第二章 锅炉
2.1简介SSC
锅炉利用热量使水转变成蒸汽以进行各种利用。其中主要是发电和工业供热。由于蒸汽具有有利的参数和无毒特性，因此蒸汽作为一种关键的工质（资源）被广泛地应用。蒸汽流量和运行参数的变化很大：从某一过程里1000磅/小时（0.126kg/s）到大型电厂超过10×10磅/小时 （1260kg/s），压力从一些加热应用的14.7磅/in（1.0135bar）212F（100℃）到先进循环电厂的 4500磅/in（310bar）1100F（593℃）。现代锅炉可根据不同的标准分类。这些包括最终用途、
燃烧方式、运行压力、燃料和循环 方式。
大型中心电站的电站锅炉主要用来发电。它们经过优化设计，可达到最高的热效率。新机组的关键特性是利用再热器提高整个循环效率。
各种附加的系统也产生蒸汽用于发电及其他过程应用。这些系统常常利用廉价或免费燃料，联合动力循环和过程，以及余热回收，以减少总费用。这些例子包括：
燃气轮机联合循环（CC）：先进的燃气轮机，将余热锅炉作为基本循环的一部分，以利用余热并提高热效率。
整体煤气化联合循环（IGCC）：在CC基础上增加煤气化炉，以降低燃料费用并将污染排放降到最低。
增压循环流化床燃烧（PFBC）：在更高压力下燃烧，包括燃气净化，以及燃烧产物膨胀并通过燃气轮机做功。高炉排烟热量回收：利用高炉余热产生蒸汽。
太阳能蒸汽发生器：利用集热器收集太阳辐射热产生蒸汽。
2
2
6
2.2DevelopmentofUtilityBoiler
现代660MW燃煤锅炉有大约6000吨的压力部件，包括500千米的受热面管材，3.5千米连接管与联箱和30000个管接头焊口。
这是经过大约50年发展的结果，并形成了煤粉在具有蒸发管束的炉膛燃烧，烟气然后流经对流过热器和热回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽参数的提高，机组容量的增大及燃料燃烧特性的改进都要求在材料、制造技术和运行程序上相应发展。二战后的一些年里，在电厂安装锅炉的数量多于汽轮机是很常见的，锅炉提供蒸汽到母管然后到汽机。这种布置反应了锅炉的可用性低于汽轮机。四十年代后期，随着锅炉可用性的提高，锅炉和汽机开始可以相互配套使用。锅炉和汽机成套的变化使得再热成为可行，而且伴随着高温钢材的应用，经过蒸汽参数的不断提高，达到了当前的标准循环2400lbf/in2(165.5bar)，568℃和再热568℃。为充分利用更高的蒸汽参数和获得经济容量，在接下来的15年，机组容量又增加了20倍。
2.3燃料与燃烧大部分锅炉以煤、天然气和石油作为燃料。然而，在过去的几十年里，至少在发
电领域核 能开始扮演一个主要角色。同样，不断增加的各种生物质和过程副产品也成为蒸汽生产的热源。这些包括泥煤、木材及木材废弃物、稻草、咖啡渣、稻谷壳、煤矿废弃物（煤屑）、炼钢炉废热甚至太阳能。
11
现代美国中心电站用燃料主要是煤，或是烟煤、次烟煤或是褐煤。虽然天然气和燃油也许是未来化石燃料电厂的燃料选择，但煤仍然是今后新的，基本负荷电站锅炉的主要燃料。
2.3.1煤的分类
? 由于煤是一种不均匀的物质，且其组成和特性变动很大，所以建立煤的分类系统是很必要的。中国煤的性质如表2-1所示。以煤阶进行煤的分类是典型的做法。这表现为煤化程度的大小：从褐煤到贫煤、烟煤以及无烟煤。煤阶表明了煤的地质历史和主要特性。现在美国应用的煤分类标准是由美国材料试验学会（ASTM）建立的。其分类是通过煤的工业分析所确定的挥发分和固定碳的含量以及煤的发热量作为分类标准。这套系统目的在于确定煤的商业使用价值，并提供关于煤燃烧特性的基本信息。
2.3.2燃烧系统锅炉内化石燃料燃烧以产生蒸汽的技术已成熟多年。然而，在过去的二十多年中，为了将大气排放和污染降到可行的最低程度，燃烧技术得到了很大程度的提高。
油燃烧系统所有的电站锅炉都燃用油，在燃煤锅炉中点燃煤粉，在煤进入炉膛之前加热炉膛并升压，而在燃油锅炉中则作为主要负荷燃料。一般地，燃油都是粘度在3500sec到6500sec的残渣燃料油。为了有效的燃烧，这些油必须被加热到120~130℃并被良好地分散或雾化成很小的微滴 ?燃用渣油，要比一般的馏分油（柴油，汽油等）便宜，但又带来一些问题：酸性污染物和粉尘的排放。酸性污染问题是由石油中的硫产生的，硫分的含量有时可高达3%。在20世纪60年代早期，人们对油燃烧器设计进行了深入研究和开发，目的在于解决燃油的排放问题。由此诞生了一种油燃烧器——―标准燃烧器‖，它可以在非常低的过量空气系数下减少碳排放。为保证锅炉中每个燃烧器获得同样多的空气也做了大量的工作。目前油燃烧过量空气系数运行水平为2%。 煤燃烧系统煤燃烧器的发展模式同油燃烧器类似，而且重点放在准确控制每只燃烧器煤和油的供给量。实际中所有的燃煤锅炉都是燃烧煤粉（由磨煤机生产），这些煤粉经过很好的粉碎，然后由空气流
（一次风）送入燃烧器。同以前相比，在流动平衡上的设计成果现在已能使锅炉在较低的过量空气水平下运行，并在不增加飞灰含碳量水平的情况下提高了总的效率煤燃烧系统部件的布置必须根据经济因素和煤的性质来确定。作为整个燃烧系统设计的性能参数，煤粉细度、磨煤机出口温度、空煤比等都必须达到要求。
低NOx燃烧系统
影响NOx生成的因素包括燃料含氮量、火焰峰值温度、火焰中的可用氧量以及气流在锅炉系统中的停留时间。当煤进入炉膛其化学结构被破坏时，一些煤中的化合氮就作为挥发分被释放出来。 由大气中的氮生成的一氧化氮即―热力型NOx‖可以通过减少烟气在高温区域的停留时间而得到控制，这样就会控制燃烧阶段中可用氧量，最后生成的是无害氮而不是NOx。因为煤在燃烧区的燃烧需要一定的过量氧气以便使所有的碳燃尽，且不含氮的煤是难以获得的，因此NOx的减少必须依靠锅炉和燃烧器的设计来完成。
天然气燃烧系统天然气曾经作为电厂主要燃料。然而一些年来，没有太多的天然气可供电厂使用，并且人们没有正视这样的事实，即天然气作为一种优质燃料将会重新得到大量应用。
12
丙烷常常作为一种点火剂，广泛地应用于燃油锅炉和燃煤锅炉中的油燃烧器。
2.3.3流化床燃烧
? 流化床燃烧是煤粉燃烧方式的一种，采用这种燃烧方式时煤在空气中的燃烧发生在流化床中，典型的是循环流化床。循环流化床最适合于燃烧低成本废弃燃料、低品质或低热量煤。将煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床内煅烧成石灰。流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循环。运行中的床温很低，只有427℃(800℉)，在这个温度下的热力学环境有利于减少NOx的形成和捕集SO2，使之与CaO反应生成CaSO4。对于煤燃烧，蒸汽循环可以是亚临界，也可能是超临界，它们具有相近的发电效率。循环流化床技术的最大的优点是它在床中捕捉SO2的能力和它对煤质的广泛适应性，其中包括低热量煤、高灰分煤和低挥发分煤，并且在运行中可以改变煤种。循环流化床锅炉适合与生物质共燃，最近就新建了几台燃烧褐煤的循环流化床机组。 如图2-1所示，目前最常用的流化床技术是循环流化床燃烧技术。煤和煤焦燃烧的同时，空气携带煤、煤焦、煤灰和脱硫剂通过炉膛。固体材料通过旋风分离器从烟气中分离出来，然后通过对流烟道部分，烟气把热量传给炉管以产生高压蒸汽。另一部分蒸汽是由流化床中的高温固体在返回炉膛前放出热量产生的。炉膛内固体快速运动会引起过量的磨损，因此炉膛底部不安装炉管。通过低燃烧温度和空气分级燃烧来控制NOx的生成。SOx排放通过床中石灰脱硫剂控制。这些为烟气净化节省了大笔的投资，但是低的SOx排放需要燃烧低硫分煤，并且NOx的排放受燃烧反应的限制。极低的排放需要额外的烟气净化设备，同时会增加相应的维护成本。在中国最大的流化床锅炉是330MWe，设计最大的锅炉是600MWe，但是还没有投建。
2.4制粉系统煤粉制备与煤粉燃烧技术的发展是同步的。为了使煤在炉膛中有效燃烧，煤在离开燃烧器时必须被粉碎到一定的大小，这样才能迅速燃烧，这就意味着煤必须被加工成小颗粒，才能被迅速加热到着火温度并和空气良好混合。
? 磨煤机的工作就是把煤磨碎到符合上述要求的合适的大小。较早的系统使用筒式球磨机磨煤粉，并且在燃烧前利用储仓暂时储存煤粉。如果对该技术进行改进，去掉中间储仓而将从磨煤机出来的煤粉直接送去燃烧，就会对磨煤机的可靠性有很高的要求。正压制粉系统中，提供煤粉输送介质的一次风机位于磨煤机前，因而它运送的是清洁空气，不会像排粉风机一样受到侵蚀磨损。这是正压磨煤系统的主要优点。然而，磨煤机需要由单独风机提供高于磨煤机内部压力的密封空气。正压磨煤机的一个缺点是它必须完全由空气密封以避免煤粉泄露到大气中。相对来说，负压磨煤机的密封标准并不需要这样高，但也不允许漏入过多空气，因为冷空气难以干燥湿煤。这种方式泄露的空气量也无法测量，如果达到高的空/煤比，遇到明火则可能发生爆炸。
2.4.1中速磨磨辊在一层耐磨层上滚动，通过移动的磨盘把煤压碎。磨辊的运动引起煤粒间的相互运动同时磨辊的压力在煤粒间形成压力负荷。一定压力下在煤粒层上的运动引起摩擦（煤粒依靠摩擦力破碎），这就是磨煤机的工作原理。耐磨层具有缓冲作用，虽然降低了磨的效率，但也大大降低了磨辊的磨损。当磨煤区的工作面间距离很近时，比如到了一个颗粒大小，三个部件（磨辊，颗粒，磨盘）间的磨损就会大大增加，磨损速率会是正常磨煤机的100倍。当带有石英的石头尺寸等于或大于磨层厚度时，也会在运行中发生三部件接触的磨损。
13
随着磨煤的进行，为了防止过度磨制和降低能耗及磨损，磨好的煤粉从磨煤机中排出。图2-2是MPS型中速磨的示意图，显示了中速磨煤机的基本组成。在磨煤机下部有一个转动的台面，称为辊胎的辊子在台面上滚动。
? 原煤由上部的磨煤机给入，然后在磨辊和转动的磨盘间经过，磨辊下的煤就被磨碎了。离心力加上磨辊对煤层的沉降力共同作用，将部分磨好的煤粉挤出磨盘边缘，由上升的空气流流化并携带这些煤粉。空气进入点一般称为进风环，喷嘴环或者喉部。上升的空气流与煤粒混合在进风环上面产生流化的颗粒床。空气的流速很低，以至于只能携带少部分的煤粒通过床层过滤。空气和煤粒离开流化床形成了第一步的分离。预热的空气同时干燥煤粉以保证煤粉的有效燃烧。立式中速磨是有效的干燥装置。即使煤中水分到40%也能在中速磨中很好地得到干燥，干燥水分再高些的煤粉也是可能的，但是需要的一次风温度则要求使用特殊材料，并且增加了磨煤机着火的可能。实际运行的水分最大值是40%（质量），此时要求一次风温高达750℉。
?空气煤粉向上流动时，由于流动面积增大使流动速度降低，大粒径的煤粒就会回落到磨盘上。最后的煤粉分离采用磨煤机上部的粗粉分离器，粗粉分离器是利用离心力的分离装置。风粉混合物以一定角度进入，从而发生旋转并产生离心力。粗一点的煤粉冲击到分离器的周边，不再保持悬浮状态而回落到磨盘上。风粉混合物中的细煤粉颗粒保持悬浮状态，并最终上升进入煤粉管。
2.4.2低速磨
? 筒式钢球磨是现在仍在使用的最早的磨煤机。它是一个卧式的筒体，里面装有小直径的钢球。筒体内衬耐磨材料以加强球的滚动，球占筒体总容积的25%到30%。转速取离心力可以克服重力时速度的80%，这样可以使钢球贴在筒体的内壁上。通过筒体转动时钢球的碰撞来实现煤粉的磨制。筒式钢球磨有单进单出和双进双出两种。对于单进单出型，空气和煤从一端进入从另一端流出。双进双出型磨煤机是空气和原煤从两端进入，磨好的干燥的煤粉从两端流出。对于这两种类型，粗粉分离器布置于磨煤机的外部，粒径过大的粗粉被送回到磨煤机与原煤混合。筒式钢球磨不具有类似立式磨的流化床特点，同时由于空气和煤粉的混合不均匀限制了干燥能力。如果筒式钢球磨要磨的煤中水分高于20%，就必须使用辅助的干燥装置，比如破碎干燥机。对新建锅炉来说，中速磨已经大量的取代了筒式钢球磨。相对于中速磨，筒式钢球磨往往需要大的建筑空间和较高的能耗。同时，筒式钢球磨难于控制且有较高的磨损速度。但是，筒式钢球磨能很好的适应极具磨损作用的、低水分的难磨燃料，比如石油焦。煤在其中较长的停留时间可以实现有效的磨制。
2.4.3制粉系统磨煤机只是庞大的制粉系统的一部分，制粉系统一般有直吹式和中储式两种。在直吹式系统中，从磨煤机出来的煤粉直接参与燃烧过程，同时参与的还有空气、水蒸汽和通入磨煤机的热能。中储式系统把煤粉从空气、水蒸汽和通入磨煤机的能量中分离开再去燃烧。储仓中的煤粉由新的一次风输送到燃烧设备。目前生产蒸汽的过程中很少采用中储式制粉系统，但是很多特殊的场合仍然需要，比如煤气化和高炉投煤。目前在美国运行的中速磨大约有1000台，其中99%以上的是直吹式系统。
直吹式系统的主要部件有：
? (1)给煤机，通过煤仓调节进入磨煤机的给煤量。 ? (2)热源，用来预热干燥煤粉的一次风
14
? (3)一次风机，典型的情况是作为鼓风机布置于磨煤机之前（正压系统），或作为排粉风机位于磨煤机之后（负压系统）
? (4)磨煤机，作为正压系统或负压系统的主体部分。 ? (5)管路，把煤和一次风从磨煤机输送到燃烧器 ? (6)燃烧器，混合煤粉和平衡燃烧空气
? (7)控制和调节装置根据工程的经济性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正压系统中，需要做出选择，是采用热一次风风机（每个磨一个风机），还是采用冷风风机（布置在特定的空气加热器前面）。热风输送系统初始投资费用较低，因为不需要特定的空气加热器。对大型机组而言，冷风风机系统具有较低的运行费用，可以补偿较高的初始投资。中速磨这个术语是指空气引入到磨煤机中作为一次风用来干燥和输送煤粉。一次风的控制对制粉系统的正常运行是非常重要的。不管是直吹式还是中储式制粉系统，也不管采用热风还是冷风风机系统都需要普遍的控制。必须控制一次风量和磨煤机出口温度，这个控制由三个相互联系的节气阀来实现。其中的两个是热和冷的节气阀，用来调节磨煤机的空气温度，这些节气阀通常是相互关联的，从而保证一个开启另一个则关闭。第三个节气阀是独立的，用来控制空气容积。一些生产商只采用两个节气阀，但是缺乏稳定性，而变负荷时的低反应能力抵消了初投资的减少带来的好处。
2.5.1炉膛
? 炉膛是一个四周封闭的开口大空间，燃料在其中燃烧，产生的烟气在进入对流烟道前得到冷却。离开炉膛进入管束的烟气温度过高则会导致烟尘微粒沉积在管壁上或使金属管壁超温。燃料和燃烧设备的类型对炉膛的几何形状和尺寸影响很大。在这种情况下，磨细的煤粉被送入炉膛悬浮燃烧。燃烧产物上升穿过炉膛上部。过热器、再热器和省煤器等受热面被特定布置于锅炉围墙内部的水平或垂直烟道内（对流烟道）。在现代蒸汽发生器中，炉膛和对流烟道的炉墙是由碳钢或低合金钢的汽冷或水冷壁组成，以维持炉墙的金属温度在允许的范围内。这些管子在顶部和底部由联箱或母管连接在一起。这些联箱用来分配或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最现代化的机组中，炉墙管道也作为主要的产生蒸汽的部件或受热面。这些管子用钢条焊接在一起，组成气密的、连续的、刚性的膜式墙。这些管道通常预制成可装运的膜板，并且板上留有燃烧器口、观察孔、吹灰器口（锅炉清洁设备）和燃气喷入口。
2.5.2过热器和再热器
? 过热器和再热器被专门设计成顺列管束，用来提高饱和蒸汽的温度。一般形式下，它们是简单的单相换热器，蒸汽在管道内流动，烟气从外面经过，通常二者是交叉流动。由于其较高的运行温度，这些关键的部件一般用合金钢制造。典型的布置通常有利于控制出口蒸汽的温度，保持金属温度低于其可接受的极限和控制蒸汽流动的压力损失。
?过热器和再热器的主要区别是蒸汽压力。在典型的汽包锅炉中，过热器的出口压力为2700psi（186bar），而再热器的出口压力为580psi（40bar）。受热面的结构设计和布置取决于所要求的出口温度、吸热量、燃料的灰分特性和清洁设备。这些受热面可以呈水平或垂直布置。过热器和有的再热器经常被分为几段以利于控制蒸汽温度和优化热量回收。
过热器的类型根据烟气侧的传热方式，过热器可分为两种基本类型。最初的一种是对流过热器，从烟气吸收的辐射热量很小。在这样的机组中，蒸汽温度随锅炉负荷的增加而升高，这是因为炉膛吸收单
15