王仲強(qiáng) 陳國喜 焦武軍

摘 要：隨著國家對環(huán)保的日益重視，傳統(tǒng)鍋爐的燃燒排放已經(jīng)不能滿足相關(guān)環(huán)保要求。因此，人們需要對鍋爐進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，以提升其性能。本研究通過設(shè)計、使用分程隔板和大煙管，采用分區(qū)精準(zhǔn)傳熱技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鍋爐的不足，降低了燃料消耗，研制出性能優(yōu)異的新型鍋爐。

關(guān)鍵詞：分區(qū)精準(zhǔn)傳熱;臥式內(nèi)燃燃?xì)忮仩t;低氮燃燒

中圖分類號：TK229.8文獻(xiàn)標(biāo)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(nèi)燃燃?xì)忮仩t（以下簡稱WNS型燃?xì)忮仩t）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(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，在國家提倡節(jié)能減排的大形勢下，WNS型燃?xì)忮仩t已取代傳統(tǒng)燃煤鍋爐，占據(jù)小型油氣爐市場的80%以上，其中應(yīng)用最為廣泛的爐型為帶內(nèi)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(yán)格，各制造企業(yè)對常規(guī)的鍋爐爐型進(jìn)行了相應(yīng)的改造，而改造不可避免地帶來了熱量和金屬材料的浪費(fèi)。因此，研究人員針對臥式內(nèi)燃燃?xì)忮仩t內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，使其在滿足環(huán)保要求的同時進(jìn)一步節(jié)約成本和能源。

1 傳統(tǒng)鍋爐結(jié)構(gòu)限制

傳統(tǒng)的WNS型鍋爐因結(jié)構(gòu)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(dǎo)致傳熱面利用率很低，造成金屬材料的浪費(fèi)。近年來，由于國家環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格，人們對鍋爐提出了低氮燃燒的要求[1]，新制造鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。絕大部分制造企業(yè)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(shí)現(xiàn)鍋爐的低氮燃燒，這種結(jié)構(gòu)的目的是實(shí)現(xiàn)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(yīng)煙管吸熱量也相應(yīng)增加約20%，結(jié)果導(dǎo)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(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致相當(dāng)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(shí)際使用中的數(shù)據(jù)，壓力為1.25 MPa時水的飽和蒸汽溫度為193.3 ℃，而現(xiàn)有爐型第二回程煙管的出口煙溫多數(shù)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(nèi)水的溫度（工作壓力下的飽和溫度）差距小是影響傳統(tǒng)爐型低溫段對流受熱面?zhèn)鳠嵝Ч闹饕?。技術(shù)人員也嘗試減少煙管數(shù)量以節(jié)約制造成本，但是減少煙管數(shù)量會帶來煙氣流速的提升和傳熱系數(shù)的升高，同時提高了煙氣的阻力。因此，在設(shè)計的經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)，減少煙管數(shù)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(jié)能鍋爐設(shè)計

研究人員通過設(shè)計對鍋爐水內(nèi)部進(jìn)行分區(qū)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)傳熱，提高受熱面兩端溫度差，進(jìn)而提升傳熱效率。研究人員通過設(shè)計使用分區(qū)隔板的方式對鍋爐水進(jìn)行分區(qū)，對于高溫的蒸發(fā)受熱面，供給其飽和或者接近飽和的高溫水，提高其蒸發(fā)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(jìn)一步吸收低溫?zé)煔鈹y帶的熱量。這種設(shè)計可以使低溫?zé)煔舛螌α魇軣崦嫣幱诶渌畢^(qū)域，使高溫?zé)煔舛螌α魇軣崦嫣幱跓崴畢^(qū)域，進(jìn)而提高煙氣側(cè)與水側(cè)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(shí)現(xiàn)分區(qū)精準(zhǔn)傳熱，有必要優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。第一步利用分區(qū)精準(zhǔn)傳熱隔板，把鍋爐爐水按照煙氣側(cè)的溫度水平分隔為高溫區(qū)和低溫區(qū);第二步對低溫區(qū)供給冷水，把冷水加熱成高溫水;第三步把低溫區(qū)加熱后的高溫水供給至高溫區(qū)繼續(xù)加熱。這樣的設(shè)計整體上提高煙氣側(cè)與水側(cè)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(shí)現(xiàn)傳熱效率的提升。依據(jù)該思路，本設(shè)計計劃在鍋筒內(nèi)增加傳熱隔板，使鍋爐爐水實(shí)現(xiàn)分區(qū)流動，并通過供水提供的動力在鍋爐內(nèi)產(chǎn)生水的循環(huán)流動，在流動過程中實(shí)現(xiàn)鍋爐爐水與煙管在不同區(qū)域產(chǎn)生不同的溫度差，最終使?fàn)t水逐步加熱。這樣的循環(huán)可以提高鍋爐的傳熱效率。分區(qū)精準(zhǔn)傳熱的2回程大煙管鍋爐介質(zhì)水流程示意圖如圖1所示。

為了進(jìn)一步解決傳熱效率偏低的問題，研究人員通過設(shè)計增大煙管直徑并減少煙管數(shù)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(diào)整為89～159 mm，并減少第二回程煙管數(shù)量。這種設(shè)計在保證傳熱效率的前提下節(jié)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(shù)量，尤其是在極易出現(xiàn)裂紋的回燃室前管板，有效地降低了安全風(fēng)險。

3 產(chǎn)品試制與能效測試結(jié)果

針對上述設(shè)計思路，研究人員已會同相關(guān)制造企業(yè)進(jìn)行了新型鍋爐的試制，并完成了4、6、10 t/h等型號WNS燃?xì)忮仩t的能效測試工作。根據(jù)能效測試結(jié)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(biāo)也可以滿足國家要求，對比同型號的傳統(tǒng)WNS鍋爐，其具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)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?xì)獾南牧?，對于長期穩(wěn)定運(yùn)行的工況可以實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)能。

4 結(jié)論

新時代，國家對環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，有關(guān)部門對鍋爐的設(shè)計和使用也提出了新的要求，這給鍋爐設(shè)計人員提出了新的挑戰(zhàn)。為了滿足愈發(fā)嚴(yán)格的環(huán)保指標(biāo)，鍋爐的結(jié)構(gòu)必須不斷改進(jìn)。一方面，鍋爐的燃燒和排放要滿足環(huán)保的要求以及鍋爐安全運(yùn)行的要求，另一方面，鍋爐必須很好地發(fā)揮自身功效。未來將會有更多針對傳統(tǒng)鍋爐的改造升級，市場上也將會看到更多具有優(yōu)異性能的新型鍋爐。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱明磊.燃油燃?xì)忮仩t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(shù)研究現(xiàn)狀[J].供熱制冷，2016（2）：18-21.