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锅炉未来的发展将进一步提高锅炉和电站热效率;降低锅炉和电站的单位功率的设备造价;提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平;发展更多锅炉品种以适应不同的燃料;提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性;减少对环境的污染。
锅炉的燃烧方式有三种形式:层燃(火床燃烧)、室燃(悬浮燃烧)、沸腾燃烧。各种燃烧方式有其相应的燃烧设备。固定炉排、链条炉排、往复炉排、振动炉排等属于层燃式,适用于燃烧固体燃料。煤粉锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉等属于室燃式,适用于粉状固体燃料,液体燃料和气体燃料。鼓泡流化床、循环流化床属于沸腾燃烧方式,适用于燃烧颗粒状固体燃料。抛煤机链条炉排,兼有层燃和室燃的燃烧方式,属于混合燃烧方式。
固定炉排:一种古老、结构简单的层燃燃烧的设备,分两种单层炉排和双层炉排A单层炉排用铸铁制造,有板状和条状B双层炉排,内有上下两层炉排,上炉排由水冷却管组成的固定炉排,下炉排为普通铸铁的固定炉排。上炉排以上空间为风室,下炉排以下为灰坑,两层炉排之间为燃烧室。
链条炉排:一种结构比较完善的燃烧设备。由于机械化程度高(加煤、清渣、除灰等均有机械完成),制造工艺成熟,运行稳定可靠,人工拨火能使燃料燃烧的更充分,燃烧率也较高,适用于大、中、小型工业锅炉。国产链条炉排按结构可分链带式、横梁式和鳞片式链条炉排。A链带式链条炉排属于轻型结构适用于额定蒸发量小于10t/Hd的蒸汽锅炉或相应容量的燃烧锅炉。B横梁式链条炉排是用刚性很强的横梁作支架,炉排片嵌于支架横梁的槽内,当主动轴上的链轮带动链条转动时横梁及其上的整付炉排随之移动。C鳞式链条炉排适用于额定蒸发量大于10t/Hd的蒸汽锅炉或相应容量的燃烧锅炉。
往复炉排:一种利用炉排往复运动来实现给煤、除渣、拨火机械化的燃烧设备。往复炉排炉排按布置方式可分倾斜往复炉排和水平往复炉排A倾斜往复炉排为倾斜阶梯型,炉排有相间布置的活动炉排片和固定炉排片组成。B水平往复炉排是有固定炉排片和活动炉排片交错组成,炉排片相互搭接。
振动炉排:一种由偏心块激振器、横梁、炉排片、拉杆、弹簧板、后密封装置、激振器电机、地脚螺钉、减震橡皮垫、下框架、前密封装置。测梁、固定支点等部件组成。具有结构简单,制造容易,重量轻、金属耗量少、设备投资省、燃烧条件好、炉排面积负荷高、煤种适应能力强优点在工业锅炉应用过。
抛煤机: 按抛煤方式,抛煤机可分为风力抛煤机,机械抛煤机和机械-风力抛煤机三种。机械抛煤机兼有机械抛煤机和风力抛煤机的功能,它有两个主要部件构成:给煤部件和抛煤部件。
新研制的高速气体燃烧器,为了达到完全燃烧,使燃气和空气通过众多的喷孔分别进入燃烧室,燃气射流与空气射流一一撞击,均匀混合,合成射流矢量方向应与燃烧室主轴线平行,避免一射流穿透另一射流,造成混合不均。为了减少NOx的生成,采取分区燃烧,前区燃烧温度低于后区燃烧温度,在燃烧室出口燃烧温度。前区是贫氧燃烧,后区增加供氧,在燃烧室出口达到过剩空气系数α=1。
如此设计,既能够合理配风,保证完全燃烧,防止CO生成,又能够维持较低的燃烧温度,减少有害气体NOx的生成。
燃烧室内充满高温的燃烧产物,其金属室壁必须有足够的冷却,才能工作。效仿液体火箭发动机的再生冷却,在高速气体燃烧器的设计中,利用空气在燃烧室外腔流动,吸收室壁传导的热量,保证室壁在的温度范围内工作。同时将空气预热能够促进完全燃烧和提高理论燃烧温度。
在燃烧室喷口局部高温区,专门设计有空气膜保护金属壁。
由于采取了以上的设计,高速气体燃烧器的使用寿命可达3年,而其他单位设计生产的高速气体燃烧器的燃烧室由耐火材料作内衬,使用寿命为几个月,甚至有的产品,其耐火材料内衬工作不足3个月就开裂。
在高速气体燃烧器设计中,为了使燃烧产物具有足够的动量,燃烧室应该有一定的压力。根据用户提供的燃气物理化学参数和速度要求,进行燃烧计算确定燃烧产物的各个热力参数后,燃烧室内燃烧产物的压力可以求出,即pc=pa/[1-(k-1)w2/2kRT]k/(k-1)。
式中pc为燃烧室压力;pa为环境压力;k为燃烧产物绝热指数;R为燃烧产物气体常数;T为燃烧温度;w为燃烧产物在喷口处的流速。
空气和燃气进入燃烧器,流经各自的通道,经过喷孔进入燃烧室,沿途存在一定的流阻。
燃烧器的空气入口压力pk是燃烧室压力pc和空气压降Δpk之和,燃烧器的燃气入口压力pr是燃烧室压力pc和燃气压降Δpr之和。即:pk=pc+Δpk 。pr=pc+Δpr。
pk和pr不能过高,应该满足用户提供的使用条件。高速气体燃烧器在使用天然气作燃气时,燃烧产物速度为100 m/s,其天然气入口压力为2 500 Pa,空气入口压力为2 100 Pa。
高速气体燃烧器是利用液体火箭发动机的燃烧技术为工业加热炉开发的一种、节能、低污染燃烧器。经天然气燃烧试验,证明其工作可靠、操作简单、热负荷调节范围大、空气过剩系数及燃气温度调节范围大。该燃烧器目前已成功地应用在油田、陶瓷、钢铁等行业的加热炉上。
氢气烧嘴也可以叫燃烧器,但不同于小型锅炉上用的一体化燃烧器,因为都属于燃烧器,所以二者的概念很容易在生产实践中被混淆。两者的区别在于:后者属于一体机,一般也叫燃烧机,包含助燃风机、燃料加压输送管件和点火监测控制器集成为一体,适用于小型锅炉及少量喷燃点的小型燃料加热炉。前者可包含点火电极和火焰监测探头,但单一氢气烧嘴一般不含助燃风机、燃料加压及输送管件和点火监测控制器,需要根据不同加热炉的具体结构及加热工艺要求布置氢气烧嘴及助燃风机、助燃空气管路、燃料加压及输送管件和点火监测控制器,氢气烧嘴的适用领域比一体化燃烧器要广。氢气烧嘴是国际上广泛应用的新型节能装置。它由燃料进口、燃烧筒、燃烧室外壳、高压点火及火焰监测器等部分组成,其结构及具体尺寸见图及表。
氢气烧嘴自带一个小型的封闭燃烧室,燃料在燃烧室内基本完全燃烧,燃烧后的高温气流以高速(达100m/s)喷出。其特点是:
烧嘴喷出的高温高速气流强化炉内的对流传热,缩短加热时间、提高炉子生产率,节省燃料,可用于快速加热。
高温高速气流具有较大的动能,可以带动炉气循环,有利于炉温均匀,提高加热质量,使用于精密件及要求温度均匀性较高的加热炉和热处理炉。
烧嘴采用三次配风,混合均匀,燃烧完全。提高燃料利用率,节省燃料。
烧嘴的调节比大,可达1:5以上,可以在同一炉上实现不同温度要求的加热。
燃烧可配自动点火及火焰监测器,与炉子控制系统匹配可实现自动操作。
目前,燃烧系统有三种:全手操、全自动位式、全自动比例调节。
全手操:这种燃烧方式就是燃油或燃气以固定的流量和空气以固定的流量混合进行燃烧,主要分布在大庆、胜利、辽河、西部等各大油田,燃料主要以原油为主,部分为重油;这是一种只重燃烧效果不重运行费用和的燃烧方式,造成大量的能源浪费和事故;在市场经济效益为主导的新形势下,这样的燃烧系统逐渐被精明的用户所放弃,例如:石油大学(东营)胜华炼油厂40T蒸汽锅炉,经过严密的论证,决定采用先进的燃烧系统-进口油气混合燃烧器。
全自动位式:这种燃烧系统具备所有全自动、保护功能,只是燃料和空气的调节是一段、两段或三段式调节,适合于小型锅炉或工业炉。
全自动比例调节:采用比例调节仪、PLC、DCS、BLM等实现燃料、空气混合燃烧逻辑运算配比,真正到完全燃烧,限度地节约了能源,保护了环境。国内典型范例:北京双榆树热力厂114MW锅炉6台、上海金山石化35T锅炉、天津焦化三厂35T锅炉、胜华炼油厂油气混烧40T蒸汽锅炉等。
善用能源、保护环境是二十一世纪可持续发展国策的重要议题,随着科学发展意识与理念的进步,先进的燃烧系统正在被大力推广应用。
锅炉节能运行方式:在满足技术要求的情况下,尽量低负荷连续运行。即节约了运行费用,又延长了锅炉寿命。这种运行方式和优点,早已被北京众多用户和专家证实并推广,仅此一项可节能8-15%,而只有比例调节燃烧系统才能实现这种运行模式。
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锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来,并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件;中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外,还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、阀等监测和保护设施。
为了考核性能和改进设计,锅炉常要经过热平衡试验。直接从有效利用能量来计算锅炉热效率的方法叫正平衡,从各种热损失来反算效率的方法叫反平衡。考虑锅炉房的实际效益时,不仅要看锅炉热效率,还要计及锅炉辅机所消耗的能量。
单位质量或单位容积的燃料完全燃烧时,按化学反应计算出的空气需求量称为理论空气量。为了使燃料在炉膛内有更多的机会与氧气接触而燃烧,实际送入炉内的空气量总要大于理论空气量。虽然多送入空气可以减少不完全燃烧热损失,但排烟热损失会增大,还会加剧硫氧化物腐蚀和氮氧化物生成。因此应设法改进燃烧技术,争取以尽量小的过量空气系数使炉膛内燃烧完全。
锅炉烟气中所含粉尘(包括飞灰和炭黑)、硫和氮的氧化物都是污染大气的物质,未经净化时其排放指标可达到环境保护规定指标的几倍到数十倍。控制这些物质排放的措施有燃烧前处理、改进燃烧技术、除尘、脱硫和脱硝等。借助高烟囱只能降低烟囱附近地区大气中污染物的浓度。
烟气除尘所使用的作用力有重力、离心力、惯性力附着力以及声波、静电等。对粗颗粒一般采用重力沉降和惯性力的分离,在较高容量下常采用离心力分离除尘静电除尘器和布袋过滤器具有较高的除尘效率。湿式和文氏—水膜除尘器中水滴水膜能粘附飞灰,除尘效率很高还能吸收气态污染物。
二十世纪50年代以来,人们努力发展灰渣综合利用,化害为利。如用灰渣制造水泥、砖和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又从粉煤灰中提取空心珠,作为耐火保温等材料。
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