CN115013973A - 一种全预混水冷燃气锅炉 - Google Patents

一种全预混水冷燃气锅炉 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全预混水冷燃气锅炉，包含混合器，混合器和水冷燃烧器同轴设置于锅炉轴心位置，混合器底部出口与水冷燃烧器入口相连通，水冷燃烧器外侧依次设置水冷换热管束和对流换热管束；混合器外侧环形设置上集箱，炉膛下部水冷燃烧器外侧环形设置下集箱，上集箱和下集箱由水冷换热管束和对流换热管束相连通；水冷燃烧器下方设置承露盘，承露盘下方设置冷凝液排出管，承露盘和冷凝液排出管之间设置烟囱，锅炉支架用于支撑整个装置。本发明可以实现燃气和空气的充分均匀预混，在低氮燃烧的同时防止回火，并高效利用烟气热量，在实现节能减排的同时，低温燃烧的设计也有利于锅炉的安全运行。

Description

一种全预混水冷燃气锅炉
技术领域
本发明属于燃气锅炉技术领域，具体涉及一种全预混水冷燃气锅炉。
背景技术
天然气燃料产生的污染物主要是氮氧化物，而氮氧化物主要是分为三类：热力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx，锅炉燃烧产生的氮氧化物主要是热力型NOx，这一类氮氧化物的主要影响因素是温度，燃烧温度越高，热力型NOx越多。因此，为了开发出低NOx气体燃烧器以满足最新的环保标准，核心在于降低燃烧时的气体温度。传统的全预混燃烧器因燃烧均匀稳定而被广泛采用，但因为燃烧强度大，燃烧温度较高，存在更易产生热力型NOx这一突出问题。传统的锅炉设计中，热量经由烟气携带大多流向一侧的水冷换热管束，导致换热极其不均匀且易发生爆管事故。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种全预混水冷燃气锅炉，可以实现燃气和空气的充分均匀预混，在低氮燃烧的同时防止回火，并高效利用烟气热量，在实现节能减排的同时，低温燃烧的设计也有利于锅炉的安全运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种全预混水冷燃气锅炉，包含混合器2，混合器2和水冷燃烧器4同轴设置于锅炉轴心位置，混合器2底部出口与水冷燃烧器4入口相连通，所述水冷燃烧器4外侧依次设置水冷换热管束6a、水冷换热管束6b；水冷换热管束6b外侧向外依次布置对流换热管束5a、对流换热管束5b；混合器2外侧环形设置上集箱3，炉膛下部水冷燃烧器4外侧环形设置下集箱7，上集箱3和下集箱7由水冷换热管束6a、水冷换热管束6b和对流换热管束5a、对流换热管束5b相连通；水冷燃烧器4下方设置承露盘9，承露盘下方设置冷凝液排出管11，承露盘9和冷凝液排出管11之间设置烟囱8，锅炉支架10用于支撑整个装置。
所述水冷燃烧器4包括燃烧头冷却管43，燃烧头冷却管43周向均匀排列，燃烧头冷却管43上端连接水冷燃烧器上集箱42，下端连接水冷燃烧器下集箱46；水冷燃烧器上集箱42上侧有进水管41，连接锅炉给水；水冷燃烧器下集箱46与锅炉下集箱7之间由连通管47相连接。
所述水冷燃烧器4的燃烧头冷却管43外侧沿周向内外侧错列布置两圈水冷换热管束6a、水冷换热管束6b；水冷换热管束6b外侧依次布置对流换热管束5a、对流换热管束5b，对流换热管束5a和对流换热管束5b各自相邻管束之间没有间隙。
所述燃烧头冷却管43外侧焊接有相连接的圆形或螺旋状翅片44，相连接的圆形或螺旋状翅片44形成导流通道，相邻燃烧头冷却管43之间外侧焊接有向内凹的弧形导流片45，燃烧头冷却管43同轴环置弧形导流片45，弧形导流片45分别与相邻的两个燃烧头冷却管43形成等截面气流通道48，水冷燃烧器4末端气流通道截面处加密封端盖49密封。
所述混合器2包括由内向外依次布置的空气内筒21、空气外筒24和环型燃气筒23，所述空气内筒21的入口处设置有旋流叶片26，空气外筒24的入口处设置有旋流叶片29，环型燃气筒23初始位置处设有均流孔板28，环形燃气筒23的内壁设置喷嘴210，外壁设置喷嘴211，所述环型燃气筒23内壁喷嘴210和外壁喷嘴211以凸台形式环形切向布置。
所述空气内筒21中的旋流叶片26内侧连接在轴心处的圆管27上，外侧连接在空气内筒21的内壁上，空气流经旋流叶片26、旋流叶片29后形成旋流风，燃气流经均流孔板后分布均匀，而后从环型燃气筒内壁喷嘴210和外壁喷嘴211处分别向内、向外以一定角度射出，并和旋流空气垂直对冲混合，使得预混效果更加均匀充分。
所述空气内筒21底部是空气内筒出口215，空气内筒出口215外侧是环型燃气筒后端盖212，为一扩张的圆台型壁面，圆台型壁面的母线与轴线的夹角可根据具体尺寸确定，沿母线的延长线应经过水冷燃烧器的入口处圆周边线，此壁面既作为空气内筒21气体扩张的约束壁面，同时又起到封闭环型燃气筒23尾端的作用，使得环型燃气筒内的燃气有足够的压力从内外侧壁面喷嘴射出。
所述混合器2为环形布置的花瓣式格栅，包括在燃气主管道32每一分支处设有6条支管道34，所述燃气主管道32穿过空气筒31外壁，在空气筒31的轴线处弯折，沿轴线伸长，燃气主管道尾端37密封，在均等位置处沿径向伸出有6根支管道34，支管道之间用小型的出气管道35连通，出气管道设有气孔36，每圈管道上的气孔数量，按照出气管道35到轴心的距离成正比关系设置，可使同一截面上燃气均匀分布，空气流和燃气流对冲布置，可使得混合效果更加均匀，出气管道35设有气孔36，每圈管道上的气孔数量，按照出气管道35到轴心的距离成正比关系设置，空气流和燃气流对冲布置,支管道34可沿气流方向管道直径恒定或阶梯式渐缩。
所述支管道34采用变径管道，即沿气流方向管道直径阶梯式渐缩，可使同一截面上离轴心不同距离的出气管道35内气体压力均匀，减小同一截面上每一气孔36的燃气流量差别，实现等压送气。
所述水冷燃烧器4有四种布置形式，分别为光管直筒式水冷燃烧器，翅片管直筒式水冷燃烧器，光管渐缩式水冷燃烧器与翅片管渐缩式水冷燃烧器。
所述对流换热管束5a、对流换热管束5b分为沿周向布置的高温对流管束5a和低温对流管束5b，单个的对流换热管束外侧为水管51，水管中套有烟管52，烟管内有螺旋式的导流片53，下侧为烟气入口，上侧为烟气出口。
所述水冷换热管束6a、水冷换热管束6b同轴周向均布于水冷燃烧器4外侧，内侧水冷换热管束6a和外侧水冷换热管束6b错列布置，数目相同，外侧管束间距大于内侧。
本发明的有益效果：
空气流经空气内筒和空气外筒入口处的旋流叶片后形成旋流风，燃气流经均流孔板后分布均匀，而后从环型燃气筒内壁喷嘴和外壁喷嘴处分别向内、向外以一定角度射出，并和旋流空气垂直对冲混合，使得预混效果更加均匀充分。
环型燃气筒内壁喷嘴和外壁喷嘴以凸台形式环形切向布置，形成旋流燃气，强化了和旋流空气的混合效果。
空气内筒出口外侧是环型燃气筒后端盖，为一扩张的圆台型壁面，圆台型壁面的母线与轴线的夹角可根据具体尺寸确定，沿母线的延长线应经过水冷燃烧器的入口处圆周边线。此壁面既作为空气内筒气体扩张的约束壁面，同时又起到封闭环型燃气筒尾端的作用，使得环型燃气筒内的燃气有足够的压力从内外侧壁面喷嘴射出。
支管道之间用小型的出气管道连通。出气管道设有气孔，每圈管道上的气孔数量，按照出气管道到轴心的距离成正比关系设置，可使同一截面上燃气均匀分布。空气流和燃气流对冲布置，可使得混合效果更加均匀。
支管道可有另一种设计方案采用变径管道，即沿气流方向管道直径阶梯式渐缩。可使同一截面上离轴心不同距离的出气管道内气体压力均匀，减小同一截面上每一气孔的燃气流量差别，实现等压送气。
燃烧头冷却管外侧焊接有相连接的圆形或螺旋状翅片，增大了换热面积，从而有效降低燃烧温度，降低了热力型NOx的生成量。相连接的翅片形成导流通道，使得混合气体在燃烧之前实现均匀分散小火焰着火燃烧，避免集中高温燃烧。相邻燃烧头冷却管间外侧焊接有向内凹的弧形导流片，弧形导流片分别与相邻的两个燃烧头冷却管形成等截面气流通道，起到防回火的目的。同时，因出口截面较小，且气流回程时流道弯曲，与直流通道相比流程更长，进一步强化防回火的作用。水冷燃烧器末端气流通道截面处加盖密封，此密封端盖保证混合气体可以足够的压力沿径向向周围喷出。
内侧水冷换热管束和外侧水冷换热管束错列布置，数目相同，外侧管束间距大于内侧，加强水冷换热管束内水的吸热，进一步降低了燃烧温度，有利于热力型NOx的降低。同时，水冷换热管束也可采用渐缩式布置。
单个的对流换热管束外侧为水管，水管中套有烟管，烟管内有螺旋式的导流片，下侧为烟气入口，上侧为烟气出口。通过烟气和水的对流，可强化传热，有效利用烟气热量。
附图说明
图1为本发明锅炉整体示意图。
图2为一种旋流对冲式混合器俯视图和剖视图。
图3a为一种对冲式混合器示意图。
图3b为一种渐缩管径对冲式混合器示意图。
图4a-Ⅰ为一种翅片管直筒式水冷燃烧器示意图。
图4a-Ⅱ为一种翅片管渐缩式水冷燃烧器示意图。
图4b-Ⅰ为一种光管直筒式水冷燃烧器示意图。
图4b-Ⅱ为一种光管渐缩式水冷燃烧器示意图。
图5为一种对流换热管束示意图。
图6为水冷燃烧器燃烧头、冷却换热管束和对流换热管束周向布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图6所示：一种全预混水冷燃气锅炉，包含混合器2、水冷燃烧器4、水冷换热管束6a、水冷换热管束6b、对流换热管束5a、对流换热管束5b、上集箱3、下集箱7、炉墙1、烟囱8、承露盘9、锅炉支架10、冷凝液排出管11；混合器2和水冷燃烧器4同轴设置于锅炉轴心位置，混合器2底部出口与水冷燃烧器4入口相连通，所述水冷燃烧器4外侧设置水冷换热管束6a、水冷换热管束6b；水冷换热管束6b外侧依次布置对流换热管束5a、对流换热管束5b。混合器2外侧环形设置上集箱3，炉膛下部水冷燃烧器4外侧环形设置下集箱7，上集箱4和下集箱7由水冷换热管束6a、6b和对流换热管束5a、5b相连通；水冷燃烧器4下方设置承露盘9，承露盘下方设置冷凝液排出管11，承露盘9和冷凝液排出管11之间设置烟囱8，锅炉支架10用于支撑整个装置。
在混合器(图2)中，空气流经空气内筒21和空气外筒24入口处的旋流叶片26、旋流叶片29后形成旋流风，燃气从燃气入口管道25进入后先经过均流孔板28，使其在环形截面上均匀分布，而后从环型燃气筒23的内壁喷嘴210和外壁喷嘴211处分别向内、向外以一定角度射出，并和旋流空气垂直对冲混合，使得预混效果更加充分均匀。
本发明中所提供的混合器第二种设计方案(图3a)，其具体运行方式为：燃气从主管道32进入，通过支管道34后从小型出气管道35的气孔36射出。空气从空气筒31进入，空气流和燃气流对冲混合后继续向前流动，这种对冲设置可使得混合效果更加均匀。由于每圈管道上的气孔数量，按照出气管道35到轴心的距离成正比关系设置，可使同一截面上的小股燃气按点状均匀分布。
在本方案基础上对支管道另有一种优化设计(图3b)，支管道34沿气流方向管道直径阶梯式渐缩。燃气从主管道32经支管道34向出气管道35分流时，可使同一截面上离轴心不同距离的出气管道35内气体压力均匀，减小同一截面上每一气孔36的燃气流量差别，实现等压送气。
混合气体进入水冷燃烧器(图4a)，水冷燃烧器末端气流通道截面处有密封端盖49，保证混合气体能以足够的压力从相邻的燃烧头冷却管间隙导流通道48沿径向向周围喷出。混合气体在翅片44的分割作用下，在燃烧之前实现均匀分散，可使燃烧更加充分。同时防止大火焰集中高温燃烧，实现小火焰燃烧，进一步降低燃烧温度与NOx生成。
进一步的，混合气体在水冷燃烧器中向外流出时，因燃烧头冷却管43外侧焊接有圆形或螺旋状翅片44，增大了换热面积，从而有效降低燃烧温度，达到降低热力型NOx的目的。
进一步的，燃烧头冷却管43圆形或螺旋状翅片44外侧设置有弧形导流片45，使得出口截面48缩小，气体流速将会增大，可起到防回火的目的。同时，因出口截面较小，且气流回程时流道弯曲，与直流通道比流程更长，进一步起到了防回火的作用。
水冷燃烧器4，有四种可参考的设计：一种是光管直筒式水冷燃烧器(图4b-Ⅰ)，结构简单、加工方便、节省用料,在低容量锅炉中可以采用；一种是翅片管直筒式水冷燃烧器(图4a-Ⅰ)，当锅炉容量增大，翅片起到分割作用防止大火焰集中高温燃烧，实现小火焰燃烧，进一步降低燃烧温度与NOx生成；另外两种分别是光管渐缩式水冷燃烧器(图4b-Ⅱ)与翅片管渐缩式水冷燃烧器(图4a-Ⅱ)，因水冷燃烧器末端气流通道截面处有密封端盖49，燃烧头冷却管43向内侧倾斜形成圆台状，保证混合气体可以足够的压力沿径向向周围喷出，同时，沿水冷燃烧器中心轴线方向，每一截面上的混合气体实现等压均等流量配送，均匀燃烧防止局部高温度，降低NOx生成。
进一步的，混合气体被点火枪点燃后，形成的烟气先经过内侧冷却换热管束6a，与管内的水实现换热，之后流经外侧冷却换热管束6b，因内、外侧冷却换热管束错列布置，提高了换热效果，同时降低了燃烧温度，进一步降低了热力型NOx的产生。
进一步的，见图5、图6，由于对流换热管束的相邻单管之间不留空隙，因此烟气会向下集中，从高温对流换热管束5a的烟管52下部进入，在螺旋式导流片53的作用下从烟管内螺旋式向上流动，和烟管52外侧的水管51中的向下流动的水换热后从烟管上部的出口流出。流出后受到低温对流管束5b的阻挡向下流动，再从低温对流管束5b下部进入，重复一次历程。从低温对流管束上部出来的烟气，沿炉墙内壁17向下流动至承露盘9后再经烟囱8排出。经过对流换热管束的烟气，可大大提高与水的换热效果，达到有效利用烟气余热的目的。
对于单个的对流换热管束图5，外侧为水管51，水管中套有烟管52，烟管内有螺旋式的导流片53，下侧为烟气入口，上侧为烟气出口。通过烟气和水的对流，可强化传热，有效利用烟气热量。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，如改变混合器对冲结构及角度、烟管采用内螺纹管代替螺旋式导流片等均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，包含混合器(2)，混合器(2)和水冷燃烧器(4)同轴设置于锅炉轴心位置，混合器(2)底部出口与水冷燃烧器(4)入口相连通，所述水冷燃烧器(4)外侧依次设置冷换热管束(6a)、水冷换热管束(6b)；水冷换热管束(6a)、水冷换热管束(6b)外侧依次布置对流换热管束(5a)、对流换热管束(5b)，混合器(2)外侧环形设置上集箱(3)，炉膛下部水冷燃烧器(4)外侧环形设置下集箱(7)，上集箱(4)和下集箱(7)由水冷换热管束(6a)、水冷换热管束(6b)和对流换热管束(5a)、对流换热管束(5b)相连通；水冷燃烧器(4)下方设置承露盘(9)，承露盘下方设置冷凝液排出管(11)，承露盘(9)和冷凝液排出管(11)之间设置烟囱(8)，锅炉支架(10)用于支撑整个装置。
2.根据权利要求1所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述水冷燃烧器(4)包括燃烧头冷却管(43)，燃烧头冷却管(43)周向均匀排列，燃烧头冷却管(43)上端连接水冷燃烧器上集箱(42)，下端连接水冷燃烧器下集箱(46)；燃烧头冷却管(43)外侧沿周向内外侧错列布置水冷换热管束(6a)、水冷换热管束(6b)；水冷换热管束(6b)外侧依次周向布置对流换热管束(5a)、对流换热管束(5b)，对流换热管束(5a)和对流换热管束(5b)各自相邻管束之间没有间隙。
3.根据权利要求2所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述燃烧头冷却管(43)外侧焊接有相连接的圆形或螺旋状翅片(44)，相连接的圆形或螺旋状翅片(44)形成导流通道，相邻燃烧头冷却管(43)间外侧焊接有向内凹的弧形导流片(45)，燃烧头冷却管(43)同轴环置弧形导流片(45)，弧形导流片(45)分别与相邻的两个燃烧头冷却管(43)形成等截面气流通道(48)，水冷燃烧器(4)末端气流通道截面处加密封端盖(49)密封。
4.根据权利要求1所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述混合器2包括由内向外依次布置的空气内筒(21)、空气外筒(24)和环型燃气筒(23)，所述空气内筒21的入口处设置有旋流叶片26，空气外筒24的入口处设置有旋流叶片(29)，环型燃气筒(23)初始位置处设有均流孔板(28)，环形燃气筒(23)的内壁设置喷嘴(210)，外壁设置喷嘴(211)，所述环型燃气筒(23)内壁喷嘴(210)和外壁喷嘴(211)以凸台形式环形切向布置。
5.根据权利要求4所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述空气内筒(21)中的旋流叶片(26)内侧连接在轴心处的圆管(27)上，外侧连接在空气内筒(21)的内壁上，空气流经旋流叶片(26)、旋流叶片(29)后形成旋流风，燃气流经均流孔板后分布均匀，而后从环型燃气筒内壁喷嘴(210)和外壁喷嘴(211)处分别向内、向外以一定角度射出，并和旋流空气垂直对冲混合，使得预混效果更加均匀充分。
6.根据权利要求4所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述空气内筒(21)底部是空气内筒出口(215)，空气内筒出口(215)外侧是环型燃气筒后端盖(212)，为一扩张的圆台型壁面，圆台型壁面的母线与轴线的夹角可根据具体尺寸确定，沿母线的延长线应经过水冷燃烧器的入口处圆周边线，此壁面既作为空气内筒(21)气体扩张的约束壁面，同时又起到封闭环型燃气筒(23)尾端的作用，使得环型燃气筒内的燃气有足够的压力从内外侧壁面喷嘴射出。
7.根据权利要求1所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述混合器(2)为环形布置的花瓣式格栅，包括在燃气主管道(32)每一分支处设有6条支管道(34)，所述燃气主管道(32)穿过空气筒(31)外壁，在空气筒(31)的轴线处弯折，沿轴线伸长，燃气主管道尾端(37)密封，在均等位置处沿径向伸出有6根支管道(34)，支管道之间用小型的出气管道(35)连通，出气管道设有气孔(36)，每圈管道上的气孔数量，按照出气管道(35)到轴心的距离成正比关系设置，可使同一截面上燃气均匀分布，空气流和燃气流对冲布置，可使得混合效果更加均匀，出气管道(35)设有气孔(36)，每圈管道上的气孔数量，按照出气管道(35)到轴心的距离成正比关系设置，空气流和燃气流对冲布置,支管道(34)可沿气流方向管道直径恒定或阶梯式渐缩。
8.根据权利要求7所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述支管道(34)采用变径管道，即沿气流方向管道直径阶梯式渐缩，可使同一截面上离轴心不同距离的出气管道(35)内气体压力均匀，减小同一截面上每一气孔(36)的燃气流量差别，实现等压送气。
9.根据权利要求1所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述水冷燃烧器(4)有四种布置形式，分别为光管直筒式水冷燃烧器，翅片管直筒式水冷燃烧器，光管渐缩式水冷燃烧器与翅片管渐缩式水冷燃烧器。
10.根据权利要求1所述的一种全预混水冷燃气锅炉，其特征在于，所述对流换热管束(5a)、对流换热管束(5b)分为沿周向布置的高温对流管束(5a)和低温对流管束(5b)，单个的对流换热管束外侧为水管(51)，水管中套有烟管(52)，烟管内有螺旋式的导流片(53)，下侧为烟气入口，上侧为烟气出口；
所述水冷换热管束(6a)、水冷换热管束(6b)同轴周向均布于水冷燃烧器(4)外侧，内侧水冷换热管束(6a)和外侧水冷换热管束(6b)错列布置，数目相同，外侧管束间距大于内侧。
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