燃生物质锅炉结构与热力计算方法

1、燃生物质锅炉结构设计与热力计算方法湖南省特种设备检验检测研究院汪斌工程师关键词：生物质锅炉热力计算摘要：根据生物质燃料挥发分高，热值低，着火快的特点，设计一种新的锅炉结构，此结构不同于以往的燃煤链条炉排锅炉，针对此新的锅炉结构，给出热力计算方法。为了方便工程应用，简化繁琐的计算过程。本文在吸收现有热力计算标准的核心思想的基础上，根据最基本的传热学理论，将大量的经验公式，图、表、结构系数等化简合并。对于合并后的系数取值，结合半经验公式计算和实际运行效果给出一个参考值。1 .锅炉的设计目标：排烟处过量空气系数py,排烟温度Tpy,热效率q,蒸发量Do以上设计目标在锅炉热力计算时预先给定，作为已知条

2、件使用。2 .计算的目的：根据以上给定的设计目标，确定锅炉结构各部分的尺寸，比如炉膛尺寸小了，锅炉蒸发量达不到，尺寸大了过量空气系数增加，效率下降。设计计算过程：先假定一个锅炉结构，如图所示为经过修改后的燃生物质锅炉结构，它分为三部分：1.炉膛；2对流管束；3尾部对流受热面。取消了燃煤锅炉的链条炉排和前后炉拱，用一个不设水冷壁的耐火浇筑燃烧室引燃新加入的燃料。3.炉膛传热计算:炉膛传热计算的内容：根据假定的炉膛尺寸，确定炉膛的出口烟温，和辐射传热量。若出口烟温和传热量不合理，则须修改炉膛尺寸。炉膛容积的大小可以先参考炉膛容积热负荷假定。炉膛传热计算的理论模型：将火焰看作紧贴水冷壁的一个表面。则

3、炉膛传热计算可以简化为两个灰体表面之间的辐射传热计算:传热方程Qr310afurA(T：T焉)KJ/Kg(1)Bcal上式为纯理论公式，式中Be.是计算燃料消耗量，根据设计的锅炉蒸发量D,算出所需吸热量，再除以每千克燃料的热值乘以锅炉效率，即可得出。式中出现常数3.6是因为计算燃料消耗量Bcai单位是Kg/h,需采用国际单位秒，需要乘以3600。A是传热面积m2,包括炉膛四周水冷壁和炉顶受热面的面积，几何计算得出。o5.67108W/（m2K4）是玻尔兹曼常数。公式应用的关键在于确定系统黑度afur?afur是两个灰体表面之间传热的系统黑度，按上图的简化模型，根据传热学理论afur；1。X12

4、和X21为两个表面的视角系数，按11Xi2（-1）X/1）112上图模型，都等于1；1为其中一个表面的发射率（发射率为表面相对黑体的辐射能力），取为水冷壁，按不光泽金属表面为0.8,2为火焰的发射率，实际上火焰的发射辐射和吸收辐射都对光谱有选择性，火焰发射率2是波长的函数，不能采用灰体假设，但是根据现有的热力计算标准，仍将其看做与波长无关的灰体。2与火焰中CO2,GO成分和飞灰、炭黑浓度有关。其中CO2,GO的发射率可以查图得出，飞灰和炭黑的发射率按经验公式估算。按燃煤锅炉的经验公式计算2=0.35,那么afur10.32。Twal是水冷壁表工工112面温度，可以取为250c（523K）,四次

5、方之后与前一项相比可以忽略。Tav是炉膛内火焰平均温度，为未知量，也可以用炉膛出口烟温Tfur的函数代替。Qr是传热量，为未知量。公式（1）的问题是，为了方便计算，对火焰采用灰体模型，这实际上是不正确的。既然这样，那我们干脆不采用通过查图、查表，计算平均射线程长，估算飞灰和炭黑发射率的方法去计算，而直接给定一个系统黑度afur的值，比如而,0.3.然后根据实际运行的经验去修正这个值。热平衡方程，QrVCaV（TadiT.）KJ/Kg（2）物理意义是传热量等于烟气从绝热火焰温度降至炉膛出口温度的始的变化量。其中为保热系数，1一口0.98,物理意义为始q5的变化量中扣除散热损失以后，能被工质吸收的

6、比例。V为每千克燃料燃烧产生的烟气体积，根据燃料元素成分算出烟气中CO2,H2O,O2,N2各成分的体积后相加，再加上过量的空气而得到。Cav为炉膛内烟气的平均热容量，查烟气给温表得到，乘以后面的温差即得到烟气的给的变化量。Tadi为绝热火焰温度，可以根据燃料发热量查始温表得到。心,为炉膛出口烟温，为未知量，Qr为未知量。36°a,A联立（1）（2）,Qr（TaVT：al）,QrVCavSdi丁而）两个Bcal方程，两个未知量。可以解出炉膛出口烟温丁.和每千克燃料炉膛传热量Qr,计算时做好电子表格，估计一个炉膛出口烟温丁而值（比如1100K）,代入上述两个方程，如果两个方程得出的Qr

7、的值相差不超过1%,那么可以认为Tfur的估计值就是方程的解。根据r.和Qr的计算结果可以判断炉膛尺寸的选择是否合理。假如计算出'.高，则说明炉膛尺寸小了。以我的经验，生物质燃料丁而应不超过1100K。炉膛传热量Qr应占锅炉全部受热面传热量的6070%。在炉膛传热计算前，需要先做好给温表、烟气量计算、绝热火焰温度计算等前置的计算准备。4.对流管束传热计算：理论公式采用传热系数乘以温差的形式3.6KAtQhKJ/Kg(3)Bcal式中t为温压，为烟气平均温度和管内介质平均温度的温差。公式(3)的关键在于确定传热系数K。根据实际的受热面结构形式，如顺列水管、错列水管、烟管等，选择相应的传热

8、系数计算公式。常数3.6仍为Beal单位由KG/h化为秒所乘的系数。K为传热系数(热阻的倒数)，K1T，分母中两部分分别为，烟气至管外壁的热阻，管内壁12至介质的热阻，忽略了管壁中的传导热阻。对于普通工业锅炉，管内介质为汽水混合物，2很大，可以忽略分母中第二项。1包含辐射和对流两部分1con,，当烟温小于600c时，可以忽略辐射部分。为考虑积灰和冲刷不均匀的系数，取0.6。根据前述锅炉结构图，为双锅筒的顺列对流管束，选择顺列水管的传热系数公式：对流部分con0.2CsCz-()0.65Pr0.33W/(m2K)d15.67108awa-1agTat-2g1W/(m2K)式中烟气流速、普朗特数P

9、r、烟气导热系数、粘度均是烟气温度的函数，Cs、Cz为结构系数。查表计算依然繁琐。辐射部分ar经过计算给出参考值r10W/(m2K),刈60W/(m2K)。那么式(3)中只有两个未知数吸热量Qh和平均烟温Tav。对流管束中热平衡方程：Qh(I'I',I0)I、I''分别为受热面入口和出口处烟气的始，是对流管束入口烟温T,和出口烟温T''的函数，通过查始温表得到I、I',。对流管束入口烟温T,就是炉膛出口烟温Tfur,已经通过前述炉膛传热计算解出。I0为该处受热面漏风带入的冷空气始，通过烟气量计算得到。式(4)中也有两个未知数吸热量Qh和出

10、口烟温t'。联立(3)，Qh36KAJ,Qh(I'I,I0)可以解出该级受热Bcal面吸热量Qh和出口烟温T',。根据吸热量Qh和出口烟温T''的计算结果，结合设计目标，增加或减少该级受热面的面积A。通过实际运行情况修正10W/(m2K),con60W/(m2K)的值。4 .尾部受热面计算：与对流受热面计算类似，联立(3)(4),Qh36KA1,Qh(I,I,I°),I,为上级受热面出口烟气的始。Bcal当上级受热面出口烟温T',低于600c时，可以忽略传热系数K中的辐射部分r,对流部分的传热系数con按尾部受热面的布置方式选择经验公式，如仍为顺排管束，则与上述公式相同，但烟气流速，普朗特数Pr,导热系数，粘度等已随烟气温度而改变。由con0.2CsCz(-d)°.65Pr°.33计算，参考值con65W/(m2K)。根据设d计目标选择合适的尾部受热面面积，使锅炉最终排烟温度达到标准要求。在实际运行中修正con65w/