CN113390186A - 一体式承压冷凝锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一体式冷凝锅炉，涉及锅炉技术领域，包括承压壳体、设置在所述承压壳体内的换热炉胆、与所述换热炉胆连通的燃烧室，以及固定在所述换热炉胆内的冷却管组；在承压壳体上设有与所述换热炉胆连通的出烟管、以及换热介质进、出口，换热介质自下而上在所述承压壳体内以及冷却管组内流通、与炉胆内自上而下的烟气逆流换热；所述换热炉胆包括多级圆柱状的换热室，相邻换热室通过转烟道连通；其中，多级换热室之间按照高温烟气从中部向四周扩散、再从四周向中部聚拢的扩散形式自上而下顺次重复设置；通过承压壳体、换热炉胆、燃烧室以及冷却管组的配合，能够提高换热效率，而且结构简单，制造、安装和应用成本较低。

Description

一体式承压冷凝锅炉
技术领域
本发明涉及锅炉技术领域，尤其涉及一体式承压冷凝锅炉。
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体式承压冷凝锅炉，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，本发明提供了一体式承压冷凝锅炉，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的冷却管组；
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，换热介质自下而上在承压壳体内以及冷却管组内流通、与换热炉胆内自上而下的高温烟气逆流换热；
换热炉胆包括多级圆柱状的换热室，相邻换热室通过转烟道连通；其中，多级换热室之间按照高温烟气从中部向四周扩散、再从四周向中部聚拢的扩散形式自上而下顺次重复设置。
本方案中，高温烟气自上而下先由中部向四周扩散，然后由四周向中部聚拢的扩散方式，与自下而上的换热介质形成逆流换热，较低温的换热介质使得烟气的排放温度较低，上部高温烟气使排出的换热介质的温度较高；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，也可为蒸汽。尤其是，每级换热室均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，提高换热效率，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。
在一种可能的实现方式中，与燃烧室连通的为第一换热室、与第一换热室连通的为第二换热室；第一换热室的上端面中部设有第一进烟口、下端面沿周壁设有第一出烟口；第二换热室上端面设有与第一出烟口对应的第二进烟口、下端面中部设有第二出烟口，第二出烟口用于与第三换热室连通或者与设置在承压壳体上的出烟管连通；其中，高温烟气在第一换热室自中部进入向四周辐射、在第二换热室从四周进入向中部的第二出烟口聚拢，形成对相应冷却管组的横向冲刷。
上述方案中，高温烟气从中部的第一进烟口进入第一换热室，并向四周扩散后从第一出烟口进入到第二换热室；高温烟气从设置在边缘位置的第二进烟口进入到第二换热室，并向中部的第二出烟口聚拢；通过上述方式能够对冷却管组形成横向冲刷，因此烟气以横向冲刷的方式与各换热室内的冷却管组充分换热，相同的原理，适用于第三换热室或其他换热室。
一些实施例中，换热炉胆可以设置4级换热室，其中第三换热室上端面的中部设有与第二出烟口相适配的第三进烟口、下端面设有沿周壁设有第三出烟口；第四换热室的上端面设有与第三出烟口对应的第四进烟口、侧壁设有与出烟管连通的第四出烟口。本发明中对换热室的数量不做限定，还能够以自中部向四周扩散、再从四周向中部聚拢的设计原则设置成五级或更多级换热室。
在一种可能的实现方式中，各换热室内的冷却管组环绕相应的进烟口或出烟口呈圆周状排布。
示例性的，冷却管组环绕相应的进烟口或出烟口呈圆周状排布2-4圈。当然冷却管组还可以设置成5圈或更多，本申请中对此不作限定。
在一种可能的实现方式中，设置在各换热室中部的进烟口或出烟口为圆形，沿各换热室周壁设置的进烟口或出烟口为弧形、或者由多个圆形出烟口沿换热室周壁排布呈弧状。
其中，当末级换热室的进烟口为弧形或由多个圆形出烟口排布呈弧形时，该进烟口为半弧或劣弧状，出烟管远离该进烟口设置。
在一种可能的实现方式中，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。
一些实施例中，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。
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。
本发明提供的一体式承压冷凝锅炉，与现有技术相比，通过承压壳体、换热炉胆、燃烧室以及冷却管组的配合，能够提高换热效率，而且结构简单，制造、安装和应用成本较低。
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是本发明实施例中换热炉胆的爆炸结构示意图一；
图4是本发明实施例中换热炉胆的爆炸结构示意图二；
图5是本发明实施例中换热炉胆的多个沿换热室周壁排布呈弧状的圆形出烟口的示意图。
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-冷凝水排出管；
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；
22-第二换热室，221-第二冷却管组，222-第二出烟口；
23-第三换热室，231-第三冷却管组，232-第三出烟口；
24-第四换热室，241-第四冷却管组，242-第四出烟口；243、第四进烟口；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20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体式承压冷凝锅炉，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。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、以及冷却管组内流通，与换热炉胆20内的高温烟气逆流换热；多级换热室之间按照高温烟气从中部向四周扩散、再从四周向中部聚拢的扩散形式自上而下顺次重复设置。
本实施例中，换热炉胆20包括多级圆柱状的换热室，相邻的换热室通过转烟道连通，烟气扩散的末级换热室与出烟管32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12的温度，降低烟气的出口温度，从而提高热效率。
上述方案中，设置多级换热室，如设置2级换热室或3级换热室或4级换热室；以2级换热室为例进行说明，第一级换热室的进烟口位于第一级换热室的上端面的中部，第一级换热室的出烟口位于第一级换热室的下端面，且沿周壁设置；因此，高温烟气在第一级换热室内从中部向四周扩散；第二级换热室的进烟口位于第二级换热室的上端面，并与第一级换热室的出烟口相适配；第二级换热室的出烟口位于第二级换热室的下端面的中部，并与出烟管32连通；因此，高温烟气在第二级换热室内从四周向中部聚拢。
综上，多级换热室之间按照高温烟气从中部向四周扩散、再从四周向中部聚拢的形式扩散，烟气在每级换热室内充分冲刷冷却管组，实现有效换热；由上至下的换热室内的烟气温度逐级降低，末级换热室的烟气温度低于末级换热室上方的每一个换热室内的烟气温度。
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)、封闭的环弧形(如图4所示的第一出烟口213)，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13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，与燃烧室30连通的为第一换热室21、与第一换热室21连通的为第二换热室22；第一换热室21的上端面中部设有第一进烟口212、下端面沿周壁设有第一出烟口213；第二换热室22上端面设有与第一出烟口213对应的第二进烟口、下端面中部设有第二出烟口222，第二出烟口222用于与第三换热室23连通或者与设置在承压壳体10上的出烟管32连通；其中，高温烟气在第一换热室21以中部进入向四周扩散、在第二换热室22从四周进入向中部的出烟口聚拢，形成对相应冷却管组的横向冲刷。
从燃烧室30内排出的高温烟气从第一换热室21的中部进入，并在第一换热室21内向四周扩散并横向冲刷第一冷却管组211，高温烟气最终从第一换热室21边缘处的第一出烟口213进入到第二换热室22；烟气在第二换热室22内由四周向中部聚拢并横向冲刷第二冷却管组221，通过上述烟气流通方式，增长烟气扩散的路径，提高换热效率。
设置在各换热室中部的进烟口或出烟口为圆形，沿各换热室周壁设置的进烟口或出烟口为弧形、或者由多个圆形出烟口沿换热室周壁排布呈弧状(如图5所示呈弧形排布的第四进烟口243，图5中未画出冷却管组)。
各换热室内的冷却管组环绕相应的进烟口或出烟口呈圆周状排布；冷却管组环绕相应的进烟口或出烟口呈圆周状排布2-4圈。需要说明的是，本申请对冷却管组的圈数和设置形式不作限定。
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，其中第三换热室23上端面的中部设有与第二出烟口222相适配的第三进烟口、下端面设有沿周壁设有第三出烟口232；第四换热室24的上端面设有与所述第三出烟口232对应的第四进烟口、侧壁设有与所述出烟管32连通的第四出烟口242。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，并环绕第一进烟口212呈圆周排布，且排布有三圈，相邻圈的冷却管插缝式设置。第一出烟口213呈封闭的环弧状、与第一换热室21的外壁匹配，第一出烟口213为圆滑过渡。高温烟气从第一进烟口212进入，以向四周扩散方式冲刷设置在第一进烟口212四周的第一冷却管组211，进行充分换热。
需要说明的是，第一冷却管组211还可以设置两圈或四圈。
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222为圆形，设置在第二换热室22下端面的中部，第二转烟道202连通第二出烟口222和第三进烟口；第二换热室22内的第二冷却管组221的排布方式与第一换热室21内的第一冷却管组211的排布方式相同。
第三进烟口的形状与第二出烟口222的形状适配，第三出烟口232为半弧或劣弧状，第三转烟道203连通第三出烟口232和第四进烟口；第三换热室23内的第三冷却管组231的排布方式与第一换热室21内的第一冷却管组211的排布方式相同。
第四进烟口形状和第三出烟口232的形状相适配。第四换热室24内的第四冷却管组241的排布方式与第一换热室21内的第一冷却管组211的排布方式相同；在第四换热室24的侧壁上开设有第四出烟口242，第四出烟口242与出烟管32连通。出烟管32远离第四进烟口设置，第四出烟口242设在第四换热室24的周壁上。
位于承压壳体10外部的出烟管32的底部连接有冷凝水排出管204，用于排出冷凝水。冷凝水排出管204穿过承压壳体10的壳体排出炉体。
为了增加换热面积，在冷却管组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)

1.一体式承压冷凝锅炉，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)内的冷却管组；
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，换热介质自下而上在所述承压壳体(10)内以及冷却管组内流通、与所述换热炉胆(20)内自上而下的高温烟气逆流换热；
所述换热炉胆(20)包括多级圆柱状的换热室，相邻换热室通过转烟道连通；其中，多级换热室之间按照高温烟气从中部向四周扩散、再从四周向中部聚拢的扩散形式自上而下顺次重复设置。
2.如权利要求1所述的一体式承压冷凝锅炉，其特征在于，与所述燃烧室(30)连通的为第一换热室(21)、与所述第一换热室(21)连通的为第二换热室(22)；
所述第一换热室(21)的上端面中部设有第一进烟口(212)、下端面沿周壁设有第一出烟口(213)；所述第二换热室(22)上端面设有与所述第一出烟口(213)对应的第二进烟口、下端面中部设有第二出烟口(222)，所述第二出烟口用于与第三换热室连通或者与设置在所述承压壳体(10)上的出烟管(32)连通；
其中，高温烟气在第一换热室(21)自中部进入向四周辐射、在第二换热室(22)从四周进入向中部的第二出烟口(222)聚拢，形成对相应冷却管组的横向冲刷。
3.如权利要求2所述的一体式承压冷凝锅炉，其特征在于，所述换热炉胆(20)设置4级换热室，其中第三换热室(23)上端面的中部设有与第二出烟口(222)相适配的第三进烟口、下端面设有沿周壁设有第三出烟口(232)；第四换热室的上端面设有与所述第三出烟口(232)对应的第四进烟口、侧壁设有与所述出烟管(32)连通的第四出烟口。
4.如权利要求1-3任一项所述的一体式承压冷凝锅炉，其特征在于，各换热室内的冷却管组环绕相应的进烟口或出烟口呈圆周状排布。
5.如权利要求4所述的一体式承压冷凝锅炉，其特征在于，所述冷却管组环绕相应的进烟口或出烟口呈圆周状排布2-4圈。
6.如权利要求1-3任一项所述的一体式承压冷凝锅炉，其特征在于，设置在各换热室中部的进烟口或出烟口为圆形，沿各换热室周壁设置的进烟口或出烟口为弧形、或者由多个圆形出烟口沿换热室周壁排布呈弧状。
7.如权利要求6所述的一体式承压冷凝锅炉，其特征在于，当末级换热室的进烟口为弧形或由多个圆形出烟口排布呈弧形时，该进烟口为半弧或劣弧状，所述出烟管(32)远离该进烟口设置。
8.如权利要求1所述的一体式承压冷凝锅炉，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)。
9.如权利要求8所述的一体式承压冷凝锅炉，其特征在于，每级所述换热室对应设有一隔板(13)。
10.如权利要求4所述的一体式承压冷凝锅炉，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。
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