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1、 第五章 鍋爐鍋爐設備是火力發(fā)電廠的 兩大設備之一。其作用有兩個:一是使燃料高校燃燒;二是加熱給水,生產出一定數量和質量的蒸汽。第一節(jié) 電廠鍋爐概述一、鍋爐設備的整體布置及工作過程鍋爐由“鍋”和“爐”兩部分組成。所謂鍋是指鍋爐的汽水系統,由汽包、下降管、集箱、導管及各熱交換受熱面等承壓部件組成,用以完成水變?yōu)檫^熱蒸汽的吸熱過程。爐是指鍋爐的燃燒系統,由爐膛、燃燒器、煙道、爐墻構架等非承壓部件組成,用以完成煤的燃燒放熱過程。將兩者結合起來即為鍋爐。鍋爐的輔助設備主要包括供給空氣的送風機、排除煙氣的引風機、煤粉制備系統(簡稱制粉系統)以及除渣、除塵設備等。圖5-1為配600MW機組的2008t/h
2、鍋爐本體布置總圖。結合此圖,從燃燒和產汽兩個不同的角度來說明鍋爐的工作過程。圖5-1 HG2008/186-M型鍋爐總圖1煤、風、煙系統煤在爐膛中燃燒,需連續(xù)供給煤和空氣。熱風將制粉系統所磨制的煤粉、經爐壁上的燃燒器輸入爐膛著火燃燒。輸送煤粉的這股熱風稱為一次風。燃料燃燒需要大量的空氣,除輸送煤粉的熱空氣之外,還必須另外再送入一股數量較大的熱空氣,通過燃燒器使兩者在爐內混合、燃燒。這股直接用于助燃的熱空氣稱為二次風。熱空氣均來自于空氣預熱器的出口。環(huán)境冷空氣由送風機吸入后,送到布置于鍋爐尾部煙道的空氣預熱器內接受煙氣的加熱。從空氣預熱器出來的約300或更高溫度的熱空氣分成兩路:一路直接引入燃燒
3、器,作為二次風進入爐膛助燃;一路則引入制粉系統的磨煤機,在其內除了干燥煤之外,還將磨制的細煤粉吹起輸送出磨煤機,和作為一次風將煤送入爐膛燃燒。一次風煤粉氣流和二次風在燃燒器作用下,進人爐膛混合著火燃燒。氣粉混合物是懸浮在爐膛空間中進行燃燒的,這種燃燒方式稱為懸浮燃燒(或室燃)。爐膛火焰中心的溫度可高達1600左右,火焰、高溫煙氣與布置在爐膛四壁的水冷壁和爐膛上方的屏式過熱器進行強烈的輻射換熱。在此高溫下,煤粉燃燒形成的灰分呈熔化狀態(tài),大塊灰渣在向下沉降的過程中,因不斷受到水冷壁的冷卻而逐漸凝固,到達爐膛底部時已形成固態(tài)灰渣,經冷灰斗落人灰渣井,被排渣設備連續(xù)或定期地排除;較小的灰渣則被煙氣攜帶
4、上行,在上行過程中,也因不斷受爐膛內受熱面的冷卻而凝固,到達爐膛出口處已形成固態(tài)灰粒。這些隨煙氣流動的灰粒稱為飛灰。 爐膛出口處的煙溫一般高達1100左右。為了吸收煙氣攜帶的熱量,在鍋爐的水平煙道及尾部煙道內,布置有對流過熱器、再熱器、省煤器及空氣預熱器等。煙氣流經這些受熱面時,與其主要進行對流換熱,煙氣的熱量傳給管內流動的蒸汽、水和空氣等。布置在煙道里的受熱面,統稱為對流受熱面。從最末空氣預熱其出來的煙氣,其溫度降低到110130,已失去熱量利用的價值,通過除塵器除掉其絕大部分的飛灰后,經引風機送入煙囪,排向環(huán)境大氣。2汽水系統鍋爐給水借助水泵加壓后送入尾部煙道的省煤器,給水(屬過冷水)在省
5、煤器內被加熱為(或接近于)飽和水后,經導管引入布置在爐頂的汽包。汽包中的水將沿著爐墻外的下降管下行至水冷壁下聯箱,通過下聯箱分配給并列的水冷壁管子中,飽和水在水冷壁關中接受管外的輻射換熱而稱為蒸汽,形成汽水混合物向上流動,并通過導管 引入汽包,其流動動力源于水冷壁管內介質(為汽水混合物)的密度小于下降管內介質(為飽和水)的密度。引入汽包的汽水混合物被汽水分離器分離,分離出的水與省煤器來水再次通過下降管、下聯箱進入水冷壁管加熱,完成下一個循環(huán)。分離出的飽和蒸汽則引入過熱器系統,在其內被加熱到規(guī)定的溫度后,經主蒸汽管道送入氣輪機的高壓缸膨脹做功,其排氣引回到鍋爐在熱器系統,被加熱到一定溫度后又返回
6、到氣輪機的中、低壓缸繼續(xù)膨脹做功。二、鍋爐設備的特性指標鍋爐的生產能力、產品規(guī)范及運行效益通常用下列特性指標表明。1蒸發(fā)量蒸發(fā)量也稱鍋爐容量,指鍋爐在維持連續(xù)正常生產時每小時所生產的蒸汽量,亦即鍋爐出口的蒸汽流量,單位是噸/小時(符號t/h)額定工況和最大連續(xù)工況下每小時的產汽量,分別稱為鍋爐的額定蒸發(fā)量和最大連續(xù)蒸發(fā)量。2蒸汽參數蒸汽參數是指鍋爐在額定工況或最大連續(xù)工況下,過熱器出口過熱蒸汽的壓力(MPa)和溫度()及再熱器出口再熱蒸汽的溫度()。3給水溫度給水溫度是指鍋爐在額定工況或最大連續(xù)工況下,省煤器入口處的水溫()。4鍋爐效率鍋爐效率指鍋爐生產蒸汽的吸熱量占鍋爐輸入燃料熱量的百分比,
7、用b表示。鍋爐效率的大小反映了燃料燃燒熱量的有效利用程度。鍋爐型號在某種程度上反映出鍋爐的生產能力和產品規(guī)范等,如DG1025/177-2表示“東方鍋爐廠生產的、最大連續(xù)蒸發(fā)量1025t/h、過熱器出口蒸汽壓力177at(17.3MPa)、第二次改型的鍋爐”。三、鍋爐的分類分類方法主要有:1 按所用燃料分 可分為燃煤爐、燃油爐和燃氣爐等。我國主要以燃煤爐為主。2 按鍋爐蒸汽參數分(主要指壓力) 高壓、超高壓、亞臨界壓力及超臨界壓力鍋爐。下標列出我國高壓以上的幾種常規(guī)電廠鍋爐的分類情況。表51 常見電廠鍋爐分類鍋爐類別壓力(MPa)溫度()鍋爐容量(t/h)發(fā)電機額定功率(MW)高壓鍋爐9.85
8、10540220,23041050100超高壓鍋爐13.7555/555540/540400670125200亞臨界壓力鍋爐18.3540/5401025300超臨界壓力鍋爐25.3543/56919686003 按水冷壁內工質的流動動力分類 可分為自然循環(huán)鍋爐和強制循環(huán)鍋爐和直流鍋爐。如果水冷壁內工質的流動是由下降管與水冷壁內介質的密度差造成的,則為自然循環(huán)鍋爐;如果是在水泵的壓頭作用下流動,則為強制循環(huán)鍋爐,直流鍋爐是強制循環(huán)鍋爐的一種,超臨界壓力鍋爐必須采用直流鍋爐,這是因為介質密度差為零的緣故。4 燃煤爐按其燃燒方式可分為室燃爐(煤粉爐)、層燃爐、旋風爐和沸騰爐。新一代沸騰爐,即循環(huán)流
9、化床鍋爐,已開始在電廠應用。室燃爐按其排渣方式又分為固態(tài)排渣爐和液態(tài)排渣爐,前者在我國電廠更為常見。5 同時具有引風機和送風機的鍋爐,其爐膛和煙道內呈微小負壓,稱為平衡通風負壓鍋爐,這是我國電廠鍋爐普遍采用的通風布置方式。僅具有較強通風能力送風機的鍋爐,其爐膛和煙道內的壓力稍大于環(huán)境壓力,稱為微正壓鍋爐。第二節(jié) 燃料的成分及特性一、煤的元素分析成分煤的化學成分很復雜,化學元素可達30多種。一般情況下,將煤中固態(tài)不可燃物質都歸為灰分,這樣,煤的元素分析成分為碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、灰分(A)、水分(M)等七種成分。測定煤的成分,常取爐前煤作為分析樣品,所測定出煤的成分含
10、量一般用占樣品的質量百分數表示,其間的關系為下腳碼“ar”表示收到基,即是以爐前煤為準進行發(fā)那西得到的各成分含量。如表示在1kg煤中含有0.5kg的碳。煤的主要成分中,只有C、H、S是可燃成分,煤中C的含量一般最高,可為4590,無煙煤的含碳量最高,可達90。氫含量很低,約為26。硫雖然也是可染成分,但是的產物為SO2和SO3,它們于煙氣中的水蒸氣化合成硫酸蒸汽,不僅腐蝕設備,還會污染空氣。煤中硫的含量以一般為0.52,有時高達35或更高。當超過1.5時,需采取脫硫措施。氧和氮是煤中的不可燃成分。游離氧可以助燃。氧的含量范圍很寬,煤的埋藏時間越長,含氧量越低。氮的含量約為0.52.5,氮在燃燒
11、過程中會產生NOx,對環(huán)境有污染。因此鍋爐的設計中,設法降低燃燒溫度、采用分級燃燒、采用循環(huán)流化床燃燒方式來降低NOx的生成量。煤在完全燃燒后形成的固態(tài)殘余物即為灰分。灰分不僅阻礙煤中可燃成分于氧氣的接觸,影響可燃質的燃盡,而且會造成受熱面的磨損、積灰、結渣和腐蝕等。灰分排入大氣還會污染空氣。煤的灰分含量一般為1050。稱灰分和水分高的煤為劣質煤。煤中的水分包括外部水和內部水兩種。外部水可通過風吹日曬自然干燥掉。內部水又稱固有水分,利用自然干燥法不能去掉,必須將煤加熱到一定的溫度才能除掉。水分不利于煤的著火燃燒,水分的汽化、過熱還會到走一部分可燃質燃燒放出的熱量,使煤的發(fā)熱量降低。另外,水分還
12、會引起低溫受熱面的積灰和腐蝕。二、煤的工業(yè)分析成分煤的工業(yè)分析成分指水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳四種成分。同樣是鍋爐設計、運行中所不不可缺少的技術資料。工業(yè)分析方法較為簡單。揮發(fā)分(用V表示,干燥無灰基用Vdaf表示)不是以現成的狀態(tài)存在于煤中,而是在煤的加熱過程中,煤中有機質分解析出的氣體物質,主要由CO、H2、H2S、甲烷及其他碳氫化合物等可燃氣體組成,也含有少量的O2,CO2、N2等不可燃氣體。煤在加熱過程中相繼失去水分和揮發(fā)分之后變成焦炭,包括固定碳和灰分。三、煤的主要特性指標1發(fā)熱量燃料的發(fā)熱量是指每千克收到基燃料完全燃燒時所放出的熱量,單位kJ/kg。燃料的發(fā)熱量又分為定壓高位發(fā)熱量
13、()和定位低壓發(fā)熱量()兩種,其差別在于后者扣除了燃料中水分和氫燃燒產物水分的汽化潛熱。鑒于鍋爐所排放煙氣中的水蒸氣未能凝結放出其汽化潛熱,故實際采用作為鍋爐熱力計算的依據。由于各種煤的發(fā)熱量差異很大,為便于比較不同鍋爐燃用不同煤種時的效益,規(guī)定的煤為標準煤。任何煤耗量B均可折算稱標準煤耗量Bn,即2揮發(fā)分揮發(fā)分是燃料燃燒的重要特性指標。由于揮發(fā)分的燃點低,易于著火燃燒,故干燥無灰基揮發(fā)分含量Vdaf是衡量煤是否好燒的依據。一般,根據煤種Vdaf的含量,煤大致可分為無煙煤(Vdaf < 10%)、貧煤(Vdaf =10%20%)、褐煤(Vdaf > 40%)和泥煤(Vdaf >
14、; 70%)。等種類。褐煤和泥煤的Vdaf較高,但灰分含量高,發(fā)熱量低。貧煤和煙煤的揮發(fā)分及發(fā)熱量都較高,是鍋爐種使用的最好然煤。貧煤和煙煤的揮發(fā)分及發(fā)熱量都較高,是鍋爐中使用的最好燃煤。3灰熔點煤的灰熔融特性是用煤灰由固態(tài)轉化為液態(tài)時的三哥基本特征溫度來表示的。這三個基本溫度及如圖4-3所示的灰錐加熱時的灰錐變形溫度DT、軟化溫度ST和液化溫度FT。ST代表煤的灰熔點。各種煤的灰熔點一般在11001600之間。實踐表明,當煤的ST > 1350時,鍋爐內結渣的可能性不大,否則鍋爐的爐膛出口溫度必須控制在ST以下約150的上下,以避免煙道內過熱器和再熱器等的結渣。第三節(jié) 煤粉及其制備系統
15、一、煤粉的特性供鍋爐燃用的煤粉,一般是1300m范圍內的顆?;旌蠠o。這么細的煤粉,具有吸附大量空氣的能力而具有流動性。因此,電廠制粉系統均是借用管道采用空氣輸送煤粉的。當系統設備或管道內積存的煤粉于空氣中的氧長期接觸時,就會發(fā)熱而溫度升高。溫度升高灰加速煤粉中易燃物揮發(fā)分Vdaf的析出,從而可能引起煤粉的自然或爆燃。爆燃產生的強大壓力波,會引發(fā)系統內連續(xù)爆炸的惡性事故。為此,制粉系統的煤粉管道應具有一定的傾斜角,且使管道內氣粉混合物的流速保持在1630m/s,以防止煤粉沉積,并在系統的各處裝設一定數量的防爆門,以防止爆燃事故的擴大。煤粉的粗細程度用煤粉細度來表示,煤粉細度是衡量煤粉質量的一個重
16、要指標。通常是將煤粉式樣在70號標準篩子(篩孔的內邊長為90)上的剩余量占總量的百分數稱為煤粉細度,以R90表示。R90值越大,表明煤粉越粗。煤粉越粗,磨煤機的處理越大,電耗越低、磨煤機部件的磨損相對越小、磨煤的經濟型越高。但煤粉越粗,則越不利于在路堂內的燃燒,不完全燃燒熱損失越大。綜合制粉和燃燒兩方面的經濟性,應存在著一個最佳的煤粉細度范圍,此范圍對應制粉和燃燒總損耗最小時的煤粉細度。二、制粉系統 燃煤鍋爐必須配置制粉系統。按照對鍋爐供粉方式的不同,制粉系統可分為只吹式和中間儲倉式兩種。直吹式制粉系統是指煤在磨煤機中磨成合格的煤粉后,被直接吹入爐膛燃燒。這樣,直吹式制粉系統的制粉量應隨時適應
17、鍋爐負荷的變化。中間儲倉式制粉系統則是將磨制合格的煤粉先儲存于煤粉倉中,然后根據鍋爐負荷的要求,將煤粉倉經給粉機送入爐膛燃燒。配有中速磨煤機的直吹式制粉系統,可以按照風機對磨煤機所造成的壓力不同,分為直吹式的正壓和負壓系統兩種,如圖4-4所示。圖4-4a所示的直吹式制粉系統,其一次風÷二次風分別由冷一次風機13(通過的介質為冷空氣,故稱為冷一次風機)和送風機8由環(huán)境吸入,經三分倉回轉式空氣預熱器14加熱到不同的溫度后,送往磨煤機2和燃燒器5。此冷一次風機造成磨煤機在正壓下工作,故稱此系統為冷一次風機直吹式制粉系統。進入磨煤機的一次熱風除了干燥煤粉外,還將磨制成的合格煤粉經燃燒器送入爐
18、膛燃燒。圖4-4b所示的直吹式制粉系統中,進入磨煤機的一次風和送入爐膛助燃的二次風均來自兩分蒼式回轉式空氣預熱器7出口的熱風道3,一次風在排粉風機12的作用下,將磨制的合格煤粉燃燒器5吹如爐膛燃燒。在改系統中,風機12置于磨煤機的出口端,造成磨煤機在負壓下工作,故稱此系統為熱一次風機負壓直吹式制粉系統。如果將風機12置于磨煤機的入口端P處,磨煤機內呈現正壓,則該系統稱為熱一次風機正壓直吹式制粉系統。上述兩種制粉系統在電廠中均有應用,但在300MW以上的機組中,圖4-4a所示的系統更為常見。與直吹式制粉系統相比,中間儲倉式制粉系統增加了獨立的粗粉分離器、細粉分離器、煤粉倉、給粉機等設備。配有鋼球
19、磨(即滾筒式剛求磨煤機)的中間儲倉式制粉系統,按對鍋爐供粉所用介質不同,可分為干燥介質送粉和熱風送粉系統。如圖4-5所示。在圖4一5(a)所示系統中,細粉分離器分離出的氣流在排粉風機(兼作一次風機)壓頭的作用下,作為一次風將煤粉倉的煤粉送至燃燒器,故稱為中間儲倉式干燥劑(或乏汽)送粉系統。如果輸送煤粉的一次風不是采用磨煤的干燥氣流,而是采用來自空氣預熱器出口熱風道的熱風,則系統稱為中間儲倉式熱風送粉系統,如圖4 一5 ( b )所示。在這種熱風送粉系統中,細粉分離器分離出的氣流,一般還含有約10 的煤粉,故需將這股氣流送人爐膛上部,使煤粉得以燃燒。這股氣流稱為三次風。 總之,直吹式制粉系統結構
20、簡單、布置緊湊、占地少、初投資小和運行電耗低,但對磨煤機的可靠性要求較高。直吹式制粉系統一般配備中速磨,只適宜磨制如煙煤、褐煤等易磨的煤種。中間儲倉式制粉系統結構龐大、復雜、占地面積大、初投資大,且一般配用電耗高、噪聲大的低速滾筒式鋼球磨。鋼球磨對煤種的適應范圍廣,可以磨制任何難磨的煤種。該類系統還可采用熱風送粉,有助于鍋爐穩(wěn)定燃燒,且由于有煤粉倉的儲備作用,不但保證了鍋爐運行的可靠性,還提高了制粉系統運行的經濟性等。三、制粉設備磨煤機是制粉系統中的主要設備,按其轉速高低,磨煤機可分為低速磨(l525r / min )、中速磨(50300r / min )和高速磨(7501500r / min
21、 )三種。 1 、低速磨 在我國200Mw 以下燃煤機組中,應用最多的是屬于低速磨的滾筒式鋼球磨煤機(簡稱炯球磨、球磨機等),其主體是一直徑為24m 、長為310m 的鋼制圓柱形大轉筒,筒內裝有很多直徑為256omm 的鋼球,鋼球總重量可達4070t ,鋼球所占空間約為筒體容積的1/4,筒體內壁鑲有錳鋼護甲,筒體兩端收縮成空心軸頸,旋轉運轉的筒體由兩端軸頸處的軸承支撐??招妮S承的一端是原煤和熱風的入口;另一端是氣粉混合物的出口(也有雙進雙出的結構形式)當電動機通過減速裝置拖動筒體旋轉時波浪形護甲攜帶著鋼球上下翻動,原煤在鋼球的撞擊、擠壓、研磨下被磨制成煤粉。筒內鋼球磨損逐漸變小會造成磨煤機出力
22、下降,故需經常更換補充新鋼球。筒體內風俗的大小直接影響煤粉細度和磨煤機出力,一般使風速保持在13m/s。球磨機適宜在滿負荷下運行,在低負荷下工作是很不經濟的。因為空載電耗占滿載電耗的80以上,故一般適用于中間儲倉式制粉系統。球磨機的主要缺點是本體龐大笨重、電耗大和噪聲大,以及長期停機后筒體內積粉嚴重,易引起自然。2、中速磨常用中速磨有E型滾球磨、RP型碗式磨(其改進型為HP型錐輥磨)、MPS型滾輪磨等。E型磨在我國中小機組中的應用時間較長,制造和運行方面較為成熟,但單機出力較小,不適用于大機組。在300MW及以上的大機組中普遍采用RP型、HP型及MPS型中速磨。RP型碗式磨的磨煤部件是碗狀的下
23、磨盤和均布于盤上的三個從動圓臺狀磨輥。下磨盤由電動機帶動旋轉,原煤從上部中心管落到磨盤中央,在磨盤離心力的作用下進入磨輥與磨盤間的工作面,磨輥的碾壓而成煤粉。磨盤轉動的離心力使磨成的煤粉運動到磨盤邊緣的風環(huán)處。經風環(huán)進入磨煤機的熱風與從磨盤邊緣溢出的煤粉相遇,邊干燥邊攜帶煤粉上升(以同時干燥下落的的原煤)進入上面的粗粉分離器。合格的煤粉經多出口裝置進入爐膛燃燒,分離出的不合格粗粉在在重力作用下返回到磨盤災磨。難以磨碎的石子煤及石塊等由于密度大,熱風難以阻止其下落,落入風環(huán)底部由刮板掃出。RP型碗式磨的磨輥與下磨盤之間留有約5mm的間隙,以使磨煤部件間不直接接觸,因而運行平穩(wěn)、震動小、噪聲低、能
24、耗低。HP型磨是RP型磨的改進型式,其工作原理類同,只是在結構上采用三個大直徑圓臺狀磨輥,其材質較耐磨,并采用堆焊工藝,可延長其使用壽命;采用單獨的齒輪減速箱作為傳動裝置,可以從磨煤機底部拖出,使得檢修方便;采用旋轉葉輪風環(huán)裝置,使熱風在磨煤機內分配均勻, 即可提高煤粉在分離器內的分離效果,由使熱風風壓損失減小,改磨輥液壓裝置為外置式彈簧加載裝置,使磨煤機故障率減小。圖4-7 所示為HP 型碗式中速磨煤機。MPS 磨也是碗式磨,由三個相隔120°的從動滾輪在下磨盤上轉動來將原煤磨制成煤粉。MPS 磨的磨輥(為滾輪)直徑比其他型式磨為大,物料的碾碎條件好。因此,這種磨的出力大、能耗小,
25、對煤種的適應性較廣。與低速球磨機相比較,中速磨具有結構緊湊、金屬耗量小、噪聲低、運行電耗低,啟停迅速、調節(jié)靈活的特點,并能剔除煤中的石塊等,因此適用于直吹式制粉系統。但中速磨的磨煤部件磨損較大,對煤中的雜物敏感,易引起振動。另外其干燥作用也較弱,故中速磨只適用于磨制水分小并易磨的煤種。3 高速磨高速磨一般指風扇磨,其結構與風機類似,如圖4-8所示,主要由葉輪、蝸殼、軸等所組成。葉輪上裝有812 片沖擊板(相當于風機葉片),葉板及蝸殼內壁護甲均為錳鋼等耐磨材料制造。當電動機帶動軸使葉輪隨之高速旋轉時,隨同熱風一起進人的原煤被葉板擊碎,拋到護甲上再次被擊碎。磨碎的煤粉被熱風攜帶上升到磨煤機出口處的
26、粗粉分離器,分離出的合格煤粉由氣流攜帶送人爐膛,不合格的粗粉返回重磨。風扇磨除了用作磨煤外,還兼有通風機的作用,使得采用風扇磨的制粉系統得以簡化。并且由于通風強烈,大部分煤處于懸浮狀態(tài),干燥作用較強,適宜磨制水分大的煤種。但由于磨煤部件葉板及護甲磨損嚴重,故風扇磨僅適用于磨制高水分褐煤及軟質煙煤等易磨的煤種。制粉系統中,除磨煤機、粗粉分離器(高、中速磨與該分離器合為一體)細粉分離器、給粉機、排粉風機、一次風機及鎖氣器等設備。第四節(jié) 煤粉燃燒及燃燒設備一、煤粉氣流的燃燒過程 所謂燃燒是指燃料中的可燃成分發(fā)生劇烈的氧化作用,并同時放出大量熱量的過程。燃料開始發(fā)生劇烈氧化的最低溫度稱為著火點(或著火
27、溫度),各種燃料的著火點是不同的,一般揮發(fā)分越低的煤(如無煙煤),其著火點越高,也就越不容易著火燃燒。根據燃料燃燒產物煙氣和灰渣的成分組成, 可以判別是否完全燃燒。當煤燃燒后煙氣中無可燃氣體、灰渣中無未燃盡的可燃顆粒,則為完全燃燒。否則為不完全燃燒。不完全燃燒時,由于燃料的化學能未全部轉變?yōu)闊崮茚尫懦鰜?,故造成熱能損失。如何減少燃料的不完全燃燒熱損失,提高燃料的有效利用程度,又減少煙氣中的SO2、NOx等有害氣體的含量,降低環(huán)境污染,正是現代燃燒技術所要解決的問題。燃燒設備是按鍋爐燃燒方式進行分類的。燃料在燃燒設 備中的燃燒方式 , 大致可分為層狀燃燒、懸浮燃燒、沸騰燃 燒和氣化燃燒四種。1、
28、層狀燃燒層狀燃燒又稱火床燃燒 , 僅適用于固體燃料 , 是小型鍋爐的主要燃燒方式。由人工或機械將煤送到固定或活動爐排 上形成煤層 , 空氣從爐排下面送人 , 經爐排的縫隙并穿過燃 料層使燃料燃燒。層狀燃燒設備型式較多 , 有手燒爐爐排、雙 層爐排、鏈條爐排、往復爐排和拋煤機爐等。層狀燃燒能適應不同煤種的燃燒特性 , 煤粒無需特殊加 工 , 在爐膛里都能較好地著火。但空氣與煤層混合不良 , 燃 燒反應較慢 , 有時出現冒黑煙現象。2、懸浮燃燒懸浮燃燒又稱火室燃燒 , 適用于固體、液體或氣體燃料。 是大中型鍋爐的主要燃燒方法。煤被磨成細粉 ( 煤粉 ) 由空氣攜帶經燃燒器噴人爐膛 , 在懸浮狀態(tài)下
29、燃燒。采用懸浮燃 燒方式的鍋爐又稱室燃爐 , 如煤粉爐、燃油爐和燃氣爐。室燃爐不用爐排 , 燃料與空氣接觸面積大 , 著火迅速 , 燃 盡率高 , 燃燒效率和鍋爐熱效率高 , 容易實現自動控制。但 設備多 , 系統復雜 , 對鍋爐運行要求高 , 能耗大。3、沸騰燃燒煤被破碎成小于 2mm 的煤粒后送入爐膛 , 空氣從布風板上的風帽進入 , 使煤上下翻滾 , 呈類似液體沸騰狀態(tài)燃燒。沸騰燃燒對煤種的適應性強 , 我國現多用于燒劣質煤。其燃燒特點介于層狀燃燒與懸浮燃燒之間。沸騰燃燒設備的蓄熱量大 , 燃燒反應強烈 , 特別適用于 一般層狀和懸浮燃燒所不能燃用的高灰分和低熱值的劣質煤 , 如石煤、煤
30、研石等。但耗電量大 , 埋管磨損嚴重 , 運行 要求高。這種方式燃燒溫度在 900 。 C 以下 , 可大大減少嚴重致癌物 質氮氧化物的生成 , 并可方便地采取脫硫措施 , 而利于環(huán)境 保護 , 故大有發(fā)展前途。4、氣化燃燒 氣化燃燒是指投入爐膛的煤同時進行氣化和直接燃燒 ,適用于蒸發(fā)量 1t/h 以下的鍋爐。氣化燃燒設備簡單、管理方便 , 消煙除塵效果好 , 但不宜用于燒低揮發(fā)分的煤 , 并且出渣勞動強度大 , 對運行安全要求嚴格。煤粉懸浮燃燒仍是當今普遍采用的燃燒技術,因此以煤粉懸浮燃燒為例來說明燃燒方面的一些規(guī)律。煤粉氣流在鍋爐中燃燒可分為如下三個階段。1預熱階段煤粉氣流在噴入爐內約20
31、0300 mm的行程內并不著火燃燒,這是煤粉進入爐內著火前的準備階段。在此階段內,主要吸收煙氣的對流熱和火焰的輻射熱。隨著煤粉溫度的提高,其水分蒸發(fā),揮發(fā)分析出進而形成焦炭。當達到著火點時,開始起焰著火,將美分加熱到著火點鎖需要的熱量稱為著火熱或預熱熱。顯然,煤粉性質不同,一次風量及風溫不同時,其著火熱也不同,為了使煤粉迅速著火,應力求減小著火熱和提高著火區(qū)附近的爐膛溫度。前者是盡量減小一次風量及提高一次風溫,后者是一般是盡量減少送入爐內的總空氣量。2燃燒階段當煤粉氣流溫度升高至著火點時,首先是揮發(fā)分著火燃燒,所放出的熱量直接加熱焦炭,使焦炭也迅速著火燃燒,這是一個強烈的放熱階段。在此階段內,
32、一次風量應滿足揮發(fā)分燃燒的需要,而二次風量必須滿足焦炭燃燒所需要的空氣。因此二次風必須及時送入并與煤粉氣流強烈混合,以促進焦炭的迅速完全燃燒。3燃盡階段燃燒階段未燃盡而又被部分灰分所覆蓋的少量焦炭,在這一階段內繼續(xù)燃燒,直至最后形成灰渣。由于爐膛受熱面的吸熱,未燃盡的煤粉顆粒在流動過程中溫度逐漸降低,燃燒速度變慢,這樣就要求爐膛容積及爐膛形狀的設計合理。近年來,為了抑制NOx的生成量,開始采用分級燃燒技術,并且為了防止爐膛結渣,國內外電廠鍋爐都有適當增大爐膛容積的趨勢,顯然這降有利于煤粉的燃盡。在爐膛容積一定時,爐膛的形狀可以為瘦長型或矮粗形。瘦長形的爐膛火焰充滿程度好,煤粉在爐膛內的停留時間
33、長,有利于燃盡,但易引起噴燃器出口氣流沖刷對面爐墻,造成水冷壁結渣。對于矮粗形爐膛,煤粉在爐內的停留時間短,未等燃盡就被帶出了爐膛。二、過量空氣系數 燃料在爐膛內燃燒所需的空氣是由作為一次風、二次風的熱空氣提供的。1kg收到基燃料燃燒完全而又無剩余氧存在時,所需要的空氣量稱為理論空氣量,以V0表示,可通過不同煤種可燃成分的化學反映方程式計算得到。在實際燃燒過程中,空氣和燃料不可能混合的絕對均勻。如果按理論空氣量提供氧氣,必然會有一部分燃料的可燃成分無機會與氧氣進行反應,而不能達到完全燃燒。為此,實際送入爐膛的空氣量要大于其理論空氣量,使反映在有多余氧的情況下進行。實際空氣量Vr(標準m3/kg
34、)與理論空氣量V0(標準m3/kg)的比值稱為過量空氣系數,以表示:Vr/ V0當確定后, 可通過此式計算確定實際空氣量。的大小反映了空氣與燃料的配比情況。過大,會因送入的空氣量過多而造成爐溫降低,影響煤粉的著火燃燒,并且造成煙氣容積增大,排煙熱損失增大;過小,又會因空氣不足而造成不完全燃燒熱損失。使鍋爐總損失最小時的值稱為最佳空氣系數。對于煤粉爐,爐膛出口處的過量空氣系數一般控制在1.151.25范圍為宜。以爐膛出口處的過量空氣系數作為鍋爐運行的控制參量,是因為燃料的燃燒過程在正常情況下是在爐膛出口處結束的。滿足燃料燃燒所需氧氣量之外的剩余氧氣量,必然存在于煙氣之中,因而隨著的變化,燃燒產物
35、煙氣中的容積含氧量VO2也會發(fā)生明顯變化,故目前電廠一般是通過儀表測量煙氣中含氧量的大小,以監(jiān)督運行中的爐膛出口處的過量空氣系數。使其控制在最佳范圍內。三、分級燃燒的概念當代環(huán)境保護愈來愈受到重視。因此,被控制的鍋爐排放污染物不再僅僅是粉塵,有害氣體的排放也受到了嚴格控制。鍋爐中隨煙氣排放的有害氣體主要有NO和SO2,其中NO在大其中被進一步氧化成NO2。通常將NO、NO2及其他氮氧化物統稱為NOx。大氣中的NOx和SO2會產生溫室效應、破壞臭氧層、形成酸雨等,這些對人體和動、植物的生長及生態(tài)環(huán)境都會帶來不良影響。SO2是燃料中可燃成分硫的燃燒產物,其生成量與燃料的焊硫量有關。煙氣中的SO2可
36、一通過加脫硫劑(循環(huán)流化床加脫硫劑)或脫硫裝置(室燃爐采用尾部煙道加脫硫裝置)在排放前被除掉。而NO的生成量除與燃料本身含氧量有關外,還與燃燒時的爐溫及加入的空氣量有關。降低NO的排放主要從降低它的生成入手。采用分級燃燒可以降低NO的生成。分級燃燒即為分段送入空氣,在燃料著火燃燒時,先送入較少的空氣量,圖1為軸向分級燃燒示意圖。在距燃燒器上方一定位置處開設一層或兩層所謂燃盡風噴口,將助燃空氣沿爐膛軸向(即煙氣流動方向) 分級送入爐內,使燃料的燃燒過程沿爐膛軸向分級分階段進行。
37、 在第一階段,將從燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總燃燒空氣量的70 %75 %(相當于理論空氣量的80 %左右),燃料先在貧氧條件下燃燒,此時,第一燃燒區(qū)內過剩空氣系數< 1,降低了燃燒區(qū)內的燃燒速度和溫度水平,這不但延遲了燃燒過程,使燃料中的N 在還原性氣氛中轉化成NOx 的量減少,而且將已生成NOx 部分還原,使NOx 排放量減少。在燃盡風噴口附近的第二燃燒區(qū)內,噴入的空氣與第一燃燒區(qū)內生成的煙氣混合,剩余燃料在> 1 的富氧條件下完成燃燒過程。即使< 1 ;其余空氣則在初始燃燒區(qū)以外(如燃燒器上部)送人,以保證總風量。這樣,一方面由于初始燃燒區(qū)內氧氣不足,從而減少NO 的
38、生成量;另一方面由于燃燒過程的減弱,爐膛燃燒的溫度水平適當降低,也能抑制NO 的生成。 四、煤粉燃燒器 燃燒器(或噴燃器)的作用是,將所需燃用的煤粉氣流和熱風,即一、二次風及三次風(當采用熱風送粉時)送人爐膛,并且使一、二次風適時良好地混合,保證燃料迅速著火、燃燒及燃盡,使火焰充滿整個爐膛。同時將燃燒時生成的有害氣體,如NO 等控制在最低水平,并防止在爐膛內產生嚴重結渣或高溫腐蝕等。 煤粉燃燒器的型式很多,按其出口氣流流態(tài)可分為旋流式和直流式兩大類。旋流式(也稱圓形)燃燒器一般分多層(24 層),布置在爐膛的前墻或前、后墻上,其出口的一、二次風或單獨二次風呈不同程度的旋轉,可造成燃燒器出口處的
39、熱煙氣回流,從而使煤粉氣流得到迅速加熱,滿足穩(wěn)定著火的需要。 圖4 一9 為采用較多的軸向可調葉片旋流式燃燒器,其一次風經一次風管人口處的一次風擋板后噴人爐膛。一次風管內裝有點火用的中心心管,借助于中心心管出口端的擴流錐,使一次風煤粉氣流擴散。二次風經二次風葉輪后,由于葉片的引導作用而產生旋轉,其旋轉強度可通過調整葉輪的軸向位置進行調節(jié)。當拉桿將葉輪拉出(外移時),葉輪的外圍與燃燒器外殼之間會形成一個環(huán)形間隙,使一部分二次風直流通過,并在葉輪后面與流經葉輪的旋流二次風混合,混合后的二次風旋流強度降低;當拉桿將葉輪推到最底部位置時,環(huán)形間隙消失,全部二次風都通過葉輪,其旋流強度最大。不同的旋流強
40、度下,一、二次風的混合就不一樣,從而可適應不同煤種迅速著火燃燒的需要。近年來,在某些300MW 以上的大型機組中采用了新型旋流式燃燒器,如雙調風燃燒器、旋流分級燃燒器及濃淡(DM )型燃燒器等。前兩種可保證不同燃燒階段供風及時,使送風量減少,具有分級燃燒的效果,可以減少NO 的生成。DM 型燃燒器前有分離器,能將一次風分成煤粉濃度不同的濃煤粉氣流和淡煤粉氣流,以減小濃煤粉氣流的著火熱,有利于提高著火速度。 在電廠鍋爐中廣泛應用的直流縫隙式燃燒器,其結構是由一組或兩組具有一定形狀的噴口構成,一二次風噴口可以采用相間布置或其他布置形式。圖4-10為一組一二次風噴口相間布置的直流式燃燒器。(插圖)直
41、流式燃燒器的一二次風均以直流方式噴入爐膛。因直流式燃燒器一般布置在爐膛的四角,可使四股氣流中心線相切于爐膛中心的一個(或多個)某一直徑的假想切圓,使得總氣流在爐膛內旋轉,形成旋轉火炬,故稱為四角布置切圓燃燒。分析如下:將二次風射流軸線向水冷壁偏轉一定角度,形成一次風煤粉氣流在內,二次風在外的徑向分級燃燒。此時,沿爐膛水平徑向把煤粉的燃燒區(qū)域分成位于爐膛中心的貧氧區(qū)和水冷壁附近的富氧區(qū)(見圖2) 。由于二次風射流向水冷壁偏轉,推遲了二次風與一次風的混合,降低了燃燒中心氧氣濃度,使燃燒中心< 1 ,煤粉在缺氧條件下燃燒, 抑制了NOx 的生成,NOx 的排放濃度降低。由于在水冷壁附近形成氧化
42、性氣氛,可防止或減輕水冷壁的高溫腐蝕和結焦。 圖4-11給出了某1025t/h鍋爐的直流式燃燒器及其切圓情況。因爐膛中心切圓火炬的旋轉,以及四角氣流攜帶高溫氣體吹向鄰角氣流根部等的共同作用,一二次風及熱煙氣強烈混合,形成有利的加熱著火,然燃燒及燃盡條件。由于煤粉的著火特性遠比油差,因此煤粉燃燒器配有一定數量的油槍,在低負荷及燃燒不穩(wěn)或點火時使用漩流式燃燒器的油槍設在蝸殼中央,直流式燃燒器的油槍則在兩層煤粉噴口之間的二次風噴口內。目前,四角切圓燃燒鍋爐點火方式分兩種,一種是由高能點火器點燃油槍,再有油槍點燃煤粉,稱為二級點火;另一種是用電火花點火器點燃容量小的輕油槍,再用它點燃容量大的主油槍,主
43、油槍將鍋爐爐膛加熱后方可投入煤粉,故稱為三級點火。五、結渣現象在固態(tài)排渣煤粉爐中,火焰中心溫度高達1600 左右,燃料燃燒的灰分呈熔化狀態(tài)。在正常情況下,由于水冷壁吸熱,隨煙氣流動的液態(tài)灰渣在遇到受熱面之前,就因冷卻而凝固下來,沉積在受熱面上時只形成疏松的灰層,運行中可通過吹灰器很容易地將其清除掉。如果由于某種原因,煙氣中的渣粒以液態(tài)或半軟化狀態(tài)粘附在受熱面上,并形成緊密的灰渣層,則稱為結渣或結焦。結渣通常發(fā)生在爐膛內或爐膛出日附近的受熱面上。由于渣層表面較管壁粗糙并呈熔化狀態(tài),煙氣中的渣粒更易粘附上去,所以結渣具有自動加劇的特點。 受熱面結渣后,灰渣層因導熱熱阻極大,其吸熱量下降,影響鍋爐的
44、出力。對于某些煤種,結渣還會引起受熱面的高溫腐蝕,造成受熱面損害。另外,爐膛上部的大渣塊一旦落下,可能砸壞冷灰斗等。 影響結渣的因素很多,如燃煤的灰分特性、爐膛結構、燃燒器的類形和鍋爐運行情況等。第五節(jié) 鍋爐受熱面燃料在爐膛內燃燒,其火焰和煙氣的熱量不斷通過中間介面(管排或管簇)來吸收并傳給水、蒸汽和空氣。這些中間介面就稱為鍋爐受熱面。 鍋爐受熱面一般有省煤器、水冷壁、過熱器和再熱器,用以相應完成給水的預熱、蒸發(fā)、過熱和再熱的任務。除了上述汽水系統受熱面之外,還有加熱空氣的受熱面,即空氣預熱器,下面分別介紹。 一、水冷壁和水循環(huán) 水冷壁是鍋爐的蒸發(fā)受熱面。構成水冷壁的管子緊貼在爐膛四面墻的內壁
45、上,直接接受火焰和煙氣的輻射熱。管內流動的飽和水受熱后沸騰,部分生成飽和蒸汽。由于管內流動的工質溫度是飽和溫度,比火焰溫度低得多,所以爐墻受到有效的冷卻而免于燒毀,故稱水冷壁。 按照促使水冷壁管內工質流動的動力不同環(huán)鍋爐和直流鍋爐。電廠鍋爐可以分為自然循環(huán)鍋爐、控制循環(huán)鍋爐和直流鍋爐。 1 自然循環(huán)鍋爐的水冷壁自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)回路如圖4 一12 所示,它是由布置在爐頂的汽包、爐外不受熱的下降管和爐內受熱的上升管、即水冷壁管共同組成的汽水流動封閉通道,用以完成鍋水的蒸發(fā)任務。 在水循環(huán)回路中,由于進人水冷壁的水受熱變?yōu)槠旌衔?,其密度小于下降管內飽和水的密度,因而在下聯箱兩側產生壓力差,在此壓力差(即密度差)的作用下,上升管的汽
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