第二章 锅炉原理

第一节 概述

一、锅炉的类型和分类

（一）锅炉的类型

从不同的角度考察，锅炉的类型如果根据用途可以分为：电站锅炉、船舶锅炉、工业锅炉和供热锅炉等；若依锅炉水动力工作原理分，则可分为自然循环锅炉、直流锅炉、控制循环锅炉和复合循环锅炉等；或按主蒸汽出口压力又可分为：低压锅炉（用于工业锅炉）、次中压、中压锅炉（可用于电站、热电站或工业锅炉）、次高压、高压锅炉（用于电站和热电站锅炉）、超高压锅炉（用于电站锅炉）、亚临界锅炉（用于电站锅炉）以及超临界锅炉（用于电站锅炉）；或按所燃用的燃料可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、垃圾焚烧炉、余热锅炉等；按燃烧方式分有层燃锅炉、室燃锅炉、流化床锅炉等；按照锅炉生产蒸汽或热水又可分为蒸汽锅炉和热水锅炉；按照排烟温度可分为排烟温度高于烟气露点的一般锅炉和排烟温度低于烟气露点的冷凝式锅炉等。

（二）锅炉的参数系列和技术经济指标

1.锅炉的参数系列 蒸汽锅炉，其参数是指锅炉出口处蒸汽的蒸发量、压力（表压力）、温度及给水温度。

电站锅炉的容量，目前国内用额定蒸发量，以t/h或kg/s表示，或用与汽轮机发电机组配套的功率，以kW或MW表示；工业锅炉的容量可用额定蒸发量表示，以t/h或kg/s为单位。额定蒸发量是指蒸汽锅炉在额定蒸汽参数、额定给水温度、使用设计燃料并保证效率时所规定的蒸发量。

给水温度是指进入省煤器的水温，对无省煤器的锅炉则指进入锅筒的水温。

蒸汽锅炉的参数系列见表2-1。

热水锅炉的参数是指允许工作压力（表压力）、额定出口及进口水温、额定热功率。热水锅炉的参数系列见表2-2。

2.工业锅炉的型号表示 我国工业锅炉（及供热锅炉）型号由三部分代码表示，各部分之间用短横线相连，见表2-3。第一部分中，锅炉总体形式代号用两个汉语拼音字母表示含义，见表2-4；燃烧设备的代号及含义见表2-5，废热锅炉无燃烧设备代号；额定蒸发量或额定热功率用阿拉伯数字代表t/h或MW。

型号的第二部分表示锅炉出口蒸汽（或热水）的参数，共分两段，中间用斜线相连。第一段用阿拉伯数字表示额定蒸汽压力或允许的工作压力（MPa）；第二段用阿拉伯数字表示过热蒸汽温度或出水和进水温度（℃）。对生产饱和蒸汽的锅炉，无第二段和斜线。

型号的第三部分表示燃料种类。以汉语拼音字母代表燃料类别，附以罗马数字代表燃料品种分类。燃料品种代号见表2-6。

二、锅炉的工作原理

（一）锅炉的基本构造

锅炉是一种生产蒸汽或热水的换热设备，按功能包括两大部分，一部分是通过燃烧煤、油、气以及其他如甘蔗渣等燃料，将化学能转化为热能；另一部分是各种形式的受热面，将燃料燃烧释放出的热能通过各种传热方式，传递给炉水使之升温、汽化、过热以产生所需要的蒸汽，或加热所需要的高温热水供动力机械或其他设备使用。

通常燃料的燃烧过程在炉膛内进行，形成炉的概念；蒸汽或热水在锅筒、水冷壁、对流受热面等内部形成，形成锅的概念。炉膛、燃烧器、锅筒、水冷壁、对流受热面、钢架和炉墙等组成锅炉的主要部件，称为锅炉本体。锅炉的其他重要辅助装置如磨煤机、燃料输配送装置及管道、送引风装置及管道、给排水装置、水处理设备及管道、除尘及除灰系统、控制系统等称为辅机。

（二）锅炉的工作原理

1.燃烧过程 燃料在锅炉炉膛内燃烧。按燃烧方式不同，锅炉可分为：室燃炉、层燃炉和沸腾炉。

（1）室燃炉。所用燃料有煤粉、液体燃料（油料）和气体燃料（工业煤气、天然气等），可分别称为煤粉炉、油炉和气炉。室燃炉的燃料由输粉管道（煤粉炉）、输油管道（油炉）或输气管道（气炉）通过燃烧器送入炉膛中燃烧，燃烧所需的空气由一次风管、二次风管以及三次风管分别送入。

（2）层燃炉。由手工方式或机械方式向炉膛内送煤或其他固体燃料，在炉排上形成燃料层，燃烧所需的空气由风机送入燃料层下的送风仓，透过燃料层进行燃烧反应而产生高温烟气。

（3）沸腾炉。所燃用的煤被破碎成10mm以下的颗粒，送入存有大量床料（灰颗粒或石英砂）的炉床，炉床下部送入的空气向上以一定流速推动床料，使燃料和料床在炉床中翻滚浮动而呈“流态化”燃烧，这样的料床称为鼓泡床或流化床。

2.传热过程 锅炉受热面有两大部分，炉膛受热面和对流受热面。炉膛受热面又称水冷壁，对于小型工业锅炉，还有部分锅筒表面参与换热。电站锅炉的对流受热面包括过热器、再热器、省煤器，工业锅炉的对流受热面则包含对流管束、过热器（生产过热蒸汽的锅炉）、省煤器。对带有空气预热器的锅炉，空气预热器从传热的角度看，也可作为对流受热面。

炉膛内，进入炉子的燃料与空气混合后着火燃烧产生的高温火焰和烟气，通过辐射把热量传递给四周的水冷壁管，水在水冷壁管内受热蒸发产生饱和蒸汽。此传热过程，传热量的大小与炉膛受热面、进入炉膛的燃料量多少相关，会使炉膛出口烟温产生相应变化。在一定的燃料量和热空气温度下，炉膛受热面大，传热量随之增加，使炉膛的出口烟温降低；而如果炉膛受热面布置较少时，意味着炉膛出口烟温提高。在锅炉负荷发生变化时，炉膛出口烟温则随负荷的大小而升降。通常炉膛出口烟温：对大型电站煤粉锅炉，在1000～1200℃；对中小型锅炉，炉膛的出口烟温不应低于950℃，其高值按燃料的灰分变形温度为限，且不超过1100℃。如果燃用液体燃料或气体燃料，由于无结渣问题，可选1200℃左右。炉膛受热面除起到传热作用外，还有保护炉墙的作用。

炉膛烟气出口处通常布置数排凝渣管束，以对后面的过热管束起到保护作用，防止管束外表面结渣。

凝渣管束的后方布置过热器，通过对流换热和辐射换热将锅筒出来的饱和蒸汽加热至所需参数的过热蒸汽，以提高电站的热效率。

再热器布置于过热器后部，烟气通过对流换热将从汽轮机高压缸抽出的蒸汽在再热器中加热，称为再热过程，以提高热力循环的热效率和保证汽轮机的排汽干度。

尾部对流受热面由两部分组成，一是省煤器，它使给水在进入锅筒之前，预先加热到某一温度（通常低于饱和温度或达到饱和温度）；二是空气预热器，使空气在进入炉膛之前被加热到一定温度，以改善炉内的燃烧过程，同时降低排烟温度，提高锅炉的热效率。

3.水的受热和汽化过程 该过程是饱和蒸汽的生产过程。给水加热器使给水加热到105℃（低压锅炉）、145～175℃（中压、次高压锅炉）或215～240℃（高压锅炉），由给水管道将水送到省煤器，水在省煤器中被加热到某一温度后进入锅筒，然后沿下降管下行至水冷壁进口集箱，经适当分配后流入水冷壁管，水在水冷壁管内吸收炉膛内的辐射热后形成饱和水和饱和蒸汽的混合物，上升进入锅筒内，由汽水分离装置分离，蒸汽由锅筒上部流入过热器，分离下来的水仍参与水冷壁管内的循环。汽水混合物的分离设备是保证蒸汽品质和过热器工作可靠的必要设备。

（三）锅炉的燃烧分类

燃烧是燃料中的可燃物质与氧进行强烈氧化反应的过程，这是一种复杂的物理化学综合过程。它需要具有一定的温度和浓度条件、一定的时间和空间条件。锅炉的设计是为燃料提供良好的燃烧条件，使其化学能最大限度地转化为热能，同时兼顾炉内辐射换热的要求。

固体、液体和气体燃料的燃烧特性相差很大，同时，锅炉的容量、参数各异，所以，为适应和满足各种锅炉的需要，燃烧设备有多种形式。按照燃烧方式的不同，可以划分为如下三类：

（1）层燃炉。燃料被层铺在炉排上进行燃烧的锅炉，称层燃炉，也叫火床炉，是我国目前小型锅炉采用最多的炉型，常用的有手烧炉、风力-机械抛煤机炉、链条炉、往复炉排和振动炉排炉等。

（2）室燃炉。燃料随空气流入炉膛呈悬浮状燃烧的炉子，又叫悬燃炉，如燃用煤粉的煤粉炉、燃用液体燃料的燃油炉以及燃用气体的燃气炉。

（3）沸腾炉。固体燃料在炉膛内被由下而上的空气托起，并上下翻腾而进行燃烧的锅炉，是目前燃用劣质燃料和脱硫及减少氮氧化物的较为有效的一种锅炉。

（四）层燃炉

煤的燃烧过程可分为三个阶段：热力准备阶段、挥发分和焦炭的燃烧阶段及燃尽阶段，见图2-1。

1.链条炉 链条炉的加煤是从炉前由煤斗靠煤的自重下落于链条炉排上，炉排缓缓自前向后移动。煤层在炉排上随之移动依次完成燃烧的三个不同阶段，见图2-2。燃尽的灰渣由装置在炉排末端的除渣板（老鹰铁）铲落于灰渣斗。由于其加煤、清渣、除灰等主要操作都由机械完成，且运行可靠稳定，因此在我国得到普遍使用。

煤层的厚度由煤斗上的煤闸门控制，链条的运动速度由调速箱调节。调节煤层厚度和链条运动速度可实现链条炉的给煤量控制，从而改变锅炉的负荷。通常，煤层的厚度由燃料种类、成分和颗粒度确定。对于高挥发分煤，采用薄煤层、快送煤的方式，以减少煤层上方气体成分沿炉排长度分布的不均匀性；对低挥发分煤，采用厚煤层、慢送煤的方式，防止产生前部断火，后部跑火的现象；对高水分及高灰分的劣质煤，也采用厚煤层、慢送煤的方式，保证前端着火稳定、后部燃尽良好。

燃煤随链条炉排运动，其燃烧过程呈现沿炉排长度分区的特点，由前至后的燃烧规律依次有如下特征：

（1）热力准备阶段处于炉排前部，燃料自煤斗下落后，一面随炉排缓慢移动，一面受炉内烟气及炉墙的辐射加热，水分逐渐蒸发后挥发分析出，相比手烧炉，煤的着火条件较差。对挥发分低的燃料，着火不容易，这一阶段时间较长，会占有较长的炉排长度区域；相反，对很容易着火的煤，又会出现烧煤闸的情况。这一阶段的空气量需求很小。

（2）炉排中部附近为焦炭猛烈燃烧区域，是链条炉燃烧的主要区段，温度可达1200～1340℃，调节合理的链条炉，灰中可燃物可降至15%以下。此阶段应供给大量的空气，以保证燃烧的需要，减少还原反应量。

（3）炉排的后部区域为燃尽区段，炉排上的燃料已基本燃尽并形成灰渣，随炉排运动而落入灰渣坑。在燃尽阶段的燃料层，上部受热最强，温度高，容易燃尽并最早形成灰渣，下层燃料空气供给充分，也容易燃尽而较早形成灰渣，只有中间层未燃尽的焦炭被上下灰渣所夹，使机械不完全燃烧损失增大。由于只剩下少量的可燃物，空气量的需求随之减少。但燃尽过程需要较长的时间，所以燃尽区的炉排长度相应较长。

由上特征，链条炉燃烧的合理工况可以通过调节各区段的空气供给量来实现，称之为分区配风。从燃烧需要看，原则性的配风量特征是前后两端少，中间多。炉排前后端送风量的减少可有效降低炉膛中总的过量空气系数，保证炉膛内的平均烟气温度，减少排烟损失；中间区段增大送风量，可强化燃烧。

由于燃烧过程沿炉排长度分区段进行，造成炉膛内气流沿长度方向的分段流动，前部气体成分中有数量相当的可燃气体，中间部分有还原气体，为能让这些成分燃尽，应加强炉膛内的空气扰动及混合；另外，燃料的着火比较困难，要设法采取适当的引燃措施，提高着火区的温度。因此，炉膛的设计应采用合理的炉拱、水冷壁面积和二次风来解决上述问题。

炉拱分前拱和后拱。炉拱的作用是加强炉内气流的混合以及辐射传热，合理的炉拱设计可以帮助烟气内的可燃成分在炉膛内燃尽，燃料及时而稳定着火，从而提高锅炉的热效率。燃料特性不同时，所设计的炉拱作用有所不同：着火比较困难的低挥发分无烟煤，拱的作用应该保证及时着火；易燃的高挥发分烟煤，拱的主要作用是增强气流的混合，使可燃气体有更多的机会与氧混合而完全燃烧。

前拱：前拱位于炉排的前端，可加快新燃料的引燃过程，所以又称引燃拱。前拱设置目的是提高新燃料区的温度，其引燃机理是将来自火焰和高温烟气的热量通过辐射方式传递给新燃料，同时通过引导来自后部的高温烟气进入前拱区并停留尽可能多的时间以增强对流传热。

后拱：后拱位于炉排的后部，其作用是将炉排上方高温烟气输送到前拱区，大幅度增补那里的热量，以加速新燃料的引燃过程。后拱的引燃作用是与前拱相配合的，它还有一个直接引燃的作用，就是在输送高温烟气的同时，烟气也将炽热的炭粒夹带到前部，并散落到新燃料层上，形成炽热的炭粒层覆盖。

炉膛内设置的水冷壁面积大小必须考虑炉膛平均烟温的高低，过多的面积，会使炉膛内烟温过低，这对燃烧过程不利。若以炉膛出口烟温衡量，则温度条件应保证烟气内的可燃气体能够燃尽。通常，燃用固体燃料的链条炉，炉膛出口烟温不应低于950℃。

链条炉中常设有二次风，在燃料层的上方由喷嘴送入高速气流，以进一步强化炉膛内的气流扰动和混合，使可燃气体充分燃烧；同时，悬浮于烟气中的细颗粒能在炉膛内延长停留时间，以利燃尽。如果二次风布置合理，还可使炉膛内的火焰充满度提高，减少炉膛死角涡流区，防止炉内局部积灰积渣，保证锅炉的正常运行。

2.抛煤机链条炉 抛煤机按撒播煤的方式有三种：风力抛煤机、机械抛煤机和机械-风力抛煤机。

风力抛煤机借助于高速气流撒播燃料，机械抛煤机依靠旋转的桨叶或摆动的刮板撒播燃料，而机械-风力抛煤机则是两种方式兼而有之，但以机械抛煤为主。

从所播煤层的颗粒分布特点看，风力抛煤机所播撒的煤粒，沿炉排长度呈现前粗后细分布，机械抛煤机播撒的则为前细后粗分布。机械-风力抛煤机由于组合了两种方式，粒度分布较均匀。

抛煤机链条炉是抛煤机和链条炉排相结合的产物，保留了抛煤机固定炉排的着火条件，使其具有良好的着火条件、较高的燃烧强度及燃料适应性广等优点，又克服了人工除渣的繁重体力劳动，而且为锅炉的容量提高创造了条件。炉排前部的燃烧工况与链条炉排炉的情况十分相似，中部和后部的炉排上，新燃料被抛撒在炽热的焦炭层上，具有双面着火燃烧的优越性，炉膛内的气体流动比较均匀，热负荷较高。但燃料中的细屑量应加以控制，以提高燃尽率和控制排烟的粉尘浓度。

（五）室燃炉

室燃炉的燃料有煤粉、液体燃料（石油、重油或油渣等）及气体燃料（如天然气、高炉煤气、发生炉煤气以及焦炉煤气等）。

燃烧器是室燃炉重要的燃烧设备。燃烧器是指将燃料与燃烧所需的空气按规定的比例、速度和混合方式混合后送入炉膛并正确组织燃料在炉膛内着火、燃烧和燃尽的装置。

1.燃烧器分类 燃用煤粉、油、气多种燃料的燃烧器，按出口射流的流动方式分为直流式和旋流式两大类。其中油、气燃烧器为适应低氧燃烧，近期在直流式中发展了一种平流式燃烧器。各种燃烧器的分类和特性比较见表2-7。

2.燃烧器在炉膛内的布置 在不同燃料情况下，三种类型的燃烧器在炉膛内的布置方式不同：旋流式燃烧器通常布置有前墙、前后墙或两侧墙方式，可以适用煤、油或气体燃料；直流式燃烧器常布置于四角或各墙，同样可以用三种燃料；平流式燃烧器除前墙、前后墙及四角布置外，还可以布置于炉底，但只燃用油和气体燃料。

（1）旋流式燃烧器常作前墙布置或前后墙对冲布置，见图2-3。

前墙布置的优点是燃料输送管道短，阻力小，各燃烧器的燃料及空气的分配较均匀；炉宽和对流烟道的宽度及锅筒的长度便于相互配合，不受炉膛截面宽深比的限制；当单只燃烧器功率选择合适并且布置合理时，炉膛出口烟气温度的偏差较小，操作维护方便，适用于中小型锅炉。但是，这种布置有其固有的缺点，主要有：炉膛的火焰充满度较差，炉膛空间的有效利用率低；炉膛内火焰的扰动较小，后期混合较差；负荷过低需要切断部分燃烧器时，会使炉膛内温度分布和烟气流速场不够均匀。

前后墙对冲布置的优点是炉膛内的烟温及速度分布较均匀，过热器保护好，过热蒸汽温度偏差较小；火焰充满度好，扰动强；对燃用煤的炉子，防止结渣性较好，因热量的输入沿炉宽比较均匀，可以避免炉膛中部的烟温过高。但此种布置中，风、燃料管道的布置较复杂，后墙和对流井之间的距离需加大，以便在后墙布置燃烧器，造成锅炉的整体布置较为松散。

（2）直流式燃烧器，通常采用四角布置（含多点切圆布置）方式，见图2-4。

四角布置的优点是气流扰动强，后期混合好，各个火焰点能够相互点火，燃烧稳定而且完全，整个炉膛犹如一个大燃烧器，火焰充满度较好，炉膛内热负荷均匀。但是这种布置方式的燃料管道和送风管道布置较为复杂。

燃烧器的每一个喷口中心都与直径相同或不同的假想圆相切，使炉内形成旋转气流，在旋转气流作用下，从每一角燃烧器喷出的燃料和空气混合物受到上游相邻角横扫过来的正在剧烈燃烧的高温火焰冲击和加热，使之很快着火燃烧，并依次点燃下游邻角的新燃料。在动态下，四角布置燃烧方式使得各燃烧器的出口气流有偏转。假想切圆直径大小对燃烧工况有很大影响，设计的假想切圆越大，对燃烧有利，但相应气流偏转大，火焰会冲刷水冷壁，当燃用煤粉时，会引起水冷壁的结渣，严重影响锅炉安全运行。相反，如果假想切圆过小，高温火焰会集中在炉膛中部，炉膛四周温度低，影响燃料着火燃烧。在相同假想切圆的情况下，气流偏转还与二次风的风率和速度有关。二次风风率和速度增加，炉内气流旋转强度增加，容易使一次风射流偏转量加大，反之一次风偏转减小。一次风量和二次风量是按燃烧要求确定的，可见，切圆直径受一、二次风率和风速的影响。

（3）平流式燃烧器只适用于燃烧油料和气体燃料，除像旋流式燃烧器和直流式燃烧器的布置方式外，还可以在炉底布置。

3.燃烧器结构 燃烧不同燃料的燃烧器，结构不同。

（1）煤粉燃烧器。常见的有旋流式和直流式煤粉燃烧器，旋流式煤粉燃烧器的结构见图2-5；直流燃烧器的一组喷口可以是圆形、矩形或多边形，喷口之间保持一定距离，使整个燃烧器组成狭长形。喷口射出的射流多为水平方向。

（2）油燃烧器。油燃烧器由调风器和油喷嘴组成，调风器是将助燃空气与雾化良好的油进行充分混合的装置；油喷嘴的作用是将燃油雾化成微滴，以增大油滴和空气的接触面积并使油雾保持较佳雾化角和流量密度分布，促进油雾和空气混合，强化燃烧，提高燃烧效率。油喷嘴按雾化方式分为压力雾化式油喷嘴、旋转式油喷嘴和双流体油喷嘴。

压力雾化油喷嘴是利用压力能将油喷出而雾化的，分有回油和无回油两种类型，其结构简图见图2-6。

旋转式油喷嘴依靠机械能产生的离心力将油从自旋油杯中甩出而雾化成微滴，再被高速一次风进一步雾化，这种喷嘴对油的粘度要求不高，但结构复杂，运行维护要求较高，多用于中小容量锅炉，其结构见图2-7。

双流体雾化喷油嘴利用蒸汽（或压缩空气）作雾化介质，使油汽（油气）混合物加速以便在喷口附近继续膨胀，在喷口处以类似压力喷射雾化器的方式将油滴破碎雾化。与压力雾化式相比，它的调节性能好，雾化粒度细。常用的蒸汽雾化喷嘴大致可分为内混式、蒸汽压力式和中间混合式的Y形喷嘴。Y形喷嘴的结构简图见图2-8。

（3）燃气燃烧器 有关燃气燃烧器的结构参见第二篇有关内容。

（六）循环流化床炉

流化床炉的燃烧是一种介于火床燃烧和悬浮燃烧之间的燃烧方式，又称沸腾炉。煤预先经过破碎加工成一定大小的颗粒进入炉膛，空气通过布风板由下往上吹送，在合适的速度下（1～3m/s），煤粒和灰渣在布风板上方被由下而上的空气托起，并上下翻腾燃烧。这一燃烧段又称沸腾段，很厚，保持炽热，相当于一个很大的蓄热池，其中新燃料加入的比例约在5%左右。在沸腾段中，固体分布在乳化相中，而气体大部分分布在气泡相中，气泡在床中经历生成、聚合、上升、破裂的过程，所以这种炉子又称为鼓泡床炉。燃料进入沸腾段后，一部分细粉被气流吹出沸腾段，进入沸腾段以上的悬浮段，并在那里悬浮燃烧，但由于悬浮段温度较低，细颗粒燃料的燃尽率偏低，飞灰含炭量较高。大部分颗粒较大的燃料在沸腾段内燃烧，燃尽的灰渣由溢流口溢出。

上述流化床炉沸腾段内的燃烧有如下特点：

（1）新燃料被迅速而强烈地加热，从而使任何难以引燃的燃料可以迅速着火燃烧。

（2）燃料在炉内上下翻腾，增加了燃料颗粒在炉膛内的停留时间，为难以燃尽的燃料提供了足够的燃尽条件，溢流灰的含炭量一般不超过1%。

（3）空气和燃料相对速度较大，加上燃料颗粒的强烈扰动，所以空气和燃料的接触和混合充分。

（4）由于沸腾段内有埋管受热面，燃烧温度可控制在燃料的灰分变形温度以下约200℃，为850～950℃，属低温高强度燃烧，这对减少氮氧化物排放有利，在床中加入脱硫剂（石灰石、白云石），可以有效脱除SO2。

流化床锅炉的主要优点有：

（1）可以燃用低热值、低挥发分、高灰分的劣质燃料，包括煤矸石、油页岩、无烟煤等其他形式锅炉难以燃烧的燃料。

（2）燃烧热负荷与埋管的传热系数都非常高，所以炉膛尺寸为同容量其他形锅炉的一半左右。

（3）低温燃烧可以燃用灰熔点低的燃料，燃烧后烟气中的NOx等污染物含量较少，可以在燃料中加入添加剂（如石灰石、白云石等），使燃料脱硫，减少大气污染、受热面的低温腐蚀和高温腐蚀。

（4）灰渣在低温下烧透，便于综合利用。

（5）负荷调节性好，在25%～110%负荷范围内能正常工作。

流化床炉的主要缺点有：

（1）锅炉热效率低，通常在54%～68%之间，主要原因是飞灰量大，并且其中的炭因处于低温燃烧，反应受到限制而难于燃尽。

（2）埋管磨损快。

（3）电耗量大，主要用于送风、碎煤等，大约是一般煤粉炉耗电量的2倍左右。

针对流化床锅炉飞灰含炭量高、悬浮段燃烧温度低、埋管磨损快等缺点，在普通流化床锅炉的基础上发展成循环流化床锅炉。循环流化床锅炉与普通流化床锅炉的不同点在于炉内气流速度较高（3～7m/s），燃料颗粒尺寸较细（粒径为0～10mm），一次风从布风板下送入，约占总风量的40%～70%，二次风在炉膛给煤口高度附近从几个二次风口送入，炉膛上部烟气出口直接与气固分离器相接，被带出炉膛的灰、燃料和脱硫剂颗粒经此分离器分离下来后，通过返料装置循环返回燃烧室，其中未燃尽的燃料和脱硫剂被重复利用。从分离器排出的烟气通过对流受热面、除尘装置、引风机，由烟囱排入大气。图2-9所示是一种循环流化床锅炉的结构简图。

循环流化床锅炉的优点：

（1）燃烧效率高。循环流化床炉内因气流速度较高，所以床内气、固两相混合十分强烈，传热传质良好，沿床高的温度分布均匀，燃烧快。未燃尽的焦炭经分离器从烟气中分离出后进行多次循环燃烧，燃烧效率可达99%以上，锅炉热效率与煤粉炉接近。

（2）脱硫剂的利用率高。由于脱硫剂的循环利用，与烟气接触时间长，脱硫效果显著，当钙硫比为3时，一般脱硫效率可达90%以上；低温燃烧，可以有效降低氮氧化物的生成浓度（氮氧化物的排放浓度＜200mg/m3）。

（3）无埋管快速磨损问题。通常循环流化床锅炉的密相区内不布置埋管受热面，从根本上消除了鼓泡床锅炉中的埋管磨损问题。

（4）有很好的负荷调节性能。只要简单地调节给煤量、空气量及进入外置式沸腾床热交换器的飞灰量，即可达到灵活调节负荷的目的，负荷调节比可以达到1∶4。

（5）向炉内进料方便、简单。燃料和脱硫剂（石灰石）可采用气力输送或机械方式分别加入炉内。

（七）几种较新型式锅炉或燃烧技术

1.燃气-蒸汽联合循环系统用余热锅炉 余热锅炉是回收燃气轮机的排气余热，以产生蒸汽供汽轮机发电的换热设备，一般燃机的排气温度为400～600℃，燃机燃用天然气时，燃料的含硫量很低，余热锅炉的排气温度可降至80～90℃（一般余热锅炉排烟温度应高于烟气露点10℃以上）。根据燃机特点、排气温度及供热需求优化配置余热锅炉，结合余热锅炉本身结构的优化确定高压蒸汽的蒸发量、蒸汽压力和温度。单压余热锅炉产生的蒸汽参数偏低，也不能将余热锅炉的排烟温度降到较低的程度。为了更有效地利用燃机排气的余热，较多工程采用了双压、三压余热锅炉，可进一步提高高压蒸汽的压力和温度，降低余热锅炉的排烟温度。余热锅炉按压力等级分有高压、中压、低压。目前，高压达到10～12MPa，510～550℃。

余热锅炉按工质循环方式有强制循环和自然循环，各有特点，各厂家有各自的经验和倾向。

余热锅炉按蒸汽压力组成分有单压、双压和三压；有的还带再热。

一般余热锅炉是非补燃型，有时，为了增大机组的容量、提高高压蒸汽参数及满足运行方面的一些特殊要求，而采用补燃型余热锅炉。

多数余热锅炉采用卧式布置（图2-10），也可采用立式布置（图2-11）。

余热锅炉的换热部件主要有省煤器、蒸发器和过热器，再热时还有再热器。

设计余热锅炉时，还应尽量减小燃气阻力，以尽量减少对燃机出力的影响。

2.冷凝式锅炉 冷凝式锅炉就是利用高效的烟气冷凝余热回收装置来吸收锅炉尾部排烟中的显热和水蒸气凝结所释放的潜热，以达到提高锅炉热效率的目的。

（1）冷凝技术。冷凝锅炉的关键在于冷凝技术。现代燃气冷凝锅炉是一种运用了多种节能手段的综合节能体，首先从燃烧上，采用了变频电动机的完全预混的比例式辐射燃烧机，在任何输出功率下，空气与燃料的配合比都能保持在最佳状态，在保证燃烧质量的前提下，减小了过量空气系数，减少了氮氧化物的产生，提高了燃烧效率，降低了电耗；从炉体上，使用了以铝合金或不锈钢为主的耐酸材料，采用了利于水蒸气冷凝的加强的换热结构，锅炉换热能力大幅提高，保证了凝结热量被及时吸收，同时锅炉体积大幅缩小。锅炉采取有效的措施，减少锅炉的散热损失，比如利用燃烧需要的空气先经过未经保温的锅炉炉体，把炉体的散热用来加热燃烧需要的空气，锅炉烟气出口设有自动蝶阀，锅炉停炉蝶阀自动关闭，减少从烟道流失的热量等。采用全新的控制系统用来保证燃烧系统、锅炉换热系统、锅炉散热控制系统、锅炉输出热量保障系统的协调工作。所以现代冷凝锅炉不但在锅炉炉体上有了很大变化，在燃烧系统、锅炉的热损失控制、锅炉的整体协调控制上都有了很大的改变，超过100%的热效率是建立在这些基础上的。

国内锅炉热效率均以燃料的低位发热量（PCI）计算。烟气中的水蒸气如果全部凝结成水，会释放出相当于天然气燃烧低位发热量（PCI）11%的热量（可回收率达9%）。

现代冷凝锅炉与传统低温燃油燃气锅炉的效率比较见表2-8。

（2）冷凝锅炉基本结构。各国生产的冷凝锅炉结构形式很多，大致分两类：

1）传统锅炉+冷凝热交换器组合。目前国内燃油冷凝锅炉多采用此种形式，一般能提高效率3%。

2）一体化冷凝锅炉。燃气冷凝锅炉多采用此种形式。它没有单独的冷凝热交换器，整个燃烧过程同时贯穿烟气冷凝过程。锅炉的冷凝效率主要决定于回水温度，烟气与受热面的合金炉片接触后很快从800℃降至露点温度，从锅炉观察孔可以见到炉片中间位置已有水珠形成，到达尾部后形成水流。冷凝锅炉对回水温度没有限制，最佳的回水温度在30℃。一体化冷凝锅炉对燃气、空气、水质的洁净度要求比较高。因投资较高，目前冷凝锅炉在中国的燃气锅炉市场份额仍然停留在1%。冷凝锅炉的效率高，能耗低，是节能的必然选择，是未来发展的趋势。

3.垃圾焚烧技术 一般垃圾可分为生活垃圾、工业垃圾、医疗垃圾和危险废弃物等几大类垃圾。以下主要介绍生活垃圾的处理焚烧技术。

（1）垃圾焚烧方式。常用的垃圾焚烧方式有固定床焚烧、移动床焚烧、流化床焚烧、气化焚烧和旋转窑焚烧等。目前，最常用的为移动床焚烧炉，即炉排式焚烧炉及流化床焚烧炉。

（2）焚烧处理的目标。垃圾焚烧处理的目标是无害化、减量化和资源化，即所谓的“三化”。

无害化，要求垃圾在收集、运输、处理后不对环境造成二次污染。

减量化，通过垃圾焚烧，使垃圾的体积减到最小。垃圾的体积减少比较难于测定，因此，通常以灰渣的热灼减率来表示焚烧的充分程度。

资源化，主要是利用垃圾焚烧烟气的余热去发电、供热和制冷。

垃圾焚烧技术控制的要点，即所谓的“3T”控制要求。“3T”就是温度（Temperature）、烟气停留时间（Time）和烟气的扰动（Turbulence）。

为保证垃圾在焚烧炉内能充分燃烧，减少二英等各种污染物的排放量，一般要求燃烧室的烟气温度不低于850℃，而且烟气停留时间不小于2s。与此同时，要求灰渣的热灼减率小于5%。目前国内焚烧的生活垃圾大都是未经分拣、破碎预处理的原生态垃圾。因此，入炉垃圾的组分非常复杂，含水率很高，发热量比较低，这对选择焚烧设备和工艺带来很多困难。在条件许可的前提下，入炉垃圾最好先经过预分拣和破碎，使入炉垃圾大小满足焚烧炉的要求，同时尽可能减少垃圾中的水分。一般要求入炉垃圾平均低位发热量不小于5000kJ/kg。

（3）炉排式焚烧炉。炉排式焚烧炉属于层状燃烧方式，由于它的焚烧工艺成熟，在国内外获得了广泛的应用。这种炉型比较适合垃圾组分稳定、发热量比较高、水分比较低的垃圾。这种炉型的关键设备是炉排，目前大都选用国外进口设备。层状焚烧炉分为往复炉排炉、翻转炉排炉、滚筒炉排炉、链条炉排炉和炉排式炉，现在得到广泛使用的是炉排式焚烧炉。垃圾在炉排上的燃烧是一个复合过程，在炉排上要求完成垃圾干燥→热分解→着火→气化→燃烧→燃烬这几个相互影响和关联的过程。为保证垃圾在炉排上充分燃烧，必须保证下述三个关键过程的完成：

1）垃圾中的挥发分、碳等可燃成分与空气中氧气的充分混合。

2）保证炉排上垃圾料层能够充分搅动、翻滚、混合，以求获得尽可能均匀的燃料特性。

3）炉排炉的燃烧室应能满足烟气中可燃组分充分燃烬，同时保证能够降低焚烧炉出口烟气中各种污染物的原始排放浓度。一般在炉膛设有二次风，以加强烟气的充分扰动。

（4）循环流化床焚烧炉。虽然国内外的垃圾焚烧厂大都使用炉排式焚烧炉，但是随着余热回收工作的加强，对各种污染物排放标准不断提高，以及要求更加稳定的操作运行水平，因此，流化床技术应用于垃圾焚烧就是一个很合适的发展趋势。循环流化床炉对含水率高、发热量低的垃圾有良好的适应性。它可用煤做辅助燃料。可在炉内添加石灰石，降低SO2、NOx等污染物的原始排放浓度。它的燃烧效率高，灰渣热灼减率可小于2%。

循环流化床炉的缺点：

1）炉体结构复杂、要求比较高的运行操作水平、烟气原始排尘浓度高。

2）因循环流动阻力大，故焚烧厂自耗电很高。

3）受热面、耐火层、分离器等部件受到物料冲刷，磨损比较严重。

（5）垃圾焚烧烟气处理系统。垃圾焚烧烟气处理的结果，对防止垃圾焚烧产生二次污染是很关键的措施。这种烟气中污染物的组分十分复杂，因此，处理工艺的选择也比较困难。烟气中主要污染物有SO2、NOx、CO、HCl、烟尘、重金属和二英等。二英（PCDD/FS）是一种毒性很大、被引起普遍关注的有害成分，是多氯代二苯并二英PCDD和多氯代二苯并呋喃PCDF的统称。目前国内通常选用如下烟气处理措施：

1）脱SO2——在炉膛中添加石灰石，选用半干式反应塔等。

2）脱NOx——控制“3T”，控制过剩空气系数，选用SNCR（选择性无催化剂脱硝法）或选用SCR（选择性催化剂脱硝法）。

3）去除二英、重金属——选用布袋除尘器、活性炭喷射系统。

4）除烟尘——设置炉内旋风分离装置，选用布袋除尘器。

（6）灰渣和渗滤液处理

1）灰渣处理。炉排出渣、密相区排渣、半干式反应塔、布袋除尘器下飞灰收集通常选用框链出渣机、埋刮链输送机。烟气中飞灰常含有汞、镉、铅等重金属，故被认定为危险废弃物。因此，要求飞灰进行固化处理并经过浸出毒性试验合格后，才能送往垃圾填埋场填埋处理。在飞灰固化过程中，常用水泥、螯合剂、水和飞灰按照一定的比例混合搅拌后，挤压成型。

2）渗滤液处理。渗滤液是垃圾焚烧厂中产生的主要废液，它是垃圾在垃圾贮坑中发酵腐烂后产生的。其特点是臭味强烈，有机物浓度和氨氮浓度很高且不稳定。渗滤液经生化处理后，渗滤液中的COD和BOD的浓度仍然很高，是很难达到排放标准的。渗滤液也可喷入垃圾焚烧炉膛中（例如循环流化床焚烧炉炉膛）用焚烧的方法除去，但这会给炉膛内的燃烧工况带来不利的影响。