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第1页共87页目录第二章煤粉锅炉设备原理第一节概述第二节燃料特性第三节煤的燃烧计算和锅炉机组的热平衡第四节制粉系统第五节燃烧设备第六节蒸发系统与水循环第七节过热器和再热器第八节省煤器和空气预热器第九节超临界锅炉特点第2页共87页第二章煤粉锅炉设备原理将燃料的化学能能转变成工质的热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。锅炉的燃烧设备为燃料提供良好的燃烧条件，以求能把燃料的化学能最大限度地释放出来并转化为热能，再利用换热装置利用烟气的热量把工质水加热成为热水或蒸汽。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业等。用于发电的锅炉称为电站锅炉。第一节概述一、锅炉的发展1720年，英国人海科（Haycock）首先发明了锅炉。这时的锅炉和开水壶没有多大区别，即在金属锅壳里充满水，在底部加热。锅炉结构如图2-1所示。图2-11720年Haycock锅炉18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特发明的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪下半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8MPa左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。1804年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火（烟气）在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。图2-2为早期的火管锅炉。早期的这两种锅炉都是对装有大量饱和水的容器直接加热，存在引起灾难性的爆炸的危险。尤其是火管锅炉，燃料在相对密封的小空间里燃烧，爆炸危险更大。这种危险几乎危及工业的继续发展。火管锅炉被逐渐淘汰。第3页共87页19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。图2-3为水管锅炉结构。图2-21804年的Trevithick火管锅炉图2-3水管锅炉二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从1930年代开始应用直流锅炉，1940年代开始应用控制循环锅炉。第4页共87页控制循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，1970年代投产的27MPa压力配1300MW发电机组仍然是目前世界上最大的单台容量机组，为双轴机组，共有9台，均在美国。单轴机组最大容量为1200MW，全世界仅有1台，在俄罗斯投运。后来又发展了由控制循环锅炉和直流锅炉结合而成的复合循环锅炉。在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物（硫氧化物和氮氧化物）。早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造高，并采用炉拱和二次风，从而提高了燃烧效率。发电机组功率超过6MW时，以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以1920年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几乎全部采用室燃炉。早年制造的煤粉炉采用了Ｕ形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成Ｌ形火炬。随着锅炉容量增大，旋流式燃烧器的数目也开始增加，可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。第二次世界大战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。1970年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。在燃煤（特别是燃褐煤）的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧，或把燃烧器分散开来抑制炉温，不但可抑制氮氧化物生成，还能减少结渣。1921年德国人温克勒发明了流化床燃烧方式。流化床燃烧属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在流化床中掺入石灰石用以脱硫。循环流化床作为一种洁净煤发电技术，目前也受到重视。世界上第一台460MW超临界循环流化床锅炉已经在波兰Lagisza电厂成功投运，世界首台容量最大的600MW超临界循环流化床锅炉也开始在四川白马电厂兴建。目前，电站煤粉锅炉已发展到第二代，即高效燃烧，完全脱硫，部分脱硝的超超临界锅第5页共87页炉。正在研制第三代即更高参数、污染零排放的超超临界锅炉。二、锅炉的工作过程锅炉是一种能源转换设备，将燃料中的化学能，最有效地转换为蒸汽的热能。工作的基本过程是燃料在锅炉炉膛内燃烧，生成高温烟气，然后利用换热器，通过辐射及对流换热，将工质水加热成为过热蒸汽。锅炉的原料是燃料，产品是符合一定质量要求的过热蒸汽。超临界锅炉结构和工作过程如图2-4所示。锅炉的工作过程可简单分为燃烧过程和传热过程。燃烧过程由“炉”的设备完成，传热过程由“锅”的设备完成，即由燃烧系统和汽水系统完成锅炉的工作。图2-4超临界锅炉结构及工作过程示意图1-省煤器；2-过热器；3-再热器在燃烧系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。原煤和一部分热空气一起送入磨煤机。原煤在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合，完成低NOx燃烧，放出大量热量。燃烧后的高温烟气顺序流经炉膛、过热器、再热器、省煤器和空气预热器放出热量后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，由引风机送往湿法脱硫塔，最后经烟囱排向大气。有的锅炉在省煤器前的烟道中布置有SCR烟气脱硝装置，进一步降低NOx排放。在汽水系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器吸收烟气热量，进一步加热以后经悬吊管引出送入下降管，沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热后形成微过热蒸汽经引出管到达分离器。分离器出来的蒸汽流往各级过热器，继续吸热成为540~600℃的过热蒸汽，然后送往汽轮机高压缸做功。汽轮机高压缸排汽进入锅炉的再热器，吸热后升温到540~600℃，进入汽轮机中压缸做功。在超临界锅炉启动过程中，水冷壁出口的工质为饱和温度的汽水混合物，在分离器中经汽水分离后，饱和蒸汽进入各级过热器，分离出来的饱和水经循环泵流入省煤器和水冷壁系统，形成循环。当达到一定负荷时，水冷壁出口工质为微过热蒸汽，分离器进入干态运行，等于一个中间混合联箱，不再具有分离功能。三、锅炉的结构锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、汽包（或启动分离第6页共87页器）、燃烧器、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。制粉系统、风机、除尘输灰、烟气净化、热工测量与控制系统等为锅炉的辅助系统。1.炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，经燃烧器喷入燃烧室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉，烧煤的锅炉称为煤粉炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为流化床炉，又称沸腾炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈燃烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。目前超临界锅炉只采用煤粉燃烧方式。原煤经给煤机送入磨煤机磨制成煤粉，经热风干燥、输送到燃烧器，喷入炉膛燃烧。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰，生成高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热，将离开炉膛的烟气冷却到合适的温度，使后面的受热面不会结渣。炉膛设计需要充分考虑燃用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。2.汽包汽包是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。汽包筒体由优质厚钢板制成，是自然循环锅炉中最重的部件之一。汽包的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的杂质，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中，影响机组的安全经济运行。超临界锅炉没有汽包，但有类似汽包的启动分离器，就像个小汽包，里面也有汽水分离装置。超临界锅炉在启动时，蒸汽压力一般也要从低到高逐渐升压，从亚临界过渡到超临界压力，变压运行的超临界锅炉在低负荷时蒸汽压力也为亚临界压力。在亚临界压力以下时，水冷壁出口工质为饱和温度的汽水混合物，如果让汽水混合物直接进入过热器系统，会危及锅炉和汽轮机的安全运行，因此需要将水分离出来，送回省煤器和水冷壁系统，形成再循环，在启停过程中能保持水冷壁流量高于最低流量要求，保护水冷壁。另外，直流锅炉没有蒸汽清洁功能，需要保证给水品质。在冷态清洗时，启动系统将清洗水返回给水系统。直流锅炉的启动系统可分为内置式和外置式分离器两大类。现在一般采用内置式启动分离器，即分离器与过热器之间无隔绝阀门，启动系统按全压设计。超临界锅炉的启动系统一般还配有循环泵，可大大减少启动时的工质损失和热损失，并且大大减轻热态启动时对锅炉的热冲击。3.燃烧器燃烧器是燃烧过程的组织者，把煤粉气流以一定的气流结构送入炉膛，组织燃烧过程，保证煤粉气流稳定着火，完全燃尽，减少污染物的生成。燃烧器按照气流结构分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类。燃烧过程完成后，燃料的热量释放到了烟气中，各种受热面吸收烟气的热量，把给水加热成过热蒸汽。按照水汽的流程，受热面依次为：省煤器