机械毕业设计14WNS1-0.7-Q燃气锅炉设计

中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 1 页 1 前 言 随着经济的发展和环保意识渐加强，燃油、燃气锅炉近年展很快。从国外的统计情况，燃油、燃气锅炉供热（汽）已占较大比例，美国占 98%，日本占 99%。 在中国 ,能源的供应以煤为主。但是能源的需求量增大以后 ,以煤作主要能源的弊端日益显现 ,必须寻找其他能源替代煤炭作为主要能源。我国是一个缺乏原油的国家 ,从整个世界范围来看石油的可利用前景也不是十分乐观 ,所以不应将燃料政策定位在以燃油为主上。在今后的 10 年到 20 年内 ,我国的燃料政策应向燃气倾斜 ,所以在 21 世纪初的 10 年到 20 年内 ,燃气锅炉在中国市场将会有很 大发展。 本次设计的 主要任务为 WNS1-0.7-Q 小型燃气锅炉的初步设计。设计要求通过平衡计算，炉膛（炉胆）热力计算，对流受热面的结构计算，烟风阻力 计算，强度计算，得出燃气锅炉的系统结构几尺寸，再根据计算结果绘制燃气锅炉的结构简图，达到能够制造应用的程度。 2 我国燃气 及燃气锅炉 的现状 及发展 2.1燃气发展史 上世纪 80 年代初 ,我国政府为了提高居民的生活水平、减少环境污染 ,加快了城市燃气化的进程 ,兴建了许多煤气工程 ,使城市气化率大大提高。但是进入 90 年代以后 ,煤制气因其成本高、污染环境等原因导致了衰 落 ,从1991年至 1997年煤制气的供气量基本没有变化 ,维持在 130亿 3m /年的水平上。 从 1989 年到 1997 年 ,液化石油气 (LPG)在我国的实际消费从 243.7 万 t增长到 1014.0万 t,年均增长率为 22.59 %。 在相同时间内 ,天然气实际消费从 137亿 3m /年增长到 195.66亿 3m /年 ,年均增长率为 5.22 %。从数据看 ,我国目前的天然气消费水平较低 ,其原因是 : (1)国内天然气工业发展慢 ,天然气产量少 ； 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 2 页 (2)从国外进口的天然气少 ,进口以液化天然气 (LNP)为主。从我国目前大力开发 ,天然气工业 21世纪会在中国得到高速的发展。 2.2 中国燃气市场预测 煤制气在中国 21 世纪初的燃气市场上 ,煤制气不会有很大的发展 ;随着现有煤制气设备的老化、一些城市逐渐用管道天然气取代城市煤气 ,煤制气的用量有可能逐年减少 ,或者维持现有的水平。今后煤制气将主要在煤矿附近的城镇及近年新建城市煤气管网的城市使用。 天然气和液化气 :天然气和液化气在中国未来的燃气市场将占据主导地位 。首先 ,中国有十分丰富的天然气资源 ;中国的天然气预计储量为 38万亿3m 。截止 1996年底 ,已探明天燃气储量 2.4万亿 3m ,资源探明程度 6.31 %。在今后的 20年至 30年内 ,预计每年探明储量 1 000万亿 3m 以上 ,探明储量增长高峰约在 2015年前后。中国天然气预计储量占全球天然气预计储量的 10 %左右。第二 ,中国有 30万亿 3m 至 35 万亿 3m 的煤层气资源 ,分布在中部和东部地区 ,华北地区占总资源的 61.7 %,计划在 2004年煤层气的供应量将达 25万亿 3m ,气源集中在山西和淮北。第三 ,1997年中国液化气的实际消费量为 1 014. 0万 t,而国内企业的实际市场销售量为 578.6万 t,差额由进口补足。由于差额较大 ,故中国市场的液化气价格受国际市场液化气价格影响较大 ,价格的波动基本与国际市场价格波动一致。由于液化气可以较好 地满足中国南方市场的需要 ,故如果价格合适 ,液化气的进口仍将增加。按中国国家发展计划委员会能源研究所预测 ,21世纪的头 20年中国天然气和液化气的用量将大幅度增长。为此中国提出了“加快开发利用国内资源和加快利用国际资源”的发展战略。 2.3燃气及其使用特性 燃气是指在常温常压下呈气体状态的可燃性气体。作为锅炉的燃料，污染小、发热量高、易于操作调节，是一种优质锅炉燃料。燃气分类见表 1-1 。 表 1-1 燃气分类 种类 来源及品名 天然燃气 来自自然界的可燃气，如天然气 ，石油伴生气等。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 3 页 人造燃气 由固体或液体燃料加工而得的可燃气体，如发生炉煤气等。 副产燃气 在钢铁、化工生产过程中得到的一种可燃性气体副产品，如高炉煤气等。 液化石油气 用天然燃气或石油炼制过程中取得的油气经加压液化的燃气，是一种天然和人造性气体。 燃气的主要使用特性，由其组分、发热量、密度、华白书数及爆炸极限等决定。使用时对燃气的压力和温度要求也是必不可少的。常用燃气的热值见表 1-2。 燃气的爆炸极限是由其组分决定的。一般情况下，天然气的爆炸极限是5%-15%；焦炉煤气是 5%-36%； 液化石油气是 11.6%-11.1%；范围越大，下限越低的燃气爆炸危险性越大。使用时应注意燃气的爆炸极限，并采取相应的防爆措施。 燃气的燃烧 燃气的燃烧过程是：燃气与空气混合 着火 燃烧。通过燃烧器进行充分混合，保证燃气充分燃烧。常用的几种燃烧器特点见表 1-4。 表 1-2 常用燃气的热值 燃气名称 低位发热量（ kj/Nm3） 天然气 35500-41900 石油（田）伴生气 43000-48000 焦炉煤气 13200-19200 发生炉煤气 空气发生 3700-4600 蒸气发生 10000-11300 混合发生 500-700 油制气 13000-36000 高炉煤气 39000-4800 液化石油气 88000-115100 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 4 页 表 1-2 选用天燃气成分及特性资料： 燃气种类 成分体积分数（ %） 天燃气 2HCO 4CH36CH38CH4 10CH2N2O2CO2HS 98.0 0.4 0.3 0.3 1 1.标态下高位发热值：,grvarQ=40337 3/kJ m ； 2.标态下低位发热值：,net varQ=36533 3/kJ m 。 3.标态下理论空气量： 0kV=9.64 33/mm； 4.理论烟气量（湿 /干）： 0yV=10.64/8.65 33/mm。 常用的燃烧器特点 表 1-4 燃烧方式 主要特点 扩散式燃烧 一次空气系数 a=1 要求有较大的燃烧室，可设计成各种形式结构适应各种燃气，调节性好，在各种形式的锅炉上均可使用。不产生回火。 半预混合式燃烧 一次空气系数 a=0.45-0.75 燃烧热强度较高，可不用鼓风机；适应各种燃气，结构较复杂，体积较大，运行时可能产生噪音和回火，一般只用于中小容量锅炉。 全预混合式燃烧 一次空气系数 a1时） ： 1. 水蒸气体积计算按下式计算： 2 0220 . 0 1 1 2 02H O m n m n g anV H H S C H C H d V d （ 3-10） 式中： 2HOV 实际烟气中水蒸气体积（水蒸气 /干空气）， 33/mm。 2. 氮气体积按下式计算： 2 0 20 . 7 9 0 . 0 1NV V N（ 3-11） 式中： 2NV 实际烟气中氮气的体积， 33/mm。 3. 过剩氧气体积按下式计算： 2 2 2 2y R O H O N OV V V V V （ 3-12） 式中： 2OV 实际烟气中过剩氧气的体积， 33/mm。 4. 实际烟气总体积按下式计算： 2 2 2 2y R O H O N OV V V V V （ 3-13） 式中： yV 实际烟气量， 33/mm。 也可按下式计算： 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 11 页 00( 1 ) ( 0 )y y k f h f hI I I I I （ 3-14） 3.3燃烧产物焓的计算 1kg 燃料燃烧生成的燃烧产物在定压下从 0加热到 所需要的的热量称为燃烧产物焓。燃烧产物焓包括烟气焓合飞灰焓两部分组成。由于本设计为燃气锅炉设计，没有飞灰焓一项，即fhI=0。 计算式为： 001y y k fhI I I I ( 0)fhI （ 3-15） 1. 理论烟气焓为各组成成分焓之和，即 2 2 2 2 2 20 0 0y R O R O N N H O H OI V c V c V c （ 3-16） 2ROV、20NV、20HOV 烟气中三原子气体容积、理论氮气容积和理论水蒸气容积， 3 /Nm kg ； 2ROc、2Nc、2HOc 三原子气体、氮气、何水蒸气的平均定压比热容，其值可查表的，取22R O COcc。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 12 页 表 3-1 空气、烟气焓温表 t CCO2 CN2 CO2 CH2O (ct)k I0k IK I0y Iy 温度 比热 比热 比热 比热 比热 理论空气焓 实际空气焓 理论烟气焓 实际烟气焓 100 1.7003 1.2958 1.3176 1.5052 132 1292.28 1421.508 1541.17047 1670.39847 200 1.7873 1.2996 1.3352 1.5223 266 2604.14 2864.554 3114.15634 3374.57034 300 1.8627 1.3067 1.3561 1.5424 403 3945.37 4339.907 4725.28413 5119.82113 400 1.9297 1.3163 1.3775 1.5654 542 5306.18 5836.798 6379.6018 6910.2198 500 1.9887 1.3267 1.398 1.5897 684 6696.36 7365.996 8074.15475 8743.79075 600 2.0411 1.3402 1.4168 1.6148 830 8125.7 8938.27 9820.1265 10632.6965 700 2.0884 1.3536 1.4344 1.6412 978 9574.62 10532.082 11607.86284 12565.32484 800 2.1311 1.367 1.4499 1.668 1129 11052.91 12158.201 13435.80504 14541.09604 900 2.1692 1.3795 1.4645 1.6956 1282 12550.78 13805.858 15297.44796 16552.52596 1000 2.2035 1.3917 1.4775. 1.7229 1435 14048.65 15453.515 17192.6715 18597.5365 1100 2.2349 1.4034 1.4893 1.7501 1595 15615.05 17176.555 19119.23871 20680.74371 1200 2.2638 1.4143 1.5005 1.7769 1753 17161.87 18878.057 21071.85816 22788.04516 1300 2.2898 1.4252 1.5106 1.8028 1914 18738.06 20611.866 23053.56898 24927.37498 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 13 页 1400 2.3136 1.4348 1.5202 1.828 2076 20324.04 22356.444 25050.4128 27082.8168 1500 2.3354 1.444 1.5294 1.8527 2239 21919.81 24111.791 27069.6777 29261.6587 1600 2.3555 1.4528 13.5378 1.8761 2403 23525.37 25877.907 29106.8408 31459.3778 1700 2.3743 1.4612 1.5462 1.8996 2567 25130.93 27644.023 31165.97675 33679.06975 1800 2.3915 1.4687 1.5541 1.9213 2732 26746.28 29420.908 33230.01366 35904.64166 1900 2.4047 1.4759 1.5617 1.9423 2892 28312.68 31143.948 35304.34669 38135.61469 2000 2.4221 1.4825 1.5692 1.9628 3066 30016.14 33017.754 37399.4914 40401.1054 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 14 页 4 锅炉热力计算 然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。尤其燃料的燃烧过程和燃烧后产生的烟气相比，有许多不同之处，因而然油燃气锅炉的性能、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）的肉热面计算； （ 3） 对流受热面计算 。 4.1 锅炉热平衡计算 锅炉的热平衡计算，是为了保证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，并在其基础上计算出锅炉机组的热效率核燃料消耗量。 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，一般均以标准状态下 1kg燃料油或 1 3m 气体燃料为基准计算。 锅炉热平衡方程的普遍形式为： 1 2 3 4 5 6rQ Q Q Q Q Q Q （ 4-1） 式中： rQ 送入锅炉系统的热量； 1Q 锅炉系统的有效利用热； 2Q 排烟带走的热量； 3Q 气体不完全燃烧损失的热量； 4Q 固 体不完全燃烧损失的热量； 5Q 锅炉系统向周围空散失的热量； 6Q 燃料中灰渣带走的热量。 对气体燃料，上式个热量值均相对于 1 3m 燃起，单位为 3/kJ m 。 因为气体燃料韩辉量很小，6Q可以忽略 。同时，气体燃料燃烧时，一般没有固体不温泉燃烧现象，即4Q=0。 如各项热量用其占输入量的半分币表示，则热平衡方程表示为： 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 15 页 1 2 3 4 5 6 100%q q q q q q （ 4-2） 式中： 100%iirQq Q ，其中为 iQ 每项热量。 2q 牌要热损失， %； 3q 气体不完全燃烧损失， %； 4q 固体不完全燃烧损失， %； 5q 散热损失， %； 6q 燃料无力热损失， %。 4.1.1 锅炉的输入热量 Qr 相应于 1 M3燃气送入锅炉系统的热 量 Qr（ KJ/ M3）是指锅炉范围以外输入的热量。有： zqrarvnetr QIQQ ,（ 4-3） 式中 ： arvnetQ , 燃料的低位发热值；（ KJ/ M3） Ir 用锅炉系统以外的热量加入锅炉的空气时，相应于每燃气所具有的热量；（ KJ/ M3） zqQ 燃气的物理显热。（ KJ/ M3） 本设计未用外界热源预热空气和天然气，也没有 自用气带入锅炉的热量，故 ： arvnetr QQ ,（ 4-4） 锅炉总热损失为： %65432 qqqqqq （ 4-5） 锅炉的热效率为： 0100 qn（ 4-6） 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 16 页 4.1.2 排烟损失 在燃气锅炉中最重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。 排烟损失 %100100100 4022 rlkpypyr QqIIQ Qq （ 4-7） pyI 在排烟过剩空气系数及排烟温度下，相应于 1m3燃气的排烟焓，kJ/ M3； pya 排烟的过剩空气系数； 0lkI 在送入锅炉的空气温度下， 1 m3燃气所需要的理论空气的焓， kJ/ m3； pyI和 0lkI可由烟气和空气的焓温表查的。 从式 （ 4-7）可知，排烟热损失随排烟温度的升高和排烟的过剩空气系数的增大而增大。 4.1.3 气体不完全燃烧损失 气体不完全燃烧损失3q系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的输入热的份额。对燃用天然气的锅炉，取3q=0.5%。 在实际运行中，中小型锅炉在燃烧良好的情况下，使气体不完全损失达到设计要求并不困难。不少锅炉运 行中此项世事往往可接近于零。但是燃烧不良的情况下，此项损失也能很高，甚至达到 10%。 气体不完全燃烧损失的大小主要取决于燃烧成分、炉膛过剩空气系数、所用燃烧器、燃烧器与炉膛配置是否适当以及运行操作是否合理。 4.1.4 散热损失 散热损失5q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。 对于燃用天然气的锅炉，取5q=1.5%。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 17 页 4.1.5 锅炉有效利用热 锅炉有效利用热 1Q 系指锅炉供出工质的总焓与给水焓的差值。 对过热蒸汽锅炉：（没有排污） gsgq IIDQ 1（ 4-8） 式中 ： D 锅炉蒸 发量， m3/s； gqI 饱和蒸汽焓 m3/kg； gsI 给水焓， m3/kg； 4.1.6锅炉的热效率和燃料消耗量 锅炉的热效率为： %10065432 qqqqqn （ 4-9） 锅炉的燃料消耗量为： 1001 rQQB m3/s （ 4-10） 式中 ： B 燃料消耗量， m3 /s 所谓计算燃料消耗量指的是单位时间内实际参加燃烧产生烟气的燃料量，对燃气锅炉来讲 B =jB。 在热力计算中，空气或烟气的体积是按实际参加燃烧的燃料量来计算的，在空气或烟气的体积计算焓温表时都应该采用计算燃料消耗量。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 18 页 表 4-1 热效率和燃料消耗量计算 序号 数值名称 符号 单位 计算公式 计算结果 1 燃料输 入热量 Qnet,v,ar kJ/kg Qnet,v,ar 49136.5 2 冷空气温度 tlk 设计给定 30 3 冷空气焓 I0lk kJ/kg 查焓温表 424.1 4 排烟温度 py 取定 200 5 排烟焓 Ipy kJ/kg 查焓温表 3831.6 6 固体不完全燃烧损失 q4 估取 0 7 固体不完全燃烧损失 q3 估取 0.5 8 排烟损失 q2 (Ipy- py I0lk)/Qnet,v,ar(100-q4) 6.848453 9 散热损失 q5 估取 1.5 10 燃料物力损失 q6 估取 0 11 锅炉总热损失 q q2+q3+q4+q5+q6 8.848453 12 锅炉效率 100-q 91.15155 13 饱和水温度 tbh 查表 P=0.7MP 164.97 14 饱和水焓 Ibh kJ/kg 查水、水蒸气物性表 697.22 15 饱和气焓 Ibq kJ/kg 查水、水蒸气物性表 2764.31 16 锅炉机组蒸发量 D kg/s D/3.6 0.277777 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 19 页 17 给水温度 tgs 选定 100 18 给水焓 Igs kJ/kg 查表 P=0.7MP(1+2%),t=100 419.04 19 锅炉机组的有效利用热 Q1 kJ/h Q1=D(ibq-igs) 651.4639 20 燃料的总消耗量 B kg/h B=Q1/(Qnet,v,ar ) 100 52.36301 21 燃料的计算消耗量 Bj kg/h Bj=B 52.36301 22 保温系数 /( +q5) 0.98381 23 火焰直径 d1 m 根据燃烧器结构计算 0.6 24 火焰长度 l1 m 根据燃烧 器结构计算 1.8 25 炉膛直径 d m 根据燃烧器结构计算 0.7 26 炉膛长度 l m 根据燃烧器结构计算 2 27 炉膛的有效容积 V 0.76969 28 炉膛的有效面积 F 2.968805 29 燃烧器布置的高度 Hr m 0.35 30 炉膛高度 H1 m 0.7 31 燃烧器布置的相对高度 Hr/H1 0.5 32 修正值 X m 参考锅炉手册 0.15 33 修正后的相对标高 Xr m 0.65 34 炉膛容积的热强度 qv kw/m3 BQnet,v,ar/VL 1857.122 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 20 页 4.2 炉膛（胆）的传热过程和计算 4.2.1 说明 锅炉炉膛的换热过程是很复杂的。送入炉内的燃料和空气着火燃烧以后生成高温的烟气。烟气和火焰流向炉膛出口的过程中以辐射和对流方式将热量传给四周被灰垢覆裹的水冷壁管。炉膛出口处烟气被冷却到一定温度，称为炉膛出口温度，然后进入对流烟道。当燃料种类不变时，送入炉内的燃料数目和热空气温度不变时，炉膛辐射受热面愈多，则换热量也愈多，炉膛出口温度就愈底。反之，炉膛辐射受热面愈少，则换热量也愈少，炉膛出口温度就愈高。 （一） 换热的主要特点是： 1. 燃料燃烧和炉内换热是同时进行的。 2. 炉内换热方式有辐射和对流两种。 3. 燃烧不同燃料时构成火焰辐射的物质各异，使火焰的辐射性质不同。 4. 在火焰流向炉膛出口过程中，火焰温度发生剧烈的变化，火焰中辐射成分也有变化，故沿火炬长度，温度和黑度均有变化。 5. 炉膛内辐射受热面通常被灰垢所覆裹，燃用不同燃料时灰垢厚度和性质均不一样。 炉膛传热过程是与炉内燃烧过程和烟气流动过程同时进行的，炉内既有燃烧反应的化学过程，又有物质交换的物理过程。 炉膛传热计算的任务是要确定炉膛辐射受热面（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，因而对流换热可忽略。 炉膛传热计算按照计算目的可分为设计计算和校核计算两种。设计计算是先选定炉膛出口烟气温度，然后计算需要的辐射收热面。 （二）炉膛传热计算的步骤如下： 1.根据计算出来的炉膛结构尺寸确定炉膛的结构特性，并画出草图。计算出炉膛的炉膛容积和炉膛有效辐射受热面积，炉膛平均热有效系数、以及中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 21 页 炉膛的有效辐射层厚度。 2.计算燃料在炉内的有效放热量，再根据过量空气系数，由焓温表求的理论燃烧温度。 3.先假设一个炉膛出口温度，在焓 温表中查出相对应的焓，从而求的烟气的平均热容。 4.计算火焰的黑度和炉膛的黑度。 5.计算炉膛出口温度，其结果应当与求烟气平均热容时所假定的温度值基本相同。如误差不大于 100，则可以认为满足要求；如误差大于 100须再假定炉膛出口温度并重新计算，直止误差大于 100为止，最后以计算所得的炉膛出口温度为准。 6.计算辐射受热面面积平均热强度和容积平均热强度。 ffv HQq KW/ （ 4-11） lfv VQq KW/ （ 4-12） 4.2.2 炉膛传热的基本方程 炉膛传热计算也就是火焰预备火焰包着的水冷壁之间的辐射换热量。根据斯蒂芬 -波尔兹曼定律辐射换热量为： 4 40 ()bf x t fQ T T H k W （ 4-13） 式中： 0 绝对黑体辐射常数，其值为 1 1 2 45 . 6 7 1 0 ( . )k W m K ； fH 有效辐射受热面面积， 2m ； T 火焰的平均温度， K； bT 水冷壁表面温度， K； xt 炉膛系统黑度。 另一方面，可以从烟气侧列出热平衡方程式，即烟气在炉膛内放出的热量应等于燃料在炉膛内有效放热量应等于炉膛出口烟气带走的热量之差 ，即 ()f j l lQ B Q I k W（ 4-14） 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 22 页 式中： lQ 炉膛有效放热量， kJ/kg； lI 炉膛出口处理烟气焓， Kj/kg； 保温系数； jB 每秒的计算燃料消耗量， 3m /s. 4.2.3 火焰辐射 （一）火焰黑度 在燃用气体、重油时的火焰中，主要辐射介质是三原子气体 CO2和 H2O及悬浮在火焰中的细微的碳黑粒子。 在燃用气体燃料时，火焰的黑度可以认为由火焰中的发光部分的黑度和不发光部分的黑度所合成，即 bfghy amma 1（ 4-15） 式中， m为发光部分在火焰中所占份额，它取决于炉膛容积热负荷，对气体燃料，当vq小于 407KW/ M3时 m=0.1，当vq大于于 407KW/ M3时 m的值可从 表中 查出。 火焰发光部分的黑度用下式计算： kfpskqpgsb e 1（ 4-16） 火焰不发光部分的黑度用下式计算： pskfg fge 1 （ 4-17） 1.三原子气体的辐射减弱系数 按以下公 式进行计算： 100037.01116.3168.7 5.02 TSPk gOHq （ 4-18） 式中 qk 三原子气体的辐射减弱系数， 1/(MPa m) qP 火焰中三原子气体总分压力， MPa； S 炉膛有效辐射层厚度， m， 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 23 页 按下式计算： SFVS 116.3 （ 4-19） 其中： 1V 炉膛容积， M3； 1F 炉壁面积， M2； g 火焰中三原子气体总的容积份额 OH2 火焰中三原子气体总的容积份额 T111 炉膛出口烟温 ,越高，相应的炉膛温度也越高，炉内碳氢化合物分解就强烈，火焰中碳黑浓度就变大，使增大， K 。 2、碳黑粒子的辐射减弱系数 按以下公式进行计算： yyllfg HCTak 5.010006.123.0 （ 4-20） 式中 fgk 火焰中碳黑粒子的辐射减弱系数， yy HC 应用基燃料中碳与氢含量的比值，如 C/H 值越大，则火焰中碳黑粒子的浓度就越大， kth就越高； la 炉膛出口处的过量空气系数， a越小，火焰中碳黑粒子的浓度就高； lT 炉膛出口烟温 ,越高，相应的炉膛温度也越高，炉内碳氢化合物分解就强烈，火焰中碳黑浓度 就变大，使 K增大 。 （二）炉膛黑度 从炉膛传热的基本方程式可知，在均布水冷壁的炉膛内，火焰与水冷壁之间的辐射换热可视作空腔和内包凸形物体组成的封闭系统之间的辐射换热。 炉膛的辐射换热量，也可按水冷壁受热面的吸收辐射减去其本身辐射来计算，即： hyhy hyhy aaa 1（ 4-21） 热有效系数。 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 24 页 4.2.4 炉膛受热面的辐射特性 目前采用的炉膛换热计算方法中用角系数 、污染系数和热有效系数说明炉膛受热面的辐射特性。 （ 1）有效角系数 X=水冷壁表面黑度为 1，表面无灰垢状态下吸热量 /火焰发出的有效辐射热量 火焰发出的辐射能（包括炉墙的反射辐射能）投射到水冷壁上的百分数称为角系数。它是一个纯几何因子，仅与水冷壁的形状和布置的几何数据有关，而与水冷壁管的表面黑度及温度无关。对锅壳式燃油燃气锅炉来讲，火焰辐射的热量全部落到炉胆壁面上，其有效角系数为 1。 角系数与壁面积的乘积称为有效辐射面积。 FxHf （ 4-22） （ 2）沾污系数 水冷壁管被灰垢所覆盖后，致使换热表面黑度减小、温度升高，而使水冷壁吸热能力减少的系数。其意义可表示为： =水冷壁表面为非黑体、表面被灰垢覆盖时吸热量 /水冷壁表面黑度为1，表面无灰垢时吸热量 沾污系数与燃料种类、燃烧方式和水冷壁型式有关。根据表 6-3查的气体燃料的沾污系数为 0.65 （ 3）热有效系数 为灰垢覆盖的水冷壁管的吸热量与火焰热有效系数值愈大，表示水冷壁实际吸热能力愈高。 iiipj FF（ 4-23） 4.2.5 炉膛的几何计算 炉膛结构尺寸确定炉膛的结构特性 1.确定燃烧器的型号。 确定燃烧器为意大利意高燃烧机（ Ecoflam） BLU1000P-PAB 型后，查的中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 25 页 火焰直径、火焰长度分别为 0.6m、 1.8m,供气压力为 760Pa。 2.确定炉胆的尺寸。 炉胆的直径应该稍大于最大火焰直径尺寸，炉胆的长度应该稍大于最大火焰长度尺寸。炉胆的直径、炉胆的长度 分别为 0.7m、 2m。 3.根据 GB/T 16508 1996规定，长度为 2m小于 等于 2m，可选择平直炉胆。 4.根据锅炉的容量和尺寸确定是否需要膨胀环或波纹炉胆。因为该炉胆满足上述要求。因而不需要膨胀环或波纹炉胆。 5.炉胆在管板上的位置变化较多，考虑到水循环的可靠性，采用偏置炉胆，但偏置炉胆会产生不均匀的烟气流动，造成对流受热面的浪费。因此采用轴对称的炉胆结构。 （ 1）炉膛容积的计算 炉膛容积的边缘是水冷壁管中心线所在的平面或者是绝热保护层的向火表面，在不敷设水冷壁的地方则是炉膛的壁面。 炉膛的有效容积 Vl 3123 . 1 4 1 4 3 . 1 4 0 . 7 0 . 7 2 4 0 . 7 6 9 3V d m （ 2）炉膛壁面积的计 算 炉膛壁面积按包覆炉膛的表面尺寸来计算。 炉膛壁面积 F： 22 3 . 1 4 3 . 1 4 2 0 . 7 2 8 . 7 9 2F d l m （ 3）辐射受热面的计算 对于燃气式锅炉，其辐射受热面与炉膛壁面积相等。 4.2.6 炉膛换热计算 目前推荐的炉膛换热计算公式多系建立在相似理论基础上的半经验公式或建立在实验基础上的经验公式。 （ 1）炉膛换热基本公式 对于单室炉，炉膛出口烟温为： 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 26 页 27330 pjjlllllllVCBTFMT （ 4-24） 以上公式的适用范围为 7.01 llll TT以上两式中 : l 炉膛出口温度，； lF 炉壁面积， M2； 保热系数； （ 2）参数 M 值计算 M为经验系数值取决于火焰最高温度点的相对位置maxX。 实验表明，绝大部分的可燃物是在炉膛中燃烧器标高附近燃烧的，在这个区域火焰温度最高。因此，火焰温度最高点的相对位置maxX主要与 燃烧器的相对高度 rX 有关。在计算maxX和 rX 时，炉膛的高度是指炉膛中心线由炉膛出口烟窗中心到炉底或冷灰斗中心距离， rX 等于燃烧器中心标高到炉底或冷灰斗中心距离与炉膛高度之比。由于燃烧器的结构型式、布置方式及过量空气系数等因素不同，会使火焰中心的相对高度maxX偏离 rX ，这时需引入 X修正值进行 。 修正，即 : XXX r max 对于燃用气体燃料的锅炉 系数 M 和 rX 的关系 对于燃用气体燃料的锅炉如下： M=A-BmaxX系数 A， B的值可从表 6-4查出为 A=0.54， B=0.2 M=0.54-0.2maxX中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 27 页 表 4-2 炉膛（胆）传热量计算量 序号 名称 符号 单位 计算公式 计算结果 1 锅炉输入热量 Qr kJ/kg Qnet,v,ar 49136.5 2 燃料的计算消耗量 Bj kg/h 热平衡计算 52.36301 3 保温系数 热平衡计算 0.98388 4 炉胆出口过量空气系数 l 选取 1.1 5 炉胆漏风系数 l 选取 0 6 冷空气温度 tlk 选取 30 7 冷空气焓 I0lk kJ/kg 查焓温表 424.1 8 空气带入炉内热量 Qk kJ/kg 466.5 9 炉胆入炉热量 Ql kJ/kg Qr(100-q4-q3-q6)/(100-q4)+Qk 49357.32 10 绝热燃烧温度 ll 查焓温表 1862.749 11 绝热燃烧绝对温度 Tll K ll+273 2135.749 12 炉胆出口温度 ll 假定 1068 13 炉胆出口绝对温度 Tll K ll+273 1341 14 火焰绝对平均温度 Thy Tll+0.25(Tll-Tll) 1539.687 15 炉胆壁温 tb tbh+90 254.97 16 炉胆绝对壁温 Tb K tb+273 527.97 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 28 页 17 炉胆出 口烟焓 Il kJ/kg 查焓温表 18353.09 18 辐射和对流换热系数 C kw/(m2 K) 设计选定 11.72 19 辐射和对流的有效面积 Hf 计算 2.38805 20 烟气放热量 Qrp kJ/kg (Ql-Il) 30504.44 21 烟气传热量 Qcf kJ/kg 30038.38 22 计算误差 |Qrp-Qcr|/Qrp 100 1.527848 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 29 页 4.3 对流受热面的换热计算 锅炉中的对流受热面是指锅炉管束、过热器、空气预热器等。在这些受热面中 ，高温烟气主要是以对流的方式进行放热，所以称为对流受热面。由于烟气中含有三原子气体及飞灰，它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。 对流受热面的传热计算采用校核计算方法，即已知受热面的结构特性、工质的入口温度（对过热器、省煤器等）、计算燃料消耗量、烟气入口温度、漏风系数和漏风焓等。需要确定的是受热面的传热量和烟气、工质的出口温度。计算的次序可大致如下： （ 1） 先假定受热面的烟气出口温度，并由焓温表查得出口烟焓，然后按烟气侧的热平衡方程式算出烟气放热量。 （ 2） 按工质侧的热平衡方程式求得工质出口焓，并由水蒸气表查得相应出口温度（对过热器） （ 3） 求得烟气平均温度和工质平均温度，以及烟气平均流速和工质平均流速。 （ 4） 确定 烟气对流换热系数。 （ 5） 确定烟气辐射换热系数。 （ 6） 确定烟气侧的放热系数，并根据 不同情况取用灰污系数或有效系数； （ 7） 确定传热系数 （ 8） 按烟气和工质的进出口温度以及它们的相对流向，确定平均温差。 （ 9） 按传热方程式求得受热面的传热量。 （ 10） 检验某受热面的烟气出口温度的原假定值是否合理，可按下式计算 。 烟气放热量和传热量的误差百分数，即 %100rpcrrpQQQQ （ 4-25） 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 30 页 对防渣管，对无减温器的过热器，其他受热面当时，则可认为假定的烟气出口温度是合理的，该部分受热面的传热计算可告结束；此时 ，温度和焓的最终数值应以热平衡方程式中的值为准。当不符合上述要求时，必须重新假定烟气出口温度再次进行计算，如果和第一次假定的相差不到 50，则传热系数可不必重新计算，只需重算平均温差及和，然后再校核，直到符合要求为止。 4.3.1基本方程 对流受热面的传热计算，都是以燃烧 1m3燃料时，烟气的放热量或工质的吸热量为计算基础。由此可以得出对流受热面的传热方程和热平衡方程。 传热方程式 : jcr BtHdkQ （ 4-26） 热平衡方程式 : 烟气侧 : IIQ rp （ 4-27） 式中 : rpQ 在某一对流受热面中，每 m3计算燃料产生的烟气放给受热面的热量，在稳定传热的情况下，它等于工质的吸热量也就是经过受热面的传热量 k 在某一对流受热量中，由管外烟气至管内工质的传热系数 t 平均温差 jB 每秒钟计算燃料消耗量 计及散热损失的保热系数 1、 11 烟气进入和离开此受热面时的焓 4.3.2 传热系数 K的计算 （ 1）基本公式 我们知道，对流受热面的一侧是烟气，另一侧是工质 水、蒸汽或空气。而烟气侧的表面上不可避免的有一层积灰，水或蒸汽侧是表面上还有水中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 31 页 垢，这就增加了传热热阻，锅炉对流受热面的传热系数可用下式表示： hsgsgbbhhhK21111 （ 4-28） h1 烟气对有灰污层壁管的放热系数 hh 灰污层的热阻 bb 金属管壁的热阻，在传热计算中往往可以省略不计。 sgsg 管壁内表面水垢层的热阻，在锅炉正常运行时，不允许有较厚水垢层存在，因此在传热计算中可不计算。 h2 水垢层对内部工质的放热系数，由于锅炉正常运行不允许有 较厚水垢层，因此可采用干净管壁对工质的放热系数来代替 因此，式可简化为： hhhhK21111 （ 4-29） 由于烟气对灰污层的放热热阻以及灰污层的热阻都很难单独确定，因此计算中往往根据下述不同情况，用灰污系数，有效系数或利用系数来考虑灰污对传热的影响。 （ 2）烟气速度 在布置有被烟气横向或斜向冲刷的光滑管束和肋片管束的烟道中，应采用最小断面原则来确定烟气流通断面积。即流通断面应是通过垂直于气流方向的排 管中心线的平面，其面积等于烟道整个横向断面积与管或肋片管所占面积之差。 介质纵向冲刷光滑管束时流通断面积为： rr NdF 2785.0 （ 4-30） 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计论文 第 32 页 F 烟气流通断面， m2； rd 螺纹管内径， m； rN 螺纹管 根数。 计算烟气速度： 2732733600 pdyj FVBW （ 4-31） W 烟速， M/S； jB 计算燃料消耗量， m3/h； yV 烟气量 p 烟气温度，； dF 流通面积， m2。 （ 3）放热系数 烟气与受热面的放热系数，一般包括烟气的对流放热系数和管内烟气容积的辐射放热系数。 1.对流放热系数 根据相似理论通过大量的实验研究，可以得到各种不同冲刷换热条件下准则之间的关系式，从而可以求的相应的对流放热系数 对流放热系数为： rrrd dddt 001.0Re08.00144.0 9 2 0 6.01 1 2.0 （ 4-32） 式中： t 螺纹管节距， m； 螺纹管槽深， m； rd 螺纹管 内径， m； Re 雷诺数 ； 烟气的导热系数， kW/(m )。（查烟气特性表）