李程

[摘 要]本文從小型鍋爐的輻射和對流傳熱原理進行研究探討，結合節(jié)能器的優(yōu)化設計思路，提出增設空氣預熱器，對提高小型鍋爐的安全與節(jié)能設計優(yōu)化具有重要的指導意義。

[關鍵詞]小型鍋爐 結構設計 優(yōu)化 節(jié)能器 空氣預熱器

中圖分類號：T366 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）28-0072-01

鍋爐是采暖供熱系統(tǒng)的核心設備，它的主要任務是安全可靠、經(jīng)濟有效地把燃料的化學能轉(zhuǎn)化為熱能，進而將熱能傳遞給水，生產(chǎn)出滿足需要的蒸汽或熱水。中國目前小型鍋爐設計存在設計不合理、設計方法不正確，金屬耗量大，排煙溫度高，鍋爐效率低，鍋爐使用、制造成本高，經(jīng)濟性差等缺陷。因此總結研究小型鍋爐的優(yōu)化結構設計，提煉出鍋爐安全與節(jié)能設計方法具有重要意義。

1 目前小型鍋爐設計的缺陷

大多數(shù)小型鍋爐房設備比較簡陋， 沒有嚴密的熱氣回收系統(tǒng)， 又無省煤器， 熱效率極低， 大量的熱量損失， 排煙溫度過高， 一般在200℃以上， 甚至有的高達300℃左右，進而帶來許多負面影響。首先， 由于尾部排煙溫度過高， 設備經(jīng)常運行在250℃以上的環(huán)境下， 引風機常因高溫而損壞， 停機維修頻繁， 風葉一年左右必須更換。其次， 排煙溫度的熱損失是鍋爐熱效率的一項較大損失， 當排煙溫度在300℃時， 排煙所帶走的熱損失會使鍋爐的效率降低20 % 以上。

鍋爐的熱力過程是異常復雜的，尤其是爐膛內(nèi)部。以爐膛內(nèi)部的熱力過程為例，在其內(nèi)部同時進行著流動、混合、燃燒、傳熱過程，而且這些過程相互作用，相互影響，對這樣一個設備用純理論分析困難很大，因此較多前人采用的是筒體的理論模型，再加入適當?shù)慕?jīng)驗結論所形成的半經(jīng)驗半理論方法，來正確地反映爐膛內(nèi)的實際工作。電站鍋爐只有前蘇聯(lián)的2個國家標準，即1957年和1973年熱力系統(tǒng)的計算方法，另外再加上存在于各種文獻上的一些計算方法的研究和討論，利用這些半經(jīng)驗半理論的公式進行計算，不可避免地要出現(xiàn)計算結果與實際運行狀況偏離的情況，有時候這種偏離可能達到非常大的程度。

小型工業(yè)鍋爐的熱力計算沒有計算標準，國內(nèi)外目前參照大型電站鍋爐、工業(yè)鍋爐的熱力計算方法，即半經(jīng)驗半理論方法，由于小型工業(yè)鍋爐的結構與電站鍋爐、工業(yè)鍋爐完全不同，原來的計算方法不能適應小型工業(yè)鍋爐的熱力計算，計算結果與實際測量值偏差很大。我們通過對小型工業(yè)鍋爐熱效率、排煙溫度、燃料消耗量、過量空氣系數(shù)、鍋爐出力的大量實際測試，找出原工業(yè)鍋爐熱力計算方法用于小型工業(yè)鍋爐熱力計算方法的偏差，總結出更準確的輻射放熱、對流傳熱系數(shù)及計算方法，對原設計進行修改，應用于小型工業(yè)鍋爐的熱力計算。

2 小型鍋爐的設計方法優(yōu)化

2.1 輻射對流受熱面的優(yōu)化布置

輻射受熱面布置在爐膛內(nèi)，它有兩個作用：一是為了充分吸收高溫介質(zhì)的輻射熱量；二是為了保護爐墻。為了不妨礙燃料在爐膛中燃燒，輻射受熱面通常是靠爐墻布置的。當鍋爐容量增大時，由于爐壁面積的增加相對較慢，為增加輻射受熱面，在大型鍋爐爐膛中布置雙面露光水冷壁，保證爐膛出口煙溫不致過高。為了充分發(fā)揮溫度高，輻射換熱強烈的優(yōu)點，輻射受熱面應布置在高溫火焰區(qū)域，通常布置在900℃以上的區(qū)域。輻射受熱面在中、低溫區(qū)域工作時，其傳熱的熱流密度低于對流受熱面，耗鋼材多而傳熱量少，是不經(jīng)濟的。

工業(yè)鍋爐受熱面的布置首先決定于鍋爐的型式。一般對于小容量鍋爐，采用立式火管或水管鍋爐；對于燃油或燃氣鍋爐，采用火管、水管及水火管混合式布置。

在小容量鍋爐中，也在爐膛布置輻射受熱面。因輻射受熱面具有較高的熱負荷，傳遞相同數(shù)量的熱量時，比對流受熱面可節(jié)省鋼材，但這只有在高溫區(qū)才較顯著。因為爐膛輻射傳熱與火焰溫度的四次方成正比，所以隨溫度降低，輻射吸熱的效果就變差，爐膛換熱所需的受熱面和金屬消耗量就增加。并且爐膛受熱面一般是貼壁布置的，實際的有效輻射受熱面僅為管子表面積的1/3左右，而對流受熱面管子表面可全部有效地起對流傳熱作用，因此在低煙溫區(qū)以布置對流受熱面更為合算。這樣，對鍋爐輻射受熱面與對流受熱面的金屬耗量及總成本進行技術經(jīng)濟比較，顯然存在一最經(jīng)濟的爐膛出口煙溫。根據(jù)計算，此值約為1100℃～1200℃。對于固體燃料鍋爐，為防止爐膛出口對流受熱面結渣，爐膛出口煙溫應不大于灰分的開始變形溫度，t1，也就是不應超過1050℃～1100℃。因此，在工業(yè)鍋爐中，從技術經(jīng)濟方面考慮，爐膛出口煙溫應不低于950℃。爐膛出口煙溫過低，對爐膛內(nèi)可燃物的燃盡也不利。目前，不少工業(yè)鍋爐實際的爐膛出口煙溫為800℃～900℃，有些鍋爐更低。

2.2 節(jié)能器的優(yōu)化布置

某些WNS型燃油燃氣鍋爐本體布置為三回程，為提高鍋爐效率，降低鍋爐金屬耗量，可進行結構優(yōu)化。因為第三回程煙氣和蒸汽溫差小，經(jīng)濟性差，將鍋爐本體三回程結構改為二回程結構，第三回程布置在鍋爐本體外面，形成節(jié)能器，或叫省煤器，省煤器（節(jié)能器）為管板鍋殼式結構，煙氣走煙管內(nèi)，水在鍋殼內(nèi)被煙管加熱，水從煙氣低溫側進，高溫端反向出，逆流布置傳熱。因鍋爐給水溫度遠遠低于蒸汽溫度，用鍋爐給水對煙氣進行深度冷卻，使得排煙溫度大大降低，20℃的鍋爐給水可將煙氣溫度降低到60℃左右，鍋爐排煙損失大大降低，此外煙氣中水蒸氣凝結成水放出大量熱量，被給水吸收，從而利用了煙氣中水蒸氣潛熱，鍋爐效率比原來提高8%以上，鍋爐總金屬耗量降低1/3。

如在鍋爐尾部煙道裝設節(jié)能器（省煤器），節(jié)能器（省煤器）中工質(zhì)平均溫度比飽和溫度低得多，并可采用逆流布置，在保持煙氣和工質(zhì)的最低溫壓為40℃～60℃以上時，可大大降低排煙溫度，提高鍋爐效率。省煤器（節(jié)能器）把水加熱以后送到鍋筒，實際上提高了鍋爐的傳熱量，而節(jié)能器所需受熱面較為節(jié)省，造價也較便宜，布置也較緊湊，因而有更好的安全性和經(jīng)濟性。此種情況只限于燃氣和含硫低的燃料，防止低溫腐蝕。

2.3 增設空氣預熱器

在燃燒中，要使燃料在爐內(nèi)完全燃燒，以達到燃料最大的發(fā)熱量，就必須具備以下條件：

（l） 供給使燃料完全燃燒的足夠的空氣。（2）必須保持爐內(nèi)的高溫環(huán)境，以便產(chǎn)生急劇的化學反應，當爐內(nèi)溫度達到1000℃～1200℃時，燃料的燃燒反應速度很快，盡管燃料在爐內(nèi)停留時間短暫，但氧化反應仍得以完全進行。（3）采取措施，來保證燃料與空氣能很好的接觸混合，固體碳在燃燒時就會形成灰衣，包住核心的碳粒，這時就要將其灰衣脫去，讓其得以與空氣接觸混合。（4 ）要使燃料在爐內(nèi)有一定的停留時間，保證氧化反應有足夠的反應時間，達到完全燃燒。

以上四個條件是相互聯(lián)系、相互依存、相互影響的，當四個條件同時滿足時，方可保證燃料急劇的化學反應，完成燃燒放熱的全過程，而燃料燃燒時又是吸熱過程，用以保證燃料足夠的燃燒溫度，燃燒溫度越高，燃燒速度則越快。增設空氣預熱器，送入熱空氣則加速了燃燒的化學反應速度，使燃料得以完全燃燒。

在鍋爐尾部增設空氣預熱器后，科學地利用了排煙熱量，提高了爐膛溫度，改善了燃燒條件，有效地降低了熱損失，提高了鍋爐效率，做到了節(jié)約能源，減少了對環(huán)境的污染。

3 結語

綜上所述， 想要有效地提高鍋爐熱效率，就必須盡可能地提高爐膛燃燒溫度， 盡量降低排煙溫度， 而設計好壞對產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有著決定性的影響。在進行設計工作時，必須進行廣泛深入的調(diào)查研究，綜合運用有關的理論、工藝和運行方面的實踐知識，進行各種技術方案的運算和比較，根據(jù)給定的技術條件和預期達到的熱工參數(shù)，得出最優(yōu)的設計方案。

參考文獻

[1] 程路庭.提高節(jié)能凈效率的工業(yè)鍋爐結構設計[J].工業(yè)鍋爐.1985（02）.

[2]樂家林，葉偉潔，程樂鳴，等.工業(yè)鍋爐設計計算方法[M].北京：中國標準出版社，2005.

[3] 曲渤.淺談工業(yè)鍋爐節(jié)能減排技術[J].化學工程與裝備.2009（06）.

[4] 曲艷華，王偉.關于小型鍋爐增設空氣預熱器的論證[J].質(zhì)量天地. 2002（09）.endprint