一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉的制作方法

1.本发明涉及燃气锅炉技术领域，具体涉及一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉。


背景技术：

2.燃气蒸汽锅炉有着高效节能、环保安全、运行稳定、维护方便、适应性强的特点，在纺织、化工、食品加工等行业仍需要大量的0.1～10蒸吨之间的燃气蒸汽锅炉作为能量来源。目前市场上燃气蒸汽锅炉种类繁多，但是现有燃气蒸汽锅炉如重庆烨森热能设备有限公司申请的cn219177670u、上海扬诺锅炉制造有限公司申请的cn107781800a等燃气蒸汽锅炉，燃烧器燃烧效率低，燃烧阻力大，氮氧化物排放高于30mg/m3，碳排放高，不符合国家节能减排的要求，采用传统的烟气湍流强化传热，强化能力弱，所需锅炉受热面大幅增加，同时也增加了换热管束的数量，增加了材料成本以及焊接工作量，使得工艺碳排放大大增加。


技术实现要素：

3.为了解决燃气蒸汽锅炉存在的问题，本发明的目的在于提供一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，采用环形水冷燃烧管屏，环形水冷燃烧管屏的换热管束相邻光管之间采用扁钢焊接，并扁钢上开有两列径向孔，使得混合气在扁钢外侧形成交错流，点火燃烧后有利于提高火焰稳定性，降低火焰长度，降低火焰温度，使燃气燃烧器氮氧化物排放小于30mg/m3；燃烧效率大于99.8％，与传统国产燃烧器相比可降低燃烧阻力40％，有效降低碳排放10％～30％以上；采用“层流强化”换热的管耦合板翅强化换热管束，管耦合板翅强化换热管束之间形成缝隙通道，相邻耦合翅片蒸发换热管束之间形成的缝隙通道可以消除传统换热过程中的中心高温区，烟气通过缝隙通道时，整个通道均处于传热传质强烈的边界层区域，换热系数可达130w/m2·
℃以上。
4.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，采用立式布置，包括燃烧器、管耦合板预混水冷燃烧管屏、管耦合板翅强化换热管束、膜式壁下降管屏、螺旋翅片对流管束、节能冷凝管束、上部汽水室、下部水室、锅炉外壳以及烟囱；管耦合板预混水冷燃烧管屏、管耦合板翅强化换热管束、膜式壁下降管屏由内向外同心布置，管耦合板预混水冷燃烧管屏和管耦合板翅强化换热管束之间的环形空间即为炉膛，管耦合板翅强化换热管束和膜式壁下降管屏之间空间形成烟气通道，螺旋翅片对流管束、节能冷凝管束和烟囱沿着烟气流向设置在锅炉外壳一侧；上部汽水室和下部水室为环形集箱，管耦合板预混水冷燃烧管屏、管耦合板翅强化换热管束、膜式壁下降管屏以及螺旋翅片对流管束连通上部汽水室和下部水室；管耦合板翅强化换热管束设置缝隙式烟气通道；燃烧器设置在顶部中心位置。
5.螺旋翅片对流管束布置有三排，第一排螺旋翅片对流管束的上端和下端分别伸入上部汽水室和下部水室的底部和顶部，第二排和第三排螺旋翅片对流管束的基管弯折成“c”型，第二排和第三排螺旋翅片对流管束上端和下端分别从上部汽水室和下部水室的外
侧面伸入上部汽水室和下部水室，管耦合板预混水冷燃烧管屏上端和下端分别从上部汽水室和下部水室的内侧面伸入上部汽水室和下部水室。
6.耦合翅片蒸发换热管束采用折翅翅片管，折翅翅片管包括基管和翅片，基管采用缩颈光管，翅片包括相互连接的折翅和前翅，前翅与光管连接，折翅与前翅之间有一弯折角，折翅悬空，翅片表面设置纵向肋；翅片弯折设定的角度使得前一管的折翅和下一管的前翅平行，翅片起始端厚度最大，沿着气流方向厚度逐渐降低，折翅沿气流方向厚度不变，前一管的折翅和下一管的前翅之间形成缝隙通道，前一管折翅和后一管的前翅之间的缝隙通道宽度为0.2～1mm；基管和翅片内外开坡口，采用tig焊接、mig焊接或激光焊连接，基管采用燃气锅炉标准规定的材料，翅片采用导热系数不低于200w/(m
·
k)的材料制成。
7.纵向肋包括前翅外侧表面和折翅内侧表面设置矩形纵向肋或者波浪形纵向肋，矩形纵向肋和波浪形纵向肋采用激光切割、冲压或刻蚀工艺成型；
8.或纵向肋为横纵交错肋、纵向交错肋以及横纵交错扰流柱型肋，前翅外侧肋和折翅内侧肋组合形成“迷宫式烟气通道”，所述横纵交错肋、纵向交错肋以及横纵交错扰流柱型肋采用激光切割、冲压和刻蚀工艺成型。
9.锅炉外壳板与膜式壁下降管屏之间敷有内衬的保温材料，上部汽水室内侧面和均流孔板之间所形成的环形空间中填充耐火泥；下部水室内侧所围成的柱形空间内填充耐火泥。
10.环形预混水冷燃烧管屏包括多个“c”型换热光管，相邻换热光管间采用扁钢焊接，扁钢上以设定的角度顺列或错列开设通孔，通孔形状为圆形、菱形、矩形或长圆形，换热管竖直布置形成环形水冷燃烧管屏；管耦合板预混水冷燃烧管屏内侧设置均流孔板，均流孔板为圆筒形，止于下部水室顶部的密封孔板，上部汽水室的密封孔板下方为起始打孔位置，均流孔板厚度为10～15mm。
11.上部汽水室上表面内侧设置两个“l”型折板，两个“l”型折板相对设置，其中一个“l”型折板的宽度和高度都小于另一个“l”型折板；下部水室外侧有给水进口，底部有密封板，上部汽水室的顶部有安全阀、蒸汽出口、压力表和压力传感器，侧面有水位计接口。
12.锅炉外壳顶部与上部汽水室的底部和下部水室的顶部外沿相接，包围螺旋翅片对流管束和节能冷凝管束，锅炉尾部连接一方转圆结构烟道外壳，方转圆结构烟道外壳尾部连接烟囱，下方开有一冷凝水排出孔；上部汽水室的顶部中心位置设置有燃烧器安装面板，燃烧器固定在燃烧器安装面板上，燃烧器连接有鼓风机，均流孔板焊接在燃烧器安装面板下面。
13.上部汽水室内圈设置上部集箱，下部水室内圈设置下部集箱，管耦合板预混水冷燃烧管屏的基管采用竖直的缩颈光管，基管的上端和下端分别深入上部集箱和下部集箱的底部和顶部，上部汽水室上表面为光板。
14.下部集箱内有雾化器，雾化器的入口连通下部水室。
15.上部汽水室和上部集箱采用弯头连通，下部水室和下部集箱采用弯头连通。
16.膜式壁下降管屏包括多个换热管，多个换热管束竖直布置，相邻换热管间采用扁钢焊接密封，膜式壁下降管屏沿着涡线排布，形成宽度逐渐增大的等压烟气通道。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.本发明的一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉采用层流强化
换热的理念，通过缝隙通道消除烟气换热过程的中心高温区，使锅炉烟气仅需50mm～200mm长的流程即可从1150℃以上降至280℃以下，同时烟气阻力控制在1000pa以下，降低锅炉蒸吨钢耗量和水容积；本发明的一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉可实现天然气全预混水冷稳定燃烧，有效降低火焰长度和火焰温度，使燃气燃烧器氮氧化物排放小于30mg/m3，燃烧效率大于99.8％，与传统燃烧器相比可降低燃烧阻力40％，有效降低碳排放10％～30％以上，同时预混器内置使得锅炉结构更加紧凑，进一步缩小锅炉体积。
19.进一步的，本发明采用低流速短流程的设计理念，节能器半内置，冷凝器外置，充分利用烟气余热，使烟气温度降低到50℃以下，使锅炉效率提高10％以上。
20.进一步的，本发明的一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉的核心换热元件耦合翅片蒸发换热管，基管和翅片之间形成天然v型坡口，结构简单便于大规模加工生产组装，翅片弯折并添加纵向肋，在增大了换热面积的同时，使前后两换热管束之间形成稳定的缝隙通道，大大提高了强化传热的效果。
21.进一步的，本发明的一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉可采用燃烧器整体可拆卸的型式，便于燃烧器的维护和检修，水冷燃烧管束内发生相变强化传热，降低金属壁温。
附图说明
22.下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。
23.图1a是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉前视剖面图；图1b是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉炉体俯视图；图1c是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉节能冷凝器右视剖视图；图1d是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉右上视图；
24.图2a是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉焊接带有径向孔扁钢的环形水冷燃烧管屏管束示意图；图2b为环形水冷燃烧管屏管束扁钢上以一定角度开方形孔示意图，图2c为环形水冷燃烧管屏管束扁钢上以设定角度开圆形孔示意图；图2d为环形水冷燃烧管屏管束扁钢上以不同于图2c的角度开圆形孔示意图；图2e为环形水冷燃烧管屏管束扁钢上以设定角度开菱形孔示意图；
25.图3a是管耦合板翅强化换热管束4采用折翅翅片管组成的管束形成射流、湍流、层流强化传热通道的局部剖视示意图；图3b是管耦合板翅强化换热管束4采用折翅翅片管组成的管束形成层流强化传热通道的局部剖视示意图；图3c是管耦合板翅强化换热管束4采用折翅翅片管采用矩形纵向肋431、432形成的缝隙通道示意图；图3d是管耦合板翅强化换热管束4采用波浪形纵向肋431、432形成的缝隙通道示意图；图3e是管耦合板翅强化换热管束4采用横纵交错肋形成的缝隙通道透视图；图3f是管耦合板翅强化换热管束4采用纵向交错肋形成的缝隙通道透视图；图3g是管耦合板翅强化换热管束4采用横纵交错扰流柱型肋形成的缝隙通道透视图；
26.图4是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉环形膜式壁下降管屏5示意图；
27.图5是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉上部汽水室8前视剖视图；
28.图6是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉下部水室9前视剖视图；
29.图7是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉的均流孔板以及不同孔洞形状示意图；
30.图8是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉沿涡线布置膜式壁下降管屏从而形成等压烟气通道示意图；
31.图9a是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉采用燃烧器整体可拆卸式方案输出过热蒸汽的前视剖视图；图9b是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉采用燃烧器整体可拆卸式方案右上视图；图9c是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉采用燃烧器整体可拆卸式方案左上后视图；图9d是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉采用燃烧器整体可拆卸式方案输出饱和蒸汽的整体示意图；
32.图10是本发明一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉采用燃烧器整体可拆卸式方案输出过热蒸汽时所添加的雾化器20示意图。
33.1-鼓风机，2-燃烧器，3-管耦合板预混水冷燃烧管屏，4-管耦合板翅强化换热管束，5-膜式壁下降管屏，6-螺旋翅片对流管束，7-节能冷凝管束，8-上部汽水室，9-下部水室，10-锅炉外壳，11-方转圆结构，12-烟囱，13-均流孔板，14-安全阀，15-冷凝水排出孔，16-燃烧器安装面板，18-密封板，19
‑“
l”型折板，171-第一密封孔板，172-第二密封孔板，20-雾化器，21-燃烧头，22-天然气和空气经预混器，41-基管，42-翅片，43-纵向肋，431-矩形纵向肋，432-波浪形纵向肋，81-上部集箱，91-下部集箱，
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。
35.本发明提出一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，发明了一种环形水冷燃烧管屏，预混器内置的燃气蒸汽锅炉，缩小了锅炉整体体积，使结构更加紧凑，且混合气能通过二次整流后在环形水冷燃烧管屏后形成交错流，使高温烟气回流在水冷管束上，有效降低火焰温度，减少火焰长度，增加燃烧稳定性，进一步降低氮氧化物排放，同时采用缝隙微通道层流强化传热技术，显著提高换热效率，该技术优势在于结构紧凑、工艺流程简单、流程短、阻力低，不仅可以降低原材料的碳排放、生产制造工艺碳排放，更重要的是直接降低提供动能的电力消耗，降低运行碳排放和运行成本，真正实现产品全供应链碳排放最低。
36.如图1a和图1b所示，所述锅炉立式布置，包括鼓风机1、燃烧器2、管耦合板预混水冷燃烧管屏3、管耦合板翅强化换热管束4、膜式壁下降管屏5、螺旋翅片对流管束6、节能冷凝管束7、上部汽水室8、下部水室9、锅炉外壳10、烟囱12以及安全阀14；沿锅炉径向布置三圈环形管排，内圈管束由多个“c”型换热光管组成，换热管间距大于5mm，换热管间采用扁钢焊接，扁钢上开两列径向孔，换热管竖直布置形成环形水冷燃烧管屏；中圈管束包括多个耦合翅片管，耦合翅片管竖直布置形成缝隙通道管耦合板翅强化换热管束4；外圈多个换热管束竖直布置，相邻换热管间采用扁钢焊接密封，形成膜式壁下降管屏5，膜式壁下降管屏5为环形；锅炉中后段错列竖直布置三排螺旋翅片对流管束6，锅炉尾部横向布置由一根水管弯
折而成的四排节能冷凝管束7，膜式壁下降管屏5、管耦合板翅强化换热管束4、第一排螺旋翅片对流管束6的上端和下端分别伸入上部汽水室8和下部水室9的底部和顶部，第二排和第三排螺旋翅片对流管束6的基管弯折成“c”型，第二排和第三排螺旋翅片对流管束6上端和下端分别从上部汽水室8和下部水室9的外侧面伸入上部汽水室8和下部水室9，管耦合板预混水冷燃烧管屏3上端和下端分别从上部汽水室8和下部水室9的内侧面伸入上部汽水室8和下部水室9，管耦合板预混水冷燃烧管屏3和管耦合板翅强化换热管束4之间的环形空间即为炉膛，管耦合板翅强化换热管束4和膜式壁下降管屏5之间空间形成烟气通道；上部汽水室8和下部水室9为环形集箱；下部水室9外侧有给水进口，底部有密封板18，上部汽水室8的顶部有安全阀14、蒸汽出口、压力表、压力传感器和燃烧器安装面板16，侧面有水位计接口，在蒸汽出口下方，上部汽水室8上表面内侧设置两个“l”型折板19；上部汽水室8的底面和下部水室9的顶面焊接一个密封孔板，锅炉外壳10顶部与上部汽水室8的底部和下部水室9的顶部外沿相接，包围着所有换热管，锅炉尾部连接一方转圆结构11烟道外壳，方转圆结构11烟道外壳尾部连接烟囱12，下方开有一冷凝水排出孔15；燃烧器2固定在燃烧器安装面板16上，燃烧器安装面板16设置在上部汽水室8的顶面中心处，燃烧器安装面板16下方焊接筒形均流孔板13；本发明的锅炉外壳板10与膜式壁下降管屏5之间敷有内衬的保温材料，以极大的减少锅炉的散热损失。
37.如图1b所示，天然气和空气经预混器22充分混合后，在第一密封孔板171和燃烧器安装面板16的约束下，混合气沿径向首先穿过均流孔板13的孔洞，再穿过预混水冷燃烧管屏3扁钢的孔洞后点火燃烧，燃烧后形成的高温烟气沿管耦合板翅强化换热管束4之间的缝隙进行层流强化换热，烟气换热结束后温度降低，进入管耦合板翅强化换热管束4和膜式壁下降管屏5之间环形空间形成的烟气通道，向锅炉尾部运动，在尾部膜式壁下降管屏5的管束和管耦合板翅强化换热管束4之间扁钢的约束下，烟气冲刷螺旋翅片对流管束6，冷却后的烟气继续向后流动冲刷节能冷凝管束7，烟气温度进一步下降发生冷凝后通过烟囱12排入大气，产生的冷凝水通过冷凝水排出孔15排出。
38.如图1c、图1d和图5所示，20℃的锅炉给水通入节能冷凝器下方的进水口，沿节能冷凝管束7向前流动，到达节能冷凝器另一侧时水平折转180
°
，沿节能冷凝管束7继续流动，到达进水侧时，再向上折转180
°
，如此沿着管路蜿蜒流动，最终从节能冷凝器上方出口得到90℃的锅炉给水，再从出水集箱24通入下部水室9，高温锅炉给水进入下部水室9后均匀的分配在管耦合板预混水冷燃烧管屏3、管耦合板翅强化换热管束4、膜式壁下降管屏5以及螺旋翅片对流管束6之中，锅炉给水在向上流动的同时吸热气化变为水蒸气，进入上汽水室8后，蒸汽受“l”形折板19的约束90
°
折转四次后通过上部汽水室8上方的蒸汽出口，输出饱和蒸汽。
39.如图2a、图2b图2c、图2d和图2e所示，环形预混水冷燃烧管屏3包括多个“c”型换热光管，换热管间采用扁钢焊接，扁钢上以设定的角度顺列或错列开两通孔，通孔的形状可以是圆形、菱形、矩形或长圆形，换热管竖直布置形成环形水冷燃烧管屏，混合气穿过单个换热管两旁孔洞形成交错气流，使得点火燃烧后的高温烟气回流到水冷管束上，可进一步降低火焰温度和火焰长度，进而减小no
x
浓度。
40.如图3a至图3d所示，所述管耦合板翅强化换热管束4采用折翅翅片管，折翅翅片管包括基管41和翅片42，基管41采用缩颈光管，缩颈光管是指在光管两端与管板连接处直径
缩小，翅片42包括相互连接的折翅和前翅，前翅与光管连接，折翅与前翅之间有一弯折角，折翅悬空，翅片42弯折一定的角度使得前一管的折翅和下一管的前翅平行，翅片的前翅外侧和折翅内侧采用激光切割、冲压或刻蚀工艺成型矩形纵向肋431或者波浪形纵向肋432，使得前一管束折翅和后一管束的前翅之间形成0.2～1mm宽的缝隙通道；翅片42起始端厚度最大，沿着气流方向厚度逐渐降低，折翅沿气流方向厚度不变，目的是提高翅片的强度和稳定性；基管41和翅片42内外开坡口，采用tig焊接、mig焊接或激光焊，形成射流、湍流、层流强化传热通道，或在焊接后填充翅片内侧与基管的空间形成层流强化传热通道；基管41采用燃气锅炉标准规定的材料，翅片42不是承压件，采用导热系数不低于200w/m
·
k的材料；
41.如图3e至图3g所示，所述纵向肋43也可采用激光切割、冲压和刻蚀工艺成型横纵交错肋、纵向交错肋以及横纵交错扰流柱型肋，前翅外侧肋和折翅内侧肋组合形成“迷宫式烟气通道”，使烟气的热量更多的传递给管束中的水，强化传热；
42.如图4所示，所述膜式壁下降管屏5采用缩颈光管，光管沿圆弧线排布，相邻换热管间焊接扁钢密封；
43.如图5所示，在燃烧器安装面板16、均流孔板13、第一密封孔板171和上部汽水室8内侧面所形成的环形空间中填充耐火泥，最大程度上减少锅炉散热损失；
44.如图6所示，在下部水室9上方的第二密封孔板172和下方的密封板18之间形成的圆柱形空间内填充耐火泥，最大程度上减少锅炉散热损失；
45.如图5、图6和图7所示，所述均流孔板13焊接在燃烧器安装面板16之下，止于下部水室9上方的第二密封孔板172，上部汽水室8的第一密封孔板171下方为起始打孔位置，为了更好地整流，均流孔板13厚度约为10～15mm，图7中，a所示孔洞为圆形，b所示孔洞为菱形、c所示孔洞为长圆形，孔洞的形状也可以是矩形。
46.如图8所示，所述膜式壁下降管屏5也可沿着涡线排布，形成烟气通道宽度不断增大的等压烟气通道，使烟气分布的更加均匀，烟气流通更加顺畅。
47.如图9a、图9b和图9c所示，所述一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉也可采用燃烧器2可拆卸输出过热蒸汽的型式，当采用此方案时的不同点在于，增加一个上部集箱81和一个下部集箱91，上部集箱81为环形结构，其上下表面分别和上部汽水室8的上下表面平齐，下部集箱91同为环形结构，其上下表面分别和下部水室9平齐，上部集箱81和下部集箱91的外表面与上部汽水室8下部水室的内表面紧密贴合，管耦合板预混水冷燃烧管屏3的基管采用竖直的缩颈光管，基管的上端和下端分别深入上部集箱81和下部集箱91的底部和顶部，上部汽水室上有饱和蒸汽出口、安全阀14、压力表、压力传感器侧面有水位计接口，在蒸汽出口下方，上部汽水室8上表面内侧不再设置两个“l”型折板19，上部集箱81顶部有燃烧器安装面板和过热蒸汽出口，下部集箱91内有雾化器20；20℃的锅炉给水通入节能冷凝器下方的进水口，沿节能冷凝管束7向前流动，到达节能冷凝器另一侧时水平折转180
°
，沿节能冷凝管束7继续流动，到达进水侧时，再向上折转180
°
，如此沿着管路蜿蜒流动，最终从节能冷凝器上方出口得到约90℃的锅炉给水，高温锅炉给水再经过管道通入下部水室9，高温锅炉给水进入下部水室9后均匀的分配在管耦合板预混水冷燃烧管屏3、管耦合板翅强化换热管束4、膜式壁下降管屏5、螺旋翅片对流管束6之中，锅炉给水在向上流动的同时吸热气化变为水蒸气，进入上部汽水室8产生的饱和蒸汽经过管路通入下部集箱91，此时雾化器20将来自下部水室9中的水气化，增加饱和蒸汽的含水量，含水量提高的
饱和蒸汽均匀的分配在每一根管耦合板预混水冷燃烧管束3中后向上流动，受热后变成过热蒸汽从过热蒸汽出口排出。
48.如图9d所示，所述一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉也可采用燃烧器2整体可拆卸输出饱和蒸汽的型式，上部汽水室8和上部集箱81采用弯头连通，下部水室9和下部集箱91同样采用弯头连通，上部集箱81产生的水蒸气通过弯头进入上部汽水室8，最终产生的饱和蒸汽从上部汽水室上方的蒸汽出口排出，下部集箱91内不设置雾化器20。。
49.如图10所示，所述雾化器20为圆环形，放置在下部集箱91中，雾化来自下部水室9中的锅炉给水，增加饱和蒸汽湿度。
50.综上所述，本发明提供一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，提出一种环形水冷燃烧管屏，水冷燃烧管屏的换热管束采用弯折为“c”型的光管，扁钢焊接在相邻“c”型光管的中部，并开有两列径向孔，使得混合气在扁钢外侧形成交错流，点火燃烧后有利于提高火焰稳定性，降低火焰长度，降低火焰温度，使燃气燃烧器氮氧化物排放小于30mg/m3。燃烧效率大于99.8％，与传统国产燃烧器相比可降低燃烧阻力40％，有效降低碳排放10％～30％以上；提出一种高效的“层流强化”传热原件，即折翅翅片管，受热面采用“梯形”直翅弯折形成的折翅翅片，翅片弯折一定的角度使得前一管束的折翅和下一管束的前翅平行，翅片的前翅外侧和折翅内侧焊接纵向肋，使得前一管束折翅和后一管束的前翅之间形成0.2～1mm宽的缝隙通道，相邻耦合翅片蒸发换热管束之间形成的缝隙通道可以消除传统换热过程中的中心高温区，烟气通过缝隙通道时，整个通道均处于传热传质强烈的边界层区域，换热系数可达130w/m2·
℃以上。

技术特征：
1.一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，采用立式布置，包括燃烧器(2)、管耦合板预混水冷燃烧管屏(3)、管耦合板翅强化换热管束(4)、膜式壁下降管屏(5)、螺旋翅片对流管束(6)、节能冷凝管束(7)、上部汽水室(8)、下部水室(9)、锅炉外壳(10)以及烟囱(12)；管耦合板预混水冷燃烧管屏(3)、管耦合板翅强化换热管束(4)、膜式壁下降管屏(5)由内向外同心布置，管耦合板预混水冷燃烧管屏(3)和管耦合板翅强化换热管束(4)之间的环形空间即为炉膛，管耦合板翅强化换热管束(4)和膜式壁下降管屏(5)之间空间形成烟气通道，螺旋翅片对流管束(6)、节能冷凝管束(7)和烟囱(12)沿着烟气流向设置在锅炉外壳(10)一侧；上部汽水室(8)和下部水室(9)为环形集箱，管耦合板预混水冷燃烧管屏(3)、管耦合板翅强化换热管束(4)、膜式壁下降管屏(5)以及螺旋翅片对流管束(6)连通上部汽水室(8)和下部水室(9)；管耦合板翅强化换热管束(4)设置缝隙式烟气通道；燃烧器(2)设置在顶部中心位置。2.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，螺旋翅片对流管束(6)布置有三排，第一排螺旋翅片对流管束(6)的上端和下端分别伸入上部汽水室(8)和下部水室(9)的底部和顶部，第二排和第三排螺旋翅片对流管束(6)的基管弯折成“c”型，第二排和第三排螺旋翅片对流管束(6)上端和下端分别从上部汽水室(8)和下部水室(9)的外侧面伸入上部汽水室(8)和下部水室(9)，管耦合板预混水冷燃烧管屏(3)上端和下端分别从上部汽水室(8)和下部水室(9)的内侧面伸入上部汽水室(8)和下部水室(9)。3.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，耦合翅片蒸发换热管束(4)采用折翅翅片管，折翅翅片管包括基管(41)和翅片(42)，基管(41)采用缩颈光管，翅片(42)包括相互连接的折翅和前翅，前翅与光管连接，折翅与前翅之间有一弯折角，折翅悬空，翅片(42)表面设置纵向肋(43)；翅片(42)弯折设定的角度使得前一管的折翅和下一管的前翅平行，翅片(42)起始端厚度最大，沿着气流方向厚度逐渐降低，折翅沿气流方向厚度不变，前一管的折翅和下一管的前翅之间形成缝隙通道，前一管折翅和后一管的前翅之间的缝隙通道宽度为0.2～1mm；基管(41)和翅片(42)内外开坡口，采用tig焊接、mig焊接或激光焊连接，基管(41)采用燃气锅炉标准规定的材料，翅片(42)采用导热系数不低于200w/(m
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k)的材料制成。4.根据权利要求3所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，纵向肋(43)包括前翅外侧表面和折翅内侧表面设置矩形纵向肋(431)或者波浪形纵向肋(432)，矩形纵向肋(431)和波浪形纵向肋(432)采用激光切割、冲压或刻蚀工艺成型；或纵向肋(43)为横纵交错肋、纵向交错肋以及横纵交错扰流柱型肋，前翅外侧肋和折翅内侧肋组合形成“迷宫式烟气通道”，所述横纵交错肋、纵向交错肋以及横纵交错扰流柱型肋采用激光切割、冲压和刻蚀工艺成型。5.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，锅炉外壳板(10)与膜式壁下降管屏(5)之间敷有内衬的保温材料，上部汽水室(8)内侧面和均流孔板(13)之间所形成的环形空间中填充耐火泥；下部水室(9)内侧所围成的柱形空间内填充耐火泥。6.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，环形预混水冷燃烧管屏(3)包括多个“c”型换热光管，相邻换热光管间采用扁钢焊接，
扁钢上以设定的角度顺列或错列开设通孔，通孔形状为圆形、菱形、矩形或长圆形，换热管竖直布置形成环形水冷燃烧管屏；管耦合板预混水冷燃烧管屏(3)内侧设置均流孔板(13)，均流孔板(13)为圆筒形，止于下部水室(9)顶部的密封孔板，上部汽水室(8)的密封孔板下方为起始打孔位置，均流孔板(13)厚度为10～15mm。7.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，上部汽水室(8)上表面内侧设置两个“l”型折板(19)，两个“l”型折板(19)相对设置，其中一个“l”型折板(19)的宽度和高度都小于另一个“l”型折板(19)；下部水室(9)外侧有给水进口，底部有密封板(18)，上部汽水室(8)的顶部有安全阀(14)、蒸汽出口、压力表和压力传感器，侧面有水位计接口。8.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，锅炉外壳(10)顶部与上部汽水室(8)的底部和下部水室(9)的顶部外沿相接，包围螺旋翅片对流管束(6)和节能冷凝管束(7)，锅炉尾部连接一方转圆结构(11)烟道外壳，方转圆结构(11)烟道外壳尾部连接烟囱(12)，下方开有一冷凝水排出孔(15)；上部汽水室(8)的顶部中心位置设置有燃烧器安装面板(16)，燃烧器(2)固定在燃烧器安装面板(16)上，燃烧器(2)连接有鼓风机(1)，均流孔板(13)焊接在燃烧器安装面板(16)下面。9.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，上部汽水室(8)内圈设置上部集箱(81)，下部水室(9)内圈设置下部集箱(91)，管耦合板预混水冷燃烧管屏(3)的基管采用竖直的缩颈光管，基管的上端和下端分别深入上部集箱(81)和下部集箱(91)的底部和顶部，上部汽水室(8)上表面为光板。10.根据权利要求9所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，下部集箱(91)内有雾化器(20)，雾化器(20)的入口连通下部水室(9)。11.根据权利要求9所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，上部汽水室(8)和上部集箱(81)采用弯头连通，下部水室(9)和下部集箱(91)采用弯头连通。12.根据权利要求1所述的管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，其特征在于，膜式壁下降管屏(5)包括多个换热管，多个换热管束竖直布置，相邻换热管间采用扁钢焊接密封，膜式壁下降管屏(5)沿着涡线排布，形成宽度逐渐增大的等压烟气通道。

技术总结
本发明公开了一种管耦合板预混水冷燃烧及强化换热的燃气蒸汽锅炉，包括鼓风机、燃烧器、管耦合板预混水冷燃烧管屏、管耦合板翅强化换热管束、膜式壁下降管屏、螺旋翅片对流管束和节能冷凝管束；鼓风机送入的空气和天然气在预混器中混合后穿过管耦合板预混水冷燃烧管屏后点火完成表面燃烧，燃烧后的高温烟气流经管耦合板翅强化换热管束之间的缝隙强化传热后，二次冲刷螺旋翅片对流管束、节能冷凝管束，深度冷却冷凝，从烟囱排出；下部集箱的水流经换热管束后被加热成水蒸汽从上部集箱的排气口排出。本发明可大大提高换热效率，降低污染物排放，使锅炉结构更紧凑，降低流动阻力，简化工艺，实现从原材料、生产、加工、运行的全供应链碳排放降低。应链碳排放降低。应链碳排放降低。


技术研发人员：赵钦新 房义涛 仇建伟 邓世丰 孟向军 邵怀爽 苗海兵 梁志远
受保护的技术使用者：青岛有源热能设备有限公司
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/9/23