0802-1锅炉受热面-水冷壁

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第二章

锅炉受热面—水冷壁 锅炉受热面—

热工基础回顾 朗肯循环：简单蒸汽动力装置的理想可逆循环

锅炉依靠受热面进行传热，它们是热交换部件。 包括蒸发受热面，过热受热面，水和空气预热受热 面。 1 水冷壁 2 过热器与再热器 3 省煤器与空气预热器

朗肯循环的组成 实现朗肯循环所需的热 力设备包括：锅炉、 汽轮机、凝汽器、给 水泵等。 提高朗肯循环热效率的途径 提高初温、初压； 降低背压。

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朗肯循环—现代蒸汽动力装置 的基本循环 实际中对朗肯循环做改进

回热循环+再热循环

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一、受热面的一般概念

一台现代大容量锅炉每小时能生产上百万公斤或数百万公 斤的蒸汽，燃烧近十万公斤或数十万公斤的燃料。要使工 质吸收如此大量的热量，自然需要有很大的受热面。 锅炉受热面是由千百根并列的小口径钢管焊接而成。 这些管子排列在一起，称为“管束”。 水必须经过预热、蒸发和过热等过程。 预热受热面习惯上叫做：省煤器 蒸发受热面一般是指：水冷壁 过热受热面则称为：过热器 加热高压缸排汽受热面：再热器

省煤器、水冷壁、过热器，再热器以及空气预热器构成 现代电厂锅炉的主要受热面。水冷壁一般布置在炉膛四周 的炉墙上，过热器再热器大都布置在水平烟道内，省煤器 和空气预热器则依次设在尾部烟道内。 蒸汽参数升高后，锅炉各部分受热面的大小、占总受热 面的比例及其布置情况会随之发生变化。

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1 水冷壁结构及布置 水冷壁

1 2 3 水冷壁结构及布置 炉膛及重要参数 水冷壁沾污结渣高温腐蚀和安全运行 1.1 水冷壁作用 1.2 水冷壁类型 1.3 水冷壁的布置

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1.1 水冷壁作用

1. 2. 3. 4. 5. 吸收高温火焰的辐射传热,使水蒸发汽化； 保护炉墙，减少融渣和高温对炉墙的破坏作用； 将炉膛出口烟气温度冷却到要求的允许值，避免对流 受热面结渣； 强化传热，减少锅炉受热面面积，节省金属消耗量； 悬吊炉墙。

水冷壁

45~60mm的无缝钢管或内螺纹管，20号优质 锅炉钢 炉内火焰与水冷壁为辐射传热 悬吊结构，向下膨胀

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1.2 水冷壁类型

1．光管水冷壁 光管水冲壁由不带鳍片光管组成。图2-1展示了两种 结构。 图2-1(a)采用敷管护墙，受热时炉墙和水冷壁管一起向 下 膨胀。 为较新型 结构， 水冷 壁节距较小，s/d约为 1．1以下。因此炉墙表面温度低、

炉墙薄。单位面积炉 墙重量仅有图2—l(b)轻型炉墙的一半。 图2-1（b)为轻型炉墙的老式结构，在现代大型锅炉中已 不 采用， 炉墙山钢 架支承 。水 冷壁节距大，s/d约为 1．25，炉墙内表面温度高，炉墙厚。

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膜式水冷壁的优点

2．膜式水冷壁 膜式水冷壁由带鳍片管焊制面成，如下图所示。现 代大型锅炉都采用此种结构，鳍片顶端焊接在一起，四 壁连成一个整体。密封性好，减小炉膛漏风，可防止炉 膛结渣。敷管炉墙可不用耐火材料层。只有绝热层和表 面密封层。炉墙很薄，重量很轻。

炉膛气密性好 降低金属耗量 不用耐火材料，只需轻型绝热材料，减少 炉墙重量。 便于采用悬吊结构 锅炉蓄热能力减小，炉膛升温快，缩短启 动和停炉时间。

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3、内螺纹管水冷壁 在直流锅炉蒸发受热面中易出现传热恶化，管 壁温度急剧升高。采用内螺纹管，如下图所示结 构。内螺纹管破坏了管壁内气膜，加强汽水混合物 对管壁的放热系数，增强了冷却效果，管壁温度下 降。 4．销钉管水冷壁 销钉管水冷壁用 来敷设卫燃带，如图 所示。在烧难以着火 的煤时，在炉膛内敷 设部分卫燃带，以减 少该区域内水冷壁吸 热，提高炉内温度水 平，以便煤粉气流喷 入很快着火。

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1.3 水冷壁的整体布置

一、炉膛 汽包－－下降管－－下联箱－－水冷壁－－汽包

2 炉膛及重要参数

燃料燃烧的场所。作用：保证燃烧充分，蒸发量满足负荷需 要，烟气充分冷却，炉膛不结渣 二、炉膛设计的几个要求

将热负荷接近的水冷壁组成一个水循环回路，减小热偏 差。 将水冷壁划分成多个水循环回路

合理布置燃烧器 迅速着火、热负荷均匀，预防结渣； 充满度 停滞区、旋涡区，折焰角 容积、高度 完全燃烧 炉膛出口烟温 不结渣 均匀、合适的辐射热负荷 可靠安全的水动力特性 结构紧凑，减少金属消耗量 便于安装、检修、运行(热应力)

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1、炉膛结构燃尽性参数

(1)炉膛容积热负荷 qv 单位容积的热功率 目的：计算炉膛容积 每小时送入炉膛单位容积中的平均热量

大容量锅炉qv 比中、小容量锅炉的小？？ 水冷壁面积的增加慢于容积的增加，保证烟气冷却 的所需的qv 小于 保证燃烧完全所需的qv。 大容量锅炉qv 的选取： qv 要足够小，使烟温冷却到目标值；可能无法 保证 煤粉完全燃烧 与燃料的关系 无烟煤 qv 小 烟煤 qv 可大 褐煤 qv 小一些，灰多，

若qv 大，易结渣 q4 降低，用热风送粉等保证着火

qv =

BQar ,net Vl

, kW / m 3

qv 与着火、结渣的关系 qv大，Vl小，紧凑，炉内温度水平高 易着火； 水冷壁不足 整体烟温高 炉内结渣； 出口对流受热面易结渣； 相反， qv小，不易着火；容积过大 造价高 qv 与完全燃烧的关系 qv太大 烟速快，停留时间短，不易完全燃烧 (q4↑) qv太小 温度水平低 ，着火困难，甚至熄火 2007年5月10日星期四 19

范围：褐煤，90－150kW/m2 无烟煤及贫煤，110－140kW/m2 烟煤，140－200kW/m2 20

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2、炉膛结构着火稳定性参数 (1)炉膛截面热负荷 qa

按燃烧器区域炉膛截面折算，每小时送入炉膛的平均热量 qa 与水动力的关系 与燃料的关系 无烟煤 灰熔点高 qa 要大 保证着火 瘦高形 防止膜态沸腾

qa =

BQar ,net A

, kW / m 2

燃烧器区域截面的热功率 目的：决定 宽度、深度

qa 可大

反映了燃烧器区域的温度水平 qa 与着火、结渣的关系 qa大 瘦高形 水冷壁数量少 易着火，但燃烧器区域易 结渣、膜态沸腾 qa小 矮胖形 不利着火和充分燃尽，炉膛出口处易结渣

(ST>1350℃，结渣可能性小)

多层布置的燃烧器，可单独每层燃烧器的热负荷

qac =

qa , kW / m 2 n

各层燃烧器区域截面的温 度水平

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(3)燃烧器区域壁面热负荷 qr

按燃烧器区域炉膛单位炉壁面积折算，每小时送入炉膛的平均热量 不仅反映了燃烧器区域的温度水平，也反映了火焰的集中程度

qr =

BQar ,net uHr

燃烧器区域壁面的热功率

, kW / m 2

目的：火焰在高度方向的分布 NOx的生成

锅炉容量↑，多层布置(4，6，8)，使局部温度水平↓， NOx ↓

qr 大 qr 小 当容量增加时，截面增加相对较小 从中可看出与煤种的关系 范围：3－－4.5MW/m2 23

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集中 分散

着火

无烟煤

不易结渣

范围：褐煤，0.93－1.16MW/m2 无烟煤及贫煤，1.4－2.1MW/m2 烟煤，1.28－1.40MW/m2

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炉膛结构着火稳定性指数

燃烧器区壁面热负荷定义 净输入热量除以燃烧器区壁面面积。燃烧器区 的高度定义为顶层燃烧器中心线与底层燃烧器 中心线垂直距离再加上3米。燃烧器区壁面面 积定义为炉膛截面的周长乘以燃烧器区的高 度。

JW=qa+qr

对于一定煤种，该值应保持定值 该值 越大，着火稳定性越好

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3 水冷壁沾污、结渣、高温腐蚀及安全运行 （4） 炉膛壁面热负荷 qf

炉膛受热面沾污结渣 沾污：温度低于灰熔点的灰在受热面的沉积，（积灰） 结渣：高温烟气夹带的熔化或者部分熔化的粘性颗粒碰撞 在炉墙或受热面，粘结形

成灰渣。 水冷壁沾污结渣的分类 1）机械沉积： 疏松，吹灰 2）粘结沉积物：碱金属高温升华后凝结，低熔点化合物 3）烧结性积灰：致密的积灰层，硫酸盐， 4）溶渣层：

单位炉膛壁面每小时吸收的平均热量,也叫 炉壁热流密度

qf =

B jQ F

, kW / m 2

整个水冷壁辐射热流密度， 反应了单位壁面吸热量和炉内烟气的温 度水平，判断膜态沸腾的指标 过大→结渣、膜态沸腾 主要取决于燃煤特性

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受热面积灰或结渣的危害

(1) 炉内传热变差，锅炉效率降低，加剧结渣过程。 (2) 炉膛出口的受热面超温：炉内水冷壁结渣→烟气未及 时冷却 (3) 水冷壁积灰、结渣较多时，多数并发高温腐蚀。 (4) 水冷壁尤其是过热器结渣严重时，大块渣落下， 可能扑灭火焰或砸坏炉底水冷壁，造成恶性事故。

3、炉膛结渣的运行因素 近壁区的气氛 防止还原性气氛 炉膛的温度水平 火焰贴壁刷墙 燃烧推迟，火焰中心上移 煤粉细度 粗 或不均 优化吹灰

是否有合理吹灰工艺 混煤对灰渣特性的影响

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防止受热面结渣的基本条件 一、炉内应布置足够的受热面来冷却烟气，使烟气贴近受 热面时，烟气温度降低到灰的熔点温度以下，即保证灰 渣贴近受热面时被凝固； 二、组织一、二次风形成良好的气流结构，保证火焰不直 接冲刷受热面。

高温腐蚀 结渣、沾污 爆管 1、硫酸盐型 P171 一、碱金属硫酸盐+SO3 1氧化层保护膜 2形成硫酸盐，烧结性积灰 3硫酸盐熔化 SO3↑－腐蚀 4对氧化层的破坏 对金属的腐蚀 二、焦硫酸盐，熔融性腐蚀

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高温腐蚀

熔融状态易腐蚀 壁温越高，越易腐蚀

3、 SO2 SO3的生成及腐蚀

SO2来源于煤中的黄铁矿或有机 硫化物

2、硫化物型腐蚀

SO3来源: 还原性气氛 + H2S 形成 Fe3O4 而腐蚀 温度越高，加剧腐蚀 1) SO2被氧化 气系数有关 与过量空

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2)SO2受灰中某些物质的催化

4、 硫化氢气体腐蚀 燃烧过程组织不好 供氧不足

H2S

直接与铁发生反应

3)煤中硫酸盐热解SO3

5、 HCl气体腐蚀 灰分中的NaCl产生HCl

腐蚀

能与铁及其多种氧化物反应

SO3与氧化膜反应生成硫酸铁

以上形式中主要是硫酸盐型和硫化物型

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防止高温腐蚀的可能措施

合理配风 水冷壁附近避免出现还原性气氛 同心反切技术 “风包火”

低氧燃烧技术 自由氧原子 ↓ SO3 浓度 ↓ 烟气再循环 火焰温度 ↓ SO3 浓度 ↓ (低氧)

防止一次风

刷墙 各一次风喷口的均匀性 防止局部缺氧、局部结渣 合理的煤粉细度 较粗时易刷墙 避免水冷壁管壁的局部高温 火焰的偏斜

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工质侧的流量不均

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4、炉膛外爆和内爆 在易腐蚀区域形成空气保护膜 开小孔 燃料中添加剂 漏风 硫酸盐 ↓ 炉膛外爆：炉内压力突然增大造成炉墙向外破坏 炉膛内爆：炉内压力突然降低，负压过大造成炉墙 向内破坏。 炉膛外爆的原因 提高水冷壁管的抗腐蚀能力 抗腐蚀性能好的钢材 表面喷涂 渗铝管(采用热浸渗铝方法在20号钢表面形成渗铝层) 强度降低 及时更换

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1）水冷壁爆管 奥氏体钢 2）析铁氢爆 3）燃料爆燃

高铬钢

更易结垢(向火侧严重)

炉膛内爆 煤粉炉一般是微负压：-50 至 –120Pa 增压流化床锅炉 更高效 炉膛熄火 温度下降、负压快速增大 措施： 1、熄火后，送风量保持熄火前的数值 2、熄火后，快速关小引风机动叶开度，减少引风 量，而后再视情况慢慢恢复动叶开度（自动控 制中已经实现这项功能）

炉内负压由送引风机共同实现 引风机投自动 目标值跟踪炉内负压

负压太大的危害： 1. 火焰中心上移 火焰行程短

2. 自点燃作用减弱，燃烧不稳 3. 漏风增大 4. 引发内爆

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热损失增大

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