锅炉基础知识培训讲义 1

锅炉基础知识培训讲义 1 第一章 锅炉基本知识 第一节 概论 一 锅炉定义组成和分类 锅炉是将燃料内蕴藏的能量 经过燃烧释放 把工质加热到规定温 度和压力供生产和生活使用的一种热能设备 锅炉是由 锅 和 炉 以及为保证 锅 和 炉 安全运行所必需的附件 控 制仪表 附属设备三大部分组成 锅 指锅炉中盛水和蒸汽的密封受压部分 其作用是工质吸收 炉 释放出的热量 从而使工质达到一定参数 主要包括 汽包 水冷 壁 对流管 集箱 联箱 过热器和省煤器等 炉 指锅炉中将燃料进行燃烧产生热源的部分 其作用是将燃料燃 烧时放出的热量供 锅 吸收 主要包括 燃烧设备 炉墙 炉拱 隔烟箱 烟囱和钢架等 燃料在 炉 内通过燃烧所产生的高温烟气 经过炉膛和各烟道向锅炉受热面放热 最后从锅炉尾部烟囱排出 锅炉附件仪表 指安装在锅炉受压部件上用来控制锅炉安全和经 济运行的一些附件与仪表装置 主要包括 安全阀 压力表 水位 表 高低水位警报器 排污装置 给水系统 锅炉的汽水管道 常 2 用阀门和有关仪表等 此外 近年来由于对锅炉的机械化和自动化 要求不断提高 工业锅炉上配置机械操作和自动控制的附件及仪表 也越来越多 如给水自动调节装置 燃烧自动调节装置 自动点火 熄火保护装置以及鼓 引风机联锁装置等 锅炉附属设备 指燃料的供给与制备系统 主要包括 上煤 磨粉 燃煤 燃油 燃气装置以及鼓 引风机 出渣 清灰 空气预热 除尘等装置 锅内工质为水 从低温水变成高温水的称之为热水锅炉 锅内工质 为水 加热转变为蒸汽的称之为蒸汽锅炉 锅内工质为导热油的 加热有机热载体的称之为有机热载体锅炉 有机热载体锅炉分为液 相炉和汽相炉 锅炉按其用途可分为电站锅炉 工业锅炉 船舶锅炉和机车锅炉等 四类 锅炉按燃料分类可分为煤炉 油炉 气炉和电加热锅炉 二 锅炉的工作过程 锅炉的工作包括三个连续进行的过程 即 燃料的燃烧放热过程 热量向锅水的传热过程和水被加热和汽化的热力过程 1 燃料的燃烧放热过程 指燃料在炉膛内 在一定的温度下 与空 气中的氧气发生化学反应 燃烧 放出热量的过程 燃烧过程是否 完善 是锅炉工作正常的根本条件之一 要保证燃料进行良好的燃 3 烧 必须要在一定的高温环境下 有适量的空气与燃料作良好的混 合 并且燃料在炉膛中停留足够长的时间 为了使燃烧能稳定 持 续地进行下去 还应连续不断地向炉膛供给燃料和空气 同时排出 烟气及灰渣 目的是为了产生高温的烟热 锅炉基础知识培训讲义 2 2 热量向锅水的传热过程 指燃料燃烧放出的热量 通过炉膛内布 置的水冷壁受热面 烟道内布置的对流受热面 将热量传递给锅水 的过程 传热过程在炉膛内主要以辐射的方式进行 在烟道内由于烟温逐渐 降低 烟气向受热面的放热主要以对流的方式进行 而受热面金属 内部 主要以传导的方式将热量由高温 烟气侧 传至低温 水侧 由锅水不断地流动循环将热量吸收 目的是为了提高受热面内部 工质的热焓 传热过程能否良好地进行 直接关系到锅炉运行的安全性和经济性 当受热面水侧沉结水垢时 会导致受热面金属壁温升高 甚至会过 热损坏且浪费燃料 当受热面烟气侧积存灰垢 将导致热阻增加 使传热发生困难 从而致使锅炉热效率下降而浪费燃料 3 水被加热或汽化的过程 对于热水锅炉是指锅水从受热面上不断 吸收热量 使水温升高至规定的温度范围 并从锅炉出口输出的过 程 对于蒸汽锅炉是指锅水从受热面上不断吸收热量后变成饱和水 4 进而转变为汽水混合物 并在锅内使汽水得到分离 以洁净的蒸汽 从锅炉出口输出的过程 目的是为了产生规定参数的蒸汽 第二节 锅炉的工作参数 锅炉的主要参数 包括锅炉产生热能的数量和质量两个方面的指标 如蒸汽锅炉的主要参数是生产蒸汽的数量和蒸汽的压力 温度 热 水锅炉的主要参数是热水的流量和热水的压力 温度 一 锅炉出力 蒸汽锅炉的出力是指每小时所产生的蒸汽数量 也称为锅炉的蒸发 量 用以表示其产汽的能力 蒸发量又称为容量 用符号 D 来表示 常用的单位是 t h 新锅炉出厂时 铭牌上标示的蒸发量 指的是这台锅炉的额定蒸发 量 所谓额定蒸发量 是指锅炉燃用设计的燃料品种 并在设计参 数下运行 即在规定的压力 温度和一定的热效率下 长期连续运 行时每小时所产生的蒸发量 热水锅炉的出力是指锅炉在确保安全的前提下长期连续运行 每小 时输出热水的有效供热量 称为锅炉的额定供热量 热水锅炉的额 定供热量用热功率表示 符号用 Q 表示 单位是兆瓦 Mw 热 水锅炉产生 0 7 兆瓦 60 x 104 千卡 时 的热量 大体相当于蒸汽 锅炉产生 1 吨 时蒸汽的热量 5 二 锅炉压力 压力是指垂直作用在单位面积上的力 用符号 p 表示 单位是 MPa 锅炉的压力是根据所用金属材料在一定温度条件下的强度 受压元 件的几何形状以及受压特点等条件 按照国家颁布的有关强度计算 标准 对各个受压元件分别进行壁厚计算 然后从中选出一个所能 承受的压力最低值 作为这台锅炉的最高允许使用压力 锅炉基础知识培训讲义 3 蒸汽锅炉内为什么会有压力呢 这是因为锅炉内的水吸收热量后 由 液体状态变成气体状态 体积膨胀 由于锅筒是密闭容器 蒸汽不 能自由膨胀 而被迫压缩在锅筒内 因此对筒壁就产生压力 热水 锅炉压力主要由热水本身的压力造成的 热水锅炉的水是由给水泵 送入锅炉的 给水泵的出口压力减去管道阻力就是锅炉的给水压力 大气压力是指空气作用在地球表面上的质量力 由于 1m3 空气在 0 时的质量为 1 29kg 所以地球上部的大气层对地球表面有一定 的压力 这个压力叫大气压力 0 时北纬 22 5 的海平面上 即海 6 拔零米处 大气压力是 0 1013MPa 工程上常用工程大气压 它是 每 kg 质量的物质作用在 1cm2 面积上的力 数值是 0 0981MPa 工程上常把二者简化为同一数值 约为 0 1MPa 另外 随着使用的场合不同 度量压力的单位还有水银柱高度 mmHg 水柱高度 mH2O 等 其换算关系如下 0 0981MPa 0 9678 物理大气压 735 6mmHg 10mH2O 1kgf cm2 表压力是指以大气压力作为测量起点 即压力表指示的压力 表压 力不是实际压力 因为当压力表指针为零时 实际上巳受到周围一 个大气压力的作用力 所以压力表指的数值 是指超过大气压力的 部分 绝对压力是指以压力为零作为测量起点的 即实际压力 其数值就 是表压力加 0 1013MPa 大气压力 表压力与绝对压力的关系 p 绝 p 表 0 1013MPa p 表 p 绝 0 1013MPa 7 负压是指低于大气压力 俗称真空 通常负压燃烧的锅炉正常燃 烧时 打开炉门会感觉到周围空气吸向炉膛 这是炉膛内负压的缘 故 一般炉膛出口保持负压 2 3mm 水柱 三 温度 温度是指物体冷热的程度 通常用符号 t 表示 测量温度常用的 单位是摄氏度 用 表示 在锅炉设计计算中 常用绝对温度单位 用 K 表示 绝对温度的零度为零下 273 摄氏度 如果以 T 表 示绝对温度的值 以 t 表示摄氏温度的值 其转换公式为 T t 273K 温度通常用摄氏温度 用符号 表示 和华氏温度 用符号 F 表示 目前我国常用的是摄氏温度 摄氏温度 以水在一个大气压下开始沸腾时的温度 即沸点 为 100 水开始结冰时的温度 即冰点 为 0 中间分成 100 格 每格为 1 摄氏度 二 华氏温度 以水的沸点为 212 F 冰点为 32 F 中间分成 180 格 每格为 1 华氏度 两种温度的换算关系如下 t 5 9 F 32 8 蒸汽锅炉的额定蒸汽温度是指锅炉输出蒸汽的最高工作温度 一般 锅炉铭牌上载明的蒸汽温度是以摄氏温度表示的 对于小型锅炉 使用的蒸汽绝大多数是从锅筒上部的主汽阀直接引出的 其 锅炉基础知识培训讲义 4 蒸汽温度是指该锅炉工作压力下的饱和蒸汽温度 对于有过热器的 锅炉 其蒸汽温度是指过热器后主汽阀出口处的过热蒸汽温度 热水锅炉的额定热水温度是指锅炉输出热水的最高工作温度 锅炉 铭牌上载明的热水温度也是以摄氏温度表示的 第三节 锅炉水循环 一 自然循环的原理 9 锅炉在运行中 只有在炉膛及高温烟道内的受热面所接受的热量不 断被受热面内的工质吸收 保证受热面得到可靠的冷却 才能达到 安全和经济运行 的目的 这就要求锅炉中的水或汽水混合物 必须在闭 合的回路中持续而有规律地流动 也就是连续不断地进 行水循环 低 中压锅炉的水循环 一般都是由于锅炉 内各部分吸收的热量不相等 而使工质产生了密度差形 成的 这种循环称为自然循环 如图 1 1 所示 锅炉的锅筒 2 和下集箱 6 由左右两根管道连通 其 中下降管 5 位于炉墙外不受热 因而管中是温度较低的 水 由于密度大而向下流动 上升管 1 位于炉膛内 吸 收热量 管中的水有一部分汽化成气泡 形成汽水混合 物 由于密度减小而向上流动 上升管中的汽水混合物 进入锅筒后 蒸汽被分离出来 水继续流入下降管进行 再循环 在一台锅炉内 水循环的回路至少是一条 也 可以有几条 自然循环时 水经过一个循环周期是不可 10 能全部变成蒸汽的 通常汽化的只能是其中的很少部分 进入循环回路的水量 称为 循环流量 它与该回路 所产生的蒸汽量的比值 称为 循环倍率 即 循环流量 循环倍率 回路所产生的蒸汽量 对于工作压力 1 25MPa 蒸发量 10t h 以下的小型锅炉 循环倍率 约在 150 200 之间 水循环好的锅炉 各受压部件受热均匀 热应 力小 工质的升温和汽化可以加快 从而缩短点火至正常供汽的时 间 图 1 1 单回路水循环示意图 1 上升管 2 锅筒 3 蒸汽出口管 4 给水管 5 下降管 6 下集箱 11 锅炉基础知识培训讲义 5 二 水循环故障 改善锅炉水循环 是保证锅炉安全 经济运行的关键之一 当锅炉 结构不合理或运行不当时 容易出现下列水循环故障 1 汽水分层 当锅炉的水冷壁管水平设置时 管中流动的汽水混合 物因蒸汽比水轻 气泡就要上浮集聚 使蒸汽和水在管子内分层流 动 由于蒸汽的导热性能差 管子上部容易过热烧坏 因此 水冷 壁管经过炉膛顶部 有的称为 天棚管 时的倾斜角 一般不应小 于 15 2 汽水停滞 由于结构原因造成锅炉局部受热面管子供水不足 或 者在同一个水循环回路的上升管群中 如果各水管之间受热情况相 差太大 就会使受热弱的管内水流缓慢 循环动力不足 甚至由于 受其它管子对循环水的争夺影响 使管内的汽水停止流动 造成过 热爆管事故 因此 对锅炉的结构和运行 应保持供水充足并尽量 使每排管子均衡吸热 保证水循环畅通 3 下降管带汽 为了保证锅炉的水循环稳定可靠 下降管中是不允 许有蒸汽的 否则 水要向下流 汽要向上浮 两者互相顶撞 既 增加了流动阻力 又减少了循环水量 可能造成缺水事故 将管子 12 烧坏 因此 下降管口与锅筒最低水位间的高度不得小于下降管直 径的 4 倍 最好将下降管接在上锅筒的底部 以免由于水进入下降 管时产生的抽力 把蒸汽带进管内 或者由于水在下降管人口处的 流速加快后压力降低 而自行汽化 三 强制水循环 有些锅炉中水在受热面管子里的流动 是靠出 入口之间的压力差 强制流动的 这种锅炉称为强制循环锅炉 常见的一些热水锅炉 靠循环水泵 将循环水沿固定的流通路线 在锅炉内流动受热升温 就是强制循环锅炉 这种锅炉通常采用 下进上出 水的流向 有些 也有上下交替的流程 但都要求在各受热面内有一定流动速度 以 防止出现汽化 积垢和腐蚀 蒸汽锅炉中的省煤器也属于强制循环 13 锅炉基础知识培训讲义 6 第二章 工业锅炉的结构 第一节 锅炉结构的基本要求 锅炉结构的总要求是要用最少的金属耗量 消耗最少的燃料达到规 定参数 压力 温度 的蒸发量 并在运行中符合安全可靠的要求 要保证锅炉安全经济运行就要对受压部件进行强度校核 对燃料燃 烧工况实行控制 并要保证安全附件灵敏准确和自动装置的可靠性 但是 先要消除先天性缺陷 也就是要保证结构合理和保证制造质 量 在结构方面 具体地说 应符合下列要求 14 1 要保证受压部件有足够的强度和稳定性 锅炉受压部件的强度是 指该部件在介质压力 包括附加载荷等 作用下在预定使用寿命内 不失效的能力 材料的机械性能包括 抗拉强度 屈服强度 蠕变 强度 持久强度 延伸率 断面收缩率 冲击韧性等 其中强度部 分就是确定强度的基础 确定强度的目的是要保证安全 强度不够 会导致受压部件破裂甚至爆炸 但也要从节省钢材考虑 做到两者 兼顾 此外 还要考虑其稳定性 因此 强度计算标准中规定受压 元件的最小壁厚 2 要保证锅炉结构各部分在运行时能进行自由膨胀 锅炉受压部件 是由钢板组成 内部贮存水 钢板系固体 受热后呈线膨胀 水为 液体 受热后呈体膨胀 如果锅炉受压部件两端固定 受热后膨胀 受阻产生热应力 使部件发生弯曲变形 甚至损坏 特别是在锅炉 起动升温过程中容易发生事故 为此除操作时要限制升温或冷却速 度外 在锅筒 锅壳 集箱 水冷壁 钢架 炉墙等设计时要充 分考虑热膨胀 3 要有良好的水循环来保证受热面得到可靠的冷却 锅炉水循环是 指锅炉中的水在循环回路中流动 目的是保持受热面得到充分冷却 如果水循环不好 会引起元件超温使强度减弱而导致损坏 在低 中压锅炉中 一般以自然循环为主 自然循环的锅炉是以水汽比重 差 压力差 促使水流动而循环的 锅炉水循环对锅壳锅炉来说 一 般是安全的 对于水管锅炉应该引起足够的重视 15 4 要根据锅炉参数 压力 温度 和燃料的适应性来选用锅炉结构 根据锅炉结构和适用的燃料合理布置燃烧设备和受热面积 以保证 燃烧工况稳定 适应负荷变化 5 要合理配置鼓风机 引风机 使燃料和风量随着燃烧工况的变化 保持相应的比例 6 受压部件开孔和焊缝的布置应尽量避免或减少应力集中 如 胀 接管孔不要开在焊缝上 焊接管孔尽量避免开在焊缝上 必要时只 允许开个别孔 7 锅炉钢架在承受载荷时 应有足够的强度 刚度和抗腐蚀性 8 锅炉结构要便于安装 便于操作 检修和清洗内部 平台扶梯和 门孔 人孔 手孔 清洗孔 检查孔 防爆门等 的布置要便于人 员通过和保证安全 9 要考虑安全附件和自控装置的可靠性 安全附件和自控装置是锅 炉中不可缺少的组成部分 其作用是指示运行参数 帮助人们防止 在运行中发生异常情况或发生异常情况时及时提出警告 及 锅炉基础知识培训讲义 7 16 时调整燃烧工况 使工作参数恢复到正常状态 以防止事故的发生 但也必须指出 不能完全依赖安全附件和自动控制装置 要有人监 管 10 要保持炉墙结构有良好的耐热性和密封性 减少漏风 减少热 损失 保持燃烧稳定 此外 还有环保等方面的要求 如 消烟除尘 对于水管锅炉水质 要求严格 对于空气预热器在燃油锅炉设计方面要考虑防止二次燃 烧等 第二节 锅炉结构中的主要受压部件 组成锅炉本体的主要受压部件指承受内部或外部介质压力作用的零 件 部件 一般有 锅筒 集箱 防焦箱 对流管束 水冷壁 防 渣管以及烟管和炉胆 1 锅筒 也称 汽包 和锅壳 锅筒是水管锅炉用以进行蒸汽净化 组成水循环回路和蓄水的筒形压力容器 由筒体和封头组成 主要 作用是汇集 贮存 净化蒸汽和补充给水 工业锅炉的锅筒一般是由 12 40 毫米厚的锅炉钢板或低合金钢板 20g 或 16Mng 制成的圆筒形容器 在一台锅炉上 通常有一个 或两个锅筒 由于其位置和作用的不同 一般又将上锅筒称为 汽包 或 汽鼓 下锅筒称为 水鼓 或 泥鼓 17 上锅筒的内部一般装有均匀分配给水用的配水槽 改善蒸汽品质用 的汽水分离器和连续排污装置 上锅筒的外部装有主汽阀 副汽阀 安全阀 排空阀 压力表和水位表连接管 为了安装和检修方便 在锅筒的一端或顶部还开有人孔 下锅筒的一端封头上也要开人孔 底部还装有定期排污装置 上下 锅筒之间用许多上升管和下降管连接 整个部件呈弹性结构 2 集箱 又称联箱 用以汇集或分配多根管子中工质 水 汽水混 合物 蒸汽 的筒形压力容器 由筒体 端盖组成 其作用是汇集 分配锅水 保证对受热面可靠供水 3 防焦箱 装设在炉排两侧炉墙内壁的水冷集箱 它除有集箱的功 能外 还有防止炉墙粘附熔渣 起到保护炉墙和炉排的作用 4 对流管束 在对流烟道内布置的对流蒸发受热面的管群 起吸收 热量的作用 对流管束又称为 对流排管 置于上下锅筒之间 一 般用直径 38 51 毫米的锅炉钢管组成 它的作用是吸收高温烟气的 热量 是中 小型水管锅炉的主要受热面 为了充分地吸收热量 通常在对流管束中间 用隔墙组成几个烟道 引导烟气往返冲刷管 束 通常被烟气先冲刷的管束 由于传热较多 管内汽水混合物重 度小 成为上升管 被烟气后冲刷的管束 由于传热较少 管内汽 水混合物重度大 成为下降管 18 烟气冲刷管束一般有如图 2 1 所示的几种形式 当横向冲刷时 烟 气流动方向与管束垂直 传热效果优于纵向冲刷形式 同属横向冲 刷时 管子错排 叉排 的传热效果优于顺排形式 锅炉基础知识培训讲义 8 横向冲刷 纵向冲刷 错排 叉排 顺排 a b c d 图 2 1 烟气冲刷管束形式 8 5 水冷壁 沿炉膛内壁布置的管子吸收辐射热的受热面 起吸收炉 膛高温热 降低炉膛温度 保护炉墙 防止燃烧层结焦的作用 一 般水冷壁的上部与上锅筒直接连接 或者先经过上集箱再与上锅筒 连接 同样 水冷壁的下部也与下锅筒或下集箱连接 上锅筒内的 锅水 经过对流管流入下锅筒及下集箱 然后经过水冷壁被吸收热 量 逐渐形成汽水混合物 再回到上锅筒 组成了一个闭合的自然 循环系统 在水冷壁下集箱的底部 设有排污管 用来定期排除沉积在集箱底 部的泥渣和水垢 集箱一端的封头上开设手孔 便于内部清理 19 6 防渣管 水管锅炉布置在炉膛出口具有较大管节距的对流蒸发受 热面 起防止炉膛出口温度过高而引起结渣的作用 7 烟管 又称火管 烟气在管内流动冲刷的蒸发受热面 起吸收 热量的作用 8 炉胆 承受外压的筒形炉膛 作为内燃式锅壳锅炉的燃烧空间和 辐射受热面起燃烧和吸收热量的作用 9 下降管 下降管的作用是把锅水送到下集箱 使受热面管子有足 够的循环水量 保证运行 下降管应绝热 第三节 锅炉的发展过程 蒸汽锅炉被人们开始使用至今 已有二百多年的历史 在结构上从 最简单的圆球型锅炉开始 随着社会生产力的不断发展 经过多次 的改造 革新 演变成现在使用中的各种型式 现除电站锅炉外 将工业锅炉的一般分类简介如下 从工业锅炉分类图中可知 工业锅炉的结构演变大体沿着两个方向 发展 基本形成了锅壳锅炉与水管锅炉两大类 锅炉基础知识培训讲义 9 锅壳锅炉 指蒸发受热面 20 布置在锅壳内的锅炉 一般包括立式锅壳锅炉 卧式锅壳锅炉和固 定式机车锅炉 水管锅炉 指烟气在受热面管子外部流动 水或汽水混合物在管 子内部流动的锅炉 一般包括横锅筒锅炉和纵锅筒锅炉 年来 也发展了一些水火管组合式锅炉 如快装锅炉 组装锅炉等 快装锅炉指根据运输条件所允许的范围 在锅炉制造厂完成总装整 台发运出厂的锅炉 组装锅炉指在锅炉制造厂内将整台锅炉分成二 个或几个装配齐全的大件 运到安装工地后可以将它们方便地组合 而成的锅炉 第四节 锅炉的结构 一 火管锅炉结构 在火管锅炉中 烟气在火筒 俗称炉胆 和烟管中流动 以辐射和 对流方式将热量传递给工质 使之受热形成蒸汽 容纳水和蒸汽并 兼作锅炉外壳的筒形受压容器称为锅壳 锅炉受热面 火筒和烟管 即布置在锅壳之中 燃烧装置布置在火筒之中 并以火筒为炉膛的 燃烧方式称为内燃 反之 燃烧装置布置在锅壳之外者则称为外燃 21 火管锅炉按照其布置方式可分为卧式和立式两种 前者的锅壳纵向 中心线平行于地面 后者的锅壳纵向中心线则垂直于地面 卧式火 管锅炉又可分为单火筒 炉胆 锅炉 也称康尼许锅炉 双火筒 炉胆 锅炉 亦称兰开夏锅炉 烟管锅炉 外燃锅炉 和烟火 锅炉 内燃锅炉 立式火管锅炉可分为立式横烟管锅炉和立式竖 烟管锅炉两种 过去曾广泛使用的考克兰锅炉就属于前者 由 锅炉基础知识培训讲义 10 于这种纯火管立式锅炉结构复杂 受热面布置受限制 热效率过低 故我国已不再制造 一种取消此种锅炉中的烟管 增设水管而形成 的立式水火管组合锅炉在中国得到了广泛的采用 并获得很大的发 展 现在这种立式水火管组合锅炉已有多种型式 包括立式大横水 管锅炉 立式小横水管锅炉 立式直水管锅炉和立式弯水管锅炉 二 水管锅炉结构 水管锅炉的显著特点是汽水在管内流动 烟气在管外冲刷流动 与 火管锅炉相比 它在结构上没有大直径的锅壳 并以富有弹性的弯 水管取代刚性较大的直烟管 这不仅可节约金属 而且更为增大容 量和提高蒸汽参数创造了条件 采用外燃方式可不受锅壳的限制 燃烧的规模和燃料的适应范围可以扩大 从传热学的观点来看 可 以采用高效的传热方式 适当增大辐射受热面 组织烟气对水管受 热面的横向冲刷 必要时还可将管子交错排列 同时 水管受热面 22 布置简便 清垢除灰容易 可以在最合适的烟温区间布置蒸汽过热 器 以及在尾部安置省煤器及空气预热器 当然这种锅炉对水质要 求高 但这对大容量 高参数锅炉和现代水处理技术来说 不是什 么麻烦 总之 对于大容量 高参数锅炉来说 水管锅炉具有极大 的优越性 而且往往是唯一的选择 而对于小容量低压锅炉来说 水火管锅炉乃至火管锅炉则保持很大的优势 水管锅炉按管子的布置方位可以分为横水管锅炉和竖水管锅炉 按 照管子的形状又可分为直水管锅炉和弯水管锅炉 横水管锅炉中水 管呈水平或微倾斜布置对水循环很不利 而直水管锅炉中水管挺直 刚性大而缺乏弹性 对缓解热效应力和制造应力不利 但直水管用 于横水管锅炉中时 各直水管用整集箱或波形分集箱相连 集箱上 各相连管端的对壁的相当位置上开有手孔 可用以清洗管内水垢 不过 因为整集箱尺寸大 形状不利于承压 因而承压能力差 波 形分集箱和手孔的制造比较麻烦 维修工作量大 金属耗量也大 故现已为具有少量锅筒的竖弯水管所代替 竖弯水管锅炉按照锅筒 的数量可分为单锅筒和双锅筒 按照锅筒的布置方向可分为纵置式 和横置式两种 三 UG 35 3 82 M 型锅炉 UG 35 3 82 M 型锅炉是由无锡锅炉厂设计制造的 见图 2 2 设计参数为 p 3 82MPa 39 千克力 厘米 2 D 35 吨 时 t 450 配 3000 千瓦汽轮发电机组的链条炉 固态排渣 23 该锅炉采用 形布置 单锅筒 自然循环 装有加煤斗及顺转的鳞 片式不漏煤炉排的燃烧设备 炉膛内四周布满水冷壁管 炉膛出口 处布置有拉稀的凝渣管 水平烟道内垂直布置对流式过热器 按蒸 汽流通方向分为高温段和低温段二级 采用螺旋管式面式减温器来 调节蒸汽温度 减温器位于高温和低温段过热器中间 锅炉尾部竖 井中单级布置有钢管式省煤器和管式空气预热器 锅炉的出渣设备 采用马丁式出渣机 锅筒材料为 20g 其内径为 1500 毫米 壁厚为 46 毫米 筒身长 度 6 7 米 全部采用焊接管接头与水冷壁管 下降管联接 为了便 于制造和检修 锅筒两端封头均有人孔门 320 425 毫米 锅炉基础知识培训讲义 11 24 图 2 2 UG 35 3 82 M 型锅炉 锅炉基础知识培训讲义 12 第五节 辅助受热面 锅炉的辅助受热面一般有蒸汽过热器 省煤器和空气预热器三种 一 过热器 一般锅炉产生的蒸汽是饱和蒸汽 而饱和蒸汽在有些生产部门中尚 不能满足要求 需送入专门的设备中进行加热 提高温度 以得到 过热蒸汽 这种设备就叫过热器 一 过热器的构造 25 过热器是由直径较小的无缝钢管和集箱组成 见图 2 3 常用的管 子外径有 32 38 毫米两种 壁厚一般为 2 5 4 毫米 管子弯曲成 蛇形或盘香形 因而又称为蛇形管或盘香管 管子两端分别与过热 器进 出口集箱连接 二 过热器分类 l 按放置形式分为立式和卧式 立式过热器 易吹灰 吊装简单 但不易放存水 见图 2 4 卧式过热器 容易放存水 吊装复杂 但不易吹灰 见图 2 5 图 2 3 蒸汽过热器 图 2 4 立式过热器 2 按烟气和蒸汽的相对流向可分为顺 向式 烟气和蒸汽流向相同 逆向式 烟气 和蒸汽流向相反 和混向式 烟气和蒸汽流 向部分相同 部分相反 见图 2 6 三 注意事项 1 过热器出口集箱上应装有安全阀 26 图 2 5 卧式过热器 锅炉基础知识培训讲义 13 压力表 温度计和排汽阀 2 过热器的进出口集箱上均应装有疏水阀 二 省煤器 省煤器是装置在给水泵与锅筒之间 利用烟 气余热来加热给水的一种设备 锅炉中加装了省 煤器后可以提高锅炉效率和节省燃料 27 一 省煤器的分类 1 按材料分 有铸铁式和钢管式 图 2 6 过热器烟气和蒸汽流 向示意图 13 2 按炉烟与给水的相对流向分 有顺向式和逆向式 3 按加热情况分 有沸腾式 即不可分式 和非沸腾式 即可分式 4 按装置形式分 有立式和卧式 二 非沸腾式省煤器 非沸腾式省煤器 可分式 一般采用鳍片式铸 铁省煤器 见图 2 7 这种省煤器体积小 管外带有 肋片 以增加受热面积 肋管是顺序排列 装置为 卧式 有的附有吹灰器 在非沸腾式省煤器内水温应低于沸腾温度 一般 图 2 7 铸铁式省 煤器 省煤器出口水温常控制在低于锅水饱和温度 40 左右 所以非沸腾 式省煤器在砌烟道时 应该设置旁烟道和严密的烟道闸门 以便在 生火时和运行中水温达到限度时 使炉烟暂时不经过省煤器而由旁 28 烟道通过 老式的锅炉中 如果没有旁烟道时 应该另装支水管 使支水管接通到给水箱 这样 可以保障省煤器不被烧坏 见图 2 8 1 放空气阀 2 9 温度计 3 10 压力表 4 15 安全阀 5 7 12 14 给水截止阀 6 11 给水逆止阀 8 回水管 13 旁路水管 16 给水泵 17 排污阀 图 2 8 非沸腾式省煤 器旁烟道装置 29 锅炉基础知识培训讲义 14 三 沸腾式省煤器 这种省煤器由许多平行的蛇形管和进 出口集箱组成 见图 2 9 它的构造比较简单 造价也低 给水由下部进入省煤器 在蛇形管 内自下向上流动 烟气则由上向下流动 这种省煤器不仅将进入锅 炉的水加热到饱和温度 而且还产生部分蒸汽 产生的蒸汽量为总 给水量的 10 15 是锅炉不可分割的一部分 省煤器与锅炉之间 不装设任 何阀门 也不装旁烟道 而在省煤器进口集箱 上装一根再循环水管与下锅筒相连 升火时 30 锅水由下锅筒经再循环管 省煤器进人上锅筒 形成水循环 以防止省煤器烧坏 四 对省煤器的安全要求 1 非沸腾式省煤器上应装有压力表 温 度表和安全阀 2 进水应尽量均匀 3 应经常清除积灰 三 空气预热器 空气预热器是利用炉烟余热对进入炉膛的空气进行加热 以达到提 高锅炉效率的一种设备 空气预热器装在省煤器之后 它一般分为 板式 再生式和管式三种 现将管式空气预热器介绍一下 管式空气预热器由外径 40 53 毫米 厚为 1 2 2 毫米的钢管制成 空气在管外横向流动 烟气在管内垂直流动 见图 2 10 其缺点是 管子易堵塞 体积大 图 2 10 管式空气预热器 图 2 9 省煤器循环管 锅炉基础知识培训讲义 15 第三章 燃烧与加热设备 31 第一节 燃烧方式 燃烧设备是锅炉整体的重要组成部分 属 炉 的部分 其作用是将 燃料燃烧释放的热量供 锅 吸收 燃烧设备是按锅炉燃烧方式进行 分类的 燃料在燃烧设备中的燃烧方式 大致可以分为层状燃烧 悬浮燃烧 沸腾燃烧 气化燃烧四种 一 层状燃烧 层状燃烧又称火床燃烧 仅适用于固体燃料 是小型锅炉的主要燃 烧方式 由人工或机械将煤送到固定或活动炉排上形成煤层 空气 从炉排下面送入 经炉排的缝隙并穿过燃料层使燃料燃烧 层状燃 烧设备型式较多 有手烧炉炉排 双层炉排 链条炉排 往复炉排 和抛煤机炉等 层状燃烧能适应不同煤种的燃烧特性 煤粒无需特殊加工 在炉膛 里都能较好地着火 但空气与煤层混合不良 燃烧反应较慢 有时 出现冒黑烟现象 二 悬浮燃烧 悬浮燃烧又称火室燃烧 适用于固体 液体或气体燃料 是大中型 锅炉的主要燃烧方式 煤被磨成细粉 煤粉 由空气携带经燃烧器 喷入炉膛 在悬浮状态下燃烧 采用悬浮燃烧方式的锅炉又称室燃 炉 如煤粉炉 燃油炉 燃气炉 32 室燃炉不用炉排 燃料与空气接触面积大 着火迅速 燃尽率高 燃烧效率和锅炉热效率高 容易实现自动控制 但设备多 系统复 杂 对锅炉运行要求高 三 沸腾燃烧 煤被破碎成小于 2mm 的煤粒后送入炉膛 空气从布风板上的风帽 进入 使煤上下翻滚 呈类似液体沸腾状态燃烧 沸腾燃烧对煤种的适应性强 我国现多用于烧劣质煤 其燃烧特点 介于层状燃烧和悬浮燃烧之间 沸腾燃烧设备的蓄热量大 燃烧反应强烈 特别适用于一般层状和 悬浮燃烧所不能燃用的高灰份和低热值的劣质煤 如石煤 煤矸石 等 但耗电量大 埋管磨损严重 运行要求高 这种方式燃烧温度在 900 左右 可大大减少氮氧化物的生成 并 可方便地采取脱硫措施 有利于环境保护 故大有发展前途 四 气化燃烧 气化燃烧是指投入炉膛的煤同时进行气化和直接燃烧 适用于蒸发 量 1t h 以下的锅炉 气化燃烧设备简单 管理方便 消烟除尘效果好 但不宜用于烧低 挥发份的煤 并且出渣劳动强度大 对运行安全要求严格 33 以上四种燃烧方式中 在中小型锅炉上最常用的是层状燃烧 且燃 烧设备以链条炉排为主 但随着环境保护要求的日益严格 沸腾床 燃烧在中小型锅炉上的应用也将不断增多 锅炉基础知识培训讲义 16 第二节 链条炉排 链条炉排是工业锅炉中历史悠久 结构可靠 运行稳定的一种机械 化燃煤设备 获得了广泛的应用 一 链条炉排的结构 34 链条炉排的外形好像皮带输送机 其结构如图 3 1 所示 其运行过 程是煤从煤斗内依靠自重落到炉排前端 随炉排自前向后缓慢移动 经煤闸板进入炉膛 煤闸板的高度可以自由调节以控制煤层的厚度 空气从炉排下面分区送风室引入 与煤层运动方向相交 煤在炉膛 内受到辐射加热 依次完成预热 干燥 着火 燃烧 直到燃尽 灰渣则随炉排移动到后部 经过挡渣板 俗称老鹰铁 落入后部水 冷灰渣斗 由除渣机排出 链条炉排的结构形式一般可分链带式 横梁式和鳞片式三种 1 链带式炉排 链带式炉排属于轻型炉排适用于蒸发量 10t h 下的锅炉 其炉排片 连接结构如图 3 2 所示 炉排片分为主动炉排片和从动炉排片两种 用圆钢拉杆串联在一起 形成一条宽幅的链带 围绕在前链轮和后 滚筒上 主动炉排片担负传递整个炉排运动的拉力 因此其厚度比 从动炉排片厚 由可锻铸铁制成 一台蒸发量 4t h 的锅炉 由主动 炉排片组成的主动链条共有三条 两侧和中间 直接与前轴 主动轴 上的三个链轮相啮合 从动炉排 35 锅炉基础知识培训讲义 17 片由于不承受拉力 可由强度低的普通灰口铸铁制成 链带式炉排的优点是 比其它链条炉排金属耗量低 结构简单 制 造 安装和运行都比较方便 缺点是炉排片用圆钢串联 必须保证 加工和装配质量 否则容易折断 而且不便于检修和更换 长时间 运行后 由于炉排片互相磨损严重 使炉排间隙增大 漏煤损失增 多 2 横梁式炉排 横梁式炉排适用于蒸发量 20 40t h 甚至更大的锅炉 其结构与链 带式炉排的主要区别在于采用了许多刚性较大的横梁 如图 3 3 所 36 示 炉排片装在横梁的相应槽内 横梁固定在传动链条上 传动链 条一般是两条 当炉排很宽时 可装置多条 由装在前轴 主动 轴 上的链轮带动 横梁式炉排的优点是结构刚性大 炉排片受热 不受力 而横梁和链条受力不受 热 比较安全耐用 炉排面积可以 较大 阻力小而风量分布均匀运行中漏煤漏风量少 缺点是 结构 笨重 金属耗量多 约是链带式炉排的 2 7 倍 制造和安装要求高 受热不均时 横梁易出现扭曲 跑偏等故障 3 鳞片式炉排 鳞片式炉排适用于蒸发量 10 60t h 的锅炉 其炉排面通常由 4 12 根互相平行的链条 类似自行车上的链条结构 组成 每根 链条用 铆栓将若干个由大环 小环 垫圈 衬管等组件组成的链条串在一 起 如图 3 4 所示 炉排片通过夹板组装在链条上 前后交迭 相 互紧贴 呈鱼鳞状 其工作过程如图 3 5 所示 当炉排片行至尾部 向下转入空程以后 便依靠自重依次翻转过来 倒挂在夹板上 能 自动清除灰渣 并获得冷却 各相邻链条之间 用拉杆与套管相连 使链条之间的距离保持不变 鳞片式炉排的优点是 煤层与整个炉 排面接触 而链条不直接受热 运行安全可靠 炉排间隙甚小 漏 煤很少 护排片较薄 冷却条件好 能 37 图 3 5 鳞片式炉排的工作过程 图 3 4 鳞排片式炉排的链条结构 1 一大环 2 一小环 3 一垫圈 4 一铆栓 5 一大孔 穿拉杆 6 一小孔 装夹板 7 一套管 8 一螺栓 9 一螺帽 10 一开口销 锅炉基础知识培训讲义 18 够不停炉更换 由于链条为柔性结构 当主动轴上链轮的齿形略有 参差时 能自行调整其松紧度 保持啮合良好 缺点是 结构复杂 金属耗量多 该炉排比链带式炉排约高 30 当炉排较宽时 炉排 片容易脱落或卡住 38 在目前的引进技术中采用层状燃烧的燃烧设备 基本上为以上几种 形式的链条炉排 由于引进国外先进的炉排生产线 炉排片的铸造 精度和整体装配水平都有很大提高 不但减少漏煤而且减少运行故 障率 二 链条炉排的燃烧特点 链条炉排的着火条件较差 煤的着火主要依靠炉膛火焰和拱的辐射 热 因而上面的煤先着火 然后逐步向下燃烧 这样的燃烧过程 在炉排上就出现了明显的区域分层 如图 3 6 所示 煤进入炉膛后 随炉排逐渐由前向后缓慢移动 在炉排的前部 是新煤燃烧准备区 主要进行煤的预热和干燥 紧接着是挥发分析出着火并开始进 入燃烧区 在炉排的中部是焦炭燃烧区 该区温度很高 同时进行 着氧化和还原反应过程 放出大量热量 在炉排的后部 是灰渣燃 尽区 对灰渣中剩余的焦炭继续燃烧 在燃烧准备区和燃尽区都不需要很多空气 而在焦炭燃烧区则必须 保证有足够的空气 如果不采取分段送风 会出现空气在炉膛前后 两端过剩 在中部不足的弊病 为了改善上述燃烧状况 通常采取以下三种措施 1 炉拱布置 39 炉墙向炉膛内突出的部分称为炉拱 炉拱的主要作用是储蓄热量 调整燃烧中心 提高炉膛温度 加速新煤着火 其次是延长烟气流 程 促进燃料充分燃烧 炉拱有前拱 中拱和后拱三种 其中经常使用的是前拱和后拱 中 拱多用于锅炉改造中 当供应的煤质较差时 作为改善燃烧条件的 补充措施 1 前拱 前拱位于炉排上方的前炉墙下部 一般由引燃拱 又称点火拱 和混合拱 又称大 拱 两部分组成 引燃拱的位置较低 靠近煤闸 门 一般距炉排面约 300 400mm 主要作用是吸 收高温烟气中的热量 再反射到炉排前部加速新 煤的着火燃烧 混合拱的位置较高 主要作用是 促进烟气和空气良好混合 延长烟气流程 使其充分燃烧 图 3 7 所示是常见的几种前拱结构形状 图 3 6 链条炉燃烧的区域分层 40 锅炉基础知识培训讲义 19 图 3 7 a 所示的前拱 由小斜型引燃拱和低而长的混合拱组成 起遮盖作用 可减少炉排前部两侧的水冷壁管吸热 保持炉膛前部 有较高的温度 以利于新煤烘干和着火 41 图 3 7 b 所示的前拱 由倾斜型引燃拱和较高的水平混合拱组成 能有效地将热量反射到新煤上 改善燃烧条件 图 3 7 c 所示的前拱 由抛物线型引燃拱和较高的水平混合拱组 成 可将热量集中反射到新煤上 即起到 聚焦 的作用 使燃烧条 件更好 但这种拱的曲线复杂 砌筑和悬挂困难 表面不可能光洁 不容易收到理想的反射效果 所以实际应用不多 2 中拱 中拱位于炉排的中上方 如图 3 8 所示 中拱的作用是 将主燃烧区的高温烟气引导到炉膛 前部 促使新煤迅速着火 同时 可以储蓄热量 保证主燃烧区的 煤充分燃烧 中拱通常呈前高后低倾斜布置 倾角为 12 左右 倾角越大 从主 燃区导入着火区的烟气量越多 越有利于煤的引燃 但倾角过大时 则中拱前部出口端过高 使烟气流速降低 不利于传热 中拱后部 出口端的高度应尽可能地低 中拱的长度以能遮盖主燃烧区为宜 3 后拱 后拱位于炉排上方的后炉墙下部 如 图 3 9 所示 后拱的作用是将燃尽区的高温烟气和过剩的空气引导 到炉瞠中部和前部 以延长烟气流程 保证主燃烧区所需要的热量 以及促进新煤引燃 同时提高炉排后 部温度 使灰渣中的固定炭燃尽 42 锅炉炉拱的布置是一个相当复杂的问题 炉拱的 图 3 9 燃烧无烟 煤的炉拱 图 3 8 链条炉中公布置示意图 形状和尺寸与燃用的煤种密切相关 必须有针对性地选用 同时各 拱之间还需互相配合 才能收到明显的效果 目前常用拱的形状大 多是通过运行的实践经验来确定的 上海地区锅炉大部分采用定型 拱和弧型拱 有的也采用 现场浇筑 法 2 分段送风 为了适应链条炉排燃烧各区段需要不同风量的特点在炉排下面隔成 几个风室进行分段进风 一次风 如图 3 10 所示 每个风室之间应严密不漏 以防短路而失去调节作 用 为使整个炉排宽度的风量分布均匀 宜采用双侧进风 每个风室的风量 均用单独的挡风板分别调节 各挡风板的开度 需根据不同煤种的特性 经过反复 运行试验 找出使煤燃烧最佳的开启位置 当煤种变 图 3 10 链 条炉风门调整示意图 锅炉基础知识培训讲义 20 43 化时 还需要重新调整 以达到最经济的运行效果 一台锅炉最多 采用 5 6 个风室 送风分段越多 风量越容易符合燃烧需要 见图 3 11 但分段过多 将使结构复杂 总的经济效果并不理想 3 二次风 在层燃炉中 从炉排下方送入炉膛的空气称为一次风 从炉排上方 高速吹入炉膛的气流称为二次风 在室燃炉中 随燃料进入炉膛的 空气称为一次风 为加强扰动 混合和燃尽而喷人炉膛的气流称为 二次风 二次风的作用 1 搅动烟气使烟气与空气很好混合 减少气体未完全燃烧热损失 图 3 11 统仓送风和分段送风比较 20 2 造成烟气旋涡延长烟气流程 使飞灰中可燃物质在炉膛内停留 较长时间 得到充分燃尽 3 依靠旋涡的分离作用 把未燃尽的炭粒甩回火床复燃 降低飞 灰含炭量 减少固体未完全燃烧热损失 降低锅炉初始排尘浓度 4 当用空气做二次风时 还可补充一次风的不足 促进完全燃烧 44 合理的布置与使用二次风 一般可提高锅炉热效率 5 左右 二次 风多数使用空气 有时使用蒸汽 烟气 或者以上两种气体的混合 物 如用空气作二次风 最好是热风 以利于提高炉膛温度 风速 一般为 40 70m s 但要选用较大风压约 2000 4000Pa 的风机 二次风量占总风量的百分比 对挥发分含量较少的无烟煤约为 5 对挥发分含量较多的烟煤约为 7 8 对挥发分和水分含 量都较多的褐煤约为 10 二次风量不宜过大 否则对燃烧不利 而且增加排烟热损失 降低锅炉热效率 如用蒸汽作二次风 即使 锅炉在低负荷运行时也不会造成炉膛空气过剩系数太高 但其缺点 是要耗用蒸汽 影响锅炉净效率 如混合使用蒸汽和空气作二次风 即利用高速蒸汽的引射作用 将 空气带入炉膛 能够综合提高锅炉运行的经济性 二次风可单独由前墙或后墙一面引入 也可由前 后墙同时引入 主要根据炉膛出口方向与炉膛深度而定 当由前 后墙同时引入时 应将风嘴设在炉膛喉部 而且要将风嘴的方向错开布置 如图 3 10 所示 也有将二次风嘴布置在炉膛四角 使气流相切于一个 假想圆 从而促使炉膛烟气形成旋涡 以利强烈混合 二次风嘴设置高度 应在炉排面以上约 1 5 2 0m 处 水平或向下倾斜 10 25 角 风 嘴多用灰口铸铁制成 在锅炉升火前 应先开启二次风 当锅炉停 用时 应后关闭二次风 以免炉膛高温辐射热将风嘴烧坏 45 炉拱 分段送风 二次风等改善燃烧工况的措施 除用于链条炉外 还可用于其它层燃炉上 尤其是二次风用于抛煤机链条炉上 对于 飞灰的燃尽消除锅炉冒黑烟作用较大 锅炉基础知识培训讲义 21 第三节 流化床燃烧 固体粒子经与气体接触而转变为类似流体状态的过程 称为流化过 程 流化过程用于燃料燃烧 即为沸腾燃烧 其炉子称为沸腾炉或 流化床炉 由于能源紧缺和环境保护要求的日益提高 流化床炉不仅因具有强 化燃烧 传热效果好以及结构简单 钢耗量低等优点 特别是它的 燃料适应性广 能燃用包括煤矸石 石煤 油叶岩等劣质煤在内的 所有固体燃料 以及可以实现炉内脱硫及降低氮氧化物 NOx 受到人们的普遍重视并得到迅速发展 除了早巳广泛使用的鼓泡床 炉外 又发展到更具优势的循环流化床锅炉 其燃烧效率可达 99 以上 并且为大型化提供了技术保证 一 硫化床燃烧原理 流化床燃烧 沸腾燃烧 是一种介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃 烧方式 其燃烧原理如图 3 12 所示 将煤破碎至一定大小的颗粒送 人炉膛 同时由高压风机产生的一次风通过布风板吹入炉膛 炉膛 46 中的煤粒因所受风力不同 可处于三种不同状态 当风速较小 还 不足以克服煤粒重量时 煤粒基本 处于静止状态 当风速增大到某 数值时 能够将煤粒吹起 并在 一定的高度内呈现翻腾跳跃 煤层表面好像液面沸腾 又称为流化 状态 这就是流化床的情况 当风速继续增大 未燃尽的灰粒带出 炉膛 而用高温分离器把灰粒分离下来 再送回炉膛燃烧 这就是 循环流化床 要获得沸腾燃烧 必须根据煤粒大小将风速控制在一 定范围之内 由于沸腾层热容量很大 送入的新煤只占整个热料层重量的 5 20 而且在炉内停留的时间较长 可达 80 100min 煤粒 与空气能够很好充分混合 这就强化了传热和燃烧过程 所以 一 般工业锅炉不能燃用的劣质煤 都能够在流化床内稳定燃烧 二 流化床炉的炉膛结构 流化床炉的炉膛结构主要由布风系统 沸腾段和悬浮段等部分组成 如图 3