一种氢气全预混掺烧的三角形管燃气真空相变热水锅炉

本发明属于燃气热水锅炉，具体涉及一种氢气全预混掺烧的三角形管燃气真空相变热水锅炉。

背景技术：

1、随着各国对大气环境污染问题日益重视，燃煤锅炉逐渐被燃用天然气的锅炉所取代。其次，清洁能源的出现颠覆了人们对以往化石燃料的认识，其中氢气以其零污染性受到全球各国的青睐。燃气热水锅炉主要用于工业生产以及人们日常的洗浴和家庭供暖。真空热水锅炉，又称真空相变热水锅炉，以其锅炉内部介质压力低于大气压、安全、不易发生爆炸，通过相变换热方式加热冷水的优势受到用户的青睐。但是现有真空热水锅炉不能做到氢气全预混掺烧；并且现有燃气真空相变热水锅炉蒸发换热管束受热面少导致所需受热面增加，换热管数目的增加导致锅炉体积大；其次，烟气强化换热能力弱，烟气冲刷流程长，换热效率低；炉膛内部温度高导致氮氧化物排放量增加，对环境造成污染。

2、西安交通大学、浙江音诺伟森热能科技有限公司申请的cn202310138049.2是一种安全且烟气对流换热系数高的真空热水锅炉。该技术显著提高换热系数，实现结构件凑、工艺简化、降低锅炉整吨钢耗量和水容积，实现降低碳排放；本发明在该技术的基础上做到进一步创新和优化。

技术实现思路

1、为了解决传统燃气真空相变热水锅炉存在的问题，本发明的目的在于提供一种氢气全预混掺烧的真空相变热水锅炉，提出一种将传统膜式水冷壁辐射受热面和传统水管管束对流受热面有机结合成为整体的辐射对流传热元件，或称一种新型传热管束，即正三角形翅片管和倒三角型翅片管；正三角型管水冷壁管中有氢气管，氢气管连通至上下氢气集箱，此时正三角形管内仍为水，故为正三角形水冷壁管；也可将正三角形管直接连通至上下氢气集箱，此时正三角形管内为氢气，故为正三角形氢气管；可以在三角形管氢气管的两侧壁面或管边开孔，并在壁面上利用冲压工艺加装凸台以达到氢气全预混掺烧的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种氢气全预混掺烧的三角形管燃气真空相变热水锅炉，立式布置，包括鼓风机、燃烧器、三角形管水冷壁管束、上部汽水室和下部水室；鼓风机和燃烧器布置于锅炉正面，上部汽水室底部、下部水室的顶部、三角形管水冷壁管束围成预混气体空间，燃烧器连通预混气体空间；三角形管水冷壁管束包括正三角形氢气管和倒三角形水冷壁管，正三角形氢气管和倒三角形水冷壁管间留有缝隙；正三角形氢气管侧壁或棱边上开设氢气孔，正三角形氢气管中通入氢气；上部汽水室中设置上氢气集箱，下部水室中设置下氢气集箱，正三角形氢气管两端连接上氢气集箱和下氢气集箱，下氢气集箱底部有补充氢气的管道。

3、进一步的，所述正三角形氢气管两侧管壁开交叉射流孔，管壁两侧有扰流台，扰流台为中间镂空的拱形凸台。

4、进一步的，上部汽水室中设置上氢气集箱，下部水室中设置下氢气集箱，正三角形氢气管内设置氢气管成为正三角形水冷壁管，氢气管两端连接上氢气集箱和下氢气集箱，氢气管通过连通管连通所述氢气孔；正三角形水冷壁管两端连接上部汽水室和下部水室，正三角形水冷壁管和氢气管之间通入水，正三角形水冷壁管两侧壁面上开设氢气孔并且在两侧壁面设置扰流凸台。

5、进一步的，所述通有氢气的正三角形氢气管或正三角形水冷壁管和通有水的倒三角形水冷壁管交错排布，通有氢气的正三角形氢气管或正三角形水冷壁管两边开孔。

6、进一步的，三角形管水冷壁管束采用λ形排布或n形排布，形成λ形或n形水冷燃烧面。

7、进一步的，锅炉前墙处和尾部设置三角形管膜式水冷壁蒸发换热管束，锅炉两侧设置三角形管耦合翅片管蒸发换热管束；三角形管耦合翅片管蒸发换热管束的单管之间设有缝隙；上部汽水室底部、下部水室的顶部、三角形管膜式水冷壁蒸发换热管束、三角形管水冷壁管束以及三角形管耦合翅片管蒸发换热管束围成炉膛空间，锅炉本体外壳板与三角形管耦合翅片管蒸发换热管束围成等压烟气通道。

8、进一步的，在尾端设置三角形管节能冷凝换热器，尾部的三角形管膜式水冷壁蒸发换热管束中相邻两根管紧密连接，尾部的三角形管膜式水冷壁蒸发换热管束和三角形管节能冷凝换热器构成等压烟室，三角形管节能冷凝换热器两端分别连接烟气冷凝换热器上部矩形截面集箱和烟气冷凝换热器下部矩形截面集箱，烟气冷凝换热器上部矩形截面集箱和烟气冷凝换热器下部矩形截面集箱内设有隔板，在三角形管节能冷凝换热器、烟气冷凝换热器上部矩形截面集箱和烟气冷凝换热器下部矩形截面集箱中形成s形水流道。

9、进一步的，三角形管节能冷凝换热器采用“i型”三角形翅片管排列形成，“i型”三角形翅片管包括相互连接三角形管基管和带有扰流柱的翅片，带有扰流柱的翅片沿着三角形管基管轴向设置，带有扰流柱的翅片上的扰流柱为y形错列排布、y型并列排布或菱形排布。

10、进一步的，三角形管耦合翅片管蒸发换热管束采用多个正三角形“j型”翅片管与三角形管基管间隔布置、倒三角形“j型”翅片管与三角形管基管间隔布置、多个“i型”三角形管翅片管、多个“c型”三角形翅片管与三角形管基管间隔布置或“w型”三角形翅片管与三角形管基管间隔布置或采用多根三角形管翅片管与三角形管换热管间隔排列或多根“i型”三角形管翅片管排列形成；正三角形“j型”翅片管包括相互连接的三角形管基管和带有扰流柱的翅片，倒三角形“j型”翅片管包括相互连接的倒三角形管基管和带有扰流柱的翅片，“c型”三角形翅片管包括三角形管基管、带有扰流柱的翅片和光滑翅片，三角形管基管的一条棱边连接带有扰流柱的翅片，另一条棱边连接光滑翅片的中心线处，光滑翅片与带有扰流柱的翅片平行；“w型”三角形翅片管包括三角形管基管、带有扰流柱的翅片和光滑翅片，带有扰流柱的翅片和光滑翅片分别连接三角形管基管的两条棱，带有扰流柱的翅片和光滑翅片垂直；带有扰流柱的翅片以及光滑翅片均沿着三角形管基管的轴向设置；带有扰流柱的翅片上的扰流柱为y形错列排布、y型并列排布或菱形排布，三角形管耦合翅片管蒸发换热管束中相邻管之前形成宽度为0.5～2mm的缝隙通道。

11、进一步的，燃烧器包括与风机链接的膨胀节和预混器；预混器下部设置与天然气管道匹配的法兰，预混器一侧设置通过空气的孔板，内部有通入天然气的管道，管道壁面为通过天然气的孔板，预混器另一侧设置通过预混气体的孔板，燃烧器一端为预混气体分配室，气体分配室设置隔板，所述隔板将气体分配室分为左预混通道和右预混通道，预混气体通过孔板进入预混气体分配室，通过孔板溢出进入缝隙通道；空气扩散器的进口为矩形或梯形；风机和膨胀节及预混器通过法兰连接。

12、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

13、本发明所述氢气全预混掺烧的三角形管燃气真空相变热水锅炉三角形管缝隙式水冷壁管束由相邻的正三角形水冷壁管和倒三角形管水冷壁蒸发管组成，正三角形水冷壁管内通有氢气，管束两侧壁面或管边开孔喷出氢气，将氢能运用在传统真空相变热水锅炉中；三角形管水冷壁管束相邻管间缝隙可以使烟气流出时形成二次交叉流，增强火焰稳定性；也可以在三角形管水冷壁管束中的正三角形水冷壁管向火侧焊接4-8mm的耐火翅片，将火焰分为两股，避免火焰交叠，降低炉内温度从而降低氮氧化物排放量，解决了传统燃气真空相变热水锅炉氮氧化物排放量大的问题。

14、进一步的，三角形管水冷壁管束采用λ形排布或n形排布，形成λ形或n形水冷燃烧面，烟气流过缝隙时二次交叉可以降低烟气的温度，减少氮氧化物形成，同时管排延伸到后端膜式水冷壁蒸发换热管束可使锅炉呈双炉膛形，采用全预混水冷燃烧器的优势在于可以大大减小炉膛体积并使天然气和氢气全预混。

15、进一步的，本发明的一种氢气全预混掺烧的三角形管燃气真空相变热水锅炉采用层流强化换热的理念，通过缝隙通道消除烟气换热过程的中心高温区，使锅炉烟气仅需30mm～100mm的流程即可从1100℃以上降至200℃以下，同时烟气阻力控制在1000pa以下，降低锅炉蒸吨钢耗量和水容积。

16、进一步的，三角形管耦合翅片管蒸发换热管束采用正三角形“j型”翅片管、倒三角形“j型”翅片管，结构简单，相较于方形管可提高单位长度换热面积两倍以上，可进一步降低烟气温度，强化传热。

17、进一步的，扰流台为中间镂空的拱形凸台，可以使孔内的氢气溢出后形成二次交叉流，可以增强扰动来增强预混气的混合均匀程度。

18、进一步的，三角形水冷壁氢气管在管壁两侧和氢气管向心侧同时开孔，管壁两侧溢出的氢气在扰流柱的扰动进行预混掺氢的同时，向心侧孔溢出氢气进行扩散式预混掺氢，进一步增强预混气体的混合均匀程度。

19、进一步的，所述通有氢气的正三角形氢气管和通有水的倒三角形水冷壁管交错排布，通有氢气的正三角形氢气管两边开孔，氢气从孔内溢出后与进入缝隙通道的空气/天然气预混气进行预混。

20、综上所述本发明设计的氢气全预混掺烧的三角形管燃气真空相变热水锅炉采用三角形管作为水冷壁管可以显著提高锅炉强度同时减少水冷壁钢耗量20％以上，极大减小锅炉的生产成本。