35t-h循环流化床锅炉换热器的设计

35t/h 循环流化床锅炉换热器的设计 摘 要 循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，不但能达到低 NO2排放、 90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广，负荷调节性能好，灰渣易于综合利用等优点，已成为当前煤炭洁净燃烧的首选。 换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。 本论文首先介绍了循环流化床锅炉的发展历史，及其中换热器的研究发展状况；其后进行了 35t/h 循环流化床锅炉换热器的设计，设计主要内容为换热器的热力计算及结构计算部分，计算主要包括：燃料燃烧计算、锅炉热平衡计算、过热器设计计算、省煤器设计计算、空气预热器设计计算；最后用 AtuoCAD 绘制了换热器的结构图。 关键词： 锅炉，循环流化床，换热器，设计 I Abstract Circulating Fluidized Bed boiler has developed as a new form with clean combustion of high efficiently and low pollution. The boiler have a lot of advantages , not only to achieve low emissions, 90 percent of the desulfurization efficiency, and the combustion efficiency can be similar to coal powder boiler, but also it have far ranging adaptability of the fuel and wide scope of the adjustable burden. And now it has become the first new technology of high efficiency and low Pollution. 2NOHeat exchanger is one of heat exchange equipment that with very wide range of application in the area of the national economy and industrial production, heat exchangers performance plays an important role on product quality, energy efficiency and system operation and reliability of the economy, sometimes even decisive Role. In the first ,this paper introduced the circulating fluidized bed boilers history of development , and its heat exchanger in the current state of research and development; The design of a circulating fluidized bed boiler heat exchanger was followed, the main content of the design include the heat exchanger calculation and Structural calculations. The main content of calculation include: fuel combustion, the boiler heat balance, overheating design, economizer design, the air preheater design; Finally, rendering the structure of the heat exchanger with the AutoCAD. Key words: Boiler, Circulating Fluidized Bed, Heat Exchanger, Design II目 录 第一章 前 言 1 1.1 选题背景 1 1.2 研究意义 2 第二章 循环流化床锅炉技术概况 3 2.1 目前世界上开发循环流化床锅炉技术概况 3 2.2 我国开发循环流化床技术现状 3 2.3 循环流化床燃烧锅炉的基本技术特点 4 2.4 循环流化床锅炉存在的缺点 5 第三章 锅炉中换热器概述 6 3.1 换热器的发展状况 6 3.2 循环流化床锅炉中各类换热器概述 6 第四章 锅炉换热器的设计及计算 9 4.1 课题研究及主要工作内容 9 4.2 燃烧计算 10 4.3 锅炉热平衡计算 13 4.4 过热器设计计算 17 4.5 省煤器设计计算 25 4.6 空气预热器设计计算 32 第五章 结 论 40 5.1 结论 40 5.2 体会 40 5.3 改进措施 41 参考文献 42 致 谢 43 声 明 44 III35t/h 循环流化床锅炉换热器的设计 第一章 前 言 1.1 选题背景 循环流化床锅炉是近十几年发展起来的一项高效、低污染清洁燃烧技术。循环流化床锅炉依据流化机理，使燃料在锅炉炉膛内处于流化状态，固体颗粒( 燃煤及脱硫剂) 和空气一起具有像流体一样的流动性，可以自由运动，上下循环反复进行燃烧。由于颗粒之间进行强烈地混合与搅拌，使得流化床内各处的温度和浓度趋于均匀，而流化床是由炽热的灰粒和煤粒所组成，其中大部分是灰粒，床内的温度约为 1000 左右( 视煤的灰熔点而定)Cnull 1。新煤加入后，与比它多几倍的高温灰粒相混合，使煤迅速地预热、干燥以至着火燃烧。 我国是开发流化床燃烧技术较早的国家。早在上世纪 60 年代，就开始研究发展鼓泡流化床技术。循环流化床技术的研究和开发始于上世纪 80 年代。 1989 1991 年初，首批 35t75t/h 的循环流化床锅炉投入运行。由于产品设计和循环流化床锅炉的理论发展落后的原因，运行问题较多。经国家组织的完善化研究后，在90 年代中后期得以快速发展。至今据不完全统计，国内己投运或正在制造的循环流化床锅炉己有上千台。蒸发量 220t/h及以下容量的循环流化床锅炉已在国内大量使用，410t/h 的循环流化床锅炉己开始投入商业运行。随着该技术的不断完善和发展，用于集中供热的热水循环流化床锅炉也在应用和推广。可以预见，今后若干年里将是循环流化床锅炉飞速发展和使用的重要时期2。 循环流化床锅炉可分为两个部分：第一部分由炉膛( 快速流化床) 、气固物料分离器、固体物料再循环设备和外置热交换器( 有些循环流化床锅炉没有该设备) 等组成，上述部件形成了一个固体物料循环回路。第二部分为对流烟道，布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，与其它常规锅炉相近。 其换热器一般包括过热器、再热器、省煤器和空气预热器。 换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备，随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。换热器因而面临着新的挑战。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达 96%。换热设备在现代装置中约占设备总重的 30%左右，其中管壳式换热器仍然占绝对的1 优势，约 70% ，其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管热泵和蓄热器等设备，其中板式、螺旋板式、板翅式以及各类高效传热元件的发展十分迅速。在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展3。 1.2 研究意义 能源与环境是当今社会发展的两大问题。我国是产煤大国，也是用煤大国，目前一次能源消耗中煤炭占 76% ，在可见的今后若干年内还有上升的趋势，而这些煤炭中又有 84%是直接用于燃烧的，其燃烧效率还不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效地控制，以至于我国每年排入大气 87%的SO 2 和 67%的 均来源于煤的直接燃烧XNO4，可见发展高效低污染的清洁燃烧技术，是当前亟待解决的问题。循环流化床是近年来在国际上发展起来的新一代高效低污染清洁燃烧技术，其主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈，不但能达到低NO 2 排放、 90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广，负荷调节性能好，灰渣易于综合利用等优点，因此在国际上得到迅速的商业推广。我国近几年来也有l00 多台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中， 100MW级的循环流化床锅炉正在安装，而更大容量的电站循环流化床锅炉在国际上正在示范运行，己被电行业所接受和认可。可以预见，未来的几年将是循环流化床技术飞速发展的一个重要时期4。 我国能源总体利用效率一直较低，虽然近年来已达30% ，仍比发达国家至少低10个百分点。我国单位国民生产总值能耗比发达国家高610倍，单位产品能耗比发达国家高出50% 100% 。可见，我国的节能潜力很大。换热器是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备。如何把设备能耗降下来，就成为近期我国各行业的中心任务，而余热利用自然是当务之急。换热器的正确设置、合理设计、性能改善等对能源的有效利用及开发有着十分重要的意义5。 2第二章 循环流化床锅炉技术概况 2.1 目前世界上开发循环流化床锅炉技术概况 在近二十多年里，为了开发、完善循环流化床燃烧技术，世界上各工业国家技术，人力财力等各方面都作了大量投入，而走在世界前列的仍然是几个比较发达的资本主义工业国家。目前国外主要开发研制单 位和生产厂家有德国鲁奇 LURGI公司、芬兰奥斯龙(AHLSTRJOM) 公司、美国巴特尔(Battelle) 研究中心、 美国福斯特惠勒(Foster & Wheeler) 公司、德国巴布科克和斯坦缪勒公司、瑞典斯图特斯维公司。美国的燃烧工程公司和法国斯坦因公司( 引进德国鲁奇公司的技术) ，也是当今世界上循环流化床锅炉生产能力较强的厂，虽然开发，研制，生产循环流化床锅炉的公司，厂商较多，但从循环流化床锅炉设计结构特点上可分为三大流派：德国鲁奇型、芬兰奥斯龙公司百炉宝型、美国福斯特惠勒型循环流化床锅炉62.2 我国开发循环流化床技术现状 中国是开发流化床燃烧技术较早的国家，从二十世纪七十年代开始一些大专院所和企业就研制出小容量的循环流化床锅炉，迄今己有东锅、哈锅、武锅、济锅、杭锅等锅炉制造厂与西交大、浙大、清华、东南大学、中科院热物理所、西安热工所、上海成套所等共同研究、试制出 2t/h, 4t/h, 6t/h, l0t/h, 35t/h, 65/h, 130t/h的鼓泡床锅炉 2000 多台7。 九十年代中后期，随着国家能源政策调整及环保法规的逐步实施， CFB锅炉开始在电力行业得到应用，此阶段三大锅炉厂先后引进国外技术开始设计制造中级容量CFB锅炉，其中东锅引进美国 FW公司、哈锅引进ALSTOM EVT 公司、上锅引进ALSTOM ABB-CE公司 (2001年 8月技术引进协议开始生效) 的相应CFB锅炉技术8。 东锅厂引进 FWEC 技术生产的 210t/h 沸腾炉已出口巴基斯坦。一九九一年十一月国家计委、机电部正式下文，由东锅厂和四川内江电厂进口 410t/h 循环流化床和广东茂名石化公司进口 220t/h 循环流化床锅炉，同时引进大型循环流化床技术。引进奥斯龙的 410t/h和 220t/h循环流化床锅炉现己在四川内江电厂和广东茂名石化公司投运。 哈锅厂用 600万美元购买了奥斯龙公司一套 220t/h循环流化床锅炉图纸为大连化工厂提供 2 台 5 万千瓦机组锅炉。 3上锅至 2003 年底，已销售出 17 台 135MW容量等级的CFB锅炉，容量最大的为广东东莞糖厂的 490t/h CFB锅炉，山东济宁电厂(2 440t/h) 山东里彦电厂 (2465t/h) CFB锅炉于 2003 年已分别投入运行6。 2.3 循环流化床燃烧锅炉的基本技术特点 （1）低温的动力控制燃烧 循环流化床燃烧是一种在炉内使高速运动的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程。同时，在炉外将绝大部分高温的固体颗粒捕集，并将它们送回炉内再次参与燃烧过程，反复循环地组织燃烧。显然，燃料在炉膛内燃烧的时间延长了。在这种燃烧方式下，炉内温度水平因受脱硫最佳温度限制，一般 850左右。这样的温度远低于普通煤粉炉中的温度水平，并低于一般煤的灰熔点，这就免去了灰熔化带来的种种烦恼。这种 “低温燃烧”方式好处甚多，炉内结渣及碱金属析出均比煤粉炉中要改善很多，对灰特性的敏感性减低，也无须很大空间去使高温灰冷却下来，氮氧化物生成量低，可于炉内组织廉价而高效的脱硫工艺，等等。从燃烧反应动力学角度看，循环流化床锅炉内的燃烧反应控制在动力燃烧区( 或过渡区) 内。由于循环流化床锅炉内相对来说温度不高，并有人量固体颗粒的强烈混合，这种情况下的燃烧速率主要取决于化学反应速率，也就是决定于温度水平，而物理因素不再是控制燃烧速率的主导因素。循环流化床锅炉内燃料的燃尽度很高，通常，性能良好的循环流化床锅炉燃烧效率可达 95-99%以上2。 （2）高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程 循环流化床锅炉内的固体物料( 包括燃料、残炭、灰、脱硫剂和惰性床料等) 经历了由炉膛、分离器和返料装置所组成的外循环。同时在炉膛内部因壁面效应还存在着内循环，因此循环流化床锅炉内的物料参与了外循环和内循环两种循环运动。整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种形式的循环运行的动态过程中逐步完成的。 （3）高强度的热量、质量和动量传递过程 在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，通过人为操作可改变物料循环量，并可改变炉内物料的分布规律，以适应不同的燃烧工况。在这种组织方式下，炉内的热量、质量和动量传递过程是十分强烈的，这就使整个炉膛4高度的温度分布均匀。 2.4 循环流化床锅炉存在的缺点 （ 1）受热面磨损严重。由于炉内烟气飞灰浓度很大，烟速高，运行中的炉膛水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器均发生严重磨损。 （ 2）随着锅炉容量的增大，对循环灰量的调节要求也就越高，而循环灰量一旦减少，将严重影响锅炉的负荷。 （3）返料器易结焦、堵塞，其可靠性有待于提高。 （4）燃料颗粒较大或炉膛浇注料脱落坚持运行导致流化不良引起炉膛结渣。 （ 5）冷渣器传热效果不好或工作不正常，使余热得不到充分利用而影响锅炉效率，甚至会发生锅炉减负荷运行或被迫停炉。 5第三章 锅炉中换热器概述 3.1 换热器的发展状况 3.1.1 管壳式换热器的研究动向 管壳式换热器仍然是当今应用最广泛的换热设备，其可靠性和可能性己被充分证明。特别是在较高参数的工况条件下，管壳式更显示其独有的长处。目前各国在提高该类换热器性能所开展的研究主要是强化传热，适应高参数和各类有腐蚀介质的耐腐材料以及为大型化的发展所作的结构改进。 3.1.2 紧凑式换热器大型化发展趋势 随着强化传热理论的发展和机械加工技术的提高，国内外出现了许多新型高效的强化传热表面结构，扩大传热面积，增大单位体积内的传热面积是当今发展紧凑式换热器的出发点。除了上述介绍的多种强化传热管和元件用于换热器外，在现代石油、化工、食品、轻工、机械、动力等工程中，紧凑式换热器如板式、螺旋板式、板壳式等也有着相当快的发展，原因是在强化传热过程中，虽然增大传热温差也是方法之一，但受到生产工艺、设备条件、环境条件和系统技术经济指标等的限制。因此通常采用传热面的布置，改革传热表面结构和尽量使冷、热流体采用全逆流或接近逆流的流动方式来提高平均温差，从而实现较为理想的传热单元布置。 综上所述，目前各国在换热器机理研究及产品开发方面已进入高层次的探求，涉及的领域面广，需要综合技术水平的发展作为基础；在强化传热的研究和措施方面，我国在试验阶段已迈了一大步，但在生产实践中的应用还远远不够，需作大量的推广工作；在高效紧凑式换热器新品种的开发方面与国外差距较大，尚需要从事换热器专业的技术人员在制造工艺方面加大力度进行研究，使我国换热器技术从各个方面赶上国际先进水平9。 3.2 循环流化床锅炉中各类换热器概述 过热器是电厂锅炉的重要组成部件，它的作用是将饱和蒸汽加热成具有一定温度的过热蒸汽。它是锅炉所有受热面中工作温度最高的受热面。再热器大多装载过热器的后的烟道中，它的作用是将在汽轮机中做过部分功的蒸汽引回锅炉再次进行加热，提高温度后，又送往汽轮机中继续做功。循环流化床锅炉的过热器和再热器6按传热方式分为烟气对流式、炉内辐射式这两种基本型式。 对流式过热器有两种结构形式：一种是由许多平行并列的蛇形管和进出口联箱锁构成；另一种是布置在尾部烟道上部由膜式壁和进出口联箱组成的包墙管过热器。对流过热器的蛇形管可以采用不同结构的管圈形式，即可以增加或减少同一排管子管圈的重叠数，可以使单管圈、双管圈或多管圈。对流过热器按照烟气与蒸汽的互流方向可分为顺流、逆流即混流等几种布置方案。其中混流布置方案