深度冷却式燃气热水锅炉开发设计及总结

戚仲凯 李晶 王思远

摘 要：根据用户提出燃气热水锅炉效率高的要求，设计开发出深度冷却式燃气热水锅炉。该锅炉低温回水运行时，可实现回收烟气中水蒸气的汽化潜热，热效率高，并实现了低NOx排放，水循环安全。经过一个采暖周期的验证，锅炉优越性能得以很好的体现。

关键词：深度冷却；低NOx排放；多点疏水；强制循环

前言

燃气锅炉的燃料成本远远高于煤炉，为降低运行成本，用户对锅炉的效率提出更高的要求。北京某热力公司于2013年在某科技园区投建2台29MW热水锅炉。我公司经过精心设计，开发出高效深度冷却式热水锅炉，经过一个采暖季的运行实践，锅炉的良好性能得到了很好的验证。

1. 锅炉的设计要求

锅炉额定功率：29MW

锅炉额定压力：1.6MPa

燃料：天然气（发热量为8400Kcal/Nm3）

锅炉出水温度：130℃

锅炉回水温度：70℃

循环水量：413t/h

排烟温度：80℃（排烟温度与回水温度的温差不大于10℃）

设计效率：96%

NOx排放：＜100mg/Nm3

2. 方案的确定

用户要求燃气热水锅炉功率为29MW，锅炉为室内布置，我公司大型燃气热水锅炉主打炉型为角管直流锅炉和D型锅炉，为节省锅炉的高度空间，决定采用D型结构的炉型。

而锅炉方案的确定需解决如下问题：

(1）D型锅炉有大量的对流管束，热水锅炉的温差小，密度差小，必须保证锅炉的水循环的可靠性；

(2）此台锅炉要求排烟温度80℃，与70℃的回水只有10℃温差，锅炉整体需要比正常120℃-150℃排烟温度的热水锅炉增加很多的受热面，锅炉体积将增加，要保证锅炉的紧凑性；

(3）在低负荷或启炉时，锅炉本体的出口烟温远低于额定计算出口温度，回水温度较低时会有冷凝水产生，并且排烟温度会更低，尾部受热面会有大量冷凝水产生，要做好预防措施；

(4)要求锅炉烟气的NOx的排放浓度小于100mg/m3，远低于北京地区DB11/139《锅炉大气污染物排放标准》的150mg/m3排放要求，更低于国家标准GB13271《锅炉大气污染物排放标准》400 mg/m3的排放要求。

针对以上分析，锅炉设计方案如下：

(1）为保证热水锅炉的水循环安全性，锅炉采用强制循环的设计，冷凝器、节能器与本体之间的水流采用串联形式；

(2）为避免锅炉体积过大，锅炉尾部的节能器、冷凝器采用螺旋翅片管形式，使锅炉在相同体积下拥有更多的受热面积；

(3）为避免本体的腐蚀，设计要求实现如下：①不管锅炉是额定负荷还是低负荷时，本体的壁面温度要高于烟气露点温度，在设计锅炉水流程时，不但要求与出口烟气（此处烟气温度是锅炉本体最低的部位）换热的受热面内热水有较高的温度，并且要求锅炉回水（锅炉本体水温最低）要先与温度较高的烟气进行换热；②在锅炉冷态启动的初始阶段，锅炉本体的烟气出口段会有冷凝水产生，节能器与冷凝器都会冷凝水产生，所以锅炉本体的对流管束区设有疏水管，节能器、冷凝器都设有疏水管，及时将冷凝水排出；③冷凝器是用来回收烟气中水蒸气汽化潜热的部件，在回水温度低于烟气的露点温度（59℃）时，冷凝器会有冷凝水产生，为防止冷凝水对受热面的腐蚀，冷凝器采用ND钢螺旋翅片管；

(4)为实现锅炉低NOx的排放，锅炉选用低氮燃烧器，为配合低氮燃烧器的燃烧工况，锅炉采用大炉膛设计，降低燃烧室的容积热负荷，降低燃烧的温度场。

下面图1为锅炉总图，表1为本台锅炉热力计算汇总表。

图1锅炉总图

表1 热力汇总表

3．锅炉烟气流程及水流程设计

(1)烟气流程

燃烧器燃烧天然气在炉膛内形成高温火焰对炉膛膜式水冷壁辐射放热，经过辐射换热后形成的高温烟气进入锅炉本体的对流管束区进行对流放热，对流换热后的烟气再经过转弯烟道依次进入节能器、冷凝器进行放热，被冷却的烟气最后排向大气。图2为烟气流程图。

图2 烟气流程图

(2)水流程

热水锅炉的回水先经过冷凝器，吸热后再进入节能器，最后进入锅炉本体进行吸热，在锅炉本体中，回水依次通过18个水流程进行吸热达到设计水温；在设计本体的水流程时，为避免本体受热面的腐蚀，将从节能器出来的水流先进入炉膛出口的对流段，再进入炉膛水冷壁管吸收辐射热，从水冷壁出来的水流（此时水温已经较高）再与锅炉本体的出口烟气区进行换热，这样烟气低温区对流管束的壁温即便是锅炉低回水温度（45℃）运行时也不会产生冷凝水。表2为水阻力计算汇总表。

表2 水阻力计算汇总表

4．锅炉结构设计

4.1水冷壁

本锅炉为D型自支撑结构。锅炉本体的膜式水冷壁、对流管束与上、下锅筒进行焊接，从而形成一个整体坐落于底座上，从而形成自支撑；锅炉本体承压部分采用底座支撑结构，下锅筒的前端采用固定支座支撑，后部用两组滑动支座支撑，锅炉整体一起膨胀，从而解决锅炉的膨胀问题；锅炉的冷凝器、节能器通过接连烟道与锅炉本体连接。

炉膛水冷壁由前墙水冷壁、后墙水冷壁、左侧水冷壁及右侧的U行水冷壁组成，其中右侧的U行水冷壁也充当了上下侧的水冷壁；左右侧水冷壁直接与上、下锅筒连接，前墙水冷壁、后墙水冷壁分别与上下集箱连接后再与锅筒连接；炉膛前后墙水冷壁中心距为9850mm，炉膛左右侧水冷壁中心距为2400mm，膜式壁中心线上下的高度距离为2590mm；考虑锅炉为热水锅炉，管内工作温度低，膜式壁间距选为80mm，膜式水冷壁管子采用φ51x4mm，经计算膜式壁膜片中心温度最高处为320℃，处于安全工况。炉膛水冷壁的水流程由6个流程组成，3个水流上升区，3个水流下降区，其中水流上升区的平均水流速设计为1.5m/s，水流下降区的平均水流速为2m/s。

另外锅炉炉膛膜式水冷壁上下侧以及右侧采用刚性梁进行加固，起到加强炉膛强度并且起到抗震的作用。

4.2对流管束

对流管束与上下锅筒进行焊接连接，对流管束两侧由炉膛左侧水冷壁及锅炉左侧膜式水冷壁包裹密封，形成独立的对流换热区，对流管束采用φ51x3mm的管子，材质为20/GB3087，经计算，对流布置330m2的受热面积可达到预计的本体出口烟温，故设计的对流管束有880根。对流管束入口采用错列的拉稀布置形式，从而降低烟气流速，后部采用正常的顺列形式布置。对流管束被设计分为12个水流程，其中6个水流上升区，6个水流下降区；拉稀区的烟气平均流速为22.4m/s，后部对流管束区烟气平均流速为17.5m/s；其中水流上升对流管束水平均流速为7m/s,水流下降对流管束的水平均流速为1.3m/s；

4.3节能器

本台锅炉的排烟设计温度较低，与锅炉回水温度仅有10℃温差，这需要有足够多的受热面对低温烟气进行吸热，为保证锅炉尾部受热面有充足的受热面积并且要控制尾部受热面的体积不能过于庞大，锅炉的节能器与冷凝器都设计成螺旋翅片管结构形式。

节能器每2列螺旋翅片管上下端分别与φ159的小集箱连接，φ159的小集箱再与φ325的大集箱进行插入焊接，形成一个受压件的整体坐落在钢架上的支座上，上部的小集箱用U形螺栓与顶部钢架进行悬吊。螺旋翅片管采用各位φ38x4 20/GB3087的管子，翅片高度为15mm，节距为6.3mm；冷凝器螺旋翅片管也采用规格为φ38x4的管子，管子与翅片的材质都高考钢。锅炉采用微正压运行，为控制锅炉整体阻力不宜过大，节能器螺旋翅片管采用顺列布置，且烟气流速不可设计的太高，烟气平均流速最终设计为9m/s；管内工质流速为0.7m/s。

节能器在壳体底部设有储水槽，储水槽的底部设有疏水管，确保在锅炉启动时冷凝水能够及时排出。

5．锅炉运行总结

（1）锅炉在低负荷，低温回水时（约45℃）时，只打开锅炉本体的输水阀门，输水管没有冷凝水流出，证实此时没有冷凝水产生，锅炉本体不会被腐蚀，达到了锅炉设计的目的；

（2）调制完成后，锅炉整个采暖季运行稳定，没有出现水击等异响，也没有异常震动的发生，验证了本锅炉水循环的可靠安全；

（3）锅炉NOx排放实测小于80mg/Nm3，还小于设计值的100 mg/Nm3，锅炉低容积热负荷配合低氮燃烧器达到了低NOx排放的目的。

6．结束语

本锅炉受热面布局合理，水循环设计安全可靠，烟气阻力小，排烟温度与回水的温差不大于10℃，热效率高，NOx排放低，完全满足了用户预期的各项指标，受到用户的一致赞誉。

7．参考文献

[1] GB13271-2001《鍋炉大气污染物排放标准》

[2] DB11-139-2007（北京）《锅炉大气污染物排放标准》