黑液燃烧空气量烟气量与热效率设计计算书

黑液燃烧空气量、烟气量与热效率设计计算书DesignCalculationofCombustionAirDemand,FlueGasVolumeandThermalEfficiencyforBlackLiquor工程名称制浆造纸碱回收炉燃烧系统设计文件编号JS-HLRS-2026-007设计阶段初步设计文件类型热力计算说明书编制人________________审核人________________批准人________________编制日期2026年10月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计依据与计算任务 设计依据与计算任务1.1设计任务本计算书针对制浆造纸企业碱回收锅炉（以下简称“碱回收炉”）黑液燃烧系统，完成燃烧空气量、烟气量及锅炉热效率的设计计算。计算范围涵盖理论空气量、实际空气量、理论烟气量、实际烟气量、烟气组成、热平衡及各项热损失，并对炉膛热负荷、排烟温度及污染物排放进行安全核验，为碱回收炉的送风系统、引风系统、除尘脱硫系统及尾部受热面选型提供设计依据。1.2设计依据与引用标准本计算书依据下列现行国家标准与行业规范编制：序号标准编号标准名称1GB/T27713—2011非木浆碱回收燃烧系统能量平衡及能量效率计算方法2HJ991—2018污染源源强核算技术指南锅炉3GB/T10180—2017工业锅炉热工性能试验规程4GB13271—2014锅炉大气污染物排放标准5GB50016—2014（2018年版）建筑设计防火规范6GB/T15732—2018制浆造纸厂设计规范表1-1设计引用标准一览表2设计原始数据2.1黑液设计参数本设计以草浆及木浆混合制浆黑液为燃料，黑液经多效蒸发及增浓后送入碱回收炉炉膛。设计黑液参数如下：参数名称符号设计值黑液绝干固形物处理量B50.0t/h入炉黑液固形物质量浓度w_ds75.0%黑液入炉温度t_bl90℃固形物高位发热量（设计值）Q_gr,ad15.10MJ/kg固形物低位发热量（设计值）Q_net,ar14.00MJ/kg黑液密度（75%浓度）ρ_bl1.18t/m³环境冷空气温度t_025℃锅炉排烟温度py150℃表2-1黑液设计参数表2.2黑液固形物元素分析黑液绝干固形物的元素分析（质量百分数，干基）作为燃烧计算的基础数据，其中C、H、O、N、S为可燃及气体组分，Na、K为熔融无机碱金属，Cl为腐蚀性元素。设计取值如下：元素符号质量分数/%备注碳C_ar37.50可燃组分氢H_ar3.80可燃组分氧O_ar35.20内源性氧氮N_ar0.10生成NOₓ前体硫S_ar3.80含Na₂S及有机硫氯Cl_ar0.10高温腐蚀因素钠Na_ar19.00回收碱主体钾K_ar0.50熔融及结渣因素表2-2黑液绝干固形物元素分析表（收到基）注：以上各元素质量分数之和为100.00%（含痕量灰分）。Na、K在炉膛内主要以Na₂CO₃、Na₂S、K₂CO₃等熔融无机物形式存在，不参与气相燃烧耗氧，仅S中可燃部分按完全氧化为SO₂计入燃烧计算。3燃烧空气量计算3.1理论空气量理论空气量系指1kg绝干黑液固形物中可燃元素完全燃烧、且无过剩氧时所需的干空气量。依据HJ991—2018附录C，由元素分析按下式计算：V0=0.0889(Car式中：V₀——理论空气量，Nm³/kg（绝干固形物）；C_ar、H_ar、O_ar、S_ar——分别为收到基碳、氢、氧、硫的质量百分数，%。代入设计数据：V0=0.0889×(37.5+0.375×3.8)+0.265×3.8-0.0333×35.2（V0=3.460+1.007-1.172=3.295Nm³/kgds（3.2过剩空气系数选取碱回收炉燃烧过程需维持炉膛上部氧化气氛以保证Na₂S完全氧化为Na₂SO₄，同时避免过大过剩空气导致排烟热损失升高及飞灰增加。参考GB/T27713—2011及工程实践，本设计选取炉膛出口过剩空气系数：项目符号设计取值炉膛出口过剩空气系数α₁1.20除尘器漏风系数Δα0.05排烟处过剩空气系数α_py1.25表3-1过剩空气系数选取表3.3实际空气量实际空气量按下式计算：Vk=V0代入数据：V_k=3.295×1.20=3.954Nm³/kgds。按设计固形物处理量B=50000kg/h计，每小时实际干空气消耗量为：VVair=V考虑空气含湿量（按湿空气含湿量d=10g/kg干空气），湿空气体积流量约为20.1万Nm³/h。送风机选型应在此基础上预留10%～15%的风量裕量及2000Pa以上压头裕量。4烟气量计算4.1理论烟气量理论烟气量由三部分组成：三原子气体（RO₂=CO₂+SO₂）、理论氮气及理论水蒸气。4.1.1三原子气体容积VRO₂=0.01866(CarVRO₂=0.01866×(37.5+0.375×3.8)=0.726Nm³/kgds（4.1.2理论氮气容积VN₂⁰=0.79V0代入：V_N₂⁰=0.79×3.295+0.008×0.1=2.604Nm³/kgds。4.1.3理论水蒸气容积理论水蒸气包括氢燃烧生成水、黑液带入水分蒸发两部分：VH₂O⁰=0.111Har式中：M_bl——每kg绝干固形物带入的游离水分，kg/kgds；按黑液浓度75%计，M_bl=(1−0.75)/0.75=0.333kg/kgds。代入：V_H₂O⁰=0.111×3.8+1.244×0.333=0.422+0.415=0.837Nm³/kgds。4.1.4理论烟气总量Vg⁰=VRO₂Vy⁰=Vg⁰4.2实际烟气量实际烟气量为理论烟气量与过剩空气量及其携带水蒸气之和，按下式计算：Vg=Vg⁰代入：V_g=3.330+1.0161×0.20×3.295=4.000Nm³/kgds（干烟气）。湿实际烟气量：V_y=4.167+1.0161×0.20×3.295=4.837Nm³/kgds。4.3烟气成分及容积百分比根据燃烧反应方程式，实际烟气各组分容积如下：烟气组分符号容积/(Nm³·kg⁻¹ds)干烟气体积分数/%二氧化碳CO₂0.70017.50二氧化硫SO₂0.0270.67过剩氧气O₂0.1383.45氮气N₂3.12578.38干烟气合计V_g3.990100.00表4-1实际烟气组成表（α=1.20）烟气中三原子气体容积分数RO₂为18.17%，过剩氧O₂为3.45%，符合碱回收炉氧化段运行控制指标（O₂控制值3%～5%）。4.4烟气总流量按设计处理量B=50000kg/h计：Vflue,total=Vy干烟气流量为20.00万Nm³/h。引风机选型应按排烟处过剩空气系数α_py=1.25复核：Vpy=Vy5热平衡与热效率计算5.1输入热量碱回收炉输入热量包括黑液化学潜热及黑液带入物理热两部分：Qin=B×Qnet,ar式中：c_bl——75%浓度黑液比热，取2.50kJ/(kg·℃)（按kg黑液计）。黑液化学热：Q_chem=50000×14000=700000MJ/h。黑液物理热（按湿黑液量66667kg/h）：Q_ph=66667×2.50×(90−25)=10.83MJ/h。输入总热量：Q_in≈710830MJ/h（约197.5MW）。其中黑液化学热占比98.48%，物理热占比1.52%。5.2各项热损失5.2.1排烟热损失q₂q2=Vpy式中：c_py——标准状态下烟气平均定压容积比热，取1.38kJ/(Nm³·℃)；θ_py——排烟温度，取150℃。代入：q₂=4.837×1.38×(150−25)/14000×100%=5.96%。5.2.2气体不完全燃烧热损失q₃黑液中挥发性可燃物（CO、H₂、挥发性有机物）在炉膛上部及悬浮段基本燃尽，参考GB/T27713—2011实测数据，取q₃=0.50%。5.2.3固体不完全燃烧热损失q₄包括飞灰中未燃尽碳及炉膛落渣中残留碳。碱回收炉飞灰含碳量一般为0.3%～0.8%，本设计取q₄=1.00%。5.2.4散热损失q₅按锅炉容量及炉墙保温状况，参考GB/T10180—2017推荐值，取q₅=1.50%。5.2.5灰渣物理热损失q₆熔融物从熔炉温度（约850～950℃）排出带走显热，按熔融物量（约固形物的20%）及熔融物比热1.2kJ/(kg·℃)估算，取q₆=0.30%。5.3锅炉热效率锅炉正平衡热效率按下式计算：ηgl=100-q2代入各项热损失：ηgl=100-5.96-0.50-1.00-1.50-0.30=90.74%（热损失项目符号数值/%排烟热损失q₂5.96气体不完全燃烧损失q₃0.50固体不完全燃烧损失q₄1.00散热损失q₅1.50灰渣物理热损失q₆0.30锅炉热效率η_gl90.74表5-1碱回收炉热损失汇总表有效利用热量（产汽量）按热效率反算：Q_useful=Q_in×η_gl=710830×90.74%≈645000MJ/h。若产出3.82MPa、450℃过热蒸汽（焓约3330kJ/kg，给水焓约720kJ/kg），则对应蒸发量约为：D=645000×10³3330-720≈247t/h6安全核验6.1炉膛热负荷核验碱回收炉炉膛断面热负荷及容积热负荷是防止炉膛结焦、控制熔融物温度的关键指标。本设计按炉膛断面6.0m×6.0m、有效辐射受热高度18m估算：核验项目计算值推荐范围判定炉膛断面热负荷q_F0.55MW/m²0.45～0.65MW/m²合格炉膛容积热负荷q_V0.18MW/m³0.15～0.25MW/m³合格熔炉上部烟气温度约980℃900～1050℃合格表6-1炉膛热负荷安全核验表6.2污染物排放估算根据烟气量及元素分析，核算主要污染物初始排放浓度（标准状态，干基，基准氧含量8%）：污染物产生量/(kg·h⁻¹)排放浓度/(mg·Nm⁻³)GB13271—2014限值SO₂（S全部氧化）285014250需碱法脱硫≤100mg/Nm³NOₓ（按1.5g/kgds估算）75375低氮燃烧+SNCR≤200mg/Nm³烟尘（飞灰）约15007500电除尘+湿法≤30mg/Nm³表6-2污染物排放核算表注：SO₂理论产生量按S→SO₂计算（50000×3.8%×2=3800kg/h），但碱回收炉中约25%～30%的硫被熔融物吸收为Na₂SO₄，实际SO₂排放约2850kg/h，须配置碱法脱硫系统方可满足GB13271—2014特别排放限值要求。6.3防爆与安全联锁碱回收炉黑液喷射系统须设置以下安全联锁：（1）炉膛压力高/低报警及MFT主燃料跳闸；（2）黑液固形物浓度低于62%时禁止喷炉，防止炉内熔融物遇水爆炸（smelt-waterexplosion）；（3）熔融物溜槽水封液位低报警；（4）引风机跳闸时送风机联跳并进入炉膛吹扫程序（吹扫时间不少于5min）。7结果分析与工程指导意义7.1计算结果汇总计算项目结果理论空气量V₀3.295Nm³/kgds实际空气量（α=1.20）3.954Nm³/kgds，约19.77万Nm³/h理论干烟气量V_g⁰3.330Nm³/kgds实际湿烟气量V_y4.837Nm³/kgds，约24.19万Nm³/h排烟处烟气量（α=1.25）约24.36万Nm³/h烟气O₂体积分数3.45%（干基）输入总热量约710830MJ/h（197.5MW）锅炉热效率η_gl90.74%表7-1主要计算结果汇总表7.2工程指导意义（1）送风系统选型：送风机额定风量应按20.1万Nm³/h（湿空气）选型，风压不低于6000Pa，并配置一次风（熔炉流化风，占总风量60%）、二次风（上部燃烧风，占30%）、三次风（燃尽风，占10%）分级风室，各风门可调比不低于5∶1。（2）引风系统选型：引风机额定风量按25.5万Nm³/h（含5%裕量）选型，压头按炉膛−50Pa、锅炉本体阻力2500Pa、除尘脱硫阻力3000Pa、烟囱阻力500Pa合计约6000Pa选型。（3）余热回收：排烟温度150℃时仍含约37000MJ/h显热，建议增设空气预热器将冷空气由25℃预热至120℃，可降低排烟热损失约2.0个百分点，年节约标准煤约2500t。（4）环保配套：必须配置“电除尘+碱法脱硫+SNC