鍋爐的發(fā)展
鍋爐的發(fā)展分鍋和爐兩個方面:
18世紀上半葉,英國煤礦使用的蒸汽機,包括瓦特的初期蒸汽機在內(nèi),所用的蒸汽壓力等于大氣壓力。18世紀后半葉改用高于大氣壓力的蒸汽。19世紀,常用的蒸汽壓力提高到0.8兆帕左右。與此相適應(yīng),最早的蒸汽鍋爐是一個盛水的大直徑圓筒形立式鍋殼,后來改用臥式鍋殼,在鍋殼下方磚砌爐體中燒火。
隨著鍋爐越做越大,為了增加受熱面積,在鍋殼中加裝火筒,在火筒前端燒火,煙氣從火筒后面出來,通過磚砌的煙道排向煙囪并對鍋殼的外部加熱,稱為火筒鍋爐。開始只裝一只火筒,稱為單火筒鍋爐或康尼許鍋爐,后來加到兩個火筒,稱為雙火筒鍋爐或蘭開夏鍋爐.
1830年左右,在掌握了優(yōu)質(zhì)鋼管的生產(chǎn)和脹管技術(shù)之后出現(xiàn)了火管鍋爐。一些火管裝在鍋殼中,構(gòu)成鍋爐的主要受熱面,火(煙氣)在管內(nèi)流過。在鍋殼的存水線以下裝上盡量多的火管,稱為臥式外燃回火管鍋爐。它的金屬耗量較低,但需要很大的砌體。
19世紀中葉,出現(xiàn)了水管鍋爐。鍋爐受熱面是鍋殼外的水管,取代了鍋殼本身和鍋殼內(nèi)的火筒、火管。鍋爐的受熱面積和蒸汽壓力的增加不再受到鍋殼直徑的限制,有利于提高鍋爐蒸發(fā)量和蒸汽壓力。這種鍋爐中的圓筒形鍋殼遂改名為鍋筒,或稱為汽包。初期的水管鍋爐只用直水管,直水管鍋爐的壓力和容量都受到限制。
二十世紀初期,汽輪機開始發(fā)展,它要求配以容量和蒸汽參數(shù)較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著制造工藝和水處理技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了彎水管式鍋爐。開始是采用多鍋筒式。隨著水冷壁、過熱器和省煤器的應(yīng)用,以及鍋筒內(nèi)部汽、水分離元件的改進,鍋筒數(shù)目逐漸減少,既節(jié)約了金屬,又有利于提高鍋爐的壓力、溫度、容量和效率。
以前的火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐都屬于自然循環(huán)鍋爐,水汽在上升、下降管路中因受熱情況不同,造成密度差而產(chǎn)生自然流動。在發(fā)展自然循環(huán)鍋爐的同時,從30年代開始應(yīng)用直流鍋爐,40年代開始應(yīng)用輔助循環(huán)鍋爐。
輔助循環(huán)鍋爐又稱強制循環(huán)鍋爐,它是在自然循環(huán)鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在下降管系統(tǒng)內(nèi)加裝循環(huán)泵,以加強蒸發(fā)受熱面的水循環(huán)。直流鍋爐中沒有鍋筒,給水由給水泵送入省煤器,經(jīng)水冷壁和過熱器等蒸發(fā)受熱面,變成過熱蒸汽送往汽輪機,各部分流動阻力全由給水泵來克服。
第二次世界大戰(zhàn)以后,這兩種型式的鍋爐得到較快發(fā)展,因為當時發(fā)電機組要求高溫高壓和大容量。發(fā)展這兩種鍋爐的目的是縮小或不用鍋筒,可以采用小直徑管子作受熱面,可以比較自由地布置受熱面。隨著自動控制和水處理技術(shù)的進步,它們漸趨成熟。在超臨界壓力時,直流鍋爐是唯一可以采用的一種鍋爐,70年代最大的單臺容量是27兆帕壓力配1300兆瓦發(fā)電機組。后來又發(fā)展了由輔助循環(huán)鍋爐和直流鍋爐復合而成的復合循環(huán)鍋爐。
在鍋爐的發(fā)展過程中,燃料種類對爐膛和燃燒設(shè)備有很大的影響。因此,不但要求發(fā)展各種爐型來適應(yīng)不同燃料的燃燒特點,而且還要提高燃燒效率以節(jié)約能源。此外,爐膛和燃燒設(shè)備的技術(shù)改進還要求盡量減少鍋爐排煙中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)
早年的鍋殼鍋爐采用固定爐排,多燃用優(yōu)質(zhì)煤和木柴,加煤和除渣均用手工操作。直水管鍋爐出現(xiàn)后開始采用機械化爐排,其中鏈條爐排得到了廣泛的應(yīng)用。爐排下送風從不分段的“統(tǒng)倉風”發(fā)展成分段送風。
早期爐膛低矮,燃燒效率低。后來人們認識到爐膛容積和結(jié)構(gòu)在燃燒中的作用,將爐膛造高,并采用爐拱和二次風,從而提高了燃燒效率。
發(fā)電機組功率超過6兆瓦時,以上這些層燃爐的爐排尺寸太大,結(jié)構(gòu)復雜,不易布置,所以20年代開始使用室燃爐,室燃爐燃燒煤粉和油。煤由磨煤機磨成煤粉后用燃燒器噴入爐膛燃燒,發(fā)電機組的容量遂不再受燃燒設(shè)備的限制。自第二次世界大戰(zhàn)初起,電站鍋爐幾乎全部采用室燃爐。
早年制造的煤粉爐采用了U形火焰。燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛中先下降,再轉(zhuǎn)彎上升。后來又出現(xiàn)了前墻布置的旋流式燃燒器,火焰在爐膛中形成L形火炬。隨著鍋爐容量增大,旋流式燃燒器的數(shù)目也開始增加,可以布置在兩側(cè)墻,也可以布置在前后墻。1930年左右出現(xiàn)了布置在爐膛四角且大多成切圓燃燒方式的直流燃燒器。
第二次世界大戰(zhàn)后,石油價廉,許多國家開始廣泛采用燃油鍋爐。燃油鍋爐的自動化程度容易提高。70年代石油提價后,許多國家又重新轉(zhuǎn)向利用煤炭資源。這時電站鍋爐的容量也越來越大,要求燃燒設(shè)備不僅能燃燒完全,著火穩(wěn)定,運行可靠,低負荷性能好,還必須減少排煙中的污染物質(zhì)。
在燃煤(特別是燃褐煤)的電站鍋爐中采用分級燃燒或低溫燃燒技術(shù),即延遲煤粉與空氣的混合或在空氣中摻煙氣以減慢燃燒,或把燃燒器分散開來抑制爐溫,不但可抑制氮氧化物生成,還能減少結(jié)渣。沸騰燃燒方式屬于一種低溫燃燒,除可燃用灰分十分高的固體燃料外,還可在沸騰床中摻入石灰石用以脫硫。
二、鍋爐的工作
鍋爐參數(shù)是表示鍋爐性能的主要指標,包括鍋爐容量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度等.鍋爐容量可用額定蒸發(fā)量或最大連續(xù)蒸發(fā)量來表示。額定蒸發(fā)量是在規(guī)定的出口壓力、溫度和效率下,單位時間內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。最大連續(xù)蒸發(fā)量是在規(guī)定的出口壓力、溫度下,單位時間內(nèi)能最大連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。
蒸汽參數(shù)包括鍋爐的蒸汽壓力和溫度,通常是指過熱器、再熱器出口處的過熱蒸汽壓力和溫度如沒有過熱器和再熱器,即指鍋爐出口處的飽和蒸汽壓力和溫度。給水溫度是指省煤器的進水溫度,無省煤器時即指鍋筒進水溫度。
鍋爐可按照不同的方法進行分類。鍋爐按用途可分為工業(yè)鍋爐、電站鍋爐、船用鍋爐和機車鍋爐等;按鍋爐出口壓力可分為低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力等鍋爐;鍋爐按水和煙氣的流動路徑可分為火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐,其中火筒鍋爐和火管鍋爐又合稱為鍋殼鍋爐;按循環(huán)方式可分為自然循環(huán)鍋爐、輔助循環(huán)鍋爐(即強制循環(huán)鍋爐)、直流鍋爐和復合循環(huán)鍋爐;按燃燒方式,鍋爐分為室燃爐、層燃爐和沸騰爐等。
在水汽系統(tǒng)方面,給水在加熱器中加熱到一定溫度后,經(jīng)給水管道進入省煤器,進一步加熱以后送入鍋筒,與鍋水混合后沿下降管下行至水冷壁進口集箱。水在水冷壁管內(nèi)吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經(jīng)上升管到達鍋筒中,由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過熱器,繼續(xù)吸熱成為一定溫度的過熱蒸汽(目前大多300MW、600MW機組主汽溫度約為540℃左右),然后送往汽輪機。
在燃燒和煙風系統(tǒng)方面,送風機將空氣送入空氣預熱器加熱到一定溫度。在磨煤機中被磨成一定細度的煤粉,由來自空氣預熱器的一部分熱空氣攜帶經(jīng)燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒,放出大量熱量。燃燒后的熱煙氣順序流經(jīng)爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預熱器后,再經(jīng)過除塵裝置,除去其中的飛灰,最后由引風機送往煙囪排向大氣。