传热系数计算方法.doc

第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 66 第四章第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算循环流化床锅炉炉内传热计算 循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程 传热系数的计算精度直接影响了受热 面设计时的布置数量 从而影响锅炉的实际出力 蒸汽参数和燃烧温度 正确计算燃烧室受 热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一 也是区别于煤粉炉的重要方面 随着循环流化床燃烧技术的日益成熟 有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思想和方法 的研究也在迅速发展 许多著名的循环流化床制造公司和研究部门在此方面也做了大量的工 作 有的已经形成商业化产品使用的设计导则 但由于技术保密的原因 目前国内外还没有公开的可以用于工程使用的循环流化床锅炉 炉膛传热计算方法 因此对它的研究具有重要的学术价值和实践意义 清华大学对 CFB 锅炉炉膛传热作了深入的研究 长江动力公司 华中理工大学 浙江大 学等单位也对 CFB 锅炉炉膛中的传热过程进行了有益的探索 根据已公开发表的文献报导 考虑工程上的方便和可行 本章根椐清华大学提出的方法 进一步分析整理 作为我们研究 的基础 为了了解 CFB 锅炉传热计算发展过程 也参看了巴苏的传热理论和计算方法 浙江 大学和华中理工大学的传热计算与巴苏的相近似 4 1 清华的传热理论及计算方法清华的传热理论及计算方法 4 1 1 循环流化床传热分析循环流化床传热分析 CFB 锅炉与煤粉锅炉的显著不同是 CFB 锅炉中的物料 包括煤灰 脱硫添加剂等 浓度 Cp大大高于煤粉炉 而且炉内各处的浓度也不一样 它对炉内传热起着重要作用 为此首先 需要计算出炉膛出口处的物料浓度 Cp 此处浓度可由外循环倍率求出 而炉膛不同高度的物 料浓度则由内循环流率决定 它沿炉膛高度是逐渐变化的 底部高 上部低 近壁区贴壁下 降流的温度比中心区温度低的趋势 使边壁下降流减少了辐射换热系数 水平截面方向上的 横向搅混形成良好的近壁区物料与中心区物料的质交换 同时近壁区与中心区的对流和辐射 的热交换使截面方向的温度趋于一致 综合作用的结果近壁区物料向壁面的辐射加强 总辐 射换热系数明显提高 在计算水冷壁 双面水冷壁 屏式过热器和屏式再热器时需采用不同 的计算式 物料浓度 Cp对辐射传热和对流传热都有显著影响 燃烧室的平均温度是床对受热 面换热系数的另一个重要影响因素 床温的升高增加了烟气辐射换热并提高烟气的导热系数 虽然粒径的减小会提高颗粒对受热面的对流换热系数 在循环流化床锅炉条件下 燃烧室内 部的物料颗粒粒径变化较小 在较小范围内的粒径变化时换热系数的变化不大 在进行满负 荷传热计算时可以忽略 但在低负荷传热计算时 应该考虑小的颗粒有提高传热系数的能力 炉内受热面的结构尺寸 如鳍片的净宽度 厚度等 对平均换热系数的影响也是非常明 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 67 显的 鳍片宽度对物料颗粒的团聚产生影响 另一方面 宽度与扩展受热面的利用系数有关 根据实验研究 可以归纳出循环流化床锅炉燃烧室受热面传热系数的计算方法 CFB 锅炉炉膛受热面的吸热量按下式计算 4 1 THKQ 式中 Q 传热量 W K 基于烟气侧总面积的传热系数 W m2 K T 温差 K H 烟气侧总面积 m2 4 1 2 受热面结构尺寸对传热的影响受热面结构尺寸对传热的影响 传热系数 K 按式 4 2 计算 其中分母包括四部分热阻 烟气侧热阻 工质侧热阻和 b 1 受热面本身热阻 以及附加热阻 as f t f 1 H H 1 4 2 1 a f t fb 11 1 s H H K 式中 烟气侧向壁面总表面的名义换热系数 W m2 K b f 工质侧换热系数 W m2 K 可按苏 1973 年热力计算标准求取 Ht 烟气侧总面积 m2 Hf 工质侧总面积 m2 as 附加热阻 m2 K W 1 管子厚度 m 受热面金属导热系数 W m2 K 4 3 bs b b 1 1 1 P 式中 P 鳍片面积系数 t fm H H P Hfin 鳍片面积 m2 Ht 受热面外部面积 m2 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 68 图图 4 1 烧室受热面结构简图烧室受热面结构简图 4 4 ds ds H H P 1 2 1 t fm s d 管子节距 外径 m 见图 4 1 鳍片利用系数 4 5 h hth 式中 与受热面受热情况 膜式壁鳍片结构尺寸和材料 等有关 可表示为 4 6 1 bs b hN 式中 N 受热情况 单面受热 N 1 双面受热 N 2 h 实际鳍片高度 图 4 1 炉膛受热面结构简图 4 7 2 ds h 鳍片厚度 m s 受热面污染系数 取为 0 0005 h 折算高度 m 4 8 h h h 有效高度 m 4 9 N h h 根据实验和运行数据 可得到鳍片宽度系数 与结构尺寸的关系 4 10 2 0 1659 0 3032 0 8608 ss dd b 烟气侧换热系数 见式 4 15 as 附加热阻 在计算耐火材料涂层受热面时考虑 4 11 a a as a 受热面耐火层厚度 m 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 69 a 受热面耐火层导热系数 W m K 按式 4 12 计算 4 12 a10a Taa 式中 a0 a1 系数 耐火层平均温度 K 按式 4 13 计算 a T 4 13 2 wba TTT 式中 Tb 烟气侧温度 K Tw 受热面壁面温度 K 见式 4 17 受热面外内面积比为 4 14 1 2 2 2 1 1 1 f t d s H H 式中 1 管壁厚度 m s 管节距 m 鳍片厚度 m 4 1 3 CFB 锅炉烟气侧换热系数锅炉烟气侧换热系数 b 炉膛烟气物料两相混合物向壁面的换热包括对流和辐射两部分 按两者的线性叠加 则 有 4 15 Crb 式中 r 辐射换热系数 W m2 K 见式 4 16 c 对流换热系数 W m2 K 见式 4 26 4 16 2 w 2 bwbr TTTT 式中 Boltzmann 常数 Tw 水冷壁管壁温度 按式 4 17 计算 4 17 wfw TTT 式中 Tf 受热面内工质温度 K 水冷壁管壁内外侧温差 4 18 0 7 fin wbf ff 1000 0 7 w H T NTT H 式中 Tb 烟气侧温度 K 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 70 Tf 受热面内工质温度 K N 受热情况 1 或 2 w 导热影响系数 w 0 2 0 007 4 19 式中 金属导热系数 W m2 K 壁面与烟气侧的系统黑度 可写作式 4 20 的形式 4 20 1 11 1 wb 式中 b 烟气侧黑度 按式 4 21 计算 壁面黑度 一般为 0 5 0 8 w 在气固两相中 烟气侧黑度包括颗粒黑度和烟气黑度两部分 4 21 gpgp b 式中 p 固体物料黑度 由式 4 22 计算 4 22 BBB 1 2 1 1 p s p s p s p s p s p s p 式中 B 系数 各向同性反射时为 0 5 漫反射颗粒为 本文中取为 2 3 2 3 物料表面平均黑度 与固体颗粒的浓度有关 可表示为 p s 4 23 p s p 1 exp B C C 式中 C 常数 C 为 0 1 0 2 Cp 物料空间浓度 kg m3 g 烟气黑度 由式 4 24 计算 4 24 g gg 1 expk s 烟气辐射减弱系数 k 可按下式简单计算 4 25 2 H O b g 0 552 0 11 2000 r T k r s 式中 烟气中水蒸气份额 OH2 r 烟气中三原子气体份额 r 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 71 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 03 04 05 06 07 0 流化速度 m s 特征携带量 图图 4 2 特征携带量特征携带量 sg 烟气辐射厚度 近似为下降流厚度 m 对流换热系数由烟气对流和颗粒对流两部分组成 即 4 26 p c g cc 式中 烟气对流换热系数 W m2 K 计算见式 4 27 g c 颗粒对流换热系数 计算见式 4 28 p c 4 27 7 0 f g c g c vC 式中 烟气对流系数 4 6J m3 K g c C vf 烟气速度 m s 4 28 0 p c 5 0 f p c p c vC 式中 vf 烟气速度 m s 该项为颗粒对流强度与颗粒粒径的直接修正 初始流态条件下颗粒对流理论换热系数 其值与颗粒的粒度 温度 受热面 0 p c 布置有关 颗粒对流系数 按式 4 29 计算 p c C 4 29 1 p cpcp 1 exp n CC C 式中 Cpc 颗粒系数 0 01 0 02 Cp 炉膛局部物料浓度 kg m3 n1 常数 0 85 1 25 根据第二章中上部快速床的分析 则受热面所在位置的浓度与其高度位置密切相关 用 于传热的平均浓度关联到受热面的平均高度 则双面水冷壁 屏过 屏再局部物料浓度 Cp按 式 4 30 计算 4 30 ppltpz lt ppp pz 42exp2 8exp2 84 2 77 CHH H C C H 式中 Cpp 实际温度下炉膛出口 处特征物料浓度 kg m3 该数值可以根 据图 4 2 选定 并根 据经验予以修正 Hlt 炉膛总高度 m Hpz 双面水冷壁屏再或屏 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 72 过总高度 m 水冷壁物料浓度 Cp按式 4 31 计算 4 31 pp lth1 ppp lt1h 42exp2 8exp2 84 2 77 C Hdh C C Hhd 式中 h1 炉膛下部冷灰斗锥体计算高度 从布风板算起 m dh 梯形段上直段耐火层高度 m 4 1 4 按清华方法对一台按清华方法对一台 440 t h 贫煤贫煤 CFB 锅炉的计算锅炉的计算 用清华方法对按某国外引进程序设计的锅炉输入数据及计算结果进行了分析校核 以便 了解影响传热的因素和影响关系 该炉为燃烧贫煤的 440 t h CFB 锅炉 100 50 负荷的 计算结果见表 4 1 表 4 4 此外 按清华方法对一台 440 t h 无烟煤 440 t h 烟煤 480 t h 褐煤 CFB 锅炉炉膛也进 行了同样的传热计算 结果示于表 4 10 4 1 5 100 负荷全炉膛传热量计算结果的校核负荷全炉膛传热量计算结果的校核 在上节中已经求出水冷壁 双面水冷壁 屏过 屏再四部分受热面所吸收的热量 其和 应等于锅炉热平衡计算中在炉内的传热量 以新乡 440 t h 锅炉主循环回路作为对象 热平衡炉内传热量 Q1 4 32 100 100 yxffk 4 643 arnet j1fh IIIQ q qqq QBQ 17 9211143256 5 2076 3100 3 035 0100 254926 51105995 0 kJ h830516501638250850 MW 4 231 3600 1000 833051650 其中 4 33 0 lkzflt 0 rkB k LIQ 18 4 3 34 06 0 05 0 1816 4482 06 0 05 0 2 1 21 kJ kg 5 2076 8 1568 2060 式中 Iff 回料器及冷渣器反回风带入的热量 kJ kg 主循环回路出口 分离器出口 烟气焓 烟温 883 查温焓表 当过量空气系数 yx I 1 2 时 kJ kg2 111441816 4 04 2665 yx I 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 73 Ifh 离开主循环回路 分离器出口 的飞灰带走的热焓 kJ kg kJ kg 4 34 arsh fhfh fh fh4 100100 100100 100 AA IaC Cq 式中 fh 飞灰份额 Aar 燃料中灰份 Ash 加石灰石产生的灰份 Cfh 飞灰可燃物含量 C fh 飞灰热烩 kJ kg 将具体数据代入式 3 34 后得 kJ kg fh 18 464 2100100 0 580592 17 100100 15 100 2 97 I 炉膛传热计算中炉内四种受热面总的吸热量为 129 29MW 水冷壁 25 59MW 水冷屏 46 94MW 屏过 34 15MW 屏再 235 97MW 该 数值与炉内热平衡计算的传热量 232 66 MW 相差小于 1 5 故可以结束计算 4 1 6 低负荷传热计算低负荷传热计算 一般的 煤粉炉当处于低负荷运行时 相对于正常负荷时 炉膛中的水冷壁受热面显得 过大 导致炉内温度水平大大降低 炉膛出口温度也下降 为了维持低负荷时汽温仍保持在 额定范围内 在设计锅炉时 除了额定工况的计算外 还必须进行 70 50 负荷的计算 这时一般要大大增加过热器及再热器受热面 以保证低负荷时温压大大降低的情况下仍能达 到汽温的要求 但对于循环流化床锅炉 低负荷时 烟气流速减小 烟气携带固体的能力下降 可使理 论燃烧温度上升 参照下一节 从而可以弥补由于在低负荷时相对于正常负荷时过大的水冷 壁受热面而造成的烟气过度冷却 同时 也可以降低水冷壁的传热系数 使炉膛出口温度较 少变化 从而维持过热汽温达到额定值 低负荷传热计算一般进行 75 和 50 额定负荷计算 下面讨论几个工况参数的变化情况 1 床层温度和炉膛出口温度 cc lt 100 负荷时由于内外物料循环流量较高 炉膛上下乃至于整个主循环回路的温度基本一 致 但低负荷时炉内 物料循环流率显著降低 趋向于鼓泡床 故床层温度显著高于炉膛出 口温度 这时为了求得床层温度 就得进行分段计算 进行密相区传热计算 而为了求得炉 膛出口温度仍可以进行全炉膛计算 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 74 2 密相区燃烧率 为了进行分段计算 就需要知道密相区的燃烧率 上升和下降的物料量和物料温度 经 分析 低负荷时燃烧工况向鼓泡床转化 故燃烧率 a应大于正常运行时的 m 以 100 MWe 级 CFB 锅炉为例 正常运行时取 m 0 47 低负荷时取 a 0 6 3 上升与下降循环物料的温差 考虑循环物料量降低 故上升与下降物料的温差也应减小 取为 3 4 烟气速度 u0 烟气速度受煤耗量 Bj和烟气体积 由于 增加 体积增加 和烟气温度 Qpj的影响 一般 低负荷时烟气速度下降 以 100 MWe 机组为例 100 负荷时 u0 5 68 m s 75 负荷时 u0 3 81 m s 50 负荷时 u0 3 18 m s 5 上升的循环物料量 由于负荷降低 分离器效率降低 故循环物料量也相应比满负荷时要降低 降低多少可 以通过校核计算求知 就是说 根据锅炉说明书给出低负荷时的床温 cc或根据实际运行时 测出的床温来反求循环物料量 至于下降和上升的循环物料量比 m 也只能通过校核计算求得 从 50 负荷实际计算看出密相区燃烧率变化对物料浓度影响不大 而改变下降与上升的 物料量比 m 值则对物料浓度影响很敏感 m 减少 则物料浓度 Cp减小很多 物料浓度除按上述校核计算求取外 可按式 4 35 计算 4 35 0 s p 83 2 u G C Gs可由资料根据烟气速度求取 例如图 5 2 假定烟气速度为 3 18 m s 则 Gs 7 则 kg m3 23 6 18 3 7 83 2 p C 6 分离器分离效率 低负荷时由于烟气量减少 则分离器进口烟气速度降低 因而使分离器效率降低 从而 导致循环量 GLC和物料浓度 Cp减少 7 烟气辐射层厚度 s 烟气辐射层厚度 sg随着负荷的下降而下降 可参照资料计算 但它对传热影响不是很大 以 440 t h 锅炉为例所进行的 50 负荷全炉膛计算结果见表 4 1 表 4 4 其中 4 种受热面总计 传热量为 55 36 13 02 24 78 18 80 111 96 MW 而根据热平衡计算炉内传热量为 119 55 MW 误差为 6 表 4 5 为相关的 440 t h 锅炉 50 负荷性能参数计算结果 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 75 由于床层温度是可控制量 因此计算中通常假定某个低于满负荷的温度作为计算依据 以此为基础 进行炉膛传热计算 得到炉膛出口烟气温度 为便于计算 在积累了大量经验 的基础上 低负荷计算可以根据经验确定床底温度 第五章表 5 11 给出了经验总结结果 是 可以用于设计计算的 表表 4 1 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷全炉膛水冷壁传热计算负荷全炉膛水冷壁传热计算 项 目符号单位100 负荷50 负荷 烟气速度Vfm s5 683 18 床侧温度TbK11851012 受热面内工质温度TfK613613 管节距Sjm0 090 09 管外径dm0 060 06 鳍片厚度 m0 0060 006 管壁厚 1m0 00650 0065 物料浓度CPPkg m31 720 73 炉膛总高度Hltm39 4139 41 炉膛下部计算高度Hpgm5 55 5 梯形段上直段耐火层高度Hnhm0 450 45 局部物料空间浓度Cpkg m322 469 56 颗粒对流理论换热系数 0 cp W m2 K100100 烟气中水蒸汽份额rH2O 0 0640 064 烟气中三原子气体份额r 0 150 15 烟气侧水冷壁总面积Htm212031203 工质侧换热系数 fW m2 K1500015000 实际设计运行系数 Xiu1 0 211 受热面受热情况N单面 1 双面 211 烟气辐射厚度Sm0 20 1 壁面黑度 w0 80 8 受热面金属导热系数 W m2 K40 3940 39 受热面壁面污染系数 sm2 K W0 00050 0005 受热面耐火层厚度 am100100 涂层水冷壁面积m2360 7360 7 常数B1 2 2 32 32 3 Boltzmann 常数 W m2 K45 67E 085 67E 08 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 76 烟气对流系数 Cgc55 鳍片宽度系数 0 9423250 942325 耐火材料系数 Aa02 52 5 耐火材料系数 Ba10 000250 00025 续表续表 4 1 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷全炉膛水冷壁传热计算负荷全炉膛水冷壁传热计算 项 目符 号单 位100 负荷50 负荷 颗粒对流系数 p c C 0 236 0 108 颗粒对流理论换热系数 p c W m2 K56 306 19 325 烟气对流换热系数 g c W m2 K16 866 11 237 对流换热系数 cW m2 K73 172 30 563 烟气辐射减弱系数k0 08656 0 15146 物料表面平均黑度 p s 0 74161 0 53498 固体物料黑度 p0 90490 0 80993 烟气黑度 g0 01716 0 01503 床层黑度 b0 90653 0 81279 系统黑度 0 73904 0 67553 受热面管壁温差 TwK13 767 9 604 管外壁温度TwK626 767 622 604 辐射换热系数 rW m2 K136 432 88 390 换热系数 bW m2 K209 604 118 953 鳍片高度hm0 01500 0 01500 折算高度 h m0 01592 0 01592 有效高度 h m0 01592 0 01592 鳍片厚度系数 v0 04333 0 04333 折算厚度 0 00026 0 00026 参数 4 05466 3 11917 鳍片利用系数 0 99861 0 99918 鳍片面积比 P Hfin Ht0 25370 0 25370 名义床侧换热系数 b W m2 K189 654 112 252 受热面内外面积比Ht Hf1 602 1 602 壁面平均温度 Tw K619 884 617 802 受热面内外温差 TK572 000 399 000 受热面耐火层平均温度 Ta K905 884 817 302 受热面耐火层导热系数 aW m2 K2 657 2 635 附加热阻 as0 03814 0 03845 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 77 传热系数KW m2 K180 490 108 977 光管水冷壁受热面吸热量QggMW124 20 52 31 涂层水冷壁传热系数KW m2 K23 157 21 218 涂层水冷壁吸热量QtcMW4 778 3 054 水冷壁受热面总吸热量QMW128 976 55 362 表表 4 2 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷双面水冷壁全炉膛传热计算负荷双面水冷壁全炉膛传热计算 项 目单 位符 号100 负荷50 负荷 烟气速度Vfm s5 683 18 床侧温度TbK11851058 受热面内工质温度TfK613613 管节距Sjm0 07270 0727 管外径dm0 060 06 鳍片厚度 m0 0060 006 管壁厚 1m0 00650 0065 物料浓度CPPkg m31 720 73 炉膛总高度Hltm39 4139 41 双面水冷壁总高度Hssm2727 局部物料空间浓度Cpkg m314 7376 272 颗粒对流理论换热系数 0 cp W m2 K100100 烟气中水蒸汽份额rH2O 0 0640 064 烟气中三原子气体份额r 0 150 15 烟气侧水冷壁总面积Htm2260260 工质侧换热系数 fW m2 K1500015000 实际设计运行系数 Xiu1 0 211 受热面受热情况N单面 1 双面 222 烟气辐射厚度Sm0 80 4 壁面黑度 w0 5 0 80 80 8 受热面金属导热系数 W m2 K40 3940 39 受热面壁面污染系数 sm2 K W0 00050 0005 受热面耐火层厚度 am100100 涂层水冷壁面积m214 814 8 常数B1 2 2 30 50 5 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 78 Boltzmann 常数 W m2 K45 67E 085 67E 08 鳍片宽度系数 0 980 98 耐火材料系数 Aa02 52 5 耐火材料系数 Ba10 000250 00025 烟气对流系数 g c C W m2 K 4 555 续表续表 4 2 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷双面水冷壁全炉膛传热计算负荷双面水冷壁全炉膛传热计算 项 目单 位符 号100 负荷50 负荷 颗粒对流系数 p c C 0 162 0 072 颗粒对流理论换热系数 p c W m2 K38 630 12 929 烟气对流换热系数 g c W m2 K16 866 11 237 对流换热系数 cW m2 K55 496 24 166 烟气辐射减弱系数k0 04022 0 06867 物料表面平均黑度 p s 0 64007 0 43907 固体物料黑度 p0 86103 0 75637 烟气黑度 g0 03167 0 02710 床层黑度 b0 86543 0 76297 系统黑度 0 71150 0 64075 受热面管壁温差 TwK13 878 10 797 管外壁温度TwK626 878 623 797 辐射换热系数 rW m2 K131 365 92 170 换热系数 bW m2 K186 861 116 336 鳍片高度hm0 00635 0 00635 折算高度 h m0 00645 0 00645 有效高度 h m0 00456 0 00456 鳍片厚度系数 v0 20472 0 20472 折算厚度 0 00123 0 00123 参数 4 17350 3 34746 鳍片利用系数 0 99988 0 99992 鳍片面积比 P Hfin Ht0 12581 0 12581 名义床侧换热系数 b W m2 K170 892 109 940 受热面内外面积比Ht Hf1 367 1 367 壁面平均温度 Tw K619 939 618 398 受热面内外温差 TK572 000 445 000 受热面耐火层平均温度 Ta K905 939 840 898 受热面耐火层导热系数 aW m2 K125 350 112 650 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 79 附加热阻 as0 00130 0 00139 传热系数KW m2 K163 834 106 975 受热面吸热量QggMW24 37 12 38 涂层双面水冷壁传热系数KW m2 K144 896 97 697 涂层双面水冷壁吸热量QtcMW1 227 0 643 双面水冷壁总吸热量QMW25 592 13 020 表表 4 3 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷负荷 屏过全炉膛传热计算屏过全炉膛传热计算 项 目单 位符 号100 负荷50 负荷 烟气速度Vfm s5 683 18 床侧温度TbK11651058 受热面内工质温度TfK719721 管节距Sjm0 07270 0727 管外径dm0 0510 051 鳍片厚度 m0 0060 006 管壁厚 1m0 00550 0055 物料浓度CPPkg m31 720 73 炉膛总高度Hltm39 4139 41 双面水冷壁总高度Hssm2222 局部物料空间浓度Cpkg m311 7454 999 颗粒对流理论换热系数 0 cp W m2 K100100 烟气中水蒸汽份额rH2O 0 0640 064 烟气中三原子气体份额r 0 150 15 烟气侧总面积Htm2568 3568 3 工质侧换热系数 fW m2 K38502555 实际设计运行系数 Xiu1 0 211 受热面受热情况N单面 1 双面 222 烟气辐射厚度Sm0 80 4 壁面黑度 w0 5 0 80 80 8 受热面金属导热系数 W m2 K3232 受热面壁面污染系数 sm2 K W0 00030 0003 受热面耐火层厚度 am100100 涂层水冷壁面积m252 6852 68 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 80 耐火材料系数 Aa02 52 5 耐火材料系数 Ba10 000250 00025 常数B1 2 2 30 50 5 Boltzmann 常数 W m2 K45 67E 085 67E 08 鳍片宽度系数 0 960 96 烟气对流系数 g c C W m2 K 4 555 续表续表 4 3 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷屏过全炉膛传热计算负荷屏过全炉膛传热计算 项 目单 位符 号 100 负荷50 负荷 颗粒对流系数 p c C 0 131 0 058 颗粒对流理论换热系数 p c W m2 K 31 331 10 382 烟气对流换热系数 g c W m2 K 16 866 11 237 对流换热系数 cW m2 K 48 197 21 620 烟气辐射减弱系数k 0 04121 0 06867 物料表面平均黑度 p s 0 58455 0 39164 固体物料黑度 p 0 83487 0 72662 烟气黑度 g 0 03243 0 02710 床层黑度 b 0 84023 0 73403 系统黑度 0 69437 0 62022 受热面管壁温差 TwK 70 183 79 909 管外壁温度TwK 789 183 800 909 辐射换热系数 r W m2 K 152 340 115 106 换热系数 bW m2 K 200 537 136 726 鳍片高度hm 0 01085 0 01085 折算高度 h m 0 01135 0 01135 有效高度 h m 0 00803 0 00803 鳍片厚度系数 v 0 10138 0 10138 折算厚度 0 00061 0 00061 参数 5 76203 4 80132 鳍片利用系数 0 99929 0 99951 鳍片面积比 P Hfin Ht 0 22649 0 22649 名义床侧换热系数b W m2 K 189 126 131 324 受热面内外面积比Ht Hf 1 525 1 525 壁面平均温度 Tw K 754 092 760 955 受热面内外温差 TK 446 000 337 000 受热面耐火层平均温度 Ta K 977 092 929 455 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 81 受热面耐火层导热系数 aW m2 K 133 950 123 450 附加热阻 as 0 00105 0 00111 传热系数KW m2 K 170 782 119 283 光管受热面吸热量QggMW 43 29 22 84 炉膛涂层屏过传热系数KW m2 K 151 470 108 773 涂层屏过吸热量QtcMW 3 559 1 931 屏过总吸热量QMW 46 846 24 776 表表 4 4 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷屏再全炉膛传热计算负荷屏再全炉膛传热计算 项 目单 位符 号100 负荷50 负荷 烟气速度Vfm s5 683 18 床侧温度TbK11651058 受热面内工质温度TfK748738 管节距Sjm0 070 07 管外径dm0 0570 057 鳍片厚度 m0 0060 006 管壁厚 1m0 0050 005 物料浓度CPPkg m31 720 73 炉膛总高度Hltm39 439 4 屏再总高度Hpzm2222 局部物料空间浓度Cpkg m311 7525 001 颗粒对流理论换热系数 0 cp W m2 K100100 烟气中水蒸汽份额rH2O 0 0640 064 烟气中三原子气体份额r 0 150 15 烟气侧总面积Htm2444 5444 5 工质侧换热系数 fW m2 K1303895 实际设计运行系数 Xiu1 0 211 受热面受热情况N单面 1 双面 222 烟气辐射厚度Sm0 820 4 壁面黑度 w0 5 0 80 80 8 受热面金属导热系数 W m2 K23 523 5 受热面壁面污染系数 sm2 K W0 00030 0003 受热面耐火层厚度 am100100 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 82 涂层水冷壁面积m239 539 5 耐火材料系数 Aa02 52 5 耐火材料系数 Ba10 000250 00025 常数B1 2 2 30 50 5 Boltzmann 常数 W m2 K45 67E 085 67E 08 鳍片宽度系数 0 90 9 烟气对流系数 Cgc55 续表续表 4 4 某某 440t h CFB 锅炉锅炉 100 50 负荷屏再全炉膛传热计算负荷屏再全炉膛传热计算 项 目单 位符 号100 负荷50 负荷 颗粒对流系数 p c C 0 1320 058 颗粒对流理论换热系数 p c W m2 K31 34710 388 烟气对流换热系数 g c W m2 K16 86611 237 对流换热系数 cW m2 K 48 21321 625 烟气辐射减弱系数k 0 040630 06867 物料表面平均黑度 p s 0 584690 39175 固体物料黑度 p 0 834940 72669 烟气黑度 g 0 032760 02710 床层黑度 b 0 840350 73410 系统黑度 0 694450 62027 受热面管壁温差 TwK 175 237195 776 管外壁温度TwK 923 237933 776 辐射换热系数 rW m2 K 181 684139 489 换热系数 bW m2 K 229 897161 114 鳍片高度hm 0 006500 00650 折算高度 h m 0 006610 00661 有效高度 h m 0 004680 00468 鳍片厚度系数 v 0 153850 15385 折算厚度 0 000920 00092 参数 6 175115 22008 鳍片利用系数 0 999720 99980 鳍片面积比 P Hfin Ht 0 134670 13467 名义床侧换热系数 b W m2 K215 056153 681 受热面内外面积比Ht Hf 1 3081 308 壁面平均温度 Tw K 835 618835 888 受热面内外温差 TK 417 000320 000 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 83 受热面耐火层平均温度 Ta K 1044 118995 888 受热面耐火层导热系数 aW m2 K 136 850125 150 附加热阻 as 0 001030 00110 传热系数KW m2 K 170 467122 239 光管受热面吸热量QggMW 31 6017 39 炉膛涂层屏再传热系数KW m2 K 151 585111 362 涂层屏再吸热量QtcMW 2 4971 408 屏再总吸热量QMW 34 09418 795 表表 4 5 440 t h 锅炉锅炉 50 负荷性能参数计算结果负荷性能参数计算结果 名 称符号单位数据 碳Car 66 1 氢Har 2 77 氧Oar 3 67 氮Nar 1 14 硫Sar 0 51 灰Aar 18 46 水Mar 7 35 炉膛出口过剩空气系数 1 6 灰中 CaCO3含量 3 CaCO 70 灰中 MgCO3含量 3 MgCO 2 15 灰中 H2O 含量 H2O 0 15 灰中杂质含量 杂质 27 7 脱硫率 S 90 石灰石耗量Bshkg s0 31 实际煤耗量Bkg s7 098 计算煤耗量Bj6 85 一次风率 10 50 密相区燃烧率 0 47 炉膛温度 785 00 烟气平均温度 pjK1058 00 理论空气量V0Nm3 kg6 513 理论含水量VH2ONm3 kg0 507 理论含氮量VN2Nm3 kg5 154 三原子气体含量VRO2Nm3 kg1 24 烟气体积VyNm3 kg10 87 炉膛深度am7 炉膛宽度bm13 16 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 84 布风板截面深度abm3 53 布风板截面宽度bbm13 16 可燃气体未完全燃烧热损失q3 0 5 可燃气体未完全燃烧热损失q3ft1 固体未完全燃烧热损失q4 2 97 稀相区空截面烟气速度uym s3 18 截面热负荷qf1 99 密相区空截面烟气速度 uymm s2 88 密相区空截面空气速度ukm2 97 分离器入口截面宽度a2m5 45 续表续表 4 5 440 t h 锅炉锅炉 50 负荷性能参数计算结果负荷性能参数计算结果 名 称符号数据单位 分离器入口截面深度b22 85m 分离器个数Gfl2个 分离器入口烟气速度uf19 34m s 分离效率 99 3 飞灰份额afh0 501 燃料份额Aar18 46 飞灰可燃物Cfh15 固体未完全燃烧损失q42 97 石灰石耗量 说明书给出 Bsh0 31kg s 实际煤耗量B7 098kg s 循环倍率R17 17 烟气量Gy13 27kg kg 飞灰携带率Msh1 58kg kg 烟气温度Ty785 脱硫率 S0 9 含硫量Sar0 0051 脱硫后产生的硫酸钙MCaSO40 02kg kg 煤 钙硫比Ks2 石灰石耗量 用公式计算得 Bsh0 045kg kg 硫酸钙在石灰石中份额 CaCO30 7 硫酸镁在石灰石中份额 MgCO30 022 其它杂质Msh0 279kg kg 未反应 CaO 及其它杂质MCaO0 010kg kg 石灰石反应产生的灰量Ash0 030kg kg 标准状态物料浓度Pcn2 11kg Nm3 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 85 物料浓度Pc0 54kg m3 停留时间计算 440 t h 锅炉 炉膛深度a6 68m 炉膛宽度b13 16m 锥体高度h96m 锥体角 16 稀相区高度h239 7m 烟气速度u03 18m s 烟气停留时间 11 98s 气体未完全燃烧损失q3 0 5 续表续表 4 5 440 t h 锅炉锅炉 50 负荷性能参数计算结果负荷性能参数计算结果 名 称符号单位数据 灰渣热损失q6 0 3 热空气温度 199 理论热空气焓IrkkJ kg1721 理论冷空气焓IlkkJ kg143 4 炉膛出口过量空气系数 1 6 空预器出口过量空气系数 k 1 49 炉膛漏风系数 lt 0 05 制粉系统漏风系数 zf 0 06 一次风率 10 499 二次风率 2 0 44 回料器出口风温 hl 739 冷渣器出口风温 lz 130 回料器出口风焓IhlkJ kg1037 冷渣器出口风焓IlzkJ kg172 3 回料器热风份额 0 023 冷渣器热风份额 0 06 回料器热风带入热量Ih1kJ kg155 34 冷渣器热风带入热量IlzkJ kg67 33 计算煤耗量Bjkg h24645 6 出口烟气温度 739 出口烟气焓IyqkJ h10380 热空气焓QrkkJ kg2426 2 炉膛内放热量 kJ h QltkJ h430384655 炉膛内放热量 MW QltMW119 55 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 86 4 1 7 CFB 锅炉理论燃烧温度计算锅炉理论燃烧温度计算 以某 440 t h 锅炉为例计算 每 1 kg 煤的炉内放热量 Q 4 36 hk 4 arnet 100 100 IQ q QQ 式中 kJ kg 25500 arnet Q Qk 空气带入的热量 Qk 2706 kJ kg 每 1 kg 燃料带入的循环灰焓 kJ kg h I 如循环倍率为 R 24 从分离器返回的灰温度取为 900 灰的焓在 900 时为 h C 812 kJ kg 故 kJ kg 1948881224 hh CRI 则 kJ kg 46293194882070 100 3100 25500 Q 为求烟气焓和烟气中的灰焓 必须先假定理论燃烧温度 若理论燃烧温度为 1200 灰 的焓在 1200 时为 1261 kJ kg h C 烟气焓 4 37 hhyahhy CmCVTCTmCTV 由热平衡计算可知每 1 kg 燃料的烟气质量为 kg kg 04 11 196 14 67 156 每 1 kg 烟气所占 Nm3是 748 0 3366 1 1 由此每 1 kg 燃料的烟气体积 Vy为 11 04 0 748 8 23 Nm3 kg 1200 时的烟气焓取为 kJ Nm3 1900 YQ C 令式 4 31b 与式 4 31a 相等 则 1210 25 38 46293 1200 1261 24 1200 1900 23 8 46293 100 100 hhyy hk 4 arnet a CmCV IQ q Q T 当负荷降低时热风温度降低 热焓降低到 1114 另外 循环灰量减少 当变为鼓泡床时 假定减少到 0 假定此时的理论燃烧温度为 1800 烟气焓在 1800 时为 2990 h C kJ kg 则此时的 Ta按下式计算 1887 7 13 25849 1800 2990 23 8 111497 0 25500 100 100 yy k 4 arnet a CV Q q Q T 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 87 可见当 CFB 锅炉负荷降低时 理论燃烧温度升高 由大约 1210 升高到 1887 这是 CFB 锅炉低负荷稳燃的基础 4 1 8 考虑分离器后燃时的传热计算考虑分离器后燃时的传热计算 飞灰可燃物有时到分离器后继续燃烧 特别是对于贫煤 在绝热分离器内继续燃烧 使 出口烟气温度较进口烟温升高 30 70 如果在传热计算时不考虑这种现象将会给运行带来 严重后果 如前一章所述 在如下条件下 会出现后然现象 燃料在炉膛出口前由于燃料品质 颗 粒度 炉膛温度和停留时间影响 未能完全燃烧 而到绝热分离器内又具备继续燃烧的条件 对于极低挥发份的无烟煤 Vdaf 6 8 一种观点认为 虽然在分离器内有停留时间 但是 由于温度不够高 颗粒度偏大 可能不再燃烧而排出 成为飞灰可燃物 但另一种观点认为 后燃现象可能更严重 见图 4 3 后燃 现象特别表现在物料粒度 d 0 1mm 所占份额较大 时发生 如果小于 0 1mm 的颗粒份额不是很大 则 后燃 的影响就很小 对于后燃问题 采用冷却式分离器 可以使后燃释放的热量得到及时吸收 使循环物料的温度得到有效控制 为便于考虑后燃进行设计 可将主循环回路作为计算对象 以分离器出口的烟温 fL代 替炉膛出口的烟温 L进行热平衡 即是修正出口烟气焓 yx和飞灰焓 这时炉膛出口烟气 带走的热焓增大 飞灰焓也增大 而传给炉膛内受热面的热量则相对减少 根据实际运行的 数据 正常运行条件下 在给煤粒度分布满足图 5 30 图 5 38 时 采用绝热分离器的锅炉 分离器中的温升可按图 4 3 确定 即炉膛中受热面的传热按着的炉膛温度进行计算 而分离 器出口带走的热量 按着图 4 3 考虑 其中 分离器温升 t t P tP 4 38 式中 tP 根据煤种按图 4 3 a 查取 P 修正系数 按图 4 3 b 查取 若采用冷却式分离器 则分离器出口的温度可能略有下降 一般在 22oC 进入尾部对 流竖井的烟温应改为考虑后燃的分离器出口烟温 fL 为了平衡尾部的吸热量应减少对流过 热器及再热器的面积 并增加省煤器的面积 以防排烟温度升高 第四章 循环流化床锅炉炉内传热计算 88 25 0 25 50 75 100 015304560 燃料挥发份含量 Vdaf 分离器温升 tP oC 石油焦无烟煤 贫煤烟煤 褐煤其他燃料 0 0 25 0 5 0 75 1 3045607590 负荷率 修正系数 P a b 图图 4 3 绝热分离器温升绝热分离器温升 由于目前除中国外 大部分 CFB 以燃烧褐煤为多 后然现象非常弱 但是燃烧挥发份相 对较低燃料时 若没有考虑后燃 则势必导致尾部对流受热面的超温 排烟温度偏高 为解 决超温问题 同时维持排烟温度不再提高 人们试图减少布置炉膛上部的再热器或过热器的 受热面积 但是 仅仅通过改变炉膛中的再热器及过热器受热面积 则将导致主循环回路吸 热量下降 温度上升 抵消了吸热量下降的趋势 效果不明显 这在济宁运河 新乡 开封 淄博等几个电厂的实践中得到验证 可见 由于进入尾部烟道的烟气温度偏高 传热温压偏 大 对流受热面的吸热量大大超过设计值 所以减少对流再热受热面和过热受热面 才能够 把再热器喷水量和过热器喷水量减下来 同时增加省煤器受热面积 有助于调整蒸发受热面 与过热 再热受热面吸热比例的失调 还可把排烟温度降下来 4 2 巴苏的传热理论及计算方法巴苏的传热理论及计算方法 发展快速床中床对壁面的传热模型的主要困难 是由于对快速床流体特性的了解不够 不过 普遍认为热量传导给由沿壁面下滑的固体颗粒不稳定薄层 从而形成热力边界层 对 于 12 MWe的锅炉 该边界层厚度为 100 mm 锅炉容量越大 边界层也越厚 分析靠近壁面 气固两相的质量 动量和能量平衡情况 可以得到床向壁面传热的详细情况 该过程的分析 是比较复杂的 P Basu 与 Subbarao 发展的颗粒团交替模型 与上述热力边界层模型相比就 显得比较简单 尽管该模型比较粗糙 但用它来解释许多快速床中所观察到的传热现象却十