CN112856370B - 一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，包括燃烧器、炉胆、锅壳筒体、冷凝器及外壳组件。炉胆内燃烧后的烟气，由连通的单程烟管中流出，向上折转90°汇集并反转180°流经冷凝器，最终从烟气出口排出。燃烧器由鼓风机、预混器和锥形水冷燃烧头构成，水冷燃烧头采用若干根螺旋水冷管并列盘绕而成，其间留有间隙，出口端呈辐射状与炉胆连接后通入锅水。水冷燃烧头呈锥形布置，使其与炉胆之间形成的环形流通面积沿烟气流动方向逐渐增大，避免气塞、回火而导致的爆燃问题；水冷燃烧有效降低燃烧温度，实现超低氮排放，不仅应用于新建锅炉，也适用于低氮改造。锅壳筒体单管程换热，无转弯烟箱，空气夹层隔绝环境热损失，热效率极高。

Description

一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉

技术领域

本发明涉及燃气锅炉设备技术领域，具体涉及一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉。

背景技术

近年来，我国能源结构不断改进，燃煤所占比例不断下降，而以天然气为主的清洁燃料在整体能源结构中的占比不断上升，2017年达到历史性的6.9%，但仍远低于国际平均水平的23.7%，随着我国绿色低碳能源战略的持续推进，天然气作为发展低碳清洁能源的重要途径，其在能源结构中的占比必定持续走高。按照国家能源局的发展规划，我国天然气在一次能源消费结构中的占比力争在2030年达到15%，这也为我们未来的能源消费发展指明了方向。

未来天然气需求增量主要来源于城镇燃气、天然气发电以及工业燃料等领域，这无疑促进了燃气锅炉的发展。单纯就燃气锅炉结构而言，可分为锅壳式（火管）锅炉、水管锅炉和浸没燃烧式锅炉。锅壳式燃气锅炉是第一次工业革命的产物，结构简单，水及蒸汽容积大，对负荷变动适应性好，对水质的要求比水管锅炉低，同时制造工艺比较传统，符合国人的制造生产习惯，多用于中小型企业的生产工艺和小区生活采暖，目前在我国仍为工业和生活供应蒸汽和热水的主力产品。

近几年，随着新材料、新工艺和新兴燃烧技术的兴起以及超低氮技术改造的市场需求，使锅壳式燃气锅炉面临重大的挑战，转型升级势在必然。但至今仍然缺乏替代传统结构的创造性技术的突破，这主要是因为，

一、在锅壳式锅炉设计生产环节，为充分吸收高温烟气中的显热，炉胆之后通常布置会燃室，同时增加烟管的第二或第三管程，但烟管多采用光管或螺纹管，受烟气热物性质影响，对流换热系数偏小，进而导致管壁热流密度较小，设计人员不得不增设管程以及增加烟管根数等常规操作以达到降低烟气温度的目的。然而，第二管程和第三管程烟管通常布置于锅壳内部，无疑增加了锅壳直径和锅炉整体体积，同时，烟气转弯也迫使烟气阻力增大，增加鼓风机出力和运行能耗，降低锅炉整体的运行效率。

二、传统的二、三回程燃气锅炉为了提高紧凑性，设计时都尽量降低锅炉长度、减小锅壳和炉胆直径以便减小锅炉体积和占地面积，同时减少钢耗量，提高锅壳式燃气锅炉的竞争力，过小的炉胆直径给超低NOx≤30mg/m³的技术改造带来极限挑战，往往不能成功，这主要是因为锅壳式锅炉均布置了圆筒形的炉胆辐射受热面，一般选择燃气和空气后混的扩散式燃烧器，局部燃烧温度可达1900℃，欲实现超低NOx≤30mg/m³，需要增设尾部烟气再循环FGR，引起燃烧效率下降、冷凝水腐蚀、锅炉阻力增大等诸多烦扰，特别是已经完成技术改造的用户已经不胜其扰。

三、一些技术人员试图选择金属纤维全预混燃气燃烧器，替代原有的扩散式燃烧器，但是金属纤维全预混燃气燃烧器一般为圆柱式筒形燃烧器，燃烧过程中高温烟气不断沿圆柱筒的长度方向径向外喷出，至圆柱式筒形燃烧器末端，所有的烟气量需要通过圆柱筒和炉胆的环形空间喷出，势必造成圆柱式筒形燃烧器末端受高温烟气压迫而发生回火危险，因此，致使技术改造或新建工程难以实施。

四、现有锅壳式燃气锅炉的设计形式较为原始，缺乏模块化、一体化的设计理念和设计美观，不注重整理布局的合理性和模块间的相互配合，造成附属模块之间规划不合理，市场上原有的锅壳式燃气锅炉先前并未考虑烟气深度冷凝，回收烟气中冷凝水的大量潜热，在后期设计和运行过程中，为降低改造和重新设计研发的资金投入，直接在锅壳式燃气锅炉的顶部加装冷凝换热器，形成“背包式”结构，影响美观，同时也并不能真正保证烟气中水蒸气的冷凝效率。除此之外，现有锅壳式燃气锅炉无法立式和卧式结构随意转换，对于不同的运行环境，无法做到因地制宜地做出安装调整，通常需要根据用户的实际需求，对于卧式和立式结构进行单独设计，加大了设计研发支出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有燃气锅炉中存在的问题，提供一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，减少燃烧火焰长度，降低燃气燃烧温度和NOx等污染物的生成量，强化锅炉烟气换热能力，提高锅炉整体燃烧效率，进而降低锅炉整体尺寸和占地面积，减少制造金属消耗量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，包括炉胆和水冷燃烧头，水冷燃烧头同轴设置在炉胆中，炉胆设置在锅壳内，锅壳外侧设置外壳板，炉胆的后端连通烟管，外壳板的后端沿着烟气流向设置烟气冷凝器和烟气出口；水冷燃烧头的入口处设置预混器，预混器的入口连通天然气管道的出口和带压空气出口，预混器的出口连通水冷燃烧头的气体入口；

水冷燃烧头采用若干根螺旋水冷管并列盘绕而成，相邻螺旋水冷管之间设有间隙，螺旋水冷管的出口连通锅壳的内部空间，螺旋水冷管的入口端沿周向布置并且连通燃烧器进水环形集箱；水冷燃烧头与炉胆内壁之间形成的环形通流面积逐渐增大；锅壳通过烟气冷凝器连通烟气出口和锅炉进水口。

螺旋水冷管的出口端呈辐射状与炉胆连接，螺旋水冷管的出口部设置水冷燃烧头出水管，水冷燃烧头出水管呈辐射状布置并连通锅壳内部空间。

螺旋水冷管从水冷燃烧头的入口至出口方向，螺旋直径逐渐减小，使得水冷燃烧头整体呈锥形，炉胆采用直筒形。

水冷燃烧头内侧还设置有一层螺旋水冷管，其中外侧螺旋水冷管的出水口作为内侧的螺旋水冷管的入水口，在水冷燃烧头的入口处设置燃烧器出水环形集箱，内侧的螺旋水冷管出水口沿周向均匀布置；内侧的螺旋水冷管出水口连通燃烧器出水环形集箱。

螺旋水冷管从水冷燃烧头的入口至出口方向，螺旋直径保持不变，使水冷燃烧头整体为直筒形，炉胆从燃烧器入口至出口方向直径逐渐增大。

预混器中同轴设置有一组旋转方向相反的旋流叶片，预混器的后端设置整流板，整流板上均匀设置整流孔。

水冷燃烧头内侧布置圆台形多孔板，圆台形多孔板与水冷燃烧头内侧内壁面留设间隙，圆台形多孔板表面开有圆形或者长圆形孔隙，相邻两排孔隙交错布置，每一根螺旋水冷管覆盖两排孔隙；圆台孔板顶部与水冷燃烧头的后端密封连接。

水冷燃烧头的入口处设置有鼓风机，外壳板与锅壳之间设有间隙，外壳板后段开设空气入口，鼓风机进风口连通外壳板与锅壳之间的间隙。

烟管包括沿炉胆外侧一周设置的90°弯头烟管和直烟管，直烟管的烟气入口端连接炉胆后端面的炉胆后管板，90°弯头烟管的烟气入口端连接炉胆的侧壁，直烟管和90°弯头烟管的烟气出口端均连接锅壳后管板；烟管内沿轴线方向设置有加强换热的结构：第一强化换热结构、第二强化换热结构、第三强化换热结构、第四强化换热结构；锅壳内的直烟管中设置第一强化换热结构或第四强化换热结构；烟气冷凝器中设置冷凝器烟管，冷凝器烟管采用内部设置有第二强化换热结构和/或第三强化换热结构的直烟管。

所述强化换热结构具体为：

烟管内设置内翅片，内翅片的外侧沿纵向开设沟槽，纵向沟槽中填充有易熔金属条，内翅片包括圆周方向的圆弧段和沿圆弧段所在圆的弦方向肋片，弦方向肋片与圆弧段固定连接，沿着烟气流动方向弦方向肋片的尺寸逐渐增大至烟气低温区域后保持不变，使得烟管的通流面积从烟气入口方向逐渐减小至烟气低温区域后保持不变；

内翅片上与烟气接触的表面设置有纵向沟槽；

烟气低温区域的直烟管中还设置有鱼骨形翅片；鱼骨形翅片几何结构与内翅片形成的鱼骨形孔隙相对应，鱼骨形翅片的翅片伸入内翅片的空隙中；

烟气低温区域的直烟管中还设置肋板，肋板设置在两个对称的弦方向肋片之间，肋板和内翅片接触区域涂抹耐高温导热填充材料，肋板上开设若干肋板扰流孔；

烟管内同轴设置内插水管，内插水管出口连通锅壳内部空间，内插水管的入口连通烟气冷凝器的出水口，内插水管外壁面沿轴线方向间隔设置直肋片，直肋片中部开孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，针对目前非预混燃气燃烧形式火焰过长、炉胆和锅炉体积庞大的设计缺陷，提出采用燃气预混燃烧方式，在水冷燃烧头的入口处设置预混器，将空气和燃气充分混合后再进行燃烧，降低火焰长度，节省炉胆实际燃烧空间，缩短炉胆设计加工长度，为后续烟管布置预留更多空间；采用水冷管束螺旋盘绕而成，燃气和空气的混合气体经管束间隙流出，在水冷管束外表面燃烧，水冷管束可吸收燃气燃烧释放的热量，经实验测试，水冷管附近的烟气中心温度大约在1100℃，相比于理论燃烧温度大幅降低，可从根本上减少燃气燃烧时热力形NOx的生成，采用该燃烧器结构布置形式，即使炉胆设计直径较小也可保证NOx≤30mg/m³的超低氮排放指标；螺旋水冷管束可以采用多根圆管或腰圆管并列布置，可减少单根水冷管布置时造成的过大沿程阻力损失和运行能耗；同时，多根水冷管在燃烧器进口端和出口端均匀散开，分别与入口环形集箱和炉胆相连，可起到燃烧器自支撑的作用，不用额外增设支撑机构，减少金属消耗和锅炉重量；而且，水冷燃烧头与炉胆内壁之间的形成的环形通流面积逐渐增大，烟气不会在水冷燃烧头尾部聚集，避免了烟气聚集可能因回火导致的爆燃，大大提高了锅炉的安全性能，锅炉尾部设置烟气冷凝器能进一步缩小整体体积，结构更加紧凑。

进一步的，水冷燃烧头设计形式采用圆锥异形结构，燃烧进口端直径较大，向后直径依次缩小，使得燃烧器内部沿混合气体流动方向呈等压风室的结构形式，促使混合气体在整个燃烧面上的流速分布均匀化；此外，燃烧器沿烟气流动方向的圆锥异形结构形式，使得出口端与炉胆间的环形流通空间增大，与烟气量的空间分布相匹配，利于高温烟气由燃烧器区域的大量烟气由出口端向炉胆后方流通，避免大量烟气对燃烧器后端燃气的压迫，有效消除燃气向燃烧器内部蔓延进而发生回火爆燃的危险性。

进一步的，炉胆采用圆锥形炉胆布置形式，将水冷燃烧头改为圆筒形，减少水冷管束螺旋盘绕时的加工难度，同时增大了炉胆后管板区域面积，烟管可全部布置为直管形式，省却90度弯头烟管，有利于提升制造加工时的焊接工序。

进一步的，水冷燃烧头内部布置有圆台形多孔板，可根据设计负荷调整圆台形状，使之呈等压风室，均匀混合气体在其内部沿横向的分布；圆台形多孔板贴合水冷螺旋管束内表面并留有一定距离，孔的形状采用圆形或者长圆形，用于均匀燃气混合气体在整个圆锥异形燃烧面上的流速分布，孔的分布方向与螺旋管同向，每一根水冷管覆盖两排孔，相邻两排孔交叉错列分布，可确保混合气流在水冷管间隙流动分布的连续性和均匀性，消除两股射流引起的中间区域回流，同时窄间隙还可起到防止燃烧过程中的回火现象，避免爆燃等安全事故的发生；圆台孔板顶部可与水冷螺旋管束相接，用于密封，使得混合气体从水冷燃烧头的缝隙向外扩散。

进一步的，水冷燃烧头前端入口设置有气体预混器和整流板，气体预混器由一对具有相反旋转方向的旋流叶片组成，天然气与空气按照一定比例通入后经过前旋流叶片后，形成强烈的顺时针或逆时针方向的旋流，强化混合气体的扰流，经过后旋流叶片时，迫使混合气体向相反方向旋转，使得扰动进一步加强，燃气与空气混合更加充分，同时可一定程度修正主流气体的整体旋流程度；整流板为具有一定厚度的多孔板，孔的排布方式为顺列或错列，可对预混器后气体的旋流进行重新校正，使进入燃烧器内部的气体沿流通方向均匀分布。

进一步的，中心直烟管和炉胆周向90°弯头烟管耦合的布置方案，能够有效增大中心直烟管在炉胆后管板上布置的孔间距，以确保中心直烟管和炉胆后管板采用全焊透结构，完全杜绝发生由于管子孔桥间距过小无法全焊透而必然导致的炉胆后管板裂纹，而且采用全焊透焊接结构后，完全消除了管子外壁和管孔内部之间的间隙，有效防止了钙、镁离子沉积而发生的缝隙腐蚀，避免了烟管端部发生过热引裂管板开裂的危险性；当锅炉容量较小时，或可适当增加炉胆直径以省却弯烟管，使设计工作更加灵活；中心直烟管加周向弯烟管耦合布置方案增加了锅壳、炉胆、烟管系统的弹性，有效降低了系统的热膨胀应力可能对焊口造成的应力集中。

进一步的，锅壳与外壳板之间留有间隙，空气由外壳板后端布置的空气入口进入，吸收锅壳散热后由外壳板前端出口进入鼓风机，可对锅炉散热进行充分利用，同时也增大了锅炉与外界空气的传热热阻，进一步减小燃气锅炉整体散热损失。

进一步的，采用烟管的单一流通方式，降低烟管内部嵌套水管的制造工艺难度，此时烟管内部加装内翅片，以强化烟气侧换热，为扩展受热面积，内肋片底部留有沟槽，安装时填充易熔金属条，通过与外部烟管挤压可进一步消除内肋片与烟管之间的接触热阻；烟管内设置内翅片，内翅片之间的区域气流扰动较大，而且翅片增大换热面积，有效提高烟管整体换热性能。

进一步的，烟管中，在内肋片的中心区域加装鱼骨形翅片，与内肋片的分布一一对应，进而形成窄间隙流动，强化低温烟气的对流换热。

进一步的，烟管中，相互对称的内肋片加装对弧形肋板，消除中心高温区，肋板上每隔一段距离开通气沉孔，加强烟气扰动，使不同区域的烟气可以流通，避免局部烟气流速过高。肋板和翅尖可涂耐高温导热填充材料，消除接触热阻，使肋板作为受热面的一部分。

进一步的，烟管内部插入强化换热水管，减小烟气的流通面积，进而增大流速，有针对性地强化传热较为薄弱的烟气侧对流换热，增大两侧工质的换热面积，可有效降低烟管的长度，同时仅设计一个管程即可满足烟气降温需要，提高锅壳式锅炉容量的同时可显著降低整体尺寸和占地面积。

进一步的，烟管内部插入强化换热水管，减小烟气的流通面积，进而增大流速，插入的强化换热水管外表面布置有沿烟气流动方向间隔布置的直肋片，增大烟气的扰流强度，同时直肋片中部开孔，进而破坏层流边界层，进一步强化肋片处的对流换热，并且间隔设置直肋片，还能充分利用入口效应，增强烟气流速和换热，烟管内部插入强化换热的内插水管，减小烟气流通面积的同时可增大烟气与工质水的换热面积，此外，内插水管内部的补水吸收烟气热量后温度升高，可减小工质水在炉内沸腾时的过冷度，一定程度上可消除过冷沸腾对锅壳金属壁面造成的损害；通过以上布置的内插水管，有针对性地强化传热较为薄弱的烟气侧对流换热，增大两侧工质的换热面积，可有效降低烟管的长度，同时仅设计一个管程即可满足烟气降温需要，提高锅壳式锅炉容量的同时可显著降低整体尺寸和占地面积。

附图说明

图1本发明一种可实施的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉的主体部分结构示意图。

图2为本发明另一种可实施的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉的主体部分结构示意图。

图3为本发明中的锥形水冷燃烧头结构示意图。

图4为本发明中圆台形多孔板的孔分布与螺旋水冷管位置关系局部放大示意图。

图5为本发明中预混器结构示意图。

图6为本发明中整流板结果示意图。

图7为本发明烟管与炉胆后管板全焊透示意图。

图8为本发明中冷凝器结构示意图。

图9为本发明烟管内插肋片及鱼骨形翅片结构示意图。

图10为本发明烟管内插肋片及对弧形肋板结构示意图。

图11为本发明中对弧形肋板结构示意图。

图12为本发明烟管中设置一种换热结构的锅炉整体示意图。

图13本发明采用锥形炉胆烟管中设置一种换热结构的锅炉整体示意图。

图14为本发明强化换热烟管内部纵向结构示意图。

图15为本发明强化换热烟管内部横向结构示意图。

图中，1-炉胆；2-热水或蒸汽出口；3-外壳板；4-人孔；5-锅壳；6-空气入口；7-金属丝滤网；8-锅壳后管板；9-冷凝器出水口；10-冷凝器入口管板；11-烟气出口；12-烟气冷凝器；13-锅炉进水口；14-凝结水收集室；15-凝结水出口；16-冷凝器出口管板；17-冷凝器烟管；18-直烟管；19-90°弯头烟管；20-炉胆后管板；21-水冷燃烧头出水管；22-水冷燃烧头；23-均流孔板；24-鼓风机进风口；25-燃烧头环形补水集箱；26-鼓风机；27-预混器；28-整流板；29-天然气阀阻；30-天然气管道；31-圆台形多孔板；32-螺旋水冷管；33-旋流叶片；34-多孔板底座；35-整流孔；36-直肋片；37-内插水管入口；38-内插水管；39-内插水管出口；40-焊缝；41-内插水管进口集箱；42-内翅片；43沟槽；44-烟气通道；45-鱼骨形翅片；46-肋板；47-肋板扰流孔；421-凹槽，422-换热槽，423-翅部，451-鱼骨形翅片脊部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参考图1和图2，一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，包括炉胆1和燃烧器、燃烧器包括水冷燃烧头22和预混器27，水冷燃烧头22同轴线设置在炉胆1中，炉胆1设置在锅壳5内，锅壳5的外侧设置外壳板3，炉胆1的后端连通烟管，外壳板3内后端沿着烟气流向依次设置烟气冷凝器12和烟气出口11；水冷燃烧头22的入口处设置预混器27；水冷燃烧头22采用若干根螺旋水冷管32并列盘绕而成，相邻螺旋水冷管32之间设有间隙，螺旋水冷管32的出口端呈辐射状与炉胆1连接，螺旋水冷管32的出口连通，螺旋水冷管32的入口端呈辐射状连通燃烧器进水环形集箱25；水冷燃烧头22与炉胆1内壁之间的形成的环形通流面积逐渐增大；锅壳5通过烟气冷凝器12连通锅炉进水口13；炉胆1的前端面与锅壳5的内壁处沿周向设置炉胆支撑柱，提高炉胆1与锅壳5连接的强度及稳定性。

本发明可选的实施例，水冷燃烧头22内侧还设置有一层螺旋水冷管32，其中外侧螺旋水冷管32的出水口作为内侧的螺旋水冷管32的入水口，在水冷燃烧头22的入口处设置燃烧器出水环形集箱，内侧的螺旋水冷管32出水口沿周向均匀布置，并且所述螺旋水冷管32出水口连通燃烧器出水环形集箱，经过加热的水从水冷燃烧头22进入锅壳5与高温烟气换热。

其中，内层的螺旋水冷管32之间的间隙小于外层螺旋水冷管32之间的间隙。

相邻螺旋水冷管32之间的间隙中沿周向设置有梳齿形板，所述梳齿形板能够使得相邻螺旋水冷管32保持稳定的间隙以及水冷燃烧头22结构的稳定性，而且有利于提高间隙的均匀性。

螺旋水冷管32的出口部分，即水冷燃烧头出水管21呈辐射状连接锅壳5，并连通锅壳5的内部空间。

当炉胆1采用直筒式，烟管布置有两种，一种是与炉胆后管板20连接的直烟管18，另一种是在炉胆1的侧面连接90°弯头烟管；

当炉胆1的横截面沿烟气流向逐渐增大时，只需在炉胆后管板20上布置直烟管18。

锅壳5通过烟气冷凝器12连通锅炉进水口13，烟气冷凝器12中设置冷凝器烟管17，所述冷凝器烟管17的入口连通锅壳5的烟气出口，烟气冷凝器12的进水口连通锅炉进水口13，烟气冷凝器12的出水口连通水冷燃烧头22的进水口，烟气冷凝器12的顶部设置冷凝器入口管板10，冷凝器烟管17入口端连接冷凝器入口管板10，烟气冷凝器12的底部设置冷凝器出口管板16，冷凝器烟管17出口端部连接冷凝器出口管板16，冷凝器出口管板16与外壳板3底部为凝结水收集室14，凝结水收集室14底部设置凝结水出口15；烟气冷凝器12与外壳板3的后端面之间设置烟气出口11，凝结水收集室14还连通烟气出口11。

直烟管18的烟气入口端连接炉胆1后端的炉胆后管板20，烟管的烟气出口端连接锅壳5后端的锅壳后管板8；90°弯头烟管的烟气入口端连接炉胆后端的炉胆侧壁，烟管的烟气出口端连接锅壳5后端的锅壳后管板8。

作为一种可选的实施例，直烟管18中布置有加强换热的结构。

当锅炉负荷较大时，本发明所述炉胆1位于燃烧头的一段设置为波纹管；当锅炉负荷较小(炉胆1小于2mm)时可以将炉胆整体设置为直筒状。

炉胆后管板20采用椭球型、弓形或碟形，能够增大炉胆后管板20的连接面积，能够避免使用90°弯头烟管，降低生产成本，同时还不影响烟管与炉胆后管板20之间全焊透结构。

本发明提供的一种燃气燃烧器和换热结构适配的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其整体结构如图1所示，天然气管道30和鼓风机出口均连通水冷燃烧头22的气体入口，天然气管道30中设置天然气阀阻29，空气由锅炉后方的空气入口6，经金属丝滤网7过滤后进入外壳板与锅壳5之间的空隙，吸收锅炉散热后，进入鼓风机进风口24，并借助鼓风机26送入预混器27，天然气由天然气管道30经天然气阀阻29送入预混器27，天然气与空气在预混器27内混合后，流经整流板28进入水冷燃烧头22，预混气体经均流孔板23和水冷燃烧头22流出，并在水冷燃烧头22外表面燃烧，燃烧后的高温烟气进入炉胆1，高温烟气与炉胆壁面经辐射换热和对流换热后，烟气温度降低后进入与炉胆后管板20相连的烟管，烟管内部伸入直径小于烟管的水管38，水管38外壁面错列焊接直肋片36，增大换热面积，烟气流入烟管和水管38之间的环形通道后，与两侧同时换热，错列布置的直肋片36对烟气流动进行扰流，进一步强化对流换热强度，经烟管换热后，烟气温度大幅下降，烟气流出烟管后进入烟气冷凝器12，烟气温度进一步降低，烟气中携带的大量水蒸汽被冷凝析出，进入底部的凝结水收集室14，并经凝结水出口15排出，被冷凝后的低温烟气由烟气冷凝器12进入烟气出口11排出。

锅壳5的后端设置内插水管进口集箱41，内插水管进口集箱41的入水口连通烟气冷凝器12的出水口，内插水管38的出水口连通锅壳5内部空间。

均流孔板23设计为圆台形。

水侧流动方式为补水从锅炉进水口13泵入，首先进入烟气冷凝器12的烟气冷凝器集箱，烟气冷凝器集箱内部布置有集箱隔板，使补水由烟气冷凝器12下部沿S形路径流向烟气冷凝器12上部，利用两侧工质温度相反的变化规律，促进烟气中水蒸汽的冷凝效率，锅炉补水经烟气冷凝器12加热后，由上部冷凝器出水口9流出进入水冷燃烧头22中的燃烧器环形补水集箱25，经水冷燃烧头22中的多根螺旋水冷管32，吸收预混气体燃烧释放的一部分热量后，由水冷燃烧头出水管21流入锅壳5，由于补水受到烟气冷凝器12预热，温度高于烟气发生冷凝的水露点，可在根源上消除烟管和水冷燃烧头22中出现冷凝水的现象，避免正常的换热与燃烧过程被阻碍，补水进入锅壳5后被进一步加热，形成所需的热水或水蒸汽，由热水或蒸汽出口2流出，供用户使用。

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的锅壳式全预混水冷燃气锅炉，所述的圆锥异形的水冷燃烧头22，如图1和图3所示，其采用螺旋水冷管32盘绕而成，且入口至出口方向，螺旋直径逐渐减小，相邻两根螺旋水冷管32之间留有间隙，天然气与空气的预混气体由管子间隙流出，并在圆锥异形燃气燃烧器22的外表面燃烧，燃烧过程中火焰根部的气体可在螺旋水冷管32表面形成卷吸，促使螺旋水冷管32内部工质吸收预混气体燃烧释放的部分热量，降低燃烧火焰的中心温度，实验测试中心火焰温度在1100℃附近，大幅低于理论燃烧温度，进而可在燃烧本质上消除热力形NOx的生成量，采用该设计结构下的天然气预混燃烧方式，即使炉胆空间设计较小，依然可以保证NOx≤30mg/m³的超低排放指标；水冷燃烧头22由多根螺旋水冷管32并联组成，减少单根盘管的沿程阻力及运行能耗；多根螺旋水冷管32形成水冷管束，水冷燃烧头出水管21的出口沿炉胆周向均匀分布，水冷燃烧头出水管21与炉胆1相连，螺旋水冷管32的入口端沿周向均匀分布并与燃烧器进水环形集箱25连通，可起到燃烧器自支撑的作用，省却额外的支撑机构，减少金属消耗和锅炉重量。

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的锅壳式全预混水冷燃气锅炉，参考图4，所述的水冷燃烧头22内部布置有圆台形多孔板31，可根据设计负荷调整圆台形多孔板31中圆台的几何结构，圆台形多孔板31设计为等压风室的几何结构，对其内部混合气体沿横向的分布进行均流；圆台形多孔板31的几何结构外侧面与水冷燃烧头22的内壁面形状一致，圆台形多孔板31与水冷燃烧头22的内壁面留设间隙，圆台形多孔板31表面开有圆形或者长圆形孔隙，对混合气体在整个水冷燃烧头22上的流速分布进行均流，每一根螺旋水冷管32覆盖两排孔隙，且相邻两排孔隙错列分布，进而保证混合气流在两螺旋水冷管32间隙处呈连续分布，消除局部回流，相邻两排孔隙错列分布非常有效得均匀化气流，能够防止大量混合气涌向同一点，避免造成局部堵死现象，当采用长圆形孔隙时，长圆孔的长度方向沿着螺旋水冷管32轴向；窄间隙还可起到防止燃烧过程中的回火现象，避免爆燃等安全事故的发生，圆台形多孔板31的顶部与水冷燃烧头22后端密封相接。

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的锅壳式全预混水冷燃气锅炉，所述的水冷燃烧头22前端设置有预混器27和整流板28，预混器27如图5所示，包括一对具有相反旋转方向的旋流叶片33组成，可强化天然气与空气的预混气体的扰流，使其充分混合，混合气体流出预混器27后整体气流带有一定的旋度，预混器27后设置整流板28，为达整流效果，整流板28的厚度不小于5mm，如图6所示，整流板上布置有整流孔35，呈错列或顺列均匀分布，可对混合气体的旋流流动进行整流，使主流气体消旋，为进入圆锥形水冷燃烧头22内部的混合气体沿流通方向的均流提供条件。

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的锅壳式全预混水冷燃气锅炉，所述的烟管包括与炉胆后管板20连接的直烟管18和周向与炉胆侧壁连通的带有90°弯头烟管19，可增大直烟管18在炉胆后管板20上分布的孔桥间距，从而确保直烟管18和炉胆后管板20的焊缝40采用全焊透方式，如图7所示，消除直烟管18外壁面与管孔之间的间隙，可有效防止钙、镁等离子沉积而发生的缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂，完全杜绝孔桥间距过小无法全焊透时必然导致炉胆后管板出现裂纹的问题；当锅炉容量较小时，可适当增加炉胆直径以省却弯严管，设计较为灵活；直烟管18和90°弯头烟管19耦合布置方案增加了锅壳5、炉胆1以及烟管系统的弹性，有效锅炉运行时系统热膨胀应力可能对焊口造成的应力集中破坏。

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的锅壳式全预混水冷燃气锅炉，亦可采用圆锥形炉胆布置方案，如图2所示，可将水冷燃烧头22由圆锥形改为圆直筒形，减少水冷管束螺旋盘绕的加工难度，同时可增大炉胆后端部炉胆后管板20区域的体积，即沿着烟气流向炉胆1的横截面逐渐增大，此时烟管可全部采用直烟管18，省却90°弯头烟管19的焊接工作，减少生产工序以及难度，提高制造加工效率。

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的锅壳式全预混水冷燃气锅炉，所述的烟气冷凝器12可对烟管流出的烟气进行冷却，烟气冷凝器12属于烟气低温区域，因冷却工质在烟气冷凝器12内被加热，温度高于响应的水露点，而且烟气冷凝器12采用管壳式换热器，管壳式换热器中设置若干冷凝器烟管17，烟气经过冷凝器烟管17进入烟气出口11，冷凝器烟管17的外侧用锅炉补水冷却。

当然，烟气低温区域也可能处于锅壳5中直烟管18的后半段。

进一步的，直烟管18中设置强化换热结构：第一强化换热结构、第二强化换热结构、第三强化换热结构、第四强化换热结构；具体可以在不同烟管中设置不同的强化换热结构；同一根烟管中可以包含第一强化换热结构、第二强化换热结构、第三强化换热结构中的一个、两个或三个。

直烟管18中设置第一强化换热结构具体如下：可采用烟管的单一流通方式，省却嵌套水管38的制造工艺，如图8和图10所示，此时烟管内部需加装内翅片42，内翅片42包括圆周方向的圆弧段和沿圆弧段所在圆的弦方向翅片，弦方向肋片与圆弧段固定连接，作为优选方案，弦方向翅片与圆弧段一体化成型，所述圆弧段根据实际设计和制造工艺为半圆或四分之一圆；内翅片42上与烟气接触的表面设置有纵向沟槽；内翅片42外侧开设沟槽43，沟槽43关于内翅片42中心面对称开设，安装时填充易熔金属条。

作为第一强化换热结构另一种可选的实施方式，参考图8和图9，靠近烟管上烟气入口处的内翅片42的伸张长度较短，沿烟气流动方向逐渐增大，逐渐降低烟管的通流面积至烟气低温区域后保持不变，内翅片42向内的扩展长度保持恒定，为扩展受热面面积，可将翅片平面、基管内表面改为曲线形式，内翅片42整体可由挤压铝或沙铸完成，内翅片42外侧开设沟槽43，沟槽43关于内翅片42中心面对称开设，安装时填充易熔金属条，所述易熔金属条的熔点在350℃以上，通过与外部烟管挤压可进一步消除内翅片42与烟管之间的接触热阻，提高换热效率。

作为第一强化换热结构另一种可选的实施方式，参考图8，作为一个可选的实施例，直烟管18中仅设置内翅片42，内翅片42的翅部423上又开设换热槽422，换热槽422将所述翅部423一分为二，增大换热面积的同时加强烟气在直烟管18中的扰流；既增强直烟管18中心高温区域的换热，又增大内翅片42根部的导热流通面积。

烟气冷凝器中的冷凝器烟管17采用内部设置第二换热结构的直烟管18，

直烟管18中设置第二强化换热结构具体如下：在第一强化换热结构的基础上，直烟管18中加装鱼骨形翅片45，参考图9，其翅片扩展几何结构与内翅片42形成的鱼骨形孔隙相对应，鱼骨形翅片45的翅片伸入内翅片42的空隙中，可形成窄间隙流动强化换热，使低温烟气在较短的烟管长度下即可进一步快速降温；鱼骨形翅片45的表面设置有纵向沟槽，鱼骨形翅片45表面的沟槽深度小于内翅片42表面的沟槽，内翅片42圆弧段开设有用于安装鱼骨形翅片45的凹槽421，鱼骨形翅片45的中心脊部451嵌入所述凹槽421中。

基于采用内部设置第一换热结构的直烟管18，烟气冷凝器12采用管壳式换热器，结构更加紧凑，烟气进入烟气冷凝器12中的冷凝器烟管17，冷凝器烟管17中设置内翅片42、鱼骨形翅片45以及易熔金属条，在所述冷凝器烟管17内形成微通道层流，强化换热，锅炉补水进入换热器对冷凝器烟管17冷却，降低烟气对烟气冷凝器12的冲刷，而且提高换热系数，能对烟气进行充分冷却。

直烟管18中设置第三强化换热结构具体如下：可在直烟管18纵向中心面对称的内翅片42之间加装肋板46，参考图10和图11，消除烟管中烟气通道44流通截面中心的相对高温区，肋板46上间隔设定距离开肋板扰流孔47，肋板扰流孔47为通孔，加强烟气扰动以及不同区域内烟气的相互流通，强化换热且避免烟气分配不均导致局部流速过高，肋板46和内翅片42接触区域涂抹耐高温导热填充材料，消除接触热阻，使肋板46作为受热面的一部分。

直烟管18中设置第四强化换热结构具体如下：所述的烟管内部设置内插水管38形成强化换热烟管，内插水管入口37连通烟气冷凝器12，内插水管出口39连通锅壳5内部空间；如图12、图13、图14和图15所示，可使烟气与内侧的内插水管38和外侧的烟管同时换热，增大换热面积，同时内插水管38也减小了烟气在管内的流通面积，提高流速，内插水管38外表面沿烟气流动方向错列布置直肋片36，对烟气流动进行扰动，强化烟气的对流换热，直肋片36中部开孔，可一定程度上破坏流动边界层，进一步强化直肋片36处的对流换热强度，采用该方式增大烟气对流换热面积以及强化烟气对流换热能力，仅设计单管程即可满足烟气降温需要，显著降低锅炉整体尺寸和占地面积；将内插水管38内插至烟管内部，可减小进入锅壳补水的过冷度，一定程度上缓解锅壳内部因工质流速较低而发生的过冷沸腾，且烟管内插的水管38直径较小，补水流速偏高，同样可防止过冷沸腾的发生。

在所述强化换热结构中，第一强化换热结构采用铝合金，与外侧烟管形成st-Al(steel-aluminium alloy)复合管、第二强化换热结构和第三强化换热结构均采用铝合金与外侧烟管形成st-Al--Al(steel-aluminium alloy-aluminium alloy)复合管。

参考图1和图2，本发明燃气燃烧器和换热结构适配的锅壳式全预混水冷燃气锅炉，所述的外壳板3与锅壳5之间留有间隙，外壳板3后段沿周向均匀开设空气入口6，空气入口6处设置金属丝滤网，鼓风机进风口24连通外壳板3与锅壳5之间的间隙，空气由外壳板3后端布置的空气入口6进入吸收锅壳5的热量，预热空气，预热的空气由鼓风机进风口24和鼓风机26送入锅炉，对锅炉散热加以利用，采用这种方式同时也增大了锅壳5与外界的传热热阻，减小锅炉散热损失，提高锅炉整体热效率。

外壳板3和锅壳5的轴向中部开设人孔4，便于对锅炉进行观察和维护。

烟气冷凝器12包括若干平行设置的直烟管18，此处的直烟管18的入口连通锅壳5的烟气出口，此处的直烟管18出口连通烟气出口11，烟气冷凝器12中沿直烟管18轴向设置有若干隔板，将烟气冷凝器12中的通道分隔为“S”形。

本发明燃气燃烧器和换热结构适配的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，采用模块化设计方式，水冷燃烧头22、锅壳5以及与之相连的直烟管18和烟气冷凝器12等主要设备均为单独制造单元，完成设计加工后可方便进行拼装，同时便于运行过程中的拆卸和维护，锅炉整体化设计，结构非常紧凑，外观整齐的同时可大幅缩小占地空间，此外，锅炉整体结构可通过顺时针旋转90°由卧式结构变为立式结构，只需将热水或蒸汽出口2由图1中的上部改为左侧布置，其余部件根据现场需要简单微调即可，因地制宜，节省重新设计的研发成本。

Claims (8)

1.一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，包括炉胆(1)和水冷燃烧头(22)，水冷燃烧头(22)同轴设置在炉胆(1)中，炉胆(1)设置在锅壳(5)内，锅壳(5)外侧设置外壳板(3)，炉胆(1)的后端连通烟管，外壳板(3)的后端沿着烟气流向设置烟气冷凝器(12)和烟气出口(11)；水冷燃烧头(22)的入口处设置预混器(27)，预混器(27)的入口连通天然气管道(30)的出口和带压空气出口，预混器(27)的出口连通水冷燃烧头(22)的气体入口；

水冷燃烧头(22)采用若干根螺旋水冷管(32)并列盘绕而成，相邻螺旋水冷管(32)之间设有间隙，螺旋水冷管(32)的出口连通锅壳(5)的内部空间，螺旋水冷管(32)的入口端沿周向布置并且连通燃烧器进水环形集箱(25)；水冷燃烧头(22)与炉胆(1)内壁之间形成的环形通流面积逐渐增大；锅壳(5)通过烟气冷凝器(12)连通烟气出口(11)和锅炉进水口(13)；烟管包括沿炉胆(1)外侧一周设置的90°弯头烟管(19)和直烟管(18)，直烟管(18)的烟气入口端连接炉胆(1)后端面的炉胆后管板(20)，90°弯头烟管(19)的烟气入口端连接炉胆(1)的侧壁，直烟管(18)和90°弯头烟管(19)的烟气出口端均连接锅壳后管板(8)；烟管内沿轴线方向设置有加强换热的结构：第一强化换热结构、第二强化换热结构、第三强化换热结构或第四强化换热结构；锅壳(5)内的直烟管中设置第一强化换热结构或第四强化换热结构；烟气冷凝器(12)中设置冷凝器烟管(17)，冷凝器烟管(17)采用内部设置有第二强化换热结构和/或第三强化换热结构的直烟管；

第一换热结构具体为：烟管内设置内翅片(42)，内翅片(42)的外侧沿纵向开设沟槽(43)，纵向沟槽(43)中填充有易熔金属条，内翅片(42)包括圆周方向的圆弧段和沿圆弧段所在圆的弦方向肋片，弦方向肋片与圆弧段固定连接，沿着烟气流动方向弦方向肋片的尺寸逐渐增大至烟气低温区域后保持不变，使得烟管的通流面积从烟气入口方向逐渐减小至烟气低温区域后保持不变；

内翅片(42)上与烟气接触的表面设置有纵向沟槽；

第二换热结构具体为：烟气低温区域的直烟管中还设置有鱼骨形翅片(45)；鱼骨形翅片(45)几何结构与内翅片(42)形成的鱼骨形孔隙相对应，鱼骨形翅片(45)的翅片伸入内翅片(42)的空隙中；

第三换热结构具体为：烟气低温区域的直烟管中还设置肋板(46)，肋板(46)设置在两个对称的弦方向肋片之间，肋板(46)和内翅片(42)接触区域涂抹耐高温导热填充材料，肋板(46)上开设若干肋板扰流孔(47)；

第四换热结构具体为：烟管内同轴设置内插水管(38)，内插水管(38)出口连通锅壳(5)内部空间，内插水管(38)的入口连通烟气冷凝器(12)的出水口，内插水管(38)外壁面沿轴线方向间隔设置直肋片(36)，直肋片(36)中部开孔。

2.根据权利要求1所述的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，螺旋水冷管(32)的出口端呈辐射状与炉胆(1)连接，螺旋水冷管(32)的出口部设置水冷燃烧头出水管(21)，水冷燃烧头出水管(21)呈辐射状布置并连通锅壳(5)内部空间。

3.根据权利要求1所述的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，螺旋水冷管(32)从水冷燃烧头(22)的入口至出口方向，螺旋直径逐渐减小，使得水冷燃烧头(22)整体呈锥形，炉胆(1)采用直筒形。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，水冷燃烧头(22)内侧还设置有一层螺旋水冷管(32)，其中外侧螺旋水冷管(32)的出水口作为内侧的螺旋水冷管(32)的入水口，在水冷燃烧头(22)的入口处设置燃烧器出水环形集箱，内侧的螺旋水冷管(32)出水口沿周向均匀布置；内侧的螺旋水冷管(32)出水口连通燃烧器出水环形集箱。

5.根据权利要求1所述的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，螺旋水冷管(32)从水冷燃烧头(22)的入口至出口方向，螺旋直径保持不变，使水冷燃烧头(22)整体为直筒形，炉胆(1)从燃烧器入口至出口方向直径逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，预混器(27)中同轴设置有一组旋转方向相反的旋流叶片(33)，预混器(27)的后端设置整流板(28)，整流板(28)上均匀设置整流孔(35)。

7.根据权利要求1所述的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，水冷燃烧头(22)内侧布置圆台形多孔板(31)，圆台形多孔板(31)与水冷燃烧头(22)内侧内壁面留设间隙，圆台形多孔板(31)表面开有圆形或者长圆形孔隙，相邻两排孔隙交错布置，每一根螺旋水冷管(32)覆盖两排孔隙；圆台孔板(31)顶部与水冷燃烧头(22)的后端密封连接。

8.根据权利要求1所述的全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，其特征在于，水冷燃烧头(22)的入口处设置有鼓风机(26)，外壳板(3)与锅壳(5)之间设有间隙，外壳板(3)后段开设空气入口(6)，鼓风机进风口(24)连通外壳板(3)与锅壳(5)之间的间隙。

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