燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究毕业论文.doc

I 摘摘 要要 目前燃油燃气锅炉具有一个共性问题就是前烟箱温度太高 本文首先介绍了现有 解决锅炉前烟箱温度高的措施 加装保温材料和利用水套降温 其次本人利用所学知 识对 1t h 燃气锅炉进行了合理的传热计算 并设计出结构布置和利用 AUTO cad 绘画 出结构图纸 而后介绍了自己设计的一种新型锅炉前烟箱 包括其加工方法和利用 AUTO cad 绘画出结构图纸 最后利用 fluent 软件模拟出新设计的前烟箱和老式前烟箱 保温效果 结果表明新设计的前烟箱对回收锅炉前烟箱散失的热量作出了贡献 关键词关键词 燃气锅炉 热力计算 前烟箱 保温 水套 II Abstract Currently fuel gas boiler has a common problem the temperature of Front smoke box is too high firstly the research describes the existing solutions of the problem including adding thermal insulation material and using water sets for cooling secondly with the knowledge learned from classes the researcher makes reasonable calculations of heat transfer on 1T h fuel gas boiler and designs its structure layout which has been shown through Auto CAD drawing then the researcher introduces his new design of Front smoke box including its producing process and the Auto CAD drawing of its structure Finally using fluent software to compare the thermal insulation effects between the former design and the new design and it shows that the new design of Front smoke box is better than the former one due to better recovery of the dissipation heat in the Boiler Keywords Gas fired boilers Thermodynamic Calculation Front smoke box Insulation Water sets III 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 1 1 文献综述文献综述 4 1 1 前言 4 1 2 燃油燃气锅炉高温烟箱结构目前发展现状 4 1 2 1 高温前烟箱加装水套 4 1 2 2 卧式锅炉前烟箱 6 1 3 高温烟箱利用的耐温材料 7 1 3 1 高温烟箱利用耐火纤维做高温炉衬材料 7 1 3 2 高效保温绝热涂料 8 1 4 本文研究方向 8 2 2 1T H1T H 燃气锅炉传热计算及结构设计燃气锅炉传热计算及结构设计 9 2 1 设计计算对象和已知条件 9 2 2 理论空气量及燃烧产物 10 2 3 2 炉胆的传热过程 15 2 3 3 对流受热面计算 17 2 4 锅炉烟风阻力 23 2 5 受压元件强度 23 2 5 1 受压元件强度分析 23 2 5 2 锅炉元件强度计算 25 2 6 结论 25 3 3 前烟箱结构的新型设计前烟箱结构的新型设计 27 3 1 本节设计研究背景 27 3 2 三回程燃气锅炉前烟箱设计的新结构 27 3 3 新型结构与老式锅炉前烟箱之间的优缺点 29 4 4 新结构前烟箱数值模拟及分析新结构前烟箱数值模拟及分析 31 IV 4 1 新结构前烟箱几何模型的边界条件 31 4 2 模拟结果分析及讨论 31 4 2 1 压力分布模拟分析结果 32 4 2 2 速度模拟分析结果 32 4 2 3 温度模拟结果 33 4 3 老式前烟箱添加保温层模拟 35 4 3 1 老式前烟箱的几何模型建立 35 4 3 2 温度模拟结果 36 4 4 模拟结果讨论 36 结论结论 38 致谢致谢 39 参考文献参考文献 40 附录一 燃气锅炉前烟箱新型设计结构图附录一 燃气锅炉前烟箱新型设计结构图 41 附录二 外文翻译附录二 外文翻译 44 附录三 外文原文附录三 外文原文 50 1 1 文献综述 1 1 前言 近年来 各大中城市逐步淘汰市区内所有燃煤的小锅炉 炉灶 改用油 气 电等 清洁燃料或集中供热 如河南省省会郑州市于 1999 年 12 月底前 取缔了市区建成区所 有手烧燃煤锅炉和 1 蒸吨每小时以下 含 1 蒸吨每小时 机械燃煤锅炉 茶炉和所有餐 饮业 包括学校食堂 的燃煤炉灶 又于 2000 年 12 月底前 进一步取缔了市区 10 蒸吨每 小时以下的小型燃煤锅炉 西气东输 的战略措施 为燃气锅炉的应用提供了物质基 础 同时 近年来 国外燃油燃气锅炉大量涌入国内市场 国产燃油燃气锅炉也得到很大 发展 这些客观因素促使燃油燃气锅炉应用越来越多 且呈逐年上升的趋势 目前 虽然燃油燃气供热的发展由于天然气和燃油的费用比电能高而受到限制 国 家和一些城市采取了优惠政策鼓励使用天然气等清洁能源 随着 西气东输 工程的 建设 天然气的价格将有所下降 由此将大大推动燃油燃气锅炉 尤其是燃气锅炉的快速 发展 燃油燃气锅炉就是以燃料油 简称燃油 或可燃气体 简称燃气 作为燃料 把燃料的化学能转换为热能 把水加热成为热水或蒸汽的机械设备 既可以燃油又可 以燃气的锅炉称为燃油燃气锅炉 亦称双燃料锅炉 俗称油气炉 燃油燃气锅炉热力 设备 锅炉 水进入锅炉 锅炉受热面吸收热量 加热一定温度和压力热水或蒸汽 燃油燃气锅炉不同于燃煤锅炉 它需要使用燃烧器将燃料喷入锅炉炉膛 采用火 室燃烧而无须使用炉排设施由于燃油燃气锅炉燃烧后均不产生燃料灰渣 故燃油燃气 锅炉无须排渣设施喷入炉内的油气如果与空气在一定范围内混合或熄灭 就容易爆炸 因此燃油燃气锅炉均需采用自动化的燃烧与控制系统 燃油燃气锅炉结构紧凑 小型 的锅炉本体及其通风 给水 控制与辅助设备均设置在一个底盘上 大中型的也可组 装出厂 燃油燃气大致可分为锅壳内燃锅炉和水管锅炉两种 1 1 锅壳式锅炉 又称火管内燃锅炉锅壳式锅炉 又称火管内燃锅炉 HSBHSB 锅壳式内燃火管锅炉有其自身的特点炉胆是该类型锅炉的燃烧室 燃烧器喷嘴置 于炉胆前部 燃烧产生的高温烟气延伸到后部 离开炉胆后折返空间 回燃室 近 返后进入第二回程 烟管 如折返一次则称二回程锅炉 如折返二次则称三回程锅 炉 以此类推 一般折返次数不超过四次 最常见的是三回程锅炉 锅炉根据炉胆后 部烟气折返空间的结构型式可分为干背式锅炉和全湿背式锅炉 燃烧器喷出燃料燃烧 2 生成的高温烟气到达炉胆的另一端后 炉胆内高温烟气直接冲刷后烟箱盖 后烟箱盖 即烟气折返空间 温度高达 900 1100 高温烟气的加热和冲刷 如果这种高温 c 0 c 0 烟箱的绝热和密封不好 将直接影响锅炉的使用寿命 甚至导致锅炉不能正常运行 干背式锅炉 全湿背式锅炉 图 1 中心回燃式卧式内燃锅炉的三种形式 2 2 水管锅炉 水管锅炉 水管锅炉的受热面布置在炉墙及炉内空间 作为工质的水 汽及汽水混合物在管 内流动受热 高温烟气在管外辐射及冲刷对流放热 当锅炉容量 30 t h 时 水管锅 炉的各项指标明显优于火管锅炉 唯一需要注意的是燃油气的燃烧特性要求微正压通 风 所以对炉墙的强度和密封要求都很高 水管锅炉的主要型式有 D 型 A 型和 O 型 三种型式的共同特点是 卧式布置 燃烧器水平安装 操作检修方便 宽高度尺寸较 小 长度伸缩性较大 适合于锅筒系列化生产 其中 D 型锅炉是双锅筒纵置式 右 左 侧为水冷壁 左 右 是上锅筒之间的对流管束 根据需要可布置过热器或省 煤器 O 型也是双锅筒纵置式 上锅筒长 下锅筒短 前部炉膛两侧的水冷壁管在下部 弯向对方并与其下集箱相连 燃烧器前部布置 A 型单锅筒纵置式 炉膛和对流管束均 由上锅筒和两侧下集箱之间的管子构成 前部布置燃烧器 本锅炉尾部可设过滤器 3 图 2 水管锅炉的三种形式 在中小型的范围内 水管锅炉比锅壳式锅炉具有明显的优势 能适应锅炉参数 工质温度和压力 提高的要求 从工业生产的角度讲 更高 的蒸汽温度和压力可降低工业生产机械的重量和尺寸 提高生产效率 而以炉胆和锅 壳为主要受压元件的锅壳式锅炉当用于较高温度和压力时会显著增大受压件的壁厚 不仅增加锅炉的钢耗量 而且使锅炉受热面的布置和锅炉的运行缺乏灵活性 各种受热面的布置比较灵活 不仅能较方便地设置尾部的空气预热器和省煤器 还可以根据工业生产的需要 设置过热器 有更高的安全裕度 水管锅炉的汽包不承受直接的辐射和火焰冲击 安全性较 高 另外如果发生爆管事故 其承受直接辐射和火焰冲击的受热面管件也比锅壳式锅 炉炉胆发生破裂的危害程度小 概况起来 燃油燃气锅炉具有以下优点 1 具有显著的环境效益 燃油 天然气在锅炉炉膛内燃烧迅速 完全 热效率高 在当前市场上的各类锅 炉中 天然气锅炉的热效率不容置疑为最高 最先进的已高达 94 燃烧越彻底 排放 的有害物质也就越少 油 气燃烧后几乎不产生灰渣 二氧化硫 二氧化碳的排放量 也较少 因此被称为清洁燃料或绿色燃料或环保燃料 燃油燃气锅炉因此被称为环保 型锅炉 此外 燃煤改烧燃油燃气后 锅炉房司炉工的工作环境大大改善 摆脱了原 来灰尘弥漫的境地 2 自动化程度高 安全可靠性高 燃油燃气锅炉自控程度高 进口设备还配有微电脑控制设备 实现了锅炉启动 停炉程序控制 燃烧 给水 油压和油温 气压的自动调节以及高低水位 熄火 超 压和低油压的自动保护 因此 司炉工工作强度大大降低 操作可靠性增加 杜绝了 锅炉运行重大事故发生的可能性 也为锅炉房减员增效创造了有利条件 4 3 体积小 结构紧凑 外形美观 燃油燃气锅炉不用像燃煤锅炉那样设置复杂庞大的破碎 输送燃煤设施和燃烧及 除尘设备 因此在同样的热负荷下 燃油燃气锅炉结构紧凑 体积小 重量轻 占地 面积小 可减少建筑投资 燃油燃气锅炉外形比燃煤锅炉更新颖 美观 可满足现代 人越来越高的审美需求 总之 燃油燃气锅炉具有高效率 结构简单 体积小投资少 使用简易配套的辅 机 全智能化自动控制并配有多级保护系统等特点 配备燃烧器 送风机 和烟道消 音系统以降低锅炉运行的噪音 自动加药装置 软化水处理装置 配备其它监测和限 制装置 可保证锅炉 24 小时无监督安全运行 对建筑的要求较低 又可减少繁琐的报 批手续 其烟尘排放对大气的污染也比燃煤锅炉轻 因此 燃油燃气锅炉的应用范围 越来越广泛 就近几年的使用情况看 小型燃油燃气锅炉多用于城市里的别墅区 度 假村 或者是城市集中供热范围以外的地区 以及一些暂时无法设置集中供热的新开 发区 小型燃油燃气锅炉多为常压锅炉 其一次性投资和日常运行费用均高于燃煤锅 炉 因而其使用也理所当然存在某些局限性 我国自 20 世纪 80 年代以来 大中城市的 高层民用建筑有了较大的发展 如上海自 1998 年以来 平均每年约建一百五十幢高楼 目前已有高层建筑二千一百余幢 各地众多高层建筑的出现 给与之配套的锅炉房设置 带来一系列新问题 而安装灵活 操作方便的燃油燃气锅炉在这些场合显示出极大优越 性 1 2 燃油燃气锅炉高温烟箱结构目前发展现状 1 2 1 高温前烟箱加装水套 在实际使用中燃油燃气锅炉运行情况良好 但由于前烟箱内填充的耐火材料的耐 热性能以及散热条件不好 时有发生前烟箱过热烧损的问题 并且有时因种种因素这 种情况还比较严重 以至于外面的钢板温度较高 有很明显的烧损现象 人一靠近就 会感到灼热的感觉 存在严重的事故隐患 下面针对这一问题 从改变结构着手 摒 弃一贯采用的用耐火材料填充前烟箱的方法 采用新的措施彻底解决前烟箱烧损的问 题 提高锅炉的运行安全可靠性 如何解决前 后烟箱烧损问题 可以设想保持锅炉的其它结构基本不变 将前烟 箱制成水夹套的型式 用水冷却 如何实现水冷却有两个方案可以选择 方案一是前烟箱与锅筒依然是分离的 前烟箱可以先制成部件再与锅筒相连接 5 采用螺栓连接或焊接皆可 前烟箱内的冷却水用专用管路提供 自成一个独立的水循 环 与锅筒内的循环水没有任何联系 这一方案的优点是前烟箱冷却好 安全可靠性 高 在制造工艺上除了将前烟箱制成水夹套的型式外 其它零部件结构 制造 装配 根本不用改变 制造工艺的复杂程度与原结构持平 其缺点是需额外的专设一个循环 管路 需要专用水泵 管路变得复杂 增加了机组运行的电耗 使整个机组的成本增 加 并且如何有效利用前烟箱内的冷却水也是一个问题 给用户造成很大的不便 当 然这一方案也可以改进 即去掉前烟箱的专用冷却管路 将补给水管或回水管接在前 烟箱上 利用循环回水冷却 前烟箱与锅筒之间再用大口径的水管连接起来 不过这 时管路的结构依然比较复杂 并且由于锅筒和前烟箱之间有可能通水不畅 阻力增大 反应不灵敏 机组运行的安全可靠性降低 该方案弊端较多 方案二从改变结构和制造工艺出发 将前烟箱与锅筒直接在内部连接起来 两者 联为一体 不需外设的专用管路相连接 这样就简化了整个机组的管路系统 同时机 组的安全性也得到了保证 具体的制造工艺流程可以这样进行 以外形为长方体的卧 式回焰锅炉为例 外形为圆柱体的锅炉与此类似 首先在前管板上割出如图 2 中 3 所示的冷却水上 下通道 形状可以变化 例如做成多个大直径的孔 其次将除前 烟箱外的筒体零部件即前后管板之间的部分装配好 后烟箱何时装配随意 这与原结 构锅炉的装配没有任何区别 再将前烟箱水夹套的内层 4 与前管板焊在一起 然后将 燃烧器喷口通道 8 与 4 焊在一起 最后将前烟箱水夹套的外层 7 套上 分别在与前管 板 4 的连接处焊死 为了将水夹套内可能产生 聚集的水蒸气排出 防止锅炉在运行 中承压 在水夹套的顶部再加一个排汽管 2 可以是圆形 也可以是其它形状 当量直 径根据规定确定 这样可以提高锅炉机组的安全性 温度较低的冷却水从前管板上 的下水通道进入水夹套 吸收热量后上升 到水夹套上部后部分冷却水经前管板上的 上水通道进入锅筒 由于前烟箱的有效辐射受热面积较小 冷却水的温升一般不会太 高 不会出现大量水汽化的现象 即使出现这种情况 排汽管 2 的设置也会将水夹套 内可能产生的蒸汽及时排出 并且随时可以通过前管板上的水通道得到冷却水的补充 虽然水夹套内的水循环不是太好 但是却能保证机组运行时前烟箱时刻处在水浸之下 所以综合来看方案二的冷却方式还是比较理想的 6 图 3 水冷卧式燃油燃气锅炉前烟箱结构简图 方案二采用简单 轻便 耐用的水冷式前烟箱代替了原结构中应用的填充耐火材 料及笨重且易损坏的前烟箱 制造工艺简单可行 安全可靠性得到了充分保证 制造 起来并不比原结构复杂 对原结构是一个极大的优化 当然 改变前烟箱结构的方法 还有很多 通过前烟箱改造 有效降低了前烟箱温度 保证了燃油燃气锅炉的安全可 靠运行 同时也减少了前烟箱的热量损失 起到了一定的节能效果 此设计结构有一个很大的弊端 当前烟箱里面烟管需要检修的时候 很不方便 需要将水套面板切割下来 1 2 2 卧式锅炉前烟箱 图 3 是一种卧式前烟箱简图 包括烟箱门和箱体 烟箱门内部设有硅酸铝纤维带 烟箱内侧中心向内凹进设置有凹台 凹台与硅酸纤维带压紧形成一道密封面 图 3 实 用新型前烟箱采用双密封结构不仅能保证锅炉的密封性 不漏性 在检修时候前烟箱 门容易打开 解决烟箱长期漏烟问题 卧式锅炉前烟箱 结合下图 包括箱体 1 和烟箱门 2 烟箱门 2 通过铰链 3 铰接在 箱体 1 门口 烟箱门 2 内部设有硅酸铝纤维带 5 烟箱门 2 内侧中心向内凹进设置有凹 7 台 8 凹台 8 与硅酸铝纤维带 5 压紧形成一道密封面 烟箱门 2 和箱体 1 接触面采用迷 宫型设计结构 烟箱门 2 和箱体 1 的前面板 4 接触处设有密封槽 6 密封槽 6 内设置扁 钢槽 7 烟箱门 2 和箱体 1 的前面板 4 接触面本身为一层密封 其次凹台 8 与硅酸铝纤 维带 5 压紧形成一道密封面 构成双密封结构 图 4 卧式锅炉前烟箱结构示意简图 图 5 卧式锅炉前烟箱 A 局部放大图 与之并列的还有一种卧式内燃燃气锅炉双密封烟箱 卧式内燃燃气锅炉双密封烟 箱 烟箱门通过铰链装在烟箱体上 并通过烟箱体上的螺杆用螺帽固定在烟箱体上 烟箱门内侧设计为二级凸台 在一级凸台面上有烟箱门密封垫 烟箱体的高温烟气区 的开口侧壁设计为凹台 在凹台面上有烟箱体密封垫 凹台的侧壁凸出烟箱体表面构 成凸缘 在关闭烟箱门时 烟箱门的一级凸台面压在烟箱体密封垫上 凹台的侧壁凸 出烟箱体的凸缘压在烟箱门密封垫上 本实用新型具有如下的有益效果 卧式内燃燃 气锅炉烟箱门采用双密封结构 第一层密封结构可以阻断高温烟气对第二层密封材料 的影响 阻断烟气热量向外传导 这种双密封烟箱门具有良好的隔热性能和密封性能 8 1 3 高温烟箱利用的耐温材料 1 3 1 高温烟箱利用耐火纤维做高温炉衬材料 目前为了克服轻质耐热混凝土炉衬的上述缺点 用耐火纤维板做高温炉门衬材料 也收到良好效果 硅酸铝纤维的品种较多 目前国内生产的有普通硅酸铝纤维 高纯 硅酸铝纤维 高铝纤维和含铬硅酸铝纤维及少量制品 耐温 800 1250 硅酸铝纤 维具有以下优点 1 重量轻 耐火纤维制品的容重为 130 220kg m 仅为轻质耐热混凝土容重的 10 15 用耐 火纤维制品做炉衬材料重量轻 炉门开启轻便 2 绝热效果好 耐火纤维制品的导热系数为 0 03 0 04W m 轻质耐热混凝土的导热系数为 0 4 0 5W m 根据传热原理 散热量 q 式中为导热系数 S 为炉衬厚 t s 度 为炉衬内外表面温度差 如果 q 不变 则与 S 成反比 t 3 使用寿命长 耐火纤维毡及其它制品耐急冷急热性好 非常适应燃油燃气锅炉经常停开的工作特 点 因此使用寿命长 4 隔音效果好 能减少燃烧产生的噪音 5 价格适宜 耐火纤维制品的价格虽然比轻质耐热混凝土贵 但由于采用复合炉衬 重量轻 费用 与轻质耐热混凝土接近 1 3 2 高效保温绝热涂料 泡沫塑料做保温材料 保温效果好 容量小轻便 浇注发泡施工快捷 但有不足 之处 浇注发泡使用有机溶剂 污染环境 各类泡沫塑料均易燃烧不安全 对某些大 型异型设备进行保温施工不方便 此外 成本较贵 新型保温涂料可克服这些缺点 保温隔热涂料已获广泛应用 高温管道的保温 如化工厂 发电厂高温管道 锅炉 窑炉等的外壳 尤其适用不易施工的异型设备 管道附件等 此外用在建筑物保温方 面 适用于内墙的保温隔热 保温隔热涂料综合了涂料及保温材料的双重特点 干燥 后形成一定强度及弹性的保温层 其导热系数低 保温效果显著 且费用较一般保温 9 材料便宜 一般保温涂料的导热系数为 0 2 0 07W m K 现已研究达 0 0594W m K 保温绝热涂料的组成膨胀珍珠岩 蛭石 纤维材料 增稠剂 消泡剂 复合粘结 剂 膨胀珍珠岩具有质轻 绝热 吸音 无毒 不燃 无臭味 价廉和来源广等特点 是一种很好的超轻质高效能保温材料 蛭石其化学成分复杂多变 主要为含水镁铝硅 酸盐 加热后体积急剧增加 形成无数细小的空穴 成为导热系数小 体轻 隔热 隔音 防火 可吸收较多水分的材料 适合作保温绝热涂料填料 纤维材料可加强各 物料之间的连接 使涂层内部形成网状结构 提高韧性和抗拉抗弯等机械性能 要求 该纤维材料导热系数小 强度高 耐酸碱 选择硅酸铝棉或耐碱玻璃纤维 增稠剂改 善涂层的初始粘稠度 便于施工 助剂渗透剂使水分能充分渗入到硅酸盐纤维中 使 纤维开松 进而使纤维均匀分散在涂料中 消泡剂 在涂料配制过程中 有泡沫产生 故加适量消泡剂 复合粘结剂对骨料起粘结作用 使涂层有良好的整体性能 和底材 附着力好 且赋予涂料有良好的施工性能 常用粘结剂有两类 一类是有机基料如苯 丙乳液等 另一类是无机基料 如改性硅溶胶 水玻璃等 用于高温场合 1 4 本文研究方向 燃油燃气锅炉不用像燃煤锅炉那样设置复杂庞大的破碎 输送燃煤设施和燃烧及 除尘设备 因此在同样的热负荷下 燃油燃气锅炉结构紧凑 体积小 重量轻 占地面 积小 可减少建筑投资 燃油燃气锅炉外形比燃煤锅炉更新颖 美观 可满足现代人越 来越高的审美需求 目前燃油燃气锅炉具有一个共性问题就是前烟箱温度太高 存在严重的安全隐患 为了克服这个缺点有加入水套和防热材料措施 但是也引发了另外一些问题 例如加 入水套后 前烟箱内部烟管 经过时间的洗涤 烟管有出现堵塞的现象 这个时候检 修成为一个很大的问题 因为前烟箱是焊死的 当利用隔热材料的时候 外表面还是 具有一定的温度 假如只注重隔热的话 很可能会造成前烟箱隔热板太厚 笨重 不 符合燃油燃气锅炉结构紧凑 体积小 重量轻 占地面积小的总体设计理念 本文要研究的是利用水套和高温绝热材料各自的优点 将高温前烟箱设计一个及 能防止其高温危险又能高效回收其热量 达到安全 高效节能的效果 并通过计算分 析其隔热效果 计算出其节能效果 10 2 1t h 燃气锅炉传热计算及结构设计 2 1 设计计算对象和已知条件 锅炉额定热功率 0 7MW 锅炉额定工作压力 P 常压 给水温度 tgs 65 排污率 5 冷空气温度 tlk 30 设计燃料 天然气 燃烧方式 室燃 锅炉形式 锅壳式燃气汽湿式三回程 锅炉炉胆半径 600 6 排烟温度 200 烟管选择 51 3 燃料特性表燃料特性表 1 天然气 天然气 4 CH 63H C 103H C 83H C 2 N kgkj Q arvnet 98 0 0 40 30 3 0 0136533 2 2 理论空气量及燃烧产物 理论空气量 6 58m3 kg 0 V 理论氮气容积 0 79 0 008Nar 0 79 6 58 5 2 m3 kg 0 2 N V 0 V 理论水蒸气容积 0 0124War 0 111Har 0 0161 0 0124 0 0 111 0 296 0 0161 6 58 0 139 m3 kg 0 2O H V 0 V RO2容积 1 866Car 0 7Sar 100 1 866 74 328 0 7 0 100 1 38 m3 kg 2 RO V 6 58 m3 kg 5 2m3 kg 0 139m3 kg 1 38 m3 kg 0 V 0 2 N V 0 2O H V 2 RO V 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 11 烟气温焓表烟气温焓表 2 1 温度理论烟焓空气焓 炉膛出口1 1 烟管出口1 1 py y I k I y I I y I I 1001598141717391739 200323528503520182835201828 300491643105347187753471877 400664458007224192772241927 500841973249152197691521976 600102408882111302023111302023 7001210010470131502066131502066 8001401012090152202105152202105 9001595013740173202141173202141 10001792015410194602172194602172 11001993017090216302199216302199 12002195018800238302223238302223 13002401020510200602244260602244 14002608022240283002263283002263 15002817023980305602279305602279 16003027025730328402294328402294 17003239027480351402308351402308 18003552029250374502322374502322 19003666031030397702334397702344 20003882032820421002346421002346 21004099034610444502356444502356 220043160364204680046800 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 12 2 3 1 锅炉热平衡计算 燃油燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面 以保证锅炉合理的出力和热效率 油 气燃料的燃烧过程和燃 烧后产生的烟气与固体燃料相比 有许多不同之处 因而燃油 燃气锅炉的性能 结构和热力计算与燃煤锅炉相比 也有其特 点 燃油燃气锅炉的热力计算主要包括 1 锅炉的热平衡计算 2 炉膛 炉胆 的受热面计算 3 对流受热面计算 锅炉系统的热平衡计算 是为了保证送入锅炉机组的热量 与有效利用热及各项热损失的总和相平衡 并在此基础上计算 出锅炉机组的热效率和燃料消耗量 热平衡计算是在锅炉机组 处于稳定的热力工况下进行的 对燃油 燃气锅炉 一般均以标态下 1kg 燃料油或 1m3气体燃料为基准计算 锅炉机组热平衡方程的普遍形式为 kJ kg 或 kJ m3 123456 r QQQQQQQ 式中 Qr 送入锅炉系统的热量 Q 1 锅炉系统的有效利用热 Q2 排烟带走的热量 Q3 气体不完全燃烧 又称化学不完全燃烧 损失的热 量 Q4 固体不完全燃烧 又称机械不完全燃烧 损失的热 量 Q5 锅炉系统向周围空气散失的热量 Q5 一般经验数据和近似计算 Q6 燃料中灰渣带走的热量 选择天然气可以选择 0 对气体燃料 上式 各热量值均相对于 1 m3燃气 单位为 kJ m3 对液体燃料 则相对于 1 kg 燃料油 单位为 kJ kg Q6 0 Q4 0 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 13 由于木屑的含灰量很小 Q6可以忽略 同时 此天然气燃 料时一般没有不完全燃烧现象 即 Q4 0 总损失 Q q2 q3 q4 q5 q6 所以热平衡方程改为 kJ kg 或 kJ m3 1235r QQQQQ 锅炉输入热量 相对于 1kg 燃料油或 1 m3燃气送入锅炉系统的热量 Qr kJ kg 或 kJ m3 是指锅炉范围以外输入的热量 可按下式 计 rnet v arrzqwl QQiQQ 式中 Qnet v ar 燃料的低位发热量值 kJ kg 或 kJ m3 Qwl 用锅炉系统以外的热量加热送入锅炉的空气时 相应 于每 kg 燃料油或每 m3燃气所具有的热量 kJ kg 或 kJ m3 ir 油或燃气的物理显热 kJ kg 或 kJ m3 Qzq 雾化燃油所用蒸汽带入的热量 kJ kg 在燃油燃气锅炉中最主要的损失是排烟损失 它决定于排烟温度和排烟量 对于一定的燃料 排烟量决定于 过剩空气系数的大小 而过剩空气系数又是和燃烧状况直接有 关的 排烟热损失 q2可 用锅炉机组的排烟和冷 空气的焓差计算 100 42 q Q II q arnet O LKpypy 式中 排烟温度设定为 200 度 Ipy 在排烟过剩空气 系数及排 烟温度下 相应于 1 kg 燃料油或 1 m3燃气的排烟的焓 kJ kg 或 kJ m3 Ipy 3520 kJ kg 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 14 py 1 1 I lk 424kJ kg q2 8 35 q3 0 5 py 排烟的过剩空气系数 取 1 1 冷空气假定为 30 度 I lk 在送入锅炉的空气温度下 1 kg 燃料油或 1 m3燃 气所需要的理论空气焓 kJ kg 或 kJ m3 气体不完全燃烧热损失 q3 气体不完全燃烧热损失 q3是指排烟中未完全燃烧或燃尽的 可燃气体所带走的热量占送入锅炉输入热的份额 在设计计算 时 对燃油锅炉 q3可取 1 1 5 对燃用天然气 油气伴生 气和焦炉煤气的锅炉 可取 q3 0 5 对燃用高炉煤气的锅炉 取 q3 1 对运行锅炉 借排烟处烟气成 份的分析 可按下述公式进行计算 324 0 110 0630 225 885 5 py qCOHCH 气体不完全燃烧 热损失大小主要取决于 燃烧成分 炉膛过剩空 气系数 所用燃烧器 燃烧器与炉膛匹配是否 适当以及运行操作是否 合理 一台运行的锅炉 此项热损失究竟多大 要靠烟气分析的结果确 定 对天然气锅炉 q3 可取 0 5 散热损失 q5 散热损失 q5是指 锅炉围护结构和锅炉机 组范围内的气 水管道 以及烟风道等 受外部 大气对流冷却和向外热 辐射所散失的热量 它 与周围大气的温度 露 天布置时的室外温度 室内布置时的室内温度 风速 围护结构的保 温情况以及散热表面积 的大小 形状等有关 同时还与锅炉的额定容 量和运行负荷的大小有 关 一般根据经验数据 和近似计算的办法确定 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 15 q3 0 5 q5 1 5 锅炉有效利用热锅炉有效利用热 Q1 锅炉有效利用热 Q1系 指锅炉供出工质的总焓 与给水焓的差值 对热 水锅炉 1Srshs QGCtt MW 式中 Q1 热水 锅炉的输出热量 MW G 循环水流 量 kg s trs 热水温度 ths 回水温度 Cs 水的比热 MJ kg Cs 0 0041868MJ kg Q1 0 7MW 设计给定 G 0 7 1000 0 0041868 20 1000 8 36kg s 锅炉的热效率和燃料消 耗量 锅炉的热效率为 23456 100qqqqq 91 63 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 16 保热系数 q5 91 63 91 63 1 5 0 984 锅炉的燃量消耗量为 kg s 或 m3 s 1 100 r Q B Q 700 0 916 36533 0 0209kg s 54 67kg h 式中 B 燃料消耗量 kg s 或 m3 s 燃料消耗量 Bj B 1 Q4 100 54 67kg h 所谓计算燃料消耗量指的的是单位时间内实际参加燃烧产生烟 气的燃料量 在本文的热力计算中 空气或烟气的体积是按实 际参加燃烧的燃料量来计算的 在应用空气或烟气的体积来计 算温焓表时采用计算燃料消耗量 2 3 2 炉胆的传热过程 91 63 0 984 B 54 67kg h Bj 54 67kg h 炉膛传热过程是与 炉内燃烧过程烟气流动 过程同时进行 的 炉内既有燃烧反应 的化学过程 又有物质 交换物理过程 因此炉 膛传热过程十分复杂 目前 我国采用的炉膛 热力计算方法是运用了 相似理论 分析 并 通过大量试验而综合得 出的半经验计算公式 近年来 随着电子计算 机技术的发展 很多研 究人员试图借助于数学 模型用解析法来研究和 计算炉膛换热过程 已 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 17 取得一定进展 炉膛传热计算的任务是确定堂辐射受热面 水冷壁 的吸热量 和炉膛出口烟气温度 炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁 之间的辐射换热 炉内烟气流速较小 因而对流传热较弱 所 占炉膛换热份额很少 计算时可以忽略 炉膛传热的基本方程炉膛传热的基本方程 炉胆出口过量空气系数 Al 选取 1 1 炉胆漏风系数 0 l 冷空气由设计给定 30 冷空气焓值查焓温表得 424Kj kg 0 空气带入炉内的热量 Q Al 1 1 424Kj kg 466 4kj kg 0 炉胆入炉内热量 36533 100 l Q Q q qqq Qr 4 634 100 100 0 5 100 466 4 36816 7kj kg 由和查烟气焓温表求得 理论燃烧温度 1769 6 绝对 l l Q ll 温度 1999 6k 绝对燃烧温度 c ll 0 1769 6 绝热燃烧绝对温度 k ll 6 19992731769 6 炉胆出口温度假定的结果 Cll 970 炉胆出口绝对温度 KT ll ll1243273 0 l Al 1 1 30 424Kj kg 0 Q 466 4kj kg 36816 7kj kg l Q k ll 6 1999 KTll1243 Cll 970 hy T 1432k 火焰绝对平均温度 K TTTT llllLhy 1432 12436 1999 4 11243 4 1 炉胆壁温 ctb 1759085 炉胆绝对壁温 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 18 KTb448273175 炉胆出口烟焓查温焓表 KGKJIl 4 17382 辐射和对流换热系数 C 设计选取 12 2 kmkWC 假定炉膛长度 L1 1550mm 炉胆直径 D1 600mm 壁厚 1 6mm 辐射和对流的有效面积 2 1 92 2 mLDH f 烟气放热量 kgkj IQQl lrp 4 19123 4 17382 7 36816 984 0 烟气传热量 kgkj T T B H CQ b hy j f cr 5 18760 100 448 100 8 1505 3 75 92 2 12 100 100 44 44 计算误差合理 8 0100 4 19123 5 18760 4 19123 100 rp crrp Q QQ 2 3 3 对流受热面计算 1 第一管束热力计算 第一管束热力计算 锅炉中的对流受热面是指锅炉管束 过热器 省煤器 空 气预热器等 在这些受热面中 高温烟气主要以对流的方式进 行放热 所以称之为对流受热面 由于烟气中含有三原子气体 及飞灰 他们具有一定的辐射能力 因此除对流放热外 还要 考虑烟气的辐射放热 此外对布置在炉膛出口处的对流受热面 还需考虑来自炉膛的辐射热量 b t c 175 KTb448 KGKJIl 4 17382 12 2 kmkWC L1 1550mmD1 600mm 1 6mm 12 2 kmkWC 2 92 2 mH f kgkjQrp 4 19123 kgkjQcr 5 18760 8 0 对流受热面的传热计算 都是以燃烧 1kg 或 1m3 燃料时 烟气的放热量或工 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 19 质的吸热量为计算基础 由此可得出对流受热面的传热方程式 和热平衡方程式 假定设计管子内径 dr 51mm 壁厚管子的根数 N 45 mm3 2 光管烟气流通面积 22 2 0919 0 45051 0 785 0 785 0 m NdrFd 烟气的总传热面积 2 2 114555 1051 014 3m NLDHd 入口烟温假定的 C 970 入口烟焓查温焓表 kgkjI 2 18876 出口烟温假定为 Cll 550 出口烟焓查温焓表 kgkjI 2 10067 热平衡方程烟气侧 kgki IIQrp 8809 2 100672 18876 984 0 1 平均烟气温度 C p 0 760 2 550970 2 对数平均温差 C t t tt t x d xd 0 1 665 485 885 ln 485885 ln 烟气容积 kgm VVV dyy 34 10 1 061 1 3 0 0 平均烟气流速 sm Fd BjVy p 6 7 273 273760 0919 03600 34 102 64 273 273 3600 dr 51mm N 45 mm3 2 L 1 55M 2 0919 0 mHd 2 2 11 mHd C 970 kgkjI 2 18876 kgkjI 2 10067 kgkjQrp 8809 1 C p 0 760 Ct 0 1 665 kgmVy 34 10 3 由平均烟气温度差烟气 物性表 Pr 0 687 烟气运动黏性系数 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 20 1023 8 02 cmkw 烟气运动粘性系数sm 1076 103 26 光管雷诺数 1 6022 1076 103 1023 8 6 7 Re 6 2 光管对流换热系数 73 33 687 0 1 6022 051 0 1023 8 023 0 PrRe023 0 02 4 08 0 2 4 08 0 1 cmkw D kg 受热面传热量 kgkj Bj tKHd Qcr 6 8545 2 64 1 665 2 1173 33 主受热传热误差 合理 9 2100 8809 6 85458809 100 2 2 Qrp QcrQrp 2 第二管束结构计算 第二管束结构计算 还是选取内径为壁厚为mmdr51 mm3 管子根数为 30 长度为mml1650 光管烟气流通面积为 222 0612 030051 0 785 0 785 0 mNdrFg 光管传热面积 2 93 730650 1 051 014 3 m NLdgHg 入口烟温根据经验出口烟温取值c 0 550 c 0 200 查温焓表可得出口烟焓kgkjI 3520 入口烟焓kgkjI 2 10067 sm 6 7 1 6022Re 73 33 02 cmkwkg kgkjQcr 6 8545 9 2 mmdr51 mm3 mml1650 2 2 1 mFg 2 93 7mHg c 0 550 kgkjI 2 10067 c 0 200 kgkjI 3520 管束热平衡计算 烟气 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 21 侧 kgkj IIQrp 4 6442 35202 10067 984 0 2 平均烟温C p 0 375 2 对数温度 c t t tt t x d xd 0 8 95 135 465 ln 135465 ln 平均烟气流量 sm Fd BjVy p 39 8 273 273375 0612 03600 34 103 75 273 273 3600 由平均烟气温度差烟气物性表 Pr 0 742 烟气运动黏性系数 1053 5 02 cmkw 烟气运动粘性系数sm 103 52 26 光管雷诺数 8870 10 3 52 1053 5 39 8 Re 6 2 光管对流换热系数 9 31 742 08870 051 0 1053 5 023 0 PrRe023 0 02 4 08 0 2 4 08 0 1 cmkw D kg 受热面传热量 kgkj Bj tKHd Qcr 5 6386 3 75 8 368 2 11 9 31 0 l Al 1 1 20 282 67K 0 kgkjQrp 4 6442 2 C p 0 375 sm 39 8 8870Re 9 31 02 cmkwkg kgkjQcr 5 6386 87 0 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 22 主受热传热误差 合理 87 0100 4 6442 5 6386 4 6442 100 2 2 Qrp QcrQrp 锅炉总热平衡校核汇总表锅炉总热平衡校核汇总表 2 22 2 序号名称符号单位公式结果 1 锅炉效率 热平衡计算 91 63 2 锅炉输入热量 r Q kJ kg y dwr QQ 36816 7 3 锅炉炉胆吸热量 rp Q kJ kg 炉胆热力计算 19123 4 4 第一管束吸热量 1rp Q kJ kg 第一管束对流计算 8809 5 第二管束吸热量 2rp Q kJ kg 第二管束对流计算 6442 4 6 烟管管束总吸热量 D Q kJ kg21rprp QQ 15251 4 7 总吸收热量 0 Q kJ kg rp Q D Q 34374 8 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 23 锅炉各主要结构尺寸汇总表锅炉各主要结构尺寸汇总表 2 32 3 序号名称符号单位公式结果 1炉胆换热面积炉胆换热面积Sm2热平衡计算热平衡计算2 92 2炉胆长度炉胆长度L1mm设计选取设计选取1550 3炉胆直径炉胆直径D1mm计算计算600 4炉胆厚度炉胆厚度 1 mm应力计算应力计算6 5第一管束管径第一管束管径D2mm设计选取设计选取51 6第一管束壁厚第一管束壁厚 2 mm设计选取设计选取3 7第一管束根数第一管束根数N1 热力计算热力计算45 8第一管束长度第一管束长度L2mm热力计算热力计算1550 9第一管束传热面积第一管束传热面积 S m2计算计算11 2 9第二管束管径第二管束管径D3mm设计选取设计选取51 11第二管束壁厚第二管束壁厚 3 mm设计选取设计选取3 12第二管束根数第二管束根数N2 热力计算热力计算30 13第二管束长度第二管束长度L3mm热力计算热力计算1650 14第二管束传热面积第二管束传热面积 S m2计算计算7 93 15锅筒直径锅筒直径D4mm根据热力计算 加热水量计算根据热力计算 加热水量计算 13001300 16锅筒厚度锅筒厚度 4 mm应力计算应力计算 6 6 17锅筒长度锅筒长度L4mm设计选取设计选取 25202520 18锅炉总换热面积锅炉总换热面积 S m2计算计算 22 0522 05 郑州大学化工与能源学院学士论文 燃气锅炉前烟箱绝热结构设计研究 24 2 4 锅炉烟风阻力 锅炉在正常运行时 必须连续不断地将燃料燃烧所需要的空气送入炉膛 并将燃烧 生产的烟气排走 这种连续送风和排除燃烧产物的过程称为锅炉的通风过程 根据锅炉 的类型和容量大小的不同 通风方式可以采用自然通风或机械通风 自然通风是利用烟囱中热烟气和外界冷空气的重度差所形成的自生抽风力来克服锅 炉及其烟风通道的流动阻力的 一般仅使用烟风阻力不大 无尾部受热面的小型锅炉 如容量为 1t h 一下的手烧锅炉等 对于结构较复杂的 容量较大的锅炉 或设置尾部受 热面和除尘装置的工业锅炉 由于烟风系统流动阻力较大 必须采用机械通风 借助于 风机所产生的压头克服其全部阻力 机械通风方式有三种 平衡通风 负压通风 正压通风 锅炉通风系统中只布置送风机的称为正压通风系统 只布置引风机的称为负压通风 系统 平衡通风系统是指烟风道系统中同时装置送风机和引风机 中小型燃油 燃气锅炉一般采用正压通风系统 由于空气温度低 含灰量少 对风 机几乎不产生磨损 送风机的工作条件好 另外 正压通风是在锅炉烟 风系统中只装 置送风机 利用其压头来克服全部烟 风道的阻力 炉膛处于微正压 提高了燃烧强度 消除了锅炉的漏风 减少排烟损失 但锅炉的安全及卫生条件下降 要求炉墙 炉门及 烟道严密 在锅炉烟道中同时布置送 引风机 利用送风机克服空气流程至炉膛阻力 并使炉 膛保持 20 30Pa 的负压 同时利用引风机克服烟气流程的各种阻力 这种通风系统称为 平衡通风系统 平衡通风使风道中的正压不大 又使锅炉的炉膛及全部烟