小型鍋爐的安全與節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

李程

[摘 要]本文從小型鍋爐的輻射和對流傳熱原理進(jìn)行研究探討，結(jié)合節(jié)能器的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，提出增設(shè)空氣預(yù)熱器，對提高小型鍋爐的安全與節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]小型鍋爐 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)化 節(jié)能器 空氣預(yù)熱器

中圖分類號(hào)：T366 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）28-0072-01

鍋爐是采暖供熱系統(tǒng)的核心設(shè)備，它的主要任務(wù)是安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效地把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而將熱能傳遞給水，生產(chǎn)出滿足需要的蒸汽或熱水。中國目前小型鍋爐設(shè)計(jì)存在設(shè)計(jì)不合理、設(shè)計(jì)方法不正確，金屬耗量大，排煙溫度高，鍋爐效率低，鍋爐使用、制造成本高，經(jīng)濟(jì)性差等缺陷。因此總結(jié)研究小型鍋爐的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提煉出鍋爐安全與節(jié)能設(shè)計(jì)方法具有重要意義。

1 目前小型鍋爐設(shè)計(jì)的缺陷

大多數(shù)小型鍋爐房設(shè)備比較簡陋， 沒有嚴(yán)密的熱氣回收系統(tǒng)， 又無省煤器， 熱效率極低， 大量的熱量損失， 排煙溫度過高， 一般在200℃以上， 甚至有的高達(dá)300℃左右，進(jìn)而帶來許多負(fù)面影響。首先， 由于尾部排煙溫度過高， 設(shè)備經(jīng)常運(yùn)行在250℃以上的環(huán)境下， 引風(fēng)機(jī)常因高溫而損壞， 停機(jī)維修頻繁， 風(fēng)葉一年左右必須更換。其次， 排煙溫度的熱損失是鍋爐熱效率的一項(xiàng)較大損失， 當(dāng)排煙溫度在300℃時(shí)， 排煙所帶走的熱損失會(huì)使鍋爐的效率降低20 % 以上。

鍋爐的熱力過程是異常復(fù)雜的，尤其是爐膛內(nèi)部。以爐膛內(nèi)部的熱力過程為例，在其內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著流動(dòng)、混合、燃燒、傳熱過程，而且這些過程相互作用，相互影響，對這樣一個(gè)設(shè)備用純理論分析困難很大，因此較多前人采用的是筒體的理論模型，再加入適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)結(jié)論所形成的半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，來正確地反映爐膛內(nèi)的實(shí)際工作。電站鍋爐只有前蘇聯(lián)的2個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)，即1957年和1973年熱力系統(tǒng)的計(jì)算方法，另外再加上存在于各種文獻(xiàn)上的一些計(jì)算方法的研究和討論，利用這些半經(jīng)驗(yàn)半理論的公式進(jìn)行計(jì)算，不可避免地要出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀況偏離的情況，有時(shí)候這種偏離可能達(dá)到非常大的程度。

小型工業(yè)鍋爐的熱力計(jì)算沒有計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外目前參照大型電站鍋爐、工業(yè)鍋爐的熱力計(jì)算方法，即半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，由于小型工業(yè)鍋爐的結(jié)構(gòu)與電站鍋爐、工業(yè)鍋爐完全不同，原來的計(jì)算方法不能適應(yīng)小型工業(yè)鍋爐的熱力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值偏差很大。我們通過對小型工業(yè)鍋爐熱效率、排煙溫度、燃料消耗量、過量空氣系數(shù)、鍋爐出力的大量實(shí)際測試，找出原工業(yè)鍋爐熱力計(jì)算方法用于小型工業(yè)鍋爐熱力計(jì)算方法的偏差，總結(jié)出更準(zhǔn)確的輻射放熱、對流傳熱系數(shù)及計(jì)算方法，對原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，應(yīng)用于小型工業(yè)鍋爐的熱力計(jì)算。

2 小型鍋爐的設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

2.1 輻射對流受熱面的優(yōu)化布置

輻射受熱面布置在爐膛內(nèi)，它有兩個(gè)作用：一是為了充分吸收高溫介質(zhì)的輻射熱量；二是為了保護(hù)爐墻。為了不妨礙燃料在爐膛中燃燒，輻射受熱面通常是靠爐墻布置的。當(dāng)鍋爐容量增大時(shí)，由于爐壁面積的增加相對較慢，為增加輻射受熱面，在大型鍋爐爐膛中布置雙面露光水冷壁，保證爐膛出口煙溫不致過高。為了充分發(fā)揮溫度高，輻射換熱強(qiáng)烈的優(yōu)點(diǎn)，輻射受熱面應(yīng)布置在高溫火焰區(qū)域，通常布置在900℃以上的區(qū)域。輻射受熱面在中、低溫區(qū)域工作時(shí)，其傳熱的熱流密度低于對流受熱面，耗鋼材多而傳熱量少，是不經(jīng)濟(jì)的。

工業(yè)鍋爐受熱面的布置首先決定于鍋爐的型式。一般對于小容量鍋爐，采用立式火管或水管鍋爐；對于燃油或燃?xì)忮仩t，采用火管、水管及水火管混合式布置。

在小容量鍋爐中，也在爐膛布置輻射受熱面。因輻射受熱面具有較高的熱負(fù)荷，傳遞相同數(shù)量的熱量時(shí)，比對流受熱面可節(jié)省鋼材，但這只有在高溫區(qū)才較顯著。因?yàn)闋t膛輻射傳熱與火焰溫度的四次方成正比，所以隨溫度降低，輻射吸熱的效果就變差，爐膛換熱所需的受熱面和金屬消耗量就增加。并且爐膛受熱面一般是貼壁布置的，實(shí)際的有效輻射受熱面僅為管子表面積的1/3左右，而對流受熱面管子表面可全部有效地起對流傳熱作用，因此在低煙溫區(qū)以布置對流受熱面更為合算。這樣，對鍋爐輻射受熱面與對流受熱面的金屬耗量及總成本進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，顯然存在一最經(jīng)濟(jì)的爐膛出口煙溫。根據(jù)計(jì)算，此值約為1100℃～1200℃。對于固體燃料鍋爐，為防止?fàn)t膛出口對流受熱面結(jié)渣，爐膛出口煙溫應(yīng)不大于灰分的開始變形溫度，t1，也就是不應(yīng)超過1050℃～1100℃。因此，在工業(yè)鍋爐中，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面考慮，爐膛出口煙溫應(yīng)不低于950℃。爐膛出口煙溫過低，對爐膛內(nèi)可燃物的燃盡也不利。目前，不少工業(yè)鍋爐實(shí)際的爐膛出口煙溫為800℃～900℃，有些鍋爐更低。

2.2 節(jié)能器的優(yōu)化布置

某些WNS型燃油燃?xì)忮仩t本體布置為三回程，為提高鍋爐效率，降低鍋爐金屬耗量，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因?yàn)榈谌爻虩煔夂驼羝麥夭钚?，?jīng)濟(jì)性差，將鍋爐本體三回程結(jié)構(gòu)改為二回程結(jié)構(gòu)，第三回程布置在鍋爐本體外面，形成節(jié)能器，或叫省煤器，省煤器（節(jié)能器）為管板鍋殼式結(jié)構(gòu)，煙氣走煙管內(nèi)，水在鍋殼內(nèi)被煙管加熱，水從煙氣低溫側(cè)進(jìn)，高溫端反向出，逆流布置傳熱。因鍋爐給水溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸汽溫度，用鍋爐給水對煙氣進(jìn)行深度冷卻，使得排煙溫度大大降低，20℃的鍋爐給水可將煙氣溫度降低到60℃左右，鍋爐排煙損失大大降低，此外煙氣中水蒸氣凝結(jié)成水放出大量熱量，被給水吸收，從而利用了煙氣中水蒸氣潛熱，鍋爐效率比原來提高8%以上，鍋爐總金屬耗量降低1/3。

如在鍋爐尾部煙道裝設(shè)節(jié)能器（省煤器），節(jié)能器（省煤器）中工質(zhì)平均溫度比飽和溫度低得多，并可采用逆流布置，在保持煙氣和工質(zhì)的最低溫壓為40℃～60℃以上時(shí)，可大大降低排煙溫度，提高鍋爐效率。省煤器（節(jié)能器）把水加熱以后送到鍋筒，實(shí)際上提高了鍋爐的傳熱量，而節(jié)能器所需受熱面較為節(jié)省，造價(jià)也較便宜，布置也較緊湊，因而有更好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。此種情況只限于燃?xì)夂秃虻偷娜剂?，防止低溫腐蝕。

2.3 增設(shè)空氣預(yù)熱器

在燃燒中，要使燃料在爐內(nèi)完全燃燒，以達(dá)到燃料最大的發(fā)熱量，就必須具備以下條件：

（l） 供給使燃料完全燃燒的足夠的空氣。（2）必須保持爐內(nèi)的高溫環(huán)境，以便產(chǎn)生急劇的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到1000℃～1200℃時(shí)，燃料的燃燒反應(yīng)速度很快，盡管燃料在爐內(nèi)停留時(shí)間短暫，但氧化反應(yīng)仍得以完全進(jìn)行。（3）采取措施，來保證燃料與空氣能很好的接觸混合，固體碳在燃燒時(shí)就會(huì)形成灰衣，包住核心的碳粒，這時(shí)就要將其灰衣脫去，讓其得以與空氣接觸混合。（4 ）要使燃料在爐內(nèi)有一定的停留時(shí)間，保證氧化反應(yīng)有足夠的反應(yīng)時(shí)間，達(dá)到完全燃燒。

以上四個(gè)條件是相互聯(lián)系、相互依存、相互影響的，當(dāng)四個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，方可保證燃料急劇的化學(xué)反應(yīng)，完成燃燒放熱的全過程，而燃料燃燒時(shí)又是吸熱過程，用以保證燃料足夠的燃燒溫度，燃燒溫度越高，燃燒速度則越快。增設(shè)空氣預(yù)熱器，送入熱空氣則加速了燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度，使燃料得以完全燃燒。

在鍋爐尾部增設(shè)空氣預(yù)熱器后，科學(xué)地利用了排煙熱量，提高了爐膛溫度，改善了燃燒條件，有效地降低了熱損失，提高了鍋爐效率，做到了節(jié)約能源，減少了對環(huán)境的污染。

3 結(jié)語

綜上所述， 想要有效地提高鍋爐熱效率，就必須盡可能地提高爐膛燃燒溫度， 盡量降低排煙溫度， 而設(shè)計(jì)好壞對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有著決定性的影響。在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須進(jìn)行廣泛深入的調(diào)查研究，綜合運(yùn)用有關(guān)的理論、工藝和運(yùn)行方面的實(shí)踐知識(shí)，進(jìn)行各種技術(shù)方案的運(yùn)算和比較，根據(jù)給定的技術(shù)條件和預(yù)期達(dá)到的熱工參數(shù)，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

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