蒸汽锅炉燃烧器和空气预热器设计

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1 引言

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锅炉是一种能量转换设备，主要分为锅和炉两部分。炉主要负责把煤气、油的化学能转化为热能。锅把热量转移到水中，变为热水或蒸汽，以供人们用于生活取暖或为生产提供动力。锅炉机组的组成部件分为本体设备和辅助设备两部分，本体设备包括炉膛、燃烧器、空气预热器、省煤器、水冷壁、炉筒、过热器、再热器等；辅助设备包括给煤机、磨煤机、送风机、引风机、给水泵、吹灰器、碎渣机、除尘器、灰浆泵[1]。

1.1 管式空气预热器

空气预热器是电厂中的一个基本的设备，其作用主要是降低排烟温度，提高锅炉效率；改善燃烧的着火条件和燃烧过程；降低不完全燃烧损失等等[4]。可见其是一种一箭双雕的设备：一方面可以吸收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉的经济性；另一方面使冷风变成热风送进炉内，改善燃烧，提高锅炉燃烧效率，并强化了传热[5]。

管式预热器是一个立方形的管箱，中间有隔板。由许多薄壁钢管组成的，管子一般采用错列布置，两端与钢板焊接[4]。管子垂直布置，烟气在管内从上到下流动，空气从管间的缝隙通过，进行热量交换。管式空气预热器是通过它的下管板支撑在锅炉空气预热器的框架上。管式空气预热器可分为单流程和多流程。当空气预热器受热面积不变时，增加流程会使每一通道的高度降低，因此空气的流动速度就会增大管式空气预热器根据进风方式的不同，可分为单面进风、双面进风和多面进风。当其他条件不变时，进封面越多，空气的流动速度越低。与回转式空气预热器相比，管式空气预热器构造简单，制造、安装和维护方便，价格便宜，密封性能好、工作也可靠的优点，但管传热性能差，使得空气预热器体积庞大，钢耗严重。

1.2 锅炉燃烧器

燃烧器就是将煤粉和燃烧所需的空气送入炉膛，组织燃料和空气及时、充分的混合，使燃料能迅速稳定地着火的燃烧设备。

常用的燃烧器一般有直流燃烧器和旋流燃烧器两种。直流射流的主要特点是沿流动方向的速度衰减比较慢，具有比较稳定的射流核心区，且一次风和二次风的后期混合比较强。旋转气流同时具有向前运动的轴向速度和沿圆周运动的切向速度，这就使气流在流动方向上，沿轴向与切向的扰动能力增强，因而气流衰减速度比较快，射程短。 本设计选用直流式燃烧器。直流燃烧器通常由一列矩形或圆形喷口组成。煤粉气流和热空气从喷口射出后，形成直流射流。直流燃烧器一般布置在炉膛四角上，煤粉气流在射出喷口时，虽然是直流射流，但当四股气流到达炉膛中心部位时，以切圆形式汇合，形成旋转燃烧火焰，同时在炉膛内形成一个自下而上的漩涡状气流。

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2 辅助计算

2.1 设计参数

2.1.1 基本参数

1）锅炉额定蒸发量：额定蒸发量D=220t/h； 2）给水温度：tgs= 215℃； 3）过热气温：tgr=540℃； 4）过热蒸汽压力：pgr=9.8Mpa；

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5）制粉系统：中间储仓式（热空气及炉烟做干燥剂、钢球筒式磨煤机）； 6）燃烧方式：四角切圆燃烧； 7）排渣方式：固态； 8）冷空气温度：tlk=20℃ ； 2.1.2 煤的特性

本设计以大同烟煤为燃料，对220t/h锅炉燃烧系统进行设计计算。在辅助计算之前，需进行燃料特性分析，查表2-8[3]，将结果列于下表2.1

表2.1 煤的特性表

名称 收到基低位发热值 收到基全水份 空气干燥基水份 干燥无灰基挥发份 收到基灰份 收到基碳 收到基氢 收到基氧 收到基氮 收到基硫 可磨性系数 灰开始变形温度 灰软化温度 灰熔化温度 符号 Qnet,ar Mar Mad Vdaf Aar Car Har Oar Nar Sar HGI DT ST FT 单位 MJ/kg ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ — ℃ ℃ ℃ 设计煤种 27.8 3.0 24.7 11.7 70.8 4.5 7.1 0.7 2.2 49.5 1350 1370 1400

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2.2 辅助计算

2.2.1 燃烧计算

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燃烧计算需计算出：理论空气量、理论氮容积、RO2容积、理论干烟气容积、理论水蒸气容积。 a) 理论空气量

V 0=0.0889(Car+0.0375Sar) + 0.265Har -0.0333Oar =0.0889(70.8+0.375×2.2)+0.265×4.5-0.0333×7.1

=7.324 nm3/kg 式（2.1） b) 理论氮容积

V0N2Nar?0.8?0.79V0?0.8?0.7/100?0.79?7.26?5.791 nm3/kg 式（2.2）

100c）RO2容积

CarS?0.7ar 100100?1.866?70.8/100?0.7?2.2/100=1.337 m3/kg 式（2.3） VRO2?1.866d ) 理论干烟气容积

（2.4） V0gy?V0N2?VRO2?5.74?1.323?7.128 nm3/kg 式e）理论水蒸气容积

V0H20?11.1HarM?1.24ar1.61dkV0(dk?0.01kg/kg) 100100?11.1?4.5/100?1.24?3/100?1.61?0.01?7.26=0.655 nm3/kg 式（2.5）

f）飞灰份额αｆｈ，查锅炉灰分平衡的推荐值表2-4[3]。 2.2.2 过量空气系数和漏风系数

炉膛出口过量空气系数是由燃料方法决定的，其值一般在1.1~1.5的范围内变化，可从表2-12[3]中选取。

由于制粉系统选用了热空气及炉烟做干燥剂，所以炉膛出口过量空气系数应选较大值选取?1=1.20。

由表2.2[3]可以依次查得高温过热器、低温过热器、高温省煤器、高温空气预热器、低温省煤器、低温空气预热器的漏风系数。

燃烧煤粉时，煤粉制备系统还有一部分漏风，在锅炉设计计算中也必须考虑。由于制粉系统选定由热空气及炉烟做干燥剂、钢球筒式磨煤机。由表2-3[3]可知??zf?0.12。

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表2.2 漏风系数和过量空气系数

序号

名称 制粉系统 漏风系数 炉膛 屏、凝渣管

额定负荷 漏风系数 0.1 0.05 0

入口过量 空气系数 — —

—

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出口过量空气系数

1 2 3

— —

— 1.20 1.20

?1?

???1?? ?pn?? ?pn????pn ?pn????gg ?gg????dg ?dg4 高温过热器 0.025

???pn? ?gg???gg?? ?dg? ?gg?? ?dg1.225

5 6 7 8 9

低温过热器 0.025 1.25

高温省煤器 0.02

???dg?? ?ss???ss?? ?sk???sk?? ?xs???xs?? ?xk? ?ss?? ?sk?? ?xs?? ?xk????ss ?ss????sk ?sk????xs ?xs1.27 1.32 1.34 1.41

高温空气预热器 低温省煤器 低温空气预热器

0.05 0.02 0.05

????xk ?xk2.2.3 烟气特性计算 烟气特性计算过程：

1）受热面出口过量空气系数 ???查表2.2 2）烟道平均过量空气系数?pj

炉膛屏凝渣管 (1.20+1.20 )/2=1.20 式（2.6） 高温过热器 (1.20+1.25 )/2=1.225 下同。 3）干烟气容积Vgy 炉膛屏凝渣管

0 Vgy7.324=8.592 nm3/kg 式（2.7） ???pj?1?V0=7.128+（1.20 -1）×

高温过热器

0 Vgy7.324=8.684 nm3/kg ???pj?1?V0=7.128+（1.225 -1）×

下同

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4）水蒸气容积VHO

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00???0.0161?-1V炉膛屏凝渣管 VH PJ2O =0.655+0.0161×（1.20-1）×7.324

=0.678 nm3/kg 式（2.8）

高温过热器 V0H2O?0.0161??PJ-1?V0 = 0.655+0.0161（1.225-1)×7.324 =0.680 nm3/kg 下同

5）烟气总容积Vy

炉膛屏凝渣管 V3gy?VH2O=8.592+0.678=9.271 m/kg 高温过热器 Vgy?VH2O=8.684+0.680=9.364 m3/kg 下同

6）RO2容积份额 rRO2

炉膛屏凝渣管 VRO2/Vy=1.337/9.271=0.144 高温过热器 VRO2/Vy=1.337/9.364=0.143 下同

7）水蒸气容积份额rH2O

炉膛屏凝渣管 VH2O/Vy=0.678/9.271=0.073 高温过热器 VH2O/Vy=0.680/9.364=0.073 下同

8）三原子气体和水蒸气容积份额r

炉膛屏凝渣管 rRO2?rH2O=0.144＋0.073＝0.217 高温过热器 rRO2?rH2O＝0.143＋0.073＝0.215 9）容积飞灰浓度?? 炉膛屏凝渣管

10Aar?fh/Vy＝10ｘ11.7ｘ0.92／9.271＝11.611 g/m3 高温过热器

10Aar?fh/Vy＝10ｘ11.7ｘ0.92／9.364＝11.496 g/m3 10）烟气质量my

炉膛屏凝渣管 1?Aar100?1.306?pjV0?1?11.7/100?1.306?1.20?7.324?12.360 式（2.9） 式（2.10） 式（2.11） 式（2.12） 式（2.13） kg/kg 式（2.14）

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=1-0.5/(0.5+92.860)

=0.995 % 14）过热蒸汽焓由饱和水和饱和蒸汽性质表和未饱和水和饱和蒸汽性质表通过差值法可

??=3476.45kJ/kg 以查得hgg15）锅炉有效利用热

???hgs) 式（2.31） Q?Dgr(hgg

=220000×（3476.45-924.00）

=561537927.5 kJ/h 16）实际燃料消耗量

B?100?Q/(?Qr) 式（2.32）

=100×561537927.5/(92.860 %×27800） =21752.4 kJ/kg 17）计算燃料消耗量

Bj?B(1?q4/100) 式（2.33）

=21752.4×（1-1.5/100）

=21426.1 kJ/kg 具体数据如下表：

表2.7 锅炉热平衡及燃料消耗量计算

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

名称 锅炉输入热量 排烟温度 排烟焓 冷空气温度 理论冷空气焓 化学未完全燃烧损失 机械未完全燃烧损失

符号

单位 kJ/kg ℃ kJ/kg ℃ kJ/kg % % %

公式

结果

27800 145

Qr

Qr?Qar,net先估后校 查焓温表

?py

hpy tlk用插值法求 取用 )V0h0lk?(ctk取用 取用

查低温空预器出口过量

空气过量系数

1573.9

20

193.98

0.5 1.5

q 3q 4

排烟处过量空气系数 ?py排烟损失

1.39 4.62

q 2(100?q4)(hpy ??pyh0lk)/Qr本 科 毕 业 设 计

10 11 12 13 序号 14 15 16 17 18 19 20 21

散热损失 灰渣损失 锅炉总损失 锅炉热效率 名称 保热系数 过热蒸汽焓 给水温度 给水焓 锅炉实际负荷 锅炉有效利用热 实际燃料消耗量 计算燃料消耗量

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0.5

q5

% % % % 单位 kJ/kg

℃ kJ/kg kJ/h kJ/h kJ/h kJ/h

取用

q6

q6?Q6 ?100%Qr0.019 7.140

92.86 结果 0.995

? q?

符号

q2?q3?q 4?q5?q6100 ??q公式

?

q5 1???q5 给定

?? hgg3476.45

215 924.00 220,000 561537927.5 21752.4 21426.1

hgs D

Q

B

???hgs) Dgr(hgg100?Q/(?Qr) B(1?q4/100)

Bj

3 低温空气预热器设计

3.1 低温空气预热器的结构设计

管式空气预热器常用于中、小型锅炉，它是直径40mm~51mm[7]，壁1.25mm~1.5mm的有缝薄钢直管与错列开孔的上下板焊接而成，形成立体管箱。对燃煤锅炉，为了减轻积灰，采用立式布置，烟气在管内纵向流动。在我国管式空气预热器近年来都采用Φ40×1.5mm的有缝管焊接在两端较厚的管板上制成(有时管板间还有把气流隔成几个流程的管板），外部有时还焊一些钢架以增强其钢度。

管子的排列从空气侧来说采用错列，常用的管距如下

S1S?1.5~1.75[7] 2?1~1.25[7] dd在选用S1、S2时应注意使两管间的斜向距离?的数值不得小于10mm，如?值太大或太小，管板会在管子焊接时发生过大的变形。

如果在决定S1、S2时预先考虑是横向管间间隙S1-d为斜向管间间隙?之二倍，则空

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S1、S2的配合是比较合适的。

表3.1 S1、S2适合值表

S1 S2

60 40

64 41

68 42

72 43

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气气流在管簇中流动时没有过多的压缩、膨胀，因而流阻较小，根据计算，以下的一些

77 44

82 45

在空气预热器中烟气流速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，设计中一般取空气流速比烟气流速低，为烟气流速45%~55%， wk??45%~50%?wy[8] 式（3.1）

空气预热器中烟气与空气流动的方向互相垂直，为交叉流动，但空气预热器较大时，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????1??? 式（3.2） 2273360?00.78d5?nwy?BJVy式中 BJ——计算燃料消耗量，kg/h；

Vy——烟气容积，m3/kg dn——管内径，m ?——烟气平均温度，℃

初选烟气流速为12m/s，空气流速为6m/s，则可算得管子的根数：

n???21426.1?10.498241?1???(1?)?992 7??222733600?0.785dnwy?273?3600?0.785?0.037?12则空气预热器的结构尺寸如下表：

表3.2 低温空气预热器结构尺寸

序号 1 2 3 4 5 6 7

名称 布置 管子尺寸 横向节距 横向节距比 纵向节距 纵向节距比 横向排数

符号 S1

单位 mm mm mm

公式 错列 双面进风

结果

BJVy?40?1.5

76 1.9 44 1.1 216

?1

S2

S1/d

?2

n1

S2/d 40?30

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8 9 10 11 12 序号 13 14 15 管子根数 管箱高度 管箱有效高度 空气道平均高度 受热面积 名称 烟气流通面积 空气流通面积 行程数 N H m m m m2 单位 m2 m2 公式 第 19 页 共 48 页

8640 8.7 8.56 1.71 8648 结果 8.7 42.19 6 hx L Axk 符号 Ay 33600?3.14?0.0372?4 Akn 16 烟气有效辐射层厚度 s m 0.9d(4?1?2??1) 0.046

其中管箱有效高度和空气道平均高度均是指管箱高度减去管箱的上、中、下三层管板的厚度的高度，上、中、下管板厚度的取值范围分别为10mm～20mm，5mm～10mm，20mm～26mm[9]。选取上、中、下管板厚度的分别为15mm，8mm，25mm。

3.2 低温空气预热器的热力计算

1）三原子气体辐射减弱系数Kq

?0.78?1.6rH2O??T?（3.3） Kq?10.2??0.1??1?0.37PJ? 式

??100010.2rps????=10.2?(=79.03

0.78?1.6?0.0610.2?0.19?0.1?0.046?0.1)(1?0.37?152.5?273)

10002）灰粒的辐射减弱系数 kh?559003??PJ?273?2 式（3.4）

2dh ?355900?243.3232267?273?2?132

=11.5

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3）烟气辐射减弱系

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k?kqr?kh?y 式（3.5）

=79.03×0.190456223+155.1×0.015484856 =17.453

4）烟气黑度

?sk?1?e?kps =1?e?0.046?0.1?17.45

=0.080041329

5）管壁灰污层温度

thbxk??tpj??pj?/2 =（152.5+243.32）/2 =197.91 ℃

6）烟气侧放热系数

?f??d1=???xkxk? =25+41.8 =66.8

7）空气流速

B0?JV???xk????xk???tpj?273?w?2?k?3600?273?A k =81893×6.434×（1.18+0.1/2)×(152.5+273)

÷（3600×273×42.19104）

=6.65 m/s 8）传热系数

K?2?1xk???=0.8×66.8×70.12/（66.8+70.12）

2??1 =27.36873275 9）低温空气预热器对流吸热量

式（3.6） 式（3.7）

式（3.8） 式（3.9）

式（3.10）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/woo2.html