第六章蒸發設備6-1概述6-2汽包6-3水冷壁的作用和結構6-4水冷壁的布置形式6-5蒸發受熱面存在問題及防止措施6-1概述

給水進入鍋爐后，經過預熱、蒸發、過熱、再熱，分別在不同的受熱面內完成加熱任務：①水的預熱：省煤器；②水的蒸發：蒸發受熱面，主要是水冷壁；③蒸汽過熱：過熱器；④蒸汽再熱：再熱器。一般水冷壁布置在爐膛四周的爐墻上，過熱器和再熱器布置在水平煙道內，省煤器布置在尾部煙道內。工質在鍋爐中的吸熱是通過布置各種受熱面來完成的。由于受熱面所處的煙溫區域不同，受熱面所起的作用也不同。鍋爐受熱面的典型布置形式12-水冷壁

13-屏式過熱器14-高溫過熱器

19-再熱器

20-低溫過熱器23-省煤器27-空預器鍋爐內介質的流動過程鍋爐中吸收火焰和煙氣熱量把水加熱為飽和蒸汽的受熱面，稱為蒸發受熱面。自然循環的蒸發系統包括：汽包、下降管、上升管（水冷壁）、聯箱和連接管道等組成閉合蒸發系統，稱為水循環回路。一、蒸發設備的組成自然循環：流動的推動力是下降管與上升管之間的汽水密度差產生的，故稱為自然循環。為了維持蒸發受熱面的工質良好的換熱，受熱管中應該有足夠大的流速。控制循環：在亞臨界壓力時，由于壓力升高使汽水密度差減小，需要用輔助循環泵來推動工質的流動。1、下降管（1）作用：把汽包的水連續不斷的送往下聯箱供給水冷壁，以維持正常的水循環。（2）布置：布置在爐外，不受熱；（3）結構形式：小直徑分散下降管：管徑小、數量多，阻力大，不利循環（可直接與下聯箱連接）；大直徑集中下降管：阻力小，有利于循環，簡化布置（通過分支引出管與下聯箱連接）。二、下降管和聯箱

2、聯箱：作用：將工質集中混合并均勻分配；結構形式：通過聯箱可以連接若干管子，一般不受熱，材料為20號碳鋼。二、下降管和聯箱

控制循環鍋爐采用循環泵加強循環流動，循環泵安裝在下降管上。循環泵工作條件：循環流動循環泵產生的壓頭并不高，但入口水的壓力、溫度與汽包內工質參數一樣，高溫高壓。軸向密封問題是關鍵。無軸封濕式電動機循環泵在這樣高的參數下解決泵軸的密封問題就比較困難。所以一般循環泵多采用無軸封泵，把泵與電動機都浸在水中，共同處在一個密封的壓力殼體內。三、循環泵電動機定子與轉子采用防水電纜繞成，泵的葉輪裝在電動機主軸上，形成整體；電動機與水泵置于相互連通的密封壓力殼體內，泵與電動機結合成一整體，電動機工作在鍋爐壓力下；電動機內腔通有高壓冷卻水，定子和轉子都浸在高壓冷卻水中；循環泵懸掛在下降管下端，在鍋爐熱態時可以隨下降管一起向下自由膨脹。6-2汽包一、汽包結構：汽包（鍋筒）：位于鍋爐頂部，是一個圓筒形的承壓容器。下部是水，上部是汽，主要功能是實現汽水分離。它接受省煤器的來水，同時又與下降管、聯箱、水冷壁共同組成水循環回路。水在水冷壁中吸熱而生成的汽水混合物匯集于汽包，經汽水分離后向過熱器輸送飽和蒸汽。6-2汽包

1、汽包外部結構汽包是焊接而成圓筒形容器。封頭留有橢圓形人孔。汽包開有很多管孔（管座），分別連接給水管、下降管、汽水混合物引入管、蒸汽引出管，以及排污管、給水再循環管、加藥管和事故放水管等。汽包長度25-28米，直徑1.7-1.8米，壁厚130-200mm；汽包內部主要有汽水分離器，連通管，各液位計接口，加藥管，托板等。

2、汽包內部結構：

（1）是工質加熱、蒸發、過熱三過程的連接樞紐，汽包把水的預熱、蒸發、過熱三個過程嚴格分開；形成水蒸發的自然循環回路；（2）儲存一定水量，起到蓄熱蓄水的作用，延緩汽壓的變化速度；確保水循環的安全；（3）實現汽水分離和改善蒸汽品質。內部有汽水分離裝置、蒸汽清洗裝置，以及連續排污裝置，保證鍋爐蒸汽品質；（4）汽包裝設安全附件：壓力表、水位計、安全閥等附屬設備，保證安全運行。二、汽包的作用

（1）控制汽包運行壓力：設計時，嚴格進行強度計算，確定材料和壁厚。運行中，設置安全閥。一旦超壓，安全閥自動開啟。（2）控制汽包熱應力：保證汽包上下壁溫差合適；保證汽包內外壁溫差合適。要求溫差小于40~50℃。三、汽包的安全運行6-3水冷壁的作用和結構水冷壁：水冷壁一般布置在爐膛四周，接受火焰和煙氣的輻射熱。對雙面曝光水冷壁，水冷壁布置在爐膛中間。汽包鍋爐：水冷壁就是蒸發受熱面；直流鍋爐：由于沒有汽包，蒸發段和過熱段沒有明顯界限。水冷壁用作蒸發受熱面外，部分用作預熱和過熱。（1）蒸發受熱面：接受爐膛高溫輻射熱，使管內水吸熱蒸發汽化；（2）保護爐墻：爐墻敷設水冷壁后，爐墻內壁溫度降低，保護爐墻，簡化爐墻結構；（3）避免結渣：水冷壁吸收大量輻射熱，降低煙氣溫度，使爐墻處煙氣中灰分降到軟化溫度以下，避免爐墻和受熱面結渣。一、水冷壁的作用

二、水冷壁的結構1、光管式水冷壁（1）結構形式光管水冷壁是由光滑的無縫鋼管組成，一般是貼近爐墻內壁垂直布置；水冷壁上端與鍋筒或上集箱連接，下端與下集箱連接。護板絕熱層耐火層管子光管水冷壁（2）結構參數管子外徑d；管中心節距s；管中心與爐墻內表面距離e。（3）結構布置水冷壁管緊密排列：充分利用爐膛空間，保護爐墻。

s/d=1-1.1廣泛采用敷管式爐墻：爐墻溫度低，簡化爐墻懸吊結構。

e/d=01、光管式水冷壁規格：Φ45、Φ51、Φ57、Φ60、Φ63.5、Φ76，壁厚δ＝3～5

材質：無縫鋼管10g、15g、20g在水冷壁管外側焊上許多圓柱形銷釘，形成銷釘式水冷壁。銷釘可以使鉻礦砂耐火材料與水冷壁牢固連接。作用：銷釘式水冷壁表面覆蓋有耐火材料，降低水冷壁的吸熱量，以便保持局部高溫。應用：用在固態排渣煤粉爐的衛燃帶、液態排渣煤粉爐的熔渣池、旋風爐的旋風筒等。2、銷釘式水冷壁2、銷釘式水冷壁衛燃帶（燃燒帶）：用耐火材料將燃燒室周圍的水冷壁覆蓋起來,這部分被覆蓋的面積稱衛燃帶或燃燒帶。衛燃帶目的是提高燃燒區域的溫度,為著火困難的煤種的著火及穩定燃燒創造條件。燃燒器區域布置衛燃帶，以提高爐膛溫度。現代大中型鍋爐普遍采用膜式水冷壁。膜式水冷壁是由鰭片管沿縱向依次焊接起來，構成整體的受熱面，使爐膛內壁四周被一層整塊的水冷壁膜嚴密包圍。鰭片管有兩種類型：軋制鰭片管、焊接鰭片管。3、膜式水冷壁膜式水冷壁（中間有人孔）膜式水冷壁主要優點（1）嚴密性，減少漏風；（2）墻壁保護好，可以采用輕質保溫墻體；蓄熱少，鍋爐啟停迅速；（3）輻射受熱面積增加，節約鋼材；（4）膜式水冷壁可成片預制和安裝，減少安裝工作量，加快安裝進度；（5）增加管子剛性，提高爐膛抗爆炸能力。3、膜式水冷壁

1、剛性梁沿爐膛高度，每2.5～3m布置一層水平剛性梁。固定在水冷壁上，可以隨著水冷壁移動。2、剛性梁作用承受爐內壓力帶來的側向推力，防止水冷壁和爐墻結構變形和破壞。3、剛性梁布置剛性梁布置在爐外，不受熱。水冷壁和剛性梁之間用銷子連接：既可相對滑動，又可以承受水冷壁側向推力。剛性梁三、剛性梁6-4

水冷壁的布置形式一、汽包鍋爐水冷壁布置型式

1、水冷壁布置：一般水冷壁垂直布置在爐膛四周，形成爐膛內壁面。（1）側墻水冷壁：左右兩側墻水冷壁垂直布置；（2）前后墻水冷壁：上部傾斜布置，下部收縮成冷灰斗。冷灰斗出口布置凝渣管：中壓鍋爐或早期高壓鍋爐，后墻水爐膛出口處水冷壁，被拉稀排列2-4排管，形成煙氣通道，稱為凝渣管。排列稀疏的水冷壁對煙氣進一步冷卻，使飛灰冷凝成固態，防止尾部受熱面凝渣。變工況時，凝渣管可能首先結渣，而保護了尾部受熱面。（3）爐膛出口水冷壁布置出口布置成折焰角結構：現代大容量鍋爐在爐膛出口布置屏式過熱器，后墻水冷壁布置成折焰角結構，同時拉出部分管束作為后墻懸吊管。（3）爐膛出口水冷壁布置8-水平煙道底部包墻管折焰角使得爐內煙氣分布更加均勻。大容量鍋爐水冷壁有近千根。由于爐膛熱負荷分布不均，造成水冷壁吸熱不均。而并列管受熱不均，造成水循環故障。為提高水循環可靠性，需要將熱負荷及結構相近的水冷壁劃分成獨立的循環回路。每個聯箱與其連接的水冷壁管組，構成一個水冷壁管屏。2、水冷壁循環回路劃分每個循環回路的系統：汽包—下降管—水分配器—下降管支管—下聯箱—水冷壁管—上聯箱—汽水混合物引出管—汽包1-集中下降管；2-下降管支管（供水管）；3-水冷壁下聯箱；4-水冷壁管（數字：水冷壁管數）SG1025/18.1鍋爐水冷壁回路：共有4個集中下降管；前后墻、左右墻各有8個管屏（回路）；前后墻水冷壁對稱、左右墻水冷壁對稱，總計648根水冷壁。在小容量鍋爐中，水冷壁通常采用下集箱支撐的辦法來固定，熱膨脹向上進行。大型電站鍋爐水冷壁與上下集箱直接焊接，采用上部固定下部自由膨脹的方法固定。即將水冷壁的上集箱懸吊在鍋爐鋼架上，下集箱由水冷壁懸吊著。現代大型電站鍋爐中的凝渣管用于聯絡上聯箱至汽包，及懸吊后墻水冷壁，故又稱懸吊管。3、水冷壁的固定直流鍋爐管內工質依靠給水泵的壓頭來克服流動阻力；直流鍋爐沒有汽包。在給水泵的作用下，工質一次性地通過省煤器、水冷壁、過熱器等受熱面，循環倍率K=1。直流鍋爐可以適用于任何壓力。對于超臨界參數鍋爐，直流鍋爐是唯一可用的爐型。二、直流鍋爐水冷壁的布置直流鍋爐1-給水泵；2-省煤器；3-水冷壁；4-汽水分離器；5-再循環泵；6-過熱器在超臨界和超超臨界壓力下，不存在汽水兩相共存現象，水的蒸發熱為零。現代火電機組多采用變壓運行，即隨負荷降低，鍋爐壓力也降低。當鍋爐壓力低于臨界壓力時，出現汽水兩相共存區，因此在水冷壁和過熱器之間需設置汽水分離器和再循環泵。直流鍋爐工質靠給水泵壓頭強制流動，爐膛內水冷壁可自由布置。直流鍋爐傳統型式：拉姆辛型（水平圍繞管圈型）；蘇爾壽型（回帶管圈型）；本生型（垂直多管屏型）。現代直流鍋爐型式：螺旋管圈型；垂直管屏型。（一）直流鍋爐的類型（二）螺旋管圈型水冷壁1、水冷壁的布置：直流鍋爐以折焰角部位為分界，將水冷壁劃分為下輻射區和上輻射區。爐膛下輻射區：為燃燒區，熱負荷高，采用螺旋管圈，以減小熱偏差保護管子，各并連管受熱均勻；爐膛上輻射區：熱負荷低，采用結構簡單的垂直管水冷壁，以便采用全懸吊結構。冷灰斗：采用螺旋管圈或垂直管。螺旋管與垂直管之間的連接方式：聯箱連接（a）：分叉管連接（b）：（a）（b）給水由爐前右側進入省煤器，流經省煤器后，進入螺旋水冷壁、過度段、垂直水冷壁然后進入入汽水分離器進行汽水分離；從分離器分離出來的蒸汽依次經頂棚管、后豎井/水平煙道包墻、低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器；再熱器由位于后豎井前煙道的低溫再熱器和水平煙道內的高溫再熱器組成。DG1900/25.4-Ⅱ型直流鍋爐：在爐膛折焰角以上采用垂直上升管屏，以便采用全懸吊結構；在爐膛高熱負荷區采用螺旋管圈型水冷壁，以減小爐內熱偏差。（三）垂直管屏型水冷壁1、垂直一次上升型水冷壁系統形式：在一次上升垂直管屏中，工質自下而上一次上升到爐頂（類似自然循環）。在上升過程中，中間經過多次混合，以消除管子之間的熱偏差。系統特點：一次上升型垂直管屏結構簡單，流動阻力小；相鄰管間熱偏差相對較小；便于安裝和采用懸吊結構，適用于膜式水冷壁。上海鍋爐廠1025t/h直流鍋爐水冷壁

爐膛高度分四個區：冷灰斗區；下輻射區；中輻射區；下輻射區。各區間設有混合器。每個管屏進口聯箱的供水管上，裝設節流閥或節流圈，用來分配各管屏的工質流量。整臺鍋爐水冷壁分為左右對稱的兩個回路系統，右側回路系統如圖:2、上升-上升型水冷壁

（2）系統形式：爐膛下部：高熱負荷區域，采用多次上升串聯垂直管屏，用于提高管內工質質量流速，以避免傳熱惡化。爐膛上部：低熱負荷區仍采用一次垂直上升管屏。爐外加設下降管，用以連接多次上升串聯管屏。

（2）多次上升型水冷壁特點：

可保證高熱負荷區有較高的質量流速，達到充分冷卻的目的；工質流程長，系統阻力較大，水泵功耗較大；相鄰兩屏內工質的含汽率不同，管間壁溫差大，使各屏熱膨脹不同。1950t/hFT型超臨界壓力直流鍋爐燃燒器燃燒器燃燒器燃燒器水冷壁出口

介質溫度垂直管布置水冷壁螺旋上升式水冷壁熱負荷前墻側墻后墻側墻前墻側墻后墻側墻流向流向流向流向螺旋管管間吸熱偏差小，適應變壓運行；螺旋管不需設置水冷壁進口節流圈；垂直管需要采用節流圈調節進口流量，以減輕熱偏差影響。6-5蒸發受熱面存在問題及防止措施一、固態排渣鍋爐的結渣問題固態排渣煤粉鍋爐，火焰中心溫度達到1400-1600℃；燃料中的灰分由多種礦物雜質組成，在高溫火焰中呈現熔化狀態；熔融的灰分接近水冷壁時，可以積聚并黏結在受熱面外壁上，難于清除，形成了“結渣”（結焦）；若熔融的灰分接近受熱面時，已經被冷卻降溫凝結為固態，則受熱面不會“結渣”現象（積灰）。（1）水冷壁結渣，增加傳熱熱阻，受熱面傳熱減弱，鍋爐排煙溫度上升，效率下降；（2）水冷壁結渣，傳熱減弱，鍋爐出力下降；（3）部分水冷壁結渣，使水冷壁受熱不均，導致熱偏差，影響水循環的安全；（4）水冷壁結渣，爐膛出口煙氣溫度上升，導致過熱蒸汽溫度上升，容易引起過熱器損壞；（5）燃燒器噴口結渣，使爐內空氣動力特性受到破壞，影響正常燃燒過程；（6）冷灰斗處結渣，使冷灰斗出口逐漸堵塞，無法正常排渣。（7）爐膛上部大塊渣塊下落，會砸壞水冷壁或冷灰斗。2、受熱面結渣的危害

（1）煤粉灰分特性通常把灰的軟化溫度ST作為是否結渣的主要指標。灰熔點低的煤（ST＜1200℃）容易結渣。此外，結渣性指標還包括：硅比、堿酸比、結渣指數，極限黏度等。（2）爐內空氣動力特性氣流組織不當，導致火焰中心偏移，煤粉氣流火焰貼墻引起水冷壁局部結渣；氣流組織不當，形成煙氣滯留漩渦區并形成還原性氣氛（存在CO），降低灰熔點，增大了結渣的可能性。過量空氣系數：當爐內過量空氣過小，可能產生還原性氣氛，結渣傾向隨之增加。2、鍋爐受熱面結渣的影響因素（3）鍋爐熱負荷的影響鍋爐設計熱負荷：熱負荷強度越大，爐內燃燒器區域的溫度越高，煤灰達到熔融狀態，結渣的可能性增大。鍋爐運行負荷：鍋爐運行熱負荷越高，送入爐內的熱量也越多，結渣的可能性也越大。（4）煤粉細度的影響粗煤粉燃燒時間長，當煤粉中粗煤粉的比例增加時，容易引起火焰延長，導致爐膛出口處的受熱面結渣。（1）防止受熱面附近溫度過高。爐膛設計熱負荷強度合理，控制合理的爐溫；同時布置足夠的受熱面冷卻煙氣，保證熔化狀態的灰貼近受熱面之前已經凝固；（2）合理組織爐內氣流，燃燒器布置合理，一、二次風形成良好的氣流結構，保證火焰不直接沖刷受熱面；避免過量空氣系數過低產生還原性氣氛；（3）加強燃料管理，做好燃料灰成分分析及熔點分析，盡量使用設計煤種；避免煤粉過粗；（4）加強運行管理，及時調整燃燒狀況，及時吹灰除渣。3、防止受熱面結渣的措施

液態排渣鍋爐運行時，在熔渣池底部會有大量鐵水隨著液態灰渣一同流出，稱為爐底析鐵。二、液態排渣爐的爐底析鐵1-冷卻段，2-熔渣段，3-渣井，4-粒化水箱1、析鐵原因爐底析鐵主要來源于燃料灰分中的氧化鐵。熔渣池中的液態灰分包含自由氧化鐵。如果有未燃盡的碳粒落入渣池內，氧化鐵就被還原成鐵：

FeO+C=Fe+CO（1）鐵的熔點很高（1535℃

），因而析鐵后熔渣黏度大，不利于排渣；（2）鐵的質量較大，高溫鐵水滲入爐底，侵蝕耐火涂料層，從爐底的縫隙中漏出而損壞爐底結構，造成爐底水冷壁管過熱而爆管。（3）析鐵嚴重時，鐵水流入粒化水箱，與水作用產生大量氫氣，可能引起爆炸。（4）鐵水沉于爐底，停爐后凝成大塊，很難清除。2、爐底析鐵的危害爐底析鐵反應：FeO+C=Fe+CO（1）防止煤粉落入渣池措施：直流燃燒器切圓燃燒、提高下二次風速度、控制上排燃燒器的下傾角、控制煤粉細度等；（2）盡快從爐底排走熔渣，減少熔渣在爐內停留時間：

措施：可以采用微傾斜爐底等。3、防止爐底析鐵的措施

在低溫條件下，受熱面管壁中的Fe發生緩慢的氧化反應生成致密且穩定的Fe2O3保護膜，可保護管壁免受進一步氧化。而氧化產物Fe3O4和FeO較疏松，易脫落。

（一）高溫腐蝕的機理（1）硫化物型腐蝕；（2）硫酸鹽型腐蝕；（3）腐蝕性氣體腐蝕：

SO2、SO3氣體腐蝕；H2S氣體腐蝕；HCL氣體腐蝕。三、水冷壁的高溫腐蝕（1）硫化物型腐蝕

在還原性氣氛中，管壁溫度達到450℃時，燃料會分解出自由硫原子[S]：內部金屬硫化，使氧化膜疏松脫落。而生成的FeS多孔疏松，不能對金屬起保護作用，腐蝕會繼續下去。受熱面管壁溫度