天津市某小型热电厂热力系统设计说明书.doc

学 号 06390105 毕业设计说明书 天津市某小型热电厂热力系统设计 学生姓名 专业名称热能与动力工程 指导教师 2009 年 6 月 5 日 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 循环流化床锅炉的发展概况 1 1 2 循环流化床锅炉的发展方向探讨 1 1 3 循环流化床锅炉的工作原理及过程 3 第 2 章 设计任务与燃料特性参数 6 2 1 设计任务 6 2 2 燃料特性 6 第 3 章 燃烧脱硫计算 8 3 1 无脱硫工况时的计算 8 3 2 脱硫计算 9 第 4 章 炉膛设计及热力计算 13 4 1 锅炉参数及燃料消耗计算 13 4 2 炉膛结构设计 15 4 3 炉膛水冷壁的设计计算 16 4 4 炉膛汽冷屏的热力计算 19 4 5 炉膛热力及压力计算 22 第 5 章 旋风分离器的设计计算 28 5 1 旋风分离器尺寸确定 28 5 2 汽冷旋风分离器热力计算 30 5 3 旋风分离器阻力计算 33 第 6 章 回料器的设计计算 40 6 1 结构尺寸计算 40 6 2 回料器风室压力计算 41 6 3 回料器配风装置阻力计算 42 第 7 章 EHE 过热器 省煤器 空气预热器的设计计算 46 7 1 EHE 过热器设计计算 46 7 2 省煤器设计计算 48 7 3 空气预热器的设计计算 51 第 8 章 通风设备与通风阻力计算 57 8 1 锅炉通风阻力计算 57 8 2 锅炉烟囱设计 58 8 3 风机流量功率计算 59 第 9 章 锅炉给煤 除渣 除灰系统 62 9 1 锅炉给煤系统 62 9 2 锅炉灰系统 62 9 3 锅炉除渣系统 63 9 4 石灰石供给系统 63 第 10 章 循环流化床锅炉点火过程及方式 64 10 1 点火过程及方式 64 10 2 冷态特性试验 64 10 3 点火前的检查与准备 66 第 11 章 锅炉耐火防磨与结焦预防 67 11 1 锅炉耐火防磨措施 67 11 2 结焦预防控制 67 第 12 章 汽轮机 72 12 1 汽轮机简介 72 12 2 汽轮机的分类 72 12 3 汽轮机的选型 73 12 4 热力系统简介 74 12 5 原则性热力系统的计算 74 总 结 79 参考资料及设计规范 80 附 录 81 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 能源与环境是人类赖以生存和发展的基础 化石能源 主要是煤和石油 的大规 模生产和利用在推进社会经济发展的同时也对环境造成巨大的影响 大气烟尘 酸雨 全球变暖和臭氧层破坏正在威胁这人类的生存环境 我国是世界上最大的煤炭生产国 和消费国 煤产量占世界的 25 目前每年煤炭消费量约 13 亿吨 其中 84 通过直接 燃烧而被利用 由于煤粉燃烧技术的发展还不能很好的解决燃煤造成的日益严重的环 境问题 自 20 世纪 60 年代开始 可以实现低温高效率燃烧各种染料 特别是低质和 高硫煤 并可在燃烧过程中控制 SOx 及 NOx 的排放的清洁燃烧技术 循环流化床燃 烧技术得到迅速发展 循环流化床循环锅炉代表了新一代高效低污染燃煤设备的重要 发展方向 1 1 循环流化床锅炉的发展概况 在近 20 多年里 为了开发 完善循环流化床燃烧技术 世界上各工业国家在技术 人力 财力等各方面都做了大量投入 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 Ahlstrom 公司 美国巴特尔 Battle 研究中心 美国福斯特 惠勒 FosterWheeler 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家 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 气固分离器是 CFB 系统的核心部件之一 之所以关键 是因为从运行机理上来讲 只有当分离器完成了含尘气流的气固分离并连续把收集下来的物料回送至炉膛 实现 灰平衡及热平衡 才能保证炉内燃烧的稳定与高效 就系统结构而言 分离器设计 布置得是否合理直接关系着锅炉系统制造 安装 运行 维修等各方面的经济性与可 靠性 虽然分离器是CFB 必不可少的关键环节 但它又具有相对的独立性和灵活性 在结构与布置上回旋余地很大 从某种意义上讲 CFB 锅炉燃烧技术的发展也取决于 气固分离技术的发展 分离器设计上的差异标志着不同的CFB 技术流派 1 2 循环流化床锅炉的发展方向探讨 Ahlstrom 公司的方形分离器紧凑型设计推出之后 立即引起了广泛的重视 人 们对该技术一直持观望态度 但经过 5 年的多台锅炉运行实践 已被人们所接受 其 标志为 在 1999 年 5 月第 15 届国际流化床燃烧会议上 该专利持有人 Timo 荣获唯 一的 ASME 贡献奖 Foster wheeler 公司和 Ahlstrom 公司合并后即将方形分离器循 第 1 章 绪 论 2 环流化床锅炉作为大型化方向予以重点发展 时至今日 Foster Wheeler 公司采用方 形分离器技术的紧凑型循环流化床锅炉已有 68 t h 至 410 t h 多台锅炉成功运行 150 MW 机组正在建设中 300MW 和 600 MW 容量的紧凑布置 CFB 已经完成设计 目前 各循环流化床锅炉制造厂家和研究机构都十分重视循环流化床锅炉的大型化 方形分 离器在大型化方面具有很大的优势 1993 年清华大学在实验室对国外方形分离器专利 进行了验证实验 初步实验发现其分离效率并非如国外公司宣传的那么好 特别是在 200 400 mm 的粒径范围存在一个低效区 经分析表明这个低效区是由于分离器进口 颗粒加速不良造成的 为此改进了入口段设计 实验表明此改进是完全正确的 这个 改进最终取得了中国专利 水冷异型分离器 为进一步优化分离器的效果和验证 改进可靠性 在实验室冷态实验 热态实验的基础上 应用到 75 t h 完善化循环流化 床锅炉上 并取得成功 该分离器是四周用膜式水冷壁组成的方形分离器 但烟气入 口和水冷壁管弯制成圆弧形段 这一结构使分离器的造价降低 有效地克服了绝热旋 风筒的后燃结焦问题和圆形汽 水 冷旋风筒的制造成本问题 被认为达到了 90 年代国 际先进水平 清华大学等单位已对几种不同当量尺寸的方形分离器进行了一些卓有成效的试验 和较为深入的研究 取得了许多有价值的结果 对这些成果进行较全面的分析 整理 和比较 可以更多地了解方形分离器的放大性能 有助于开发研制大型化分离器和解 决循环流化床锅炉大型化所面临的难题 这些研究结果表明 方型分离器的放大性能 要优于圆形旋风分离器 至少绝不逊于后者 特征尺寸在 10 m 以内的方型分离器大型 化的前景相当乐观 清华大学在该方面的研究成果得到国际同行的充分肯定和高度评 价 在 15 届 FBC 国际会议上被评为最佳论文 采用方形分离器的 220 t h 410 t h 循环流化床锅炉设计已完成 图 1 1 流化过程 第 1 章 绪 论 3 1 3 循环流化床锅炉的工作原理及过程 1 3 1 流化过程 如图 1 1 所示 固体颗粒随着气流速度的增大分别呈现五种不同的流动状态 固 定床 紊 湍 流流化床 快速流化床 气力输送 循环流化床处于紊 湍 流流化 床与快速流化床阶段 固定床 此种状态下 气流在颗粒的缝隙是流过 所有固体颗粒呈静止状态 鼓泡流化床 当气流速度达到一定值时 静止的床层开始松动 当气流速度超过 临界流化风速时 料层内会出现气泡 并不断上升 而且还聚集成更大的气泡穿过料 层并破裂 整个料层呈现沸腾状态 鼓泡流化床存在明显的分界面 其上部为稀相区 包括床层表面至流化床出口间的区域 也称为自由空间或悬浮段 下部为密相区 也 称为沸腾段 紊流流化床 随着气流速度继续上升到一定数值 固体颗粒开始流动 床层分界 面逐渐消失 固体颗粒不断被带走 以颗粒团的形式上下运动 产生高度的返混 此 时的气流速度为床料终端速度 快速流化床 当气流速度进一步增大 固体颗粒被气流均匀带出床层 此时气流 速度大于固体颗粒的终端速度 床内颗粒浓度基本相等 床内颗粒浓度呈上稀下浓状 态 循环流化床的上升段属于快速流化床 快速流态化的主要特征为床层压降用于悬 浮和输送颗粒并使颗粒加速 单位高度床层压降沿床层高度不变 气力输送 分为密相气力输送和稀相气力输送 对于前者 床内颗粒浓度变稀 并呈上下均匀分布状态 其单位高度床层压降沿床层高度不变 增大气流速度 床层 压降减小 对于后者 增大气流速度 床层压降上升 密相气力输送的典型特征为 床层压降用于输送颗粒并克服气 固与壁面的摩擦 稀相气力输送的床层压降主要受 摩擦压降支配 由上述燃烧分类可知 链条炉排炉采用的是固定床燃烧方式 而煤粉炉则采用了 最稀相的悬浮燃烧方式 1 3 2 循环流化床的特点 典型循环流化床锅炉结构如图所示 其基本流程为 煤和脱硫剂送入炉膛后 迅 速被大量惰性高温物料包围 着火燃烧 同时进行脱硫反应 并在上升烟气流的作用 下向炉膛上部运动 对水冷壁和炉内布置的其他受热面放热 粗大粒子进入悬浮区域 后在重力及外力作用下偏离主气流 从而贴壁下流 气固混合物离开炉膛后进入高温 旋风分离器 大量固体颗粒 煤粒 脱硫剂 被分离出来回送炉膛 进行循环燃烧 未被分离出来的细粒子随烟气进入尾部烟道 以加热过热器 省煤器和空气预热器 经除尘器排至大气 第 1 章 绪 论 4 1 低温的动力控制燃烧 由于循环流化床燃烧温度水平比较低 一般在 850 900 之间 其燃烧反应控制在动力燃烧区内 并有大量固体颗粒的强烈混合 这种情况下的燃烧速度主要取决于化学反应速度 也就是决定于温度水平 而物理因 素不再是控制燃烧速度的主导因素 循环流化床燃烧的燃烬度很高 其燃烧效率往往 可达到 98 99 以上 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 物料参与了炉膛内部的内循环和由炉膛 分离器和返料装置所组成的外循环两种循环 整个燃烧过程以及脱硫过程都是在这两种循环运动过程中逐步完成的 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可以人为改变炉 内物料循环量 以适应不同的燃烧工况 物料分离系统是循环流化床锅炉的结构特征 大量物料参与循环实现整个炉膛内 的控制燃烧过程 是循环流床锅炉区别于鼓泡流化床锅炉的根本特点 因为鼓泡流化 床锅炉的燃烧主要发生在床内 所以循环流床锅炉燃烧必须具备的三个条件是 要保 证一定的流体速度 而且还要保证物料粒度处于适当的 使床层在快速流区域的粒度 要有足够的物料分离 要有物料回送 要有充分的措施以维持物料的平衡 图 1 2 典型的循环流化床锅炉原理图 第 1 章 绪 论 5 1 3 3 流化床的工艺流程 循环流化床锅炉按工艺流程可以分为烟风系统 汽水系统与灰渣系统 烟风系统 的工艺流程是 来自大气的冷空气通过空气预热器加热后 由炉膛下部的布风装置进 入炉膛参与燃烧 燃烧后的高温烟气依次通过布风装置在烟道中的气固分离装置 过 热器和尾部受热面 把热量传递给蒸汽和水的工质 最后经除尘器由引风机送到烟囱 后排入大气 汽水系统的工艺流程是 来自给水泵的水首先进入锅炉尾部烟道受热面 的省煤器加热 由省煤器出来后依次进入锅筒 炉膛水冷壁后再回到锅筒 通过过热 器 减温器后产生预定规格的过热蒸汽 灰渣系统的工艺流程是 煤经过炉前处理后 由给煤机送入炉膛与空气混合燃烧放出热量 燃烧后的细灰随烟气被带出炉膛 其中 一部分被分离器分离下来 经过返料装置返回炉膛再次燃烧 另一部分由除尘器分离 出来送到灰场 打的炉渣从炉膛底部的排渣装置排出锅炉 第 2 章 设计任务与燃料特性参数 6 第 2 章 设计任务与燃料特性参数 2 1 设计任务 锅炉额定蒸发量 135t h 额定蒸汽压力 5 29Mpa 额定蒸汽温度 450 0C 给水温 度 150 0C 一次风预热温度 150 0C 二次风预热温度 150 0C 排烟温度 1450C 设计煤 种 内蒙神华煤 应用基 C 67 6 H 2 7 S 1 3 O 1 8 N 0 9 A 19 7 水分 M 6 挥发分含量 V 15 发热量 Q 24720KJ kg 热效率 85 88 脱硫效率 85 钙 硫比 1 5 2 根据给定锅炉设计参数与设计煤种进行燃料消耗量 空气消耗量 实际烟气量等 的计算 进行锅炉的总体布置 包括炉膛宽度与深度 锅筒尺寸 EHE 过热器 省煤器 以及空气预热器选取 燃烧设备选型等 根据总体布置进行锅炉热效率计算 锅炉本 体热力计算以及烟风阻力计算 并对风机流量和功率进行计算 计算烟囱高度 选取 除尘除渣设备等 以及汽轮机的选型 门阀的选择 汽轮机的原则性热力系统的计算 绘制锅炉结构总图 锅炉结构剖面示意图 燃烧系统图 锅炉疏水系统图 锅炉点火 及助燃油系统图 原则性热力系统图 全面热力系统图 锅炉图例 2 2 燃料特性 由给定煤种西山贫煤 查出煤种的各种参数列于表 2 1 表 2 1 煤种参数 序号序号名称名称符号符号来源来源数值数值单位单位 1 应用基含碳量 ar C测量值 67 6 2 应用基含氢量 ar H测量值 2 7 3 应用基含硫量 ar S测量值 1 3 4 应用基含氧量 ar O测量值 1 8 5 应用基含氮量 ar N测量值 0 9 6 应用基含灰量 ar A测量值 19 7 7 应用基水分 ar M测量值 6 8 应用基挥发分 ar V测量值 15 第 2 章 设计任务与燃料特性参数 7 9 应用基地为发热量 net ar Q 测量值 24720 2 2 1 石灰石 流化床燃烧锅炉的脱硫是在燃烧室中加入脱硫剂来实现的 目前常用的天然钙基 脱硫剂有石灰石和白云石 其工作原理是燃料和作为吸收剂的石灰石粉送入燃烧室下 部 一次风从布风板下送入 二次风从燃烧室中部送入 气流使燃料颗粒 石灰石粉 和循环灰一起在循环流化床内强烈扰动并充满燃烧室 天然石灰石是一种致密的不规 则结构 主要成分是 CaCO3 石灰石在炉内经过煅烧后分解 颗粒中 CO2 析出 CaCO3 颗粒就变成多孔的 CaO 颗粒 孔隙率和比表面积均有极大增加 CaO 颗粒中由于大量气 孔的存在 以及表面积的大大增加 一方面有利于贮集反应产物 另一方面可以使反 应气体穿透至颗粒内部进行反应 因此大大加速了 CaO 与 SO2 反应生成 CaSO4 的机会 于是原煤中的硫分就被固化为硫酸钙进入灰渣中 最后排出床层 以达到脱硫的目的 表2 2 石灰石参数 序号序号名称名称符号符号来源来源数值数值单位单位 1 石灰石 Ca CO3含量 3 CaCO 测量值 97 32 2 石灰石 MgCO3含量 3 MgCO 测量值 0 3 石灰石水分 Md 测量值 0 8 4 石灰石灰分 Ad 测量值 1 88 第 3 章 燃烧脱硫计算 8 第 3 章 燃烧脱硫计算 目前 用于锅炉的燃料主要是矿物燃料 如固体燃料煤 液体燃料石油制品和气 体燃料天然气等 根据我国现行的燃料政策 锅炉燃料以燃煤为主 而且大力提倡使 用地方性劣质煤 以减少运输和促进各地区低质煤碳的开发利用 不同的燃料因其性 质各异 需采用不同的燃烧方式和燃烧设备 燃料的种类和特性与锅炉造型 运行操 作以及锅炉工作的安全性和经济性有着密切的关系 燃烧计算包括燃料燃烧所需提供的空气量 燃烧生成的烟气量和空气以及烟气焓 的计算 是锅炉热力计算的一部分 燃烧计算的结果 为锅炉的热平衡计算 传热计 算和通风设备的选择计算提供可靠的依据 3 1 无脱硫工况时的计算 表 3 1 燃烧计算表 序号序号名称名称符号符号来源来源数值数值单位单位 1 理论空气量 V0 0 0889 Car 0 375Sar 0 265H ar 0 033Oar 6 708m3 kg 2 三原子气体体积 V RO20 01866 Car 0 375Sar 5 306m3 kg 3 理论氮气体积 V0N20 79V0 0 8Nar 1001 27m3 kg 4 理论水蒸气体积 V H2O0 111Har 0 0124Mar 0 0161V00 4821m3 kg 5 飞灰份额 a f 测量值 0 7 表 3 2 烟气体积计算表 名称及公式名称及公式符号符号单位单位炉膛炉膛旋风筒旋风筒高过高过低过低过省煤器省煤器空预器空预器 出口处过量空气系数 1 221 221 221 221 241 27 平均空气过量系数 0 5 pj 1 221 221 221 221 231 255 过量空气量 0pj 1 V0 m3 kg1 4761 4761 4761 4761 5431 711 水体积 V0H2O 0 016 0pj 1 V0 VH2Om3 kg0 5060 5060 5060 5060 5070 509 烟气总体积 VH2O V0N2 VRO2 pj 1 V0 Vym3 kg8 5598 5598 5598 5598 6278 798 第 3 章 燃烧脱硫计算 9 3 2 脱硫计算 循环流化床锅炉处在 830 900 的工作温度下 在此温度下石灰石可充分发生焙烧 反应 使碳酸钙分解为氧化钙 氧化钙与煤燃烧产生的二氧化硫进行盐化反应 生成 硫酸钙 以固体形式排出达到脱硫的目的 石灰石脱硫反应方程 CaCO3 CaO CO2 热量 Q CaO SO2 1 2O2 CaSO4 热量 Q 因此循环流化床锅炉可实现炉内高效廉价脱硫 一般脱硫率均在 90 以上 同时 由于较低的炉内燃烧温度 循环流化床锅炉中生成的 NOX 主要由燃料 NOx 构成即燃料 中的 N 转化成的 NOx 而热力 NOx 即空气中的 N 转化成的 NOx 生成量很小 同时循环流 化床锅炉采用分级送风的方式即一次风从布风板下送入 二次风分二层从炉膛下部密 相区送入 可以有效地抑制 NOX 的生成 因此循环流化床锅炉中的污染物排放很低 此次设计也进行了脱硫计算 通过脱硫计算得到流化床锅炉的脱硫效率 脱硫计 算结果见表 3 3 表 3 4 脱硫工况时燃烧产物焓温表见附录 I 表 3 3 脱硫计算表 序号序号名称名称符号符号公式或来源公式或来源数值数值单位单位 1 SO2 原始排放浓度 SO2 1 998Sar 10000 Vy3304 6mg m3 2 SO2 最高允许排放 浓度 SO2 GB13271 2001 锅炉大气污染物排放 标准 900mg m3 3 计算脱硫效率 2 so j 1 SO2 SO2 100 2 so j 70 35 4 燃煤自脱硫能力系 数 A 测量值 80 8 5 石灰石脱硫性能系 数 K 测量值 0 8 6 钙硫摩尔比 mm 100 SO2 A K ln 1 252 7 石灰石中 CaCO3含 量 CaCO 3 计算值 97 32 8 与 1kg 燃料相配的 入炉石灰石量 BdBd 3 122 m Sar CaCO3 0 052 Kg k g 第 3 章 燃烧脱硫计算 10 9 CaCO3 未利用率 CaCO 3 测量值 15 10 煅烧成 CaO 时的吸 热量 QdQd 1 CaCO3 5561 8m Sar 10076 995 kJ k g 11 脱硫时的放热量 QT QT 15597 7 SO2 100 Sar 100 142 63 kJ k g 12 可支配热量 QDar QDar Qnet ar QT QA 1 Bd 23554 96 kJ k g 13 燃烧所需的理论空 气量 V0 计算值 6 708m3 kg 14 脱硫所需的理论空 气量 V0d V0d 1 667 SO2 100 Sar 100 0 0152m3 kg 15 燃烧和脱硫的当量 理论空气量 V0DV0D V0 V0d 1 Bd 6 389m3 kg 16 燃烧产生的理论氮 气体积 V0N2 计算值 5 306m3 kg 17 脱硫所需的空气中 的氮气体积 V0dN2V0dN2 0 79 V0d0 012m3 kg 18 当量理论氮气量 V0DN2 V0DN2 0 8N 100 1 Bd 0 79 V D 5 054m3 kg 19 燃烧产生的 RO2 体 积 VRO2 计算值 1 27m3 kg 20 煅烧石灰石生成的 CO2 的体积 VdCO2Vdco2 0 699 m Sar 100 0 011m3 kg 21 脱硫使 SO2 体积减 少量 VDSO2 VDso2 0 699 SO2 100 Sar 100 0 006m3 kg 22 燃烧和脱硫时产生 的 RO2 的当量体积 VDRO2VDRO2 VRO2 VdCO2 VDSO2 1 Bd 1 212m3 kg 23 燃烧产生的理论水 蒸气体积 V H2O 计算值 0 505m3 kg 24 当量理论水蒸气体 积 V DH2O V DH2O 0 0124 Mar Bd Md 0 011 Har 1 Bd 0 016 V D 0 202m3 kg 第 3 章 燃烧脱硫计算 11 25 入炉燃料灰量 FGFG Aar 1000 197 Kg k g 26 入炉的石灰石直接 成为飞灰的量 AfCaCO 3 AfCaCO3 3 122 CaCO3 100 m Sar CaCO3 0 007 Kg k g 27 入炉的石灰石灰分 含量 Ad Ad 100 CaCO3 100 Bd 1 CaCO3 100 Md 100 0 0008 Kg k g 28 未反应的 CaO 的量 Acao 见文献式 4 22 0 022 Kg k g 29 脱硫产物 CaSO4 的 量 ACaSO4 ACaSO4 4 246 SO2 100 Sar 100 0 038 Kg k g 30 当量灰分 ADar ADar FG AfCaCO3 Ad Acao ACaSO4 1 Bd 25 536 31 未脱硫时的底灰份 额 ad 取定 0 3 32 脱硫工况时的底灰 份额 aDd ad ad Aar 100 Ad Acao Acaso4 1 BD ADar 100 0 456 33 未脱硫时的飞灰份 额 afaf 1 ad0 7 34 脱硫工况时的飞灰 份额 aDf aDf ad Aar 100 Ad Acao Acaso4 1 Bd ADar 100 0 005 35 分离效率 f 设计值 99 36 灰循环倍率 anan aDf f 1 f 0 536 37 分离器前飞灰的份 额 aaDf an0 542 38 脱硫后的 SO2 排放 浓度 uDso2 uDso2 1 998 Sar 10000 1 SO2j 100 1 BD VDy 其中 VDy见 3 4 为 1 27 635 004 Mg m 3 39 脱硫效率 SO2 SO2j 1 DSO2 SO2 10070 45 40 误差 SO2j SO2 SO2 0 141 0 15 迭代收 敛即可 0 141 第 3 章 燃烧脱硫计算 12 表 3 4 脱硫工况时受热面中燃烧产物的平均特性 烟道名称烟道名称 分离器前 a 43 676 分离器后 a 0 43676 炉膛 分离器旋 风筒 高温过热 器 低温过热 器 省煤器空预器 计算公式计算公式单位单位 M 1 2 2 d 1 22 d 1 22 d 1 22 c 1 24 k 1 27 0 5 1 221 221 221 221 231 255 V0DH2O 0 0161 p j 1 VD0 m3 kg0 2240 2240 2240 2240 2250 227 VDH2O V0DN2 VDRO2 pj 1 VD0 m3 kg7 897 897 897 897 968 12 VDRO2 VDy0 1530 1530 1530 1530 1520 149 VDH2O D y V 0 02800 02800 02800 02800 02830 028 rDn0 18190 18190 18190 18190 18050 1772 10ADara D y V g m3179502 61795 01795 31795 61781 31746 1 第 3 章 燃烧脱硫计算 13 第 4 章 炉膛设计及热力计算 13 第 4 章 炉膛设计及热力计算 循环流化床锅炉的炉膛设计主要包括以下几个方面 1 炉膛的结构设计 包括炉膛的截面尺寸 炉膛高度等 2 根据炉膛设计原则并结合燃料种类和颗粒粒径 确定流化风速或断面 容积 热 负荷 3 确定一 二次风比例及二次风高度 根据前面确定的风速计算出密相区和稀相区 的床层截面积 4 确定循环流化床的物料循环倍率 5 确定密相区和稀相区的燃烧份额 分别进行密相区和稀相区的热量平衡 6 炉膛内受热面的计算 7 循环流化床的布风装置等 8 炉膛的热力计算 水冷壁的热力计算以及汽冷屏热力计算 4 1 锅炉参数及燃料消耗计算 表 4 1 锅炉设计参数 序号序号名称名称符号符号公式或来源公式或来源数值数值单位单位 1 最大蒸发量 DMCR 设计参数 135000kg h 2 过热蒸汽压力 Pgq 设计参数 5 29MPa 3 过热蒸汽温度 T gq 设计参数 450 4 喷水量 Dp 设计参数 5000kg h 5 工质流量 DdDMCR DP130000kg h 6 给水温度 tgs 设计参数 150 7 热空气温度 trk 设计参数 150 8 排烟温度 py 设计参数 145 9 冷空气温度 tlk 设计参数 20 10 锅炉蒸汽压力 pg 设计参数 5 82MPa 11 给水压力 pgs 设计参数 6 12MPa 第 4 章 炉膛设计及热力计算 14 12 锅炉排污水流量 Dpw1 DMCR1350kg h 13 燃烧方式循环流化床燃烧 表 4 2 锅炉热平衡及燃料消耗量计算 序号序号名称名称符号符号公式及来源公式及来源数值数值单位单位 1 可支配热量 QDar 计算值 23554 95kJ kg 2 排烟温度 PY 计算值 145 3 排烟焓 py I 查 3 5 焓温表 a 1 27 1662 047kJ kg 4 冷空气温度 lk t计算值20 5 冷空气焓 Ilk 查 3 5 焓温表第 12 项 169 077kJ kg 6 脱硫工况时的底灰含碳 量 D d C实验数据 2 5 7 脱硫工况时的底灰份额 D d a计算值 0 457 8 脱硫工况时的飞灰含碳 量 D f C实验数据 10 9 脱硫工况时的飞灰份额 D f a计算值 0 0054 10 固体未完全燃烧热损失 Q4 q4 ad cd 100 cd af cf 100 cf 33727 Aar QDar 100 0 347 11 底灰温度 tdtd m900 12 灰焓 h I根据 td查文献 5 表 8 2 875kJ kg 13 灰渣物理热损失 Q6q6 Q6 QDar 100 0 334 14 可燃气体未完全燃烧热 损失 Q3 查文献 5 表 8 1 烟煤 0 04 15 散热损失 Q5 查文献 5 图 8 1 0 44 16 排烟热损失 Q2 q2 Ipy apy I0lk 100 q4 QDar 100 7 037 第 4 章 炉膛设计及热力计算 15 17 锅炉机组热效率 ka ka 100 q 91 81 18 保温系数 Q1 Q1 Q5 1 q5 ka q5 0 995 19 过热蒸汽出口焓 gq i Pgq 5 29MP t gq 450 3312 68kJ kg 20 饱和蒸汽焓 Bh i pBh5 82MP tBh 273 64 2785 8kJ kg 21 饱和水焓 bh i Pbh 5 82MP tBh 273 64 1203 1kJ kg 22 给水温度 gs t 计算值 150 23 给水焓 gs i pgs 6 12MP t gs 150 635 8kJ kg 24 最大连续蒸发量 DMCR 计算值 220000kg h 25 锅炉排污水流量 Dpw 计算值 2200kg h 26 锅炉机组有效利用热 Qka Qka Dgp i gq igs Dpw ibh igs 590161 6MJ h 27 脱硫工况时当量燃料燃 烧量 BD BD Qka QDar ka 100 27290 99kg h 28 脱硫工况时计算燃料燃 烧量 Bdj Bdj BD 100 100 q4 Bd 25850 13kg h 29 脱硫工况时燃料消耗量 Bd Bd 100 Bdj 100 q4 25940 40kg h 30 计算石灰石消耗量 BcjBcj Bdj Bd 1350 595kg h 31 石灰石消耗量 Bc Bc Bcj 100 100 CaCO3 1588 936kg h 32 计算燃料当量燃烧量 BDjBDj Bdj Bcj11784kg h 4 4 2 2 炉膛结构设计 4 2 1 炉膛尺寸的确定 炉膛尺寸的确定主要包括锅炉的长 宽 高以及是否有截面收缩这一些尺寸的确 定 在计算炉膛尺寸的时候首先要根据容积热负荷计算出炉膛的容积 然后再根据截 面热负荷计算出炉膛的截面尺寸 接着选定出长宽比 就可计算出宽度和长度 再用 第 4 章 炉膛设计及热力计算 16 总容积除截面面积就得到炉膛的高度 在选定长宽比时参考了相关 220t h 循环流化床 的设计经验值 采用 1 1 25 炉膛容积 Vl BjDQydw 3600qv 1483 129m3 炉膛横截面积 Fb BjDQdwy 3600 qr 59 354m2 取定炉膛长宽比 1 25 可计算出长为 8 6139 宽为 6 887m 4 2 2 炉膛高度的确定 循环流化床锅炉炉膛高度是循环流化床设计的一个关键参数 炉膛越高 则锅炉的钢 架就越高 因此锅炉的造价也会提高 因此 在满足锅炉的炉膛的下述要求的情况下 尽可能地降低炉膛高度 所以根据炉膛容积及横截面积计算的出炉膛高度为 25m 4 2 3 炉膛下部区域的设计 在循环流化床锅炉中 由于空气分成一 二次风送入 在二次风口以下的床层如果截 面积保持与上部区域相同 则流化风速会下降 特别是在低负荷时会产生床层停止流 化等现象 所以循环流化床锅炉的二次风口以下区域总是采用较小的横截面积 所以 我设计时所采用的方法是在炉膛布风板上就呈锥形扩口 这有助于在布风板附近区域 提高流化风速 以减少床层内分层和大颗粒沉底的可能性 4 3 炉膛水冷壁的设计计算 水冷壁一般布置于炉膛四周 紧贴炉墙形成炉膛周壁 接受炉内火焰和高温烟气的 辐射热 大容量锅炉有的将部分水冷壁布置在炉膛中间 两面分别吸收高温烟气的辐射 热 形成所谓两面曝光水冷壁 亚临界压力以下的汽包锅炉水冷壁主要是蒸发受热面 在临界压力以下的直流锅炉中 水冷壁主要是蒸发受热面 但其出入口段有一部分分 别用作加热受热面和过热受热面 现代锅炉主要有光管式 膜式 和销钉式三种类型 现代锅炉中普遍采用膜式水 冷壁 膜式水冷壁是由鳍片管焊接而成 膜式水冷壁具有良好的气密性 对炉墙具有 良好的保护作用 我所设计的循环流化床锅炉的水冷壁时借助煤粉炉的水冷壁设计经验 采用膜式 水冷壁 水冷壁主要是蒸发受热面 炉膛膜式水冷壁由60mm 5mm 管子和 20mm 6mm 鳍片组成 4 3 1 水冷壁的作用 锅炉水冷壁有如下作用 1 炉膛中的高温火焰对水冷壁进行辐射传热 使水冷壁内的工质吸收热量后由水逐 步变成汽水混合物 第 4 章 炉膛设计及热力计算 17 2 由于辐射传热量与火焰热力学温度的四次方成正比 而对流传热量质与温度的一 次方成正比 水冷壁是以辐射传热为主的蒸发受热面 且炉内火焰温度有很高 故采 用水冷壁比采用对流蒸发管束节省金属 从而使锅炉受热面的造价降低 3 在炉膛内敷设一定面积的水冷壁 大量吸收了高温烟气的热量 可使炉墙附近和 炉膛出口处的烟温降低到灰的软化温度以下 防止炉墙和受热面结渣 提高锅炉运行 的安全和可靠性 4 辐射水冷壁后 炉墙的内比温度可大大降低 保护了炉墙且炉墙的厚度可以减小 重量减轻 简化了炉墙结构 为采用轻型炉墙创造了条件 4 3 2 水冷壁的热力计算 表 4 3 炉膛膜式水冷壁传热系数计算 序号序号名称名称符号符号公式或来源公式或来源数值数值单位单位 1 计算燃料当量消耗量 BDj 计算值 11784Kg h 2 当量烟气体积 VDy 计算值 7 89m3 kg 3 炉膛出口烟温 m 设计值 890 4 炉膛截面积 F 设计值 59 324m2 5 炉膛截面烟气流速 R Bdj VDy 273 m 3600273 F 4 284m s 6 床对流放热系数 k 由 R查查文献 5 表 7 2 326 8 KJ m2 h 7 水冷壁外壁温度tw1 假假定 285 8 工质温度 tb p 5 88 时的饱和温度 273 5 9 内外壁平均温度 tw1 2 平均 tw1 假 tb 2 279 25 10 材料导热系数 管材 20 钢 由 tw1 2 平 均查表 162 56 KJ m h 11 管子外径 D1 见图 1 0 06M 12 管子内径 D2 见图 1 0 05M 13 吸收率 a 由 tw1 假 R m查查 0 4 第 4 章 炉膛设计及热力计算 18 文献 57 2 14 床辐射放热系数 h ah 0 a T2R T2W TR TW 237 91 KJ m2 h 15 床总放热系数a k h a 564 71 KJ m2 h 16 床密相区对水冷外壁的 计算温度 K管 K管 a QR tw1 QR tb 461 688 KJ m2 h 17 管子外壁的计算温度 tw1 计 tw1 kd1 ln d1 d2 2 QR tb tb 285 18 误差 tw1 假 tw1 0 0 5 计算成立 0 19 鳍高 h 见图 1 0 01m 20 鳍厚 见图 1 0 066m 21 鳍长 L 见图 1 12 241m 22 鳍端温度tw 假假定 300 23 鳍片平均温度tw 平均 t1 tw 假 2 292 5 24 吸收率 a 由 tw 平均 R查表 7 2 0 405 25 床辐射放热系数 h ah 0 a T2R T2W TR TW 205 076 KJ m2 h 26 床总放热系数 a k ah531 876 KJ m2 h 27 材料导热系数 鳍片材料 20 钢 由 tw 平均查表 153 8 KJ m h 28 鳍片传热周界截面积 fL 0 073m2 29 鳍片 m 值 m aLf 24 30 鳍基温度 1 r tw1605 31 鳍端温度 2 2 1 cosh mh 587 97 第 4 章 炉膛设计及热力计算 19 32 鳍端计算温度tw 计 R 2302 026 33 误差 tw 假 tw1 计 2 02 5 计算成立 2 02 34 床密相区对鳍片的传热 系数 K鳍 K鳍 a QR tw1 QR tb 429 454 KJ m2 h 35 炉膛膜式水冷壁的平均 传热系数 km K管s K鳍B鳍 s B鳍 531 13 KJ m2 h 4 4 炉膛汽冷屏的热力计算 根据汽冷屏的结构尺寸及传热周界 计算出受热面积 再根据他们在炉膛中所处 的位置由文献 5 表 7 1 查得各折算系数 经计算就可求得汽冷屏计算受热面积 表 4 4 汽冷屏计算受热面积 序号序号名称名称符号符号公式或来源公式或来源数值数值单位单位 密相区 2 0 4 4 479 0 747 4 1117 5 8317 89 55 m2 耐火层 2 0 74 4 1117 0 5 6 88 4 1117 4 260 0 4 6 88 31 3 m2 折算系数 mn 文献 5 表 7 1 0 075 一 计算受热面积 HJmn 89 55 31 1 0 075 9 05m2 稀相区 5 016 0 4 24 01m2 耐火层 2 826 2 19 1 39 2 4262 82 m2 折算系数 xn 文献 5 表 7 1 0 043 二 1 计算受热面积 Hjxn 4 01 2 82 0 043 0 29m2 12 324 6 931 1 5 4 076 7 452 8 60 2 826 2 19 1 39 2 426 276 02 m2 m2 膜式壁 12 324 13 168 2 6 88 2 175 39m2 折算系数 x 文献 5 表 7 1 0 577 2 计算受热面积 HJX 276 02 175 39 0 577260m2 第 4 章 炉膛设计及热力计算 20 密相区 膜式壁 2 7 226 6 88 6 3177 73 m2 折算系数 m 文献 5 表 7 1 1 三 计算受热面积 Hjmn177 73 1177 73m2 实际面积 m2折算系数 计算面积 m2 密相区 177 731177 73 稀相区 451 410 577260 463 密相区 31 10 0759 048 耐火 层 稀相区 2 820 0430 029 总数 663 06447 536 炉膛计算受热面积 传热周界比 m 44 12 20 44 12 80 1 53 四 炉膛计算受热面积 Hjm447 536 1 353605 516m2 表 4 5 炉膛汽冷屏传热系数计算 序号序号名称名称符号符号公式或来源公式或来源数值数值单位单位 1 计算燃料当量消耗量 BDj 计算值 11784Kg h 2 当量烟气体积 VDy 计算值 7 897m3 kg 3 炉膛出口烟温 m 设计值 890 4 炉膛截面积 F 见图 1 59 324m2 5 炉膛截面烟气流速 R BDj VDy 273 m 3600 273 F 4 82m s 6 床对流放热系数 ak 由 R查文献 5 图 7 2 32 5 KJ m2 h 7 进口工质温度 T 见热力计算 380 8 出口工质温度 T 见热力计算 450 9 工质流速 n 见热力计算 26 4m s 10 平均工质温度tb 平均 t t 2 415 第 4 章 炉膛设计及热力计算 21 11 管外壁温度tw1 假假定 450 12 吸收率 a 由 tw1 假 R m查文 献 5 表 7 2 0 4624 13 床辐射放热系数 ah ah 0 a T2R T2W TR TW 339 75 KJ m2 h 14 床总放热系数 aa ak ah664 75 KJ m2 h 15 床密相区气冷管的传热 系数 K气冷 管 K气冷管 a QR tw1 QR tb 615 768 KJ m2 h 16 管子外径 D1 见图 1 0 038m 17 管子内径 D2 见图 1 0 028m 18 内壁工质放热系数 A2 查文献 8 计算线图 13108 9 KJ m2 h 19 管内壁温度 tw2 tw2 k管 d1 a2 d2 QR tb tb 445 268 20 内外壁平均温度 tw1 2 平均 tw1 假 tb 2 447 64 21 材料导热系数 管材 20 钢 由 tw1 2 平 均查表 145 KJ m h 22 管外壁计算温度 tw1 tw1 kd1 ln d1 d2 2 QR tb tb 446 5 23 误差 tw1 假 tw1 3 5 5 计算成立 3 5 24 鳍高 h 见图 1 0 006m 25 鳍厚 见图 1 0 006m 26 鳍长 L 见图 1 11 5m 27 鳍端温度tw 假假定 465 28 鳍片平均温度tw 平均 tw1 tw 假 2 441 35 29 吸收率 a 由 tw 平均 R查文献 5 表 7 2 0 443 第 4 章 炉膛设计及热力计算 22 30 床辐射放热系数 ah ah 0 a T2R T2W TR TW 325 625 KJ m2 h 31 床总放热系数 a ak ah650 425 KJ m2 h 32 材料导热系数 鳍片材料 12Cr1MoV 由 t W查文献 8 表 7 2 156 93 KJ m h 33 鳍片传热周界截面积 fL 0 069m2 34 鳍片 m 值 m aLf 26 28 35 鳍基温度 1 r tw1463 29 36 鳍端温度 2 2 1 cosh mh 452 59 37 鳍端计算温度tw 计 R 2458 405 38 误差 tw 假 tw 计 6 59 10 计算成 立 6 59 39 床密相区对鳍片的传热 系数 K鳍 k鳍 a QR tw1 QR tb 611 602 KJ m2 h 40 汽冷屏传热系数 Kq K管s K鳍B鳍 s B鳍 615 007 KJ m2 h 4 5 炉膛热力及压力计算 4 5 1 炉膛的热力计算 表 4 6 炉膛热力计算 序号序号名称名称符号符号公式或来源公式或来源数值数值单位单位 1 可支配热量 QarD 见表 3 3 序 12 23554 959KJ Kg 2 可燃气体未完全燃烧 热损失 q3 见表 4 2 序 14 0 04 3 固体未完全燃烧热损 失 q4 见表 4 2 序 10 0 347 4 灰渣物理热损失 q6 见表 4 2 序 13 0 334 5 热空气温度 rk t见表 4 1 序 7 150 第 4 章 炉膛设计及热力计算 23 6 热空气焓 Irk 由查附录焓温表 12 项 rk t 1701 637KJ Kg 7 炉膛出口空气过量系 数 am 见表 4 4 1 22 8 冷空气温度 tlk 见表 4 1 序 9 20 9 冷空气焓 Iolk 由 tlk查附录焓温表 12 项 218 92KJ Kg 10 回料器进口过量空气 系数 az 见 9 3 pps计算序 12 和 ppsh计 算序 12 0 00063 0 0025 z a 0 0114 11 炉膛进口过量空气系 数 am m a m a z a 1 208 12 炉膛有效放热量 Qlkm Qlkm Qnet ar 100 q3 q4 q6 100 q4 a m I lk a z I0lk a E I0lk 25688 63KJ Kg 13 炉膛出口烟温 m 假定 890 14 炉膛出口烟焓 I lk 由 m 查附录焓温表 10804 8KJ Kg 15 循环灰量 BSBS anB Aar 374202 7Kg h 16 计算燃料当量消耗量 BjD 见表 4 2 序 32 27200 726Kg h 17 分离器理论燃烧温度 af 文献 5 表 6 1 烟煤 918 18 分离器理论烟焓 Iaf 由 af查附录焓温表 13 项 11178 95KJ Kg 19 分离器理论循环灰焓 Iav 由 av查文献 5 表 8 2 894 62KJ Kg 20 炉膛出口循环灰焓 I mz 由 m查文献 5 表 8 2 864 2KJ Kg 21 分离器烟气焓增 IF IF Iaf I mz374 15KJ Kg 22 折算成 1kg 燃料的分 离器循环灰焓增 IFZ IFZ Bs Bj Iaf I mz 418 49KJ Kg 23 分离器烟气焓增份额 XFXF IF Qlsm0 014 24 分离器循环灰焓增份 额 XFZXFZ IFZ Qlsm0 016 25 分离器放热份额x IF Qlsm IFZ Qlsm x XF XFZ 0 031 26 炉膛放热份额 XX 1 x0 969