一种卧式水冷预混燃烧环向布置火管的燃气锅炉

本发明属于燃气锅炉，具体涉及一种卧式水冷预混燃烧环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。卧式室燃燃气锅炉是目前使用最为广泛的天然气锅炉，具有结构成熟、制造维修方便、炉体热效率高等优势，但也存在着炉体巨大启停炉速度慢、燃烧室空间巨大难以适配表面燃烧技术、锅炉排烟冷凝量较小等问题。

2、针对卧式室燃燃气锅炉燃烧室空间巨大难以适配表面燃烧技术的问题，申请号cn202123432116.7，一种新型水冷燃烧火管冷凝锅炉提出了一种外置平板水冷燃烧器结构，外置平板水冷燃烧器仅能利用锅炉炉胆前墙的空间，平板水冷燃烧器的面积难以做大，且该结构通过连接管与本体相连，更适用于热水锅炉，申请号cn202123432116.7，一种全预混水冷燃烧的锅壳式燃气锅炉，提出了圆锥形水冷预混燃烧器，虽然可以增加燃烧面的面积，但是冷却水需要强制循环，且水路易结垢堵塞存在着安全风险。锅炉炉胆内部空间巨大，若利用炉胆空间布置水冷燃烧器，则可以显著提高水冷燃烧面的面积和功率，目前急缺一种能够将水冷燃烧器与锅炉本体有机结合的卧式锅炉。

3、针对卧式室燃燃气锅炉排烟冷凝率较低的现状，申请号cn202211116372.1，可调预混燃烧和局部回燃耦合的短流程超紧凑燃气锅炉提出了一种紧凑式的空气预热器和节能冷凝器组合的结构，但是空气预热器安装在锅炉本体出口处，无法解决尾部低温烟气的冷凝温度。烟气冷凝需要大量低温工质，锅炉助燃风与低温烟气换热才能充分冷凝烟气。申请号cn201420403118.4，尾部带气-气热管换热管的卧式火管锅炉，提出了一种热管型空气预热器，利用空气冷凝烟气，但热管结构易泄露，且必须垂直布置热管，使换热器的安装方式受限。

4、目前卧式室燃燃气锅炉的火管部分采用大量强化换热技术，已经极大程度的缩短了火管的长度，但火管的尾端通常位于锅炉前管板或后管板，火管的前段位于炉膛后管板，没有利用锅壳上的巨大环向空间，由于炉膛后管板、锅炉前管板或后管板的面积有限，制约了火管的根数，导致采用强化换热技术的卧式室燃燃气锅炉蒸发量均低于10t/h。因此改变火管的排布方式，利用锅炉锅壳的环向巨大空间，可使锅炉蒸发量增加至30t/h以上。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种卧式水冷预混燃烧环向布置火管的燃气锅炉，实现水冷燃烧与卧式锅炉的有机结合，合理排布强化换热火管，利用巨大的锅炉环向空间，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：一种卧式水冷预混燃烧环向布置火管的燃气锅炉，包括锅壳、炉胆、水冷燃烧管束、水冷屏、火管、混合器以及分配头，混合器、分配头、水冷燃烧管束、水冷屏沿着介质流向依次布置，炉胆偏心布置在锅壳内，锅壳与炉胆布置在炉体汽水空间；水冷燃烧管束、水冷屏、炉胆依次连通收集烟道、节能器、收水盘、烟气冷凝器、空预器的烟气侧以及烟囱；炉胆的两端为膜式壁炉墙；

3、火管设置在炉胆环向侧，火管沿炉胆长度方向均匀布置，火管占据炉胆圆周方向的20％～55％，火管浸没在汽水空间的水位线以下；火管采用强化换热结构，强化换热结构为内翅强化结构、扰流子强化结构或多头螺纹强化结构；

4、收集烟道设置在锅壳的圆周方向，覆盖所有的火管在锅壳外侧的烟气出口，收集烟道出口连接节能器的烟气入口。

5、进一步的，水冷燃烧管束采用光管、切削光管或打孔焊接ω型管；切削光管是沿圆管的轴线方向间断切削形成若干间隔的平面，切削形成的两组平面平行或近似平行；一根管侧面切削形成的平面关于圆管的中面对称分布，相邻两个管束的间断未切削处交替排布，或一根管侧面切削形成的平面关于圆管的中面对称分布，相邻两个管束的间断未切削处对齐排布；或一根管侧面切削形成的平面关于圆管的中面非对称分布；水冷燃烧管束中相邻水冷管之间形成具有设定深度的缝隙通道；打孔焊接ω型管是将ω型管钢管的短翅相互焊接，所有ω型管钢管的平面共面，并在短翅处打孔形成预混气体喷孔，预混气体从喷孔离开后点火燃烧。

6、进一步的，水冷燃烧管束的上端与炉胆相连或水冷燃烧管束穿过炉胆与锅壳，并延伸至锅壳的外侧；当水冷燃烧管束的上端延伸至锅壳的外侧时，水冷燃烧管束位于炉胆与锅壳之间的部分开设多个水冷燃烧管束导气孔，水冷屏吸热产生的蒸汽从水冷燃烧管束导气孔中扩散至锅壳内部，水冷燃烧管束的上端部有可拆卸水冷燃烧管束堵头；

7、水冷屏的上端与炉胆相连或穿过炉胆和锅壳延伸至锅壳的外侧；当水冷屏的上端延伸至锅壳的外侧时，水冷屏位于炉胆与锅壳之间的部分开有多个导气孔，水冷屏的上端部有可拆卸堵头。

8、进一步的，水冷屏的管束采用密排光管或强化换热翅片管，密排光管和强化换热翅片管内径大于25mm；水冷屏的下端与炉胆连接，沿烟气流动方向水冷屏布置一到四排；每排水冷屏的两端靠近炉胆处进行弯折处理，使水冷屏管束两端与炉胆内壁的夹角小于45°；每排水冷屏以炉胆水平面为剖面形成的管排截面为直线型、三角形或弧线形。

9、进一步的，水冷屏采用强化换热翅片管，强化换热翅片为螺旋翅片、h型翅片、销钉翅片或组合型“只甲”翅片；组合型“只甲”翅片包括“只”型翅片管和“甲”型翅片管，“只”型翅片管和“甲”型翅片管间隔布置，炉膛侧不设翅片；“只”型翅片管由圆管和呈“只”型分布的左右板翅组成，“甲”型翅片管由圆管和单板翅组成；“只”型分布的左右板翅距“甲”型翅片管的圆管的距离不大于10mm。

10、进一步的，火管中沿轴向设置多个缝隙射流环，缝隙射流环包括凸形堵头；凸形堵头沿火管圆周方向均匀开设竖直射流缝隙；缝隙射流环将沿火管轴向向流动的烟气导流至圆周方向，烟气从竖直缝隙射流环中高速喷出冲刷火管的内壁面降温。

11、进一步的，分配头位于炉胆内部一侧，分配头包括曲面气室、孔板、导流管以及密封侧板；曲面气室贴合部分炉胆内表面，孔板贴合水冷燃烧管束，孔板表面至水冷燃烧管束表面距离小于20mm；导流管位于密封侧板或曲面气室表面，当导流管位于密封侧板表面时，混合器在膜式壁炉墙之外，当导流管位于曲面气室表面时，混合器穿过锅壳。

12、进一步的，分配头位于炉胆内部沿长度方向的左右双侧，设置两个分配头组成，两个分配头之间设置一排水冷屏，炉胆端部设置一排水冷屏，火管分布在炉胆的环向侧，火管位于炉胆和锅壳的端部之间。

13、进一步的，分配头位于炉胆内部沿长度方向的前后两端，设置两组分配器和混合器，火管分布在炉胆环向侧，火管集中在炉胆长度方向的中部；两个混合器均位于前后膜式壁炉墙外侧，炉胆的两端为圆台形或柱形；两排水冷燃烧管束在炉胆两端平行排布或按设定夹角排布。

14、进一步的，分配头设置在炉胆的内部，分配头不与炉胆内部贴合，分配头沿炉胆水平方向的截面呈矩形、梯形、三角形；

15、或分配头设置在炉胆的外部，此时水冷燃烧管束替换部分膜式壁炉墙。

16、进一步的，收水盘位于烟气冷凝器的下方，收水盘包括槽式收集杆、溢流孔、冷凝水汇集箱、u型排水管组成；槽式收集杆设置在烟气冷凝器的下方，冷凝水汇集箱设置在烟气冷凝器外侧，槽式收集杆包括两层错列排布带槽型结构的收集杆，收集杆截面呈“v”型或“u”型，槽式收集杆倾斜或水平布置，u型排水管设置在冷凝水汇集箱最低处，冷凝水汇集箱的底面设置水平凹陷作为最低处。

17、进一步的，所述水冷燃烧管束采用水冷燃烧火管组成的管束，水冷燃烧火管位于锅壳和炉胆之间，水冷燃烧火管中插入阻火元件或水冷燃烧火管的内径小于10mm，相邻水冷燃烧火管之间净距离大于10mm。

18、进一步的，预混气体经弧形分配头至每根水冷燃烧火管，弧形分配头贴合锅壳的外侧，覆盖所有水冷燃烧火管的入口，弧形分配头包括导流管、分配室和均流孔板；导流管与混合器相连；预混气体沿导流管至分配室，在均流孔板的均流作用下分配至每一根水冷燃烧火管。

19、进一步的，节能器、烟气冷凝器为水管换热结构，锅炉给水流经管内，烟气流经管外，烟气从下往上流动；其中水管采用光管或外翅片强化换热管；节能器和烟气冷凝器呈扁平状，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，节能器和烟气冷凝器布置于锅壳侧面。

20、进一步的，节能器、烟气冷凝器以及空预器设置为一体式火管节能冷凝空预器，锅炉给水和空气流经管外，烟气流经管内，烟气从上往下流动；一体式火管节能冷凝空预器包括多根竖直布置的贯通式火管、给水进口集箱、给水出口集箱以及给水套管，还设置有低温空预器风道和/或高温空预风道，贯通式火管内侧采用强化换热结构，贯通式火管外侧与给水套管配合段为光管；给水套管与贯通式火管一一配合，给水套管位于贯通式火管外侧，上下两端与给水进口集箱和给水出口集箱连通，形成给水通路，给水套管与贯通式火管之间形成环形缝隙通道，环形缝隙通道的宽度小于10mm，环形缝隙通道中插入扰流子；一体式火管节能冷凝空预器布置于锅壳的侧面。

21、进一步的，当设置低温空预器风道和高温空预风道时，贯通式火管外侧与低温空预器风道、高温空预风道配合段为外翅片结构；低温空预器风道位于给水进口集箱下方，高温空预风道位于给水出口集箱上方；低温空预器风道的进口与风机相连，低温空预器风道的出口与高温空预风道的进口相连，高温空预风道的出口与混合器相连；当设置低温空预器风道或高温空预风道时，低温空预器风道或高温空预风道的入口与风机相连，出口与混合器相连。

22、进一步的，所述节能器、烟气冷凝器设置为一体式火管节能冷凝器，即锅炉给水流经管外，烟气流经管内，烟气从上往下流动；一体式火管节能冷凝器包括多根竖直布置的一体式火管、进口集箱、出口集箱和水套管；一体式火管内侧采用强化换热结构，强化换热结构为内翅强化结构、扰流子强化结构或多头螺纹强化结构，一体式火管外侧与水套管配合段为光管；水套管与一体式火管一一配合，给水套管位于贯通式火管外侧，上下两端与进口集箱、出口集箱连通，形成给水通路；水套管与一体式火管之间形成环形缝隙通道，给水在环形缝隙通道内竖直流动，环形缝隙通道的宽度小于10mm，环形缝隙通道中插入扰流子进一步缩小给水的流通截面积。

23、进一步的，节能器、烟气冷凝器以及空预器设置为雨滴形水管式节能冷凝空预器，给水流经管内，烟气和空气流经管外，水管换热段为光管或翅片管；雨滴形水管式节能冷凝空预器包括串联式烟气冷凝器、串联式空预器和倾斜布置的节能器；串联式烟气冷凝器和串联式空预器的每一根水管均连通；锅炉给水从串联式空预器上方进入，流动至串联式烟气冷凝器，在串联式烟气冷凝器的外侧转弯后再次先后进入串联式烟气冷凝器、串联式空预器，循环往复直到从串联式空预器下方外侧离开后进入节能器；烟气分两股从节能器的下方进入，上方离开，在收水盘下方合二为一，随后自下而上流经串联式烟气冷凝器，空气自上而下流经串联式空预器，随后进入风机；雨滴形水管式节能冷凝空预器布置在锅炉的前侧或后侧，整体外形呈水滴形。

24、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

25、本发明合理排布水冷燃烧管束，利用了巨大的纵向炉胆空间，增加水冷燃烧面积，水冷燃烧管束直接接入锅炉水循环，提高了锅炉的蒸发量和安全性；

26、本发明提供的卧式水冷预混燃烧环向布置火管的燃气锅炉，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，提高锅炉的单位体积热负荷，显著提高锅炉蒸发量，节约锅炉的占地空间；

27、本发明设置水冷屏结构，可以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；

28、本发明提供的卧式水冷预混燃烧环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，显著提高锅炉效率。

29、进一步的，本发明合理排布水冷燃烧火管，利用炉胆与锅壳之间的空间布置燃烧头，将部分炉胆面作为水冷燃烧面，增加了水冷燃烧面积，水冷燃烧面吸收的火焰热量可直接进入锅炉的水侧。

30、进一步的，切削光管组成的水冷燃烧管束的相邻管束之间形成缝隙通道，起到阻火稳焰的作用；水冷燃烧管束的上端与炉胆相连或穿过炉胆和锅壳延伸至锅壳的外侧；当水冷燃烧管束的上端延伸至锅壳的外侧时，水冷燃烧管束位于炉胆与锅壳之间的部分开有多个水冷燃烧管束导气孔，水冷屏吸热产生的蒸汽从水冷燃烧管束导气孔中扩散至锅壳内部，水冷燃烧管束和水冷屏的上端延伸至锅壳之外，上端为可拆卸结构，可以拆开清洗管束内的水垢，解决了现有水冷燃烧器易结构，清洗困难的问题，显著延长了锅炉的使用寿命。

31、进一步的，所述水冷屏位于水冷燃烧管束和火管之间，水冷屏的下端与炉胆连接，用于部分屏蔽可燃气体燃烧时对火管端部的辐射热，将进入火管的烟气温度降低至800℃以下；每排水冷屏的两端贴近炉胆处，弯折管束两端使管束两端与炉胆内壁的夹角小于45°。

32、进一步的，“只”型翅片管将高温烟气引导至“甲”型翅片管的表面并射流冲刷其尾部的单板翅，整个复合换热过程包括湍流换热强化和射流换热强化两个过程，单排组合型“只甲”翅片可将烟气降温300℃以上。

33、进一步的，水冷屏位于炉胆与锅壳之间的部分开有多个导气孔，水冷屏吸热产生的蒸汽从导气孔中扩散至锅壳内部，水冷屏的上端部有可拆卸堵头，拆去堵头，即可清洗水冷屏。

34、进一步的，缝隙射流环将沿管长方向流动的烟气导流至圆周方向，烟气从竖直缝隙射流环中高速喷出冲刷火管的内壁面降温；竖直缝隙射流环处的烟气流速大于20m/s，单个缝隙射流环可使800℃以上的烟气降温100℃以上。