CN1272606A - 水管锅炉 - Google Patents

Abstract

水管锅炉环状配置多个第一水管形成第一水管列,内侧设置燃烧室,燃烧室内进行燃烧反应的气体存在的区域环状地设置多个冷却水管形成冷却水管列,相邻的冷却水管之间设置允许进行燃烧反应的气体流通的间隙,冷却水管列与前述第一水管列之间设置燃烧反应继续区,第一水管列的外侧环状地设置多个第二水管形成第二水管列,第一水管列和第二水管列之间设置气体通路,其中下游侧单位空间的传热面积大于上游侧单位空间的传热面积。

Description

水管锅炉

本发明涉及直通式锅炉，自然循环式水管锅炉，强制循环式水管锅炉等水管锅炉。

水管锅炉是由水管构成锅炉体的锅炉。前述水管锅炉体的结构中，具有以环状配置的多根水管，由环状水管列包围起来的柱形空间构成燃烧室。在该燃烧室内主要以热辐射进行传热，在前述燃烧室的下游侧主要以对流的方式进传热。

近年来，对于这种水管锅炉要求进一步降低NO_x及CO，对于降低NO_x一方面在现有的锅炉体上安装低NO_x的燃烧器，一方面安装排放气体再循环装置进行处理，而对于降低CO的排放，通过调整燃烧装置的燃烧状态来处理。但是，随着对环境问题认识的提高，则要求进一步降低NO_x和CO的排放。

此外，为了降低运行成本，也要求提高锅炉的效率。目前，采取了在前述水管锅炉上设置传热翅增大传热面积以及设置给水预热器，从排放气体中回收热能等措施，但为了进一步节能，要求进一步提高锅炉效率。

本发明要解决的问题，是利用锅炉体和燃烧器本身简化的结构，以便进一步降低NO_x和CO，并进一步提高锅炉的效率。

权利要求1所述的本发明，其特征为，按环状配置多个第一水管形成第一水管列，在该第一水管列内侧设置燃烧室，在前述第一水管列的一个部分上设置第一开口部，在前述燃烧室内存在正在进行燃烧反应的气体的区域，环状地配置多个冷却水管形成冷却水管列，在相邻的前述冷却水管之间设置允许正在进行燃烧反应的气体流通的间隙，在前述冷却水管列与前述第一水管列之间，设置令燃烧反应继续进行的区域，在前述第一水管列的外侧环形地配置多个第二水管形成第二水管列，在该第二水管列的一个部分上设置第二开口部，在前述第一水管列和前述第二水管列之间设置气体通路，在该气体通路中，下游侧单位空间的传热面积大于上游侧单位空间的传热面积。

权利要求2所述的本发明，其特征为，在前述气体通路上，于下游侧的传热面上设置传热翅，而在上游侧的传热面上不设置前述传热翅。

进而，权利要求3所述的本发明，其特征为，在前述气体通路上，在前述第一水管和第二水管中，至少其中的一种上设置传热翅，而上游侧的每根水管上的前述传热翅的传热面积大于位于上游侧的每根水管上的前述传热翅的传热面积。

图1是本发明的第一实施例的纵剖面说明图。

图2是沿图1的II-II线截取的剖面说明图。

图3是本发明的第二实施例的说明图，它是示意地表示冷却水管配置例子的横剖面说明图。

图4是从图3中气体通路观察时所看到的第二水管列队示意说明图。

图5是本发明的第三实施例的说明图，是表示气体通路的结构例子的横剖面说明图。

本发明作为多管式水管锅炉加以实施，除适用于蒸汽锅炉及热水锅炉之外，也适用于加热载热体的载热体锅炉等。

通过环状地配置多个第一水管，构成第一水管列，于该第一水管列的内侧形成燃烧室。在前述第一水管列的一部分上，设置第一开口部。该第一开口部，除制成在周向具有适当宽度的单一开口部之外，还可分割开来设置多个开口部，在开口部之间设置一根或两根前述第一水管。在前述燃烧室存在正在进行燃烧反应的气体的区域内，环状地配置多个冷却水管，构成冷却水管列。在相邻的前述冷却水管之间，形成允许正在进行燃烧反应的气体流通的间隙。前述正在进行燃烧反应的气体，会有火焰，是正在产生燃烧反应的处于最高温度的气体。即，前述冷却水管配置在火焰中，与火焰接触。在前述冷却水管列与前述第一水管列之间，设有燃烧反应继续进行的区域。

在前述第一水管的外侧，环状地配置多个第二水管，构成第二水管列。在前述第一水管列和前述第二水管列之间，形成气体通路，通过前述第一开口部将该气体通路与前述燃烧室连通。在前述第二水管列的一个部分上设置第二开口部。该第二开口部和前述第一开口部一样，除单一开口部之外，也可由多个开口部形成。前述气体通路，经由前述第二开口部与锅炉的外部连通。

在前述气体通路中单位空间的传热面积(所谓传热面密度)，下游侧比上游侧大。例如，在前述气体通路中的传热面，即，对于前述第一水管列或前述第二水管列的前述气体通路侧的传热面，在下游侧的传热面设传热翅，而在上游侧的传热面不设传热翅。此外，在前述第一水管列和前述第二水管列至少其中之一上设置前述传热翅，而对于每个前述水管的前述传热翅的传热面积，下游侧的传热面积大于上游侧的传热面积。

作为改变每根水管的前述传热翅的传热面积的具体例子，可举出以下的结构。对于设有前述传热翅的水管周向的长度，下游侧的长度大于上游侧的长度。此外，对于前述传热翅在水管周面的垂直方向的高度，下游侧比上游侧高。进而，可以改变前述传热翅的安装间距，对于每根水管上的前述传热翅个数，也是下游侧比上游侧多。可以将这些结构进行适当的组合加以实施。

下面详细说明在前述燃烧室内正在进行燃烧反应的气体流及其反应。在前述燃烧室内由于燃料的燃烧所发生的正在进行燃烧反应的气体，被前述冷却水管冷却，温度降低抑制热NO_x的生成。由于正在进行燃烧反应的气体流过前述冷却水管的前述间隙，与前述冷却水管的整个表面接触冷却。如用Zeldovich机理所说明的那样，燃烧反应温度越高，热NO_x的生成速度显著加快，其生成量越大，而燃烧反应温度越低，其生成速度显著降低，其生成量减少，特别是当燃烧反应温度在1400℃以下，热NO_x的生成速度显著减馒。因此，按照使其燃烧反应温度在1400℃以下的方式来设定前述冷却水管的条数及传热面积。当用多个水管列构成前述冷却水管列时，单位空间的传热面积增大，可提高因冷却而降低NO_x生成量的效果。

通过前述冷却水管之间的间隙的正在进行燃烧反应的气体，在前述冷却水管列与前述第一水管列之间的区域内，继续进行燃烧反应，进行CO，HC等燃烧反应的中间生成物和燃料中未燃烧部分的燃烧反应。由于残留在正在进行燃烧反应的气体中的CO被氧化成CO₂，所以从锅炉中排放的CO量减少。

在前述燃烧室内，进行辐射传热和对流传热。燃烧反应基本上结束的气体，由前述第一开口部流向前述气体通路，在前述气体通路内，主要进行对流传热。燃烧反应结束的气体，通过前述气体通路之后，由前述第二开口部排向外部。

流经前述气体通路的燃烧反应结束的气体，与前述第一水管的被加热流体进行热交换，温度下降。从而，流经前述气体通路的燃烧反应结束的气体，越靠近下游侧体积减小，流速下降，在下游侧单位传热面积上的传热量下降。但是，通过如上所述使下游侧单位空间的传热面积大于上游侧单位空间的传热面积，在下游侧的传热量增大，提高锅炉效率。此外，下游侧传热量增大的部分可以抑制上游侧的传热量，使水管不会过热，使前述各第一水管和前述第二水管的热负荷平均，提高锅炉的耐久性。

下面参照图1和图2，说明将本发明应用于多管式直通锅炉的第一个实施例。图1是本发明的第一实施例的纵剖面说明图，图2是沿图1所II-II线的横截面说明图。

锅炉的炉体具有按预定距离隔开设置上部集流管2和下部集流管3。在这些上部集流管2和下部集流管3外周之间，配置外壁4。

在前述上部集流管2和前述下部集流管3之间，环状地配置多根(在第一实施例中为29根)第一水管5。这些第一水管5构成环状的第一水管列，前述各第一水管5的上下端部分别连到前述上部集流管2和前述下部集流管3上。该第一水管列6，在其一个部分上备有第一开口部7。在前述各第一水管5之间，除第一开口部7之外，设有第一纵翅构件8，8，…，前述各第一水管5由前述各纵翅构件8相互连接起来。

在前述第一水管6的内侧，形成燃烧室9。在该燃烧室内的正在进行燃烧反应的气体存在区域(下面称之为“燃烧反应区”)内环状地配置多根(在第一实施例中为20根)冷却水管10。这些冷却水管10构成环状的冷却水管列11，前述各冷却水管的上下端部，分别连接到前述上部集流管2和前述下部集流管3上。前述冷却水管列11，由内侧冷却水管列12和外侧冷却水管列13两个环状水管列构成。前述内侧冷却水管列，面对前述第一开口部7的前述冷却水管10按预定根数(第一实施例为5根)紧密配置。除去这些紧密配置的冷却水管10之外，在其余相邻的冷却水管10之间，形成允许正在进行燃烧反应的气体通过的间隙14。前述外侧冷却水管10，分别面对前述内侧冷却水管列12的前述各间隙配置，在前述内侧水管列12的前述冷却水管10与前述外侧冷却水管列13的前述冷却水管10之间，也形成允许正在进行燃烧反应的气体通过的间隙14。

在前述第一水管列6与前述冷却水管列11之间，设置CO和HC等燃烧反应的中间生成物及燃料中未燃烧部分。继续进行燃烧反应的区域(下面称之为“燃烧反应继续区”)15。在该燃烧反应继续区15内，不存在像前述第一水管那样的吸热部件。

在前述第一水管列6的外侧，设置环状配置的多个(第一实施例中为28根)第二水管16。这些第二水管16构成环状的第二水管列17，前述各第二水管16的上下端部，分别连接到前述上部集流管2和前述下部集流管3上。前述第二水管列17备有其一个部分的第二开口部18。该第二开口部18设在前述第一水管列6的前述第一开口部7的对向侧，与之约成180度。在前述各第二水管16之间，除第二开口部18之外，设置第二纵翅构件19，19，…，前述各第二水管16由前述各第二纵翅构件19连接。在前述第一水管6和前述第二水管列17之间，形成燃烧反应结束的气体流通的通路20。该气体通路20，经由第一开口部7与前述燃烧室9连通。

前述气体通路20的传热面中，在前述气体通路20的下游侧，于前述第一水管5和第二水管16上，多段设置作为传热翅的多个横翅构件21。该横翅构件21是为了增大在前述气体通路20上的传热量而设置的。在前述气体通路20的下游侧，气体温度降低，气体体积减小，气体流速降低，与上游侧相比其传热量降低，但通过设置前述横翅构件21，对于在前述气体通路20上单位空间的传热面积，下游侧比上游侧大，可增大在下游侧的传热量。此外，在前述气体通路20上，靠上侧的气体温度高，在前述第一水管5和第二水管16上，其传热负荷也是靠上游侧高。因此，从前述第一开口部7起，在预定数量的前述第一水管5和前述第二水管16上不设置前述横翅构件21，使得上游侧的传热负荷不会过高。

在前述燃烧室9的上方，安装有燃烧器20。该燃烧器22，从前述上部集流管2内部的中央部插入指向前述燃烧室9。前述燃烧器22的轴线与前述第一水管5基本上是平行的前述燃烧器22可选择液体燃料和气体燃料中之一切换地使用。在前述燃烧器22上连接有液体燃料供应管线23及气体燃料供应管线24。作为燃料切换装置，在前述液体燃料供应管线23上设有液体燃料阀25，在前述气体燃料供应管线24上设有气体燃料阀26。此外，前述燃烧器22备有风箱27和鼓风机28。

利用前述燃烧器22，在前述燃烧室内形成燃烧反应区，而在该反应区中的火焰存在的区域(下面称作“火焰存在区”)内，分别配置前述各冷却水管10。此外，前述各冷却水管10，按照使正在进行燃烧反应的气体与之接触后，气体温度在1400℃以下的方式，来设定冷却水管10的根数和传热面积等。

在前述外壁4上设有烟囱29。该烟囱29经由前述第二开口部18与前述气体通路20连通。

在具有以上结构的直通锅炉中，当使前述燃烧器22动作时，在前述燃烧室产生正在进行燃烧反应的气体。在该正在进行燃烧反应的气体的燃烧反应的初期阶段，燃料进行分解，该分解后的燃料与氧发生激烈的反应。然后，在下一阶段，由这一燃烧反应生成的CO及HC等中间生成物进一步发生反应，最后，燃烧反应完毕的燃烧反应结束的气体，作为排放气体排放到外部。在激烈地进行前述燃烧反应的区域，通常产生火焰。

正在进行燃烧反应的气体一边在前述冷却水管列11的中心部基本上沿其轴线方向向前述下部集流管3侧扩散流动，一边由前述间隙14流向前述燃烧反应继续区15。从而，如图1所示，火焰伴随着正在进行燃烧反应的气体的流动，一直形成到前述冷却水管列11的外侧。因此，前述各冷却水管10位于前述燃烧反应区中的前述火焰存在区内。同时，生成该火焰的正在进行燃烧反应的气体，在通过前述间隙14时与前述各冷却水管10内部的被加热流体之间间隙热交换。通过这种热交换，正在进行燃烧反应的气体被急剧冷却，温度下降，从而抑制热NO_x的产生。

在正在进行燃烧反应的气体与前述冷却水管10接触时，借助配置在面对前述第一开口部7侧的前述冷却水管10的紧密连接配置，抑制了正在进行燃烧反应的气体走捷径流向前述第一开口部7。即，不会造成与靠近前述第一开口部7的冷却水管接触的正在进行燃烧反应的气体量增多，而与远离前述第一开口部7侧的前述冷却水管10接触的正在进行燃烧反应的气体量减少的情况，因此，正在进行燃烧反应的气体与前述各冷却水管10基本上均匀接触。从而，不会使正在进行燃烧反应的气体的冷却不平衡，抑制了冷却不足部分产生的NO_x量增加，同时也抑制了冷却过度部分造成的CO量的增加。

通过前述间隙14的正在进行燃烧反应的气体，在前述燃烧反应继续区1 5内流动，直到正在进行燃烧反应的气体到达前述第一开口部7，该气体几乎不与象前述冷却水管10那样的进行热交换的其它构件接触，所以正在进行燃烧反应的气体以维持着较高温度的状态流动。因此，正在进行燃烧反应的气体一边继续进行燃烧反应，一边在前述燃烧反应继续区15内流动，在此期间促进CO被氧化成CO₂的反应。在前述燃烧反应继续区15，除前述氧化反应外，也进行前述中间生成物及燃料的未燃烧成分等的氧化反应。

当正在进行燃烧反应的气体在前述燃烧反应继续区15内流动时，为可靠地产生由CO氧化成CO₂的反应，在将正在继续燃烧反应的气体保持在预定温度以上的同时，还需要预定时间以上的反应时间。根据前述第一实施例，通过将配置在第一开口部7对面的前述冷却水管10的紧密配置，防止正在进行燃烧反应的气体走捷径流向前述第一开口部7，正在进行燃烧反应的气体，在前述燃烧反应继续区15内流过比较长的距离。从而，获得充分的反应时间，可以确保在前述燃烧反应继续区15内由CO氧化成CO₂的氧化反应。

而后，正在进行燃烧反应的气体，变成燃烧反应基本上结束的高温气体，通过前述第一开口部7流向前述气体通路20。这时，燃烧反应结束的气体被分成两个方向流向前述气体通路20。当燃烧反应结束的气体通过前述气体通路20时，热量被传递给前述各第一水管5和前述各第二水管16内的被加热流体，燃烧反应结束的气体的温度在下游侧有所降低。在前述气体通路20中，由于在下游侧的前述第一水管和前述第二水管16上设有前述横翅构件21，在下游侧的传热量增大，提高锅炉效率。此外，由于在上游侧的前述第一水管5和前述第二水管16上不设置前述横翅构件21，在上游侧的热负荷不会过高，使前述各第一水管5及前述各第二水管16的热负荷平均，防止水管过热。

进而，当燃烧反应结束的前述气体流向前述气体通路20时，即使残留有正在进行燃烧反应的气体，由于上游侧未设前述横翅构件的结构，温度也不会极端下降，仍确保使CO转换为CO₂的氧化反应的温度。从而，前述气体通路20的上游部分，具有作为前述燃烧反应继续区15的功能，获得降低CO的效果。在前述第二开口部18处汇流的燃烧反应结束的气体，由前述烟囱29作为排放气体被排放到外部。

在前述各冷却水管10、前述各第一水管5和前述各第二水管16内被加热的流体，一边被加热一边上升，由前述上部集流管2作为蒸汽被提取出来。

下面对前述第一实施例的直通锅炉更具体地加以说明。前述第一实施例，是作为蒸发量为每小时3000kg的直通锅炉加以实施的前述各冷却水管10，前述各第一水管5和前述各第二水管16的外径约为60mm。由前述燃烧器22发出的火焰的温度约1800℃，由前述各冷却水管10冷却的火焰温度约低达1100℃。该温度在热NO_x的生成量大幅度下降的温度(约1400℃)以下。因此，可以制成NO_x的排出量少的直通锅炉。顺便提及，前述第一实施例的直通锅炉的NO_x的排放量，以O₂％换算约为30ppm左右。而且，该温度则高于由CO氧化成CO₂的激烈氧化反应的温度(约800℃)。因此，前述正在进行燃烧反应的气体，在燃烧反应继续区15内流动时，可以激烈地进行由CO氧化成CO₂的氧化反应，可制成CO排放量少的直通锅炉。前述第一实施例的直通锅炉的CO排放量约15ppm左右。此外，前述第一实施例的直通锅炉的效率约为90％。

如上所述，在前述第一实施例的直通锅炉中，由前述冷却水管列11的间隙14流出的正在进行燃烧反应的气体的温度约控制在1100℃，被控制在符合低NO_x排放量和低CO排放量要求的800～1400℃的范围内。从前述间隙14中流出的正在进行燃烧反应的气体的温度，从降低NO_x的观点看，较低为好，从降低CO的观点看，温度较高为好。从这一点出发，更优选的温度范围为900～1300℃。

前述燃烧器22，其形式没有特定的限制，可采用各种形式的燃烧器。例如预混式燃烧器和先行混合式燃烧器(称之为扩散燃烧式燃烧器)，除此之外，气化式燃烧器以及各种类型的燃烧器均可选用。

下面参照图3及图4，说明本发明的第二实施例。与前述第一实施例相同的结构部件赋予相同的标号，并省略对它们的说明。图3，是横剖面说明图，此外，图4是由气体通路20侧观察时所看到的图3中第二水管列17的状态的示意图。

在该第二实施例中，设置作为传热翅的横翅构件21和全周翅构件30，分阶段地设定气体通路20中单位空间的传热面积。在对第二水管列17进行说明时，按照从上游侧的顺序，分别设置：不配置前述传热翅的第二水管16构成的第一传热部A，由在其上安装并以间距P设置前述横翅构件21的第二水管16构成的第二传热部B，由在其上面安装并以间距0.8P设置前述横翅构件21的第二水管16构成的第三传热部C，由在其上面安装并以间距0.6P设置前述横翅构件21的第二水管16构成的第四传热部D，由在其上面安装并以间距0.6P设置前述全周构件30的第二水管16构成的第五传热部E，以及在其上面安装并以间距0.4P设置前述全周构件30的第二水管16构成的第六传热部F。设有前述全周翅构件30的前述各第二水管16，不用第二纵翅构件19连接，燃烧反应结束的气体与其整个周面接触。并且，在设有前述全周翅构件30的前述第二水管的外侧，设置罩盖构件31。

在前述第二实施例中，通过改变前述横翅构件21和前述全周构件30的安装间距，改变每个水管的传热翅的面积，但也可以令其安装间距相同，而改变前述横翅构件21和前述全周翅构件30的相对于水管周面的垂直方向上的高度来改变每个水管的传热翅的传热面积。

在第一水管5的前述气体通路20侧也设置前述横翅构件21，按照其所面对的第二水管16，设定其安装间距。为调节单位空间的传热面积，在与设置前述全周翅构件30的前述第二水管16对向的前述第一水管5上不设前述传热翅。

通过分六个阶段设定前述气体通路20中的单位空间的传热面积，按照燃烧反应结束的气体温度下降的程度增大传热面积，可以在横跨整个前述气体通路20上，形成减少压力损失具有高传热效率的传热面。从而显著提高锅炉效率。此外，进一步降低前述各第一水管5和前述各第二水管6上的热负荷差。冷却水管列11的结构，和前述第一实施例一样，可获得与前述第一实施例同样的降低NO_x并降低CO的效果。

进而，参照图5说明本发明的第三个实施例。与前述第一实施例相同的结构部件采用相同的标号，并省略对它们的详细说明。在该第三实施例中，气体通路20在第一开口部7处不分向两个方向，只流向一个方向。在前述第一开口部7附近，由间隔构件32将前述第一水管列6与前述第二水管列17连接前来，前述气体通路20从前述间隔构件32的一侧开始，到另一侧终止，绕前述第一水管列6一周。

前述气体通路20，与前述第一实施例一样，上游侧的第一水管5和第二水管16上不设置横翅构件21，在下游侧的第一水管5和第二水管16上设置横翅构件21，下游侧单位空间的传热面积比上游侧单位空间的传热面积大。从而，通过增大下游侧的传热量提高锅炉效率，同时达到各水管热负荷的平均化。此外，由于冷却水管列11的结构与前述第一实施例相同，从而获得与前述第一实施例同样的降低NO_x和降低CO的效果。

如上所述，根据本发明，提供一种利用锅炉自身简易的结构，进一步降低NO_x和降低CO，并相对于环境问题，可排放清洁的排放气体的水管锅炉。此外，通过对传热面所采取的巧妙办法，显著地提高锅炉效率，可对节能作出很大的贡献。

Claims (3)

1.水管锅炉，其特征为，环状配置多个第一水管5形成第一水管列6，于该第一水管列6的内侧设置燃烧室9，在前述第一水管列6的一个部分上设置第一开口部7，在前述燃烧室9内于正在进行燃烧反应的气体存在的区域环状地配置多个冷却水管10，形成冷却水管列11，在相邻冷却水管10之间设置允许正在进行燃烧反应的气体流通的间隙14，在前述冷却水管11与前述第一水管列6之间设置燃烧反应继续进行的区域15，在前述第一水管列6的外侧环状地配置多个第二水管16形成第二开口部17，在该第二水管列17的一个部分上形成第二开口部18，在前述第一水管列6与前述第二水管列17之间设置气体通路20，在该气体通路20中，下游侧单位空间的传热面积大于上游侧单位空间的传热面积。

2.如权利要求1所述的水管锅炉，其特征在于，在前述气体通路20中，在下游侧的传热面上设置传热翅，在上游侧的传热面上不设传热翅。

3.如权利要求1或2所述的水管锅炉，其特征在于，在前述气体通路20中，在前述大于水管5和前述第二水管16中至少其中一种上设置传热翅，在下游侧每个水管的传热翅传热面积大于上游侧每个水管的传热翅的传热面积。

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