第 1 章 概述 1 第 1 章 概 述 1.1 工业锅炉的定义 1.1.1 锅炉定义锅炉定义 锅炉是一种能量转换设备。也是一种典型的承压类特种设备。 电工名词术语 锅炉 （GB/T 2900.482008）将锅炉定义为：利用燃料燃烧释放的热能或其他热能加热水或其他工质，以生产规定 参数（温度，压力）和品质的蒸汽、热水或其他工质的设备。 为了加强特种设备安全工作，预防特种设备事故，保障人身和财产安全，我国制定一系列法律法 规对锅炉进行安全管理。我国根据特种设备安全法 、 特种设备安全监察条例 、 特种设备目录 界定设备是否纳入特种设备实施监管。 特种设备安全监察条例对锅炉的定义为：锅炉，是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所 盛装的液体加热到一定的参数，并对外输出热能的设备，其范围规定为容积大于或者等于 30L 的承压 蒸汽锅炉； 出口水压大于或者等于 0.1MPa （表压） ， 且额定功率大于或者等于 0.1MW 的承压热水锅炉； 有机热载体锅炉。特种设备包括其所用的材料、附属的安全附件、安全保护装置和与安全保护装置相 关的设施。国家对特种设备实行目录管理。特种设备目录由国务院负责特种设备安全监督管理的部门 制定，报国务院批准后执行。特种设备目录中锅炉的类别为：承压蒸汽锅炉；承压热水锅炉；有机热 载体锅炉；锅炉部件；锅炉材料。其中承压蒸汽锅炉又分为电站锅炉、工业锅炉、生活锅炉三个品种， 有机热载体锅炉分为有机热载体气相炉，有机热载体液相炉两个品种。 1.1.2 工业锅炉定义工业锅炉定义 工业锅炉的概念是在 20 世纪 30 年代后期，为了区别于大容量电站锅炉才逐渐采用的。通常人们 将工业锅炉和生活锅炉合称工业锅炉， 我国目前的标准规范中所述工业锅炉一般也包含生活锅炉。 工 业蒸汽锅炉参数系列(GB/T1921-2004)明确其适用于工业用、生活用以水为介质的固定式蒸汽锅炉。 1999 版锅炉定期检验规则第十一条中明确，工业锅炉是指以向工业生产或生活用途提供蒸汽、热 水的锅炉，一般是指额定工作压力小于等于 2.5MPa 的锅炉。 电工名词术语 锅炉 （GB/T2900.48-2008）中工业锅炉的定义为：生产的蒸汽或热水主要用于 工业生产和/或民用的锅炉， 锅炉安全技术监察规程 （TSG0001-2012）对锅炉范围做了进一步调整，其适用范围包括固定 式承压蒸汽锅炉、承压热水锅炉、有机热载体锅炉，以及以余(废)热利用为主要目的烟道式和烟道与 管壳组合式余(废)热锅炉。 本书中涉及的工业锅炉对应的包括：发电（包括热、电联产）锅炉之外的蒸汽锅炉、发电锅炉之 外的以余(废)热利用为主要目的烟道式和烟道与管壳组合式余(废)热锅炉、承压热水锅炉、有机热载体 锅炉。 锅炉检验员（GL-1）培训教材-工业锅炉设备 2 1.2 工业锅炉用途与特点 1.2.1 工业锅炉的用途：工业锅炉的用途： 1. 为石油、化工、纺织、印染、造纸、医药等工业部门生产过程提供所需的热能。 2用于供热采暖、食品加工、卫生消毒等人民生活的诸多方面。 3回收利用工业部门生产过程的余(废)热。 1.2.2 工业锅炉的特点工业锅炉的特点 工业锅炉是工业生产中的常用设备。实践证明，它又是一种事故率比较高、事故危害严重的特殊 设备。它的特点主要表现在：事故易发，破坏力强，危害性大。 1.1.2.1 工业锅炉的特殊性 锅炉设备与其他设备相比，具备如下特殊性： 1、爆炸的危害性 锅炉设备一般都为承受压力载荷的设备（除常压热水锅炉外） 。若在运行当中锅内压力升高，超过 允许工作压力，而安全附件失灵，未能及时报警和排汽降压，当压力大于受压元件所能承受的极限压 力时，发生爆炸。或者是在正常工作压力下，由于受压元件出现缺陷（腐蚀、磨损、蠕变和疲劳失效 等） ，使受压元件强度降低， 而不能承受原来允许的工作压力时， 锅炉就会发生破裂， 泄漏、 甚至爆炸。 由于锅炉在发生爆炸时，锅内压力在瞬间骤降，锅炉的高温饱和水产生外泄汽化，其体积成百倍地膨 胀，形成巨大冲击波，造成炉体飞出，冲垮建筑物，会给国家财产和人们带来严重的破坏和伤亡事故。 2、易于损坏性 由于锅炉受热面长期处在高温条件下工作，同时还受火、烟气、灰、水、汽、水垢等的侵蚀，使 锅炉受压元件遭受腐蚀，烟气中的飞灰冲刷磨损，随着负荷和燃烧的变化发生热胀冷缩而产生疲劳损 坏和蠕变裂纹。同时，因缺水，结水垢或水循环破坏使锅炉传热发生障碍，使高温区的受热面烧坏、 鼓疱、开裂等等。所以，锅炉设备是在恶劣的条件下运行，比一般机械设备易于损坏。 3、使用的广泛性 由于锅炉是给人们的生产和生活提供热源的一个重要设备。凡是需要蒸汽和热水的场所，都离不 开锅炉。不仅如此，锅炉数量之多， （目前全国已有 50 多万台锅炉， ）遍及国民经济的各行各业，城乡 各地。 4、可靠的连续运行性 无论是生产用的锅炉或是生活用的锅炉，一旦投入运行，就要维持连续运转，不能任意停炉。如 果发生事故停炉，就会造成很大的经济损失。生产用的锅炉停炉就要造成停产；采暖锅炉在冬季停炉， 就要影响人民的生活。要保证人们的生产和生活，不可能随时停炉修理。因此，要求锅炉必须能够安 全可靠地连续运行。 1.1.2.2 工业锅炉事故的危害性 锅炉特殊工况条件决定了锅炉的特殊性，这就是：存在着多种的失效可能，特别是存在着爆炸的 危险；而且一旦失效，会对整个系统造成影响，甚至停产；一旦爆炸，造成的损失就难以估量。 锅炉爆炸事故是指其受压元件在承压工作状态下突然破裂，使锅炉压力瞬时降到等于外界大气压 力的破坏性事故。在锅炉发生爆炸事故的一瞬间，具有一定压力和相应温度的汽水混合物冲出炉外， 第 1 章 概述 3 在汽水混合物的冲击力作用下，可以将锅炉抛离原地，飞出数十米甚至数百米远。而汽浪产生的冲击 波，也能摧毁和震坏建筑物，造成严重的破坏和伤亡。 1905 年，美国某制鞋厂一台火管锅炉爆炸造成 58 人死亡和 117 人受伤的重大事故。1955 年 4 月 25 日，国营天津第一棉纺织厂的二号锅炉发生爆炸，伤亡职工和市民 77 人，其中死亡 8 人，重伤 17 人。厂房、机器设备等直接损失达 33.9 万余元，全厂停工 80 小时。 1.3 工业锅炉工作原理 以常见的利用燃料燃烧释放的热能且工质为水、汽的锅炉，其工作原理可用下述工作过程和工作 系统来说明。 1.3.1 锅炉工作过程锅炉工作过程 锅炉产生热水或蒸汽需要以下三个过程。 1.3.1.1 燃料的燃烧过程 燃料在炉膛内燃烧放出热量的过程。 1.3.1.2 烟气的流动和传热过程 燃料燃烧后产生的热量，通过受热面传递给锅内的水或蒸汽的过程。 1.3.1.3 工质的加热汽化过程（锅内过程） 水吸收热量转变为热水或蒸汽的过程。 1.3.2 锅炉工作系统锅炉工作系统 锅炉从构造上由二个系统组成，锅炉的工作过程就是在系统内连续完成的。 1.3.2.1 汽水系统 进入锅炉的水（给水） ，经过加热、汽化、过热，最后获得符合要求参数的蒸汽或热水； 1.3.2.2 燃烧系统 燃料和空气（或经过空气预热器预热）送入炉内混合燃烧后，产生高温烟气，再通过各受热面， 将热量传给工质以后，烟气由烟囱排出。燃烧生成的灰渣，由排渣设备排出； 1.4 工业锅炉的发展过程和发展趋势 1.4.1 工业锅炉的发展过程工业锅炉的发展过程 大约在公元前 200 年， 古埃及有一位叫希罗 （Hero)的人发明了可供宫廷欣赏之用的装置 （图 1.1） 。 由于下部容器中的水受热后转变成为蒸汽，在反冲力的作用下会使得上方的圆球旋转。 据认为，这是 利用水蒸气产生动力最早的锅炉。 但直到工业革命之前， 所谓的锅炉几乎没有发展和实际应用的记载。 早期的工业锅炉出现于 18 世纪后期的英国，由于产业革命，蒸汽开始在工业上得到应用，因而出 现了生产蒸汽的锅炉设备。瓦特（Watt)（图 1.2）在对蒸汽机做出重要改进的同时，推出了具有工业 应用和商业价值的锅炉。这种锅炉是圆筒形的，结构简单，蒸汽量很小，蒸汽参数和蒸发效率都很低。 随着工业生产的发展，要求增大锅炉蒸发量，提高蒸汽压力和温度，提高锅炉效率，降低金属消耗量， 锅炉检验员（GL-1）培训教材-工业锅炉设备 4 锅炉的结构形式也相应不断发展。 图 1.1 Hero 发明的蒸汽装置 图 1.2 詹姆斯瓦特（James Watt，1736.1.19 1819.8.19） 随着工业的发展，工业锅炉向两个方向发展（图 1.3） ： 图 1.3 锅炉发展过程 一个方向是在圆筒内部增加受热面积。开始是在一个大圆筒内增加了一个火筒，然后两个，直到 多个。最后发展为现代的火管锅炉。圆筒形锅炉的圆筒内部加火筒和烟管，成为火筒锅炉或烟管锅炉。 火筒锅炉有单火筒锅炉和双火筒锅炉。在火筒中安装炉排组成燃烧燃料的炉膛。单火筒锅炉也称康尼 许锅炉，双火筒锅炉也称兰开夏锅炉。 随着锅炉的进一步发展， 在 1860 年左右出现了烟管锅炉。 这种锅炉采用数目众多的细烟管代替了 直径大的火筒，增加了锅筒的受热面积。该种锅炉的炉膛在锅筒外部，由耐火砖砌筑而成。燃烧产生 的烟气从烟管中流过。后来又出现了烟管和火筒组合锅炉，即烟火管锅炉，在直径大的火筒中设置炉 第 1 章 概述 5 排组成炉膛。这种锅炉的锅筒可立式放置，也可卧式放置。立式的烟火管锅炉占地面积小，操作简便， 因而目前仍广泛用供汽量不大的场合。这类锅炉的共同点是烟气在管内流动，而水在大筒和小管之间 被加热气化。因此，它们的缺点是炉膛小，燃烧条件差，水循环和传热效果不好，金属消耗量大，因 结构的刚性大受热后膨胀不均匀，水垢不易清除，蒸发量小，压力低，热效率不高。 另一个方向是增加筒外部的受热面积，即增加水筒的数目。燃料在筒外燃烧，与火管锅炉的发展 相似，水筒的数目不断增加，发展成为很多小直径的水管。由于水在管中流动，称为水管锅炉。增加 圆形水筒的数目，从而出现了水管锅炉。实践证明，减小水筒的直径，增加小水筒的数目对改善传热， 降低钢材消耗量，提高蒸发量和蒸汽压力极为有利。 从 1840 年出现第一台水管锅炉之后， 相继出现了各种类型的水管锅炉。 水管锅炉的发展为大容量、 高参数现代大型动力锅炉奠定了基础。水管工业锅炉的发展有两个分支：横水管锅炉和竖水管锅炉。 横水管工业锅炉早期是整联箱锅炉，水管全部连接在两个大联箱上。由于联箱很大，故而耐压低。后 来发展为横水管分联箱锅炉，由很多小联箱代替大联箱，使承压能力提高。横水管接近水平放置，其 中水的流动不好，此外，增加受热面仍受到锅筒直径的限制，后逐渐被淘汰。竖水管锅炉是现代锅炉 的主要形式。它出现于 1900 年。初期采用直水管，后逐渐被弯水管所代替。为了布置更多的受热面， 锅筒的数目也随之增多。随着传热学的发展，证实了炉膛中设置的水冷壁管吸收火焰的辐射传热，比 一般对流管束的吸热强度高的多。因此尽可能增加水冷壁的数量，减少对流管束的数量，锅筒的数目 也随之减少。出现了单锅筒的大容量锅炉和无锅筒的直流锅炉。总之，工业锅炉的发展史就是为了增 加蒸发量、提高蒸汽参数、减少煤耗、节省钢材和改进工艺过程的历史。 1.4.2 工业锅炉的发展趋势工业锅炉的发展趋势 锅炉从开始应用到现在已有二百多年历史。锅炉从低温低压发展到高温高压，从小容量发展到大 容量，从铆接、胀接发展到焊接结构，从人工加煤发展到自动送煤和机械加煤。随着现代工业生产的 发展，对锅炉的要求主要是提高和保证经济性能、安全性能和环保性能。目的就是为了保证锅炉的安 全可靠运行，降低燃料的消耗量，减轻司炉的劳动强度，节约钢材，减少对大气的污染。 1. 采取有效措施提高锅炉热效率，包括改进炉排结构，以提高燃烧效率；改进尾部受热面，以降 低排烟温度；采用新型炉墙结构和保温材料，以减少散热损失等。 2. 发展快装和组装式锅炉，既可减少工地安装工作,又可保证质量。 3. 完善运行监测仪表,提高自动化控制程度。