CN111102569A - 一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***及换热*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***及换热***，其包括燃烧机构及锅炉机构，燃烧机构包括燃气供应***、供风***、预混装置及燃烧头，燃气供应***及供风***通过管道与预混装置进行连接，预混装置设置有预混腔，燃烧头包括外壳，外壳围设形成燃烧室，预混腔通过管道与燃烧室连接；锅炉机构包括炉体，炉体内设置有辐射板，辐射板将炉体分隔为辐射腔及换热腔，燃烧头与辐射腔连通，换热腔内设置有水箱，水箱内设置有换热器。本发明通过在炉体内设置辐射板，使得燃烧头燃烧时产生的热量经由辐射腔对水箱内的水进行加热；同时在水箱内设置换热器，实现稳定红外辐射加热及高效换热，达到降低氮氧化物排放、提高燃烧效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉技术领域，尤其是涉及一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***及换热***。
背景技术
随着经济快速发展和化石能源消费持续增加，我国环境污染不断加剧，其中氮氧化物(NOx)超低排放是大气污染治理的重中之重。锅炉是氮氧化物排放的重要来源，各地均制定了严苛的锅炉排放标准，并提出锅炉氮氧化物排放治理宜采用低氮燃烧技术。目前主流低氮燃烧技术如烟气循环燃烧、分级燃烧、蓝焰燃烧技术分别存在排放不达标、不稳定、安全隐患多、牺牲效率等缺陷。
多孔介质燃烧是一种燃气和空气在介质内部反应的燃烧方式，与自由燃烧相比，这种方式燃烧速率高，稳定性好，析热均匀，无局部高温，氮氧化物排放低，能量密度高，负荷调节范围大，设备体积小，节能效果明显，还可以实现低热值气体稳定燃烧。基于多孔介质燃烧器的锅炉设计，已有公开的专利，如专利号为201621039900.8公开了一种多孔介质燃气锅炉，但是由于水室和多孔介质直接接触，容易造成介质材料开裂、水室外壁损坏等问题，同时结构也过于复杂，实用性差且造价较高；专利号为201820489550.8公开了一种燃气锅炉用燃烧器及燃气锅炉***，但是其燃烧器辐射面不能直射炉膛，热交换效率低，同时燃烧头为圆柱结构，结构复杂，功率偏低，实用性差。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术的不足，提供一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***及换热***，实现稳定红外辐射加热及高效换热，达到降低氮氧化物排放、提高燃烧效率的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其包括燃烧机构及锅炉机构，所述燃烧机构包括燃气供应***、供风***、预混装置及燃烧头，所述燃气供应***及供风***通过管道与预混装置进行连接，所述预混装置设置有预混腔，所述燃烧头包括外壳，所述外壳围设形成燃烧室，所述预混腔通过管道与燃烧室连接；所述锅炉机构包括炉体，所述炉体内设置有辐射板，所述辐射板将炉体分隔为辐射腔及换热腔，所述燃烧头与辐射腔连通，所述换热腔内设置有水箱，所述水箱内设置有换热器，所述换热器一端与辐射腔连通，所述换热器另一端贯穿炉体后连通外部排烟管。
在其中一个实施例中，所述燃烧室底端部设置有均气室，所述预混腔通过管道与均气室连接，所述均气室内设置有均气孔板，所述燃烧室于均气室上方依次设置有导流板、防回火盘及多孔介质板，所述多孔介质板下端部一侧设置有测温装置，所述多孔介质板上端部分别设置有点火电极及火焰监测电极。
在其中一个实施例中，所述炉体内设置有保温层，所述保温层盖覆在水箱外侧部。
在其中一个实施例中，所述预混装置为多通道交叉预混构造，所述预混装置用于将助燃空气与燃气以预设夹角相交的方式进行扰动混合，其中预设夹角为30°～70°。
在其中一个实施例中，所述换热器为管式换热器，所述换热器成U形排列分布在水箱内，所述换热器外侧缘均匀分布有散热翅片；
或者，所述换热器为板式换热器，所述板式换热器与所述辐射板平行设置。
在其中一个实施例中，所述辐射板为波形曲面或锯齿面构造。
在其中一个实施例中，所述多孔介质板的孔隙密度为10PPI-60PPI，孔隙率为20％-80％。
在其中一个实施例中，所述水箱连接有进水管及出水管，所述进水管及出水管分别贯穿炉体设置。
在其中一个实施例中，所述燃气供应***包括燃气自动调节阀、燃气压力传感器、电磁阀及防回火装置，所述供风***包括风机、空气调节阀及空气压力传感器。
一种换热***，其包括锅炉机构及燃烧头，所述锅炉机构包括炉体，所述炉体内设置有辐射板，所述辐射板将炉体分隔为辐射腔及换热腔，所述燃烧头与辐射腔连通，所述换热腔内设置有水箱，所述水箱内设置有换热器，所述换热器一端与辐射腔连通，所述换热器另一端贯穿炉体后连通外部排烟管。
综上所述，本发明一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***及换热***通过在炉体内设置辐射板，将炉体分隔为辐射腔及换热腔，配合将燃烧头与辐射腔连通设置，使得燃烧头燃烧燃气产生的热量经由辐射腔以红外辐射形式对水箱内的水进行加热；同时，在水箱内设置换热器，配合换热器与辐射腔连通设置，使得燃烧头燃烧产生的高温烟气通过换热器排出，并与水箱内的水完成换热工序，实现稳定红外辐射加热及高效换热，达到降低氮氧化物排放、提高燃烧效率的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例一的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***的结构原理图；
图2为本发明实施例二的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***的结构原理图；
图3为本发明实施例三的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***的结构原理图；
图4为本发明实施例四的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***的结构原理图；
图5为本发明的燃烧头的结构原理图。
主要元件符号说明：
100-燃烧机构；110-控制器；120-燃气供应***；130-供风***；140-预混装置；150-燃烧头；151-外壳；152-燃烧室；153-均气室；154-均气孔板；155-导流板；156-防回火盘；157-多孔介质板；158-测温装置；1591-点火电极；1592-火焰监测电极；200-锅炉机构；210-炉体；220-辐射板；230-辐射腔；240-换热腔；250-水箱；251-进水管；252-出水管；260-换热器；261-散热翅片；270-保温层；300-控制***。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的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发明和简化描述，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发明的限制。
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者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该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1至图5所示，本发明一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***包括燃烧机构100及锅炉机构200，所述燃烧机构100包括控制器110、燃气供应***120、供风***130、预混装置140及燃烧头150，所述控制器110用于控制燃气供应***120、供风***130、预混装置140及燃烧头150的工作状态，所述燃气供应***120用于提供燃气，所述供风***130用于提供助燃空气，所述燃气供应***120包括燃气自动调节阀、燃气压力传感器、电磁阀及防回火装置，用于监测燃气的使用状态，并防止回火，此为已知构造，在此无需赘述；所述燃气供应***120还包括过滤器、调压器及燃气快速关断阀，所述过滤器用于对燃气进行过滤，所述调压器用于对燃气的输送压力及流量进行调节，所述燃气快速关断阀用于快速关断燃气的输送。
所述供风***130包括风机、空气调节阀及空气压力传感器，用于对空气的输送压力及流量进行调节，此为已知构造，在此无需赘述，所述预混装置140为多通道交叉预混构造，所述预混装置140用于将助燃空气与燃气以预设夹角相交的方式进行扰动混合，其中预设夹角为30°～70°；具体地，所述燃气供应***120及供风***130通过管道与预混装置140进行连接，所述供风***130通过第一管道将助燃空气输送至预混装置140内，所述燃气供应***120将燃气通过第二管道输送至预混装置140内，所述预混装置140设置有预混腔，所述预混腔设置有燃气分管道及助燃空气主管道，所述第一管道与助燃空气主管道连通，所述第二管道与燃气分管道连通，所述燃气分管道与助燃空气主管道连接，所述燃气分管道为多个，使得燃气以多通道形式进入到助燃空气主管道内，以加强燃气与助燃空气的混合性能，方便进行燃烧；其中，输送燃气的燃气分管道与输送空气的助燃空气主管道之间的夹角为30°～70°，所述预混腔内还设置有旋流盘，以增强燃气与助燃空气之间的扰动混合，与其他燃烧技术相比，本发明一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***可以采用低热值气体为燃料，实现稳定燃烧。
请参阅图5，所述燃烧头150包括外壳151，所述外壳151围设形成燃烧室152，所述燃烧室152底端部设置有均气室153，所述预混腔通过管道与燃烧室152连接，用于将预混腔内的燃气及助燃空气组成的预混气送至燃烧室152内燃烧；具体地，所述预混腔通过管道与均气室153连接，所述均气室153内设置有均气孔板154，所述燃烧室152于均气室153上方依次设置有导流板155、防回火盘156及多孔介质板157，所述多孔介质板157下端部一侧设置有测温装置158，所述测温装置158用于对多孔介质板157下端部温度进行检测，所述多孔介质板157上端部分别设置有点火电极1591及火焰监测电极1592，具体地，所述点火电极1591设置在多孔介质板157一侧，用于实现点火功能；所述火焰监测电极1592设置在多孔介质板157另一侧，用于实现火焰监测功能，从预混腔内进入到燃烧室152内的预混气在多孔介质板157内燃烧，从而实现红外辐射方式对外输出热能。
所述锅炉机构200包括炉体210，所述炉体210内设置有辐射板220，所述辐射板220将炉体210分隔为辐射腔230及换热腔240，所述燃烧头150与辐射腔230连通，所述换热腔240内设置有水箱250，所述水箱250连接有进水管251及出水管252，以对水箱250内的水进行循环输送，所述进水管251及出水管252分别贯穿炉体210设置，所述进水管251用于将外部冷水输送至水箱250内，所述出水管252用于将经加热的水输送至外部，以提供锅炉用水。
所述水箱250内设置有换热器260，所述换热器260一端与辐射腔230连通，所述换热器260另一端贯穿炉体210后连通外部排烟管，燃烧头150在辐射腔230内产生的热量以红外辐射形式通过辐射板220与水箱250内的水进行首次换热，同时燃烧头150在辐射腔230内产生的高温烟气通过换热器260排出，高温烟气通过换热器260与水箱250内的水完成二次换热，以实现稳定红外辐射加热及高效换热，达到降低氮氧化物排放、提高燃烧效率的目的；与其他采用明火燃烧技术的锅炉***相比，本发明一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***的换热效率高、结构简单、体积小，成本低。
在其中一个实施例中，所述换热器260为管式换热器，所述换热器260成U形排列分布在水箱250内，所述换热器260为翅型管，即所述换热器260外侧缘均匀分布有散热翅片261，通过散热翅片261的作用提高了换热器260与水箱250内水的换热面积，有效提高了换热效率。
在其中一个实施例中，所述炉体210内设置有保温层270，所述保温层270盖覆在水箱250外侧部，以对水箱250进行保温，避免水箱250内部热量损失而降低锅炉用水质量。
在其中一个实施例中，所述辐射板220截面为波形曲面或锯齿面等构造，提高辐射板220与水箱250内水的接触面积，进而提高对水的红外辐射效率。
在其中一个实施例中，所述防回火盘156为网状平板构造，具体地，所述防回火盘156所用的平板构造包括但不限于陶瓷纤维板、耐热合金网等构造。
在其中一个实施例中，所述多孔介质板157的孔隙密度为10PPI-60PPI，孔隙率为20％-80％，所述多孔介质板157的孔隙密度沿气流前进方向由大变小或呈渐变梯度进行分布。
在其中一个实施例中，一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***还包括控制***300，所述控制***300用于控制燃烧机构100及锅炉机构200，以对锅炉***各部分的温度、压力、流量、阀门开关等控制管理，具体地，所述控制系通过可采用PLC、FCS、DCS等控制***300中的一种。
本发明还提供了一种换热***，包括上述一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***的锅炉机构200及燃烧头150，所述燃烧头150与锅炉机构200连通设置。
上述一种换热***的其他技术特征与上述一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***相同，此处不予赘述。
为了更加清晰本发明的技术方案，下面再阐述若干优选实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，包括燃烧机构100、锅炉机构200及控制***300，锅炉机构200包括炉体210，炉体210为长方体构造，炉体210内设置有辐射板220，辐射板220将炉体210分隔为辐射腔230及换热腔240，换热腔240内设置有水箱250，水箱250内设置有换热管，换热管一端连通辐射腔230，换热管另一端连通外部排烟管，炉体210于水箱250外侧部填充保温材料以构成保温层270。
燃烧机构100包括控制器110、燃气供应***120、供风***130、预混装置140及燃烧头150，燃烧头150固定设置在炉体210底端部，控制器110采用西门子燃气燃烧机控制器110，燃气供应***120由过滤器、调压器、燃气快速关断阀、燃气自动调节阀、燃气压力传感器、电磁阀、阻火器组成，实现燃气过滤、压力调节、快速关断、流量调节，并防止回火。
供风***130包括风机、空气自动调节阀、空气压力传感器，实现助燃空气的压力调节、流量调节；预混装置140采用四通道交叉预混结构，将空气和燃气以45°夹角相切的方式扰动混合，并设置一副正反向旋流盘，强化扰动混合。
燃烧头150为长方体结构，由外壳151、均气室153、燃烧室152、测温装置158、点火电极1591、火焰监测电极1592组成。燃烧头150底端部为均气室153，燃烧头150内部设置导流板155和均气孔板154，以将预混气体均匀导入燃烧室152；燃烧室152内依次设置防回火盘156和小孔径多孔介质板157、大孔径多孔介质板157，防回火盘156为网状陶瓷纤维平板，测温装置158放置于小孔径多孔介质板157中，对小孔径多孔介质板157的温度进行监测，点火电极1591和火焰监测电极1592放于大孔径多孔介质板157后端，实现点火和火焰监测；预混气在燃烧室152内大孔径介质板内燃烧，以红外辐射方式对外输出热量。
小孔径多孔介质板157采用氧化铝蜂窝陶瓷，孔隙密度为40PPI，孔隙率为30％；大孔径多孔介质板157采用碳化硅多孔陶瓷，孔隙密度为10PPI，孔隙率为60％。
锅炉机构200包括炉体210，炉体210内设置有辐射板220，辐射板220将炉体210分隔为辐射腔230及换热腔240，燃烧头150与辐射腔230连通，换热腔240内设置有水箱250，辐射板220设置在水箱250底端面，水箱250底端面为受辐射面，换热器260为管式换热器，成U行排列分布在水箱250内部，换热器260一端连通辐射腔230，换热器260另一端连通外部排烟管，燃烧头150在辐射腔230内产生的热量以红外辐射形式通过水箱250受辐射面完成对水箱250内水的首次换热，辐射腔230内高温烟气通过换热器260排出，并通过换热器260完成与水箱250内的水完成二次换热工作；为增加换热面积，辐射板220截面为波形曲面，换热管为翅型管；与其他燃烧技术相比，本发明一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，具有热利用率高、污染物排放少且稳定、锅炉负荷调节比大等优点。
控制***300采用带冗余配置的DCS***，对水箱250内温度、压力以及管道阀门等进行控制管理。
实施例二
如图2所示，其与实施例一的不同之处在于：换热器260为板式换热器260，换热器260与辐射板220平行设置，换热器260整体U形构造分布在水箱250内，为增加换热面积，辐射板220截面设计为锯齿形构造。
实施例三
如图3所示，其与实施例一的不同之处在于：辐射板220将炉体210分隔为换热腔240及两个辐射腔230，将辐射腔230设置在水箱250两侧，使得水箱250有两个受辐射面，采用双侧面加热的方式对水箱250内的水进行加热，其中，燃烧头150于炉体210对称两侧设置。
实施例四
如图4所示，其与实施例一的不同之处在于：采用4个燃烧头150进行加热，四个燃烧头150均匀固定在锅炉机构200的炉体210底部，预混气平均分配进入四个燃烧头150，每个燃烧头150前面安装一个预混气控制阀，可单独控制对应的燃烧头150的工作状态。
综上所述，本发明一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***及换热***通过在炉体210内设置辐射板220，将炉体210分隔为辐射腔230及换热腔240，配合将燃烧头150与辐射腔230连通设置，使得燃烧头150燃烧燃气产生的热量经由辐射腔230以红外辐射形式对水箱250内的水进行加热；同时，在水箱250内设置换热器260，配合换热器260与辐射腔230连通设置，使得燃烧头150燃烧产生的高温烟气通过换热器260排出，并与水箱250内的水完成换热工序，实现稳定红外辐射加热及高效换热，达到降低氮氧化物排放、提高燃烧效率的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：包括燃烧机构及锅炉机构，所述燃烧机构包括燃气供应***、供风***、预混装置及燃烧头，所述燃气供应***及所述供风***通过管道与所述预混装置进行连接，所述预混装置设置有预混腔，所述燃烧头包括外壳，所述外壳围设形成燃烧室，所述预混腔通过管道与燃烧室连接；所述锅炉机构包括炉体，所述炉体内设置有辐射板，所述辐射板将炉体分隔为辐射腔及换热腔，所述燃烧头与辐射腔连通，所述换热腔内设置有水箱，所述水箱内设置有换热器，所述换热器一端与辐射腔连通，所述换热器另一端贯穿炉体后连通外部排烟管。
2.根据权利要求1所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述燃烧室底端部设置有均气室，所述预混腔通过管道与均气室连接，所述均气室内设置有均气孔板，所述燃烧室于均气室上方依次设置有导流板、防回火盘及多孔介质板，所述多孔介质板下端部一侧设置有测温装置，所述多孔介质板上端部分别设置有点火电极及火焰监测电极。
3.根据权利要求1或2所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述炉体内设置有保温层，所述保温层盖覆在水箱外侧部。
4.根据权利要求1或2所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述预混装置为多通道交叉预混构造，所述预混装置用于将助燃空气与燃气以预设夹角相交的方式进行扰动混合，其中预设夹角为30°～70°。
5.根据权利要求1或2所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述换热器为管式换热器，所述换热器成U形排列分布在水箱内，所述换热器外侧缘均匀分布有散热翅片；
或者，所述换热器为板式换热器，所述板式换热器与所述辐射板平行设置。
6.根据权利要求1或2所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述辐射板为波形曲面或锯齿面构造。
7.根据权利要求2所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述多孔介质板的孔隙密度为10PPI-60PPI，孔隙率为20％-80％。
8.根据权利要求1或2所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述水箱连接有进水管及出水管，所述进水管及出水管分别贯穿炉体设置。
9.根据权利要求1或2所述的一种多孔介质燃烧低氮燃气锅炉***，其特征在于：所述燃气供应***包括燃气自动调节阀、燃气压力传感器、电磁阀及防回火装置，所述供风***包括风机、空气调节阀及空气压力传感器。
10.一种换热***，其特征在于：包括锅炉机构及燃烧头，所述锅炉机构包括炉体，所述炉体内设置有辐射板，所述辐射板将炉体分隔为辐射腔及换热腔，所述燃烧头与辐射腔连通，所述换热腔内设置有水箱，所述水箱内设置有换热器，所述换热器一端与辐射腔连通，所述换热器另一端贯穿炉体后连通外部排烟管。
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