20th燃煤锅炉空气预热器课程设计

20t/h燃煤锅炉空气预热器课程设计说明书

摘要

空气预热器是电厂中的一个基本的设备，其作用主要是降低排烟温

度，提高锅炉效率，改善燃烧的着火条件和燃烧过程；降低不完全燃

烧损失等等。可见其是一种一箭双雕的设备：一方面可以吸收烟气余

热，降低排烟温度，提高锅炉的经济性；另一方面使冷风变成热风送

入炉内，改善燃烧，提高锅炉燃烧效率，并且强化传热。

管式空气预热器是一个立方体的官箱，中间有隔板，由于许多薄壁

钢管组成，管子一般采用错列布置两端与钢板焊接。管子垂直布置,

烟气在管内从上到下流动，空气从管间的缝隙通过，进行热量交换。

管式空气预热器是通过它的下管板支撑在锅炉空气预热器框架上的。

管式空气预热器可分为单流程和多流程，当空气预热器受热面积不变

时,增加流程会使每一通道的温度降低，因此空气流动速度就会增大,

管式空气预热器根据进口方式不同，可分为单面进风和多面进风。其

他条件不变的时候，进风面越多，空气的流动速度越低。与回转式空

气预热器相比，管式空气预热器构造简单，制造、安装和维护方便，

价格便宜，密封性能好，工作也可靠，但是管式传热性能差，使得空

气预热器的体积庞大，钢耗严重。

本次课程实际经过锅炉选材，耗煤量计算，确定基本计算数据，通

过物料平衡，热平衡来确定熔值等数据来进行传热计算，设计出空气

0

预热器结构尺寸，从而形式具体结构就的出。再进行阻力计算，得到

数据。

本课程设计由于时间限制,设计条件极为理想，只可作为理想设计,

不考虑漏风等因素，并不十分完善。

1

目录

第一章已知参数一-

1.1锅炉已知参数

1.2燃料特性

第二章空气预热器设计

2.1锅炉的选型

2.2燃煤量计算

2.3物料平衡与热平衡

2.4传热计算

2.5结构设计

2.6阻力计算

第二章数据总结

参考文献

2

第一章已知参数

1.1锅炉的已知参数

表1—1锅炉已知参数

锅炉额定蒸给水额定空气排烟环境排污

蒸发汽压力温度蒸汽预热温度温度率

量温度器人

口温

度

20t/h2.5MPa105℃400℃250℃160℃20℃5%

1.2燃料特性

1.2.1燃料选择：贫煤

贫煤：它是烟煤的一种，对煤化程度最高的烟煤的称谓，这种煤着火温度高，燃烧时火

焰短，但发热最高，燃烧持续时间长。一般挥发份＞10%〜20%,含碳最高达90%,含氢量

一般在4%〜4.5%。贫煤一般用作炼焦配煤。

1.2.2煤的成分

表1—2煤的成分

成分CarOarSarHarNarIVIarAarVdaf

百分比39.94.60.22.70.674525

(%)

3

1.2.3煤的低位发热量

单位质量的燃料在完全燃烧时所发出的热量称为燃料的发热量，高

位发热量是指1Kg燃料完全燃烧时放出的全部热量，包括烟气中水

蒸汽已凝结成水所放出的汽化潜热。从燃料的高位发热量中扣除烟

气中水蒸汽的汽化潜热时，称燃料的低位发热量。

低位发热量因为最接近工业锅炉燃烧时的实际发热量，常用于

设计计算。

低位发热量（Qnet）单位质量的试样在恒容条件下，在过量氧

气中燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫，

气态水以及固态灰时放出的热量。恒容低位发热量即由高位发热量

减去水（煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水）的气化热后得到的

发热量。

Qnet=15890KJ/kg

第二章空气预热器设计

2.1锅炉选型

根据已知参数，在我国一般35t/h以下的锅炉多采用链条炉排，

阴齿设计选择燃烧方式为链条炉排。

链条炉排锅炉，是一种卧式三回程水火管混合式锅炉，在锅筒

内布置一束:螺纹烟管。炉膛左右二侧装有光管水冷墙。采用轻型链条

炉排实现机械加煤，配有鼓风机、引风机进行机械通风，并装有刮板

4

式出渣机实现自动出渣。该炉前后拱采用新型的节能技术炉拱。燃料

自煤斗落到炉排上，进入炉膛燃烧后，火焰经过后拱折射向上通过本

体两侧燃烬室折向转到前烟箱，再由前烟箱折回锅内管束，通过后烟

箱进入省煤器，然后由引风机抽引通过烟道至烟囱排向大气。

根据锅炉蒸发量20t/h,燃料的特性，查锅炉的最低效率表⑴，可

得锅炉的最低效率为76%,由于课程设计的限制，简化设计，不考虑

漏风等实际因素，因此取锅炉的效率为87.1%。

2.2计算燃煤量

根据锅炉蒸发量：20t/h；

额定蒸汽量：400℃

额定蒸汽压力：2.5MPa

查过热蒸汽表⑴，得到h=3240.7kj7kg

又根据锅炉蒸发量：20t/h,得

2*1000*0

锅炉总吸热量:Q=

3600~~

得：Q=18004KJ/s

根据锅炉的效率，得消耗燃料的输入热量:

Qr=~(2—1)

n

2r=20670.5KJ/s

燃煤量为:

5

3=旦-（2—2）

det

B=1.3kg/s

2.3物料平衡与热平衡

物料平衡即产品或物料实际产量或实际用量及收集到的损耗之和

与理论产量或理论用量之间的比较，并考虑可允许的偏差范围。

热平衡定律是热力学中的一个基本实验定律，其重要意义在于它

是科学定义温度概念的基础，是用温度计测量温度的依据。在热力学

中，温度、内能、炳是三个基本的状态函数，内能是由热力学第一定

律确定的；燧是由热力学第二定律确定的；而温度是由热平衡定律确

定的。所以热平衡定律如第一、第二定律一样也是热力学中的基本实

验定律，其重要性不亚于热力学第一、第二定律，但由于人们是在充

分认识了热力学第一、第二定律之后才看出此定律的重要性，故英国

著名物理学家R.H.否勒称它为热力学第零定律。

根据燃烧方式，燃料种类，查炉膛出口空气系数表⑶,得到炉膛的

出口过量空气系数的范围：1.20~1.25。取过量空气系数为1.20,不

考虑漏风情况。

2.3.1理论空气量的计算

理论燃烧空气指1kg液体或固体燃料（对气体燃料则为lNm3）中

所含可燃物质与氧进行燃烧化学反应，按理论计算求得的空气需要量

（常以标准立方米计）。燃料完全燃烧时空气中所含氧均与燃料中的可

6

燃物质相化合，在燃烧产物中不再存在任何可燃物质和多余的氧。理

沦空气量是确定燃料实际燃烧所需空气量的一个重要依据。

根据：

]rHso

V。=——(1.886^-+5.55^-+0.7工一0.7^)

00.21100100100100

(2-3)

得：乂=4.144Nm3/h

2.3.2理论燃烧后的燃烧产物计算

燃烧产物是指由燃烧或热解作用产生的全部物质。燃烧产物包括:

燃烧生成的气体、能量、可见烟等。

V°R°2=V°+V°

S02C02(2—4)

V°Rn9=0.745934Nn?/h

N2等**+S79V。(2-5)

03

VN2=3.27856Nm/h

V°=n.匹+1.249+0.0161V。(2—6)

H29°O100100

3

V°H?n=0.3738584Nm/h

2.3.3理论烟气量的计算

理论烟气量:指单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气量。

查1m3空气，烟气和1kg灰的焰表⑴

经过差值计算

7

(C6>)rn9=170-0.6(358-170)

=282.8KJ/m3

(G9)N2=130+0.6(260-130)

=208KJ/m3

(C，)HOC=151+0.6(305-151)

=243.4KJ/m3

根据巴=%。2。8)初+V°H2O(C6)H2。+e2(女后

(2—7)

I°y=983.49181KJ/kg

2.3.4根据空气预热器的过量空气系数apj=l.20的计算

过量空气系数是指通过的可燃混合气成分指标，常用符号a表

zjso

在我国及前苏联等国，通过的可燃混合气成分指标是过量空气系

数，常用符号a表示。

a=燃烧1kg燃料实际所供给的空气质量/完全燃烧1kg燃料所需的理

论空气质量

由上面的定义表达式可知：无论使用任何燃料，凡过量空气系数a=l

的可燃混合气即为理论混合气，此时燃料与空气中的氧气完全燃烧；

时，此时燃料与空气中的氧气不完全燃烧，产生的为浓混合气；

a>l时则为稀混合气

过量空气量：Vk。=(。而一1)%(2—8)

“HJv

3

Vk2=0.8288Nm/h

8

水蒸气容积：匕2。=V°H2。+0.0161^(2-9)

匕2。=03872Nn?/h

烟气总容积：K，=%o2+VH2o+V°N2+(a0T)V°

(2-10)

V.=5.3235Nm3/h

y

v°

RO2容积份额：rRO2=—良2(2-11)

匕

402=°142

V0

比0容积份额：rH2O=—必(2—12)

匕

%2。=0-074

三原子气体份额：Q=r.+r(2-13)

乙iHf乙vxor\Rcz(乙n

Q=0.216

A

烟气质量：G=1——+1.306aV°(2-14)

)100PJ

Gy=7.04kg

2.3.5熠的计算

在热力学中，分子、原子、离子做热运动时遵从相同的规律，所

以统称为分子。

既然组成物体的分子不停地做无规则运动，那么，像一切运动着的物

体一样，做热运动的分子也具有动能。分子动能与温度有关，温度越

高，分子的平均动能就越大，反之越小。所以从分子动理论的角度看,

温度是物体分子热运动的平均动能的标志(即微观含义，宏观：表示

9

物体的冷热程度）。

分子间存在相互作用力，即化学上所说的分子间作用力（范德华力）。

分子间作用力是分子引力与分子斥力的合力，存在一距离rO使引力

等于斥力，在这个位置上分子间作用力为零。分子势能与弹簧弹性势

能的变化相似。物体的体积发生变化时，分子间距也发生变化，所以

分子势能同物体的体积有关系。

当a=l时的空气以及烟气的焰

根据空气预热器入口温度250℃,

排烟温度160℃,

空气入口温度20℃,

因此温度计算范围为0-300℃

表3-1熔值表

顺123456789

序

t,eCcO2

0N2*V°C0^H2O®z°QI°k

（℃0N2N2Gw。，y

）*e

CcO2

0

100170.0126.8130426.21150.756.34609.132549

200357.6266.826085230411412332661104

300538.9416.93921285463172.9518754031669

10

表3—2焰温表

e

z°公式a=1.20

[℃]v

[kj/kg][kj/kg]Iy=I0y+(a-V)I\IAZ

10()613.20548.67Iv=613.2+(a—1)*548.67722.934

738.616

2001241.041102.73Iv=1241+(a—1)*1102.731461.55

758.92

3001886.721668.75I、=1887+(a-1)*16692220.47

11

2.4传热计算

2.4.1空气出口温度的计算

根据空气预热器的烟气入口温度：e'y=250℃

排烟温度：e"y=i6o℃

空气入口温度：t'kIX=20℃

查不同燃料和燃烧方式对预热空气温度表⑴

根据烟气入口温度：。［=250℃

得:hy="200+0.5.（“200—”|。0）

h'y=1563.88kj/kg

根据烟气出口温度：e〃y=i6（）℃

得：h"y="200一0・6.（"200一"100）

h"y=989.904kj/kg

因此Q放《My—h"y）・Gy

Q放=4036.89Kj/kg

Q总二Q放xB（4-2）

Q总=5247.957Kj/s

根据空气预热器已知参数：S|=64mm

S9=60mm

在空气预热器中烟气流速W、,一般为10m/s〜14m/s的范围内选

取，烟气流速过高则磨损大，烟气流速过低则会堵灰，设计中一般取

空气流速比烟气流速低，为烟气的45%〜55%。

12

即，

wk=(45%~55%)・Wv(4-3)

取烟气流速

Wv=12m/s

W.K=6m/s

根据烟气流速得：

烟气总容积

：VvzB(4-4)

V=6.8055m3

)v7z

43-V

流通截面积：f=-------(4-5)

w,

f=2.44m3

根据能量守恒

QxQ^G空气・Ah空气=V空气xp空气xAh空气(4-6)

查空气热物理性质表叫利用试算法，先估后算，再根据培温

表3—2,得出温度。

根据试算法的出：t"k=125℃

核对误差：Q估兑=5108.73Kj/s

△二Q放一Q吸xioo%(4-7)

Q放

A=2%<2%误差符合要求

2.4.2锅炉对流受热面的传热系数K的计算

传热系数，是换热操作中热量通量q(见传热过程)与传热推

动力(温度差At)的比例系数，即：K=q/At它在数值上等于在单

位温度差推动下于单位时间内经单位传热面所传递的热量，它与传热

13

面积乘积的倒数为传热过程的总热阻。

根据K二-----------&-----&------------(4-8)

1+占351

入h入gbLg。2

1

—：烟气侧热阻

0C1

5

—h：受热面烟气侧灰污层热阻

居

3gb

^―：受热面管壁金属热阻

九gb

1

—:空气侧热阻

a2

由于本课程设计数据精度不高，因此不考虑辐射换热，只对对流换

热研究，由于管壁的厚度很小，因此管壁热阻可以忽略不计，在进行

维护中，水垢沉积层的厚度很薄，因此可以忽略不计，即传热系数公

式可以简化为：

--------—(4—8)

-11

——十——

%a2

查管式空气预热器利用系数表⑴

查得：C=0.85

根据纵流冲刷受热面的温度改正系数图⑴

查得：Cw=1.05

14

G二i

a尸38W/m2•℃

由d=OCoxCjxCw(4—9)

得：a)=40.32W/m2•℃

根据空气在管外冲刷管子，利用

a2=cx()xCzxCwxCs(4—10)

根据决定横向冲刷错簇的对流放热系数的线算图5

得:Cw=1.05

CZ=1

G与心有关

01一]

根据：

(pG=—;------(4—11)

O‘2・1

52=上小寸(4-12)

得：=1.7

因此Cs=0.950x(Po°」(4—13)

CJ=0.94

求得：a?=61.6875W/m2•℃

K=20.73W/m2•℃

r

根据空气预热器的烟气入口温度：0y=250℃

排烟温度：0"y=16O℃

空气入口温度：t'k=20℃

15

空气出口温度：t"k=125℃

小温降等于：=夕、.一夕\(4-14)

JA=90℃

大温降等于：(4-15)

Q=105C

P=—%—(4——16)

%一乙

P=0.39

T.

R=—(4—17)

%

H=1.15

查交差温压改正系数图”选择二流程，查的甲

At—At

由At一业t(4-18)

川,At

In—―

Atmin

△tmaxWI(4T9)

匕JO)

A

得tmax=140℃

A1=125/

Atz?/=132.4℃

At=Atn/x(4—21)

At=132.4℃

16

2.4.3传热面积的计算

根据Q=KFM(4—22)

F=2

KAt

求得：F=1.91m2

2.4.4管束的计算

根据烟道的截面积f=2.44

设计烟道长度为1.63m

烟道高度为1.5m

根据单根管子的换热面积工=(4詈)x?x/(4-23)

<=1.89x10―3m2

F

由n=—(4—24)

/

n=1007.9B1008根

根据设计为二流程，因此需要三段管箱，而每个管箱中有504

根管子。

17

表4—2计算参数表

序名符号单位公式结果

号称

进

口

空

1气t'k℃给定20

温

度

进

口

空

2查焰温表

气*kj/kg3-2109.7

焰

出

口

空

3气℃先估后校125

温

度

出

口

理

论

4kj/kg查焰温表3-2687.185

空*

气

烙

进

口

烟

气

温

度

5%℃给定250

18

序名符号单位公式结果

号称

进

口

理

6论叱kj/kg查焰温表3-21563.88

烟

气

焰

出

口

烟

7气*℃给定160

温

度

出

口

理

论

8查焰温表3-2989.904

烟%kj/kg

气

熔

烟

气

平夕，+夕、

9均%℃205

温2

度

烟

气

10流%m/s12

速

流

通

截d+d7i

112(-----------)X—X/2.44

面fm

积24

19

序名符号单位公式结果

号称

烟

气

传

热2

12%W/（m-℃）%=a°xGxCw40.32

热

阻

空

气

侧

1361.6875

热a2W/（病.℃）a2=aoxCzxCwxCs

阻

传

热K=C[1]

系

14K20.73

数W/（病.℃）

——十—

（X[a2

大

温

15℃105

降%I-，

小

温

16℃90

降

对

数

At_加max-&min

平

均℃〃,一

17△t,”,Atmax132.4

温

Atmin

度

温

18℃132.4

差AtAt=Atz//xT

单

根

管

换

192于1.89x1O-3

热m1

面24

积

20

序名符号单位公式结果

号称

传

热

面F=-^-

20Fm21.91

积KM

管

数F

21n根n=—1008

f\

2.5结构设计

根据已知参数，

设计第一级空气预热器有16与15根管子交错排列，空气预热器

长度为1.63m,宽度为1.5m,高度为1.5m,管子共有24排，共504

根管子。

设计第二级空气预热器有16与15根管子交错排列，空气预热器

长度为1.63m,宽度为1.5m,高度为1.5m,管子共有24排，共504

根管子。

21

2.6阻力计算

2.6.1烟气侧阻力

由于立式管式空气预热器烟气从管内流过，空气预热器的阻

力由：入口局部阻力，管内流动的沿程摩擦阻力和出口局部阻力组成。

?

卬一

根据△&=△&.+（晨+晨）^p(6一1)

9

口广

p：气动压

2

A/2.:沿程阻力

yVc（

：进口局部阻力系数

rk

以:出口局部阻力系数

根据&J785xd；

(6—2)

月^xS2

%=0.28

Fd

查截面变化的阻力系数图⑴

得晨“二。・38

晨=058

22

(6—3)

X：沿程摩擦阻力系数

/:管程长度

w：气流速度

P：气体密度

T：气流平均绝对温度

或：管壁平均绝对温度

4〃：当量直径

BVx0

依照w=——-(1+(6——4)

F273

得Wy=13.4m/s

查摩擦阻力系数表⑴的入=003

查决定760mmHg时空气动压线算图⑴

^p=52Pa

得yc=106.84Pa

A/l=156.76Pa

yv