第四章 锅炉1

1 第四章锅炉及换热器 前两章 热能动力机械 内燃机 涡轮机 能量转换原理及特点 本章节 热装置 两大类 热发生装置 即锅炉 蒸汽发生器 通过燃烧反应 产生蒸汽或热水 热量传递装置 即换热器 流体与流体之间 或流体与固体之间的单一的热量传递 1 第一节锅炉概述 锅炉的作用 燃烧燃料加热水 产生过热蒸汽或热水 锅炉火力发电系统图 各系统功能 1 一 锅炉的基本结构1 主要部件 由d 50 76mm钢管弯制的水冷壁 锅筒 集箱 和炉墙构架组成 炉膛四墙布置燃烧器 炉膛 空间 锅筒 水冷壁 锅筒 内设汽水分离装置 将各受热面连接在一起 与水冷壁 下降管组成汽水循环回路 加热 蒸发 过热过程的连接点 水冷壁 主要辐射受热面 钢管结构 将进口集箱水分配到水冷壁管 吸收炉膛辐射的热量 保护炉墙 1 过热器 由d 30 50mm的蛇形管组成 屏式过热器和对流过热器 作用 吸收烟气的热量 水蒸汽过热 省煤器 由d 25 38mm的平行蛇形管构成 作用 加热进入锅筒之前的水达到一设定温度 空气预热器 由许多管组成 作用 加热进入炉膛的空气到一定温度 改善炉内燃烧过程 降低排烟温度 提高锅炉效率 锅炉构架 支撑锅炉的锅筒 水冷壁 对流受热面 换热器 1 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 二 锅炉的工作原理 锅炉的工作过程 燃烧过程和传热过程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 一次 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 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 1 2 传热过程 工质 纯净水 锅炉 蒸汽 汽轮机 锅炉内水 省煤器 锅筒 下降管 水冷壁进口集箱 各水冷壁管 吸收热辐射蒸发 形成汽水混合物 上升到锅筒 汽水分离器 蒸汽 由锅筒上部 过热器 过热蒸汽 经化学处理除去硬度和氧 在汽机车间 1 三 锅炉分类与形式 1 分类按用途分类 工业锅炉电站锅炉船舶锅炉机车锅炉按锅炉出口压力分类 低压锅炉 压力 1 3MPa 中压锅炉 1 3MPa22 19Mpa 1 按燃料和能源分类 燃煤锅炉 燃油锅炉 燃气锅炉 废热锅炉 余热锅炉 按燃烧方式分类 火床燃烧锅炉 火室燃烧锅炉 沸腾燃烧锅炉 旋风炉 1 按汽水循环方式分类 自然循环锅炉 强制循环锅炉 直流锅炉 按排渣方式分类 固态排渣液态排渣 2 锅炉的主要参数 锅炉容量 蒸汽压力 蒸汽温度 给水温度 3 形式 锅炉的结构形式 一般因汽水循环方式和燃烧方式的不同 有很大的差别 1 1 汽水的流动方式 自然循环锅炉 汽水靠水和蒸汽的密度差产生的压头而循环流动 工作压力越低 密度差越大循环越可靠 强制循环锅炉 下降管上设有循环泵 用泵压头使汽水循环流动 直流锅炉 无锅筒 给水从省煤器进入锅炉 经蒸发受热面 过热器 过热蒸汽 1 三种锅炉结构特点 1 2 燃烧方式 因燃料不同 锅炉容量不同而有差异气体 液体燃料 采用火室燃烧固体燃料 煤 容量小时 采用火床燃烧 容量大时 煤磨成煤粉 火室燃烧 1 四 锅炉的污染及控制 1 煤灰 碳黑和飞灰碳黑 未完全燃烧产物 沉积在锅炉受热面和烟道壁 影响传热能力下降 碳黑吸附能力强 与烟气中的硫化物 水 酸结合形成有害物 飞灰 微粒 悬浮于烟气中 影响受热面传热 流动中使受热面磨损 排入大气 污染环境 控制方法 合理的燃烧方式及调节 使燃料完全燃烧 采用优良的除尘设备 1 2 硫化物 SO2 SO3 H2S等有毒气体 腐蚀性 控制措施 排烟脱硫装置 吸收烟气中的SO2 3 NOx NO NO2 破坏臭氧层 与HC一起在光的照射下形成光化学烟雾 控制措施 排烟脱硝装置 经化学方法分离或除去NOx 或采用还元装置 1 第二节锅炉燃料与热平衡 一 燃料的组成与分类1 燃料 主要有固体 液体 气体燃料 主要成分 C H O N S 灰分 水分 其中 可燃物 C 存在形式 碳氢化合物 碳氧化合物 煤中质量分数 20 70 热值 32860kJ kg 完全 9270kJ kg H 存在形式 碳氢化合物 热值 120370kJ kg 1 反应物 O N S 反应生成有害物 含量影响可燃元素含量 影响发热量 不可燃物 灰分 影响发热量 及燃料挥发分的析出和着火燃烧 受热面积积灰 结渣 磨损 腐蚀 大气污染 水分 影响燃烧室温度 燃料的着火性 加剧低温腐蚀和堵灰 1 2 煤的成分及特性的分析方法 煤的燃烧特性与煤的成分及组成有关 煤的元素分析 各成分的分析煤的组成工业分析 除灰分 水分外 将可燃质部分分成挥发分 V 和固定碳 FC 两部分 分析发热量Q 煤的元素分析和工业分析的基准 国家标准收到基 ar 以入炉煤为基准 空气干燥基 ad 以风干状态煤为基准 干燥基 d 以去除全部水分的煤为基准 干燥无灰基 daf 以去除水分 灰分为基准 四种基准之间的关系 表4 5 1 wM 水分 wA 灰分 1 煤单位质量完全燃烧时所放出的热量 煤的发热量 高发热量 燃烧后产生的水蒸气汽化潜热计入在内 低发热量 不计汽化潜热 3 煤的发热量 1 4 煤的分类 根据挥发分以及水分 灰分分为四种 无烟煤 干燥无灰基挥发分的质量分数40 发热量 21000 32500kJ kg特点 挥发分析出温度高 着火和燃尽困难 烟煤 干燥无灰基挥发分的质量分数 20 45 灰分不定 发热量 20000 30000kJ kg 特点 易着火和燃尽 但灰分高时相反 1 贫煤 挥发分质量分数 10 20 干燥无灰基挥发分的质量分数 特点 燃烧特性优于无烟煤 但反应性能较差 褐煤 形成年代较短 煤质松 带褐色 干燥无灰基挥发分的质量分数 收到基水分质量分数 收到基灰分的质量分数 发热量 10000 20000kJ kg 特点 挥发分析出温度低 易着火和燃烧 1 二 燃烧计算与热平衡计算 1 燃烧计算 主要确定燃料燃烧所需要的空气量 烟气产物 烟气量及其焓 公式表4 6 72 热平衡计算 确定锅炉的各项热损失 锅炉效率 燃料消耗量 1 热平衡原理热平衡方程式 其中 Qr 锅炉输入的热量 Q1 锅炉有效利用热 Q2 排烟热损失 Q3 气体不完全燃烧热损失 Q4 固体不完全燃烧热损失 Q5 散热损失 Q6 灰渣物理热损失 1 锅炉设计的主要内容 根据锅炉热平衡原理及锅炉效率确定锅炉的燃料消耗量 锅炉效率的确定方法 两种正平衡效率 反平衡效率 1 2 输入锅炉的热量 燃料收到基低位发热值 燃料物理显热 外来热源加热空气带入的热量 燃料雾化蒸汽带入的热量 1 3 锅炉有效利用的热 对有过热器 再热器的锅炉 过热蒸汽工质质量流量 再热蒸汽质量流量 排污质量流量 工质出口比焓 进口比焓 给水比焓 B 燃料消耗量 过热器中的吸热 再热器中吸热 排污回收热 1 4 灰平衡基本原理指燃料中含的灰量 飞灰 灰渣 漏煤中灰分 即 灰渣量 飞灰量 漏煤量 灰渣中C的质量分数 飞灰中C的质量分数 漏煤中C的质量分数 由灰平衡基本原理 各项热损失计算公式 表4 8 1 第三节锅炉燃烧设备 一 火床燃烧设备火床燃烧 燃料在火床 炉排 上完成燃烧的全过程的燃烧方式 燃料按一定厚度均匀地铺在炉排上燃烧 火床种类 固定炉排炉 淘汰链条炉排炉 抛煤机翻转炉排炉 抛煤机倒转炉排炉 振动炉排炉 1 特点 层燃炉 燃烧效率高 环境污染小 机械化程度较高 1 基本结构及工作原理a 基本结构 送煤部分 由煤斗 炉排 链条 主从动轮等组成 炉排下部布置风室b 原理 燃料靠自重从煤斗落到炉排上 链条带动炉排移动 煤进入炉膛后 经干燥 水分蒸发 挥发分析出 着火燃烧燃尽 灰渣落入炉排后灰渣斗中 1 链条炉排炉 灰渣斗 1 c 燃烧用空气 空气预热器加热到一定温度后 由各风室从炉排下方分别送入 经炉排穿入煤层参加燃烧 d 烟气 通过炉膛的辐射换热和对流管束 省煤器 空气预热器降温后 由引风机送入烟囱排气 1 e 不同炉排形式 倾斜往复式 水平往复式 1 a 链条炉的燃烧过程 自前向后分四个区段进行 2 链条炉排上的燃烧过程及特性 灰渣燃尽区 挥发分析出燃烧区 干燥区 高温火焰和前后拱的作用之下 焦碳着火燃烧区 燃烧过程的主要阶段 下层氧化层 上层还原层 1 b 燃烧特性 指着火特性及气体成分分布特性 燃料着火所需热能 来自炉膛中高温烟气的对流传热和高温烟气与炉拱的辐射热 影响因素 炉拱结构 炉内的空气流动 图4 10 L 形炉拱 a 形炉拱 前后拱合理搭配 炉内汽流在前拱区形成大回流 利于燃料的加热和烟气中焦碳颗粒的分离 改善着火条件 提高锅炉效率 1 气体分布特性 图4 11 干燥区和燃尽区 O2浓度过剩 焦碳燃烧区 O2浓度不足 分级送风 即 两端送风量少 中间燃烧区送风量多 1 2 抛煤机炉 悬浮式燃烧与火床燃烧同时进行模式 大颗粒燃料在炉排火床燃烧 小颗粒烟气托起炉膛空间悬浮燃烧 1 抛煤机的三种类型 风力抛煤机 用高速汽流的能量播撒燃料 煤层特点 粗颗粒近 细颗粒远 机械抛煤机 利用机械运动的能量播撒燃料 煤层特点 粗颗粒远 细颗粒近 机械 风力抛煤机 机械抛煤为主 风力抛煤为辅 煤层特点 粗颗粒远 细颗粒近 但可避免近处细粒堆积的问题 1 2 抛煤机工作原理 机械抛煤机 风力抛煤机 机械 风力混合抛煤机 1 3 抛煤机的特点 优点 燃料抛撒中分选 煤层横断面粒度分布比较均匀 炉排面有效利用率高 炉排广大区域燃料直接抛撒在炽热的焦碳层上 属于双面着火 煤种适应性较好 缺点 飞灰热损失大 烟尘浓度高 对流受热面磨损严重 1 3 火床燃烧的评价指标 火床炉 大部分燃料在炉排上燃烧 所以炉排面积是保证火床燃烧完全的基本条件 故用炉排面积热负荷强度表示其燃烧强烈程度 1 炉排面积热负荷强度 炉排单位面积单位时间内燃烧所放出的热量 即B 燃料消耗量 R 炉排有效面积 燃料收到基低位发热量 意义 表示炉排单位面积燃烧的强烈程度 1 2 炉膛容积热负荷 用来评价火床炉中可燃物在炉膛容积中燃烧的热负荷大小 定义 单位容积单位时间内燃烧的放热量 即V 炉膛容积 1 二 火室燃烧设备 火室燃烧方式 燃料在炉膛内以悬浮状态燃烧 固体燃料的火室炉 称为煤粉炉 煤粉炉 燃烧的煤粉 研磨成粒径100 m以下细小颗粒 使煤的表面积增大 利于燃烧 特点 煤粉与燃烧所需的一部分空气混合成煤粉空气混合物 经燃烧器喷入炉内燃烧 燃烧设备 由炉膛 制粉系统和燃烧器组成 火室燃烧器是三个风口的有机结合体 分直流式和旋流式 1 直流式 1 旋流式 1 三个风口 一次风口 用于输送煤粉的空气称为煤粉燃烧的一次风 对应的喷口为一次风口 二次风口 燃烧所需的其余空气量为二次风 对应的喷嘴为二次风口 三次风口 将制粉系统的排气 乏气 送入炉内燃烧时 称其为三次风 相应的喷嘴为三次风口 1 物理过程 煤粉由空气喷入炉膛后 受火焰 高温烟气的加热而升温 蒸发水分 析出挥发物与空气混合成可燃物 化学过程 煤粉颗粒周围形成的可燃混合气 在高温下燃烧 煤粉颗粒变成高温的焦碳颗粒 燃尽后变成灰渣 特点 煤粉在炉内停留的时间仅为2 3s 大部分灰渣成为飞灰 随汽流从烟道排出 1 煤粉的燃烧过程 1 煤粉的着火温度 使煤加热使之着火的最低温度 与煤粉受热后挥发分开始析出的温度有关 挥发分含量越高 其析出温度越低 易着火 1 2 煤粉汽流的着火及一 二次风 煤粉空气流的着火条件 足够高的温度 煤粉空气流的温度 一次风喷入炉膛后 与炉内高温烟气湍流混合而升温 受炉内高温火焰的热辐射加热而升温 a 着火所吸收的热量 按煤粉空气流的混合规律 一次风 二次风 炉内烟气三种不同温度的流体 在炉内混合后 某一点达到着火温度而着火 1 此时所吸收的热量 由热平衡关系 有Qzh 着火热 x1 x2 混合点上单位燃料的一 二次风质量 Tzh 煤粉气流着火温度 c1 c2 一 二次风的比热容 T1k T2k 一 二次风进入炉内的温度 1 b 高温