CN112032698A - 一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉 - Google Patents

Abstract

一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，包括风机、空气预热器、燃气阀组、燃气分配管、风道、配风室、水冷炉排、炉膛、对流区、烟道、节能器、汽包、下降管、下降联通管、水位控制器；受热面采用标准模块化设计，由两组膜式壁模块及多组炉排对流区模块组成；锅炉的容量通过炉排对流区模块的数量任意组合调整；炉排对流区模块由模块引入管、模块下集箱、炉排翅片管、对流区光管、对流区翅片管、模块上集箱、模块引出管组成；每个模块可划分为水冷炉排、炉膛、对流区三个功能区；水冷炉排由多孔陶瓷和翅片管组成，空气与天然气的混合气经由多孔陶瓷上的小孔，均匀的流向翅片管上的螺旋翅片区，沿着螺旋翅片之间通道将混合气预热后，进入炉膛燃烧。

Description

一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉

技术领域：

本发明属于燃气蒸汽锅炉技术领域，具体涉及一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉。

背景技术：

目前30吨以下的燃天然气蒸汽锅炉，大部分采用WNS型卧式内燃火管蒸汽锅炉；4吨以下燃天然气蒸汽锅炉除WNS型锅炉外，还有LSS型贯流锅炉。

这两种炉型各有优缺点，其中WNS型锅炉采用卧式内燃全湿背式结构，配套高效螺纹烟管，所有蒸发受热均内置在锅壳内，高温烟气在内，水在外，并配有完善的保温外包设计，散热损失少，热效率高，水容量大，安全性好，使用寿命长，检修方便，特别适合长时间稳定运行。但缺点是水容量大，冷态启炉时间较长，当锅炉长时间间歇运行时，或热备用运行时，综合能效低。

LSS型贯流锅炉采用立式水管结构，水容量小，产汽速度快，特别适合间歇式运行；但由于其水容量小，汽水分界面在管内，对水质要求较高，使用寿命短，无法检修；另外，本体出烟温度高，即便尾部加装节能器，设计热效率也相对较低。

所以，发明一种锅炉结构，综合两者的优点，开发一种低NOx排放，设计热效率和综合运行能效均高，结构紧凑，同时便于检修的燃天然气蒸汽锅炉是本发明的目标。

发明内容：

本发明的目的是，提出一种新型蒸汽锅炉，综合WNS型锅炉和LSS贯流锅炉的优点，标准化程度高，便于预制备件，可快速拼装成形或维修更换，设计热效率高，水容量相对较低，综合能效高，产汽速度快，同时务必满足燃天然气，且氧量低于3.5％时，NOx排放小于30mg/m3的低氮要求。

本发明的技术方案是，一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，主要由风机1、空气预热器2、燃气阀组3、燃气分配管4、风道5、配风室6、水冷炉排7、炉膛8、对流区9、烟道10、节能器11、汽包12、下降管13、下降联通管14、水位控制器26等组成。锅炉本体部分由两组膜式壁模块15、多组炉排对流区模块16、汽包12、下降管13、下降联通管14等拼装而成；其中对膜式壁模块15及炉排对流区模块16进行标准化、系列化设计。目前按0.5-2t/h、2-8t/h、8-30t/h三个区间分成三种标准类型模块，涵盖了WNS型单炉胆锅炉的所有规格。

炉排对流区模块16主要由模块引入管17、模块下集箱18、炉排翅片管19、对流区光管20、对流区翅片管20-1、模块上集箱21、模块引出管22组成。膜式壁模块15主要由模块引入管17、模块下集箱18、膜式壁管32、膜式壁扁钢32-1、模块上集箱21、模块引出管22组成。这两种规格的模块相互拼装，组成了锅炉本体受热部件，囊括了水冷炉排7、炉膛8、对流区9三个功能区，组装完毕之后，只需用管道与汽包12相连即可快速组成锅炉本体。当需要增加或减少锅炉容量时，只需增加或减少炉排对流区模块16的数量即可。

低氮排放采用了全预混冷焰燃烧技术，采用了低温空气预热器2+全新结构的水冷炉排7，水冷炉排7主要由翅片管19、多孔陶瓷23组成，实现低NOx排放低于30mg/m3的目标。

烟风系统：风机1将冷空气加压后进入空气预热器2预热成热空气；经过燃气阀组3减压、燃气分配管4分流后的天然气与热空气在风道5内混合均匀，进入配风室6，然后混合气经过水冷炉排7后点燃形成火焰在炉膛8内燃烧，接着高温烟气依次进过对流区9、烟道10、节能器11、空气预热器2、出烟口28，最后经烟囱排入大气。

给水系统：经软化除氧后的给水经水泵加压后，进入节能器11预热，预热后的水进入汽包12，经过自然循环加热后变成汽水混合物，经过汽包12内部的分离装置进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽经主汽阀供给用户使用。

汽水循环系统：锅炉采用自然循环，汽包12内的饱和水，经过下降管13、下降联通管14，分别进入膜式壁模块15、炉排对流区模块16，经过加热后变成汽水混合物，再次进入汽包12，通过密度差形成自然循环。

本发明的有益效果，本发明涉及一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，本体受热面结构采用模块化拼装式设计，标准化程度高，品控管理简单，增容维修简便，特别适合锅炉行业因季节性生产不均衡带来的产能浪费问题。

本发明涉及一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，采用全预混冷焰燃烧技术，设计了一种全新的水冷炉排结构，使得全预混火焰背面得到有效冷却，增大了辐射面，降低了燃烧温度，实现了低NOx燃烧；同时降低了炉膛尺寸，使得该发生器结构更加小巧紧凑。

本发明涉及一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，增设了空气预热器，在适当提高空气温度的同时，进一步降低了排烟温度，提高了热效率，使季节性能耗差异降至更低；另外，水容量小，综合能效高。

本发明涉及一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，空气预热器与本体受热面一样，采用标准化、模块化拼装式设计，大幅提高了工作效率，减少了浪费；同时空气预热器采用304全不锈钢结构，可以耐氧化和酸性腐蚀，提高了使用寿命。

附图说明：

图1为锅炉结构正视图；

图2为锅炉结构侧视图；

图3为锅炉结构俯视图；

图4为水冷炉排7结构示意图，其中A为炉排截面图，B为A的侧视图；

图5为标准受热面模块示意图，其中A为炉排对流区模块，B为膜式壁模块。

图中序号说明：

1—风机，2—空气预热器，3—燃气阀组，4—燃气分配管，5—风道，6—配风室，

7—水冷炉排，8—炉膛，9—对流区，10—烟道，11—节能器，12—汽包，

13—下降管，14—下降连通管，15—侧边膜式壁模块，16—炉排对流区模块，

17—模块引入管，18—模块下集箱，19—炉排翅片管，20—对流区光管，

20-1—对流区翅片管，21—模块上集箱，22—模块引出管，23—多孔陶瓷，

24—节能器出水管，25—主蒸汽口，26—水位控制器，27—给水入口，28—出烟口，

29—燃气进口，30—排污口，31—火焰区，32—膜式壁管，32-1—膜式壁扁钢

具体实施方式：

本发明的各项发明内容具体实施方式如下：

本发明涉及一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，主要由风机1、空气预热器2、燃气阀组3、燃气分配管4、风道5、配风室6、水冷炉排7、炉膛8、对流区9、烟道10、节能器11、汽包12、下降管13、下降联通管14、水位控制器26等组成。

烟风系统：风机1将冷空气加压后进入空气预热器2预热成热空气；经过燃气阀组3减压、燃气分配管4分流后的天然气与热空气在风道5内混合均匀，进入配风室6，然后混合气经过水冷炉排7后点燃形成火焰在炉膛8内燃烧，接着高温烟气依次进过对流区9、烟道10、节能器11、空气预热器2、出烟口28，最后经烟囱排入大气。

给水系统：经软化除氧后的给水经水泵加压后，进入节能器11预热，预热后的水进入汽包12，经过自然循环加热后变成汽水混合物，经过汽包12内部的分离装置进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽经主汽阀供给用户使用。

汽水循环系统：锅炉采用自然循环，汽包12内的饱和水，经过下降管13、下降联通管14，分别进入膜式壁模块15、炉排对流区模块16，经过加热后变成汽水混合物，再次进入汽包12，通过密度差形成自然循环。

标准化模块设计的实施方式：如附图5A所示，炉排对流区模块16主要由模块引入管17、模块下集箱18、炉排翅片管19、对流区光管20、对流区翅片管20-1、模块上集箱21、模块引出管22组成，这些结构用于组成锅炉本体受热面的水冷炉排7、炉膛8、对流区9三个区域，并通过模块上下集箱18、21的紧密排列而实现烟气上下区域密封。炉排对流区模块16属于主受热面模块，主要由其来实现负荷增减。

如附图5B所示，膜式壁模块15主要由模块引入管17、模块下集箱18、膜式壁管32、膜式壁扁钢32-1、模块上集箱21、模块引出管22组成。用于水冷炉排7、炉膛8、对流区9这三个受热面区的两侧密封。

如附图1、2、3所示，锅炉本体主要由膜式壁模块15、炉排对流区模块16、1个汽包12、四组下降管13、两组下降联通管14组成。其中，水冷炉排7、炉膛8、对流区9三个受热面采用模块化设计，由序15和序16两种规格的模块搭配使用来实现三个受热面区域的功能。如图3，多组炉排对流区模块16并排放置在中间，两侧各放置一组膜式壁模块15，从而组成了锅炉本体受热面，然后通过管道联通到汽包12，实现自然循环。

目前，针对0.5-30t/h WNS型单炉胆卧式内燃锅炉，采用对标设计，将锅炉吨位分为0.5-2t/h、2t/h-8t/h、8-30t/h三个区段，需要为每个区段设计一种类型的标准模块，故此需要为膜式壁模块15和炉排对流区模块16各设计三套，共六个规格的标准模块，即可实现0.5-30t/h所有规格新型低氮燃气蒸汽锅炉的本体受热面快速设计。

这种标准化、模块化的设计方式大幅减少了设计工作量；同时，标准化模块化的部件应用，使得产品可以实现批量化生产，使得制作更简便、质量更有保障、生产周期更短、库存备料更方便、资源利用率更高、浪费更少；对锅炉企业来说，可实现规模化生产，生产成本更低廉，也能为用户提供更好、更快捷、更加标准化的服务。

低氮燃烧的实施方式：如附图4所示，水冷炉排7结构由多孔陶瓷23和翅片管19组成，空气与天然气的混合气经由多孔陶瓷23上的小孔，均匀的流向翅片管19上的螺旋翅片区，沿着螺旋翅片19-1之间通道将混合气预热后，进入炉膛燃烧。

采用多孔陶瓷23是为了利用陶瓷的耐热性及低热导性，隔绝火焰透过翅片间隙投射来的辐射热不被传导到混合气入口处，确保进入水冷炉排7前的混合气不被快速加热，提高设备的安全性。

多孔陶瓷23一端为平面，另一端与翅片管19翅端圆弧贴合；其上均匀开制了多排小孔，每排小孔均正对翅片管19中心线，每排小孔两两之间的节距为翅片19-1节距的2-3倍。天然气预混气常温回火最小孔径为3.8mm，由于本锅炉设置了空气预热器故此实际混合气温将会达到50-60℃，故而此处开孔直径仅为2.4mm，较小的孔径可以有效防止回火，同时可以确保整个燃烧面气流均匀；另外2.4mm的孔径也可确保细小的灰尘通过，不会出现堵塞。

翅片管19上的螺旋翅片19-1材质为耐热不锈钢，基管材料可采用碳钢或不锈钢，基管与翅片需用连续激光焊接，确保100％焊透率。采用翅片管19的目的是使得火焰背面得到有效冷却，降低火焰温度；同时可利用翅片对混合气进行分流和预热，确保整个面均成为燃烧面，扩大火焰冷却面积，降低火焰温度。通过以上措施，可以实现在3.5％氧量条件下，火焰温度低于1400℃，氮氧化物低于30mg/m3。

高效的实施方式：如附图1、2、3所示，在锅炉尾部设置了节能器11、空气预热器2，确保在设计条件下，锅炉出口烟气温度降低至55℃以下，烟气冷凝率不低于8％，锅炉设计效率达到98％，达到GB24500-2020工业锅炉能效限定值及能效等级燃气锅炉1级能效限定值，燃气冷凝锅炉3级能效限定值。同时，空气预热温度不大于60℃，较低的空气温度可以保证低NOx的实现。

锅炉本体部分对流区9分成两个部分，前部为光管20结构，用于吸收高温烟气和阻挡炉膛火焰辐射；后部为螺旋翅片管20-1结构，采用碳钢基管+耐热不锈钢翅片(激光熔融焊接工艺)，使得本体出口烟温不大于饱和温度+30℃。较低的本体出口温度使得节能器出口烟温降低至75℃成为可能，这也保证了尾部空预器空气升温不会高于60℃。

为了提高空气预热器2的换热效率，换热面采用多层薄壁平板结构；烟气自下而上，空气自上而下纯逆流布置；窄通道设计，平板之间的间隙仅5mm；换热平板采用0.3mm的304大水珠压花不锈钢板，可以耐氧化和酸性腐蚀；这些结构设计大幅增加了烟气和空气的换热系数，比常规列管式空气预热器换热系数增加2倍以上；也使得结构尺寸和设备重量大幅降低，制造也更加简单；最重要的是，也可像锅炉本体受热面一样实现标准化模块化制作，增减负荷只需通过增减平板层数即可。

锅炉本体和节能器11均采用水管结构，汽包12采用横置式，大幅缩小了锅炉水容量，该锅炉水容量与同规格LSS型贯流锅炉相比略大1倍左右；与WNS型锅炉相比仅为其1/5弱。较小的水容量，使得锅炉产汽速度快，对于长时间间歇运行的锅炉，停炉时能耗相对较小。另外，可在出烟口处设置了烟道蝶阀，由于烟道采用立式几形弯结构，停炉时通过关闭烟道蝶阀，可在烟道内形成热空气塞，减少了热空气从缝隙中流失，从而锁住炉内热量，大幅减少了高温空气从烟囱口排出，降低停炉热损。通过这些设计使得锅炉综合能效大幅提高。

Claims (5)

1.一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，其特征是，包括风机、空气预热器、燃气阀组、燃气分配管、风道、配风室、水冷炉排、炉膛、对流区、烟道、节能器、汽包、下降管、下降联通管、水位控制器；受热面采用标准模块化设计，由两组膜式壁模块及多组炉排对流区模块组成；锅炉的容量通过炉排对流区模块的数量任意组合调整；炉排对流区模块由模块引入管、模块下集箱、炉排翅片管、对流区光管、对流区翅片管、模块上集箱、模块引出管组成；每个模块可划分为水冷炉排、炉膛、对流区三个功能区；水冷炉排由多孔陶瓷和翅片管组成，空气与天然气的混合气经由多孔陶瓷上的小孔，均匀的流向翅片管上的螺旋翅片区，沿着螺旋翅片之间通道将混合气预热后，进入炉膛燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，其特征是，膜式壁模块由模块引入管、模块下集箱、膜式壁光管、膜式壁扁钢、模块上集箱、模块引出管组成；作为水冷炉排、炉膛、对流区三个功能区两侧水冷密封。

3.根据权利要求1所述的一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，其特征是，对流区分成两个部分，前部光管，用于吸收高温烟气及阻挡炉膛火焰辐射，后部翅片管，采用碳钢基管+耐热不锈钢翅片，使得锅炉本体出口烟温不大于饱和温度加30℃。

4.根据权利要求1所述的一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，其特征是，在锅炉尾部设置了节能器、空气预热器，确保在设计条件下，锅炉本体出口温度低至节能器出口烟温降低至75-80℃；锅炉出口烟气温度降低至55℃以下，空气预热温度不大于60℃。

5.根据权利要求1所述的一种新型低氮排放冷焰燃烧一体化蒸汽锅炉，其特征是，空气预热器采用多层薄壁平板结构，通过窄通道、纯逆流布置设计；平板采用0.3mm厚304水珠花纹不锈钢板，标准化模块化设计和制作，通过薄壁平板数量任意调节设计负荷。

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