室燃炉（煤粉炉）设计计算大纲

2/2室燃炉（煤粉炉）设计计算大纲一、编制依据与适用范围1.1编制依据本大纲严格遵循现行国家及行业室燃炉、煤粉燃烧相关规范标准，所有计算方法、公式及参数取值均以规范条文与工程通用理论为依据，确保计算结果的科学性与合规性，所有参数取值均经过工程验证，满足行业通用设计要求，主要依据包括：《锅炉机组热力计算标准方法》《煤粉锅炉》（JB/T10326-2002）《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》（DL/T435-2018）《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》（DL/T5240-2010）《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》（DL/T468-2016）《压力容器》（GB150-2011）《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000，2008年版）《锅炉安全技术监察规程》（TSGG0001-2012）《锅炉房设计标准》（GB50041-2020）《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）1.2适用范围本大纲适用于工业、电站领域的室燃型煤粉锅炉设计计算工作，涵盖直流燃烧器、旋流燃烧器等各类煤粉燃烧设备，涵盖烟煤、无烟煤、贫煤、褐煤、水煤浆等各类固体粉状燃料的悬浮燃烧工况，可作为室燃炉设计阶段计算工作的统一指导框架，与燃油、燃气、余热、垃圾焚烧、生物质锅炉设计大纲形成完整的锅炉设计体系。二、基础设计参数计算2.1燃料基础参数室燃炉的燃料参数是所有计算的基础，核心参数及取值如下，针对煤粉的特性做了详细的区分：煤粉元素分析：收到基碳Car：常规烟煤取50\65%，无烟煤取65\75%，褐煤取收到基氢Har：常规烟煤取3\5%，无烟煤取1\3%，褐煤取收到基氧Oar：常规烟煤取5\10%，无烟煤取2\5%，褐煤取收到基氮Nar：常规取收到基硫Sar：常规取0.3\1.5%收到基灰分Aar：常规烟煤取15\30%，无烟煤取10\25%，褐煤取收到基水分War：常规烟煤取8\15%，无烟煤取5\10%，褐煤取煤粉发热量：收到基低位发热量Qnet,ar：常规烟煤取20\28MJ/kg，无烟煤取22\26MJ/kg，褐煤取煤粉特性参数：煤粉细度：R90，即90μm筛孔的剩余率，常规烟煤取15\25%，无烟煤取5\15%，褐煤取25\40%煤粉粒径：平均粒径dp,avg，常规取40\100μm灰特性参数：灰熔点：变形温度DT、软化温度ST、流动温度FT，常规烟煤取DT≥1100℃，用于结焦校核碱金属含量：K2O+Na灰中氯含量：常规取0.1\0.3%，防止高温氯腐蚀2.2理论空气量与烟气量计算基于煤粉的元素分析，计算燃烧所需的理论空气量与理论烟气量，与常规燃料的计算方法一致，但参数取值适配煤粉的特性：理论空气量：

V参数说明：V0：标准状态下的理论空气量（Nm³/kg其余为煤粉的元素分析成分（%）常规烟煤的理论空气量取7.0\8.0Nm³/kg，无烟煤取7.5\8.5Nm³/kg，褐煤取3.5\5.5Nm³/kg，远高于生物质，因为煤粉的发热量更高。理论烟气量：

V参数说明：Vg0：标准状态下的理论烟气量（常规烟煤的理论烟气量取7.5\8.5Nm³/kg，无烟煤取8.0\9.0Nm³/kg，褐煤取4.0\6.0Nm³/kg。2.3过量空气系数与实际风量室燃炉的过量空气系数，考虑煤粉燃烧的充分性与低氮排放需求，取值低于层燃炉，高于燃气锅炉：炉膛出口过量空气系数：αl实际空气量：Va=一次风（煤粉输送风）比例：αpri=0.15∼0.30，即一次风占总风量的二次风（主燃风）比例：αsec=0.60∼0.75，即二次风占总风量的三次风（制粉乏气）比例：αter=0.05∼0.15，即三次风占总风量的规范依据：《锅炉机组热力计算标准方法》第3.2条，《煤粉锅炉》（JB/T10326-2002）第5.2条三、室燃炉本体燃烧器设计计算3.1燃烧器选型根据煤粉的类型与锅炉容量，选择合适的燃烧器类型，不同的燃烧器适配不同的煤种与负荷：直流燃烧器：采用四角切圆布置，气流直流喷射，切圆旋转混合，适用于大容量电站锅炉，适配烟煤、无烟煤，低氮效果好旋流燃烧器：采用旋流配风，产生旋转气流，强化混合，单只燃烧器独立，适用于前后墙布置，适配烟煤、褐煤，安装维护方便低氮燃烧器：采用空气分级、燃料分级的集成设计，有效降低NOx排放，是目前的主流形式，适配环保要求高的工况等离子燃烧器：采用等离子点火，无需燃油，实现无油点火，适用于调峰锅炉，降低启动成本3.2煤粉细度与燃尽性计算煤粉的细度是决定燃尽的核心参数，细度越小，燃尽越快，但是制粉的能耗越高，所以要平衡两者：煤粉细度经验公式：

R参数说明：R90：90μm筛孔的剩余率（%对于无烟煤，因为难燃，所以需要更细的煤粉，R90取煤粉燃尽时间计算：

煤粉颗粒的燃烧遵循d²定律，计算单个煤粉颗粒的燃尽时间，验证燃烧的充分性：

t参数说明：tb：煤粉颗粒的燃尽时间（sd0：初始颗粒直径（mK：燃烧常数，常规烟煤取1.0×10-8∼1.5×10-8常规煤粉颗粒的燃尽时间小于0.1s，远小于烟气在炉膛内的停留时间，保证完全燃烧。3.3一次风浓度与风速计算一次风的核心是输送煤粉，所以浓度与风速是核心参数，防止堵管与沉积：一次风浓度：

一次风的煤粉浓度，即单位质量空气携带的煤粉质量，常规取0.3\0.6kg/kg，太高会堵管，太低会增加一次风的风量，降低炉温一次风风速：

一次风的流速，保证煤粉的输送，防止沉积：

v参数说明：vpri：一次风管的流速，常规取20\30m/s对于褐煤，因为煤粉轻，流速可以取低一点，18\25m/s3.4火焰长度与燃烧器热负荷计算湍流扩散火焰长度：

煤粉火焰的长度，决定炉膛的最小深度，防止火焰冲刷受热面：

L参数说明：Lf：火焰的有效长度（mQ：燃烧器的热功率（MW）常规100t/h锅炉的燃烧器火焰长度约3\4m，300t/h锅炉约5\6m，是炉膛深度设计的核心依据。燃烧器热负荷：

单个燃烧器的热负荷，常规直流燃烧器取10\50MW，旋流燃烧器取20\80MW，根据锅炉容量选择燃烧器的数量：

n=⌈参数说明：n：燃烧器的数量，向上取整Qtotal：锅炉的总热功率（MWqper：单个燃烧器的额定热功率（MW常规300MW锅炉配6只旋流燃烧器，600MW锅炉配8只，四角切圆的配4只直流燃烧器。3.5制粉系统与磨煤机选型室燃炉的核心配套是制粉系统，将原煤磨成煤粉，选型如下：钢球磨煤机：适用于无烟煤、硬煤，出力大，但是能耗高，噪音大，适用于大容量电站锅炉中速磨煤机：适用于烟煤、褐煤，能耗低，噪音小，是目前的主流形式，适用于大部分的煤粉锅炉风扇磨煤机：适用于高水分的褐煤，能处理高水分的煤，适用于褐煤锅炉磨煤机出力计算：

磨煤机的额定出力，根据锅炉的燃煤量选型：

B参数说明：Bmill：磨煤机的额定出力（t/h），预留10%Bcoal：锅炉的总燃煤量（t/hnmill：磨煤机的数量，常规300MW锅炉配5台，600MW配6规范依据：《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》（DL/T468-2016）第5.3条四、室燃炉配风系统设计4.1配风类型选型室燃炉的配风根据燃烧与低氮需求选型，不同的配风适配不同的煤种与环保要求：均等配风：所有配风一次性送入，混合快，燃烧强度高，适用于烟煤，易着火的煤种分级配风：将二次风分多层送入炉膛，实现空气分级燃烧，有效降低NOx排放，是目前的主流形式，适配低氮要求烟气再循环配风：将部分低温烟气送入燃烧区，降低火焰温度，实现深度低氮，适用于环保要求高的工况4.2炉膛截面热负荷计算室燃炉的截面热负荷是决定炉膛横截面积的核心参数，反映炉膛的燃烧强度：

q参数说明：qA：炉膛截面热负荷（MW/m²），室燃炉的推荐值为3.0\6.0MW/m²Af：炉膛的横截面积（m²截面热负荷决定了炉膛的宽度与深度，保证烟气的上升流速在合理范围，常规烟气流速取5\10m/s，平衡磨损与积灰。4.3配风风速设计一次风风速：

一次风的流速，常规取20\30m/s，用于输送煤粉，防止堵管，同时预热煤粉二次风风速：

二次风的流速，常规取40\60m/s，用于穿透煤粉射流，强化气固混合，促进燃烧三次风风速：

三次风的流速，常规取30\50m/s，因为三次风的温度低，需要更高的动量，穿透高温烟气，强化混合旋流强度验算：

对于旋流配风，旋流数的计算：

S参数说明：Sn：旋流数，常规取0.6\1.4Gφ：切向动量通量，Gx：轴向动量通量，r4.4配风阻力计算配风系统的阻力，用于送风机的选型：一次风管道阻力：常规取800\1500Pa，因为一次风的流速高，阻力大二次风喷口阻力：

Δξ：喷口阻力系数，常规取1.2\1.5常规二次风喷口阻力取1000\2000Pa规范依据：《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》（DL/T5240-2010）第6.3条五、燃烧与热力计算5.1热平衡计算室燃炉的热平衡，输入的热量等于输出的热量加各项热损失，考虑制粉系统的附加热量：

Q参数说明：Qinput：输入的总热量（kWQoutputQg,out：出口烟气的热量（kWQloss：各项热损失之和（kW5.2各项热损失计算排烟热损失：

q_2=\frac{I_{py}-\alpha_{py}I^0_a}{Q_{input}}\times100%参数说明：排烟带走的热损失，常规取5\8%，是室燃炉的主要热损失之一，因为过量空气系数比燃气高化学不完全燃烧热损失：

q_3=\frac{V_{gy}(126CO+108H_2+358CH_4)}{Q_{input}}\times100%参数说明：可燃气体未完全燃烧的热损失，室燃炉取0.1\0.5%，远低于层燃炉，因为煤粉燃烧充分机械不完全燃烧热损失：

q_4=\frac{A_{ar}\cdotC_{fa}\cdot8100}{Q_{input}}\times100%参数说明：飞灰未燃尽的热损失，因为室燃炉的飞灰多，所以这是主要的机械损失，常规取1\3%，无烟煤取3\5%散热损失：

q_5=\frac{Q_{loss,surf}}{Q_{input}}\times100%常规取0.5\1.5%，根据锅炉的表面积与保温情况修正，大容量锅炉取较小值灰渣物理热损失：

q_6=\frac{A_{ar}\cdotc_{fa}\cdott_{fa}\cdot\alpha_{fa}}{Q_{input}}\times100%参数说明：飞灰的物理热损失，因为室燃炉的飞灰多，所以这部分损失比层燃炉高，常规取0.5\1.5%5.3锅炉效率计算锅炉的总效率，即有效热量占输入热量的比例：

\eta=100%-(q_2+q_3+q_4+q_5+q_6)常规室燃炉的效率为88\93%，高效的可达94%以上，高于层燃炉，低于燃气锅炉。5.4飞灰份额与燃尽验算飞灰份额：

室燃炉因为是悬浮燃烧，几乎所有的灰分都以飞灰的形式被烟气带走：

α即90%~95%的灰分以飞灰的形式排出，只有5%~10%的灰分以炉渣的形式排出，远高于层燃炉飞灰含碳量验算：

飞灰中的含碳量，常规要求不大于5%，保证燃烧效率，无烟煤要求不大于8%：

C_{fa}\leq5%当不满足时，需调整煤粉细度与配风参数，强化混合与燃烧，提高燃尽程度5.53T+E污染物控制校核室燃炉的污染物控制，核心是3T+E原则，保证二噁英与NOx的分解：温度（Temperature）：保证炉膛的温度在850\1100℃，满足二噁英的分解温度，同时防止结焦停留时间（Time）：保证烟气在850℃以上的停留时间≥2s，国标强制要求，让污染物充分分解湍流（Turbulence）：保证足够的湍流强度，让煤粉与空气充分混合，强化燃烧，降低不完全燃烧过量空气（Excessair）：保证足够的过量空气，让污染物充分氧化，同时实现分级燃烧，降低NOx规范依据：《锅炉机组热力计算标准方法》第5章，《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）六、炉膛结构设计6.1炉膛容积与热负荷计算炉膛容积热负荷：

q参数说明：qv：炉膛容积热负荷（kW/m³），室燃炉的推荐值为150\300kW/m³Vf：炉膛的有效容积（m³炉膛容积计算：

根据热负荷反算炉膛的容积：

V常规100t/h锅炉的炉膛容积为80\120m³，300t/h锅炉为250\400m³，大于同容量的燃气锅炉，因为煤粉的燃尽时间更长。6.2炉膛尺寸设计炉膛宽度：根据燃烧器的数量与布置确定，单排旋流燃烧器取4\8m，双排布取6\12m，四角切圆的取6\10m炉膛深度：

D炉膛深度需大于火焰长度，预留1~1.5m的安全余量，防止火焰冲刷后墙水冷壁炉膛高度：

H_f=10\sim25\text{m}保证烟气在炉膛内有足够的停留时间，常规停留时间为1\~2s，让煤粉充分燃尽，比燃气锅炉长，因为煤粉的燃烧速度慢。保证烟气在炉膛内有足够的停留时间，常规停留时间为1\2s，让煤粉充分燃尽，比燃气锅炉长，因为煤粉的燃烧速度慢。6.3火焰长度与炉膛匹配验算核心验算火焰长度与炉膛深度的匹配性，防止火焰冲刷受热面：

L保证火焰长度不超过炉膛深度的70%，预留足够的安全空间，避免水冷壁高温腐蚀与结焦。6.4炉膛出口烟温与结焦校核炉膛出口烟温：常规取850\1100℃，保证对流受热面的安全，同时防止结焦结焦校核：

保证炉膛的最高温度低于灰的变形温度，即Tmax≤DT-50规范依据：《煤粉锅炉》（JB/T10326-2002）第6.2条七、二次风系统设计7.1二次风风量计算分级配风的二次风风量，用于强化混合与低氮燃烧：

Q参数说明：Qsec：二次风的总风量（Nm³/sαsec：二次风的比例，常规取0.6\0.75，即总风量的B：煤粉的消耗量（kg/s）V0：理论空气量（Nm³/kg7.2二次风风速与喷口设计二次风风速：

二次风需要有足够的动量，穿透煤粉射流，扰动气流，强化混合：

v参数说明：vsec：二次风喷口的流速，常规取40\60m/sn：二次风喷口的数量Anozzle：单个喷口的流通截面积（m²喷口布置：分级布置：分上下多层布置，最下层为主燃风，上层为燃尽风，实现空气分级，降低NOx高度布置：主燃风喷口布置在燃烧器同一高度，燃尽风喷口布置在上方1.5\2.5m处，实现分级燃烧喷口倾角：向下倾斜5\15°，引导气流向下，延长停留时间，强化混合7.3二次风风压计算二次风的压力，克服风道的阻力与炉膛的压力：

P参数说明：ΔPductΔPnozzle：喷口的阻力，ΔP=ξ⋅ρvPfurnace：炉膛的压力，常规取-20\-50Pa常规二次风机的风压为3000\5000Pa，满足压力要求，比层燃炉的二次风机风压高，因为风速高，阻力大规范依据：《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》（DL/T5240-2010）第6.4条八、传热计算8.1炉膛传热计算炉膛内的传热，室燃炉的炉膛，飞灰多，所以辐射传热占主导：

Q参数说明：Qf：炉膛的总传热量（Wσ0：黑体辐射常数，取5.67×10-8al：炉膛的黑度，室燃炉取0.8\0.9Tf：火焰的温度（KTw：水冷壁的壁温（Kαc：对流传热系数，常规取60\120W/(m²・Aw：水冷壁的面积（m²8.2对流受热面传热计算过热器传热：

与常规锅炉的过热器计算一致，采用对数平均温差与传热系数，详见过热器设计计算大纲，需要校核高温腐蚀，因为煤粉的灰分高，容易腐蚀管壁蒸发器传热：

光管或鳍片管的传热，积灰热阻常规取0.003\0.008m²・K/W，因为煤粉的烟气容易积灰，所以热阻比燃气锅炉大省煤器传热：

管壳式或鳍片式省煤器的传热计算，校核低温腐蚀，保证壁温高于烟气的酸露点，防止低温腐蚀，煤粉锅炉的酸露点常规取100\150℃8.3磨损、积灰与腐蚀校核磨损校核：

对于含尘烟气，校核受热面的磨损：

E=k⋅参数说明：E：磨损率（mm/1000h），常规要求不大于0.05mm/1000h所以烟气流速不能太高，常规取8\12m/s，防止磨损，因为室燃炉的飞灰多，磨损比燃气锅炉严重积灰校核：

室燃炉的烟气容易积灰，所以需要清灰装置，蒸汽吹灰器、声波清灰器，保证受热面的清洁，因为飞灰的积灰会降低传热效率高温腐蚀校核：

校核管壁的温度，常规要求tw≤580℃，因为温度超过低温腐蚀校核：

校核省煤器的壁温，保证壁温高于烟气的酸露点，防止低温腐蚀，常规要求tw规范依据：《锅炉机组热力计算标准方法》第8章九、通风与制粉系统阻力计算9.1各段阻力分解室燃炉的总阻力，由风侧、烟侧、制粉系统侧三个部分组成：

Δ参数说明：ΔPairΔPgasΔPmill9.2风侧阻力计算一次风阻力：一次风管道阻力：800\1500Pa燃烧器一次风阻力：500\1000Pa总一次风阻力：1500\2500Pa二次风阻力：二次风喷口阻力：1000\2000Pa风道阻力：500\1000Pa总二次风阻力：1500\3000Pa三次风阻力：三次风管道阻力：500\1000Pa喷口阻力：1000\2000Pa总三次风阻力：1500\3000Pa9.3受热面与烟道阻力计算各个对流受热面的阻力，包括沿程阻力与局部阻力：过热器阻力：常规取500\1000Pa蒸发器阻力：常规取800\2000Pa省煤器阻力：常规取400\900Pa空气预热器阻力：常规取600\1300Pa烟气净化系统阻力：脱酸塔阻力：1000\2000Pa布袋除尘器阻力：1000\1500Pa脱硝阻力：500\1000Pa烟道阻力：常规取200\500Pa总烟气侧阻力：6000\12000Pa，远高于常规锅炉，因为烟气净化的阻力大9.4制粉系统阻力计算制粉系统的阻力，用于一次风机与磨煤机的选型：磨煤机阻力：常规中速磨取1000\2000Pa，钢球磨取1500\3000Pa煤粉分离器阻力：常规取500\1000Pa煤粉管道阻力：常规取800\1500Pa总制粉系统阻力：3000\5000Pa，是室燃炉特有的高阻力部分9.5风机与磨煤机