粉煤炉设计-学位论文.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y

JIANGSU UNIVERSITY

热动专业毕业设计
煤粉炉设计
所属学院： 能动学院
学生班级： 热能0901班
姓名姓名： 郭楠
姓名学号： 3090202024
指导老师： 张敏

摘要：工业锅炉作为国内主要的热能动力设备，一直是研究的重点。对于容量超过35t/h的锅炉，人们常常采用煤粉炉。煤粉炉的设计自然是最重要的。130t/h煤粉炉的设计对此有一定的意义。在设计过程中，先对煤粉炉进行了调研，翻阅了一些国外资料，对锅炉进行结构设计，热力计算和校核计算等。在计算过程中，首先大致上确定锅炉的大体结构，再进行辅助计算，得到烟气焓温表，然后进行炉膛结构设计，热力计算，再对水冷壁排渣管进行结构设计，热力计算，对过热器进行结构设计，热力计算，再对省煤器空气预热器进行设计，最后进行校核计算，最终得到了一套设计方案。煤粉炉作为重要的热能动力设备，在工业生产中应用甚广，应更加关注它的优化。

关键词：煤粉炉；热力计算；结构设计

Abstract: As a major thermal power equipment, industrial boiler has been the focus of the study. For the capacity of boiler more than 35t/h, people often use pulverized coal. The design of pulverized coal is naturally the most important thing. The design of 130t/h pulverized coal is significant to it. During the design process, firstly some research were done to pulverized coal, secondly I read some books from abroad, at last I did the structural design , thermal calculation and calculation check of pulverized coal. During the calculation process, firstly I determined the general structure of boiler. Secondly I did supporting calculations to receive the temperature of the flue gas enthalpy table. Thirdly I did structural design, thermal calculation of furnace. Fourthly I did structural design, thermal calculation of the water wall and the sullage pipe. Fifthly I did structural design, thermal calculation of superheater. Sixthly I did structural design, thermal calculation of economizer and air preheater. Then I did the checking calculation, Finally I got a set design. As an important thermal power equipment, Pulverized coal is widely used in industry. We should pay more attention to its optimization.

Keywords: pulverized coal; thermodynamic calculation; structural design

目录
第一章绪论 1
1-1 锅炉重要性 1
1-2 锅炉型式简介 1
1-3 煤粉炉简介 1
第二章 辅助计算 2
2.1燃烧产物计算 3
2.2烟气特性计算 4
第三章 燃烧室设计及传热计算 10
3.1炉膛结构设计 10
3.2煤粉燃烧器的型式及布置 14
3.3燃烧器水冷壁布置 17
3.4燃烧室传热计算 18
第四章 凝渣管设计及传热计算 22
4.1凝渣管结构特性计算 22
4.2凝渣管传热计算 24
第五章 过热器设计及传热计算 26
5.1第二级（高温）过热器结构设计 26
5.2第二级（高温）过热器传热计算 30
5.3第一级（低温）过热器结构设计 35
5.4第一级（低温）过热器传热计算 36
第六章 上级省煤器和空气预热器设计及传热计算 40
6.1上级省煤器结构设计 40
6.2上级省煤器传热计算 42
6.3上级空气预热器结构设计 44
6.4上级空气预热器传热计算 45
第七章 下级省煤器和空气预热器设计及传热计算 48
7.1下级省煤器结构设计 48
7.2下级省煤器传热计算 50
7.3下级空气预热器结构设计 52
7.4下级空气预热器传热计算 54
第八章空气动力计算 56
附录 63
结语 67
参考文献 68
致谢 70

第一章绪论
1-1 锅炉重要性
锅炉是国民经济中重要的供应蒸汽的设备。电力，机械，冶金，化工，纺织，造纸，食品等工业都需要大量蒸汽。但各种工业规模不同，因此所需要供应蒸汽的锅炉的容量，蒸汽参数，结构，性能也不相同。
现代电力工业是规模巨大，发展迅速的先行工业。电站锅炉一般容量巨大，蒸汽参数(压力，温度)高，要求性能好，是火力发电站中的主要设备之一。我国已能设计，制造，运行容量巨大的，每小时蒸发量达到2000t/h的，发电量达600MWe的巨型电站锅炉。
除电力工业外，化工，纺织等工业规模也比较大，有既供电又供热的自备电厂，也称为电热联产电站。
小型工业锅炉所需的锅炉容量较小，参数较低，这种锅炉称为工业锅炉。由于容量较小，工业锅炉在结构上，燃烧方法上与电站锅炉相差很多。

1-2 锅炉型式简介
现代锅炉的形式很多，不论是从蒸发受热面中工质流动的方式，或是从燃烧方式来分，都可以分成不同的类型。
从蒸发受热面中水的流动方式来说，除了自然循环外，一种是在下降管上装设循环泵，用泵的压头来使蒸发受热面中的水循环，称为强制循环。采用这种循环方式的锅炉称为强制循环锅炉。
有的锅炉没有锅筒，给水从省煤器进入锅炉，流经蒸发受热面，再经过过热器后流出，成为所要求的压力和温度的蒸汽。这种没有水循环的锅炉称为直流锅炉。
锅炉所用燃烧方式也因燃料不同，锅炉容量不同而有差异。怼气体及液体燃料来说，都采用悬浮燃烧，也称室燃。对固体燃料煤而言，在锅炉容量小时，多采用层燃，就是将煤块放在炉排上成层的燃烧，在锅炉容量大时，多把煤磨成煤粉悬浮燃烧，这样的锅炉称为煤粉炉。近年来流化床燃烧技术发展很快，已开始在电站锅炉中采用。

1-3 煤粉炉简介
煤粉炉是燃煤电站锅炉最常采用的燃烧方式。根据排渣方式，它又可以分固体及液态排渣两种，其中以固体排渣通用最广，只有在煤的灰熔点过低时才采用液态排渣。
一般在锅炉容量高于10kg/s（35t/h）时才采用煤粉炉。世界上最大的煤粉炉发电容量大1300MWe。我国制造的煤粉炉已达600MWe。不过煤粉炉也能用于小型锅炉，我国也有多年运行7kg/s（25t/h）及更小的煤粉炉的经验，与链条炉相比，小型煤粉炉的缺点是能耗高，养护困难。
液体排渣煤粉炉因能烧灰熔点低，挥发分含量低的煤而得到较高的燃烧效率，而且所排液态渣在水淬后能用做建筑材料。其主要缺点是在运行中它对煤的灰熔点及高温下灰的黏度比较敏感，有时排渣困难。此外，在运行不当时会有析铁，火侧腐蚀等事故发生；由于燃烧温度高，有时生成的氧化氮较多，污染环境，因此近年来采用者逐渐减少。

第二章 辅助计算
设计任务
1) 锅炉额定蒸汽量：36.1kg/s（130t/h）
2) 蒸汽参数：
1. 汽包内蒸汽压力：4.3MPa。
2. 过热器出口汽压力：3.9MPa。
3. 过热器出口蒸汽温度：450℃。
3) 给水温度：170℃。
4) 给水压力：4.9MPa。
5) 排污率：。
6) 排烟温度：℃。
7) 预热空气温度：trk=370℃。
8) 冷空气温度：tlk=30℃。
9) 空气中含水蒸汽量：d=10g/kg。
燃料特性
燃料名称：焦作无烟煤
煤的收到基成分：
碳Car=66.1%。
氢Har=2.2%。
氧Oar=2.0%。
氮Nar=1.0%。
硫Sar=0.4%。
灰分Aar=21.3%。
水分Mar=7.0%。
煤的干燥无灰基挥发分Vdaf=7.0%。
灰熔点特性：
DT=1310℃；
ST=1370℃；
FT=1420℃；
煤的可磨度：Kkm=1.2。
煤的收到基低位发热量：Qar，net，p=22880kJ/kg。
采用单锅筒Ⅱ型布置，上升烟道为燃烧室及凝渣管。水平烟道布置两级悬挂对流过热器，垂直下行烟道布置两级省煤器及两级管式空气预热器。
整个炉膛全部布满水冷壁，炉膛出口凝渣管簇由锅炉后墙水冷壁延伸而成，在炉膛出口出采用由后墙水冷壁延伸构成的折焰角，以使烟气更好的充满炉膛，采用光管水冷壁。
对流过热器分两级布置，由悬挂式蛇形管束组成，在两级之间有锅炉自制冷凝水喷水减温装置，由进入锅炉的给水来冷却饱和蒸汽制成凝结水，回收凝结放热量后再进入省煤器。
省煤器和空气预热器采用两级配合布置，以节省受热面，减少钢材消耗量。
锅炉采用四根集中下降管，分别供水给12组水冷壁系统。
燃烧方式采用四角布置的直流燃烧器。
根据煤的特性选用钢球滚筒式磨煤机储仓式制粉系统。

2.1燃烧产物计算
煤完全燃烧（）时理论空气量及燃烧产物容积计算（以1kg燃料为基准）

Car
66.1
Har
2.2
Oar
2.0
Nar
1.0
Sar
0.4
Aar
21.3
Mar
7
Qar，net，p
22880

理论空气容积
=0.0889（66.1+0.3750.4）+0.265×2.2-0.0333×2.0
=6.4m3/kg
三原子气体容积
=0.01866（66.1+0.375×0.4）
=1.236225 m3/kg
理论氮气容积
=0.008×1.0+0.79×6.4
=5.064 m3/kg
理论水蒸气容积
=0.111×2.2+0.0124×7+0.0161×6.4
=0.43404 m3/kg
理论烟气容积
=1.236225+5.064+0.43404
=6.734265 m3/kg
烟气中飞灰质量浓度
=0.95×
=0.20235kg/kg(代表飞灰中纯灰份额，查锅炉原理及计算可得)
煤的折算灰分
=10000×
=9.30944g/MJ

2.2烟气特性计算
烟道各处过量空气系数，各受热面漏风系数
符号

大小
6.4m3/kg
1.236225 m3/kg
5.064 m3/kg
0.43404 m3/kg
6.734265 m3/kg
0.20235
kg/kg

漏风系数（查锅炉原理及计算可得）

炉膛及凝渣管
第二级过热器
第一级过热器
上级省煤器
上级空气预热器
下级省煤器
下级空气预热器
漏风系数

0.1
0.015
0.015
0.02
0.03
0.02
0.03

出口处过量空气系数 即入口过量空气系数及漏风系数之和。
炉膛及凝渣管1.25（查表得）
第二级过热器=1.25+0.015=1.265
第一级过热器=1.265+0.015=1.28
上级省煤器=1.28+0.02=1.3
上级空气预热器=1.3+0.03=1.33
下级省煤器=1.33+0.02=1.35
下级空气预热器=1.35+0.03=1.38
平均过量空气系数
炉膛及凝渣管=0.5（1.25+1.25）=1.25
第二级过热器=0.5（1.25+1.265）=1.2575
第一级过热器=0.5（1.265+1.28）=1.2725
上级省煤器=0.5（1.28+1.3）=1.29
上级空气预热器=0.5（1.3+1.33）=1.315
下级省煤器=0.5（1.33+1.35）=1.34
下级空气预热器=0.5（1.35+1.38）=1.365
水蒸气容积
炉膛及凝渣管0.43404+0.0161（1.25-1）6.4=0.4598
第二级过热器0.43404+0.0161（1.2575-1）6.4=0.4606
第一级过热器0.43404+0.0161（1.2725-1）6.4=0.4621
上级省煤器0.43404+0.0161（1.29-1）6.4=0.4639
上级空气预热器0.43404+0.0161（1.315-1）6.4=0.4665
下级省煤器0.43404+0.0161（1.34-1）6.4=0.4691
下级空气预热器0.43404+0.0161（1.365-1）6.4=0.4716
烟气总容积
炉膛及凝渣管6.734265+1.0161（1.25-1）6.4=8.36
第二级过热器6.734265+1.0161（1.2575-1）6.4=8.409
第一级过热器6.734265+1.0161（1.2725-1）6.4=8.506
上级省煤器6.734265+1.0161（1.29-1）6.4=8.62
上级空气预热器6.734265+1.0161（1.315-1）6.4=8.7827
下级省煤器6.734265+1.0161（1.34-1）6.4=8.945
下级空气预热器6.734265+1.0161（1.365-1）6.4=9.108
水蒸气容积份额
炉膛及凝渣管0.055
第二级过热器0.0548
第一级过热器0.0543
上级省煤器0.0538
上级空气预热器0.0531
下级省煤器0.0524
下级空气预热器0.05178
三原子气体容积份额
炉膛及凝渣管=0.1479
第二级过热器=0.147
第一级过热器0.1453
上级省煤器=0.1434
上级空气预热器=0.1408
下级省煤器=0.1382
下级空气预热器=0.1357
三原子气体总容积份额∑=
炉膛及凝渣管∑==0.2029
第二级过热器∑==0.2018
第一级过热器∑==0.1996
上级省煤器∑==0.1972
上级空气预热器∑==0.1939
下级省煤器∑==0.1906
下级空气预热器∑==0.18748
烟气质量
炉膛及凝渣管=11.235
第二级过热器=11.298
第一级过热器=11.423
上级省煤器=11.569
上级空气预热器=11.778
下级省煤器=11.987
下级空气预热器=12.196
飞灰浓度
炉膛及凝渣管=0.0180
第二级过热器=0.0179
第一级过热器=0.0177
上级省煤器=0.01749
上级空气预热器=0.01718
下级省煤器=0.01688
下级空气预热器=0.01659
空气预热器出口热空气过量空气系数
=1.25-0.1-0.1
=1.05
锅炉热平衡及燃料消耗量
排烟过量空气系数
锅炉蒸发量
排污率

煤的收到基低位发热量：Qar，net，p
1.38
36.11kg/s
2%
22880kJ/kg

排烟温度℃
冷空气温度℃
空气预热器出口空气温度 ℃

焓值
1767.50kJ/kg
279.52kJ/kg
3200.248kJ/kg

因为燃料灰分=21.3﹤=54.6，所以灰渣物理热损失不必计算。
排烟损失计算
排烟损失
=（1767.50-1.38×279.52）
=5.798﹪（代表固体未完全燃烧损失，查锅炉原理及计算可得）
锅炉效率
=100-4-0.66-5.798
=89.542（代表气体未完全燃烧损失，查锅炉原理及计算可得，代表锅炉外部冷却损失，查锅炉原理及计算可得）
锅炉总吸热量

（代表过热蒸汽出口焓，代表饱和水焓，代表给水焓，查水蒸气表可得，，）
燃料消耗量

计算燃料消耗量

空气预热器吸热量

=3066.76kJ/kg
空气预热器吸热量与燃料热量的百分比

=13.40
保热系数

=0.9927

第三章 燃烧室设计及传热计算
3.1炉膛结构设计
炉膛宽度及深度
因采用角置直流燃烧器，炉膛采用正方形截面。
计算燃料消耗量
煤的收到基低位发热量：Qar，net，p
4.4307kg/s
22880kJ/kg
炉膛截面积

=41.89㎡（代表炉膛截面热负荷，查锅炉原理及计算可得）
炉膛宽度
=6.472m
第一根凝渣管高 设定
折焰角前端到第一排凝渣管斜管段长 设定
折焰角宽度 设定
折焰角上倾角度 设定°
折焰角下倾角度 设定°
顶棚倾角 设定°
顶棚宽度
=6.472-1.9-0.734cos30°
=3.936m
凝渣管与炉墙距离
=6.472-3.936
=2.536m
顶棚高度
=4.2+3.936tan8°
=4.753m
折焰角高度
=1.9tan30°
=1.097m
折焰角高度
=2.536tan30°
=1.464m
冷灰斗底口宽度 设定
冷灰斗倾角 设定°
冷灰斗中部宽度
=
=3.767m
冷灰斗高度
=
=3.863m
冷灰斗斜边长度的一半
=
=2.358m
炉膛容积热负荷 设定
炉膛容积
=579.28m3
侧墙面积

=89.506m2
炉膛中部高度

=8.402m
出口窗中心到灰斗中心高

=13.714m
前墙面积

后墙面积

=97.193m2
出口窗面积

=31.935m2
顶棚面积

=25.724m2
炉膛总面积

=455.929 m2
炉膛总高
=4.753+1.464+8.402+1.9315
=16.551m

炉膛宽度

6.472m
折焰角高度
1.097m
第一根凝渣管高

4.2m
冷灰斗底口宽度
1.062m
折焰角前端到第一排凝渣管斜管段长
0.734m
冷灰斗倾角
55°
折焰角宽度

1.9m
冷灰斗中部宽度
3.767m
折焰角上倾角度

45°
冷灰斗高度
3.863m
折焰角下倾角度
30°
冷灰斗斜边长度的一半
2.358m
顶棚倾角

8°
炉膛中部高度
8.402m
顶棚宽度
3.936m
出口窗中心到灰斗中心高
13.714m
凝渣管与炉墙距离

2.536m
炉膛总高
16.551m
顶棚高度

4.753m

3.2煤粉燃烧器的型式及布置
采用角置直流式煤粉燃烧器，分布于炉膛四角。燃烧器的中心距冷灰斗上沿为1.73m。每组燃烧器有两个一次风口，两个二次风口和两个废气燃烧器。
计算燃煤消耗量
4.4307kJ/kg
理论空气量
6.4Nm3/kg
燃料收到基低位发热量
22880kJ/kg
炉膛出口过量空气系数
1.25
燃料干燥无灰基挥发分
7%
炉膛漏风系数
0.10
二次风及送粉热风温度
=370-10
=360℃
一次风中煤粉浓度

=0.387kg/kg(代表一次风率，查表可得)
热风比热 kJ/kg℃
一次风温 设定℃
一次风温下的空气比热 1.323kJ/kg℃
燃烧器前的一次风温
（代表一次风温下的空气比热，代表热风比热，查锅炉原理及计算可得1.323kJ/kg℃， kJ/kg℃，代表煤的干燥基比热，煤中水分比热，查锅炉设计手册得，，代表煤中水分为7%，代笔三次风率，查得，代表磨煤废气及煤粉温度，查得℃）
燃烧器前一次风温 ℃合理。
炉膛漏风率
=0.08
二次风率
=1-0.25-0.22-0.08
=0.45
二次风量
=36.98m3/s
一次风量
=20.22 m3/s
磨煤废气量
=12.08 m3/s
一次风速
二次风速
磨煤废气（三次风）风速
燃烧器数量 （切向燃烧四角布置）
每个燃烧器的标准煤出力
=3.11t/h
一次风口面积
=0.230m2
二次风口面积
=0.1849 m2
废气（三次风）喷口面积
=0.055 m2
炉膛宽度 a=6.472m
炉膛深度 b=6.472m
燃烧器间距离
炉膛高度
下二次风口下沿到冷灰斗转角距离
燃烧器假想切圆直径
=0.809m
燃烧器矩形对角线长度
=9.15m
特性比值

（初步选定）

燃烧器喷口宽度
选定为0.28m
燃烧器喷口高度
燃烧器占有面积
=4.02m2

3.3燃烧器水冷壁布置
水冷壁采用光管，管节距s=64mm，管子悬挂炉墙，管子中心和炉墙距e=0，每面墙宽6472mm，侧墙布置102根，前后墙布置100根，凝渣管有根管子，折焰角上有24根管子，另4根管直接与联箱相连。
水冷壁规格
前后侧
顶棚
出口窗
管节距
前后侧
顶棚
相对值
前后侧
顶棚
管中心与炉墙距离
前后侧 e=0
顶棚 e=30mm
相对值
前后侧
顶棚
角系数
前后侧 x=0.99
顶棚 x=0.94
出口窗 x=1
炉墙面积
前后侧
顶棚
出口窗
水冷壁有效辐射面积
前后侧
=390.29㎡
顶棚 ㎡
出口窗 ㎡
总水冷壁有效辐射面积
=446.406㎡
水冷壁受热面平均热有效性系数
=0.4406（代表灰污系数，查锅炉原理及计算可得）
烟气辐射层有效厚度
=4.574m
燃烧器中心高度
=3.662m
燃烧器相对高度
=0.2213
火焰中心相对高度修正
火焰中心相对高度
=0.2213

3.4燃烧室传热计算
热空气温度
370℃
冷空气温度
30℃
热空气焓
3200.248kJ/kg
冷空气焓
279.52kJ/kg
空气进入炉膛的热量
=3416.16kJ/kg
燃料有效放热量
=25380.96kJ/kg
理论燃烧温度 ℃
K
炉膛出口烟温 假定℃

烟气平均热容量
=14.759kJ/kg℃（代表炉膛出口烟气焓，查表可得）
容积份额，水蒸气/三原子气体
烟气密度
=1.3439kg/Nm3
三原子气体分压
=0.0206
三原子气体辐射减弱系数

=0.8177（1/mMPa）
灰粒辐射减弱系数

=1.576（1/mMPa）
焦炭辐射减弱系数
=1.02（1/mMPa）（代表火焰中悬浮的焦炭颗粒的辐射减弱系数，取值为10.2，，代表焦炭颗粒在火焰浓度中浓度影响系数，对于无烟煤，对于悬浮燃烧）
火焰辐射减弱系数
=0.8177+1.576+1.02
=3.4137（1/mMPa）
火焰辐射吸收率
火焰黑度
=0.7944
炉膛黑度

=0.8976
火焰中心高度系数
=0.4494
炉膛出口烟温

=1348.75k
℃
炉内辐射传热量
=11387.51kJ/kg（代表炉膛出口烟气焓，查表得）
辐射受热面热负荷
=113.024kw/㎡
燃烧室辐射吸热量的分配
凝渣管直接吸收燃烧室辐射热量
辐射受热面是燃烧室出口窗，凝渣管吸收的热量与凝渣管束的角系数有关，根据凝渣管的横向相对节距，查表得单排管的角系数x=0.32，凝渣管现有三排，总角系数为=0.6856
凝渣管辐射受热面
=21.895㎡
由于出口窗位于燃烧室上部，热负荷较小，需计算沿高度的热负荷不均匀系数。出口窗中心高度为，从冷灰斗中心到炉顶总高度为，根据和燃烧器中心相对高度，查图得。
凝渣管吸收的辐射热量
=1732.26kw
高温过热器直接吸收燃烧室的辐射热量

=794.33kw
水冷壁平均受热面热负荷

=115.64kW/㎡