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在傳統的工業爐設計中,燃燒器的火焰速度大約為每秒幾米,當燃燒產物溫度在600 °C~800 °C時,爐內對流換熱與輻射換熱各占50%;在燃燒產物溫度為800 ℃以上時,以輻射換熱為主;在燃燒產物溫度達到1 400 ℃時,輻射換熱是對流換熱的10倍,所以大部分爐窯設計中,是以輻射換熱為基礎。但是在采用高速氣體燃燒器后,即使在高溫區,爐內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,燃燒產物在被加熱物表面的流動為層流,層流的對流換熱系數為h1-Nu*λ/d。
式中 努謝爾特數Nu=0.332Pr1/3*Re1/2;Pr為普朗特數;Re為雷諾數;λ為氣體的導熱系數;d為流道當量直徑。
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為h2=Nu*λ/d。式中Nu=Pr1/3(0.036Re0.8-836)
設加熱爐內腔尺寸為6.45m×2.3m×2.9m,燃燒產物溫度為1 790 ℃,被加熱體溫度為900 ℃。
采用普通燃燒器,燃燒產物流速為5 m/s時,燃燒產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,燃燒產物流速為150 m/s時,燃燒產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,國內引進高速氣體燃燒器在井式加熱爐上進行技術改造,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,而燃料消耗量節約了20%。
高速氣體燃燒器的燃燒產物高速沖進加熱爐內,攪動多倍的爐內氣體隨之摻混,可以大大提高爐內溫度均勻度。國外一家工廠用高速氣體燃燒器改造加熱爐后,爐內溫度均勻度可由±15 ℃提高到±2 ℃。國內井式加熱爐采用高速氣體燃燒器后,爐溫均勻度達到±7 ℃。
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電廠鍋爐是發電廠三大主要設備中重要的能量轉換設備。它的作用是將燃料的化學能轉變為熱能,并利用熱能加熱鍋內的水使之成為具有足夠數量和一定質量(汽溫、汽壓)的過熱蒸汽,供汽輪機使用。現在火力發電廠的鍋爐容量大、參數高、技術復雜、機械化和自動化水平高,所以燃料主要是煤,并且煤在燃燒之前先制成煤粉,然后送入鍋爐在爐膛中燃燒放熱。概括地說,鍋爐是主要工作過程就燃料的燃燒、熱量的傳遞、水的加熱與汽化和蒸汽的過熱等。
燃燒器均采用帶分、積分計算或更為復雜運算調節儀器(例如:比例調節儀、PLC、大型計算機控制等),通過對鍋爐的出水溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量、煙氣中的氧含量、鍋爐給水系統等因素的檢測,同步連續動態調節燃料量和配風風量。一句話,燃燒工況只有隨著鍋爐工況、煙氣排放的變化而進行同步連續調節,才能達到、環保的效果。
整個鍋爐由鍋爐本體和輔助設備兩部分組成。鍋爐本體是鍋爐設備的主要部分,是由“鍋”和“爐”兩部分組成的。“鍋”是汽水系統,它主要任務是吸引收燃料放出的熱量,使水加熱、蒸發并后變成具有一定參數的過熱蒸汽。它由省煤器、汽包、下降管、聯箱、水冷壁、過熱器和再熱器等設備及其連接管道和閥門組成。輔助設備包括通風設備(送、引風機)、燃料運輸設備、制粉系統、除灰渣及除塵設備、脫硫設備等。
歐盟燃燒器標準規定燃燒器必須具備:風壓檢測、火焰檢測、熄火保護、燃氣高壓力保護、燃氣低壓力保護、漏氣保護、排煙溫度保護等,還要求燃燒器與鍋爐超壓、超溫、水位、連續給水、排煙溫度等進行聯鎖保護,鍋爐的任何故障,燃燒器都必須同時停止運行。
電廠鍋爐的工作過程:由原煤倉落下的原煤經給煤機送入磨煤機磨制成煤粉。在原煤磨制過程中,需要熱空氣對煤進行加熱和干燥,因此外界冷空氣通過送風機送入鍋爐尾部煙道的空氣預熱器中,被煙氣加熱成為熱空氣進入熱風管道。其中一部分熱空氣經排粉機送入磨煤機中,對煤進行加熱和干燥,同時這部分空氣也是輸送煤粉的介質;另一部分熱空氣直接經燃燒器進入爐膛參與煤粉的燃燒。從磨煤機排出的煤粉和空氣的混合物經燃燒器進入爐膛內燃燒。
煤粉在爐膛內迅速燃燒后放出大量的熱量,使爐膛火焰中心的溫度具有1500度或更高的溫度。爐膛四周內壁布置有許多的水冷壁管,爐膛頂部布置著頂棚過熱器及爐膛上方布置著屏式過熱器等受熱面。水冷壁和頂棚過熱器等是爐膛的輻射受熱面,其內部的工質在吸引爐膛的輻射熱的同時,使火焰溫度降低,保護爐墻不致被燒壞。為了防止熔化的灰渣黏結在煙道內的受熱面上,煙氣向上流動到達爐膛上部出口處時,其溫度要低于煤灰的熔點。
高溫煙氣經爐膛上部出口離開爐膛進入水平煙道,與布置在水平煙道的過熱器進行熱量交換,然后進入尾部煙道,并與再熱器、省煤器、和空氣預熱器等受熱面進行熱量交換,使煙氣不斷放出熱量而逐漸冷卻下來,使得離開空氣預熱器的煙氣溫度通常在110-160度之間。低溫煙氣再經過除塵器除去大量的飛灰,后只有少量的細灰粒隨煙氣由引風機送入煙囪排入大氣。
煤粉在爐膛中燃燒后所生成的較大灰粒沉降到爐膛底部的冷灰斗中,被冷卻凝固落入排渣裝置中,形成固定排渣。
由給水泵送向鍋爐的給水,經過高壓加熱器加熱后進入省煤器,吸收鍋爐尾部煙氣的熱量后進入汽包,并通過下降管引入水冷壁下聯箱再分配給各個水冷壁管。水在水冷壁中吸收爐膛高溫火焰和煙氣的輻射熱,使部分水蒸發變成飽和蒸汽,從而在水冷壁內形成了汽水混合物。汽水混合物向上流動并進入汽包,通過汽包中的汽水分離裝置進行汽水分離,分離出來的水繼續循環。而分離出來的飽和蒸汽經汽包上部的飽和蒸汽引出管送入過熱器進行加熱。后達到要求的過熱蒸汽通過主蒸汽管道引入汽輪機做功。
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