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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 ℃。
在水汽系統方面,給水在加熱器中加熱到一定溫度后,經給水管道進入省煤器,進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口集箱。水在水冷壁管內吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經上升管到達鍋筒中,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,繼續吸熱成為450℃的過熱蒸汽,然后送往汽輪機。
在燃燒和煙風系統方面,送風機將空氣送入空氣預熱器加熱到一定溫度。在磨煤機中被磨成一定細度的煤粉,由來自空氣預熱器的一部分熱空氣攜帶經燃燒器噴入爐膛。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爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預熱器后,再經過除塵裝置,除去其中的飛灰,后由引風機送往煙囪排向大氣。
鍋爐整體的結構包括鍋爐本體和輔助設備兩大部分。鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁過熱器、省煤器、空氣預熱器、構架和爐墻等主要部件構成生產蒸汽的核心部分,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燃燒,并適于燃燒劣質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,并強烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風爐。
爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料在爐膛內燃燒形成火焰和高溫煙氣,所以爐膛四周的爐墻由耐高溫材料和保溫材料構成。在爐墻的內表面上常敷設水冷壁管,它既保護爐墻不致燒壞,又吸收火焰和高溫煙氣的大量輻射熱。
爐膛設計需要充分考慮使用燃料的特性。每臺鍋爐應盡量燃用原設計的燃料。燃用特性差別較大的燃料時鍋爐運行的經濟性和可靠性都可能降低。
鍋筒是自然循環和多次強制循環鍋爐中,接受省煤器來的給水、聯接循環回路,并向過熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒簡體由優質厚鋼板制成,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的鍋水隨蒸汽進入過熱器和汽輪機中。
高壓點火裝置的比較包括固態繼電器電子點火器與點火變壓器電子點火器的比較;單極型、雙極型以及中間接地的雙極型電子點火器的比較;不同燃料燃燒器電極布置的比較以及不同放電位置優劣的比較。
采用固態繼電器的電子點火器與采用點火變壓器的電子點火器相比,使用了較為先進的固態繼電器升壓技術,具有體積小、重量輕、發熱低和工作可靠等優點。但由于采用了價格較為昂貴的固態繼電器,從而使整個電子點火器的成本增加,價格較采用點火變壓器的電子點火器高出許多。對于上述知名品牌的點火變壓器電子點火器,經過了數十年的現場使用證明,其工作可靠性與壽命不比固態繼電器電子點火器差,與電熱絲點火器相比,要強出許多。后者是早期使用(國內現在尚有使用)的用于燃油燃氣燃燒機的點火裝置,該點火裝置雖點火可靠,但點火速度慢、點火絲壽命短,所需的功率也較大,目前在國外已被淘汰。
電子點火器的輸出分為單極型、雙極型以及中間接地的雙極型,以適應不同的燃燒器設計。所謂單極型,其輸出只有一個電極,另一個電極在點火器的內部或外部接地(即接燃燒機外殼)。在工作時,電極對地放電,產生火花,引燃燃料氣體。其特點是較為可靠,使用方便,僅需引出一個電極加以絕緣即可。需要注意的是對于外部接地的單極型電子點火器,切記不能將兩極接反否則可能會引起電子點火器乃至整個控制設備毀壞。所謂雙極型,其內部與單極型的內部基本一樣,只是另一個電極不接地。在工作時,是兩極間放電來引燃燃料氣體的。其特點是使用靈活,但性不如單極型,且需對兩個引出電極加以絕緣。中間接 地的雙極型是采用帶有中間抽頭的點火變壓器或采用兩個固態繼電器來實現的。在工作時,它可以用兩極間的放電來引燃燃料氣體,也可以用兩極分別對地的放電來引燃燃料氣體(不常有),此時要求有較高的輸出電壓。采用兩極間放電的特點是布置靈活,可放置在理想的點火位置而不受噴嘴位置的影響,適用于對點火位置要求較嚴的燃料。與單極型相比,每個電極對地所具有的電壓僅為單極型的一半,這有益于電極引線的絕緣,相對來說也比較。
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