第八章 省煤器和空气预热器.doc

第八章 省煤器和空气预热器第一节 省煤器 一、省煤器的作用及种类 1、省煤器的作用省煤器的作用是利用锅炉尾部烟气的热量加热锅炉给水。省煤器对锅炉的作用： （1）节省燃料：在现代锅炉中，燃料燃烧生成的高温烟气，将热量传递给水冷壁、过热器和再热器后，烟气温度还很高，如不设法利用，将造成很大的热损失。在锅炉尾部装设省煤器，可降低烟气温度，减少排烟热损失，因而节省燃料。 （2）改善汽包的工作条件：由于采用省煤器，提高了进入汽包的给水温度，减少了汽包壁与给水之间的温度差而引起的热应力，从而改善了汽包的工作条件，延长了使用寿命。 （3）降低锅炉造价：由于水的加热是在省煤器中进行的，用省煤器这样的低温材料代替价格昂贵的高温水冷壁材料，从而可降低锅炉造价。 二、省煤器的类型及结构特点 1、按材料分类省煤器按使用材料可分为钢管省煤器和铸铁省煤器。目前大中容量锅炉广泛采用钢管省煤器，其优点是:强度高，能承受冲击，工作可靠，传热性能好,重量轻,体积小，价格低廉；缺点是：耐腐蚀性差，但现代锅炉给水都经严格处理，管内腐蚀已彻底得到解决。2、按出口参数分类省煤器按出口水温可分为沸腾式省煤器和非沸腾式省煤器。3、按结构形式分类省煤器按结构形式分为光管式、鳍片式、膜片管式（简称膜式）和螺旋肋片管式四种，其结构如图81所示。 （a） （b） （c） （d） 图81省煤器按结构形式（a） 光管；（b）鳍片管；（c）膜片管；（d）螺旋肋片管图82钢管式省煤器的结构 l蛇形管；2进口联箱；3出口联箱；4支架； 5支承架；6锅炉钢架；7炉墙；8进水管 4、按管子排列方式分类省煤器按蛇形管的排列方式分为错列和顺列两种，如图81（a）（d）为顺列、（b）（c）为错列。错列布置传热效果好，结构紧凑,并能减少积灰，但磨损比顺列布置严重、吹灰困难；顺列布置容易对管子进行吹灰、磨损轻，但积灰严重。三、省煤器的布置方式省煤器按蛇形管在烟道中的布置方式分为纵向布置和横向布置两种，如图83所示。纵向布置是指蛇形管放置方向与锅炉的前后墙垂直，如图83（a）所示。此种布置的特点是，由于尾部烟道的宽度大于深度，所以管子较短，支吊比较简单，且平行工作的管子数目较多，因而水的流速较低，流动阻力较小。但这种布置的全部蛇形管都要穿过烟道后墙，从飞灰磨损角度来看是不利的。横向布置是蛇形管放置方向与锅炉后墙平行，如图83(c)所示。此种布置的特点是平行工作的管数少，因而水速高，流动阻力大，且管子较长，支吊比较复杂。但因其只有少数几根蛇形管靠近后墙，从而使管子所遭受的磨损仅局限于靠近烟道后墙的几根管子，因而防护和维修比较简便。图83 省煤器蛇形管在烟道中的布置方式（a）蛇形管垂直于锅炉后墙布置； （b）（c）蛇形管平行于锅炉后墙布置四、省煤器的支吊方式 省煤器的支吊方式有支承结构与悬吊结构两种。中小型锅炉省煤器采用支撑结构，大型锅炉的省煤器大多数采用悬吊结构。五、省煤器引出管与汽包的连接 为了防止汽包损伤，确保锅炉安全运行，可在省煤器引出管与汽包连接处加装套管，如图86所示。这样使水管壁与汽包壁之间有饱和水或饱和蒸汽相隔，从而改善了汽包的工作条件。 图86省煤器引出管与汽包壁之间的连接套管（a）给水引入汽包水空间时的内部套管；（b）给水引入汽包汽空间时的外部套管l给水；2汽包壁六、省煤器设计中应考虑的问题对于大型电站锅炉，防止和减轻省煤器的磨损和积灰则已成为省煤器设计中应考虑的主要问题。 (一)省煤器中的质量流速和水速 省煤器中水的质量流速可取为600800kg/(m2·s)，即相当于在锅炉额定负荷下，对于非沸腾式或沸腾式省煤器的非沸腾部分的水速，不应低于0.3m/s，对于沸腾式省煤器的沸腾部分水速不应低于lm/s。 (二)烟气流速的选取 省煤器中的烟气流速高低直接影响省煤器受热面的投资费用和运行费用。提高烟气流速，将使对流传热加强，可减少受热面的面积和降低制造成本，但烟速提高也使烟气的流动阻力增加，风机电耗增大。对于燃用固体燃料的锅炉，烟速增加将使受热面的磨损加大，因此，对于作为重要对流受热面的省煤器的设计，应考虑采用最经济的烟气流速。 因此，经济流速决定于受热面的价格、电能的价格(包括燃料价格)、受热面的形式(影响传热特性及流动阻力)、风机的效率以及运行补偿年限、燃料成分和性质、所采用的磨煤机的形式等有关，一般推荐的经济烟速为811m/s。 （三）省煤器的结构设计 首先应该决定省煤器蛇形管的管径d，它对省煤器设计关系重大，直接影响到制造的经济性和今后投运后的安全可靠性。七、省煤器的起动保护 省煤器在起动时，常常是间断给水，当停止给水时，省煤器中的水处于不流动状态。因此，省煤器在起动时应进行保护。 1.一般的保护方法是在省煤器进口与汽包下部之间装设不受热的再循环管，如图88所示，借助再循环管与省煤器中工质的密度差，使省煤器中的水不断循环流动，管壁也因不断得到冷却而不被烧坏。2.有的锅炉在省煤器出口与除氧器或疏水箱之间装有一根带阀门的再循环管，如图89所示。当汽包不进水时，用阀门切换，使流经省煤器的水回到除氧器或疏水箱。这样在整个起动过程中可保持省煤器不断进水，以达到起动过程中保护省煤器的目的。图88省煤器的再循环管 图89省煤器与除氧器之间的再循环管1自动调节阀；2逆止阀；3进口阀； 1自动调节阀；2逆止阀；3进口阀；4省煤器；4再循环阀；5再循环管 5除氧器；6再循环管；7再循环阀；8出口阀第二节 空气预热器 一、空气预热器的作用空气预热器的作用是利用锅炉尾部烟气的热量加热燃料燃烧所需的空气。空气预热器对锅炉的作用: (1)进一步降低排烟温度，提高锅炉效率； (2)改善燃料的着火与燃烧条件，降低不完全燃烧热损失； (3)节省金属，降低造价。由于炉膛温度提高，因而强化了炉内的辐射换热，在一定的蒸发量下，炉内水冷壁受热面可以布置得少一些，节省金属材料，降低锅炉造价； (4)改善引风机的工作条件。由于排烟温度的降低，改善了引风机的工作条件，同时也降低了引风机电耗。 二、空气预热器的种类及结构 空气预热器按传热方式可分为导热式和蓄热式两种。目前电厂锅炉常用的空气预热器有钢管式和回转式两种。（一）钢管式空气预热器1、钢管式空气预热器的结构钢管式空气预热器应用很广，常采用立式布置，管内通过烟气、管外通过空气，烟气的热量通过管壁连续传给空气。其优点为结构简单，制造方便，漏风量小；其缺点为体积大、耗钢材多，在大型电厂尤其是热空气温度要求较高时，由于体积大而给尾部受热面布置带来困难。在锅炉运行时，空气预热器的管子、外壳及锅炉构架，由于温度和材料等不同，其受热后的膨胀量亦不相同，因此，在上管板与外壳之间、外壳和锅炉构架之间加装用薄钢板制成的补偿器(膨胀节)，如图811所示。其作用是既允许各部件能相对移动，又保证连接处的密封，防止漏风、漏烟。2、钢管式空气预热器的布置管式空气预热噐的几种典型布置如图812所示。分为单道多流程，图812(a)所示；单道单流程，图812（b）所示；在大型锅炉中，为了得到较大的传热温差，又不使空气流速过大，可采用双道多流程，如图812 (c)所示，或采用单道多流程双股平行进风、甚至多道多流程，如图812 (d)(e)所示。图812管式空气预热器的布置方式（a）单道多流程；（b）单道单流程；（c）双道多流程；（d）单道多流程双股平行进风；（e）多道多流程1，2空气通道 3、管式空气预热器管径及节距的选择 常用的管间距离参见图8-13，其中。对于一定的管径，和越小，对传热越有利，结构也越紧凑。但是为了避免管板在焊接时发生过大变形，斜向管间间隙不得小于lOmm。在决定和时应预先计算，以便空气由横向经两个斜向流出时，不会有过多的压缩和膨胀，因而流动阻力较小。由于烟气是在管内纵向流动的，所以飞灰对管子的磨损较小，因而烟气流速一般可在1014m/s的范围内选取。空气横向冲刷管壁，传热较强，但流动阻力较大，所以常采用较低流速以降低阻力，设计时一般取空气流速为烟气流速的45%55%。 图8-13管式空气预热器的管间节距 图814受热面回转式空气预热器的结构（二）回转式空气预热器回转式空气预热器可分为受热面回转式和风罩回转式两种，前者又称容克式，后者又称罗特谬勒式。1、受热面回转式空气预热器受热面回转式空气预热器的结构如图814所示。它是由外壳、转子、受热元件、密封装置、传动装置、上下轴承座及其润滑系统等组成。画工作原理图，讲解其工作原理。（包括二分仓、三分仓）2、风罩回转式空气预热器 风罩回转式空气预热器的工作原理是:上、下回转风罩通过减速装置由电动机带动旋转，其转速为13r/min。转动时，定子中的传热元件交替地被烟气加热和空气冷却，空气也就被烟气加热到需要的温度。风罩每旋转一次，传热元件吸热、放热二次。 3、回转式空气预热器存在的主要问题（1）回转式空气预热器存在的主要问题是漏风量大。管式空气预热器的漏风量一般不超过5%，而回转式空气预热器在设计良好时漏风量约为8%10%，密封不好时可达30%或更高。 （2）回转式空气预热器存在的另一个问题是受热面容易积灰，这是因为蓄热板间烟气通道狭窄的缘故。积灰不仅影响传热，而且增加流动阻力，严重时甚至会将气流通道堵死，影响预热器的正常运行。因此，在预热器受热元件的上、下两端都装有吹灰装置。吹灰介质通常采用过热蒸汽或压缩空气，如积灰严重，要采用压力水冲洗。第三节 尾部受热面的布置 尾部受热面在尾部烟道中的布置方式有单级布置和双级布置两种。 一、单级布置 单级布置如图827（a）所示。它是由一级省煤器和一级空气预热器组成。尾部受热面的单级布置较为简单，但热风温度一般只能达到300。C左右，不可能再高。这是因为烟气的容积和比热均比空气的容积和比热大。因此，烟气的热容量大于空气的热容量，即，这样当烟气将热量传给空气时，烟气温度的下降值就小于空气温度的上升值。进口烟温与出口空气温度比较接近，即传热温差很小，不可能将空气温度加热到更高的温度。 图827 尾部受热面的布置 （a）单级布置；（b）双级布置1高温级省煤器；2高温级空气预热器；3低温级省煤器；4低温级空气预热器二、双级布置尾部受热面双级布置如图827（b）所示，它由两级省煤器和两级空气预热器组成。这种布置在排烟温度受到限制的情况下，也能将空气加热到比单级更高的温度。此外，使省煤器和空气预热器都具有较高的传热温压，增强了尾部受热面的传热，节省了受热面金属。图827中的空气预热器均为管式空气预热器，若采用回转式空气预热器，其布置形式如图828所示。图828(a)为单级布置。为了得到较高的热风温度，可采用图828(b)所示的双级布置。 图828回转式空气预热器的布置（a）单级布置；（b）双级布置l空气；2烟气 在超高压或更高压力的锅炉中，尾部烟道除布置省煤器和空气预热器外，都布置有再热器，有的还布置有低温对流过热器。其尾部受热面的布置特点为： (1)由于尾部烟道中布置了再热器，有的还布置了低温对流过热器，因而尾部受热面 (即省煤器和空气预热器)大多采用单级布置； (2)再热器与低温对流过热器都是布置在省煤器之前（按烟气流向）；(3)再热器与低温对流过热器在尾部烟道中可以串联布置，也可以并联布置（见第七章）。第四节 低温受热面的积灰、磨损和腐蚀一、低温受热面的积灰及其防止措施1、积灰的形成及影响因素管子背面的积灰比正面严重，因为管子正面受到烟气流的直接冲刷，管子背面存在涡流区，只有在烟气流速wy5m/s时才有管子正面明显的积灰。图829 不同烟气流速下管表面松散积灰的形成 大灰粒不仅不易沉积，而且还有冲刷作用，因此沿管壁的两侧面及管子的迎风面就不易积灰。当背风面的积灰达到一定厚度，而能被气流中的大灰粒所冲刷时，该处的积灰层亦不会再增加而达到动平衡状态。灰粒的冲刷作用与烟气的流速有关，烟气流速高时，灰粒的冲刷作用力大，可以较早地达到动平衡状态，即背风面的积灰层较少；反之积灰较多。当烟气流速低到某种程度时，在迎风面上也可产生灰粒沉积，流速愈低，积灰也愈多。对于燃用固体燃料的锅炉，当烟气流速在810m/s以上时，迎风面上已不易产生灰粒沉积，而当烟气流速低于2.53m/s时，迎风面上也会产生较多的积灰。积灰程度与烟气流中飞灰粒度的分散度有较大关系，烟气流中含粗灰少而细灰多时，则因粗灰的冲刷作用减弱而使积灰较为严重。例如在液态排渣锅炉中，由于飞灰中细灰多、粗灰少、积灰就较严重；燃油锅炉中，积灰也较严重；对于燃气锅炉，也会有积灰，但程度较轻。此外，松散灰层的厚度还与管束的错、顺列结构，立式、卧式布置方式，错列管束的纵向相对节距等有关。在烟气流速和管径不变时，顺列管束的灰层厚度比错列管束要后，错列管束的纵向相对节距s2/d越大，灰层厚度也越厚。水平管与倾斜管的积灰比垂直管严重。2、减少积灰的措施对于以积松灰为主的受热面，可以采用以下减轻和防止积灰的措施: 正确设计和布置吹灰装置，运行时定期进行吹灰；空气预热器还要布置水冲洗装置。 设计时采用足够的烟气流速。在额定负荷下省煤器烟速应高于6m/s；对于回转式空气预热器，在锅炉最大连续蒸发量下，烟气速度一般不小于89 m/s，空气流速不小于68 m/s。对具有升华物质的燃料，烟气流速应选用得高一些。 采用适当的管束布置，包括管束排列形式、管径、横向和纵向节距，对于容易引起粘结灰的受热面布置时更要注意。 二、低温受热面的飞灰磨损及其防止措施 （一）飞灰磨损机理高速烟气携带的飞灰颗粒冲击受热面金属壁面时，对金属壁面产生冲击和切削作用，形成受热面磨损。 当烟气流均匀地横向正面冲刷管束时，最严重的磨损点发生在与烟气流呈对称的的角度上，如图8-30（a）所示。当烟气流及飞灰颗粒斜向冲刷管束时，第l排管子上将产生最大的磨损，其位置在管子的正面上，如图8-30（b）所示。 对于错列管束，第1排以后各排管子的磨损集中于的对称点上，而最大磨损则是发生在第2排管子上, 其磨损状况分布如图8-31（a）所示。对于顺列管束，第1排以后各排管子的磨损则集中于的对称点上，其最大磨损发生在第5排及以后各排管子上。当烟气在管内纵向流动时，在距进口约150200mm长的一段管道内磨损严重。 （a） （b）图830 烟气冲刷管外时磨损最大的位置 （a）正向冲刷；（b）斜向冲刷 图831受热面管子的飞灰磨损 （a）烟气在管外横向冲刷；（b）烟气在管内纵向冲刷1空气预热器管子；2上管板 飞灰颗粒对于金属表面的磨损主要决定于下列因素: 飞灰颗粒的动能。它与飞灰颗粒的大小成正比，并与飞灰颗粒的速度成二次方关系。飞灰颗粒越大，速度越高，动能亦越大。 单位时间内冲击到管壁金属表面上的飞灰量。它与烟气中的飞灰浓度和速度成正比例关系。 飞灰颗粒与管壁金属表面发生撞击的概率或飞灰撞击率。它与飞灰颗粒的大小有关，飞灰颗粒越大，撞击率亦越大。（二）减轻和防止对流受热面磨损的措施1、限制烟气流速由于实际磨损量与烟气流速的3.13.5次方成正比（理论上与流速的3次方成正比），降低烟气速度可有效地减轻对流受热面的磨损。应该指出：烟速的确定，要综合考虑磨损、积灰和传热三个方面的因素。对于回转式空气预热器，通常采用的烟速为812m/s。在锐角灰粒较多或灰的SiO2含量为55%60%时，烟气速度需降低到10m/s或以下。对于钢管式空气预热器，最佳烟速为1014m/s。2.防止在受热面烟道内出现局部出现过高的烟速和过大的飞灰浓度 消除烟气走廊。 防止局部地方的飞灰浓度过大。 消除漏风。3、改善省煤器结构 选用大直径管子。管子的直径越大，飞灰的撞击概率就越低，飞灰磨损也越轻。 横向节距与管径的比值s1/d越大，则管子的磨损越轻。 顺列管束的磨损比错列管束轻。 采用膜式省煤器或螺旋肋片管省煤器，可有效地减轻磨损。4、采用防磨措施 省煤器的防磨装置。如图8-34所示，（a）为在省煤器弯头外侧加装集中的防磨板；（b）是在省煤器弯头与炉墙之间的烟气走廊中装置防磨阻流板；（c）、（d）是在省煤器的弯头和直段部分加装半圆形防磨罩；它们的目的都是消除烟气走廊和保护管子。（e）、（f）是在管束易磨损的前几排焊圆钢条或角钢形防磨罩，目的是减轻这几排管子的均匀磨损。图8-34省煤器防磨装置（a）弯头部位加装防磨板；（b）弯头和炉墙之间的防磨阻流板；（c）、（d）弯头和直段部位加装半圆形防磨罩；（e）前几排直管正面焊上圆钢条；（f）角钢形防磨罩 空气预热器的防磨装置。防止空气预热器磨损的主要措施是在烟气入口处的管子内加装防磨套管，设计中常用的防磨方法：一是防磨套管几乎全部插入空气预热器管内，如图8-35（b）；二是防磨套管插入深度约为3050mm,其余长度保搂在上官办的上方，在套管之间填满材料，如图8-35（c）；三是加装于预热器管子等直径的防磨短管，与预热器上部管子焊接在一起，并在防磨套管之间填满耐火材料，如图8-35（d）。图8-35 空气预热器管子的防磨保护装置（a）磨损和防磨原理；（b）、（c）加装内部套管；（d）外部焊接短管1-内套管；2-耐火混凝土；3-预热器管板；4-焊接短管三、尾部受热面的低温腐蚀 （一）低温腐蚀及其危害 尾部受热面的低温腐蚀是指硫酸蒸汽凝结在受热面上而发生的腐蚀，这种腐蚀也称硫酸腐蚀。它一般出现在烟温较低的低温级空气预热器的冷端。低温腐蚀带来的危害是: 导致受热面泄漏，大量空气经泄漏比为短路进入烟气中，影响锅炉燃烧所用空气量，并使送、引风机负荷增加，电耗增大； 造成低温粘结性积灰，这种机会与管资金数结成一体，在锅炉运行中南与杏出，造成排烟温度升高，引风阻力增加，锅炉出力下降，严重时被迫停炉清灰； 严重的腐蚀将导致大量受热面更换，造成经济上的巨大损失。 (二)低温腐蚀机理 锅炉燃用的燃料中含有一定的硫分，燃烧时将生成二氧化硫，其中一部分又会进一步氧化生成三氧化硫。三氧化硫与烟气中的水蒸汽结合形成硫酸蒸汽。当受热面的壁温低于硫酸蒸汽露点(烟气中的硫酸蒸汽开始凝结的温度，简称酸露点)时，硫酸蒸汽就会在壁面上凝结成为酸液而腐蚀受热面。 烟气中的三氧化硫的数量是很少的，但极少量的三氧化硫也会使酸露点提高到很高的程度。如烟气中硫酸蒸汽的含量为0.005%时，露点可达130150。 (三)烟气露点(酸露点)的确定 考虑各影响因素，烟气露点可用下面的经验公式进行计算: （8-7）式中 烟气露点，； 按烟气中水蒸汽分压力计算的水蒸汽露点，； 燃料折算硫分，g/MJ； 燃料折算灰分, g/MJ； 飞灰系数。(四)腐蚀速度 腐蚀速度与管壁上凝结的酸量、硫酸浓度以及管壁温度等因素有关。凝结酸量越多，腐蚀速度越快，但当凝结酸量达到一定程度时，对腐蚀的影响减弱；金属壁温对腐蚀的影响见图8-36。碳钢腐蚀速度与硫酸浓度的关系见图8-37，即随着硫酸浓度的增大，腐蚀速度先是增加，当浓度为56%时达到最大值，随后急剧下降，在浓度为60%以上时，腐蚀速度基本不变并保持在一个相当低的数图8-36 腐蚀速度与金属温度的关系 图8-37 碳钢(C=0.19%)腐蚀速度与硫酸浓度的关系 (五)影响低温腐蚀的因素 除壁温外，影响低温腐蚀的主要因素是烟气中三氧化硫的含量。烟气中氧化硫的含量与下列因素有关: 燃料中的硫分越多，则烟气中的三氧化硫含量也越多； 火焰温度高，则火焰中原子氧的含量增加，因而三氧化硫含量也增多； 过量空气系数增加也会使火焰中原子氧的含量增加，从而使三氧化硫含量也增加；飞灰中的某些成分，如钙镁氧化物和磁性氧化铁(Fe304)以及未燃尽的焦炭粒等有吸收或中和二氧化硫和三氧化硫的作用。故烟气中飞灰含量增加、且飞灰含上述成分又较多时，则烟气中三氧化硫量将减小。 当烟尘中氧化铁(Fe2O3)或氧化钒(V2O5)等催化剂含量增加时，烟气中三氧化硫量将增加。 由以上分析可知，燃油炉的低温腐蚀会更严重，因为油中有钒的氧化物，且燃油炉的燃烧强度大而飞灰量少，因而燃油炉生成的三氧化硫较多，烟气露点也高，腐蚀程度将更严重。 （六）减轻低温腐蚀的措施 减轻低温腐蚀可从两个方面着手:一是减少烟气中三氧化硫的含量；二是提高金属壁温或使壁温避开严重腐蚀的区域；此外还可采用抗腐蚀材料制作的低温受热面。1、减少烟气中的SO3含量 燃料脱硫。 烟气脱硫。 低氧燃烧。 烟气再循环。2、提高受热面壁温 热风再循环。 在空气预热器进口装设暖风器。 采用螺旋槽管。 3其它措施 采用玻璃管或热管作前置式预热器，提高进入主预热器的风温。 采用耐腐蚀材料。将管式空气预热器的冷段设计成独立体，以便在腐蚀后易于更换。对于再生式空气预热器，也要保证低温段元件可以方便调换。