一种立式炉内燃烧径向布置火管的燃气锅炉

本发明属于燃气锅炉，具体涉及一种立式炉内燃烧径向布置火管的燃气锅炉。

背景技术：

1、工业蒸汽锅炉广泛应用于建筑、化工、制药、纺织、酿酒等工业生产领域。天然气的碳排放仅为煤炭的一半，因此工业蒸汽锅炉领域正在逐步实现天然气锅炉对燃煤锅炉的替代。立式室燃燃气锅炉在空间狭窄的场所使用较多，与卧式锅炉相比单位体积的功率更大，具有结构成熟、制造维修方便等优势，多采用扩散燃烧与立式火管。预混表面燃烧技术与扩散燃烧技术相比具有炉膛容积热负荷巨大，氮氧化物排放低的突出优势。目前表面燃烧技术和火管强化换热技术飞速发展，传统立式锅炉存在着单位体积功率密度低、锅炉排烟冷凝量较小、难以适配表面预混燃烧器等问题，因此亟待开发一种能够适配表面燃烧技术和火管强化换热技术的具有更高功率密度与更高效率的立式锅炉。

2、中船九江锅炉有限公司申请的cn202211425664.3一种立式结构的水管锅炉，采用螺旋烟管结构和扩散式燃烧器，下部炉膛空间较小，上部钢耗量巨大且烟气流通面积狭小，难以提高单位体积的锅炉出力；淮安大华生物科技有限公司申请的cn201420398723.7一种立式弯水管锅炉引入了隔烟板结构，虽然从客观上起到了隔绝辐射热的作用，但隔烟板没有通水冷却。

3、目前急缺一种能够将预混表面燃烧器、强化换热火管技术与锅炉本体有机结合的立式锅炉。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种立式炉内燃烧径向布置火管的燃气锅炉，实现预混表面燃烧、强换换热火管与立式锅炉的有机结合，合理排布强化换热火管，利用巨大的锅炉径向空间，提高锅炉蒸发量，提出环向的烟室壳结构，并将冷凝器与空预器联用，降低锅炉排烟温度，提高锅炉热效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种立式炉内燃烧径向布置火管的燃气锅炉，包括锅壳、炉胆、燃烧头、水冷屏、火管、混合器、分配头、环形收集烟道、节能冷凝器、空预器以及烟囱；炉胆同轴设置在锅壳中；锅壳和炉胆围成的空间为汽水空间，所述汽水空间中设置火管，

3、混合器、分配头、燃烧头、水冷屏沿着介质流向设置组成燃气燃烧系统；水冷屏设置在炉胆内部，燃烧头设置在炉胆下部侧面或底部；环形收集烟道设置在锅壳侧面，环形收集烟道出口依次连接节能冷凝器、空预器和烟囱，节能冷凝器、空预器为扁平状；

4、环形收集烟道贴合锅壳的圆周方向，覆盖所有的火管在锅壳外侧的烟气出口，环形收集烟道的烟气出口连接节能冷凝器的入口。

5、进一步的，炉胆为变径炉胆，炉胆的上半部直径小于下半部直径；或锅壳为变径锅壳，锅壳上半部分直径大于下半部分，为火管提供布置空间；火管设置在所述汽水空间的上半部，火管分布在炉胆的环向侧，火管位于炉胆和锅壳的圆周方向之间，火管的轴线沿锅壳的径向方向；沿炉胆的高度方向上布置多层火管，火管浸没在汽水空间的水位线以下，火管与炉胆外侧连接处做缩颈处理；火管采用强化换热结构，强化换热结构采用内翅强化结构、扰流子强化结构或多头螺纹强化结构，火管长度小于3米；当火管竖直布置时，直接连接炉胆顶部与锅壳顶部。

6、进一步的，燃烧头为水冷表面燃烧火管，水冷表面燃烧火管位于锅壳和炉胆之间；预混气体经分配头至每根水冷表面燃烧火管；相临水冷表面燃烧火管之间净距离大于10mm，每个水冷表面燃烧火管端部形成独立的火炬；水冷表面燃烧火管内径小于10mm或水冷表面燃烧火管中插入阻火元件。

7、进一步的，燃烧头还为水冷表面燃烧水管，水冷燃烧水管竖直排布，位于炉胆内部或替代部分竖直段的炉胆和锅壳；水冷表面燃烧水管为光管、翅片管、切削管或耦合打孔钢结构；

8、当锅炉容量较大时，水冷燃烧水管替代部分竖直段的炉胆和锅壳；

9、当锅炉容量较小时，水冷燃烧水管位于炉胆内部，水冷燃烧水管下端为水冷燃烧面，上端为烟气流通通道，中间设置分隔管圈分隔预混气体和高温烟气，此时预混气体从中心向四周燃烧；当水冷燃烧水管替代部分竖直段的炉胆和锅壳时，位于炉胆和锅壳之间，预混气体从圆周向内燃烧。

10、进一步的，水冷表面燃烧水管的切削管为平面切削光管、对称间断切削光管或非对称间断切削光管；平面切削光管是沿圆管的轴线方向切削形成两个平面，切削形成的两个平面有微小夹角，最终多个多根管束沿着一个圆周排列形成一个曲面；对称间断切削光管是沿圆管的轴线方向间断切削形成两组平面，每组平面内存在多个间隔的凸起结构，所述凸起结构将每组平面分割成多个子平面，切削形成的两组平面之间有微小夹角，最终多个多根管束沿着一个圆周排列形成一个曲面，两组平面上的凸起结构间隔分布；非对称间断切削光管是沿圆管的轴线方向间断切削形成两组平面，每组平面内通过间隔的凸起结构分割成多个子平面，切削形成的两组平面之间有微小夹角，最终多个多根管束沿着一个圆周排列形成一个曲面，两组平面的间隔的凸起结构非对称分布；对称间断切削光管是沿圆管的轴线方向间断切削形成两组平面，每组平面内存在多个凸起结构，所述凸起结构将所述两组平面均分割为多个子平面，切削形成的两组平面之间有微小夹角，最终多个多根管束沿着一个圆周排列形成一个曲面，两组平面的子平面对称分布。

11、进一步的，水冷表面燃烧水管为耦合打孔钢结构；水冷表面燃烧水管由相间分布的通水冷却的光管和打孔钢结构焊接后形成；所有光管与打孔钢结构的中轴线共面或非共面；打孔钢结构是在三角形、正方形、矩形、圆形、六边形、八边形截面的钢结构上打孔，形成深度大于5mm的预混气体通道，钢结构为实心钢结构、空心钢结构或内部嵌套实心钢结构的空心钢结构。

12、进一步的，燃烧头还采用预混表面燃烧头，分配头穿过锅壳和炉胆，分配头与预混表面燃烧头相连，预混表面燃烧头伸入炉膛，预混气体在预混表面燃烧头的表面点火燃烧；预混表面燃烧头采用金属纤维、陶瓷孔板或不锈钢孔板。

13、进一步的，燃烧头还为扩散式燃烧头，当采用扩散式燃烧头时，扩散式燃烧头穿过锅壳和炉胆进入炉膛，可燃气体在扩散式燃烧头的炉膛侧点火燃烧，扩散式燃烧头代替消混合器和分配头。

14、进一步的，水冷屏位于燃烧头和火管之间，水冷屏的两端与炉胆连接；水冷屏采用密排光管或强化换热翅片管排列形成，沿烟气流动方向水冷屏布置一排到四排；每排水冷屏的两端贴近炉胆处弯折管束两端，所述管束两端与炉胆内壁的夹角小于45°；水冷屏以炉胆水平面为剖面形成的管排截面为环形、直线形或折线形状；所述密排光管或强化换热翅片管的内径大于25mm；水冷屏的管束轴线与水平方向有夹角。

15、进一步的，当分配头位于炉胆外部，沿炉胆圆周方向布置一个到四个分配头，分配头包括曲面气室、弧形孔板、上下密封侧板；曲面气室位于锅壳外侧，弧形孔板贴合锅壳外表面，曲面气室位于锅壳外侧，弧形孔板贴合锅壳外表面，弧形孔板表面至燃烧头表面的距离小于10mm，上下密封侧板位于曲面气室的上端和下端用于密封。

16、进一步的，分配头位于锅壳的底部，减小锅炉圆周方向的占地空间，分配头包括圆锥气室和圆形孔板；圆形孔板贴合锅壳的底面，圆形孔板表面至燃烧头表面的距离小于20mm。

17、进一步的，分配头位于锅壳的内部，分配头包括圆柱气室和圆柱孔板；圆柱孔板表面至燃烧头表面的距离小于20mm。

18、进一步的，节能冷凝器为水管换热结构，即锅炉给水流经管内，烟气流经管外，烟气从下往上流动；水管为光管或强化换热翅片管；空预器为管壳结构，烟气流经空预器管内，空气流经空预器管外，空预器的换热管内侧和外侧为光滑表面或设置翅片；节能冷凝器和空预器的截面呈扁平状，沿水管长度方向的尺寸是垂直于水管长度方向尺寸的1.5倍以上，节能冷凝器、空预器紧贴锅壳外侧。

19、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供一种立式炉内燃烧径向布置火管的燃气锅炉，通过合理排布燃烧头，利用了巨大的环向炉胆空间，增加预混表面燃烧头面积，水冷燃烧头直接接入锅炉水循环，提高了锅炉的蒸发量和安全性，本发明所提供的立式炉内燃烧径向布置火管的燃气锅炉，通过变径炉胆合理排布强化换热火管，利用巨大的锅壳环向空间，增加了火管布置根数，提高了锅炉的单位体积热负荷，显著提高了锅炉蒸发量，节约锅炉的占地空间。

20、进一步的，火管采用强化换热结构，强化换热结构采用内翅强化结构、扰流子强化结构或多头螺纹强化结构，使烟气从800℃降低至300℃所用长度小于两米；火管与炉胆外侧相接处缩颈处理，增加炉胆沿圆周方向每层可排布的火管数量。

21、进一步的，本发明提供的立式炉内燃烧径向布置火管的燃气锅炉，合理排布锅炉尾部换热管，同时利用空气和低温给水冷凝烟气，显著提高了锅炉效率；

22、进一步的，本发明提供水冷屏结构，可以有效降低进入火管的烟温，将燃烧产生的辐射热隔绝在火管之外，实现高温水管换热、低温火管换热的梯度复合传热强化。

23、进一步的，本发明的燃烧头沿锅炉圆周方向布置，可同时布置多台，有助于提高锅炉的出力。

24、进一步的，所述燃烧头还可以为水冷表面燃烧火管，水冷表面燃烧火管位于锅壳和炉胆之间，水冷表面燃烧火管中插入内翅片等可以阻火的元件或不插入阻火的元件但内径小于10mm；预混气体经分配头至每根水冷表面燃烧火管，在水冷表面燃烧火管的炉胆侧点火燃烧；相临水冷表面燃烧火管之间净距离大于10mm，形成一个个独立的火炬。

25、进一步的，所述燃烧头还可以为水冷表面燃烧水管，水冷燃烧水管竖直排布，位于炉胆内部或替代部分竖直段的炉胆和锅壳；水冷表面燃烧水管为光管、翅片管或切削管，具有稳焰抵抗回火的性能；当水冷燃烧水管位于炉胆内部时，水冷燃烧水管下端为水冷燃烧面，上端为烟气流通通道，中间设置分隔管圈分隔预混气体和高温烟气，此时预混气体从中心向四周燃烧；当水冷燃烧水管替代部分竖直段的炉胆和锅壳时，位于炉胆和锅壳之间，此时预混气体从圆周向内燃烧。

26、进一步的，所述水冷表面燃烧水管的切削管包括平面切削光管、对称间断切削光管、非对称间断切削光管；切削光管组成的水冷表面燃烧水管的相邻管束之间形成具有一定深度的缝隙通道，起到阻火稳焰的作用。