《能源與動力裝置》09 鍋爐

第九章鍋爐第一節(jié)鍋爐概述一、鍋爐的作用

生產具有一定壓力、溫度的蒸汽燃料的化學能煙氣的熱能熱能(蒸汽或水)

燃燒熱交換分類：電站鍋爐:火電廠三大主機之一，火室燃燒。生產高溫高壓蒸氣，適用各種燃料，熱效率高、受熱面復雜，向大容量、高參數(shù)發(fā)展。

工業(yè)鍋爐:適于各行業(yè)，火床燃燒，熱效率低，容量較小。生產蒸汽（或熱水）供給工業(yè)和民用所需熱能，或通過蒸汽動力機械轉換為機械能。

船用鍋爐:作為船舶動力，體積小，重量輕，啟停方便，變負荷能力強。一般采用低中壓參數(shù)，爐膛容積熱負荷高，水循環(huán)高度小的燃油鍋爐。

生活鍋爐:居民生活所需的蒸汽或熱水之用。電站鍋爐，2008t/hWNS燃油（氣）蒸汽鍋爐,10t/h燃煤蒸汽鍋爐，50T/h二、電站煤粉鍋爐機組組成鍋爐鍋爐本體輔助設備鍋爐機組汽水系統(tǒng)：汽包、下降管、聯(lián)箱、導管及各換熱設備（水冷壁、過熱器、再熱器、省煤汽等）組成。完成由水變成蒸汽的吸熱過程。鍋爐燃燒系統(tǒng)由爐膛、燃燒器、煙道、爐墻構架等部件組成，完成煤的燃燒過程。由送風機、引風機、燃料供應及制粉、除灰、除渣、測量控制等組成三、電站煤粉鍋爐機組示意圖演示鍋爐動畫四、鍋爐參數(shù)額定蒸發(fā)量：額定蒸汽參數(shù)、額定給水溫度和使用設計燃料，保證熱效率最大連續(xù)蒸發(fā)量（對大型鍋爐）：額定蒸汽參數(shù)，額定給水溫度和使用設計燃料，長期連續(xù)運行時所能達到的最大蒸發(fā)量供熱量（工業(yè)熱水鍋爐）：kW（或kcal/h）蒸汽鍋爐額定蒸汽參數(shù)：額定蒸汽壓力（對應規(guī)定的給水壓力）；額定蒸汽溫度（對應額定蒸汽壓力和額定給水溫度)工業(yè)熱水鍋爐的額定參數(shù)：鍋爐出口熱水的壓力和溫度五、鍋爐型號電站鍋爐型號：例HG-670/13.72–MSG-1000/16.66-YM2

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設計次序燃料代號額定蒸汽壓力額定蒸發(fā)量制造廠代號工業(yè)鍋爐型號△△△╳╳―╳╳/╳╳―△╳

設計次序燃料代號額定蒸汽或熱水溫度額定蒸汽壓力額定蒸發(fā)量燃燒方式鍋爐型號例

SHL20-2.45/400-A

雙鍋筒橫置式鏈條爐排，額定蒸發(fā)為20t/h，蒸汽壓力為2.45MPa，過熱蒸汽溫度為400C0，燃用煙煤，原型設計的蒸汽鍋爐工業(yè)鍋爐型號燃燒方式代號燃料代號HIDE六、鍋爐類型按用途分電站鍋爐、工業(yè)鍋爐按鍋爐參數(shù)分低壓、中壓、高壓、超高壓亞臨界壓力(表壓15.7~19.6MPa)、超臨界壓力(超過臨界壓力22.1MPa)、超超臨界壓力鍋爐。按鍋爐燃燒方式分層燃爐、室燃爐、旋風爐、流化床爐層燃爐室燃爐六、鍋爐類型流化床旋風爐六、鍋爐類型按鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質流動方式分(a)自然循環(huán)汽包鍋爐(b)強制循環(huán)汽包鍋爐(c)直流鍋爐(d)低倍率循環(huán)鍋爐(a)自然循環(huán)汽包鍋爐K=4-10，亞臨界以下(b)強制循環(huán)汽包鍋爐K=3-5，臨界壓力以下GD循環(huán)倍率：K=G/D(c)直流鍋爐(d)低倍率循環(huán)鍋爐

K=1，高壓以上K=1.2-2,壓臨界七、鍋爐安全、經濟性指標安全性指標鍋爐連續(xù)運行小時數(shù)（>5000h）鍋爐可用率（約90%）

(總運行小時數(shù)+總備用小時數(shù))/統(tǒng)計期間總小時數(shù)(1年)鍋爐的事故率(約1%)

鍋爐總事故停爐小時數(shù)/(總運行小時數(shù)+事故停爐小時數(shù))經濟性指標鍋爐熱效率:ηgl

=（Q1/Q

r）×100，%

Q1—鍋爐有效利用熱

Q

r—鍋爐在單位時間內所消耗燃料的輸入熱量第二節(jié)鍋爐燃料及熱平衡燃料核燃料有機燃料（主要成分：碳、氫、硫、氧、氮、水份、灰份）固體燃料液體燃料氣體燃料天然木材、煤、油頁巖人工焦炭、煤磚、煤粉天然石油人工汽油、煤油、重油、渣油、酒精天然天然氣人工高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、煉焦爐煤氣、地下氣化煤氣一、煤(coal)的成分及特性1、煤的組成成分:煤的元素分析成分：碳(C)、氫(H)、硫(S)、氧(0)、氮(N)煤的工業(yè)分析成分水分(MMoisture)、灰分(AAsh)、

揮發(fā)分(VVolatile)、固定碳(FCFixedcarbon)2、煤中各成分的特性可燃元素：C、H、S不可燃元素：O、N、雜質（水份、灰份）可燃氣體揮發(fā)份3、煤的成分基準：收到基（ar）

以進入鍋爐煤（包括煤的全部成分）為基準空氣干燥基（ad）

以風干狀態(tài)煤（除去外部水分）為基準干燥基（d）

以去掉全部水分煤為基準干燥無灰基（daf）

以去掉全部水分及灰分煤為基準不同基準之間的換算關系：X=KX01干燥無灰基1干燥基1空氣干燥基1收到基干燥無灰基干燥基空氣干燥基收到基K定義：單位質量的煤在完全燃燒時所釋放的熱量高位發(fā)熱量：包含燃燒產物中全部水蒸汽凝結時放出的汽化潛熱低位發(fā)熱量：不考慮水份的汽化潛熱的發(fā)熱量=2510kJ/kg標準煤：

收到基低位發(fā)熱量29270kJ/kg(7000kCal/kg)的煤4、煤的發(fā)熱量5、煤的灰分特性及分類

特征溫度灰的變形溫度DT（deformation）灰的軟化溫度ST（Softening)灰的熔化溫度FT(Fluid)灰錐的變形情況灰錐的變形溫度DTSTFT電站煤粉鍋爐機組按工質流動方式分類燃料成分及基準特征溫度灰的變形溫度DT（deformation）灰的軟化溫度ST（Softening)灰的熔化溫度FT(Fluid)灰錐的變形情況灰錐的變形溫度DTSTFT復習結束6、煤的分類無煙煤：碳化程度最高，含碳量高，發(fā)熱量25000~32500KJ/kg，揮發(fā)分含量低10%），燃燒困難，不易著火、燃盡；煙煤：含碳量較高，發(fā)熱量20000~30000KJ/kg，揮發(fā)分含量10~45%，易著火，燃燒。貧煤：碳化程度最高，揮發(fā)分含量低（10~20%），性能接近無煙煤。褐煤：碳化程度最低，揮發(fā)分含量很高（可達37%），易于著火。但水分、灰分量高，發(fā)熱量低，一般小于16750KJ/kg。二、液體燃料（重油、渣油）特點：碳氫含量高，熱值大，燃燒效率高粘度：運輸與霧化質量凝固點（石蠟）：運輸閃點與燃點：安全性含硫量：低溫腐蝕灰分：高溫腐蝕奧里乳化油（Orimul-sion,中譯名為奧里乳化油，簡稱奧里油）是以產于南美委內瑞拉奧里諾科河（Orinoco）流域的一種環(huán)烷基超重質原油（瀝青質原油）為原料，加入27%～30%的水和少量乳化劑形成水包油乳狀液，成為奧里油。類似一種膠狀體，無法直接使用，屬于劣質燃料，經過乳化處理后，其總體粘度大大降低，可滿足燃料油輸送霧化要求。奧里乳化油的燃燒值高于煤，價格遠低于其他燃料油，作燃料發(fā)電是最佳選擇。奧里油的表觀特征與其他液體燃料極為相似，在一定溫度范圍內，奧里油的粘性系數(shù)小于普通原油，但比原油難于著火，在5℃～70

℃之外其穩(wěn)定性急劇下降，直至破乳，即油水分離，形成瀝青塊而不易燃燒。由于水的緣故,奧里油應儲存在水的沸點以下。奧里油簡介：我國也在許多廠家成功地進行過燃燒試驗。但奧里油本身存在的突出問題是含硫量太高（約3％）。據介紹，為燒奧里油需增加的脫硫裝置大致相當于半個發(fā)電廠的投資。廣東省湛江發(fā)電廠2×600MW機組第一家燃用奧里油三、煤的燃燒計算計算目的：確定燃燒所需空氣量、爐膛出口及煙道各處煙氣的容積、焓值碳完全燃燒反應方程式

C+O2→

CO212kgC+22.41Nm3O2→

22.41Nm3CO21kg可燃物的燃燒反應：1kg

C+1.866Nm3

O2

→

1.866Nm3

CO21kgH+5.56Nm3O2

→

11.1Nm3

H2O

1kgS+0.7Nm3O2

→0.7Nm3S2O1、燃燒所需空氣量理論空氣量V0

（Nm3/kg）：

1kg燃料完全燃燒時所需要的最小空氣量實際空氣量V過?？諝庀禂?shù)

爐膛出口處：描述空氣量對燃燒過程的影響爐膛后任意一煙道截面處2、燃燒產物(煙氣)容積煙氣容積Vy:理論煙氣容積:煤完全燃燒（=1）實際煙氣容積:煤完全燃燒（>1）

煙氣的焓值理論空氣焓

等壓條件下，將1kg燃料燃燒所需要的理論空氣從0℃加熱到θ℃

所需的熱量，kJ/kg理論煙氣焓

等壓條件下，將1kg燃料燃燒生成的煙氣從0℃加熱到θ℃

所需的熱量，kJ/kg煙氣焓：四、鍋爐的熱平衡1、鍋爐熱平衡方程式

Qr輸入熱量

Q1

有效利用熱

Q2

排煙損失

Q3

化學不完全燃燒熱損失

Q4

機械不完全燃燒熱損失

Q5

散熱損失

Q6

其他熱損失100熱平衡示意2、輸入鍋爐熱量Qarnet-燃料收到基低位發(fā)熱量Hr

燃料的物理顯熱Qwr外來熱源加熱空氣時帶來的熱量Qwh霧化燃油帶來的熱量如果燃料和空氣都沒用外界熱量進行預熱：3、鍋爐有效利用熱Q1

熱水爐：熱水吸熱熱量飽和蒸汽爐：有飽和蒸汽熱量＋排污損失熱量電站鍋爐：過熱熱量＋再熱熱量＋排污損失熱量

定義：

將給水加熱至過熱蒸汽（或飽和汽或熱水）所需的總熱量。五、鍋爐熱效率與燃料消耗量

熱效率：鍋爐熱效率為鍋爐有效利用熱Q1

與鍋爐送入熱量Qr

之比，即：或燃燒效率：反映燃料燃燒的完全程度，取決于不完全燃燒損失大小，即：鍋爐燃料消耗量：計算燃料消耗量：

考慮了不完全燃燒損失q4

后，實際燃料消耗量為本節(jié)完第三節(jié)燃料的燃燒及燃燒設備（一）燃料的燃燒原理阿累尼烏斯定律：燃燒化學反應速度主要取決于反應過程的溫度及活化能的大小。燃料的“活性”：簡單地理解為燃料著火與燃盡的難易程度。表現(xiàn)為燃料燃燒時的反應能力。燃料的"活性"程度可用"活化能"來表示。1.活化能：煤種2.溫度：空氣預熱器3.氣流擴散速度：磨煤機，燃燒方式燃燒速度影響因素完全燃燒的條件：

1.爐膛溫度；

2.供應充分的空氣；

3.燃料與空氣的充分混合；

4.足夠的燃燒空間和時間。動力燃燒與擴散燃燒煤燃燒過程的四個階段預熱干燥階段 加熱、析出水分，大量吸熱；揮發(fā)份析出階段

CmHn、CO、H2等可燃氣體析出，少量吸熱著火、燃燒階段 揮發(fā)份首先燃燒，造成高溫促使碳著火燃燒，大量放熱；燃盡階段 碳粒燃盡形成灰渣，少量放熱（二）煤粉的制備1.為什么需要制備煤粉？

將煤磨成粉后，表面面積增大，與空氣接觸面增大，反應速度增快，提高燃燒效率；另外，煤粉很細，流動性好，便于管到氣力輸送。2.煤粉粗細程度的指標；

煤粉顆粒的粗細用煤粉細度Rx表示。3.制備煤粉是否越細越好？

最佳的煤粉細度應保證燃燒充分且制粉能耗小。4、煤粉制備系統(tǒng)中間儲倉式系統(tǒng)直吹式系統(tǒng)5.磨煤機的分類及其原理低速磨中速磨高速磨筒式鋼球磨16-25rpm盤式磨、碗式磨、環(huán)式磨50-300rpm風扇磨500～1500r結構簡單，可靠，煤種適應性廣投資大，噪聲大，耗電，負荷適應性差結構緊湊，省投資，耗電小，負荷適應性強結構復雜，煤種適應性差結構簡單，金屬耗量小，負荷適應性強磨損大，煤種適應性受限撞擊擠壓研磨撞擊鋼球磨煤機筒體在不同旋轉速度下鋼球和煤的運動狀態(tài)中速磨煤機風扇磨煤機6.磨煤機與制粉系統(tǒng)的匹配關系及其優(yōu)缺點中間儲倉式系統(tǒng)直吹式系統(tǒng)低速磨中速磨高速磨系統(tǒng)復雜，投資大，耗電大工作可靠性差，變負荷能力差，煤種適應性差（三）燃燒器及其布置燃燒器的作用：

1.保證煤粉流及時穩(wěn)定著火

2.一、二次風適時混合，擾動強烈。

3.具有良好的調節(jié)性，以適應燃料、負荷變化

4.減少Nox的生成，保護環(huán)境

5.降低結渣可能性燃燒器分類：直流燃燒器旋流燃燒器風

GO鍋爐中的“風”一次風攜帶煤粉進入爐膛，供應燃燒初期的空氣。二次風

供應燃料繼續(xù)燃燒所需空氣，對爐膛氣流進行擾動，促進燃料與空氣的混合。三次風

細粉分離器出口含有10%左右煤粉的氣流，進一步強化燃燒。

1、直流燃燒器

特征：一、二次風分別由各自噴口，以直流自由射流的形式噴入爐膛。分類：

均等配風（煙煤型）分級配風（無煙煤型）橫斷面布置直流燃燒器多采用四角布置切圓燃燒方式。246圖9—13燃燒器布置在爐膛的四角，燃燒器的軸線與爐膛中心的假想圓相切。切圓越大，鄰角火炬高溫火焰更容易到達下角射流的根部，有利于煤粉氣流的著火、燃盡，但易于結渣。HIDE,旋流、直流？燃燒器出口火焰圖片（部分載荷運行時觀察到的噴嘴）2、旋流燃燒器特征：出口氣流是一股繞燃燒器軸線旋轉的旋轉射流煤粉氣流著火熱量，來源于旋轉射流內、外邊界同時卷吸爐內高溫煙氣的熱量。卷吸量較大但射程短，適用于揮發(fā)份較高的煤種。圖9—15直流渦殼旋流燃燒器1—擴流錐，2—一次風擴散管，3—一次風管，4—二次風渦殼，5—一次風連接管，8—點火噴嘴孔。圖9—15雙蝸殼式旋流燃燒器旋流燃燒器布置方式：前墻布置、兩面墻對沖或交錯布置。爐膛內部噴嘴布置示意圖高效低污染煤粉燃燒器鈍體燃燒器、開縫鈍體燃燒器、穩(wěn)燃腔燃燒器回流區(qū)分級著火燃燒技術錢壬章教授

國家科技發(fā)明二等獎新型的強化燃燒和傳熱的基本原理與方法

（四）鏈條爐與流化床爐鏈條爐：

固體燃料以一定厚度均勻分布在固定或可移動的爐排上進行燃燒的鍋爐稱為火床爐。鏈條爐是應用比較廣泛、結構較完善的火床爐。247圖9-16

燃料適應性廣，負荷調節(jié)范圍大，采用自然循環(huán)方式，工業(yè)領域較多應用。循環(huán)流化床流化床鍋爐：演示鼓泡流化床flash作業(yè)課堂作業(yè)：直流燃燒器為什么都采用四角布置切圓燃燒方式？復習：燃料的燃燒及燃燒設備完全燃燒的條件：

1.爐膛溫度；

2.供應充分的空氣；

3.燃料與空氣的充分混合；

4.足夠的燃燒空間和時間。煤粉的制備、煤粉制備系統(tǒng)中間儲倉式系統(tǒng)直吹式系統(tǒng)圖燃燒器及其布置直流燃燒器均等配風、分級配風四角布置切圓燃燒方式。旋流燃燒器第四節(jié)鍋爐受熱面定義：吸收爐內熱量來加熱工質的表面式換熱器。蒸發(fā)受熱面過熱器再熱器空氣預熱器汽水蒸汽空氣水冷壁對流管束凝渣管束輻射對流對流對流對流輻射省煤器水對流一、蒸發(fā)受熱面（水冷壁）作用：工質在其中吸熱、汽化的受熱面鍋爐的主要受熱面包括：敷設在爐膛四周爐墻上的水冷壁后墻水冷壁拉稀成的凝渣管束1、水冷壁結構鰭片管2、汽水循環(huán)

自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)回路：隨著鍋爐容量增大、壓力增大，使密度差減小，水循環(huán)的動力壓頭減小，必須放棄自然循環(huán)而采用強制循環(huán)。下降管、水冷壁管、汽包、下聯(lián)箱循環(huán)倍率K定義：循環(huán)回路中水流量與回路中的蒸汽產生量之比。（1kg水全部變成蒸汽，需在回路中循環(huán)多少次）K對循環(huán)的影響X：上升管出口汽水混合物的含汽率DG汽包循環(huán)鍋爐的重要受壓部件。作用：

1、工質加熱、蒸發(fā)、過熱三個過程的連接樞紐，保證鍋爐水循環(huán)；

2、是蒸汽通道與水通道的交匯點。汽包內裝有汽水分離器、連續(xù)排污裝置等，用以汽水分離，保證蒸汽品質；

3、汽包內保持一定水量，具有一定儲熱能力，有利于運行調節(jié)；

4、汽包筒體上安裝有壓力表、水位表、事故防水閥、安全閥等，以控制汽包壓力、監(jiān)視汽包水位，保證鍋爐安全工作。蒸發(fā)受熱面結渣及其危害1、結渣的產生

固態(tài)排渣：燃燒溫度高（1400~1600℃），灰渣呈溶融態(tài)，液態(tài)的渣粒在凝固之前沖刷到水冷壁或爐墻上，形成結渣。2、結渣的危害

1）水冷壁高溫腐蝕；

2）改變受熱面分配，爐膛吸熱減少，出口煙溫及排煙溫度升高，過熱器超溫爆管，降低鍋爐熱效率；

3）大塊渣團掉落可能砸壞冷灰斗的水冷壁管。

3、結渣的預防

適當?shù)臓t型，避免爐內溫度過高；避免火焰偏斜、貼壁沖墻；避免鍋爐超負荷運行。二、過熱器與再熱器作用：過熱器：將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽，增加蒸汽做功能力。再熱器：提高汽輪機高壓缸排汽溫度。熱效率、安全性。布置：高溫煙道特點：管外煙氣及管內工質溫度高、蒸汽的換熱系數(shù)小，冷卻能力差，其壁溫是鍋爐受熱面中最高的。易發(fā)生管壁超溫、管間工質熱偏差及高溫腐蝕。工作條件惡劣。過熱器、再熱器的布置型式對流式布置于鍋爐的對流煙道半輻射式爐膛出口煙窗，稱為屏式受熱面輻射式爐膛頂部，稱為頂棚受熱面；或爐膛內壁，稱為墻式受熱面。對流式過熱器和再熱器組成：蛇形管及進出口聯(lián)箱半輻射、輻射式掛屏形式,由U型、W型管及進出口聯(lián)箱構成熱偏