《能源动力装置基础》.ppt

1 第九章锅炉 第一节锅炉概述一 锅炉的构成及工作过程 一 锅炉的作用 锅炉是利用矿物燃料燃烧产生的热能或工业生产中的余热 将工质加热到一定温度和压力的换热设备 锅炉就是生产具有一定压力 温度的蒸汽的设备 电站锅炉 是火电厂三大主机之一 又称为蒸汽发生器 工业锅炉 产生的蒸汽 或热水 直接供给工业生产过程和人民生活所需要的热能 或通过蒸汽动力机械转换为机械能 2 火力发电厂能量转换的基本过程锅炉汽轮机发电机燃料的化学能蒸汽的热能转轴的机械能电能在锅炉内实现下叙过程燃烧热交换燃料的化学能烟气的热能蒸汽 或热水 的热能 3 4 二 电站煤粉锅炉机组组成 锅 炉 锅炉本体 辅助设备 锅炉机组 锅炉汽水系统由汽包 下降管 联箱 导管及各换热设备 水冷壁 过热器 再热器 省煤汽等 组成 完成由水变成蒸汽的吸热过程 锅炉燃烧系统由炉膛 燃烧器 烟道 炉墙构架等部件组成 完成煤的燃烧过程 由送风机 引风机 燃料供应及制粉 除灰 除渣 测量控制等组成 5 6 三 电站煤粉锅炉机组示意图 7 四 锅炉热交换受热面 水冷壁布置在炉膛内壁的蒸发受热面 主要吸收炉膛的辐射热 过热器主要布置在炉膛出口及水平烟道 大型锅炉还可布置在炉膛的上部和尾部烟道 吸收炉膛的辐射热和对流热将饱和蒸汽加热至具有一定 P t 的过热蒸汽 再热器主要布置在炉膛的水平烟道和尾部烟道 大型锅炉还可布置在炉膛上部的内壁 吸收对流热 对于后者还吸收炉膛的辐射热将汽机中作过功的蒸汽再加热 省煤器布置在锅炉尾部烟道 吸收烟气的对流热加热锅炉给水 空气预热器布置在锅炉尾部烟道或锅炉外 吸收烟气的对流热 用于加热燃料燃烧所需的空气 8 冷空气烟气烟气烟气烟囱引风机除尘器空气预热器细微灰粒飞灰 二次风 灰渣沟原煤排粉风机 一次风 烟气烟气给煤机磨煤机燃烧器炉膛水平烟道尾部烟道原煤风 粉风 粉未燃煤粒灰渣灰渣灰渣灰渣沟排渣装置冷灰斗未燃煤粒未燃煤粒 五 煤 风 烟系统及流程 9 汽机主凝结水水水汽水混合物给水泵省煤器汽包汽水分离器 化学补充水汽水混合物下降管下联箱水冷壁上联箱导汽管水水水汽水混合物汽水混合物 饱和蒸汽过热蒸汽过热器汽轮机 六 汽 水系统及流程 10 一 锅炉参数 额定蒸发量在额定蒸汽参数 额定给水温度和使用设计燃料 保证热效率时所规定的蒸发量 单位为t h 或kg s 最大连续蒸发量 对大型锅炉 在额定蒸汽参数 额定给水温度和使用设计燃料 长期连续运行时所能达到的最大蒸发量 单位为t h 或kg s 供热量 工业热水锅炉 单位为kW 或kcal h 蒸汽锅炉额定蒸汽参数在规定负荷范围内长期连续运行应能保证的出口蒸汽参数 包括额定蒸汽压力 对应规定的给水压力 单位是Mpa 额定蒸汽温度 对应额定蒸汽压力和额定给水温度 单位是0C 工业热水锅炉的额定参数锅炉出口热水的压力和温度 单位分别是MPa和0C 二 锅炉的特性 11 二 电站锅炉型号 例HG 670 13 72 M哈尔滨锅炉厂制造 额定蒸发量670t h 额定蒸汽压力13 7Mpa燃煤锅炉SG 1000 16 66 YM2上海锅炉厂制造 额定蒸发量1000t h 额定蒸汽压力16 66Mpa燃用烟煤锅炉 第二次设计 12 工业锅炉型号 例SHL20 2 45 400 A双锅筒横置式链条炉排 额定蒸发为20t h 蒸汽压力为2 45MPa 过热蒸汽温度为400C0 燃用烟煤 原型设计的蒸汽锅炉 13 三 锅炉类型 按用途分 电站锅炉 用于发电 参数高 容量大 工业锅炉 用于工业生产和供热 参数低 容量小 其中 又有蒸汽锅炉和热水锅炉 按锅炉参数分 低压 表压 2 4MPa 中压 表压2 9 4 9MPa 高压 表压7 84 10 8MPa 超高压 表压11 8 14 7MPa 亚临界压力 表压15 7 19 6MPa 超临界压力 超过临界压力22 1MPa 超超临界压力锅炉 14 按锅炉燃烧方式分 有层燃炉 室染炉 流化床炉 15 其中 层燃炉 煤块在炉排上燃烧 燃烧所需空气从炉排低下送入 炉排在旋转 室燃炉 燃料以粉状 雾状或气态随空气喷入炉膛 悬浮燃烧 而煤粉炉又分固态排渣煤粉炉和液态排渣煤粉炉 流化床炉 固体燃料在高速气流作用下 在布风板上的床料层上下翻滚 呈流化状态燃烧 另外还有旋风炉 燃料和空气在高温旋风筒内高速旋转 细小的燃料颗粒在其中悬浮燃烧 较大的颗粒被抛向筒壁液态渣膜上进行燃烧 16 按锅炉蒸发受热面中工质流动方式分 有自然循环汽包锅炉和强制循环汽包锅炉 1 自然循环汽包锅炉具有汽包 利用下降管和上升管 水冷壁 中工质密度差产生工质循环 循环倍率约为4 10 是亚临界压力以下锅炉的主要形式 循环倍率 上升管进口水量和上升管出口蒸汽量之比 17 2 强制循环汽包锅炉具有汽包和循环泵 利用循环回路中工质密度差和循环泵压头使工质循环 循环倍率约为3 5 只能在临界压力以下应用 18 直流锅炉无汽包 给水靠给水泵压头一次通过各受热面产生蒸汽 循环倍率约为1 可在高压以上任何压力下应用 另外 还有直流锅炉和低倍率循环锅炉 19 低倍率循环锅炉无汽包 具有汽水分离器和再循环泵 靠再循环泵实现工质再循环 循环倍率约为1 2 2 多用于亚临界压力 20 表9 1我国电站锅炉参数 容量系列 21 三 锅炉安全 经济性指标 一 锅炉运行安全性指标锅炉连续运行小时数锅炉在两次检修之间的运行小时数 5000h 2 锅炉可用率 总运行小时数 总备用小时数 统计期间总小时数 一年 约90 3 锅炉的事故率锅炉总事故停炉小时数 总运行小时数 事故停炉小时数 约1 22 二 锅炉运行经济性指标 锅炉热效率式中Q1 锅炉有效利用热Qr 锅炉在单位时间内所消耗燃料的输入热量 大容量电站锅炉大于90 工业锅炉约60 80 锅炉有害物质排放物锅炉燃烧产生的污染物主要有 烟雾 粉尘 温室气体 23 作业题与思考题 1 叙述电站燃煤锅炉的主要系统 主要部件的作用 2 叙述电站燃煤锅炉的工作过程 3 叙述锅炉运行的安全性指标和经济性指标 4 叙述锅炉的类型 24 第二节锅炉燃料及热平衡 燃料 核燃料 有机燃料 主要成分 碳 氢 硫 氧 氮 水份 灰份 固体燃料 液体燃料 气体燃料 天然木材 煤 油页岩 人工焦炭 煤砖 煤粉 天然石油 人工汽油 煤油 重油 渣油 酒精 天然天然气 人工高炉煤气 发生炉煤气 炼焦炉煤气 地下气化煤气 我国锅炉燃料以燃煤为主 而且主要是燃烧劣质煤 25 一 煤的组成成分 煤的成分分析一般有化学元素分析和工业分析法 煤的化学元素分析成分碳 C 氢 H 硫 S 氧 0 氮 N 煤的工业分析成分水分 M 灰分 A 挥发分 V 固定碳 FC 一 煤的成分及特性 26 二 煤的成分特性可燃元素C H S1 碳C元素 包括固定碳和挥发分 CH4 H2C2及CO等 中的C 在煤中含量最多 50 90 发热量为32700kj kg 碳化程度越深 固定碳含量越高 含碳量高 不易着火 2 氢H元素 以化合物状态存在 发热量高 达120000kj kg 碳化程度越深 氢的含量越少 氢易着火燃烧 在煤中含量为 1 6 3 硫S元素 包括可燃硫 Sr 和硫酸盐硫 Sly 可燃硫燃烧后生成有害物质 造成环境污染 导致尾部烟道腐蚀 堵灰 27 不可燃元素O N 杂质煤中的氧 O 含量在 1 40 碳化程度越深 氧的含量越少 氧能助燃 但会使煤中可燃元素含量减少 降低煤的发热量 煤中的氮 N 含量少 约 0 5 2 5 燃烧产生有害物质NOx 污染环境 氮的含量会使可燃元素含量减少 杂质 水份 M 内部水份和外部水份 煤中水的含量在 5 60 灰份 A 是矿物质燃烧生成物 煤中灰份的含量在 5 45 多的可达 60 70 影响燃烧 造成积灰 结渣 堵塞和磨损 挥发份 可燃气体 煤中的氢 氧 氮 硫与部分碳所组成的有机化合物加热后分解形成 碳化程度越浅的煤 挥发份含量越高 挥发份易着火燃烧 挥发份是煤的重要特性 28 三 煤的成分基准 1 收到基 ar 旧称应用基 y 以进入锅炉煤 包括煤的全部成分 为基准2 空气干燥基 ad 旧称分析基 f 以风干状态煤 除去外部水分 为基准 煤的成分分析一般用百分比表示 通常有以下四种基准 29 3 干燥基 d 旧称干燥基 g 以去掉全部水分煤为基准4 干燥无灰基 daf 旧称可燃基 r 以去掉全部水分及灰分煤为基准 在煤质分析中 常采用空气干燥基和干燥无灰基 在锅炉设计计算时 必需知道煤的收到基 不同基准之间的换算关系为 X K式中 按原基准计算的某成分的质量百分比 K 换算系数 表9 4 X 按新基准计算的某成分的质量百分比 30 31 四 煤的发热量 1 煤的发热量 kJ kg 单位质量的煤在完全燃烧时所释放的热量 高位发热量 包含燃烧产物中全部水蒸汽凝结时放出的汽化潜热 低位发热量 不考虑水份的汽化潜热的发热量 通常锅炉排烟温度一般为110 180 烟气中的水蒸汽不会凝结 所以在热力计算中是用低位发热量 2 高 低位发热量之间的关系为 二者之差别就是汽化潜热r 2510kJ kg标准煤 为了进行经济比较 规定以收到基低位发热量为29270kJ kg 7000kCal kg 的煤为标准煤 则各种煤的消耗量可以通过其收到基低位发热量折算成标准煤 32 五 煤的灰分特性及分类 煤的灰分特性 灰熔点 煤的灰分在熔融状态下会粘结在锅炉受热面上造成结渣 结焦 影响锅炉的安全性和经济性 这一特性与灰的成分及含量有关 煤的灰分特性可用灰的三个特征温度表示 灰的变形温度DT 旧称 灰的软化温度ST 旧称 灰的熔化温度FT 旧称 33 2 煤的分类按煤中挥发分含量高低依次可分为褐煤 烟煤 贫煤 无烟煤 挥发分低的煤 含碳量高 通常水分或灰分较低 挥发分高的燃料容易着火 燃烧与燃尽 含碳量高发热量高 固定碳不易着火 燃烧 水分 灰分高发热量低 炉膛温度下降 燃料着火 燃烧越困难 受热面腐蚀 堵灰 结渣及磨损加重 34 无烟煤 碳化程度高 含碳量高 发热量一般为25000 32500KJ kg 挥发分含量低 10 燃烧困难 不易着火 燃尽 烟煤 含碳量较高 发热量一般为20000 30000KJ kg 挥发分含量 10 45 容易着火 燃烧 而劣质烟煤中挥发分中等 但水分 灰分量高 发热量低 所以 着火 燃烧较困难 贫煤 碳化程度最高 挥发分含量低 10 20 性能接近无烟煤 褐煤 碳化程度最低 挥发分含量很高 可达37 易于着火 但水分 灰分量高 发热量低 一般小于16750KJ kg 二 液体燃料 略 35 三 煤的燃烧计算 煤的燃烧计算是进行锅炉设计的基础 通过燃烧计算以确定燃烧所需空气量 炉膛出口及烟道各处烟气的容积 焓值 以便进行锅炉热平衡计算 对流受热面的传热计算 煤的燃烧反应煤中可燃元素的燃烧反应是燃烧计算的基础 1kg收到基煤包括 36 如碳完全燃烧反应方程式C O2 CO212kgC 22 41Nm3O2 22 41Nm3CO2由上式可得1kgC和H S完全燃烧所需O及生成物方程式1kgC 1 866Nm O2 1 866Nm CO21kgH 5 56Nm O2 11 1Nm H2O1kgS 0 7Nm O2 0 7Nm SO2 37 一 燃烧所需空气量 1 理论空气量V0 Nm3 kg 1kg燃料完全燃烧时所需要的最小空气量 可通过燃料中可燃元素 C H S 的燃烧化学反应方程式求得 即则1kgC完全燃烧最少需要22 41 12 1 866的 并产生1 866的 1kgC 1 866Nm O2 1 866Nm CO2 38 而1kg收到基燃料包括有 100kg的碳 100kg的氢 100kg的硫和 100kg的氧气 故1kg收到基燃料燃烧所需要的理论空气量等于各可燃元素完全燃烧所需空气量之和再减去燃料本身的含氧量 而空气中含氧量的容积百分数21 则理论空气量为 2 实际空气量V 由于空气和燃料不可能完全混合 为了使煤燃尽 实际送入炉膛的空气量应大于理论空气量 这里 用过剩空气量系数说明 39 3 过剩空气系数 实际空气量V与理论空气量之比称为过剩空气系数 即过剩空气系数 是锅炉运行的重要参数 通常用炉膛出口处的过剩空气系数来描述空气量对燃烧过程的影响 大 增加排烟损失 使炉膛温度降低 增加风机功率 反之 会增大不完全燃烧 对于负压锅炉 空气可通过炉墙 烟道等处漏入 使得烟气中过剩空气增加 炉膛后任意一烟道截面处的过剩空气系数为式中 漏风系数 为漏入空气量与理论空气量之比 即 40 二 燃烧产物 烟气 容积 1 烟气容积 煤燃烧后生成烟气 烟气中含有和 理论烟气容积 煤完全燃烧 1 时烟气具有的容积为理论烟气容积 实际烟气容积 当 1 完全燃烧时烟气具有的容积为实际烟气容积 除了那四种生成物外还有剩余的 因此 理论烟气容积为 实际烟气容积为 41 1 二氧化碳和二氧化硫的容积 2 理论氮气容积氮气来源于空气和燃料 42 3 理论水蒸汽容积 包括燃料中氢燃烧生成的水蒸汽容积 燃料中的水份 随空气进入的水蒸汽容积 即式中 为1kg空气的含湿量 通常 10g kg 1 293和0 804是标准状态下干空气和水的密度 43 过量空气中的氮气容积 氧气容积及带进的水蒸汽容积 综合起来 燃料完全燃烧时所生成的实际烟气容积为 44 2 烟气的焓值 空气和烟气的焓值 是指在等压条件下 将1kg燃料燃烧所需要的理论空气和生成烟气量从0加热到 所需的热量 用和表示 单位为KJ kg 烟气为混合物 其焓值为 其中 理论烟气焓值 1 为理论空气焓值为飞灰的焓值为 以上各式中1kg飞灰 1空气及烟汽等在温度 时的焓值查表9 5 烟气各成分的焓值 45 四 锅炉的热平衡锅炉的热平衡是指输入锅炉的热量与其输出热量的平衡 其中 输出热量包括蒸汽 热水的有效热和各种热损失 见图9 5 一 锅炉热平衡方程式锅炉热平衡方程式式中 输入热量有效利用热排烟损失化学不完全燃烧热损失机械不完全燃烧热损失散热损失其他热损失 46 二 输入锅炉热量 输入锅炉的热量包括 式中 燃料收到基低位发热量 燃料的物理显热 外来热源加热空气时带来的热量 雾化燃油带来的热量 对于燃煤锅炉 如果燃料和空气都没用外界热量 且燃煤水份满足 47 三 锅炉的各项损失 锅炉损失包括燃料未完全燃烧及未被充分利用热量两部分 1 机械不完全燃烧损失 机械不完全燃烧损失是指灰渣 飞灰中的未燃烧 未燃尽的固体可燃物 碳 被排出炉外所造成的热损失 这是燃煤锅炉的主要热损失 对于固态排渣炉 取0 5 5 火床炉取7 15 气体 液体燃料炉取零 2 化学不完全燃烧损失 化学不完全燃烧损失是指未完全燃烧的可燃气体 随烟气排放到大气所造成的热损失 对于煤粉炉 取0 气体 液体燃料炉取0 5 火床炉取 0 5 1 0 影响燃料未完全燃烧的因素 燃料性质 燃烧方式 燃烧设备的结构与布置 炉膛温度 过剩空气系数 48 3 排烟损失 排烟损失是指排烟物理显热造成的损失 为排烟焓与进入锅炉冷空气焓之差 即式中 排烟焓 进入锅炉冷空气焓 排烟处的过剩空气系数 是锅炉最大的一项热损失 一般为5 12 影响排烟损失的主要因素 排烟温度和排烟处的过剩空气系数 每增加10 20 排烟损失增加1 过低 会造成尾部受热面腐蚀和堵灰 一般为110以上 降低过剩空气系数可降低排烟损失 49 4 散热损失 散热损失是由于炉墙 金属结构 汽水管道 烟风管道等的温度高于周围环境温度所造成的 散热损失可插表图9 6表 一般锅炉越大 散热损失越小 当容量 900t h 取0 2 影响散热的主要因素 锅炉外表面积的大小 温度 炉墙结构及保温性能 环境温度 5 其他热损失 其他热损失主要是指灰渣排出时的物理显热所造成的损失 对于固态排渣煤粉炉 只有当燃料中的灰份时才计及灰渣物理显热损失 式中 灰渣的焓 按灰渣温度 600 800 查表9 6 50 四 锅炉有效利用热 锅炉有效利用热是指将给水加热至过热蒸汽 或饱和汽或热水 所需的总热量 对于热水炉 有 对于饱和蒸汽炉 有 对电站锅炉 则 51 式中 Q 受热面中工质 水 蒸汽 的总吸热量 kJ sB 燃料消耗量 kg s r 汽化潜热 W 蒸汽带水量 过热蒸汽量 再热蒸汽量 排污量 饱和蒸汽量 热水量 kg s 过热蒸汽焓 给水焓 饱和水焓 kJ kg 再热蒸汽出口和进口焓 热水出口 进口焓 kJ kg 52 五 锅炉热效率与燃料消耗量 热效率 锅炉热效率为锅炉有效利用热与锅炉送入热量之比 即 9 30 或 燃烧效率 反映燃料燃烧的完全程度 取决于不完全燃烧损失大小 即 锅炉燃料消耗量 根据前面 9 27 9 30 式可求得 计算燃料消耗量 考虑了不完全燃烧损失后 实际燃料消耗量为 9 34 53 作业题与思考题 1 煤的元素分析成分和工业分析成分是什么 2 煤的挥发分 水分 灰分和硫对锅炉工作有何况影响 3 解释专业名词 挥发分 煤的高位发热量 低位发热量 理轮空气量 实际空气量 过剩空气系数 漏气系数 锅炉热平衡 4 叙述锅炉运行时的各项损失及产生原因 54 第三节燃料燃烧及燃烧设备 一 燃烧基本概念1 燃烧 燃料的燃烧是一种发光放热的高速化学反应 反应速度与温度 浓度等有关 当反应系统温度或浓度升高时 化学反应速度显著增大 1 均相燃烧燃料和氧化剂物态相同 如气体燃料在空气中燃烧 2 多相燃烧燃料和氧化剂物态不同 如固体燃料在空气中燃烧 55 2 煤燃烧过程的四个阶段 大 中型煤粉锅炉是将煤粉用燃烧器将煤粉喷入炉膛作悬浮燃烧 固态燃料的燃烧过程一般有四个阶段 1 预热干燥阶段 加热 析出水分 大量吸热 2 挥发份析出阶段 CmHn CO H2等可燃气体析出 少量吸热 3 着火 燃烧阶段 挥发份首先燃烧 造成高温促使碳着火燃烧 大量放热 4 燃尽阶段 碳粒燃尽形成灰渣 少量放热 56 3 燃烧化学反应速度 主要取决于化学反应的温度及活化能的大小 其相互关系为其中 R 气体常数 T 反应温度 K E 活化能 为发生化学反应所需的最低能量 取决于反应物的种类 无烟煤活化能数值较大 化学反应需要在较高的温度下进行 上式表明 化学反应速度与温度成指数函数关系 当反应温度T升高时 化学反应速度显著增大 如图9 7所示 4 完全燃烧的条件 1 保证足够的炉膛温度 2 供应适量的空气 3 促进燃料与空气充分混合 4 保证足够的燃烧空间和时间 57 一 煤粉制备将煤磨成粉后 表面面积增大 与空气接触面增大 反应速度增快 提高燃烧效率 另外 煤粉很细 流动性好 便于管到气力输送 1 煤粉细度 煤粉颗粒的粗细用煤粉细度Rx表示 煤粉细度用一组标准筛子进行筛分测定的 取一定量的煤粉试样 筛子上煤粉的剩余量占煤样总重量的质量百分比称为煤粉细度Rx 显然Rx越小 煤粉越细 最佳的煤粉细度应保证燃烧充分且制粉能耗小 2 煤粉制备系统 煤粉制备系统由磨煤机及辅助设备组成 二 煤粉炉的燃烧设备 磨煤机低速磨 16 25 r min中速磨 50 300 r min高速磨 500 1500 r min 制粉系统中间储仓式系统直吹式系统 58 A 磨煤机磨煤机是制粉系统的主要设备 按其转速不同 分为低速磨 中速磨 高速磨 1 低速磨 低速磨主要有普通筒式钢球磨 双进双出筒式钢球磨 筒式钢球磨的圆筒由电动机带动低速转动 燃料和干燥剂 热空气 从磨的一端的空心轴进入圆筒 在圆筒内煤被干燥 并经筒内装有的大量钢球打碎 研磨成粉 随后被干燥剂从磨的另一端带出 结构简单 工作可靠 噪音大 对锅炉负荷适应性较差 一般用于中间储仓制粉系统 双进双出筒式钢球磨是近期引进的新型低速磨 其结构与普通筒式钢球磨相似 两端的空心轴内有空心圆管 圆管外有螺旋输送装置 空心圆管进热风和原煤 而螺旋输送把煤粉混合物送出 59 60 61 双进双出筒式钢球磨 是近期引进的新型低速磨 其结构与普通筒式钢球磨相似 两端的空心轴内有空心圆管 圆管外有螺旋输送装置 空心圆管进热风和原煤 而螺旋输送把煤粉混合物送出 62 2 中速磨中速磨有盘式磨 辊 盘式 碗式磨 辊 碗式 环式磨 辊 环式 球 环式 原煤经落煤管进入两组相对运动碾磨之间 在压紧力的作用下被挤压 研磨成粉 热风经四周风环进入磨煤机 对被甩至此处的煤粉进行干燥并将煤粉带入粗粉分离器进行分离 不合格的煤粉返回磨煤机重磨 细粉则送出磨外 63 图9 11平盘中速磨1 减速齿轮 2 磨盘 3 磨辊 4 加压弹簧 5 落煤管 6 分离器 7 风环 8 煤粉出口 64 3 高速磨 风扇磨 高速磨由叶轮 带有护甲的蜗壳和粗粉分离器组成 装有冲击板的叶轮由电机带动高速旋转 原煤和干燥剂一起被吸入磨煤机内 煤被转动的冲击板打碎 甩到护甲上再次被撞击成煤粉 煤粉借助风扇产生的压头由干燥剂携带经粗粉分离器带出 高速磨和中速磨通常配直吹式制粉系统 图9 12风扇磨煤机 65 B 制粉系统1 钢球磨中储式制粉系统钢球磨中间储仓式制粉系统经磨煤机磨好的煤粉先储藏在煤粉仓内 然后根据锅炉负荷的需要将煤粉送入炉膛 图9 6中储式制粉系统 热风送粉系统 1 原煤仓 2 给煤机 3 磨煤机4 粗粉分离器 5 细粉分离器6 煤粉仓 7 给粉机 8 混合器 9 燃烧器 10 空气预热器 11 排粉机 12 一次风机 13 送风机 煤1 2 3 4 5 6 7 8 9风13 1013 10 12 13 10 95 11 9 一次风 二次风 磨煤乏气 三次风 66 钢球磨中储式制粉系统 67 在钢球磨中储式制粉系统中的 风 一次风携带煤粉进入炉膛 供应燃烧初期的空气 二次风供应燃料继续燃烧所需空气 对炉膛气流进行扰动 促进燃料与空气的混合 三次风细粉分离器出口含有10 左右煤粉的气流 68 69 中速磨直吹式制粉系统 70 二 燃烧器及其布置 1 直流燃烧器一 二 三次风分别由垂直布置的一组圆形或矩形的喷口 以直流自由射流的形式喷入炉膛 煤粉气流着火的热量 来自直流射流外边界卷吸炉内高温烟气的热量 直流燃烧器出口直流射流射程长 卷吸量小 适合于无烟煤 劣质煤使用 在煤粉炉中 是用燃烧器将煤粉和风喷入炉膛的 煤粉在其中作悬浮燃烧 炉膛的结构应能合理地布置受热面和燃烧器 以形成良好的空气动力场 保证完全燃烧而又不结渣 作用 燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备 保证煤粉气流及时稳定着火 一 二次风适时混合 扰动强烈 具有良好的调节性 以适应燃料 负荷变化 减少Nox的生成 保护环境 在炉膛下部的燃烧器内具备重油喷嘴 作为点火和低负荷稳燃之用 一般有直流燃烧器 旋流燃烧器 71 1 直流燃烧器及其布置 由于燃烧器中一 二次风口布置不同 直流燃烧器可分为均等配风和分级配风两种形式 均等配风 烟煤型 一 二次风相间布置 即在二个一次风口之间均等布置一个或二个二次风口 一 二次风口距离较近 有利于混合 着火和燃烧 72 分级配风 无烟煤型 一次风相对集中布置 而二次风口与一次风口则保持一定的距离 二次风分阶段送入燃烧的煤粉气流中 促使已着火煤粉的燃烧过程继续扩展 强化混合扰动 有利于燃尽 一次风口集中布置可以增大煤粉浓度 使火焰中心温度升高 这些都有利于无烟煤 劣质煤的着火 燃烧 直流燃烧器最高层的上二次风 供上排煤粉燃烧的空气 补充炉内未燃尽碳所需空气 最下层的下二次风 能托起从煤粉气流分离出的煤粉 使之燃烧 减少机械不完全燃烧损失 三次风口通常布置在燃烧器最上部 73 直流燃烧器布置方式 为了保证挥发份低的煤种稳定着火 直流燃烧器多采用四角布置切圆燃烧方式 图9 13 燃烧器布置在炉膛的四角 燃烧器的轴线与炉膛中心的假想圆相切 切圆越大 邻角火炬高温火焰更容易到达下角射流的根部 有利于煤粉气流的着火 燃尽 74 75 2 旋流燃烧器及其布置 旋流燃烧器出口气流是一股绕燃烧器轴线旋转的旋转射流 煤粉气流着火热量 来源于旋转射流内 外边界同时卷吸炉内高温烟气的热量 卷吸量较大但射程短 适合烟煤使用 根据产生旋转射流的旋流器型式的不同 旋流燃烧器主要有 1 蜗壳式旋流燃烧器蜗壳式旋流燃烧器又分直流蜗壳式 双蜗壳式两种 直流蜗壳式旋流燃烧器的二次风经涡壳旋流器产生旋转 一次风为直流 出口出装有扩流锥 可调节一次风气流的扩展角 扩流锥尾迹内回流区有利于煤粉气流的着火 双蜗壳式旋流燃烧器的一 二次风均旋转 有利于混合 76 图9 15直流涡壳旋流燃烧器1 扩流锥 2 一次风扩散管 3 一次风管 4 二次风涡壳 5 一次风连接管 8 点火喷嘴孔 77 图9 15双蜗壳式旋流燃烧器 78 2 轴向可动叶轮旋流燃烧器轴向可动叶轮旋流燃烧器 一次风气流为直流或靠挡板产生弱旋转射流 出口装有扩流锥 二次风通过轴向叶片产生旋转 叶轮可沿轴向移动 调节性能好 旋流燃烧器出口煤粉气流是靠旋转射流内外同时卷吸高温烟气而引燃的 卷吸量大 但射程短 适用于挥发份较高的煤种 79 80 旋流燃烧器的布置方式 旋流燃烧器常采用前墙布置 两面墙对冲或交错布置 图9 16 81 82 第四节锅炉受热面 锅炉受热面 是吸收炉内热量来加热工质的表面式换热器 主要包括蒸发受热面 水冷壁 过热器 再热器 省煤器及空气预热器 以完成水的加热 蒸发和过热 蒸汽的再热及空气的预热 一 蒸发受热面 水冷壁 一 蒸发受热面的作用与结构 蒸发受热面是指工质在其中吸热 汽化的受热面 主要是指敷设在炉膛四周炉墙上的水冷壁 用以吸收炉膛中的辐射热 为了降低炉膛出口温度 保护炉墙 防止炉壁结渣 还要将后墙水冷壁拉稀成凝渣管束 现代大型锅炉的水冷壁已成为锅炉的主要受热面 因为炉内温度高 水冷壁吸收辐射热的能力很强 这样可减少受热面积 节约钢材 同时可降低高温 保护炉墙和防止结渣 83 1 水冷壁与自然循环 1 水冷壁自然循环锅炉的水冷壁通常用无缝钢管制成 水冷壁通常垂直布置在炉膛四周 上部与汽包或上联箱相连接 并固定在钢架上 下部与下联箱相连接 可自由膨胀 水冷壁布置疏密程度用相对节距s d s为管间节距 d为管径 表示 如下图所示 中 小型锅炉常采用光管水冷壁 中 大型锅炉常采用膜式水冷壁 膜式壁炉膛气密性好 可减少漏风 降低热损失 提高锅炉效率 并可降低受热面金属耗量和炉墙重量 便于采用悬吊结构 图9 25 84 85 2 循环回路为减少并列管之间的热偏差 水冷壁分为若干个独立的循环回路 自然循环锅炉的循环回路包括若干根不受热的下降管 接受炉内辐射热的水冷壁管 上部与汽包连接 并固定在钢架上 下部与下联箱连接 可自由膨胀 汽包中的炉水自下降管经下联箱引入水冷壁 炉水在水冷壁中接受炉内高温烟气的辐射热以形成汽水混合物 由于工质密度差造成的动力循环 汽水混合物并沿水冷壁上升到汽包 以形成自然保护循环回路 图9 26 86 3 汽包 汽包是自然循环锅炉和强制循环锅炉的重要受压部件 其作用主要是 1 汽包是工质加热 蒸发 过热三个过程的连接枢纽 保证锅炉水循环 2 汽包内装有汽水分离器 连续排污装置等 用以汽水分离 保证蒸汽品质 3 汽包内保持一定水量 具有一定储热能力 有利于运行调节 4 汽包筒体上安装有压力表 水位表 事故防水阀 安全阀等 以控制汽包压力 监视汽包水位 保证锅炉安全工作 87 88 4 运动压头Syd如右下图所示 在稳定流动时 下连箱两侧的压力应相等 即式中 xj ss H p分别为下降管与上升管中工质密度及循环回路高度及汽包压力 为下降管与上升管流动阻力损失 89 经整理 有所以 为了维持回路自然循环的动力 运动压头在数值上等于下降管与上升管中工质柱重之差显然 H和密度差越大 运动压头越大 自然循环可靠性越高 反之越差 随着锅炉容量增大 压力增大 使密度差减小 则水循环的动力压头减小 到一定时 必须放弃自然保护循环而采用强制循环 90 5 循环倍率K 循环回路中水流量 G 与回路中的蒸汽量 D 之比 即1kg水全部变成蒸汽 需在回路中循环多少次上式中 X为上升管出口汽水混合物的含汽率 循环倍率是标致锅炉水循环安全的一个重要指标 当K增大 X减小 时 则上升管出口汽水混合物中水的分量增大 管壁水膜稳定 管子可充分冷却 避免超温 但K过大 会使减小 运动压头减小 循环减慢 对水循环不利 当K减小 X增大 时 则上升管出口汽水混合物中汽的分量增大 上升管工质密度减小 循环回路运动压头增大 循环流速增大 水循环安全 但X过大 会使管中阻力增大过快 导致循环流速降低 自补偿能力丧失 界限循环倍率锅炉具有自补偿能力的最小循环倍率 表9 7 表9 7 91 二 结渣及其危害 1 结渣的产生在固态排渣煤粉炉 由于煤燃烧时温度高 1400 1600 灰渣呈溶融状态 液态的渣粒在凝固之前冲刷到水冷壁或炉墙上 就形成结渣 结渣是一个自动加剧过程 一旦开始结渣 便越结越多 2 结渣的危害结渣会使受热面吸热减少 造成水冷壁高温腐蚀 炉膛出口烟温及排烟温度升高 过热器超温爆管 热损失增加 降低锅炉出力和热效率 大块渣团掉落可能砸坏冷灰斗的水冷壁管 3 结渣的预防选择适当的炉型 避免炉内温度过高 避免火焰偏斜 贴壁冲墙 避免锅炉超负荷运行 92 93 二 过热器与再热器 一 过热器与再热器的型式及特点 过热器 再热器是锅炉的重要部件 对于再热机组 才具有再热器 过热器的作用 是将饱和蒸汽加热成过热蒸汽 再热器的作用 是将汽机高压缸排汽加热到和新蒸汽相同温度的再热蒸汽 过热器 再热器一般布置在高温区 管外烟气及管内工质温度高 蒸汽的放热系数小 冷却能力差 其壁温是锅炉受热面中最高的 易发生管壁超温 管间工质热偏差及高温腐蚀 工作条件恶劣 94 过热器 再热器的布置型式 有 对流式 半辐射式和辐射式 大型电站锅炉的过热器 图9 25 有 对流式 半辐射式和辐射式 以满足参数提高使过热蒸汽吸热量增加的要求 另外 在水平烟道和尾部烟道也布置有 包墙管过热器 图9 25过热器 再热器的布置型式1 汽包 2 顶棚过热器 3 立式对流过热器 4 屏式过热器 5 辐射式过热器 12 卧式过热器 95 1 对流式过热器和再热器 由蛇形管及进出口联箱组成 布置在对流烟道 吸收高温烟气的对流热 按受热面布置方式分立式 卧式 立式不易积灰 支吊方便 但不易疏水 排气 在锅炉启 停时容易造成腐蚀和超温 卧式与之相反 根据管内蒸汽和烟气相对流动方向又分顺流 逆流 和混合流式 顺流式对流受热面壁温最低 但传热最差 逆流式对流受热面与之相反 壁温最高 但传热最好 混合式对流受热面为折衷方式 蛇形管排列有顺列和错列两种方式 96 2 半辐射 辐射式过热器与再热器 半辐射 辐射式过热器 再热器布置在炉膛上部或炉膛出口出 同时吸收辐射热和对流热 半辐射式过热器 再热器做成挂屏形式 屏式过热器 屏式再热器 由U型 W型管及进出口联箱构成 辐射式过热器 再热器布置在炉膛上部的前墙和两侧的前半部 或布置在炉膛顶部或悬挂在炉膛上部靠近前墙处 分别称为墙式 顶棚式和前屏 分隔屏 受热面 吸收炉膛辐射热 97 二 热偏差过热器并列管沿烟道平行排列 管子结构 尺寸和阻力不相同 烟气的温度场 速度场不均匀 就会造成过热器并列管间吸热不均匀 流场不均匀 造成过热器并列管中的焓增不同 称之为过热器的热偏差 用热偏差系数 表示 定义为式中 管组平均焓增 偏差管焓增 由于热偏差的存在 可能造成某些管子壁温高而产生超温破坏 减轻热偏差的主要措施 从设计 运行上保证锅炉良好的空气动力场 过热器分段 分级布置 各级过热器出口工质在联箱管中混合 98 三 蒸汽温度的调节 锅炉在运行中随着负荷 燃料性质 给水温度 炉膛过剩空气系数的变化 过热器 再热器的温度会发生较大的波动 不能保证汽轮机安全 稳定运行 因此 要进行温度调节 即在一定的负荷变化范围内 使蒸汽温度偏离额定值的波动不能超过 10 5 汽温调节方法 汽侧调节 多用于过热蒸汽调温 烟气侧调节 多用于再热蒸汽调温 喷水减温器 表面式减温器 烟气再循环 分隔烟道挡板 摇动燃烧器 99 1 喷水减温器 1 喷水减温器工作原理 将水直接喷入过热蒸汽中以降低汽温 结构简单 调节灵敏 可靠性高 2 喷水减温器的主要形式 图9 32 水室式减温器 文邱利式 减温水从环型水室喷水孔喷入 水滴汽化使蒸汽温度降低 旋涡式减温器 喷嘴为旋涡喷嘴 雾化效果好 多孔喷管式减温器 结构简单 雾化效果差 图9 32 100 2 表面式减温器 管 壳式热交换器 表面式减温器工作原理 冷却水在管内流动 过热蒸汽在管外空间流动 调节性能较差 但不影响水质 101 3 烟气再循环 采用再循环风机从锅炉尾部低温烟道中 一般为省煤器后 抽出一部分温度为250 350OC的烟气 从炉膛底部 如冷灰斗下部 送回到炉膛 用以改变锅炉内辐射和对流受热面吸热量的比例 从而达到调节汽温的目的 图9 33烟气再循环系统 102 4 分隔烟道挡板 用挡板将尾部烟道分隔成两个并列烟道 其一布置再热器 另一侧布置过热器 调节布置在受热面后的烟气挡板开度 可改变流经两烟道的烟气量 达到调节再热汽温的目的 分隔烟道挡板 103 5 摆动燃烧器 通过调节摆动燃烧器喷嘴上下倾角 改变炉内高温火焰中心位置 从而改变炉膛出口烟温的方法来调节蒸汽温度 一般燃烧器摆动200 300 炉膛出口烟温变化约1100C 1400C 调温幅度可达40 600C 104 三 尾部受热面 省煤器和空气预热器 省煤器和空气预热器布置在对流烟道最后的低烟温区 利用烟气的余热加热给水和燃料燃烧所需的空气 尾部受热面受热工质和烟气温度均较低 金属工作条件虽不像过热器那样恶劣 但易造成低温腐蚀 磨损与积灰 105 一 省煤器 省煤器的作用 利用锅炉尾部烟道热量加热给水 降低排烟温度 提高锅炉热效率 节约燃料 分类 按材料分有铸铁式省煤器和钢管式省煤器 按出口工质分沸腾式和非沸腾式省煤器 铸铁式省煤器耐磨损和耐腐蚀 但不能承受高压和水冲击 常作为低压非沸腾式省煤器 而沸腾式可满足较低压力下工质汽化吸热份额增大导致蒸发受热面增多的需要 钢管式省煤器体积小 重量轻 价格便宜 不易泄漏 钢蛇形管在烟道中的布置可以垂直于前墙 也可以与前墙平行 前者管子支吊简单 水速较小 但对于倒U型锅炉 所有蛇形管靠近后墙部分磨损严重 后者只有后墙附近几根蛇形管磨损较大 但水速较高 阻力较大 106 二 空气预热器 1 管式空气预热器立方形箱体由多根平行错列钢管焊在上 下管板上构成立方形箱体 烟气在管内由上而下纵向流动 空气从管外横向流过 两者成 热量连续地由烟气通过管壁传给空气 预热器的作用 利用烟气热量加热空气 以利于燃烧 降低排烟温度 提高锅炉效率 图9 36 107 2 回转式空气预热器回转式空气预热器是一种蓄热式预热器 它利用烟气和空气交替地通过金属受热面来加热空气 回转式空气预热器有受热面转动和风罩转动两种 回转式空气预热器与管式相比结构紧凑 外形小 重量轻 不易腐蚀 但结构复杂 漏风量较前者大 如右图 转子内装满金属元件 传热元件 外壳分成烟气通流区 空气通流区 分别与相应管口连接 当转子每旋转一周 金属元件就经一次蓄热和放热过程 将烟气的热量传给了空气 图8 29受热面转动回转式空气预热器 108 109 110 1 飞灰磨损温度较低的尾部烟道具有一定硬度和速度的灰粒对管壁产生磨损 磨损严重部位锅炉尾部烟道靠近后墙部分蛇形管 减轻磨损措施合理选择烟气流速 降低烟气中的飞灰浓度 在磨损严重的部位加装防磨装置 2 低温腐蚀受热面壁温接近或低于烟气露点时 烟气中的硫酸蒸汽凝结并对壁面产生的腐蚀 低温腐蚀危害造成管子穿孔 炉内送风不足 锅炉效率降低 加重烟道堵灰 低温腐蚀多发生在空预器冷段 减轻低温腐蚀措施提高空气预热器受热面的壁温 空预器冷段受热面采用耐腐蚀材料 采用低氧运行 减少烟气中硫酸蒸汽量等 三 受热面飞灰磨损与低温腐蚀 111 作业题与思考题 1 叙述锅炉中水冷壁 汽包 过热器 再热器 省煤器 空气预热器的作用 2 在什么情况下锅炉必需采用强制循环或直流形式 3 在锅炉中 蒸汽温度调节有哪些方法 4 如何减轻锅炉尾部受热面的磨损 低温腐蚀问题