概述

锅炉法规的概述，以及燃料类型的评估和比较。

蒸汽和冷凝水回路的锅炉房模块组将专注于锅炉房的设计和内容，以及其中的应用。一个设计良好、运行和维护得当的锅炉房是高效蒸汽工厂的核心。

然而，一些障碍可能阻碍这一理想状态的实现。锅炉房及其设备有时被视为不过是一种必要的不便，即使在当今注重能源的环境中，精确的蒸汽流量测量和将成本正确分配给各个用户的做法也不普遍。这可能意味着与锅炉房相关的效率改进和成本节约项目可能难以向最终用户证明其合理性。 在许多情况下，锅炉房和蒸汽的可用性是工程经理的责任，因此任何效率问题都被视为他的问题。 重要的是要记住，蒸汽锅炉是一个加压容器，含有超过100°C的高温水和蒸汽，其设计和运行受到许多复杂标准和法规的约束。

由于上述原因，用户必须确认国家和地方的现行法规。

本模块的目的是为锅炉房的设计者、操作者和维护者提供对锅炉及其相关设备开发中所需考虑因素的深入了解。 现代蒸汽锅炉有各种尺寸，以适应大小不同的应用。通常，当需要一台以上的锅炉来满足需求时，将锅炉设备集中安置在集中位置变得经济可行，因为安装和运营成本可以显著低于分散设备。 例如，与使用分散的小型锅炉相比，集中化提供以下优势：

• 更多的燃料和费率选择。
• 在集中锅炉房中经常使用相同的锅炉，减少备件、库存和成本。
• 热回收易于实现以获得最佳回报。
• 减少人工监督，释放劳动力用于现场其他工作。
• 锅炉设备的经济型尺寸设计以适应多样化需求。
• 废气排放更容易监测和控制。
• 安全和效率规程更容易监测和控制。

锅炉燃料

蒸汽锅炉中最常用的三种燃料类型是煤、油和天然气。然而，在某些锅炉中也使用工业或商业废物，以及电极锅炉使用的电力。 煤 煤是具有高碳含量的一族固体燃料的总称。这一族中有几种类型的煤，每种与煤的形成阶段和碳含量有关。这些阶段是：

• 泥炭。
• 褐煤。
• 烟煤。
• 半烟煤。
• 无烟煤。 烟煤和无烟煤类型倾向于用作锅炉燃料。 在英国，使用块煤燃烧锅壳式锅炉正在减少。原因包括： 可用性和成本 - 随着许多煤层枯竭，英国的煤炭产量比以前少，预计其减少将继续。 对负荷变化的响应速度 - 使用块煤时，在以下步骤之间存在显著的时间滞后：
• 出现热需求。
• 向锅炉添煤。
• 煤炭着火。
• 产生蒸汽以满足需求。 为了克服这种延迟，设计用于燃煤的锅炉需要在饱和温度下包含更多的水，以提供覆盖这种时间滞后的能量储备。这反过来意味着锅炉更大，因此购买成本更高，并占据更多有价值的生产空间。 灰分 - 煤炭燃烧时产生灰分。 灰分可能难以清除，通常需要人工干预，并在除灰期间减少可用蒸汽量。灰分随后必须处置，其本身可能成本高昂。 添煤设备 - 存在多种不同的布置，包括阶梯式添煤机、撒布机和链式炉排。共同点是它们都需要大量维护。 排放 - 煤炭平均含有1.5%重量的硫（S），但根据煤炭开采地点的不同，这一水平可能高达3%。 在燃烧过程中：
• 硫将与空气中的氧（O2）结合形成SO2或SO3。
• 燃料中的氢（H）将与空气中的氧（O2）结合形成水（H2O）。 燃烧过程完成后，SO3将与水（H2O）结合产生硫酸（H2SO4），如果未维持正确的烟道温度，它可能在烟道中凝结引起腐蚀。或者，它随烟气带入大气。这种硫酸随雨返回地面，造成：
• 建筑物结构的损害。
• 植物和植被的损害和伤害。 煤产生的灰分很轻，一部分不可避免地随废气进入烟囱，作为颗粒物排放到环境中。 然而，煤炭仍然用于许多在电站中发现的非常大型的水管式锅炉。 由于这些运营的大规模，开发上述问题的解决方案变得经济，也可能有政府压力要求使用国内生产的燃料，以确保电力供应的国家安全。
• 电站中使用的煤被磨成非常细的粉末，通常称为”粉煤”，通常缩写为”pf”。
• pf的小颗粒尺寸意味着其表面积与体积比大大增加，使燃烧非常快速，克服了使用块煤时遇到的响应速率问题。
• 小颗粒尺寸还意味着pf流动非常容易，几乎像液体一样，通过燃烧器引入锅炉炉膛，消除了块煤使用的添煤机。
• 为了进一步增强锅炉的灵活性和调节比，锅炉壁和顶部周围可能有30多个pf燃烧器，每个都可以独立控制以增加或减少炉膛特定区域的热量。例如，控制离开过热器的蒸汽温度。 关于释放到大气中的气体质量：
• 锅炉气体将被引导通过静电除尘器，带电板吸引灰分和其他颗粒，将其从气流中去除。
• 含硫物质将在气体洗涤器中去除。
• 最终排放到环境中的气体质量很高。 燃烧1 kg煤大约可以产生8 kg蒸汽。 油 锅炉燃料油是由原油蒸馏产生汽油、石蜡、煤油、柴油或粗柴油等轻质油后产生的残余物。各种等级可供选择，每种适用于不同的锅炉额定值；等级如下：
• D级 - 柴油或粗柴油。
• E级 - 轻质燃料油。
• F级 - 中质燃料油。
• G级 - 重质燃料油。 20世纪50年代，油开始在英国挑战煤作为首选锅炉燃料。这部分归因于当时燃料和动力部对改进锅炉设备研究的赞助。 油相比煤的优势包括：
• 从需求到产生所需蒸汽量的响应时间更短。
• 这意味着在锅炉水中需要储存的能量更少。因此锅炉可以更小，向环境辐射的热量更少，效率随之提高。
• 更小的尺寸也意味着锅炉占据更少的生产空间。
• 消除了机械添煤机，减少了维护工作量。
• 油仅含有微量灰分，几乎消除了灰分处理和处置的问题。
• 消除了接收、储存和处理煤炭时遇到的困难。 1 kg油大约可以产生15 kg蒸汽，或1升油产生14 kg蒸汽。 天然气 天然气是一种易于燃烧的锅炉燃料形式，只需很少的过剩空气。燃料气体有两种不同形式：
• 天然气 - 这是在地下自然产生的气体。它以天然状态使用（除了去除杂质），含有高比例的甲烷。
• 液化石油气（LPG） - 这些是从石油精炼中产生的气体，然后在压力下以液体状态储存直至使用。最常见的LPG形式是丙烷和丁烷。 20世纪60年代末，天然气的可用性（如北海天然气）促进了锅炉的进一步发展。 燃气相比燃油的优势包括：
• 燃料储存不是问题；天然气通过管道直接输送到锅炉房。
• 天然气中仅含有微量硫，意味着烟气中的硫酸含量几乎为零。 对于10 bar g的锅炉，在80%的总运行效率下，1 Therm天然气（相当于105.5 MJ）大约可以产生42 kg蒸汽。 废物作为主要燃料 这有两个方面： 废料 - 在此，废物被燃烧产生热量，用于产生蒸汽。 动机可能包括安全和适当地处置危险材料。医院是一个很好的例子：
• 在这些情况下，废物材料可能难以充分完全燃烧，需要复杂的燃烧器、空气比率控制和排放监测，特别是颗粒物。这种处置成本可能很高，只有部分成本通过使用产生的热量产生蒸汽来回收。然而，考虑到通过其他方式处置废物的成本，该方案的总体经济性可能是有吸引力的。
• 使用废物作为燃料可能涉及经济利用工艺中的可燃废物。例如包括造纸厂中从木材上剥下的树皮、甘蔗厂中的甘蔗渣，有时甚至是鸡舍的废物。燃烧过程将再次相当复杂，但废物处置和现场其他应用产生蒸汽的总体成本经济性可以使此类方案具有吸引力。 废热 - 在此，来自工艺（如熔炼炉）的高温气体可被引导通过锅炉，目的是提高工厂效率。此类系统的复杂程度取决于工厂内对蒸汽的需求。如果没有工艺蒸汽需求，蒸汽可以被过热然后用于发电。 此类技术在热电联产（CHP）工厂中日益普及：
• 燃气轮机驱动交流发电机产生电力。
• 高温（通常500°C）涡轮机废气被引导至锅炉，产生工厂使用的饱和蒸汽。 此类工厂可实现非常高的效率。其他好处可能包括现场供电的安全性，或以溢价向国家电力供应商售电的能力。

供应保障

如果工厂没有蒸汽可用会有什么后果？例如，如果可以接受可中断供应，天然气可能以优惠费率获得。这意味着燃气公司将在其有盈余时供应燃料。然而，如果燃料需求接近供应限制（可能是由于季节变化），供应可能会被切断，可能在非常短的通知期内。 作为替代方案，锅炉用户可以选择指定双燃料燃烧器，在较低费率可用时使用燃气，但在天然气不可用时具有切换到燃油的功能。双燃料功能显然是更昂贵的资本选择，而天然气不可用的可能性可能很小。然而，由于蒸汽不可用而导致工厂停机的成本通常远高于额外成本。

燃料储存

使用管道天然气供应时这不是问题，除非使用双燃料系统。 然而，如果使用瓶装气、轻质油、重质油和固体燃料，问题会逐渐增加。 问题包括：

• 储存多少以及储存地点。
• 如何安全储存高度可燃材料。
• 维持重质油温度以使其适合设备所需粘度的成本。
• 如何精确测量燃料使用率。
• 储存损失的允许量。

锅炉设计

锅炉制造商在设计锅炉时必须了解要使用的燃料。这是因为不同的燃料产生不同的火焰温度和燃烧特性。 例如：

• 油产生发光火焰，很大比例的热量通过炉膛内的辐射传递。
• 天然气产生透明的蓝色火焰，较低比例的热量通过炉膛内的辐射传递。 在仅设计用于燃油的锅炉上，改用燃气可能导致更高温度的气体进入烟管的第一流程，引起额外的热应力，并导致锅炉早期失效。

锅炉类型

锅炉的目标是：

• 尽可能高效地释放燃料中的能量。
• 将释放的能量传递给水，并尽可能高效地产生蒸汽。
• 将蒸汽与水分离，准备输送到工厂，在那里能量可以尽可能高效地传递给工艺过程。 已经开发了许多不同类型的锅炉以适应各种蒸汽应用。