内强化传热外增加热阻的锅炉炉膛结构及超临界二氧化碳燃煤锅炉的制作方法

本发明涉及一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，特别是指一种内强化传热外增加热阻的锅炉炉膛结构及超临界二氧化碳燃煤锅炉。

背景技术：

近年来，超临界二氧化碳动力循环(sCO2循环)成为研究热点，由于超临界CO2具有化学性质稳定、密度高、低成本、高温氧化性弱、循环系统简单、结构紧凑、效率高等优点，sCO2循环有望突破现有动力循环技术发展的瓶颈，在火力发电领域具有良好的应用前景。

sCO2循环可采用类似蒸汽轮机发电的方式，通过燃煤锅炉间接加热获得热能进行发电。有文献指出，在透平入口温度高于550℃时，sCO2循环效率将高于蒸汽朗肯循环，且温度越高优势越明显，因此超临界二氧化碳燃煤锅炉通常选择较高的工质温度。加之超临界CO2的布雷顿循环特性，进入超临界二氧化碳燃煤锅炉内工质温度较常规锅炉高100～200℃。

更高的工质温度对超临界二氧化碳燃煤锅炉炉膛的耐高温能力提出了挑战。由于超临界二氧化碳燃煤锅炉内工质传热性能较常规蒸汽锅炉低，现有材料难以布置超临界CO2受热面。中国发明专利201510813308.2公开了一种700℃超超临界锅炉水冷壁用耐热合金及管材制造方法，能提高超临界二氧化碳燃煤锅炉受热面耐温能力，从而保证锅炉安全性。然而，采用这种水冷壁用耐热合金会大幅提高超临界二氧化碳燃煤锅炉成本，不利于推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够提高锅炉炉膛耐高温能力的内强化传热外增加热阻的锅炉炉膛结构及超临界二氧化碳燃煤锅炉。

为实现上述目的，本发明所设计的内强化传热外增加热阻的锅炉炉膛结构，包括炉膛，所述炉膛包括冷却壁、覆盖设置在冷却壁外侧的外保温层和覆盖设置在冷却壁内侧的内隔热层；所述冷却壁包括多根冷却管和将多根冷却管连成整体的连接板，每根所述冷却管的内壁上均设置有内强化传热结构，可采用内螺纹、内翅片、凹槽等常见的强化传热结构；所述内隔热层包括分别横向环绕炉膛设置的多条隔热带，多条所述隔热带沿炉膛纵向间隔布置。

优选地，每根所述冷却管的外壁面向内隔热层的一侧上均设置有外强化传热结构，可采用外螺纹、外翅片、凹槽等常见的强化传热结构。

优选地，所述外强化传热结构采用沿冷却管纵向设置并与管壁垂直的多个外翅片。

优选地，各所述外翅片的宽度W与其根部到内隔热层内壁的距离D正相关，即D较小时W较小，D较大时W较大。该结构能减少冷却壁与内隔热层由于厚度不均匀引起传热不均匀，使内层隔热层向火侧温度不均匀，进而导致易结焦夹渣的问题。

优选地，所述外保温层采用耐温800℃的保温砖砌筑，所述内隔热层采用耐温1200℃的耐火材料涂层。

本发明同时提供了一种超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括具有炉膛的锅炉本体，所述炉膛采用前述锅炉炉膛结构。

优选地，所述外保温层和冷却壁设置在炉膛的全部区域，所述内隔热层设置在炉膛的高温区域——包括主燃烧区域的全部和燃尽区域与主燃烧区域的下部。

优选地，所述炉膛的燃尽区域为上大下小的漏斗形，这种形状可以增加炉膛受热面积，降低热负荷。这种“上大下小的漏斗形”结构，一方面由于采用内强化传热(冷却管)外增加热阻(外保温层和内隔热层)的设计导致锅炉热负荷降低，热量难以传递给工质侧，因此需要增加炉膛受热面；另一方面，由于锅炉主燃区空间的扩大势必会影响炉膛着火性，为保住锅炉主燃区火根，因此采用前述“上大下小的漏斗形”锅炉炉膛结构。

优选地，所述炉膛的燃尽区域上部口径扩大为下部口径的1～2倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)采用内强化传热(冷却管)外增加热阻(外保温层和内隔热层)的设计，有利于降低主燃烧区域炉膛热流密度，降低炉膛热负荷；内强化传热能减少管内传热热阻，从而减少冷却管内工质与冷却管壁温差，从而防止炉膛冷却壁超温，减少了冷却壁材料等级的提升带来的成本增加，保证超临界二氧化碳燃煤锅炉安全稳定经济运行。

2)内隔热层采用间隔布置的隔热带，一方面将接触面化整为零，使结焦结渣得到分散，防止大块结焦结渣；另一方面，每条隔热带在竖直方向上的温度梯度很小，隔热带不容易因热应力产生开裂，提高了内隔热层的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所设计的内强化传热外增加热阻的锅炉炉膛结构的断面结构示意图。

图2为图1中A处的放大图。

图3为图1中锅炉炉膛结构的展开示意图(从内向外看)。

图4为另一种炉膛的局部结构示意图(对应于图1中A处)。

图5为图4中炉膛局部的分解示意图。

图6为图4中B处的放大图。

图7为本发明所设计的超临界二氧化碳燃煤锅炉的结构示意图。

其中：外保温层100、冷却壁200、连接板210、冷却管220、内强化传热结构221、外强化传热结构222、外翅片223、内隔热层300、隔热带310、灰斗400、主燃烧区域500、燃尽区域600、炉膛700

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1～3所示，本发明所设计的内强化传热外增加热阻的锅炉炉膛结构，包括冷却壁200、覆盖设置在冷却壁200外侧的外保温层100和覆盖设置在冷却壁200内侧的内隔热层300，其中：

冷却壁200为膜式冷却壁，包括多根冷却管220和将多根冷却管220连成整体的连接板210，冷却管220的内壁上设置有内强化传热结构221，在各实施例中内强化传热结构221均采用内螺纹结构。

内隔热层300包括横向环绕炉膛700设置的多条隔热带310，多条隔热带310在竖直方向上等间隔布置。

外保温层100采用耐温800℃的保温砖砌筑，内隔热层300采用耐温1200℃的耐火材料涂层。

如图4～6所示，针对内强化传热，还可进一步在在冷却管220的外壁面向内隔热层300的一侧上设置外强化传热结构222。外强化传热结构222采用沿冷却管220纵向设置并与管壁垂直的外翅片223。外翅片223的宽度W与其根部到内隔热层300内壁的距离D呈正相关，即D较小时W较小，D较大时W较大。

如图7所示，本发明同时提供了采用前述锅炉炉膛结构的超临界二氧化碳燃煤锅炉，包括炉膛700，炉膛700依次从下往上为灰斗400、主燃烧区域500和燃尽区域600。

外保温层100和冷却壁200设置在炉膛700的全部区域，内隔热层300仅设置在炉膛700的高温区域，各实施例中高温区域包括主燃烧区域500的全部和燃尽区域600与主燃烧区域500相接的部分。

燃尽区域600设计为上大下小的漏斗形，其上部口径扩大为下部口径的1～2倍。

内隔热层300的高度为L，主燃烧区域500的高度为S，主燃烧区域500+燃尽区域600的高度之和为H，其中S<L<H。

以上未说明的锅炉结构，如风烟系统等，采用现有技术中公开的设计。

本发明同时提供了一个对比例和多个实施例来对技术效果进行验证。

对比例1

本对比例采用的超临界二氧化碳燃煤锅炉炉型为1000MW型双炉膛Π型炉，处于BMCR工况，主燃烧区域500宽深标准尺寸为34.22×15.67m，燃尽区域600无炉膛尺寸扩大，尺寸为34.22×15.67m，主燃烧区域500高度S为10.23m，主燃烧区域500的底部到燃尽区域600的顶部的高度H为30.24m，不设置内隔热层300，冷却壁200选用的冷却管220为φ28.6×5.2mm光管。

实施例1

本实施例采用的超临界二氧化碳燃煤锅炉炉型为1000MW型双炉膛700Π型炉，处于BMCR工况，主燃烧区域500宽深标准尺寸为34.22×15.67m，燃尽区域600大炉膛尺寸为41.06×18.80m，主燃烧区域500高度S为10.23m，主燃烧区域500的底部到燃尽区域600的顶部的高度H为30.24m，内隔热层300的高度L为10.23m，隔热带整体覆盖，冷却壁200选用的冷却管220为φ28.6×5.2mm内螺纹管，其外侧不强化传热。

实施例2

本实施例采用的超临界二氧化碳燃煤锅炉炉型为1000MW型双炉膛700Π型炉，处于BMCR工况，主燃烧区域500宽深标准尺寸为34.22×15.67m，燃尽区域600大炉膛尺寸为41.06×18.80m，主燃烧区域500高度S为10.23m，主燃烧区域500的底部到燃尽区域600的顶部的高度H为30.24m，内隔热层300的高度L为15m，隔热带310选用间隔覆盖的方式，隔热带310宽度为2m，两隔热带310之间的间隔为3m，冷却壁200选用的冷却管220为φ28.6×5.2mm内螺纹管，其外侧不强化传热。

实施例3

本实施例采用的超临界二氧化碳燃煤锅炉炉型为1000MW型双炉膛700Π型炉，处于BMCR工况，主燃烧区域500宽深标准尺寸为34.22×15.67m，燃尽区域600大炉膛尺寸为51.33×23.51m，主燃烧区域500高度S为10.23m，主燃烧区域500的底部到燃尽区域600的顶部的高度H为30.24m，内隔热层300的高度L为15m，隔热带310选用间隔覆盖的方式，隔热带310宽度为2m，两隔热带310之间的间隔为3m，冷却壁200选用的冷却管220为φ28.6×5.2mm内螺纹管，螺纹管外侧的向火侧设置有外强化传热结构，该结构采用沿冷却管纵向设置并与管壁垂直的外翅片，外翅片的宽度W＝D/2。

对上述对比例和各实施例的锅炉运行情况进行ANSYS FLUENT模拟研究，对金属最高壁温核算采用MATLAB计算，研究结果如下表：

表1对比例与各实施例模拟结果

基于本模拟结果，实施例1，2和3采用上大下小的炉膛结构燃烧性能得以保证，同时采用内强化传热外增加热阻的炉膛结构有效降低锅炉热负荷；采用间隔覆盖的隔热带布置方式的实施例2和3能降低结焦结渣，防止结大块焦砸坏灰斗；实施例3进一步采用外向火侧均匀传热的结构，进一步均匀热负荷，降低金属最高壁温，保证炉膛安全运行。