CN113074360A - 一种火焰水冷方法及水冷锅炉系统 - Google Patents

Abstract

一种火焰水冷方法及水冷锅炉系统，系统包括燃气/燃油燃烧器、火管换热器、锅炉汽包和锅炉，燃气/燃油和空气进入燃气/燃油燃烧器内被点燃，产生的火焰在着火后进入火管换热器继续燃烧，通过火管换热器内与循环水进行热交换，吸收部分燃烧所产生的热量，使火管换热器内火焰温度低于热力型NOx生成温度。火焰离开水冷圆管后进入炉膛内继续燃烧，火焰离开水冷火管换热器后热量已被火管换热器吸收一部分，火焰温度也低于热力型NOx生成温度，产生的NOx值很低。由于火焰与火管换热器间温差较大，火焰与火管换热器的传热效率高，水循环接入锅炉系统后，可减少受热面，使锅炉的钢材耗量下降，成本降低，使用效果好。

Description

一种火焰水冷方法及水冷锅炉系统

技术领域

本发明涉及一种水冷锅炉系统及方法，尤其是一种适用于换热器和锅炉水循环技术领域的火焰水冷方法及水冷锅炉系统。

背景技术

燃油/燃气燃烧器所产生的氮氧化物有很大一部分为热力型NOx(氮氧化合物)，热力型NOx是由空气中的氮在高温条件下氧化而成，生成量的多少主要取决于温度和烟气在高温区停留的时间。试验表明，在相同条件下，NOx生成量随温度增高而增大，当温度低于1500℃时，几乎不生成热力型NOx；理论表明，NOx生成多少，与燃烧时高温烟气在高温区停留时间成正比。因此，从热力型NOx的生成机理考虑，对于燃烧器应合理组织燃烧，应避免产生燃烧高温区，并且缩短烟气在高温区停留的时间，这两个条件都很重要。

专利号为2018109650696公开的一种低氮燃烧器、专利号为2019215682995公开的一种水冷式燃烧器、专利号为2019210900832公开的水冷型浓淡燃烧器和专利号为2018115569121公开的一种低氮低耗低噪全预混器的水冷壁燃烧器，均是涉及了利用水冷火焰来降低NOx的燃烧器，虽然效果很好，但是由于以上四个专利内对布管间距问题、成本问题以及水循环的安全性问题没有得到很好的解决，对于燃气热水器和壁挂炉由于本身的水循环就是强制循环，对于锅炉来讲，强制循环增加了系统的成本和运行的安全性，因此推广非常困难。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有现有技术中的不足之处，提供一种火焰水冷方法及水冷锅炉系统，以解决燃烧过程中温度太高形成的NOx过高的问题，且解决水循环的复杂性，降低锅炉的成本。

技术方案：本发明的一种火焰水冷方法：工作时，燃料和助燃风在燃气/燃油燃烧器内点燃后进入火管换热器，火焰被火管换热器吸收一部分热量，使换热管内火焰温度和通过火管换热器后在锅炉内的火焰温度均低于热力型NOx生成温度1500℃，从而降低NOx排放值；具体步骤如下：

步骤1：燃气/燃油和助燃空气在燃气/燃油燃烧器出口混合，并被点燃；

步骤2：从燃气/燃油燃烧器出口喷出的火焰到达耐火挡板后，被设在耐火挡板上的多个换热管分割成多个小火焰，多个小火焰穿过换热管进入锅炉，与此同时从锅炉汽包或外部供水管路来水循环至火管换热器；

步骤3：火焰与水箱箱体内的循环水进行换热，火焰燃烧温度降低，抑制热力型NOx生成；

步骤4：火焰穿过换热管后火焰继续在锅炉内燃烧，但因为已被吸收部分热量，所以火焰温度降低至1500℃以下，同样抑制了NOx的生成；

步骤5：吸收热量的循环水在水箱箱体内变成热水或蒸汽，直接经出水管引入锅炉汽包内；此时，换热管内火焰温度约为1400℃，水箱箱体内循环水温度在约为200℃，由于火焰与循环水的温差较大，传热效率高，在同样换热量的情况下所需换热面比锅炉处要小约10％，因此减少了受热面，降低了生产锅炉的钢材耗量。

实现上述一种火焰水冷方法的水冷锅炉系统，包括燃气/燃油燃烧器、火管换热器、锅炉汽包、锅炉，所述的燃气/燃油燃烧器的出口与火管换热器的入口相对，所述的火管换热器的经出水管与锅炉汽包的入口相连，所述的锅炉汽包经汽包上升管与锅炉顶部相连，并经水冷壁下降管与锅炉下部相连；所述火管换热器受热产生的热水或蒸汽进入锅炉汽包参与锅炉水循环。

所述的火管换热器包括耐火挡板、换热管、水箱箱体、堵板、进水口、出水口，所述的耐火挡板迎火面设置，耐火挡板上开孔焊接换热管，水箱箱体一端与耐火挡板最外圈焊接，另一端与堵板连接，水箱箱体上部开孔焊接出水口，水箱箱体下部开孔焊接进水口。

所述的火管换热器的冷却水入口经汽包下降管与锅炉汽包中的冷却水出口相连，或直接与冷却供水管路连接。

所述的耐火挡板的材质为金属材质、或耐火砖材质。

所述的换热管的内径为10-100mm。

所述的换热管之间的间距为10-100mm。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明的锅炉采用具有水冷壁结构的锅炉，在锅炉的前部增加了火管换热器，减少了锅炉炉膛水冷壁的换热面积，节约了10％的炉膛受热面，使锅炉节约了钢材耗量。与现有技术相比的优点：

1、现有的水冷换热方法是换热管内走循环冷却水，管外是火焰，本发明采用火焰从换热管内穿过，换热管外水箱箱体走循环冷却水，利用换热器首先将大火焰分割成许多的小火焰，每个小火焰再和换热管外部循环水换热，效果更好，通过换热器后火焰温度会更低至1500℃以下，且相比换热管内走循环水的设备，采用本技术的设备更易于加工，同时比现有技术减少了进水集箱，节约材料。

2、采用现有技术的锅炉配置内不包含火管换热器，或者包含火焰走换热管外的换热器但未考虑如何解决换热器与锅炉之间连接的问题，本发明将火管换热器内被加热的循环冷却水引入锅炉汽包，参与锅炉水循环减少热量损失，同时因为换热管内火焰和循环水温差大，换热效率比烟气和水冷壁换热高的多，所以可以节约受热面，使炉膛受热面减少，最终在不影响锅炉效率的情况下使锅炉钢构重量小于使用普通技术的锅炉，使过锅炉制作成本降低。

附图说明

图1为本发明的火焰水冷锅炉系统结构示意图。

图2为本发明的火管换热器剖视示意图。

图3为本发明的火管换热器立体示意图。

图中：1-燃气/燃油燃烧器，2-火管换热器，3-出水管，4-锅炉汽包，5-汽包下降管，6-水冷壁至汽包上升管，7-锅炉，8-汽包至水冷壁下降管，21-耐火挡板，22-换热管，23-水箱箱体，24-堵板，25-进水口，26-出水口。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明的一种火焰水冷锅炉系统，主要由燃气/燃油燃烧器1、火管换热器2、出水管3、锅炉汽包4、汽包下降管5、水冷壁至汽包上升管6、锅炉7、水冷壁下降管(8)构成，所述的燃气/燃油燃烧器1的出口与火管换热器2的入口相对，所述的火管换热器2的经出水管3与锅炉汽包4的入口相连，所述的锅炉汽包4经汽包上升管6与锅炉7顶部相连，并经水冷壁下降管8与锅炉7下部相连；所述火管换热器2受热产生的热水或蒸汽进入锅炉汽包4参与锅炉水循环，火管换热器2受热产生的热水或蒸汽进入锅炉汽包4参与锅炉水循环。火管换热器2内循环水吸收火焰热量产生的热水或蒸汽，直接引入锅炉汽包4的汽包内，参与锅炉水循环系统的运作，不会造成能量的浪费。所述的火管换热器2的冷却水入口经汽包下降管5与锅炉汽包4中的冷却水出口相连，或直接与冷却供水管路连接，即汽包下降管5可更换成一路单独的供水系统，不从锅炉汽包4引水至火管换热器2，不影响锅炉运行。火管换热器2内部换热管22内通过，与水箱箱体23内循环水产生热交换，因为火焰温度和循环水温差较大，换热效率也会比锅炉系统内烟气和锅炉换热要高，减少了锅炉受热面面积，从而减少锅炉成本。

如图2-图3所示，所述的火管换热器2包括耐火挡板21、换热管22、水箱箱体23、堵板24、进水口25、出水口26，所述的耐火挡板21迎火面设置，耐火挡板21上开孔焊接换热管22，所述换热管22均匀布置在火管换热器2内，以利于火焰均匀穿过多个换热管22，避免造成局部管内火焰缺失，换热效率降低无法带走燃烧热量或局部管内火焰过于集中，造成局部过热的问题。水箱箱体23一端与耐火挡板21最外圈焊接，另一端与堵板24连接，水箱箱体23上部开孔焊接出水口26，水箱箱体23下部开孔焊接进水口25。所述的耐火挡板21的材质为金属材质、或耐火砖材质，耐火挡板21上也可附着一层耐火涂料；所述的换热管22的内径为10-100mm。换热管22内径不能过小，否则可能会造成火焰熄灭；也不能过大，过大导致火焰直接穿过换热管22，在换热管22中心的火焰热量无法散出。换热管22之间的间距为10-100mm。换热管22的间距过小会导致热量无法被吸收，局部循环水过热，换热管22损坏；间距过大会导致火管换热器2尺寸过大，不利于火焰穿过，也不经济。

本发明的火焰水冷方法：工作时，燃料和助燃风在燃气/燃油燃烧器1内点燃后进入火管换热器2，火焰被火管换热器2吸收一部分热量，使换热管22内火焰温度和通过火管换热器2后在锅炉7内的火焰温度均低于热力型NOx生成温度1500℃，从而降低NOx排放值；具体步骤如下：

步骤1：燃气/燃油和助燃空气在燃气/燃油燃烧器1出口混合，并被点燃；

步骤2：从燃气/燃油燃烧器1出口喷出的火焰到达耐火挡板21后，被设在耐火挡板21上的多个换热管22分割成多个小火焰，多个小火焰穿过换热管22进入锅炉7，与此同时从锅炉汽包4或外部供水管路来水循环至火管换热器2；

步骤3：火焰与水箱箱体23内的循环水进行换热，火焰燃烧温度降低，抑制热力型NOx生成；

步骤4：火焰穿过换热管22后火焰继续在锅炉7内燃烧，但因为已被吸收部分热量，所以火焰温度降低至1500℃以下，同样抑制了NOx的生成；

步骤5：吸收热量的循环水在水箱箱体23内变成热水或蒸汽，直接经出水管3引入锅炉汽包4内；此时，换热管22内火焰温度约为1400℃，水箱箱体23内循环水温度在约为200℃，由于火焰与循环水的温差较大，传热效率高，在同样换热量的情况下所需换热面比锅炉7处要小约10％，因此减少了受热面，降低了生产锅炉7的钢材耗量。

如图1所示，燃气/燃油和空气进入燃气/燃油燃烧器1内被点燃，产生的火焰在着火后进入火管换热器2继续燃烧，通过换热管22和水箱箱体23内循环水热交换，吸收走一部分燃烧的热量，火焰离开换热管22后进入锅炉7内继续燃烧，因受到水箱箱体23内循环水的吸热，火焰在换热管22内的平均温度低于1500℃，达不到热力型NOx大量生成的温度，在换热管22内产生的NOx浓度低，火焰穿过换热管22后由于火焰热量已被水箱箱体23内循环水吸收一部分，火焰离开换热管22后燃烧温度也低于1500℃，低于热力型NOx生成温度，因此，产生的NOx值可低至30mg/Nm³以下。换热管22内火焰温度约为1400℃，水箱箱体23内循环水温度在200℃左右，由于火焰与循环水的温差约为1200℃，锅炉7炉膛烟气和水冷壁的温差在600℃左右，温度差距越大，传热效率高，所以火管换热器2内火焰与循环水的的传热效率要高于炉膛烟气与水冷壁的换热效率。离开火管换热器2热水或蒸汽接入锅炉汽包4，相应减少了锅炉7受热面，锅炉的最终钢材耗量下降，成本降低。

Claims (7)

1.一种火焰水冷方法，其特征在于：工作时，燃料和助燃风在燃气/燃油燃烧器(1)内点燃后进入火管换热器(2)，火焰被火管换热器(2)吸收一部分热量，使换热管(22)内火焰温度和通过火管换热器(2)后在锅炉(7)内的火焰温度均低于热力型NOx生成温度1500℃，从而降低NOx排放值；具体步骤如下：

步骤1：燃气/燃油和助燃空气在燃气/燃油燃烧器(1)出口混合，并被点燃；

步骤2：从燃气/燃油燃烧器(1)出口喷出的火焰到达耐火挡板(21)后，被设在耐火挡板(21)上的多个换热管(22)分割成多个小火焰，多个小火焰穿过换热管(22)进入锅炉(7)，与此同时从锅炉汽包(4)或外部供水管路来水循环至火管换热器(2)；

步骤3：火焰与水箱箱体(23)内的循环水进行换热，火焰燃烧温度降低，抑制热力型NOx生成；

步骤4：火焰穿过换热管(22)后继续在锅炉(7)内燃烧，但因为已被吸收部分热量，所以火焰温度降低至1500℃以下，同样抑制了NOx的生成；

步骤5：吸收热量的循环水在水箱箱体(23)内变成热水或蒸汽，直接经出水管(3)引入锅炉汽包(4)内；此时，换热管(22)内火焰温度约为1400℃，水箱箱体(23)内循环水温度在约为200℃，由于火焰与循环水的温差较大，传热效率高，在同样换热量的情况下所需换热面比锅炉(7)处要小约10％，因此减少了受热面，降低了生产锅炉(7)的钢材耗量。

2.实现权利要求1所述一种火焰水冷方法的水冷锅炉系统，包括燃气/燃油燃烧器(1)、火管换热器(2)、锅炉汽包(4)、锅炉(7)，其特征在于：所述的燃气/燃油燃烧器(1)的出口与火管换热器(2)的入口相对，所述火管换热器(2)的出水管(3)与锅炉汽包(4)的入口相连，所述的锅炉汽包(4)经汽包上升管(6)与锅炉(7)顶部相连，并经水冷壁下降管(8)与锅炉(7)下部相连；所述火管换热器(2)受热产生的热水或蒸汽进入锅炉汽包(4)参与锅炉水循环。

3.根据权利要求2所述的水冷锅炉系统，其特征在于：所述的火管换热器(2)包括耐火挡板(21)、换热管(22)、水箱箱体(23)、堵板(24)、进水口(25)、出水口(26)，所述的耐火挡板(21)迎火面设置，耐火挡板(21)上开孔焊接换热管(22)，水箱箱体(23)一端与耐火挡板(21)最外圈焊接，另一端与堵板(24)连接，水箱箱体(23)上部开孔焊接出水口(26)，水箱箱体(23)下部开孔焊接进水口(25)。

4.根据权利要求2所述的水冷锅炉系统，其特征在于：所述的火管换热器(2)的冷却水入口经汽包下降管(5)与锅炉汽包(4)中的冷却水出口相连，或直接与冷却供水管路连接。

5.根据权利要求3所述的水冷锅炉系统，其特征在于：所述的耐火挡板(21)的材质为金属材质、或耐火砖材质。

6.根据权利要求3所述的水冷锅炉系统，其特征在于：所述的换热管(22)的内径为10-100mm。

7.根据权利要求3所述的水冷锅炉系统，其特征在于：所述的换热管(22)之间的间距为10-100mm。

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