[工学]吉林大学热能与动力工程第4章 锅炉

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=5076mm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=3050mm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=2538mm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：2070%； 热值：32860kJ/kg（完全）；9270 kJ/kg； H：存在形式碳氢化合物； 热值：120370 kJ/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:2100032500kJ/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=2045%； ；灰分不定； 发热量：2000030000kJ/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=1020%； 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：1000020000kJ/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100m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23s； 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) 高温炉烟的供着火用热量Qy：对某一混合点 x3 ：相对1kg燃料的高温烟气的质量； c3：炉烟的比热容； T3：炉烟温度; A=0.110.43。,1,c) 实现稳定着火的充要条件：由热平衡原理 为此，从组织燃烧角度，应尽量减小着火热。措施：着火前尽可能减小二次风的混入; 即减小x2； 所以，需合理设计一、二次风喷口的结构，风率及风速。,1,3煤粉的燃尽保证煤粉完全燃烧的条件： 煤粉在高温炉膛内停留时间足够长; 即, 火焰有足够长度。煤粉汽流一般在炉膛0.30.5m处开始着火； 12m处大部分挥发分析出燃尽； 焦碳粒在1020m处才完全燃烧或接近完全。,第四节、锅炉受热面积,一、锅炉蒸发受热面的结构与布置锅炉蒸发受热面：工质的主要受热面是水冷壁。1）水冷壁：布置在炉膛中，吸收辐射热。水冷壁的布置：自然循环工业锅炉：炉膛水冷壁循环回路，由不受热的下降管和作为上升管的水冷壁构成；下降管：自上锅筒将炉水引入下集箱，分配给各水冷壁管。在水冷壁中吸热蒸发形成汽水混合物，沿水冷壁进入上锅筒。,锅炉结构:,高压电站锅炉：水冷壁由几个独立下降管和独立集箱的循环回路组成尽可能减小各水冷壁之间的热偏差。,下降管,集箱,水冷壁结构,有光管水冷壁、鳍片管膜式水冷壁、带销钉管水冷壁。光管水冷壁： 管径=5176mm， 管节距s与管外径d之比: s/d=22.5（火床炉）; 1.051.2（火室炉）。,1-管子 2-耐火材料 3-绝热材料 4-炉皮,鳍片管：鳍片管之间相互焊接组成膜式水冷壁。特点：改善炉膛密封性，减少漏风，采用微正压燃烧，取消引风机，提高锅炉效率； 炉腔不直接受火焰辐射；可不用耐火材料，减轻重量。缺点：工艺复杂； 相邻管温度不超50， 以免变形,3-绝热材料 4-炉皮5-扁钢,带销钉管水冷壁：销钉上敷有耐火填料，可减少水冷壁吸热，使该部位炉温升高，便于燃料迅速着火和稳定燃烧，并保持高温。,3-绝热材料 4-炉皮 5-扁钢7-耐火涂料 8-销钉 9-鉻矿砂材料,带销钉光管水冷壁,带销钉膜式水冷壁,2）凝渣管束：布置在炉膛出口的对流管束，其横向、纵向节距大，不易结渣；吸收烟气的热量。,3）锅炉对流蒸发受热面：由上下锅筒和许多管连接而成。管行列布置，横向/纵向节距=95100mm；管中水和汽混合物自然循环流动。,二、过热器和再热器,1过热器作用：将饱和蒸汽加热成一定温度的过热蒸汽，提高系统效率。根据过热器的布置位置：顶棚过热器立式过热器屏式过热器辐射式过热器卧式对流过热器,锅筒,过热器的分类,根据传热方式分为三种： 辐射式、对流、屏式1）辐射式过热器： 布置在炉膛的炉壁上，结构与水冷壁相似，自己形成循环水路。2）对流过热器：无缝钢管弯制的蛇形管。 根据烟气和蒸汽的相对流动方向分为： 顺流、逆流、双逆流、混合流四种。顺流式：壁温最低，传热最差；多用于高烟温区。逆流式：壁温最高，传热最好；多用于低温区。,过热器中过热蒸汽的质量流速： 中压锅炉： 高压锅炉： 过热器系统总阻力：过热蒸汽出口压力的10%。烟气的流速：一般取815m/s,3）屏式过热器 布置在炉膛上部，吸收炉膛的辐射和烟气的对流传热。 管径：3242mm，纵向节距 s2=(1.11.2)d；屏与屏之间的距离s1=600800mm；烟气的流速：取6m/s,结构主要影响：烟气的流动阻力 烟气与工质的传热效率,2、再热器,作用：将汽轮机高压缸的排汽锅炉中加热； 高温蒸汽汽轮机中压和低压缸中膨胀作功。一次过热蒸汽：高压过热器中加热的蒸汽；二次过热蒸汽：再热器中加热的蒸汽。压力为一次蒸汽的1/5，温度与一次蒸汽相近。再热器的结构：与对流过热器相似，由平行连接的蛇形管组成。,再热器的特点： 再热蒸汽压力低，密度小，换热系数仅为过热蒸汽的1/5；所以，对管壁的冷却能力差。再热器的总阻力：控制在再热器进口压力的10%以内，影响热力系统的经济性。再热蒸汽的质量流速：限制在250400kg/m2s,作用：利用锅炉尾部烟气加热给水降低排温。根据结构和材料分为：铸铁式和钢管式1铸铁式：由一系列水平铸铁肋片管构成，各管之间用铸铁弯头连接。承受压力：2.4MPa以下；省煤器中水速：不低于0.3m/s；烟速：810m/s；给水流动方向：由下向上。缺点：安全性差,三、省煤器,铸铁式结构：,旁通烟道,烟道挡板,给水管,安全阀,省煤器,送往锅炉,排烟,烟气,2. 钢管式省煤器,省煤器中的烟速： 89m/s省煤器阻力：高压和超高压 锅筒压力的5%；中压时 锅筒压力的8%,结构：由蛇形钢管和集箱构成，管子错列水平布置；外径2542mm；横向节距与管外径之比：2.03.0；纵向节距与管外径之比：1.52.0。,水速：非沸腾式不低于0.3m/s； 沸腾式：沸腾部分 1.0m/s。,四、空气预热器,作用：利用省煤器后排出烟气的热量加热燃烧用空气，改善燃料着火及燃烧，并降低排烟温度，提高锅炉效率。分类：按传热方式分为导热式和再生式1) 导热式：烟气通过中间壁面连续将热量传给空气结构：管式空气预热器 51mm1.5mm或40mm1.5mm的有缝钢管； 相邻管孔间隙：10mm以上， 上下管板厚：1525mm，中间管板厚：510mm；,横向节距与管外径之比：1.51.9；纵向节距与管外径之比：1.01.2；,烟气流速：1014m/s管子根数保证,空气流速：4.57.0m/s由各流程高度,2）再生式,受热面旋转式： 由转子和固定外壳组成:,按传动结构分：受热面旋转式和风罩旋转式。,固定外壳：转子流通截面分成烟气通道，和空气通道。,转子：许多扇形小块分成几个仓格内装波形板；14r/min；,第五节 换热器,作用：将热量从高温流体传给低温流体。一、分类按冷热流体接触方式分：间壁式，直接接触式，蓄热式,1直接接触式：循环水自塔顶喷淋而下冷空气自下而上直接接触将水的热量传给空气加热使用范围有限多数情况下，不允许冷热流体直接接触。不常能。,2间壁式： 热流体通过固体壁将热量传给冷流体。如，省煤器、过热器、空气预热器等。3蓄热式：利用固体材料的蓄热作用，先让热流体流过固体壁，使热量由热流体传给固体壁；然后冷流体流过固体壁，将固体壁的热量传给冷流体。 适用于流量大的气气换热场合。 如 空气预热器,二、间壁式换热器的形式及基本构造,分类方法：按作用分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器;按工作介质及其聚集状态换热器分为： 汽液、液液，气液，气气，汽气按工作流体的流动方向分为： 顺流、逆流、错流、混流 按流程数分为：单程和多程换热器按传热表面几何形状分为： 管壳式、盘管式、螺旋板式、板式、板翘式、翘片管式、热管式、针形、蜂窝形、混合式等。,分类方法之二、三,顺流,逆流,错流,逆错流,先顺后逆平行流,先逆后顺串联混流,单程管壳式,多程管壳式,分类方法之四,盘管式,螺旋板式,板式,板翘式,翘片式,（续）,热管式,针形,蜂窝形,组合形,管壳式结构形式,固定管板式,双套管式,U形管式,浮头式,三、换热器传热计算的基本公式,基本公式：传热方程和热平衡方程传热方程：热平衡方程： : 冷热流体间的传热量；K：传热系数；F：传热面积； t：冷热流体的平均温差；c2、c1: 冷热流体的热容量；: 换热器热效率=0.98。 ：冷热流体进、出口温度,换热效率：,热容量c=qmcv W/K qm：质量流量；cv ：定容比热,冷物体获得的热量,热物体释放的热量,冷热流体的温度变化:,与换热器的结构F和传热系数K有关。,即传热量,传热系数K：对管壳式：,1、2：热冷流体的换