CN112460567B - 一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，包括同轴设置的水冷燃烧器和水冷换热器；水冷换热器同轴线设置在水冷燃烧器的外侧，水冷燃烧器的出水口连通水冷换热器的入水口；水冷燃烧器包括水冷燃烧头包括燃烧头上集箱、燃烧头水冷管束以及燃烧头下集箱，燃烧头水冷管束的两端分别连通燃烧头上集箱和燃烧头下集箱；水冷燃烧头内侧设置均流孔板，水冷燃烧头中设置燃烧头水冷管束，沿燃烧头水冷管束的表面设置有导流通道，导流通道延伸至水冷管截面最宽处；燃气和空气流至均流孔板和水冷燃烧头后点火燃烧、换热，降低燃烧温度，抑制NOx生成，烟气沿与直管换热器管束、纵向翅片和曲面导流板形成的窄间隙进行显热层流强化传热。

Description

一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉

技术领域

本发明属于天然气安全稳定低氮燃烧、燃烧器及锅炉设计领域，具体涉及一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉。

背景技术

间壁式换热器是两种不同温度的介质在相间隔的流道中流动，介质之间不会相互混合，整个过程连续而稳定，是工业中应用最为广泛的一类换热器。通过在管上加装肋片形成的管翅式换热器是最常见的一种间壁换热方式，它传热系数高、结构紧凑、使用寿命长、拆装简易，是一种安全可靠的换热器。燃气锅炉常采用两圈水冷管束作为燃烧头，内圈管束防止回火，外圈管束防止脱火；同时锅炉水冷壁为了将排烟温度降到一定范围，也采用2～3圈管束。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，流动换热均匀，换热强度大，燃烧头水冷管束与燃烧火焰直接换热，从而降低燃烧区域温度，尤其是前期燃烧反应区域的温度，从而抑制NOx的生成，节省钢材降低工艺成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，包括水冷燃烧器和水冷换热器；水冷燃烧器和水冷换热器均为圆柱形，水冷换热器同轴线设置在水冷燃烧器的外侧，水冷燃烧器的出水口连通水冷换热器的入水口；

水冷燃烧器中设置水冷燃烧头，水冷燃烧头包括燃烧头上集箱、燃烧头水冷管束以及燃烧头下集箱，燃烧头水冷管束的两端分别连通燃烧头上集箱和燃烧头下集箱；

水冷燃烧头内侧设置均流孔板，水冷燃烧头中设置一圈水冷管形成燃烧头水冷管束，沿燃烧头水冷管束的表面设置有导流通道，导流通道延伸至水冷管截面最宽处，燃烧头水冷管束相邻导流通道之间设有曲面导流板。

所述导流通道的宽度从内侧向外侧逐渐减小或保持不变；导流通道的宽度为0.3-3mm。

水冷燃烧器的进气口处设置预混器，预混器包括外筒和内筒，燃气管道与内筒顶部连通，内筒同轴设置在外筒内，内筒底端封堵，外筒底部连通水冷燃烧头的顶端，内筒底部位于外筒高度的1/3～1/2处，内筒下方设置有燃气筒，燃气筒为圆环形空腔，内筒连通燃气筒，燃气筒上均匀开设多个有燃气筒喷孔。

曲面导流板整体为柱形，曲面导流板沿水冷燃烧头内侧圆周方向布置；曲面导流板的第一柱面为圆弧面，所述第一柱面紧贴均流孔板外壁；曲面导流板的第二柱面形状为圆弧面，所述第二柱面与燃烧头水冷管外壁之间以及相邻两个曲面导流板之间留设间隙，所述间隙连通形成导流通道。

水冷换热器中设置一圈换热器水冷管形成换热器水冷管束，换热器水冷管的外侧设有换热通道，换热器水冷管的内侧和外侧均设置有纵向双肋片，内侧和外侧的纵向双肋片沿着换热器水冷管束和换热器水冷管的表面分布，所述换热通道之间设置曲面换热导流板，曲面换热导流板两侧的形状与换热通道形状相同；换热通道的宽度为4-10mm；内侧纵向双肋片高度为8-12mm；外侧的纵向双肋片高度为10-100mm。

燃烧头上集箱顶部布置2～4根水管作为燃烧头进水口；然后在燃烧头下集箱外侧面沿周向布置2～4根水管作为燃烧头出水口，燃烧头出水口连通水冷换热器的入水口；或燃烧头上集箱顶部沿周向布置2根进水管和2根出水管分别作为燃烧头进水口和燃烧头出水口，燃烧头水冷管束一部分作为进水管束，其余部分作为出水管束。

水冷换热器底部一周及其底部外侧面设置盘管冷凝器，盘管冷凝器的入口连通锅炉给水管道，盘管冷凝器的出口连通水冷燃烧器的进水口。

锅炉底部设置承露盘，承露盘的最低处开设冷凝液排出口，承露盘的最低处位于一周，承露盘的最高处开设烟气出口，所述烟气出口连通烟囱。

水冷燃烧器和水冷换热器设置在锅炉外壳中，锅炉外壳顶部和侧面密闭；水冷燃烧器和水冷换热器形成环形空间的顶部和底部均设置烟气挡板，锅炉外壳与水冷换热器形成环形空间的顶部和底部设置烟气挡板，烟气挡板与锅炉外壳之间设置隔热层和保温层；水冷燃烧器的底端与锅炉外壳之间设置烟气挡板、隔热层和保温层；换热器下集箱顶部外侧沿竖直方向设置烟气挡板。

作为蒸汽或热水锅炉，当为蒸汽锅炉时，采用贯流式锅炉或自然循环蒸汽锅炉，锅炉给水先进入盘管冷凝器使低温烟气冷凝吸收烟气中水蒸气的液化潜热，然后进入燃烧头上集箱的进水口下行，再进入水冷换热器下集箱，然后沿水冷换热器的换热器水冷管束上升流动至换热器上集箱引出蒸汽供应热力***；

当为热水锅炉时，锅炉回水先进入盘管冷凝器使低温烟气冷凝，吸收烟气中水蒸气的液化潜热，然后进入燃烧头上集箱的进水口下行再进入换热器下集箱，然后沿换热器水冷管束上升流动至换热器上集箱引出热水供应热力***。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

通过给燃烧头水冷单圈管束及换热器单圈管束加装纵向单肋片、纵向双肋片及曲面导流板，形成燃气空气混合气和烟气的窄间隙流道，孔板喷孔喷出的气体只能通过曲面导流板与管束或肋片间的窄间隙流出水冷燃烧头，曲面导流板的曲面与管束外壁面及肋片间的间隙可保持不变或逐渐减小，从而保持间距不变时速度逐渐减小，或间隙逐渐减小而保持气流速度不变；燃烧头管圈与曲面导流板间形成的狭小进气间隙，保证额定最小负荷下混合气流速大于火焰传播速度以防止回火；燃烧头水冷管束与燃烧火焰直接换热，从而降低燃烧区域温度，尤其是前期燃烧反应区域的温度，从而抑制NOx的生成；

单圈水冷燃烧器管束满足防回火和防脱火稳定燃烧的要求，同时层流强化换热提高了换热效率，使得单圈换热器管束就能将烟气冷却至适当的温度，大大节省了锅炉钢材；水冷燃烧器和水冷换热器均采用单圈管束，大大降低了钢材消耗，节省了锅炉建造成本；

燃烧器结构简单，制造工艺简单，设计制造成本低，燃烧器整体呈圆柱形，竖直伸入炉膛内部，无需改动锅炉本体管束，与锅炉本体管束适配性很强，燃烧头水冷管束降低火焰根部温度，减少热力型氮氧化物排放，满足低氮燃烧排放标准，可用于传统锅炉低氮改造，改造成本低。

进一步的，水冷换热器管束间设置适当间隙，保证额定最高负荷下不脱火，同时后方形成高温低流速的稳焰区，也可以稳定火焰防止脱火。

进一步的，流动及换热均匀，换热效率高，可降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率，有助于锅炉安全稳定运行。

进一步的，燃气管道与内筒顶部连接，内筒顶部圆面为燃气入口；鼓风机将空气经由配气筒送入分配外壳内部密闭空腔，随后进入内外筒之间并向下流动，外筒与内筒顶部的圆环面为空气入口；燃气沿内筒内部向下经三根沿圆周方向均匀布置的燃气支管进入燃气筒；燃气筒为一圆环空腔，其内外侧各设置一圈或多圈燃气喷孔，燃气由喷孔喷出后与来流空气形成垂直交叉射流混合，使气体混合均匀。

进一步的，水冷燃烧器和水冷换热器上集箱、下集箱受火部分设置烟气挡板和保温层，同时下集箱顶部伸出一段烟气挡板将下部的烟气向上导流，防止烟气短路直接从下方排出。

进一步的，在锅炉本体之后增加盘管冷凝器，向下盘管冷凝器进行潜热紊流冷凝强化传热，深度降低排烟温度，利用直管换热器下集箱的侧面和底部布置盘管冷凝器，实现高效冷凝换热，并配置进水口和出水口；克服现有技术中气流多次压缩、膨胀且改变方向，不利于冷凝效率的提高，其引起烟气阻力增加的问题。

附图说明

图1为本发明锅炉整体结构示意图。

图2为本发明水冷燃烧器预混器结构示意图。

图3为本发明均流孔板结构示意图。

图4为本发明水冷燃烧器燃烧头结构示意图。

图5为本发明水冷燃烧器燃烧头管束布置方式俯视示意图。

图6a本发明水冷换热器管束的一种可选的布置方式示意图。

图6b为本发明水冷换热器管束直管段结构示意图

图7为本发明水冷换热器管束的一种可选的布置方式整体结构示意图。

图8为本发明盘管式冷凝换热器结构示意图。

图9为本发明所述装置锅炉的气水流向示意图。

其中1：水冷燃烧器，11：鼓配风装置，111：鼓风机，112：配气筒，113：分配外壳，12：预混器，121：外筒，122：内筒，123：燃气支管，124：燃气筒，1241：燃气筒喷孔，13：水冷燃烧头，131：燃烧头进水口，132：燃烧头上集箱，133：燃烧头水冷管束，134：燃烧头下集箱，135：燃烧头出水口，136：均流孔板，137：点火枪，138：曲面导流板，139：纵向单肋片；2水冷换热器，21：换热器进水口，22：换热器上集箱，23：换热器水冷管束，24：换热器下集箱，25：换热器出水口，26-曲面换热导流板窄端，27：纵向双肋片，28：曲面换热导流板，29：盘管冷凝器；3：其他锅炉组件，31：锅炉外壳，32：烟气挡板，33：隔热层，34：保温层，35：承露盘，36：冷凝液排出口，37：烟囱，38：锅炉支架，39：防爆门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，包括水冷燃烧器1和水冷换热器2；水冷燃烧器1和水冷换热器2均为圆柱形，水冷换热器2同轴线设置在水冷燃烧器1的外侧，水冷燃烧器1的出水口连通水冷换热器2的入水口；

水冷燃烧器1中设置水冷燃烧头13，水冷燃烧头13包括燃烧头上集箱132、燃烧头水冷管束133以及燃烧头下集箱134，燃烧头水冷管束133的两端分别连通燃烧头上集箱132和燃烧头下集箱134；

水冷燃烧头13内侧设置均流孔板136，水冷燃烧头13中设置一圈水冷管形成燃烧头水冷管束133，沿燃烧头水冷管束133的表面设置有导流通道，导流通道延伸至水冷管截面最宽处，燃烧头水冷管束133相邻导流通道之间设有曲面导流板；所述导流通道的宽度从内侧向外侧逐渐减小或保持不变；导流通道的宽度为0.3-3mm。

曲面导流板138整体为柱形，曲面导流板138沿水冷燃烧头13内侧圆周方向布置；曲面导流板138的第一柱面为圆弧面，所述第一柱面紧贴均流孔板136外壁；曲面导流板138的第二柱面形状为圆弧面，所述第二柱面与燃烧头水冷管外壁之间以及邻两个曲面导流板138之间留设间隙，所述间隙连通形成导流通道

锅炉包括外部的水冷换热器2、内部的中心进气的圆柱形水冷燃烧器1及其他锅炉组件3，水冷燃烧器1和外圈的水冷换热器具有相似的整体结构。水冷燃烧器1包括依次连通的鼓配风装置11、预混器12和水冷燃烧头13；鼓配风装置11包括依次连接的鼓风机111、配气筒112、分配外壳113；水冷燃烧头13包括燃烧头进水口131、燃烧头上集箱132、燃烧头水冷管束133、燃烧头下集箱134、燃烧头出水口135、均流孔板136、点火枪137、曲面导流板138以及纵向单肋片139，曲面导流板上带有曲面导流板折弯；

其他锅炉组件3包括锅炉外壳31、烟气挡板32、隔热层33、保温层34、承露盘35、冷凝液排出口36、烟囱37、锅炉支架38、防爆门39等。

参考图1和图2、图9，预混器12包括外筒121、内筒122、燃气支管123、燃气筒124，燃气筒124的筒壁上开设燃气筒喷孔1241；内筒122与外筒121均为圆筒形，内筒122顶部敞口，底部采用底板封堵，外筒121顶部底部均敞口，内筒122顶部伸出分配外壳113，外筒121顶部位于分配外壳113内部空间，外筒121底部与水冷燃烧头13上集箱顶部平齐，内筒122底部位于外筒121高度的1/3～1/2处，燃气管道与内筒122顶部连接，内筒122顶部圆面为燃气入口；鼓风机111将空气经由配气筒112送入分配外壳113内部密闭空腔，随后进入内筒122与外筒121之间并向下流动，内筒122与外筒121顶部的圆环面为空气入口；燃气沿内筒122内部向下，经三根沿内筒122圆周方向均匀布置的燃气支管123进入燃气筒124；燃气筒124为一圆环空腔，其内外侧各设置一圈或多圈燃气筒喷孔1241，燃气筒喷孔1241为圆形、方形、三角形、梅花形或菱形，或为圆形、方形、三角形、梅花形或菱形不同形状的组合方式，燃气由燃气筒喷孔1241喷出后与来流空气形成垂直交叉射流混合。

参考图1和图3、图4、图9，水冷燃烧头13包括燃烧头上集箱、燃烧头下集箱以及燃烧头水冷管束133；燃烧头上集箱和燃烧头下集箱为圆环形，燃烧头上集箱和燃烧头下集箱采用360°弯管，燃烧头水冷管束133的两端分别与燃烧头上集箱和燃烧头下集箱连接，燃烧头水冷管束133内侧设置一层均流孔板136，均流孔板136孔隙率为3％～7％，均流孔板136为圆筒状，可以采用一层钢板卷制为筒状，均流孔板136顶部敞口，底部采用底板封堵，均流孔板136内壁直径及外壁直径与预混器12的外筒121相同，均流孔板136顶部设定距离内不设喷孔，所述距离为燃烧头上集箱与烟气挡板的厚度，均流孔板136上方连接外筒121的出口，均流孔板136下方与烟气挡板密闭连接，均流孔板136上均布喷孔，喷孔为圆形、方形、三角形、梅花形、菱形，或为圆形、方形、三角形、梅花形或菱形随机的组合方式，开孔面积等于理论燃烧所需面积。燃烧头水冷管束133与燃烧头上集箱132和燃烧头下集箱134连通。

燃烧头上集箱132顶部布置2～4根水管作为燃烧头进水口131；然后在燃烧头下集箱134外侧面沿周向布置2～4根水管作为燃烧头出水口135，燃烧头出水口135连通水冷换热器的入水口；或燃烧头上集箱132顶部沿周向布置2根进水管和2根出水管分别作为燃烧头进水口131和燃烧头出水口135，燃烧头水冷管束133一部分作为进水管束，其余部分作为出水管束。

水冷换热器包括换热器进水口21、换热器上集箱22、换热器水冷管束23、换热器下集箱24、换热器出水口25、纵向双肋片27、曲面换热导流板28、盘管冷凝器29；作为两个可选实施方式，优选的实施方式为：分别在燃烧头上集箱132顶部均布2～4根水管作为燃烧头进水口131；然后在燃烧头下集箱134外侧面沿周向均布2～4根水管作为燃烧头出水口135，燃烧头出水口135连通换热器下集箱24，水流沿一圈直管组成的换热器水冷管束23上升流动至换热器上集箱22；另一种可选的实施方式为：在燃烧头上集箱132顶部沿周向均布进水管和出水管分别作为燃烧头进水口131和燃烧头出水口135，水流沿2根进水管下行流经燃烧头水冷管束133，经燃烧头下集箱134环形分流后汇集到上行管束，从燃烧头上集箱132顶部2根水管出水，再送入换热器上集箱22、换热器下集箱24依次加热，直至满足要求。

基于燃烧头上集箱132顶部沿周向均布2根进水管和2根出水管分别作为燃烧头进水口131和燃烧头出水口135；燃烧头水冷管束133一部分作为进水管束，其余部分作为出水管束，所述进水管束通过燃烧头上集箱132连通所述进水管束，所述出水管束通过燃烧头下集箱132连通所述出水管束，出水管束和进水管束通过燃烧头下集箱134连通。

参考图5和图7，燃烧头水冷管束133采用不锈钢圆形光管焊接纵向单肋片139，纵向单肋片是指仅在燃烧头水冷管束133内侧沿纵向其焊接肋片，纵向单肋片139高度约为10-30mm，纵向单肋片139厚度4-6mm，纵向单肋片139根部开坡口和燃烧头水冷管束133外壁面采用全焊透结构以确保纵向单肋片139良好导热。燃烧头水冷管束133间布置曲面导流板138，具体的：曲面导流板138分三段，a段为直段，与纵向单肋片139进行窄间隙换热；b段为一段比燃烧头水冷管束133直径大的圆弧，以使气流沿曲面导流板138与燃烧头水冷管束133间隙进行窄间隙层流强化换热；c段为直段，用以封闭曲面导流板138；曲面导流板138两端部采用圆弧段进行连接，圆弧段紧贴均流孔板136外壁，将均流孔板136上部分喷孔遮挡；曲面导流板138采用多段拼接而成，每段前后折边，折边的尺寸即定位的间隙，所述间隙为0.3-3mm；均流孔板136喷孔喷出的气体只能通过曲面导流板138与燃烧头水冷管束133或纵向单肋片139间的间隙(即导流通道)流出水冷燃烧头13，曲面导流板138的曲面与燃烧头水冷管束133外壁面及纵向单肋片139间的间隙可保持不变或逐渐减小，从而保持间距不变时速度逐渐减小，或间隙逐渐减小而保持气流速度不变。燃烧头水冷管束133与曲面导流板138间形成的狭小进气间隙，保证额定最小负荷下混合气流速大于火焰传播速度以防止回火；燃烧头水冷管束133管圈间取适当间隙，保证额定最高负荷下不脱火，同时后方形成高温低流速的稳焰区，也可以稳定火焰防止脱火，同时，燃烧头水冷管束133与燃烧火焰直接换热，从而降低燃烧区域温度，尤其是前期燃烧反应区域的温度，从而抑制NOx的生成。

参考图6a，图6b和图7，水冷换热器仅包含一圈直管管束，换热器水冷管束23的内侧和外侧焊接有呈180°的纵向双肋片27，换热器水冷管束23间设置与曲面导流板138结构相同的曲面换热导流板28，方向相反，曲面换热导流板28采用多段拼接而成，每段前后折边，折边的尺寸就是定位的间隙距离，内层和外层均设置曲面换热导流板28是为了确保烟气只在换热器水冷管束23外壁面和曲面之间的间隙中进行层流强化传热；外层的曲面换热导流板28确保烟气在换热器水冷管束23和曲面的间隙中进行层流强化传热，曲面换热导流板窄端26可连接或不连接，以连接优先，可通过将内侧的曲面换热导流板28的c段设为“V”形，外侧的曲面换热导流板28的c段设为“W”形(即曲面换热导流板窄端)，使内侧和外侧曲面换热导流板窄端26完全贴合，起到固定曲面换热导流板28位置的作用，亦可采用其他形状的贴合方式，即内侧和外侧曲面换热导流板窄端26连接处为齿接结构或燕尾榫卯连接结构；内侧曲面换热导流板28可与内侧的纵向双肋片27非焊接端部固定或卡接，外侧的曲面换热导流板28可与外侧的纵向双肋片27非焊接端部固定或卡接，本发明优选内侧曲面换热导流板28与内纵向双肋片27卡接，外侧的曲面换热导流板28与外侧的纵向双肋片27卡接，便于反复卸载或安装以满足清洗烟尘需要。换热器水冷管束23外壁面和曲面之间的间隙为4-10mm；内侧纵向双肋片27高度为8-12mm，肋片厚度4-6mm；外侧的纵向双肋片27高度依据传热需要设置为10-100mm，外侧的纵向双肋片27厚度4-6mm；纵向双肋片27根部开坡口和换热器水冷管束23外壁面采用全焊透结构以确保纵向双肋片27良好导热。内层设置的曲面换热导流板28可选用1Cr25Ni20Si2材质或实体耐火陶瓷或陶瓷纤维等耐火材质，纵向双肋片27可选用普通碳钢。直管水冷燃烧器1、换热器上集箱22以及换热器下集箱24受火部分设置烟气挡板32和隔热层33，烟气挡板32采用耐火材料制成，同时换热器下集箱24顶部伸出一段烟气挡板32将下部的烟气向上导流，防止烟气短路直接从下方排出，换热器下集箱24侧面和底部布置盘管冷凝器、烟道、承露盘35以及烟囱37，盘管冷凝器29、烟道、承露盘35以及烟囱37的材料应选择304或316级及以上的奥氏体耐蚀不锈钢板材或管材制造，亦可选择塑料替代；承露盘35中部的高度高于其周围的高度，承露盘35中部连接烟囱37，烟囱37连接一90°弯头将烟气导出，承露盘35最低处设置至少两个冷凝液排出口36，锅炉外壳31顶部和侧面密闭，烟气只能从底部排出。

参考图1和图8，为提高燃气锅炉热效率，须要在锅炉本体之后增加盘管冷凝器29，以往发明都是将360°径向流出的烟气环向汇集一侧进入冷凝器，但却使气流多次压缩、膨胀且改变方向，不利于冷凝效率的提高，其引起烟气阻力增加，为克服这一弱点，本专利因势利导，利用直管水冷换热器下集箱24的侧面和底部布置盘管冷凝器29，实现高效冷凝换热，盘管冷凝器沿烟气冲刷方向采用错列的光管、螺旋翅片管、H形翅片管或针翅管以实现高效冷凝换热，依据水量可以选用单管圈、双管圈、三管圈或四管圈结构，并配置进水集箱、出水集箱和进出水口。

参考图1和图9，该燃气锅炉可以是蒸汽或热水锅炉。当为蒸汽锅炉时，直管水冷换热器外部一侧应布置水位计，本锅炉可以是贯流式锅炉，此时要求比较高的水质，可设置外置式蒸汽分离装置以保证蒸汽品质；若为自然循环蒸汽锅炉，则直管水冷换热器上集箱22内部应留有合理的蒸汽空间。无论哪种蒸汽锅炉，低温锅炉给水先进入盘管冷凝器29使低温烟气冷凝吸收烟气中水蒸气的液化潜热，然后进入直管水冷燃烧器1上集箱的燃烧头进水口131下行，进入燃烧头下集箱134外侧面沿周向均布2～4根燃烧头出水口135连通直管水冷换热器下集箱24，然后沿直管水冷换热器的直管上升流动至直管水冷换热器的上集箱引出蒸汽供应热力***。当为热水锅炉时，锅炉回水先进入盘管冷凝器使低温烟气冷凝吸收烟气中水蒸气的液化潜热，然后进入燃烧头上集箱132的燃烧头进水口131下行，进入燃烧头下集箱134外侧面沿周向均布2～4根燃烧头出水口135水管至水冷换热器下集箱24，沿直管上升流动至水冷换热器2的换热器上集箱22引出热水供应热力***，当设置蒸汽和热水连接***时应充分考虑水流量、管中的水流速度来合理分布上行和下行管束的走向。

水冷燃烧器1和水冷换热器2设置在锅炉外壳31中，锅炉外壳31顶部和侧面密闭；水冷燃烧器1和水冷换热器2形成环形空间的顶部和底部均设置烟气挡板32，锅炉外壳31与水冷换热器2形成环形空间的顶部和底部设置烟气挡板32，烟气挡板32与锅炉外壳31之间设置隔热层33和保温层34；水冷燃烧器1的底端与锅炉外壳31之间设置烟气挡板32、隔热层33和保温层34；换热器下集箱24顶部外侧沿竖直方向设置烟气挡板

参考图1，本发明优先选用全预混直管水冷燃烧器1，其NOx排放更低，过量空气系数更低，燃气锅炉热效率可以达到设计的最高值；但是作为一种可选择的方案，本发明也可以直接以金属纤维或陶瓷纤维缠绕或烧制的全预混燃气燃烧器替代本发明的全预混直管水冷燃烧器1，虽然其性能不及采用全预混直管水冷燃烧器1的燃气锅炉，但无论是用于新建或技术改造都具有相互替换的可行性。

Claims (8)

1.一种同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，包括水冷燃烧器（1）和水冷换热器（2）；水冷燃烧器（1）和水冷换热器（2）均为圆柱形，水冷换热器（2）同轴线设置在水冷燃烧器（1）的外侧，水冷燃烧器（1）的出水口连通水冷换热器（2）的入水口；

水冷燃烧器（1）中设置水冷燃烧头（13），水冷燃烧头（13）包括燃烧头上集箱（132）、燃烧头水冷管束（133）以及燃烧头下集箱（134），燃烧头水冷管束（133）的两端分别连通燃烧头上集箱（132）和燃烧头下集箱（134）；

水冷燃烧头（13）内侧设置均流孔板（136），水冷燃烧头（13）中设置一圈水冷管形成燃烧头水冷管束（133），沿燃烧头水冷管束（133）的表面设置有导流通道，导流通道延伸至水冷管截面最宽处，燃烧头水冷管束（133）相邻导流通道之间设有曲面导流板；曲面导流板（138）整体为柱形，曲面导流板（138）沿水冷燃烧头（13）内侧圆周方向布置；曲面导流板（138）的第一柱面为圆弧面，所述第一柱面紧贴均流孔板（136）外壁；曲面导流板（138）的第二柱面形状为圆弧面，所述第二柱面与燃烧头水冷管外壁之间、曲面导流板（138）与纵向单肋片（139）之间留设间隙，所述间隙连通形成导流通道；曲面导流板（138）采用多段拼接而成，曲面导流板（138）分三段，a段为直段，与纵向单肋片（139）进行窄间隙换热；b段为一段比燃烧头水冷管束（133）直径大的圆弧，以使气流沿曲面导流板（138）与燃烧头水冷管束（133）间隙进行窄间隙层流强化换热；c段为直段，用以封闭曲面导流板（138）每段前后折边，折边的尺寸即定位的间隙，水冷换热器（2）中设置一圈换热器水冷管形成换热器水冷管束（23），换热器水冷管束（23）的外侧设有换热通道，换热器水冷管的内侧和外侧均设置有纵向双肋片（27），内侧和外侧的纵向双肋片（27）沿着换热器水冷管束（23）所在圆的径向分布，所述换热通道沿着纵向双肋片（27）和换热器水冷管的表面分布，换热器水冷管束（23）间设置与曲面导流板（138）结构相似的曲面换热导流板（28），内侧的曲面换热导流板（28）的c段设为“V”形，“V”字开口端朝向外侧，外侧的曲面换热导流板（28）的c段设为“W”形；水冷换热器（2）底部一周及其底部外侧面设置盘管冷凝器（29），盘管冷凝器（29）的入口连通锅炉给水管道，盘管冷凝器（29）的出口连通水冷燃烧器（1）的进水口。

2.根据权利要求1所述的同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，所述导流通道的宽度从内侧向外侧逐渐减小或保持不变；导流通道的宽度为0.3-3mm。

3.根据权利要求1所述的同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，水冷燃烧器的进气口处设置预混器（12），预混器（12）包括外筒（121）和内筒（122），燃气管道与内筒（122）顶部连通，内筒（122）同轴设置在外筒（121）内，内筒（122）底端封堵，外筒（121）底部连通水冷燃烧头（13）的顶端，内筒（122）底部位于外筒（121）高度的1/3～1/2处，内筒（122）下方设置有燃气筒（124），燃气筒（124）为圆环形空腔，内筒（122）连通燃气筒（124），燃气筒（124）上均匀开设多个有燃气筒喷孔（1241）。

4.根据权利要求1所述的同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，曲面换热导流板（28）两侧的形状与换热通道形状相同；换热通道的宽度为4-10mm；内侧纵向双肋片（27）高度为8-12mm；外侧的纵向肋片高度为10-100mm。

5.根据权利要求1所述的同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，燃烧头上集箱（132）顶部布置2~4根水管作为燃烧头进水口（131）；然后在燃烧头下集箱（134）外侧面沿周向布置2~4根水管作为燃烧头出水口（135），燃烧头出水口（135）连通水冷换热器的入水口；或燃烧头上集箱（132）顶部沿周向布置2根进水管和2根出水管分别作为燃烧头进水口（131）和燃烧头出水口（135），燃烧头水冷管束（133）一部分作为进水管束，其余部分作为出水管束。

6.根据权利要求1所述的同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，锅炉底部设置承露盘（35），承露盘（35）的最低处开设冷凝液排出口（36），承露盘的最低处位于一周，承露盘的最高处开设烟气出口，所述烟气出口连通烟囱（37）。

7.根据权利要求1所述的同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，水冷燃烧器（1）和水冷换热器（2）设置在锅炉外壳（31）中，锅炉外壳（31）顶部和侧面密闭；水冷燃烧器（1）和水冷换热器（2）形成环形空间的顶部和底部均设置烟气挡板（32），锅炉外壳（31）与水冷换热器（2）形成环形空间的顶部和底部设置烟气挡板（32），烟气挡板（32）与锅炉外壳（31）之间设置隔热层（33）和保温层（34）；水冷燃烧器（1）的底端与锅炉外壳（31）之间设置烟气挡板（32）、隔热层（33）和保温层（34）；换热器下集箱（24）顶部外侧沿竖直方向设置烟气挡板。

8.根据权利要求1所述的同心单管圈水冷燃烧及换热的燃气锅炉，其特征在于，作为蒸汽或热水锅炉，当为蒸汽锅炉时，采用贯流式锅炉或自然循环蒸汽锅炉，锅炉给水先进入盘管冷凝器（29）使低温烟气冷凝吸收烟气中水蒸气的液化潜热，然后进入燃烧头上集箱（132）的进水口下行，再进入水冷换热器下集箱（24），然后沿水冷换热器（2）的换热器水冷管束（23）上升流动至换热器上集箱（22）引出蒸汽供应热力***；

当为热水锅炉时，锅炉回水先进入盘管冷凝器（29）使低温烟气冷凝，吸收烟气中水蒸气的液化潜热，然后进入燃烧头上集箱（132）的进水口下行再进入换热器下集箱（24），然后换热器水冷管束（23）上升流动至换热器上集箱（22）引出热水供应热力***。

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