能源转化（锅炉原理）1

1、锅炉原理浙江大学热能工程研究所周俊虎 教授前 言一、学习目的 1、掌握炉内（燃烧与传热）和锅内（自然循环）过程理论； 2、了解锅炉机组特性及培养其运行分析能力； 3、计算（热力计算）和试验能力； 4、锅炉安全、经济运行知识； 5、为后续课程打基础。 能源与环境专业的主要专业课之一 二、与其他课程联系1、燃烧过程 化学反应热力学；2、工质流动特性 流体力学；理论深广，燃烧过程复杂。本课程将碰到许多经验公式。本课程与相关学科和课程之间的关系 传热学 锅炉课程设计 热力学 单元机组集控运行流体力学 毕业设计（锅炉） 数学 实际机组的设计、调试、 运行、控制 锅炉 三、本课程与本专业研究方向及与我国能

2、源和环保的关系1、研究内容：燃料中的化学能转化为热能的复杂过程；燃烧理论与技术；2、研究方向： 以先进的燃烧方式与燃烧技术设备为目标。4、本课研究涉及到环境保护 大气中主要污染物SO2、NOx、CO2、烟尘、重金属汞、氟、氯化氢等主要是燃煤时排放。这些污染物破坏环境，影响健康 低污染燃烧技术。四、本课程研究动态：认识学习锅炉的意义，引起极大的兴趣。1、主要的研究方向：高效低污染流化床燃烧技术FBC、CFBC；电站煤粉锅炉低污染和强化燃烧技术低污染燃烧技术；水煤浆代油燃烧技术水煤浆气化；煤和生物质的气化技术，并共生汽、气、电三联产技术；多相流动理论与计算机辅助数值试验技术(CAT)；废弃物焚烧技

3、术垃圾、有机废水；煤炭和灰渣综合利用技术；烟气除尘脱硫、脱硝技术；制氢技术（实现零排放）、燃料电池等。五、本课程教学1、内容： 重点讲固体（煤粉）燃料燃烧、带汽包的自然循环锅炉。2022/7/23Principles of Boiler Page 11学习方法把问题在课堂弄懂。认真完成作业。把握锅与炉两条线索。重视实验与生产实习。运用学过的理论知识分析实际问题。12教材与参考书目 1锅炉原理，樊泉桂主编，中国电力出版社,2008; 2电站锅炉原理，容銮恩等合编，中国电力出版社,1997； 3锅炉原理（第二版），周强泰主编，中国电力出版社，2009； 4锅炉原理，陈学俊、陈听宽主编，机械工业出版

4、社。绪 论一、本章内容 概要介绍电站锅炉的作用、设备构成、工作过程、类型、发展趋势。二、目的 对电站锅炉有一个初步的总体概念。 锅炉利用燃料燃烧释放的热能加热给水，获得规定参数（温度、压力）和品质的蒸汽的设备是进行燃料燃烧、热量传递和水汽化过程的综合装置，是火力发电厂的三大主要设备之一；（锅炉，汽机，发电机）1、锅炉简介锅炉制造国外主要产商： B&W， ABB， CE， Alstom， Fosterwheeler, 三凌，日立，西门子国内： 哈锅、东锅、上锅、武汉、北京、杭州、济南、无锡建国初，1200 g/(kWh) 煤耗高的原因之一：热电联产比例小技术水平（煤耗）我国电力的平均供电煤耗，从

5、1990年的427g/(kWh)下降到1995年的412g/(kWh)，仍比世界先进国家高80多g/(kWh)。 2007年为357 /(kWh)，目前为320g/kWh.2、锅炉机组的工作过程锅炉的组成(炉内、锅内)锅炉虽是一个整体，但从功能上可分成“炉侧”、“锅侧”炉煤、空气 烟、飞灰、炉渣制粉系统燃烧系统风烟系统水、汽锅汽水系统除渣除灰清灰 系统东方600MW超临界锅炉锅炉设备整体布置图片锅炉设备整体布置图片东方600MW超临界锅炉锅炉设备整体布置图片Principles of Boiler Page 25HG-亚临界自然循环汽包锅炉锅炉设备整体布置图片锅炉设备动画第一节 火力发电厂生产

6、过程及热力系统 一、发电的原动力火力、水力、核能、风力、太阳能、 生物质能等；我国火力发电占总发电量的75以上；火力发电中燃煤机组占90以上，其它为燃油、燃气机组。二、火力发电厂生产过程和热力系统 燃料化学能 热能 机械能 电能 （锅炉） （汽轮机） （发电机）三、锅炉的作用 锅炉是利用燃料的热能或工业生产中的余热，将工质加热到一定温度和压力的换热设备。在锅炉内实现下叙过程 电站锅炉是火力发电厂三大主机之一，又称为蒸汽发生器。火力发电厂能量转换的基本过程 燃烧 热交换 燃料的化学能 烟气的热能 蒸汽(或热水)的热能 燃煤电厂的Flash动画锅炉锅炉本体辅助设备锅炉机组电站锅炉机组组成 第二节

7、锅炉的工作原理及构成从总体上看锅炉的构成 ： 锅炉 = 锅 + 炉 锅：工质侧（汽水侧 ） 炉：空气、燃料、烟气侧 锅炉系统 = 锅炉本体 + 辅助设备（系统） 1.本体锅：汽水系统容纳汽水的空间。下降管、汽包、 水冷壁、联箱、过热器、再热器、省煤器(承高压)炉：燃烧系统炉膛、燃烧器、烟道(非承高压)、空气预热器 钢架与平台楼梯用于支承设备的重量及方便运行与检修 本体结构动画-炉膛本体结构动画-炉膛内部本体结构动画-省煤器本体结构动画-过热器2.辅机送风机、引风机 磨煤机、给煤机给粉机 除渣设备除尘器是协助锅炉运行不可缺少的。燃料制备，将燃料、空气连续地、有组织地送入炉膛，连续地排出燃烧产生的

8、烟气与灰渣，将烟气携带的飞灰分离出来等。 3.附件安全阀吹灰器水位计温度与压力测量仪表 4.典型布置介绍锅炉总体上呈型布置 悬吊式结构，各受压元件应能按预定方向自由膨胀锅炉设备整体布置图片流化床锅炉根据流体类型锅炉系统可分为： 给水与蒸汽工作流程烟气工作流程燃料工作流程灰渣流程空气工作流程锅炉工作原理动画锅炉工作原理(动画)1-原煤斗;2-给煤机;3-磨煤机;4-汽包;5-高温过热器;6-屏式过热器;7-下降管;8-炉膛水冷壁;9-燃烧器;10-下联箱;11-低温过热器;12-再热器;13-再热蒸汽出口;14-再热蒸汽入口;15-省煤器;16-给水;17-空气预热器18-排粉风机;19-排渣装

9、置;20-送风机;21-除尘器;22-引风机;23-烟囱锅炉工作原理动画2022/7/23Principles of Boiler Page 49给水与蒸汽工作流程给水进入省煤器，吸收烟气的热量，进入汽包;与分离器出水混合，进下降管，分配到每根水冷壁管;在水冷壁管中吸收火焰辐射热，形成汽水混合物;向上流动，由汽水导管引入汽包，进行汽水分离。分离出的饱和水与给水混合进入下降管。分离出的饱和蒸汽从汽包顶部引出，进入各级过热器主要有包覆过热器、屏式过热器、对流过热器等。形成过热蒸汽，被送到汽机高压缸。高压缸排汽被送到再热器，提高温度，再送到汽轮机的中低压缸。2022/7/23Principles o

10、f Boiler Page 50烟气工作流程在炉膛中，燃料燃烧不断放出热量，产生高温烟气。从炉膛流出、再进入水平烟道、垂直烟道、尾部烟道，并将热量传递给炉膛与烟道中布置的各种受热面，烟气的温度逐渐下降。最后经过除尘设备、脱硫设备、引风机，由烟囱排出到大气。2022/7/23Principles of Boiler Page 51燃料工作流程煤由煤仓进入给煤机，再入磨煤机，磨成煤粉；在排粉机的作用下，被干燥剂输送到粗粉分离器，将不合格的粗粉分离出，返回重磨。合格的煤粉被干燥剂输送到细粉分离器，将煤粉与气体分离开来，煤粉贮存在粉仓中；分离出来的气体叫乏气。乏气一部分送至磨煤机用于磨煤机的风量协调，

11、另一部分作为三次风。粉仓中的煤粉由给粉机按负荷的要求送到混合器，与一次风混合，送到燃烧器，进入炉膛燃烧。2022/7/23Principles of Boiler Page 52灰渣流程煤在炉膛内燃烧，最高温度可以达到15001600度(火焰中心)。煤中的灰分一部分随烟气流出炉膛，进入烟道，叫飞灰，约占95%，最后由除尘器将它分离出来;另一部分进入炉膛底部，由排渣装置排出，约占5%。2022/7/23Principles of Boiler Page 53空气工作流程外部冷空气由送风机提高压头后，送到空气预热器，成为热空气；送入磨煤机的是干燥剂；直接送到燃烧器喷口的助燃空气，叫二次风。外部冷空

12、气由一次风机提高压头后，送到空气预热器，成为热空气；送到一次风母管，分配到各一次风支管；与煤粉混合器中的煤粉混合，输送煤粉到燃烧器，进入炉膛。2022/7/23Principles of Boiler Page 54锅炉是一个密切联系的整体设备 “锅”与“炉”一个吸热，一个放热，是一个整体设备。水的循环流动及蒸汽的高速流动，不断地将受热面吸收的热量带走，使受热面得到良好的冷却。 1、燃料系统（1）作用： 根据炉膛燃烧及负荷需求，提供连续、 合格的燃料 。（2）主要设备及工作过程（燃煤系统） 图0-2中： 24 11 12 8 1 2、风烟系统（1）作用： 1）干燥、输送煤粉； 2）提供燃烧所需

13、的氧量； 3）把燃烧产生的热量传给工质。（2）主要设备及工作过程 图0-2中： 14 5 8 1,2,3,4,5,16,22,15,23 13,12 3、汽水系统（1）作用： 吸收烟气热量，把给水加热成过热蒸汽。（2）主要设备及工作过程 图0-2中： 19 4 17 6 7 10 1 6 2 18 （去汽轮机高压缸） 20 3 21 （去汽轮机中压缸）第四节 锅炉的分类 目的： 生产、运行、管理的标准化、规范化 方法： 按工质参数、燃烧方式、设备布置、 用途等进行分类。 60额定蒸发量（BRL-boiler rated load）在额定蒸汽参数，额定给水温度和使用设计燃料，保证热效率时所规定的

14、蒸发量，单位为t/h（或kg/s）注：热水锅炉容量为单位时间的产热量。单位为MW（或万大卡/时） 最大连续蒸发量（BMCR-boiler maximum continuous rating ）在额定蒸汽参数，额定给水温度和使用设计燃料，长期连续运行所能达到的最大蒸发量，单位为t/h（或kg/s ） 锅炉容量锅炉的容量和参数61 在规定负荷范围内长期连续运行应能保证的出口蒸汽参数。 额定蒸汽压力（对应规定的给水压力），单位是MPa； 额定蒸汽温度（对应额定蒸汽压力和额定给水温度），单位是0C锅炉的容量和参数额定蒸汽参数分类方式锅炉类型简要说明按出口工质物态蒸汽锅炉锅炉出口工质为蒸汽热水锅炉锅炉出

15、口工质为热水有机热载体炉有机热载体（导热油）锅炉工质按用途电站锅炉发电厂带动汽轮机发电工业锅炉用于工业生产生活锅炉用于日常生活按锅炉的燃烧方式火床炉采用火床燃烧方式室燃炉采用火室燃烧方式流化床锅炉采用流化床燃烧方式旋风炉采用旋风燃烧方式锅炉的分类按燃料的种类燃煤锅炉锅炉中使用的燃料为煤燃油锅炉锅炉中使用的燃料为燃油燃气锅炉锅炉中使用的燃料为燃气其他燃料木材、垃圾按工质循环方式自然循环锅炉利用下降管与上升管之间的介质密度差建立循环。控制循环锅炉主要依靠锅水循环泵的压头进行循环直流锅炉给水靠给水泵的压头，一次通过锅炉各受热面产生蒸汽低倍率复合循环锅炉依靠锅水循环泵将蒸发受热面出口的全部或部分工质进

16、行再循环的锅炉。分为：全负荷复合循环锅炉和部分负荷复合循环锅炉锅炉的分类64分类方式锅炉类型简要说明按燃烧室内的压力负压燃烧锅炉炉膛出口烟气静压小于大气压力压力（和微正压）燃烧锅炉炉膛出口烟气静压大于大气压力按排渣方式固态排渣锅炉燃料燃烧后生成的灰渣呈固态排除液态排渣锅炉燃料燃烧后生成的灰渣呈液态从渣口流除按锅炉的蒸汽压力低压锅炉不大于2.45MPa 中压锅炉2.94-4.90 MPa 高压锅炉7.84-10.8 MPa 超高压锅炉11.8-14.7 MPa 亚临界锅炉15.7-19.6 MPa 超临界锅炉绝对压力超过临界压力22.1 MPa 锅炉的分类65锅炉的分类当压力升高到22.1MPa

17、时，t373.99，如图中C点所示。此时饱和水和饱和蒸汽已不再有分别，此点称为水的临界点，其压力，温度和比容分别称为临界压力，临界温度和临界比容。水定压汽化过程的T-s图当温度大于临界温度时，不论压力多大，再也不能使蒸汽液化。一、按容量和参数分类 1、按容量（最大连续蒸发量D）分类D670t/h： 小型 （对应1000t/h： 大型 （对应300MW发电机组） 锅炉的出力（蒸发量）分有：1）BMCR(boiler maximum continuous rating) 锅炉最大连续出力；2）BRL(boiler rated load) 锅炉额定负荷（出力）；3）ECR(economical co

18、ntinuous rating) 经济连续出力。2、按参数（额定工况过热蒸汽压力）（书p.6）低压锅炉（2.45 MPa)中压锅炉（2.94 4.92 MPa)高压锅炉（7.8 10.8 MPa)超高压锅炉（11.8 14.7 MPa)亚临界压力锅炉（15.7 19.6 MPa)超临界压力锅炉（22.12 MPa)超超临界压力锅炉（26 MPa)3、锅炉型号 一般由5个部分组成。举例说明 ： SG1910/25.4M951 SG上海锅炉厂制造 1910最大连续蒸发量BMCR（t/h） 25.4BMCR过热蒸汽压力（表压，MPa） M燃煤（燃油Y，燃气Q，其它T） 951设计序号 HG1952/

19、25.4YM1 HG哈尔滨锅炉厂制造 1952最大连续蒸发量BMCR（t/h） 25.4BMCR过热蒸汽压力（表压，MPa） YM设计燃料为烟煤 1设计序号DG670/13.7540/5405DG东方锅炉厂制造； 670最大连续蒸发量BMCR（t/h）； 13.7BMCR过热蒸汽压力（表压，Pa）； 540过热蒸汽温度（）； 540再热蒸汽温度（）； 5设计序号。71压力级别参 数锅炉容量BMCR（t/h）发电功率（MW）蒸汽压力（MPa）蒸汽温度（）给水温度（）中压3.945015017235，651306，1225高压9.9540205-225220，41050，100超高压13.8540

20、/540220-250420，670125，200亚临界16.8-18.6540/540250-28010252008300600超临界25-27.6545545-605605267-3021900-3033600100025545/545267-2771650-2650500，800锅炉的容量和参数我国电站锅炉参数、容量系列锅炉的容量和参数亚临界压力自然、控制循环锅炉参数机组功率300300300600600MWMWMWMWMWMW循环方式自然循环控制循环自然循环自然循环控制循环过热蒸汽流量 MCR1025102510252026.82008再热蒸汽流量，t/h860834.8823.817

21、04.21634过热蒸汽压力，MPa18.218.318.318.1918.22再热蒸汽压力，MPa4/3.793.83/3.623.82/3.664.176/4.33.49/3.31锅炉的容量和参数亚临界压力自然、控制循环锅炉参数机组功率300300300600600MWMWMWMWMWMW过热蒸汽温度，540541540540.6540.6再热蒸汽温度，330/540322/541316/540313/540313.3/540.6给水温度，276281278276278.33燃煤量，t/h136.61139.89122.6264.4269.9燃烧方式四角燃烧四角燃烧对冲燃烧对冲燃烧四角燃烧

22、锅炉的容量和参数超临界、超超临界直流锅炉参数机组功率，MW600500800500过热蒸汽流量 MCR1900165026501650再热蒸汽流量，t/h161314812151.51481过热蒸汽压力，MPa25.4252517.46再热蒸汽压力，MPa4.77/4.574.15/3.93.86/3.624.21/4过热蒸汽温度，541545545540锅炉的容量和参数超临界、超超临界直流锅炉参数机组功率，MW600500800500再热蒸汽温度，338/566295/545283/545333/540给水温度，286270277255燃煤量，t/h-208336.5-燃烧方式四角燃烧对冲燃

23、烧对冲燃烧对冲燃烧水冷壁型式螺旋管圈垂直管屏垂直管屏垂直管屏锅炉的容量和参数国外超临界参数机组的发展方向主蒸汽压力，bar290305335400主蒸汽温度，582582610700再热蒸汽压力，bar807493112再热蒸汽温度，580600630720循环热效率，%4749505255二、按燃烧方式分类 1、 室燃炉 2、 层燃炉 3、 流化床炉 4、 旋风炉 （各自的特点：书p.67）火床炉固体燃料以一定厚度分布在炉排上进行燃烧的方式用火床燃烧方式来组织燃烧的锅炉-链条炉、人工炉、炉排炉等炉排结构复杂，体积大，金属耗量大，热效率偏低，不易放大，污染排放严重链条炉煤粉炉火室燃烧方式：燃料

24、以粉状、雾状或气态随同空气喷入燃烧室中进行燃烧的方式细颗粒燃料随空气-烟气流作连续运动，连续流过燃烧空间，在悬浮状态下着火燃烧、燃烬典型的煤粉炉效率高，体积小，易大型化燃料适应性差，需FGD，负荷调节稍差旋风炉燃料和空气在高温旋风筒内高速旋转，细颗粒在筒内燃烧，粗颗粒被甩向壁面液态渣膜上燃烧的方式效率高，体积小，不需粉煤机负荷调节范围小，温度高，有些燃料不适合，NOx高流化床锅炉燃料颗粒在大于临界风速的空气流下，在流化床内呈流化状态的燃烧方式流态化：固体颗粒在与流动着的流体混合后，能像流体那样自由流动的现象鼓泡流化床和循环流化床锅炉燃料适应广，炉内脱硫，低氮氧化物，负荷调节好磨损问题，目前大型

25、化不够CFB锅炉发电厂典型的循环流化床锅炉三、按水循环方式分类（1）自然循环锅炉： K1，循环动力完 全依靠 汽水密度差 ；（2）控制循环锅炉：K1，循环动力主要依靠 炉水循环泵 ；（3）直流锅炉： K=1：工质一次通过蒸发区，没有循环 ；（4）复合循环锅炉：低负荷时多次循环，高负荷 时纯直流 。 上述（1）（2）：只能适用于临界压力以下； （3）（4）：适用于任何压力。四、其它分类法（1）燃料种类 燃煤、燃油、燃气、垃圾、余热（2）用途 电站、工业、船用、机车（3）排渣方式 固态、液态（4）炉膛压力 微负压、微正压、正压（增压）哈锅330MW亚临界自然循环锅炉亚临界自然循环锅炉 型号：HG-

26、1065/18.5-YM1。亚临界参数、一次中间再热、紧身封闭、自然循环汽包炉，采用平衡通风、直流燃烧器、四角切圆燃烧方式。炉膛断面尺寸：宽深=1404814019 mm；炉架外形尺寸：宽深=3560044500 mm。过热蒸汽出口温度543，压力18.5Mpa；再热蒸汽进口/出口蒸汽压力4.53/4.3MPa，进口/出口蒸汽温度345.83/543；锅炉最大连续蒸发量1065t/h。91锅炉汽水流程省煤器水平低过省煤器悬吊管汽包下水管前水冷壁侧水冷壁后水冷壁分隔屏后屏过垂直低过屏再末过侧包墙低过入口集箱汽机房墙再末再水冷壁下集箱东锅1000MW超超临界直流锅炉超（超）临界直流锅炉超（超）临界直流锅炉1、试述电站燃煤锅炉的主要工作过程。2、什么是最大连续蒸发量？300MW机组和600MW机组对应的锅炉最大连续蒸发量是多少？3、自学第4、5节的内容，了解各种亚临界和超临界锅炉的主要特点和组成。复习思考题第五节 燃煤发电及锅炉技术的发展概况1、大容量高参数发展趋势与限制2、提高运行可靠性和灵活性3、洁净燃煤技术4、锅炉燃烧技术的发展1.大容量高参数发展趋势与限制超临界压力（24.12MPa）蒸汽参数，比亚临界供电效率高1.4%，（37.438.8）容量的增大与参数的提高