6第六章 蒸发设备

第六章蒸发设备第一节概述一、蒸发设备的组成自然循环锅炉的蒸发设备由汽包、下降管、水冷壁、联箱及连接管道等组成。

图6－1为自然循环锅炉蒸发设备示意图。

汽包、下降管、联箱、连接管道等位于炉外不受热。

水冷壁布臵在炉膛四周，接受炉膛内高温火焰的辐射传热。

由汽包、下降管、上升管、联箱和连接管道所组成的闭合蒸发系统，称为水循环回路。

工质在依次沿着汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、导汽管、汽包这样的循环回路流动过程中，其流动的推动力是由汽水密度差产生的，故称为自然循环。

二、下降管和联箱下降管的作用是把汽包中的水连续不断地送往下联箱供给水冷壁，以维持正常的水循环。

下降管有小直径分散下降管和大直径集中下降管两种。

表6－1 大型锅炉的大直径集中下降管联箱的作用是将进入的工质集中混合并均匀分配出去。

通过联箱还可连接管径和管数不同的管子。

它一般不受热，由无缝钢管两端焊接弧形封头构成，材料大多为20号碳钢。

三、循环泵画工作原理图并讲解第二节汽包一、汽包的结构画图并讲解二、汽包的作用汽包在汽包锅炉中具有很重要的作用，其主要作用是：1．与受热面和管道连接汽包是汽包锅炉内工质加热、蒸发、过热三个过程的连接中心，也是这三个过程的分界点。

此外，还有一些辅助管道与汽包连接，如加药管、连续排污管、给水再循环管、紧急放水管等。

2．增加锅炉水位平衡和蓄热能力汽包中存在有一定水量，因而具有一定的蓄热能力和水位平衡能力。

在锅炉负荷变化时起到了蓄热器和储水器的作用，可以延缓汽压和汽包水位的变化速度。

蓄热能力是指工况变化，而燃烧条件不变时，锅炉工质及受热面、联箱、连接管道、炉墙等所吸收或放出热量的能力。

3．汽水分离和改善蒸汽品质汽包内部装有汽水分装臵进行汽水分离。

汽包内还装有蒸汽清洗装臵，清洗蒸汽，减少蒸汽直接溶解的盐分。

另外，汽包内还装有排污和加药装臵等，从而改善了蒸汽品质和锅水品质。

4．装有安全附件，保证了锅炉安全汽包上装有许多温度测点、压力表、水位计和安全门等附件，保证了锅炉安全工作。

三、汽包的安全运行汽包是具有一定壁厚的承压热容器。

它的工作压力高、机械应力大；汽包壁温度场不均匀，会产生热应力。

因此，设计制造汽包和在锅炉运行中必须保证汽包的安全运行。

设计汽包时，必须进行严格的强度计算，正确选择汽包材料和确定壁厚。

在运行过程中，必须限制汽包的工作压力。

为了防止汽包工作压力超过限值，在汽包上和过热器出口装臵100％容量的安全阀。

在锅炉进水、启停和负荷变化过程中必须限制汽包的上下壁、内外壁温差。

一般要求在锅炉在进水、启停和正常运行过程中汽包上下壁、内外壁温差不得超过40－50℃。

第三节水冷壁的作用和结构一、水冷壁的作用锅炉水冷壁具有如下作用：<1>炉膛中的高温火焰对水冷壁进行辐射传热，使水冷壁内的工质吸收热量后由水逐步变成汽水混合物；<2>由于辐射传热量与火焰热力学温度的四次方成正比，而对流传热量只与温度的一次方成正比，水冷壁是以辐射传热为主的蒸发受热面，且炉内火焰温度又很高，故采用水冷壁比采用对流蒸发管束节省金属，从而使锅炉受热面的造价降低；<3>在炉膛内敷设一定面积的水冷壁，大量吸收了高温烟气的热量，可使炉墙附近和炉膛出口处的烟温降低到灰的软化温度ST以下，防止炉墙和受热面结渣，提高锅炉运行的安全和可靠性；<4>敷设水冷壁后，炉墙的内壁温度可大大降低，保护了炉墙且炉墙的厚度可以减小，重量减轻，简化了炉墙结构，为采用轻型炉墙创造了条件。

二、水冷壁的结构现代锅炉的水冷壁主要有光管式、膜式和销钉式三种类型。

1．光管水冷壁画图并讲解2.销钉式水冷壁画图并讲解3．膜式水冷壁画图并讲解膜式水冷壁具有如下优点：（1）膜式水冷壁使炉膛具有良好的气密性，适用于正压或负压的炉膛，对于负压炉膛还能减少漏风，降低锅炉的排烟热损失。

（2）对炉墙具有良好的保护作用。

（3）在相同的炉墙面积下，膜式水冷壁的辐射传热面积比一般光管水冷壁大，且角系数x＝1，并用鳍片代替部分管材，因而节约高价管材。

（4）膜式水冷壁可在现场成片吊装，使安装工作量大大减少，加快了锅炉安装进度。

（5）膜式水冷壁能承受较大的侧向力，增加了抗炉膛爆炸的能力。

膜式水冷壁存在的缺点是：（1）制造、检修工作量大且工艺要求高。

（2）运行过程中要求相邻管间温差小。

为了防止管间产生过大的热应力，使管壁受到损坏，在锅炉运行过程中相邻管间温差一般不应大于50℃。

（3）设计膜式水冷壁时必须有足够的膨胀延伸自由还应保证人孔、检查孔、观火孔等处的密封性。

（4）采用敷管炉墙的膜式水冷壁，由于炉墙外无护板和框架梁，因此刚性差。

为了能承受炉膛爆燃产生的压力及炉内气压的波动，防止水冷壁产生过大的结构变形或损坏，在水冷壁外侧、沿炉膛高度每隔一定距离布臵一层围绕炉膛周界的腰带横梁，即刚性梁。

三、刚性梁1．刚性梁的作用为了使炉墙能承受炉膛爆燃产生的压力及炉内压力的波动，防止水冷壁和炉墙产生过大的结构变形或损坏，大容量锅炉都采用刚性梁来加固水冷壁和炉墙，这就是刚性梁的作用。

2．刚性梁的结构刚性梁似绕在炉膛四周多层腰带。

如图6－12为一种常用的刚性梁结构。

第四节水冷壁的布臵型式一、汽包锅炉水冷壁的布臵型式自然循环锅炉和控制循环锅炉均属于汽包锅炉，它们的水冷壁布臵型式类似。

为减少汽水混合物在上升管内的流动阻力，对水循环有利，汽包锅炉水冷壁的布臵相对比较简单，大部分是垂直布臵于炉膛四周形成炉壁，只有炉膛底部和墙上部少部分水冷壁管是倾斜布臵。

二、直流锅炉水冷壁的布臵型式（一）直流锅炉的类型直流锅炉的特点和类型主要体现在蒸发受热面的结构方式和汽水系统两个方面。

图6－16示出直流锅炉三种传统的水冷壁基本型式，它们是水平围绕管圈型（拉姆辛型）、垂直多管屏型（本生型）、回带管圈型（苏尔寿型）。

（二）螺旋管圈型水冷壁1．水冷壁的布臵与支吊螺旋管圈型直流锅炉的水冷壁一般由螺旋管圈和垂直管屏两部分组成。

炉膛下部热负荷高，布臵螺旋管圈；炉膛上部热负荷低，布臵垂直管屏。

冷灰斗区域的水冷壁可采用螺旋管圈或垂直管，对于易结渣的煤，宜布臵螺旋管。

螺旋管和垂直管之间有两种连接方式：一种是通过联箱连接；另一种通过分叉管连接。

螺旋管圈各并联管子都围绕炉膛一圈以上，可见并联各管的受热条件都基本相同，而且炉膛热负荷分布的变化对并联管吸热的影响很小。

因此，螺旋管圈并联管之间的热偏差很小（热偏差概念将在第七章第三节作详细介绍），可不用在水冷壁管进口加装节流圈。

这是螺旋管圈型水冷壁的又一优点。

（三）垂直管屏型水冷壁1．垂直一次上升型水冷壁垂直一次上升型直流锅炉是在传统的垂直多管屏（即本生型）直流锅炉基础上发展起来的，它的水冷壁很象自然循环锅炉。

在一次上升型垂直管屏中，工质从炉底通过水冷壁一次上升到炉顶，中间经过一次或多次混合。

美国拔柏葛锅炉公司（B&W）首先采用这种设计，简称通用压力（即UP型）锅炉。

这种锅炉可用于亚临界压力和超临界压力。

一次上升型垂直管屏中必须保证在各种负荷工况下具有足够高的质量流速，以防止管内出现传热恶化现象。

一般认为采用一次上升型垂直管屏的直流锅炉容量宜在500～600MW机组以上。

2．上升－上升型水冷壁这种型式的管屏结构与一次上升型相同，只是为了能采用较大直径的水冷壁管而又保证管内有足够的质量流速，有利于水冷壁的安全工作，则在热负荷高的炉膛下部区域将垂直管屏由一次上升改为两次或多次上升，串联管屏之间由炉外下降管连接。

在炉膛上部由于热负荷较低且水冷壁管内工质的比容大、质量流速高，仍可采用一次上升管屏。

第五节蒸发受热面存在的问题及其防止措施固态排渣煤粉炉主要存在结渣和水冷壁高温腐蚀问题；液态排渣炉存在炉底析铁和高温腐蚀问题。

一、固态排渣煤粉炉的结渣1．结渣的危害结渣会危及锅炉运行的安全和经济，造成的危害是十分严重的：<1>受热面结渣以后，会使传热热阻增加，传热减弱，工质吸热量减少，锅炉排烟温度升高，排烟热损失增加，锅炉效率下降。

为保持锅炉的出力，在增加燃料量的同时必须相应地加大风量，这就使送、引风机负荷增加，厂用电增加。

因此，结渣使锅炉运行的经济性明显降低。

<2>受热面结渣时，为了保持锅炉的出力，必须增大风量。

若通风设备容量有限，加上结渣容易使烟气通道局部堵塞，烟气阻力增加风机风量难于加大，锅炉只好被迫降负荷运行。

<3>炉膛受热面结渣后，炉膛出口烟温升高，导致过热汽温升高，加之结渣造成的热偏差，易引起过热器超温损坏。

这时为了维持过热汽温和保护再热器，运行中也需要限制锅炉负荷。

<4>燃烧器喷口结渣，改变了燃烧器出口气流结构，从而使炉内空气动力工况受到破坏，影响燃烧过程的进行。

喷口结渣严重而被堵塞时，锅炉只好降负荷运行，甚至被迫停炉。

<5>水冷壁结渣，会使其各部分受热不均，对自然循环锅炉的水循环安全性和控制流动锅炉水冷壁的热偏差带来不利影响，可能导致水冷壁管破坏。

<6>炉膛上部积结的焦块掉落时可能会砸坏冷灰斗的水冷壁管。

<7>冷灰斗处结渣严重时，会使冷灰斗出口逐渐堵塞，无法排渣，锅炉无法继续运行。

总之，结渣不但增加了锅炉运行维护和检修的工作量，严重危及锅炉安全经济运行，还可能迫使锅炉降低负荷运行，甚至被迫停炉。

结渣本身是一个复杂的物理化学过程，同时还有自动加剧的特点。

一旦发生，由于渣层的热阻使传热恶化，炉内烟气温度和渣层表面温度都将升高，加之渣层表面粗糙，渣粒更容易黏附上去，结果结渣过程会愈演愈烈。

所以尽最大努力来减轻或防止锅炉结渣。

2．影响结渣的因素影响结渣过程的主要因素有：<1>煤粉灰分特性 目前判断燃煤锅炉燃烧过程中是否发生结渣的一个重要的依据是灰的熔融性，通常将灰的软化温度ST 作为衡量是否发生结渣的主要指标。

评价煤灰的结渣性能除用灰的熔融性说明外，还必须引用其他一些指标，甚至要用多项指标进行综合评价。

目前采用的有SiO 2比、酸碱比、结渣指数以及极限黏度等。

SiO 2比简称硅比，用S R 表示：（6－3）式中的几种氧化物是指它们在灰中的重量百分比。

硅比是反映燃煤结渣趋势和对不同煤种进行比较的一个简单的指标。

硅比越大，灰渣黏度越高，越不易结渣。

灰中含铁量和含钙量增加会使S R 值减小，灰的黏度降低。

一般硅比S R >72时的灰渣不易发生结渣，当S R <65时就有可能发生严重结渣。

通常把SiO 2含量高的渣称为酸性渣，含量低的称为碱性渣。

酸性渣的灰熔点和黏度都是比较高的，因而不易发生结渣。

灰分中的碱性和酸性两类氧化物含量之比，称为灰的碱酸比：23222232TiO O Al SiO O K O Na MgO CaO O Fe A B ++++++= （6－4） 式（6－4）分子中的碱性氧化物都是提高灰的流动性的，而分母中的酸性氧化物都是增加灰的黏滞性的。