循环流化床锅炉毕业设计部分

本 科 毕 业 设 计

20t/h循环流化床设计

The design of CFB 20t/h boiler

学院名称： 能源与动力工程学院 专业班级：

学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称：

2013年 6月

20t/h循环流化床毕业设计

20t/h循环流化床设计

摘要 近年来，随着能源设备的发展和利用，特别是锅炉这种将工质加热到一定的温度和压

力的能源设备广泛应用，给环境造成了严重污染。尤其是以煤为主要燃料的锅炉燃烧排放出大量的灰渣、粉尘、二氧化硫和氮的氧化物等污染物，严重影响了生态环境。又由于煤、石油等化石燃料的不断开采而日渐枯竭，人们一直在努力寻找一种高效、低污染的燃烧方式以解决以上两个问题。

我国在上世纪80年代初期开始研究开发循环流化床燃烧技术,鉴于CFB锅炉的优点和我国环境排放标准的日益严格,极大地推动了循环流化床燃烧技术的推广和发展。本次设计为75吨/时循环流化床锅炉,属于中压自然循环锅炉。

在整个设计过程中，进行了无脱硫工况，脱硫工况的燃料消耗量和燃烧烟气的计算。主要计算有热力计算，强度计算和烟风阻力计算以及回料器设计计算，旋风分离器的设计计算。其中热力计算包括炉膛、高温过热器、低温过热器、省煤器以及空气预热器的计算。旋风分离器选用一个绝热旋风分离器。鉴于该锅炉为中压锅炉，采用钢管式省煤器。空气预热器采用管式空气预热器。

利用CAD,完成了锅炉总图、本体图、炉墙砖砌图、锅筒展开图。 关键词: 循环流化床锅炉 热力计算 强度计算 烟风阻力计算

1 I

20t/h循环流化床毕业设计

The design of CFB 20t/h boiler

Abstract recent years，along with the extensive application of the energy equipments, boiler －

this kind of energy equipment that heats the work to a certain temperature and the pressure also be subjected to a value.The widely use of the equipments caused serious pollution to the

environment.Especially coal as the main fuel of the boiler combustion,that emit large amounts of ash, dust, sulfur dioxide and nitrogen oxide pollutants, such caused a serious impact on the ecological environment.Furthermore as coal, oil and other fossil fuels continued to mined and the depletion. It has been struggling to find an efficient and Cleaner burning method to solve the above issues. In the early 1980s, China began to research and development(R&D) the circulating fluidized bed combustion technology. Given the advantages of CFB boilers as well as our environmental emissions standards increasingly strict year by year, great impetus has to the circulating fluidized bed combustion technology. The topic that the graduation of this time design is the CFB which is 75t/h, belonging to the middle type pressure & natural circulation boiler。

Throughout the design process，I had made a calculation about the without desulfurization conditions, the status of the desulfurization of fuel consumption and combustion flue gas.The main calculating conclude thermodynamic calculation, strength calculation,the smoke and wind resistance calculation,the designe of the retune leg and the cyclone. Thermodynamic calculations which include the furnace and high-temperature superheater, low-superheater and economizer and air preheater calculations. Cyclone choose an adiabatic cyclone. In view of the medium-pressure boiler of this boiler,chosing pipe-economizer while air Preheater using the tube type air preheater.

Keywords: CFB thermodynamic calculations strength calculation smoke& wind resistance calculation

II

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目录

摘要..............................................................................................................................................................................I

Abstract.................................................................................................................................................................II 第一章 绪 论 ......................................................................... 1 第二章 循环流化床锅炉的结构......................................................................................................3

2.1方案论证 .............................................................................................................................................. 4 2.2总体设计...............................................................................................................................................4

2.3

锅炉其它结构................................................................................................................................... 5

2.4本章小结 .............................................................................................................................................. 6

第三章 热力计算 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。

3.1设计任务 .............................................................................................................................................. 7 3.1燃料特性 .............................................................................................................................................. 7 3.3炉膛结构设计及热力计算 .................................................................................................... 21

3.4

高温过热器设计 ........................................................................................................................... 29

3.5低温过过热器设计 ..................................................................................................................... 34 3.6省煤器设计 ...................................................................................................................................... 37

3.7

空气预热器结构及传热计算 ............................................................................................... 42

3.8热力计算结果汇总表 ................................................................................................................ 46

3.9

本章小结..............................................................................................................................................47

第四章 旋风分离器及回料器设计计算 ................................................................................ 49

4.1炉膛风室阻力计算.......................................................................................................................48 4.2旋风分离器设计..............................................................................................................................55

III

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4.3回料器设计.......................................................................................................................................58 4.4本章小结 ................................................................................................................................. ...........60

第五章 强度计算...........................................................................................................................................61

5.1锅筒强度设计 ................................................................................................................................. 62

5.2 5.3

孔桥减弱系数计算 ..................................................................................................................... 64 本章小结 ......................................................................................................................................... ...66

第六章 炉墙的设计及配套设备....................................................................................................66

6.1炉墙的设计..........................................................................................................................................66 6.2

引风机的选择.................................................................................................................................68

6.3送风机的选择....................................................................................................................................69

结 论 .......................................................................................................................................................... ......71 参考文献 ............................................................................................................................................................ 72

IV

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各受热面计算过程如下： 烟道平均过量空气系数?pj 炉膛 ?pj= (1.2+1.2 )/2=1.2

旋风筒、过热器、省煤器计算同上 空气预热器(1.2+1.25 )/2=1.225 过量空气量?V0

炉膛?V0=??pj?1?V0=0.234.8104=0.9620 m3/kg 旋风筒、过热器、省煤器计算同上

空气预热器 ?V0=??pj?1?V0=0.22534.8104=1.08 m3/kg 水蒸气容积VHO

23

炉膛 VHO=VH0O?0.0161??PJ-1?V0=0.5282+0.016130.9620=0.5437 m/kg

22旋风筒、过热器、省煤器计算同上

3 空气预热器VHO=VH0O?0.0161??PJ-1?V0=0.5282+0.016131.08=0.5456m/kg

22烟气总体积Vy 炉膛Vy=VHO?VN022?VRO2(?pj?1)V0=0.5437+3.8017+0.882230.96=5.3910 m

3

/kg

旋风筒、过热器、省煤器计算同上 空气预热器Vy=VHO?VN022?VRO2(?pj?1)V0=0.5456+3.8017+0.882231.08=5.5300m

3

/kg

实际燃烧空气量V 在流化床锅炉运行中实际空气消耗量总是大于理论空气量，即过量空气系数?总是大于1，对于锅炉炉膛来说，?的大小与燃烧设备型式、燃料种类有关。流化床锅炉炉膛的过量空气系数?=1.1～1.2，这里取?= 1.2，则实际所需干空气量为： 炉膛 V =?V0 =1.234.8104=5.7725m/kg

3

旋风筒、过热器、省煤器计算同上

空气预热器V =?V0 =1.2534.8104=6.0175 （m3/kg）

3.2.2脱硫计算

循环流化床锅炉，在燃烧含硫煤时需加入脱硫剂进行炉内脱硫，以便使二氧化硫（SO2）原始排放浓度到排放标准为，常用的脱硫剂有石灰石，石灰，白云石等，为了降低成本这里采用

11

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石灰石进行脱硫。

根据“GB13271锅炉大气污染物排放标准”的规定，SO2原始排放浓度超过最高允许排放浓度400时，必须加入石灰石脱硫，其反应式为

CaCO3?CaO?CO2?1781.5 kJ/kg

CaO?SO2?0.5O2?CaSO4?3673.5 kJ/kg

二氧化硫（SO2）原始排放浓度可以通过下面式子计算

4 0 ?SO=（1.998310）/（3-7） SarVy2 =1.99831.94310000/5.391=7189.9 mg/m3 因此锅炉脱硫效率为

0 ?SO2，j=（1-?SO2/?SO）3100%=（1-400/7189.9）3100%=90.436% 2 炉膛温度在850oC而获得最大的脱硫效率，由文献可知为，燃煤自脱硫能力系数与煤中含硫量有关，但大多在80%左右，这里煤取为南川烟煤A为80.8%，石灰石脱硫能力系数K为0.8055，CaCO3未利用率 ?CaCO3一般为15.0%。此种烟煤含硫量为1.94,参考文献效率约为90%。 锅炉可支配热量的计算：

下面需计算炉锅可支配热量，锅炉的热量包含煅烧成CaO时吸热量，脱硫时放热量，燃煤放出的热量。则锅炉可支配热量可通过以下步骤计算：

入炉石灰石量：

Bd=3.122MSar/?CaCO3=3.1223231.94/97.32=0.124kg/kg （3-8）

式中 Bd ——单位质量煤脱硫所需的石灰石质

M——锅炉进料中的钙硫摩尔比,循环流化床锅炉运行时钙硫摩尔比M一般在1.5～2.5 之间，这里取M=2。

?CaCO3--石灰石中CaCO3含量，前面已知为97.32% 煅烧成CaO时吸热量

QA=（1-?CaCO3）35561.8MSar/100

=（1-0.15）35561.83230.0194=184.428 kJ/kg 脱硫时放热量

QT=15597.7(?SO2，j/100)3 (Sar/100)

=15597.730.9443630.0194=286.759 kJ/kg

则依据参考文献可支配热量可参考下面公式计算得：

12

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D

Qar=(Qnet.ar+QT-QA)/(1+Bd）

(3-9）

=(17693+286.759-184.428 )/(1+0.124)=15947.24kJ/kg 锅炉烟气量的计算

锅炉进行脱硫会影响锅炉的烟气量，因此需计算脱硫所需理论空气量，燃烧和脱硫当量理论空气量，脱硫所需空气中氮气体积等，它们可依据参考文献可如下计算： 脱硫所需理论空气量

Vd0=1.667(?SO2，j/100)3 (Sar/100） (3-10） =1.66730.9443630.0194=0.03054m3/kg 燃烧和脱硫当量理论空气量

0 VD=(V0+Vd0)/(1+Bd)

(3-11）

=(0.03054+4.822)/(1+0.124)=4.32m3/kg 脱硫所需空气中氮气体积

300 VdN=0.79=0.7930.03054=0.0241m/kg （3-12） Vd2 当量理论氮气体积

00 VDN=(0.8/100)/(1+)+0.79 BNarVdD2 =(0.830.0086)/(1+0.124)+0.7934.32=4.13m3/kg 煅烧石灰石生成CO2体积

3d VCO=0.699M(/100)=0.6993230.0194=0.027m/kg Sar2 脱硫使SO2减少量

D VSO=0.699(?SO，j/100)3(Sar/100)=0.69930.9443630.0194=0.0128 m3/kg

22 燃烧和脱硫时产生RO2当量体积

Dd-D)/(1+ VRO=(VRO+VCOBd) VSO2222 =(0.027+0.8822-0.0128)/1.124=0.695m3/kg 当量理论水蒸气体积

00 VDH=[0.0124(War+BdMd)+0.111Har]/(1+Bd)+0.961VD 2O =[0.01243(9+0.12430.8)+0.11133.06]/1.124+0.016134.32 =0.4734m3/kg 则锅炉的当量烟气体积为

DD?VH VyD?Vgy=0.695+4.13+4.3230.2+0.4734=6.4648m3/kg 2O （3-13）

飞灰量的计算：

飞灰量的含量会对锅炉的磨损有影响，其中包含入炉石灰石直接生成飞灰量，入炉石灰

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石灰分含量，燃煤飞灰量等，其中燃煤飞灰含量与循环倍率有关，对于烟煤循环倍率可达80%。因此根据参考文献提供的经验公式有如下计算： 入炉石灰石直接生成飞灰量

f ACaCO=3.122(?CaCO3/100)M(Sar/?CaCO3) 3 =3.12230.15323(1.94/97.32)=0.0187 kg/kg

入炉石灰石灰分含量

Ad=(100-?CaCO)/100Bd (1-?CaCO/100- Md/100)

33 =0.8530.1243(1-0.9732-0.008)=1.98310-3 kg/kg 未反应CaO的量

ACaO=1.749{[(100-?CaCO3)/100]M(Sar/100)-( ?SO2，j/100)( Sar/100)} =1.7493(0.853230.0194-0.9443630.0194)=0.0256kg/kg 脱硫产物CaSO4的量

ACaSO4=4.26(?SO2，j/100)( Sar/100)}=4.2630.9443630.0194=0.078kg/kg 当量灰分

fD Aar=(FG+ACaCO+Ad+ACaO+ACaSO4)/(1+Bd) 3 （3-14）

=(0.3248+0.0187+0.00198+0.0256+0.078)/1.1243100%=39.95% 脱硫工况时的底灰份额

DD ad=[ad(Aar/100)+Ad+ACaO+ACaSO4]/[(1+Bd)(Aar/100)]

=[0.430.3248+0.00198+0.0256+0.078]/（1.12430.3995）=52.44% 脱硫时飞灰份额

fD aDf=[af(Aar/100)+ACaCO3]/[1+Bd)(Aar/100)]

=（0.630.3248+0.0187 )/（1.12430.3995）=47.56% 灰循环倍率

an=af?f/（1-?f）=0.630.99/0.01=59.4

式中 af——飞灰份额，kg/h；根据经验未脱硫时飞灰份额af取0.6。

?f——分离器分离效率，% 。本设计采用的是芬兰Ahlstrom 公司的Pyroflow 型带高温旋风分离器的循环流化床锅炉，该分离器的分离效率可达99%。

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分离器前飞灰份额

a=aDf+an=0.4756+59.4=59.8756 脱硫计算：

脱硫后的SO2排放浓度

?DSO?1.998Sar?104?1??SO2,j?/(1?Bd)/VD2y =1.9983194003（1-0.94436)/1.124/5.4834=327.59 mg/m3

实际脱硫效率

?D0SO2=（1-?SO2/?SO2）3100=（1-327.59/7189.9）3100=92.87% 误差e=│（?SO2-?SO2，j）/?SO2│=(0.9287-0.94436)/0.9587=0.014

3.2.3脱硫工况时不同过量空气系数下燃烧产物的容积及成分

不同过量空气系数下燃烧产物的容积及成分的计算过程： 水蒸气容积VDH2O 炉膛VD3

HO=02VDH2O?0.0161(??1)V0pjD=0.4734+0.0161?0.27?4.32=0.492m/kg

分离器、过热器、省煤器同上 空气预热器VDHO=V0?0.295?4.32=0.494m3

/kg

2DH2?0.0161(?0Opj?1)VD=0.4734+0.0161烟气总容积VDy

炉膛VD=VDD003

yH2O?VRO2?VDN2?(?pj?1)VD=0.492+0.695+4.13+0.2?4.32=5.4834m/kg 分离器、过热器、省煤器同上 空气预热器

VDDD003

H=0.494+0.695+4.13+0.2252O=VH2O?VRO2?VDN2?(?pj?1)VD?4.32=5.5934m/kg RO2容积份额rRO2

炉膛rROD2=VRO=0.695/5.4834=0.1272

2/VDy 分离器、过热器、省煤器同上

空气预热器rROVDD2=RO2/Vy=0.695/5.5934=0.1254

H2O容积份额rH2O

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3-14）

（

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炉膛rH2O=VHDO/VyD=0.492/5.4834=0.0.086

2 分离器、过热器、省煤器同上

空气预热器rH2O=VHDO/VyD=0.494/5.4834=0.083

2三原子气体容积份额rq 炉膛rq=rRO2?rH2O=0.214 分离器、过热器、省煤器同上 空气预热器rq=rRO2?rH2O=0.2084 飞灰浓度?fh

D 炉膛?fh=10Aara/VyD=10?39.95?59.88/5.4834=4362.6g/m3

分离器、过热器、省煤器同上

D 空气预热器?fh=10Aara/VyD=10?39.95?59.88/5.5934=4276.8g/m3

烟气重量G

D 炉膛G=1?Aar/100?1.306?pjV0=1-0.3995+1.306?5.7725=8.139kg/kg

分离器、过热器、省煤器同上

D 空气预热器G=1?Aar/100?1.306?pjV0=1-0.3995+1.306?6.0175=8.459kg/kg

烟气密度?fh

炉膛?fh=G/VyD=8.139/5.4834=1.4842kg/m3 分离器、过热器、省煤器同上

空气预热器?fh=G/VyD=8.459/5.5934=1.5123kg/m3

3.2.4锅炉热平衡及燃烧和石灰石消耗量计算

3.3.4.1锅炉的热平衡

循环流化床锅炉的热平衡表明送入锅炉的热量与输出锅炉的热量之间的平衡关系。通过热平衡分析和计算可以确定锅炉效率。在炉膛中加入脱硫剂的循环流化床锅炉中，其热量平衡可表示为：

Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7-Q8

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式中Qr——送入锅炉的热量，kJ/kg； Q1——锅炉有效利用的热量，kJ/kg； Q2——锅炉排烟热损失，kJ/kg；

Q3——锅炉中气体未完全燃烧损失，kJ/kg； Q4——锅炉中固体未完全燃烧损失，kJ/kg； Q5——锅炉散热损失，kJ/kg； Q6——锅炉灰渣热物理损失，kJ/kg； Q7——脱硫剂煅烧吸热的热损失，kJ/kg；

Q8——硫盐化放出的热量，kJ/kg。

如果以各项热量占总输入热量的百分数来表示热量平衡，则可表示为：

?q=q1+q2+q3+q4+q5+q6+q7-q8=100% i??式中qi=Qi/Qr3100（％） (i = 1，?，6)。

锅炉热效率?表示锅炉中有效利用热量占锅炉总输入热量的百分比，因而可如下计算：

?=Q1/Qr=q1=100-（q2+q3+q4+q5+q6+q7-q8）

锅炉输入热量Qr的计算：

在不用外部热源加热空气的锅炉中，送入锅炉的热量可以按式（4-25）计算（以1kg固体燃料为基准）

Qr = Qnet, ar+ir + rq 式中 Qnet,ar——燃料的收到基低位发热量，kJ / kg；

ir ——燃料的物理显热，kJ / kg；

rq ——加入炉膛的脱硫剂的物理显热，kJ / kg。

因为本设计采用的锅炉燃料和脱硫剂都无需预热，所以ir和rq都为0，则锅炉输入热量

Qr?Qnet,ar=17693 kJ/kg

锅炉排烟热损失q2的计算：

锅炉排烟热损失是由于锅炉排烟温度比送入锅炉的冷空气温度高而造成的热损失，可按下式计算：

q2=Q2/Qr?100%?(100?q4)(Ipy??pyI0lk)/Qr?100% （3-15） 100式中?py——锅炉排烟处的过量空气系数；

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Ipy——排烟的焓值，kJ / kg；

0 Ilk ——进入锅炉的冷空气焓，kJ / kg；

q4 ——锅炉的固体未完全燃烧损失为2.0%

0这里取锅炉排烟处的过量空气系数?py等于空气预热器过量空气系数?为1.32；hlk按冷空0气温度为20οC确定，查表得Ilk=160.14kJ / kg；而烟气中各成分的焓值可根据文献利用差值法

选取，则排烟的焓值为

Ipy?VRO2(cty)CO2?VH2O(cty)H2O?VN2(cty)N2?Lfa(cty)fa

=0.6953244.8+0.4943212.2+4.133182+0.399530.54793116.2=1052.87kJ/kg 因此锅炉排烟热损失为 q2?(100?q4)(Ipy??pyI0lk)/Qr=(100-2)3(1022.87-1.323160.14)/17693 =4.6%。 100锅炉的气体未完全燃烧损失q3 的计算

这项热损失是由于燃烧产物中存在未燃尽可燃气体CO、H2 、CH4 等而造成的热量损失。q3一般很小。在锅炉设计时按经验推荐值选取，对循环流化床锅炉q3=0～0.5%。这里取q3=0.25% 。 锅炉的固体未完全燃烧热损失q4的计算

这项热损失是由于燃料中未燃尽炭随锅炉灰排出锅炉引起的热量损失。商用循环流化床的

q4一般为0.5%～2.0%。这里取q4 =2.0%。 锅炉的散热损失q5的计算

锅炉的散热损失是由于锅炉炉墙、烟风管道、烟囱等向大气散热而造成的热量损失。查《循环流化床锅炉设计与计算》表8-1,循环流化床锅炉的散热损失q5一般为0.2%～0.5%。这里取0.35% 。

灰渣的热物理损失q6的计算

燃煤锅炉的灰渣物理热损失可按下式估算：

q6?Aar?hzIh?100% Qr0式中 Ih ——灰渣在温度为toC时的比焓，可查文献[11]表3-8中ha一项，其中t可取600οC ；

?hz ——锅炉排渣率，对于循环流化床锅炉?hz=30%～70% ，这里取?hz=40%。（ad底灰份额）

查得t = 600οC时hhz=554 kJ/kg ，则

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q6?Aar?hzhhz?100%=0.324830.43554/17693=0.305% Qr锅炉中脱硫剂吸热热损失q7的计算

由于脱硫剂石灰石中MgCO3 含量为0，则可按下式计算 q7??CaCOBd?18303Qr?100%=0.973230.12431830/17693=1.2%

硫盐化放出的热量q8 的计算

硫盐化过程放出的热量可按下式计算 q8?Q8?SO2Sar/100?15141=0.958730.0194315141/17693=0.59% （3-16） ?QrQnet,ar 综上所述，可求得锅炉的热效率

?=100-（q2+q3+q4+q5+q6+q7-q8） =100-1.2-0.305-4.6-0.25-2-0.35-1.59=90.705%

3.2.4.2锅炉的燃料消耗量

本设计要求在排烟温度给定为?py=140℃时计算锅炉的燃料消耗量。当排烟温度给定为

?py=140℃，由上一节计算可知排烟焓Ipy=1052.87 kJ/kg。本计算所需的数据由前面计算可在

表3-4中查得。

表3-5 计算初始值

名称 计算燃料当量消耗量 当量烟气体积 计算脱硫效率 入炉石灰石量 当量理论水蒸气体积 燃烧和脱硫当量理论空气量 符号 BDj 数据及单位 名称 符号 数据及单位 1.25 3736.348kg/h 排烟处过量空 气系数 给水温度 ?py VyD 5.4834m3/kg tgs 20 ℃ 97.32% 15947.24kJ/kg 0.03054m/kg 3?SO，j 294.436mg/m3 石灰石中CaCO3含量 0.207kg/kg 30.4734m/kg 4.32m/kg 3?CaCO 3Bd 0VDH 2O可支配热量 当量灰分 D QarD Aar0 VD脱硫所需空气中氮气体积 0VdN 2 39.95%

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20t/h循环流化床毕业设计 当量理论氮气体积 脱硫工况时底灰份额 灰循环倍率 0VDN 24.13m/kg 3燃烧和脱硫时产生RO2当量体积 脱硫时飞灰份额 分离器前飞灰份额 DVRO 20.695m/kg 3D ad0.5244 aDf 0.4756 an D Qar59.4 a 59.8756 可支配热量 15947.2kJ/kg \\ 根据pgr=1.6MPa，tgr?350℃查焓温表可得得过热蒸汽出口焓igr为3144.52kJ/kg，根据

由pgs知饱和水焓ibh=858.69kJ/kg。 pBh=1.6MPa，tBh=201.41℃饱和蒸汽焓iBh为2793.29kJ/kg，冷空气温度为20℃，理论冷空气焓

holk?(ct)kV0 =4.32?26.4=114.048kJ/kg 保热系数 ??1?q5 =1-0.35/(90.705+0.35)=0.996 ??q5 排污量

Dpw=D?ppw=20000?2%=200kg/h

式中 ppw---排污率，工业锅炉在给水经净化后一般去1%。 燃料当量消耗量的计算：

锅炉有效利用热量

\?igs)?Dpw(ibh?igs) （3-18） Qgl=D(igr =20000?（3144.52-85.364）+200?（858.69-85.364）=61337785.2kJ/h=17038.3kJ/s 脱硫工况时当量燃料消耗

D BD=100Qgl/(Qar?gl) （3-19）

=100?6272977/(15947.24390.705)=3812.6kg/h 式中 Dgq ——过热蒸汽量，kg / h；

Igq ——过热蒸汽比焓，kJ / kg； Igs ——锅炉机组入口给水比焓，kJ / kg。 脱硫工况时计算燃料消耗量

20

20t/h循环流化床毕业设计

Bdj=BD/[100/(100?q4)?Bd]=3812.6/[100/(100-2)]=3331.5kg/h 脱硫工况时燃料消耗量

Bd=100Bdj/(100?q4) =3331.53100/(100-2)=3399.5 kg/h 根据参考文献[13]71页，石灰石消耗量可如下计算

B=B?Bd= 3976.7330.124=421.54 kg/h 石灰石消耗量

BC=Bc j?100/(100??CaCO3)=421.543100/(100-15)=404.848kg/h （3-20） 因此燃料当量消耗量为

cd BDj=Bj+Bj=3331.5+404.848=3736.348kg/h=1.038kg/s

'''cjd'j3.3炉膛结构设计及热力计算

3.3.1炉膛结构计算

在进行炉膛计算时应该先确定炉膛截面积。炉膛中流化风速的选择一般都在5～8m/ s，断面热负荷一般可选择在3～4MW/m2。在目前由于考虑磨损的危险性和降低风机能耗，流化风速通常较低，一般都在5m/s左右，本设计取流化风速为5m/s，断面热负荷为3MW/m2 。查得温度为350

ο

C，压力为1.6 MPa 的过热蒸汽的焓h =3344.52 kJ/kg，则截面积

F=20?103?3144.52?10?3=5.823m2 （3-21）

3?3600炉膛截面积的长宽比以1∶1～2∶1都是合适的，本设计取1∶1，算得长宽都为2.413m，取炉膛截面积的长和宽都为2.5m，则炉膛截面积F=6.25m2。本设计采用的炉膛四周膜式水冷壁结构由光管和鳍片焊接而成。光管外径常用φ60（单位为mm，下同），光管壁厚由《水管锅炉受压元件强度计算》计算得出，至少为4mm,这里取5mm，即内径为50mm。鳍片宽度3厚度常用20mm36mm或44mm36mm，这里取20mm36mm。

在对于炉膛高度的设计，常根据设计经验选取装料高度h0h0为1.0m，床的膨胀度 nb 为10，因此 参见文献[13]式（7-3）有密相区高度为 hm=nb h0=10 m 由前面的计算知道，密相区高度hm =10m，其中，取耐火层最高点到下面第一次突变处高度430 mm ，从底部配风装置到上面截面第一次突变处高度取1400mm（一般＞600mm），由此倾斜炉膛壁的高度也定出，倾斜角度取72°。炉膛结构如图3-1 所示。 3.3.1.1密相区结构设计

密相区结构设计有耐火耐磨层和膜式水冷壁两方面的计算。

21

20t/h循环流化床毕业设计

耐火耐磨层的设计：

耐火耐磨层面积：该区域的实际受热面积如下

Hmn=(0.43+2.281+1.4+1.09+1.4+2.281+0.43)?2.5+2?（1.4?1.09+0.5?（1.09+2.5）

?2.17+0.43?2.5）=41.2723m2 折算系数?mn：查《循汗流化床锅炉设计与计算》表7-1可知?mn=0.075

2 计算受热面积：由《循汗流化床锅炉设计与计算》可知Hmnj=Hmn3?mn=3.1m

膜式水冷壁：

膜式水冷壁：该区域的实际受热面积如下：Hmm=23（2.5+2.5）36=60m2 折算系数：查《循汗流化床锅炉设计与计算》表7-1可知?mm=1

2 计算受热面积：该区域的计算受热面积Hmmj=Hmm3?mm=60m

3.3.1.2稀相区结构设计 耐火耐磨层：

耐火耐磨层面积：该区域的实际受热面积如下

Hxn=（2.47631.673-1.67630.873）+23（2.476+1.673）30.4=5.9984m2 折算系数?xn：查《循汗流化床锅炉设计与计算》表7-1可知?xn=0.043

计算受热面积：由《循汗流化床锅炉设计与计算》可知Hjxn=Hxn3?xn=0.2579m2 膜式水冷壁：

膜式水冷壁：该区域的实际受热面积如下

Hxm=(x+2.519+0.307+x)32.5-（2.47631.673-1.67630.873）+2.53(2x+0.307) =10x+5.1533m2

折算系数：查《循汗流化床锅炉设计与计算》表7-1可知?xm=0.577 计算受热面积：该区域的计算受热面积Hjxm=Hxm3?xm=5.77x+2.97m2 炉膛稀相区高度 hx计算

炉膛计算受热面积传热周界比由图3-4可知 m = 1.353

炉膛总的计算受热面积

xnmnxm2HHH+++Hj=（Hmmj）3m=(60+3.1+0.2579+5.77x+2.97)3 1.353=167.1m jjj

22

20t/h循环流化床毕业设计

由图3-1可知 ，得到x =10.163 m。则稀相区高度hx=10.47m,另外，根据设计要求烟气出口应距炉膛顶部约1500mm，故本设计取该间距为1500mm。炉膛总高度 h=hx+hm=20.47m

由图可知密相区未敷设耐火层的受热面积高度为10?4=6m,即6000mm 3.3.1.3分离器进口烟道入口结构（即 CFBB 炉膛烟气出口）

分离器进口烟道入口结构尺寸如下（见旋风分离器结构计算）进口烟道入口宽度b1=0.873m，进口烟道高度hz =1.676m。为防止磨损，炉膛出口与旋风分离器进口烟道连接处需浇筑耐火耐磨材料，宽度为400mm，其结构如图4-4 所示。 3.3.1.4膜式水冷壁上水冷管的布置

燃烧室的四壁由膜式水冷壁组成,膜式水冷壁采用Φ6035的锅炉管，管节距为80mm，与6320的扁钢焊制而成，上部材质为20钢，下部材质为20G。水冷壁由集中下降管供水,再由分散连接管与管组成。饱和水从锅筒出来通过两根外径为Φ273的下降管进入水冷壁下集箱，接着顺序被分流到炉膛的下前集箱和下后集箱,把下前集箱和水冷壁上集箱连接起来的膜式水冷壁管屏,组成了前部竖井的前墙和炉顶。所有集箱材质均为20G钢。

本设计的炉墙采用膜式水冷壁，膜式水冷壁的结构（单位结构）如图4-2 所示，图上尺寸为本设计所选尺寸，由图可知单位膜式水冷壁宽度(即水冷管的节距)为80mm。所以，炉膛长度

a=2420/80=30.25 80b宽度方向上可布置单位膜式水冷壁个数为：nb==30.25

80 图3-2 炉膛角落膜式壁布置 图3-1 炉膛结构示意图 图3-3 炉膛烟气出口处耐磨材料

方向上可布置单位膜式水冷壁个数为：na=

另外，考虑炉膛矩形截面角落膜式壁的布置，炉膛长宽方向上布置单位膜式水冷壁的个数各取30， 从而长度和宽度方向上两端多余的长度都为(2500-30?80)/2=40mm。如图3-2。 由该图可算得炉膛角落水冷管节距为S =402?402=56.57 mm，一般角落节距不大于100mm均为合理，故上述设计满足要求。 3.3.2 炉膛膜式水冷壁传热系数计算

23

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本部分计算炉膛膜式水冷壁传热系数校核所设计的炉膛是否满足用来传热要求，本计算所需的初始数据前面已计算，原始计算数据可查表3-5。

表3-5 计算初始数据

名称 计算燃料当量消耗量 当量烟气体积 可支配热量 排烟焓 符号 BDj 数据及单位 名称 符号 F 数据 6.25m2 3736.348kg/h 炉膛截面积 VyD D Qar5.4834m3/kg 炉膛出口烟温 15947.2kJ/kg 1052.87kJ/kg 排烟温度 ?l'' ?py 850oC 150℃ Ipy 根据文献[12]表8-2 选择最佳炉膛出口烟温 ?l''= 850 oC ，由于不能确定水冷壁温度可采用先假设水冷管外壁温度tgb为220οC，然后反复迭代校正得办法来计算。 炉膛截面烟气流速 ?

R\?=VyDBDj（273+?l）/（36003273F） （3-21）

R =5.483433736.3483(273+850)/3600/273/6.25=3.7457m/s 床放热系数的计算：

管内工质处于饱和状态汽液共存，由 pgq =1.6MPa 查饱和水热力性质表可知工质温度tgz为201.41οC，因此 管壁平均温度tgb为：

tgb=（tgb+tgz）/2=(220+201.41)/2=210.71 oC

水冷管管材选为20钢，在tgb=210.71 oC时查文献[13]得到材料导热系数λ=170.2 kJ

οο

/(m2h2C)， 由文献[13]图7-2，在?为3.7457m/s时得到床对流放热系数?为 336 kJ /(m22h2

RkC)。对于循环流化床火炉炉温可近似为炉内燃烧温度，因此也可以查《循环流化床锅炉设计与计算》表7-2得吸收率 a=0.3726 ，水冷壁常用管子规格多选用管子外径d1 =0.06 m，管子内径d2 =0.05 m。根据《循环流化床锅炉设计与计算》7-7，辐射放热系数?h为

2)(tl?tgb) ?h=?0a(tl2?tgb = 2.077?10-7?0.3726?(11232+4932)?(1123+493)=188.11kJ/?m

24

2?h?℃?

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式中：?0——斯忒藩--波尔兹曼常数，?0=2.077?10-7kJ/(m22k4) 床总放热系数

?=?k+?h=180.11+335=515.11 kJ/?m2?h?℃?

参见文献[13]式(7-12)，床密相区对管传热系数为

K管=?（?l-tgb）/(?l-tgz) （3-22） =515.11?(850-210.71)/(850-201.41)=507.72kJ/?m2?h?℃?

参见文献[13]式（7-13），管外壁计算温度可近似计算为

' tgb=K管d1[ln(d1/d2)/(2?)](?l-tgz)+tgz

=507.72?0.06?[ln(0.06/0.05)/340.4]?(850-201.41)+201.41=219.6oC 误差

' ?=│tgb-tgb│=│219.0-220│=0.4<0.5oC

由文献[13]第59页，可知鳍高h为鳍片实际高度的一半，这里管间距为20mm，故鳍高h为0.01m，鳍厚?= 0.006 m，鳍长一般与炉膛密相区高度相同，鳍长L = 10 m。为了求出对于鳍温，鳍端温度tqd可假定为238oC。 鳍片平均温度tq

'tq=(tgb+tqd)/2=(219.6+238)/2=228.8 oC

由tq、?l 查文献[13]表7-2，可知床的吸收率a为0.385，材料导热系数λ为169.0kJ /(m2h2οC)。 床辐射放热系数?h

2 ?h=?0a(Tl2?Tgb)(Tl?Tgb)

=2.077?10-7?0.385?(11232+4932)?(1123+493)=193.4kJ/?m 床总放热系数?

?=?k+?h=335+193.4=528.4kJ/?m鳍片传热系数的计算：

22?h?℃?

?h?℃? （3-23）

参见文献[13]第60页，可知鳍高h为鳍片实际高度的一半，这里管间距为20mm，故鳍高h为0.01m，鳍厚?= 0.006 m，鳍长一般与炉膛密相区高度相同，鳍长L =10 m。由前面

25

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D wy=BDjVy(?+273)/(273Fy) =1.0379?5.4834?（777+273）/(273?1.824)=12m/s

辐射层有效厚度

s=0.9d(4?1?2??1) =0.9?0.038(4?2.5?2/3.14-1) =0.1836

3.4.2高温过热器传热计算

高温过热器布置在尾部烟道中，属于纯对流传热，管道布置采用顺流，顺排。蒸汽在管内流动，烟气在管外流动，纵向冲刷管子。由前面计算可知高温过热器入口烟温??近似为炉膛出口烟温，即??为850℃，由此可通过焓温表计算出入口烟焓I?=6554.32kJ/kg。本计算给定蒸汽出口温度t??=350℃，查水蒸气焓温表可知蒸汽出口焓i??=3144.52kJ/kg。由于不知蒸汽入口温度，可以用迭代法先假设后校正来确定，假设蒸汽入口温度t?=280. 72℃ ，由此在P=1.6MPa下查水蒸气性质表得蒸汽入口焓i?=2988.16kJ/kg。因此蒸汽吸热量为： Qq=D(i??-i?)/BDj=20?1000?（3144.52-2988.16）/3736.348=796.97kJ/kg 烟气放热量：

Qy=Qq+Q1=836.97+40=816.97kJ/kg 烟气出口焓

0 I??=I?-Qy/?+??Ilk=6554.32-856.97/ 0.996+114.048?0.2=5696.63kJ/kg

式中：?：保温系数 ??：空气过量系数

对于烟气出口温度由Ipy?VRO2(cty)CO2?VH2O(cty)H2O?VN2(cty)N2?Lfa(cty)fa假设校订得???约为675℃， 同样对于顶棚管吸热量，由于其所占比例比较小也可以通过假设校正后得到顶棚管吸热量Q1=20kJ/kg，所以平均烟温为

?=（??+???）/2 =（850+675）/2=762.5℃

按wy=12m/s查《电站锅炉原理》图15-2，烟气对流放热系数?d为82w/(m2?℃)，烟气流速

Dwy=BDjVy(?+273)/(273Fy)=12m/s 由脱硫工况时燃烧产物平均特性计算可知水蒸气容积

份额rH2O=0.492，三原子气体容积份额rq=0.1272，烟气容积VyD=5.4834 m3/kg ，烟气密度

?y=1.4889 kg/m

3

。参考文献对于烟煤飞灰浓度?fh一般为0.02148kg/m3，飞灰颗粒平均直径dfh通常为13?m。

31

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蒸汽平均温度

t=(t?+t??+)/2=（280+350）/2=315℃

按t=315℃、 P=1.6MPa查水蒸气性质表，蒸汽比容v=0.182808 m3/kg 蒸汽流速

wq=Dv/f =20?1000?0.182808/(0.05627?3600)=18.05m/s 式中f：蒸汽流通面积

按wq=18.05m/s查《电站锅炉原理》图15-11，蒸汽侧放热系数?2=490 w/(m2?℃) ；查《锅

炉原理及计算》第三版表??12式39，三原子气体辐射减弱系数kqr?=1.6471/?m?MPa? 。飞灰辐射减弱系数为：

kfh?fh=43850 （3-30）

(Tdfh)2/3?y?fh =43850?1.4889?0.02148/(1050?13) 2/3 =2.455 1/?m?MPa? 式中 ：T----烟气平均温度， K 烟气辐射吸收力

kps=(kqr??Kfhμfh)ps=(2.455+1.647)?0.027=0.1328 式中 ：p----烟气绝对压力，MPa 烟气黑度a=1?e?kps=1-e-0.1028=0.1244 管壁灰污层温度

th=t+1000

BjQq(??H1?2)

（3-31）

=315+1000?1.038?836.97?（0.0043+1/490）/22.2174=545.27℃ 式中 t----工质平均温度， ℃

?2---工质侧由管壁到工质的对流放热系数，w/(m2?℃)，

?---灰污系数，对于烟煤选为4.3?10?3

查《锅炉原理及计算》第三版图12-15，辐射放热系数?f为23. 84W/(㎡?℃)，查《锅炉原理及计算》第三版表12-，热有效性系数?为0.65。因此 烟气总放热系数：

32

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?1=?d??f=82+23.84=105.84W/(㎡?℃) (3-32) 传热系数

K=??d?2/ (?d+?2)=0.65?82?490/(82+490) =45.66w/(m 顺流平均温压

?t=(?td-?tx)/ln(?td/?tx)=（570-359）/ln(570/359)=456.4 ℃ 式中 ?td----受热面两端中较大温差一端的温差，?td=850-280=570 ℃ ?tx----受热面两端中较小温差一端的温差，?tx=705-350=359 ℃ 传热量

Q=K?tH/(1000BDj)=45.66?38.92?456.4/(1000?1.038)=781.348 kJ/kg 顶棚管受热面传热量计算：

顶棚管受热面积H1?约为0.38m2，传热为温差为648.6℃，顶棚管受热面传热系数取主受热面K为45.66 w/(m 总传热量

22?℃) (3-33)

?=10.842kJ/kg。 ?℃) ，顶棚管受热面传热量 Q1? =771.348+10.842=792.19 kJ/kg Q?=Q+Q1 误差

?e=│(Qy-Q?)/Qy│=(816.97-792.19)/816.97=0.018 查文献知允许误差为±2%，此设计合格。 主过热器热量误差

Qy?Q?Q1? ?e=100%=(816.97-781.348-10.842)/(816.97-10.842)=3.07%

?Qy?Q1

汽包出口蒸汽一般为饱和蒸汽，查水蒸气表,p=1.6MPa汽包出口蒸汽焓iBh=2793.29kJ/kg。

经假定校核喷水减温装置水流量?D=0.28kg/h 。 顶棚管出口蒸汽焓

?BD id=iBh+Q1j/(D-?D)=2794.18kJ/kg

顶棚管出口蒸汽焓id=2794.18kJ/kg，因此当P=1.6MPa时查水蒸气表,顶棚管出口蒸汽温度td=201.41 ℃

33

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3.5低温热器结构设计及热力计算

低温过热器同高温过热器一样布置在尾部烟道烟气较低器布置在部分，逆流布置，材料为20钢，属于纯对流布置。高温过热器布置在烟气的高温部分，顺列、顺流布置，以降低温压，避免过热损坏，材料为20钢。蒸汽从顶棚管出来后经低温级进口集箱进入低温过热器，出低温级出口集箱后进入喷水减温器，调节汽温后，进入高温过热器，最后经过高温级出口集箱进入蒸汽总管被输往汽轮机利用。对流过热器由大量平行并列的蛇形管所组成,其进出口与集箱相连,蛇形管外径通常采用φ32, φ38, φ42mm的无缝钢管，壁厚3～7mm，由强度计算确定。过热器所用的材料取决于工作温度。过热蒸汽温度低于425℃的小容量锅炉，过热器管可全部采用碳素钢管。

3.5.1低温过过热器结构计算

过热器结构计算：

管子规格：管径一般有32mm,38mm,42mm，壁厚一般3-7mm ,取d??=38?3 mm。 管内径dn=38-6=32mm

横向节距:根据参考文献横向节距一般为s1=（2-3.5）d，取s1=100mm 纵向节距：根据参考文献横向节距一般为s2=（1.6-2.5）d，取 s2=65mm 横向相对节距?1=s1/d=2.632 纵向相对节距?2=s2/d=1.7

在过热器中对于燃煤锅炉烟气流速wy一般在10m/s~14m/s的范围里选取、烟气流速过高则磨损大，烟气过低则堵灰。蒸气流速一般为 15m/s~25m/s。过热器中烟气与蒸气的方向互相垂直，为交叉流动，但过热器较大时，空气常设计成有几个流程，而总的流动方向是逆流，这样可以得到较高的温压。

选定烟气流速后决定管数n n?Dov （3-34） 23600?0.785dnwq式中Do——锅炉额定蒸汽量，kg/h；

v——蒸气比容，m3/kg dn——管内径，m

初选烟气流速为12m/s，蒸气流速为20m/s，则可算得管子的根数： n?

Dov =20000?0.179836/(3600?0.785?0.0322?16)=49.15 23600?0.785dnwq 34

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取48根管子。

可取横向管排数Z1=24，纵向管排数Z2=2，平均管长l=8.2m，受热面积H

H=?dZ1Z2l=3.14?0.038?48?16.4=124.55m2 （3-35） 蒸汽流通面f

22 f??dnn/4=3.14?0.032?48/4=0.05145m2

按t=240.5℃、 P=1.6MPa查水蒸气性质表，蒸汽比容v为0.179836m3/kg，蒸汽流速为： wq=Dv/f =20000?0.179836/(0.05145?3600)=19.42m/s 取烟道宽度ag为1400mm，烟道宽度bg为2400mm，则烟气流通面积为：

Fy=2.4?1.3-dZ1l=2.4?1.3-0.038?12?2.33=1.932m2 （3-36） 烟气流速

D wy=BDjVy(?+273)/(273Fy)

=3736.348?5.4834?（562.5+273）/(273?1.932)=9.02m/s 辐射层有效厚度 s=0.9d(4?1?2??1) =0.9?0.038(4?2.5?2/3.14-1) =0.1836

3.6.2 低温过热器传热计算

低温过热器布置在尾部烟道中属于纯对流传热，管道布置采用逆流，顺排。蒸汽在管内流动，烟气在管外流动，纵向冲刷管子。由前面计算可知高温过热器入口烟温??近似为高温出口烟温，即??为650℃，由此可通过焓温表计算出入口烟焓I?=5696.63kJ/kg。本计算给定蒸汽出口温度t??=350℃，查蒸气焓温表可知蒸汽出口焓i??=3144.52kJ/kg。蒸汽入口温度为顶棚管出口温度为t?=201.41 ℃ ，由此在P=1.6MPa下查蒸气性质表得蒸汽入口焓 i?=2794.18kJ/kg，喷水减温装置水流量?D为0.28 kg/h，减温水焓ibh为 858.69 kJ/kg，低温过热器入口蒸汽焓

iⅡ为2988.16kJ/kg，低温过热器蒸汽出口焓可用下面式子计算： i??=(iⅡD-?Dibh)/(D-?D)

=（2988.16?20000-0.28?858.69）/(20000-0.28)=2988.09kJ/kg

根据i??=2988.09kJ/kg，在P=1.6MPa下查水蒸气性质表低温过热器蒸汽出口温度

t??=280℃。蒸汽吸热量

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