CN113390185B - 一种承压冷凝锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种承压冷凝锅炉，其包括承压壳体、设置在承压壳体内的换热炉胆、与换热炉胆连通的燃烧室，以及固定在换热炉胆内冷却管组；在承压壳体上设有与换热炉胆连通的出烟管、以及换热介质进、出口；换热炉胆包括多级圆柱状的换热室，每级换热室的中部设有贯通相应换热室上、下管板的中心过水通道，并在换热室的上管板一侧设有进烟口、下管板上远离相应进烟口的一侧设有出烟口；相邻换热室之间通过转烟道连通；其中，换热介质自下而上流经承压壳体、冷却管组和中心过水通道，与在换热炉胆内自上而下扩散的高温烟气逆流换热；在每级换热室内高温烟气自进烟口包绕中心过水通道旋转流通至相应出烟口。本发明结构简单、换热效率高。

Description

一种承压冷凝锅炉
技术领域
本发明涉及锅炉技术领域，尤其涉及一种承压冷凝锅炉。
背景技术
冷凝锅炉通过吸收高温烟气中的显热和蒸汽凝结所释放的潜热，达到提高锅炉热效率的目的；其最大热效率可达109％，比普通燃气炉热效率高出15～17％，另一方面，排烟温度大大降低，烟气中的氮氧化物(NOx)超低排放。冷凝锅炉在国外已有大量的研发和应用。
近些年来，因冷凝锅炉的高效节能逐渐被国内重视起来，但我国在冷凝技术产品的研发、生产和应用方面仍处于起步阶段，尤其是在承压冷凝锅炉方面仍是基本空白，市场亟待开发研究该类产品。
发明内容
本发明实施例提供一种承压冷凝锅炉，其基于逆流换热、增强烟气侧换热及增强对流换热系数原理，开发适于承压运行的冷凝锅炉，并将其热效率提高至100％以上，大幅降低了承压冷凝锅炉的制造、安装和应用成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种承压冷凝锅炉，其包括承压壳体、设置在承压壳体内的换热炉胆、与换热炉胆连通的燃烧室，以及固定在换热炉胆内冷却管组；
在承压壳体上设有与换热炉胆连通的出烟管、以及换热介质进、出口；
换热炉胆包括多级圆柱状的换热室，每级换热室的中部设有贯通相应换热室上、下管板的中心过水通道，并在换热室的上管板一侧设有进烟口、下管板上远离相应进烟口的一侧设有出烟口；相邻换热室之间通过转烟道连通；
其中，换热介质自下而上流经承压壳体、冷却管组和中心过水通道，与在换热炉胆内自上而下扩散的高温烟气逆流换热；在每级换热室内高温烟气自进烟口包绕中心过水通道旋转流通至相应出烟口。
本方案中，高温烟气自上而下逐级扩散、换热介质自下而上形成逆流换热，较低温的换热介质使得烟气排放温度较低，上部高温烟气使排出的换热温度较高；采用承压壳体和圆柱体结构的换热炉胆，适于承压运行，因此本发明实施例中的承压锅炉排出的换热介质(通常采用水)既可以为高、低温热水，也可为高温蒸汽。尤其是，每级换热室具有相对独立的换热腔，高温烟气强制在每级换热室内流通，中心过水通道的设置使高温烟气自进烟口进入换热室后，分两路包绕中心过水通道旋转流通至相应的出烟口，对冷却管组和中心过水通道内的冷却介质形成横向冲刷，提高换热效率和热量利用率，且换热室呈圆柱形可实现锅炉的承压运行。与现有技术中需要在炉体外另设配套的冷凝设备相比，本发明实施例采用一体式的冷凝锅炉即可达到《工业锅炉能效限定值及能效等级(GB24500-2020)》中对冷凝锅炉的1级能效的要求，而且结构简单，制造、安装和应用成本较低。
在一些实施例中，换热炉胆设有2级以上换热室，其中，高温烟气扩散末端的换热室的出烟口设置在远离相应进烟口一侧的侧壁上、且与出烟管连通。
示例性的，换热炉胆设置3级或4级换热室，每级换热室的进烟口与上一级换热室的出烟口位置对应、形状适配。本申请对换热室的具体数值不作限定，以同一换热室内进烟口和出烟口相互远离为设置原则。
示例性的，进烟口或出烟口为圆形或类椭圆形，或者由多个圆形出烟口组合成外轮廓为类椭圆形。该形状进烟口或出烟口易于加工、易于烟气扩散和承压。
可选的，中心过水通道截面为圆形。在中心过水通道与相应的换热室侧壁之间形成烟气旋转流通的定向扩散空间。
在一些实施例中，冷却管组以中心过水通道为中心呈辐射状分布，且避让相应的进烟口和出烟口；或冷却管组环绕所述中心过水通道呈圆周分布，且避让相应的进烟口和出烟口。
在一些实施例中，环绕换热炉胆、在承压壳体和换热炉胆之间设有1个以上隔板。隔板的设置一方面防止换热介质因阻力原因而不流经或少量流经冷却管组，另一方面防止过热的换热介质返流到下部的低温换热介质区，导致底部换热介质的温度高、进而出烟管的排烟温度较高。
示例性的，每级换热室对应设有一隔板。这样不仅能保障每级换热室内、外均可与换热介质充分接触，而且防止较高温度的换热介质返流至较低温度的换热介质区。
在一些实施例中，沿烟气扩散的方向、各级换热室的高度依次递减。
附图说明
图1是本发明实施例冷凝锅炉的外观结构示意图；
图2是图1的剖面结构示意图；
图3是换热炉胆的爆炸结构示意图一；
图4是换热炉胆的爆炸结构示意图二；
图5是其中一个实施例中第一换热室上管板的结构示意图；
图6是另一个实施例中第一换热室上管板的结构示意图；
其中，10-承压壳体，11-换热介质进口，12-换热介质出口，13-隔板；
20-换热炉胆，201-第一转烟道，202-第二转烟道，203-第三转烟道；204-冷凝水导出管；
21-第一换热室，211-第一冷却管组，212-第一进烟口，213-第一出烟口；214-第一下管板，215-第一中心过水通道；
22-第二换热室，221-第二冷却管组，223-第二出烟口；
23-第三换热室，231-第三冷却管组，233-第三出烟口；
24-第四换热室，241-第四冷却管组；
30-燃烧室，31-燃烧器接头，32-出烟管。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
承压冷凝锅炉和常压冷凝锅炉都是锅炉产品的一种。常压锅炉额定工作压力的表压力为0，其出口处的介质温度不超过90℃。承压锅炉的工作压力≥0.1MPa，其出口处的介质温度可高于100℃，并且承压锅炉可以进行水温的高低调节，不仅能提供高、低温热水，也能提供高温蒸汽；同时还直接用于带压工作的环境。因此，承压锅炉具有更广的应用范围。
申请人曾研发了一种常压冷凝锅炉，其通过烟气折流板将方形的换热炉胆分隔成具有至少一级转弯结构的连续烟气通道；但该结构无法适用承压锅炉。基于此，本发明实施例提供一种承压冷凝锅炉，可应用于更广的场合，弥补现有市场中承压冷凝锅炉的空白。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1和图2，本发明实施例的承压冷凝锅炉包括承压壳体10、设置在承压壳体10内的换热炉胆20、与换热炉胆20连通的燃烧室30以及固定在换热炉胆20内的冷却管组。承压壳体10大致为圆柱形，上下两端为一体结构的椭圆封头，如图1所示。承压壳体10的上部设有与燃烧室30连接的燃烧器接头31、下部设有与换热炉胆20连通的出烟管32。燃烧室30的封闭端为圆滑端头、与燃烧器接头31连通的开口端圆滑过渡。预混后的可燃气在燃烧室30内充分燃烧，高温烟气经换热炉胆20自上而下扩散至出烟管32。同时，在承压壳体10的下部还设有与换热介质连通的换热介质进口11、上部设有换热介质出口12。
本实施例中，换热炉胆20包括2级以上圆柱状的换热室，每级换热室的中部设有贯通相应换热室上、下管板的中心过水通道，并在换热室的上管板一侧设有进烟口、下管板上远离相应进烟口的一侧设有出烟口；相邻换热室之间通过转烟道连通。圆柱状的换热室适于承压，并与承压壳体10之间形成适于换热介质流通的换热空间。每级换热室具有相对独立的换热腔、通过转烟道连通为连续烟道，增加了烟气的回程，利于充分换热，提高换热介质出口温度，降低烟气的出口温度，从而提高热效率。中心过水通道与换热室之间的空间形成烟气旋转流通的通道。
本实施例中，温度较低的换热介质经换热介质进口11自下而上在承压壳体10内、中心过水通道以及冷却管组内流通，与各换热室内流通的高温烟气逆流换热。
上述方案中，设置2级以上换热室，如设置2级换热室或3级换热室或4级换热室，每级换热室的进烟口和出烟口以相互远离的方式设置，烟气在每级换热室内充分冲刷冷却管组，实现有效换热；换热室内的烟气温度逐级降低，末级换热室的烟气温度较低。需要说明的是，本申请对换热室的数量不作具体限定。
其中，每级换热室的进烟口或出烟口在相应换热室上呈圆滑过渡，与相应进烟口和出烟口连通的转烟道侧壁也呈圆滑过渡。每级换热室包括筒形的侧壁和与侧壁密闭连接的上、下管板(未标出序号)，在上管板上开设有进烟口、下管板设有出烟口，上、下管板还通过焊接等方式固定冷却管组的两端。冷却管组竖直设置在换热室内，两端与承压壳体10连通。换热介质(通常用水)流入冷却管组与换热室的高温烟气换热，再从冷却管组排出与承压壳体10内的换热介质混合。进烟口、出烟口采用圆滑过渡的结构，如圆形(如图3所示的第一进烟口212)、或类椭圆形，适于承压。转烟道的横截面与相应的进烟口或出烟口形状适配，适于承压。
为了提高承压冷凝锅炉的换热效率，环绕换热炉胆20、在承压壳体10和换热炉胆20之间设有1个以上隔板13，参见图2。隔板13可以在末级换热室的上方设置1个，其目的是防止较高温度的换热介质返流导致承压壳体10下部的换热介质温度升高、降低末级换热室的换热效率、从而使出烟温度升高。
在一些实施例中，每级换热室对应设有一隔板13。从换热介质进口11进入的换热介质经冷却管组流通至换热炉胆20与承压壳体10之间的空间内。隔板13可防止上级的换热介质返流至较低温度的换热介质区，有效提高换热效率。当然，隔板13可以封闭地设置在承压壳体10和换热炉胆20之间，也可以在承压壳体10和换热炉胆20之间留有缝隙；可以设置多个，但相邻隔板之间不能形成换热介质无法流通到的封闭空间。
各级换热室的高度可以相同。在其他一些实施例中，为了调节各级换热室的烟气流速均匀，沿烟气扩散的方向、各级换热室的高度依次递减。上部换热室内烟气温度高，高度较大，末级换热室内温度较低，高度较小。
作为一个具体实施例，请参考图2-图5，换热炉胆20设置3级，包括依次与燃烧室30连通的第一换热室21、第二换热室22和第三换热室23。在第一换热室21的中部设有贯通上、下管板的第一中心过水通道215，并在第一上管板的一侧设有第一进烟口212、第一下管板214上设有第一出烟口213，环第一中心过水通道215辐射状布置第一冷却管组211，其中第一冷却管组211避让第一进烟口212和第二进烟口213。
在第二换热室22的结构与第一换热室的结构基本相同。在其上管板设有第二中心过水通道、以及与第一出烟口213对应的第二进烟口、下管板远离第二进烟口的一侧设有第二出烟口223，第二进烟口与第二出烟口223之间设置呈辐射状分布的第二冷却管组221。
在第三换热室23的上管板设有第三中心过水通道、以及与第二出烟口对应的第三进烟口、下管板远离第三进烟口的一侧设有第三出烟口233，第三进烟口与第三出烟口之间排布第三冷却管组231。第二进烟口与第一出烟口213的形状适配，两者通过第一转烟道201连通，同理设置有第二转烟道202。
需要说明的是，“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。
从燃烧室内排出的高温烟气进入第一换热室21后分成两路分别环绕第一中心过水通道215旋转流通至第一出烟口213，经第一换热室21的下端面的第一出烟口213排至第二换热室22。同理，烟气从第二进烟口包绕式扩散、并横向冲刷第二冷却管组221，然后汇集至第二烟气出口223，从第二转烟道202扩散至第三换热室23。烟气在第三换热室23内横向冲刷第三冷却管231，第三进烟口和第三出烟口233以相互远离的方式设置，增长烟气扩散的路径，提高换热效率。
根据换热效率和排烟温度的要求，在其他实施例中，如图2-图5，换热炉胆20还包括与第三换热室23连通的第四换热室24，在第四换热室24的上管板设有第四中心过水通道以及与第三出烟口对应的第四进烟口、侧壁设有连通出烟管32的第四出烟口，第四进烟口与第四出烟口之间排布有第四冷却管组241。当然，为了提升换热效率，还可以包括第五换热室和第六换热室等。
以下以4级换热室为例说明换热室的设置。
如图3所示，第一进烟口212为圆形，第一冷却管组211两端贯穿第一换热室21的上、下管板，并环绕第一中心过水通道215呈辐射状或圆周排布，且避让对应的进烟口和出烟口。第一出烟口213的形状为圆形。
在其他实施例中，第一出烟口的形状还可以是椭圆形，如图5所示，还可以是由多个圆形出烟口组合为类椭圆形，如图6所示。
第二进烟口与第一出烟口213形状适配，第一转烟道201截面与第一出烟口213的形状适配，各连接面为圆滑过渡。第二出烟口223的形状为圆形或类椭圆形或由圆形出烟口组合成类椭圆状。结构与第一出烟口形状相似，在此不再赘述。
在换热炉胆20的底部或者出烟管32底部连接有冷凝水导出出管204，用于排出冷凝水。冷凝水排导出管204穿过承压壳体10的壳体排出炉体。
为了增加换热面积，在第二冷却管组221、第三冷却管组231和第四冷却管组241的外壁上设置换热翅片(图中未画出)。换热翅片沿冷却管轴向方向螺旋分布。
采用本实施例的结构，依据GB/T10180-2017《工业锅炉热工试验规程》测试。冷凝锅炉在满负荷运行，回水温度60℃时，烟气出口温度61℃，热效率(按低位发热值算)100％；锅炉在满负荷运行，回水温度30℃时，烟气出口温度41℃，热效率(按低位发热值算)105％；锅炉在30％负荷运行，回水温度30℃时，烟气出口温度35℃，热效率(按低位发热值算)108％；锅炉在满负荷运行，工作压力0.2MPa出蒸汽时，烟气出口温度52℃，热效率(按低位发热值算)103％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种承压冷凝锅炉，其特征在于，包括承压壳体(10)、设置在所述承压壳体(10)内的换热炉胆(20)、与所述换热炉胆(20)连通的燃烧室(30)，以及固定在所述换热炉胆(20)内冷却管组；
在所述承压壳体(10)上设有与所述换热炉胆(20)连通的出烟管(32)、以及换热介质进、出口；
所述换热炉胆(20)包括多级圆筒状的换热室，所述换热室由上、下管板和圆筒形侧壁围成，并在所述换热室的上管板一侧设有进烟口、下管板远离相应进烟口的一侧设有出烟口，相邻换热室上下排布、且相邻换热室之间通过竖向设置的转烟道连通；每级所述换热室的中部竖向设有贯通相应换热室上、下管板的中心过水通道，所述冷却管组竖向贯通相应换热室的上、下管板；
其中，换热介质自下而上流经所述承压壳体(10)、冷却管组和中心过水通道，与在所述换热炉胆(20)内自上而下扩散的高温烟气逆流换热；在每级换热室内高温烟气自进烟口包绕所述中心过水通道旋转流通至相应出烟口。
2.如权利要求1所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，所述换热炉胆设有2级以上换热室，其中，高温烟气扩散末端的换热室的出烟口设置在远离相应进烟口一侧的侧壁上、且与所述出烟管(32)连通。
3.如权利要求2所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，所述换热炉胆(20)设置3级或4级换热室，每级换热室的进烟口与上一级换热室的出烟口位置对应、形状适配。
4.如权利要求1所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，所述进烟口或出烟口为圆形、类椭圆形，或者由多个圆形出烟口组合成外轮廓为类椭圆形。
5.如权利要求2所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，所述中心过水通道截面为圆形。
6.如权利要求1-4任一项所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，所述冷却管组以中心过水通道为中心呈辐射状分布，且避让相应的进烟口和出烟口；或所述冷却管组环绕所述中心过水通道呈圆周分布，且避让相应的进烟口和出烟口。
7.如权利要求1所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，环绕所述换热炉胆(20)、在所述承压壳体(10)和所述换热炉胆(20)之间设有1个以上隔板(13)。
8.如权利要求7所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，每级所述换热室对应设有一隔板(13)。
9.如权利要求1所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，沿烟气扩散的方向、各级换热室的高度依次递减。
10.如权利要求1所述的承压冷凝锅炉，其特征在于，所述冷却管组设有散热翅片；在出烟管或换热炉胆(20)的底部设有伸出所述承压壳体(10)的冷凝水导出管。
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