第一节 煤粉锅炉的工作过程及分类

一、煤粉锅炉的工作过程

电厂锅炉一般先把原煤磨制成煤粉，然后送入锅炉燃烧放热并产生过热蒸汽。在锅炉中实现煤的化学能转化为蒸汽热能时，共进行4个相互关联的工作过程，即煤粉制备过程、燃烧过程、通风过程和过热蒸汽的生产过程。煤粉制备过程的任务是将初步破碎后送入锅炉房的原煤磨制成符合锅炉燃烧要求的细小煤粉颗粒，供锅炉燃烧。燃烧过程的任务是使燃料燃烧放出热量，产生高温火焰和烟气。为了使燃烧过程稳定持续地进行，必须连续提供燃烧需要的助燃氧气和将燃烧产生的烟气即时引出锅炉，这就是锅炉的通风过程。过热蒸汽生产过程的主要任务是通过各换热设备将高温火焰和烟气的热量传递给锅炉内的工质。

锅炉是一个庞大而复杂的设备，它由锅炉本体和锅炉的辅助设备组成。锅炉本体主要包括炉膛、燃烧器、布置有受热面的烟道、汽包、下降管、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、空气预热器以及联箱等；锅炉的辅助设备主要包括送风机、引风机、给煤机、磨煤机、排粉机、除尘器及烟囱等。其中锅炉本体是锅炉的主要组成部分，由“锅”及“炉”两大部分组成。“锅”泛指汽水系统，包括：水的预热受热面——省煤器；水的蒸发受热面——水冷壁；蒸汽的过热受热面——过热器及对汽轮机高压缸排汽进行再加热的受热面——再热器。锅炉汽水系统的主要任务是将水加热、蒸发并过热成为具有一定压力、温度的过热蒸汽。“炉”泛指燃烧系统，包括炉膛、燃烧器、烟风道以及空气预热器等，其主要任务是使燃料燃烧放热，产生高温烟气，并将其传递给锅炉的各个受热面。锅炉的辅助设备与锅炉本体共同完成锅炉的生产任务。以图2-1所示的煤粉锅炉及辅助设备为例，将锅炉的工作过程概括为燃烧系统和汽水系统，并对其工作过程进行介绍。

1.燃烧系统

由煤仓落下的原煤经给煤机11送入磨煤机12磨制成煤粉。在煤粉磨制过程中需要热空气对煤进行加热和干燥。冷空气由送风机14送入锅炉尾部的空气预热器5被烟气加热。从空气预热器出来的热空气一部分经排粉风机13送入磨煤机中，对煤进行加热和干燥，一部分作为输送煤粉的介质。从磨煤机排出的煤粉和空气的混合物经煤粉燃烧器8进入炉膛1燃烧。由空气预热器来的另一部分热空气直接经燃烧器进入炉膛参与燃烧反应。

锅炉的炉膛具有较大的空间，煤粉在此空间内进行悬浮燃烧，燃烧火焰中心温度为1500℃或更高。炉膛周围布置着大量的水冷壁管，炉膛上部布置有顶棚过热器及屏式过热器等受热面。水冷壁和顶棚过热器等是炉膛的辐射受热面，其受热面管内分别有水和蒸汽流过，既能吸收炉膛的辐射热，使火焰温度降低，又能保护炉墙使其不致被烧坏。为了防止熔化的灰渣凝结在烟道内的受热面上，烟气向上流动至炉膛上部出口处时，其温度应低于煤灰的熔点。高温烟气经炉膛上部出口离开炉膛进入水平烟道，然后再向下流动进入垂直烟道。在锅炉本体的烟道内布置有过热器2、再热器3、省煤器4和空气预热器5等受热面。烟气在流过这些受热面时以对流换热为主的方式将热量传递给工质，这些受热面称为对流受热面。过热器和再热器主要布置于烟气温度较高的区域，称为高温受热面。而省煤器和空气预热器布置在烟气温度较低的尾部烟道中，故称为低温受热面或尾部受热面。烟气流经一系列对流受热面时，不断放出热量而逐渐冷却下来，离开空气预热器的烟气（即锅炉排烟）温度已相当低，通常在110～160℃之间。

由于煤中含有灰分，煤粉燃烧所生成的较大灰粒沉降至炉膛底部的冷灰斗中，逐渐冷却和凝固，并落入排渣装置，形成固态排渣。大量较细的灰粒随烟气一起离开锅炉。为了防止环境污染，锅炉排烟首先流经除尘器16，将绝大部分飞灰捕捉下来。最后，只有少量细微灰粒随烟气通过引风机由烟囱排入大气。

2.汽水系统

送入锅炉的水称为给水。由送入的给水到送出的过热蒸汽，中间要经过一系列加热过程。首先把给水加热到饱和温度，其次是饱和水的蒸发（相变），最后是饱和蒸汽的过热。给水经省煤器加热后进入汽包锅炉的汽包6，经下降管7引入水冷壁下联箱10再分配给各水冷壁管。给水在水冷壁中继续吸收炉内高温烟气的辐射热达到饱和状态，并使部分水蒸发变成饱和蒸汽。水冷壁又称为锅炉的蒸发受热面。汽水混合物向上流动并进入汽包。在汽包中通过汽水分离装置进行汽水分离，分离出来的饱和蒸汽进入过热器吸热变成过热蒸汽。由过热器出来的过热蒸汽通过主蒸汽管道进入汽轮机做功。为了提高锅炉—汽轮机组的循环效率，对高压机组大都采用蒸汽再热，即在汽轮机高压缸做完部分功的过热蒸汽被送回锅炉进行再加热。这种对过热蒸汽进行再加热的锅炉设备称为再热器，或称二次过热器。

当送入锅炉的给水含有杂质时，其杂质浓度随着锅水的汽化而升高，严重时甚至在受热面上结垢使传热恶化。因此，锅炉的给水必须进行处理。同时，由汽包送出的蒸汽可能因带有含杂质的锅水而被污染，高压蒸汽还能直接溶解一些杂质。当蒸汽进入汽轮机后，随着膨胀做功过程的进行，蒸汽压力下降，所含杂质会部分沉积在汽轮机的通流部分，影响汽轮机的出力、效率和工作安全。因此，不仅要求锅炉能提供一定压力和温度的蒸汽，还要求蒸汽具有一定的洁净度。

二、煤粉锅炉分类

1.按蒸汽参数分类

工程热力学将水的临界点状态参数定义为压力P=22.115MPa，温度t=374.15℃。在水的参数达到该临界点时，水的完全汽化会在一瞬间完成，水蒸气的密度会增大到与液态水相同，这个条件叫做水的临界参数。在临界点，饱和水与饱和蒸汽不再有气、水共存的两相区。

按照锅炉出口蒸汽压力，可将锅炉分为低压锅炉［出口蒸汽压力（表压，下同）不大于2.45MPa］、中压锅炉（2.94~4.92MPa）、高压锅炉（7.84~10.80MPa）、超高压锅炉（11.8~14.7MPa）、亚临界压力锅炉（15.7~19.6MPa）、超临界压力锅炉（超过临界压力22.1MPa）和超超临界锅炉（一般为25~40MPa）。

2.按排渣方式分类

按锅炉排渣的相态，可以将锅炉分为固态排渣锅炉和液态排渣锅炉。固态排渣锅炉是指从锅炉炉膛排出的炉渣呈固态。液态排渣锅炉是指从炉膛排出的炉渣呈液态。在我国电厂锅炉中，固态排渣锅炉占绝对数量。

3.按锅炉蒸发受热面内工质流动的方式分类

蒸发受热面内工质为两相的汽水混合物，它在蒸发受热面内的流动可以是循环的，也可以是一次通过的，因此按照工质在蒸发受热面内的流动方式，可以将锅炉分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、控制循环锅炉、直流锅炉和复合循环锅炉。

（1）自然循环锅炉，如图2-2（a）所示。给水经给水泵升压后进入省煤器，受热后进入蒸发系统。蒸发系统由汽包3、不受热的下降管4、受热的蒸发受热面6、下联箱5组成。当给水在蒸发管中受热时，部分水会变成蒸汽，所以蒸发管中的工质为汽水混合物，而不受热的下降管中的工质为水。由于水的密度大于汽水混合物的密度，因而在下联箱5的两侧有不平衡的压力差，在这种压力差的推动下，给水和汽水混合物在蒸发系统中循环流动。水和蒸汽在汽包内被分离，分离出的蒸汽由汽包上部引出，经过过热器7过热成具有一定热度的合格过热蒸汽后供汽轮机使用。分离出的饱和水与通过省煤器2进入锅炉的给水混合后流入下降管继续往复循环。这种循环流动是由于蒸发管的受热而形成的，没有借助其他能量消耗，所以被称为自然循环。单位时间内进入蒸发管的循环水量同生成蒸汽量之比称为循环倍率。自然循环锅炉的循环倍率约为4~30。

（2）强制循环锅炉，如图2-2（b）所示。强制循环锅炉在蒸发受热面工质循环回路的下降管上装有循环泵8，工质的流动除依靠水与汽水混合物的密度差外，主要依靠循环泵的压头。强制循环锅炉的循环流动压头比自然循环锅炉的循环流动压头增强很多，可以比较自由地布置水冷器蒸发面。

（3）控制循环锅炉，如图2-2（c）所示。控制循环锅炉是在强制循环锅炉的上升管入口处加装不同直径的节流圈9，以调整工质在各上升管中的流量分配，防止发生循环停滞或倒流等故障。控制循环锅炉的循环倍率约为3~10，一般为4。

自然循环锅炉、强制循环锅炉和控制循环锅炉的共同特点是都有汽包。汽包将锅炉的省煤器、蒸发设备和过热器严格分开，并使蒸发设备形成封闭的循环回路。汽包是锅炉内工质加热、蒸发和过热3个过程的连接中心，也是这3个过程的分界点。但由于汽包实现的是汽水分离过程，因此汽包锅炉只适用于获得亚临界参数下的蒸汽。

（4）直流锅炉，如图2-2（d）所示。直流锅炉是由许多管子并联，没有蒸发受热面循环回路的锅炉，工质依靠给水泵的压头，按顺序一次性通过加热、蒸发和过热等受热面变为合格的过热蒸汽。直流锅炉的特点是没有汽包，工质一次流过蒸发受热面，全部转变为蒸汽，循环倍率为1。直流锅炉的省煤器、蒸发设备、过热器之间没有固定的分界点，工质的运动靠给水泵的压头来推动，所以受热面都是强制流动。直流锅炉适用于临界压力下的机组，也适用于超临界压力下的机组。

（5）复合循环锅炉。随着超临界压力锅炉的发展及炉膛热强度的提高，又开发出一种新的锅炉形式——复合循环锅炉，如图2-2（e）所示。复合循环锅炉具有循环回路和再循环泵，同时具有切换阀门，低负荷时按再循环方式运行，循环倍率高于1；高负荷时切换为直流方式运行，即工质一次通过蒸发受热面，循环倍率为1。

4.按锅炉的燃烧方式分类

（1）层燃炉。固体燃料以一定厚度分布在炉排上进行燃烧的方式称为层燃方式。用层燃方式来组织燃烧的锅炉称为层燃炉，见图2-3（a）。层燃炉具有炉箅（或称炉排），煤块或其他固体燃料主要在炉箅上的燃烧层内燃烧。燃烧所用空气由炉箅下的配风箱送入，穿过燃料层进行燃烧反应。层燃炉多为小容量低参数的工业锅炉，电站锅炉不使用。

（2）室燃炉。室燃炉中，煤粉全部在炉膛内悬浮燃烧，形成火炬，也称火炬燃烧，是电站锅炉主要的燃烧方式。其空气动力学特点是粉状燃料颗粒随同空气和烟气流作连续的运动，燃料颗粒悬浮在空气和烟气流中，连续流过锅炉空间，并在悬浮状态下着火、燃烧，直至燃尽，所以火炬燃烧方式也叫悬浮燃烧方式。煤粉室燃炉是现代大型电厂锅炉的主要形式，如图2-3（b）所示。

（3）旋风炉。旋风炉以圆柱形旋风筒作为主要燃烧室，如图2-3（c）所示。旋风筒用水冷壁管弯制而成，内壁敷以耐火材料。旋风筒有卧式和立式两种。由于气流切向进入旋风筒，筒内产生强烈的旋转气流。颗粒细微的燃料在筒内悬浮燃烧，较大的煤粒贴附在内壁熔渣膜上燃烧。与煤粉炉相比，旋风筒内温度高，煤粒与空气之间相对流速大。旋风炉燃烧比煤粉炉强烈，但有害气体NO_x排放量大，对大气污染严重。

（4）流化床。空气高速通过燃烧室下部的布风板，使煤粒实现流态化，见图2-3（d）。在流化床内煤粒上下翻腾，进行燃烧。由于煤粒与空气之间相对速度较大，故燃烧强烈。由于流化床内燃烧温度较低，可以减轻有害气体对大气的污染，以高效而低NO_x燃烧而引起全世界的重视。

三、锅炉的技术规范

锅炉的技术规范是用来说明锅炉基本工作特性的参数指标。包括锅炉容量、锅炉蒸汽参数、给水温度、排烟温度及锅炉热效率等。

1.锅炉容量

锅炉容量指锅炉每小时的最大连续蒸发量，简称MCR，又称为锅炉的额定容量或额定蒸发量，常用符号D表示，单位为t/h。锅炉容量是表征锅炉产汽能力大小的特性参数。例如国产200MW超高压汽轮发电机组配用的锅炉容量为670t/h；国产300MW亚临界压力汽轮发电机组配用的锅炉容量为1000t/h；600MW超临界压力汽轮发电机组配用的锅炉容量为1900t/h；1000MW超临界压力汽轮发电机组配用的锅炉容量可达3000t/h。

2.锅炉蒸汽参数

锅炉蒸汽参数通常是指锅炉过热器出口处过热蒸汽压力和温度及再热器出口处的再热蒸汽压力和温度。锅炉蒸汽参数是表征锅炉蒸汽规范的特性参数。蒸汽压力用符号P表示，单位为MPa；蒸汽温度用符号t表示，单位为℃。例如国产300MW汽轮发电机组配用亚临界压力锅炉，其过热蒸汽压力为17.3MPa（表压力），过热蒸汽温度为540℃；再热蒸汽压力为3.45MPa（表压力），再热蒸汽温度为540℃。600MW汽轮发电机组配用的超临界压力锅炉，其过热蒸汽压力为25.4MPa（表压力），过热蒸汽温度为571℃；再热蒸汽压力为4.52MPa（表压力），再热蒸汽温度为571℃。1000MW汽轮发电机组配用的超超临界压力锅炉，其过热蒸汽压力为26.3MPa（表压力），过热蒸汽温度为605℃；再热蒸汽压力为4.99MPa（表压力），再热蒸汽温度为603℃。

3.给水温度

锅炉给水温度是指锅炉给水在省煤器入口处的温度。锅炉额定给水温度是指在规定负荷范围内应予保证的省煤器进口处给水温度。不同蒸汽参数的锅炉其给水温度也不相同。锅炉给水温度是表征锅炉给水规范的特性参数。

4.排烟温度

锅炉排烟温度通常是指烟气通过锅炉最末级受热面出口处的温度，一般指空气预热器出口处的烟气温度。锅炉排烟温度的高低在一定程度上反映了炉内燃料燃烧放热被工质吸收的份额。降低排烟温度有利于提高锅炉热效率。锅炉排烟温度的选择取决于燃料特性，受热面布置空间及设备投资等因素。

5.锅炉热效率

锅炉热效率是表征锅炉设备完善程度的性能指标。锅炉热效率的高低充分体现了炉内燃料燃烧放热被工质吸收的份额。锅炉热效率的大小取决于燃料在炉内充分燃烧的程度、炉体的散热程度、排烟热损失等因素。现代电站大型煤粉锅炉的热效率一般均高于90%。

四、锅炉型号

锅炉型号反映锅炉的基本特征。我国锅炉目前采用3组或4组字码表示其型号。一般中、高压锅炉用3组字码表示。例如HG-410/9.8-1型锅炉，型号中第一组字码是锅炉制造厂名称的汉语拼音缩写，HG表示哈尔滨锅炉厂（SG表示上海锅炉厂，WG表示武汉锅炉厂，DG表示东方锅炉厂，BG表示北京锅炉厂）；型号中的第二组字码为一分数，分子表示锅炉容量（t/h），分母表示过热蒸汽压力（MPa，表压）；型号中第三组字码表示产品的设计序号，同一锅炉容量和蒸汽参数的锅炉其序号可能不同，序号数字小的是先设计的，序号数字大的是后设计的，不同设计序号可以反映在结构上的某些差别或改进。例如HG-410/9.8-1型与HG-410/9.8-2型锅炉的主要区别是：1型为固态排渣、管式空气预热器、两段分段蒸发等；2型为液态排渣、回转式空气预热器、无分段蒸发等。因此，前述HG-410/9.8-1型锅炉即表示哈尔滨锅炉厂制造，容量为410t/h，过热蒸汽压力为9.8MPa（表压），第一次设计制造的锅炉。超高压以上的发电机组均采用蒸汽中间再热，即锅炉装有再热器，故用4组字码表示。即在上述型号的第二组、第三组字码间又加了一组字码，该组字码也为一分数，其分子表示过热蒸汽温度，分母表示再热蒸汽温度。例如DG-670/13.7-540/540-5型锅炉即表示东方锅炉厂制造，容量为670t/h，过热蒸汽压力为13.7MPa（表压），过热蒸汽温度为540℃，再热蒸汽温度为540℃，第5次设计的锅炉。