(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202110063450.5
(22)申请日 2021.01.18
(65)同一申请的已公布的文献号
申请公布号 CN 112856370 A
(43)申请公布日 2021.05.28
(73)专利权人 西安交通大学
地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号
专利权人 博瑞特热能设备股份有限公司
(72)发明人 卲怀爽 邓世丰 曹光勤 赵钦新 高云龙 王云刚 梁志远
(74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任
公司 61200
代理人 王艾华
(51)Int.Cl.
F22B 31/00(2006.01)
F24H 8/00(2022.01)F24H 9/1836(2022.01)F23D 14/02(2006.01)F23D 14/34(2006.01)F23D 14/62(2006.01)F23D 14/46(2006.01)F22B 37/06(2006.01)F24H 9/00(2022.01)审查员 陈欢
(54)发明名称
(57)摘要
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
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。权利要求书2页 说明书10页 附图8页CN 112856370 B 2022.04.22
C N 112856370
B
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。
一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉
技术领域
[0001]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
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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，
[0005]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。
[0006]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NO x≤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NO x≤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。
[0007]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。
[0008]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
[0009]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NO x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。
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
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