锅炉的用途和分类

锅炉的用途和分类

锅炉是国民经济中重要的热能供应设备。电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业 , 以及工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的热能。

锅炉是利用燃料燃烧释放出的热能或其他能量将工质 ( 中间载热体 ) 加热到一定参数的设备。应用于加热水使之转变为蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉 , 也称为蒸汽发生器 ; 应用于加热水使之提高温度转变为热水的锅

炉 , 称为热水锅炉而应用于加热有机热载体的锅炉称为有机热载体锅炉。

从能源利用的角度看 , 锅炉是一种能源转换设备。在锅炉中 , 一次能源 ( 燃料 ) 的化学贮藏能通过燃烧过程转化为燃烧产物 ( 烟气和灰渣 ) 所载有的热能 , 然后又通过传热过程将热量传递给中间载热体 ( 例如水和蒸汽 ), 依靠它将热量输送到用热设备中去。

这种传输热量的中间载热体属于二次能源 , 因为它的用途就是向用能设备提供能量。当中间载热体用于在热机中进行热一功转换时 , 就叫做“工质“。如果中间载热体只是向热设备传输、提供热量以进行热利用 , 则通常被称为“热媒“。锅炉按其用途可以分为电站锅炉、工业锅炉、船舶锅炉和机车锅炉等四类。前两类又称为固定式锅炉 , 因为是安装在固定基础上而不可移动的。后两类则称为移动式锅炉。本书介绍的是固定式工业锅炉。

在锅炉中进行着三个主要过程 :

(1) 燃料在炉内燃烧 , 其化学贮藏能以热能的形式释放出来 , 使火焰和燃烧产物 ( 烟气和灰渣 ) 具有高温。

(2) 高温火焰和烟气通过“受热面“向工质 ( 热媒 ) 传递热量。

(3) 工质 ( 热媒 ) 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。

以上三个过程是互相关联并且同时进行的 , 实现着能量的转换和传递。伴随着能量的转换和转移还进行着物质的流动和变化 :

(1) 工质 , 例如给水 ( 或回水〉进入锅炉 , 最后以蒸汽( 或热水 ) 的形式供出。

(2) 燃料 , 例如煤进入炉内燃烧 , 其可燃部分燃烧后连同原含水分转化为烟气 , 其原含灰分则残

存为灰渣。

(3) 空气送入炉内 , 其中氧气参加燃烧反应 , 过剩的空气和反应剩余的惰性气体混在烟气中排出。

水一汽系统、煤一灰系统和风二烟系统是锅炉的三大主要系统 , 这三个系统的工作是同时进行的。

通常将燃料和烟气这一侧所进行的过程 ( 包括燃烧、放热、排渣、气体流动等 ) 总称为“炉内过程“; 把水、汽这 -1 侧所进行的过程 ( 水和蒸汽流动、吸热、汽化、汽水分离、热化学过程等 ) 总称为“锅内过程“。

锅炉的主要参数 , 包括锅炉产生热能的数量和质量两个方面的指标。如蒸汽锅炉的主要参数是生产蒸汽的数量和蒸汽的压力、温度 , 热水锅炉的主要参数是热水的流量和热水的压力、温度。

一、锅炉出力蒸汽锅炉的出力是指每小时所产生的蒸汽数量 , 也称为锅炉的蒸发量 , 用以表示其产汽的能力。蒸发量又称为容量 , 用符号 D 来表示 , 常用的单位是“t/h“。

新锅炉出厂时 , 铭牌上所标示的蒸发量 , 指的是这台锅炉的额定蒸发量。所谓额定蒸发量 , 是指锅炉燃用设计的燃料品种 , 并在设计参数下运行 , 即在规定的压力、温度和一定的热效率下 , 长期连续运行时每小时所产生的蒸汽量。

热水锅炉的出力是指锅炉在确保安全的前提下长期连续运行 , 每小时输出热水的有效供热量 , 称为锅炉的额定供热量。热水锅炉的额定供热量用热功率表示 , 其单位为“MW“。

二、锅炉压力

压力是指垂直作用在单位面积上的力 , 通常叫压力 ( 实际上是压强 ) 。用符号 p 表示 , 单位是“MPa“。

锅炉的压力是根据所用金属材料在一定温度条件下的强度 , 受压元件的几何形状以及受压特点等条件 , 按

照国家颁布的有关强度计算标准 , 对各个受压元件分别进行壁厚计算 , 然后从中选出一个所能承受的压力最低值 , 作为这台锅炉的最高允许使用压力。

蒸汽锅炉内为什么会有压力呢 ? 这是因为锅炉内的水吸收热量后 , 由液体状态变成气体状态 , 体积膨胀。由于锅筒是密闭容器 , 蒸汽不能自由膨胀 , 而被迫压缩在锅筒内 , 因此对筒壁就产生压力。

热水锅炉压力主要由热水本身的压力造成的。热水锅炉的水是由给水泵送入锅炉的 , 给水泵的出口压力减去管道阻力就是锅炉的给水压力。

大气压力是指空气作用在地球表面上的质量力。由于 1m3 空气在 0 。 C 时的质量为 1.29kg, 所以地球上部的大气层对地球表面有一定的压力 , 这个压力叫大气压力。 0 。 C 时在北纬 22.5 。的海平面上 ( 即海拔零米处 ) 大气压力是 0.1013MPa, 工程上常用工程大气压 , 它是每 kg 质量的物质作用在 1cd 面积上的力 , 数值是 0.0981MPd 工程上常把二者简化为同一数值 , 约为 0.1MPa) 。

另外 , 随着使用的场合不同 , 度量压力的单位还有水银柱高度 (mmHU 、水柱高度 (mH20) 等 , 其换算关系如下 :

0.0981MPa=0.9678 物理大气压 =735.6mmHg

=1OmH20=1kgf/cm2

表压力是指以大气压力作为测量起点 , 即压力表指示的压力。表压力不是实际压力 , 因为当压力表指针为零时 , 实际上已受到周围一个大气压力的作用力 , 所以压力表指的数值 , 是指超过大气压力的部分。

绝对压力是指以压力为零作为测量起点的 , 即实际压力。

其数值就是表压力加 0.1013MPa( 大气压力 ) 。

表压力与绝对压力的关系 :

p绝= p表+(0.1013MPa)

p表 =p绝-(0.1013MPa)

负压是指低于大气压力 ( 俗称真空 ) 。通常负压燃烧的锅炉正常燃烧时 , 打开炉门会感觉到周围空

气吸向炉膛 , 这是炉膛内负压的缘故。一般炉膛出口保持负压 2~3mm 水柱。

三、温度

温度是指物体冷热的程度 ( 通常用符号 t 表示 ) 。测量温

度常用的单位是摄氏度 , 用。 C 表示。在锅炉设计计算中 , 常用绝对温度单位 , 用 K 表示。绝对温度的零度为零下 273 摄氏度 ( 。 C) 。如果以 T 表示绝对温度的值 , 以 t 表示摄氏温度的值 , 其转换公式为 :T=t+273K

温度通常用摄氏温度 ( 用符号。 C 表示 ) 和华氏温度 ( 用符号下表示 ) 。目前我国常用的是摄氏温度。

(1) 摄氏温度 : 以水在一个大气压下开始沸腾时的温度 ( 即沸点 ) 为 100 。 c, 水开始结冰时的温度 ( 即冰点 ) 为 0 。 c, 中间分成 100 格 , 每格为 1 摄氏度。

(2) 华氏温度 : 以水的沸点为 212 。 F, 冰点为 32 。 F, 中间分成 180 格 , 每格为 1 华氏度。

两种温度的换算关系如下 :

toC=(5/9)(o F-32)

蒸汽锅炉的额定蒸汽温度是指锅炉输出蒸汽的最高工作温度。一般锅炉铭牌上载明的蒸汽温度是以摄氏温度表示的。对于小型锅炉 , 使用的蒸汽绝大多数是从锅筒上部的主汽阀直接引出的 , 其蒸汽温度是指该锅炉工作压力下的饱和蒸汽温度。对于有过热器的锅炉 , 其蒸汽温度是指过热器后主汽阀出口处的过热蒸汽温度。

热水锅炉的额定热水温度是指锅炉输出、热水的最高工作温度。锅炉铭牌上载明的热水温度也是以摄氏温度表示的。

锅炉规格及型号表示法

在我国锅炉制造业中 , 将工质出口压力在中压 (3.9MPa) 以上的锅炉划归电站锅炉行业生产 , 其产品主要

用于发电 , 但也可用于大型锅炉房内提供生产 ( 工艺和动力 ) 用热。工质出口压力为低压 ( 不超过

2.5MPa) 的锅炉划归工业锅炉行业生产 , 其产品主要用于为生产和生活 ( 主要是采暖 ) 提供蒸汽和热

水 , 但也有用于小型发电设备的。此外 , 往往还从各种不同角度对锅炉进行分类和命名 , 使其名称能反映出其某个方面的特征 , 例如 : 按工质及其输出状态分为蒸汽锅炉、热水锅炉等 ; 按能源分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电加热锅炉等 ; 按燃烧方式和燃烧设备分为火床燃烧锅炉 ( 层状燃烧锅炉、炉排锅炉 ) 、火室燃烧锅炉 ( 悬浮燃烧锅炉、煤粉锅炉 ) 、沸腾燃烧锅炉 ( 流化床燃烧锅炉 ) 等 ; 按工质在锅炉内部流动方式分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉等 ; 按通风方式分为自然通风锅炉、机械通风锅炉等 ; 按锅炉炉型结构分为锅壳 ( 火管 ) 锅炉、水管锅炉等 ; 按运输安装方法分为快装锅炉、整装锅炉、散装锅炉等。

一、工业锅炉规格系列

1. 蒸汽锅炉

工业蒸汽锅炉的规格系列由国家标准 GB1921 规定 , 见表 1-1

.给水温度分 20 。 C 、 60 。 C 、 105 。 C 三挡 , 由制造厂在设计时

结合具体情况选取其中之一。

在额定出力和额定出口蒸汽压力下 , 锅炉出口过热蒸汽

温度的允许偏差为 :

对于 350 。 C ± 20 。 C

对于 400 。 C +10 。 C

-20 。 C

热水锅炉在按蒸发量估算供热量时 , 可以近似地取热功率为 70O KW 相当于 1t/h 蒸发量。

2. 热水锅炉

热水锅炉的规格系列由国家标准 GB3166 规定 ,

二、工业锅炉型号表示方法工业锅炉产品型号的表示方法采用原机械工业部标准 JB1626 。

水蒸气和其他工质性质及水循环

水的分布很广 , 易于获得 , 价格便宜无毒无嗅 , 水蒸气又有较好的热力性质 , 因而它是热力过程中应用得最早和最广泛的工质。另外 , 有机热载体 ( 俗称“导热油“) 也被用作锅炉的工质。

一、水的性质水是无色、元昧、透明和元嗅的液体。纯水是由氢和氧

两种元素化合而成的。其分子式是 H20 。其性质如下 :

(1 〉水有三态。随着温度的不同 , 水会呈现液态 ( 水 ) 、气态 ( 水蒸气 ) 和固态 ( 冰 ) 三种形态。它们之间能够互相转化。锅炉中的水是通过加热沸腾蒸发而成蒸汽的。

(2) 水在一个大气压下 , 温度为 4 。 C 时体积最小 , 密度最大 ; 超过或低于 4 。 C 时 , 密度减小 , 其体积均要膨胀。所以在冬季停用的锅炉和管道内不要存水 , 以防止结冰后体积膨胀 , 冻坏设备。

(3) 水的压缩性很小 , 受到压力时以相等大小的压力向各个方向均匀传递。对锅炉及其他受压容器作水压试验 , 就是利用这个原理 , 以检查各个部分的强度和严密性。

(4) 水的内部向任何方向都有压力 , 在同一高度 , 对各个方向的压力都相等 , 高度增加 , 压力也增加。

(5) 水在连通器 ( 几个容器底部互相连通的容器 ) 内 , 当水面上的压力相等时 , 各处的水面始终保持在同一平面上。锅炉上的水位表就是根据这个原理装置的 , 即水位表内的水面与锅筒 ( 或汽包 ) 中的水面是一致的。通过观察水位表 , 就能知道锅炉里水位的高低。

(6) 水的比热容为 4.19kJ/(kg ·。 C), 较其他液体大。即一定质量的水当温度升高时吸收的热量 , 比其他

液体在相同情况下所吸收的热量多。加上来源方便 , 所以经常利用水作为冷却或吸热的介质。

二、饱和状态

在水的汽化和水蒸气的凝结过程中 , 当单位时间内逸出液面与回到液面的分子数目相等而汽液两相平衡共存时 , 这种状态称为饱和状态 , 饱和状态下的蒸汽及水的压力和温度称为饱和压力和饱和温度 , 对于一定的饱和压力有着一定的饱和温度。

处于饱和状态下的水和蒸汽 , 分别称为饱和水及饱和蒸汽。饱和水与饱和蒸汽的混合物称为汽水混合物。若汽水混合物中以蒸汽为主而水占的比例较小时 , 则称为湿饱和蒸汽。不含水的纯饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。在汽水混合物中蒸汽所占的质量份额叫做“干度“, 用符号 x 表示。干饱和蒸汽的干度为 1, 饱和水的干度为 0, 湿饱和蒸汽的干度在 0 与 1 之间。

当蒸汽的温度高于与其压力相对应的饱和温度时 , 称为过热蒸汽。过热蒸汽温度与饱和温度之差称为蒸汽的“过热度“。

当水的温度低于与其压力相对应的饱和温度时 , 这种水称为欠热水。饱和温度与欠热水温度之差称为水的“欠热度“。

三、水的定压加热与汽化水在锅炉中被加热而汽化的过程可以近似地视为在定压下进行 , 因为水、汽通过锅炉所发生的压力降低与其绝对压力相比是很小的。

定压下水的加热和汽化分为三个阶段 :

(1) 水的预热 : 将欠热水加热 , 使之达到饱和温度成为饱和水。 1kg 欠热水变为饱和水所需吸收的热量称为其“欠热“。

(2) 水的汽化 : 继续加热饱和水 , 就开始产生蒸汽 , 成为汽水混合物 ( 湿饱和蒸汽 ) 。汽化是在饱和压力和饱和温度下进行的 , 定压进行同时也是定温进行。随着汽化的进行 , 汽水混合物的干度越来越大 , 最

终变为干饱和蒸汽而结束汽化阶段。 1kg 饱和水变成干饱和蒸汽所需吸收的热量称为水的“比汽化潜热“( 通常略去“比“字 , 简称汽化潜热 ), 用符号 Y 表示 , 单位为 kJ/kg 。

(3) 蒸汽的过热 : 继续加热干饱和蒸汽 , 可使其温度升高 , 成为过热蒸汽。 1kg 干饱和蒸汽加热到某个过热温度所需吸收的热量称为过热热量。

四、水的临界参数水的饱和压力与饱和温度是单值函数关系占压力增高 , 与之相对应的饱和温度也升高 , 不同饱和压力下的比汽化潜热也是不同的。随着压力的增高 , 比汽化潜热逐渐减少。当压力达到 22.12MPa 称为临界压力的值时 , 比汽化潜热为零 , 水的汽化阶段缩为一点。此时的温度 374.15OC 则称为临界温度。在临界压力以上 , 水和汽的差别消失。

五、水和水蒸气的热力性质表

见表 1-6 。饱和水和干饱和蒸汽的热力性质

六、有机热载体有机热载体是热载体的一大类。热载体是一种用来传递热量的中间媒体。

有机热载体是一种有机化合物 , 通常呈油状液体 , 因用作传热介质 , 故也称导热油 , 也叫热媒油。

GB4016 《石油产品名词术语》标准称为热载体油。 GB/T7631.12 《润滑剂和有关产品 (L 类 ) 的分类第 12 部分 Q 组 ( 热传导 , 液 ) 》标准等效采用了 IS06743-12 《润滑剂、工业润滑油和有关产品导热油根据其生产方法分为矿物油型导热油和合成油型导热油两大类。

1. 矿物油型导热油

矿物油型导热油是以石油高温裂解过程或催化过程生产的馏分油产品作为基础油 , 经过深度加工 , 加入清净分散剂和抗氧剂等添加剂精制而成。

矿物油型导热油原料来源比较丰富 , 价格便宜 , 制造工艺简单 , 元毒无味 , 常温下不易氧化 , 使用温度可达液相 340 。 C 。

20 世纪 50 年代以前没有专用的矿物油型导热油 , 大都采用机械油、汽缸油、汽轮机油 , 使用温度低 , 工

作寿命短。 50 年代以来 , 美国、日本等国才研制出莫比尔 603 、埃索 500 、丸善 200 等牌号的矿物油型导热油。我国于 70 年代末才开始研制这类产品。目前各地生产的各种牌号矿物油型导热油可分成为芳香短类、长碳链饱和烧娃类、混合经类三大类化学结构的产品 , 这些产品应用很广泛。

2. 合成油型导热油合成油型导热油是以化工和石油化工产品为原料 , 基体油为一种以上 , 经有机合成工艺制得。这类产品加工复杂 , 成本较高 , 使用温度较高 , 热稳定性也较好。

合成油型导热油于 1932 年由美国道氏化学公司首创 , 商品名称为道生 A 。道生 A 导热油可在 2580C 以下液相使用 , 258~400 。 C 时气相使用 , 热稳定性较好。但该油有毒 , 气味难闻 , 凝点偏高。 50 年代以后 , 美国、日本、法国、德国等国相继推出各种导热油产品 , 如 : 皖基苯、烧基联苯、二苇基甲苯、氢化三联苯、二甲基联苯隧筹合成油型导热油产品。我国于 60 年代开始研制仿道生油产品 , 但至今产品种类仍不多。合成油型导热油的化学结构中含有苯或环炕短结构。

导热泊是一种有机热载体 , 多呈淡黄色或褐色油状液体 ,大部分是无毒无昧的 , 少数具有一定程度的毒性和刺鼻臭味。导热油具有较高的沸点 , 可以在很低的饱和压力下被加热到较高的工作温度 , 达到液相 340 。 C 或汽相 400 。 c, 并有较好的热稳定性 , 一般不腐蚀金属设备 , 粘度不大 , 泵送性能好 , 已被广泛用于作为传递热量的中间媒介。使用中当油温超过 80 。 C 时必须有隔离空气措施 , 否则导热油会被急剧氧化而变质 , 影响使用。导热油都是可燃的 , 使用中必须注意防火要求。导热油超温工作时会产生裂解而析出碳 , 粘度增加 , 传热效果下降 , 造成结焦时会引发事故。

七、水循环

在工业锅炉中 , 工质的流动有两种方式 : 一种是强制流

动 , 即在受热面入口端和出口端的工质压力差的驱动下使工质流过受热面 , 而入、出口的压差归根到底是依靠水泵造成的外加动力 ; 另一种是自然循环 , 即在受热面入口端与出口端之间用“下降管“连通 , 与受热面一起组成封闭的循环回路 , 下降管不受热或其受热弱于受热面 , 由 15 两者受热不同 , 其内部的工

质密度也就不同 , 在两部分工质所受重力不同的作用下 , 造成了工质的定向流动一一密度大者下降 , 密度

小者升。这就是工质的自然循环。

锅炉的省煤器和蒸汽过热器中 , 工质为强制流动 , 而一般在汽化受热面 ( 辐射受热面水冷壁、对流管束 ) 中 , ‘工质进行自然循环。

由于水冷壁布置在烟气温度最高的炉膛内 , 所以保证工质自然循环的正常进行、避免发生循环故障 , 具有十分重要的意义。

1. 自然循环的原理

锅炉在运行中 , 只有在炉膛及高温烟道内的受热面所接

受的热量不断被受热面内的工质吸收 , 保证受热面得到可靠的冷却 , 才能达到安全和经济运行的目的。这就要求锅炉中的水或汽水混合物 , 必须在闭合的回路中持续而有规律地流动 , 也就是连续不断地进行水循环。低、中压锅炉的水循环 , 一般都是由于锅炉内各部分吸收的热量不相等 , 而使工质产生了密度差形成的 , 这种循环称为自然循环 , 如图 1-1 所示。

锅炉的锅筒 2 和下集箱 6 由左右两根管道连通 , 其中下降管 5 位于炉墙外不受热 , 因而管中是温度较低的水 , 由于密度大而向下流动 ; 上升管 1 位于炉膛内 , 吸收热量 , 管中的水有一部分汽化成气泡 , 形成汽水混合物 , 由于密度减小而向上流动 , 上升管中的汽水混合物进入锅筒后 , 蒸汽被分离出来 , 水继续流入下降管进行再循环。在一台锅炉内 , 水循环的回路至少是一条 , 也可以有几条。自然循环时 , 水经过一个循环周期是不可能全部变成蒸汽的 , 通常汽化的只能是其中的很少部分。进入循环回路的水量 , 称为“循环流量“, 它与该回路所产生的蒸汽量的比值 , 称为“循环倍率“, 即 :

循环倍率＝循环流量／回路所产生的蒸汽量

对于工作压力 1.25MPa 、蒸发量 10t/h 以下的小型锅炉 , 循环倍率约在 150~200 之间。水循环好的锅炉 , 各受压部件受热均匀 , 热应力小 , 工质的升温和汽化可以加快 , 从而缩短点火至正常供汽的时间。

2. 水循环故障

改善锅炉水循环 , 是保证锅炉安全、经济运行的关键之一。当锅炉结构不合理或运行不当时 , 容易出现下列

水循环故障 :

(1) 汽水分层 : 当锅炉的水冷壁管水平设置时 , 管中流动的汽水混合物因蒸汽比水轻 , 气泡就要上浮集

聚 , 使蒸汽和水在管子内分层流动。由于蒸汽的导热性能差 , 管子上部容易过热烧坏。因此 , 水冷壁管经过炉膛顶部 ( 有的称为“天棚管“) 时的倾斜角 , 一般不应小于 15 。。

(2) 汽水停滞 : 由于结构原因造成锅炉局部受热面管子供水不足 , 或者在同一个水循环回路的上升管群

中 , 如果各水管之间受热情况相差太大 , 就会使受热弱的管内水流缓慢 ,

循环动力不足 , 甚至由于受其他管子对循环水的争夺影响 , 使管内的汽水停止流动 , 造成过热爆管事故。因此 , 对锅炉的结构和运行 , 应保持供水充足并尽量使每排管子均衡吸热 , 保证水循环畅通。

(3) 下降管带汽 : 为了保证锅炉的水循环稳定可靠 , 下降管中是不允许有蒸汽的。否则 , 水要向下流 , 汽要向上浮 ,两者互相顶撞 , 既增加了流动阻力 , 又减少了循环水量 , 可能造成缺水事故 , 将管子烧坏。因此 , 下降管口与锅筒最低水位间的高度不得小于下降管直径的 4 倍 , 最好将下降管接在上锅筒的底部 ,

以免由于水进入下降管时产生的抽力 , 把蒸汽带进管内 , 或者由于水在下降管入口处的流速加快后

压力降低 , 而自行汽化。

3. 强制水循环

有些锅炉中水在受热面管子里的流动 , 是靠出、人口之间的压力差强制流动的。这种锅炉称为强制循环锅炉。常见

的一些热水锅炉 , 靠循环水泵 , 将循环水沿固定的流通路线 , 在锅炉内流动受热升温 , 就是强制循环锅炉。这种锅炉通常采用“下进上出“水的流向 , 有些也有上下交替的流程 , 但都要求在各受热面内有一定流动速度 , 以防止出现汽化、积垢和腐蚀。蒸汽锅炉中的省煤器也属于强制循环