新型节能卧式内燃燃气锅炉研究

王仲强 陈国喜 焦武军

摘 要：随着国家对环保的日益重视，传统锅炉的燃烧排放已经不能满足相关环保要求。因此，人们需要对锅炉进行内部结构改造，以提升其性能。本研究通过设计、使用分程隔板和大烟管，采用分区精准传热技术，弥补了传统锅炉的不足，降低了燃料消耗，研制出性能优异的新型锅炉。

关键词：分区精准传热;卧式内燃燃气锅炉;低氮燃烧

中图分类号：TK229.8文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0132-02

Abstract： As the state pays more and more attention to environmental protection， the combustion emissions of traditional boilers can no longer meet relevant environmental protection requirements. Therefore， people need to modify the internal structure of the boiler to improve its performance. Through the design and use of splitter plates and large smoke tubes， and the use of partition accurate heat transfer technology， this research made up for the shortcomings of traditional boilers， reduced fuel consumption， and developed a new type of boiler with excellent performance.

Keywords： partition accurate heat transfer;horizontal internal-combustion gas-fired boiler;low nitrogen combustion

卧式内燃燃气锅炉（以下简称WNS型燃气锅炉）作为小型燃油气锅炉（0.5～25.0 t/h）的重要炉型，凭借其炉体紧凑、占地面积小、升压快等优点，在传统工业领域得到广泛应用。近年来，在国家提倡节能减排的大形势下，WNS型燃气锅炉已取代传统燃煤锅炉，占据小型油气炉市场的80%以上，其中应用最为广泛的炉型为带内部回燃室的湿背式锅炉。但是，随着国家对锅炉燃烧及排放的要求更加严格，各制造企业对常规的锅炉炉型进行了相应的改造，而改造不可避免地带来了热量和金属材料的浪费。因此，研究人员针对卧式内燃燃气锅炉内部结构进行重新设计，使其在满足环保要求的同时进一步节约成本和能源。

1 传统锅炉结构限制

传统的WNS型锅炉因结構原因存在一些先天性的缺陷，其中一个主要问题就是低温段对流受热面（主要是二回程管束）传热效果太差，导致传热面利用率很低，造成金属材料的浪费。近年来，由于国家环保要求愈发严格，人们对锅炉提出了低氮燃烧的要求[1]，新制造锅炉的内部结构也产生了相应的变化。绝大部分制造企业采取加大锅炉的燃烧室直径和加长燃烧室长度的方式来实现锅炉的低氮燃烧，这种结构的目的是实现天然气更充分的燃烧，同时增加炉膛的受热面积和吸热量[2]。但随着锅炉燃烧室长度的增加，第一、二回程烟管长度也会增加，对应烟管吸热量也相应增加约20%，结果导致锅炉本体的排烟温度大幅度降低，甚至到了基本等于炉水饱和温度的地步。这种结构变化导致相当部分的烟管起不到有效的传热作用，只是起到输送烟气的作用。通过对比实际使用中的数据，压力为1.25 MPa时水的饱和蒸汽温度为193.3 ℃，而现有炉型第二回程烟管的出口烟温多数在204～220 ℃，随着第二回程烟管出口烟温的降低，二回程烟管的传热温压和传热效果（单位受热面积的传热量）也急剧降低，对流受热面烟气温度与锅筒内水的温度（工作压力下的饱和温度）差距小是影响传统炉型低温段对流受热面传热效果的主要原因。技术人员也尝试减少烟管数量以节约制造成本，但是减少烟管数量会带来烟气流速的提升和传热系数的升高，同时提高了烟气的阻力。因此，在设计的经济流速范围内，减少烟管数量带来的成效不大。也就是说，锅炉低氮燃烧要求使得快组装锅炉低温段管束传热效果太差的矛盾更加突出。

2 新型节能锅炉设计

研究人员通过设计对锅炉水内部进行分区，以实现精准传热，提高受热面两端温度差，进而提升传热效率。研究人员通过设计使用分区隔板的方式对锅炉水进行分区，对于高温的蒸发受热面，供给其饱和或者接近饱和的高温水，提高其蒸发效率;对于其他烟气温度相对较低、起到水加热作用的受热面，供给低温冷水，进一步吸收低温烟气携带的热量。这种设计可以使低温烟气段对流受热面处于冷水区域，使高温烟气段对流受热面处于热水区域，进而提高烟气侧与水侧的温度差，以此来显著提高换热效果，提升传热面金属材料利用率。

为了实现分区精准传热，有必要优化内部结构设计。第一步利用分区精准传热隔板，把锅炉炉水按照烟气侧的温度水平分隔为高温区和低温区;第二步对低温区供给冷水，把冷水加热成高温水;第三步把低温区加热后的高温水供给至高温区继续加热。这样的设计整体上提高烟气侧与水侧的温度差距，可以提高换热效果，提升传热面金属材料利用率，最终实现传热效率的提升。依据该思路，本设计计划在锅筒内增加传热隔板，使锅炉炉水实现分区流动，并通过供水提供的动力在锅炉内产生水的循环流动，在流动过程中实现锅炉炉水与烟管在不同区域产生不同的温度差，最终使炉水逐步加热。这样的循环可以提高锅炉的传热效率。分区精准传热的2回程大烟管锅炉介质水流程示意图如图1所示。

为了进一步解决传热效率偏低的问题，研究人员通过设计增大烟管直径并减少烟管数量，有效控制受热面面积，主要措施是第二回程烟管直径由常用的45～70 mm调整为89～159 mm，并减少第二回程烟管数量。这种设计在保证传热效率的前提下节约金属材料，有效提升低温段烟气的热量传递，同时减少锅炉制造过程中焊接接头的数量，尤其是在极易出现裂纹的回燃室前管板，有效地降低了安全风险。

3 产品试制与能效测试结果

针对上述设计思路，研究人员已会同相关制造企业进行了新型锅炉的试制，并完成了4、6、10 t/h等型号WNS燃气锅炉的能效测试工作。根据能效测试结果，新型锅炉的能效均保持在96%以上，氮氧化物及颗粒物等排放指标也可以满足国家要求，对比同型号的传统WNS锅炉，其具有明显的优势。根据锅炉的用户反馈，该炉型也具有更快的升压速度，同时降低了燃气的消耗量，对于长期稳定运行的工况可以实现大幅度的节能。

4 结论

新时代，国家对环境保护的要求日益严格，有关部门对锅炉的设计和使用也提出了新的要求，这给锅炉设计人员提出了新的挑战。为了满足愈发严格的环保指标，锅炉的结构必须不断改进。一方面，锅炉的燃烧和排放要满足环保的要求以及锅炉安全运行的要求，另一方面，锅炉必须很好地发挥自身功效。未来将会有更多针对传统锅炉的改造升级，市场上也将会看到更多具有优异性能的新型锅炉。

参考文献：

[1]朱明磊.燃油燃气锅炉低氮燃烧及能效提升工作[J].化工管理，2020（3）：121-122.

[2]宋少鹏，卓建坤，李娜，等.天然气供热锅炉低氮燃烧技术研究现状[J].供热制冷，2016（2）：18-21.