Question

蒸汽发生器的发展历史

Answer 1

锅炉的发展分锅和炉两个方面。 18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括J.瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到 0.8兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳（图1a），在锅壳下方砖砌炉体中烧火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉(图1b)；后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉（图1c）。1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉（图1d）。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火（烟气）在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。图1e为火筒火管锅炉，烟气流出火筒后再流过火管，称为苏格兰船用锅炉。其形状和尺寸可与轮船机舱配合较好，锅炉本身也较轻，所以一直在船舶上使用。图1f的机车锅炉在只有火管的锅壳前方装上一个包有水夹套的火箱，火箱下部装炉排烧火，布置紧凑，蒸汽机车均用这种锅炉。图1g为小型立式火管锅炉。火筒锅炉和火管锅炉合称锅壳锅炉。火筒锅炉已趋淘汰，而火筒锅炉则仍在应用。
19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，其发展见图2。直水管锅炉压力和容量都受到限制。20世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉（图3）。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用和锅筒内部汽水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。到30年代，已广泛应用2～4兆帕、385～400℃的具有水冷壁的弯水管式锅炉配 6～12兆瓦的火电机组。第二次世界大战以后，锅炉工业发展很快。40年代开始采用10兆帕、510℃左右的配50兆瓦发电机组的锅炉;50年代开始采用14兆帕左右、540～570℃的配100～200兆瓦发电机组的锅炉；60年代开始采用配300～600兆瓦发电机组的亚临界压力(17～18.5兆帕)锅炉；70年代最大的自然循环锅炉单台容量已达850兆瓦。
以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉(图4), 水汽在上升、下降管路中因受热情况不同造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉的同时，从30年代开始应用直流锅炉。40年代开始应用辅助循环锅炉。
辅助循环锅炉又称强制循环锅炉(图5), 它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉（图6）中没有锅筒,给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是：缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。70年代最大的单台辅助循环锅炉是17兆帕压力配1000兆瓦发电机组。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉，70年代最大的单台容量是27兆帕压力配1300兆瓦发电机组。后来又发展了由辅助循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。 在锅炉的发展过程中，燃料种类对炉膛和燃烧设备有很大的影响。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物（硫氧化物和氮氧化物）。
早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。早期炉膛低矮，燃烧效率低。后来人们认识到炉膛容积和结构在燃烧中的作用，将炉膛造得较高，并采用炉栱和二次风，从而提高了燃烧效率。链条炉排能适应大多数煤种，但不能烧强粘结烟煤。下饲炉排也出现得很早，只适宜于烧优质烟煤。40年代出现了抛煤机。抛煤机可以配在固定火床上，也可以配在链条炉排上而成为抛煤机链条炉排。发电机组功率超过6兆瓦时,以上这些层燃炉的炉排尺寸太大，结构复杂，不易布置，所以20年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起，电站锅炉几乎全部采用室燃炉。早年制造的煤粉炉采用了U形火焰。燃烧器喷出的煤粉气流在炉膛中先下降，再转弯上升。后来又出现了前墙布置的旋流式燃烧器，火焰在炉膛中形成 L形火炬。随着锅炉容量增大,旋流式燃烧器的数目也开始增加,可以布置在两侧墙，也可以布置在前后墙。1930年左右出现了布置在炉膛四角且大多成切圆燃烧方式的直流燃烧器。60年代某些国家曾在多角形炉膛中应用直流燃烧器的切圆燃烧方式,用以燃烧褐煤。第二次世界大战后,石油价廉，许多国家广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。70年代石油提价后，许多国家又转向利用煤炭资源。这时电站锅炉的容量也越来越大，要求燃烧设备不仅能燃烧完全，着火稳定，运行可靠，低负荷性能好，还必须减少排烟中的污染物质。40～60年代，为了强化燃烧和减少飞灰，一度采用液态排渣煤粉炉和旋风炉，但由于采用这种燃烧方式生成的氮氧化物太多，从70年代起已较少采用。
在燃煤（特别是燃褐煤）的电站锅炉中采用分级燃烧或低温燃烧技术，即延迟煤粉与空气的混合或在空气中掺烟气以减慢燃烧,或把燃烧器分散开来抑制炉温,不但可抑制氮氧化物生成，还能减少结渣。沸腾燃烧方式属于一种低温燃烧，除可燃用灰分十分高的固体燃料外，还可在沸腾床中掺入石灰石用以脱硫。
锅炉发展的趋势主要是：
①进一步提高锅炉和电站热效率；
②降低锅炉和电站的单位功率的设备造价;
③提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平;
④发展更多锅炉品种以适应不同的燃料；
⑤提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性;
⑥减少对环境的污染