超低氮冷凝燃气真空加热装置的制作方法

1.本公开涉及锅炉设备技术领域，具体涉及一种超低氮冷凝燃气真空加热装置。


背景技术：

2.锅炉作为一种能量转换设备，向锅炉内输入的能量有燃料的化学能、电能，锅炉输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅炉是我国主要的热能动力设备，在工业、民用、电力等领域有十分广泛的应用。
3.目前，传统的商用燃气热水炉等热能动力设备，存在利用氮氧化物排放超标、容易造成空气污染，以及热利用效率低等问题。现阶段锅炉低氮排放措施主要采用各种燃烧优化控制技术，降低燃烧温度，从而降低nox的排放，提高热利用效率等。现阶段主要有以下几种手段：
①
全预混燃烧器，这种形式的燃烧器具有燃烧热强度高、温度均匀的优点。然而在空气清洁度低的环境下金属纤维网易堵塞、爆燃、回火、燃烧不稳定、维修维护成本高，而且在氧含量低的情况下nox排放高；
②
低氮扩散式燃烧器结合烟气回流管fgr，炉膛内烟气进行二次燃烧，这种燃烧方式虽然稳定，但燃烧不完全、nox偏高不稳定，对炉膛空间较高，导致炉体占地面积大，成本高，而且回流烟气在炉膛内易产生冷凝水，腐蚀炉体，影响锅炉寿命；
③
大气式燃烧方式，火焰稳定，具有燃气流动压力低的优点，但超低nox排放很难达到，并且热利用效率低。


技术实现要素：

4.为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种超低氮冷凝燃气真空加热装置，以实现超低氮排放、提高热利用效率以及减小装置占地面积，降低成本。
5.具体地，在一些说明性实施例中，一种超低氮冷凝燃气真空加热装置，包括：
6.加热箱本体，其内部至少形成有烟室和燃烧仓；
7.真空箱，位于所述加热箱本体顶部，所述真空箱内封装有热交换介质；
8.下集箱，位于所述加热箱本体的底部，并与所述加热箱本体相导通，所述下集箱内盛装有热交换介质；
9.其中，所述加热箱本体至少包括加热箱壳体和位于所述加热箱壳体内部的箱芯，所述箱芯被布置在烟气传播路径上；
10.所述箱芯包括第一法兰盘、换热管簇和第二法兰盘，其中，所述换热管簇为若干中空换热管阵列而成的换热管集；所述换热管簇被配置在所述第一法兰盘与第二法兰盘之间以共同组成约束烟气流通的壁面。
11.在一些可选地实施例中，所述换热管簇至少包括第一换热管簇和辐射换热管簇，其中，所述燃烧仓至少由所述第一换热管簇围合而成。
12.在一些可选地实施例中，所述第一法兰盘和第二法兰盘分别配置有若干开孔，至少部分所述中空换热管的管端经冷缩颈处理后穿过所述开孔与所述第一法兰盘和第二法兰盘连接固定。
13.在一些可选地实施例中，所述中空换热管的第一端向上延伸与所述真空箱连通，所述加热箱本体通过所述中空换热管的第二端与所述下集箱相导通，所述中空换热管内填充有热交换介质。
14.在一些可选地实施例中，至少部分所述中空换热管为翅片管或鳍片管；或者，其中，所述第一换热管簇为冷缩颈的中空光管，至少部分所述辐射换热管簇为管壁外侧形成有翅片或鳍片的中空换热管。
15.在一些可选地实施例中，所述翅片为与所述中空换热管一体成型的螺旋翅片或平面翅片。
16.在一些可选地实施例中，所述换热管簇还包括外围水冷管簇，所述外围水冷管簇分布于所述箱芯的至少一个侧面。
17.在一些可选地实施例中，所述外围水冷管簇由若干截面呈矩形的中空方管按预定间隔配置在所述第一法兰盘和第二法兰盘之间，并且设置在所述箱芯的第一侧面、第二侧面和第三侧面。
18.在一些可选地实施例中，所述第一侧面的外围水冷管簇至少被用作燃烧器的燃烧头的一部分；和/或，所述第一侧面的外围水冷管簇中，相邻中空方管之间的间隙处设置有防回火装置。
19.在一些可选地实施例中，所述加热箱本体一侧还设置有与所述烟室相连通的排烟窗；和/或，所述超低氮冷凝燃气真空加热装置还包括：
20.预混合器、等压仓、燃气供给机构和空气供给机构，其中，所述预混器通过等压仓与所述加热箱体本体连接；
21.所述燃气供给机构至少包括依次连接的过滤器、压力表、电磁阀、燃气低压保护装置、检漏装置、手动燃气调节装置、燃气管道以及燃气高压保护装置，所述燃气高压保护装置与所述预混合器连接；
22.所述空气供给机构至少包括依次连接的空气伺服马达、风机、空气管道，所述空气管道与所述预混合器相连通。
23.根据本实用新型实施例提供的技术方案至少具有以下有益效果：
24.(1)本实用新型实施例提供的超低氮冷凝燃气真空加热装置，具有燃烧稳定、热强度高、火焰均匀等特点，并能够有效降低燃烧过量空气系数，提高燃气燃烧效率，降低nox等污染气体的生成与排放；
25.(2)本实用新型实施例提供的超低氮冷凝燃气真空加热装置，采用烟气深度冷却技术，将烟气热能利用冷却箱芯将排烟温度降至烟气露点温度以下，不仅能够充分吸收高温烟气的显热，还能利用燃气燃烧时产生的水蒸气凝结放热，大大提高热转换效率，节约了能源；
26.(3)本实用新型实施例提供的超低氮冷凝燃气真空加热装置，中空换热管采用冷缩颈结构，不仅增加了管板的应力，保证结构强度，而且能够使得相邻换热管之间的具有适宜的操作空间，便于后续的焊接固定，并且相同体积的箱芯能够设计更多数量的中空换热管，提高热利用率；或者设计相同数量的中空换热管仅需要更小体积箱芯结构，有效减小加热箱本体的体积，缩小加热装置的占地空间；
27.(4)本实用新型实施例提供的超低氮冷凝燃气真空加热装置，中空换热管采用冷
缩颈结合翅片管或鳍片管结构，使得加热箱本体结构合理、紧凑，不仅能够大大缩小了加热装置的占地空间，而且高温烟气在进入烟室后冲刷翅片管或鳍片管的翅片或鳍片，可以得到更高的换热效率；
28.(5)本实用新型实施例提供的超低氮冷凝燃气真空加热装置，随烟气温度优化换热管簇的排布，并分为第一换热管簇、辐射换热管簇以及外围水冷管簇三个分区，能够提高平均换热系数；并且采用中空圆管和中空方管相结合的箱芯结构，能够最大程度提高热利用效率，并达到超低nox排放的目的，同时外围水冷管簇为中空方管集，保证与加热箱本体壳体的最小安装距离，实现大大缩小了加热箱本体结构的目的。
29.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。
附图说明
30.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
31.图1示出根据本实用新型一实施例的超低氮冷凝燃气真空加热装置的结构示意图；
32.图2示出根据本实用新型一实施例的超低氮冷凝燃气真空加热装置的箱芯结构示意图；
33.图3示出根据本实用新型的一实施例的箱芯的俯视图；
34.图4示出根据本实用新型的一实施例的箱芯的正视图；
35.图5示出根据本实用新型的另一实施例的箱芯的结构示意图；
36.图6示出根据本实用新型的另一实施例的换热管的翅片结构局部放大图；
37.图7示出根据本实用新型的再一实施例的箱芯的结构示意图。
具体实施方式
38.下文中，将参考附图详细描述本实用新型的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。
39.在本实用新型中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
40.在本实用新型中，还需要理解的是，属于“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内部”、“外部”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
41.此外，术语“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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”、“若干”的含义是指两
个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以为固定连接，也可以是可拆卸连接，或者一体式连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述属于在本实用新型中的具体含义。
42.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
43.前文提及，当前的大多数商用燃气热水炉等热能动力设备存在燃料燃烧不稳定、氮氧化物排放超标、易污染空气，并且热效率低下，而且传统的燃气热水炉占地面积大，生产制造成本较高。
44.为解决上述缺陷，本实用新型实施例提供了一种超低氮冷凝燃气真空加热装置，包括：加热箱本体，其内部至少形成有烟室和燃烧仓；真空箱，位于所述加热箱本体顶部，所述真空箱内封装有热交换介质；下集箱，位于所述加热箱本体的底部，并与所述加热箱本体相导通，所述下集箱内盛装有热交换介质；其中，所述加热箱本体至少包括加热箱壳体和位于所述加热箱壳体内部的箱芯，所述箱芯被布置在烟气传播路径上；所述箱芯包括第一法兰盘、换热管簇和第二法兰盘，其中，所述换热管簇为若干中空换热管阵列而成的换热管集；所述换热管簇被配置在所述第一法兰盘与第二法兰盘之间以共同组成约束烟气流通的壁面。本实用新型实施例通过随高温烟气温度分区优化设计换热管簇排布，能够使得燃料燃烧稳定，火焰均匀，有效降低燃烧过量空气系数，提高燃气燃烧效率，降低nox等污染气体的生成与排放。
45.图1示出根据本实用新型的实施例的超低氮冷凝燃气真空加热装置的结构示意图。图2示出根据本实用新型的实施例的超低氮冷凝燃气真空加热装置的箱芯结构示意图。图3示出根据本实用新型的实施例的箱芯结构的俯视图。图4示出根据本实用新型的实施例的箱芯结构的正视图。
46.如图1-4所示，本实用新型的超低氮冷凝燃气真空加热装置，包括：加热箱本体1、真空箱2、下集箱3、预混合器4、等压仓5、燃气供给机构6以及空气供给机构7，其中，该加热箱本体1内部至少形成有烟室和燃烧仓8；真空箱2位于所述加热箱本体1的顶部，并且箱内封装有热交换介质，该热交换介质不限于热媒水，本领域普通技术人员应当理解，本实施例中的热交换介质也可以为冷却油、有机或无机冷却液、或者固液混合热交换介质，本实用新型在此不作特别限制；下集箱3位于所述加热箱本体1的底部，并与所述加热箱本体1相导通，所述下集箱3内盛装有热交换介质，该热交换介质与真空箱2内的热交换介质相同。
47.根据本实用新型的实施例，该加热箱本体1至少包括加热箱壳体11和位于所述加热箱壳体11内部的箱芯10，所述箱芯10被布置在烟室(图中未示出)内的烟气传播路径上；
48.所述箱芯10包括第一法兰盘13、换热管簇14和第二法兰盘15，其中，所述换热管簇14为若干中空换热管140阵列而成的换热管集；所述换热管簇14被配置在所述第一法兰盘13与第二法兰盘15之间以共同组成约束烟气流通的壁面。
49.空气和燃气的混合气体在预混合器4内充分混合均匀后经该预混合器4的出口进入加热箱本体1的燃烧器，并在燃烧仓8内被点燃，生成的高温烟气经过换热管簇14的烟气流通壁面的深度冷却后温度从1500℃左右降低至300℃以下或烟气的露点温度以下，从而
极大减少了氮氧化物的生成和排放。
50.进一步地，根据本实用新型的实施例的换热管簇14至少包括第一换热管簇14a和辐射换热管簇14b，并且所述第一换热管簇14a为组成所述燃烧仓8的至少一部分。优选地，本实施例中的第一换热管簇14a是由多根中空换热管以预定间隔平行设置并围合形成四边形空间(例如矩形)的换热管集。该四边形阵列的中空换热管围合形成加热箱本体1的燃烧仓8，该中空换热管中填充热交换介质，例如热媒水，可以第一时间对燃烧形成的烟气进行降温。
51.如图2至4所示，本实用新型实施例的箱芯10中，第一法兰盘13和第二法兰盘14为两块结构相同的平板，分别位于中空换热管140的顶、底两端，并且开设有若干开孔，该第一法兰盘13和第二法兰盘14被配置为至少固定夹持若干中空换热管140，如图2所示，中空换热管140的管端经冷缩颈处理后形成冷缩口结构s，经缩颈后的中空换热管140两端分别穿过第一法兰盘13和第二法兰盘14开设的开孔后与法兰盘13、14固定连接，例如可以为焊接连接、过盈配合连接或者其它本领域的连接方式，本公开对此不作特别限制。
52.本实用新型实施例通过对中空换热管进行冷缩颈处理，可以使得有效提升管板应力，保证连接结构强度，并且管端经冷缩颈后，使得相邻管与管之间的距离增大，为后续工序中管与法兰盘的焊接、维修等操作留有足够的操作空间；此外，通过对中空换热管进行冷缩颈处理，箱芯体积不变的情况下，在保证管与管之间具有相同操作空间的前提下，箱芯中能够容纳更多的中空换热管，从而能够更好地提高热利用效率，或者，采用冷缩颈结构，在使用的中空换热管数量不变的情况下，能够有效缩减箱芯的体积，进一步减小加热箱本体的体积，降低装置的占地面积。
53.根据本实用新型的实施例中，所述中空换热管140的第一端可以向上延伸进入到加热箱本体1顶部的真空箱2中与其相连通，所述加热箱本体1所述中空换热管的第二端与所述下集箱3相导通，所述中空换热管140、真空箱2、下集箱3内填充有热交换介质，例如热媒水。
54.其中，该真空箱2内部封装有预定体积的热媒水以及能够与外界进行热交换的传热部件(图中未示出)，该传热部件至少部分浸润在所述热媒水中或者以预设间隔被布置在所述热媒水上部预设空间。当燃烧仓8内的燃气与空气的混合气体被点燃后，加热箱本体1内的换热管簇14被加热，各管簇内的热交换介质受热后进行热传导，此时位于真空箱2内的热媒水将受热变成蒸汽与该传热部件进行热交换，从而将热媒水的热量经传热部件传导至外部需供暖、生活热水等的设备管道中，完成对外部的供暖或生活热水供给。
55.此外，高温蒸汽经过热交换后形成冷凝水后回落到真空箱2内，在一定程度上维持了下箱体3、换热管簇14以及真空箱2的热媒水重量的平衡，避免换热管簇14在缺少热媒水的情况下被火焰束或烟气加热，造成空烧或干烧事故。本公开实施例为了避免安全事故的发生，在加热箱本体1中配置有水位警示装置，以在热媒水水位低于预设安全水位时发出报警提示，提醒工作人员及时添加热媒水。
56.本实用新型实施例中，至少部分所述中空换热管140为翅片管或鳍片管。
57.具体地，所述第一换热管簇14a为具有冷缩颈结构的中空光管，而至少部分所述辐射换热管14b为管壁外侧形成有翅片或鳍片的中空翅片管或鳍片管。其中，中空光管采用直径为30～50mm光管，管簇间距为5～20mm，由于燃烧仓8内进行燃料燃烧，烟温高于1000℃，
热交换迅速，热媒水蒸发强烈，因此可采用直径较大的大直径管避免蒸汽蒸发过快堵塞造成蒸汽流动停滞，而且光滑的光管换热表面，不仅具有较高的热效率，而且减少烟气侧积垢，实现自动清洁，大大延长了换热管的使用寿命，保养也更加简便；另外，本实用新型的光管可以采用不锈钢材料有效提高抗氧化和耐腐蚀性。
58.所述辐射换热管14b可以部分或全部为翅片管或鳍片管，优选地，所述辐射换热管14b采用部分光管结合部分翅片管的混合换热管结构。
59.本实用新型实施例采用翅片管与光管相结合的辐射换热管结构，与单一圆形截面的光管相比，翅片管增加了与高温烟气间的对流换热面积，强化了换热，能够提高热利用效率的同时有效降低烟气排出温度。
60.本实用新型的辐射换热管14b中的光管或翅片管的外径可以为15～30mm，管簇间距为5～15mm，翅片管的翅片高度应小于10mm，以避免翅片超高温损毁。该辐射换热管14b采用不锈钢或铸铝硅合金材料，有效提高抗氧化、耐腐蚀性能，延长使用寿命。
61.优选地，本实用新型的翅片管中的翅片为与所述中空换热管一体成型的螺旋翅片或平面翅片。更优选地，所述翅片外表面还刻蚀或挤压形成有波纹结构，从而可增加烟气扰动，扩展受热面积，强化换热。
62.本实用新型实施例提供的冷凝低氮燃烧加热装置，燃气与空气经供给机构输入到预混合器内充分混合，并在燃烧仓内被点燃，高温烟气先后经历冷却箱芯的第一换热管簇、辐射换热管簇的梯度冷却换热，不仅能够充分吸收高温烟气显热，提高热转换效率，而且能够实现超低nox排放目的，加热箱本体内无冷凝水产生，延长使用寿命。
63.根据本实用新型另一实施例，本公开的换热管簇14还包括外围水冷管簇14c，所述外围水冷管簇14c被配置在所述箱芯10的至少一个侧面，例如第一侧面a、第二侧面b和第三侧面c上，如图7所示。
64.该外围水冷管簇14c由若干截面呈矩形的中空方管按预定间隔配置在所述第一法兰盘13和第二法兰盘14之间，并且围合在所述箱芯10的第一侧面a、第二侧面b和第三侧面c。本实用新型的外围水冷管簇14c采用形状规则的中空方管结构，一方面可以进一步吸收烟气的辐射散热，提高热效率，降低加热箱本体外壳11的外表面温度，另一方面，外围中空方管结构可以与加热箱本体实现更加紧凑的装配，有利于缩小加热箱本体体积。
65.此外，本实用新型的箱芯的第一侧面a的外围水冷管簇14c可以至少被用作燃烧器的燃烧头的一部分，与传统的燃烧器与锅炉本体分体设计不同的是，本实用新型实施例将箱芯10一侧面的水冷管簇用作燃烧器的燃烧头，即将燃烧器的燃烧头内置于加热箱本体内部，从而能够节省加热装置整体的体积，降低制造成本。
66.为了避免回火，保证安全性，本实用新型实施例中，在所述箱芯10的第一侧面a的外围水冷管簇14c的相邻中空方管之间的间隙处还设置有防回火装置，例如具有网眼或波纹孔的防回火件。
67.根据本实用新型的实施例，所述加热箱本体1一侧还设置有与所述烟室相连通的排烟窗16，经该排烟窗16排出的气体可保证烟气温度降至烟气露点温度以下，实现超低nox排放。
68.本实用新型实施例的超低氮冷凝燃气真空加热装置还包括：
69.预混合器4、等压仓5、燃气供给机构6和空气供给机构7，其中，所述预混器5通过等
压仓5与所述加热箱体本体1连接；
70.所述燃气供给机构6至少包括依次连接的过滤器61、压力表62、电磁阀63、燃气低压保护装置64、检漏装置65、手动燃气调节装置66、燃气管道67以及燃气高压保护装置68，所述燃气高压保护装置68与所述预混合器4连接；燃气依次通过过滤器61、压力表62、电磁阀63(含减压阀)、燃气低压保护装置64、检漏装置65、手动燃气调节装置66、燃气管道67以及燃气高压保护装置68进入预混合器4内。
71.所述空气供给机构7至少包括依次连接的空气伺服马达71、风机72、空气管道73，所述空气管道73与所述预混合器4相连通。空气依次经过空气伺服马达71、风机72、空气管道73进入预混合器4内。
72.燃气和空气在预混合器4内按照预定比例混合后形成可燃气体，之后经等压仓5从燃烧器的燃烧头进入到燃烧仓8内进行燃烧。
73.优选地，本实用新型实施例还包括控制器，分别于燃气供给机构6和空气供给机构7电连接，用于控制燃气和空气的混合比例。本实用新型实施例的燃气和空气的混合比例可以通过该控制器进行调节，并该混合比例可以使可燃气体在20～100％范围内稳定燃烧，并且火焰均匀，以适配各种供热场景。
74.此外，本实用新型实施例的等压仓5还包括等压板，位于等压仓5连通加热箱本体1的入口位置处，其中，所述等压板上开设有多个通孔。等压仓5内的可燃气体经等压板上的通孔被喷射到燃烧仓8内，之后经点火装置点燃。
75.本实用新型实施例提供的超低氮冷凝燃气真空加热装置，燃烧稳定、热强度高、火焰均匀，能够有效提高燃气燃烧效率，采用烟气深度冷却技术，将烟气热能利用冷却箱芯将排烟温度降至烟气露点温度以下，并实现降低nox等污染气体的生成与排放；冷缩颈结构的中空换热管，不仅增加了管板的应力，保证结构强度，而且能够使得相邻换热管之间的具有适宜的操作空间，便于后续的焊接固定，同时有效减小加热箱本体的体积，缩小加热装置的占地空间；光管、翅片管及方管相结合的换热管簇，不仅能够得到更高的换热效率，而且能够使结构更加紧凑。
76.以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本实用新型中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案，均属于本实用新型的保护范围内。