燃油燃气锅炉的结构和设计

1第 5 章 燃油燃气锅炉的结构和设计5.1 概述能源和环境目前已成为世界关注的焦点，我国能源的消费结构远远跟不上国民经济的发展和人民生活水平的提高。而能源的消费结构将从根本上影响我们所处的环境，特别是我国生活和工业锅炉在 80 年代以前基本上燃用煤炭，平均运行效率在 60%左右，能源的浪费和环境污染问题相当严重。虽然“六五”期间，对容量稍大的燃煤工业锅炉进行了大规模地改造，但其改造的范围是很窄的，大多数的生活锅炉并没有得到根本的改进，致使我们国家环境污染问题日趋严峻，很多城市和地区变成了酸雨区。因此，现在已经到了从根本上改变我们国家能源消费结构的时候了。虽然我们国家以煤为主要能源的情况在 20 年内不会改变，但我们可以通过渐进的方式逐步改变，首先大型燃煤机组的发展和改造应和先进发达国家的水平保持一致，提高效率和运行水平，降低 SOx ，NO x 和 CO2 的排放量。在本世纪初，这一进程将大大加快。目前我们国家所面临的最大难题是改造现有的工业和生活锅炉，为此我们应该大力开发节能产品和节能技术，以改造耗能和环境污染的大户工业锅炉。适当进口石油，放宽城市小型工业锅炉和生活锅炉燃用油品的限制，并开发燃用油、天然气和城市煤气的燃油和燃气锅炉，以取代那些耗能高、分布广、污染严重的生活锅炉和部分工业锅炉。由于以前的能源的消费结构使得我们在燃煤技术的研究上下了较大功夫，而2忽略了对燃用油、天燃气和城市煤气的燃油和燃气锅炉的研究和开发，使得我们在燃油和燃气锅炉的研究和设计制造方面存在很多盲目性。本章根据近几年对燃油和燃气锅炉基础理论方面的研究以及和多家锅炉制造厂合作设计的实践讨论燃油和燃气锅炉结构和设计。近几年，我国各大中型城市积极推行集中供热以解决小型燃煤锅炉引起的局部环境污染问题，但集中供热的热源仍以燃煤为主，不能从根本上解决粉尘、废水、废渣、有害气体的排放。因此，以燃用天燃气、煤气、液化石油气以及液体燃料油等清洁燃料为主的环保型供热系统在城市小区供热系统中获得了广泛的应用。清洁型燃料燃烧充分，产生的有害气体少，对城市小区而言，这种环保型的燃油燃气锅炉供热系统还可使居民自行调节供热的温度和时间。但这种环保型的燃油燃气锅炉供热系统要求更高，已成为锅炉和自动控制工作者联合研究的课题。总体上看环保型燃油燃气锅炉是向减小体积和重量、提高效率、提高组装化程度和自动化程度的发展方向。特别是近几年采用一些新型燃烧技术和强化传热技术，燃油和燃气锅炉的体积比以前大为降低，锅壳式蒸汽锅的热效率已高达 92%93%。随着工业的发展，人们对燃油和燃气锅炉的总体要求将更加严格。这种要求主要是解决经济性、安全性、可使用性的矛盾，具体表现在以下几个方面：锅炉的高效率。燃油和燃气锅炉的高效率意味着可以节约日益紧张和昂贵的能源。环保型燃油燃气锅炉的燃烧效率和大型工业3锅炉已基本相当。环保型燃油燃气锅炉，特别是蒸汽锅炉，由于采用了低阻力型火管传热技术和低阻力高扩展传热面的紧凑型尾部受热面，环保型燃油燃气锅炉的排烟温度基本上和大容量的工业锅炉相同，可达 130140。结构简单。采用简单结构的受热面，对锅壳式锅炉，采用单波形炉胆和双波形炉胆燃烧，强化型传热低阻力火管，以及低阻型扩展尾部受热面。除此之外还可根据具体要求配备低温过热器（250）受热面。对水管式锅炉，采用膜式壁型炉膛，紧凑的对流受热面，可配备引风装置，除此之外还可根据具体要求配备高温过热器（250）受热面。使用简易配套的辅机。给水泵、重油泵、重油加热器（电气-蒸汽两用） 、鼓风机和其它一些辅机要和锅炉本体一起装配，而且要保证运输的可靠性。(4)全智能化自动控制并配有多级保护系统。不仅配有完善的全自动燃烧控制装置，更配有多级安全保护系统，应具有锅炉缺水、超压、超温、熄火保护、点火程序控制及声、光、电报警。(5)配备燃烧器（送风机）和烟道消音系统，降低锅炉运行的噪音。(6)应装备自动加药装置，水处理装置。(7)配备其它监测和限制装置，至少应保证锅炉 24 小时无监督安全运行。45.2 锅炉的参数、型号和技术指标5.2.1 锅炉参数5.2. 1.1 工业锅炉的参数系列（参见 GB19211988，GB31661988） 锅炉参数指锅炉容量、工作压力、工作温度。工业锅炉蒸汽的容量用额定蒸发量（D）表示。额定蒸发量（D ）表明锅炉在蒸汽压力，蒸汽温度，规定的锅炉效率和给水温度下，连续运行时所必须保证的最大蒸发量，单位为 t/h。工业热水锅炉以额定供热量(Q)表示，其单位为 MW。蒸汽锅炉额定工作压力和温度是指末级过热器出口集箱主蒸汽阀出口处的过热蒸汽压力和蒸汽温度，对于无过热器的锅炉，可用主蒸汽阀出口处的蒸汽压力和温度来表示；热水锅炉额定工作压力和温度是指额定热水出水阀处的热水压力和温度。压力的单位用Mpa，温度的单位为。蒸汽锅炉给水温度是指进省煤器的水温度，对无省煤器的锅炉是指进入锅炉锅筒的水温度；热水锅炉一般为额定进口水温度。我国工业蒸汽锅炉的参数系列如表 5-1 所示；热水锅炉的参数系列如表 5-2 所示。F:毕业设计图片5-1.jpgF:毕业设计图片续 5-1,5-2.jpg5.2.1.2 常压热水锅炉的参数系列（参见 JB/T 79851995）5常见热水锅炉是以水为介质，表压力为零的固定式锅炉。这种锅炉本体开孔与大气相通，在任何工况下锅炉水位线处压力为零。常压热水锅炉的参数应符合表 5-3 的规定。F:毕业设计图片5-3.jpg5.2.2 锅炉型号5.2.2.1 工业锅炉产品型号的编制方法（参见 JB/T 16261992）工业锅炉产品型号由三部分组成，各部分之间用短横线相连。表示如下：型号的第一部分表示锅炉和燃烧设备的形式，共分三段。第一段用两个汉语拼音字母代表锅炉的总体形式（表 5-4，表 5-5） ，第二段用一个汉语拼音字母代表锅炉的燃烧设备（表 5-6） ，第三段用阿拉伯数字表示蒸汽锅炉的额定蒸发量为若干 t/h 或热水锅炉额定热功率为若干 MW。型号的第二部分表示介质参数，共分二段，中间以斜线相连。第一段用阿拉伯数字表示额定蒸汽压力或允许工作压力为若干Mpa；第二段用阿拉伯数字表示额定过热蒸汽温度或出口水温度和进口水温度，单位为。蒸汽温度为饱和温度时，型号的第二部分无斜线和第二段。型号的第三部分表示燃料种类。以汉语拼音字母代表燃料种类，同时以罗马数字代表燃料品种分类与其并列（表 5-7） 。如同时使用几种燃料，主要燃料放在前面。6工业锅炉如为气水（热水、开水）两用或三用锅炉，以锅炉的主要功能来编制产品型号。例如：WNS10-1.25-YCQT 表示锅壳式、卧式、内燃、室燃，额定蒸发量为 10t/h，额定工作压力为 1.25Mpa，蒸汽温度为饱和温度194（由饱和压力确定） ，燃用轻柴油或天然气两用，以燃用轻柴油为主的蒸汽锅炉；WNS4.2-1/115/70-QJ 表示锅壳式、卧式、内燃、室燃，额定热功率为 4.2MW，额定工作压力为 1.0Mpa，热水温度为 115，进水温度为 70，燃用焦炉煤气的热水锅炉。5.2.2.2 常压热水锅炉产品型号的编制方法参见（JB/T7985-1995）常压热水锅炉的产品型号也由三部分组成，和工业锅炉产品型号的编制方法基本相同，所不同的是型号的第一部分由常压锅炉的代号（C） 、锅炉总体型式和燃烧设备组成。例如：CWNS1.4-95/70-YZ 表示常压锅壳式、卧式、内燃、室燃，额定热功率为 1.4MW，额定工作压力 0.0Mpa，额定出口水温度为 95，额定进口温度为 70，燃用重油的热水锅炉。5.2.3 锅炉的技术指标锅炉的技术指标一般是指锅炉的热效率，锅炉的热效率是指送入锅炉的全部热量中被有效利用的百分数，表示热能转换的有效份额，目前工业和生活上使用的燃油燃气锅炉的热效率一般为86%90%。新设计的环保型燃油燃气锅炉的热效率可达 91%93%。远远超过我国 ZB98011-1988工业锅炉通用技术条件中给出的热7效率的规定值，标准规定值如表 5-8 所示，任何锅炉的热效率不应低于表中规定。5.3 燃油燃气锅炉的结构5.3.1 锅炉发展简介锅炉的产生是从人们对液体进行加热的基础上发展起来的。采用燃烧的方式对液体的加热大体上可分为直接加热和间接加热。所谓间接加热，就是高温火焰或烟气与被加热的物料不直接接触或用固定导热体隔开。锅炉就是采用间接加热原理来加热介质的。对圆筒中的水进行直接火焰加热，即把锅筒直接放置在燃烧设备上方加热，就是间接加热的一种，这种简单的加热方式热效率较低，为45%55% ，一般只能用作厨房燃具。以后在此基础上形成了火管式锅炉和水管式锅炉，如表 5-9 所示。所谓直接加热，就是高温火焰或烟气与被加热的物料直接接触。这种加热方式一般有三类：一类是用短火焰或高温烟气直接烘烤固体，对固体进行局部性快速加热，如热处理炉加热；二类是高温烟气和被加热的气体物质进行混合，将低温的气体物质加热成加热成高温介质，如直燃式的暖风机；三类是高温烟气和被加热的液体介质进行混合加热，如浸没燃烧加热。对于一些小型的采暖锅炉，当燃用比较清洁的气体燃料时，也可直接将锅炉尾部的烟气和冷水相接触，将水加热以供应热水，同时最大限度地利用锅炉尾部余热。从锅炉技术的发展史可以看出，锅炉的发展可以归纳为两个不8同的地方，这两个方向都是在对液体间接加热基础上演变而来。了解这一锅炉的发展渊源，对我们更好的开发新产品会有一定的作用。如表 5-9 表示。一个方向是在圆筒形锅炉 a)的基础上，在圆筒内部增加受热面积，开始是在一个大圆筒内增加了一个火筒 b)，燃烧在火筒中燃烧。以后增加到两个火筒 c） 。再以后从两个火筒发展到很多小直径的烟管（纯烟管式 d） ，开始是立式的烟管 e)，f)，后来容量增大后发展为卧式火筒- 烟管式 g)，h) 。这些锅炉因为燃料燃烧后的高温烟气在火筒（炉胆）和烟管中流动，所以统称为火管或者锅壳式锅炉。另一个方向是在圆筒形锅炉 i)的基础上，在圆筒外部增加水筒的数目 j)，燃料在筒外燃烧。和火管式锅炉的发展相类似，水筒的数目不断增加，发展成很多小直径的水管（k，l，m ，n，o） 。也有一开始就采用盘旋的一次直流水管直接快速地加热工质 p)，q) 。这些锅炉因为水在管中流动，所以统称为水管式锅炉。燃油燃气锅炉就其本体结构而言可分为火管锅炉和水管锅炉。火管锅炉结构简单，水及蒸汽容积大，对负荷变动适用性好，对水质的要求比水管锅炉低，多用于小型的企业生产工艺和生活采暖上。水管锅炉的受热面布置方便，传热性能好，在结构上可用于大容量和高参数的工况，但对水质和运行水平要求较高。水火管锅炉是在火管锅炉和水管锅炉的基础上发展起来的，具有两者的优点，对水质要求和水管锅炉相近。火管锅炉因为容量较小，结构紧凑，一般制成快装式锅炉，容量不大的水管锅炉也可制成快装锅炉，以便于9运输和现场安装。中小型燃油燃气锅炉的发展，大体上可分为三个不同时期。1）从燃煤锅炉的基础上发展而来，锅炉结构仍然保留着燃煤锅炉的特点。它只是去除了燃煤的燃烧设备，对炉膛稍加改装后，加装燃油、燃气燃烧装置而成的。如图 5-1 a）所示。2）第二次世界大战后，小型燃油锅炉得到了很大发展，这些锅炉是按照油船用锅炉的要求进行设计的，其结构、形式的发展均受到船用锅炉空间的限制，燃油、气燃烧器也没有进行标准化生产，在其它工业中的应用受到限制。如图 5-1 b）所示。3）专门按照燃油燃气的燃烧特点进行设计的燃油燃气锅炉。随着工业化的发展，对燃油燃气锅炉的容量和参数提出了更高的要求。另外，鉴于城市大气污染日趋严重，因此国家对锅炉的排放物提出了日益严格的限制，很多国家的能源消费结构发生了很大变化。因此，70 年代以来，发达国家中小型锅炉燃用轻质油、天然气等清洁燃料的份额日渐增多，燃油燃气锅炉进入独立开发的发展时期， （参见图 5-1 c） ） 。5.3.2 锅壳式（火管式）燃油燃气锅炉锅壳式燃油燃气锅炉是环保型锅炉的主要形式，锅壳式可分为立式和卧式两种类型。其中立式锅炉容量较小，卧式锅炉一般具有较大的容量。5.3.2.1 立式锅壳式燃油燃气锅炉现代中小型燃油燃气锅炉趋向于快装化、轻型化、自动化。立10式锅炉由于结构简单、安装操作方便、占地面积小、应用极广。新型的立式锅炉效率可达 85%90%,一般为蒸气锅炉。立式锅壳式燃油燃气锅炉容量一般在 1.0t/h 以下，蒸气压力一般在 1.0Mpa 以下。用于热水供应系统的锅炉容量可达 1.4MW。比较常用的型式有燃烧器顶置式两回程套筒式无管锅炉（图 5-2 a）,b)） ，这种锅炉较有特色，主要依靠炉膛的高温辐射换热和强烈旋转气流的对流换热来加热工质，锅炉本体为套筒式，一般在0.5t/h 以下炉膛采用平直炉胆，0.5t/h 以上炉膛采用波纹与平直组合炉胆。采用旋转火焰沿炉胆下行，高温烟气冲刷焊在锅筒筒体外侧的扩散对流受热面进行均匀的对流换热，这种肋片均匀的焊在锅筒四周整个长度上，充分利用了烟气余热，而且对流受热面烟风阻力不大，一般可将排烟温度降到合理的程度。该锅炉占地面积小，操作维护简便，