第一章 锅炉基础知识.ppt
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1、第一章 锅炉基础知识 锅炉能效测试人员培训教材,宋吉民沈阳特种设备检测研究院,目 录,第一节 锅炉设备及其系统第二节 燃料特性及其燃烧 第三节 锅炉工质 第四节 传热学基础 第五节 锅炉结构,第一节 锅炉设备及其系统一 、锅炉的定义和分类1、锅炉 锅炉是利用各种燃料、电或者其他能源,将所盛装的工质加热到一定的参数,并对外输出热能的设备。特种设备中锅炉范围(条例): 容积大于或者等于30L的承压蒸汽锅炉(正常水位); 出口水压大于或者等于0.1MPa(表压),且额定功率大于或者等于 0.1MW的承压热水锅炉; 有机热载体锅炉。,“ 锅” 锅炉本体结构的汽水系统,包括 锅筒、水冷壁、对流管束、烟管
2、、 下降管、集箱、过热器、省煤器 等受压部件。“炉” 锅炉的燃烧系统,包括燃烧设备、 炉墙、炉膛以及风、煤、烟系统。,锅炉发展过程简图,2、 锅炉分类,*整(组)装锅炉(TSG G3001-2004):锅炉本体承压件已在制造厂内组焊完毕,在安 装现场不进行承压件组焊工作的锅炉。,二、锅炉的参数和型号1、锅炉参数 额定出力:蒸汽锅炉的额定出力又称为额定蒸发量,是指在额定蒸汽参数、额定给水温度、使用设计燃料时所规定的蒸发量。 热水锅炉的额定容量称为额定热功率或额定出力,指在额定回水温度、额定出口水温度、额定回水压力、额定出水压力、额定循环水量和使用设计燃料时所达到的供热量。 额定压力:额定蒸汽压力
3、是指蒸汽锅炉在规定的负荷范围内长期连续运行时应予保证的出口蒸汽压力。 额定温度:额定蒸汽温度是指蒸汽锅炉规定的负荷范围、额定蒸汽压力和额定给水温度下长期连续运行应予保证的出口蒸汽温度。 热水锅炉额定出口水温度是指热水锅炉在额定回水温度、额定回水压力、额定出水压力和额定循环水量长期连续运行时应予保证的出口热水温度。,2、锅炉型号表示方法 1)工业锅炉型号表示方法 JB/T1626-2002工业锅炉产品型号编制方法,锅炉本体型式代号,燃烧设备型式或燃烧方式代号,燃料种类代号,2)有机热载体锅炉型号表示方法 GB/T17410-2008有机热载体炉,有机热载体锅炉型号组成示意图,锅炉类型代号,燃烧设
4、备代号,炉体安置型式代号,燃料代号,3)电加热锅炉型号表示方法 JB/T1626-2002工业锅炉产品型号编制方法,锅炉本体型式分卧式和立式两种,用W代表卧式,用L代表立式;,锅炉产品型号示例说明表,三、锅炉系统和工作过程1、锅炉系统 指包含锅炉本体、锅炉管道(含锅炉工质进口管道、锅炉工质出口至用热设备的管道)、锅炉安全附件、仪表、锅炉辅助设备和锅炉控制系统的集合体,也称锅炉岛。,锅炉本体 由锅筒、炉膛、受热面及其间的集箱和连接管道(包括烟道和风道)、燃烧器、空气预热器、构架(包括平台和扶梯)、炉墙和除渣设备等所组成的整体。 锅炉范围内管道 电站锅炉,包括锅炉主给水管道、主蒸汽管道、再热蒸汽管
5、道等; 电站锅炉以外: 有分汽(水、油)缸的锅炉,包括锅炉给水(油)阀出口和分汽(水、油)缸 出口与外部管道连接的第一道环向接头的焊缝内、法兰连接的第一个法兰密 封面以内的承压管道(含分汽(水、油)缸); 无分汽(水、油)缸的锅炉,包括锅炉给水(油)阀出口和锅炉主蒸汽(水、 油)出口阀以内的承压管道。锅炉安全附件和仪表 安全阀、压力测量装置、水(液)位测量与示控装置、温度测量装置、排污和放水装置等安全附件,以及安全保护装置和相关仪表。锅炉辅助设备及系统 燃料制备,以及汽水、水处理、控制污染排放的烟气处理设备及系统。,2、工作过程1)燃烧过程:燃料在炉内燃烧,其化学贮藏能以热能的形式释放出来,使
6、火焰和燃烧产物(烟气和灰渣)具有高温。煤灰系统 以层燃炉为例,煤在炉排上经历干燥、干馏、挥发分着火燃烧和焦炭燃烧,燃尽后生成炉渣。其中大部分灰渣以炉渣形式从炉排排出,少部分以飞灰形式从烟囱排走,构成煤-灰系统。 烟风系统 空气经空气预热器被加热后送入炉排下风室,通过炉排与煤燃烧后生成烟气,烟气流经各受热面后从烟囱排出,构成烟-风系统。,2)传热过程:高温火焰和烟气通过受热面向工质传递热量。 燃料在炉膛中燃烧产生热量,以辐射换热方式将热量传递给四周水冷壁,工质被加热,温度升高,同时烟气温度下降。烟气离开炉膛后,以一定的速度流经对流受热面,以对流换热方式将热量传递给工质,使烟气温度进一步降低,最后
7、自锅炉烟囱排出。,3)汽化过程:工质被加热,其温度升高或者汽化为饱和蒸汽,或再进一步被加热成为过热蒸汽。汽水系统 锅炉给水经水泵送入锅筒,然后进入由锅筒、下降管、下集箱和水冷壁管组成的循环回路。在炉膛内,水冷壁管内工质接受炉内高温烟气的热辐射,产生汽水混合物,而与水冷壁管连同的下降管不受热,于是水冷壁管与下降管内的工质形成密度差,重者下降,轻者上升,形成自然循环。在锅炉管束中,由于各管束的工质受热不同,其工质密度也不同,依靠工质的密度差也会产生自然循环,工质不断的将受热面传来的热量吸收,使之汽化。上述各受热面构成了锅炉的汽-水系统。,第二节 燃料特性及其燃烧一、燃料及其基本特性 燃料是指在空气
8、中燃烧并能放出大量热量的气体、液体或固体,且在经济上具有利用价值的物质的总称。,锅炉燃料,固体燃料,液体燃料 石油及其制品:重油、渣油、轻柴油,气体燃料,煤 无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤、泥煤等,油页岩,生物质木材、秸杆、稻壳,天然气气田气、油田气液化石油气,煤气 城市煤气、高炉煤气、焦炉煤气,1、固体燃料1)煤的分类,工业锅炉用煤的分类,2)煤的主要特性 挥发分 挥发分高的煤,着火容易,并有利于煤的燃尽和降低固体不完全燃烧热损失。 固定碳 固定碳在炉排上燃烧发出的热量多,燃烧的好坏对锅炉影响很大。不焦结煤容易被空气吹起,增加飞灰和漏煤损失;焦结性强的煤在炉排上往往结成硬块,影响通风。灰分 燃料中
9、灰分过多,会使焦炭周围形成裹灰,阻碍和空气的接触,妨碍燃烧,延长燃煤燃尽时间,增加固体不完全燃烧热损失。 水分 水分过多,燃煤干燥时间加长,水分蒸发吸收热量,降低了炉温,不利燃煤燃烧强化,排烟热损失增加,热效率下降。 水分过低,漏煤和飞灰增加,固体不完全燃烧热损失上升。,发热量 煤在完全燃烧时所能放出的热量称为煤的发热量。煤的发热量有低位发热量和高位发热量。 为了便于对比和计算,通常将低位发热量为29308kJ/kg (约合7000kcal/kg)的煤称为标准煤。灰溶点和焦炭的粘结性 不同煤种的灰分组成变化很大,其灰熔点也不一样。通常,将灰熔点高于1425的灰称为难熔性灰,低于1200的称为易
10、熔性灰。灰熔点低的煤,易于结渣,难以燃尽,增加不完全燃烧热损失。有时,熔融的灰渣堵塞了炉排上的通风孔隙,使燃烧过程恶化。 焦炭的粘结性对于层状燃烧有显著影响,也是煤的重要特性之一。在炉排上燃烧强粘结性的煤,会引起严重结焦,阻碍通风,致使可燃物难以继续燃烧。反之,燃烧非粘结性煤,焦炭会呈粉状,燃烧层趋于密实,引起通风不良。有时还会形成局部火口,把部分细煤屑吹走,增加飞灰未燃尽损失,燃烧工况大为恶化。,2、液体燃料 锅炉燃用的液体燃料主要是重油、渣油和轻柴油。小型燃油锅炉用轻柴油作为燃料。 轻柴油质量标准主要是指硫含量、机械杂质、运动粘度、凝点、冷凝点、闪点、十六烷值等。,代表性的燃料油成分和发热
11、量,3、气体燃料 气体燃料按来源有天然气、液化石油气、干馏煤气、气化煤气、高炉煤气、焦炉煤气、城市煤气等。,常见气体燃料的成分及发热量,4、燃料的成分分析 煤是一种成分极为复杂的混合化合物,它含有C、H、O、S、N等元素。煤的元素分析除了分析它所含的元素外,还要测定水分(M)和灰分(A)等。 碳C:包括固定碳和挥发分(CmHn及CO等)中的碳;在煤中含量 最多(1590%),不易着火。 氢H:以有机化合物状态存在,易着火,发热量最高 硫S:包括可燃硫和硫酸盐硫。可燃硫生成有害物质,造成污 染,导致尾部烟道腐蚀、堵灰。,氧O:会使可燃元素含量减少,降低煤的发热量。 氮N:燃烧产生有害物质NOx,
12、会使可燃元素含量减少。 水份M:内部水份Mad和外部水份Mf。 灰份A: 是矿物质燃烧生成物,影响燃烧,造成积灰、结渣、 堵塞和磨损,含量相差较大。,可燃元素,不可燃元素,不可燃杂质,由于煤中灰分和水分含量容易受外界条件的影响而发生变化,所以单位质量的煤中其他成分的质量分数也会随之而变化,即使是同一种煤,也会出现上述情况。因此,需要根据煤存在的条件或根据需要而规定的“成分组合”作为基准,才能正确地反映煤的性质。常用的基准 (1)收到基ar : 以收到状态的煤为基准计算煤中全部成分的组合。 Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100% (2)空气干燥基ad :以空气干燥过的煤
13、为基准计算煤中成分的组合。 (3)干燥基d :以假想无水状态的煤为基准计算煤中成分的组合。 (4)干燥无灰基daf : 以假想无水、无灰状态的煤为基准计算煤中成分的组合。,煤的成分图解,5、燃料的发热量 燃料的发热量是指1kg燃料(气体燃料用1m3)完全燃烧时所发出的热量,单位是 kJ/kg (或kJ/m3)。高位发热量:单位质量(重量)的固体或液体燃料、单位体积的气体燃料在 特定的条件下完全燃烧所释放的热量,其中包括烟气中水蒸汽凝结成水 时放出的热量。低位发热量:单位质量(重量)的固体或液体燃料、单位体积的气体燃料在 特定的条件下完全燃烧所释放的热量中扣除烟气中水蒸汽凝结成水的汽 化潜热所得
14、的热量。 所以相同基燃料的高、低位发热量的差别是烟气中水蒸气吸收的汽化潜热。,二、燃料燃烧1、燃烧 某种物质与氧或含氧物质急剧反应并放出大量热与光的化学反应。 燃料在进行燃烧反应时,一定同时出现吸热和放热,这种热称为反应热或燃烧热。燃烧反应的化合物称为燃烧产物。燃烧的三个要素: 可燃物 足够高的着火温度 充足氧气或空气燃料完全燃烧的四个条件: 温度条件有足够高的炉膛温度 空气条件供给足够的空气 燃料与空气的混合条件燃料和空气良好的接触 时间与空间条件需要一定的时间和足够的空间,2、煤的燃烧 a.预热干燥阶段 :加热、析出水分,大量吸热; b.挥发分析出着火阶段: CmHn、CO、H2等可燃气体
15、析出,少量吸热; c.焦炭燃烧阶段:挥发份首先燃烧,造成高温使碳着火燃烧,大量放热; d.燃尽阶段 :碳粒燃尽形成灰渣,少量放热。3、液体燃料燃烧 a.油的雾化阶段:油经过燃烧器被雾化成细小的油滴喷人炉膛内; b.油滴蒸发和热分解阶段:炉膛内的油滴,吸收炉膛内的热量,开始蒸 发,随着温度升高不断分解和扩散成油气; c.油气与空气的混合阶段:油气在炉膛内遇到一、二次风被扰动,与空气 充分混合,形成可燃气混合物; d.混合气着火和燃烧阶段:混合物继续吸热,温度升高,当达到油的着火 温度便开始着火燃烧直到结束。4、气体燃料燃烧 a.与空气混合阶段:可燃气体与空气混合; b.混合气体燃烧阶段:混合气体
16、达到可燃程度,遇明火进行燃烧。,三、锅炉典型燃烧方式1、层燃燃烧 也称层状燃烧或火床燃烧。是通过人工或机械设备将燃料送到固定、移动的炉排上形成煤层,空气从炉排下面送入,经炉排的孔隙并穿过燃料层使燃料燃烧。 固体燃料 链条炉排和固定炉排。,(1)链条炉排的燃烧 链条炉排的燃烧过程 .燃料预热干燥区段 .挥发分析出并燃烧区段 .焦炭燃烧区 .灰渣燃尽区段,链条炉排上煤层燃烧阶段的分布-燃料预热干燥区段;-挥发分析出并燃烧区段;-a焦炭氧化区段;-b焦炭还原区段;-灰渣燃尽区段;,链条炉的燃烧特性 “单面着火”链条炉的单面着火给链条炉的煤种适应性带来限制。,(2)链条炉排的配风 燃煤在链条炉排上沿炉
17、排长度方向分区段燃烧,各区段燃烧时所需要的氧气是不同的。如果炉排下供入的空气不加以控制地送入,即采取统仓送风,那么炉排两端供应的空气过多,中部则相对不足;当锅炉容量较大时,为了均匀配风,还需布置两面进风。,两端少,中间多分段送风,炉排下的 风室分成4-6个小风室宽炉排采用双侧进风,(3)二次风 二次风是指不经过燃料层,而从火床上方高速喷入炉膛的若干股强烈气流。 这些气流,大部分是空气,但也有少部分锅炉采用蒸汽或烟气作为二次风。 作用 可燃气体与空气的混合作用 辅助着火作用 调节风量的作用,(4) 炉拱 指突出于炉膛内部,且墙面向下的那部分倾斜或水平的炉墙。 前拱、中拱、后拱 加强炉内气流的混合
18、; 合理组织炉内的热辐射和热烟气流动。,(5)链条炉排锅炉对煤质要求 结焦性 结焦性强,燃料表面板结成块,增加床层阻力,空气流通困难,影响煤的燃烧和燃尽;水分、灰分和灰熔点 水分过高,使着火推迟,燃尽困难,排烟损失增大; 水分过低,使飞灰和漏煤量增加,相应的q4损失也增大; 灰分过高,使焦炭裹灰严重,不易燃尽; 灰熔点低,易使熔渣阻塞通风孔,破坏燃烧过程。颗粒度分布 颗粒度影响煤层通风的均匀性、漏煤量和煤的燃尽。 GB/T18342-2001链条炉排锅炉用煤技术条件中规定:链条炉排锅炉级用煤颗粒度为625mm,限下率小于30%;链条炉排锅炉级用煤颗粒度小于50mm时,小于6mm的细煤粉含量不大
19、于30%;颗粒度小于30mm时,小于3mm的细煤粉含量不大于30%。,(6)链条炉排燃烧调整 燃烧调整原则 链条炉的燃烧调整是对给煤量和送风量进行必要的调整,以适应煤种和负荷的变化并获得良好的燃烧工况,保证锅炉燃烧的经济性及安全性。 调整的手段主要有炉排速度、煤层厚度及各风室的风门开度等。 炉排速度的调整 炉排速度不但要与负荷相适应,还要与燃煤的着火特性有关。挥发分 低的煤,不容易着火,因此,炉排速度应采用慢速,以保证着火。挥发分 高的煤,炉排速度应采用快速,炉排速度过慢会使着火点过于靠前,以致 烧坏煤闸门。,煤层厚度调整 链条炉的煤层厚度主要根据燃料的种类、特性和颗粒度进行调整。煤层不宜太厚
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