1、第二章第二章 锅炉结构及原理锅炉结构及原理 产生蒸汽或热水的热发生装置可分为两类：锅炉伴随有燃烧反应的、以产生蒸汽或热水为目的的热发生装置。余热锅炉或废热锅炉在热转换装置中并不伴随有燃烧反应，而是利用系统的余热或废热产生蒸汽或热水的热发生装置。在这样一个复杂的能量转化、热量传递过程中:燃料具有那些性质？如何组织燃料燃烧？燃料燃烧放出的热量如何传递给工质？如何实现工质加热、汽化、蒸发过热过程?在燃烧、传热过程中工质的流动、传热安全如何保证？本章将从以下三个主要方面来讲解:燃料及燃烧设备;锅炉结构及受热面布置;传热流动与水循环特性.第一节第一节 概述概述 锅炉本体的组成可分成两大部分：“炉子”使燃
2、料燃烧以获得足够热能的设备。“锅”盛装水及蒸汽的耐压容器，并具有能吸收足够热量的受热面。锅炉的型式很多，图2-1所示是具有中等容量和参数的火力发电厂锅炉简图。插图2-1为电站锅炉外形图。1锅筒，2-下降管，3分隔屏过热器，4后屏过热器，5屏式再热器，6-末级再热器，7末级过热器，8悬吊管，9包覆管，10过热蒸汽出口，11墙式辐射再热器，12低温过热器，13省煤器，14燃烧器，15循环泵，16水冷壁，17空气预热器，18磨煤机，19除渣机，20、21一、二次风机，22再热蒸汽出口，23给水泵图2-1 2008t/h电站锅炉示意图插图2-1 电站锅炉 一、锅炉的基本构造一、锅炉的基本构造 锅炉本体
3、炉膛、燃烧设备、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器和炉墙构架。辅助设备燃料供给、煤粉制备、送引风、水处理及给水、除尘除灰和自动控制等装置。现代大型自然循环高压锅炉所具有的主要部件及其作用如下：（1）炉膛 保证燃料燃尽并使出口烟气冷却到对流受热面能安全工作。由水冷壁与锅筒、集箱和炉墙构架所组成。炉膛火焰中心15001600，炉膛出口10001200左右。（2）锅筒 是自然循环锅炉各受热面的集散容器，将锅炉各受热面联结在一起并和水冷壁，下降管等组成水循环回路。直流锅炉无锅筒。（3）水冷壁 是锅炉的主要辐射受热面；另一作用是保护炉墙。其中凝渣管，防止过热器结渣。（4）燃烧设备 按其燃烧方式可分
4、为火床、火室、沸腾和旋风炉燃烧设备。锅炉所用燃烧方式因燃料不同，锅炉容量不同而有差异。（5）过热器 将饱和蒸汽加热到额定的过热蒸汽温度。烟气从炉膛出口流过屏式过热器和对流过热器后，温度降到500600。（6）再热器 将汽轮机高压缸排汽加热到较高温度，然后再送到汽轮机中压缸膨胀作功。（7）省煤器 利用锅炉尾部烟气的热量加热给水，降低排烟温度，节约燃料。（8）空气预热器 加热燃烧用的空气，以加强着火和燃烧；吸收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉效率；为煤粉锅炉制粉系统提供干燥剂。（9）炉墙 是锅炉的保护外壳，起密封和保温作用。（10）构架 支承和固定锅炉各部件，并保持其相对位置。插图2-2及2-3分
5、别显示了一台正在安装中的锅炉侧面和中部结构，其中的水冷壁管清晰可见。插图2-2 锅炉侧面 插图2-3 锅炉中部 二、锅炉的工作过程二、锅炉的工作过程 以火室燃烧的煤粉锅炉为例：1、煤粉制备与输送流程原煤 煤斗 给煤机 磨煤机 粗细分离器 煤粉仓 空气预热器 空气 给粉机 炉膛 煤粉细粉 2、烟气流程 热烟气从炉膛 过热器 省煤器 空气预热器 除尘器 引风机 烟囱 水冷壁凝渣管140-170 3、工质流程从除氧器来的给水 省煤器 锅筒（经水冷壁循环）过热器 回锅炉 再热器 汽轮机中压缸、低压缸 冷凝器 汽轮机 高压缸 三、锅炉的分类三、锅炉的分类 1按用途分 电站锅炉、工业锅炉、船用锅炉、余热锅
6、 炉、机车锅炉等。2按循环方式分(如图2-2及图2-45)自然循环锅炉工质依靠下降管中的水与 上升 管中汽水混合物之间的密度差进行循环。控制循环锅炉在蒸发受热面的下降管与上升管之间装有循环泵，用来提高循环回路的流动压头，循环倍率约在35。复合循环锅炉 直流锅炉工质的循环是依靠给水泵的压头来完成的。3、按出工质压力分 低压锅炉压力一般小于1.275MPa，用于工业锅炉。中压锅炉3.825 MPa，用于电站、热电站或工业锅炉。高压锅炉9.8MPa，用于电站、热电站锅炉。图2-2 自然循环、强制循环及直流锅炉a)自然循环锅炉 b)强制循环锅炉 c)直流锅炉 超高压锅炉13.73MPa，用于电站锅炉。
7、亚临界压力锅炉16.67MPa，用于电站锅炉。超临界压力锅炉2325MPa，用于电站锅炉。超超临界压力锅炉般大于27MPa，用于电站锅炉。4、按燃烧方式分 火床燃烧锅炉、火室燃烧锅炉、流化床燃烧锅炉和旋风燃烧锅炉。5、按所用燃料或能源分 固体燃料锅炉、液体燃料锅炉、气体燃料锅炉、余热锅炉、原子能锅炉和废料锅炉。6、按排渣方式分 固态排渣锅炉和液态排渣锅炉(如旋风炉)。7、按炉膛烟气压力分 平衡通风锅炉、微正压锅炉和增压锅炉。8、按整体外形分 倒U（或称型）、塔型、箱型、T型、U型、N型、L型、D型、A型等。D型、A型用于工业锅炉，其他炉型一般用于电站锅炉。四、锅炉容量、参数和型号四、锅炉容量、
8、参数和型号 1、锅炉的基本特性通常用：锅炉的蒸发量（t/h）连续额定蒸发量(ECR)铭牌上所标示的值；最大蒸发量(BMCR)。蒸汽压力(MPa)、蒸汽温度()过热器主汽阀出口处的过热蒸汽压力和过热蒸汽温度。给水温度()指进省煤器的给水 温 度，或者热功率(MW)、出口热水压力(MPa)、出口热水温度()和给水温度或回水温度（）等主要参数来描述。2、锅炉的参数系列。表2-1(略)是我国工业锅炉参数系列；表2-2(略)是电站锅炉参数系列。对于超临界、超超临界机组锅炉尚无确定的系列 参数。3、我国锅炉产品的型号表示法 图2-3工业蒸汽锅炉型号形式 图2-4电站锅炉型号形式五、锅炉的大气污染与控制五、
9、锅炉的大气污染与控制 插图2-4显示了因燃烧不良使浓烟滚滚，造成大 气污染。插图2-4 锅炉排烟的污染 锅炉烟气排入大气，其中的重要污染环境物质是：煤灰碳黑和飞灰；硫的氧化物(SOX)二氧化硫、三氧化硫和硫酸气体等；氮的氧化物(NOX)一氧化氮和少量二氧化氮。为保护环境，国家制定了锅炉大气污染物排放标准，如表2-3、表2-4、表2-5及表2-6(略).第二节第二节 燃料特性与热工计算燃料特性与热工计算一一 、锅炉使用的燃料、锅炉使用的燃料（一）燃料的分类 燃料是一种由有机可燃质、不可燃无机矿物质（灰分）和水分等物质组成的复杂的混合物。目前地球上的燃料可分为两大类，即核燃料和 有机燃料，锅炉大都
10、燃用有机燃料。锅炉燃用的有机燃料分类见表2-5。表2-5 燃料的分类类 别 天然燃料人工燃料固体燃料 生物质燃料，煤炭，煤矸石、油页岩木炭，焦炭，泥煤砖，煤矸石，甘蔗渣，可燃垃圾等液体燃料石油汽油，煤油，柴油，沥青，焦油气体燃料天然气高炉煤气，发生炉煤气，焦炉煤气，液化石油气 （二）燃料的组成 固体燃料的成分有：碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、水分（M）、灰分(A)。其中C、H、S为可燃元素。液体燃料的成分也是碳、氢、氧、氮、硫、水分和灰分，但碳和氢含量较高。气体燃料有天然气和人造气两类。天然气分气田气和油田伴生气两种。气田气主要成分是甲烷；油田气除含甲烷外，还有丙、丁烷等烷
11、烃类，CO2含量也比气田气高。（1）碳（C）燃料中基本可燃元素，以各种碳氢化合物和碳氧化合物的状态存在 （2）氢（H）燃料中热值最高的元素，它多以碳氢化合物的状态存在。（3）氧(O)和氮(N)燃料中不可燃元素，以游离状态和化合物状态存在。氮是有害元素。（4）硫(S)常以有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫的形式存在，也是有害元素。硫是评价油质的重要指标。（5）灰分(A)燃料中不可燃的矿物质。灰分是影响燃料质量的重要指标。（6）水分(M)也是不可燃成分，其含量变化很大。（三）燃料成分的基准及其换算 常用的基准有以下四种：（1）收到基。以收到状态的燃料为基准计算燃料中全部成分的组合称为收到基。以下角标ar表
12、示。（2-1）（2）空气干燥基。以与空气温度达到平衡状态的燃料为基准。空气干燥基以下角标ad表示。（2-2）（3）干燥基。以假想无水状态的燃料为基准，以下角标d表示（2-3）%100arararararararMASNOHC%100adadadadadadadMASNOHC%100ddddddASNOHC （4）干燥无灰基。以假想无水、无灰状态的煤为基准，以下角标daf表示。（2-4）干燥无灰基可作为燃料分类的依据。燃料成分及其各种基准的关系如图2-5，各种成分 的基准换算可按以下公式进行：（2-5）换算系数可由表2-6(略)查出。0Kxx%100dafdafdafdafdafSNOHC图2-
13、5 燃料成分及其各种基准的关系示意图（四）燃料的性质 1、煤的基本性质、成分及发热量 （1）煤的基本性质 （a）无烟煤 干燥无灰基挥发分 一般在10%以下。含碳量 通常在40%以上(高的可达95%)。发热量 约在2100032500千焦/千克。无烟煤挥发分析出温度较高，着火和燃尽都比较困难。（b）烟煤 烟煤干燥无灰基挥发分含量较高，一般在2045%，含碳量 约在4060%或更高。烟煤发热量 一般在2000030000千焦/千克。烟煤较易着火和燃尽，但对高灰分劣质烟煤除外。dafVarCQnet v ar,arCQnet v ar,（c）贫煤 贫煤碳化程度略低于无烟煤，挥发分一般在1020%，燃
14、烧特性优于无烟煤，但仍属反应性能较差的煤。（d）褐煤 干燥无灰基挥发分含量约4050%，挥发分析出温度较低，所以很容易着火和燃烧。但其水分和灰分都较高。发热量一般仅1000020000千焦/千克。（2）煤的成分（a）煤的元素分析成分指煤中碳、氢、氧、氮和硫。元素成分分析时，只要测出碳、氢、氮和硫，氧可用下式计算：（2-6）（b）煤的工业分析成分包括水分、灰分、挥发分和固定碳。工业分析成分时，只要测出水分、灰分、挥发分可按下式计算出固定碳：（2-7）)%(100adadadadadadadMASNHCO%100adadadadVAMFC（3）煤的发热量 煤单位质量完全燃烧时所放出的热量称为煤的发
15、热值。高位发热值将燃烧后所产生的水蒸汽的潜热计入时，以Qgrt表示；低位发热值将燃烧后所产生的水蒸汽的潜热不计入时，以 Qnet表示。我国在锅炉计算中以低位发热值为准。由氧弹测热器所测出的发热值为空气干燥基氧弹发热值Qdt,v,ad，可用下式换算成空气干燥基高位热值Qgr,v,ad（2-8）kgkJaQSQQadvdtadadvdtadvgr/)2.94(,由空气干燥煤样的高位发热值可换算出空气干燥 基低位发热值 （2-9）上述也适用于收到基。对于干燥基和干燥无灰基：（2-10）（2-11）kJ/kgH225d,.dvgrdvnetQQkJ/kgH225afd,.dafvgrdafvnetQQ
16、kJ/kg)H9(25)100100H9(2500ad,ad,adadvgradadvgradvnetMQMQQ 2、生物质 生物质由C,H,O,N,S，P，K，A和M 等元素组成,是空气中的CO2、水和太阳光通过光合作用的产物。生物质分为四类:木本植物、草本植物、水生植物和肥料。广义的生物质还包括城市垃圾、工农业废弃物等。生物质燃料中可燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。热值为1760022600 kJ/kg,随着含湿量的增加,生物质的热值线性下降。表2-7(略)是几种生物质的工业和元素成分。3、燃料油 锅炉常用燃料油有柴油和重油两大类。柴油一般多用于中、小型工业锅炉和生活锅炉；重油多用于
17、电厂锅炉的点火及低负荷运行时的稳燃。燃料油的特性指标有粘度、凝固点、闪点、燃点、含硫量和含灰分量等。（1）粘度 粘度是表征液体燃料流动性能的指标，常用恩氏粘度oE来表示。（2）凝固点 凝固点是表征燃油丧失流动性能时的温度。含石蜡高的油，其凝固点高。（3）闪点及燃点 燃油的闪点当油气和空气的混合物与明火接触而发生短促闪光时的油温。燃点油面上的油气和空气的混合物遇到明 火能着火燃烧并持续5 s以上的最低油温。闪点和燃点是燃油防火的重要指标。（4）含硫量 燃油的含硫量高，会对锅炉低温受热面产生腐蚀。（5）灰分 重油的灰分虽少，但灰中常含有钒、钠等元素的化合物，对壁温高于610的受热面会产生高温腐蚀。
18、4、气体燃料 气体燃料分为天然气体燃料和人工气体燃料两大类。主要的可燃气体成分有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等，不可燃气体成分有二氧化碳(CO2)等。天然气体燃料有气田气、油田气、煤田气。气田天然气 主要成分是甲烷，热值较高。油田气 主要成分也是甲烷，其的体积分数为80 左右。煤田气 通常称为矿井瓦斯或矿井气。热值较低。人工气体燃料是以煤、石油产品或各种有机物为原料，经过各种加工方法而得到。主要的人工气体燃料有：气化炉煤气、焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气、液化石油气、油制气、沼气。各种气体的成分都不一样。二二 、燃烧计算与热平衡计算、燃烧计算与热平衡计算（一）燃烧计算 锅炉燃烧计算主要确定燃
19、料燃烧所需的空气量、烟气产物、烟气量以及它们的焓；在完全燃烧时（碳）（2-12）（氢）（2-13）（硫）（2-14）kJ/kg3286022COOCkJ/kg12037022222OHOHkJ/kg905022SOOS 如不完全燃烧，则生成一氧化碳，所放出的反应热也相应减少，即（碳）（2-15）在进行燃烧计算时，把空气和烟气均看作为理想气体。1、固体及液体燃料的理论空气量 1kg固体及液体燃料完全燃烧并且燃烧产物(烟气)中无自由氧存在时，所需要的空气量(指干空气)称为理论空气量或化学计量空气量，并以标准状态 下 (m3kg)或 (kgkg)来表示。kJ/kg9270222COOC0V0L lk
20、g燃料完全燃烧所需要的理论空气量为 （2-16）用质量表示的理论空气量为 （2-17）2、实际空气量、过量空气系数和漏风系数 实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数或空气燃料当量比，用或表示，即或 （2-18）式中：用于烟气量的计算；用于空气量的计算。arararOHKV0333.0265.00889.00 kg/kg043.0342.0115.0293.100arararOHKVL0VV0VV 通常所指的过量空气系数是炉膛出口处的值 ，它是一个影响锅炉燃烧工况及运行经济性的非常重要的指标。通常最佳 数值，对于燃煤锅炉为1.21.3；燃油锅炉为1.051.10；燃气锅炉为1.031.10
21、。l l 锅炉实际运行中的过量空气系数一般通过测量烟气中的三原子气体、氧气和可燃气体的体积分数按下式计算：（2-19）许多锅炉为微负压燃烧，外界空气将从炉膛、烟道的不严密处漏入炉内，使得锅炉的烟气量随着烟气流程而一路增大。COOROCOO2221005.0792121 各部件所在烟道处漏入的空气量的 与理论空气量比值，称为该烟道的漏风系数，以 表示，即（2-20）锅炉各烟道漏风系数的大小取决于负压的大小及烟道的结构型式，一般为0.010.1。若锅炉为微正压燃烧，则烟道的漏风系数为零。0VVV 3、固体及液体燃料理论烟气量和实际烟气量 理论烟气量当只供给理论空气量时，燃料完全燃烧后产生的烟气量。
22、标准状态下，1kg固体及液体燃料燃烧时的理论烟气量为（2-21）式中（2-22）（2-23）002222OHNSOCOyVVVVVararCOCCV01866.0100866.12kgmSSVararSO/007.01007.032 用 表示三原气体的体积，则 （2-24）理论氮气体积 包括两部分：（2-25）于是，不含有水蒸气的理论干烟气的体积 为 （2-26）理论水蒸气的体积来源三个方面，故 为（2-27）2ROV02NVarNNwVV)(008.079.00020gyV02OHVkgmNwVKVVVararNROgy/)(008.079.001866.0300022kgmVVVSOCOR
23、O/3222 kgmVMwHwVararOH/0161.00124.0111.03002 对于蒸汽雾化燃油的锅炉，其理论水蒸气容积为：（2-28）理论烟气量为：（2-29）kgmGVMwHwVwhararOH/2.10161.00124.0111.03002kgmVVVVVVOHNROOHgyy/3000002222 实际烟气量因有过量空气及随过量空气带入的水蒸气。实际烟气体积 （2-30）式中 （2-31）（2-32）则得（2-33）yVOHgyyVVV2001VVVgygy0010161.022VVVOHOH0000010161.110161.12VVVVVVyOHgyy 实际氮气的体积
24、为：（2-34）过量空气中的氧气体积为：（2-35）因此，实际烟气体积也可写成：（2-36）2NV00179.022VVVNN0121.02VVO0001016.1222VVVVVOHNROy 4、烟气焓值的确定 烟气焓的计算是以1kg固体及液体燃料或标准状态 下1m3气体燃料为基础进行计算的，并且以0作为起算点。烟气焓值等于理论烟气焓、过量空气焓和飞灰焓之和，即（2-37）式中，为理论烟气体积的焓（kJ/kg或kJ/m3）。当温度为 时，其值为（2-38）fhkyyhhhh0010yhkJ/kg2222220000OHOHNNRoRyCVCVCVh 由于烟气中SO2的含量较CO2的含量少得多
25、，计算 中可取 。为理论空气焓，其值为（2-39）（2-40）一般来说，只有当 时，飞灰焓才需计入烟气焓中，否则可略去不计。22COROCC0khhfharfhcaAh10043.11000,arvnetfharQaAkJ/kg 00kkktCVh 例21 一台的煤粉炉，燃料主要成分w ，w ，w ，w ，w ，w ，w ，w ，在炉膛出口温度1100时，烟气各成分的焓为：，。炉膛出口平均过量空气系数，求理论空气量、炉膛出口实际烟气量和烟气的焓。Car 5742%.Har 381%.Oar 716%.Nar 093%.Sar 046%.Mar 885%.Aar 2137%.Vdaf 3848%
26、.Qne v ar,21990kJ/kg()cCO32kJ/m 2458()cN32kJ/m 1544()cH O32kJ/m1925()cK 1595kJ/m3()ch 1123kJ/m3 解：(1)理论空气量和实际烟气量 理论空气量：三原子气体容积：ararararowwwVO0333.0H265.0)S375.0Cw(0889.0kgm/891.546.00333.081.3265.0)46.0375.042.57(08899.03 /kgm075.1)46.0375.042.57(01866.0)S375.0C(01866.032ararROwwV理论氮气容积：理论水蒸汽容积：/kgm
27、661.493.0008.0891.579.0N008.079.0300N2arwVV 00OH0161.00124.0H111.02VMwwVararkgm/627.0891.50161.085.80124.081.3111.03实际水蒸汽容积：实际烟气量：/kgm646.0891.5)12.1(0161.0627.0)1(0161.0300OHOH22VVVpj891.5)12.1(646.0661.4075.1)1(0OH0NRO222VVVVVpjy 7563./mkg (2)炉膛出口烟气焓 理论空气焓：理论烟气焓：烟气焓：IcVlkok().0159558919396 kJ/kgIc
28、VcVcVyo()()()CORONN0H OH O0222222kJ/kg11046627.01925661.41544075.12458kJ/kg129259396)12.1(11046)1(00lkyyIII(二)锅炉热平衡计算 热平衡计算主要确定锅炉的各项热损失、锅炉效率以及燃料消耗量。1、热平衡基本原理 所谓锅炉热平衡是指锅炉的输入热量与输出热量(包括有效利用热和各项热损失)之间的平衡。图2-6为锅炉热平衡示意图 根据图2-6可以写出如下热平衡方程式：(2-41)QQQQQQQr123456图2-6 锅炉热平衡示意图1上联箱 2上锅筒 3下锅筒 4空气予热器 5省煤器 6烟囱 漏煤不
29、完全燃烧热损失 炉渣不完全燃烧热损失 飞灰不完全燃烧热损失 Qlm4Qlz4Qfh4 热平衡式常以输入热量为基准的百分数来表示，即(2-42)在锅炉设计中，通常根据锅炉热平衡的基本原理及锅炉效率来确定锅炉的燃料消耗量。锅炉效率的确定有两种方法 正平衡效率 根据锅炉有效利用热占输入锅炉热量的百分数来表示，即(2-43)(%),%100654321qqqqqq%1001rQQ 反平衡效率 把输入锅炉的热量可作为百分之一百，然后扣除锅炉的各项热损失，即(2-44)2、输入锅炉的热量(2-45)对于工业锅炉或无其它热量带入的锅炉 3、锅炉的有效利用热 对于有过热器、再热器的锅炉(2-46)fqqqqq
30、q100123456()(%)QrQQQQQrnet v arrxwlwh,QQrnet v ar,Q1)()()(1.1gspwpwmzrzrzrmgsgqgqmhhqhhqhhqBQ4 灰平衡基本原理 所谓灰平衡是指燃料中含的灰量应该等于飞灰、灰渣、漏煤中灰分之和，即（2-49）根据灰平衡的基本原理，灰渣、飞灰、漏煤的灰比之和应该等于百分之一百，即有：（2-50）100100100100100100100LmLmfhfhhzhzarCBGCBGCBGALmfhhzaaa1 比较(2-49)和(2-50)有：(2-51)(2-52)(2-53)arhzhzhzABCwGa)100(arfhf
31、hfhABCwGa)100(arLmLmLmABCwGa)100(图2-7 锅炉散热损失1有尾部受热面 2无尾部受热面 5锅炉的各项热损失及燃料消耗量的计算 锅炉的各项热损失的计算按表2-8计算：表2-8 锅炉各项热损失名 称符号单位计 算 公 式固体不完全kJ/kg燃烧热损失%排烟热损失kJ/kg%气体不完全kJ/kgQ4q4Q2q2Q3)C100CaC100CaC100Ca(A328.6LmLmLmfnfnfhhzhzhzarQQr4100)100100)(40)2()1(qIIkpypyQQr2100)100()S375.0C(2364ararCO2ROCOq燃烧热损失%散热损失kJ/k
32、g 各区段的散热强度；各区段的散热面积%或 查图2-7；额定蒸发量kg/h 实际蒸发量kg/h 灰渣物理热kJ/kg损失QQr3100q311122BqFqFq Fnn()qqn1FFn1QQr51000.55memqqqq Q5q5emq.0.mqQ6100)()3(arhzhzAcaq6QQr61005q 锅炉燃料消耗量按下式计算：kg/s （2-54）考虑机械不完全燃烧热损失，在锅炉计算中，应对B进行修正，则得计算燃料消耗量 为，kg/s （2-55）100rQQBjB10014qBBj第三节第三节 锅炉燃烧设备锅炉燃烧设备一、火床燃烧设备一、火床燃烧设备 火床燃烧是指燃料主要在火床(又
33、称炉排)上完成燃烧全过程的一种燃烧方式。特点是燃料按一定厚度均匀地铺在炉排面上燃烧。火炉的种类有：固定炉排炉、链条炉排炉、抛煤机炉排炉、振动炉排炉、生物质锅炉等.如图2-8为链条炉排炉、图2-9为往复炉排炉、图2-10为四通道生物质锅炉.1-煤斗 2-前拱 3-水冷壁 4-凝渣管 5-对流受热面 6-省煤器 7-空气预热器 8-后拱 9-从动轮 10-渣斗11-链条 12-风室 13-主动轮 14-煤闸门图2-8 SHL型10T/H链条炉排炉 插图SHL型锅炉图2-9 往复炉排炉a)倾斜式往复炉排炉 b)水平式往复炉排炉1-活动炉排气 2-固定炉排片 3-支承棒 4-炉拱 5-燃尽炉排6-渣斗
34、 7-固定梁 8-活动框架 9-滚轮 10-电机 11-推拉杆12-偏心轮 图2-10 四通道生物质锅炉 1给料装置 2炉膛 3第二烟道 4第三烟道 5第四烟道 (一)链条炉排炉 燃烧效率高，环境污染小及机械化程度较高。1、基本结构和工作原理 见图1-8。2、链条炉排的燃烧过程及其基本特性 链条炉的燃烧过程是自前向后分区段进行的，从 理论上分析共有四个区段，见图2-11。AK线以前燃料预热干燥区段；ABHKA为挥发分析出并燃烧的区段；图2-11 链条炉的燃烧过程示图1-燃料预热干燥区段 2-挥发分析出燃烧区段 3a-焦炭氧化区段 3b-焦炭还原区段 4-灰渣燃尽区段 BCDEFGHB为焦炭着火
35、燃烧区段，这是整个燃烧过程的主要阶段，其中下层为氧化层，上层为还原层；最后是灰渣燃尽区段。链条炉的燃烧特性主要是着火特性和气体成分分布特性。合理的设计前后炉拱结构，良好地组织炉内燃烧空气动力工况是十分重要的。图2-12示出了火床炉炉拱结构及流动图谱。常规炉拱设计的结构参见图2-12c。链条炉排上气体成分分布特性见图2-13a。为了满足燃烧的需要应按2-13b中曲线5组织分级配风。图2-12 火床炉炉拱结构及流动图谱a)“L”形火焰燃烧 b)“”形火焰燃烧 c)链条炉前后拱尺寸图图2-13 链条炉排上烟气成分及空气量的变化曲线a)对应炉排各燃烧阶段上烟气成分分布 b)空气量的变化1-无分段送风时
36、空气供应量 2-燃烧所需空气量 3-挥发分燃烧所需空气量 4-焦炭燃烧所需空气量 5-分段送风空气供应量（二）生物质锅炉 生物质能源将成为未来持续能源重要部分.中国的生物质种类主要来自农业废弃物、薪柴、林业废弃物、有机废弃物、工业废弃物,农业废弃物是中国最主要的生物质资源。生物质燃料的特点是：挥发分高，析出温度低且析出过程迅速；水分含量多变，高水分会影响燃烧初始阶段；灰分少，质地轻软，半焦活性高，燃烬快；低硫，多数一年生草本类生物质钾、氯含量高，具有很高的腐蚀性。生物质在炉膛的燃烧过程和煤有明显的区别:炉膛设计应相对宽大,确保挥发分能充分燃烧，采用多通道形式，保证烟气到达对流过热器时已经低于灰
37、熔点温度，同时烟气在多通道转向时对飞灰起到分离作用，减少尾部的灰浓度，降低尾部受热面积灰的可能;为防止在炉膛下部产生还原区，形成氯、钾腐蚀和积灰，用布置二次风的形式来使管壁附近为富氧区;对于屏式过热器工作点处在可能腐蚀区，故一般采用在管子外壁热喷涂的形式进行处理;对流过热器、省煤器均采用大横向间距顺列布置，在尾部对流受热面处布置吹灰器.生物质燃烧的主要设备为流化床或火床燃烧。应用较多的火床燃烧方式有水冷振动炉排炉(图2-14)、链条炉排炉和往复炉排炉(图2-15).生物质燃料在火床上燃烧的基本方式和配风方式与燃煤时相似 图2-14 水冷振动炉排生物质锅炉示意图 1绞轮给料装置 2水冷炉排 3振
38、动电机及偏心轮 4风室 图2-15是滚筒炉排和往复炉排生物质锅炉示意图 （三）火床燃烧的热力学特性参数 炉排面积热负荷 炉排单位面积在单位时间内燃料燃烧所放出的热量，以此来表示燃烧的强烈程度，即(2-56)qRqBQRRnet v ar,炉膛容积热负荷 单位容积和单位时间内燃料燃烧的放热量，即(2-57)表2-11(略)为火床炉炉排面积热负荷 与炉膛容积热负荷 的推荐值。qVqBQVVnet v ar,qRqV二、火室燃烧设备 火室燃烧是指燃料在炉膛空间中以悬浮状态完成燃烧全过程的一种燃烧方式。它可以燃用固体、液体及气体燃料。燃用固体燃料的火室炉通常称为煤粉炉，煤粉炉燃烧的煤粉必须很细，粒径一
39、般在以下，以有利于燃烧。火室燃烧的燃烧器是由一、二、三次风口的有机结合，并有直流式和旋流式燃烧器两大类型。而炉膛、制粉系统和燃烧器共同组成燃烧设备。如图2-156和图2-18。（一）煤粉的燃烧过程 煤粉在炉内的停留一般仅2-3秒钟。煤必须加热到一定的温度才能着火，此温度称为着火温度，见表2-12。通常挥发分含量高的煤，其挥发分开始析出温度低，容易着火。煤粉空气混合物较难点燃，这是煤粉燃烧的特点之一。表2-13中示有煤粉气流中煤粉的着火温度。在煤粉气流着火燃烧的过程中，首要条件是要有足够高的温度。当煤粉着火后，就必须适时提供燃烧所需要的氧气和有足够的燃烧时间才能达到燃料的完全燃烧。因此，合理布置
40、燃烧器，炉膛设计要有足够的容积和高度，很重要。表2-12 煤的着火温度煤 种着火温度()煤 种着火温度()泥 煤225无烟煤700800褐 煤250450治金焦炭700750烟 煤400500表2-13 不同煤种煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度煤 种干燥无灰基挥发分Vdaf/(%)着火温度煤 种干燥无灰基挥发分Vdaf/%着火温度/褐 煤50550贫 煤14900烟 煤403020650750840无烟煤101000（二）旋流燃烧器结构布置及其特性 旋流燃烧器是指出口气流绕燃烧器轴线而旋转的一种燃烧器。其结构及其布置型式和炉内气流组织如图2-16所示。燃烧器结构有一、二次风都旋转的双蜗壳旋流燃烧器
41、；一次风直流，二次风旋转的轴向可调叶轮式旋流燃烧器；一次风直流，切向可调叶片式旋流燃烧器以及各种分级送风低NOX燃烧器。插图2-7为某种旋流式煤粉燃烧器的实物照片。图2-16 旋流式煤粉燃烧器及其布置型式和炉内气流组织a)双蜗壳旋流燃烧器 b)轴向可调叶轮式旋流燃烧器 c)切向可调叶片式旋流燃烧器d）空气分级低NOX燃烧器e)旋流燃烧器布置型式及炉内气流组织插图2-7 旋流式煤粉燃烧器（1）旋转射流的特点 旋转射流通过各种型式的旋流器来产生，其流线如图2-17所示。旋转射流具有如下特点：(a)旋转射流不但具有旋转向前的速度，又有切向速度，初期扰动非常强烈。(b)切向速度衰减得很快，后期扰动不够
42、强烈。旋转射流的射程也比较短。(c)旋流燃烧器的着火热来自两方面。一是回流区的高温烟气；二是旋转射流从射流的外边界卷吸周围的高温烟气。(d)旋转射流的扩展角较大。一叶轮锥半角；一叶片倾斜角；一环形通道宽度；一环形通遭出口处的外直径图217 旋转射流的流线000bD(2)旋流燃烧器的空气动力参数 决定旋转射流旋转强烈程度的特征参数是旋流强度n。旋流强度n 定义为气流相对于轴线的旋转动量矩M与气流的轴向动量K及定性尺寸L乘积的比值。即（2-58）其中：（2-59）KLMn 22020s/)mkg(drrdwwrdAwwMqrzqAz 轴向动量K为：(2-60)因此(2-61)从（2-61）可知，旋
43、转愈强烈的气流，旋流强度n也愈大。ZqrzrqzwQLrwQrdrPwLdrrwwn02022202022s/)mkg(ddPwrdAPwKrzAz（3）旋流燃烧器的设计参数 旋流燃烧器的性能除由燃烧器的型式和结构特性决定外，还与它的设计和运行参数有关。旋流燃烧器的主要设计和运行参数是一次风率及一次风速，二次风率及二次风速，一、二次风速比和热风温度等。通常一次风率、一次风速，二次风速、热风温度可参照表2-14、2-15、2-16选取。表2-14旋流燃烧器的一次风率的推荐值煤 种Vdaf(%)一次风率r1煤 种Vdaf(%)一次风率r1无烟煤2-100.15-0.20*烟 煤20-300.25-
44、0.30贫 煤 11-190.15-0.2030-400.30-0.40褐 煤40-500.50-0.60*采用300C以上热风温度并采用热风送粉时r1=0.20-0.25表2-15 旋流燃烧器的一、二次风速的推荐值煤种无烟煤贫煤烟煤褐煤一次风速（m/s）12-1616-2020-2620-26二次风速（m/s）15-2220-2530-4025-35煤种无烟煤贫煤及劣质烟煤烟煤,洗中煤褐煤热风干燥烟气干燥热风温度(C)380-430330-380280-350350-380300-350表2-16 不同煤种的热风温度（三）直流燃烧器 直流燃烧器是由一组矩形或圆形的喷口组成，喷出的一、二次风都
45、是不旋转的直流射流。结构和布置形式如图2-18所示。在我国，应用最广的是四角布置切圆燃烧方式。插图2-8为某种直流式煤粉燃烧器的实物照片。图2-18 直流式煤粉燃烧器及其布置型式和炉内气流组织)四角布置切向燃烧煤粉炉 ）四角布置切向燃烧煤粉炉炉内气流结构）U形火焰锅炉）W形火焰锅炉）角置直流式煤粉燃烧器）切向燃烧直流式煤粉燃烧器的各种布置方式插图2-8 直流式煤粉燃烧器 1、直流射流的基本特性 由直流式燃烧器喷出的气流是湍流自由射流。射流轴心线的速度在基本段中一路减小。射流中各断面上的轴向速度从轴心线上的最大值降到射流外边界处的零。射流外边界线近似为一条直线，如图2-19所示。保持初速 为的三
46、角形区域称为射流等速核心区。射流的内外边界间就是湍流边界层，湍流边界层内的流体是射流本身的流体以及卷吸进来的周围气体。0w1-喷口；2-射流等速核心区；3-射流边界层；4-射流的外边界；5-射流内边界；6-射流源点；7-扩展角；8-速度分布图2-19 等温自由射流的结构特性及速度分布 在转折截面前的射流段称为初始段，在转折截面以后的射流称为基本段。射流的内、外边界都可近似地认为是一条直线。扩展角的大小与射流喷口的截面形状和喷口出口速度分布情况有关。在实际锅炉工作中，主要研究基本段的射流特性。射流在基本段中各截面的速度分布是相似的，可用下面的半经验公式加以描述：（2-62）2231mmxRyww
47、 在基本段内，在轴线上的轴向速度沿射流流动方向上的变化规律为：对于圆形喷口：（2-63）对于矩形喷口：（2-64）29.096.000Raxwwm41.02.100baxwwm 射流的扩展角为：对于圆形喷口：(2-65)对于矩形喷口：(2-66)atg4.32atg4.222、直流燃烧器设计布置原则 直流燃烧器设计时控制的主要参数有喷口结构尺寸、燃烧器总高度、一、二、三风率和风速以及与组织燃烧有关的炉膛横断面和假想切圆直径等；在运行中控制的主要参数是一、二、三风速、煤粉浓度。图2-20是针对不同煤种的切向燃烧直流煤粉燃烧器喷口常用的布置方式。燃烧器的高宽比是反映气流抗偏转能力的重要结构特征参数
48、。一般设计时h/b约在6-7m。为了提高射流的“刚性”，对大容量锅炉可以将整个燃烧器分组布置，组间距与燃烧器喷口宽度的比值应大于2。炉膛横断面最好是正方形或长宽比小于1.2的长方形。炉内假想切圆直径是四角切向燃烧的一个重要布置参数。对于固态除渣炉，推荐假想切圆直径 。一、二、三次风速、风率的设计推荐值如表2-17。Bdjx12.005.0图2-20燃烧不同煤种的切向燃烧直流煤粉燃烧器喷口常用的布置方式一次风二次风三次风风率(%)风速(m/s)风率(%)风速(m/s)风率(%)风速(m/s)无烟煤1825固态除渣贫 煤202510184060表2-17 燃烧器一、二、三次风速、风率推荐值2025
49、1216*202616204555152245552025炉贫 煤2535褐 煤2045液态除渣无烟煤贫 煤偏固态炉的下限值2530407010184060炉烟 煤同 上3050701018406025352026183020264055304040602535*分子为直流燃烧器，分母为旋流燃烧器（四）（四）煤粉的燃尽及锅炉设计的热力特性参数 必须合理选取炉膛容积热负荷，正确设计炉膛，以满足燃烧和传热两方面的要求。在锅炉容量和所燃烧的燃料决定以后，炉膛容积的大小就取决于所选用炉膛容积热负荷 值的高低 值的统计值见表2-18。在大型电站煤粉锅炉的设计中，还需引入炉膛截面热负荷 来核定炉膛燃烧器区
50、域的截面积F。qVqVqF 炉膛截面热负荷 是指燃烧器区域单位炉膛截面积上燃料燃烧放热的热功率。(2-67)值的大小直接影响到燃烧火焰的稳定性和炉膛壁面的结渣状况。的统计值见表2-19。qFqB QFFnet v ar,qFqF煤 种固态排渣炉液 态 排 渣 炉开式炉膛半开式炉膛熔渣段2)无烟煤110-140145169523-698贫 煤116-163151-186163-198523-698烟 煤1)140-198186198523-640褐 煤93-151表2-18 炉膛容积热负荷的统计值锅炉蒸发量t/h/kg/s220/61.1400,410/111,114670/186切向燃烧褐煤、
