的水蒸气含量高，但是排烟温度的过高使得烟气的显热和水蒸气的汽化潜热没有得到的很好的利用。(2)燃气锅炉污染物的排放新标准，自2017年4月1日起，北京新建燃气锅炉的氮氧化物排放浓度不能超过30mg/m3。因此，燃气锅炉不仅要提高锅炉供热效率，还要减少烟气中氮氧化物排放浓度。而提高燃气锅炉的热效率，除了控制合适的鼓风量，保证燃气充分燃烧，同时不使过量空气系数过高以外，回收烟气余热是提高锅炉效率的重要手段。
现如今对于燃气锅炉的烟气处理有如下方法：一、间壁式换热器：间壁式换热是使用范围较广的天然气烟气余热回收方式，根据冷源不同可分为助燃空气+空气预热器、热网回水+热网回水预热器。以热网回水为低温冷源的烟气余热回收方式，由于热网回水温度多集中在50-55℃，与天然气的露点温度基本相同。无法将烟气温度降低到露点温度以下回收烟气中蕴含的大量潜热。对于以助燃空气为低温冷源的烟气余热回收方式，助燃空气温度一般为环境温度。理论上可以将天然气烟气温度降低至露点以下。但在常压条件下，助燃空气与烟气比热相差较大，冷凝侧与换热侧热容不匹配，在潜热回收阶段，当两者质量流量相同时，空气比热容与烟气比热容不匹配，将导致空气侧温升很大，烟气温度难以降低；二、吸收式热泵，吸收式换热技术适用于各种能级不匹配的大温差换热，降低不可逆损失。因此有学者提出将传统换热技术与吸收式换热技术相结合，利用冷却水将排烟温度降低至环境温度，再通过吸收式热泵将冷却水的低位热量回收。与传统的冷凝技术相比，该技术的适用范围更广，实际热回收效率更高。但吸收式热泵的方法处投资高，占地面积大，回收周期长，并不为大部分锅炉厂所采用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器、换热系统及方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
本发明的一个方面为提供一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，包括：
筒状壳体，其两端均为缩口结构，形成烟气入口和烟气出口；
第一固定板和第二固定板，分别设置于筒状壳体的两端的横截面上，且与筒状壳体内壁之间密封设置；
第一固定板和第二固定板之间的筒状壳体的侧壁上设置有空气进口和空气出口，空气进口和空气出口之间设置有折流板；
换热管，为若干个，其两端分别嵌套于第一固定板和第二固定板上，与筒状壳体共轴设置，换热管的一端与烟气入口连通，另一端与烟气出口连通；
布液管，设置于换热管的正上方，与换热管同轴设置，使喷淋液落在换热管上，在换热管上成膜。
本发明的第二方面为提供一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热系统，包括：所述换热器和燃气锅炉，燃气锅炉的烟气出口与换热器的烟气入口连接，换热器的空气出口与燃气锅炉的助燃气体进口连接。
燃气锅炉内产生的高温烟气可以直接通入该换热器内进行降温，将预热和加湿后的空气通入燃气锅炉中，提供助燃气体，有利于燃气燃烧，降低氮氧化物的产生。
本发明的第三方面为提供一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的方法，包括如下步骤：
来自燃气锅炉的高温烟气进入蒸发式换热器的换热管内；
向换热管上方的布液管内通入冷却液，冷却液从布液管中喷淋而下，落在换热管的外壁，形成液膜；
同时向换热管吹扫空气，强化传热；
降温后的烟气自换热器流出，预热、加湿后的空气通入燃气锅炉中助燃。
本发明的有益效果为：
布液管中的冷却液在重力作用下自上而下流经每级换热管进行布液，液膜与换热管内的高温烟气进行换热，使得换热管外为相变传热，以降低换热管内的高温烟气的温度。
第一固定板和第二固定板分别设置于筒状壳体的两端的横截面上，且与筒状壳体内壁之间密封设置，将第一固定板和第二固定板之间围成密封腔室，在该密封腔室的侧壁上开设空气进口和空气出口，采取横向进风的方式，迎风面的液膜在气流的作用下变薄，减小由热边界层形成的导热热阻，强化水平管外传热；液滴液柱在横掠气流的影响下具有一定水平速度，降至下一级换热管顶时对其有冲击作用，可以强化下一级换热器管顶喷射滞止区的换热。
喷淋液在被换热管加热和空气横扫的作用下蒸发，使空气加湿，可以使得换热器内的烟气露点提高，实现烟气的余热深度利用。并且，提高空气湿度减少了空气中的氧气浓度，将该部分空气通入锅炉中作为助燃空气时，可降低天然气燃烧过程NOx生成，从而有效减少燃气锅炉氮氧化物排放。
本发明的蒸发式换热器适用于中小型燃气锅炉，具有占地面积小，潜热回收率高，造价低的优势，可以有效平衡冷凝与换热侧热负荷，降低烟气温度和氮氧化物排放量，对燃气锅炉烟气的汽化潜热进行回收利用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的俯视图结构示意图；
图2为图1中A-A方向的固定板的截面图；
图3为本发明实施例的主视图结构示意图；
图4为本发明实施例的布液系统的结构示意图；
图5为本发明实施例的换热器的结构示意图；
图6为图1中B-B方向的折流板的截面图。
其中：1、烟气入口；2、空气进口；3、空气出口；4、烟气出口；5、冷凝水出口；6、排液口；7、喷淋水；8、折流板；9、除雾器；10、布液管；11、换热管；12、固定板。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术介绍的，现有技术中存在烟气温度不能降低到回水温度以下，较低的换热温差使的潜热回收率很低，或者需要造价和运行费用较高的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种针对燃气锅炉烟气余热回收利用的蒸发式换热器。该换热器换热效率高，结构紧凑，潜热回收率高，占地面积小，设备维护方便，造价低的优势，同时还可以通过助燃空气加湿的燃烧方式有效的降低燃气锅炉氮氧化物的排放，增加环保效益。
本发明的第一方面为提供一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，包括：
筒状壳体，其两端均为缩口结构，形成烟气入口和烟气出口；
第一固定板和第二固定板，分别设置于筒状壳体的两端的横截面上，且与筒状壳体内壁之间密封设置；
第一固定板和第二固定板之间的筒状壳体的侧壁上设置有空气进口和空气出口，空气进口和空气出口之间设置有折流板；
换热管，为若干个，其两端分别嵌套于第一固定板和第二固定板上，与筒状壳体共轴设置，换热管的一端与烟气入口连通，另一端与烟气出口连通；
布液管，设置于换热管的正上方，与换热管同轴设置，使喷淋液落在换热管上，在换热管上成膜。
在一些实施例中，所述布液管的顶部开缝，开缝长度与第一固定板和第二固定板之间的距离相等，布液管的底部设置有锯齿状薄片，锯齿方向朝下；布液管与水源连接。
通过水泵向布液管内供水，布液管内的液面上升至开缝处，从开缝处溢出，沿着布液管自身布液，在锯齿状薄片的引流下形成液柱流，液柱流逐一流至布液管下方的换热管的顶部，在换热管的外壁布液成膜，与换热管内流通的高温烟气进行换热。
布液管采用管顶开缝以及锯齿状薄片进行引流，可以有效减小由于工艺问题引起的布液不均匀或采用管底开孔会产生的堵塞现象而导致布液不均匀影响管外换热的情况。
在一些实施例中，所述换热管在筒状壳体内矩阵排列。
进一步的，每列换热管的上方均设置有一个布液管。
采用多管程的布置方式，使得氧化空气在换热器内滞留时间变长，减小换热器死角，从而达到更好的加湿效果。
更进一步的，布液管的两端分别嵌合在第一固定板和第二固定板上。
再进一步的，布液管的两端均与水源连接。采用两端进水的方式，可以使布液管内的液位稳定上升。
在一些实施例中，所述空气进口和空气出口的轴线均与筒状壳体的轴线垂直。换热管外部的空气同时与水和烟气叉流流动，可以有效强化传热。
在一些实施例中，所述筒状壳体的一侧设置有锥形集液装置，锥形集液装置与布液管相对设置，锥形集液装置的最低端设置有排液口。
布液管中流下的冷却液流经换热管未蒸发的部分可以通过锥形集液装置收集，并从排液口排出，以循环利用。
在一些实施例中，第二固定板靠近筒状壳体的烟气出口设置，第二固定板与烟气出口之间设置有除雾器。除雾器可以除去高温烟气中经过冷凝后析出的液滴。
本发明的第二方面为提供一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热系统，包括：所述换热器和燃气锅炉，燃气锅炉的烟气出口与换热器的烟气入口连接，换热器的空气出口与燃气锅炉的助燃气体进口连接。
燃气锅炉内产生的高温烟气可以直接通入该换热器内进行降温，将预热和加湿后的空气通入燃气锅炉中，提供助燃气体，有利于燃气燃烧，降低氮氧化物的产生。
本发明的第三方面为提供一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的方法，包括如下步骤：
来自燃气锅炉的高温烟气进入蒸发式换热器的换热管内；
向换热管上方的布液管内通入冷却液，冷却液从布液管中喷淋而下，落在换热管的外壁，形成液膜；
同时向换热管吹扫空气，强化传热；
降温后的烟气自换热器流出，预热、加湿后的空气通入燃气锅炉中助燃。
实施例
如图1和图5所示，一种用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，筒状壳体，其两端均为缩口结构，形成烟气入口1和烟气出口4；
两个固定板(第一固定板和第二固定板)12，分别设置于筒状壳体的两端的横截面上，且与筒状壳体内壁之间密封设置；
两个固定板12之间的筒状壳体的侧壁上设置有空气进口2和空气出口3，空气进口2和空气出口3之间设置有折流板8，折流板8与换热管垂直设置，其一侧与筒状壳体之间密封设置，另一侧与筒状壳体留有一定间距，使空气能顺利通过，折流板8的尺寸小于固定板12的尺寸，所以折流板8上的开孔数量小于固定板上的开孔数量，如图2和图6所示。
如图2所示，换热管11，为12个，在筒状壳体内矩阵排列，每个换热管的两端分别嵌套于第一固定板和第二固定板上，与筒状壳体共轴设置，换热管的一端与烟气入口1连通，另一端与烟气出口4连通；
如图4所示，布液管10，设置于每列换热管11的正上方，与换热管11同轴设置，布液管10的两端分别嵌合在第一固定板和第二固定板上，使喷淋液落在换热管11上，在换热管11上成膜，布液管10的顶部开缝，开缝长度与第一固定板和第二固定板之间的距离相等，布液管10的底部设置有锯齿状薄片，锯齿方向朝下；布液管10的两端均与水源连接。通过水泵向布液管内供水，布液管内的液面上升至开缝处，从开缝处溢出，沿着布液管自身布液，在锯齿状薄片的引流下形成液柱流，液柱流逐一流至布液管下方的换热管的顶部，在换热管的外壁布液成膜，与换热管内流通的高温烟气进行换热。
如图3所示，所述空气进口2和空气出口3的轴线均与筒状壳体的轴线垂直。换热管11外部的空气同时与水和烟气叉流流动，可以有效强化传热。
筒状壳体的一侧设置有锥形集液装置，锥形集液装置与布液管相对设置，锥形集液装置的最低端设置有排液口6。布液管10中流下的冷却液流经换热管11未蒸发的部分可以通过锥形集液装置收集，并从排液口6排出，以循环利用。
第二固定板靠近筒状壳体的烟气出口设置，第二固定板与烟气出口之间设置有除雾器9。除雾器9可以除去高温烟气中经过冷凝后析出的液滴。
如图1所示，燃气锅炉烟气出口连接管道后与换热器烟气入口1连接，可以根据实际工程要求在锅炉与换热器烟气入口1中间安装调节阀，控制进入换热器内的烟气速度。烟气在水平管内发生冷凝，烟气中的水蒸气冷凝后为液态水，在重力作用下堆积在水平管内底部，之后跟随着进入管内的烟气从管内流出，通过除雾器9，凝结水在除雾器9的作用下聚集后在重力作用下流出换热器，冷凝后的烟气从烟气出口4排出。
换热器正面左侧为空气进口2，空气进口2与送风机相连接，换热器正面右侧为空气出口3，空气出口3通过管道与锅炉助燃空气进口相连接，氧化空气以垂直于换热器正面的方向进入换热器，在换热器内氧化空气流动方向与水平管相垂直，在送风机的作用下进入换热器在隔离板8的作用下，以与进入方向相反的方向流动最后流出换热器，氧化空气经过换热器后湿度增大，最后进入锅炉参与燃烧过程。
如图3所示，喷淋水7在水泵抽吸作用下自上而下进入布液管10，经过布液管10后均匀分布于换热管11最上面一级，然后在重力的作用下自最上面一级的换热管流至最下面一级换热管，在管间做降膜流动，喷淋水7在管间铺展，润湿水平换热管，在管表面吸热蒸发，喷淋水部分在管间蒸发后跟随着横掠水平管的氧化空气排出换热器进入燃气锅炉参与燃烧。未蒸发液体继续在重力的作用下向下流动通过未蒸发液体出口6流出，在循环水泵的作用下重新进入10布液管，循环降膜蒸发。
如图4所示，布液管采用顶端开缝，两端进水的方式，要求布液管表面抛光，减小由于表面粗糙度对于液膜成型的影响，锅炉给水在水泵的抽吸作用下自上而下进入布液管10，布液管10内液面随着水的堆积，液面逐渐上升，当液面上升至顶部缝口溢出，沿着管子两侧表面在重力的作用下布液，底部焊接铝的锯齿状薄片对喷淋水进行引流，更好的使管表面湿润。
作为不同的实施方法，布液系统可为喷嘴、喷头、布液管管底开孔或筛板式布液方式。
作为典型实施方式，蒸发式换热器内，水与烟气流动方向为叉流。
作为不同的实施方式，蒸发式换热器内，水与氧化空气为叉流或逆流。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，其特征在于：包括：
筒状壳体，其两端均为缩口结构，形成烟气入口和烟气出口；
第一固定板和第二固定板，分别设置于筒状壳体的两端的横截面上，且与筒状壳体内壁之间密封设置；将第一固定板和第二固定板之间围成密封腔室，在该密封腔室的侧壁上开设空气进口和空气出口；
第一固定板和第二固定板之间的筒状壳体的侧壁上设置有空气进口和空气出口，空气进口和空气出口之间设置有折流板；
换热管，为若干个，其两端分别嵌套于第一固定板和第二固定板上，与筒状壳体共轴设置，换热管的一端与烟气入口连通，另一端与烟气出口连通；
布液管，设置于换热管的正上方，与换热管同轴设置，使喷淋液落在换热管上，在换热管上成膜；
所述布液管的顶部开缝，开缝长度与第一固定板和第二固定板之间的距离相等，布液管的底部设置有锯齿状薄片，锯齿方向朝下；布液管与水源连接。
2.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，其特征在于：所述换热管在筒状壳体内矩阵排列。
3.根据权利要求2所述的用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，其特征在于：每列换热管的上方均设置有一个布液管。
4.根据权利要求3所述的用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，其特征在于：布液管的两端均与水源连接。
5.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，其特征在于：所述空气进口和空气出口的轴线均与筒状壳体的轴线垂直。
6.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，其特征在于：所述筒状壳体的一侧设置有锥形集液装置，锥形集液装置与布液管相对设置，锥形集液装置的最低端设置有排液口。
7.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热器，其特征在于：第二固定板靠近筒状壳体的烟气出口设置，第二固定板与烟气出口之间设置有除雾器。
8.用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热系统，其特征在于：包括：权利要求1-7任一所述换热器和燃气锅炉，燃气锅炉的烟气出口与换热器的烟气入口连接，换热器的空气出口与燃气锅炉的助燃气体进口连接。
9.用于燃气锅炉烟气余热深度回收的方法，其特征在于：所述方法在权利要求1-8任一项用于燃气锅炉烟气余热深度回收的换热系统中进行，包括如下步骤：
来自燃气锅炉的高温烟气进入蒸发式换热器的换热管内；
向换热管上方的布液管内通入冷却液，冷却液从布液管中喷淋而下，落在换热管的外壁，形成液膜；
同时向换热管吹扫空气，强化传热；
降温后的烟气自换热器流出，预热、加湿后的空气通入燃气锅炉中助燃。
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