第二章锅炉和热流加热器Word格式.docx
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大部分现代水管锅炉的设计蒸汽容量都在4,500–120,000kg/小时，产生的蒸汽压力都很高。
很多燃油和/或燃气燃料的水管锅炉都采用“整装”方式。
固体燃料水管锅炉也可以设计，但采用整装式没有燃油或燃气锅炉普遍。
水管锅炉主要有以下特点：
⏹强制、诱导和平衡送风，有利于提高燃烧效率。
⏹对水质的耐受性较差，需要配套建立水处理工厂。
⏹热效率水平可能更高。
图2-3水管锅炉示意图
2.2.3整装式锅炉
这种锅炉之所以称为“整装式锅炉”，是因为它是一整套设备提供和安装的。
整装锅炉运抵现场后，只需要与蒸汽、水和燃料管线以及电力线路对接好就可以开始运转。
整装式锅炉通常都是锅壳式火管锅炉，以便达到最高的辐射和对流热量传输率。
整装式锅炉的特点有：
⏹燃烧空间小，放热率高，从而使蒸发更迅速。
⏹大量小直径管道使对流热交换更充分。
⏹强制或诱导送风系统使燃烧效率更高。
⏹烟道的数量使总传热效率更高。
⏹与其他锅炉相比，整装式锅炉的热效率更高。
这类锅炉是根据烟道的数量——炽热燃烧气体通过锅炉的次数——来分类的。
燃烧室被视为第一个烟道，在其后可能还有一至三套火管。
此类锅炉中最常见的锅炉是3通型机组，有两套火管，废气从锅炉尾部排出。
图2-4典型3烟道燃油整改锅炉内部结构图
2.2.4流化床燃烧（FBC）锅炉
流化床燃烧（FBC）是近年出现的一个可行的替代方案，它与传统的燃烧系统相比有很大的优势，并且能够带来多方面的效益——锅炉设计紧凑，燃料选择灵活，燃烧效率更高，SOx和NOx等有毒污染物排放量更小。
这类锅炉可以用煤、洗涤废物、稻壳、甘蔗渣以及其他农业废物做燃料。
流化床燃烧锅炉的蒸汽容量范围很宽，小至0.5吨/小时，大到100吨/小时以上。
当均匀分布的空气或气体以低速通过一个细孔筛上的极细的固体颗粒，如沙粒，固体颗粒静止不动。
当空气流速逐渐增大到某种程度，每一个固体颗粒都悬浮在空气流中，这时这个沙粒床就成为“流化”了。
随着空气流速进一步增大，就会形成气泡，激烈湍流，迅速混合，并形成密度一定的床面。
这个固体颗粒床的性质近似沸腾的液体，并呈现出流体的外观——“鼓泡流化床”。
当流化状态下的沙粒被加热到煤的着火温度，将煤连续喷射进流化床，煤将迅速燃烧，流化床将达到一个均匀的温度。
流化床燃烧（FBC）在840℃到950℃之间发生。
由于这个温度远远低于灰熔点，煤灰熔化及其相关问题可以避免。
由于在流化床中，煤粉和空气混合充分，且通过床内的传热管和床壁抽出热量的效率更高，因此流化床的传热系数较高，从而使燃烧温度更低。
气体速度维持在最低流化速度和将颗粒带走的速度之间。
这既能保证流化床的稳定运行，又能避免颗粒被气体流带走。
2.2.5常压流化床燃烧（AFBC）锅炉
此类锅炉中最实用的锅炉是常压流化床燃烧锅炉（AFBC）。
在传统的锅壳式锅炉内加装一个流化床燃烧器即可改装成这种锅炉。
在传统的水管锅炉内也可以安装类似的系统。
根据煤的品级以及加入燃烧室的燃料类型，煤被粉碎为粒径1～10mm的颗粒。
作为流化和燃烧空气的常压空气被燃料废气预热后，在一定的压力下输送到燃烧室。
流化床内的输水管道通常担当蒸发器的作用。
燃烧的气体产物（锅炉过热段忽略不计）流经省煤器、集尘器和空气预热器，然后被排放到大气中。
2.2.6正压流化床燃烧（PFBC）锅炉
在正压流化床燃烧（PFBC）锅炉中，压缩机提供正压送风空气，燃烧器是一个压力容器。
流化床的放热率和其压力成比例，因此使用厚层流化床来抽出大量的热。
这将提高流化床的燃烧效率和二氧化硫吸收率。
蒸汽在两组管束中产生，一组在流化床中，一组在流化床的上方。
热烟气驱动动力燃气轮机。
PFBC系统可以用于热点联产（蒸汽和电力）或联合循环发电。
联合循环（燃气轮机和蒸汽轮机）可使总体转换效率提高5至8个百分点。
2.2.7常压循环流化床燃烧锅炉（CFBC）
在循环系统中，通过控制流化床的参数，促进固体颗粒的杨析。
固体颗粒以一个较稀的状态从固体上升管中被提升，而装配了一台旋风器的下降管则为固体提供了一条返回路径。
在常压循环流化床中没有埋设蒸汽发生管。
蒸汽的发生和过热发生在上升管出口处的对流段，即水冷壁。
在用汽量75～100吨/小时的工业应用中，常压循环流化床燃烧（CFBC）锅炉通常比常压流化床燃烧（AFBC）锅炉经济性更高。
对于大型机组，CFBC锅炉更大的锅炉能够提供更高的空间利用率，更长的燃料颗粒和吸着剂驻留时间，有利于高效燃烧和SO2捕获，而且比AFBC蒸汽发电机更易于应用分级燃烧技术从而控制NOx。
图2-5CFBC锅炉
2.2.8机械加煤锅炉
加煤器根据向锅炉中添加燃料的方法和炉排的类型进行分类。
炉排的类型主要有抛煤机炉排和链条炉排。
2.2.8.1抛煤机炉排加煤器
抛煤机炉排采用火室燃烧和炉排燃烧两种燃烧方式。
煤从燃烧层的上方连续送入炉膛。
煤的细小颗粒呈悬浮状燃烧；
大的煤颗粒则落到炉排上，以一层薄的快速燃烧煤层进行燃烧。
这种燃烧方式为满足负荷变化提供了很好的灵活性，因为当燃烧速度升高时点火几乎是瞬时完成的。
因此，在很多工业应用中，抛煤机炉排比其他类型的加煤器应用得更加广泛。
图2-6抛煤机炉排锅炉
2.2.8.2链条炉排加煤器
在链条炉排加煤器中，煤被加入运动的铁制炉排一端。
当炉排沿炉膛运动时，煤进行完全燃烧，剩余的煤灰从炉排末端排出。
链条炉排加煤器需要一定程度的技术，特别是在设定炉排、节气门和挡板，以确保清洁燃烧，使煤灰中残留的未燃烧的碳维持在最少的水平。
给煤斗在锅炉的整个给煤端运动。
为了控制给锅炉加煤的速度，需要用一个给煤闸门来控制燃料床的厚度。
煤的颗粒大小必须统一，因为大的块煤可能在到达炉排末端时还没有燃烧完全。
图2-7链条炉排锅炉简图
2.2.9粉状燃料锅炉
大部分以煤为燃料的电站锅炉都用煤粉做燃料，很多大型工业用水管锅炉也采用这种粉状燃料。
该技术已经非常成熟，在全世界有几千台机组，占全世界煤发电装机容量的90%多。
煤被研磨成细粉状，对于烟煤，2%的颗粒粒径在300微米（μm）以上，70%到75%的颗粒粒径在75微米以下。
需要注意的是，如果煤粉研磨过细，则会使磨煤机浪费电能。
另一方面，如果研磨得过于粗糙，那么煤粉在燃烧室中则不能完全燃烧，从而造成较高的煤粉损失。
煤粉通过一系列的喷嘴，随着一部分燃烧空气喷入锅炉装置。
此外，可能还需要加入二级和三级空气。
燃烧在1300-1700℃的温度范围内发生，主要取决于煤的品级。
煤颗粒在锅炉内的驻留时间通常在2至5秒，因此颗粒必须足够小，以确保在这段时间内能够完全燃烧。
此系统有很多优点，例如能够适应的煤的品级范围广，对荷载变化反应迅速，利用预热空气的高温等等。
采用煤粉燃料最流行的系统之一是切圆燃烧，它在锅炉的四个角上布置四台燃烧器，从而在锅炉的中央形成一个火球。
图2-8粉状燃料切圆燃烧
2.2.10废热锅炉
只要有高温或中温的废热的地方，就可以安装废热锅炉，安装的成本也不是很高。
当废热产生的蒸汽量不能满足蒸汽需求时，还可以使用替代燃料燃烧器。
如果不需要直接使用蒸汽，则可将蒸汽用于蒸汽轮机产生电能。
废热锅炉广泛用于从燃气轮机和柴油发动机的废气中回收废热。
图2-9废热锅炉简图
2.2.11热流加热器
近年来，热流加热器在间接工艺加热上应用很广泛。
这种加热器采用石油基流体为传热介质，能够为用户设备提供稳定不变的温度。
热流加热器的燃烧系统由固定式炉排和机械通风装置组成。
现代的燃油热流加热器采用双环流、三烟道架构，并安装了一套可调式压力喷油系统。
作为导热体的热流体在加热器中被加热后，在用户设备中循环。
在用户设备中，热流体通过换热器将热量传给工艺过程，然后返回加热器。
热流体在用户端的流动由气动控制阀根据运行温度进行控制。
返回加热器的油的温度随系统荷载的变化而变化，它决定加热器以低火还是高火运行。
图2-10热流加热器的典型结构
热流加热器的优点有：
⏹闭合回路运行，与蒸汽锅炉相比，热损耗极低。
⏹即使在250℃左右的温度下，也能够常压运行，而在相似的蒸汽系统中，则需要40kg/cm2的蒸汽压力。
⏹自动控制调试，操纵灵活。
⏹较高的热效率，因为由排污、冷凝排水和扩容蒸汽造成的损耗在热流加热器系统中都不存在。
热流加热器的总体经济性取决于具体的用途和参照基准。
以煤为燃料的、热效率在55-65％之间的热流加热器与大部分锅炉相比都具有优势。
在烟道中安装热量回收装置可以进一步提高热效率。
2.3对锅炉的评估
本节介绍对锅炉（通过直接或间接方法，包括用于效率计算的实例）、锅炉排污和锅炉水处理的性能评估。
2.3.1锅炉性能评估
由于燃烧不充分、传热面结垢、操作和维护不当等原因，锅炉的性能参数，如效率和蒸发率，会随着时间的推移而衰减。
即使是新锅炉，不断下降的燃料品质和水质等原因也会造成锅炉性能低下。
热平衡能够帮助我们确定可以避免和不可避免的热损耗。
锅炉效率测试可以帮助我们找出锅炉效率与最佳效率的偏差，并为改进确定问题的区域。
2.3.1.1热平衡
锅炉中的燃烧过程可以用一个能流图来描述。
该图以图形表示来自燃料的能量输入，是如何转化为各种有用的能量流以及热与能的损失流的。
箭头的宽度表示相应的能量流中的能量总量。
图2-11锅炉能量平衡
热量平衡描述进入锅炉的总能量和以各种形式离开锅炉的总能量的平衡。
下图描述了在蒸汽产生过程中发生的各种能量损失。
图2-12燃煤锅炉典型的热量损失
锅炉的能量损失可以分为不可避免和可避免的损失。
清洁生产和/或能源评估的目的就是要减少可避免的损失，也就是提高能源效率。
以下损失是可以避免或降低的：
⏹烟气损失：
Ø
过量空气（依靠燃烧器技术、运行、操作（即控制）和维护，将过量空气降低到必须的最低水平）。
烟气温度（通过优化维护（清理）和荷载，改进燃烧器和锅炉技术降低烟气温度）。
⏹烟气和煤灰中未完全燃烧的燃料造成的损失（优化操作和维护，改进燃烧器技术）。
⏹排污损失（处理锅炉给水，回收冷凝水）。
⏹冷凝水损失（最大限度地回收冷凝水）。
⏹对流和辐射损失（改进锅炉保温）。
⏹
2.3.1.2锅炉效率
锅炉热效率的定义是“能够有效用于产生蒸汽的热能占总能量的百分比”。
评估锅炉效率有两个方法：
⏹直接法：
比较工作流体（水和蒸汽）获得的能量与锅炉燃料的含能量。
⏹间接法：
锅炉效率即锅炉能量损失和能量输入量的差值。
2.3.1.3直接法确定锅炉效率
方法
此方法也可称为“输入-输出法”，因为它只需要有效输出（蒸汽）和热量输入（即燃料）即可计算锅炉效率。
锅炉效率可用下面的公式计算：
直接法计算锅炉效率需要检测的几个参数是：
⏹每小时产生的蒸汽量（Q），单位kg/hr。
⏹每小时消耗的燃料量（q），单位kg/hr。
⏹工作压力（单位kg/cm2（g））和过热温度（℃），如果有过热温度。
⏹锅炉给水温度（℃）
⏹燃料的类型以及燃料的总热值（GCV），单位kcal/kg燃料。
其中
⏹hg–饱和蒸汽的焓，单位kcal/kg蒸汽。
⏹hf–给水的焓，单位kcal/kg给水。
实例
根据以下数据，用直接法计算锅炉的效率：
⏹锅炉类型：
燃煤锅炉
⏹蒸汽（干燥）发生量：
10TPH
⏹蒸汽压力（压力表）/温度：
10kg/cm2（g）/180℃
⏹煤炭消耗量：
2.25TPH
⏹给水温度：
850C
⏹煤的总热值（GCV）：
3200kcal/kg
⏹10kg/cm2压力蒸汽的焓:
665kcal/kg（饱和）
⏹给水的焓：
85kcal/kg
直接法的优点：
⏹电站工人可以迅速计算出锅炉效率
⏹用于计算的参数很少
⏹需要用于监测的仪器很少
⏹易于将蒸发率与基准数值进行比较
直接法的缺点：
⏹无法给操作员提供确定系统效率变低的原因的依据
⏹无法计算造成各种效率水平的各种损失量
2.3.1.4间接法确定锅炉效率
用间接法测试锅炉的参考标准是英国标准BS845:
1987和美国标准ASMEPTC-4-1动力试验规程蒸汽发生单元。
间接法也称为热损失法。
锅炉的效率可以通过用100减去热损失比率进行计算，即：
锅炉效率（n）=100-（i+ii+iii+iv+v+vi+vii）
其中，锅炉中发生的本质性的损失是由于以下原因造成的热量损失：
⏹干烟气
⏹燃料中的H2形成的水的蒸发
⏹燃料中水分的蒸发
⏹燃烧空气中存在的水分
⏹飞灰中未完全燃烧的燃料
⏹炉底渣中未完全燃烧的燃料
⏹热辐射以及其他无法计算的损失
燃料中的水分和氢气燃烧造成的损失是由燃料的性质造成的，无法通过锅炉设计来控制。
用间接法计算锅炉效率需要的数据有：
⏹燃料元素分析（H2,O2,S,C,水分,灰分）
⏹烟气中的氧气或CO2百分比
⏹烟气温度，单位℃（Tf）
⏹环境温度，单位℃（Ta），以及空气湿度，单位kg/kg干燥空气
⏹燃料总热值，单位kcal/kg
⏹煤灰中的可燃物百分比（使用固体燃料的情况下）
⏹煤灰总热值，单位kcal/kg（使用固体燃料的情况下）
下面给出用间接法计算锅炉效率的详细步骤。
不过，工业能源管理者在实际操作中通常倾向于更简单的计算方法。
⏹步骤1：
计算理论空气需求量
=[（11.43×
C）+{34.5×
（H2-O2/8）}+（4.32xS）]/100kg/kg燃料
⏹步骤2：
计算提供的过量空气的百分比（EA）
=O2百分比x100/（21-O2百分比）
⏹步骤3：
计算为每千克燃料提供的空气的实际质量（AAS）
={1+EA/100}x空气的理论质量
⏹步骤4：
估算所有的热量损失
由干烟气损失的热量的比例
=mxCpx（Tf-Ta）x100/燃料总热值
其中，m=干烟气的质量，单位kg/kg燃料
m=（每1kg燃料燃烧产生的干燥产物质量）+（每1kg燃料中的N2质量）+（工给的空气实际质量中的N2质量）.
Cp=烟气的比热（0.23kcal/kg）
由燃料中的H2形成的水蒸发所造成的热量损失所占的比例
=9xH2{584+Cp（Tf-Ta）}x100/燃料总热值
其中，H2=1kg燃料中H2的比例
Cp=过热蒸汽的比热（0.45kcal/kg）
燃料中的水分蒸发所造成的热量损失所占的比例
=M{584+Cp（Tf-Ta）}x100/燃料总热值
其中，M=1kg燃料中水分的比例
Cp=过热蒸汽的比热（0.45kcal/kg）
空气中的水分造成的热量损失所占的比例
=AASx湿度系数xCp（Tf-Ta）}x100/燃料总热值
其中，Cp=过热蒸汽的比热（0.45kcal/kg）
飞灰中未燃烧的燃料造成的热量损失所占的比例
=每燃烧1kg燃料收集到的飞灰×
飞灰的总热值×
100/燃料总热值
炉底渣中未燃烧的燃料造成的热量损失所占的比例
=每燃烧1kg燃料收集到的炉底渣×
炉底渣的总热值×
由于热辐射造成的热损失和其他无法计算的热损失所占的比例
由于不同表面的热辐射系数、倾斜度和空气流类型等不同，实际的辐射和对流热损失很难计算。
在一台容量为10MW的较小的锅炉中，由辐射造成的损失和其他无法计算的损失一般占燃料总热值的1%到2%，而在一台500MW的锅炉中，这部分损失一般占燃料总热值的1%到2%。
辐射损失可以根据表面的情况进行适当的估算。
⏹步骤5：
计算锅炉效率和锅炉蒸发率
蒸发率=用于产生蒸汽的热量/供给蒸汽的热量
蒸发率表示每消耗1kg燃料所产生的蒸汽的质量。
一些典型的蒸发率：
燃煤锅炉：
6（即1kg煤可以产生6kg蒸汽）
燃油锅炉：
13（即1kg油可以产生13kg蒸汽）
不过，蒸发率还受锅炉的类型、燃料的热值和相关的效率影响。
锅炉具体情况如下：
锅炉类型：
燃油锅炉
油的元素分析
C:
84%
H2:
12.0%
S:
3.0%
O2:
1%
油的总热值：
10200kcal/kg
氧气的比例：
7%
CO2的比例：
11percent
烟气温度（Tf）：
220℃
环境温度（Ta）：
27℃
空气湿度：
0.018kg/kg干燥空气
=[（11.43xC）+[{34.5x（H2–O2/8）}+（4.32xS）]/100kg/kg油
=[（11.43x84）+[{34.5x（12–1/8）}+（4.32x3）]/100kg/kg油
=13.82kg空气/kg油
计算供给的过量空气比例（EA）
供给的过量空气（EA）
=（O2x100）/（21-O2）
=（7x100）/（21-7）
=50%
计算为每1kg燃料供给的空气的实际质量（AAS）
AAS/kg燃料=[1+EA/100]x理论空气质量（AAS）
=[1+50/100]x13.82
=1.5x13.82
=20.74kg空气/kg油
估算总的热量损失
其中，m=干烟气的质量，单位kg/kg燃料
m=（每1kg燃料燃烧产生的干燥产物质量）+（每1kg燃料中的N2
质量）+（工给的空气实际质量中的N2质量）.Cp=烟气的比热（0.23kcal/kg）
由燃料中的H2形成的水蒸发所造成的热量损失所占的比例
其中，H2=1kg燃料中H2的比例
其中，M=1kg燃料中水分的比例
Cp=过热蒸汽的比热（0.45kcal/kg）
其中，Cp=过热蒸汽的比热（0.45kcal/kg）
由于热辐射造成的热损失和其他无法计算的热损失所占的比例由于不同表面的热辐射系数、倾斜度和空气流类型等不同，实际的辐射和对流热损失很难计算。
在一台容量为10MW的较小的锅炉中，由辐射造成的损失和其他无法计算的损失一般占燃料总热值的1%到2%，而在一台500MW的锅炉中，这部分损失一般占燃料总热值的1%到2%。
干烟气造成的热量损失:
9.29%
燃料中的H2形成的水蒸发造成的热量损失:
7.10%
空气中的水分造成的热量损失:
0.317%
热辐射造成的损失和其他无法计算的损失:
2%
=100-[9.29+7.10+0.317+2]
=100–17.024=83%（大约）
蒸发率=用于产生蒸汽的热量/供给蒸汽的热量
=10200x0.83/（660-60）
=14.11（典型的燃油锅炉的蒸发率是13）
间接法的优点
⏹可以得出每一个能量流的完整的质量和能量平衡，因此更容易确定提高锅炉效率的方案
间接法的缺点
⏹比较耗时间
⏹需要有用于分析的实验室设施
2.3.2锅炉排污
当水沸腾产生蒸汽以后，水中溶解的所有固体物质都会残留在锅炉中。
如果更多的固体物质随锅炉给水被添加到锅炉中，它们的浓度就会增大，并且可能最终超过它们在水中的溶解度，它们就会从溶液中沉积出来。
浓度超过了一定的水平，这些固体就会造成发泡并造成水被蒸汽带走。
沉积物还会使锅炉内结垢，造成局部过热并最终使锅炉管破裂。
因此，必须控制锅炉水中悬浮和溶解的固体物质的浓缩度。
这是通过“排污”过程来实现的。
在排污过程中，一定量的水被排掉，并由锅炉给水自动替换——从而将锅炉水中的总溶解固体量（TDS）维持在最佳水平，并除掉已经从溶液中析出，将要沉积在锅炉内表面的固体物质。
锅炉排污是必须的，它能够保护锅炉内的换热器表面。
不过，如果实施不当，锅炉排污可能成为一个重要的热量损失源。
锅炉水采样
锅炉水样只有在能够反应锅炉内部的情况时才是有用的。
因此，从玻璃管液面计、外置水位控制室或给水入口连接处附近取的水样都可能很不准确。
从锅炉筒取的水样既不安全也不准确，因为那里的水承受着压力，很大一部分会扩容为蒸汽。
因此由水样测量出的总溶解固体量会比从锅炉内部测量的值高。
基于这些水样分析结果，通常会排放比
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