锅炉基本知识.ppt

第2篇热源及热源设备 热源是能源的一种形式 在现代建筑中 需要大量的热水或蒸汽 以便为用户提供采暖 生活热水的热源 有3种方式 一种是利用燃料的化学能 通过燃烧转化即采用锅炉设备 第二种是用电能加热水或生产蒸汽 第三种是通过热泵从低温热源中提取热量 加热热媒 水 空气等 建筑物供热方式有 中 小型锅炉房 大型区域锅炉房 热电站 电阻式加热装置 热泵 太阳能供热等等 锅炉房供热是目前我国主要的供热方式 但从能源消耗观点看 锅炉房供热的能量利用系数不高 尤其是小型锅炉房 因此 当前一些地区积极发展热电站供热 电阻式加热装置的能量利用系数低 但由于使用方便 容易控制 无污染的优点 在国外经常采用 我国由于电力缺乏 直接用电采暖或供应热水并不多见 热泵供热 当有较合适的低位热源时 有比较高的能量利用系数 是一种比较合理的 新型的供热方式 第五章锅炉的基本知识第一节概述 锅炉及锅炉房设备的任务 在于安全可靠 经济有效地把燃料的化学能转化为热能 进而将热能传递给水 以生产热水或蒸汽 用于动力 发电方面的锅炉 叫做动力锅炉 把用于工业及采暖方面的锅炉 称为供热锅炉 又称工业锅炉 按锅炉燃用的燃料不同 又分为燃气锅炉 燃油锅炉 汽油两用锅炉以及燃煤锅炉等 随着我国改革开放的不断深化 全国各地经济建设的迅速发展 高层民用建筑的快速崛起 国家对环保工作提出更高要求 油气资源的大力开发 燃气燃油锅炉应用逐年上升 燃气燃油锅炉房建设进入新的发展时期 我国使用天然气的前景十分广阔 因此 锅炉制造厂可设计高效 无污染 安全可靠的新型多品种燃气锅炉 以适应市场需要 德国菲斯曼锅炉公司的冷凝式低温燃气热水锅炉具有高效 无污染 排烟温度仅比回水温度高5 15 等优点 可以借鉴 第二节锅炉的工作过程 锅炉 最根本的组成是汽锅和炉子两大部分 燃料在炉子里进行燃烧 将它的化学能转化为热能 高温的燃烧产物 烟气则通过汽锅受热面将热量传递给汽锅内温度较低的水 水被加热 进而沸腾汽化 生成蒸汽 图5 1锅炉的基本构造图 汽锅的基本构造包括锅壳 或称锅筒 管束受热面等组成的一个水系统 炉子包括燃烧器 燃烧室等组成的燃烧设备 为了保证锅炉的正常工作和安全 锅炉还必须装设安全阀 压力表 排污阀 止回阀等 还有用来消除受热面上积灰以利传热的吹灰器 以提高锅炉运行的经济性 锅炉的工作包括三个同时进行着的过程 燃料的燃烧过程 烟气向水的传热过程和水的受热汽化升温过程 对蒸汽锅炉而言 一 燃料的燃烧过程 燃料 燃气或柴油 通过送风机经过燃烧器与空气混合送入燃烧室 进行燃烧反应形成高温烟气 整个过程称为燃烧过程 要保证良好的燃烧必须要有高温的环境 充足的空气量和空气与燃料的良好混合 当然为了锅炉燃烧的持续进行 还得连续不断地供应燃料 空气和排出烟气 二 烟气向水 汽等工质 的传热过程 由于燃料的燃烧放热 炉内温度很高 在燃烧室四周是锅壳 高温烟气与锅壳壁进行强烈的辐射换热 将热量传递给锅壳内工质水 继而烟气受送风机的风压 烟囱的引力而向烟管束内流动 烟气掠过管束受热面 与管壁发生对流换热 从而将烟气的热量传递给水 为了增大受热面的面积 降低排烟温度 提高锅炉热效率 烟气从后部进入部分烟管 在前烟箱汇集后 再从前烟箱进入另一部分烟管 最后在后烟箱汇集排出炉外 从而节省了燃料 三 水的受热升温 或汽化 过程 它也是热水的生产过程 经过水处理的锅炉补给水和管网回水是由水泵加压后进入锅筒内 它属于直流锅炉 由于生产的是90 的热水 锅壳中的水始终处于过冷状态 因此 不可能产生汽化 四 锅炉房设备的组成 锅炉房中除锅炉本体以外 还必须装置象水泵 风机 水处理等等一类辅助设备 以保证锅炉房的生产过程能继续不断地正常运行 达到安全可靠 经济有效地供热 锅炉本体和它的辅助设备 总称为锅炉房设备 1 燃料供应系统其作用是保证为锅炉送入燃料 根据锅炉燃用的燃料不同 燃料供应系统是不一样的 如燃气输配管道 供油系统及运煤系统 2 送 引风系统为了给炉子送入燃烧所需空气和从锅炉引出燃烧产物 烟气 以保证燃烧正常进行 并使烟气以必需的流速冲刷受热面 有时只需单独设置送风机或引风机 有时两者需同时设置 3 水系统 包括排污系统 锅壳内具有一定的压力 因而给水须借给水泵提高压力后送入 此外 为了保证给水质量 避免汽锅内壁结垢或受腐蚀 锅炉房通常还设有水处理设备 锅炉的排污水因具有相当高的温度和压力 因此须排入排污降温池或专设的扩容器 进行膨胀减温 4 仪表控制系统除了锅炉本体上装有的仪表外 为监督锅炉设备安全经济运行 还常设有一系列的仪表和控制设备 如蒸汽流量计 水量表 烟温计 风压计 排烟二氧化碳指示仪等常用仪表 第三节锅炉基本特性的表示 为区别各类锅炉构造 燃用燃料 燃烧方式 容量大小 参数高低以及运行经济性等特点 常用下列的锅炉基本特性来说明 一 蒸发量 热功率 锅炉额定蒸发量和额定产热量统称额定出力 它是指锅炉在额定参数 压力 温度 和保证一定效率下的每小时最大连续蒸发量 产热量 用以表征锅炉容量的大小 蒸发量常用符号D来表示 单位是t h 供热锅炉蒸发量一般从0 1到65t h 供热锅炉 可用额定热功率来表征容量的大小 常以符号Q来表示 单位是MW 热功率与蒸发量之间的关系 可由下式表示 Q 0 000278D iq igs 5 1 对于热水锅炉 Q 0 000278G irs irs 5 2 二 蒸汽 或热水 参数 锅炉产生蒸汽的参数 是指锅炉出口处蒸汽的额定压力 表压力 和温度 对生产饱和蒸汽的锅炉来说 一般只标明蒸汽压力 对生产过热蒸汽 或热水 的锅炉 则需标明压力和蒸汽 或热水 温度 供热锅炉的容量 参数 既要满足生产工艺上对蒸汽 或热水 的要求 又要便于锅炉房的设计 锅炉配套设备的供应以及锅炉本身的标准化 因而要求有一定的锅炉参数系列 蒸汽锅炉参数系列表5 1 热水锅炉参数系列 表5 2 三 受热面蒸发率 受热面发热率 受热面是指汽锅和附加受热面等与烟气接触的金属表面积 即烟气与水 或蒸汽 进行热交换的表面积 受热面的大小 工程上一般以烟气放热的一侧来计算 用符号H表示 单位为m2 每m2受热面每小时所产生的蒸汽量 就叫做锅炉受热面的蒸发率 用D H kg m2 h 表示 热水锅炉则采用受热面发热率这个指标 即每m2受热面每小时能生产的热量 用符号Q H表示 受热面蒸发率或发热率越高 则表示传热好 锅炉所耗金属量少 锅炉结构也紧凑 这一指标常用来表示锅炉的工作强度 但还不能真实反映锅炉运行的经济性 如果锅炉排出的烟气温度很高 D H值虽大 但未必经济 四 锅炉的热效率 锅炉的热效率是指每小时送进锅炉的燃料 全部完全燃烧时 所能发出的热量中有百分之几被用来产生蒸汽或加热水 以符号 gl表示 它是一个能真实说明锅炉运行的热经济性的指标 目前生产的供热锅炉 其效率 gl 60 80 五 锅炉型号的表示方法我国供热 工业 锅炉型号由三部分组成 各部分之间用横线相连 如表5 3所示 锅炉型号表示表5 3 型号的第一部分表示锅炉型式 燃烧方式和蒸发量 共分三段 第一段用两个汉语拼音字母代表锅炉本体型式 其意义见表5 4 第二段用一个汉语拼音字母代表燃烧方式 废热锅炉无燃烧方式代号 其意义见表5 5 第三段用阿拉伯数字表示蒸发量为若干t h 热水锅炉则用热功率MW表示 废热锅炉则以受热面m2表示 锅炉本体型式代号表5 4 燃烧方式代号表5 5 型号的第二部分表示蒸汽 或热水 参数 共分两段 中间以斜线分开 第一段用阿拉伯数字表示额定蒸汽压力或允许工作压力 第二段用阿拉伯数字表示过热蒸汽 或热水 温度为若干度 生产饱和蒸汽的锅炉 无第二段和斜线 型号的第三部分表示燃料种类 以汉语拼音字母代表燃料类别 同时以罗马字代表燃料品种分类与其并列 见表5 6 如同时使用几种燃料 则设计主要燃料代号放在前面 燃料品种代号表5 6 第六章燃料与燃烧计算 燃料是锅炉的 粮食 是用以生产蒸汽或热水的能量来源 目前 用于锅炉的燃料主要是矿物燃料 如气体燃料天然气 液体燃料石油制品和固体燃料煤等 根据我国现行的燃料政策 建筑用供热锅炉燃料在有条件的地区尽量以气体燃料和液体燃料为主 以减少环境污染 不同的燃料因其性质各异 需采用不同的燃烧方式和燃烧设备 燃料的种类和特性与锅炉造型 运行操作以及锅炉工作的安全性和经济性有着密切的关系 因此 了解锅炉燃料的分类 组成 特性以及分析这些特性在燃烧过程中所起的作用是有重要意义的 燃烧计算包括燃料燃烧所需提供的空气量 燃烧生成的烟气量和空气及烟气的焓的计算 是锅炉热力计算的一部分 燃烧计算的结果 为锅炉的热平衡计算 传热计算和通风设备选择计算提供可靠的依据 第一节燃料的成分及分析基础 一 气体燃料的成分 可燃部分有氢 H2 一氧化碳 CO 甲烷 CH4 乙烯 C2H4 乙烷 C2H6 丙烯 C3H6 丁烯 C4H8 丁烷 C4H10 戊烯 C5H10 戊烷 C5H12 苯 C6H6 和硫化氢 H2S 不可燃部分有氮 N2 氧 O2 二氧化碳 CO2 二氧化硫 SO2 和水蒸气 上述各种成分的含量比例不同形成了不同的燃气 二 液 固燃料的元素分析成分 通过元素分析法测定求得 其主要组成元素有碳 C 氢 H 氧 0 氮 N 和硫 S 五种 此外还包含有一定数量的灰分 A 和水分 W 燃料的上述组成成分 称为元素分析成分 碳 C 氢 H 硫 S 是燃料的主要可燃元素 氧 0 氮 N 灰分 A 和水分 W 是燃料中的杂质 三 燃料成分分析数据的基准与换算 提供或应用燃料成分分析数据时 必须标明其分析基准 只有分析基准相同的分析数据 才能确切地说明燃料的特性 评价和比较燃料的优劣 分析基准 也即计算基数 燃料的元素分析成分和工业分析成分 通常是采用以下四种分析基准计算得出的 1 应用基 应用基是以进入锅炉房准备燃烧的燃料为分析基准 也即对炉前应用燃料取样 以它的质量作为100 计算其各组分的质量百分数含量 Cy Hy Oy Ny Sy Ay Wy 100 6 1 燃料的应用基成分是锅炉燃用燃料的实际应用成分 用于锅炉的燃烧 传热 通风和热工试验的计算 2 分析基分析基是以在实验室条件下 温度为20 相对湿度为60 进行风干后的燃料作为分析基准 分析所得的组成成分的质量百分数含量 Cf Hf Of Nf Sf Af Wf 100 6 2 显而易见 分析水分Wf即为在实验室条件下风干后剩留在燃料中的那部分水分 它包括全部内水分和部分外水分 为了避免水分在分析过程中变动 在实验室中进行燃料成分分析时采用分析基成分 其他各 基 成分也均据此导出 3 干燥基干燥基是以除去全部水分的干燥燃料作为分析基准 据此分析所得的组成成分的质量百分数含量 称为干燥基成分 Cg十Hg十0g十Ng十Sg十Ag 100 6 3 燃料水分变化时 干燥基成分不受影响 对固体燃料来说 为真实反映煤中灰的含量 通常采用干燥基灰分Ag来表示 4 可燃基可燃基是以除去全部水分和灰分的燃料作为分析基准 分析所得的其它各组成成分的质量百分数含量 称为可燃基成分 Cr Hr Or Nr Sr 100 6 4 燃料的可燃基成分不再受水分和灰分变化的影响 是一种稳定的组成成分 常用于判断煤的燃烧特性和进行煤的分类的依据 如可燃基挥发分Vr 煤矿提供的煤质成分 通常也是可燃基各组成成分 气体燃料的组成成分是用各组成气体的体积百分数表示 干燃气通常以干燥基作为分析基准 实际上燃气中含有一定的水蒸汽 而水分则以标准状态下每m3干燥气体燃料携带的水蒸汽克数d g Nm3 来表示 湿燃气也可以用各组成气体的应用基的体积百分数表示 上述各种分析基准之间可通过换算系数相互转换 例如 已知可燃基含碳量Cr 求应用基含碳量Cy Cr是Cy Hy Sy 0y及Ny五种成分作为计算基数的百分数含量 即 其中 100 Ay Wy 100是从可燃基换算到应用基的换算系数 可燃基的其它组成成分都可采用同样方法换算到相应的应用基成分 再如已知分析基含碳量Cf 求应用基含碳量Cy 因干燥基含碳量Cg是Cy Hy Sy 0y Ny及Ay六种成分作为计算基数的百分数含量 也是Cf Hf Sf Qf Nf及Af六种成分作为计算基数的百分数含量 即 如此 即可写出分析基成分与应用基成分之间的关系式 分析基的其它成分都可用相同的方法换算为相应的应用基成分 它们的换算系数都是 100 Wy 100 Wf 燃料的其它各种基之间的换算系数可用类似的方法求出 现将不同基的成分的换算系数列于表6 l 第二节燃料种类及特性 燃料按其物态可分气体 液体和固体燃料三大类 如按获得的方法分 则有天然和人工燃料 经过一定加工处理 两类 燃料的类别和性质直接关系到燃烧方式和燃烧设备的选择以及锅炉本体的设计 一 气体燃料 常用的城市燃气主要有天然气和人工燃气 以天然气较为普遍 天然气是指直接从自然界得到的气体燃料 即基本上只经开采和收集的燃气 天然气主要有3种 1 油田伴生气伴生气是石油开采过程中自原油中析出的气体 在分离器中由于压力降低而进一步析出 它的主要成分是甲烷 体积百分数为80 左右 另外还含有一些其它烃类 伴生气的发热量约为45000kJ Nm3 标态下密度约为0 6 0 8kg Nm3 但燃烧速度与气井气差不多 2 气井气气井气是埋藏在地下深处 2000 3000m或更深 的气态燃料 在地层压力作用下燃气具有很高的压力 往往达到1 0 10 0MPa 它的主要成分是甲烷 体积百分数约为95 左右 还含有少量的二氧化碳 硫化氢 氮 和氩 氖等气体 3 矿井气矿井气是从煤矿矿井中抽出的燃气 在新开凿的矿井中充满着俗称 矿井瓦斯 的气体 这种气体含有大量甲烷 除了有爆炸危险外 还对人体有窒息性 因此 在人进入矿井坑道采煤前须用空气将它充分置换出来 所以它也是一种气体燃料资源 矿井气中甲烷含量约占一半 其它主要成分是空气和氮 它的发热量较低 标态下一般不超过21000kJ Nm3 一 常用燃气的特性 1 燃气的互换性具有多种气源的城市 常常会遇到以下两种情况 一种是 随着燃气供应规模的发展和制气方式的改变 某些地区原来使用的燃气可能由其他一种性质不同的燃气所代替 另一种是 基本气源发生紧急事故 或在高峰负荷时 需要在供气系统中掺入性质与原有燃气不同的其他燃气 当燃气成分变化不大时 燃烧器燃烧工况虽有改变 但尚能满足燃具的原有设计要求 当燃气成分变化较大时 燃烧工况的改变使得燃具不能正常工作 任何燃具 都是按一定的燃气成分设计的 设某一燃具以a燃气为基准进行设计和调整 若以b燃气来置换a燃气 此时燃具不加以任何调整而能保证正常工作 则表示b燃气可以置换a燃气 或称b燃气对a燃气具有 互换性 新的制气方法 置换气 须对原制气方法 基准气 具有互换性 互换性是城市燃气的重要指标 2 燃气的华白数 华白指数是在互换性问题产生初期所使用的一个互换性判定指数 是一项控制燃具热负荷稳定状况的指标 实用华白指数Ws按下式计算 6 5 实际上华白指数反映了发热值的大小 在置换气和基准气的化学 物理性质相差不大 燃烧特性比较接近时 可以用华白指标控制燃气的互换性 各国一般规定 在两种燃气互换时 华白数的变化不大于 5 10 3 着火温度燃气开始燃烧时的温度称为着火温度 不同的可燃气体的着火温度不同 单一可燃气体在空气中的着火温度列于表6 3中 4 爆炸极限燃气的爆炸浓度极限是燃气的重要性质之一 因为当燃气和空气 或氧气 混合后 如果这两种气体达到一定比例时 就会形成具有爆炸危险的混合气体 该气体与火焰接触时 即形成爆炸 但是并非任何比例的燃气 空气混合气体都会发生爆炸 只有在燃气 空气混合气体中可燃气体的浓度在一定范围时 气体才能发生爆炸 5 硫化物燃气中的硫化物分为无机硫和有机硫 无机硫指硫化氢 H2S 燃气的硫化物中有90 95 为无机硫 硫化氢又是一种活性腐蚀剂 在高压 高温以及在燃气中含有水分时 腐蚀作用更会加剧 燃气中的二氧化碳及氧也是腐蚀剂 当它们与硫化氢同时存在 对管道和设备更为有害 硫化氢的燃烧产物二氧化硫 SO2 也具有腐蚀性 规范规定标准状态下人工燃气中硫化氢含量小于20mg Nm3 6 一氧化碳一氧化碳是无色 无臭 有剧毒的气体 在人工燃气中 特别是发生炉煤气中 含有一氧化碳 如空气中含有0 1 容积百分数 的一氧化碳 呼吸1h 会引起头痛和呕吐 含量达0 5 容积百分数 时 经20 30min 将危及生命 虽然一氧化碳是可燃成分 但因它具有毒性 故一般要求城市燃气中一氧化碳容积百分数应小于10 7 含湿量天然气在井场和集气站一般都进行了脱水处理 高压低温分离 使含湿量低于气压0 1Mpa 气温 30 时的饱和含湿量 即标态下d 0 3g Nm3 由于天然气在输送过程中 一般可视为等温降压或升温降压过程 因此 不会析出冷凝水 故在管道上不必设置冷凝水排水器 二 燃气的加臭 城市燃气是具有一定毒性的爆炸性气体 又是在压力下输送和使用的 由于管道及设备材质和施工方面存在的问题和使用不当 容易造成漏气 有时引起爆炸 着火和人身中毒的危险 因此 当发生漏气时能及时被人们发觉 进而消除漏气是很必要的 要求对没有臭味的燃气加臭 在城市燃气的可燃成分中 最具有剧毒而含量较多者为一氧化碳 故把含有一氧化碳的燃气视为 有毒燃气 而规定了对有毒而无臭味的燃气应加臭 使有毒燃气在达到允许有害含量之前 应能察觉 对于无毒燃气在相当于爆炸下限 容积百分数 20 的含量时 应能察觉 二 液体燃料 燃料油 一 燃料油性质 1 粘度粘度是液体对其自身流动具有的阻力 它是一个表征流动性能的特性指标 粘度大 流动性能差 在管内输送时阻力就大 装卸和雾化都会发生困难 重油的粘度通常用恩氏粘度Et表示 恩氏粘度是用恩氏粘度计测得的一种条件粘度 恩氏粘度计的主要部件是底部带一个小孔的容器 200mL t 的试样油从恩氏粘度计小孔流出的时间 t和同体积20 的蒸馏水流出的时间 20之比 称为该油品在t 时的恩氏粘度 6 6 重油的粘度与它的成分 温度 压力有关 加热温度愈高 重油的粘度愈小 所以 重油在运输 装卸和燃用时都需要预热 通常要求油喷嘴前的重油温度在100 以上 在所颁布的燃料油标准中油品牌号20 60 100及200等数字 相当于该油品在油温50 时的恩氏粘度 2 闪点 燃点及自燃点 油的闪点 燃点和自燃点与油贮运的安全性有很大关系 它们反映油的着火性能 1 闪点随着油温的升高 油面蒸发的油气增多 当油气和空气的混合物与明火接触时 发生短暂的闪光 一闪即灭 这时的油温称为闪点 油的闪点与其组成有密切关系 油中只要含有少量相对分子质量小的成分 就会使其闪点显著降低 油的沸点越低 其闪点也越低 压力升高 其闪点也升高 闪点是防止油发生火灾的一项重要指标 敞口容器中油温接近或超过闪点 就会增加着火的危险性 在敞口容器中加热油 加热温度应低于闪点10 而在压力容器中则无此限制 按照闪点的高低 可将燃料油分为表6 4所列的4个等级 油品闪点分类表表6 4 2 燃点测定燃点时所用的设备和测定闪点时相同 当油温达到闪点时 遇到明火即可闪燃 但要使油继续燃烧下去 必须使油温更高一些 当油面上的油气和空气的混合物遇明火能着火继续燃烧 持续时间不少于5s 这时油的最低温度称为该油的燃点 显然 燃点高于闪点 例如 试验测得某种原油的闪点为39 其燃点为54 某种重油的闪点为222 其燃点为282 3 自燃点自燃点是指油品缓慢氧化而开始自行着火燃烧的温度 自燃点的高低主要决定于燃料油的化学组成 并随压力而改变 压力越高 油质越重 自燃点就越低 表6 5列出一些油气燃料的自燃温度 供参考 常用油气燃料的自燃温度表表6 5 3 凝固点重油是一种复杂的混合物 它从液态变为固态的过程是逐渐进行的 不象纯净的单一物质那样具有一定的凝固点 当温度逐渐降低时 它并不立即凝固 而是变得愈来愈稠 直到完全丧失流动性为止 在石油工业中规定 将试样油放在一定的试管中冷却 并将它倾斜450 如试管中的油面经过5 10s保持不变 这时的油温即为油的凝固点 重油的凝固点高低与所含的石蜡含量有关 含蜡高的油凝固点高 凝固点高低关系着燃油在低温下的流动性能 一般来说 温度在凝点以上的油品 可自流到泵的入口或由管内流出 在低温下输送凝固点高的油时 油管易阻塞不通 应采取加热或防冻措施 4 硫分燃料油按硫的质量百分数分为3种 硫分不超过0 5 的称为低硫燃料油 硫分为0 6 1 0 称为中硫燃料油 含硫量为1 1 3 5 者称为高硫燃料油 燃料油中含有的硫分在燃烧后生成的三氧化硫与水化合生成硫酸 对金属产生腐蚀 因此 燃烧硫质量百分数高于1 的燃料油时 必须注意锅炉尾部受热面的低温腐蚀问题 5 灰分燃料油的灰分主要由水力钻探开采石油或运转时落进去 以及溶解于石油中的盐类所组成 燃料油的灰分含量一般不大 其质量百分数约为0 1 0 4 灰分的主要成分是钠 钙 镁 钒 铝 铁 低硫燃料油中含钒量很少 而在高硫燃料油中含钒量较高 钒和钠会引起锅炉受热面的高温腐蚀 同时燃料油灰分易引起锅炉受热面的积灰 6 热膨胀性 在密封容器中 燃料油的热膨胀会产生巨大的压力 例如 在密封容器中 石蜡重油从20 加热到39 时 压力升高达25 0MPa 所以油罐的通气管或呼吸阀是必不可少的部件 7 爆炸极限当空气中含有一定比例的易燃油品蒸气时 遇明火爆炸 在空气中所含可能引起爆炸油品蒸气的最小和最大的体积百分数或浓度称为该种油品的爆炸低限和爆炸高限 通常以 或g Nm3表示 在低限和高限之间的混合气体的容积百分数或浓度范围 称为爆炸范围 爆炸范围大的油品爆炸危险性大 当油气的容积百分数或浓度高于爆炸高限时 混合气体可能发生燃烧 在燃烧过程中油气的容积分数或浓度降低到爆炸高限即发生爆炸 对于原油及重油的爆炸极限目前尚无统一数据 所以衡量油品的安全性质时 应根据闪点 爆炸极限 容积百分数 和自燃点等作全面分析 二 锅炉常用的燃油锅炉的燃油有重油 渣油和柴油3大类 从广义上说 密度较大的油都可以称为重油 根据我国的燃料政策 燃油锅炉首先应燃用重油和渣油 1 重油重油是由裂化重油 减压重油 常压重油或蜡油等按不同比例调合制成的 不同的炼油厂选用的原料和比例常不相同 根据行业标准SH0356 92 按80 的运动粘度分为20 60 100和200等4个牌号 牌号的数目约等于该油在50 时的恩氏粘度 从元素分析成分上看 重油和煤是一样的 也是由碳 氢 氧 氮 硫 水分 灰分等元素组成 其特点是含碳氢量高 灰分和水分含量少 所以发热量较高 Qydw 37600 40000kJ kg 重油的含氢量较高 所以重油很容易着火燃烧 并且几乎没有炉内结渣及磨损的问题 重油加热到一定温度就能流动 故运输和控制都较方便 然而重油的硫分和灰分对受热面的腐蚀和积灰要比煤粉炉严重得多 2 渣油渣油是减压蒸馏塔塔底的残留油 也称为直馏渣油 它的主要成分为高分子烃类和胶状物质 原油在蒸馏后 硫分集中于渣油中 所以相对地说 它的含硫量较高 其含硫量决定于原油含硫量以及加工工艺情况 渣油的粘度和流动性决定于原油本身的特性和含蜡量 渣油除用作锅炉燃料外 还用作再加工 如裂化 的原料油 3 轻柴油柴油分轻柴油和重柴油2种 轻柴油由石油的各种直馏柴油馏分 催化柴油馏分和混有热裂化柴油馏分等制成 其产品按质量分为优等品 一级品和合格品3个等级 每个等级按凝点分为10 0 10 20 35和 50等6个牌号 目前 小型燃油锅炉用轻柴油作燃料已日趋普遍 三 固体燃料 煤 煤是由远古植物残骸没入水中 又被地层覆盖经地质化学作用而形成的有机生物岩 是一种有机化合物和无机化合物的复杂混合物 随着煤的形成年代的增长 煤的煤化程度逐年加深 所含水分和挥发物随之减少 而碳含量则相应增大 煤被划分为褐煤 烟煤 贫煤和无烟煤四类 一 煤的特性1 挥发分失去水分的干燥煤样在隔绝空气下加热至一定温度时 它所析出的气态物质称为挥发物 其百分数含量即为挥发分 挥发物不是以现成状态存在于燃料中的 而是在燃料加热中形成的 挥发物主要由各种碳氢化合物 氢 一氧化碳 硫化氢等可燃气体和少量的氧 二氧化碳及氮等不可燃气体组成 煤的挥发分含量对燃烧过程的发生和发展有较大影响 煤在炉中受热干燥后 挥发分首先析出 当浓度和温度达到一定时遇着空气迅即着火燃烧 因此 挥发分对燃烧过程的初始阶段具有特殊的意义 挥发分含量高的煤 不但着火迅速 燃烧稳定 而且也易于燃烧完全 煤的挥发分大小对锅炉工作有着很大的影响 锅炉的炉膛结构和锅炉的运行方法等都与煤的挥发分含量有关 所以 挥发分是煤的一个重要燃烧特性 也是 我国以及美 俄 英 法等国 作为煤的分类的重要依据之一 2 焦结性煤在隔绝空气加热时 水分蒸发 挥发分析出后的固体残余物是焦炭 煤种不同 其焦炭的物理性质 外观等也各不相同 有的松散呈粉末状 有的则结成不同硬度的焦块 焦炭的这种不同焦结性状 称为煤的焦结性 它是煤的又一重要燃烧特性 在层燃炉的炉排上燃用焦结性很弱的煤 因焦呈粉末 极易被穿过炉层的气流携带飞走 使燃烧不完全 还可能从炉排通风空隙中漏落 造成漏落损失 如果燃用焦结性很强的煤 焦呈块状 焦炭内的质点难于与空气接触 使燃烧困难 同时 炉层也会因焦结而失去多孔性 既增大阻力 又使燃烧恶化 3 灰熔点当焦炭中的可燃物 固定碳燃烧殆尽 残留下来的便是煤的灰分 灰分的熔融性 习惯上称作煤的灰熔点 灰熔点对锅炉工作有较大的影响 灰熔点低 容易引起受热面结渣 熔化的灰渣会把未燃尽的焦炭裹住而妨碍继续燃烧 甚至会堵塞炉排的通风孔隙而使燃烧恶化 工业上一般以煤灰的软化温度t2作为衡量其熔融性的主要指标 对固态排渣炉 为避免炉膛出口结渣 出口烟温要比软化温度t2低100 软化温度t2高于1425 的灰称为难熔性灰 在1200 1425 之间的灰称为可熔性灰 低于1200 的灰叫做易熔性灰 二 锅炉常用煤种类1褐煤褐煤因外观呈棕褐色而取名 由于它的煤化程度较低 可燃基挥发分可高达40 以上 且挥发分开始析出温度低 容易着火 但它的吸水能力较强 所以它的发热量不高 褐煤质地松脆 易风化 易自燃 难于贮存 也不宜远运 属于地方性低质煤 2 烟煤烟煤的碳含量高 挥发分也多 Vr 10 40 易于着火和燃烧 而且灰分和水分含量一般较少 其发热量较高 烟煤呈黑色 质地松软 具有一定光泽 燃烧时多烟 它是自然界中分布最广和品种最多的煤种 3 贫煤贫煤的煤化程度低于无烟煤 其挥发分Vr 10 20 与烟煤相比 贫煤较难着火和燃烧 燃烧时火焰短 焦结性差 发热量介于无烟煤和一般烟煤之间 4 无烟煤无烟煤俗称白煤 是煤化程度最高的煤种 它的挥发分含量很少 Vr 10 碳含量高 最高的可燃基碳含量可达95 98 所以着火相当困难 且不容易燃尽烧透 无烟煤燃烧时无烟 只有很短的青蓝色火焰 其焦渣呈粉末状 无粘结性 第三节燃料的发热量 一 发热量的定义燃料的发热量是指单位体积或单位质量的燃料在完全燃烧时所放出的热量 单位为kJ Nm3或kJ kg 根据燃烧产物中水的物态不同 发热量有高位发热量Qgw和低位发热量Qdw两种 高位发热量是指1Nm3 1kg 燃料完全燃烧后所产生的热量 它包括燃料燃烧时所生成的水蒸汽的汽化潜热 也即所有水蒸汽全部凝结为水 在高位发热量中扣除全部水蒸汽的汽化潜热后的发热量 称为低位发热量 它接近锅炉运行的实际情况 所以在锅炉设计 试验等计算中均以此作为计算依据 二 燃气发热量的计算与确定燃料发热量的大小取决于燃料中可燃成分种类和数量 由于燃料并不是各种成分的机械混合物 气体燃料除外 而是有着极其复杂的化合关系 因而燃料的发热量并不等于所含各可燃组分的发热量的算术和 无法用理论公式来准确计算 只能借助于实测 或借助某些经验公式来推算出它的近似值 1 燃气发热量的计算实际使用的燃气是含有多种组分的混合气体 混合气体的发热量可以直接用热量计测定 也可以由各单一气体的发热量根据混合法则按 6 8 式进行计算 6 8 2 干燃气的高 低位发热量的换算标态下干燃气的高位发热量和低位发热量可按下式进行换算 6 9 3 湿燃气高 低位发热量的换算标态下湿燃气的高位发热量和低位发热量可按式 6 10 式 6 11 进行换算 6 10 6 11 4 干 湿燃气发热量的换算干燃气的低位发热量和湿燃气的低位发热量可按下式进行换算 6 12 或 6 13 干燃气的高位发热量和湿燃气的高位发热量可按式 6 14 式 6 15 进行换算 5 近似考虑在工程上对燃气发热量的计算还可作如下近似考虑 1 当燃气中含有少量 体积分数在3 以下 成分不明的不饱和烃时 该不饱和烃的发热量可按乙烯 C2H4 的发热量计算 2 当天然气中重烃 C2H6 C3H8 含量不明时 其不明部分的饱和碳氢化合物可按容积百分数80 的C2H6和20 的C6H6计算 或按 100 C3H6进行计算 3 一般情况下 燃气中含水量极少 可以忽略不计 4 当天然气中甲烷容积百分数在95 98 而其它成分不明时 应用基低位发热量可取为 三 燃油和煤发热量的计算与确定1 燃油和煤的发热量的换算 燃料的应用基高位发热量Qygw与低位发热量Qydw之间的关系就可用下式表达 6 16 同样 分析基 干燥基和可燃基高位发热量和低位发热量之间也有如下关系 对于高位发热量来说 水分只是占据了质量的一定分额而使发热量降低 对于低位发热量 水分不仅占据了质量的一定分额 而且还要吸收汽化潜热 因此在各种基的高位发热量之间可以用表6 1的换算系数进行换算 对于低位发热量则不然 必须考虑烟气中全部水蒸汽的汽化潜热 表6 8是各种基的低位发热量之间的换算关系 2 发热量的实测液体和固体燃料的发热量通常用图6 1所示的氧弹测热器直接测定 氧弹测热器有恒温式及绝热式两种 图6 1氧弹测热器1 氧弹2 水容器3 外壳4 温度计5 测热器盖6 搅拌器7 电动机8 坩埚9 10 导电极 3 发热量的近似计算 1 燃料油燃料油的发热量应以实测值为准 也可用油品应用基或干燥基元素成分按下列公式计算 在无元素分析资料时 发热量可根据油的密度估算 由此可见 含轻质馏分愈多的油品 即密度愈小的燃油 其发热量愈大 2 煤若有煤的元素分析资料 应用基低位发热量也可用门捷列夫经验公式计算 Qgdw 339Cy 1030Hy 109 Oy Sy 25Wy 第四节燃料的燃烧计算 燃料的燃烧 是燃料中的可燃元素和氧气在高温条件下进行的剧烈氧化反应过程 同时放出大量的热量 燃烧后生成烟气和灰 显而易见 为使燃烧进行得充分完全 除需要保证一个高温环境外 必须提供燃烧所需的充足氧气 由空气中获取 并使之与燃料充分混合接触 同时还必须将燃烧产物 烟气和灰及时排走 燃料的燃烧计算 就是计算燃料燃烧时所需的空气量和生成的烟气量 以及空气和烟气的焓 一 燃料燃烧所需的空气量计算 假设 燃气 空气和烟气所含有的各种组成气体 包括水蒸汽在内均认为是理想气体 在标准状态下1kmol体积等于22 4Nm3 同时还假定空气只是氧和氮的混合气体 其体积比为21 79 1Nm3或1kg应用基燃料完全燃烧 而又无过剩氧存在时所需的空气量 称为理论空气量 常用符号Vk0表示 单位为Nm3 Nm3或Nm3 kg 为了使燃料在炉内尽可能燃烧完全 实际送入炉内的空气量总大于理论空气量 实际供给的空气量Vk0比理论空气量Vk0多出的这部分空气 称为过量空气 两者之比 则称为过量空气系数 即 6 26 燃烧lkg燃料实际所需的空气量可由下式计算 炉中的过量空气系数是指炉膛出口处的 1 它的最佳值与燃料种类 燃烧方式以及燃烧设备结构的完善程度有关 燃气装置的过剩空气系数 值的大小决定于燃气燃烧方法和燃烧设备的运行工况 在工业设备中 一般控制在1 05 1 20 在民用燃具中 一般控制在1 3 1 8 供热锅炉常用的层燃炉 1 值一般在1 3 1 6之间 在燃烧过程中 正确选择和控制 是十分重要的 过小和过大都将导致不良后果 前者使燃料的化学热不能充分发挥 后者使烟气体积增大 炉膛温度降低 增加了排烟热损失 其结果都将使加热设备的热效率下降 因此 先进的燃烧设备应在保证完全燃烧的情况下 尽量使 值趋近于1 1 气体燃料燃烧所需的空气量计算标态下1Nm3燃气按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量 指干空气 称为理论空气量 单位为Nm3 Nm3 理论空气量也是燃气完全燃烧所需的最小空气量 任何碳氢化合物的燃烧反应式为 当燃气组成已知 可按式 6 29 计算标态下燃气燃烧所需的理论空气量 燃气的发热量越高 燃烧所需理论空气量也越多 因此 当已知燃气低位发热量或高位发热量时 其理论空气量还可按下面公式计算 2 液 固体燃料液体和固体燃料的可燃元素为碳 氢和硫 它们完全燃烧时所需的空气量可以根据完全燃烧化学反应方程式来计算 碳的完全燃烧反应方程式为C O2 CO212kgC 22 4Nm3O2 22 4Nm3CO2 每kg碳完全燃烧时需要1 866Nm3氧气 并产生1 866Nm3二氧化碳 硫的完全燃烧反应方程式为S O2 SO232kgS 22 4Nm3O2 22 4Nm3S02每kg硫完全燃烧时需要0 7Nm3氧气 并产生0 7Nm3二氧化硫 氢的完全燃烧反应方程式为2H2 O2 2H2O2 2 016kgH2 22 4Nm3O2 2 22 4Nm3H2O每kg氢完全燃烧时需要5 55Nm3氧气 并产生11 1Nm3水蒸汽 这样每kg应用基燃料完全燃烧时所需外界供应的理论氧气量为 已知空气中氧的体积百分比为21 所以1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为 计算各种燃料所需理论空气量的经验公式如下 对于液体燃料 对于贫煤及无烟煤 对于烟煤 最后需要指出的是上述空气量的计算 全按不含水蒸汽的干空气计算 事实上相对于1kg干空气是含有10g水蒸汽的 只是所占份额很小而予以略去 二 燃烧生成的烟气量计算 燃料燃烧后生成烟气 如供给燃料以理论空气量Vko 燃料又达到完全燃烧 烟气中只含有二氧化碳CO2 二氧化硫SO2 水蒸汽H2O及氮N2四种气体 这时烟气所具有的体积称为理论烟气量 用符号Vyo表示 单位为Nm3 Nm3 对于液固燃料 单位为Nm3 kg 1 气体燃料燃气中各可燃组分单独燃烧后产生的理论烟气量可通过燃烧反应式来确定 含有标态下1m3干燃气的湿燃气完全燃烧后产生的烟气量 按以下方法计算 1 按燃气组分计算1 理论烟气量计算 当 1时 根据表6 3中燃烧反应式 按三原子气体体积计算 2 实际烟气量计算 当 1时 2 按发热量近似计算1 理论烟气量计算 对烷烃类燃气按式 6 46 计算 对炼焦煤气按式 6 47 计算 对标态下低位发热量小于12600kJ m3的燃气按式 6 48 计算 2 实际烟气量按式 6 49 计算 2 液 固燃料 1 理论烟气量计算 理论烟气量可根据前述燃料中可燃元素的完全燃烧反应方程式进行计算 二氧化碳体积Vco2每kg碳完全燃烧产生1 866Nm3CO2 lkg燃料中含碳量为0 01Cykg 燃烧后产生二氧化碳体积为0 01866CyNm3 kg 二氧化硫体积Vso2每kg硫完全燃烧产生0 7Nm3SO2 1kg燃料中含硫量为0 01Sykg 燃烧后产生二氧化硫体积为0 007SyNm3 kg 通常用符号VRO2表示二氧化碳和二氧化硫这二种气体体积的总和 即 理论水蒸汽体积理论水蒸汽有四个来源 1 燃料中氢完全燃烧生成的水蒸汽每kg氢完全燃烧产生11 1Nm3的水蒸汽 1kg燃料的含氢量为0 01Hykg 燃烧后产生水蒸汽体积为0 111HyNm3 kg 理论水蒸汽体积理论水蒸汽有四个来源 1 燃料中氢完全燃烧生成的水蒸汽每kg氢完全燃烧产生11 1Nm3的水蒸汽 1kg燃料的含氢量为0 01Hykg 燃烧后产生水蒸汽体积为0 111HyNm3 kg 2 燃料中水分形成的水蒸汽1kg燃料中水分含量为0 01Wykg 形成的水蒸汽体积为 22 4 18 X0 01Wy 0 0124WyNm3 kg 3 理论空气量Vok带入的水蒸汽前已提及 空气并非干燥 通常计算中取空气含湿量d为10g kg 即每kg干空气带有10g水蒸汽 已知干空气密度为1 293kg Nm3 水蒸汽比容v为1 24Nm3 kg 如此1kg燃料所需理论空气量带入的水蒸汽体积为0 01VokX1 293X1 24 0 0161VokNm3 kg 4 燃用重油且用蒸汽雾化时带入炉内的水蒸汽雾化每kg重油消耗的蒸汽量为Gwhkg 这部分水蒸汽体积为1 24GwhNm3 kg 理论水蒸汽体积为上述四部分体积之和 即 理论氮气体积烟气中氮气来源有两个 1 理论空气量Vok中含有的氮空气中氮的体积百分数为79 1kg燃料所需理论空气量带入的氮气体积为0 79VokNm3 kg 2 燃料本身所含的氮每kg燃料含氮0 01Nykg 燃料本身所含氮的体积为 22 4 28 X0 01Ny 0 008Ny 理论氮的体积为上述两