注汽锅炉基础理论的应用分析

注汽锅炉基础理论的应用分析,现河采油厂技术质量监督中心张乃峰2009年10月,主要内容,一、锅炉的分类二、热工基础理论三、液体燃烧基础理论四、影响安全运行的水质因素分析五、水处理基础理论,锅炉的分类,锅炉的定义,利用燃料（固体燃料、液体燃料和气体燃料）燃烧释放的化学能转换成热能，且向外输出热水或蒸汽的换热设备。,锅炉的组成,锅炉由“锅”和“炉”两大部分组成。“锅”是指汽水流动系统，包括锅筒、集箱、水冷壁以及对流受热面等，是换热设备的吸热部分；“炉”是指燃料燃烧空间及烟风流动系统，包括炉膛、对流烟道以及烟囱等，是换热设备的放热部分。,锅炉的分类,按用途分类,发电锅炉：是指用于火力发电的锅炉。火力发电机组由蒸汽锅炉、汽轮机、发电机三大动力设备构成。锅炉产生的高温、高压蒸汽经过汽轮机做功，使蒸汽的热能转换机械能，汽轮机带动发电机高速旋转发电，此时机械能转换成电能；工业锅炉：是指锅炉产生的高温热载体（蒸汽、高温水以及有机热载体）供工业生产过程中应用，如酿酒、造纸、纺织、木材、食品、化工等；生活锅炉：是指锅炉产生的热水、蒸汽供人们生活之用，如取暖、洗浴、消毒等。,按压力等级分类,锅炉的分类,低压锅炉：是指出口额定蒸汽压力不超过2.5MPa的锅炉；中压锅炉：是指出口额定蒸汽压力为3.05.0MPa的锅炉；高压锅炉：是指出口额定蒸汽压力为8.011.0MPa的锅炉；超高压锅炉：是指出口额定蒸汽压力为12.015.0MPa的锅炉；亚临界压力锅炉：是指出口额定蒸汽压力为16.020.0MPa的锅炉；超临界压力锅炉：是指出口额定蒸汽压力超过临界压力（22.1MPa）的锅炉。,锅炉的分类,按介质形态分类,蒸汽锅炉：是指输出热载体的形态是蒸汽的锅炉；热水锅炉：是指输出热载体的形态是热水的锅炉。,按介质循环方式分类,自然循环锅炉：在水循环回路中，介质流动的动力来自水与汽水混合物的密度差；强制循环锅炉：在水循环回路中介质流动的动力除水和汽水密度差外，主要依靠锅水循环泵的压头；直流锅炉：给水依靠给水泵压头在受热面一次通过产生蒸汽的锅炉，因此，直流锅炉也属于强制循环锅炉。,锅炉的分类,按结构形式分类,水管锅炉：是指火焰或烟气在受热面管外面流动加热，介质则在受热面管内流动吸热的锅炉；锅壳锅炉：受热面主要布置在锅壳内，且火焰或烟气则在受热面管内流动加热，而介质则在受热面管外吸热的锅炉。,按燃料类别分类,燃煤锅炉：以煤为燃料的锅炉；燃油锅炉：以石油产品如柴油、重油、渣油为燃料的锅炉；燃气锅炉：以气体燃料如天然气、城市煤气以及工业废气为燃料的锅炉。,锅炉的分类,按燃烧方式分类,层燃锅炉：是指燃料在炉排上进行燃烧的锅炉，包括固定炉排炉、链条炉排炉以及往复炉排炉等，其燃料主要是煤；室燃锅炉：燃料以气态形状在燃烧室内进行燃烧的锅炉。其燃料是气体燃料、液体燃料和煤粉；循环流化床锅炉：是指燃料在料床上方进行沸腾燃烧，在烟气出口将未燃尽的煤粒分离出来再送会回料床燃烧的锅炉。循环流化床锅炉燃料适应范围广，排放低，是燃烧劣质煤的较好炉型。,锅炉的分类,注汽锅炉,油田专用湿蒸汽发生器（注汽锅炉）是专为油田开采稠油而设计的直流式锅炉，由于其设计产生的蒸汽为湿蒸汽故被称为湿蒸汽发生器。按产地来说由美国休斯顿、丹尼尔湿蒸汽发生器，有日本川畸重工业株式会社制造的，而我国引进美国休斯敦技术生产，有上海四方锅炉厂和中国石油天然气总公司第八建设有限公司生产制造。按其压力等级分主要有17.2、18.2、21、26MPa；按其蒸发量分主要有7、9.2、11.2、15、18、23、30m3/h。注汽锅炉是卧式直流水管锅炉，它的辐射段和对流段为单路直管水平往复式排列结构，产生的饱和蒸汽为湿度大于20的湿蒸汽。设计为液（气）体燃料火室燃烧锅炉，炉膛烟气压力为微正压。它是利用燃料的热能，把一定量的水加热成为一定压力、温度和干度的湿饱和蒸汽的机械设备。注汽锅炉基本工作原理如同用炉子加热一壶水。它包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，这里为水汽系统的承压管子、管道及管件，炉是指燃烧燃料的场所，这里为炉膛，包括燃油与雾化系统、引燃与燃烧系统。通常将其结构概括为“三大段（辐射、对流、过渡）；三大系统（水汽、燃烧、自控）；若干小器（加热、分离、过滤等）；三大辅机（供水泵、燃烧器及空压机）。,热工基础理论,传热,热传导：热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。热传导是热传递三种基本方式之一。它是固体中热传递的主要方式，在不流动的液体或气体层中层层传递，在流动情况下往往与对流同时发生。热传导实质是由大量物质的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在固体中，热传导的微观过程是：在温度高的部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大。在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相联系，所以在晶体内部就发生微粒的振动，动能由动能大的部分向动能小的部分传递。在固体中热的传导，就是能量的迁移。在金属物质中，因存在大量的自由电子，在不停地作无规则的热运动。自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。在液体中热传导表现为：液体分子在温度高的区域热运动比较强，由于液体分子之间存在着相互作用，热运动的能量将逐渐向周围层层传递，引起了热传导现象。由于热传导系数小，传导的较慢，它与固体相似，因而不同于气体；气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞，在气体内部发生能量迁移，从而形成宏观上的热量传递。各种物体都能够传热，但是不同物质的传热本领不同容易传热的物体叫做热的良导体，不容易传热的物体叫做热的不良导体。金属都是热的良导体。热传导基础公式：q=t其中：q热流密度W/m，换热系数W/moK，t为温差K。,热工基础理论,对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象。对流换热是指流体与固体表面的热量传输。对流换热是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。对流换热的特点：(1)导热与热对流同时存在的复杂热传递过程。(2)必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。流体流过固体壁面的换热热流量与壁面与主流之间的温差成正比，热流方向由高温指向低温。靠气体或液体的流动来传热的方式叫做对流。对流换热基础公式：q=ht其中：q热流密度W/m2，h换热系数W/m2oK，t为温差K。上式并不能真正解决对流换热问题，这是因为换热系数不是一个物性参数，而是与流动形态密切相关，在工程上应用的最多的通常是在相似准则的意义上得出的实验关联式。,传热,热工基础理论,传热,热辐射：物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。热辐射虽然也是热传递的一种方式，但它和热传导、对流不同。它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500摄氏度以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式，如太阳的热量就是以热辐射的形式，经过宇宙空间再传给地球的。高温物体直接向外发射热的现象叫做热辐射。热辐射基础公式：q=f（）其中：q热流密度W/m，黑度，为绝对温差。,热工基础理论,热力学状态及其基本状态参数,我们把工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。工质的状态常用一些宏观物理量来描述，这种用来描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参数。例如温度、压力等。状态参数的全部或一部分发生变化，即表明物质所处的状态发生了变化。物质的状态变化也必然由参数的变化标志出来。在研究热力过程时，采用温度、压力、比容（或重度）作为工质的基本参数。另外含有内能、焓、熵等参数。,温度温度是标志物体冷热的程度。若将冷热程度不同的两个物体相互接触，它们之间会发生热量交换。在不受外界影响的条件下，两个物体的冷热程度将同时发生变化，热物体逐渐变冷，冷物体逐渐变热，经过一定时间后，它们将达到相同的冷热程度而不再进行热量交换。所达到的这种状态称为热平衡，也称温度相同。我们称原来冷的物体为温度低，原来热的物体为温度高。我们把温度的标尺叫做温标。工程上常用的温标有摄氏温标和华摄温标。摄氏温标用于公制系统，它规定在标准大气压下纯水的冰点是0，汽点是100，而则是摄氏温度单位的符号。华氏温标用于英制系统，它规定在标准大气压下纯水的冰点是32，汽点是212，而则是华氏温度单位的符号。华氏温度和摄氏温度的换算关系为：t=9/5t+32,热工基础理论,热力学状态及其基本状态参数,国际单位制中采用热力学温标。热力学温度单位是开尔文，符号为开（K）。热力学温标的基准点采用水的三相点，即水的固相、液相、汽相平衡共存的状态点。把水的三相点温度作为单一基准点，并规定该点温度为273.16K。因此，热力学温度单位“开尔文”是水的三相点温度的1/273.16。1960年国际权度会议对摄氏温度给予新的定义，即t=T-273.15这样，重新规定的摄氏温标的全名是热力学摄氏温标。由上式可知，摄氏温标和热力学温标的温度间隔完全相同，只是零点的选择不同。摄氏温度0相当于热力学温度273.15K。由此可知，水的三相点温度就是摄氏0.01。,压力单位面积上所受到的垂直作用力称为压力（即压强）。分子运动学说把气体的压力看作是分子撞击容器内壁的结果。由于气体分子数名极多，撞击频繁，所以压力是标志大量分子在一段时间内撞击器壁的平均结果。压力的方向总是垂直于容器内壁的。液体除传递压力外，由于重力作用，产生静压力。静压力的大小与液体的垂直高度有关，在液体中如何一个微元体周围，沿着各方向的压力总是相等的。作为工质状态参数的压力应该是绝对压力。大气压力是地面上空气柱的重量造成的，它随各地的纬度、高度和气候条件而有些变化。因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。,热工基础理论,热力学状态及其基本状态参数,压力的测量一般用弹簧管压力计及测量微小压力的U形管压力计。因压力计本身处在大气压力作用下，因此所测得的压力是工质的真实压力与大气压力之差，叫做表压力pg。工质的真实压力或绝对压力p和大气压力pb、表压力pg的关系是：当绝对压力大于大气压力时，p=pg+pb当绝对压力小于大气压力时，p=pb-pvpv表示测得的差数，称为真空度，此时测量工质压力的仪表叫做真空计。压力的单位，决定于下式：p=F/S式中F为力，S为面积，p为压力。在国际单位制中压力单位采用牛/米2（N/m2），及1米2的面积上作用1牛顿的力，成为帕斯卡，符号为帕（Pa）。工程上因帕的单位太小，常采用兆帕（MPa）。1MPa=106Pa暂时与国际单位制压力单位并用的单位有：巴（bar）1bar=105Pa毫米汞柱（mmHg）1mmHg=133.3Pa=13.6kgf/m2毫米水柱（mmH2O）1mmH2O=9.8Pa=1kgf/m2标准大气压（atm），也称物理大气压，它是在纬度45海平面上常年平均气压，其数值为760mmHg。1atm=760mmHg=1.013105Pa=1.013bar工程大气压（at），即公斤力/厘米2（kgf/cm2）。根据上述一些换算关系可得1atm=1kgf/cm2=735.6mmHg=0.981bar1bar=1.021atm=750.1mmHg,热工基础理论,热力学状态及其基本状态参数,比容及密度单位质量物质所占的容积，称为比容。国际制中用米3/千克（m3/kg)作单位。如m千克物质，占有V米3容积，若比容以表示，则=V/m。反之，单位容积内物质的质量，称为密度。其单位为千克/米3（kg/m3），若用符号表示，则=m/V工程上常采用重度这一状态参数，它表示单位容积中物质的质量。重度单位在国际制中为牛/米3（N/m3），在工程单位制中为公斤/米3（kg/m3），符号常用表示。这样=G/V式中G表示重量，V表示容积。重度与密度的关系是=g，其中g为重力加速度。在工程单位制中，常把重力作为基本量，比容定义为单位重量的物质所占的容积，即=V/G，单位是m3/kg。显然，这时与互为倒数，即=1,热工基础理论,热力学状态及其基本状态参数,内能能量是物质运动的量度，运动有各种不同的形态，相应地就有各种不同的能量。力学中研究过物体的动能和位能，前者决定于物体宏观运动的速度，后者决定于物质在外力场中所处的位置。它们都是因为物体作机械运动而具有的能量，都是机械能。宏观静止的物体，其内部的分子、原子等微粒仍在不停地运动着，这种运动叫做热运动。物体因热运动而具有的能量叫做内热能。在热力学中把物体的内热能叫做内能，意味着它是储存于物体内部的能量。内能的单位，在国际制为焦耳（J）或千焦耳（kJ），在工程制中用千卡（kcal）。内能用符号U表示，1kg气体的内能用u表示，其单位在国际制中和工程制中分别为J/kg和kcal/kg。,热工基础理论,热力学状态及其基本状态参数,焓有关热工计算的公式中常出现U+pV，为了简化和简化计算，我们把它定义为焓，用符号H表示。规定：H=U+pV；对于1kg工质的焓称比焓，用h表示，即h=u+p。从式中可以看出焓的单位是焦（J）或焦/千克（J/kg）。从上式可以看出焓是一个状态参数。在任一平衡状态下，u、p和都有一定的值，因而焓h也有一定的值，而与达到这一状态的途径无关。u+p的合并出现并不是偶然的。u是1千克工质的内能，是储存于1千克工质内部的能量。p是1千克工质的推动功，即1千克工质移动时所传输的能量。当1千克工质通过一定的界面流入热力系统时，储存于它的内部的内能u当然随着也带进了系统，同时还把从后面获得的推动功p带进了系统，因此系统中因引进1千克工质而获得的总能量是内能与推动功之和（u+p），这正是焓的表示式。在热力设备中，工种总是不断地从一处流到另一处，随着工质的移动而转移的能量不等于内能而等于焓，故在热力工程的计算中焓比内能有更广泛的应用。,热工基础理论,水蒸汽热力特性,当液体放置于一个能够承受相当压力的容器时，随时有液体表面附近的动能较大的分子克服表面张力飞散到上面空间；同时，也有空间的蒸汽分子碰撞回到液面，凝成液体。前一种现象称为液体的汽化或蒸发，后一现象称为蒸汽的液化或凝结。液体和蒸汽处于动态平衡的状态称为饱和状态。液面上的蒸汽称为饱和蒸汽，液体称为饱和液体。此时汽、液的温度相同，称为饱和温度ts，蒸汽的压力称为饱和压力ps。饱和温度一定时，饱和压力也一定；反之，饱和压力一定时，饱和温度也一定。,热工基础理论,水蒸汽热力特性,设1千克的水从某一温度（如0.01）开始，在压力为1bar下加热到99.63时，水开始沸腾。此沸腾温度即为饱和温度。这时液体的比容略有增大。再加热，蒸汽不断产生和膨胀，最后水全部变为蒸汽，这时的温度仍为99.63，比容增大较快。再继续加热，则蒸汽温度升高，比容继续增大，成为过热蒸汽。改变压力p，相应有不同的饱和温度，可得类似上述的汽化过程。连接不同压力下的饱和水状态点，得曲线c-，称为饱和水线，或下界限线。连接干饱和蒸汽状态点，得曲线c-，称为饱和蒸汽线或上界限线。两曲线会合于临界点c，并将p-v图分为三个区域：下界限线左侧为未饱和水（或过冷水），上界限线右侧为过热蒸汽，而在两界限线之间则为水、汽共存的湿饱和蒸汽（简称湿蒸汽）。湿蒸汽的成分用干度x表示，即在1千克湿蒸汽中包含x千克饱和蒸汽，而余下的（1-x）千克则为饱和水。总之，水的加热汽化过程可以归纳为三个区：过冷水区、湿蒸汽区和过热蒸汽区；两条线：饱和水线和饱和蒸汽线；及五个状态：过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽。,当压力升到221.15bar时，ts=374.125,如图中c点所示。此时饱和水和饱和蒸汽已不再有分别，即在此压力下对水进行加热，温度达到ts时，水立刻全部汽化，再加热即为过热蒸汽，此点称为水的临界点，其压力称为称为临界压力pc,温度称为临界温度tc。,热工基础理论,水蒸汽热力特性,热工基础理论,水蒸汽热力特性,水蒸汽基本状态参数表,热工基础理论,系统的热效率,注汽锅炉,注汽管线,注汽井,Q1燃油放热值,Q3燃油及空气物理含热量,Q2供水、雾化蒸汽含热值,q1燃烧损失,q3烟气热损失,q2炉体热损失,Qc锅炉出口蒸汽热值,q4管线热损失,q5井筒热损失,Q注入地层热量,Qj井口蒸汽含热量,注汽系统热力模型图,注汽锅炉热效率（1）：1Qc/（Q1+Q2+Q3)(正平衡法）11-q1/（Q1+Q2+Q3)q2/（Q1+Q2+Q3)q3/（Q1+Q2+Q3)(反平衡法）注汽管线热效率（2）：2Qj/Qc(正平衡法）21-q4/Qc(反平衡法）注汽管线热效率（3）：3Q/Qj(正平衡法）21-q5/Qj(反平衡法）,热工基础理论,系统的热效率,整个注汽系统热效率():=Q/（Q1+Q2+Q3)(正平衡法）1-q1/（Q1+Q2+Q3)q2/（Q1+Q2+Q3)q3/（Q1+Q2+Q3)q4/（Q1+Q2+Q3)q5/（Q1+Q2+Q3)(反平衡法）由1Qc/（Q1+Q2+Q3)得：Qc=1（Q1+Q2+Q3)由2Qj/Qc得：Qj=2Qc=21（Q1+Q2+Q3)由3Q/Qj得：Q=3Qj=321（Q1+Q2+Q3)则=Q/（Q1+Q2+Q3)=321（Q1+Q2+Q3)/（Q1+Q2+Q3)=321由上式可见，由几个子系统串联组成的系统，其系统的热效率是诸子系统热效率的乘积。因此可以写成由几个子系统串联组成的系统热效率公式：=12n,液体燃烧基础理论,常用的液体燃料主要是石油产品，即：汽油、柴油、煤油和重油等，还有人造液体燃料。石油及其产品是由碳氢化合物和少量的硫化物、氧化物、氮化物、水分以及矿物杂质等组成，可采用元素成分C、H、N、O、S以及A、W的质量百分数来表示。由于液体燃料中水分及灰分含量极少，因此，液体燃料成分的表示方法较固体燃料简单的多。石油及其产品是各种碳氢化合物的复杂混合物。所以，它们的物理、化学性质就是各种碳氢化合物物理化学性质的平均值。因而，物理化学性质相同的石油产品，它们的化学组成不一定是相同的。反应液体燃料的理化性质有如下指标：粘度油的粘度大小表现在油的输送和雾化的难易程度。粘度越大，流动性能越差，雾化颗粒也越粗。工业上常用恩氏粘度E表示油的粘度。它是指油在给定温度t下，从恩氏粘度计流出20010-3油所需时间与水在20下流出相同体积所需的时间的比值，称为该种油在温度t时的恩氏粘度Et。油的粘度与温度有关。温度升高，粘度降低。图表示重油粘度与温度的关系，说明温度对粘度的影响较强烈；在50120之间，则影响相对地较小。,液体燃烧基础理论,图、温度与重油粘度的关系120号重油；260号重油；3100号重油；4200号重油,油的粘度还与油的品种有关。随着油的沸点升高以及高分子碳的增多，油的粘度也相应提高。所以，油的粘度随下列油品种的顺序依次递减：汽油、煤油、柴油及重油。根据粘度大小划分重油牌号。例如200号重油，表示在50度时的重油恩氏粘度为200E。为了保证油在装卸、运输时有良好的流动性能，需要将重油预热到3060，相应粘度为80-30E。为了使重油获得良好的雾化条件，一般要求雾化前粘度在5E以下，因此在雾化前必须将重油预热到80110，或者更高一些。,液体燃烧基础理论,闪点、燃点与凝固点将油置于开口杯内，缓慢加热，油表面产生蒸汽-空气混合物，如果用明火接触，最早出现蓝色火焰时的最低油温，称为闪点（开口杯法）。闪点表示油的易燃程度，对油的储存和运输的安全性有很大意义。闪点越高，着火危险性就越小。燃油的闪点与其组成有密切关系。轻质成分多的油，闪点就低。为安全起见，在敞口储油容器中，加热温度一般应低于闪点10以上；在密闭压力容器和管道中则无此限。所谓燃点，是指油在开口杯内，加热到能用明火点着，并且燃烧时间不小于5秒钟的最低温度。显然，燃点较闪点高，一般要高出1030，或者更高些。凝固点是这样测定的：在试管中放置油的样品，将它冷却到一定温度时，将试管倾斜45，经一分钟，试样液面不发生位移时的最高温度。凝固点是液体燃料运输和储存的重要指标。显然，凝固点越高，流动性就越差。油的凝固点与油的组成有关。一般说重质油的凝固点较高，轻质油的较低。例如重油凝固点一般为1536，柴油则在-3620范围内。,液体燃烧基础理论,发热量液体燃料的发热量可用氧弹测热器实测或根据元素分析用门捷列夫公式计算。石油及其产品的发热量很大，但变化不大，一般在4000042000kj/kg范围内。以低发热量等于41820kj/kg的液体燃料称为1kg标准油。机械杂质和残炭机械杂质含量是指一定量油量用有机溶剂溶解后，不溶的残留物（经烘干）与油样质量的相对百分数。它表示油质的好坏，一般轻质油如汽油和轻柴油，机械杂质极少；重柴油机械杂质不大于0.10.5%；重油不大于1.52.5%。残炭是指油在隔绝空气的条件下加热，蒸发出油蒸汽后剩下的固体炭，其大小以残炭率表示（质量百分数)。残炭率高，可以提高火焰黑度，增强火焰辐射能力。但是残炭率高，在燃烧时易析出大量固体炭粒而难以完全燃烧，此外，还容易在喷嘴出口处及喷嘴输油导管内产生积炭、结焦。影响正常燃烧过程。重柴油残炭率不大于0.51.5%；重油的残炭率较高，一般在10%左右。掺混性因为油的性质与原油及其加工方法有关，所以不同来源的油，其化学稳定性也往往不同。如果将不同来源的重油进行掺混，则有时会出现有沥青、含蜡物质等固体沉淀物或胶状半凝固体，这样就会造成输送管道的堵塞和停产等严重事故。实践表明，用、直馏重油配制成的燃料油，其化学性质比较稳定，掺混性好，因而可把不同牌号的重油混合使用；而对于裂解重油，在混合使用前应先做掺混性试验，其方法是按预定比例配成油料，然后再315温度下加热20小时，观察有无固体凝块附着在管壁上。,乳化燃料的物理和化学性质在液体燃料中掺加水分，经混合搅拌均匀后成为油包水的乳化体，称为乳化燃料或乳化油。为使乳化燃料长期储存而不产生分离，需要加入添加剂。乳化燃料燃烧是一种新型的燃烧技术。乳化油密度和粘度比纯油的大。由于乳化油的饱和蒸汽压等于油和水的饱和分压之和，因此乳化油的沸点低于其各纯组分的沸点，即乳化油的闪点高于纯油，因此乳化油的防爆性能比纯油好。由氧弹量热计测定发现，掺水率为10%的乳化油，在充氧30kg/cm2压力的氧弹内不着火，而一般油即使含水分达20%，也能着火。,液体燃烧基础理论,液体燃料的雾化液体燃料燃烧方式通常有蒸发燃烧和雾化燃烧两种。对容易蒸发的液体燃料，如汽油，在燃烧前先气化，与空气混合后着火燃烧，这种燃烧接近均相燃烧。对难于蒸发的液体燃料，如重油，一般采用雾化燃烧，在燃烧室中边雾化、边蒸发、边着火燃烧，这种燃烧属于非均相燃烧。液体燃烧雾化燃烧过程经历雾化、蒸发、混合、着火和燃烧等几个阶段。工程上常见的雾化方法有以下三种，即：正压式、气动式和旋转式。压力式又称机械式，它利用油压从喷嘴喷出。油压一般1.471.96MPa，甚至更高。有直流式和离心式两种。气动式又称介质式。它利用空气或蒸汽作雾化介质，将喷出的油流雾化。有高压（0.2941.177MPa蒸汽或0.290.686MPa压缩空气作雾化介质）和低压（用300-1000mmH2O柱的空气作雾化介质）两种类型。旋转式又称转杯式。它利用转杯旋转产生的离心力将油雾化。转变速度一般为30006000rpm。液体燃料雾化还有其它方法，如对冲式、振动式等。液体燃料雾化质量的好坏对燃烧性能有很大影响，一般有喷雾锥角、喷雾射程、燃料的分布特性、雾化颗粒细度、雾化颗粒的均匀度、雾化颗粒尺寸分布特性六项质量指标。,液体燃烧基础理论,液体燃烧基础理论,喷嘴喷嘴又称喷雾器或雾化器，其作用是使液体燃料破裂成一定细度及一定均匀度的液滴，并按所要求的喷雾锥角及燃料分布特性送入炉内。机械式喷嘴机械式喷嘴利用液体燃料的压力达到雾化的目的，故又称压力式喷嘴。气动式喷嘴利用空气或蒸汽作为雾化介质，将其压力能转化为高速气流，使油流喷散成雾化炬。这种喷嘴可按介质压力的不同分为两种：低压喷嘴（以空气作雾化介质，空气压力为3001200mmH2O柱）和高压喷嘴（一般用0.30.7MPa压缩空气或0.31.2MPa蒸汽作雾化介质）。,液体燃烧基础理论,旋转式喷嘴旋转式喷嘴把油供给旋转体，借助于离心力以及周围的空气动力使油雾化。大体分为旋转体型和旋转喷口型两种。旋转体型喷嘴使油在旋转体表面形成油膜，进而雾化成细滴。旋转喷口型喷嘴在旋转体上开设数个喷口，油从喷口中呈射流状喷出。工程上，旋转体型喷嘴使用广泛。旋转体型喷嘴，按旋转体的形状可分为转板型和转杯型两大类。旋转式喷嘴的优点：结构比较简单，如小于250kg/h的喷嘴不需要安装风机和风管系统，不需要高压油源；有良好的雾化特性，平均粒度较细，一般为4550m，均匀度好；流量密度分配均匀，喷雾锥角大，为60-80；火焰短而粗，火焰是旋转的，有利于炉内传热；对燃料适应性好，对不同类型炉子的适应性也较好；出油管油孔较大，不易堵塞；油的调节比值较大，一般为4-5。缺点是噪音和振动大。,影响安全运行的水质因素分析,炉管点腐蚀是炉管腐蚀的主要形式，按照点蚀形成和发展条件及机理，对照水中水质指标，溶解氧、氯离子、PH值、碳酸根及碳酸氢根则是应首先探讨的因素。,溶解氧,图：温度对含溶解氧水中，铁腐蚀的影响,水溶解氧含量在0.01-1mg/l。实验室和现场试片及管件试验结果，特别是对锈蚀物的成分分析表明，铁的氧化物仍是主要成分。资料表明，在密闭湿蒸汽系统中，在低溶解氧含量（2mg/l）的蒸馏水，软钢的腐蚀速率同含氧量和温度成正比。在模拟湿蒸汽条件下，在高压反应釜分别做得溶解氧含量0.001、0.01和1mg/l三点对应的腐蚀速度随含氧量的增加而增大。因而，氧的高温腐蚀仍是影响炉管腐蚀的重要因素。,影响安全运行的水质因素分析,图：氯化钠的浓度对室温下除去空气的溶液中铁的腐蚀的影响,氯离子,按照氧化膜理论，溶液中有氯离子存在时，则形成-Fe2O3H2O，电位朝负向移动，炉管膜的保护性降低，渗透性增加，且氯离子直径较小，较其它离子更容易透过氧化膜而进入钢体。根据吸附理论，氯离子、溶解氧或OH-竞争着吸附到钢铁表面，一旦氯离子达到金属表面，有利于金属离子的水化，使铁离子进入溶液变得更加容易，即吸附氯离子后增加了钢铁阳极溶解反应的交换电流密度。以致于在高含氯离子的溶液中，铁很不容易钝化。此时不论是在活化电位或是钝化电位，金属都以很高的速度溶解。因钝化膜在结构上和厚度上的差异及膜表面沉积物的存在，膜下钢本体杂质与组织等的差异，以及所接触的汽水所含成分的不同，导致了氯离子对钝化膜的破坏常常发生在局部而不是整体，使金属表面上存在无数电极电位有差异的部分。形成了钝化活化电池，导致点蚀性的产生和发展。,影响安全运行的水质因素分析,图：室温下，PH对铁在含空气的软水中腐蚀的影响,PH值,PH低于4时，钢处于活化状态，腐蚀剧烈。PH约在8-12时，钢的表面基本处于钝化状态，当PH值大于12后，钝化被破坏，腐蚀量变大。因而通常高温蒸汽系统对PH值均有严格的限制，一些用淡水作为制汽水质的环境，通常对入口水和锅水均有严格限定，一般锅水不大于11。PH12时对碳钢和合金钢腐蚀率增大，对油井注汽管柱（隔热油管）及套管易导致碱脆断裂；热采蒸汽对地层的溶蚀能力随PH值的增大而加大。当PH值大于11时其溶解二氧化硅的能力急剧增加，油藏中二氧化硅大量溶蚀并不断在蒸汽波及前缘堆积，以胶状沉淀析出而堵塞油层，致使油层渗透能力下降，地层岩石骨架破坏，造成油井出沙和供液困难。,影响安全运行的水质因素分析,碳酸根和碳酸氢根,在高干度蒸汽条件下，除了液相中氢氧根离子的浓缩导致PH值升高外，溶入水中的金属离子通过水解作用也会改变溶液的PH值，碳酸根和碳酸氢根在高温下产生如下分解：2HCO3-CO32-+CO2+H2OCO32-+H2O2OH-+CO2形成大量的氢氧根离子，是炉水碱度急剧升高的主要原因。当水中存在二氧化碳气体时，能使水溶液中的氢离子浓度增加，氢离子是阴极的去极化剂，故腐蚀加剧。当水中同时存在氧和二氧化碳气体时，则在阴极上同时存在着氧和氢离子作为去极化剂，因而更加剧了对铁的腐蚀。当氧和二氧化碳气体同时存在时，二氧化碳还可以起触媒作用，能使炉水中的氢氧化亚铁转变成不溶于水的氢氧化铁沉淀。游离出来的二氧化碳又重新与氢氧化亚铁起作用，使上述反应成为循环过程，直至氧耗尽为止。因此，当给水中存在氧时，只要有少量的二氧化碳便可大大增加铁的腐蚀。二氧化碳气体的腐蚀一般呈均匀腐蚀形态，形成的铁锈非常粗松，很容易被水冲走，不能形成保护膜，故而会使腐蚀过程连续不断地进行下去。,钢在中性或碱性水及湿蒸汽中最普通的电化学反应过程为：阳极：Fe=Fe2+2e-二价铁进一步氧化：Fe2+=Fe3+e-在含氧量充裕的条件下，磁性四氧化三铁会附着在金属（阳极）的表面，其溶解度很低，从而阻止进一步的氧化。但在低含氧、高氯离子含量的高温条件下，在氧供应条件不足处的钢管内壁的缺陷处，氢氧化亚铁没能被继续氧化，而是从阳极处向介质中扩散并在高温水中有一定的溶解度，在某些位置再与氧结合形成无保护作用的四氧化三铁：6Fe（OH）2+O2=2Fe3O4+6H2O，则铁在阳极（即蚀坑处）的溶解能够持续地进行，从而造成点腐蚀。例碳钢表面上不完整的氧化皮或暴露在表面的硫化物夹杂，都会使碳钢在含氧的水中产生点蚀。硫化物相对碳钢基体为阴极，点蚀自硫化物/钢交界处起源，向钢基一侧发展。腐蚀产物呈半球形壳膜盖在蚀孔上，组织溶液中的溶解氧向孔底扩散，构成闭塞电池腐蚀。起源于硫化物夹杂的碳钢点蚀的机理如图所示。,影响安全运行的水质因素分析,点蚀机理分析,影响安全运行的水质因素分析,点蚀机理分析,图：起源于硫化物夹杂的碳钢点蚀机理示意图,影响安全运行的水质因素分析,水中溶解物的结垢,通常意义的垢是指在因水中含有可溶性Ca2+、Mg2+以及溶解CO2形成的碳酸盐（CaCO3、MgCO3）沉积结晶在器壁上形成“垢”，其结晶程度越好、越致密垢就越硬。“垢”也可以是其它类型的难溶盐，包括硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等，除Ca2+、Mg2+外，其它阳离子如Fe3+、Ba2+、Al3+等也是成垢的因素。,二氧化硅是一种很难溶解的物质，其溶解度随温度的升高而降低。当达到一定的温度后随干度的升高溶解液相溶液比例的减少，二氧化硅在接近饱和溶解度条件下将沉淀在炉壁内，同时二氧化硅还易与其它物质在高温下反应结合在一起，形成不宜溶解且极其坚硬的物质（如：钠辉石、方沸石、针钠钙石等）。这些物质的导热系数在1.1kcal/m2h（炉管钢材的导热系数在39kcal/m2h.），比炉管钢材的导热性能下降了35倍。将造成严重的传热危机，以致造成局部过热，在高压下达到管材屈服极限，将造成严重的爆管事故。,总溶解固体指水中全部溶质的总量，包括了无机物和有机物两者的含量。在无机物中，除开溶解成离子状的成分外，还可能呈分子状的无机物。一般情况下，海水的总溶解固体量为6000-50000mg/l，淡水的总溶解固体量小于1000mg/l。在注汽系统中当蒸汽干度为70%时，溶解固体将浓缩在30%的液相水中，总溶解固体量已达到7000mg/l以上。软化水中的主要阳离子为Na+和K+离子，阴离子主要为氯离子、氢氧根离子和碳酸根离子。氯化钠的溶解度随温度的升高而升高；碳酸钠的溶解度随温度的升高而升高，但到达一定数值时，其溶解度又随温度的升高而降低（临近点在180左右）。因此在炉管的内壁有时有溶解固性物析出。在注汽系统中漏汽点处将形成主要成分为盐的物体析出，形成盐垢。,影响安全运行的水质因素分析,水中溶解物的结垢,钙镁垢：在0时，每升水可以溶解2620mgCa(HCO3)2(即2.62g），在100时，Ca(HCO3)2就分解为CaCO3、水及CO2，并且每升水中只能溶解13mgCaCO3，所以把水烧开后（100），每升热水中Ca(HCO3)2所分解出的CaCO3，除13mg外，都变成沉淀物留在开水壶里了。水里常见的另一个假想化合物Mg(HCO3)2，在0时，它的溶解度虽然很高，但受热分解出MgCO3的溶解度则低得多。MgCO3受热进一步分解为Mg(OH)2后，溶解度只有5mg/l左右，因此，Mg(HCO3)2的成分也基本变成沉淀物了。软化的目的就是去处水中的钙镁离子，若出现漏硬，后果不堪设想。,水处理基础理论,水的软化,水中的Ca2+和Mg2+离子构成水的硬度，去除部分硬度，甚至把硬度全部去除的方法，称为水的软化。软化后的水质变化有3种情况：第一，随着水中Ca2+和Mg2+含量的降低，HCO3-的含量也随之降低，因此水里的含盐量也降低了。第二，Ca2+和Mg2+的含量降低了，换成了等当量的Na+，但HCO3-、SO42-、和Cl-这些阴离子的含量没有变化。第三，Ca2+和Mg2+换成等当量的H+（NH4+），但阴离子没有变化，因此水里面就产生了和Ca2+、Mg2+等当量的酸（NH4+的情形则产生铵盐）。这三种情形都不违背“软化”的要求，所以都属于软化的结果。,软化的基本方法：加热可以起到去除水中碳酸盐硬度的作用，这是软化的一个可能方法。如果把所有的钙、镁盐类都转化成CaCO3和Mg(OH)2的沉淀而去除，这就是第二个软化方法，叫药剂软化法。离子交换法则是把水中的钙镁离子都转化为钠离子，其它的阴离子不变，使水中全变成碳酸氢钠、硫酸钠和氯化钠这些钠盐，由于它们的溶解度都很高，不会沉淀出来，也没有残余的钙镁离子所产生的沉积物，因此它比上面两个方法优越，这就是第三个软化方法。,水处理基础理论,水的软化,阳离子交换剂包括两类：无机质有天然还绿石加工成的还绿砂（与沸石同属氢化硅酸盐类）和人工合成的铝硅酸钠等；有机质有磺化煤和离子交换树脂。离子交换树脂广泛应用于水处理。离子交换树脂是反应性高分子的一种，是由交联结构的高分子骨架（称母体）愈能离解的交换离子两个基本部分所构成的不溶性高分子电解质。交换离子即离子交换剂的反离子。它不溶于酸或碱中，但却具有普通酸碱的性能，它的交换离子能与水中带有同种电荷的反离子进行置换反应，即阳离子交换树脂只能和水里的阳离子起交换作用，阴离子交换树脂只能和水里的阴离子起交换作用，而且这种反应是可逆的。常用的阳离子交换树脂是一些棕褐色的凝胶质小球，直径约0.3-1.2mm。这种树脂在干燥时收缩，侵入水中时膨胀，称为溶胀现象。离子交换树脂实际上是一个微观的立体网状结构，类似海绵的这种结构组成了无数的四通八达的孔隙，孔隙的尺寸平均为2-4nm。这种微观孔隙内含水，实际是树脂的一个组成部分。在网状结构的一定部位上有一个带负电荷的惰性离子，它同时又结合一个可以自由活动进行等当量交换的阳离子。苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂，其交换离子是由强酸基团-SO3H离解下来的，故称为强酸性树脂，其特点是每个基团中的氢离子或钠离子都能够在水中离解下来，因而交换反应就很迅速。当树脂中所结合的基团为弱酸基团时，这种阳离子树脂则称为弱酸的。弱酸基团中氢离子的离解比较困难，因而交换过程也就很缓慢。羟基COOH为弱酸树脂中常见的基团。,水处理基础理论,水的软化,离子交换树脂的性能：密度：离子交换树脂的密度（也称比重）有干、湿（指在交换器中含水的状态下）两种计算法，而对每一种密度又分为真密度和视密度两种，定义如下：湿真密度=1ml湿度脂本身重量（g）/湿树脂颗粒本身体积（ml）湿视密度=1ml湿树脂重量（g）/湿树脂堆积体积（ml）湿视密度常用来计算交换柱所需填湿树脂的重量，一般为0.60.85g/ml。含水率（溶胀）：树脂的含水率用树脂重量的百分数表示，树脂的溶胀和含水率是由结构活性基性质和数量决定的。树脂吸收水分扩散入交联网孔内后，交换活性基团即产生离解，并形成水合交换离子，从而使树脂交联网孔扩大。这种树脂中溶液中的活性离子与外围水溶液之间，由于浓度差别，产生渗透压差，渗透压力被交换体骨架网络弹性强度抵消而达到平衡，表现出溶胀现象。强酸强碱树脂的溶胀率大小顺序为：H+Na+NH4+K+Ag+。pH值范围：强酸强碱树脂的活性基团电离能力强，其交换容量基本上与pH无关。交换容量：离子交换树脂的交换容量指在一定树脂数量中所含的全部可交换离子量，有重量容积Ew和容积容量Ev两种表方法。,水处理基础理论,水的软化,选择系数：离子交换剂的选择性指交换剂对某一反离子比另一反离子优先交换的性质。选择性概念的重要性可通过交换的具体过程来了解。在常温下的低浓度水溶液中（0.1meq/l以下）阳离子的价数越高，越优先交换；在同一价数中，离子水合半径越小（亦即原子序数越大），选择性越大。具体顺序为：Th4+Al3+Ca2+Na+Ag+Cs+Rb+K+NH4+Na+H+Ii+B2+Ca2+Cu2+Mg2+Mn2+离子交换等温线与分离系数：离子交换过程也是树脂中吸附另一种新离子的过程，与活性炭吸附过程类似。因此，对RAB+RBA+的反应，可用等温平衡条件下的水中离子B+的浓度对B+在树脂相中的浓度，绘成交换等温线。这种等温线资料，同样也可以按吸附公式进行处理，求出相应的公式常数来。交换等温线还可用来求离子交换的分离系数。,水处理基础理论,水的软化,图：离子交换步骤,产生RAB+RB+A+的反应过程，实际包括七个步骤，如图所示，具体步骤如下：水中的离子B+向树脂表面迁移；离子B+扩散通过树脂表面厚度为1的水膜；B+进一步通过交联网向内部扩散到边交换部位；在交换位置上B+和A+发生交换反应；A+从树脂内部扩散运动到树脂表面；A+扩散穿过树脂表面的水膜；A+从液膜表面扩散进入主体水溶液中。,离子交换软化都是用阳离子交换树脂进行的。离子交换装置的称为离子交换器，用钠型树脂的则称为钠离子交换器。由软化水硬度对软化器运行时间所绘成的曲线同样也具有泄漏曲线的性质。根据原水水质特点和对软化水质的不同要求，可采用不同的软化方法，其反应方程如下。钠离子交换法是最常用的软化法，反应如下：2RNa+CaMg(HCO3)2R2CaMg+2NaHCO32RNa+CaMgSO4R2CaMg+Na2SO42RNa+CaMgCl2R2CaMg+2NaCl由于把水里的钙、镁的盐类转化成钠盐，而钠盐的溶解度很大，并在温度上升时，还要增加，不会沉淀出来，这就达到了软化的目的。用钠型树脂软化的结果有两个特点：水里每一个钙离子或镁离子都换成两个钠离子（即40mg的钙离子或24mg的镁离子则换成46mg的钠离子），软化后除了残余的钙离子和镁离子外，水里的阳离子全是钠离子，所以阳离子的总重量会有变化；由于阴离子成份不发生变化，软化后水里的碱度不会发生变化。钠型树脂经软化交换后就变成钙型和镁型，须用8-10%浓度的氯化钠水溶液再生，使之恢复成钠型后继续使用。R2CaMg+2NaCl2RNa+CaMgCl2,水处理基础理论,水的软化,水处理基础理论,水的软化,离子交换树脂的工作交换容量交换器里的树脂层，每米3树脂的实际交换能力称为树脂的工作交换容量，它的数值约为树脂总交换容量的6070%。影响钠离子交换树脂工作交换容量的因素有再生剂用量、交换停留时间、泄漏浓度和原水中Na+含量等四个；可按下列四种情况来说明。A、增加再生剂用量，可提高树脂的工作交换容量。若缩小再生液中Ca2+Na+2的比值，工作交换容量可以提高。B、当再生剂用量固定时，加长原水在树脂层中的停留时间，即降低软化时的过滤速度，可以提高工作交换容量。C、在同样的再生剂用量下，对于允许Ca2+泄漏量较大的软化处理（即软化水质允许较差），工作交换容量可以提高一些。D、在同样的再生剂用量及原水含盐量大致相同的情况下，对于Na+含量较高的原水，树脂的工作交换容量要小一些。,水处理基础理论,水的软化,常用的离子交换设备为离子交换器。用于软化的交换器称为离子交换软化器。交换器可根据运行方式的不同，分成下列各种类型，其中顺流再生固定床即常称为离子交换器的设备。顺流再生固定床固定床逆流再生固定床离子交换器浮床连续移动床交换床流动床,离