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在傳統(tǒng)的工業(yè)爐設(shè)計中,燃燒器的火焰速度大約為每秒幾米,當(dāng)燃燒產(chǎn)物溫度在600 °C~800 °C時,爐內(nèi)對流換熱與輻射換熱各占50%;在燃燒產(chǎn)物溫度為800 ℃以上時,以輻射換熱為主;在燃燒產(chǎn)物溫度達(dá)到1 400 ℃時,輻射換熱是對流換熱的10倍,所以大部分爐窯設(shè)計中,是以輻射換熱為基礎(chǔ)。但是在采用高速氣體燃燒器后,即使在高溫區(qū),爐內(nèi)被強化的對流換熱在綜合換熱中所占的比重大大提高,具體說明如下:
采用普通燃燒器時,火焰速度低,燃燒產(chǎn)物在被加熱物表面的流動為層流,層流的對流換熱系數(shù)為h1-Nu*λ/d。
式中 努謝爾特數(shù)Nu=0.332Pr1/3*Re1/2;Pr為普朗特數(shù);Re為雷諾數(shù);λ為氣體的導(dǎo)熱系數(shù);d為流道當(dāng)量直徑。
采用高速氣體燃燒器, 火焰噴射速度高(100 m/s~300 m/s),被加熱體表面流動以紊流為主,紊流附面層局部放熱系數(shù)為h2=Nu*λ/d。式中Nu=Pr1/3(0.036Re0.8-836)
設(shè)加熱爐內(nèi)腔尺寸為6.45m×2.3m×2.9m,燃燒產(chǎn)物溫度為1 790 ℃,被加熱體溫度為900 ℃。
采用普通燃燒器,燃燒產(chǎn)物流速為5 m/s時,燃燒產(chǎn)物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為q1=h1(tg-tw)=2671X4.18kJ/h*m2。
采用高速氣體燃燒器,燃燒產(chǎn)物流速為150 m/s時,燃燒產(chǎn)物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為q2=h2(tg-tw)=10685X4.18kJ/h*m2。q2是q1的4倍。
國外曾就輻射加熱爐和高速對流加熱爐進(jìn)行過比較試驗,在0 ℃~1 200 ℃的加熱過程中,輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的6倍,在750 ℃~1 200 ℃的加熱過程中,輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的10倍。
1980年,國內(nèi)引進(jìn)高速氣體燃燒器在井式加熱爐上進(jìn)行技術(shù)改造,原有的輻射加熱爐從0 ℃~650 ℃升溫需要24 h,而采用了高速氣體燃燒器的加熱爐從0 ℃~650 ℃升溫只需4 h,并且燃料消耗量也由于采用了高速氣體燃燒器可以節(jié)省25%~30%。在油田,用高速氣體燃燒器改造成三合一加熱爐,加熱效率提高了1倍,而燃料消耗量節(jié)約了20%。
高速氣體燃燒器的燃燒產(chǎn)物高速沖進(jìn)加熱爐內(nèi),攪動多倍的爐內(nèi)氣體隨之摻混,可以大大提高爐內(nèi)溫度均勻度。國外一家工廠用高速氣體燃燒器改造加熱爐后,爐內(nèi)溫度均勻度可由±15 ℃提高到±2 ℃。國內(nèi)井式加熱爐采用高速氣體燃燒器后,爐溫均勻度達(dá)到±7 ℃。
在水汽系統(tǒng)方面,給水在加熱器中加熱到一定溫度后,經(jīng)給水管道進(jìn)入省煤器,進(jìn)一步加熱以后送入鍋筒,與鍋水混合后沿下降管下行至水冷壁進(jìn)口集箱。水在水冷壁管內(nèi)吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經(jīng)上升管到達(dá)鍋筒中,由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過熱器,繼續(xù)吸熱成為450℃的過熱蒸汽,然后送往汽輪機。
在燃燒和煙風(fēng)系統(tǒng)方面,送風(fēng)機將空氣送入空氣預(yù)熱器加熱到一定溫度。在磨煤機中被磨成一定細(xì)度的煤粉,由來自空氣預(yù)熱器的一部分熱空氣攜帶經(jīng)燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒,放出大量熱量。燃燒后的熱煙氣順序流經(jīng)爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器后,再經(jīng)過除塵裝置,除去其中的飛灰,后由引風(fēng)機送往煙囪排向大氣。
鍋爐整體的結(jié)構(gòu)包括鍋爐本體和輔助設(shè)備兩大部分。鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁過熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、構(gòu)架和爐墻等主要部件構(gòu)成生產(chǎn)蒸汽的核心部分,稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個主要的部件是爐膛和鍋筒。
爐膛又稱燃燒室,是供燃料燃燒的空間。將固體燃料放在爐排上,進(jìn)行火床燃燒的爐膛稱為層燃爐,又稱火床爐;將液體、氣體或磨成粉狀的固體燃料,噴入火室燃燒的爐膛稱為室燃爐,又稱火室爐;空氣將煤粒托起使其呈沸騰狀態(tài)燃燒,并適于燃燒劣質(zhì)燃料的爐膛稱為沸騰爐,又稱流化床爐;利用空氣流使煤粒高速旋轉(zhuǎn),并強烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風(fēng)爐。
爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料在爐膛內(nèi)燃燒形成火焰和高溫?zé)煔猓誀t膛四周的爐墻由耐高溫材料和保溫材料構(gòu)成。在爐墻的內(nèi)表面上常敷設(shè)水冷壁管,它既保護(hù)爐墻不致燒壞,又吸收火焰和高溫?zé)煔獾拇罅枯椛錈帷?br /> 爐膛設(shè)計需要充分考慮使用燃料的特性。每臺鍋爐應(yīng)盡量燃用原設(shè)計的燃料。燃用特性差別較大的燃料時鍋爐運行的經(jīng)濟性和可靠性都可能降低。
鍋筒是自然循環(huán)和多次強制循環(huán)鍋爐中,接受省煤器來的給水、聯(lián)接循環(huán)回路,并向過熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒簡體由優(yōu)質(zhì)厚鋼板制成,是鍋爐中重的部件之一。
鍋筒的主要功能是儲水,進(jìn)行汽水分離,在運行中排除鍋水中的鹽水和泥渣,避免含有高濃度鹽分和雜質(zhì)的鍋水隨蒸汽進(jìn)入過熱器和汽輪機中。
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