第二章 锅炉的工作原理

1、第二章第二章 锅炉的工作原理锅炉的工作原理第一节第一节 锅炉中的传热及热平衡锅炉中的传热及热平衡第二节第二节 锅炉水循环锅炉水循环第三节第三节 锅炉水处理锅炉水处理第一节第一节 锅炉中的传热及热平衡锅炉中的传热及热平衡一、锅炉中的传热一、锅炉中的传热- -传热基础传热基础三种传热方式高温总是自发地、不断地由高温热源向低温热源，由高温物体向低温物体传递。1、传导 物体直接接触的各部分之间由高温部分向低温部分的热量传递。 2、对流传热 流体在流动中和它直接接触的物体壁面进行的热量交换。 一、锅炉中的传热一、锅炉中的传热- -传热基础传热基础三种传热方式3、辐射换热 物体中的热能不断地以电磁波形式向

2、四面八方发射，这种能量称为热辐射能。当这种能量落到另一物体表面，就会或多或少被吸收并转化为热能，称为辐射换热。电磁波的传播部需要依靠任何中间媒介物，因而，辐射换热是真空下唯一能进行的。一、锅炉中的传热一、锅炉中的传热- -锅炉中传热方式锅炉中传热方式 锅炉中的传热是三种传热方式的复合，属于复杂的换热。1、炉膛内的换热 火焰热辐射（少量对流传热）受热面热传导（快）内侧对流传热（较快）工质（水、汽） 这个过程中，传热过程主要取决于热辐射。一、锅炉中的传热一、锅炉中的传热- -锅炉中传热方式锅炉中传热方式2、烟道内的换热 烟道内烟气与其中的受热面外壁之间主要是对流换热，也有一部分辐射换热。随着烟气温

3、度降低，辐射换热所占的份额越来越小。 当受热面的两侧金属壁面分别积灰和结垢时，导热热阻明显增加，热效率降低。二、锅炉的热平衡二、锅炉的热平衡n锅炉热平衡是指在正常运行状态下，锅炉输入热量、输出热量及各种热损失之间的平衡关系。n分析锅炉的热平衡，可以确定锅炉的热效率、燃料消耗量和各种热损失，进而掌握或预测锅炉结构及运行管理的完善程度，提高锅炉的经济性及运行可靠性。二、锅炉的热平衡二、锅炉的热平衡计算基准 以1kg固体/液体燃料（或1m3气体燃料）为单位计算的锅炉热平衡方程 Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+ Q6 Qr1kg燃料燃烧放出的热量； Q1 锅炉输出热量； Q2排烟热损失； Q3气体

4、不完全燃烧热损失； Q4固体不完全燃烧热损失； Q5锅炉散热损失； Q6其他热损失；单位kJ/kg二、锅炉的热平衡二、锅炉的热平衡锅炉热平衡议程除以Qr得 q1+q2+q3+q4+q5+q6=100%锅炉热锅炉热效率q1：锅炉的热效率65432r11gl%100%100QQqqqqqq第二节第二节 锅炉水循环锅炉水循环一、水循环的概念锅炉水循环：水和汽水混合物在锅炉蒸发受热面回路中的循环流动。自然循环：利用水和汽水混合物的密度差，使水与汽水混合物产生循环流动，称为自然循环。蒸汽锅炉一般采用自然循环。强制循环：与自然循环相比，如果是借助泵的压头使汽水混合物在炉内循环流动，则称为强制循环。一、水循

5、环的概念 给水从锅筒进入不受热的下降管，经过集箱分配到炉内受热上升管束；在上升管内水受热并部分汽化，汽水混合物由于密度较小向上流动回到锅筒；形成自然循环。 任何一台蒸汽锅炉都是由若干自然循环回路组成。n自然循环的基本概念自然循环是指工质在蒸发受热面内的循环流动，而工质在省煤器、过热器中的流动是一次性的流动，省煤器中流动的压力是给水泵的压头，过热器中流动的压力是锅筒的蒸汽压力锅炉工作压力不是循环流动的直接动力。自然循环锅炉的蒸发受热面系统都存在着自然循环，但有的无明确的循环回路。例如，锅壳锅炉的锅壳内的水没有明显的循环回路；水管锅炉的对流管束中有循环回路，但上升管和下降管是不确定的，通常靠近炉膛

6、出口受热较强的管子是上升管，而远离炉膛出口受热弱的管子是下降管。二、水循环的可靠性指标二、水循环的可靠性指标1.1.循环流速循环流速 水循环的可靠性是要求所有的受热管都要保证管内具有连续水膜冲刷管壁以得到良好的冷却，防止管壁结盐和超温，因此必须保持一定的循环流速。循环流速指整个回路中水进入上升管时候的速度循环流速的大小直接反映管内水流将管外热量与管内蒸汽带走的能力；循环流速越大，工质放热系数越大，带走的热量越多，管壁冷却条件越好，金属超温的可能性越小。对于供热锅炉，工作压力较低，汽水密度差较大，有利于实现自然循环，水冷壁循环流速一般0.42m/s;对流管束0.21.5m/sssfGw03600

7、二、水循环的可靠性指标二、水循环的可靠性指标2.2.循环倍率循环倍率在循环流速相同的情况下，由于上升管在炉内所处的位置不同受热强度也不同，因此热负荷不同、产汽量也不同，造成在出口位置水量的差别，如果热负荷过大将导致连续水膜无法维持；另外产汽量越多流速越大，高速汽流也可能撕裂水膜。因此为了保证有足够的水冷却管壁，在循环管路中从下降管进入上升管的水量G往往是数十倍于上升管同时产生的蒸汽量D；循环倍率定义：K=G/D；x=1/K是上升管含汽率也就是干度。其物理意义是单位质量的水在循环回路中全部汽化所需要循环的次数。K越大，x越小，表示上升管出口汽水混合物中水的份额越大，冷却越好。循环倍率随着压力的提

8、高水的汽化潜热降低，因此在受热相同的情况下压力越高K越小；蒸发量大的锅炉，上升管受热长度较长且热负荷较大，因此K较小。供热锅炉压力一般较低，其循环倍率较大（50200），一般无需考虑循环倍率低的问题。增大循环倍率的措施通常是增大下降管总截面积和保证上升管受热长度与直径之比不过大。自然循环热水锅炉的循环倍率概念有所不同，它指受热面在吸热量和锅炉循环水量以及供回水温度相同的条件下按照自然循环工作时受热面流量与直流工作时流量之比。热水炉有多个循环回路，尽管供回水温度相同，但各自的吸热量和温升不同，所以全炉的循环倍率是各回路循环倍率的加权平均。蒸汽锅炉自然循环倍率全部大于1；热水锅炉自然循环则可能大于

9、也可能小于1，这是热水锅炉的特点之一。3.3.循环回路特性曲线循环回路特性曲线该特性曲线表示在一定热负荷下有效压头Syx、阻力Pxj以及流量（或相应循环流速）之间的关系。下降管阻力Pxj是循环流速w0的函数，后者增加引起前者的增大。对于上升管而言，热负荷一定时增大循环流速将使管内含汽率减小，汽水混合物密度增大，并使克服下降管阻力的有效压头下降。当有效压头与阻力平衡时，交点就是水循环工作点A。二、水循环的可靠性指标二、水循环的可靠性指标依据实际得出的循环流速与推荐值对照，对水循环工作的可靠性进行校核三、自然循环的水循环故障三、自然循环的水循环故障循环回路由并联于锅筒与集箱之间的许多根上升管和数根

10、下降管组成；由于炉膛结构、管子受热长度以及积灰等情况的不同，产生受热不均匀性；如果个别上升管受热严重不良，则产生的有效压头将不足以克服公共下降管的阻力，从而使循环流速趋近于零，这种现象就是“循循环停滞环停滞”。 1 1、循环的停滞与倒流、循环的停滞与倒流当并联的各上升管受热严重不均时，受热最弱的上升管中流动压头过小，受热最强的上升管中汽水混合物的流速过大，产生抽吸作用，致使受热最弱的上升管中的汽水混合物朝着反方向下降流动，这种现象称为倒流。 n一般多采用加大下降管截面积和引出管截面积的方法来减少循环阻力，防止循环停滞与倒流。n根本办法就是减少或避免并联的各上升管受热的不均匀性预防措施预防措施倒

11、流倒流2 2、汽水分层、汽水分层一般情况下，随着蒸汽压力的增加、蒸发管直径的增大，发生汽水分层的可能性增加。因此要保证循环流速不低于0.60.8m/s、倾角不小于15度、尽量避免流动死角等。 n汽水分层是指水平布置或倾斜度较小的上升管中，汽水混合物流速过低，出现汽在上，水在下的分层流动现象。危害危害 管子上部没有水膜冷却，可能导致爆管 汽水两相分界面不稳定，分界面处的金属壁温波动较大，因而会导致金属疲劳破坏 分界面周围金属壁面长时间接触盐浓度较高的水，会产生碱腐蚀预防措施预防措施3.3.下降管带汽下降管带汽锅炉正常运行时，下降管是不允许出现蒸汽的。否则，水向下流动，气泡向上浮动，两者互相顶撞，

12、既增加了流动阻力，也减少了循环流量，甚至形成气塞，造成这部分管段过热。危害危害n下降管带汽不仅使自身的阻力增加，还迫使循环的运动压头降低，减弱了水的循环流动，从而增大了循环停滞、倒流、自由水面等出现的可能性。四、自然循环回路的合理布置四、自然循环回路的合理布置合理布置的目的:使受热均匀、提高运动压头、降低阻力以及防止汽水分层。n并联管总长度、受热管长度、受热负荷以及几何形状等尽量相近似，保证受热均匀；按照受热情况划分循环回路。例如前后墙、侧墙水冷壁组成独立系统。每个循环回路设置自己的独立的下降管和汽水引出管。n提高循环回路高度以保证足够的运动压头，并设法降低循环阻力。1.1.循环回路的设计布置

13、循环回路的设计布置2.2.上升管的布置上升管的布置尽量与锅筒水空间连接，避免自由水面，且注意与下降管入口之间保持必要的距离，或装设隔板加以有效的隔离，防止下降管带汽；如果上升管必须在锅筒汽空间引入，应尽量压低此管段最高点与水位间的距离；减少上升管及上集箱蒸汽引出管弯头数量，减小流动阻力；上升管尽量不要水平布置，倾斜布置倾角不应小于15度；上升管在保证阻力的同时要采用小管径，含汽率增高，运动压头提高。对于热水锅炉，水冷壁宜采用垂直上升结构，回路简单。3.3.下降管的布置下降管的布置结构尽量简单以便减小阻力，不设中间集箱、不用串联管、不允许水平管与锐角弯头；尽可能从锅筒底部引出；下降管入口与上升管

14、出口要保持一定距离并用隔板隔开；下降管要放置炉外不受热；下集箱中下降管与上升管的连接要尽量保证90度交角并避免轴线重合。n下降管截面积一般不应小于上升管截面积的2530。n供热锅炉不宜采用集中下降管布置，以免水力偏差引起水量分配不均。4.4.对流管束水循环分析对流管束水循环分析管束1因处于炉膛出口受热最强，2、3逐次减弱；因此整个循环中1、2上升管，3下降管。 如高负荷则3前排受热强烈可能转变为上升管； 反之，低负荷2后排则可能变为下降管甚至循环停滞。因此要尽量布置在不同温度区间。n要注意循环工况有变化的管子应与上锅筒的水空间相接，并尽可能接近锅筒底部，以免倒流时带进蒸汽；同时，将这几排管子尽

15、可能布置于烟温不高的区域，尤其是上部宜置于烟气流程的末尾，以免在产生短时间的循环停滞时烧损管子，并尽量减少这几排管子的弯头，以减少流动阻力。第三节第三节 锅炉水处理锅炉水处理一、蒸汽锅炉水处理特点一、蒸汽锅炉水处理特点高温使许多原本较慢的反应变得相当快高压给锅炉爆炸带来隐患因浓度的不断升高而形成水垢，这一现象特别易发生在剧烈蒸发的部位 高温高温高压高压 快速浓缩快速浓缩高温也要求锅炉本体得经受住热胀冷缩的考验，必须保证热量及时被水吸收水质不良的危害水质不良的危害水质不良的危害水质不良的危害二、水质不良的危害二、水质不良的危害Text in here当水中某种盐分在炉水中的浓度超过其相应的溶解度

16、，即会从炉水中析出并形成沉淀物，形成水垢。水垢成分复杂，一般是多种化合物的混合体，按其化学成分可分为钙镁水垢、硅酸盐水垢、铁垢和铜垢。结 垢 腐 蚀汽 水 共 腾二、水质不良的危害二、水质不良的危害Text in here金属构件破损结 垢 腐 蚀汽 水 共 腾产生垢下腐蚀含有高价铁的水垢，容易引起与水垢接触的金属铁的腐蚀。增加锅炉水中的结垢成份例如，混有铁、二氧化硅的1mm厚的水垢所造成的热损失，相当于4mm厚的其他成份的水垢。二、水质不良的危害二、水质不良的危害Text in here即 在锅炉筒的水、汽界面上，若蒸汽和水不能迅速分离，在锅水沸腾蒸发过程中，液面就会产生泡沫，泡沫薄膜破裂后

17、分离出很多的水滴，这些含盐很高的水滴不断被蒸汽带走，严重时，蒸汽携同泡沫一同进入蒸汽系统。由于锅水中含有过多的氯化钠、磷酸钠、油脂和硅化物时引起的结 垢 腐 蚀汽 水 共 腾二、水质不良的危害二、水质不良的危害Text in here锅炉汽水共腾会造成危害：蒸汽受到严重污染过热器管和蒸汽流通管道内出现积盐，严重时能将管道堵塞使过热蒸汽的温度下降水面计内充有气泡，造成液面分辨不清在蒸汽流通系统中产生水锤作用，容易造成蒸汽管路连接部位损坏容易引起蒸汽阀门、管路弯头及热交换器内的腐蚀。结 垢 腐 蚀汽 水 共 腾三、锅炉水质指标三、锅炉水质指标 锅炉用水可分为n原水，未经任何处理的天然水，是锅炉补水

18、的原料；n给水，送进锅炉的水n锅水，锅炉运行中锅筒内容纳的水n排污水，锅炉炉水的含盐量或碱度在不断蒸发和浓缩作用下，其水质指标超过标准要求时排放掉的炉水。（1 1）悬浮物）悬浮物悬浮物是表示不容于水的颗粒较大的一些物质，是表征杂质含量的指标。其单位为mg/L。对于锅炉内水处理，水中的悬浮物会增加锅内沉积物的量，给防垢工作带来难度，严重者还有可能堵塞排污管；对于锅炉外水处理，水中的悬浮物进入离子交换器后易覆盖在树脂颗粒表面，影响离子交换树脂的正常工作。水中的悬浮物较易去除，当采用锅内加药处理时，规定悬浮物小于20mg/l，当采用锅外化学处理时，规定悬浮物小于5mg/l，一般将原水经澄清、混凝、过

19、滤后都能达到此标准。当采用市政自来水作补给水源时，自来水中的悬浮物含量已远远小于此标准，因此可直接使用。（2 2）总硬度）总硬度 水的总硬度是指水中能形成水垢或水渣的钙、镁离子的总浓度，包括暂时硬度和永久硬度。 暂时硬度指重碳酸盐硬度，可以在加热煮沸过程中生成沉淀。 Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 永久硬度指非碳酸盐硬度，包括钙、镁的硫酸盐和氯化物等。 暂时硬度和永久硬度简称为暂硬和永硬。（3 3）碱度）碱度指水中氢氧根离子（OH-）、碳酸根离子（CO32-）、重碳酸根离子（HCO3-）的总含量，又称总碱度。由碱直接水解出OH-者叫氢氧根碱度；由CO32-和HCO3-水解出OH-者叫

20、碳酸根碱度及重碳酸根碱度。水中暂硬是钙、镁的重碳酸盐，在水中也水解出OH-，因此暂硬构成碱度，叫暂硬碱度。暂硬碱度是碳酸盐碱度及重碳酸盐碱度的一部分。钠与负离子构成的碱度，如NaOH，NaHCO3，Na2CO3，Na3PO4等，叫钠盐碱度。钠盐碱度与永硬在水中不能共存，当钠盐碱度与永硬相遇时，即会发生如下反应：CaSO4+Na2CO3=CaCO3+Na2SO4钠盐碱度有消除永硬的能力，因而称为“负硬”。（3 3）碱度）碱度 水中硬度与碱度有以下几种组合情况： 总硬度总碱度，此时水中有永硬及暂硬，无钠盐碱度，总碱度=暂硬。这样的水叫永硬水。 总硬度=总碱度，此时水中既无永硬，也无钠盐碱度，只有暂

21、硬及暂硬构成的碱度，即暂硬=总碱度。这样的水叫暂硬水。 总硬度总碱度，此时水中没有永硬而有钠盐碱度，总硬度=暂硬，总碱度=暂硬+钠盐碱度。这样的水叫负硬水或碱水。 永硬水、暂硬水、负硬水的性质及处理方法有很大区别。（4 4）PHPH指水中氢离子含量的负对数，表示水呈酸性、碱性或中性。给水PH值过高，不利于锅水PH值的控制，同时提高给水PH值须加药设施，提高了水处理工作的复杂性，考虑到我国的实际情况，规定给水PH值7。（5 5）溶解氧）溶解氧 指单位容积水中溶解氧的含量，单位为mg/L。水中的溶解氧能腐蚀锅炉金属和给水管道。锅炉蒸发量愈大，单位水容积愈小，在相同的时间内，金属表面接触的溶解氧也愈

22、多，所以规定锅炉额定蒸发量大于等于6t/h时应除氧，额定蒸发量小于6t/h的锅炉如发现局部腐蚀时，应采取除氧措施，对于供汽轮机用汽的锅炉给水含氧量应小于等于0.05mg/l。（6 6）含油量）含油量指单位容积水中溶解油的含量，单位为mg/L。给水含油量高时，会使锅水产生泡沫，影响蒸汽品质；也会使锅内形成导热系数很小的油质水垢。另外在温度较高的受热面下，由于油质的分解，可能转变成导热性极差的碳质水垢。四、锅炉给水处理四、锅炉给水处理1、去浊度2、软化：除离子-去钙、镁离子等。（阳、阴双床）3、去除溶解氧防止氧腐蚀4、调整pH值-防止酸腐蚀和碱性钢保护膜溶解脆化。给水处理的内容给水处理的内容四项处

23、理技术的目的四项处理技术的目的1防止结垢和泥渣堆积、管道堵塞 1) 硬度：钙、镁结垢物降低热传导且引起管子金属过热。 天然水的硬度有几ppm到超过500ppm的差异，高压锅炉只能容许02ppm。2) 硫酸盐和硅：硫酸盐和硅酸盐常在锅炉金属上沉淀而不形成泥渣，较难防止沉淀。3) 铁和钠：溶解或悬浮的铁也会沉积在金属表面。由于钠化合物的溶解度很高，通常只在水近乎蒸干时才会沉积。2.腐蚀和点蚀防止氧气和二氧化碳(酸腐蚀）：腐蚀的最常见形态为水中存氧和因二氧化碳存在而使PH偏低所产生。CO2直接来自水中碳酸盐分解。氮和硫化氢：当这些气体存在于水中，会增加对铜合金的腐蚀。螯合剂（chelates）：水处

24、理有时经常使用螯合剂，然而过量螯合剂残余超过20ppm（以CaCO3计）也可产生腐蚀。3.防止脆化 高碱度引起脆化。在正常操作条件下，当碱在炉鼓缝隙，铆钉底下及在水闪沸成蒸汽的管子末端浓缩时会发生脆化。至少必须有一些硅存在以防止脆化。4.防止挟带（蒸汽带水）锅炉给水处理常用工艺锅炉给水处理常用工艺原水 原水泵 多介质过滤器 活性炭过滤器 软水处理器 高压泵 一级反渗透（RO）装置 纯净水箱 高压泵二级反渗透紫外线杀菌装置 用水点工艺说明工艺说明1、过滤（传统的过滤一般采用沙虑）根据进水浊度的及处理的水量选择滤罐的尺寸目的：去除大颗粒浊度等2 2 活性碳过滤活性碳过滤功能：在水质预处理系统中，活

25、性炭过滤器能够吸附前级过滤中无法去除的余氯以防止后级反渗透膜受其氧化降解，同时还吸附从前级泄漏过来的小分子有机物等污染性物质，对水中异味、胶体及色素、重金属离子、COD等有较明显的吸附去除作用。可以进一步降低RO进水的TOC值，保证TOC2.Oppm。离子交换（软化）离子交换（软化）由于水的硬度主要由钙、镁形成及表示，故一般采用阳离子交换树脂(软水器)吸附：将水中的Ca2+、Mg2+（形成水垢的主要成份）置换出来，随着树脂内Ca2+、Mg2+的增加，树脂去除Ca2+、Mg2+的效能逐渐降低。再生：再生过程就是用盐箱中的食盐水冲洗树脂层，把树脂上的硬度离子在置换出来，随再生废液排出罐外，树脂就又

26、恢复了软化交换功能。 膜处理技术介绍膜处理技术介绍膜技术知识膜分离技术是一项新兴的分离技术，自从60年代开始大规模工业化应用，发展十分迅速，其品种日益丰富，应用领域不断扩展，是21世纪初最有发展前途的高新技术之一。常用膜的种类常用膜的种类膜的特性膜的特性微滤，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1-10微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离，而去除蛋白的能力很弱。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。超滤，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000 300000，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离

27、，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。膜的特性膜的特性纳滤，膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，通常截留率范围在60%-98%，相应截留分子量范围在100 1000，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子等，在生产纯净水、软化水、无离子水方面反渗透膜已经应用广泛。 氧腐蚀的控制氧腐蚀的控制除氧器是锅炉及供热系统关键设备之一，每年因氧腐蚀而对锅炉给水管道、省煤器

28、和其它附属设备的腐蚀造成的严重损失，已引起国家电力部越来越多的注意，电力部因此颁步了工业锅炉水质标准和电站除氧器安全技术监察规程，对除氧器含氧量提出了部颁标准，即低压除氧器给水含氧量应小于15/L，高压除氧器给水含氧量应小于7/L。氧腐蚀的控制氧腐蚀的控制Text in here理论依据理论依据：任何气体在水中的溶解度都与此气体在水面上的分压成正比。水的温度越高，其中气体的溶解度就越小热力除氧不但能去除大部分的溶解氧，而且还能去除水中的CO2、NH3、H2S等腐蚀性气体，且不增加给水的含盐量。化学除氧有两种方法，一种是使给水流经装有还原性填料的塔，使水中的溶解氧与还原性填料反应而被消耗尽或大部分被消耗掉。另一种方法是向给水中加入一定浓度的化学除氧剂，使水中的溶解氧与化学除氧剂反应而降低。理论依据理论依据：利用水在沸腾状态时气体的溶解度接近于零的特点当水温一定时，压力越低（即真空度越高），水中残留气体的含量越少。热力除氧热力除氧真空除氧真空除氧化学除氧化学除氧氧腐蚀的控制氧腐蚀的控制 化学除氧：常用的化学除氧剂有亚硫酸钠和联氨近几年来，国内外科技工作者又研制出了许多新型除氧剂，这些除氧剂同联氨一样不会增加锅水含盐量,且除氧速度快,对人体无害。目前用于实际应用的有以下几种:二甲基酮肟、