小型锅炉的安全与节能优化设计

李程

[摘 要]本文从小型锅炉的辐射和对流传热原理进行研究探讨，结合节能器的优化设计思路，提出增设空气预热器，对提高小型锅炉的安全与节能设计优化具有重要的指导意义。

[关键词]小型锅炉 结构设计 优化 节能器 空气预热器

中图分类号：T366 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0072-01

锅炉是采暖供热系统的核心设备，它的主要任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，生产出满足需要的蒸汽或热水。中国目前小型锅炉设计存在设计不合理、设计方法不正确，金属耗量大，排烟温度高，锅炉效率低，锅炉使用、制造成本高，经济性差等缺陷。因此总结研究小型锅炉的优化结构设计，提炼出锅炉安全与节能设计方法具有重要意义。

1 目前小型锅炉设计的缺陷

大多数小型锅炉房设备比较简陋， 没有严密的热气回收系统， 又无省煤器， 热效率极低， 大量的热量损失， 排烟温度过高， 一般在200℃以上， 甚至有的高达300℃左右，进而带来许多负面影响。首先， 由于尾部排烟温度过高， 设备经常运行在250℃以上的环境下， 引风机常因高温而损坏， 停机维修频繁， 风叶一年左右必须更换。其次， 排烟温度的热损失是锅炉热效率的一项较大损失， 当排烟温度在300℃时， 排烟所带走的热损失会使锅炉的效率降低20 % 以上。

锅炉的热力过程是异常复杂的，尤其是炉膛内部。以炉膛内部的热力过程为例，在其内部同时进行着流动、混合、燃烧、传热过程，而且这些过程相互作用，相互影响，对这样一个设备用纯理论分析困难很大，因此较多前人采用的是筒体的理论模型，再加入适当的经验结论所形成的半经验半理论方法，来正确地反映炉膛内的实际工作。电站锅炉只有前苏联的2个国家标准，即1957年和1973年热力系统的计算方法，另外再加上存在于各种文献上的一些计算方法的研究和讨论，利用这些半经验半理论的公式进行计算，不可避免地要出现计算结果与实际运行状况偏离的情况，有时候这种偏离可能达到非常大的程度。

小型工业锅炉的热力计算没有计算标准，国内外目前参照大型电站锅炉、工业锅炉的热力计算方法，即半经验半理论方法，由于小型工业锅炉的结构与电站锅炉、工业锅炉完全不同，原来的计算方法不能适应小型工业锅炉的热力计算，计算结果与实际测量值偏差很大。我们通过对小型工业锅炉热效率、排烟温度、燃料消耗量、过量空气系数、锅炉出力的大量实际测试，找出原工业锅炉热力计算方法用于小型工业锅炉热力计算方法的偏差，总结出更准确的辐射放热、对流传热系数及计算方法，对原设计进行修改，应用于小型工业锅炉的热力计算。

2 小型锅炉的设计方法优化

2.1 辐射对流受热面的优化布置

辐射受热面布置在炉膛内，它有两个作用：一是为了充分吸收高温介质的辐射热量；二是为了保护炉墙。为了不妨碍燃料在炉膛中燃烧，辐射受热面通常是靠炉墙布置的。当锅炉容量增大时，由于炉壁面积的增加相对较慢，为增加辐射受热面，在大型锅炉炉膛中布置双面露光水冷壁，保证炉膛出口烟温不致过高。为了充分发挥温度高，辐射换热强烈的优点，辐射受热面应布置在高温火焰区域，通常布置在900℃以上的区域。辐射受热面在中、低温区域工作时，其传热的热流密度低于对流受热面，耗钢材多而传热量少，是不经济的。

工业锅炉受热面的布置首先决定于锅炉的型式。一般对于小容量锅炉，采用立式火管或水管锅炉；对于燃油或燃气锅炉，采用火管、水管及水火管混合式布置。

在小容量锅炉中，也在炉膛布置辐射受热面。因辐射受热面具有较高的热负荷，传递相同数量的热量时，比对流受热面可节省钢材，但这只有在高温区才较显著。因为炉膛辐射传热与火焰温度的四次方成正比，所以随温度降低，辐射吸热的效果就变差，炉膛换热所需的受热面和金属消耗量就增加。并且炉膛受热面一般是贴壁布置的，实际的有效辐射受热面仅为管子表面积的1/3左右，而对流受热面管子表面可全部有效地起对流传热作用，因此在低烟温区以布置对流受热面更为合算。这样，对锅炉辐射受热面与对流受热面的金属耗量及总成本进行技术经济比较，显然存在一最经济的炉膛出口烟温。根据计算，此值约为1100℃～1200℃。对于固体燃料锅炉，为防止炉膛出口对流受热面结渣，炉膛出口烟温应不大于灰分的开始变形温度，t1，也就是不应超过1050℃～1100℃。因此，在工业锅炉中，从技术经济方面考虑，炉膛出口烟温应不低于950℃。炉膛出口烟温过低，对炉膛内可燃物的燃尽也不利。目前，不少工业锅炉实际的炉膛出口烟温为800℃～900℃，有些锅炉更低。

2.2 节能器的优化布置

某些WNS型燃油燃气锅炉本体布置为三回程，为提高锅炉效率，降低锅炉金属耗量，可进行结构优化。因为第三回程烟气和蒸汽温差小，经济性差，将锅炉本体三回程结构改为二回程结构，第三回程布置在锅炉本体外面，形成节能器，或叫省煤器，省煤器（节能器）为管板锅壳式结构，烟气走烟管内，水在锅壳内被烟管加热，水从烟气低温侧进，高温端反向出，逆流布置传热。因锅炉给水温度远远低于蒸汽温度，用锅炉给水对烟气进行深度冷却，使得排烟温度大大降低，20℃的锅炉给水可将烟气温度降低到60℃左右，锅炉排烟损失大大降低，此外烟气中水蒸气凝结成水放出大量热量，被给水吸收，从而利用了烟气中水蒸气潜热，锅炉效率比原来提高8%以上，锅炉总金属耗量降低1/3。

如在锅炉尾部烟道装设节能器（省煤器），节能器（省煤器）中工质平均温度比饱和温度低得多，并可采用逆流布置，在保持烟气和工质的最低温压为40℃～60℃以上时，可大大降低排烟温度，提高锅炉效率。省煤器（节能器）把水加热以后送到锅筒，实际上提高了锅炉的传热量，而节能器所需受热面较为节省，造价也较便宜，布置也较紧凑，因而有更好的安全性和经济性。此种情况只限于燃气和含硫低的燃料，防止低温腐蚀。

2.3 增设空气预热器

在燃烧中，要使燃料在炉内完全燃烧，以达到燃料最大的发热量，就必须具备以下条件：

（l） 供给使燃料完全燃烧的足够的空气。（2）必须保持炉内的高温环境，以便产生急剧的化学反应，当炉内温度达到1000℃～1200℃时，燃料的燃烧反应速度很快，尽管燃料在炉内停留时间短暂，但氧化反应仍得以完全进行。（3）采取措施，来保证燃料与空气能很好的接触混合，固体碳在燃烧时就会形成灰衣，包住核心的碳粒，这时就要将其灰衣脱去，让其得以与空气接触混合。（4 ）要使燃料在炉内有一定的停留时间，保证氧化反应有足够的反应时间，达到完全燃烧。

以上四个条件是相互联系、相互依存、相互影响的，当四个条件同时满足时，方可保证燃料急剧的化学反应，完成燃烧放热的全过程，而燃料燃烧时又是吸热过程，用以保证燃料足够的燃烧温度，燃烧温度越高，燃烧速度则越快。增设空气预热器，送入热空气则加速了燃烧的化学反应速度，使燃料得以完全燃烧。

在锅炉尾部增设空气预热器后，科学地利用了排烟热量，提高了炉膛温度，改善了燃烧条件，有效地降低了热损失，提高了锅炉效率，做到了节约能源，减少了对环境的污染。

3 结语

综上所述， 想要有效地提高锅炉热效率，就必须尽可能地提高炉膛燃烧温度， 尽量降低排烟温度， 而设计好坏对产品的性能和质量有着决定性的影响。在进行设计工作时，必须进行广泛深入的调查研究，综合运用有关的理论、工艺和运行方面的实践知识，进行各种技术方案的运算和比较，根据给定的技术条件和预期达到的热工参数，得出最优的设计方案。

参考文献

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