七、水循环

在工业锅炉中 , 工质的流动有两种方式 : 一种是强制流

动 , 即在受热面入口端和出口端的工质压力差的驱动下使工质流过受热面 , 而入、出口的压差归根到底是依靠水泵造成的外加动力 ; 另一种是自然循环 , 即在受热面入口端与出口 端之间用 “ 下降管 “ 连通 , 与受热面一起组成封闭的循环回路 , 下降管不受热或其受热弱于受热面 , 由 15 两者受热不同 , 其内部的工质密度也就不同 , 在两部分工质所受重力不同的作用下 , 造成了工质的定向流动一一密度大者下降 , 密度小 者升。这就是工质的自然循环。

锅炉的省煤器和蒸汽过热器中 , 工质为强制流动 , 而一 般在汽化受热面 ( 辐射受热面水冷壁、对流管束 ) 中 , ‘工质 进行自然循环。

由于水冷壁布置在烟气温度最高的炉膛内 , 所以保证工 质自然循环的正常进行、避免发生循环故障 , 具有十分重要 的意义。

1. 自然循环的原理

锅炉在运行中 , 只有在炉膛及高温烟道内的受热面所接

受的热量不断被受热面内的工质吸收 , 保证受热面得到可靠 的冷却 , 才能达到安全和经济运行的目的。这就要求锅炉中 的水或汽水混合物 , 必须在闭合的回路中持续而有规律地流 动 , 也就是连续不断地进行水循环。低、中压锅炉的水循环 , 一般都是由于锅炉内各部分吸收的热量不相等 , 而使工质产 生了密度差形成的 , 这种循环称为自然循环 , 如图 1-1 所示。

锅炉的锅筒 2 和下集箱 6 由左右两根管道连通 , 其中下 降管 5 位于炉墙外不受热 , 因而管中是温度较低的水 , 由于 密度大而向下流动 ; 上升管 1 位于炉膛内 , 吸收热量 , 管中 的水有一部分汽化成气泡 , 形成汽水混合物 , 由于密度减小 而向上流动 , 上升管中的汽水混合物进入锅筒后 , 蒸汽被分 离出来 , 水继续流入下降管进行再循环。在一台锅炉内 , 水循环的回路至少是一条 , 也可以有几条。自然循环时 , 水经 过一个循环周期是不可能全部变成蒸汽的 , 通常汽化的只能 是其中的很少部分。进入循环回路的水量 , 称为 “ 循环流 量 “, 它与该回路所产生的蒸汽量的比值 , 称为 “ 循环倍率 “, 即 :

循环倍率＝循环流量／回路所产生的蒸汽量

对于工作压力 1.25MPa 、蒸发量 10t/h 以下的小型锅炉 , 循环倍率约在 150~200 之间。水循环好的锅炉 , 各受压 部件受热均 匀 , 热应力小 , 工质的升温和汽化可以加快 , 从而缩短点火至正常供汽的时间。

2. 水循环故障

改善锅炉水循环 , 是保证锅炉安全、经济运行的关键之 一。当锅炉结构不合理或运行不当时 , 容易出现下列水循环故障 :

(1) 汽水分层 : 当锅炉的水冷壁管水平设置时 , 管中流 动的汽水混合物因蒸汽比水轻 , 气泡就要上浮集聚 , 使蒸汽 和水在管子内分层流动。由于蒸汽的导热性能差 , 管子上部 容易过热烧坏。因此 , 水冷壁管经过炉膛顶部 ( 有的称为 “ 天棚管 “) 时的倾斜角 , 一般不应小于 15 。。

(2) 汽水停滞 : 由于结构原因造成锅炉局部受热面管子 供水不足 , 或者在同一个水循环回路的上升管群中 , 如果各 水管之间受热情况相差太大 , 就会使受热弱的管内水流缓慢 ,

循环动力不足 , 甚至由于受其他管子对循环水的争夺影响 , 使 管内的汽水停止流动 , 造成过热爆管事故。因此 , 对锅炉的 结构和运行 , 应保持供水充足并尽量使每排管子均衡吸热 , 保 证水循环畅通。

(3) 下降管带汽 : 为了保证锅炉的水循环稳定可靠 , 下 降管中是 不允许有蒸汽的。否则 , 水要向下流 , 汽要向上浮 ,两者互相顶撞 , 既增加了流动阻力 , 又减少了循环水量 , 可 能造成缺水事故 , 将管子烧坏。因此 , 下降管口与锅筒最低 水位间的高度不得小于下降管直径的 4 倍 , 最好将下降管接在上锅筒的底部 , 以免由于水进入下降管时产生的抽力 , 把 蒸汽带进管内 , 或者由于水在下降管入口处的流速加快后压 力降低 , 而自行汽化。

3. 强制水循环

有些锅炉中水在受热面管子里的流动 , 是靠出、人口之 间的压力差强制流动的。这种锅炉称为强制循环锅炉。常见

的一些热水锅炉 , 靠循环水泵 , 将循环水沿固定的流通路线 , 在锅炉内流动受热升温 , 就是强制循环锅炉。这种锅炉通常采用 “ 下进上出 “ 水的流向 , 有些也有上下交替的流程 , 但 都要求在各受热面内有一定流动速度 , 以防止出现汽化、积垢和腐蚀。蒸汽锅炉中的省煤器也属于强制循环。

燃料与燃烧

一、燃料 燃料是指在燃烧过程中能放出大量热墨的物质。工程 上 讲的燃料是加热到一定温度后 , 能与氧发生强烈反应 , 并放 出大量热量的碳化物或碳氢化合物。

燃料按形态可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三种 ; 按获得方法可分为天然燃料和人工燃料两种。人工燃料是经过一定处理过程所获得的燃料。各种形态的燃料 , 都有相应 的天然燃料和人工燃料 , 见表 1-7 。

二、煤的成分及性质

1. 煤的成分

碳 ( 用符号 C 表示 ) 是煤的主要可燃成分 , 燃烧时与空 气中的氧化合生成二氧化碳 (C02) 。燃烧 1kg 碳能发出kJ 的热量。所以煤的含碳量越多 , 发热量越高。不过碳 要在比较高的温度下才能燃烧 , 因此含碳量高的煤较难着火。

氢 ( 用符号 H 表示 ) 是煤中最活泼的可燃成分 , 燃烧时 生成水蒸气 (H20), 并放出大量热量。燃烧 1kg 氢能放出OKJ 的热量。煤的含氢量愈多 , 燃烧时愈易着火。

硫 ( 用符号 S 表示〉是煤中的一种有害元素。燃烧 1kg 硫 , 能放出 9050kJ 的热量 , 并生成二氧化硫 (S02 〉或三氧化硫 (S03) 气体 , 对人体有害。这些气体又与烟气中的水蒸气结 合生成亚硫酸 (H2S03) 或硫酸 (HS04), 凝结在受热面上 , 腐蚀金属。含硫量多的煤容易自燃。

氧 ( 用符号 O 表示 ) 是不可燃气体 , 一般煤里的含氧量很少。

氮 ( 用符号 N 表示 ) 不能燃烧。所以煤里含氮量多 , 就会降低煤的发热量 , 而且还会生成较多的有害气体氮氧化物。

灰分 ( 用符号 A 表示 ) 是煤里不能燃烧的固体灰渣 , 由很多化合物组成。在高温下 , 由于灰的成分不同 , 灰的熔化温度也不一样。熔化温度低的灰 , 在高温燃烧室中易软化粘 结于管壁造成结渣 , 影响正常燃烧。所以 , 灰分多的煤质量 差。

水分 ( 用符号 M 表示 ) 燃烧时不放出热量 , 相反还要吸 收煤燃烧时所发出的热量而汽化。所以 , 煤里的水分过多会 直接降低煤燃烧时所发出的热量 , 使燃烧温度降低。

2. 煤的特性

挥发分 (V) 是当煤加热时 , 水分蒸发后 , 并升到一定温度后 , 就有碳、氢、氧的化合物 , 如一氧化碳、甲 皖 ( 沼 气 ) 等可燃气体分解出来。这种可燃气体叫挥发分 , 用符号 V 表示。摇床设备。煤 含的挥发分越多 , 越容易着火。一般锅炉用煤的 挥发分含量最好在 20% 以上。

固定碳 (FC) 指煤中挥发分燃烧以后 , 再除去灰分 , 剩 下的便是固定碳。固定碳在完全燃烧时 , 与氧化合生成二氧 化碳 , 放出 3 3700kJ/kg 热量 ; 如果空气供给不足 , 燃烧不能 完全进行 , 只能生成一氧化碳 , 放出 9920KJ/kg 热量 ; 当一氧

化碳遇氧后 , 还有旨继续氧化成二氧化碳 , 又放出 238OOKJ/kg 热量 , 从而补足全部热量。

发热量 (Q) 指 1kg 煤完全燃烧时所放出的全部热量 , 叫 做煤的 “ 发热量 “, 或称 “ 热值 “, 单位是 “kJ/kg“ 。发热量 分为高位发热量和低位发热量两种。

高位发热量 (QU 是指煤的最大可能发热量。即包括煤 燃烧后产生的水蒸气全部凝结为水后所放出的凝结热 ( 等于 汽化潜热的数值 ) 。

低位发热量 (QU 是指煤的实际发热量。因为锅炉的排 烟温度都在 100 。 C 以上 , 所以煤燃烧时所产生的水蒸气一般是不能凝结 的。这样 , 水蒸气的汽化潜热实际并未放出来 , 或者说 , 需要一部分热量消耗于煤中水分的汽化 , 使煤的实际发热量减少。煤在燃烧时 , 扣除消耗手其本身水分蒸发的汽化潜热后所放出的热量 , 即称为 “ 低位发热量 “ 。

锅炉中 , 一般都用低位发热量来计算煤的用量和热效率。 不同种类的煤 , 发热量差别很大。为了对比和计算上的方便 , 通常将低位发热量 2930OKJ/kg 定为标准发热量 , 或者说 , 将 低位发热量kJ/ 峙的煤定为标准煤。

3. 煤的分类 煤一般分为褐煤、烟煤、元烟煤、石煤等。

褐煤 : 水分较多 , 挥发分含量较高 , 煤的发热量不高。 烟煤 : 挥发分含量较高 , 有的容易结焦。

无烟煤 : 挥发分较少 , 含碳量较高 , 着火较难。

石煤 : 挥发分和含碳量都很少 , 灰分很多 , 煤的发热量低。

三、液体燃料和气体燃料

液体燃料以重油为主 , 也称燃料油。重油中碳和氢含量较高 , 发热量高 , 一般约 4070O KJ/kg, 内部杂质很少 , 不超 过千分之几。在正常燃烧时 , 燃料油的燃烧产物只是气体 , 而 没有 灰渣。燃料油含氢量较高 , 燃烧后产生大量水蒸气 , 水 蒸气容易和燃料中硫的燃烧产物生成硫酸 , 对金属造成腐蚀 , 所以燃料油中的硫很有害。其化学成分组成和煤一样 , 也是五种元素。

根据我国标准 , 将燃料油按粘度增大次序分成 20 、 60 、 100 、 200 四个牌号规格 , 其各牌号规格的质量指标见表 1-8, 轻柴油质量指标见表 l-9.

气体燃料中一般以液化石油气 , 天然煤气 ( 简称天然气 ), 焦炉煤气 , 发生炉煤气及高炉煤气为主。

液化石油气是开采和炼制石油过程中 , 作为副产品而获 得的一部分碳氢化合物。想知道河北加气砖设备 。其主要成分是丙炕 (C38) 、丙烯 (CA6) 、丁炕 (CM ρ和丁烯 (C4H8), 在常压下呈代态 , 当 压力升高或温度降低 , 很容易转变为液态。标准状态下气态液化石油气的发热量约为 9210OKJ/m3~O KJ/m3, 属高 发热量煤气 o

天然气中主要成分为甲烧及其他短类 (CnHm), 另外也 含有少量二氧化碳 (C02) 和空气 , 天然气的发热量很高 , 标 准状态下发热量高达kJ/m3, 属于高发热量煤气。

焦炉煤气是煤炼焦时挥发出的气体 , 发热量较高 , 达~2000O KJ/m3 。

发生炉煤气是使空气和水蒸气通过红热的煤层而产生的 煤气 , 其主要成分为一氧化碳 (CO) 及氢 (H2), 此外还含有 少量的二氧化碳 (C02) 和量相当大的氮 (N2), 因其中含有 相当大量的惰性气体 , 其发热量较低 , 约为 4000~ 6000kJ/m3 。

高炉煤气是高炉炼铁的副产品 , 约含有 28% 的 co , 其他 为 C02 及 Nz 。因此发热量较低 , 约 3300~4000kJ/m3 。因其 中惰性气体相当多 , 可燃气体 CO 也燃烧较慢 , 是比较难于燃 烧的气体燃料 , 但钢铁企业中常用其作为锅炉燃料。

四、煤的燃烧过程 煤的燃烧是复杂的物理化学过程。煤进入炉内 , 受到高 温烟气的加热 , 温度逐渐升高。在此期间经历干燥、干馆、挥

发分着火燃烧、焦炭燃烧、焦炭燃尽等各个阶段。

1. 干燥

煤被加热时 , 首先是水分不断蒸发 , 煤被干燥。显然 , 煤中水分多 , 干燥所消耗的热量也多 , 时间也长。

。

2. 干馆

煤被干燥后 , 继续被加热 , 达到一定温度 ( 褐煤为 130 。 C, 元烟煤为 400 。 C, 烟煤介于褐煤与无烟煤之间 ) 就开始析出挥 发分 , 同时生成焦炭 , 即是煤的干馆过程。煤中挥发分越多 , 开始析出挥发分的温度越低 ; 加热的温度越高 , 时间越长 , 析 出的挥发分越多。因此 , 测定挥发分时规定了加热的温度和时间。

挥友分多 , 其中碳氢化合物也多。重碳氢化合物在高温、 缺氧的条件下 , 会进行热分解 , 形成微小的碳粒 , 称为碳黑 , 又称烟矣。由于碳粒很小很轻 , 在炉内不易烧掉而随烟排走 , 形成黑烟。

只有当挥发分达一定浓度 , 而且到一定温度时 , 才能着 火燃烧。因此 , 统称煤的干燥 , 干馆阶段为燃烧前的准备阶 段。

煤在燃烧的准备阶段中 , 非但不放热而且要吸收热量 , 所 以必须组织好热量供应。其热源来自炉膛火焰或高温烟气、炽热的炉墙和炉拱等。热量供应情况就决定了准备阶段的时间 长短。

3. 挥发分着火燃烧

煤继续被加热 , 挥发分不断析出 , 而且温度也随之提高。挥发分中可燃物质与氧气的化学反应也在逐渐加快。当挥发 分达到一定温度和浓度时 , 化学反应速度急剧加快 , 着火燃 烧 , 形成明亮的黄色火焰。这里 , 挥发分要加热到一定的温 度是个重要条件。

不同煤的挥发分着火温度是不一样的 , 见表 1-10 。

通常我们将挥发分着火温度看成煤的着火温度。挥发分 燃烧时放出热量 , 将焦炭加热到赤红程度 ( 已达到能够着火 的温度 ) 。但是焦炭并不会立刻燃烧 , 因为挥发分包围了焦炭 , 挥发分首先遇氧将氧消耗掉了 , 氧气不能扩散到焦炭的表面 , 焦炭只能被加热而不能燃烧。

挥发分多 , 着火温度低 ; 挥发分少 , 着火温度高 , 着火困难。

在工程上 , 为了尽快的着火 , 实际加热温度是远高于表中列举的着火温度。

4. 焦炭的燃烧

当挥发分基本烧完以后 , 氧气才能扩散到焦炭表面上 , 焦炭开始着火燃烧 , 并发出较短的蓝色火焰。

焦炭是煤的主要可燃质 , 燃烧时能发出很多热量 , 例如 , 无烟煤的焦炭燃烧发热量点总发热量的 95% 左右 ; 挥发分 很 多 , 碳含量较少的褐煤 , 其焦炭燃烧发热量也占总发热量的 一半以。

焦炭的燃烧是固体 ( 焦炭 ) 与气体 ( 氧气 ) 之间的反应 , 化学反应速度很慢 , 因此燃烧时间较长。所以组织好焦炭的 燃烧往往是煤燃烧的关键。

5. 焦炭燃尽

焦炭燃烧时 , 在其表面形成灰壳 , 阻碍空气与焦炭接触。

同时焦炭被燃烧形成的二氧化碳和一氧化碳所包围 , 又妨碍 空气向焦炭表面的扩散。因此 , 焦炭燃尽往往需要很长时间。 为使焦炭充分燃尽 , 应设法及时去掉灰壳 , 对灰分多和灰熔 点低的煤 , 尤应如此。

为了及时排掉燃烧产生的气体 , 还应保证空气有适当的 速度 , 但也应注意如果供应太多的空气量 , 不利于保证一定 的炉膛温度。

焦炭的燃烧与燃尽 , 其本质都是碳与氧相化合。因此有 时也不加区别 , 统称为焦炭的燃烧阶段。由于焦炭燃烧与燃 尽时间较长 ( 碳含量少的褐煤焦炭燃烧时间也占褐煤全部燃 烧时间的 90% 以上 , 其他煤的焦炭燃烧时间会更长 ), 在实用 上 , 又常将燃 烧阶段与燃尽阶段分开。习惯上 , 将燃烧速度 较快 , 放出热量较集中的阶段称为燃烧阶段 ; 而将燃烧速度较慢 , 放出热量较少的阶段称为燃尽阶段。

上述燃烧过程的各个阶段 , 在实际的燃烧设备中是不能截然分开的 , 它们常常是互相重叠 , 交错进行的。

五、煤的燃烧条件

为了使煤的燃烧过程进行得快 ( 单位时间内燃烧得多 , 放出热量多 ), 未完全燃烧损失少 , 即迅速而完全的燃烧 , 必须保证下述三个最基本的条件：

1. 较高的温度

温度是燃烧的首要条件。因为燃烧要从着火开始 , 在着火前的准备阶段中 , 干燥与干馆过程都要吸收热量。因此要 求炉膛具有较高的温度 , 提供足够的热量。无烟煤挥发分少 , 着火温度 高 , 需要炉膛具有更高的温度。褐煤 , 着火温度低 , 但是往往水 分较多 , 而且劣质褐煤灰分也多 , 发热量低 , 燃 烧放出热量少 , 也需要炉膛具有较高温度。其他劣质煤 , 为 了保证着火也需要较高的炉膛温度 , 如果仅从着火考虑 , 炉 膛温度越高越好。

炉膛温度高 , 燃烧速度可以加快 , 燃烧时间缩短 , 燃烧 会完全一些。温度对挥发分和煤粉的燃烧影响更大些 , 对较 大煤块的燃烧影响相对比较小。但是当温度过高、超过灰熔 点时 , 会引起结渣 , 结渣对锅炉工作的安全性与经济性都有 影响。因此 , 温度过高是不必要的。

2. 适量的空气

煤只有和空气 ( 其中的氧 ) 接触才能燃烧。为了燃烧完全 , 必须供应足够的空气。实际运行的锅炉中 , 供应的空气 量经常是偏多的。而空气量过多 , 会降低炉膛温度对着火与 燃烧是不利的 , 因此 , 供应的空气量要适当。在设计锅炉时常常要控制炉膛出口的过剩空气量。必须注意空气与煤能充分接触 , 保证空气与可燃气体能良好地混合 , 使空气很好地扩散到焦炭的表面上。只有提 高 空气冲刷煤粒的速度 , 加强气流的扰动、混合主才能提高煤的燃烧速度 , 提高煤燃烧的完全程度。

3. 充裕的时间

燃烧是有一定速度的 , 因此 , 燃烧完全需要一定的时间 , 可燃气体能进行燃烧前时间取决于它们在炉膛内停留的时 间 , 也就是取决于炉膛的容积。为此 , 必须保证足够的炉膛 容积 ( 燃烧空间 ) 。

对于火床燃烧的机械化炉排 , 煤燃烧时间取决于煤在炉 排上停留的时间 , 为此 , 要设计合适的炉排结构和面积。尽量设法提前着火 , 以保证有充裕的燃烧时间。

六、液体燃料和气体燃料的燃烧

液体燃料主要指燃油 , 汹的沸腾温度低于其着火温度。因此 , 它们总是先蒸发成蒸气 , 然后才能进行燃烧 , 即以蒸气 状态进行燃烧。

当液体燃料滴经过加热后 , 在其表面先蒸发产生蒸气 , 蒸 气向四周扩散 , 和周围的空气混合 , 进一步被加热着火燃烧。 因为燃烧速度快 , 蒸发速度慢 , 液体燃料的燃烧快慢取决于 其蒸发速度。

油的蒸发只能在其表面上进行 , 为了增加其表面积 , 常 常将燃油雾化成很细小的液滴。油滴越小 , 蒸发越快 , 燃烧 所需要的时间就越短 , 不完全燃烧损失就越小。理论和试验 都证明 , 油滴燃烧所需的时间与液滴直径的平方成正比。

重油在燃烧时 , 除符合上述共同规律外 , 还有一些特殊 之处。重油是由较重的碳氢化合物组成 , 燃烧时 , 油滴被周 围的火焰加热 , 油滴内部温度很高 , 但得不到氧气 , 于是重 碳氢化合物分解成碳黑、形成焦壳。焦壳内的油受热会膨胀 ,

当膨胀到一定程度时 , 焦壳会碎裂 , 形成小焦块。焦块不易 烧掉 , 会影响燃烧的经济性 , 同时锅炉会冒黑烟。为减轻重 油在缺氧条件下分解成碳黑 , 应使空气及早地充分供应 , 即 加强空气与油滴的初期混合 J 为了燃烧重油焦壳碎裂产生的 焦块 , 应保持炉膛具有较高的温度 , 并供应充足的空气。

气体燃料可用管道输送 , 点火容易 , 燃烧调节方便 , 容 易完全燃烧 , 而且容易实现机械化、自动化。但应防止爆燃 , 防止一氧化碳中毒。

高热值煤气宜采用扩散燃烧法 , 即燃料与空气分别送入 炉膛 , 边混合边燃烧。由于发热量高 , 着火容易 , 相同供热 量所需的燃料体积小 , 混合容易 , 不会因为混合不好而使燃 烧不完全。若燃料预先与空气混合 , 可能发生回火和烧坏燃 烧器等事故。

低热值煤气宜采用动力燃烧法 , 即燃料与空气在进入炉 膛前预先混合 , 然后进入炉膛中燃烧。如果不预先混合 , 着 火要推迟 , 会使燃烧不完全。而且煤气发热量低 , 回火爆炸 的危险性也小。水力分级箱。但 采用动力燃烧法时 , 应注意防止回火。燃烧低热值煤气时 , 还应采用可靠的稳定火焰的措施。

七、生物质燃料及其燃烧 生物质燃料在世界能源结构中占有十分重要的地位。据统计 , 每年经过光合作用固定下来的生物质能源约是全世界 能源消耗的 10 倍。但目前被人们利用的仅占 1.0% 。估计全 世界大陆上生物质的年产量为 1011~1012t 干物质。我国几种 主要的生物质的产量也相当可观。据统计 , 仅农作物的秸杆 每年约为 5~6 亿吨。折合标准煤约 2~2.4 亿吨 , 其中 60% 用于生活烧掉。森林每年可提供 9000 万吨薪柴燃料。林业加工过程生产的边角废料每年约为 2400 万立方米 , 折合标准煤 150 万吨。稻谷年产量约 200 兆吨 , 可获得稻壳约 40 兆吨 , 折 合标准煤约 20 兆吨。我国居民仅维持日常生活用能 , 每年就 需要 3 亿吨标准煤 , 占全国能耗的 30%, 而这些能源的 80% 左右是由生物质燃料提供的。此外 , 生物质燃料可年复一 年 的不断再生 , 因此其能量是十分可观的。开发利用生物质燃料具有广阔的前景。

生物质燃料的利用之所以受到世界各国的高度重视 , 还 因为生物质燃料是一种清洁燃料。生物质燃料含硫量低 , 含 氮量不高 , 所以燃烧后硫氧化物和氮氧化物的含量很低 ; 生 物质燃料中灰分一般也很小 , 所以充分燃烧后烟尘含量极低。 生物质燃料燃烧过程具有二氧化碳零排放的特点 , 生物质燃 料燃烧生成的二氧化碳可 被植物吸收 , 合成本身的生物质 , 所 以没有增加大气中二氧化碳的含量。这对于缓解日益严重的 “ 温室效应 “ 有着特殊的意义。因此 , 西方发达国家目前正在 大力开展这方面的研究。这是目前环境科学的研究热点领域 之一。

生物质燃料不同于常规燃料 , 其燃烧过程有着特殊的规 律。为此 , 我国对生物质燃料燃烧机理和技术进行了大量的 研究 , 并在此基础上 , 开发出生物质燃料的燃烧设备。

传热及热胀冷缩

一、传热

传热是指热量从一个物体传到另一个物体 , 或者从一个物体的一 部分传到相邻部分的过程。热量用符号 Q 表示 , 单 位为 kJJ kg 纯水温度升高 1 。 C 所需要的热量为 4.19kJ 。传热总是由高温处向低温处进行 , 两处的温度差越大 , 传热越快 , 传热效果越好。

在锅炉设备中 , 燃料在 “ 炉 “ 中燃烧 , 放出热量 , 通过 金属壁面 ( 称为受热面 ) 将热量传给 “ 锅 “ 内的工质或者热 媒 ( 如水、蒸汽等 ), 这就是传热过程。 热量传递的方式有三种 : 传导、对流 和辐射。这三种传热方式的物理本质不同 , 各有其独特的性质和规律。

热传导是指同一物体内不同温度的部分或两个不同温鹰 的物体相接触时 , 热量从高温部分传给低温部分的过程。例 如 , 锅炉水管的外壁面受烟气加热后 , 热量很快传给内壁面 , 然后供水吸收。各种物体传导热的性能是不同的。易于导热 的物体称为热的 “ 良导体 “, 如铜、铝、铁等金属。不易于导 热的物体称为热的 “ 不良导体 “ 或 “ 绝热体 “, 如水垢、空 气、石棉等。

热对流是指靠液体或气体流动 , 将热量由一处传到另一 处的传热过程。如冬天用暖器采暖 , 就是由于暖器附近的热 空气上升 , 周 围的冷空气下降 , 互相对流传热 , 使全屋逐渐 暖和起来。在锅炉内 , 热水上升 , 冷水下降 , 形成循环 , 直 到将水加热到需要的温度为 IL 锅炉中烟气侧的对流传热的 强弱与烟气的速度、管径及烟气的冲刷方式有关。

热辐射是指高温物体直接以波的形式将热量向四周散发 给低温物体 , 而物体之间可以不接触 , 也可以不依靠流体流 动的传热过程。例如 , 太阳的热量就是通过辐射传给地球的 ; 再例如 , 打开炉门 , 只要被火光照到的地方就会感到灼热。由于辐射传热与温度的四次方成正比 , 锅炉中的辐射传热 , 主 要发生在有火焰辐射的高温区域 , 如炉膛中的高温火焰向水 冷壁等部分的热辐射。当炉膛温度在 1200 。 C 以上时 , 布置适当 的水冷壁吸收辐射热 量 , 可比对流受热面吸热效果提高几倍 以上。当炉膛温度在 1000 。 C 以下时 , 由于辐射传热显著减弱 , 布置水冷壁反而不经济了。

二、热胀冷缩 物质普遍存在热胀冷缩的现象。当温度升高时 , 物体的 长度会伸长 , 体积会增大 ; 反之 , 当温度降低时 , 物体的长度会缩短 , 体积会缩小。物体因温度升高长度伸长、体积增 大 的现象称为热膨胀。前者称为线膨胀 , 后者称为体膨胀。固 体根据其形状 , 热膨胀可以表现为线膨胀或为体膨胀。液体 和气体的热膨胀只表现为体膨胀。当物质的温度升高 1 。 C 时 , 在长度方向上的增长部分与原长度之比称为该物质的线膨胀系数。

线膨胀是指物质受热后长度方向发生的变化。固体的线膨胀与其材料性质、原始长度及温度变化大小有关。

若物质温度从 t1 。 C 增加到 t2 。 C 时 , 该物质的线膨胀系数为α , 原长度为ι , 则受热后增加的长度 △ι=αι(t2-t1)。

体膨胀是指物质受热后体积的变化。固体的体膨胀与其 材料性质、原始体积的大小及温度变化大小有关。气体和液 体的体膨胀也与其热力性质以及其温度的高低、压力的大小有关。

水在 0~4 。 C 时受热收缩 , 在 4 。 C 以上时 , 受热膨胀 , 体膨 胀系数是 0.0006 。

锅炉各部分由于受热不同 , 材料不同 , 所以膨胀量也不 同。为此应预先考虑锅炉受热后的膨胀量 , 如留出一定的膨 胀余地或安装膨胀节等 , 防止由于膨胀使锅炉受到损坏。锅 炉点火或停炉时温度变化必须缓慢均匀 , 以防止锅炉部件发 生急骤胀缩 , 避免造成锅炉损坏或炉墙胀裂等不良后果。

锅炉用钢

锅炉受压元件所使用的钢材 , 其性能好坏对保证锅炉安 全运行至关重要。锅炉在制造过程中受到各种加工 ( 冷加工 成形、焊接等 ), 在运行时 , 受到锅内水与蒸汽的压力作用 , 同时又受到火焰或烟气的烘烤或冲刷 , 以及锅水和烟气中有 害物质对钢材的腐蚀 , 其工作条件恶劣。因此 , 对锅炉用钢 材要求比较严格 , 普通钢材是不能用于锅炉受压元件的。

对锅炉用钢材要求有较高的强度 , 良好的塑性和韧性 , 较 好的可焊性 , 良好的导热性、耐腐蚀性、耐磨性及化学成分均匀 , 脱氧完全 , 必须是镇静钢。

《蒸汽锅炉安全技术监察规程》和《热水锅炉安全技术监察规程》对锅炉用钢材有明确的规定。常用的锅炉钢板是 20 g 与 16M ng , 常用的锅炉钢管是 10 号和 20 号 , 其质量都应符 合国家有关标准的规定 , 对焊接锅炉用的焊条、焊丝也应如 此。