蒸汽锅炉的基础知识

蒸汽锅炉基础知识

蒸汽锅炉是一个封闭的容器，在受控条件下将水加热以将其转化为蒸汽。锅炉基本上是一个热交换器，将热量传递给水。它有时也被称为蒸汽发生器。用于加热水的热能由燃料（气体、液体或固体）或来自各种工业过程的废能提供。有时太阳能也用于产生蒸汽。锅炉产生的蒸汽可以是低压、中压或高压。在工业环境中，产生的蒸汽用作各种工业过程中的工艺蒸汽或用于驱动涡轮机以产生电力。每个锅炉的设计都旨在将尽可能多的热能传递给锅炉中的水。热能通过传导、对流和辐射传递。每种的相对百分比取决于锅炉的类型、设计的传热表面和为燃烧提供动力的燃料。

锅炉主要有两种。它们是火管锅炉和水管锅炉。

火管锅炉由许多管子组成，热气体通过这些管子。这些热气管浸入水中，在一个封闭的容器中。在这种锅炉中，一个封闭的容器或外壳装有水，热气管通过这些水。这些热气管加热水并将水转化为蒸汽，蒸汽保留在同一个容器中。火管锅炉通常用于相对较小的蒸汽容量和中低蒸汽压力。这些锅炉结构紧凑，结构紧凑，价格便宜。

水管锅炉是一种锅炉，其中水在管内加热并且热气体围绕它们。这与火管锅炉正好相反。在该锅炉中，锅炉给水流经管道并进入锅炉汽包。循环水被燃烧气体加热，并在滚筒内的蒸汽空间转化为蒸汽。当蒸汽需求和蒸汽压力要求很高时使用该锅炉，例如锅炉需要满足工业过程和发电的蒸汽要求。水管锅炉的特点包括 (i) 强制、诱导和平衡通风规定，有助于提高燃烧效率 (ii) 对水质的耐受性较低，因此需要水处理厂，以及 (iii) 更高的热效率水平。

锅炉系统的组件

锅炉系统的主要部件是水处理装置、锅炉给水加热器、除氧器、给水泵、省煤器、过热器、减温器、蒸汽系统、冷凝器和冷凝泵。此外，还有一套控制装置来监控水和蒸汽流量、燃料流量、空气流量和化学处理添加物。锅炉厂流程图示意图见图1

                                              图 1 锅炉厂流程图示意图

锅炉系统大致由给水系统、蒸汽系统和燃料系统组成。给水系统向锅炉提供处理过的水并自动调节以满足蒸汽需求。蒸汽系统收集和控制锅炉产生的蒸汽。蒸汽通过管道系统引导至使用点。燃料系统包括用于提供燃料以产生必要热量的所有设备。所需的设备取决于所用燃料的类型。

给水系统

给水是供应给锅炉并转化为蒸汽的水。给水的两个来源是从工艺返回的冷凝水或冷凝蒸汽，以及来自水处理厂的处理水的补充水。给水系统的主要组成如下。

给水加热器——通过从废蒸汽中提取废热来预热锅炉给水，提高了锅炉效率。加热器是管壳式换热器，给水在管侧，蒸汽在壳侧。冷凝水返回冷凝水储罐或冷凝水热井。

除氧器 - 进水通常含有以令人反感的水平溶解在其中的氧气，这来自冷凝器、泵密封件或冷凝水本身的空气泄漏。氧气在脱气器中被机械去除。除氧器的工作原理是氧气随着温度的升高溶解度降低。这是通过将蒸汽通过给水来完成的。

省煤器——省煤器是给水系统的最后阶段。它们旨在从废气中提取热值以加热蒸汽并提高锅炉的效率。它们是简单的翅片管换热器。给水省煤器通过将热量从烟气传递到进水来减少燃料需求。

蒸汽系统

蒸汽系统由蒸汽和泥桶、锅炉管、过热器、调温器和冷凝系统组成。

蒸汽和泥浆锅筒——蒸汽锅筒是水管锅炉的上部锅筒，水和蒸汽在此分离。汽包包含用于进水、化学注入、排污清除、液位控制和汽水分离的内部元件。给水从省煤器进入汽包。蒸汽通过蒸汽分离器从滚筒顶部流出。蒸汽出口通常通过一组上升管和下降管从该汽包引至下汽包。下部锅筒称为泥浆锅筒，是锅炉底部的一个水箱，用于平衡水分配到发生管并收集由硬度和二氧化硅形成的盐等固体。

锅炉管——锅炉管由高强度碳钢制成。管被焊接以形成管的连续壁。通常使用多于一组的管子。由于流动问题或腐蚀沉积问题，管子最容易出现故障。

过热器-蒸汽离开锅炉时是饱和的，因为它在锅炉压力和温度下与水平衡。过热器的目的是通过将蒸汽的温度提高到其饱和点以上来去除蒸汽中的所有水分。过热器为锅炉的出口蒸汽增加能量。添加的能量将蒸汽的温度和热含量提高到饱和点以上。过热蒸汽的比容更大。

Attemperators – Attemperators 控制过热度。调温是通过控制向过热蒸汽流中注入水来使蒸汽部分减温的过程。通常采用锅炉给水进行调温。

冷凝水系统——来自各种热交换器系统的冷凝水作为给水的一部分返回锅炉。然而，要密切监测冷凝水的 pH 值和氧气进入情况，并对冷凝水进行适当的处​​理。

燃油系统

燃料供给系统对锅炉的性能起着至关重要的作用。它们的主要功能包括将燃料转移到锅炉中并在锅炉内分配燃料以促进均匀和完全的燃烧。燃料的类型会影响燃料系统的运行特性。燃料供给系统是锅炉系统最重要的组成部分。燃料应准备好燃烧并输送到锅炉。燃烧系统通过为燃料点火创造有利条件并建立确保一次燃烧空气和燃料之间良好混合的空气动力学条件来确保火焰在很宽的流速范围内的稳定性。燃烧器是有效燃烧系统的核心要素。

蒸汽锅炉效率

在蒸汽锅炉中会发生一些能量损失，包括不完全燃烧、蒸汽锅炉周围壁发生的辐射损失、废气携带的热量等。蒸汽锅炉的效率表明了这些损失。蒸汽锅炉效率是出口蒸汽输出的总热量占燃料提供的总热量的百分比，如下所示。

蒸汽锅炉效率包括热效率、燃烧效率和燃料对蒸汽的效率。蒸汽锅炉效率取决于许多因素，包括锅炉尺寸、锅炉类型、锅炉设计等。

蒸汽锅炉的分类

根据蒸汽锅炉的设计和结构，蒸汽锅炉主要分为以下几类。

煤粉锅炉——大多数燃煤电站和工业水管锅炉使用煤粉。该技术发展良好，占燃煤发电量的 90% 以上。煤被研磨成细粉，因此对于烟煤来说，小于 2% 是 +300 微米 (μm) 和 70-75% 是低于 75 微米。煤粉与部分燃烧空气通过一系列燃烧器喷嘴吹入锅炉。也可以添加二次和三次空气。燃烧发生在 1300-1700 摄氏度的温度下，主要取决于煤的等级。颗粒在锅炉中的停留时间通常为 2 到 5 秒，并且颗粒必须足够小，以便在此期间发生完全燃烧。该系统具有许多优点，例如能够燃烧不同质量的煤、对负载变化的快速响应、使用高预热空气温度等。

流化床燃烧锅炉——在流化床燃烧 (FBC) 锅炉中，燃烧系统是基于流化床燃烧设计的。与传统燃烧系统相比，它具有显着优势，并提供多种优势，例如紧凑的锅炉设计、燃料灵活性、更高的燃烧效率以及减少有毒污染物（如 SOx 和 NOx）的排放。这些锅炉燃烧的燃料包括煤炭、洗涤废料、稻壳、甘蔗渣和其他农业废弃物。

在这些锅炉中，流化床燃烧 (FBC) 发生在大约 840 到 950 摄氏度。由于该温度远低于灰烬熔化温度，因此避免了灰烬熔化和相关问题。由于在流化床中快速混合和通过床内传热管和床壁有效地从床中提取热量，因此实现了较低的燃烧温度。气体速度保持在最小流化速度和颗粒夹带速度之间。这确保了床的稳定运行并避免了气流中的颗粒夹带。流化床锅炉分为三种类型。它们是（i）常压流化床燃烧（AFBC）锅炉，（ii）常压循环流化床燃烧（CFBC）锅炉和（iii）加压流化床燃烧（PFBC）锅炉。

大气流化床燃烧锅炉——在这种类型的锅炉中，煤被粉碎到 1 – 10 毫米的大小，具体取决于煤的等级和进入燃烧室的燃料类型。作为流化空气和燃烧空气的大气空气在被废气预热后以一定压力输送。携带水的床内管通常用作蒸发器。燃烧的气态产物通过锅炉的过热器部分，流经省煤器、除尘器和空气预热器，然后排放到大气中。

大气循环流化床燃烧锅炉——在循环系统中，床的参数保持不变，以促进固体从床中淘析。淘析是通过流化床的流体流速将细颗粒带出流化床的过程。 颗粒在固体提升管中以相对稀的相被提升，带有旋风分离器的下降管为固体提供返回路径。没有浸入床中的蒸汽发生管。蒸汽的产生和过热发生在对流段、水冷壁和立管出口处。对于需要超过 75 – 100 吨/小时蒸汽的工业应用，CFBC 锅炉通常比 AFBC 锅炉更经济。

加压流化床燃烧锅炉——在这种锅炉中，压缩机提供强制通风，燃烧器是压力容器。床层的热释放速率与床层压力成正比，因此使用深床层来提取大量热量。这提高了床中的燃烧效率和二氧化硫吸收。蒸汽在两个管束中产生，一个在床层中，一个在其上方。热烟气驱动发电燃气轮机。 PFBC 系统可用于热电联产（蒸汽和电力）或联合循环发电。联合循环运行（燃气轮机和蒸汽轮机）使整体转换效率提高了5％至8％。

余热锅炉——只要有中温或高温的余热，就安装余热锅炉以经济地生产蒸汽。蒸汽可以在蒸汽涡轮发电机组中排放并由此产生电力。广泛用于废气的热回收。