锅炉原理-第1-3章

1、锅炉及锅炉房设备锅炉及锅炉房设备是暖通专业的一门主干专业课程。它使学生获得供热锅炉及锅炉房设备的基本理论知识，相应的设计及计算、运行管理能力以及一些基本热工测试技能的训练。为后继供热工程、制冷技术、空调技术等专业课程提供必要的供热热源及其设备的理论基础，也是为培养提高学生的分析和解决工程实际问题能力、创新能力打下基础。 主要教学参考书：冯俊凯等编著：锅炉原理及计算，科学出版社，1998同济大学等院校编著：锅炉习题实验及课程设计，中国建筑工业出版社，2000陈学俊等编著：锅炉原理（上、下册），机械工业出版社，1986奚士光等编锅炉及锅炉房设备第三版中国建筑工业出版社 北京 2000.6 徐通模、

2、金定安等编著：锅炉燃烧设备，西安交通大学出版社，1990陈立勋等编著：锅炉本体布置及计算，西安交通大学出版社，1990陈听寬等编工业锅炉机械工业出版社 北京 1998内容：锅炉及锅炉房设备的基本知识燃料及燃烧计算锅炉的热平衡 燃烧设备及燃烧原理 锅炉水循环及汽水分离 锅炉热力计算 锅炉设备的空气动力计算 锅炉受压元件强度计算 供热锅炉水处理 供热锅炉房布置及其系统的设计 第一章 锅炉及锅炉房设备的基本知识11 锅炉在国民经济中的重要性12 锅炉的基本结构及工作过程13 锅炉的基本特性14 锅炉分类及型号的表示方法15 锅炉发展概况11 锅炉在国民经济中的重要性 能源、化工、节能环保等方面 锅炉

3、是国民经济中重要的供汽、供热设备现代电力工业规模巨大，其中火力发电厂约占80%机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等工业生产工艺的供汽、供热设备。工业生产、民用建筑的采暖供热热源。工业锅炉容量小、蒸汽参数低，锅炉结构与电站锅炉相差很大。 供热锅炉及锅炉房设备所组成的供热系统的主要任务：锅炉的定义：是一种将燃料燃烧，将其中的化学能转化为热能，并通过传热将热量传递给水或其它工质，使得水或其它工质变成具有一定的压力、温度的蒸汽或热水的设备。问题、挑战与方向一次能源消耗殆尽；温室气体排放；粉尘、SO2、NOx、重金属、二恶英。进一步提高能源利用率，提高热效率；低污染、环保要求，减少有害气体、粉尘的排放，

4、降低运行噪音；提高自动化水平，降低运行人员劳动强度，提高安全性。12 锅炉的基本结构及工作过程 一、基本结构 1、锅炉本体：主要由汽锅、炉子和安全附件组成 (1) 汽锅：盛水及蒸汽的容器。包括汽包（锅筒）、下降管、水冷壁、过热器、省煤器等；(2) 炉子：提供燃料燃烧，同时放出大量热的设备。包括炉膛、烟道、空气预热器等；(3) 安全附件：主要由水位计、压力表、安全阀等组成。 链条炉 链条炉煤粉炉煤粉炉循环流化床(鲁奇Lurgi型)1、炉膛，2、旋风分离器3、过热器 4、外置式换热器5、煤仓6、返料装置 7、石灰石进料口8、灰冷却器 9、省煤器10、空气预热11、除尘器12、引风机 13、尾部烟道

5、14、汽包2、金属钢架及平台扶梯 SHL10型链条锅炉外观 二、锅炉的工作过程 1、燃料的燃烧过程 2、烟气向工质的放热过程 3、水的加热与汽化过程 三、锅炉各系统流程燃煤系统： 原煤仓燃烧器制粉系统煤闸门链条炉排给煤机炉膛煤粉炉链条炉沸腾炉磨煤机2、送风系统送风机高温级空气预热器热风道风室燃烧器炉膛低温级空气预热器布风板3、引风系统炉膛中与水冷壁换热后的高温烟气高温过热器低温过热器省煤器空气预热器除尘器烟囱凝渣管引风机原水凝结水泵化学水处理软水除盐水除氧器省煤器汽包下降管下降管集箱水冷壁管上集箱汽水连接管汽包汽水分离水再入下降管(循环)给水泵4、水系统饱和蒸汽运煤、除灰：控制系统：5、锅炉房

6、辅助设备锅炉是一台机器，更是一个有血有肉的有机体运动系统、神经系统、内分泌系统、循环系统、呼吸系统、消化系统、泌尿系统 13 锅炉的基本特性表征锅炉特性的基本参数一、锅炉容量（出力）1、蒸汽锅炉的蒸发量：蒸汽锅炉每小时所生产的蒸汽流量(t/h)。2、蒸汽锅炉的额定蒸发量：蒸汽锅炉在设计燃料、给水温度、额定蒸汽参数和保证一定锅炉热效率下的最大连续蒸发量(t/h)。最大蒸发量：蒸汽锅炉在实际运行工况下，最大允许连续蒸发量(t/h)。 热功率Q：(MW)对蒸汽锅炉：对热水锅炉：二、锅炉蒸汽参数锅炉出口处蒸汽额定压力和温度。1、工业锅炉：生产饱和蒸汽，参数只标锅炉出口的饱和蒸汽压力。2、动力锅炉：过热

7、器出口的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度。三、锅炉热效率1、锅炉热效率 （毛效率）：锅炉输出有效利用热量与输入锅炉总热量的百分比。2、锅炉净热效率 ：锅炉输出有效利用热量扣除锅炉自耗汽和自用电后与输入锅炉总热量的百分比。14 锅炉分类及型号的表示方法一、锅炉分类1、按燃料分类 燃煤、燃油、燃气2、按燃烧方式分类 层燃炉（链条炉）、室燃炉（煤粉炉、燃油炉）、沸腾炉（循环流化床） 3、按蒸汽参数分类低压锅炉P819烟 煤 2040褐 煤 405023 煤的燃烧特性一、发热量1、定义 高位发热量（Qgr )：单位质量的煤完全燃烧时所放出的热量，包括产生的水蒸汽汽化潜热的发热量。 低位发热量（Q net ）

8、：单位质量的煤完全燃烧时所放出的热量，不包括水蒸汽的汽化潜热后的发热量。2、各种基发热量间的换算(1)高位发热量基间换算就按基换算系数表换算；(2)低位发热量基间换算 a、低位发热量先化成同基的高位发热量； b、通过换算系数进行不同基高位发热量换算； c、再换回要求的低位发热量。3、发热量测定 一般用氧弹法测定，测出的为定容发热量。定容发热量减去硫酸和硝酸的溶于水的放热量，为定压发热量。锅炉计算一般用定压发热量。 4、发热量近似计算(1)根据元素分析计算发热量 a、门捷列夫公式 kJ/kg b、煤科院公式 5、标准煤的发热量 规定收到基低位发热量为7000kcal/kg(29308kJ/kg)

9、的煤为标准煤。6、折算水分、折算灰分、折算硫份在讨论杂质(水分、灰分)对锅炉工作的影响时,使用其折算值更合理在煤的应用基低位发热量中每4186.8kJ热量所对应的水分、灰分、硫份的量称为煤的折算水份、灰份、硫份。 二、挥发分 1、去水后的干燥煤样，隔绝空气加热，析出的气态物质。2、组成 碳氢化合物、氢、CO、H2S等可燃气体和少量 O2、CO2和N2组成； 特点 (1)煤的挥发分含量随煤化程度加深而减少，如褐煤40%,无烟煤8%； (2)煤的挥发分析出温度随煤化程度加深而升高，如依次为褐、烟、贫、无烟煤；作为煤的重要分类依据 (3)挥发分含量高，着火迅速，燃烧稳定； (4)煤中挥发分逸出后，如

10、与空气混合不良，在高温缺氧条件下 易化合成难以燃烧的高分子复合烃，产生碳黑，造成大量黑烟 (5)挥发分大小影响锅炉炉膛结构和运行方法； 挥发分是煤分类的主要依据煤 种Vr逸出温度（）着火温度（）褐 煤40130170250450烟 煤2040170320400500贫煤1020370390600700无烟煤700三、煤的焦(粘)结性 1、定义：焦炭煤在隔绝空气加热时，水分蒸发、挥发分析出后固体残余物质(固定碳和灰份的混合粘结物)。焦结性由于煤种不同，焦炭的物理性质、外观等各不相同焦结性状及程度2、分类：粗分三类，即强、弱、不焦(粘)结性。强焦(粘)结性煤：焦炭呈坚硬块状； 弱焦(粘)结性煤：焦

11、炭呈松散状； 不焦(粘)结性煤：焦炭呈粉末状。 3、煤的焦(粘)结性对层燃炉运行影响较大。强：焦块板结，孔隙减小，燃烧困难，阻力增大，通风不畅弱：呈现粉末状，易受热松散，漏煤、飞灰损失大，严重时造成火口。 四、灰的熔融性 1、定义：灰在加热时，由固态逐渐向液态的转化特性。 2、影响因素：不仅与SiO2+Al2O3的量有关，而且与SiO2/ Al2O3的值有关。 3、测定：角锥法测定。 三个特征温度DT、ST、FT 变形温度DT（Deformation Temperature）软化温度ST (Softening Temperature）液化温度FT (Fluid Temperature） 一般使

12、用ST作为表征灰的熔融性的温度。在锅炉设计时，为避免炉膛出口结渣，要求出口烟温应比ST低50100。 DT变形温度：测试角锥开始变园或弯曲时的温度1. ST软化温度：灰锥顶弯曲道平盘上或呈半球形时的温度 FT流动温度：灰锥熔融倒在平盘上，并开始流动时的温度 24 供热锅炉的燃料固体（煤）、液体（石油）和气体（天然气、煤气）煤和石油的形成过程。动植物残骸埋于地壳内，亿万年物理化学生物变化，高温高压，隔绝空气，发生菌解作用，形成腐植酸，固态物质成为泥煤，进一步经炭化， 煤按照煤化程度分为：褐煤：挥发份高达40%，易着火，水分高，灰分和外部杂质多，发热量低10-40%，易于着火和燃烧。灰分水分较少，

13、发热量高。但对劣质烟煤：高灰高水，发热量低。划分按照10-20%,与烟煤相比，难着火和燃烧，发热量介于无烟煤和一般烟煤之间。无烟煤: 俗称白煤，煤化程度最高，挥发份含量最少2030柴油5090重油80130闪点与饱和蒸气压有关，饱和蒸气压高的油，闪点低，发生火灾的可能也就越大。燃点当油面上的油气与空气的混合物遇明火能着火持续燃烧( 持续时间不少于5s)的最低油温。 重油的上闪点为80130，燃点比闪点高1030。 闪点是防止油发生火灾的一个重要指标，因此燃料油的预热温度必须低于闪点。对于敞口容器中的油温至少应比闪点低10，对于封闭的压力容器和管道内的油温则可不受此限。凝固点当温度降低到某一值时

14、，燃油变得很稠，重油在倾斜45的试管中，经过1min不发生流动变化的最低温度。油的凝固点与它的组成有关，一般重质油较高，轻质油较低，如重油凝固点为1536C，而柴油在3520C之间。贫、富油熄火极限可燃物（如燃油蒸气）与空气混合，只能在一定浓度范围内才能进行燃烧，超过这个浓度范围（太稀或太浓）就燃不起来。在这个浓度范围内，火焰一旦引发，就可以从点火源扩展出去，只要浓度合适，可以无限地传播下去。通常定义一个富燃极限一个贫燃极限（亦叫富油、贫油极限）。 20、60、100和200号重油四种牌号气体燃料：1气体燃料的种类2气体燃料的主要成分1）天然气 甲烷约占8098%，其次是烷属重碳氧化合物和H2

15、S，还含有少量N2、CO2、H2O和矿物杂质，发热量=3349037680kJ/Nm3。 天然气是一种优质燃料，也是优质的重要化工原料。 2）高炉煤气 是炼铁的副产品，产量大。可燃气体CO约占2030%，H2约占515%；惰性气体CO2约占515%，N2约占4555%，发热量=42006300 kJ/Nm3。使用前要净化 灰含量高达6080g/Nm3；通常作为工业炉或锅炉掺加燃料。 3）焦炉煤气 是冶金企业炼焦的副产品，H2占4661%，CH4=2130%，N2=78%，CO2=23% , 发热量=1630017200 kJ/Nm3。 在煤气发生炉中人工造气，煤在空气不足的条件下燃烧，气化生成

16、CO，CO和N2的体积百分含量与高炉煤气接近，H2约占10%，其发热量比高炉煤气高些发生炉煤气：在煤气发生炉中若用水蒸汽与炽热的煤反应，则可产生水煤气。 4）液化石油气3气体燃料的发热量 Wobbe指数相应于一定尺寸的气体燃料喷嘴所能通过的能量。对于一个给定的气体燃料系统，这个值只能在相对于设计值偏差5%范围内正常工作，否则要重新设计气体燃料系统。Wobbe = Q/特点：气体燃料是一种非常理想的燃料，具有许多优点：燃烧简便，容易完全燃烧；调节控制方便，易于实现自动控制；燃烧后无固体灰渣，清洁方便；对设备磨损小，可以长距离管道输送；容易净化，以减少环境污染；可以高温预热，提高燃烧温度，节约燃料

17、；只要避开爆炸范围，可任意调节热负荷，控制炉内气氛和压力。锅炉作业11、下雨前煤的收到基成分为：Car1=34.2，Har1=3.4，Sar1=0.5%，Oar1=5.7，Nar1=0.8，Aar1=46.8，Mar1=8.6，Qnet,v,ar1=14151kJ/kg。下雨后煤的收到基水分变动为Mar2=14.3。求雨后收到基其他成份的含量及收到基低位发热量。2、用氧弹测热计测得某烟煤的氧弹发热量为26578kJ/kg，且已知Mar=5.3，Mad=3.5%，Har=2.6%，Sar=1.8。试求其收到基低位发热量。已知煤的空干基（分析基）成分：Cad=68.6%, Had=3.66%, S

18、ad=4.84%, Oad=3.22%, Nad=0.83%, Aad=17.35%, Wad=1.5%, Vad=8.75%, 分析基发热量Qdwad=27528KJ/Kg, 收到基（应用基）水分War=2.67%,求煤的应用基其他成分、可燃基挥发份及应用基低位发热量。25 燃料燃烧的理论空气量及其燃烧产物一、理论空气量计算前提：可燃元素：C H S 按照完全燃烧化学反应方程式；所有气体视为理想气体。标准状态下1Kmol 的任何理想气体体积为22.4Nm3.空气是氧气和氮气的混合体，所占的比例为21：79；所有计算在收到基(应用基)下完成。计算的基本原理：燃料完全燃烧需要的总氧量减去燃料自身

19、所含氧量为外界供氧量，然后折算出理论空气量。1、燃料完全燃烧需要的理论空气量计算从完全燃烧所需的氧气量V0O2着手。共三部分：C,H,SC+O2=CO2 12kg C : 22.4Nm3 O2 =22.4 Nm3 CO2 1 : 1.866 : 1.866S+O2=SO2 32kg S : 22.4Nm3 O2 =22.4 Nm3 SO2 1 : 0.7 : 0.72H2+O2=2H2O 4kg H:22.4Nm3 O2=2*22.4 Nm3 H2O 1 : 5.55 : 11.1 1kg燃料中原有氧量为：Oy/100kg,折算成体积为22.4*Oy/(100*32)=0.7*Oy/100 总

20、理论空气量为： 在缺少燃料元素成份时，理论空气量可用下式近似计算：2、气体燃料完全燃烧需要的理论空气量计算 对气体燃料成份不用重量百分比，只用干燥的气体中各种成份的容积百分比来表示。二、实际空气量Vk的计算1、过量空气系数 及漏风系数（1） 过量空气系数 定义：实际供给的空气量Vk(Nm3/kg)与理论空气量Vk0(Nm3/kg)的比值。 即： 煤燃烧一般炉膛出口处 =1.151.35（2）漏风系数 定义：相对1kg燃料，漏入空气量V与理论空气量Vk0的比值。 即： 这是相对某个受热面来说的。三、烟气量计算1、固体燃料及液体燃料的燃烧后生成的烟气成分(1)1且完全燃烧，烟气成份： CO2SO2

21、H2O2 ；(2)1且完全燃烧，烟气成份： CO2SO2H2O2O2；(3) 1且不完全燃烧，烟气成份： CO2SO2H2O2 O2 CO ；(4) 1，烟气成份： CO2SO2H2O2CO 2、理论烟气量计算条件： 1且完全燃烧烟气成份： CO2SO2H2O2 (1)三原子气体体积：O2CO2+SO2； VO2VCO2+VSO2(2)理论烟气中水蒸汽（H2O）体积a、氢燃烧生成的水 2H2 + O 22 H2O b、燃料的水份 (ar): c、空气中的水份：空气中含水率d为：10g/kg；干空气密度为1.293kg/Nm3。 d、其他带水：水蒸气比容为=1.24Nm3/kg。 燃用重油且用蒸

22、汽雾化时带入炉内的水蒸气：1kg重油雾化所需蒸汽量为Gwhkg, 形成的水蒸气为1.24Gwh Nm3/kg理论水蒸气为上述四部分之和：(3)理论烟气中氮气体积 a、空气中的氮气 0.79 Vk0 b、燃料本身含氮(4)理论烟气量 理论干烟气体积3、实际烟气量计算条件： 1且完全燃烧烟气成份： CO2SO2H2O2 O2 燃烧在有过量的空气中进行，这部分空气不参与化学反应而全部进入烟气中，且还带入一部分水蒸汽。 也可： 实际干烟气 实际水蒸汽4、空气与烟气的焓(1)理论空气焓 定义：每kg固体（液体）燃料燃烧所需的理论空气量，在等压下从0加热到 时所需的热量。(2)理论烟气焓： 定义：每kg固

23、体（液体）燃料燃烧后所生成的理论烟气量，在等压下从0加热到 时所需的热量。 (3)实际烟气焓： a、烟气中过量空气焓： b、实际烟气焓： 四、烟气分析1、目的： 在锅炉运行时，通过烟气取样分析，计算出CO、 、 ，从而了解和掌握锅炉实际燃烧情况，便于制定合理的燃烧调整及燃烧设备的改进方案，从而提高燃烧效率和锅炉热效率。2、奥氏(Orsat)烟气分析仪烟气成份： 1,且不完全燃烧， CO2SO2H2O2O2、CO1）工作原理 选择吸收原理，次序不能颠倒。二氧化碳和二氧化硫苛性钾、苛性钠氧气 焦性没食子酸的碱溶液一氧化碳 氯化亚铜氨溶液2）分析结果 RO2+O2+ CO +N2100 % 得到的是

24、各干烟气的百分数。 其中：N2100(RO2+O2+ CO) %则：即：3、根据烟气分析结果推算烟气体积 1kg碳完全燃烧生成CO2的容积与不完全燃烧生成CO2和CO的容积之和相等。 完全燃烧：所以：则：书中公式4、根据烟气分析结果推算CO 计算思路:通过烟气分析得到的RO2、O2及元素分析的数据来表示CO的含量。1)根据 RO2+O2+CO +N2100，求出N2即可得CO；2)用元素分析及RO2、O2来表示N2 ；3)省略燃料中的氮（相对与空气中的氮很少），用实际空气中的氧来折算空气中的N2。4)计算出CO，同时也可得到无因次数 燃料特性系数 烟气中的氮气来源：1）燃料自身2）空气中的氮气

25、空气带来的氧气空气中的氮氧比例为79：21现在转而求燃烧所需实际空气量中的氧： 其消耗去向为1）生成RO2消耗：2）生成CO消耗：3）生成H2O消耗：4）过量氧：1）生成RO2消耗：C,S与O2生成RO2时，O2:RO2=1:12）生成CO消耗：C与O2生成CO时，O2:CO=1:23）生成H2O消耗： 需要进一步分析求解生成H2O消耗的氧气： 烟气中的水蒸气包括：1）燃料自身含水2）空气带入3）燃料中氢Har氧化生成的水由于燃料本身含有氧Oar，假定燃料本身含有氧Oar全部与燃料中氢结合生成水。则：被燃料本身含有氧Oar所消耗的氢为：剩余的需要外界供氧而反应的氢的量为：这部分氢称为自由氢，所

26、消耗的氧即为由于H2:O2=1kg:8kg燃烧所需实际空气量中的氧：燃烧所需实际空气量中的氮气：两边除以Vgy燃烧所需实际空气量中的氮气百分比：N2100(RO2+O2+ CO) %不完全燃烧方程式和燃料特性系数令：得到不完全燃烧方程式：最后得到烟气中一氧化碳的百分含量：烟气中RO2的百分含量：5、燃料特性系数 物理意义：燃料中自由氢与当量碳的比值。 自由氢Har燃料中除化合氢外，未 与氧化合的氢,可以游离出来与空气反应。 当量碳Kar将燃料中的硫折算成碳。 当完全燃烧时，可简化为： 只与燃料中可燃成份有关，且不随不同基变化由此，1) 1,且完全燃烧,CO=0,则2) 1,且完全燃烧,CO=0

27、,则6、根据烟气分析结果推算过量空气系数1）完全燃烧 a、用过量的 表示过量的空气b、实际空气量可用干烟气中氮来表示c、计算 对于完全燃烧，CO=0,而干烟气中含氮接近79（即N2=79），则可简化：2）不完全燃烧 因为生成CO，少消耗体积为0.5CO的氧。所以烟气分析中O2需减去0.5CO才是过量氧，则：第三章 锅炉热平衡31 锅炉热平衡及热效率32 固体未完全燃烧热损失33 气体未完全燃烧热损失34 排烟热损失35 锅炉外部冷却损失36 灰渣物理热损失 31锅炉热平衡及热效率一、锅炉热平衡方程式 1、 锅炉热量平衡方程（单位kg燃料）2、锅炉热量平衡方程百分数形式3、单位燃料kg的热量Qj

28、1)一般情况下 2)当燃料预热及考虑灰分中的碳酸盐分解要吸收热量二、锅炉有效吸热量三、锅炉热效率1、正平衡测热效率 通过计算输入锅炉总热量及有效利用热量测热效率 两次正平衡试验，热效率偏差应 两次反平衡试验，热效率偏差应 同时进行的正、反平衡试验，热效率偏差应2、反平衡测热效率 通过计算各项损失测热效率2、计算燃料消耗量Bj（为何而来？）四、锅炉燃料消耗量1、每小时消耗量B32 固体（机械）未完全燃烧热损失一、一般组成(仅次于排烟损失）二、影响因素1、燃料特性2、燃烧方式（固态排渣煤粉炉0.5-5%）3、炉子结构4、运行工况1、燃料特性 灰份含量高，焦结性，灰熔点，挥发份2、燃烧方式 固态排渣

29、煤粉炉0.55， 层燃炉7153、炉子结构 炉拱，二次风，炉排通风孔， 炉膛高低，4、运行工况 过量空气系数（燃尽率）， 锅炉负荷高低（流速大，吹走）三、Qgt计算1、取样测定：锅炉正常运行工况下，取样 ，分析其中含碳份额 2灰平衡方程 利用灰平衡，计算飞灰量（飞灰量难以测定） 灰平衡：进入炉内燃料的总灰量应等于灰渣、漏煤及飞灰之和。 式中： 分别为灰渣、飞灰及漏煤中灰量占燃料总灰量的份额，飞灰系数。 煤粉炉， 33 气体(化学)未完全燃烧热损失一、形成因素 燃料在锅炉燃烧过程中所生成的一部分可燃气体（如一氧化碳、烃、氢等气体）未完全燃烧造成的热量损失。二、影响因素1、燃料特性（挥发份）；2、燃烧过程组织（过量空气系数过大或过小，二次风气流组织）；3、炉子结构（炉膛大小，水冷壁多少）；4、运行工况（煤层厚薄，负荷大小）。 三、Qqt测定及计算1、测定 用烟气分析方法测出 （Nm3/kg燃料）2、计算公式式中： 由于实际运行中，烟气中H2、CH4的含量极少，可忽略不计，计算简化：公式中为何要乘