新型節能臥式內燃燃氣鍋爐研究

王仲強 陳國喜 焦武軍

摘 要：隨著國家對環保的日益重視，傳統鍋爐的燃燒排放已經不能滿足相關環保要求。因此，人們需要對鍋爐進行內部結構改造，以提升其性能。本研究通過設計、使用分程隔板和大煙管，采用分區精準傳熱技術，彌補了傳統鍋爐的不足，降低了燃料消耗，研制出性能優異的新型鍋爐。

關鍵詞：分區精準傳熱;臥式內燃燃氣鍋爐;低氮燃燒

中圖分類號：TK229.8文獻標識碼：A文章編號：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

臥式內燃燃氣鍋爐（以下簡稱WNS型燃氣鍋爐）作為小型燃油氣鍋爐（0.5～25.0 t/h）的重要爐型，憑借其爐體緊湊、占地面積小、升壓快等優點，在傳統工業領域得到廣泛應用。近年來，在國家提倡節能減排的大形勢下，WNS型燃氣鍋爐已取代傳統燃煤鍋爐，占據小型油氣爐市場的80%以上，其中應用最為廣泛的爐型為帶內部回燃室的濕背式鍋爐。但是，隨著國家對鍋爐燃燒及排放的要求更加嚴格，各制造企業對常規的鍋爐爐型進行了相應的改造，而改造不可避免地帶來了熱量和金屬材料的浪費。因此，研究人員針對臥式內燃燃氣鍋爐內部結構進行重新設計，使其在滿足環保要求的同時進一步節約成本和能源。

1 傳統鍋爐結構限制

傳統的WNS型鍋爐因結構原因存在一些先天性的缺陷，其中一個主要問題就是低溫段對流受熱面（主要是二回程管束）傳熱效果太差，導致傳熱面利用率很低，造成金屬材料的浪費。近年來，由于國家環保要求愈發嚴格，人們對鍋爐提出了低氮燃燒的要求[1]，新制造鍋爐的內部結構也產生了相應的變化。絕大部分制造企業采取加大鍋爐的燃燒室直徑和加長燃燒室長度的方式來實現鍋爐的低氮燃燒，這種結構的目的是實現天然氣更充分的燃燒，同時增加爐膛的受熱面積和吸熱量[2]。但隨著鍋爐燃燒室長度的增加，第一、二回程煙管長度也會增加，對應煙管吸熱量也相應增加約20%，結果導致鍋爐本體的排煙溫度大幅度降低，甚至到了基本等于爐水飽和溫度的地步。這種結構變化導致相當部分的煙管起不到有效的傳熱作用，只是起到輸送煙氣的作用。通過對比實際使用中的數據，壓力為1.25 MPa時水的飽和蒸汽溫度為193.3 ℃，而現有爐型第二回程煙管的出口煙溫多數在204～220 ℃，隨著第二回程煙管出口煙溫的降低，二回程煙管的傳熱溫壓和傳熱效果（單位受熱面積的傳熱量）也急劇降低，對流受熱面煙氣溫度與鍋筒內水的溫度（工作壓力下的飽和溫度）差距小是影響傳統爐型低溫段對流受熱面傳熱效果的主要原因。技術人員也嘗試減少煙管數量以節約制造成本，但是減少煙管數量會帶來煙氣流速的提升和傳熱系數的升高，同時提高了煙氣的阻力。因此，在設計的經濟流速范圍內，減少煙管數量帶來的成效不大。也就是說，鍋爐低氮燃燒要求使得快組裝鍋爐低溫段管束傳熱效果太差的矛盾更加突出。

2 新型節能鍋爐設計

研究人員通過設計對鍋爐水內部進行分區，以實現精準傳熱，提高受熱面兩端溫度差，進而提升傳熱效率。研究人員通過設計使用分區隔板的方式對鍋爐水進行分區，對于高溫的蒸發受熱面，供給其飽和或者接近飽和的高溫水，提高其蒸發效率;對于其他煙氣溫度相對較低、起到水加熱作用的受熱面，供給低溫冷水，進一步吸收低溫煙氣攜帶的熱量。這種設計可以使低溫煙氣段對流受熱面處于冷水區域，使高溫煙氣段對流受熱面處于熱水區域，進而提高煙氣側與水側的溫度差，以此來顯著提高換熱效果，提升傳熱面金屬材料利用率。

為了實現分區精準傳熱，有必要優化內部結構設計。第一步利用分區精準傳熱隔板，把鍋爐爐水按照煙氣側的溫度水平分隔為高溫區和低溫區;第二步對低溫區供給冷水，把冷水加熱成高溫水;第三步把低溫區加熱后的高溫水供給至高溫區繼續加熱。這樣的設計整體上提高煙氣側與水側的溫度差距，可以提高換熱效果，提升傳熱面金屬材料利用率，最終實現傳熱效率的提升。依據該思路，本設計計劃在鍋筒內增加傳熱隔板，使鍋爐爐水實現分區流動，并通過供水提供的動力在鍋爐內產生水的循環流動，在流動過程中實現鍋爐爐水與煙管在不同區域產生不同的溫度差，最終使爐水逐步加熱。這樣的循環可以提高鍋爐的傳熱效率。分區精準傳熱的2回程大煙管鍋爐介質水流程示意圖如圖1所示。

為了進一步解決傳熱效率偏低的問題，研究人員通過設計增大煙管直徑并減少煙管數量，有效控制受熱面面積，主要措施是第二回程煙管直徑由常用的45～70 mm調整為89～159 mm，并減少第二回程煙管數量。這種設計在保證傳熱效率的前提下節約金屬材料，有效提升低溫段煙氣的熱量傳遞，同時減少鍋爐制造過程中焊接接頭的數量，尤其是在極易出現裂紋的回燃室前管板，有效地降低了安全風險。

3 產品試制與能效測試結果

針對上述設計思路，研究人員已會同相關制造企業進行了新型鍋爐的試制，并完成了4、6、10 t/h等型號WNS燃氣鍋爐的能效測試工作。根據能效測試結果，新型鍋爐的能效均保持在96%以上，氮氧化物及顆粒物等排放指標也可以滿足國家要求，對比同型號的傳統WNS鍋爐，其具有明顯的優勢。根據鍋爐的用戶反饋，該爐型也具有更快的升壓速度，同時降低了燃氣的消耗量，對于長期穩定運行的工況可以實現大幅度的節能。

4 結論

新時代，國家對環境保護的要求日益嚴格，有關部門對鍋爐的設計和使用也提出了新的要求，這給鍋爐設計人員提出了新的挑戰。為了滿足愈發嚴格的環保指標，鍋爐的結構必須不斷改進。一方面，鍋爐的燃燒和排放要滿足環保的要求以及鍋爐安全運行的要求，另一方面，鍋爐必須很好地發揮自身功效。未來將會有更多針對傳統鍋爐的改造升級，市場上也將會看到更多具有優異性能的新型鍋爐。

參考文獻：

[1]朱明磊.燃油燃氣鍋爐低氮燃燒及能效提升工作[J].化工管理，2020（3）：121-122.

[2]宋少鵬，卓建坤，李娜，等.天然氣供熱鍋爐低氮燃燒技術研究現狀[J].供熱制冷，2016（2）：18-21.