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1、第三章 锅炉与换热器,3.1 锅炉概论,一、锅炉分类,1、按用途分类：电站锅炉、工业锅炉、船舶锅炉、机车锅炉,2、按锅炉工作压力分类：,低压锅炉：p2.45Mpa中压锅炉：2.49 Mpap4.9 Mpa高压锅炉：5.9 Mpap9.8 Mpa超高压锅炉：11.8 Mpap14.7 Mpa亚临界压力锅炉：15.7Mpap19.6Mpa超临界压力锅炉：22Mpa,3、按工质状态：热水锅炉、蒸汽锅炉,4、按汽水循环方式：自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉,二、锅炉参数,指锅炉容量、出口蒸汽压力、蒸汽温度和进口给水温度。,1、锅炉容量：额定蒸发量t/h，kg/s，工业用蒸汽锅炉一般用额定蒸发量表示
2、。也可用与汽轮机发电机组配套的功率表示为kW或MW，如电站锅炉。2、出口蒸汽压力、温度：主汽阀出口处（或过热器出口集箱）的过热蒸汽压力和温度。3、进口给水温度：省煤器进口集箱处的给水温度。,三、基本结构,1、主要受热部件：,锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器,2、辅助装置,燃料供给系统：煤输送带、煤斗煤粉制备：磨煤机送（引）风机：送风机排粉风机送煤粉排烟水处理及给水装置：水箱、凝结水泵、冷凝器、给水泵除尘除灰装置：渣斗、冲灰沟、灰渣泵、除尘器自动控制装置,1300MW超临界锅炉简图,蒸汽锅炉,图21 电站锅炉及其辅助设备系统简图1煤斗；2给煤机；3磨煤机；4空气预热器；5排粉风机；6燃烧
3、器；7炉膛；8水冷壁；9屏式过热器；10高温过热器；11低温过热器；12省煤器；13除尘器；14吸风机；15烟囱；16送风机；17锅筒；18下降管；19顶棚过热器；20排渣室,四、基本工作流程,主要由燃烧过程和传热过程两部分组成。,1、燃烧过程：煤的供给：输煤带煤斗给煤机磨煤机煤粉粗细分离器煤粉仓给粉机分配到各煤粉管道由热空气携带进入燃烧器喷口喷入燃烧；空气的供给：送风机预热器二次风喷口喷入炉膛燃烧产物：燃烧产生热烟气向水冷壁放热过热器省煤器空气预热器除尘器引风机烟囱大气灰渣：由炉膛下部的出渣口落入渣池排出。,2、传热过程纯净水前处理给水泵低高压加热器加热给水管道锅炉蒸汽汽轮机,3.2 锅炉燃
4、料与热平衡,一、燃料组成与分类,1、锅炉用燃料,固体、气体以及液体燃料。煤是我国锅炉用主要动力燃料，常常采用劣质煤，高炉煤气和焦炉煤气。,2、煤元素构成,碳：C（20%-70%）；主要可燃元素，1kg碳完全燃烧生成CO2可以放出32866kJ的热量。碳元素包括固定碳（即挥发分析出剩余的纯碳）及挥发分中碳（包括CH4、C2H2、CO等中所含碳）。氢：H（2%-6%）；可燃元素之一。1kg氢燃烧后可放出120370kJ的热量。氧：O（无烟煤1%-2%）（泥煤40%）；不可燃元素。氮：N（0.5%-2.5%）；不可燃元素。硫：S（1.5%）；可燃元素之一，有害物质。灰分：A（10%-50%）水分：M
5、（10%-60%）,3、煤的工业分析,工业分析数据包括水分、挥发分、固定碳、灰分四部分。工业分析还有发热量Q作为参数。,工业分析有几种基准表示法：以收到状态为基准的收到基(ar)；以风干状态即除去外在水分为基准的空气干燥基(ad)；以除去全部水分为基准的干燥基(d)；以除去全部分水分、灰分为基准的干燥无灰基(daf)。四种基准之间可相互转换。,煤成分及其各种基准间关系示意图,4、煤的发热量,高位发热量：是指1kg燃料完全燃烧时放出的全部热量，包括烟气中水蒸汽凝 结成水所放出的汽化潜热。,标准煤：为便于进行煤耗指标的比较，工程中常将普通煤折算“标准煤”。规定 标准的低位发热量为29.3MJ/kg
6、，即7000kcal/kg。,低位发热量：从燃料的高位发热量中扣除烟气中水蒸汽的汽化潜热时，称燃料 的低位发热量。低位发热量常用于设计计算。,5、煤的分类,（1）无烟煤 煤化程度最高，明亮黑色光泽，硬度大，干燥无灰基挥发分含量10%。含碳量高，灰分、水分等杂质较少，发热量高。,（2）贫煤 煤化程度略低于无烟煤，是主要的动力用煤，挥发分在10%20%。着火与燃尽特性优于无烟煤。,（3）烟煤 中等煤化程度的煤。干燥无灰基挥发分含量较高。一般在20%45%；水分和灰分较少，发热量较高。烟煤易着火和燃尽，高灰分烟煤，着火和燃尽都较困难。,（4）褐煤 形成年代较短，干燥无灰基挥发分含量很高，约为40%5
7、0%。容易着火和燃烧。但灰分和水分含量也都相对较高，发热量低。,二、锅炉热平衡,1、热平衡方程式,锅炉的热平衡是指输入锅炉的热量与锅炉输出热量之间的平衡。,输入锅炉的热量；,有效利用热量，是指被工质吸收的热量；,排烟热损失，是锅炉热损失中最主要的一项；,化学不完全燃烧损失；,机械不完全燃烧热损失，分为 与 两部分；,锅炉的散热损失；,kJ/kg。,其它热损失。,有效吸收热,燃料输入热,散热损失,化学不完全燃烧损失,机械不完全燃烧损失,排烟损失,灰渣物理热损失,机械不完全燃烧损失,以输入锅炉热量的百分率来表示，则锅炉的热平衡方程式可表示为,2、锅炉的热效率,锅炉的热效率是锅炉的总有效利用热量占据
8、锅炉输入热量的百分比。在设计锅炉时，可以根据热平衡求出锅炉的热效率：,锅炉热效率的计算方法：正平衡法与反平衡法,结论：当全面鉴定锅炉时，必须既做正平衡试验又做反平衡试验，并保证两者的测量误差在规定范围内,3-3 锅炉的燃烧设备,一、锅炉燃烧方式,层燃：原煤中大煤块进行破碎后，从煤斗进入炉膛，煤层铺在炉排上进行燃烧。,悬浮燃烧：原煤被磨成面粉粒度一样的煤粉，通过燃烧器随风吹入炉膛进行悬浮燃烧。气体燃料与液体燃料也用同样燃烧方式。,沸腾燃烧：原煤经过破碎成为08mm大小的煤料，在炉膛的底部布置了布风板，高速鼓风将煤粒托起，在炉膛中上下翻滚燃烧。,二、层燃燃烧设备,1、燃烧特性,炉排上煤的燃烧顺序：
9、受热干燥，挥发分析出并着火燃烧，焦炭燃烧和燃尽，最后形成灰渣。,2、燃烧产物与炉排配风,推迟送风法：即减少挥发分燃烧区的送风量，增大燃尽区的送风量，并通过炉拱的炉内空气动力场组织，引导燃尽区的过量空气再参与挥发分的燃烧，以保持总的空气过剩系数在合理的范围内。,3、炉拱基本功能：引燃、混合、保温促燃,三、煤粉炉悬浮燃烧设备,1、概述,炉膛、制粉系统和燃烧器共同组成煤粉炉的悬浮燃烧设备。,炉膛：是组织煤粉与空气连续混合、着火燃烧直到燃尽的空间。制粉系统：主要任务是连续、稳定、均匀地向锅炉提供合格、经济的煤粉。燃烧器：是保证煤粉和空气在进入炉膛时能充分混合，使煤粉能连续稳定 地着火，强烈地燃烧和充分
10、燃尽，并在燃烧过程中保证炉膛水冷 壁不结渣。通过燃烧器进入炉膛的空气一般分为两种：携带煤粉的空气称为一次风，单纯的热空气称为二次风。煤粉燃烧器按照空气动力特性可分为旋流燃烧器和直流燃烧器。,2、旋流燃烧器（1）特点：二次风强烈旋转，喷出喷口后形成中心回流区，卷吸炉内的高温烟气至燃烧器出口附近，加热并点燃煤粉。二次风不断和一次风混合，使燃烧过程不断发展，直至燃尽。旋转射流有扩散角大、射程短、早期混合强烈、后期混合减弱的特点。湍流热质交换强度高。（2）常用型式蜗壳式、切向叶片式、轴向叶片式。（3）布置形式前墙布置、前后墙对冲布置。,3、直流燃烧器（1）特点：从喷口喷出的气流不旋转，为直流射流。直流
11、煤粉燃烧器喷口外形一般是圆形或矩形，喷出的气流为湍流直流射流。射流进入炉膛后，在射流与周围介质的分界面上，由于分子微团的脉动而与周围环境介质发生传热、传质以及动量交换。直流射流是从外侧卷吸烟气的。卷吸作用使直流射流沿流动方向流量逐渐增加，射流宽度变大，同时混合物中的煤粉浓度逐渐降低而温度逐渐升高。（2）布置形式直流式燃烧器通常布置在炉膛四角，其出口气流几何轴线切于炉膛中心的一个假想圆，造成气流在炉内强烈旋转。配风方式可分为均等配风和分级配风。（3）新型直流燃烧器夹心风燃烧器、水平浓淡燃烧器,切向燃烧火焰平面图,一次风通过一次风机，经空预器后进磨煤机，输送煤粉二次风由送风机来经空预器后进炉膛，为
12、燃烧提供氧气三次风是通过专用喷口进入炉膛的热风，保证含有少量煤粉的乏气风气流及时着火及燃尽,四、流化床燃烧设备1、概述 流化是指炉床上的固体燃料颗粒在气流的作用下转变为类似流体状态的过程。燃料颗粒呈强烈的沸腾状态运动，并进行燃烧反应。优点：燃料适应性好，能燃烧所有固体燃料，可以加入吸收剂，吸收燃烧时产生的SO2，同时由于燃烧温度低，可抑制NOX的生成和排放，是清洁的燃烧方式；燃烧强度大、换热能力强，总体经济性好。缺点：受热面磨损，燃烧效率相对较低，大型化存在困难。2、典型形式鼓泡床、循环流化床,3-4 锅炉受热面,一、炉膛水冷壁1、作用主要蒸发受热面，由水循环回路上升管组成，同时具有保护和减轻
13、炉墙的功能。2、类型光管（内表面又分光管、内螺纹管）或鳍片管水冷壁（膜式）3、布置形式自然循环锅炉：垂直布置在炉膛周壁，上部与上锅筒或上集箱相连，下部与下集箱相连。直流锅炉：水平围绕上升管带型水冷壁、一次上升垂直管屏水冷壁。4、运行问题积灰及腐蚀,二、过热器和再热器1、作用 过热器是将锅炉的饱和蒸汽进一步加热到所需过热蒸汽温度的部件。过热汽温和电站的循环热效率关系极大，汽温越高，电站效率越高，同时汽轮机末级温度越小。过热器可分为对流式、辐射式和半辐射式。将蒸汽在汽轮机作一部分功后送回到锅炉再加热，再回到后面的汽轮机作功。这样可以降低汽轮机末级叶片中蒸汽湿度。再热器的作用就是布置在锅炉尾部烟道中
14、加热从汽轮机引回来的蒸汽。再热器通常是对流式。,2、布置 对流式过热器和再热器布置在对流烟道内，由大量的平行连接蛇形管组成，靠对流吸收烟气热量。可立式、卧式布置。立式布置支吊结构简单，而卧式布置受热面易排除管内积水。辐射式过热器布置在炉膛的炉壁上，直接吸收炉膛辐射热。半辐射式过热器布置在炉膛上方，同时吸收炉膛的辐射热和烟气的对流传热，称为屏式过热器。,3、管排形式顺列、错列。错列布置横向冲刷受热面传热系数高，但顺列易清灰。通常，高温水平烟道采用立式顺列布置，垂直烟道采用卧式错列布置。4、烟气与蒸汽相对流向：顺流、逆流、混合流。5、汽温调节蒸汽侧：喷水减温，在高温蒸汽中喷入高纯度的除盐水，水滴汽
15、化使蒸汽温度降低。烟气侧：通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面吸热量分配比例的方法进行调节，主要有烟气再循环、调节燃烧器倾角等。,三、省煤器与空气预热器1、省煤器 主要是利用锅炉尾部烟气来加热给水，提高进入锅炉的水温，同时把烟气温度进一步降低，提高锅炉热效率，节省燃料。类型：按出口工质状态可分为沸腾式和非沸腾式两种，按材料可分为铸铁式（工业锅炉）和钢管式（电站锅炉）。受热面：光管、鳍片管、膜式管2、空气预热器 利用尾部烟气来加热燃烧所需空气的热交换设备。吸收烟气热量，使排烟温度降低并减少排烟热损失，提高锅炉效率，同时提高了助燃空气的温度，增强了燃烧稳定性并提高锅炉燃烧效率，提高炉膛内烟气温度，
16、强化炉内辐射换热。按换热方式可分为间壁式和蓄热式。3、运行问题积灰、低温腐蚀、磨损。,3-5 锅炉水动力学及传热问题,一、自然循环的概念 未饱和水和饱和水通过汽包进入下降管，流经下集箱后进入上升管。由于上升管中汽水混合物密度小于下降管中中的密度，下集箱左右两侧会产生压力差，从而驱使工质的循环流动，称为自然循环。,二、运动压头和有效压头 为保证循环回路中工质的稳定流动，由回路中汽水密度差产生的压力差必须能克服上升管阻力和下降管阻力，将此压力差称为运动压头，即,运动压头减去上升管阻力，剩下的部分用来克服下降管阻力，称为有效压头，即,三、循环倍率在循环回路中上升管的循环水量与上升管出口蒸汽量之比称为
17、循环倍率K，即,四、循环回路的特性曲线及计算,五、传热恶化及防止措施,原因：在上升管的某些区域，放热系数很低，管壁得不到足够的冷却造成壁温急剧升高，称为传热恶化。传热恶化主要与工质质量流速、压力、含汽率及热负荷有关。措施：为保证锅炉的安全工作，必须使发生传热恶化时的最高壁温低于钢材的允许值。可通过提高流速、加装扰流装置、内螺纹管改善。,3-6 燃煤锅炉污染物排放控制,一、SO2的生成与控制产生：可燃硫氧化生成SO2，部分进一步生成SO3，遇到水蒸气生成H2SO4蒸气，温度较低时在金属受热面上，造成腐蚀以及堵灰，还有酸雨。脱硫技术：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、烟气脱硫。二、NOX的生成与控制主要产物
18、：NO、NO2。产生途径：热力型（高温1500以上）、燃料型（氮燃烧过程中氧化生成，主要来源）、快速型（空气中氮和燃料中碳氢离子团反应生成）。低NOX燃烧技术：空气分级、燃料分级、浓淡燃烧技术、烟气再循环、低NOX燃烧器。烟气脱硝技术：选择性非催化脱硝法、选择性催化法,三、CO2控制技术产生：化石燃料燃烧放出，温室气体。技术手段：提高能源利用效率；利用生物质燃料，实现碳的零排放；对生成的CO2进行埋藏和固化处理。煤清洁高效燃烧技术：增压流化床联合循环、整体煤气化联合循环、超临界锅炉燃烧技术。四、可吸入颗粒物和重金属元素的排放控制主要采用高效除尘器控制可吸入颗粒物的排放。煤气洗选技术可以去除一部分重金属元素。,3-7 换热器,一、概述 将热量从温度较高的热流体传递给温度较低的冷流体，能实现这种过程的装置称为换热器。按传递热量的方式分类，可分为间壁式、混合式和蓄热式三类。,二、各种换热器,
