一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器及其烟气余热综合回收的方法与流程

本发明涉及蒸汽发生器技术领域，特别是一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器及其烟气余热综合回收的方法。

背景技术：

工业领域对水蒸气的需求量极大，就目前技术而言，蒸汽主要由蒸汽锅炉产生，传统蒸汽锅炉主要依靠燃料在炉膛中燃烧产生热量直接加热锅筒来产生蒸汽，该方法虽然能产生蒸汽，但烟气带走大量热量，排烟温度有几百度，甚至更高，因而热效率较低，即使使用换热器对烟气进行余热回收，最终排烟温度也在150℃左右，仍然有较大部分热量没有回收利用，并且换热器易腐蚀，体积庞大，结构复杂，使用寿命短等缺点。雾霾情况的严重在不少地方提出禁止运行10吨以下的燃煤锅炉来采暖或生产蒸汽，这样，会有大量的燃气锅炉填补这个市场。目前的燃气蒸汽锅炉效率大多不高于90％，排烟温度高，多在150℃以上，余热得不到充分利用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器及其烟气余热综合回收的方法，烟气的余热首先用于加热助燃空气，然后对烟气余热进一步回收用于加热给水，可以做到烟气余热的极限回收。本发明的蒸汽发生器能长期安全可靠的产生蒸汽，并能对烟气的热量充分回收利用，降低排烟温度，减少热损失，提高热效率。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的一个目的是提供一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器，包括蒸汽发生器和设置于所述蒸汽发生器底部的加热装置，所述加热装置包括空气管道、燃气管道、四通阀、第一蓄热室、第二蓄热室和燃烧装置，所述第一蓄热室和第二蓄热室分别设置于所述蒸汽发生器底部的四周，所述第一蓄热室由外向内依次设置有第一保温层和第一蓄热层，所述第二蓄热室由外向内依次设置有第二保温层和第二蓄热层，所述燃烧装置包括与所述第一蓄热室连接的第一燃烧室和与所述第二蓄热室连接的第二燃烧室，所述第一燃烧室和所述第二燃烧室通过热管换热区连通，所述热管换热区内设置有烟气导流板和由若干根热管组成的热管蔟；助燃空气依次通过空气管道和四通阀，经第一蓄热室，被已经加热的第一蓄热层加热后进入第一燃烧室，同时燃气通过燃气管道进入第一燃烧室与空气混合在第一燃烧室中燃烧，燃烧后的烟气通过烟气导流板在热管间流动，燃烧后的烟气经第二蓄热层后通过四通阀，经排烟管道排出，排烟管道为热水管道和烟气管道套接，烟气管道设置于热水管道的内部。

在一个燃烧周期内，在上半个周期，助燃空气依次通过空气管道和四通阀，经第一蓄热层，被原已经被加热的蓄热材料加热后进入燃烧室，空气被加热的温度约300℃左右，燃气通过燃气管道进入燃烧室与空气混合在燃烧室中燃烧，燃烧后的热烟气1000℃以下，通过燃烧装置内的烟气导流板在热管间流动。经过烟气导流板的折流，可以延长烟气与热管的接触时间，此部分热管外部设置有翅片，可以扩大换热面积，与传统锅炉的光管相比，换热面积可以增加8～10倍，因此，相同功率的设备本发明提出的蒸汽发生器可以做的更紧凑，缩小设备体积，减少占地面积。经过热管区换热后，烟气温度降到350℃左右，然后经第二蓄热室加热内部的蓄热材料，通过四通阀，经排烟风机引出，排烟管道为热水管道和烟气管道套接，烟气管道设置于热水管道的内部，由锅炉给水进一步回收烟气余热，烟气温度可降低到50℃左右；燃烧室内设置有热管蔟，热管蔟由若干个热管组成，热管的上部设置于蒸汽发生器内部，下部设置于热管换热区内部。

本发明提出的蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器的突出特点是：(1)排烟温度低，可以充分回收烟气余热，包括烟气中蒸汽的汽化潜热，从而可以提高热效率到95％以上；(2)热管烟气加热侧增加翅片，可以增加换热面积8～10倍，可以缩小设备体积；(3)热管的换热效率高，且系统中单根热管的损坏不会造成整个系统的停止，设备使用寿命长；(4)火焰温度控制在1000℃左右，热力型NOX的生成受到抑制。

四通阀的设置使高温烟气和助燃空气在空气管道和排烟管道中进行自由切换。水和烟气在套管中发生热交换，烟气温度进一步降低，水吸收热量进入蒸汽发生器中。

本发明提出的蒸汽发生器能长期安全可靠的产生蒸汽，并能对烟气的热量充分回收利用，降低排烟温度，减少热损失，提高热效率。

优选地，所述的第一保温层和所述的第二保温层的厚度分别为150～200mm，所述的第一蓄热层和所述的第二蓄热层的截面宽度分别为100～150mm。第一蓄热层和第二蓄热层的蓄热材料总高度及结构形式根据设备功率的大小分别计算，第一蓄热层和第二蓄热层的比表面积在1000m²/m³左右。

优选地，所述的第一蓄热层和所述的第二蓄热层的蓄热材料选自蜂窝陶瓷或金属蜂窝陶瓷中的一种。第一蓄热层和第二蓄热层的蓄热材料可以为相同的蓄热材料或者不同的蓄热材料，只要其能达到相同的蓄热效果即可。空气和烟气在蓄热层中稳定流动，实现蓄热层对空气的加热以及烟气对蓄热层的加热。

优选地，所述的烟气导流板在所述热管换热区内交替设置，使烟气的运动轨迹呈S型。烟气导流板的设计延长了烟气与热管的接触时间，使热管吸收更多热量，保证换热充分。

优选地，所述的热管下端设置有增大吸热面积的翅片。如果单根热管烟气侧出现问题，不会影响到整个系统的正常运行。

优选地，所述的蒸汽发生器顶部设置有将蒸汽排出的蒸汽管道。蒸汽管道用于将蒸汽发生器中产生的蒸汽及时排出。

优选地，所述的蒸汽发生器外部设置有用于监测蒸汽发生器内部温度的温度传感器、用于监测蒸汽发生器内部压力的压力传感器和用于确保蒸汽发生器安全的安全阀。

热管内部根据加热工艺不同，保持一定的真空度，管内工质经过处理后，可以有效抑制高温高压下氢气等不凝气体的析出，且可以将析出的氢气气化为水，保证内部的真空度，从而可以延长热管的使用寿命。管内工质可以视实际情况选择，只要能达到需要的效果即可。

本发明的另一个目的是提供一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器烟气余热综合回收的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将空气由鼓风机送入四通阀，依次经第一管道和第一蓄热层到达第一燃烧器进入第一燃烧室，在此过程中，空气被第一蓄热层由环境温度加热到250℃～350℃，同时，燃气由燃气管道到达第一燃烧器进入第一燃烧室与空气混合在第一燃烧室内燃烧；燃烧产生的烟气在烟气导流板的导向作用下，沿折流通道在热管换热区内流动，由热管吸收并传输到蒸汽发生器内部加热水产蒸汽，当蒸汽到达设定要求后由蒸汽管道引出；最后烟气温度降低到250℃～350℃进入第二蓄热层，在此处烟气的温度由250℃～350℃降低到80℃～120℃，烟气经第二管道进入四通阀，在此过程中，烟气余热被蓄存在第二蓄热层内，由引风机将烟气送入排烟管道，排烟管道中的烟气加热热水管道中的给水，给水经热水输送管道进入蒸汽发生器，烟气的温度进一步降低到50℃～60℃，排入大气环境中；

(2)将空气由鼓风机送入四通阀，依次经第二管道和第二蓄热层到达第二燃烧器进入第二燃烧室，在此过程中，空气被第二蓄热层由环境温度加热到250℃～350℃，同时，燃气由燃气管道到达第二燃烧器进入第二燃烧室与空气混合在第二燃烧室内燃烧；燃烧产生的烟气在烟气导流板的导向作用下，沿折流通道在热管换热区内流动，由热管吸收并传输到蒸汽发生器内部加热水产蒸汽，当蒸汽到达设定要求后由蒸汽管道引出；最后烟气温度降低到250℃～350℃进入第一蓄热层，在此处烟气的温度由250℃～350℃降低到80℃～120℃，烟气余热被蓄存在第一蓄热层内，烟气经第一管道进入四通阀，由引风机送入排烟管道，排烟管道中的烟气加热热水管道中的热水，热水经热水输送管道进入蒸汽发生器，烟气的温度进一步降低到50℃～60℃，排入大气环境中；

(3)再重复上述步骤(1)和步骤(2)，循环进行，实现烟气余热综合回收

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的蒸汽发生器通过热管的高效换热技术提高热效率；热管蒸发段采用翅片增加换热面积和高比表面积的蓄热材料，在保证换热效果的前提下，缩小设备体积，降低生成成本；

(2)通过蓄热材料对烟气的热量极限回收利用，降低排烟温度，减少热损失，因而热效率很高，本系统最终热效率可达95％以上，排烟温度比环境温度高不大于30℃，从而达到节能的目的。

附图说明

图1是本发明的一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器的结构示意图；

图2是本发明的一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器的结构示意图；

图中：1、鼓风机；2、空气管道；3、二位四通阀；4、第一管道；5、第二管道；6、引风机；7、进水管道；8、热水管道；9、排烟管道；10、热水输送管道；11、第二保温层；12、第二蓄热层；13、第二燃烧器；14、第二阀门；15、燃气管道；16、第一阀门；17、烟气导流板；18、第一燃烧器；19、第一蓄热层；20、温度传感器；21、压力传感器；22、安全阀；23、压力容器；24、热管；25、热管换热区；26、蒸汽管道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

一种蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器，包括蒸汽发生器和设置于所述蒸汽发生器底部的加热装置，所述加热装置包括空气管道、燃气管道、四通阀、第一蓄热室、第二蓄热室和燃烧装置，所述第一蓄热室和第二蓄热室分别设置于所述蒸汽发生器底部的四周，所述第一蓄热室由外向内依次设置有第一保温层和第一蓄热层，所述第二蓄热室由外向内依次设置有第二保温层和第二蓄热层，所述燃烧装置包括与所述第一蓄热室连接的第一燃烧室和与所述第二蓄热室连接的第二燃烧室，所述第一燃烧室和所述第二燃烧室通过热管换热区连通，所述热管换热区内设置有烟气导流板和由若干根热管组成的热管蔟；助燃空气依次通过空气管道和四通阀，经第一蓄热室，被已经加热的第一蓄热层加热后进入第一燃烧室，同时燃气通过燃气管道进入第一燃烧室与空气混合在第一燃烧室中燃烧，燃烧后的烟气通过烟气导流板在热管间流动，燃烧后的烟气经第二蓄热层后通过四通阀，经排烟管道排出，排烟管道为热水管道和烟气管道套接，烟气管道设置于热水管道的内部。

实施例

参阅图1～2，图1和图2均为蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器的结构示意图。

本发明所提出的蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器，包括蒸汽发生器和设置于蒸汽发生器底部的加热装置，加热装置包括空气管道、燃气管道、四通阀、第一蓄热室、第二蓄热室和燃烧装置，第一蓄热室和第二蓄热室分别设置于蒸汽发生器底部的四周，第一蓄热室由外向内依次设置有第一保温层和第一蓄热层19，第二蓄热室由外向内依次设置有第二保温层11和第二蓄热层12，燃烧装置包括与第一蓄热室连接的第一燃烧室和与第二蓄热室连接的第二燃烧室，第一燃烧室内设置有第一燃烧器18，第二燃烧室内设置有第二燃烧器13，所述第一燃烧室和所述第二燃烧室通过热管换热区25连通，热管换热区25内设置有烟气导流板17和由若干根热管24组成的热管蔟；助燃空气依次通过空气管道2和二位四通阀3，经第一蓄热室，被已经加热的第一蓄热层19加热后进入第一燃烧室，同时燃气通过燃气管道进入第一燃烧室与空气混合在第一燃烧室中燃烧，燃烧后的烟气通过烟气导流板17在热管间流动，燃烧后的烟气经第二蓄热层12后通过二位四通阀3，经排烟管道9排出，排烟管道9为热水管道8和烟气管道套接，烟气管道设置于热水管道8的内部。

在一个燃烧周期内，在上半个周期，助燃空气依次通过空气管道2和二位四通阀3，经第一蓄热层19，被原已经被加热的蓄热材料加热后进入第一燃烧室，空气被加热的温度约300℃左右，燃气通过燃气管道15进入第一燃烧室与空气混合在第一燃烧室中燃烧，燃烧后的热烟气1000℃以下，通过热管换热区25内的烟气导流板17在热管24间流动。经过烟气导流板17的折流，可以延长烟气与热管的接触时间，热管外部设置有翅片，可以扩大换热面积，与传统锅炉的光管相比，换热面积可以增加8～10倍，因此，相同功率的设备本发明提出的蒸汽发生器可以做的更紧凑，缩小设备体积，减少占地面积。经过热管换热区换热后，烟气温度降到350℃左右，然后经第二蓄热室加热内部的蓄热材料，通过二位四通阀3，经引风机6通过排烟管道9排出，排烟管道9为热水管道8和烟气管道套接，烟气管道设置于热水管道8的内部，由锅炉给水进一步回收烟气余热，烟气温度可降低到50℃左右。

本发明提出的蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器的突出特点是：(1)排烟温度低，可以充分回收烟气余热，包括烟气中蒸汽的汽化潜热，从而可以提高热效率到95％以上；(2)热管烟气加热侧增加翅片，可以增加换热面积8～10倍，可以缩小设备体积；(3)热管的换热效率高，且系统中单根热管的损坏不会造成整个系统的停止，设备使用寿命长；(4)火焰温度控制在1000℃左右，热力型NOX的生成受到抑制。

四通阀的设置使高温烟气和助燃空气在空气管道和排烟管道中进行自由切换。水和烟气在套管中发生热交换，烟气温度进一步降低，水吸收热量进入蒸汽发生器中。

燃烧装置内设置有第一燃烧器18、第二燃烧器13以及与第一燃烧器18和第二燃烧器13分别连通的热管换热区25，空气依次通过空气管道2和二位四通阀3，经第一蓄热层19加热后经过第一燃烧器18，燃气通过燃气管道15进入进行与空气混合经过第一燃烧器18在第一燃烧室中进行燃烧，高温烟气进入热管换热区25，燃烧后的烟气在烟气导流板17的作用下在热管换热区25中流动，放热。温度达到350℃左右时，依次经过第二燃烧室中的第二燃烧器13，第二蓄热层12后通过二位四通阀3，经引风机6通过排烟管道9排出，引风机通过变频器控制，可以有效控制热管换热区内压力，有效组织烟气的流场。排烟管道9为热水管道8和烟气管道套接，烟气管道设置于热水管道8的内部；热管换热区25内根据工艺要求的热负荷，设置有若干个热管24，热管24的上部设置于蒸汽发生器内部，下部设置于热管换热区25内部，热管24下部设置有增大吸热面积的翅片。四通阀可以为二位四通阀或三位四通阀，其可以满足烟气和空气在第一管道4和第二管道5中进行自由切换即可，在本实施例中选择四通阀为二位四通阀3。

在本实施例中热管24均布竖直排列在热管换热区25内，通过烟气导流板延长烟气与热管的接触时间。热管蒸发侧在烟气吸收热量，通过放热冷凝段在锅筒放热完成热量的传递。

蒸汽发生器可以为压力容器、锅炉或者任何本领域技术人员可以想到的储存蒸汽的容器都可以，在本实施例中蒸汽发生器为压力容器23。压力容器23外部设置有用于监测压力容器内部温度的温度传感器20、用于监测压力容器内部压力的压力传感器21和用于确保压力容器安全的安全阀22。

四通阀3的设置使烟气和空气在空气管道2和排烟管道9中进行自由切换。热水管道8和烟气管道套接，水和烟气在套管中发生热交换，烟气温度进一步降低，水吸收热量进入蒸汽发生器中。

第一蓄热层19和第二蓄热层12的蓄热材料选自蜂窝陶瓷或金属蜂窝陶瓷中的一种。第一蓄热层19和第二蓄热层12的蓄热材料可以为相同的蓄热材料或者不同的蓄热材料，其能起到想到相同的效果均可。本装置中，蓄热层及其保温层一起作为炉墙，由于蓄热层中的蓄热材料具有较大的换热面积，比表面积可达1000立方每平方，因此，在保证换热效果的前提下，可以有效减少设备体积。与传统的锅炉相比，翅片管取代了光管，换热面积提高了8到10倍，在保证换热效果的同时，可以进一步缩小设备空间。空气和烟气在蓄热层中稳定流动，实现蓄热层对空气的加热以及烟气对蓄热行的加热。第一保温层和第二保温层均为陶瓷纤维毡的厚度分别为150～200mm，第一蓄热材料和第二蓄热材料的的截面宽度分别为100～150mm。第一蓄热层和第二蓄热层的蓄热材料总高度及结构形式根据设备功率的大小分别计算，第一蓄热层和第二蓄热层的比表面积在1000m²/m³左右。第一保温层使第一蓄热机构储存的热量不容易散发出去，第二保温层使第二蓄热机构储存的热量不容易散发出去。

蒸汽发生器顶部设置有将蒸汽排出的蒸汽管道26。蒸汽管道26用于将蒸汽发生器中产生的蒸汽及时排出。

热管换热区25内设置有若干个烟气导流板17，烟气导流板17在热管换热区25内交替设置，使烟气的运动轨迹呈“S”型。烟气导流板17的设计其延长了烟气与热管的接触时间，使热管吸收更多热量。烟气导流板17的数量可根据实际需要设置，在本实施例中烟气导流板的数量为3个，其就可以达到烟气回收的效果。

本发明的蓄热燃烧式燃气热管蒸汽发生器的工作原理是：

(1)将空气由鼓风机1通过空气管道2经二位四通阀3(此时二位四通阀3与第一管道4连通)，依次经第一管道4和第一蓄热层19到达第一燃烧器18燃烧后高温烟气进入热管换热区25，在此过程中，空气被第一蓄热层19由环境温度加热到250℃～350℃，同时，燃气由燃气管道15经第一阀门16(此时第二阀门14关闭)，到达第一燃烧器18与空气混合进行燃烧，高温烟气进入热管换热区25内，烟气由热管24吸收并传输到蒸汽发生器内部加热水产蒸汽，当蒸汽到达设定要求后由蒸汽管道26引出；同时，烟气在烟气导流板17的引导下运动到第二燃烧器13进入第二蓄热层12并发生热交换，烟气的温度由350℃降低到100℃左右，烟气经第二管道5进入二位四通阀3，在此过程中，烟气余热被蓄存在第二蓄热层12内，由引风机6将烟气送入排烟管道9，排烟管道中的烟气加热由进水管道7进入热水管道8中的给水，给水经热水输送管道10进入蒸汽发生器，烟气的温度进一步降低到50℃～60℃，排入大气环境中；

(2)将空气由鼓风机1经二位四通阀3(此时二位四通阀3已换向与第二管道5连通)，依次经第二管道5和第二蓄热层12到达第二燃烧器13进行燃烧，高温烟气进入热管换热区25，在此过程中，空气被第二蓄热层12由环境温度加热到250℃～350℃，同时，燃气由燃气管道15经第二阀门14(此时第一阀门16关闭)，到达第二燃烧器13与空气混合进行燃烧，高温烟气进入热管换热区25烟气由热管24吸收并传输到蒸汽发生器内部加热水产蒸汽，当蒸汽到达设定要求后由蒸汽管道引出；同时，烟气在烟气导流板17的引导下运动到第一燃烧器18进入第一蓄热层19并发生热交换，在第一蓄热室内，烟气的温度由320℃降低到100℃左右，烟气余热被蓄存在第一蓄热层19内，烟气经第一管道4进入二位四通阀3，由引风机6送入排烟管道9，排烟管道9中的烟气加热热水管道8中的给水，给水经热水输送管道10进入蒸汽发生器，烟气的温度进一步降低到50℃～60℃，排入大气环境中；

以上步骤(1)和步骤(2)两个过程形成一个周期然后循环进行，烟气的热量得以极限回收利用，因而热效率很高，烟气的热量回收率可以达到98％以上。

本发明提出的蒸汽发生器其烟气的余热首先用于加热助燃空气，然后对烟气余热进一步回收用于加热给水，可以做到烟气余热的极限回收；其能对烟气的热量充分回收利用，降低排烟温度，减少热损失，提高热效率，同时，降低生成成本，保证设备的可靠运行。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。