SHL20-2.5400燃用生物草锅炉设计.doc

1、哈尔滨理工大学学士学位论文第1章 热力计算SHL20-2.5/400燃用生物草锅炉设计1.1 设计任务1) 锅炉额定蒸发量：5.556kg/s(20t/h)。2) 蒸汽参数： 锅筒内蒸汽压力：2.7MPa。过热器出口蒸汽压力：2.5MPa。过热器出口蒸汽温度：400。3) 给水温度：105。4) 给水压力：2.8MPa。5) 排污率： 5%。6) 排烟温度： 160。7) 预热空气温度：130。8) 冷空气温度： 20。1.2 燃料特性1. 燃料名称：能源草。产地：浙江兰溪2. 燃料工作基（应用基）成分碳 Car=23.87%氢 Har =2.90%氧 Oar=21.32%氮 Nar=0.69

2、%硫 Sar=0.06%水分 Mar=47.00% 灰分 Aar=4.16%挥发分 Var=75.80%3. 燃料低位发热量 Qnet.ar=7574.56kJ/kg1.3 辅助计算1.3.1 空气平衡烟道各处过量空气系数，各受热面的漏风系数，列于表3-1中。炉膛出口过量空气系数按表2-42取。烟道中各受热面的漏风系数按表4-54取。表3-1烟道中各处过热空气系数及各受热面的漏风系数烟道名称过量空气系数漏风系数炉膛1.40.1凝渣管1.41.40过热器1.41.450.05锅炉管束1.451.500.05省煤器（钢管）1.501.600.1空气预热器1.601.700.11.3.2 燃烧产物容

3、积及焓的计算 1.3.2.1 理论空气量及 时燃烧产物容积的计算表3-2理论空气量及燃烧产物容积计算表序号名称符号单位计算公式或来源数值1空气理论容积Nm3/kg2.182理论容积Nm3/kg0.453理论容积Nm3/kg1.734理论容积Nm3/kg0.941.3.2.2 不同过量空气系数下燃烧产物的容积及成分不同过量空气系数下燃烧产物的容积及成分见表3-3。表3-3烟气特性表名称符 号单 位炉膛及凝渣管锅炉管束过热器省煤器空气预热器入口过量空气系数1.400 1.450 1.500 1.600 出口过量空气系数1.4001.450 1.500 1.600 1.700 平均空气系数1.400

4、1.425 1.475 1.550 1.650 烟气总容积3.990 4.044 4.153 4.317 4.535 水蒸气容积份额0.2392 0.2362 0.2304 0.2223 0.2123 三原子气体容份额0.1117 0.1102 0.1073 0.1033 0.0983 三原子气体总容积份额0.3509 0.3464 0.3377 0.3255 0.3106 烟气重量/4.95025.02155.16405.37795.6630飞灰浓度/0.00340.00330.00320.00310.00291.3.2.3 不同过量空气系数燃烧产物的焓温表表3-4烟气焓温表烟气温度VRO2

5、=0.45Nm3 /kgVoN2=1.73Nm3 kgVoH2O=0.94Nm3/kgV=2.18Nm3/kgkJ/Nm3kJ/kgkJ/Nm3 kJ/kg kJ/Nm3 kJ/kgkJ/Nm3kJ/kg100170.0 75.79 129.6 224.24 150.5141.50 132.4 289.06 200357.5 159.37 259.9 449.69 304.5286.28 266.4 581.61 300558.8 249.11 392.0 678.26 462.7435.02 402.7 879.18 400771.9 344.11 526.5 910.98 626.2588

6、.74 541.8 1182.87 500994.4 443.30 663.8 1148.54 794.9747.34 684.1 1493.54 6001224.6 545.92 804.1 1391.29 968.9910.93 829.7 1811.42 7001461.9 651.71 947.5 1639.41 1148.91080.17 978.3 2135.85 8001704.9 760.04 1093.6 1892.20 1334.41254.57 1129.1 2465.07 9001952.3 870.33 1241.6 2148.27 1526.11434.80 128

7、2.3 2799.54 10002203.5 982.31 1391.7 2407.99 1722.91619.83 1437.3 3137.94 11002458.4 1095.94 1543.8 2671.16 1925.11809.93 1594.9 3482.02 12002716.6 1211.05 1697.2 2936.58 2132.32004.73 1753.4 3828.06 13002976.7 1327.00 1852.7 3205.63 2343.72203.49 1914.2 4179.12 14003239.1 1443.98 2008.7 3475.55 255

8、9.12406.00 2076.2 4532.80 15003503.1 1561.67 2166.0 3747.72 2779.0 2612.74 2238.9 4888.01 16003768.8 1680.11 2324.5 4021.96 3001.8 2822.21 2402.9 5246.06 17004036.4 1799.41 2484.0 4297.93 3229.2 3036.01 2567.3 5604.98 续表3-4烟气焓温表烟气温度kJ/kg1.40 1.45 1.50 1.60 1.70 100441.52 557.14 571.60 586.05 614.96

9、643.86 200895.35 1010.97 1157.07 1186.151244.31 1302.47 3001362.39 1714.06 1758.02 1801.98 1889.90 1977.81 4001843.82 2195.49 2376.11 2435.26 2553.54 2671.83 5002339.18 2936.60 3011.27 3085.95 3235.31 3384.66 6002848.15 3572.71 3663.29 3753.86 3935.00 4116.14 7003371.28 4225.62 4332.41 4439.21 4652.

10、79 4866.37 8003906.80 4892.83 5016.09 5139.34 5385.85 5632.36 9004453.40 5573.22 5713.20 5853.17 6133.13 6413.08 10005010.12 6265.30 6422.20 6579.09 6892.89 7206.68 11005577.03 6969.84 7143.94 7318.04 7666.24 8014.44 12006152.36 7683.58 7874.98 8066.39 8449.19 8832.00 13006736.11 8407.76 8616.72 882

11、5.67 9243.59 9661.50 14007325.52 9138.64 9365.28 9591.92 10045.2 10498.48 15007922.12 9877.33 10121.73 10366.1 10854.911343.73 16008524.29 10622.71 10885.01 11147.32 11671.92 12196.53 17009133.35 11375.35 11655.59 11935.84 12496.313056.84 1.3.3 锅炉热平衡及燃烧耗量计算 锅炉热平衡及燃料的计算见表3-5。表3-5热平衡及燃烧消耗量计算序号名称符号单位计算

12、公式或来源数值1燃料低位发热量Qnet.arkJ/给定7574.56 2冷空气温度tl.a给定20 3理论冷空气焓I0l.akJ/57.81 4排烟温度ex假定160 5排烟焓IexkJ/ =1.70查烟气焓温表1039.03 6固体不完全燃烧损失q4%查表5-43选取5 7气体不完全燃烧损失q3%查表5-43选取1 8排烟损失q2%11.80 9散热损失q5%据图2-42 选取1.3 10飞灰份额fh取用0.4 11灰渣焓(C)ashkJ/按附表2112灰渣温度取600560.2 12灰渣物理热损失q6%0.18 13锅炉总热损失q%19.28 14锅炉热效率%100-q80.72 15过热

13、蒸汽焓ish.skJ/P=2.6MPt=400查水蒸气焓温表3239.04 16饱和水温度ts.wkJ/P=2.7MP查水蒸气焓温表228.07 17饱和水焓is.wkJ/P=2.7MP查水蒸气焓温表981.16 18给水温度tf.w给定105 19给水焓if.wkJ/P=2.8MP查水蒸气焓温表442.15 20锅炉排污率b.w%选定5 21锅炉有效利用热QefkJ/h56476858 22燃料消耗量B/h9237.42 23/s2.57 24计算燃料消耗量Bcal/h8775.55 25保热系数0.984 1.4 炉膛计算1.4.1 炉膛结构特性计算炉膛结构如图3-1所示图31 炉膛结构简

14、图 1.4.1.1 炉膛周界面积计算 炉膛周界面积计算见炉膛结构尺寸表3-6。表3-6炉膛结构尺寸表序号名称符号公式及来源数值1侧墙总面积F1I=(9.642-4.773)+(10.379-4.773) (3-0.25)/2=14.40 II=(4.773-2.406)1.72/2=2.04 III=(2.406-1.2)+(1.594-1.2)4.38/2=3.50 IV=(4.773-1.2)(3-1.72)=4.57 V=(2-1.2)+(3.06-1.2)1.46/2=1.94 VI=(8.696-4.773)+(8.206-4.773)0.25/2=0.92 F1=(14.40+2.

15、04+3.50+4.57+1.94+0.92)*2 54.75 2后墙总面积F2AJ=1.594-1.2=0.39 AB=(2.406-1.594)/sin10.5=4.46 BC=(4.773-2.406)/sin54=2.13 CD=8.206-4.773=3.43 DE=0.25/sin27=0.55 EF=10.379-8.696=1.68 F2=（0.39+4.46+2.13+3.43+0.55+1.68）3.19 40.33 3前、顶墙总面积F3FG=(10.379-9.642)/sin15=2.85 GH=9.642-3.060=6.58 HI=(3.060-2)/sin36=1

16、.80 IK=2-1.2=0.8 F3=(2.85+6.58+1.80+0.8)3.1938.39 4炉墙总面积FF1+F2+F3=54.75+40.33+38.39133.47 5炉排有效面积R7.3*3.0422.19 6炉膛周界面积FlF+R155.66 7炉膛容积VlF13.19/287.33 1.4.1.2 辐射受热面积的计算图3-2炉膛包覆面积 图3-3前后墙辐射受热面表3-7受热面计算表序号名称符号公式及来源数值1水冷壁管径 按结构设计0.060 2前、顶墙水冷壁管节距 按结构设计0.104 3管中心到墙距离 按结构设计0.0300 4管根数 按结构设计28 5光管有效角系数查线

17、图C2（,)0.87 6曝光长度HI+HG+GF=1.8+6.58+2.8511.237有效辐射受热面积27.43 8前顶墙水冷壁有效辐射受热面积27.43 9后墙水冷壁管节距 按结构设计0.104 10管中心线到墙距离 按结构设计0.0300 11管根数 按结构设计28 12光管有效角系数查线图C2（,)0.87 13覆盖耐火砖层水冷壁有效角系数取定0.15 14曝光长度DC+BC=3.43+2.135.56 15有效辐射受热面积13.58 16覆盖耐火砖长度AB4.46 17有效辐射受热面积1.8818后墙水冷壁有效辐射受热面积14.56 19烟 窗管节距 按结构设计0.208 20有效角

18、系数 按结构设计1 21管长 按结构设计2 22管根数 按结构设计14 23有效辐射受热面积5.41 24侧墙水冷壁侧墙水冷壁管节距 按结构设计0.125 25管中心到墙距离 按结构设计0.0300 26光管有效角系数 按结构设计0.8127布置水冷壁炉墙面积I=(9.642-4.773)+(10.379 -4.773)(3-0.25)/2=14.40 II=(8.696-4.773)+(8.206 -4.773)0.25/2=0.92 III=(4.773-1.20)3 -2.311(后拱遮盖面积)=8.41 F=14.40+0.92+8.41=23.73 23.73 28有效辐射受热面积1

19、9.22 29有效辐射受热面积=19.22 30总有效辐射受热面积86.75 31水冷度0.650 32炉膛有效辐射厚度2.02 33火床与炉膛面积比0.166 1.4.1.3 炉膛水冷壁布置水冷壁采用的光管，前后墙管节距s=104mm，侧墙管节距s=125mm侧墙布置管数为20根，前、后墙各布置28根。后墙水冷壁斜向上拉稀组成2排凝渣管，每排凝渣管为14根管子，最后与锅筒相连。侧墙水冷壁向上延伸，通过集箱连入锅筒。1.4.2 炉膛传热计炉膛传热计算见表3-7表3-7炉膛传热计算序号名称符号单位计算公或及来源数值1燃料低位发热量kJ/表3-57574.56 2燃料消耗量/h表3-59237.4

20、2 3计算燃料量/h表3-58775.55 4保热系数表3-50.984 5炉膛出口过量 空气系数给定1.40 6炉膛漏风系数给定0.10 7冷空气焓kJ/给定57.81 8热空气温度先假定后校核130 9热空气焓kJ/376.82 10空气带入炉膛热量kJ/495.65 11炉膛入炉热量kJ/7975.76 12绝对燃烧温度()查焓温表1240.35 13绝热燃烧绝对温度K1513.35 14炉膛出口烟温先假定后校核89015炉膛出口烟焓kJ/()查焓温表5504.01 16炉膛出口绝对温度K1163 17烟气平均热容量kJ/(.)7.06 18烟气中水蒸气容积份额查烟气特性表0.2392

21、19三原子气体容积份额查烟气特性表0.3509 20三原子气体总分压力MPa0.03509 21三原子气体辐射力MPa0.0709 22三原子气体辐射减弱系数1/(m.MPa)2.5837 23每公斤燃料耗气量/4.95 24烟气中飞灰浓度/0.0034 25固体颗粒辐射减弱系数1/(m.MPa)0.3886 26介质辐射减弱系数1/(m.MPa)2.9723 27火焰黑度0.451428水冷壁灰壁面黑度取定0.8 29炉膛水冷度0.650 30火床与炉墙的面积比0.166 31炉膛系统黑度0.556 32玻尔茨曼准则0.988 33管外灰层热阻/W取定0.0025834炉膛辐射受热面吸热量k

22、J/2432.58 35辐射受热面热流密度W/66813 36水冷壁管外灰污层表面温度K677.43 37系数0.18 38计算值1.949 39无因次出口温度查线图C890.76540炉膛出口烟气绝对温度K1158 41炉膛出口烟气温度885 42炉膛出口烟焓kJ/()查烟气焓温表5469.19 43炉膛辐射放热量kJ/2466.84 44燃烧面热强度W/875809 45燃烧室热强度W/m3222547 46辐射受热面热流密度W/69321 与假设炉膛出口烟气温度相差5，小与100，因此不用重新计算。1.5 凝渣管的传热计算 1.5.1 凝渣管结构计算 凝渣管束的结构图见下图3-2。图3-

23、2凝渣管结构简图凝渣管结构特性计算可以见表3-8。表3-8凝渣管结构表序号项目符号计算或数据来源数值1管径按结构设计0.060 21、2、3、4排管长按结构设计2 3管长按结构设计1.5 4管根数按结构设计14 5管根数按结构设计14 6横向节距按结构设计0.208 7有效角系数查线图C290.34 8 受热面积18.46 9烟气流通截面积3.1901.75-140.061.754.11 10凝渣管受炉膛辐射面积等于炉膛出口烟窗5.82 11凝渣管有效角系数0.56 12凝渣管有效辐射受热面积 3.2813横向平均节距按结构设计0.208 14纵向节距按结构设计0.250 15烟气有效辐射层厚

24、度0.940 16比值3.47 17比值4.17 1.5.2 凝渣管热力计算 凝渣管的传热计算见表3-9表3-9凝渣管传热计算表序号名称符号计算公式或来源数值1进口烟温等于炉膛出口烟温885 2进口烟焓()查焓温表5469.19 3出口烟温先假定后校核839 4出口烟焓()查焓温表5158.18 5烟气侧对流放热量306.08 6平均烟温862 7管内工质温度查线算图C139228.07 8最大温压656.64 9最小温压610.93 10平均温压633.51 11烟气流速9.83 12烟气中水蒸气容积份额查烟气特性表0.2392 13三原子气体容积份额查烟气特性表0.3509 14条件对流放

25、热系数查线算图C14-1970 15修正系数查线算图C14-290.91 16修正系数查线算图C14-291.06 17修正系数查线算图C14-290.92 18错列部分对流放热系数62.12 19对流放热系数62.12 20管壁积灰层表面温度 308.07 21条件辐射放热系数查线算图C189154 22三原子气体总分压力0.03509 23三原子气体辐射力0.0330 24三原子气体辐射减弱系数4.2904 25气体介质吸收力0.4031 26烟气黑度0.3318 27辐射放热系数51.09 28烟囱处炉膛辐射热负荷分布系数取定0.6 29防渣管吸收炉膛辐射热量56.05 30烟气对管壁放

26、热系数113.21 31有效系数取定0.6 32传热系数63.29 33传热量303.70 34误差0.78 表3-9凝渣管传热计算表35防渣管总吸热量362.1236校核校核：误差0.1%2%，设计合格，无需重算1.6 过热器的传热计算1.6.1 过热器结构特性及传热计算 1.6.1.1 过热器结构特性计算图33过热器几何尺寸简图过热器的结构特性计算见表3-10。 表3-10过热器结构特性计算表序号项目符号计算或数据来源数值单位1管外径按结构设计0.038m2管内径按结构设计0.031m3横向节距按结构设计0.1m4纵向节距按结构设计0.15m5横向管排数按结构设计30根6纵向管排数按结构设

27、计10根7横向冲刷受热面积51.90 m28纵向冲刷受热面积81.61 m29总受热面积133.52 m210横向冲刷烟气流通截面积2.97 m211纵向冲刷烟气流通截面积3.65 m212蒸汽逆流流通截面积0.0226 m213蒸汽顺流流通截面积0.0226 m214蒸汽平均流通截面积0.0226 m215管间有效辐射层厚度0.418 m表3-10过热器结构特性计算表16纵向冲刷当量直径1.425 m17横向相对节距2.63 18纵向相对节距3.95 1.6.1.2 热器传热计算过热器的传热计算见表3-11。表3-11过热器传热计算序号名称符号单位计算公式或来源数值1进口烟温C等于凝渣管出口

28、烟温839 2进口烟焓kj/kg查烟气焓温表5158.18 3出口烟温C先假定，后校核6654出口烟焓kj/kg()查烟气焓温表4098.225烟气放热量kj/kg1046.01 6接受炉膛的辐射热kj/kg43.26 7过热器进口温度C按P=2.7MP查水蒸汽表228.07 8过热器进口焓kj/kg按p=2.7MP查水蒸汽表2801.78 9过热蒸汽出口温度C给定400.0 10过热器出口焓kj/kg按p=2.6MP查水蒸汽表3239.04 11减温焓kj/kg取定7012过热蒸汽平均温度C314.04 13蒸汽进口比体积m3/kg按p=2.7MP查水蒸汽表0.0740 14蒸汽出口比体积m

29、3/kg按p=2.6MP查水蒸汽表0.1153 15蒸汽平均比体积m3/kg0.0946 16蒸汽流速m/s 23.23 17蒸汽侧条件对流放热系数W/（m2.C)查线图C169980 18管径修正系数查线图C1690.96 19蒸汽侧对流放热系数W/（m2.C)940.8 20烟气中水蒸气容积分额查烟气特性表0.2362 21三原子气体容积分额查烟气特性表0.3464 22平均烟温C752 23积灰系数取用0.0026 24灰壁温度C386.88 25三原子气体总分压力Mpa0.03464 26三原子气体辐射力Mpa.m0.01449 27三原子气体辐射减弱系数1/（m.Mpa)2.4718

30、 28气体介质吸收力0.1034 29烟气黑度0.0982 30条件辐射放热系数m2.C/W查线图C189128 31辐射放热系数m2.C/W12.59 3232横向冲刷顺列管束横向冲刷顺列管束烟气流速m/s12.58 条件对流放热系数m2.C/W查线图C13990 修正系数查线图C1391 修正系数查线图C1391.08 修正系数查线图C1391 对流放热系数W/（m2.C)97.20 烟气侧对流放热系数W/（m2.C)109.79 33热有效系数取定0.66 34横向冲刷传热系数W/（m2.C)63.80 35纵向冲刷顺列管束烟气流速m/s10.15 条件对流放热系数m2.C/W查线图C1

31、5925.6 修正系数查线图C1591.3 修正系数查线图C1590.88 对流放热系数W/（m2.C)29.29 烟气侧对流放热系数W/（m2.C)41.88 36纵向冲刷传热系数W/（m2.C)26.06 37平均传热系数W/（m2.C) 40.73 38最大温差C439.00 29最小温差C436.93 40平均温差C437.96 41无因次计算参数0.281 1.012 42温差修正系数查线图C2290.99 43平均温差C433.58 44传热量kj /kg1047.04 45误差百分比%0.1 46校核校核：误差0.1%2%，设计合格，无需重算1.7 锅炉管束的传热计算1.7.1

32、锅炉管束结构及传热计算1.7.1.1 锅炉管束结构特性计算锅炉管束结构如图3-5图3-5锅炉管束结构简图FGT+FJK+FPH+FKL+FXW+FMN+FRS锅炉管束结构计算见表3-14。表3-14锅炉管束结构序号项目符号单位计算或数据来源1 管径m选定0.051 2 横向节距m选定0.14 3 纵向节距m选定0.12 4 横向管数根/排选定22 5 纵向管数根/排选定16 6 耐火材料覆盖管长m按结构设计25.52 7 耐火材料覆盖面积m89.91 10 受热管长m每根管子长度见注86.53 11 受热面面积m214.94 12 烟气流通截面积mFGT=GT(3.19-0.05122)=1.882.068=3.89 FJK=JK(3.19-0.05122)=0.6692.068=1.38 FPH=PH(3.19-0.05122)=1.5462.068=3.20 FKL=KL(3.19-0.05122