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1、第五章 供热锅炉,目 录,随着蒸汽机的发明，18世纪末出现了工业用的圆筒型蒸汽锅炉。由于当时社会生产力的迅猛发展，蒸汽在工业上的用途日益广泛，不久就对锅炉提出了扩大容量和提高参数的要求。于是，在圆筒形蒸汽锅炉的基础上，从增加受热面入手，对锅炉进行了一系列的研究和技术变革，从而推动了锅炉的发展。图5.1形象地展示了锅炉循着两个方向发展的过程和结构形式的演变。,5.1 锅炉结构形式的演变,第一个方向，是在锅筒内部增加受热面，形成了烟管锅炉系列。起初，先在锅筒内增加一个火筒（也称炉胆），即单火筒锅炉，煤在火筒内燃烧放热；后增加为两个火筒双火筒锅炉。为了进一步增大锅炉容量，后来又发展到用小直径的烟管取
2、代火筒以增加受热面，形成了烟管锅炉和火筒烟管组合锅炉，烟管锅炉的燃烧室也由锅筒内部移至锅筒外侧。这类锅炉，统称为烟管锅炉，其共同的特点是高温烟气在火筒或烟管内流动放热，低温工质水则在火筒或烟管外侧吸热、升温和汽化。,5.1 锅炉结构形式的演变,显而易见，这类锅炉的炉膛一般都较矮小，炉膛四周又被作为辐射受热面的筒壁所围住，炉内温度低，燃烧条件较差，而且烟气纵向冲刷壁面，传热效果也差，排烟温度很高，热效率低。此外，锅筒直径大，既不宜提高蒸汽压力，又增加钢耗量，蒸发量也受到限制。当然，这类锅炉也有优点，如结构简单，维修方便；水容积大，能较好适应负荷变化；水质要求低等。因此有的结构形式至今仍被广泛采用
3、。,5.1 锅炉结构形式的演变,第二个方向，是在锅筒外部发展受热面，形成水管锅炉系列。大约到了19世纪中叶，锅炉开始在锅筒外面增设几个直径较小的圆筒受热面。后来发现增加圆筒数目、减小圆筒直径，甚至以钢管取代圆筒等做法有利于蒸汽参数的提高和传热的改善，最后终于出现了水管锅炉。它的特点是高温烟气在管外冲刷流动而放出热量，汽、水在管内流动而吸热和蒸发。 水管锅炉的出现，是锅炉发展的一大飞跃。它摆脱了火筒、烟管锅炉受锅筒尺寸的制约，无论在燃烧条件、传热效果和受热面的布置等方面都得到了根本性的改善，为提高锅炉的容量、参数和热效率创造了良好的条件，金属耗量也大为下降。,5.1 锅炉结构形式的演变,早期出现
4、的水管锅炉是整联箱横水管锅炉，后来改为波形分联箱结构，制造工艺复杂，金属耗量较大，已不再生产。 竖水管锅炉出现于20世纪初，最早采用的也是直水管结构。后来，发现弯水管比直水管结构富有弹性，于是采用许多只锅炉做成多锅筒弯水管锅炉。此后，由于传热学的发展，对锅炉辐射换热规律有了进一步的认识，锅炉向着减少对流受热面，增大辐射受热面的方向发展。于是，演变成双锅筒、单锅筒锅炉，以至发展到现代的无锅筒锅炉直流锅炉。与此同时，蒸汽过热器、省煤器及空气预热器受热面也相继被采用，使锅炉设备更趋完善。,5.1 锅炉结构形式的演变,在蒸汽锅炉发展的同时，由于城市建设的发展和节能的需要，另一类用于直接生产热水的热水锅
5、炉也得到较快的发展。此外，为利用生产过程中产生的数量相当可观的余热，余热锅炉应运而生，它作为余热回收利用设备受到世界各国的普遍重视。 纵观锅炉发展历史，真正走上现代化道路才不过五六十年的时间。随着现代工业的发展和科学技术的进步，现代锅炉正朝着大容量、高参数方向发展。对于供热锅炉，为了提高运行的经济性、保护环境和降低成本，锅炉正趋于简化结构、改善燃烧技术、提高热效率、降低金属消耗和扩大燃料适应范围。为确保锅炉运行的安全，又趋向于采用先进技术，进一步提高设备的机械化、自动化和智能化。,5.1 锅炉结构形式的演变,5.1 锅炉结构形式的演变,图5.1 蒸汽锅炉形式的发展和演变示意图,5.2 供热锅炉
6、的炉型,烟管锅炉，也称火管锅炉，它的特点是烟气在火筒和烟管内流动换热。烟管锅炉按其锅筒放置方式，分为立式和卧式两类。它们在结构上的共同特点是都有一个大直径的锅筒，其内部有火筒和为数众多的烟管。,立式烟管锅炉有竖烟管和横烟管等多种形式。容量一般较小，蒸发量大多在0.5t/h以下，可以配置燃煤、燃油和燃气各种燃烧设备。对于燃煤锅炉，通常配置手烧炉，大多采用双层炉排手烧炉。,5.2 供热锅炉的炉型,5.2.1.1 立式烟管锅炉,1. 立式套筒锅炉 图5.2所示为一配置燃油炉的立式套筒锅炉。内筒炉膛为辐射受热面，外筒为对流受热面。内外筒之间的两端用环形平封头围封，构成此型锅炉的汽、水空间汽锅。油燃烧器
7、装置在顶部，燃烧所需的空气由炉顶的送风机切向送入。油燃烧产生的高温烟气在炉内强烈旋转并自上而下流至锅炉底部，然后往布置在上部的烟气出口折返，进入外筒与锅炉外壳内侧保温区（炉墙）之间的环形烟道上，纵向冲刷带肋片的外筒受热面，最后烟气通过上部出口排入烟囱。为了延长高温烟气在炉胆内的逗留时间和提高火焰的充满度，此型锅炉的炉胆内还设置有环形火焰滞留器，使之燃烧充分和强化传热。,5.2 供热锅炉的炉型,这种锅炉结构简单，制造方便，水容量相对其他立式烟管锅炉大，能适应负荷变化，且对水质要求也不高，但烟气流程较短，排烟温度较高。为提高锅炉热效率，这种锅炉也有将外筒所带直形肋片改为螺旋形的，增加烟气扰动和延长
8、烟气流程以改善传热。,5.2 供热锅炉的炉型,2. 立式烟管锅炉 图5.3所示为一配置双层炉排手烧炉的立式横烟管锅炉。水冷炉排管和炉胆内壁的一部分构成了锅炉的辐射受热面；横贯锅筒的众多烟管，为锅炉的主要对流受热面。 煤由人工通过上炉门加在水冷炉排上。在上、下炉排上燃烧后生成的烟气，经炉膛出口进入后下烟箱，而后纵向冲刷流经第一、二水平烟管管束，最后汇集于后上烟箱，再经烟囱排入大气。为进一步降低排烟温度，也有的在后上烟箱上方增设余热水箱。,5.2 供热锅炉的炉型,此型锅炉除横烟管外，也有布置竖烟管和横水管的组合方式。它们都有结构紧凑，占地少，不需要砖工，便于安装和搬运等优点。但因炉膛内置为内燃式炉
9、子，在燃用低质煤时会因炉温较低，难以燃烧和燃尽，热效率和出力都将有所降低。所以，此型锅炉只适宜燃用较好的烟煤。,5.2 供热锅炉的炉型,5.2 供热锅炉的炉型,图5.2 立式套筒锅炉,5.2 供热锅炉的炉型,图5.3 立式烟管锅炉,这类锅炉根据炉子所在位置，分炉子置于锅筒内的内燃式和炉子置于锅筒外的外燃式两种。目前国产的多数是内燃式，配置有链条炉、燃油炉和燃气炉等多种燃烧设备。图5.4所示为一配置链条炉排的WNL41.3A型卧式烟管锅炉。 在卧置的锅筒内有一具有弹性的波形火筒，火筒内设置了链条炉排。锅筒左、右侧及火筒上部都布置了烟管，火筒和烟管都沉浸在锅筒内的水容积里，锅炉的上部约1/3空间是
10、汽容积，炉排以上的火筒内壁是主要辐射受热面，而烟管为对流受热面。,5.2 供热锅炉的炉型,5.2.1.2 卧式烟管锅炉,烟气在锅炉内呈三个回程流动，故也称三回程锅炉。燃烧后的烟气在火筒内向后流动，为烟气第一回程。烟气经后烟箱导入左、右侧烟管，向炉前流动，是第二回程。烟气至前烟箱汇集后进入火筒上部的烟管向后流动，即为第三回程，最后经省煤器由引风机排入烟囱。 这种锅炉的容量有2t/h和4t/h两种，水容量较大，能适应负荷变化，对水质要求也低。由于采用机械通风，流经烟管的烟速较高，强化了传热，锅炉热效率可达70%以上。此外，这种锅炉的本体、送风机、链条炉排以及变速装置等组装在底盘上整体出厂，结构紧凑
11、，运输和安装较为方便。,5.2 供热锅炉的炉型,但是，卧式烟管锅炉因烟管多而长，刚性大，烟管与管板的接口容易渗漏；烟管之间距离小，清除水垢困难。又由于烟管水平设置，易积烟灰，妨碍传热，通风阻力大。再则，因为是内燃式炉子，燃烧条件较差，不宜燃用低质煤，炉排的装拆、维修也不甚方便。,5.2 供热锅炉的炉型,图5.5所示是配置燃油或燃气炉的此型锅炉，燃烧和运行工况较为良好。火筒后部采用波形结构以减少刚性。为强化传热，烟管采用513无缝钢管碾压而成的双面螺纹管。据试验资料，当烟速为35m/s时，双面螺纹的传热系数为光管的1.42倍，阻力为光管的1.9倍。 炉膛内为微正压燃烧（约2000Pa），锅炉可以
12、不用引风机。在炉膛前部，通常用耐火材料砌筑拱碹，以达到蓄热，起稳定燃烧和增强辐射的目的。,5.2 供热锅炉的炉型,5.2 供热锅炉的炉型,图5.4 WNL4-1.3-A型卧式烟管锅炉,5.2 供热锅炉的炉型,图5.5 WNS10-1.25-Y(Q)型锅炉,烟、水管组合锅炉是介于烟管锅炉和水管锅炉之间的一种炉型，是在卧式外燃烟管锅炉的基础上发展起来的一种锅炉。如图5.7所示为KZL4-1.3-A型此类锅炉。 此型锅炉在锅筒外部增设左右两排63.54水冷壁管，上、下端分别接于锅筒和集箱。左、右两侧集箱的前后两端，分别装接一根大口径（1336）的下降管，与水冷壁管一起组成了一个较好的水循环系统。此外
13、，在锅炉后部的转向烟道内还布置了靠墙受热面一排后棚管，其上端与锅筒后封头相接，下端接于集箱，而后棚管,5.2 供热锅炉的炉型,的集箱则又通过粗大的短管与两侧水冷壁集箱接通，构成后棚管的水循环系统。烟管构成了该锅炉的主要对流受热面，水冷壁管和大锅筒下腹壁面则为锅炉的辐射受热面。 由于炉膛放置在锅筒外面，构成外燃炉膛，燃烧条件有所改善。它采用轻型链带式炉排，由液压传动机构驱动和调节。炉膛内设前、后拱，前拱为弧形吊拱，后拱为平拱，前、后拱对炉排的覆盖率分别为25%和15%。炉排下设分区送风风室，风室间用带有弹簧的钢板分隔。燃烧产生的高温烟气，从后拱上方左侧出口进入锅筒中的下半部烟管，流动至炉前，再经
14、前烟箱导入上半部烟管，最终在炉后汇集经省煤器和除尘装置，由引风机排入烟囱。烟气流动，经三个回程，燃尽后的灰渣落入灰槽，由螺旋出渣机排出。,5.2 供热锅炉的炉型,这种锅炉结构更加紧凑，可组装出厂，因此，这种锅炉俗称快装锅炉，容量有0.5t/h、1t/h、2t/h、4t/h等多种规格，占我国供热锅炉相当大的比例。但此型锅炉毕竟是以烟管为主体的一种锅炉，限于结构等多方面的原因，运行中对煤种适应性差，出力不足，运行热效率偏低。炉拱形式、分段配风、侧密封以及炉墙保温结构等还存在一定的缺陷。,5.2 供热锅炉的炉型,为了克服上述缺陷，一种新型烟、水管卧式快装链条炉排锅炉应运而生，如图5.8所示。它的锅筒
15、偏置，烟气的第二回程为水管对流管束，第三回程则由烟管束组成，尾部布置有铸铁省煤器。燃烧设备采用大块炉排片链条炉排，分仓送风，炉排传动则采用双速四档调速装置。同时，该锅炉还配备有高、低水位警报和超压保护等安全保护装置。 经多年运行实践和热工复测结果表明：它结构较为合理，安全可靠性好；燃烧稳定，能保证出力，运行热效率可达77%81%；排烟黑度和含尘浓度都符合国家有关规定；煤种适应能力较强。不足的是金属耗量高，制造复杂，故对其推广受到一定限制。,5.2 供热锅炉的炉型,5.2 供热锅炉的炉型,图5.7 KZL4-1.3-A型锅炉,图5.8 DZL2-1.3-AII锅炉,5.2 供热锅炉的炉型,水管锅
16、炉是水在管内流动，烟气在管外流动而进行换热的锅炉。与烟管锅炉相比，水管锅炉在结构上没有特大直径的锅筒富有弹性，弯水管替代直烟管，不但节约金属材料，更为提高容量和蒸汽参数创造了条件。在燃烧方面，可以根据燃用燃料的特性自如处置，从而改善了燃烧条件，使热效率有较大的提高。从传热学观点来看，可以尽量组织烟气对水管受热面作横向冲刷，传热系数比纵向冲刷的烟管要高。,5.2 供热锅炉的炉型,此外，因水管锅炉有良好的水循环，水质一般又都经严格处理，所以即便在受热面蒸发率很高的条件下，金属壁不至过热而损坏。加上水管锅炉受热面的布置简便，清垢除灰等条件也比烟管锅炉好，因此它在近百年中得到迅速的发展。 水管锅炉形式繁多，构造各异。按锅筒数目有单锅筒和双锅筒之分；按锅筒放置形式又可分为立置式、纵置式和横置式等几种。现就几种常用水管锅炉的结构和特点，分别介绍如下。,5.2 供热锅炉的炉型,1. 自然循环锅炉 这是一种锅筒立置，由环形的上、下集箱和焊接其间的直水管组成的燃油锅炉，结构如图5.9所示。直水管沿环形上、下集箱圆周布置，有内外两层，内层包围的空间为炉膛，内外两层之间竖
