[发明专利]一种整体式冷凝锅炉

说明书

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：