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      鍋爐的發展和原理
      來源: | 作者:pmt6bee85 | 發布時間: 2019-11-27 | 564 次瀏覽 | 分享到:
      18世紀上半葉,英國煤礦使用的蒸汽機,包括瓦特的初期蒸汽機在內,所用的蒸汽壓力等于大氣壓力。18世紀后半葉改用高于大氣壓力的蒸汽

        鍋爐的發展分鍋和爐兩個方面。

        

        18世紀上半葉,英國煤礦使用的蒸汽機,包括瓦特的初期蒸汽機在內,所用的蒸汽壓力等于大氣壓力。18世紀后半葉改用高于大氣壓力的蒸汽。19世紀,常用的蒸汽壓力提高到0.8兆帕左右。與此相適應,最早的蒸汽鍋爐是一個盛水的大直徑圓筒形立式鍋殼,后來改用臥式鍋殼,在鍋殼下方磚砌爐體中燒火。

        

        隨著鍋爐越做越大,為了增加受熱面積,在鍋殼中加裝火筒,在火筒前端燒火,煙氣從火筒后面出來,通過磚砌的煙道排向煙囪并對鍋殼的外部加熱,稱為火筒鍋爐。開始只裝一只火筒,稱為單火筒鍋爐或康尼許鍋爐,后來加到兩個火筒,稱為雙火筒鍋爐或蘭開夏鍋爐。

        

        1830年左右,在掌握了優質鋼管的生產和脹管技術之后出現了火管鍋爐。一些火管裝在鍋殼中,構成鍋爐的主要受熱面,火(煙氣)在管內流過。在鍋殼的存水線以下裝上盡量多的火管,稱為臥式外燃回火管鍋爐。它的金屬耗量較低,但需要很大的砌體。

        

        19世紀中葉,出現了水管鍋爐。鍋爐受熱面是鍋殼外的水管,取代了鍋殼本身和鍋殼內的火筒、火管。鍋爐的受熱面積和蒸汽壓力的增加不再受到鍋殼直徑的限制,有利于提高鍋爐蒸發量和蒸汽壓力。這種鍋爐中的圓筒形鍋殼遂改名為鍋筒,或稱為汽包。初期的水管鍋爐只用直水管,直水管鍋爐的壓力和容量都受到限制。

        

        二十世紀初期,汽輪機開始發展,它要求配以容量和蒸汽參數較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著制造工藝和水處理技術的發展,出現了彎水管式鍋爐。開始是采用多鍋筒式。隨著水冷壁、過熱器和省煤器的應用,以及鍋筒內部汽、水分離元件的改進,鍋筒數目逐漸減少,既節約了金屬,又有利于提高鍋爐的壓力、溫度、容量和效率。

        

        輔助循環鍋爐又稱強制循環鍋爐,它是在自然循環鍋爐的基礎上發展起來的。在下降管系統內加裝循環泵,以加強蒸發受熱面的水循環。直流鍋爐中沒有鍋筒,給水由給水泵送入省煤器,經水冷壁和過熱器等蒸發受熱面,變成過熱蒸汽送往汽輪機,各部分流動阻力全由給水泵來克服。

        

        第二次世界大戰以后,這兩種型式的鍋爐得到較快發展,因為當時發電機組要求高溫高壓和大容量。發展這兩種鍋爐的目的是縮小或不用鍋筒,可以采用小直徑管子作受熱面,可以比較自由地布置受熱面。隨著自動控制和水處理技術的進步,它們漸趨成熟。在超臨界壓力時,直流鍋爐是唯一可以采用的一種鍋爐,70年代最大的單臺容量是27兆帕壓力配1300兆瓦發電機組。后來又發展了由輔助循環鍋爐和直流鍋爐復合而成的復合循環鍋爐。

        

        在鍋爐的發展過程中,燃料種類對爐膛和燃燒設備有很大的影響。因此,不但要求發展各種爐型來適應不同燃料的燃燒特點,而且還要提高燃燒效率以節約能源。此外,爐膛和燃燒設備的技術改進還要求盡量減少鍋爐排煙中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)

        

        早年的鍋殼鍋爐采用固定爐排,多燃用優質煤和木柴,加煤和除渣均用手工操作。直水管鍋爐出現后開始采用機械化爐排,其中鏈條爐排得到了廣泛的應用。爐排下送風從不分段的“統倉風”發展成分段送風。

        

        早期爐膛低矮,燃燒效率低。后來人們認識到爐膛容積和結構在燃燒中的作用,將爐膛造高,并采用爐拱和二次風,從而提高了燃燒效率。

        

        發電機組功率超過6兆瓦時,以上這些層燃爐的爐排尺寸太大,結構復雜,不易布置,所以20年代開始使用室燃爐,室燃爐燃燒煤粉和油。煤由磨煤機磨成煤粉后用燃燒器噴入爐膛燃燒,發電機組的容量遂不再受燃燒設備的限制。自第二次世界大戰初起,電站鍋爐幾乎全部采用室燃爐。

        

        早年制造的煤粉爐采用了U形火焰。燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛中先下降,再轉彎上升。后來又出現了前墻布置的旋流式燃燒器,火焰在爐膛中形成L形火炬。隨著鍋爐容量增大,旋流式燃燒器的數目也開始增加,可以布置在兩側墻,也可以布置在前后墻。1930年左右出現了布置在爐膛四角且大多成切圓燃燒方式的直流燃燒器。

        

        第二次世界大戰后,石油價廉,許多國家開始廣泛采用燃油鍋爐。燃油鍋爐的自動化程度容易提高。70年代石油提價后,許多國家又重新轉向利用煤炭資源。這時電站鍋爐的容量也越來越大,要求燃燒設備不僅能燃燒完全,著火穩定,運行可靠,低負荷性能好,還必須減少排煙中的污染物質。[1]

        

        3工作原理

        

        鍋爐是一種利用燃料燃燒后釋放的熱能或工業生產中的余熱傳遞給容器內的水,使水達到所需要的溫度(熱水)或一定壓力蒸汽的熱力設備。它是由“鍋”(即鍋爐本體水壓部分)、“爐”(即燃燒設備部分)、附件儀表及附屬設備構成的一個完整體?! ″仩t在“鍋”與“爐”兩部分同時進行,水進入鍋爐以后,在汽水系統中鍋爐受熱面將吸收的熱量傳遞給水,使水加熱成一定溫度和壓力的熱水或生成蒸汽,被引出應用。在燃燒設備部分,燃料燃燒不斷放出熱量,燃燒產生的高溫煙氣通過熱的傳播,將熱量傳遞給鍋爐受熱面,而本身溫度逐漸降低,最后由煙囪排出。

        

        鍋爐參數是表示鍋爐性能的主要指標,包括鍋爐容量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度等。鍋爐容量可用額定蒸發量或最大連續蒸發量來表示。額定蒸發量是在規定的出口壓力、溫度和效率下,單位時間內連續生產的蒸汽量。最大連續蒸發量是在規定的出口壓力、溫度下,單位時間內能最大連續生產的蒸汽量。

        

        蒸汽參數包括鍋爐的蒸汽壓力和溫度,通常是指過熱器、再熱器出口處的過熱蒸汽壓力和溫度如沒有過熱器和再熱器,即指鍋爐出口處的飽和蒸汽壓力和溫度。給水溫度是指省煤器的進水溫度,無省煤器時即指鍋筒進水溫度。

        

        鍋爐可按照不同的方法進行分類。鍋爐按用途可分為工業鍋爐、電站鍋爐、船用鍋爐和機車鍋爐等;按鍋爐出口壓力可分為低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力等鍋爐;鍋爐按水和煙氣的流動路徑可分為火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐,其中火筒鍋爐和火管鍋爐又合稱為鍋殼鍋爐;按循環方式可分為自然循環鍋爐、輔助循環鍋爐(即強制循環鍋爐)、直流鍋爐和復合循環鍋爐;按燃燒方式,鍋爐分為室燃爐、層燃爐和沸騰爐等。

        

        在水汽系統方面,給水在加熱器中加熱到一定溫度后,經給水管道進入省煤器,進一步加熱以后送入鍋筒,與鍋水混合后沿下降管下行至水冷壁進口集箱。水在水冷壁管內吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經上升管到達鍋筒中,由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過熱器,繼續吸熱成為一定溫度的過熱蒸汽(目前大多300MW、600MW機組主汽溫度約為540℃左右),然后送往汽輪機。

        

        在燃燒和煙風系統方面,送風機將空氣送入空氣預熱器加熱到一定溫度。在磨煤機中被磨成一定細度的煤粉,由來自空氣預熱器的一部分熱空氣攜帶經燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒,放出大量熱量。燃燒后的熱煙氣順序流經爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預熱器后,再經過除塵裝置,除去其中的飛灰,最后由引風機送往煙囪排向大氣。

        

        4鍋爐結構

        

        鍋爐整體的結構包括鍋爐本體和輔助設備兩大部分。鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁過熱器、省煤器、空氣預熱器、構架和爐墻等主要部件構成生產蒸汽的核心部分,稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個最主要的部件是爐膛和鍋筒。

        

        爐膛又稱燃燒室,是供燃料燃燒的空間。將固體燃料放在爐排上,進行火床燃燒的爐膛稱為層燃爐,又稱火床爐;將液體、氣體或磨成粉狀的固體燃料,噴入火室燃燒的爐膛稱為室燃爐,又稱火室爐;空氣將煤粒托起使其呈沸騰狀態燃燒,并適于燃燒劣質燃料的爐膛稱為沸騰爐,又稱流化床爐;利用空氣流使煤粒高速旋轉,并強烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風爐。

        

        爐膛設計需要充分考慮使用燃料的特性。每臺鍋爐應盡量燃用原設計的燃料。燃用特性差別較大的燃料時鍋爐運行的經濟性和可靠性都可能降低。

        

        鍋筒是自然循環和多次強制循環鍋爐中,接受省煤器來的給水、聯接循環回路,并向過熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒簡體由優質厚鋼板制成,是鍋爐中最重的部件之一。

        

        鍋筒的主要功能是儲水,進行汽水分離,在運行中排除鍋水中的鹽水和泥渣,避免含有高濃度鹽分和雜質的鍋水隨蒸汽進入過熱器和汽輪機中。

        

        鍋筒內部裝置包括汽水分離和蒸汽清洗裝置、給水分配管、排污和加藥設備等。其中汽水分離裝置的作用是將從水冷壁來的飽和蒸汽與水分離開來,并盡量減少蒸汽中攜帶的細小水滴。中、低壓鍋爐常用擋板和縫隙擋板作為粗分離元件;中壓以上的鍋爐除廣泛采用多種型式的旋風分離器進行粗分離外,還用百頁窗、鋼絲網或均汽板等進行進一步分離。鍋筒上還裝有水位表、安全閥等監測和保護設施。

        

        

        為了考核性能和改進設計,鍋爐常要經過熱平衡試驗。直接從有效利用能量來計算鍋爐熱效率的方法叫正平衡,從各種熱損失來反算效率的方法叫反平衡??紤]鍋爐房的實際效益時,不僅要看鍋爐熱效率,還要計及鍋爐輔機所消耗的能量。

        

        單位質量或單位容積的燃料完全燃燒時,按化學反應計算出的空氣需求量稱為理論空氣量。為了使燃料在爐膛內有更多的機會與氧氣接觸而燃燒,實際送入爐內的空氣量總要大于理論空氣量。雖然多送入空氣可以減少不完全燃燒熱損失,但排煙熱損失會增大,還會加劇硫氧化物腐蝕和氮氧化物生成。因此應設法改進燃燒技術,爭取以盡量小的過量空氣系數使爐膛內燃燒完全。

        

        鍋爐煙氣中所含粉塵(包括飛灰和炭黑)、硫和氮的氧化物都是污染大氣的物質,未經凈化時其排放指標可達到環境保護規定指標的幾倍到數十倍??刂七@些物質排放的措施有燃燒前處理、改進燃燒技術、除塵、脫硫和脫硝等。借助高煙囪只能降低煙囪附近地區大氣中污染物的濃度。

        

        煙氣除塵所使用的作用力有重力、離心力、慣性力附著力以及聲波、靜電等。對粗顆粒一般采用重力沉降和慣性力的分離,在較高容量下常采用離心力分離除塵靜電除塵器和布袋過濾器具有較高的除塵效率。濕式和文氏—水膜除塵器中水滴水膜能粘附飛灰,除塵效率很高還能吸收氣態污染物。

        

        二十世紀50年代以來,人們努力發展灰渣綜合利用,化害為利。如用灰渣制造水泥、磚和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又從粉煤灰中提取空心微珠,作為耐火保溫等材料。

        

        鍋爐未來的發展將進一步提高鍋爐和電站熱效率;降低鍋爐和電站的單位功率的設備造價;提高鍋爐機組的運行靈活性和自動化水平;發展更多鍋爐品種以適應不同的燃料;提高鍋爐機組及其輔助設備的運行可靠性;減少對環境的污染。
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