《能源動力裝置基礎》.ppt

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1 第九章鍋爐 第一節(jié)鍋爐概述一 鍋爐的構成及工作過程 一 鍋爐的作用 鍋爐是利用礦物燃料燃燒產生的熱能或工業(yè)生產中的余熱 將工質加熱到一定溫度和壓力的換熱設備 鍋爐就是生產具有一定壓力 溫度的蒸汽的設備 電站鍋爐 是火電廠三大主機之一 又稱為蒸汽發(fā)生器 工業(yè)鍋爐 產生的蒸汽 或熱水 直接供給工業(yè)生產過程和人民生活所需要的熱能 或通過蒸汽動力機械轉換為機械能 2 火力發(fā)電廠能量轉換的基本過程鍋爐汽輪機發(fā)電機燃料的化學能蒸汽的熱能轉軸的機械能電能在鍋爐內實現(xiàn)下敘過程燃燒熱交換燃料的化學能煙氣的熱能蒸汽 或熱水 的熱能 3 4 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 鍋爐汽水系統(tǒng)由汽包 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 5 6 三 電站煤粉鍋爐機組示意圖 7 四 鍋爐熱交換受熱面 水冷壁布置在爐膛內壁的蒸發(fā)受熱面 主要吸收爐膛的輻射熱 過熱器主要布置在爐膛出口及水平煙道 大型鍋爐還可布置在爐膛的上部和尾部煙道 吸收爐膛的輻射熱和對流熱將飽和蒸汽加熱至具有一定 P t 的過熱蒸汽 再熱器主要布置在爐膛的水平煙道和尾部煙道 大型鍋爐還可布置在爐膛上部的內壁 吸收對流熱 對于后者還吸收爐膛的輻射熱將汽機中作過功的蒸汽再加熱 省煤器布置在鍋爐尾部煙道 吸收煙氣的對流熱加熱鍋爐給水 空氣預熱器布置在鍋爐尾部煙道或鍋爐外 吸收煙氣的對流熱 用于加熱燃料燃燒所需的空氣 8 冷空氣煙氣煙氣煙氣煙囪引風機除塵器空氣預熱器細微灰粒飛灰 二次風 灰渣溝原煤排粉風機 一次風 煙氣煙氣給煤機磨煤機燃燒器爐膛水平煙道尾部煙道原煤風 粉風 粉未燃煤?；以以以以鼫吓旁b置冷灰斗未燃煤粒未燃煤粒 五 煤 風 煙系統(tǒng)及流程 9 汽機主凝結水水水汽水混合物給水泵省煤器汽包汽水分離器 化學補充水汽水混合物下降管下聯(lián)箱水冷壁上聯(lián)箱導汽管水水水汽水混合物汽水混合物 飽和蒸汽過熱蒸汽過熱器汽輪機 六 汽 水系統(tǒng)及流程 10 一 鍋爐參數(shù) 額定蒸發(fā)量在額定蒸汽參數(shù) 額定給水溫度和使用設計燃料 保證熱效率時所規(guī)定的蒸發(fā)量 單位為t h 或kg s 最大連續(xù)蒸發(fā)量 對大型鍋爐 在額定蒸汽參數(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 單位為t h 或kg s 供熱量 工業(yè)熱水鍋爐 單位為kW 或kcal h 蒸汽鍋爐額定蒸汽參數(shù)在規(guī)定負荷范圍內長期連續(xù)運行應能保證的出口蒸汽參數(shù) 包括額定蒸汽壓力 對應規(guī)定的給水壓力 單位是Mpa 額定蒸汽溫度 對應額定蒸汽壓力和額定給水溫度 單位是0C 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 單位分別是MPa和0C 二 鍋爐的特性 11 二 電站鍋爐型號 例HG 670 13 72 M哈爾濱鍋爐廠制造 額定蒸發(fā)量670t h 額定蒸汽壓力13 7Mpa燃煤鍋爐SG 1000 16 66 YM2上海鍋爐廠制造 額定蒸發(fā)量1000t h 額定蒸汽壓力16 66Mpa燃用煙煤鍋爐 第二次設計 12 工業(yè)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 13 三 鍋爐類型 按用途分 電站鍋爐 用于發(fā)電 參數(shù)高 容量大 工業(yè)鍋爐 用于工業(yè)生產和供熱 參數(shù)低 容量小 其中 又有蒸汽鍋爐和熱水鍋爐 按鍋爐參數(shù)分 低壓 表壓 2 4MPa 中壓 表壓2 9 4 9MPa 高壓 表壓7 84 10 8MPa 超高壓 表壓11 8 14 7MPa 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 14 按鍋爐燃燒方式分 有層燃爐 室染爐 流化床爐 15 其中 層燃爐 煤塊在爐排上燃燒 燃燒所需空氣從爐排低下送入 爐排在旋轉 室燃爐 燃料以粉狀 霧狀或氣態(tài)隨空氣噴入爐膛 懸浮燃燒 而煤粉爐又分固態(tài)排渣煤粉爐和液態(tài)排渣煤粉爐 流化床爐 固體燃料在高速氣流作用下 在布風板上的床料層上下翻滾 呈流化狀態(tài)燃燒 另外還有旋風爐 燃料和空氣在高溫旋風筒內高速旋轉 細小的燃料顆粒在其中懸浮燃燒 較大的顆粒被拋向筒壁液態(tài)渣膜上進行燃燒 16 按鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質流動方式分 有自然循環(huán)汽包鍋爐和強制循環(huán)汽包鍋爐 1 自然循環(huán)汽包鍋爐具有汽包 利用下降管和上升管 水冷壁 中工質密度差產生工質循環(huán) 循環(huán)倍率約為4 10 是亞臨界壓力以下鍋爐的主要形式 循環(huán)倍率 上升管進口水量和上升管出口蒸汽量之比 17 2 強制循環(huán)汽包鍋爐具有汽包和循環(huán)泵 利用循環(huán)回路中工質密度差和循環(huán)泵壓頭使工質循環(huán) 循環(huán)倍率約為3 5 只能在臨界壓力以下應用 18 直流鍋爐無汽包 給水靠給水泵壓頭一次通過各受熱面產生蒸汽 循環(huán)倍率約為1 可在高壓以上任何壓力下應用 另外 還有直流鍋爐和低倍率循環(huán)鍋爐 19 低倍率循環(huán)鍋爐無汽包 具有汽水分離器和再循環(huán)泵 靠再循環(huán)泵實現(xiàn)工質再循環(huán) 循環(huán)倍率約為1 2 2 多用于亞臨界壓力 20 表9 1我國電站鍋爐參數(shù) 容量系列 21 三 鍋爐安全 經濟性指標 一 鍋爐運行安全性指標鍋爐連續(xù)運行小時數(shù)鍋爐在兩次檢修之間的運行小時數(shù) 5000h 2 鍋爐可用率 總運行小時數(shù) 總備用小時數(shù) 統(tǒng)計期間總小時數(shù) 一年 約90 3 鍋爐的事故率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) 約1 22 二 鍋爐運行經濟性指標 鍋爐熱效率式中Q1 鍋爐有效利用熱Qr 鍋爐在單位時間內所消耗燃料的輸入熱量 大容量電站鍋爐大于90 工業(yè)鍋爐約60 80 鍋爐有害物質排放物鍋爐燃燒產生的污染物主要有 煙霧 粉塵 溫室氣體 23 作業(yè)題與思考題 1 敘述電站燃煤鍋爐的主要系統(tǒng) 主要部件的作用 2 敘述電站燃煤鍋爐的工作過程 3 敘述鍋爐運行的安全性指標和經濟性指標 4 敘述鍋爐的類型 24 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 我國鍋爐燃料以燃煤為主 而且主要是燃燒劣質煤 25 一 煤的組成成分 煤的成分分析一般有化學元素分析和工業(yè)分析法 煤的化學元素分析成分碳 C 氫 H 硫 S 氧 0 氮 N 煤的工業(yè)分析成分水分 M 灰分 A 揮發(fā)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 包括固定碳和揮發(fā)分 CH4 H2C2及CO等 中的C 在煤中含量最多 50 90 發(fā)熱量為32700kj kg 碳化程度越深 固定碳含量越高 含碳量高 不易著火 2 氫H元素 以化合物狀態(tài)存在 發(fā)熱量高 達120000kj kg 碳化程度越深 氫的含量越少 氫易著火燃燒 在煤中含量為 1 6 3 硫S元素 包括可燃硫 Sr 和硫酸鹽硫 Sly 可燃硫燃燒后生成有害物質 造成環(huán)境污染 導致尾部煙道腐蝕 堵灰 27 不可燃元素O N 雜質煤中的氧 O 含量在 1 40 碳化程度越深 氧的含量越少 氧能助燃 但會使煤中可燃元素含量減少 降低煤的發(fā)熱量 煤中的氮 N 含量少 約 0 5 2 5 燃燒產生有害物質NOx 污染環(huán)境 氮的含量會使可燃元素含量減少 雜質 水份 M 內部水份和外部水份 煤中水的含量在 5 60 灰份 A 是礦物質燃燒生成物 煤中灰份的含量在 5 45 多的可達 60 70 影響燃燒 造成積灰 結渣 堵塞和磨損 揮發(fā)份 可燃氣體 煤中的氫 氧 氮 硫與部分碳所組成的有機化合物加熱后分解形成 碳化程度越淺的煤 揮發(fā)份含量越高 揮發(fā)份易著火燃燒 揮發(fā)份是煤的重要特性 28 三 煤的成分基準 1 收到基 ar 舊稱應用基 y 以進入鍋爐煤 包括煤的全部成分 為基準2 空氣干燥基 ad 舊稱分析基 f 以風干狀態(tài)煤 除去外部水分 為基準 煤的成分分析一般用百分比表示 通常有以下四種基準 29 3 干燥基 d 舊稱干燥基 g 以去掉全部水分煤為基準4 干燥無灰基 daf 舊稱可燃基 r 以去掉全部水分及灰分煤為基準 在煤質分析中 常采用空氣干燥基和干燥無灰基 在鍋爐設計計算時 必需知道煤的收到基 不同基準之間的換算關系為 X K式中 按原基準計算的某成分的質量百分比 K 換算系數(shù) 表9 4 X 按新基準計算的某成分的質量百分比 30 31 四 煤的發(fā)熱量 1 煤的發(fā)熱量 kJ kg 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 通常鍋爐排煙溫度一般為110 180 煙氣中的水蒸汽不會凝結 所以在熱力計算中是用低位發(fā)熱量 2 高 低位發(fā)熱量之間的關系為 二者之差別就是汽化潛熱r 2510kJ kg標準煤 為了進行經濟比較 規(guī)定以收到基低位發(fā)熱量為29270kJ kg 7000kCal kg 的煤為標準煤 則各種煤的消耗量可以通過其收到基低位發(fā)熱量折算成標準煤 32 五 煤的灰分特性及分類 煤的灰分特性 灰熔點 煤的灰分在熔融狀態(tài)下會粘結在鍋爐受熱面上造成結渣 結焦 影響鍋爐的安全性和經濟性 這一特性與灰的成分及含量有關 煤的灰分特性可用灰的三個特征溫度表示 灰的變形溫度DT 舊稱 灰的軟化溫度ST 舊稱 灰的熔化溫度FT 舊稱 33 2 煤的分類按煤中揮發(fā)分含量高低依次可分為褐煤 煙煤 貧煤 無煙煤 揮發(fā)分低的煤 含碳量高 通常水分或灰分較低 揮發(fā)分高的燃料容易著火 燃燒與燃盡 含碳量高發(fā)熱量高 固定碳不易著火 燃燒 水分 灰分高發(fā)熱量低 爐膛溫度下降 燃料著火 燃燒越困難 受熱面腐蝕 堵灰 結渣及磨損加重 34 無煙煤 碳化程度高 含碳量高 發(fā)熱量一般為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)熱量一般為20000 30000KJ kg 揮發(fā)分含量 10 45 容易著火 燃燒 而劣質煙煤中揮發(fā)分中等 但水分 灰分量高 發(fā)熱量低 所以 著火 燃燒較困難 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 略 35 三 煤的燃燒計算 煤的燃燒計算是進行鍋爐設計的基礎 通過燃燒計算以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 以便進行鍋爐熱平衡計算 對流受熱面的傳熱計算 煤的燃燒反應煤中可燃元素的燃燒反應是燃燒計算的基礎 1kg收到基煤包括 36 如碳完全燃燒反應方程式C O2 CO212kgC 22 41Nm3O2 22 41Nm3CO2由上式可得1kgC和H S完全燃燒所需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 燃燒所需空氣量 1 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 可通過燃料中可燃元素 C H S 的燃燒化學反應方程式求得 即則1kgC完全燃燒最少需要22 41 12 1 866的 并產生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的氫 100kg的硫和 100kg的氧氣 故1kg收到基燃料燃燒所需要的理論空氣量等于各可燃元素完全燃燒所需空氣量之和再減去燃料本身的含氧量 而空氣中含氧量的容積百分數(shù)21 則理論空氣量為 2 實際空氣量V 由于空氣和燃料不可能完全混合 為了使煤燃盡 實際送入爐膛的空氣量應大于理論空氣量 這里 用過剩空氣量系數(shù)說明 39 3 過?？諝庀禂?shù) 實際空氣量V與理論空氣量之比稱為過?？諝庀禂?shù) 即過剩空氣系數(shù) 是鍋爐運行的重要參數(shù) 通常用爐膛出口處的過?？諝庀禂?shù)來描述空氣量對燃燒過程的影響 大 增加排煙損失 使爐膛溫度降低 增加風機功率 反之 會增大不完全燃燒 對于負壓鍋爐 空氣可通過爐墻 煙道等處漏入 使得煙氣中過剩空氣增加 爐膛后任意一煙道截面處的過?？諝庀禂?shù)為式中 漏風系數(shù) 為漏入空氣量與理論空氣量之比 即 40 二 燃燒產物 煙氣 容積 1 煙氣容積 煤燃燒后生成煙氣 煙氣中含有和 理論煙氣容積 煤完全燃燒 1 時煙氣具有的容積為理論煙氣容積 實際煙氣容積 當 1 完全燃燒時煙氣具有的容積為實際煙氣容積 除了那四種生成物外還有剩余的 因此 理論煙氣容積為 實際煙氣容積為 41 1 二氧化碳和二氧化硫的容積 2 理論氮氣容積氮氣來源于空氣和燃料 42 3 理論水蒸汽容積 包括燃料中氫燃燒生成的水蒸汽容積 燃料中的水份 隨空氣進入的水蒸汽容積 即式中 為1kg空氣的含濕量 通常 10g kg 1 293和0 804是標準狀態(tài)下干空氣和水的密度 43 過量空氣中的氮氣容積 氧氣容積及帶進的水蒸汽容積 綜合起來 燃料完全燃燒時所生成的實際煙氣容積為 44 2 煙氣的焓值 空氣和煙氣的焓值 是指在等壓條件下 將1kg燃料燃燒所需要的理論空氣和生成煙氣量從0加熱到 所需的熱量 用和表示 單位為KJ kg 煙氣為混合物 其焓值為 其中 理論煙氣焓值 1 為理論空氣焓值為飛灰的焓值為 以上各式中1kg飛灰 1空氣及煙汽等在溫度 時的焓值查表9 5 煙氣各成分的焓值 45 四 鍋爐的熱平衡鍋爐的熱平衡是指輸入鍋爐的熱量與其輸出熱量的平衡 其中 輸出熱量包括蒸汽 熱水的有效熱和各種熱損失 見圖9 5 一 鍋爐熱平衡方程式鍋爐熱平衡方程式式中 輸入熱量有效利用熱排煙損失化學不完全燃燒熱損失機械不完全燃燒熱損失散熱損失其他熱損失 46 二 輸入鍋爐熱量 輸入鍋爐的熱量包括 式中 燃料收到基低位發(fā)熱量 燃料的物理顯熱 外來熱源加熱空氣時帶來的熱量 霧化燃油帶來的熱量 對于燃煤鍋爐 如果燃料和空氣都沒用外界熱量 且燃煤水份滿足 47 三 鍋爐的各項損失 鍋爐損失包括燃料未完全燃燒及未被充分利用熱量兩部分 1 機械不完全燃燒損失 機械不完全燃燒損失是指灰渣 飛灰中的未燃燒 未燃盡的固體可燃物 碳 被排出爐外所造成的熱損失 這是燃煤鍋爐的主要熱損失 對于固態(tài)排渣爐 取0 5 5 火床爐取7 15 氣體 液體燃料爐取零 2 化學不完全燃燒損失 化學不完全燃燒損失是指未完全燃燒的可燃氣體 隨煙氣排放到大氣所造成的熱損失 對于煤粉爐 取0 氣體 液體燃料爐取0 5 火床爐取 0 5 1 0 影響燃料未完全燃燒的因素 燃料性質 燃燒方式 燃燒設備的結構與布置 爐膛溫度 過剩空氣系數(shù) 48 3 排煙損失 排煙損失是指排煙物理顯熱造成的損失 為排煙焓與進入鍋爐冷空氣焓之差 即式中 排煙焓 進入鍋爐冷空氣焓 排煙處的過?？諝庀禂?shù) 是鍋爐最大的一項熱損失 一般為5 12 影響排煙損失的主要因素 排煙溫度和排煙處的過剩空氣系數(shù) 每增加10 20 排煙損失增加1 過低 會造成尾部受熱面腐蝕和堵灰 一般為110以上 降低過?？諝庀禂?shù)可降低排煙損失 49 4 散熱損失 散熱損失是由于爐墻 金屬結構 汽水管道 煙風管道等的溫度高于周圍環(huán)境溫度所造成的 散熱損失可插表圖9 6表 一般鍋爐越大 散熱損失越小 當容量 900t h 取0 2 影響散熱的主要因素 鍋爐外表面積的大小 溫度 爐墻結構及保溫性能 環(huán)境溫度 5 其他熱損失 其他熱損失主要是指灰渣排出時的物理顯熱所造成的損失 對于固態(tài)排渣煤粉爐 只有當燃料中的灰份時才計及灰渣物理顯熱損失 式中 灰渣的焓 按灰渣溫度 600 800 查表9 6 50 四 鍋爐有效利用熱 鍋爐有效利用熱是指將給水加熱至過熱蒸汽 或飽和汽或熱水 所需的總熱量 對于熱水爐 有 對于飽和蒸汽爐 有 對電站鍋爐 則 51 式中 Q 受熱面中工質 水 蒸汽 的總吸熱量 kJ sB 燃料消耗量 kg s r 汽化潛熱 W 蒸汽帶水量 過熱蒸汽量 再熱蒸汽量 排污量 飽和蒸汽量 熱水量 kg s 過熱蒸汽焓 給水焓 飽和水焓 kJ kg 再熱蒸汽出口和進口焓 熱水出口 進口焓 kJ kg 52 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與鍋爐送入熱量之比 即 9 30 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 根據(jù)前面 9 27 9 30 式可求得 計算燃料消耗量 考慮了不完全燃燒損失后 實際燃料消耗量為 9 34 53 作業(yè)題與思考題 1 煤的元素分析成分和工業(yè)分析成分是什么 2 煤的揮發(fā)分 水分 灰分和硫對鍋爐工作有何況影響 3 解釋專業(yè)名詞 揮發(fā)分 煤的高位發(fā)熱量 低位發(fā)熱量 理輪空氣量 實際空氣量 過剩空氣系數(shù) 漏氣系數(shù) 鍋爐熱平衡 4 敘述鍋爐運行時的各項損失及產生原因 54 第三節(jié)燃料燃燒及燃燒設備 一 燃燒基本概念1 燃燒 燃料的燃燒是一種發(fā)光放熱的高速化學反應 反應速度與溫度 濃度等有關 當反應系統(tǒng)溫度或濃度升高時 化學反應速度顯著增大 1 均相燃燒燃料和氧化劑物態(tài)相同 如氣體燃料在空氣中燃燒 2 多相燃燒燃料和氧化劑物態(tài)不同 如固體燃料在空氣中燃燒 55 2 煤燃燒過程的四個階段 大 中型煤粉鍋爐是將煤粉用燃燒器將煤粉噴入爐膛作懸浮燃燒 固態(tài)燃料的燃燒過程一般有四個階段 1 預熱干燥階段 加熱 析出水分 大量吸熱 2 揮發(fā)份析出階段 CmHn CO H2等可燃氣體析出 少量吸熱 3 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 4 燃盡階段 碳粒燃盡形成灰渣 少量放熱 56 3 燃燒化學反應速度 主要取決于化學反應的溫度及活化能的大小 其相互關系為其中 R 氣體常數(shù) T 反應溫度 K E 活化能 為發(fā)生化學反應所需的最低能量 取決于反應物的種類 無煙煤活化能數(shù)值較大 化學反應需要在較高的溫度下進行 上式表明 化學反應速度與溫度成指數(shù)函數(shù)關系 當反應溫度T升高時 化學反應速度顯著增大 如圖9 7所示 4 完全燃燒的條件 1 保證足夠的爐膛溫度 2 供應適量的空氣 3 促進燃料與空氣充分混合 4 保證足夠的燃燒空間和時間 57 一 煤粉制備將煤磨成粉后 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 1 煤粉細度 煤粉顆粒的粗細用煤粉細度Rx表示 煤粉細度用一組標準篩子進行篩分測定的 取一定量的煤粉試樣 篩子上煤粉的剩余量占煤樣總重量的質量百分比稱為煤粉細度Rx 顯然Rx越小 煤粉越細 最佳的煤粉細度應保證燃燒充分且制粉能耗小 2 煤粉制備系統(tǒng) 煤粉制備系統(tǒng)由磨煤機及輔助設備組成 二 煤粉爐的燃燒設備 磨煤機低速磨 16 25 r min中速磨 50 300 r min高速磨 500 1500 r min 制粉系統(tǒng)中間儲倉式系統(tǒng)直吹式系統(tǒng) 58 A 磨煤機磨煤機是制粉系統(tǒng)的主要設備 按其轉速不同 分為低速磨 中速磨 高速磨 1 低速磨 低速磨主要有普通筒式鋼球磨 雙進雙出筒式鋼球磨 筒式鋼球磨的圓筒由電動機帶動低速轉動 燃料和干燥劑 熱空氣 從磨的一端的空心軸進入圓筒 在圓筒內煤被干燥 并經筒內裝有的大量鋼球打碎 研磨成粉 隨后被干燥劑從磨的另一端帶出 結構簡單 工作可靠 噪音大 對鍋爐負荷適應性較差 一般用于中間儲倉制粉系統(tǒng) 雙進雙出筒式鋼球磨是近期引進的新型低速磨 其結構與普通筒式鋼球磨相似 兩端的空心軸內有空心圓管 圓管外有螺旋輸送裝置 空心圓管進熱風和原煤 而螺旋輸送把煤粉混合物送出 59 60 61 雙進雙出筒式鋼球磨 是近期引進的新型低速磨 其結構與普通筒式鋼球磨相似 兩端的空心軸內有空心圓管 圓管外有螺旋輸送裝置 空心圓管進熱風和原煤 而螺旋輸送把煤粉混合物送出 62 2 中速磨中速磨有盤式磨 輥 盤式 碗式磨 輥 碗式 環(huán)式磨 輥 環(huán)式 球 環(huán)式 原煤經落煤管進入兩組相對運動碾磨之間 在壓緊力的作用下被擠壓 研磨成粉 熱風經四周風環(huán)進入磨煤機 對被甩至此處的煤粉進行干燥并將煤粉帶入粗粉分離器進行分離 不合格的煤粉返回磨煤機重磨 細粉則送出磨外 63 圖9 11平盤中速磨1 減速齒輪 2 磨盤 3 磨輥 4 加壓彈簧 5 落煤管 6 分離器 7 風環(huán) 8 煤粉出口 64 3 高速磨 風扇磨 高速磨由葉輪 帶有護甲的蝸殼和粗粉分離器組成 裝有沖擊板的葉輪由電機帶動高速旋轉 原煤和干燥劑一起被吸入磨煤機內 煤被轉動的沖擊板打碎 甩到護甲上再次被撞擊成煤粉 煤粉借助風扇產生的壓頭由干燥劑攜帶經粗粉分離器帶出 高速磨和中速磨通常配直吹式制粉系統(tǒng) 圖9 12風扇磨煤機 65 B 制粉系統(tǒng)1 鋼球磨中儲式制粉系統(tǒng)鋼球磨中間儲倉式制粉系統(tǒng)經磨煤機磨好的煤粉先儲藏在煤粉倉內 然后根據(jù)鍋爐負荷的需要將煤粉送入爐膛 圖9 6中儲式制粉系統(tǒng) 熱風送粉系統(tǒng) 1 原煤倉 2 給煤機 3 磨煤機4 粗粉分離器 5 細粉分離器6 煤粉倉 7 給粉機 8 混合器 9 燃燒器 10 空氣預熱器 11 排粉機 12 一次風機 13 送風機 煤1 2 3 4 5 6 7 8 9風13 1013 10 12 13 10 95 11 9 一次風 二次風 磨煤乏氣 三次風 66 鋼球磨中儲式制粉系統(tǒng) 67 在鋼球磨中儲式制粉系統(tǒng)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 68 69 中速磨直吹式制粉系統(tǒng) 70 二 燃燒器及其布置 1 直流燃燒器一 二 三次風分別由垂直布置的一組圓形或矩形的噴口 以直流自由射流的形式噴入爐膛 煤粉氣流著火的熱量 來自直流射流外邊界卷吸爐內高溫煙氣的熱量 直流燃燒器出口直流射流射程長 卷吸量小 適合于無煙煤 劣質煤使用 在煤粉爐中 是用燃燒器將煤粉和風噴入爐膛的 煤粉在其中作懸浮燃燒 爐膛的結構應能合理地布置受熱面和燃燒器 以形成良好的空氣動力場 保證完全燃燒而又不結渣 作用 燃燒器是煤粉鍋爐的主要燃燒設備 保證煤粉氣流及時穩(wěn)定著火 一 二次風適時混合 擾動強烈 具有良好的調節(jié)性 以適應燃料 負荷變化 減少Nox的生成 保護環(huán)境 在爐膛下部的燃燒器內具備重油噴嘴 作為點火和低負荷穩(wěn)燃之用 一般有直流燃燒器 旋流燃燒器 71 1 直流燃燒器及其布置 由于燃燒器中一 二次風口布置不同 直流燃燒器可分為均等配風和分級配風兩種形式 均等配風 煙煤型 一 二次風相間布置 即在二個一次風口之間均等布置一個或二個二次風口 一 二次風口距離較近 有利于混合 著火和燃燒 72 分級配風 無煙煤型 一次風相對集中布置 而二次風口與一次風口則保持一定的距離 二次風分階段送入燃燒的煤粉氣流中 促使已著火煤粉的燃燒過程繼續(xù)擴展 強化混合擾動 有利于燃盡 一次風口集中布置可以增大煤粉濃度 使火焰中心溫度升高 這些都有利于無煙煤 劣質煤的著火 燃燒 直流燃燒器最高層的上二次風 供上排煤粉燃燒的空氣 補充爐內未燃盡碳所需空氣 最下層的下二次風 能托起從煤粉氣流分離出的煤粉 使之燃燒 減少機械不完全燃燒損失 三次風口通常布置在燃燒器最上部 73 直流燃燒器布置方式 為了保證揮發(fā)份低的煤種穩(wěn)定著火 直流燃燒器多采用四角布置切圓燃燒方式 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 74 75 2 旋流燃燒器及其布置 旋流燃燒器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 適合煙煤使用 根據(jù)產生旋轉射流的旋流器型式的不同 旋流燃燒器主要有 1 蝸殼式旋流燃燒器蝸殼式旋流燃燒器又分直流蝸殼式 雙蝸殼式兩種 直流蝸殼式旋流燃燒器的二次風經渦殼旋流器產生旋轉 一次風為直流 出口出裝有擴流錐 可調節(jié)一次風氣流的擴展角 擴流錐尾跡內回流區(qū)有利于煤粉氣流的著火 雙蝸殼式旋流燃燒器的一 二次風均旋轉 有利于混合 76 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 77 圖9 15雙蝸殼式旋流燃燒器 78 2 軸向可動葉輪旋流燃燒器軸向可動葉輪旋流燃燒器 一次風氣流為直流或靠擋板產生弱旋轉射流 出口裝有擴流錐 二次風通過軸向葉片產生旋轉 葉輪可沿軸向移動 調節(jié)性能好 旋流燃燒器出口煤粉氣流是靠旋轉射流內外同時卷吸高溫煙氣而引燃的 卷吸量大 但射程短 適用于揮發(fā)份較高的煤種 79 80 旋流燃燒器的布置方式 旋流燃燒器常采用前墻布置 兩面墻對沖或交錯布置 圖9 16 81 82 第四節(jié)鍋爐受熱面 鍋爐受熱面 是吸收爐內熱量來加熱工質的表面式換熱器 主要包括蒸發(fā)受熱面 水冷壁 過熱器 再熱器 省煤器及空氣預熱器 以完成水的加熱 蒸發(fā)和過熱 蒸汽的再熱及空氣的預熱 一 蒸發(fā)受熱面 水冷壁 一 蒸發(fā)受熱面的作用與結構 蒸發(fā)受熱面是指工質在其中吸熱 汽化的受熱面 主要是指敷設在爐膛四周爐墻上的水冷壁 用以吸收爐膛中的輻射熱 為了降低爐膛出口溫度 保護爐墻 防止爐壁結渣 還要將后墻水冷壁拉稀成凝渣管束 現(xiàn)代大型鍋爐的水冷壁已成為鍋爐的主要受熱面 因為爐內溫度高 水冷壁吸收輻射熱的能力很強 這樣可減少受熱面積 節(jié)約鋼材 同時可降低高溫 保護爐墻和防止結渣 83 1 水冷壁與自然循環(huán) 1 水冷壁自然循環(huán)鍋爐的水冷壁通常用無縫鋼管制成 水冷壁通常垂直布置在爐膛四周 上部與汽包或上聯(lián)箱相連接 并固定在鋼架上 下部與下聯(lián)箱相連接 可自由膨脹 水冷壁布置疏密程度用相對節(jié)距s d s為管間節(jié)距 d為管徑 表示 如下圖所示 中 小型鍋爐常采用光管水冷壁 中 大型鍋爐常采用膜式水冷壁 膜式壁爐膛氣密性好 可減少漏風 降低熱損失 提高鍋爐效率 并可降低受熱面金屬耗量和爐墻重量 便于采用懸吊結構 圖9 25 84 85 2 循環(huán)回路為減少并列管之間的熱偏差 水冷壁分為若干個獨立的循環(huán)回路 自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)回路包括若干根不受熱的下降管 接受爐內輻射熱的水冷壁管 上部與汽包連接 并固定在鋼架上 下部與下聯(lián)箱連接 可自由膨脹 汽包中的爐水自下降管經下聯(lián)箱引入水冷壁 爐水在水冷壁中接受爐內高溫煙氣的輻射熱以形成汽水混合物 由于工質密度差造成的動力循環(huán) 汽水混合物并沿水冷壁上升到汽包 以形成自然保護循環(huán)回路 圖9 26 86 3 汽包 汽包是自然循環(huán)鍋爐和強制循環(huán)鍋爐的重要受壓部件 其作用主要是 1 汽包是工質加熱 蒸發(fā) 過熱三個過程的連接樞紐 保證鍋爐水循環(huán) 2 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 87 88 4 運動壓頭Syd如右下圖所示 在穩(wěn)定流動時 下連箱兩側的壓力應相等 即式中 xj ss H p分別為下降管與上升管中工質密度及循環(huán)回路高度及汽包壓力 為下降管與上升管流動阻力損失 89 經整理 有所以 為了維持回路自然循環(huán)的動力 運動壓頭在數(shù)值上等于下降管與上升管中工質柱重之差顯然 H和密度差越大 運動壓頭越大 自然循環(huán)可靠性越高 反之越差 隨著鍋爐容量增大 壓力增大 使密度差減小 則水循環(huán)的動力壓頭減小 到一定時 必須放棄自然保護循環(huán)而采用強制循環(huán) 90 5 循環(huán)倍率K 循環(huán)回路中水流量 G 與回路中的蒸汽量 D 之比 即1kg水全部變成蒸汽 需在回路中循環(huán)多少次上式中 X為上升管出口汽水混合物的含汽率 循環(huán)倍率是標致鍋爐水循環(huán)安全的一個重要指標 當K增大 X減小 時 則上升管出口汽水混合物中水的分量增大 管壁水膜穩(wěn)定 管子可充分冷卻 避免超溫 但K過大 會使減小 運動壓頭減小 循環(huán)減慢 對水循環(huán)不利 當K減小 X增大 時 則上升管出口汽水混合物中汽的分量增大 上升管工質密度減小 循環(huán)回路運動壓頭增大 循環(huán)流速增大 水循環(huán)安全 但X過大 會使管中阻力增大過快 導致循環(huán)流速降低 自補償能力喪失 界限循環(huán)倍率鍋爐具有自補償能力的最小循環(huán)倍率 表9 7 表9 7 91 二 結渣及其危害 1 結渣的產生在固態(tài)排渣煤粉爐 由于煤燃燒時溫度高 1400 1600 灰渣呈溶融狀態(tài) 液態(tài)的渣粒在凝固之前沖刷到水冷壁或爐墻上 就形成結渣 結渣是一個自動加劇過程 一旦開始結渣 便越結越多 2 結渣的危害結渣會使受熱面吸熱減少 造成水冷壁高溫腐蝕 爐膛出口煙溫及排煙溫度升高 過熱器超溫爆管 熱損失增加 降低鍋爐出力和熱效率 大塊渣團掉落可能砸壞冷灰斗的水冷壁管 3 結渣的預防選擇適當?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 92 93 二 過熱器與再熱器 一 過熱器與再熱器的型式及特點 過熱器 再熱器是鍋爐的重要部件 對于再熱機組 才具有再熱器 過熱器的作用 是將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽 再熱器的作用 是將汽機高壓缸排汽加熱到和新蒸汽相同溫度的再熱蒸汽 過熱器 再熱器一般布置在高溫區(qū) 管外煙氣及管內工質溫度高 蒸汽的放熱系數(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 94 過熱器 再熱器的布置型式 有 對流式 半輻射式和輻射式 大型電站鍋爐的過熱器 圖9 25 有 對流式 半輻射式和輻射式 以滿足參數(shù)提高使過熱蒸汽吸熱量增加的要求 另外 在水平煙道和尾部煙道也布置有 包墻管過熱器 圖9 25過熱器 再熱器的布置型式1 汽包 2 頂棚過熱器 3 立式對流過熱器 4 屏式過熱器 5 輻射式過熱器 12 臥式過熱器 95 1 對流式過熱器和再熱器 由蛇形管及進出口聯(lián)箱組成 布置在對流煙道 吸收高溫煙氣的對流熱 按受熱面布置方式分立式 臥式 立式不易積灰 支吊方便 但不易疏水 排氣 在鍋爐啟 停時容易造成腐蝕和超溫 臥式與之相反 根據(jù)管內蒸汽和煙氣相對流動方向又分順流 逆流 和混合流式 順流式對流受熱面壁溫最低 但傳熱最差 逆流式對流受熱面與之相反 壁溫最高 但傳熱最好 混合式對流受熱面為折衷方式 蛇形管排列有順列和錯列兩種方式 96 2 半輻射 輻射式過熱器與再熱器 半輻射 輻射式過熱器 再熱器布置在爐膛上部或爐膛出口出 同時吸收輻射熱和對流熱 半輻射式過熱器 再熱器做成掛屏形式 屏式過熱器 屏式再熱器 由U型 W型管及進出口聯(lián)箱構成 輻射式過熱器 再熱器布置在爐膛上部的前墻和兩側的前半部 或布置在爐膛頂部或懸掛在爐膛上部靠近前墻處 分別稱為墻式 頂棚式和前屏 分隔屏 受熱面 吸收爐膛輻射熱 97 二 熱偏差過熱器并列管沿煙道平行排列 管子結構 尺寸和阻力不相同 煙氣的溫度場 速度場不均勻 就會造成過熱器并列管間吸熱不均勻 流場不均勻 造成過熱器并列管中的焓增不同 稱之為過熱器的熱偏差 用熱偏差系數(shù) 表示 定義為式中 管組平均焓增 偏差管焓增 由于熱偏差的存在 可能造成某些管子壁溫高而產生超溫破壞 減輕熱偏差的主要措施 從設計 運行上保證鍋爐良好的空氣動力場 過熱器分段 分級布置 各級過熱器出口工質在聯(lián)箱管中混合 98 三 蒸汽溫度的調節(jié) 鍋爐在運行中隨著負荷 燃料性質 給水溫度 爐膛過?？諝庀禂?shù)的變化 過熱器 再熱器的溫度會發(fā)生較大的波動 不能保證汽輪機安全 穩(wěn)定運行 因此 要進行溫度調節(jié) 即在一定的負荷變化范圍內 使蒸汽溫度偏離額定值的波動不能超過 10 5 汽溫調節(jié)方法 汽側調節(jié) 多用于過熱蒸汽調溫 煙氣側調節(jié) 多用于再熱蒸汽調溫 噴水減溫器 表面式減溫器 煙氣再循環(huán) 分隔煙道擋板 搖動燃燒器 99 1 噴水減溫器 1 噴水減溫器工作原理 將水直接噴入過熱蒸汽中以降低汽溫 結構簡單 調節(jié)靈敏 可靠性高 2 噴水減溫器的主要形式 圖9 32 水室式減溫器 文邱利式 減溫水從環(huán)型水室噴水孔噴入 水滴汽化使蒸汽溫度降低 旋渦式減溫器 噴嘴為旋渦噴嘴 霧化效果好 多孔噴管式減溫器 結構簡單 霧化效果差 圖9 32 100 2 表面式減溫器 管 殼式熱交換器 表面式減溫器工作原理 冷卻水在管內流動 過熱蒸汽在管外空間流動 調節(jié)性能較差 但不影響水質 101 3 煙氣再循環(huán) 采用再循環(huán)風機從鍋爐尾部低溫煙道中 一般為省煤器后 抽出一部分溫度為250 350OC的煙氣 從爐膛底部 如冷灰斗下部 送回到爐膛 用以改變鍋爐內輻射和對流受熱面吸熱量的比例 從而達到調節(jié)汽溫的目的 圖9 33煙氣再循環(huán)系統(tǒng) 102 4 分隔煙道擋板 用擋板將尾部煙道分隔成兩個并列煙道 其一布置再熱器 另一側布置過熱器 調節(jié)布置在受熱面后的煙氣擋板開度 可改變流經兩煙道的煙氣量 達到調節(jié)再熱汽溫的目的 分隔煙道擋板 103 5 擺動燃燒器 通過調節(jié)擺動燃燒器噴嘴上下傾角 改變爐內高溫火焰中心位置 從而改變爐膛出口煙溫的方法來調節(jié)蒸汽溫度 一般燃燒器擺動200 300 爐膛出口煙溫變化約1100C 1400C 調溫幅度可達40 600C 104 三 尾部受熱面 省煤器和空氣預熱器 省煤器和空氣預熱器布置在對流煙道最后的低煙溫區(qū) 利用煙氣的余熱加熱給水和燃料燃燒所需的空氣 尾部受熱面受熱工質和煙氣溫度均較低 金屬工作條件雖不像過熱器那樣惡劣 但易造成低溫腐蝕 磨損與積灰 105 一 省煤器 省煤器的作用 利用鍋爐尾部煙道熱量加熱給水 降低排煙溫度 提高鍋爐熱效率 節(jié)約燃料 分類 按材料分有鑄鐵式省煤器和鋼管式省煤器 按出口工質分沸騰式和非沸騰式省煤器 鑄鐵式省煤器耐磨損和耐腐蝕 但不能承受高壓和水沖擊 常作為低壓非沸騰式省煤器 而沸騰式可滿足較低壓力下工質汽化吸熱份額增大導致蒸發(fā)受熱面增多的需要 鋼管式省煤器體積小 重量輕 價格便宜 不易泄漏 鋼蛇形管在煙道中的布置可以垂直于前墻 也可以與前墻平行 前者管子支吊簡單 水速較小 但對于倒U型鍋爐 所有蛇形管靠近后墻部分磨損嚴重 后者只有后墻附近幾根蛇形管磨損較大 但水速較高 阻力較大 106 二 空氣預熱器 1 管式空氣預熱器立方形箱體由多根平行錯列鋼管焊在上 下管板上構成立方形箱體 煙氣在管內由上而下縱向流動 空氣從管外橫向流過 兩者成 熱量連續(xù)地由煙氣通過管壁傳給空氣 預熱器的作用 利用煙氣熱量加熱空氣 以利于燃燒 降低排煙溫度 提高鍋爐效率 圖9 36 107 2 回轉式空氣預熱器回轉式空氣預熱器是一種蓄熱式預熱器 它利用煙氣和空氣交替地通過金屬受熱面來加熱空氣 回轉式空氣預熱器有受熱面轉動和風罩轉動兩種 回轉式空氣預熱器與管式相比結構緊湊 外形小 重量輕 不易腐蝕 但結構復雜 漏風量較前者大 如右圖 轉子內裝滿金屬元件 傳熱元件 外殼分成煙氣通流區(qū) 空氣通流區(qū) 分別與相應管口連接 當轉子每旋轉一周 金屬元件就經一次蓄熱和放熱過程 將煙氣的熱量傳給了空氣 圖8 29受熱面轉動回轉式空氣預熱器 108 109 110 1 飛灰磨損溫度較低的尾部煙道具有一定硬度和速度的灰粒對管壁產生磨損 磨損嚴重部位鍋爐尾部煙道靠近后墻部分蛇形管 減輕磨損措施合理選擇煙氣流速 降低煙氣中的飛灰濃度 在磨損嚴重的部位加裝防磨裝置 2 低溫腐蝕受熱面壁溫接近或低于煙氣露點時 煙氣中的硫酸蒸汽凝結并對壁面產生的腐蝕 低溫腐蝕危害造成管子穿孔 爐內送風不足 鍋爐效率降低 加重煙道堵灰 低溫腐蝕多發(fā)生在空預器冷段 減輕低溫腐蝕措施提高空氣預熱器受熱面的壁溫 空預器冷段受熱面采用耐腐蝕材料 采用低氧運行 減少煙氣中硫酸蒸汽量等 三 受熱面飛灰磨損與低溫腐蝕 111 作業(yè)題與思考題 1 敘述鍋爐中水冷壁 汽包 過熱器 再熱器 省煤器 空氣預熱器的作用 2 在什么情況下鍋爐必需采用強制循環(huán)或直流形式 3 在鍋爐中 蒸汽溫度調節(jié)有哪些方法 4 如何減輕鍋爐尾部受熱面的磨損 低溫腐蝕問題