一种异构管束群换热结构、角管锅炉及其运行方法

1.本发明属于角管锅炉技术领域，具体涉及一种异构管束群换热结构、角管锅炉及其运行方法。


背景技术：

2.近年来，雾霾问题持续存在，环保政策日趋收紧，传统的燃煤角管锅炉逐渐被燃油燃气角管锅炉替代，与燃煤烟气相比，燃油燃气锅炉的烟气中的pm含量极低，很少发生堵塞问题，因此可以采用缝隙结构强化换热。以缝隙强化换热理念设计的锅炉已经有很多，比如盘管锅炉，密排螺旋翅片管锅炉等等。仅依靠缝隙强化换热系数可以提升至100w/m2·
k左右，相比传统锅炉结构的约50w/m2·
k已经有了重大突破，但仍存在着烟道总截面积较大，体积不够紧凑的缺点。进一步提升换热系数，缩小单位功率烟道截面积，提高锅炉效率，降低锅炉钢耗量，同时减少锅炉的制造碳排放和运行碳排放，是当下锅炉发展的重要方向。将缝隙强化换热理念加以改进应用到角管锅炉是一种有效方式。
3.传统的角管锅炉多采用旗式受热面或针翅强化，如西安交通大学申请的一种以针翅强化对流管屏的燃油燃气角管锅炉结构cn104154661a，采用针翅结构强化对流受热面，针翅高度随烟气温度降低而升高，显著强化了换热，但体积仍比较巨大；哈尔滨红光锅炉总厂有限责任公司申请的一种大容量纵置式的角管锅炉cn211625195u，旨在解决角管锅炉大型化的问题，没有从强化换热的角度在原有尺寸下实现更大功率的出力；哈尔滨四方锅炉有限公司申请的一种单锅筒横置式下进气燃气燃油角管锅炉cn209470185u，采用燃烧器斜下置的方案，增加了火焰的停留时间，优化了燃烧。综合来看目前申请的角管锅炉专利技术仍停留在经典角管锅炉结构，对其某方面进行优化，而没有根本性的创新和变革。
4.角管式锅炉的四角为大直径厚壁的下降管与汽包、水冷壁、集箱、加强梁等组成框架式结构。角管锅炉的优点在于水循环良好，外置的下降管可以及时把水送到蒸发强烈的管束区域，上置的导汽管可以及时带走蒸汽，避免蒸汽堆积影响水循环。因此采用受热面强化换热技术的蒸汽锅炉采用角管结构可以最大程度的优化水循环。
5.平面水冷预混燃烧技术最近10年得到了大规模的推广应用，但现有的角管锅炉结构仅能匹配传统的扩散式燃烧器，没有根据新型水冷预混燃烧技术来优化设计锅炉结构，市场上也亟待一种能够良好匹配平面水冷预混燃烧器的锅炉结构。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉，进一步强化角管锅炉的换热，缩小角管锅炉体积，同时水循环良好，兼容平面水冷预混燃烧器和传统扩散燃烧器，微调结构，即可生成饱和蒸汽、过热蒸汽、热水。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种异构管束群换热结构，包括多个对称双翼形纵向曲面翅片管和多个对称双翼形纵向平直翅片管，对称双翼形纵向曲面翅片管包括第一光管，沿第一光管的竖直段轴线对称设置有双翼形纵向曲面翅片，对称双翼
形纵向平直翅片管包括第二光管，沿第二光管竖直段轴线对称设置有纵向扁钢；对称双翼形纵向曲面翅片管和对称双翼形纵向平直翅片管间隔布置至少两排，在管束群内部与对称双翼形纵向曲面翅片管相邻的管道均为对称双翼形纵向平直翅片管，管束群每一排的端部对称双翼形纵向曲面翅片管或对称双翼形纵向平直翅片管。
8.第一光管和第二光管的直径相同，多个对称双翼形纵向曲面翅片管和多个对称双翼形纵向平直翅片管在弯头处和连接集箱的部分均采用膜式壁结构。
9.相邻两根对称双翼形纵向曲面翅片管的翅片将二者之间的对称双翼形纵向平直翅片管环抱，在相邻的对称双翼形纵向曲面翅片管和多个对称双翼形纵向平直翅片管之间形成缝隙层流强化对流换热的烟气流道；异构管束群沿着烟气流动方向上每四根管束中间就会形成一个由两段纵向曲面翅片背面弧段ab段和de段，两段纵向平直翅片直段bc段、ef段和两段光管纵向弧段cd段、fa段形成的六棱柱空间，所述六棱柱空间具有一个烟气进口，一个烟气出口。
10.对称双翼形纵向曲面翅片管采用整体轧制、连铸连轧、锻制成形或在光管上焊接圆管后剖制形成；对称双翼形纵向平直翅片管可以分别采用整体轧制、连铸连轧、锻制成形为鳍片管或在第二光管上双面全焊透纵向扁钢成形。
11.本发明还提供一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉，包括锅筒、膜式壁、导汽管、下降管、上水平集箱、下水平集箱、异构管束群、燃烧器、节能器、冷凝器以及冷凝式空气预热器；异构管束群采用本发明所述异构管束群换热结构，膜式壁围成的空间即为炉膛；上水平集箱和下水平集箱对应设置在炉膛的顶端和底端；异构管束群设置在炉膛烟气出口方向；锅筒的中心线与上水平集箱的中心线与在同一平面，与前墙膜式壁垂直；膜式壁的两端分别与上水平集箱和下水平集箱相连；导汽管的下端上水平集箱相连，导汽管的上端与锅筒的上半部相连；下降管的上端分别与锅筒和上水平集箱相连，下端与下水平集箱相连；异构管束群的上端与上水平集箱相连，下端与下水平集箱相连；异构管束群、节能器、冷凝器以及冷凝式空气预热器沿着烟气流向依次布置；节能器位于锅筒下方；膜式壁包括左墙膜式壁、右墙膜式壁和前墙膜式壁；上墙膜式壁和下墙膜式壁由异构管束群的第一排管束向前墙膜式壁方向弯折替代；燃烧器设置在左墙膜式壁、右墙膜式壁或前墙膜式壁。
12.锅筒的的上方设置顶置凝汽器，顶置凝汽器为管壳式结构，顶置凝汽器的壳侧进出口分别连接锅筒的出入口，顶置凝汽器的管侧通入低温水，顶置凝汽器的管侧出口为高温水或湿饱和蒸汽，顶置凝汽器的壳侧入口连接锅筒的蒸汽出口，顶置凝汽器的壳侧出口连接锅筒的顶部入口；管侧的回程数1～4。
13.所述异构管束群前布置1～6排前置光管管束降低进入异构管束群中的烟气温度，对靠近炉膛的第一排对称双翼形纵向曲面翅片管及第一排对称双翼形纵向平直翅片管中的靠近炉膛的一侧的翅片端部进行切削加工处理，减小其翅片伸入炉膛长度。
14.若需要过热蒸汽时，在异构管束群前方设置蒸汽过热器，蒸汽过热器的入口连接锅筒的饱和蒸汽出口或顶置凝汽器的管侧出口。
15.上水平集箱包括与异构管束群上端相连的上集箱，与左墙膜式壁上端相连的上左集箱，与右墙膜式壁上端相连的上右集箱，与前墙膜式壁上端相连的上前集箱；上集箱、上前集箱的两端与上左集箱、上右集箱相连；上集箱、上右集箱以及上左集箱的中心线均在同一水平面内，所述水平面为锅炉所有预分离集箱的汽水分界面。
16.燃烧器采用平面预混水冷燃烧器、扩散式燃烧器或预混燃烧器，所述预混燃烧器包括任意结构的金属纤维、多孔陶瓷、陶瓷板或金属板打孔预混燃烧器；
17.当采用平面预混水冷燃烧器时，平面预混水冷燃烧器布置在炉膛前墙，去掉炉膛前墙安装平面预混水冷燃烧器处膜式壁水冷管束中相邻水冷管之间的扁钢，形成一排有缝隙的水冷管束，冷凝式空气预热器的空气侧与平面预混水冷燃烧器相连的风道上布置有矩形截面预混器；
18.当采用扩散式燃烧器，扩散式燃烧器安装在左墙膜式壁或右墙膜式壁，在炉膛中增设分隔膜式壁，分隔膜式壁为单排膜式水冷壁，分隔膜式壁的左侧与左墙膜式壁通过扁钢连接，分隔膜式壁的右侧伸至炉膛中；分隔膜式壁的尾部管束中相邻两管之间不设扁钢，分隔膜式壁的上端和下端分别连接上水平集箱和下水平集箱；
19.当采用任何结构的金属纤维、多孔陶瓷、陶瓷板或金属板打孔的预混燃烧器，预混燃烧器安装在左墙膜式壁、右墙膜式壁或前墙膜式壁。
20.导汽管包括主导汽管、分支导汽管和独立导汽管；主导汽管的一端与锅筒相连，另一端封闭；分支导汽管的一端与上集箱、上左集箱、上右集箱和上前集箱相连，另一端与主导汽管相连；主导汽管沿锅筒的中心线方向上布置多根，每根主导汽管与多根分支导汽管相连，用于收集来自异构管束群和膜式壁区域的蒸汽；独立导汽管的一端与上集箱、上左集箱、上右集箱、上前集箱相连，另一端与锅筒相连。
21.下水平集箱包括与异构管束群下端相连的下集箱、与左墙膜式壁下端相连的下左集箱、与右墙膜式壁下端相连的下右集箱、与前墙膜式壁下端相连的下前集箱以及下分配集箱；下集箱的两端与下左集箱和下右集箱相连；下集箱、下左集箱、下右集箱的中心线位于同一水平面内，下前集箱和下分配集箱的中心线在该水平面之下；下分配集箱与下降管的下端相连，下分配集箱与下集箱之间由多个分支管道相连；下降管包括前墙下降管、尾部下降管以及异构管束区给水下降管；前墙下降管的上端与上左集箱和上右集箱相连，前墙下降管贯穿下左集箱和下右集箱，下端与下前集箱相连；尾部下降管的上端与锅筒相连，下端与下左集箱和下右集箱相连；异构管束区给水下降管的下端与下分配集箱相连，用于将水输送至蒸发强烈的异构管束群区域。
22.断开或锅筒和导汽管，作为热水锅炉，供暖回水先进入上水平集箱的上左集箱、上右集箱的锅炉尾部方向的一端，分配至2～5排异构管束群对应的上集箱区域，沿2～5排异构管束群向下流动至下集箱，随后沿下左集箱和下右集箱进入第一排异构管束群下方的下集箱，向上流动至对应的上集箱，沿上左集箱、上右集箱进入第二排前置光管管束对应的上水平集箱，分配至第二排前置光管管束中，下降流动至第二排前置光管管束对应的下水平集箱，进入下左集箱、下右集箱、下前集箱，水沿左墙膜式壁、右墙膜式壁、前墙膜式壁、第一排前置光管管束向上流动至上水平集箱，离开锅炉；上水平集箱的出口附近设置安全阀，当流动停滞产生过量蒸汽时可以及时排出。
23.燃烧器采用平面预混水冷燃烧器时，在冷凝式空气预热器的空气侧与平面预混水冷燃烧器相连的风道渐扩处设置矩形截面预混器；矩形截面预混器包括连通的可燃气体分配管道和若干个平行排列的可燃气体空间，可燃气体空间中设置渐缩渐扩通道；在渐缩渐扩通道的最窄处开设可燃气体孔；可燃气体经可燃气体分配管道进入各个可燃气体空间，通过可燃气体孔进入空气空间；空气通过渐缩渐扩通道，先加速后减速，与可燃气体均匀混
合，可燃气体包括天然气、氢气或天然气氢气混合气体。
24.所述膜式壁布置多台平面预混水冷燃烧器，平面预混水冷燃烧器在高度方向和/或水平方向上排列；多台平面预混水冷燃烧器在水平方向排布时，延长前墙膜式壁、上集箱、上前集箱、下前集箱以及锅筒；多台平面预混水冷燃烧器在高度方向上排布时，拉长异构管束群、膜式壁以及下降管，同时增大锅筒，节能器、冷凝器以及冷凝式空气预热器沿高度方向排布。
25.多台平面预混水冷燃烧器沿着高度方向布置时，将锅炉沿高度方向从中间分开，上半部分的底部和下半部分的顶部设置集箱，上半部分的底部和下半部分的集箱通过180
°
弯头连接。
26.多台平面预混水冷燃烧器在水平方向排布时，向炉后方弯折上前集箱和下前集箱，使得多台平面预混水冷燃烧器按照设定角度布置，前墙膜式壁按照所述设定角度向炉后方弯折。
27.多台平面预混水冷燃烧器在水平方向上布置两排，两排水冷燃烧器正对排布，每排水冷燃烧器均设置有膜式壁、导汽管、下降管、上水平集箱、下水平集箱和异构管束群，两排水冷燃烧器共用锅筒、节能器、冷凝器和冷凝式空气预热器。
28.平面预混水冷燃烧器同时沿着水平和高度方向布置。
29.本发明所述异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉的运行方法，锅炉风机送出的冷风经过冷凝式空气预热器加热后通过矩形截面预混器，可燃气体进入炉膛点火燃烧，在水冷管束根部形成缝隙式火焰并生成高温烟气；高温烟气依次经过异构管束群、节能器、冷凝器、冷凝式空气预热器降温至50℃以下，进入烟囱排向大气；
30.锅炉给水先进入冷凝器冷凝烟气，再进入节能器预热至100℃左右进入锅筒下半部，沿下降管、下水平集箱将给水均匀分配到异构管束群、膜式壁的下端，给水吸热后不断蒸发成为汽水混合物，进入上水平集箱进行汽水预分离，蒸汽通过导汽管进入锅筒上半部的汽空间，以饱和蒸汽的状态在锅筒顶部的离开锅炉；锅炉内的汽水分界面在锅筒的水平中心面。
31.若需要过热蒸汽，将离开锅筒后的饱和蒸汽进入蒸汽过热器继续吸热升温变为过热蒸汽，从蒸汽过热器顶部离开锅炉送给用户。
32.若需要产生低温饱和蒸汽或热水，则当饱和蒸汽离开锅筒后进入顶置凝汽器的顶部，在顶置凝汽器的壳侧放热变为液态水流回锅筒，另一路低温给水在顶置凝汽器的管内吸热变为低温饱和蒸汽或热水，或利用蒸汽过热器将所述低温饱和蒸汽加热为过热蒸汽。
33.从锅筒来的饱和蒸汽进入顶置凝汽器的壳侧，放热变为液态水在重力作用下后沿顶置凝汽器底部的管道流入锅筒；被加热的低温水走管侧，低温水吸收饱和蒸汽放出的热量不断升温，变成110℃以上的高温水或湿饱和蒸汽，离开顶置凝汽器；若生产热水时，锅炉整体系统在微正压或真空负压运行，用于生产不超过110℃或不超过85℃的热水。
34.当燃烧器采用平面预混水冷燃烧器时，在矩形截面预混器处均匀混入天然气形成预混气体；预混气体进入平面预混水冷燃烧器，在平面预混水冷燃烧器的引导均布于整个平面预混水冷燃烧器表面，通过前墙膜式壁之间的缝隙进入炉膛点火燃烧。
35.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明的一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉采用多机制耦合强化换热，利用一种缝隙层流强化、缝隙冲击射
流强化、缝隙湍流强化的多机制耦合对流强化的六边柱状体单元，仅需两排管子就可以使锅炉烟气从1100℃左右降至300℃以下，同时烟气阻力控制在1500pa以下，显著降低锅炉钢耗量和占地面积。进一步提高管子排数至3～5排，可以使出口烟气温度与炉内水工质之间的温差降低至20℃以内。
36.1、本发明的一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉的核心换热异构管束群，根据锅炉容量调整每排管子的数量，燃烧器数量，可适用于0.1t到1000t之间各种容量的锅炉，易于大规模加工生产组装。
37.2、本发明的一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉，锅炉本体管束钢耗量仅为传统角管锅炉的30％～50％，极大的降低了锅炉本体的钢耗量；锅炉占地仅为传统角管锅炉的30％～50％，减少了锅炉房面积；锅炉本体排烟温度较传统角管锅炉低80～100℃，减少了省煤器、节能器的钢耗量。
38.3、本发明的一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉，可以生产饱和蒸汽和过热蒸汽；安装顶置凝汽器后，可以生产热水、蒸汽，且此时炉内的水工质不参与外界循环，水工质不被外界污染，减少了管内结垢风险。
39.4、本发明的一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉优化异构管束群区域和膜式壁区域的给水和导汽，强化锅炉水侧换热，使水侧换热与烟气侧换热能力相匹配。
40.5、本发明的一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉采用节能器、冷凝器、冷凝式空气预热器的组合，使锅炉效率提升至102％至104％，远高于目前市场上99％的平均水平，降低了锅炉运行碳排放；锅炉本体钢耗量低于传统角管锅炉，降低了锅炉的材料与制造碳排放，锅炉全寿命周期碳排放较目前角管锅炉降低5％以上。
附图说明
41.图1a是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉的右视图。
42.图1b是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉的上视图。
43.图1c是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉的本体左上视图。
44.图2是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体的左剖面视图。
45.图3是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体的右下视图。
46.图4a是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体无前置光管管束15的上剖视示意图。
47.图4b是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体带有前置光管管束15的上剖视示意图。
48.图4c是本发明一种可实施的一组异构管束群的截面示意图。
49.图4d是本发明一种可实施的一组异构管束群的烟气流程示意图。
50.图4e是本发明一种可实施的对称双翼形纵向曲面翅片管71的示意图。
51.图4f是本发明一种可实施的对称双翼形纵向平直翅片管72的示意图。
52.图5a是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉采用扩散
式燃烧器时的剖面示意图。
53.图5b是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉采用金属纤维燃烧器时的剖面示意图。
54.图6a是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体带有顶置凝汽器14的左视图。
55.图6b是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体带有顶置凝汽器14的左剖面视图。
56.图6c是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉作为热水锅炉时局部管束布置示意图。
57.图7是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体带有蒸汽过热器12时的剖面示意图。
58.图8a是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体布置多台水平方向排布的平面预混水冷燃烧器时的剖面示意图。
59.图8b是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体布置多台水平方向、高度方向排布的平面预混水冷燃烧器时的正视图。
60.图8c是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体布置多台水平方向、高度方向排布的平面预混水冷燃烧器时的侧视图。
61.图8d是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体布置多台水平方向弯曲排布的平面预混水冷燃烧器时的剖面示意图。
62.图8e是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体布置两排正对排布的平面预混水冷燃烧器时的剖面示意图。
63.图8f是本发明一种可实施的异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉本体布置两排正对排布的平面预混水冷燃烧器时的侧视图。
64.图9a是本发明一种可实施的矩形截面预混器13沿空气流动方向的剖面示意图。
65.图9b是本发明一种可实施的矩形截面预混器13沿天然气流动方向的剖面示意图。
具体实施方式
66.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
67.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明的技术方案。
68.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本发明的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本发明的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
69.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏
好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
70.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
71.为了描述性目的，本发明可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
72.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0073]“前”、“后”、“左”、“右”是所指方位是相对于锅炉结构以炉膛为中心进行描述，“前”是指靠近锅炉燃烧器的方向，“后”是指靠近锅炉烟囱的方向，“左”、“右”分别为炉膛两侧。
[0074]
参考图4b、图4c、图4d、图4e和图4f，一种异构管束群换热结构，包括多个对称双翼形纵向曲面翅片管71和多个对称双翼形纵向平直翅片管72，对称双翼形纵向曲面翅片管71包括第一光管711，沿第一光管711的竖直段轴线对称设置有双翼形纵向曲面翅片712，对称双翼形纵向平直翅片管72包括第二光管721，沿第二光管721竖直段轴线对称设置有纵向扁钢722；对称双翼形纵向曲面翅片管71和对称双翼形纵向平直翅片管72间隔布置至少两排，在管束群内部与对称双翼形纵向曲面翅片管71相邻的管道均为对称双翼形纵向平直翅片管72，管束群每一排的端部对称双翼形纵向曲面翅片管71或对称双翼形纵向平直翅片管72。
[0075]
第一光管711和第二光管721的直径相同，多个对称双翼形纵向曲面翅片管71和多个对称双翼形纵向平直翅片管72在弯头处和连接集箱的部分均采用膜式壁结构。
[0076]
相邻两根对称双翼形纵向曲面翅片管71的翅片将二者之间的对称双翼形纵向平直翅片管72环抱，在相邻的对称双翼形纵向曲面翅片管71和多个对称双翼形纵向平直翅片管72之间形成缝隙层流强化对流换热的烟气流道；异构管束群沿着烟气流动方向上每四根管束中间就会形成一个由两段纵向曲面翅片背面弧段ab段和de段，两段纵向平直翅片直段bc段、ef段和两段光管纵向弧段cd段、fa段形成的六棱柱空间，所述六棱柱空间具有一个烟
气进口，一个烟气出口。
[0077]
参考图1a、图1b、图1c一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉，包括锅筒1、膜式壁2、导汽管3、下降管4、上水平集箱5、下水平集箱6、异构管束群7、燃烧器、节能器9、冷凝器10、冷凝式空气预热器11、蒸汽过热器12以及顶置凝汽器14；锅筒1的中心线与上水平集箱5的中心线与在同一平面内，与前墙膜式壁23平行；膜式壁2的两端与上水平集箱5和下水平集箱6相连，分为左墙膜式壁21、右墙膜式壁22、前墙膜式壁23；左墙膜式壁21、右墙膜式壁22、前墙膜式壁23围成的空间即为炉膛；导汽管3的下端与上水平集箱5的上端相连，导汽管3的上端与锅筒1的上半部相连；下降管4的上端与锅筒1、上水平集箱5相连，下端与下水平集箱6相连；异构管束群7的上端与上水平集箱5相连，下端与下水平集箱6相连，靠近炉前的一排异构管束群7为第一排管束群，异构管束群7的第一排管束群弯折，所述第一排管束群的上端连接上集箱51，下端连接下集箱61；所述第一排管束群上端和下端弯折部分分别充当上墙膜式壁和下墙膜式壁；燃烧器设置与前墙膜式壁23的前方、左墙膜式壁21或右墙膜式壁22上，左侧或右侧进气；节能器9位于异构管束群7的后方，锅筒1下方；冷凝器10位于节能器9的后方；冷凝式空气预热器11位于冷凝器10之后；冷凝器10连接节能器9，节能器9连接锅筒1。
[0078]
实施例1，可选的，采用平面预混水冷燃烧器8，平面预混水冷燃烧器8布置在前墙膜式壁23处，如图1a、1b、1c所示，一种异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉，包括锅筒1、膜式壁2、导汽管3、下降管4、上水平集箱5、下水平集箱6、异构管束群7、平面预混水冷燃烧器8、节能器9、冷凝器10、冷凝式空气预热器11、蒸汽过热器12、矩形截面预混器13以及顶置凝汽器14；锅筒1的中心线与上水平集箱5的中心线与在同一平面内，所述平面与前墙膜式壁23垂直；膜式壁2的两端与上水平集箱5和下水平集箱6相连，分为左墙膜式壁21、右墙膜式壁22、前墙膜式壁23；膜式壁2和平面预混水冷燃烧器8围成的空间即为炉膛；导汽管3的下端与上水平集箱5的上端相连，导汽管3的上端与锅筒1的上半部相连；下降管4的上端与锅筒1、上水平集箱5相连，下端与下水平集箱6相连；异构管束群7的上端与上水平集箱5相连，下端与下水平集箱6相连，靠近炉前的一排异构管束群7为第一排管束群，异构管束群7的第一排管束群弯折，所述第一排管束群的上端连接上集箱51，下端连接下集箱61；所述第一排管束群上端和下端弯折部分分别充当上墙膜式壁和下墙膜式壁；平面预混水冷燃烧器8位于前墙膜式壁23的前方，左侧或右侧进气；节能器9位于异构管束群7的后方，锅筒1下方；冷凝器10位于节能器9的后方；冷凝式空气预热器11位于冷凝器10之后；矩形截面预混器13位于冷凝式空气预热器11的空气侧与平面预混水冷燃烧器8相连的风道上；冷凝器10连接节能器9，节能器9连接锅筒1。
[0079]
基于上述结构，锅炉风机送出的冷风经过冷凝式空气预热器11的加热后通过矩形截面预混器13，在矩形截面预混器13处均匀混入天然气形成预混气体；预混气体进入平面预混水冷燃烧器8，在平面预混水冷燃烧器8的引导均布于整个平面预混水冷燃烧器8表面，通过前墙膜式壁23之间的缝隙进入炉膛点火燃烧，在水冷管束根部形成缝隙式火焰并生成高温烟气；高温烟气依次经过异构管束群7、节能器9、冷凝器10、冷凝式空气预热器11降温至50℃以下，进入烟囱排向大气；锅炉给水先进入冷凝器10冷凝烟气，再进入节能器9预热至100℃左右进入锅筒1下半部，沿下降管4、下水平集箱6进入异构管束群7、膜式壁2下端，给水吸热后不断蒸发成为汽水混合物，进入上水平集箱5进行汽水预分离，蒸汽通过导汽管
3进入锅筒1上半部的汽空间，以饱和蒸汽的状态在锅筒1顶部的离开锅炉。
[0080]
锅炉内的汽水分界面在锅筒1的水平中心面；若需要过热蒸汽，可将离开锅筒1后的饱和蒸汽进入蒸汽过热器12继续吸热升温变为过热蒸汽，从蒸汽过热器12顶部离开锅炉送给用户；若需要产生低温饱和蒸汽或热水，则当饱和蒸汽离开锅筒1后进入顶置凝汽器14的顶部，在顶置凝汽器14的壳侧放热变为液态水流回锅筒1，另一路低温给水在顶置凝汽器14的管内吸热变为低温饱和蒸汽或热水，同样利用蒸汽过热器12也能把这部分低温饱和蒸汽加热为过热蒸汽。
[0081]
实施例2，如图2、图3所示，在实施例1的基础上，膜式壁2包括左墙膜式壁21、右墙膜式壁22和前墙膜式壁23；上墙膜式壁和下墙膜式壁分别由异构管束群7的第一排管束群向前墙膜式壁23方向弯折替代；前墙膜式壁23与平面预混水冷燃烧器8相连的部分去掉管束之间的扁钢，形成一排有缝隙的管束，预混气体从缝隙进入炉膛空间点火燃烧，为保证前墙膜式壁23上气体通道的均匀，沿垂直于前墙膜式壁23的管束方向添加多层孔板。导汽管3包括主导汽管31、分支导汽管32以及独立导汽管33；主导汽管31的一端与锅筒1相连，另一端封闭；分支导汽管32竖直布置，分支导汽管32的下端与上集箱51、上左集箱52、上右集箱53和上前集箱54相连，上端与主导汽管31相连；主导汽管31沿锅筒1的中心线方向上布置多根，每根主导汽管31与多根分支导汽管32相连，收集来自异构管束群7和膜式壁2区域的蒸汽；独立导汽管33的一端与上集箱51、上左集箱52、上右集箱53以及上前集箱54相连，另一端与锅筒1相连，进一步降低蒸汽进入锅筒1的阻力。下降管4包括前墙下降管41、尾部下降管42、异构管束区给水下降管43；前墙下降管41的上端分别与上左集箱52、上右集箱53相连，前墙下降管41分别贯穿下左集箱62和下右集箱63，前墙下降管41下端与下前集箱64相连；尾部下降管42的上端与锅筒1相连，下端分别与下左集箱62和下右集箱63相连；异构管束区给水下降管43的下端与下分配集箱65相连，将水输送至蒸发强烈的异构管束群7区域。下分配集箱65与下集箱61和下前集箱64连接，上水平集箱5包括与异构管束群7上端相连的上集箱51，与左墙膜式壁21上端相连的上左集箱52，与右墙膜式壁22上端相连的上右集箱53，与前墙膜式壁23上端相连的上前集箱54；上集箱51的两端分别与上左集箱52、上右集箱53相连，上前集箱54的两端分别与上左集箱52、上右集箱53相连；所有上水平集箱5的中心线均在同一水平面内，该水平面为锅炉的汽水分界面。下水平集箱6包括与异构管束群7下端相连的下集箱61，与左墙膜式壁21下端相连的下左集箱62，与右墙膜式壁22下端相连的下右集箱63，与前墙膜式壁23下端相连的下前集箱64，与下前集箱64相连的下分配集箱65；下集箱61的两端分别与下左集箱62和下右集箱63相连；下集箱61、下左集箱62和下右集箱63的中心线位于同一水平面内，下前集箱64、下分配集箱65的中心线在下集箱61中心线所在水平面之下；下分配集箱65与尾部下降管43的下端相连，下分配集箱65与下集箱61之间通过多个分支管道相连，将来自异构管束区给水下降管43的水分配至下集箱61的各个位置。
[0082]
实施例3，如图4a、图4b、图4c和图4d所示，在实施例1或实施例2的基础上，异构管束群7采用直径相同的对称双翼形纵向曲面翅片管71与对称双翼形纵向平直翅片管72两种翅片管间隔排列布置形成，两种翅片管均只在竖直管段设置翅片，在弯头及连接上水平集箱5、下水平集箱6的部分均采用膜式壁结构，相邻两根对称双翼形纵向曲面翅片管71的翅片将二者之间的对称双翼形纵向平直翅片管72左右环抱，双翼形纵向曲面翅片的弧度约
130
°
，厚度3～6mm，外径比对称双翼形纵向平直翅片管72大6～10mm，在两管之间形成宽度1～4mm，长度80mm～120mm的缝隙层流强化对流换热的烟气流道；仅需3排异构管束群7，即可将烟气从1100℃降低至300℃以下；每排管束的对称双翼形纵向曲面翅片管71在前后方向上对应相邻管排的对称双翼形纵向平直翅片管72，整体上形成错列排布，这样构成的异构管束群沿着烟气流动方向上每4根管束中间就会形成一个由两段纵向曲面翅片背面弧段ab、de，两段纵向平直翅片直段bc、ef和两段光管纵向弧段cd、fa组成的六棱柱形空间，所述六棱柱形空间在动态运行时(纵向平直翅片受热线性膨胀将贴近管壁面，锅炉停止运行时因冷却收缩会出现间隙)只有一个烟气进口，一个烟气出口，烟气从ab曲面翅片正面完成缝隙层流强化换热后流出，出口流速可达30m/s以上，对直段bc进行缝隙冲击射流强化换热，继而又对弧段cd进行缝隙冲击射流强化换热，之后烟气流散开以湍流强化换热弥漫于六棱柱空间的其他壁面，从使根本没有烟气流过的包含af管段管子背面也能受到对流强化换热，最后烟气在e点汇集再次进入曲面翅片正面完成下一轮的缝隙层流强化换热过程，使得整个六棱柱空间成为一种缝隙层流强化、缝隙冲击射流强化、缝隙湍流强化的多机制耦合对流强化单向烟气换热通道；在异构管束群7的前方布置两排前置光管管束15降低进入异构管束群7中的烟气温度。
[0083]
本发明提供一种可选的实施例，参考图4a，基于实施例3，当要求锅炉结构异常紧凑时可以直接去除前置光管管束15，此时异构管束群7就是炉膛出口，对靠近炉膛的第一排对称双翼形纵向曲面翅片管71及第一排对称双翼形纵向平直翅片管72中的靠近炉膛的一侧的翅片端部进行切削加工处理，减小其翅片伸入炉膛的长度，以防止火焰和高温烟气辐射引起伸入炉膛中的翅片端部超温造成局部材料劣化导致开裂。
[0084]
作为另一种可选的实施例，如图5a所示，在实施例1的基础上，异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉的燃烧器还可以是扩散式燃烧器81，此时的燃烧器安装在左墙膜式壁21，炉膛中增设分隔膜式壁24，防止未完全燃烧的烟气进入异构管束群7中导致排烟co升高；分隔膜式壁24的尾部管束中相邻两管之间不设扁钢，增加烟气转弯的空间，使烟气在异构管束群7中的分布更加均匀；分隔膜式壁24为单排膜式水冷壁，分隔膜式壁24的左侧与左墙膜式壁21通过扁钢连接，分隔膜式壁24的右侧伸至炉膛中，分隔膜式壁24的宽度超过炉膛宽度的一半；分隔膜式壁24的上端和下端分别连接上水平集箱5和下水平集箱6，可选的，分隔膜式壁24管束可以间隔一根连接前墙集箱、一根连接异构管束区集箱，一前一后分别连接上水平集箱5和下水平集箱6。
[0085]
作为另一种可选的实施例，如图5b所示，在实施例1的基础上，异构管束群多机制耦合强化换热角管锅炉的燃烧器还可以是金属纤维燃烧器，此时的燃烧器安装在左墙膜式壁21，增设分隔膜式壁24，使燃烧器沿圆周方向的烟气更均匀；分隔膜式壁24的尾部没有扁钢，增加烟气转弯的空间，使烟气在异构管束群7中的分布更加均匀；分隔膜式壁24与上一实施例中布置结构相同；采用金属纤维燃烧器时也可以省去分隔膜式壁24。
[0086]
扩散式燃烧器81、各种预混燃烧器的火焰要避免碰触金属壁面；扩散式燃烧器81、各种预混燃烧器多台布置时避免火焰相互干扰，多台扩散式燃烧器81、预混燃烧器的火焰之间的距离大于1米。
[0087]
作为另一种可选的实施例，如图6a、图6b所示，在实施例1的基础上，设置顶置凝汽器14，所述顶置凝汽器14为管壳式结构，顶置凝汽器14的壳侧进出口分别连接锅筒1的侧面
蒸汽出口111，顶部凝水入口112，从锅筒1来的饱和蒸汽进入顶置凝汽器14的壳侧，放热变为液态水在重力作用下后沿顶置凝汽器14底部的顶部凝水入口112流入锅筒1；被加热的低温水走管侧，管侧设置为两回程，低温水吸收饱和蒸汽放出的热量不断升温，变成高温水或湿饱和蒸汽，离开顶置凝汽器14；顶置凝汽器14的管侧进出口分别连接热用户回水和热用户。
[0088]
参考图6c，异构管束群7用于热水锅炉时，可选择省去或设置关断阀门的方式去除锅筒1和导汽管3，供暖回水先进入上水平集箱5的上左集箱52、上右集箱53的锅炉尾部方向的一端，分配至2～5排异构管束群7对应的上集箱51区域，沿2～5排异构管束群7向下流动至下集箱61，随后沿下左集箱62和下右集箱63进入第一排异构管束群7下方的下集箱61，向上流动至对应的上集箱51，沿上左集箱52、上右集箱53进入第二排前置光管管束15对应的上水平集箱5区域，分配至第二排前置光管管束15中，下降流动至第二排前置光管管束15对应的下水平集箱6区域，进入下左集箱62、下右集箱63、下前集箱64，水沿左墙膜式壁21、右墙膜式壁22、前墙膜式壁23、第一排前置光管管束15向上流动至上水平集箱，离开锅炉。上水平集箱5的出口附近设置安全阀55，当流动停滞产生过量蒸汽时可以及时排出。该设计保证了热流密度大换热系数高的炉膛区域、第一排前置光管管束15、第一排异构管束群7均为上升流动，换热系数低的的第二排前置光管管束15、2～5排异构管束群7为下降流动，能够避免过冷沸腾现象的发生。
[0089]
作为另一种可选的实施例，如图7所示，在实施例1的基础上，若需要过热蒸汽时，设置蒸汽过热器12，蒸汽过热器12在前置光管管束15与异构管束群7之间；蒸汽过热器12的进出口都位于锅炉上方，进口与锅筒1的蒸汽出口相连，出口为锅炉的蒸汽出口。
[0090]
作为另一种可选的实施例，如图8a、图8b、图8c、图8d、图8e、图8f所示，在实施例1的基础上，布置多块平面预混水冷燃烧器8；图8a，五台平面预混水冷燃烧器8在水平方向排布时，延长前墙膜式壁23、上前集箱54、下前集箱64以及锅筒1等水平方向布置的部件，下降管和导汽管的数目需要增多，确保及时补水和蒸汽的导出，单台平面预混水冷燃烧器8的功率为6mw，形成30mw的组合体；图8b，图8c，四台平面预混水冷燃烧器8在高度方向和水平方向上排布时，拉长异构管束群7、膜式壁2、下降管4等竖直方向布置的部件，增加下降管和导汽管的数量，锅筒规格加大，集箱不变，当存在运输高度限制时，将锅炉沿高度方向从中间分开，上半部分的底部和下半部分的顶部设置集箱，现场安装时仅需将所述集箱通过焊接180
°
弯头连接即可，节能器9、冷凝器10、冷凝式空气预热器11从上向下依次布置，将单台平面预混水冷燃烧器8的功率为6mw，形成24mw的组合体；图8d，3台平面预混水冷燃烧器8在水平方向排布时弯曲上前集箱54、下前集箱64以及前墙膜式壁23，使得3台平面预混水冷燃烧器8呈设定角度布置，缩短锅炉的宽度，单台平面预混水冷燃烧器8的功率为6mw，形成18mw的组合体；图8e、图8f，多台平面预混水冷燃烧器8能够在水平方向上两排布置，高度方向上两层排布，此时两排水冷燃烧器8正对排布，每排五台水冷燃烧器8均设置各自对应的膜式壁2、导汽管3、下降管4、上水平集箱5、下水平集箱6、异构管束群7，两排、两层共20台平面预混水冷燃烧器8共用锅筒1、节能器9、冷凝器10、冷凝式空气预热器11，锅筒1、节能器9、冷凝器10、冷凝式空气预热器11根据烟气量设计适配的尺寸，每台平面预混水冷燃烧器8的功率为6mw，20台组合体功率可达120mw；调整平面预混水冷燃烧器8的台数和各个部件的长度、宽度，涵盖0.1mw～300mw的各个功率。
[0091]
如图9a、图9b所示，矩形截面预混器13由可燃气体分配管道131，若干个平行排列的可燃气体空间132、渐缩渐扩通道133以及可燃气体孔134；可燃气体孔134分布在渐缩渐扩通道133的最窄处，燃气的压力高于空气，燃气会在可燃气体孔134处喷射进入空气中；可燃气体经可燃气体分配管道131进入各个可燃气体空间132，通过可燃气体孔134进入空气空间；空气通过各个渐缩渐扩通道133，先加速后减速，与可燃气体均匀混合；空气侧的阻力控制在500pa～1000pa，使每一个渐缩渐扩通道133通道中的空气流量均匀分配；可燃气体侧的阻力控制在3000pa～8000pa，确保每个可燃气体孔134中喷出的可燃气体流量相同，实现空气和可燃气体的均匀混合。
[0092]
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权力要求书界定的范围为准。