我国燃气锅炉的差距和突破(待续)

・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　ＤＯＩ：１０．１６５５８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００４—８７７４．２０１７．０５．００１　文章编号：１００４．８７７４（２０１７）０５—０００１—１６　我国燃气锅炉的差距和突破（待续）　赵钦新，商俊奇，倪永涛，Ｙ－．－Ｘ－￣４　（西安交通大学能源与动力工程学院，热流科学与工程教育部　重点实验室．陕西西安７１００４９）　摘要：天然气时代的到来决定了燃气事业未来良好的发展前景，回顾了国内外燃气锅炉　的发展历程：总结了传统燃气锅炉设计生产过程中存在的一些问题；提出了未来燃气锅炉的发　展方向，即主要集中在超低氮燃气燃烧器、超高效换热器、燃气阀组与自控技术三个方面；最后　第一作者：赵钦新　为行业内燃气锅炉生产企业的创新提出了阶段性的建议。　关键词：燃气锅炉；超低氮燃气燃烧器；超高效换热器；燃气阀组；自动控制　中图分类号：ＴＫ２２９　文献标识码：Ａ　（１９６３一），男．西安交　通大学热能工程系　博士、教授、博导，目　前主要从事热能工　程及相关专业教学　和科研工作．主要研　究方向：材料强度工　Ｔｈｅ　Ｇａｐ　ａｎｄ　Ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ　ｏｎ　Ｄｏｍｅｓｔｉｃ　Ｇａｓ－ｆｉｒｅｄ　Ｂｏｉｌｅｒｓ　ＺＨＡＯ　Ｑｉｎ—ｘｉｎ，ＳＨＡＮＧ　Ｊｕｎ—ｑｉ，ＮＩ　Ｙｏｎｇ—ｔａｏ，ＷＡＮＧ　Ｙｕｎ—ｇａｎｇ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍｏ—ｌｆｕｉｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４９，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　艺及设备安全。工业　过程节能减排。现　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｒｉｖａ１。ｆ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒａ１　ｇａｓ　ｅｍ　ｄｅｔｅ丌丌ｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｇ。。ｄ　ｐｒ０ｓｐｅｃｔｓ　ｆ０ｒ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌ。ｐ．　担任全国锅炉压力　ｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇａｓ—ｆｉｒｅｄ　ｃａｒｅ　ｅｒ＿Ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　０ｆ　ｄ。ｍｅｓｔｉｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｇａｓ　ｆｉｒｅｄ　ｂｏｉｌｅｒｓ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａ一　容器标准化技术委　ｒｉｚｅｓ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｄｅｓｊｇｎ＆ｐｒｏｄｕｃｔｊｏｎ，ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｎ忆ｒｄ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌ。ｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉ０ｎ　ｏｆ员会委员，中国动力　ｇａｓ一　ｒｅｄ　ｂ。ｉｌｅｒｓ　ａｓ　ｆｏｉｌ。ｗｓ：ｕｈｒａ－１。ｗ　ｎｉｔｍｇｅｎ　ｇａｓ　ｂｕｒｎｅｒ，ｕ１ｔｒａ　ｈｉｇｈ　ｅｍｃｉｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｇａｓ　ｖａ１ｖｅ　工程学会理事。　ｇｒｏｕｐ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｇｉｖｅｓ　ｓｏｍｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇａｓ—ｉｆｒｅｄ　ｂｏｉｌｅｒ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ－ｆｉｒｅｄ　ｂｏｉｌｅｒｓ；ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ　ＮＯ　ｇａｓ　ｂｕｒｎｅｒｓ；ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ；ｇａｓ　ｖａｌｖｅ　ｇｒｏｕｐ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｌ背景和需求　煤、油、气都属于化石燃料，使用过程中都会产　生大气污染，而且对森林、农作物和水土造成严重危　害，并导致ＣＯ，排放量的迅速增加。煤炭燃烧是释　放ＣＯ，最多的化石燃料．它要比石油和天然气多排　放２９％和８０％的ＣＯ，，世界每年的ＣＯ，总排放量　中，有４３％来自燃煤。同时，燃煤会释放大量的　１．１天然气是清洁能源　天然气主要由甲烷（８５％）和少量乙烷（９％）、　丙烷（３％）、氮气（２％）和丁烷（１％）组成。天然气　与煤炭、石油等黑色能源相比．燃烧过程中所产生的　影响人类呼吸系统健康的氮氧化物、一氧化碳以及　可吸人悬浮微粒极少，几乎不产生导致酸雨的二氧　化硫，燃烧之后也没有废渣、废水，产生的二氧化碳　ＳＯ　、ＮＯ　和颗粒物（ＰＭ）。我国是一个典型的“煤　也少于其他化石燃料，造成的温室效应较低，因而能　从根本上改善环境质量。正是天然气具有的上述优　基能源”大国，研究表明＿１］：影响我国环境空气质量　的首要污染物ＰＭ，　中，除了一线城市，大多数城市　燃煤对环境空气中ＰＭ，　的直接贡献达到２０％左右。　为了改善环境质量，我们必然要从改变能源消费结　构人手，气体燃料清洁高效、储量充足的特点，具有　势．已使开发利用天然气资源成为全世界能源工业　的发展潮流。　１．２气体燃料储量充足　资源基础为天然气增产提供了保障。我国天然　成为未来主体能源的巨大潜力，毫无疑问，我们将进　入天然气时代，这是历史的必然。　收稿日期：２０１７．０９—１８　气资源探明程度仅１９％，仍处于勘探早期。且国内　天然气产量仍将继续保持增长趋势＿２］。截至２０１５　年底，全国累计探明常规天然气地质储量１３．Ｏ１万　亿ｍ。，剩余可采储量５．２万亿ｍ　：累计探明煤层气　２　工业锅炉　２０１７年第５期（总第１６５期）　地质储量６　２９３亿ｍ　，剩余可采储量３　０６３亿ｍ　；累　计探明页岩气地质储量５　４４１亿ｍ　，剩余可采储量　１　３０２亿ｍ　。世界范围内天然气储量也十分丰富。　截至２０１４年底，世界常规天然气可采资源量为　１．４天然气的发展趋势　天然气无论从产量还是消耗量上看．上升势头　都很足。国际上看，２０１６年天然气产量为３５　５ｌ６亿　５５９．５万亿ｍ　，累计产量１０３．５万亿ｍ　；非常规天　然气可采资源量为５４３．５万亿ｎ　（其中致密气８３．６　万亿ｍ　，页岩气１９６．８万亿ｍ　，煤层气５２．４万亿　Ｉｎ　，天然气水合物ｌ８４万亿ｍ　，其他为水溶气），累　汁产量５．９万亿ｍ　。按照目前年产量３．６万亿ｍ　测算，世界天然气资源可供开采２００年以上。　１．３天然气的政策引导　较２０１５年增长０．３％，天然气消耗量总计为　３５　４２９４Ｌ　ｍ　，比２０１５年增长１．５％：从２００５年～　ｍ　，２０１５年天然气产量平均年增长率达２．４％，天然气　消耗量平均年增长率达２．３％。国内情况参见《ＢＰ　世界能源统计年鉴》（２０１７版），中国的天然气消费　量２００５年～２０１５年平均年增长率达１５％，《中国天　然气发展报告（２０１７）》显示，２０１６年中国天然气表　观消费量为２　０５８亿ｍ。，同比增加６．６％。天然气在　一我国的天然气行业也将迎来新的发展机遇：　（１）能源生产和消费革命将进一步激发天然气需　求。十八大提出的大力推进生态文明建设、《巴黎　协定》的实施和国家大力推动的大气和水污染防治　次能源消费结构中占比６．４％。２０１６年．我固用　气人口首次突破３亿人。到２０２０年，天然气在一次　能源消费结构中的占比力争达到１０％左右．气化人　口增至４．７亿人，地下储气库形成有效工作气量１４８　工作将对清洁能源的需求进一步增加。（２）国际天　亿ｍ　。到２０３０年，力争将天然气在一次能源消费　中的占比提高到１５％左右，地下储气库形成有效ｌＴ　作气量３５０亿ｍ　以上。由此可见，我国正逐步把天　然气培育为现代清洁能源体系的主体能源之一。　我国未来社会健康发展更是必须立足于天然　气。由图１所示，在２０１６年的全球能源组成比例　然气供应总体趋于宽松。美国页岩气革命使天然气　价格大幅下跌．为我国引进境外天然气资源创造了　良好的外部条件。（３）新型城镇化进程加快提供发　展新动力。“十三五”城镇化率目标为６０％，城镇化　率每提高一个百分点，每年将增加相当于８　０００万　吨标煤的能源消费量。这也将极大地促进天然气的　综合利用。（４）油气体制改革步伐加快。公平竞　争、开放有序的现代油气市场体系将逐步形成，同时　中，石油将近占三分之一，其次是煤炭，占全球能源　比例为３３．３％，排名第３的便是天然气．比例为　２４．１％，天然气在全球能源中的比重可见一斑。在　发达国家中，以美国为例，天然气占全部能源消耗的　３１．５％，高于全球平均水平。在中国，全部能源消耗　的六成多由煤炭来承担．天然气的比重远远不到全　球平均线。只为６．４％。由此可见，当前我国能源结　支持各类市场主体依法平等参与储气设施投资、建　设和运营，研究制定鼓励储气设施建设的政策措施。　（５）支持推进“煤改气”＿丁程。到２０２０年累计满足　“煤改气”工程用气需求１　１２０亿ｍ　。加大对天然　气．尤其是页岩气等非常规油气资源勘探开发的政　策扶持力度．有序推进煤制气示范项目建设。　世界　构仍不合理，只有积极调整能源产业结构，使各类能　源均衡发展，才能使经济长久稳步增长。　美国　中国　・原油－天然气　原煤核能・水力发电一再生能源　图１世界及美中两国能源构成　１．５天然气时代的需求　燃气锅炉的研究开发严重不足，其技术和装置则主　天然气时代的到来决定了未来燃气锅炉的发展　具有良好的前景。然而全社会并没有为此做好准　备。建国以来，锅炉燃料以煤炭为主，国内学者的研　究也主要集中在燃煤锅炉方面，对燃气燃烧技术及　要依赖国外生产企业进口。为了打破这种局面，认　识燃气锅炉并促进行业创新是当前的工作重点。这　其中，需要研究开发可产业化的系列新型超低氮燃　气燃烧器技术及产品；研究开发可产业化的系列新　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　３　型超高效换热器技术及高效传热元件；研究开发可　产业化的燃气阀组和自动控制耦合技术及产品；在　此基础上研究开发可产业化的超低氮燃气燃烧器／　燃烧器及阀组　超高效传热换热器／燃气阀组及自控三位一体耦合　适配的超高效燃气锅炉。如图２所示。　■■■硼■耵■ｌ　卜自　Ｉ．【　　－　鍪　制　’　１ｌＩ’Ｊ～　，厂—］一Ｉ　．Ｉ　Ｌ］　厂Ｊ　（ａ）燃气阀组＋超低氮燃气燃烧器（ｂ）超高效辐射和对流传热换热器（ｃ）全自动控制的燃气锅炉　图２超高效超低氮燃气锅炉　２燃气锅炉发展历程　众所周知，锅炉是由“锅”和“炉”两个部件组　成。但并不是构成锅炉的全部，还应该包括阀门仪表　和自动控制　“锅”是指盛水的换热容器，“炉”是指　燃烧设备。对燃气锅炉而言，“炉”就是指燃气燃烧　院所的研究人员主要集中在以煤为主的层状燃烧、　流化燃烧和煤粉燃烧技术研究领域。当然，这段时　期国内一些科研院所开始关注这个产业。并着手燃　油、燃气锅炉及燃烧器的自主化设计和生产。但由　于最初阶段很多关键部件依赖进口，如有喷嘴和阀　组，而进口渠道不够畅通，货源无法得到保证，同时　器，“锅”就是指换热容器。在阐述未来技术挑战之　前，让我们先来回顾一下我国燃气锅炉的发展历程。　２．１　国内燃气锅炉发展历程　２．１．１发展概述　国内配套又存在很多困难。因此，没有取得预想的效　果。　（１）锅壳式锅炉本体布置　锅壳式锅炉属传统结构，受热面布置受到的限　制大，水及蒸汽容量大，对负荷变动适应性好，对水　质的要求比水管锅炉低，生产上可采用传统制造工　艺。水管锅炉受热面布置灵活，传热性能好，在结构　上可用于大容量和高参数的工况，但对水质和运行　２０世纪五六十年代．部分燃气锅炉由燃煤锅炉　改造而来，但是难以满足生产需要；２０世纪７０年代　初．原重庆锅炉总厂立足于四川丰富的天然气资源，　开始设计生产燃气锅炉，其４．０　ｔ／ｈ卧式内燃锅壳式　燃气锅炉于１９７６年通过技术和产品鉴定。随着国　内油气田开发．燃气锅炉的需求大幅度增长，为了扩　大机电产品ｍ口，１９７９年由原机械工业部电器工业　要求较高。锅壳式锅炉一般制成快装结构，便于运　输和现场安装，和水管锅炉结构的灵活性相比，锅壳　局委托上海工业锅炉研究所牵头，组织曾生产过燃　油快装锅炉的厂家．成立了机械部出口油气炉联合　设计组。由原广州锅炉厂、原天津锅炉厂、原上海工　式锅炉若不能实现快装，其优势无法体现。　不论是锅壳式锅炉还是水管锅炉，都有立式和　卧式之分，但没有严格的分界线。其中立式锅炉容　量普遍较小．而卧式锅炉容量则比较大。一般立式　水管锅炉容量用于４　ｔ／ｈ（２．８　ＭＷ）以下，结构紧凑，　产汽快．只是水管结构对水质的要求较高且检修较　业锅炉厂和原重庆锅炉总厂等４家企业组成，开始　出口燃油气锅炉的设计工作，联合开发研制中小型　的燃气锅炉并定点生产定型产品。但由于当时我国　的燃料政策是以燃煤为主，因此燃气锅炉并没有得　到大规模的推广。可见，２０世纪８Ｏ年代以前，我国　相关部门只为解决石油开采和机电出口研制开发了　为困难。在中大容量上，一般以是否快装作为锅壳　式锅炉和水管锅炉的分界线，如１５　ｔ／ｈ（１０．５　ＭＷ）～　２０　ｔ／ｈ（１４　ＭＷ）以上，建议采用水管结构。我国的　有限品种的燃油、燃气锅炉及燃油、燃气燃烧器，至　９０年代初，当中国快速发展燃油、燃气工业时，国内　根本来不及研发，也无法在短时期形成系列，此时，　锅壳式锅炉虽然没有像国外那样将容量发展到５０　ｔ／ｈ以上，但是也已经得到了充分发展。　前已述及，１９７９年成立的油气炉联合设计组由　国外系列燃油、燃气燃烧器产品蜂拥而至，如意大利　百得、德国威索、英国力威等，而国内高等院校、研究　４个厂的设计人员组成，并分为锅炉本体、燃烧和自　控３个小组，分别由广州、天津、上海和重庆的工厂　４　工业锅炉　２０１７年第５期（总第１６５期）　担任１　ｔ／ｈ、２　ｔ／ｈ、３　ｔ／ｈ和４　ｔ／ｈ锅炉的主任设计，这　种设计分组方法具有前瞻性。在此期间，重庆锅炉　的正常运行周期，而且锅炉容量越大，这一情况越严　重。后来当锅炉容量增大后，不得不选用湿背式锅　炉结构，但是，湿背式锅炉结构回燃室制造复杂，装　配困难，运行过程中维修也困难、管板裂纹依然存　在。　总厂为进行气炉、油炉设计与重庆大学强化传热科　研组合作研究开发的“螺纹管传热和流阻性能试验　台”成为我国锅壳式燃气锅炉研发的重大成果，联　合设计组确定了单头螺纹管作为对流受热管束的换　热元件．以强化对流传热、缩小锅炉体积为主要设计　思想，这一设计思想至少和同时期的欧洲、美国、日　本技术是同步的。　联合设计组在炉型分析上最后决定锅壳式燃油　燃气锅炉采用卧式内燃三回程结构。同时考虑到产　由于特殊的构造，锅壳式锅炉烟管温度较高，尤　其是烟管与回燃室前管板焊接处，极易出现管板裂　纹，如图３所示，严重影响锅炉的连续安全运行，特　别是热水锅炉．因易于发生过冷沸腾，局部气泡的生　成和破灭造成疲劳开裂，成为天生缺陷。必须进行　烟管结构、工艺、材料和水循环方面的创新才会有更　大的发展　品出口的需要．决定用干背替代湿背和半湿背结构，　２个对流回程炯管均采用螺纹管，但也有一些锅炉　厂在国内市场上坚持采用卧式湿背式三回程的经典　结构，如原重庆锅炉总厂，这种技术上的坚持对今天　我们发展超高效超低氮燃气锅炉尤其具有深刻的内　涵。　常规锅壳式锅炉由于缺少冷却水源，限制了炯　气的深度冷却和冷凝：对于生活采暖用燃气锅炉，通　常设定的回水／出水温度分别为７０／９５℃，然而７０　℃的回水温度高于水露点温度不可能发生冷凝，因　此需从锅炉系统外引入冷水对烟气进行冷凝处理，　卧式干背式三回程锅炉结构制造Ｔ艺简单，制　造工期短．但其炉胆出口高温炯气直接和后烟箱盖　接触，容易损坏．不得不经常停炉修理，缩短了锅炉　但是这部分热量若没有回到锅炉中去，就不会提高　锅炉的整体热效率。　３锅壳式锅炉易于发生的管板裂纹缺陷　（２）水管式锅炉总体布置　２０世纪７０年代是我国第一个燃油燃气锅炉的　列化生产。更重要的是满足当时传统Ｔ艺的需求。　发展时期。在此期间．一些企业选择美国对流管束　路线．发展了Ｄ型、Ａ型和Ｏ型水管燃油燃气锅炉，　如图４所示．现在看来，这是当时的必然选择，因为　当时锅炉制造厂没有蛇形管生产线，无法实施欧洲　的单锅筒加蛇形管束的技术路线。如原北京锅炉厂　ｌ９７３年设计制造的ＳＺＳ　４—１２．７一ＱＪ燃用焦炉煤气　的Ｄ型水管饱和蒸汽锅炉，还有原长春锅炉厂设计　制造的ＳＺＳ　６—１２．７一ＹＺ燃用重油的Ｏ型水管饱和　蒸汽锅炉，这些锅炉炉膛已然采用了光管加扁钢的　（ａ）Ｄ　（ｂ）Ａ掣　（ｃ）０　图４卧式水管式Ｄ型、Ａ型、０型燃气锅炉的换热容器　然而，对于燃油燃气的热水锅炉，多数锅炉厂仍　然选用Ｄ型、Ａ型和０型蒸汽锅炉的炉型．这是一种　无奈的选择。与蒸汽锅炉相比．热水锅炉容量较大，　散装生产时，双锅筒加对流管束的制造　Ｔ＝艺不易现场　实施。事实上．燃气热水锅炉相当于一个特殊的省煤　器．是辐射式省煤器和对流式省煤器的组合。因此，　膜式水冷壁结构，对流管束采用密集的顺列光管管　束。当然，我们也同样没有选择日本Ｍｉｕｒａ／Ｅｂａｒａ　的立式直流或自然循环的水管燃油燃气锅炉，虽然　该结构紧凑，产汽快，但水质要求高，检修极为困难。　Ｄ型、Ａ型和Ｏ型燃油燃气锅炉的共同特点是双　对市场上燃气热水锅炉进行结构化重整势在必行。　２Ｏ世纪９０年代，第二次“煤改气”启动，并且得　益于经济全球化和贸易国际化．国内相关行业得到　锅筒卧式纵向布置．燃烧器炉前水平安装，操作检修　方便．长、宽、高尺寸较小，长度伸缩性较大，适合于系　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　５　快速度发展，为我国燃气锅炉制造业提供了发展机　遇。９０年代中后期，在江苏、浙江、上海、河北等地　燃烧器测试评价中心和相应的技术规范和标准．一　定程度上规范了国内的燃油、燃气燃烧器市场，这一　陆续诞生了几家燃烧器生产企业，但企业自主研发，　缺乏国家层面的研究支持和产学研合作，进展较为　缓慢。２０１１年～２０１３年，第三次“煤改气”启动，而　由于燃气锅炉缺乏系统的设计开发，产、学、研严重　举措也为中国未来超高效超低氮燃气锅炉的发展奠　定基础。　２．１．２“炉”——燃气燃烧器　燃气锅炉的“炉”就是燃烧器。我国锅炉行业　一脱节，致使燃气“锅”、“炉”的系统技术瓶颈难以解　决，如锅炉设计过程中缺乏整体布局、传统蒸汽锅炉　改造成热水锅炉、锅炉本体一体化程度不够、大容量　燃气燃烧器品牌少且供应不畅，造成锅炉主机、辅机　和配套附件布置不合理等。虽然行业中一些燃油燃　气锅炉的领先企业，如江苏双良、杭州力聚、无锡中　开始就独立自主自行设计开发燃油、燃气燃烧器．　根据燃油、燃气燃烧器的原理，探索了燃气燃烧器设　计、生产及运行应遵循的技术原理和生产规律。　燃气的燃烧包括３个过程．即燃气和空气的混　合过程、混合气体的及时着火和升温过程、混合气体　的可控燃烧过程。由此可见燃气燃烧的前提条件是　燃气与空气的混合。因此根据燃气与空气混合方式　的不同，习惯将燃气燃烧器分为扩散式燃烧器、部分　预混式燃烧器、完全预混式燃烧器等３类。　（１）扩散式燃烧器　扩散式燃烧器（如图５（ａ））燃烧所需的空气和　燃气是分别送人炉膛或燃烧室．其混合区在炉膛或　燃烧室内，扩散式燃烧器的原理决定了其具有以下　特点：　正、安阳方块等企业已分别具有相当规模的生产总　值，但并没有形成在国内外具有较高品牌知名度的　燃气锅炉技术及产品。难以形成核心竞争力，说穿了　就是不去分析这次煤改气的特点，主观上拿来主义，　客观上也没有设计能力或者有能力但来不及设计开　发，仓促应战。没有借此机会培养企业的创新能力。　当然，这些年，在国家层面上，国家质检部门根据国　外发展燃油燃气锅炉及燃烧器的经验，建立了油、气　／三　＝＝＝　＝＝＝　（ａ）扩散式燃烧器　（ｂ）部分预混式燃烧器　图５按燃气和空气混合条件分类的燃气燃烧器　（ｃ）完全预混式燃烧器　①由于燃烧器喷口喷出的为单一的燃气，燃烧　器的火焰不会回窜入喷口内，不会发生回火和爆炸，　可以将燃气和空气分别预热到较高温度，以提高炉　内温度水平，提高燃烧效率。　②燃烧器热负荷调节范围大，燃烧器工作稳定。　③过量空气系数大，燃烧速度较低，火焰较长，　需要较大的燃烧室。　强、燃烧温度高。　②可以燃用不同性质的燃气，燃烧比较完全，燃　烧效率比较高。　③在回火和脱火方面的性能虽不及扩散式燃烧　器，但比完全预混式燃烧器安全。　④由于是部分预混式燃烧器，与完全预混式燃　烧器相比火焰较长，燃烧室容积热强度较小。　④在燃烧碳氢含量较高的燃气时，常因燃气还　（３）完全预混式燃烧器　未与氧气充分混合就受热分解，形成难以燃尽的细　微碳粒，使烟囱冒黑烟，造成环境污染。　（２）部分预混式燃烧器　部分预混式燃烧器（如图５（ｂ））燃气与所需的完全预混式燃烧器（如图５（ｃ））是将燃气和燃　烧所需的全部空气在燃烧器喷口前充分混合，然后　点燃。完全预混式燃烧器具有以下特点：　①热强度高，容积热强度可达１１５　１　１５０　ＭＷ／ｍ。，　部分空气预先混合，一次空气系数　＝０．２—０．８，燃　气喷出喷口后再与燃烧所需的二次空气混合。部分　预混式燃烧器具有以下特点：　①与扩散式燃烧器相比，其火焰长度短、火力　相当于扩散式燃烧器的１００—１　０００倍。　②燃烧温度可以很高，火焰短。　③过量空气系数小，可取　＝１．０５，因此热效率高。　④燃烧完全，燃烧速度快。　６　工业锅炉　２０１７年第５期（总第１６５期）　⑤设有耐火砖质地的火道，具有蓄热功能，可燃　用热值较低的燃气。　⑥火焰稳定性较差，较易回火，负荷调节范围较　小；为防止回火，头部结构较复杂且笨重。　原重庆锅炉总厂｜３　于１９７６年开发了一种湍流　混合式燃气燃烧器，该燃烧器结构如图６所示。燃　烧器由蜗壳和３层圆柱形套筒所组成，空气从鼓风　机出来后。通过蜗壳时产生强烈旋流，然后进入内圆　筒继续螺旋前进。另一小部分空气则刚刚进入内圆　筒就从一排ｌ０个８　ｍｍＸ１２　ｍｍ的矩形孔钻人外环　套夹层，然后从燃烧器出口喷出，作为二次空气，用　它来冷却燃烧器并强化燃烧；天然气通过燃气导管　进人中间环形套筒，经过两排孔（第一排为４—４１２，　第二排２２一　５．５）自圆柱筒周边呈径向，分成多股，　以高速度喷人圆柱形通道，与呈螺旋旋转前进的空　气流进行强烈的湍流混合。在燃烧器出口处装有一　个异形耐火砖做的火道，形成稳定的点火源和燃烧　生成物的湍流滞流地带，以保证燃烧表面的扩展和　提高火焰亮度，从而强化燃烧。　１一看火门２一蜗壳面板３一蜗壳围板４一蜗壳内板　５一内套筒６一中央套７一外套筒８一内封板　９一外封板１Ｏ一燃烧器和锅的连接面板　１　１一异形耐火砖火道１２一进气管座　ｌ３一短管　１４一空气进口角铁框及法兰　１５一光双头螺栓　１６一盖形螺母　图６湍流混合式燃气燃烧器结构图　原天津锅炉总厂［３］于１９８７年设计了ＱＴ型燃　气燃烧器，如图７所示。ＱＴ型燃烧器把部分预混燃　烧和扩散燃烧结合在一起，集两种燃烧方式的优点　于一身，集中体现了既有扩散型燃烧时较强的热辐　射能力，又有部分预混的动态燃烧较完全的燃烧效　果，也在一定程度上避免了回火现象的设计思想。　在ＱＴ型结构的燃烧器中，天然气和空气是分　别引入的，空气经调风器５旋转进入混合空间，天然　气由进口１进人外管，在接近出口处一部分气体从　不同直径的小孔９高速射出．与调风器处旋转而来　的空气迅速均匀混合，这种混合气体流经火口时，一　经点燃，立即着火，并能产生稳定火焰，这部分结构　气体的燃烧方式为动态燃烧，与此同时，另一部分天　然气也以较高速度从外管经旋流叶片４射出，经点　燃后，与空气在边扩散、边混合的过程中燃烧，这部　分结构气体的燃烧接近于扩散燃烧。　为了使天然气在喷出燃烧器后，就向外扩展，使　火焰更好地充满炉膛，在ＱＴ型燃烧器的内管４上　加装了旋流叶片，以改善喷嘴前部天然气因与空气　混合不好造成燃烧不完全的状况。　１一天然气进口　２一观察视镜３一燃烧器中心管　４一旋流叶片５一调风器６一点火枪７一熄火保护装置　８一异形耐火砖火道９一燃气预混喷孔　图７　ＱＴ型燃气燃烧器　长沙锅炉厂在之后也为ＷＮＳ　１０—１．２５一ＱＴ型锅　炉设计了周边供气蜗壳式燃烧器，如图８所示。热　空气切向进入蜗壳、通过蜗壳产生强烈旋转，后进入　内筒继续旋转向前，形成旋转的中心送风。天然气　在燃烧器中段的短管中送人：穿过风道外圆板进人　中间夹套２。再经中心送风管的内套筒３上的两排　小孔，进人中心送风道与旋转的空气混合。两者强　烈混合后进人火道燃烧。由于中心风道中空气速度　有２５　３０　ｍ／ｓ。要使天然气能穿透人空气中，就必须　有较高流速。孔口的天然气出口速度为１３０　１４０　ｍ／ｓ。孔径大的天然气流在横向空气中射程较远．　孔径小的天然气射流射程就近，这样使天然气在整　个空气流动的截面上分布均匀．达到很好的交叉射　流混合效果。　还有小部分空气通过风管内套左面圆周上均布　着一排曲边矩形孔进入外夹套。作为冷却风以保护　内套筒不会受炉内高温辐射而损坏，这股空气流在　喷嘴出口又作为二次风与主气流混合。这种燃烧器　混合强烈，燃烧完善；炉膛火焰清晰明亮，火炬长度　不到２　ｍ，过量空气系数小，但阻力较大。　以上３个实例说明，上世纪８０年代以前．锅炉　制造厂通过产学研合作在制造“锅”的同时经过研　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　７　１一天然气进口短管２一中间夹套３一送风管的内套简　ａ×ｂ一空气进入蜗壳的长度和宽度，ｍｍ　ｎ，一ｄ　一内套筒３　上的第３排的（从蜗壳面板算起）开孔数目ｎ　和开孔直径　ｄ　，ｍｍ　１７，　一ｄ３一内套筒３上的第２排的（从蜗壳面板算起）　开孔数目１７，　和开孔直径ｄ　，ｍｍ／７　，一ｄ４一内套筒３上的第１　排（从蜗壳面板算起）的矩形开孑Ｌ数目　和矩形开孔的长×　宽：ｃ×ｅ，ｍｍ　Ｈ　一空气进口法兰端面到燃烧器中心线的距　离，ｍｍ　Ｈ２一燃气进口法兰端面到燃烧器中心线的距离，　ｍｍ　Ｌ．一蜗壳面板到燃烧器喷１２１的距离，ｍｍ　Ｌ２一燃烧器　喷口到异形耐火砖火道出Ｉ２Ｉ的距离，ｍｍ　Ｌ３一蜗壳内板到　燃烧器喷ＶＩ的距离，ｍｍ　Ｄ。一内套筒内径，ｍｍ　Ｄ　一中间　夹套筒内径，ｍｍ　Ｄ：一风道外圆筒内径，ｍｍ　Ｄ。一火焰出　口内径，ｍｍ　Ｄ　一蜗壳内径，ｍｍ　图８长沙锅炉厂设计的蜗壳式燃烧器　发配套设计，也很好地完成了“炉”的结构及自控系　统设计，不仅能够实现国内市场的自给自足，而且还　援外出口到国际市场。可是。为什么进入２０世纪　８０年代之后．尤其是到了９０年代．我国燃烧器设计　与发展的脚步明显放慢了，某些人更不恰当地提出　了“做”不如买的论调，牺牲了自己制造能力的培　养，一味追求进口替代国产。但进入２ｌ世纪后，环　保要求逐渐提高，对氮氧化物等污染物的排放有了　严格的限制，减少ＮＯ　的排放这一新的挑战出现　了，低氮燃烧技术及低氮燃烧器成为研究的热点，但　国内在这方面起步较晚、投人研究不足，至今尚未有　成功的自主品牌，市场长期被国外产品垄断。　据我们近几年来的粗略统计，目前国内燃烧器　市场品牌繁多，以锅炉专用的燃烧器为例，制造单位　目前已经超过１６０家，其中，国外及其合资企业约　６０家，国内自有技术品牌企业约５０家，代加工企业　或贴牌企业约５０家。由于我国以煤为主的能源生　产和消费结构．使燃油燃气燃烧器的技术开发起步　较晚，早期开发的产品以消化吸收国外技术及产品　为主。更为严重的是，我国一直没有统一的性能测试　标准与产品标准作为指导，因此产品质量难以保证，　无论是燃烧器的先进性还是安全性都存在不少问　题。另外我国还有其他行业，如冶金、石化、航空、窑　炉等行业需要专业的燃烧器或烧嘴，这些燃烧器的　生产企业也应该有上百家之多。目前，随着我国能　源结构向天然气开始倾斜，燃气燃烧器的需求和要　求越来越大、越来越高，其总的发展趋势是：国内越　来越多的企业开始设计制造燃烧器。国外品牌企业　也由于自身供货周期长和制造成本等原因开始在国　内设置组装厂，如意大利ｒｉｅｌｌｏ在上海、芬兰ｏｉｌｏｎ在　无锡、日本ｏｌｙｍｐｉａ在深：０ｉＩ等城市设厂。由于行业　缺乏有效管理。造成目前燃气燃烧器市场混乱．即使　我们拥有２００多家燃油燃气燃烧器企业规模．也没　有形成强有力的国产燃烧器品牌．这和我国未来天　然气时代到来后对燃烧器的巨大需求、经济发展和　人民改善生活的迫切期望背道而驰。但我们有理由　相信５～１０年之后，国内一定会形成一些具有品牌　效应的燃气燃烧器生产厂家。也会形成一批能同时　生产燃烧器和锅炉换热容器的名副其实的锅炉制造　企业。　２．１．３“锅”——换热容器　燃气锅炉的“锅”就是交换热量的换热容器。　燃气锅炉就其本体结构而言可分为锅壳式锅炉（亦　称为火管锅炉）和水管锅炉。锅壳式锅炉就是因为　燃料燃烧后的高温烟气在锅炉的火筒（炉胆）和烟　管中流动而得名，结构如图９所示。与锅壳式（火　管）锅炉相对应的，当水、汽或汽水混合物在管内流　动，而火焰或烟气在管外燃烧和流动的锅炉统称为　水管锅炉，如图１０（ａ）所示。还有一种锅炉需要提　及——浸没式燃烧锅炉，亦即火焰、烟气直接和水接　触加热的锅炉，若能够解决腐蚀问题，其热效率当然　是最高的。当今世界已经具有条件尝试浸没式燃烧　技术的可行性，因为（１）天然气易于高度净化；（２）　天然气易于实现完全燃烧；（３）材料腐蚀与防护技　术取得很大进展；（４）水处理技术日新月异。天然　气在完全充分燃烧后，不含炭黑。烟气中的主要污染　物是ＣＯ　、ＳＯ　和ＮＯ　，因此，浸没式燃烧需要解决　Ｈ２ＳＯ”Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ２、ＨＮＯ３和Ｈ２ＣＯ３溶液的腐蚀　问题，如图１０（ｂ）所示，这种新探索可能被赋予积　极的意义。　１）锅壳式燃气锅炉换热容器　（１）辐射式换热容器　锅炉炉膛中的辐射受热面一般为蒸发受热面。　也就是指工质在其中吸热汽化的受热面。立式锅壳　式锅炉的蒸发受热面由炉胆、炉胆顶等板型元件组　成，也有很多紧凑的场合直接使用水夹套；卧式锅壳　８　工业锅炉　２０１７年第５期（总第１６５期）　式锅炉的蒸发受热面由炉胆和回燃室等板形元件组　成，如图１１所示，图１１（ａ）从左至右分别为回燃室、　炉胆受热面及整个系统的热膨胀量。并能提高炉胆　系统的弹性，而且在无形之中增加了蒸发受热面。　锥形炉胆的主要作用是保证和锥形炉胆连接的管板　扳边后烟管能够更紧密地排列在炉胆周围，节省了　锥形炉胆、波形炉胆、锥形炉胆和锅壳前管板。这些　辐射受热面直接承受火焰的热辐射。燃气锅炉的炉　胆蒸发受热面有平直炉胆、波形炉胆和锥形炉胆三　种　平直炉胆又有立式和卧式平直炉胆之分。它是　受外压的元件．是三种炉胆中刚性较差的一种形式。　波形炉胆刚性较大．它可以吸收高温辐射所引起的　管板的空间，或者说使相同的管板空间能布置更多　的烟管受热面．从而有可能缩小回燃室和锅壳的直　径．减小锅炉本体的尺寸。　Ｉ　ｆ　、、徽＼　魍　’　图９锅壳式（火管）锅炉本体换热容器结构图　（ａ）水管式角管锅炉本体结构　（ｂ）浸没式燃烧锅炉本体结构　图】０水管锅炉和浸没式燃烧锅炉本体换热容器结构图　（ａ）中大容量　（ｂ）小容量　罔１　１　锅壳式燃气锅炉的辐射式换热容器　当燃烧器采用扩散式燃烧时．炉胆是必须的辐　回程锅壳式锅炉烟气转向所必须的受压部件，由圆　射式换热容器，不能省略：但当燃烧器采用全预混燃　烧时．因为没有火焰的尺寸要求，炉胆就可以省略，　同理．此时也可以省略回燃室。回燃室也是卧式三　筒形湿背筒体和回燃室前、后管板组成，其结构形式　也有很多种，比如平管板回燃室和椭球型管板回燃　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　９　室［４］。这里要说明的是，回燃室制造工艺复杂，回　燃室前管板承受烟气高温辐射和人口对流效应．工　作环境恶劣，容易产生管板裂纹，至今缺乏有效措施　来。随着不断采取强化传热技术以及回程再造的需　要，烟管回程已经减至２回程甚至１回程，其他回程　则由外翅强化的水管受热面替代；德国Ｖｉｓｓｍａｎｎ有　一彻底消除管板裂纹，但是技术人员一直没有停止探　索。回燃室是可以省略的受压部件，此时国外采用　大直径导烟管将炉胆的高温烟气送到烟管入口，这　款型号的热水锅炉则直接将烟管受热面全部取　消，只保留炉胆和尾部的异形水管受热面，这当然也　是一种创新。不管怎么说，强化传热代表了对流受　热面未来的创新和发展方向。　种设计一方面可以避免出现高温管板裂纹。另一方　面大直径导烟管可以和烟管的前管板、炉胆简体实　现全焊透从而具有较高的安全可靠性。　（２）对流式换热容器　烟管的强化传热技术总体上分为２类：有源强　化技术和无源强化技术。由于有源强化技术需要外　加能量而受到发展限制，无源强化技术主要分异型　烟管是锅壳式锅炉的主要对流受热面，分为光　管和强化传热管受热面，如我国单头螺纹管几乎成　为中国燃油燃气锅炉的标准配置。为实现较低的排　烟温度往往需要设置３～４个回程的烟管，但近几年　管、管内插物和内翅管３种。　①异型管强化传热技术　目前用于燃气锅炉烟管的异型管包括螺纹管、　横纹管和凹窝管等，如图ｌ２所示。　（ａ）螺纹管　（ｂ）横纹管　（ｂ）管内插物　图１２异型管强化传热和管内插物　螺纹管由光管挤压而成，管内形成螺旋状凸　片得到了一定程度应用。　起。管壁上的螺旋槽能在传热过程中显著提高管内　外的传热系数，具有双面强化传热作用。目前螺纹　管在我国燃气锅炉中使用最多。　横纹管外壁有沿轴向间隔的环形槽，内壁侧有　对应的环状凸出。当烟气经过横纹槽的圆环时在管　壁上形成轴向旋涡，增加了烟气边界层的扰动，有利　于热量通过边界层的传递。　实验表明，这些管内插物强化传热的能力和螺　纹管具有同等水平，但管内插物的阻力增加明显高　于螺纹管，这并不符合强化传热的终极目的，强化传　热的目标是要实现在低阻力条件下的高效传热，因　此，虽然在我国管内插物学术研究很多，但其工程的　使用场合受到很大限制。　２）水管式燃气锅炉换热容器　凹窝管是通过挤压光管使管内壁产生凸起的换　热管。当流体流经管内凸起部分时，顶端流体发生　边界层分离，在分离区形成涡流，随后又重新与壁面　接触。边界层分离产生的流体旋涡使流体湍动程度　增加，增加换热强度。　还有一些强化传热技术在换热器中已得到广泛　应用，但在燃气锅炉中却鲜见报道，如波纹管、内外　翅片管等。　②管内插物强化传热技术　该方法简便易行、成本低廉、拆装方便。换热管　内插入物主要分为固定式和自旋式，固定式插入物　（１）辐射式换热容器　水管锅炉的辐射换热容器主要为水冷壁。常用　的水冷壁主要有光管和膜式水冷壁。膜式水冷壁就　是各光管之间用鳍片或扁钢焊接成的一组管屏。光　管式水冷壁制造、安装简单，但对炉墙的保护作用　小，需要重型炉墙，易于漏风；膜式水冷壁大多是光　管之间加焊扁钢形成的水冷壁，可实现规模化焊接　生产，膜式水冷壁对炉膛的保护最好，只需要敷管式　炉墙，炉膛可采用微正压燃烧『３］。图１３示出了各种　各样的水冷壁结构，可见，这方面的创新空间很小。　（２）对流式换热器　在管内的位置相对固定，不随流体流动而产生变化．　主要有静态混合器、锥形环、ＣＴ插人物，星形插人物　等。自旋式管内插入物如纽带、螺旋弹簧、偏重螺旋　轮等，在流体流动作用下能产生自动旋转，同时改变　了流体的流动趋势，形成旋转流，使中心流体与壁面　大容量燃气锅炉常规的对流式换热器一般采用　蛇形管排式结构，是用对接焊接接长的无缝钢管连　续弯制而成，一般采用横向冲刷的顺列和错列光管　管束。图ｌ４示出了错列和顺列结构的蛇形管束简　图。连续弯制蛇形管排需要大型的蛇形管生产线，　流体产生置换作用，破坏边界层的发展。在燃气锅　炉中，作为管内插入物的弹簧、麻花扭带和冲压折流　这对于工业锅炉厂是个巨大的挑战；其次，蛇形管束　的进出口一般需要穿墙（管束中间集箱可以放置于　ｌ０　工业锅炉　２０１７年第５期（总第１６５期）　｝ｆ｝｝｝｝ｆ｝｛　（ａ）光管水冷壁　（ｂ）膜式水冷壁　ｌ一光管（ｃ）典型膜式　（ｄ）直膜式壁管屏（ｅ）密排螺旋膜式壁（ｆ）光管加扁钢螺旋膜式壁　４一外墙板５一扁钢　２一耐火材料３一隔热和保温材料图ｌ３水管燃气锅炉的辐射式换热容器　烟气流向　开发的新一代角管式燃油燃气锅炉的主要动力。　Ｌ　｛　ｙ　ｊ　１一方形支撑梁２一管束夹持板戡删　删　３一蛇形管束　２／／　／　／　／　＿　、　、　４一省煤器出口集箱５一省煤器入口集箱　图１４错列和顺列结构的蛇形管排式结构　烟道中），穿墙造成管束与炉墙密封上的难题；第　三，光管管束可用于任何烟气温度的过热器或再热　器．但是当低烟温或温差小的时候就需要进行扩展　受热面的强化传热以节省金属材料并保持对流结构　的紧凑性。　为解决蛇形管排连续弯制的工艺问题．人们很　ｌ一锅简２一下降管３一上升管　４一汽水分离５～引出管　图ｌ５　角管锅炉自支撑及水循环结构图　Ａ．Ａ　１：５　Ｉ　ｌ：２　自然想到了选用对流管束来替代蛇形管排方案，对　流管束的优势就是不需要蛇形管排生产线，只需要　小型弯管机对短管进行两端弯制即可，这就是我国　杏杏杏杏　军Ｃ。Ｃ　ｌ：２　　工业锅炉行业不管什么样的锅炉，燃煤的、燃生物质　的、燃垃圾的、燃油燃气的，蒸汽的、热水的、导热油　的，层燃的、流化床的、煤粉的……等，几乎所有的水　管锅炉都设计成Ｄ型（偶尔也有Ａ型或０型）结构　的原因，Ｄ型锅炉几乎是我国工业锅炉厂的“葵花宝　典”。　为解决穿墙难题，欧洲国家发明了旗式受热面　并应用于角管锅炉，其实，角管锅炉自支撑无需钢　１一弯头　２一蛇形管旗面３一上集箱　４一膜式壁旗杆５一下集箱　图１６角管锅炉旗式蛇形管受热面　当烟气温度或传热温差小时，可以制成多种形　式的扩展受热面。其中，较早使用的扩展受热面是钢　管纵向肋片扩展受热面．如纵向肋片焊接单元、鳍片　管轧制单元和膜式焊接单元　］，如图ｌ７所示。但　架、循环动力强大和旗式蛇形管受热面是其作为工　业锅炉结构的典型特点，如图ｌ５、图１６所示。首　先．旗式蛇形管受热面在制造工艺上，也不需要连续　弯制的蛇形管排生产线，只需要在小型弯管机上连　续弯制即可；其次，旗式蛇形管受热面不需穿墙，气　密性好，可使蛇形管束和尾部竖井膜式壁自成一体，　整体生产、运输，极大地方便现场安装，这是近几年　角管锅炉成为国内市场主流的原因，也是我们研制　是，这３种钢管纵向扩展受热面肋化效率较低，强化　传热效果一般。其中，鳍片管轧制成本较高，肋片高　度受到轧制工艺限制：膜式焊接单元易于出现流动　偏斜，流动过程中烟气难以实现横向混合；只有中间　焊上一定厚度（４～６　ｍｍ）和一定高度（３２～４０　ｍｍ）　的扁钢的纵向肋片焊接单元制造成本较低，而且工　．综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　（ａ）纵向肋片焊接单元　（ｂ）鳍片管式轧制单元　（ｃ）膜式焊接单元　图１７钢管纵向扩展受热面的强化传热单元结构　艺简单，适合规模化工业生产，但是，随着新型扩展　翅片结构可分为连续型螺旋翅片管和开齿型螺旋翅　受热面的出现，钢管纵向肋片单元扩展受热面的应　用也日渐减少。　片管，如图ｌ９所示。试验结果表明：在同样热工参　数条件下，开齿型螺旋翅片管单元的换热系数比连　图１８示出了钢管横向扩展强化传热受热面结　构单元，主要有螺旋翅片管、Ｈ形翅片管和针形翅片　管单元结构。每种强化传热单元结构还可以有所变　续型螺旋翅片管单元提高２０％左右，其强化换热效　果更为明显，因此，燃气一蒸汽联合循环发电的燃气　轮机余热锅炉的受热面多采用开齿型螺旋翅片管单　垂　『　一　ｌ　化，如螺旋翅片管按制造工艺分类可分为焊接式螺　旋翅片管、整体式螺旋翅片管、Ｕ形螺旋翅片管；按　元结构。　／、　＼　。／＼　：　．　、、　—　交　（ａ）螺旋翅片管　（ｂ）Ｈ形翅片管　（ｃ）针形翅片管　（ａ）连续型螺旋翅片管　（ｂ）开齿型螺旋翅片管　图１８钢管横向扩展受热面的强化传热单元结构　图１９螺旋形翅片管单元结构　Ｈ形翅片管也有单Ｈ形翅片管、双Ｈ形翅片管　和４Ｈ形翅片管之分，单Ｈ形翅片管也分为７０　ｍｍ￣　７０　ｍｍ、７５　ｍｍ￣７５　ｍｍ和９５　ｍｍ￣８９　ｍｍ等多种型　式，如图２０所示。由于Ｈ型翅片管采用全自动电　阻闪光焊接生产线制造，生产效率极为低下，因此，　技术人员在单Ｈ形翅片管生产线的基础上研制开　界层不断地被破坏，同时又再形成，从而使整个换热　面边界层减薄，减小了传热热阻。大大提高了换热系　数。其次针翅或销钉是一种悬臂梁结构，在高烟速　区和旋涡回流区的气流冲击下，会产生微幅振动，使　烟灰很难积结，加上烟气强烈的紊流冲刷，使针翅或　销钉管传热单元结构具有较强的自清灰能力。　２．２国外燃气锅炉发展历程　２．２．１发展概述　发了双Ｈ形和４Ｈ形翅片管单元结构，大大提高了　Ｈ形翅片管的生产效率和单元结构的刚性。　针形翅片管，或称为销钉管［５］．是一种新型的　扩展强化传热单元结构，如图２１所示，它的优点是：　无论烟气是横向还是纵向冲刷管束。所有针翅扩展　受热面总是受到烟气的横向冲刷，气流在针翅或销　国外的情况和国内差别巨大。在国外，由于燃　气历史很长，燃气“锅”“炉”已发展成为十分成熟的　产业。国外有上百年的燃气使用历史，其燃烧器和　换热容器、换热器制造商经过几十年的市场竞争，在　技术上、工艺上、成本控制上积累了丰富的技术和经　钉的圆柱背面形成对称的稳态旋涡和回流区，热边　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　ｌ３　较成熟的燃气燃烧器产品外形。　展的前所未有的挑战．同时也给我们提供了学习和　竞争的机会。　２．２．３“锅”——换热容器　簟　Ｉ刳２４　同外成熟的燃气燃烧器产品　１）锅壳式燃气锅炉换热器　（１）辐射式换热容器　锅壳式锅炉是第一次工业革命的产物。在国外　得到了充分发展。如今国内设计的锅壳式燃气锅炉　换热容器无不是对国外产品结构进行消化吸收的结　果。不仅如此，国外在各自独立创新的发展中不断　地推陈出新，引领了一轮又一轮的换热容器结构的　这些品牌当中，基本上都具备燃油、燃气燃烧器　及油气两用燃烧器，燃气方面既有传统的扩散式燃　烧器，也有分级燃烧的低氮燃烧器；而且近几年进入　进步。从单炉胆到双炉胆，从单回燃室到双回燃室，　从炉胆在前管板上轴对称布置到偏置增强水循环结　构，缔造了至今国内产品无法逾越的结构、技术创新　和ＩＴ　艺的奇迹。图２５示出了大容量双炉胆燃气锅　炉的换热容器结构图。　市场的多数拥有由小功率到大功率机型的全预混无　焰燃烧器．主要针对我国更高需求的３０　ｒａｇ／ｍ　的低　氮市场　这些技术及产品随着贸易全球化的进一步　发展和“一带一路”经济带的形成不断扩大的市场，　对我国刚刚兴起的国产燃烧器技术及产品形成了巨　大压力，给我国燃烧器制造商提出了技术创新和发　图２５双炉胆燃气锅炉的换热容器结构　欧洲较早发现管板裂纹的问题，但是，他们穷其　ｔ２，智始终无法解决．特别是锅壳式燃气热水锅炉，因　燃烧热负荷高，高温管板处的过冷沸腾极易发生，成　制造厂采用大直径导烟管结构的换热容器，意在减　缓或消除高温管板开裂。消除回燃室有三种变型，　一种是采用大直径导烟管结构，如图２６（ａ）、（ｂ）、　为锅壳式燃气锅炉的天生缺陷。因此，除大部分的　制造商仍坚持炉胆加回燃室换热容器结构外，一部　分生产中小型燃气锅炉的欧洲制造商开始重整锅壳　式燃气锅炉换热容器结构，他们首先想到的是消除　回燃室，因为其异形结构非常复杂，吲燃室前管板受　高温作用容易出现管板裂纹，图２６示出了欧洲锅炉　（ｃ）；另一种减缓管板裂纹的方法是采用中心炉胆　回燃结构，建议热功率小于２．８　ＭＷ，如图２６（ｄ）；第　三种消除管板裂纹的方法就是也不采用大直径导烟　管，直接在炉胆出口布置了水管型的对流受热面，不　仅消除了回燃室，也完全消除了烟管。　（ａ）上置导烟管锅炉（ｂ）导烟管锅炉横截面（ｃ）下置导烟管锅炉　（ｄ）中心回燃锅炉　（ｅ）无烟管锅炉　图２６大直径导炯管结构的换热容器　（２）对流式换热器　①光管型娴管对流受热面　同外锅壳式锅炉的设计过程中，为充分吸收燃　油或者燃气所产生的高温烟气中的热量，往往在炉　胆之后增设回燃室和烟管对流式换热器。因为国外　可以采用一回程（ａ）、二回程（ｂ、ｃ）和三四回程烟　４　业锅炉　２０１７年第５期（总第１６５期）　管，因此，其早期的设计多采用光管的烟管对流受热　面。如图２７所示。　③内翅化炯管对流受热面　不管采用哪种强化传热手段，翅片必须深入到　烟气中心才有效果：强化中心炳气扰动，增大流动紊　乱程度，同时，可以将主流炯气分隔开来，形成独立　的缝隙式换热区间．增大换热面积与换热系数。内　翅管通过扩大管内传热面积、强化管内传热的途径　来提高换热器的传热性能。内翅管在基管的基础上　扩展．相比内插扰流子，传热系数高，冷却能力大。　（ａ）　（ｂ）　【Ｃ）　Ｈｏｖａｌ公司最先申请内翅化炯管对流受热面的专　利．代表了炯管对流受热面烟气深度冷却的最高水　平．就是因为该公司认识到了内翅化烟管对流受热　网２７　多回程的烟管对流式换热器　②内插扰流子炯管对流受热面　由于炉胆、回燃室和烟管全部集中布置于锅筒　内部，增大了锅壳直径．同时，烟气转弯太多造成烟　面烟气深度冷却的根本传热机理，如图２９（ａ）、　（ｂ）。当然Ｈｏｖａｌ公司在专利中所显示的（ａ）（ｂ）结　构需要２个半圆形轴对称内翅管嵌套于无缝圆管之　中。嵌套仍然存在接触热阻，因此，最好的方式就是　生产轴对称的扩展内翅管，但存在加工的难度，采用　热挤压的方式有望突破加工的技术瓶颈。　气阻力大为增加。因此，国外有些制造商对锅壳式　燃气锅炉的烟管进行重新设计，在众多结构设计技　术当中。采用强化传热的烟管对流受热面成为人们　的选择．努力把取消二回程或三、四回程作为炯管对　流式换热器的革新方向。尽管国外首先提出螺纹管　强化结构．但国外很少有企业采用螺纹烟管，究其原　因，一方面是担心加Ｔ螺纹管会损害钢管的塑性和　韧性（国外企业认为，材料及结构的塑性储备是防　止失效的基础，而我国多数企业不清楚这个原因，还　自以为是）：另一方面，实验发现螺纹管的强化能力　较弱，换热系数仅为光管的１．５～２倍。因此，国外　企业多选择内插扰流子进行强化换热。内插扰流子　（ａ）２个半网形轴对称内趔霄（ｂ）２个半圆形轴对称内趔臀和径ｆｕｌＪ　结构简单、制作简单、易于安装，这成为国外炯管强　化传热的首选方法。过去国外曾使用过弹簧、麻花　片和冲压折流片（韩国），最近几年，设计者又采用　如图２８所示的精细化的内插扰流子，但是这种内插　扰流子多为沿炯管径向布置，如图２８（ａ）、（ｂ）所　嵌套于无缝唰管　内翅管嵌套于无缝圆管　图２９内翅化烟管对流受热面结构　④板式对流式换热器　板式换热器是由一系列具有一定形状的金属片　叠装而成的一种高效换热器．如图３０所示。各种板　片之间形成缝隙式通道，通过板片进行热量交换，板　示，无法解决中心高温区依然存在的难题，除此之　外，较大的接触热阻不可逾越、加Ｔ成本的居高不下　都是此类内插扰流子的软肋。虽然图２８（ｃ）解决了　中心高温区的问题，但是每根炯管浪费一根中心堵　管，减小了流通截面积，需要增加烟管根数，有点　片通常加工成波纹破坏边界层．同时增大传热面积，　实现强化传热的目的。这种结构换热效率高、热损失　小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命　长。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热　“画虎不成反类犬”的意味。总之，内插扰流子就像　兔子的尾巴长不了．在原理上不可能有较大的突破，　在Ｔ艺上也是步履维艰　器高３～５倍，占地面积为管式换热器的三分之一。　２．３传统燃气“锅”和“炉”存在的问题　历史在前进，技术在发展．我们现在看到的永远　是前人已经努力过的结果。以现在的眼光看待国内　外已经取得的燃气锅炉的成就，我们心巾不免　昧　杂陈，一是消化吸收再创新使得我们随着世界先进　技术的发展而发展：同时我ｆ『Ｊ也应该看到．我罔的燃　气锅炉进步十分缓慢，我ｆ『Ｊ不仅没有及时消化吸收　（ｂ）　（ｃ）　娴管对流式换热器使　的精细化内插扰流子　再创新，在很多领域　为缺少产学研的紧密合作．企　・综　述・　我国燃气锅炉的差距和突破　Ｉ５　（ａ）平板换热（ｂ）波纹板换热（ｃ）模块化波纹板　（ｄ）冷凝式锅炉本体　（ｅ）冷凝式锅炉产品　图３０板式换热器及其产品　业进步较慢，正确地看待我们在燃气“锅”“炉”上所　存在的问题，并努力缩小甚至弥合差距，是为了更好　的未来发展　２．３．１　燃烧器设计缺乏传承和发展标准．没有形成　主导产业　（１）许多国外进口燃烧器厂家的设计体系．如　燃烧器热功率的选择范围一般是按照国外的锅炉容　量规格体系进行匹配的，而国内锅炉制造厂家往往　设备本体自己制造，只进Ｅｌ燃烧器，这样会经常出现　燃烧器工作曲线、火焰形状与炉膛阻力、炉膛尺寸不　匹配等诸多情况。这一方面造成燃烧器不能正常运　行或无法调试，甚至发生意外事故，另一方面造成锅　如上所说，目前我国使用的燃烧器大部分来自　欧美等发达国家。国内在这方面由于受制于我国的　能源供应结构调整，起步较晚，再加之自身积累不　够。又缺乏产品研发创新意识和人才培养意识，早期　开发的产品以复制国外产品为主。比如说：消化吸　收国外传统燃气锅炉的本体结构。解决了锅壳式锅　炉及Ｄ型水管锅炉的模仿设计。并且开始出现“锅”　结构的精细化优化设计：解决了大气式燃烧器和扩　炉的能效大为降低。　（２）因为“锅”和“炉”分别由不同的企业设计　生产，也无法实现“锅”和“炉”的全结构、全流程数　值模拟和数字化控制优化，极不适合目前形势下我　国燃气锅炉传统企业的转型升级，难以实现国际化　竞争。　散式燃烧器的模仿设计．并且已能借助国外配件自　制全预混无焰燃烧器，但是缺乏消化吸收之后的再　创新。竞争力弱　产品设计上。目前以经验设计为主，很少采用数　（３）由于我国的燃料品种繁多，以及国内外燃　料标准的差异和标准执行的差异，造成了一些按照　国外燃料标准设计制造的燃烧器在国内使用时“水　土不服”，其可靠、安全、节能环保的优点大打折扣，　甚至造成安全事故，不能满足生产要求，浪费能源，　污染环境。　值模拟设计、物理模化实验和半工业化实验设计：燃　烧器设计缺乏传承，设计数字化程度低，现存的经验　加随机设计，使燃烧器的设计很难达到标准化、系列　（４）国外燃烧器从订货、到货周期较长。难以适　应国内使用单位无计划采购的劣根性，而这一点往　往成为国外燃烧器公司漫天要价的砝码．且无法按　时供货，从而影响使用单位的及时生产　而大大增加　了相关设备购置成本，从根本上压缩企业的利润空　间。　化的程度，也就不能很好地保证产品性能．因此定型　产品结构优化、性能改善的余地很大。　没有统一的产品标准与性能测试标准作为指　导，产品质量与性能就难以保证．无论是燃烧器的先　进性还是安全性都有待进一步提高。　２．３．２　“锅”和“炉”出现严重分离，难以实现“锅”　（５）即使燃烧器可以顺利供应，我国燃气燃烧　器的另一个瓶颈是燃气阀组，目前广泛使用的是从　和“炉”耦合精细化设计　实际上，我国９９％的“锅炉制造企业”只是生产　ｄｕｎｇｓ、Ｓｉｍｅｎｓ等国外公司进口的阀组及控制器．和　燃气燃烧器一样，订货、到货周期长，严重迟滞国内　“锅”即换热容器的企业，然后配备外购的燃烧设　备，最后在生产企业或使用单位组装成锅炉。虽然　从国外进口的“炉”——燃气燃烧器总体上讲产品　生产和使用单位的配套和成套供应。　２．３．３产、学、研的脱节致使难以解决系统瓶颈　质量能够保证．节能环保技术也较为先进，但在国内　使用中还是暴露　一些严重的问题：　国外对燃气应用技术。包括工业燃烧器的研究　开发，已有相当长的历史．许多燃烧器企业均有自己　１６　工业锅炉　２０１７年第５期（总第１６５期）　独立的实验室．并且已经开发出了专门的检测装置　研院所的参与．基础研究与工程实践互相促进启发．　才能推动行业的良性发展。　和检测方法，同时将数值仿真等技术用于新产品的　研发：而我国国内企业由于在这方面起步较晚．加之　人才短缺、资金受限等问题，具有独立产品研发能力　的企业不多。而燃烧本身是一门实践性很强的学科，　因此．无论是燃气燃烧技术基础研究、燃烧器产品开　发，燃气阀组及附件配套。还是制造单位或检验检测　机构对燃烧器综合性能的评价，直至燃烧器的运行，　都离不开对燃烧器的检＿２贝４实验手段和能力的建立以　及先进技术的应用．这个过程中自然需要高校和科　针对燃烧器制造企业缺乏产品开发和试验的手　段，可以依托国内已有的燃烧器检测试验室，构建燃　烧器制造企业公共试验平台，发挥检测资源的最大　利用率。在研发领域，燃烧器制造企业可以加强与　国内有关大学、科研院所的横向合作，建立计算机仿　真模拟燃烧系统。增强燃烧器制造企业的发展后劲，　提高产品的技术含量，彻底改变企业的盈利模式，实　现燃烧器产业的升级换代。　（未完待续）　广告索引　封面　封二　封三　斯派莎克工程（中国）有限公司　前插１２　北京英翔博瑞耐火材料科技有限公司　利雅路热能设备（上海）有限公司　上海工业锅炉研究所　前插１３　方快锅炉有限公司　前插１４、１５西安交大思源科技股份有限公司　封底　奥林（中国）有限公司　阿里斯顿集团燃烧器中国支援中心　意大利百得有限公司上海代表处　江苏双良锅炉有限公司　上海市特种设备监督检验技术研究院　前插１６　前插１７　前插ｌ８　前插ｌ９　前插２０　公益广告　浙江澳太机械制造有限公司　美国Ｉｃ燃烧器公司　艾法史密斯机械（青岛）有限公司　深圳市智物联网络有限公司　前插１　前插２　前插３　前插４　前插５　前插６　宜宾市信通电子器材厂　江苏威孚锅炉有限公司　前插２１　前插２２　河南省四通锅炉有限公司　上海大田阀门管道工程有限公司　前插７　意大利ＣＩＢ优尼瓦斯股份有限公司　中插１　阿里斯顿集团燃烧器中国支援中心　前插８、９　西门子（中国）有限公司　前插１０　前插１１　中插２、３　扎克能源技术设备（上海）有限公司　德国麦克斯威索有限公司　博世热力科技（北京）有限公司　中插４　无锡尼德兰能源设备有限公司