CN212511071U - 一种低氮节能承压水管锅炉结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低氮节能承压水管锅炉结构，包括上锅筒、外壳、燃烧器分配头、膜式水冷壁管束、水冷火焰管束、辐射管束、高温对流管束、低温对流管束、下降管束、下锅筒、外置冷凝器、预混合器以及配套的风机、给水泵、燃气阀组、控制器等。燃烧器分配头采用密排管、金属孔板、陶瓷孔板等用于均流、防回火和稳焰，可拆卸设计，可及时清灰；燃烧器分配头的水冷火焰管束可采用平面和凹型布置，最大化利用炉膛空间。采用锅炉本体上的水冷火焰管束冷却火焰，解决了水冷燃烧器的热量分配问题。本实用新型实现了平面/凹、凸曲面燃烧器的机炉一体化，结构紧凑，在较低过量空气系数下实现低氮和超低氮燃烧，突破国外低氮燃烧器厂商在蒸汽锅炉领域的技术垄断。

Description

一种低氮节能承压水管锅炉结构

技术领域

本实用新型涉及燃气锅炉技术领域，具体涉及一种以立式水管作为主要换热元件的采用平面/曲面水冷全预混燃烧器的可承压燃气锅炉结构。

背景技术

根据我国的能源规划，到2035年天然气占一次能源的比例将提升至 15％以上，年使用量可达6400亿立方米以上。2019年我国天然气消费量 3067亿立方米，未来15年内，天然气年使用量将高速增长。我国工业燃料用气占天然气总用量的30％左右，工业领域需求的锅炉多为压力低于2.45MPa的低压小容量锅炉，包括低压热水锅炉和低压蒸汽锅炉。目前35 蒸吨以下的燃煤锅炉已基本淘汰，低压小容量锅炉这一细分市场已被燃气锅炉所独占。伴随着工业的发展和天然气供应量的不断增加，未来15年内35蒸吨以下的燃气低压锅炉必将以每年5％以上的速度增加，低压燃气锅炉有着光明的前景。

目前市场上的主流承压蒸汽锅炉有水管式和火管式。火管式锅炉包括立式横烟管锅炉、卧式内燃湿背锅炉(WNS)等，水管式锅炉包括贯流式锅炉、D型锅炉、角管锅炉等。主流蒸汽锅炉的配套燃烧器多为扩散式燃烧器和圆柱表面燃烧器，都需要巨大的炉膛空间。近年来，平面/曲面燃烧器技术迅速发展，水冷燃烧器、多孔陶瓷板燃烧器、金属纤维/丝网燃烧器，火焰均匀稳定，调节比可达1:5以上，火焰温度低于1100℃，氮氧化物排放低于30mg，符合最新的环保标准，广泛应用于燃气热水锅炉和燃气壁挂炉等小型燃气锅炉，但还未进入承压燃气锅炉市场。平面/曲面燃烧器为表面燃烧器，火焰悬浮在面板上方200mm的空间内，不需要巨大的炉膛空间，只需利用锅炉的一面炉墙即可布置燃烧器分配头，为此需要设计一种全新的炉型来匹配平面/曲面燃烧器。缩小炉膛空间，强化换热，合理布置不同温度下的受热面，同时保证锅炉承压能力和维修保养的便利性，因此需要开发匹配平面/曲面燃烧器的紧凑高效锅炉。

CN201821004317.2公开了一种低氮不锈钢冷凝热水锅炉，炉膛由上向下布置，火焰依次经过一级换热器和二级冷凝换热器，所用燃烧器为矩形平面燃烧器，不同层级之间的水通过前后锅筒连通转弯。该型锅炉是一种适配平面燃烧器的热水锅炉，炉膛空间小，换热元件紧凑，但没有承压能力，无法生成蒸汽。CN201621007598.8公开了一种低氮燃烧的蒸汽锅炉，由炉膛、上下锅炉腔、燃烧器等组成，炉膛包括水冷壁、用于降低火焰温度的第一水冷管、进行辐射换热的第二水冷管、用于对流换热的第三水冷管。内部采用多排的错列光管，烟气侧一但结垢则难以清洗，用于冷却火焰的水冷管束易积碳堵塞，也需定期清洗，炉体维修不便。

目前市场上缺少适配平面/曲面燃烧器的便于检修的承压燃气锅炉，为此开发新型立式水管锅炉。

发明内容

为了实现平面/曲面燃烧器的机炉一体化，开发便于检修、维护，体积紧凑，实现低氮冷凝的可承压天然气锅炉，本实用新型的目的在于提供一种低氮节能承压水管锅炉结构，采用上下锅筒和中间立式水管的锅炉本体结构，配合可拆卸平面/曲面燃烧器、外置冷凝换热器。中间的立式水管包括膜式水冷壁管束、水冷火焰管束、辐射管束、高温对流管束和低温对流管束五个分区；外壳连接上下锅筒并包覆这膜式水冷壁管束，减少了锅炉本体散热损失；全水管换热，并随烟温变化优化水管的排布，提高平均换热系数。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种低氮节能承压水管锅炉结构，包括上锅筒1、外壳、燃烧器分配头3、膜式水冷壁管束4、水冷火焰管束5、辐射管束6、高温对流管束7、低温对流管束8、下降管束9、下锅筒10、外置烟气冷凝器11、预混合器 12以及配套的风机、给水泵、燃气阀组、控制器；所述燃烧器分配头3、膜式水冷壁管束4、水冷火焰管束5、辐射管束6、高温对流管束7、低温对流管束8、下降管束9均位于上锅筒1和下锅筒10之间，所述膜式水冷壁管束4包围着辐射管束6、高温对流管束7和低温对流管束8，通过扁钢与水冷火焰管束5的左右两端管相连，膜式水冷壁管束4与上锅筒1和下锅筒10共同组成了约束烟气流通的壁面；外壳包覆着除外置烟气冷凝器11和预混合器12外的所有部件形成的锅炉本体，仅露出燃烧器分配头 3的入口部分和外置烟气冷凝器11与锅炉本体的连接部分；膜式水冷壁管束4、水冷火焰管束5、辐射管束6、高温对流管束7、低温对流管束8和下降管束9的上下两端分别与上锅筒1和下锅筒10连通；预混合器12出口连通燃烧器分配头3入口，外置烟气冷凝器11与锅炉本体的出口烟道相连且外置烟气冷凝器11的管侧出口连接上锅筒1的补水口；预混合器 12出口的空气和天然气的混合气体先进入燃烧器分配头3，在燃烧器分配头3均匀分配后进入水冷火焰管束5区，在水冷火焰管束5的表面前方点火燃烧，生成的高温烟气依次经过辐射管束6、高温对流管束7和低温对流管束8外部，最后进入外置烟气冷凝器11壳侧；锅炉给水先进入外置冷凝器11管侧预热，随后进入上锅筒1的补水口，通过上锅筒1分配到各个管束区，进入下锅筒10；管束中的水受热生成蒸汽，向上流动至上锅筒1离开锅炉；上锅筒1的上方区域为汽空间，下方区域为水空间，下锅筒则为水空间。

所述上锅筒1作为承压件，主体结构采用锅筒型和半锅筒型；所述半锅筒型包括半圆柱管1-1和管板1-4围成的半圆柱，设置在半圆柱两侧的封板1-2，设置在半圆柱内的拉撑杆1-5，拉撑杆1-5包括中心部分的直拉撑杆和圆周部分的斜拉撑杆；所述锅筒型由圆柱主体1-6和圆柱主体1-6 两端的椭球封头1-7组成；所述下锅筒10与上锅筒1的主体结构相同；

所述上锅筒1布置汽水分离器和多个法兰接口，用以补水、排汽、检修，安装压力表、温度表、水位计和安全阀；上锅筒1中还放置有冷凝管束1-3，冷凝管束1-3冷凝上锅筒1内的蒸汽，利用这部分的热量对外提供热水；下锅筒10布置多个法兰接口，用以检修、排污，测量温度和压力。

所述锅炉本体和外壳之间填充隔热材料或留出空腔，降低锅炉本体散热损失；外壳上还留出检修孔、观火孔、点火孔和测点孔。

所述燃烧器分配头3包括预混气体入口3-1、风壳3-2、均流孔板3-4 和燃烧面3-5；所述燃烧面3-5采用平面或曲面，与水冷火焰管束5贴合，预混气体入口3-1与燃烧面3-5平行或垂直或成任意角度，平行时风壳3-2 为渐扩段，垂直时风壳3-2为侧面进气的等压风道；均流孔板3-4位于风壳3-2内的预混气体入口3-1到燃烧面3-5之间，为一层或多层，使燃烧面 3-5上各个位置的预混气体流量均匀；燃烧器分配头3的燃烧面3-5采用金属孔板或多孔陶瓷板或密排布置的矩形管、螺旋翅片管或圆管；金属孔板、多孔陶瓷板上的小孔，密排布置的矩形管、螺旋翅片管或圆管之间的缝隙都起到防回火、均流气体、稳焰的作用；预混气体在水冷火焰管束5的缝隙之后着火，因此燃烧器分配头3未受到火焰的直接冲击，仅有少量辐射热，并持续受到室温预混气体的冷却；密排管与大气直接连通，管内气体受热后上升，形成空气自然循环冷却密排管；密排管通水冷却时，直接与上下锅筒连通，利用炉水冷却，或利用外置烟气冷凝器11出口的锅炉给水冷却，给水从燃烧器分配头3离开后进入上锅筒1。

所述燃烧器分配头3还包括位于风壳3-2内的预混气体入口3-1到燃烧面3-5之间的一层或多层导流板3-3，使燃烧面3-5上各个位置的预混气体流量更加均匀；

所述燃烧器分配头3采用固定式或可拆卸式，采用固定式时，左右两侧通过膜式壁与水冷火焰管束5相接，密封烟气流道，燃烧器分配头3的密排布置的矩形管、螺旋翅片管或圆管直接焊接在上下锅筒上，充当拉撑管，参与锅炉水循环，此时由于吸热量极低作为下降管；或两端封死不参与锅炉水循环；采用可拆卸式时，燃烧器分配头3采用法兰连接方式与水冷火焰管束5通过密封面5-1紧密贴合，水冷火焰管束5的四周预设密封面5-1，密封面5-1外设置一圈凸起的法兰面，与燃烧器分配头3风壳上的法兰面连接，实现两级密封，避免预混气体泄漏；或采用螺栓方式连接，在密封面外预设一圈螺栓座5-2，与燃烧器分配头3上的螺栓孔3-6通过螺栓紧固；燃烧器分配头3低负荷时可能出现积碳，可拆卸式的燃烧器分配头3方便清洗，更易实现长周期安全运行。

所述燃烧器分配头3和水冷火焰管束5采用凹型布置，以增大燃烧表面积；采用凹型布置时，燃烧面3-5半包裹着炉膛空间，燃烧面3-5布置在炉膛的一边、两边、三边，形成包含多个面板的组合燃烧面，为了冷却火焰，在炉膛中布置辐射管束6，以屏蔽燃烧面之间的热辐射。

所述膜式水冷壁管束4选用外径为25～76mm的光管相切焊接或光管和10～60mm扁钢间隔排列焊接或鳍片管中间焊接构成，如光管相切则连接上下锅筒的管端应该缩颈以维持最低要求的孔桥尺寸，点火针或枪、检火针、观火孔布置在水冷火焰管束5与膜式水冷壁管束4之间的扁钢处，用以引燃预混气体并检测观察火焰；所述水冷火焰管束5采用外径为25～ 60mm光管，管束间距1mm～20mm，缠绕翅片高度低于10mm的螺旋翅片，管束表面距燃烧器分配头3表面小于20mm，以避免预混气体在燃烧器分配头3和水冷火焰管束5之间的缝隙处着火；预混气体离开水冷火焰管束5的缝隙后点火燃烧，水冷火焰管束5吸收火焰的辐射热并冷却火焰根部，从而在过量空气系数小于1.3的条件下实现折算氮氧化物低于30mg；水冷火焰管束5长期受高温火焰冲刷，停炉时表面易生成冷凝水，需要防高温腐蚀和低温腐蚀，如果采用不锈钢则面临着异种钢焊接问题，因此采用表面喷镀镍铬合金的方式，提高耐腐蚀性能；所述辐射管束6采用外径为51～200mm的大直径管，辐射管束区吸收了锅炉40％以上的热量，烟温高于900℃，蒸发强烈，采用大直径管避免蒸汽堵塞造成的流动停滞；所述高温对流管束7区域烟气温度900～600℃，以对流换热为主，采用外径为25～76mm的管子，选用光管或翅片管，翅片管的翅片高度小于 10mm，以避免翅片超温损毁；所述低温对流管束8和外置烟气冷凝器11 的换热温差小，需要采取强化换热措施，采用密排光管、螺旋翅片管、鳍片管、针翅管或内圆外异形管；所述下降管束9位于膜式水冷壁管束4之外，上下锅筒之间，不受热；多布置于水冷火焰管束5、辐射管束6、高温对流管束7附近，这几个管束区的热流密度大，水蒸发强烈，对应的下锅筒10区域需要补充大量的水，设置下降管束9避免该管束区出现流动停滞带来的传热恶化问题。

所述内圆外异形管采用内圆外平椭圆管、内圆外方管或内圆外六角管；当采用内圆外平椭圆管时，顺列布置或错列布置，椭圆面朝向烟气来流，管束间距小于3mm，管束平面组成间隙小于3mm的狭窄流道，形成层流强化；当采用内圆外方管时，管束间距小于3mm，顺列布置或错列布置，错列布置时迎风管平面与烟气来流方向呈90°或45°；当采用内圆外六角管时，管束错列布置，管束间距小于3mm，迎风管平面与烟气来流方向呈90°或60°；三种内圆外异型管的内侧均为圆形，具有极佳的承压能力，外侧通过管束排布形成间隙小于3mm的狭窄流道，实现层流强化，提高换热系数，减少纵向管排数；内圆外异形管靠近上下锅筒处切削出圆管连接头或焊接大小头圆管连接头，方便与上下锅筒焊接。

所述外置烟气冷凝器11为水管式换热器，换热管束均为光管11-2，减少烟气侧积垢；蒸汽锅炉的给水量远少于热水锅炉，为确保换热器内水侧流速达到0.3m/s以上，需将数根光管分为一组，采用水室11-3连接各组光管；水室11-3位于光管11-2两侧，内有上下各组水管的分隔板，水在各组管中折返流动，水室11-3采用法兰盲板11-4密封，能够打开清洗水侧污垢；由于水室11-3的承压能力较弱，因此将给水泵位于外置烟气冷凝器11之后，确保外置烟气冷凝器11中不承压或仅承微压；外置烟气冷凝器11采用304以上级别的奥氏体不锈钢或430以上级别的铁素体不锈钢以减少冷凝水的腐蚀。

所述预混合器12的外形为矩形，由矩形外壳12-1、同轴矩形套筒12-2、中心气管12-3和整流板12-4四部分组成；同轴矩形套筒12-2同轴位于矩形外壳12-1内，占预混合器轴向总长的20％～60％，靠近预混合器空气入口一侧，将预混合器12分为套筒内和套筒外两部分，两部分的面积相同；中心气管12-3位于同轴矩形套筒12-2的前端，整流板12-4位于预混合器的出口侧；空气沿预混合器12的轴线方向流动，天然气穿过矩形外壳12-1 进入同轴矩形套筒12-2空间，同轴矩形套筒12-2与中心气管12-3连通，同轴矩形套筒12-2的内侧和外侧、中心气管12-3的下表面开有轴线与所在表面倾斜的小孔，天然气从倾斜的小孔喷出形成旋转射流，使燃气与空气在旋转搅拌的作用下充分混合，同轴矩形套筒12-2的内侧和外侧旋流的方向同向或异向，出口侧的整流板12-4用于消除预混气体的旋转；整流板12-4为十字板型、米字板型或平行板型。

本实用新型创新点、优点和积极效果是：

1、本实用新型的一种高效低氮承压水管锅炉采用机炉一体化的设计理念，将平面/曲面燃烧器与承压锅炉结合到一起，摈弃了传统大炉膛的结构；全膜式壁包覆，减少了锅炉本体散热损失；全水管换热，并随烟温变化优化水管的排布，提高平均换热系数。

2、本实用新型的一种高效低氮承压水管锅炉的平面/曲面燃烧器采用水冷降氮的原理，利用锅炉本体受热面的一部分作为燃烧器的水冷火焰管束，解决了水冷低氮的热量分配难题，在过量空气系数小于1.3的条件下实现了排放氮氧化物不高于30mg的目标。

3、本实用新型的一种高效低氮承压水管锅炉可采用抽屉式和法兰连接式两种可拆卸燃烧器分配头，避免了传统水冷低氮燃烧器燃烧器分配头因无法拆卸导致的长期运行时因积碳堵塞而报废的问题。

4、本实用新型的一种高效低氮承压水管锅炉优化了燃烧平面/曲面和辐射管束的排布，采用凸型或凹型布置，最大化利用炉膛空间，增大给定炉膛宽度下的燃烧器功率。

5、本实用新型的一种高效低氮承压水管锅炉将国标异型管引入承压锅炉，内圆外异形管的内圆具有良好的承压能力，外侧异型管通过顺列或错列排布形成狭窄缝隙下的层流强化换热，缩小了锅炉体积。

附图说明

图1a是本实用新型一种低氮节能承压水管锅炉上下锅筒为锅筒型的整体纵剖示意图；图1b是实用新型一种低氮节能承压水管锅炉上下锅筒为锅筒型的整体横剖示意图。

图2a是上锅筒为锅筒型的示意图；图2b是上锅筒为半锅筒型的示意图。

图3a是燃烧器分配头各部分的示意图；图3b是法兰连接式、预混气体入口与燃烧平面垂直的示意图；图3c是螺栓连接方式的示意图。

图4a是内圆外平椭圆管顺列排布示意图；图4b1是内圆外方管错列排布呈45°示意图；图4b2是内圆外方管错列排布呈90°示意图；图4c1 是内圆外六角管错列布置呈60°示意图；图4c 2是内圆外六角管错列布置呈90°示意图；图4d是内圆外异形管与上下锅筒连接时的示意图。

图5a是燃烧器分配头3、水冷火焰管束5采用三个面板的凹型组合燃烧面示意图；图5b是燃烧器分配头3、水冷火焰管束5采用五个面板的凹型组合燃烧面示意图。

图6是外置冷凝器11的示意图。

图7a是预混合器12的横剖面示意图；图7b是预混合器12的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对专利进行详细说明。

如图1a和图1b所示，本实用新型一种高效低氮承压水管锅炉结构，包括上锅筒1、外壳、燃烧器分配头3、膜式水冷壁管束4、水冷火焰管束 5、辐射管束6、高温对流管束7、低温对流管束8、下降管束9、下锅筒 10、外置烟气冷凝器11、预混合器12以及配套的风机、给水泵、燃气阀组、控制器等。所述燃烧器分配头(3)、膜式水冷壁管束(4)、水冷火焰管束(5)、辐射管束(6)、高温对流管束(7)、低温对流管束(8)、下降管束(9)均位于上锅筒(1)和下锅筒(10)之间，所述膜式水冷壁管束 (4)包围着辐射管束(6)、高温对流管束(7)和低温对流管束(8)，通过扁钢与水冷火焰管束(5)的左右两端管相连，膜式水冷壁管束(4)、上锅筒(1)和下锅筒(10)共同组成了约束烟气流通的壁面；外壳包覆着除外置烟气冷凝器(11)和预混合器(12)外的所有部件形成的锅炉本体，仅露出燃烧器分配头(3)的入口部分和外置烟气冷凝器(11)与锅炉本体的连接部分；膜式水冷壁管束(4)、水冷火焰管束(5)、辐射管束(6)、高温对流管束(7)、低温对流管束(8)和下降管束(9)的上下两端分别与上锅筒(1)和下锅筒(10)连通；预混合器(12)出口连通燃烧器分配头(3)入口，外置烟气冷凝器(11)与锅炉本体的出口烟道相连且外置烟气冷凝器(11)的管侧出口连接上锅筒(1)的补水口。

预混合器12出口的空气和天然气的混合气体先进入燃烧器分配头3，在燃烧器分配头3均匀分配后进入水冷火焰管束5区，在水冷火焰管束5 的表面前方点火燃烧，生成的高温烟气依次经过辐射管束6、高温对流管束7和低温对流管束8外部，从1100℃降低至300℃以下，膜式水冷壁管束4形成烟气外墙，约束烟气依次流经各个管束区，烟气离开低温对流管束8后进入外置烟气冷凝器10壳侧。上锅筒1的上方区域为汽空间，下方区域为水空间，下锅筒则为水空间。锅炉给水先进入外置烟气冷凝器11 预热，随后进入上锅筒1的补水口，通过上锅筒1分配到各个管束区，管束中的水受热生成蒸汽，向上流动至上锅筒1离开锅炉。所述膜式水冷壁管束4可以选用外径为25～76mm的光管相切焊接或光管和10～60mm扁钢间隔排列焊接或鳍片管中间焊接构成，如光管相切则连接上下锅筒的管端应该缩颈以维持最低要求的孔桥尺寸，点火针或枪、检火针、观火孔布置在水冷火焰管束5与膜式水冷壁管束4之间的扁钢处，用以引燃预混气体并检测观察火焰；所述水冷火焰管束5采用外径为25～60mm光管，管束间距1mm～20mm，可缠绕翅片高度低于10mm的螺旋翅片，管束表面距燃烧器分配头3表面小于20mm，以避免预混气体在燃烧器分配头3和水冷火焰管束5之间的缝隙处着火。预混气体离开水冷火焰管束5的缝隙后点火燃烧，水冷火焰管束5可吸收火焰的辐射热并冷却火焰根部，从而在过量空气系数小于1.3的条件下实现折算氮氧化物低于30mg。水冷火焰管束5长期受高温火焰冲刷，停炉时表面易生成冷凝水，需要防高温腐蚀和低温腐蚀，如果采用不锈钢则面临着异种钢焊接问题，因此采用表面喷镀镍铬合金的方式，提高耐腐蚀性能；所述辐射管束6采用外径为51～ 200mm的大直径管，辐射管束区吸收了锅炉40％以上的热量，烟温高于 900℃，蒸发强烈，采用大直径管可避免蒸汽堵塞造成的流动停滞；所述高温对流管束7区域烟气温度900～600℃，以对流换热为主，采用外径为 25～76mm的管子，可选用光管或翅片管，翅片管的翅片高度小于10mm，以避免翅片超温损毁；所述低温对流管束8和外置冷凝换热器11的换热温差较小，需要采取强化换热措施，采用密排光管、螺旋翅片管、鳍片管、针翅管或内圆外异形管等方式；所述下降管9位于膜式水冷壁管束4之外，上下锅筒之间，不受热。多布置于水冷火焰管束5、辐射管束6、高温对流管束7附近，这几个管束区的热流密度大，水蒸发强烈，对应的下锅筒 10区域需要补充大量的水，设置下降管9可避免该管束区出现流动停滞带来的传热恶化问题。

如图2a和图2b所示，所述上锅筒1和下锅筒10作为承压件，可选用锅筒型、半锅筒型两种。图2a所示的上锅筒1采用锅筒型，由圆柱主体 1-6和两端的椭球封头1-7组成，上锅筒1内置冷凝管束1-3，冷凝管束1-3 可冷凝上锅筒1内的蒸汽，利用这部分的热量对外提供热水；图2b所示的上锅筒1采用半锅筒型，包括半圆柱管1-1和管板1-4围成的半圆柱，设置在半圆柱两侧的封板1-2，设置在半圆柱内的拉撑杆1-5，可内置冷凝管束1-3。靠近外圈的采用斜拉撑杆，中心部分采用直拉撑杆，且直拉撑杆也可用于固定冷凝管束1-3。

如图3a所示，所述燃烧器分配头3由预混气体入口3-1、风壳3-2、导流板3-3、均流孔板3-4和燃烧面3-5组成。所述燃烧面3-5采用平面或曲面，与水冷火焰管束5贴合，导流板3-3和均流孔板3-4位于风壳3-2 内，可采用多层导流板3-3和均流孔板3-4，使燃烧面3-5上各个位置的预混气体流量均匀。燃烧面3-5可采用水冷，燃烧面3-5上部和下部分别设置上集箱3-5-1和下集箱3-5-2。预混气体入口3-1可以与燃烧面3-5平行、垂直或成任意角度，如图3a所示，平行时，风壳3-2为渐扩段；如图3b 所示垂直时，风壳3-2为侧面进气的等压风道。所述燃烧器分配头3可以是固定式也可是可拆卸式。如图3c所示，燃烧器分配头3采用螺栓连接方式与水冷火焰管束5通过密封面5-1紧密贴合。在水冷火焰管束5的燃烧器分配头3一侧设置带有密封槽的密封面5-1，密封面5-1外一周设置螺栓座5-2，燃烧器分配头3上设置螺栓孔3-6，螺栓穿过螺栓孔3-6旋入螺栓座5-2，实现燃烧器分配头3与密封面5-1的紧固。燃烧器分配头3低负荷时可能出现积碳，可拆卸式的燃烧器分配头3方便清洗，更易实现长周期安全运行。

所述内圆外异形管采用内圆外平椭圆管、内圆外方管或内圆外六角管。如图4a所示，采用内圆外平椭圆管顺列布置时，椭圆面朝向烟气来流，管束间距小于3mm，管束平面组成间隙小于3mm的狭窄流道，形成层流强化；当采用内圆外方管错列布置时，迎风面与烟气来流方向可呈90°(如图4b2所示)或45°(如图4b1所示)；如图4c所示，内圆外六角管，管束错列布置时，迎风面与烟气来流方向可呈90°(如图4c2所示)或60° (如图4c1所示)。图4d是内圆外异形管与上下锅筒连接时的示意图，内圆外异形管靠近上下锅筒处切削出圆管连接头或焊接大小头圆管连接头，方便与上下锅筒焊接。

所述燃烧器分配头3、水冷火焰管束5可采用凹型布置，以增大燃烧表面积。如图5a所示，采用凹型布置，燃烧面3-5可布置在炉膛的三边，燃烧面3-5由三个独立的燃烧面板组成，燃烧面板之间由膜式水冷壁管束 4隔开，为了冷却火焰，在炉膛中布置辐射管束6，以屏蔽燃烧面之间的热辐射；如图5b所示，采用凹型布置，燃烧平面由五个独立的燃烧面3-5 组成，燃烧面3-5之间由膜式水冷壁管束4隔开，形成一个半包炉膛的类曲面燃烧器，调整辐射管束6的排布，以屏蔽燃烧面之间的热辐射，降低火焰温度。

如图6所示，所述外置烟气冷凝器11为水管式换热器，换热管束均为光管11-2，减少烟气侧积垢。蒸汽锅炉的给水量远少于热水锅炉，为确保换热器内水侧流速达到0.3m/s以上，需将数根光管分为一组，采用水室 11-3连接各组光管，水在一组管中流动至水室11-3处转弯进入下一组管子。水室11-3位于光管两侧，内有上下各组水管的分隔板。水室11-3采用法兰盲板11-4密封，可以打开清洗水侧污垢。进水口位于底部水室，出水口位于顶部水室，确保气泡可以被及时带出。

所述预混合器12为燃烧器分配头3提供预混气体，与燃烧器分配头3的预混气体入口相连。锅炉离心风机的出口多为矩形，燃烧平面/曲面的轮廓也多为矩形，如果使用传统的圆柱形预混合器，还需设置两段方转圆，增加预混气体的不均匀程度和风道长度，因此如图7所示，所述预混合器12 的外形为矩形，由矩形外壳12-1，同轴矩形套筒12-2，中心燃气管12-3，整流板12-4四部分组成。同轴矩形套筒12-2占预混合器轴向总长的20％～ 60％，靠近预混合器12空气入口一侧，中心燃气管12-3位于同轴矩形套筒 12-2的前端，整流板12-4位于预混合器12的出口侧。空气沿预混合器12的轴线方向流动，天然气穿过矩形外壳12-1进入同轴矩形套筒空间，同轴矩形套筒12-2与中心燃气管12-3连通。如图7a所示，同轴矩形套筒12-2的内侧和外侧开有轴线与所在表面倾斜的小孔，天然气从倾斜的小孔喷出形成旋转射流，使燃气与套筒之外的空气在旋转搅拌的作用下充分混合，同轴矩形套筒的内侧和外侧旋流的方向可同向也可异向。如图7b所示，出口侧的十字版型整流板12-4用于消除预混气体的旋转。

Claims (10)

1.一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：包括上锅筒(1)、外壳、燃烧器分配头(3)、膜式水冷壁管束(4)、水冷火焰管束(5)、辐射管束(6)、高温对流管束(7)、低温对流管束(8)、下降管束(9)、下锅筒(10)、外置烟气冷凝器(11)、预混合器(12)以及配套的风机、给水泵、燃气阀组、控制器；所述燃烧器分配头(3)、膜式水冷壁管束(4)、水冷火焰管束(5)、辐射管束(6)、高温对流管束(7)、低温对流管束(8)、下降管束(9)均位于上锅筒(1)和下锅筒(10)之间；所述膜式水冷壁管束(4)、水冷火焰管束(5)和辐射管束(6)组成锅炉炉膛；所述膜式水冷壁管束(4)包围着辐射管束(6)、高温对流管束(7)和低温对流管束(8)，通过扁钢与水冷火焰管束(5)的左右两端管相连，膜式水冷壁管束(4)与上锅筒(1)和下锅筒(10)共同组成了约束烟气流通的壁面；外壳包覆着除外置烟气冷凝器(11)和预混合器(12)外的所有部件形成的锅炉本体，仅露出燃烧器分配头(3)的入口部分和外置烟气冷凝器(11)与锅炉本体的连接部分；膜式水冷壁管束(4)、水冷火焰管束(5)、辐射管束(6)、高温对流管束(7)、低温对流管束(8)和下降管束(9)的上下两端分别与上锅筒(1)和下锅筒(10)连通；预混合器(12)出口连通燃烧器分配头(3)入口，外置烟气冷凝器(11)与锅炉本体的出口烟道相连且外置烟气冷凝器(11)的管侧出口连接上锅筒(1)的补水口；预混合器(12)出口的空气和天然气的混合气体先进入燃烧器分配头(3)，在燃烧器分配头(3)均匀分配后进入水冷火焰管束(5)区，在水冷火焰管束(5)的表面前方点火燃烧，生成的高温烟气依次经过辐射管束(6)、高温对流管束(7)和低温对流管束(8)外部，最后进入外置烟气冷凝器(11)壳侧；锅炉给水先进入外置烟气冷凝器(11)管侧预热，随后进入上锅筒(1)的补水口，通过上锅筒(1)分配到各个管束区，进入下锅筒(10)；管束中的水受热生成蒸汽，向上流动至上锅筒(1)离开锅炉；上锅筒(1)的上方区域为汽空间，下方区域为水空间，下锅筒则为水空间。

2.根据权利要求1所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述上锅筒(1)作为承压件，主体结构采用锅筒型和半锅筒型；所述半锅筒型包括半圆柱管(1-1)和管板(1-4)围成的半圆柱，设置在半圆柱两侧的封板(1-2)，设置在半圆柱内的拉撑杆(1-5)，拉撑杆(1-5)包括中心部分的直拉撑杆和圆周部分的斜拉撑杆；所述锅筒型由圆柱主体(1-6)和圆柱主体(1-6)两端的椭球封头(1-7)组成；所述下锅筒(10)与上锅筒(1)的主体结构相同；

所述上锅筒(1)布置汽水分离器和多个法兰接口，用以补水、排汽、检修，安装压力表、温度表、水位计和安全阀；上锅筒(1)中还放置有冷凝管束(1-3)，冷凝管束(1-3)冷凝上锅筒(1)内的蒸汽，利用这部分的热量对外提供热水；下锅筒(10)布置多个法兰接口，用以检修、排污，测量温度和压力。

3.根据权利要求1所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述锅炉本体和外壳之间填充隔热材料或留出空腔，降低锅炉本体散热损失；外壳上还留出检修孔、观火孔、点火孔和测点孔。

4.根据权利要求1所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述燃烧器分配头(3)包括预混气体入口(3-1)、风壳(3-2)、均流孔板(3-4)和燃烧面(3-5)；所述燃烧面(3-5)采用平面或曲面，与水冷火焰管束(5)贴合，预混气体入口(3-1)与燃烧面(3-5)平行或垂直或成任意角度，平行时风壳(3-2)为渐扩段，垂直时风壳(3-2)为侧面进气的等压风道；均流孔板(3-4)位于风壳(3-2)内的预混气体入口(3-1)到燃烧面(3-5)之间，为一层或多层，使燃烧面(3-5)上各个位置的预混气体流量均匀；燃烧器分配头(3)的燃烧面(3-5)采用金属孔板或多孔陶瓷板或密排布置的矩形管、螺旋翅片管或圆管；金属孔板、多孔陶瓷板上的小孔，密排布置的矩形管、螺旋翅片管或圆管之间的缝隙都起到防回火、均流气体、稳焰的作用；预混气体在水冷火焰管束(5)的缝隙之后着火，因此燃烧器分配头(3)未受到火焰的直接冲击，仅有少量辐射热，并持续受到室温预混气体的冷却；密排管与大气直接连通，管内气体受热后上升，形成空气自然循环冷却密排管；密排管通水冷却时，直接与上下锅筒连通，利用炉水冷却，或利用外置烟气冷凝器(11)出口的锅炉给水冷却，给水从燃烧器分配头(3)离开后进入上锅筒(1)。

5.根据权利要求4所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述燃烧器分配头(3)还包括位于风壳(3-2)内的预混气体入口(3-1)到燃烧面(3-5)之间的一层或多层导流板(3-3)，使燃烧面(3-5)上各个位置的预混气体流量更加均匀；

所述燃烧器分配头(3)采用固定式或可拆卸式，采用固定式时，左右两侧通过膜式壁与水冷火焰管束(5)相接，密封烟气流道，燃烧器分配头(3)的密排布置的矩形管、螺旋翅片管或圆管直接焊接在上下锅筒上，充当拉撑管，参与锅炉水循环，此时由于吸热量极低作为下降管；或两端封死不参与锅炉水循环；采用可拆卸式时，燃烧器分配头(3)采用法兰连接方式与水冷火焰管束(5)通过密封面(5-1)紧密贴合，水冷火焰管束(5)的四周预设密封面(5-1)，密封面(5-1)外设置一圈凸起的法兰面，与燃烧器分配头(3)风壳上的法兰面连接，实现两级密封，避免预混气体泄漏；或采用螺栓方式连接，在密封面外预设一圈螺栓座(5-2)，与燃烧器分配头(3)上的螺栓孔(3-6)通过螺栓紧固；燃烧器分配头(3)低负荷时可能出现积碳，可拆卸式的燃烧器分配头(3)方便清洗，更易实现长周期安全运行。

6.根据权利要求4所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述燃烧器分配头(3)和水冷火焰管束(5)采用凹型布置，以增大燃烧表面积；采用凹型布置时，燃烧面(3-5)半包裹着炉膛空间，燃烧面(3-5)布置在炉膛的一边、两边、三边，形成包含多个面板的组合燃烧面，为了冷却火焰，在炉膛中布置辐射管束(6)，以屏蔽燃烧面之间的热辐射。

7.根据权利要求1所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述膜式水冷壁管束(4)选用外径为25～76mm的光管相切焊接或光管和10～60mm扁钢间隔排列焊接或鳍片管中间焊接构成，如光管相切则连接上下锅筒的管端应该缩颈以维持最低要求的孔桥尺寸，点火针或枪、检火针、观火孔布置在水冷火焰管束(5)与膜式水冷壁管束(4)之间的扁钢处，用以引燃预混气体并检测观察火焰；所述水冷火焰管束(5)采用外径为25～60mm光管，管束间距1mm～20mm，缠绕翅片高度低于10mm的螺旋翅片，管束表面距燃烧器分配头(3)表面小于20mm，以避免预混气体在燃烧器分配头(3)和水冷火焰管束(5)之间的缝隙处着火；水冷火焰管束(5)采用表面喷镀镍铬合金的方式，提高耐腐蚀性能；所述辐射管束(6)采用外径为51～200mm的大直径管；所述高温对流管束(7)区域烟气温度900～600℃，以对流换热为主，采用外径为25～76mm的管子，选用光管或翅片管，翅片管的翅片高度小于10mm，以避免翅片超温损毁；所述低温对流管束(8)和外置烟气冷凝器(11)采用密排光管、螺旋翅片管、鳍片管、针翅管或内圆外异形管；所述下降管束(9)位于膜式水冷壁管束(4)之外，上下锅筒之间，不受热，布置于水冷火焰管束(5)、辐射管束(6)、高温对流管束(7)附近。

8.根据权利要求7所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述内圆外异形管采用内圆外平椭圆管、内圆外方管或内圆外六角管；当采用内圆外平椭圆管时，顺列布置或错列布置，椭圆面朝向烟气来流，管束间距小于3mm，管束平面组成间隙小于3mm的狭窄流道，形成层流强化；当采用内圆外方管时，管束间距小于3mm，顺列布置或错列布置，错列布置时迎风管平面与烟气来流方向呈90°或45°；当采用内圆外六角管时，管束错列布置，管束间距小于3mm，迎风管平面与烟气来流方向呈90°或60°；三种内圆外异型管的内侧均为圆形，具有极佳的承压能力，外侧通过管束排布形成间隙小于3mm的狭窄流道，实现层流强化，提高换热系数，减少纵向管排数；内圆外异形管靠近上下锅筒处切削出圆管连接头或焊接大小头圆管连接头，方便与上下锅筒焊接。

9.根据权利要求1所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述外置烟气冷凝器(11)为水管式换热器，换热管束均为光管(11-2)，减少烟气侧积垢；蒸汽锅炉的给水量远少于热水锅炉，为确保换热器内水侧流速达到0.3m/s以上，需将数根光管分为一组，采用水室(11-3)连接各组光管；水室(11-3)位于光管(11-2)两侧，内有上下各组水管的分隔板，水在各组管中折返流动，水室(11-3)采用法兰盲板(11-4)密封，能够打开清洗水侧污垢；由于水室(11-3)的承压能力较弱，因此将给水泵位于外置烟气冷凝器(11)之后，确保外置烟气冷凝器(11)中不承压或仅承微压；外置烟气冷凝器(11)采用304以上级别的奥氏体不锈钢或430以上级别的铁素体不锈钢以减少冷凝水的腐蚀。

10.根据权利要求1所述的一种低氮节能承压水管锅炉结构，其特征在于：所述预混合器(12)的外形为矩形，由矩形外壳(12-1)、同轴矩形套筒(12-2)、中心气管(12-3)和整流板(12-4)四部分组成；同轴矩形套筒(12-2)位于矩形外壳(12-1)内，占预混合器轴向总长的20％～60％，靠近预混合器空气入口一侧，将预混合器(12)分为套筒内和套筒外两部分，两部分的面积相同；中心气管(12-3)位于同轴矩形套筒(12-2)的前端，整流板(12-4)位于预混合器的出口侧；空气沿预混合器(12)的轴线方向流动，天然气穿过矩形外壳(12-1)进入同轴矩形套筒(12-2)空间，同轴矩形套筒(12-2)与中心气管(12-3)连通，同轴矩形套筒(12-2)的内侧和外侧、中心气管(12-3)的下表面开有轴线与所在表面倾斜的小孔，天然气从倾斜的小孔喷出形成旋转射流，使燃气与空气在旋转搅拌的作用下充分混合，同轴矩形套筒(12-2)的内侧和外侧旋流的方向同向或异向，出口侧的整流板(12-4)用于消除预混气体的旋转；整流板(12-4)为十字板型、米字板型或平行板型。

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