20th燃煤锅炉空气预热器课程设计.docx

20t/h燃煤锅炉空气预热器课程设计说明书

摘要

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。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入炉内，改善燃烧，提高锅炉燃烧效率，并且强化传热。
管式空气预热器是一个立方体的官箱，中间有隔板，由于许多薄壁钢管组成，管子一般采用错列布置两端与钢板焊接。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框架上的。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温度降低，因此空气流动速度就会增大，管式空气预热器根据进口方式不同，可分为单面进风和多面进风。其他条件不变的时候，进风面越多，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，但是管式传热性能差，使得空气预热器的体积庞大，钢耗严重。
本次课程实际经过锅炉选材，耗煤量计算，确定基本计算数据，通过物料平衡，热平衡来确定焓值等数据来进行传热计算，设计出空气预热器结构尺寸，从而形式具体结构就的出。再进行阻力计算，得到数据。
本课程设计由于时间限制，设计条件极为理想，只可作为理想设计，不考虑漏风等因素，并不十分完善。

目录
第一章 已知参数 ——————————————
1.1 锅炉已知参数
1.2 燃料特性
第二章 空气预热器设计
2.1 锅炉的选型
2.2 燃煤量计算
2.3 物料平衡与热平衡
2.4 传热计算
2.5 结构设计
2.6 阻力计算
第三章 数据总结
参考文献

第一章 已知参数
1.1 锅炉的已知参数

表 1—1 锅炉已知参数
锅炉蒸发量
额定蒸汽压力
给水温度
额定蒸汽温度
空气预热器入口温度
排烟温度
环境温度
排污率
20t/h
2.5MPa
105 ℃
400℃
250℃
160℃
20℃
5﹪

1.2 燃料特性
1.2.1 燃料选择： 贫煤
贫煤：它是烟煤的一种，对煤化程度最高的烟煤的称谓，这种煤着火温度高，燃烧时火焰短，但发热量高，燃烧持续时间长。一般挥发份>10%～20%，含碳量高达90%，含氢量一般在4%～4.5%。贫煤一般用作炼焦配煤。

1.2.2 煤的成分
表1—2 煤的成分
成分
Car
Oar
Sar
Har
Nar
Mar
Aar
Vdaf
百分比（﹪）
39.9
4.6
0.2
2.7
0.6
7
45
25

1.2.3 煤的低位发热量
氧气氮气二氧化碳二氧化硫
15890 KJ/ kg

第二章 空气预热器设计

2.1 锅炉选型
根据已知参数，在我国一般35t/h 以下的锅炉多采用链条炉排，阴齿设计选择燃烧方式为链条炉排。
, 可得锅炉的最低效率为76%，由于课程设计的限制，简化设计，不考虑漏风等实际因素，因此取锅炉的效率为87.1%。

2.2 计算燃煤量

得： = 18004KJ/ s
根据锅炉的效率，得消耗燃料的输入热量：
（2—1）
=20670.5KJ/s
燃煤量为：
（2—2）
1.3 kg/s

2.3 物料平衡与热平衡
物料平衡即温度内能熵热力学第一定律热力学第二定律 4.144 Nm3/h
燃烧 （2—4）
0.745934 Nm3/h
(2—5)
3.27856 Nm3/h
(2—6)
0.3738584Nm3/h
170+0.6（358-170）
282.8KJ/ m3
130+0.6(260-130)
208 KJ/ m3
151+0.6（305-151）
243.4 KJ/ m3
根据 （2—7）
983.49181KJ/ kg
2.3.4 根据空气预热器的过量空气系数1.20的计算
过量空气系数是指通过的可燃混合气成分指标，常用符号α表示。
在我国及前苏联等国，通过的可燃混合气成分指标是过量空气系数，常用符号α表示。
α=燃烧1kg燃料实际所供给的空气质量/完全燃烧1kg燃料所需的理论空气质量
由上面的定义表达式可知：无论使用任何燃料，凡过量空气系数α=1的可燃混合气即为理论混合气，此时燃料与空气中的氧气完全燃烧；α<1时，此时燃料与空气中的氧气不完全燃烧，产生的为浓混合气；α>1时则为稀混合气
过量空气量 ： （2—8）
0.8288 Nm3/h
水蒸气容积： （2—9）
0.3872 Nm3/h
烟气总容积:
(2—10)
5.3235
RO2容积份额： （2—11）
0.142
H2O容积份额： （2—12）
0.074
三原子气体份额： （2—13）
0.216
烟气质量： （2—14）
7.04kg
2.3.5 焓的计算
在热力学中，分子、原子、离子做热运动时遵从相同的规律，所以统称为分子。
既然组成物体的分子不停地做无规则运动，那么，像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能。分子动能与温度有关，温度越高，分子的平均动能就越大，反之越小。所以从分子动理论的角度看，温度是物体分子热运动的平均动能的标志（即微观含义，宏观：表示物体的冷热程度）。
分子间存在相互作用力，即化学上所说的分子间作用力（范德华力）。分子间作用力是分子引力与分子斥力的合力，存在一距离r0使引力等于斥力，在这个位置上分子间作用力为零。分子势能与弹簧弹性势能的变化相似。物体的体积发生变化时，分子间距也发生变化，所以分子势能同物体的体积有关系。
当 时的空气以及烟气的焓
根据空气预热器入口温度250℃，
排烟温度160℃，
空气入口温度20℃，
因此温度计算范围为0-300℃
表3—1 焓值表
顺序
1
2
3
4
5
6
7
8
9
t,
(℃)
CCO2
* CCO2
*

100
170.0
126.8
130
426.21
150.7
56.34
609.
132
549
200
357.6
266.8
260
852
304
114
1233
266
1104
300
538.9
416.9
392
1285
463
172.95
1875
403
1669

表3—2 焓温表

[℃]

[kj/kg]

[kj/kg]
公式

1.20

100
613.20
548.67
613.2+*548.67
722.934

738.616
200
1241.04
1102.73
1241+*1102.73
1461.55
758.92
300
1886.72
1668.75
1887+*1669
2220.47

2.4 传热计算

2.4.1 空气出口温度的计算
根据空气预热器的烟气入口温度：250℃
排烟温度：160℃
空气入口温度： 20℃
查不同燃料和燃烧方式对预热空气温度表[1]
根据烟气入口温度：250℃
得：
1563.88kj/kg
根据烟气出口温度：160℃
得：
989.904kj/kg
因此 （4—1）
4036.89Kj/kg
(4—2)
5247.957Kj/s
根据空气预热器已知参数：64 mm
60 mm
在空气预热器中烟气流速一般为的范围内选取，烟气流速过高则磨损大，烟气流速过低则会堵灰，设计中一般取空气流速比烟气流速低，为烟气的。
即， （4—3）
取 烟气流速

根据烟气流速得：
烟气总容积 ： （4—4）
6.8055
流通截面积： （4—5）
2.44
根据能量守恒
（4—6）
查空气热物理性质表[3],利用试算法，先估后算，再根据焓温表3—2，得出温度。
根据试算法的出：125℃
核对误差：5108.73Kj/s
（4—7）
误差符合要求
2.4.2 锅炉对流受热面的传热系数K的计算
传热系数，是换热操作中热量通量 q（见传热过程）与传热推动力（温度差Δt）的比例系数，即： K＝q/Δt它在数值上等于在单位温度差推动下于单位时间内经单位传热面所传递的热量，它与传热
面积乘积的倒数为传热过程的总热阻。
根据 （4—8）
：烟气侧热阻
：受热面烟气侧灰污层热阻
：受热面管壁金属热阻
：空气侧热阻
由于本课程设计数据精度不高，因此不考虑辐射换热，只对对流换热研究，由于管壁的厚度很小，因此管壁热阻可以忽略不计，在进行维护中，水垢沉积层的厚度很薄，因此可以忽略不计，即传热系数公式可以简化为：
（4—8）
查管式空气预热器利用系数表[1]
查得：
根据纵流冲刷受热面的温度改正系数图[1]
查得：1.05

38
由 （4—9）
得：40.32
根据空气在管外冲刷管子，利用
（4—10）
根据决定横向冲刷错簇的对流放热系数的线算图[1]
得：1.05
1
与有关
根据： （4—11）
（4—12）
得 ： 1.7
因此 （4—13）
0.94
求得： 61.6875
20.73
根据空气预热器的烟气入口温度：250℃
排烟温度：160℃
空气入口温度： 20℃
空气出口温度：125℃
小温降等于： （4—14）
90℃
大温降等于： （4—15）
105℃
（4—16）
0.39
（4—17）
1.15
查交差温压改正系数图[1] 选择二流程，查的
由 （4—18）
（4—19）
（4—20）
得 140℃
125℃
132.4℃
（4—21）
132.4℃

2.4.3 传热面积的计算
根据 （4—22）

求得： 1.91

2.4.4 管束的计算
根据烟道的截面积2.44
设计烟道长度为1.63m
烟道高度为1.5 m
根据单根管子的换热面积 （4—23）

由 （4—24）
根
根据设计为二流程，因此需要三段管箱，而每个管箱中有504根管子。

表4—2 计算参数表

序号
名称
符号
单位
公式
结果
1
进口空气温度

℃
给定
20
2
进口空气焓

kj/kg
查焓温表3—2
109.7
3
出口空气温度

℃
先估后校
125
4
出口理论空气焓

kj/kg
查焓温表3—2
687.185
5
进口烟气温度

℃
给定
250
序号
名称
符号
单位
公式
结果
6
进口理论烟气焓

kj/kg
查焓温表3—2
1563.88
7
出口烟气温度

℃
给定
160
8
出口理论烟气焓

kj/kg
查焓温表3—2
989.904
9
烟气平均温度

℃

205
10
烟气流速

m/s

12
11
流通截面积

2.44
序号
名称
符号
单位
公式
结果
12
烟气传热热阻

40.32
13
空气侧热阻

61.6875
14
传热系数
K

20.73
15
大温降

℃

105
16
小温降

℃

90
17
对数平均温度

℃

132.4
18
温差

℃

132.4
19
单根管换热面积

序号
名称
符号
单位
公式
结果
20
传热面积
F

1.91
21
管数
n
根

1008

2.5 结构设计

根据已知参数，
设计第一级空气预热器有16与15 根管子交错排列，空气预热器长度为1.63m，宽度为1.5m，高度为1.5m，管子共有24排，共504根管子。
设计第二级空气预热器有16与15 根管子交错排列，空气预热器长度为1.63m，宽度为1.5m，高度为1.5m，管子共有24排，共504根管子。

2.6 阻力计算

2.6.1烟气侧阻力
由于立式管式空气预热器烟气从管内流过，空气预热器的阻力由：入口局部阻力，管内流动的沿程摩擦阻力和出口局部阻力组成。
根据 （6—1）
：气动压
：沿程阻力
：进口局部阻力系数
：出口局部阻力系数
根据 （6—2）
0.28
查截面变化的阻力系数图[1]
得
（6—3）
：沿程摩擦阻力系数
：管程长度
：气流速度
：气体密度
：气流平均绝对温度
：管壁平均绝对温度
：当量直径
依照 （6—4）
得 13.4m/s
查摩擦阻力系数表[1] 的0.03
查决定760mmHg时空气动压线算图[1]
52Pa
得 106.84Pa
156.76 Pa

2.6.2 空气侧阻力
第二段空气预热器的管子为
根据已知参数设出口空气温度为55℃
（6—5）
查决定760mmHg时空气动压线算图[1]
25Pa
（6—6）
（6—7）
（6—8）
0.812
21.125Pa
第一级空气预热器采用的管子
根据空气入口温度为55℃
空气出口温度为125℃
查决定760mmHg时空气动压线算图[1]
26Pa

5.166
129.5Pa

147.12Pa

第三章 数据总结

表1 数据总结
序号
名称
符号
单位
结果
1
进口空气温度

℃
20
2
出口空气温度

℃
125
3
入口烟气温度

℃
250
4
出口烟气温度

℃
160
5
横向间距

mm
64
6
纵向间距

mm
60
7
级数

2
8
排数
m

24
9
总管数
n
根
1008
10
总换热面积
F

1.91
11
烟气侧阻力

Pa
156.76
12
空气侧阻力

Pa
147.12

参考文献
1. 冯俊凯、沈幼庭， 锅炉原理及计算，科学出版社
2. 赵翔、任有中， 锅炉课程设计，北利电力出版社
3. 章熙民、任泽濡、梅飞鸣，传热学，中国建筑工业出版社
4. 容銮恩、袁镇福、刘志敏，电站锅炉原理，中国电力出版社