1、020t/h 燃煤锅炉空气预热器课程设计说明书江苏大学京江学院动力热能 1002 班3101105036张冠中1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
2、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，热平衡来确定焓值等数据来进行传热计算，设计出空气预热器结构尺寸，从而形式具体结构就的出。再进行阻
3、力计算，得到数据。2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。3目录第一章 已知参数 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 阻力计算第三章 数据总结参考文献4第一章 已知参数1.1 锅炉的已知参数表 11 锅炉已知参数锅炉蒸发量额定蒸汽压力给水温度额定蒸汽温度空气预热器入口温度排烟温度环境温度排污率 20t/h 2.5MPa 105 40025016020 51.2 燃料特性1.2.1 燃料选择： 贫煤贫煤：它是烟煤的一种，对
4、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，但发热量高，燃烧持续时间长。一般挥发份10%20%，含碳量高达 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 12 煤的成分成分 Car Oar Sar Har Nar Mar Aar Vdaf百分比（）39.9 4.6 0.2 2.7 0.6 7 45 2551.2.3 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
5、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（Q net）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 = 15890 KJ/ 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
6、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6刮板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 1 , 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 1 ,得
7、到 h=3240.7kj/kg又根据锅炉蒸发量：20t/h,得锅炉总吸热量： 2*1036hQ得： = 18004KJ/ s根据锅炉的效率，得消耗燃料的输入热量：（21）r=20670.5KJ/srQ7燃煤量为：（22）rnetQB1.3 kg/s2.3 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、熵是三个基本的状态函数，内能是由热力学第一定律确定的；熵是由热力学第二定律确定的；而
8、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 2,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 1Nm3)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8量(常以标准立方米计)。燃料完全燃烧时空气中所含
9、氧均与燃料中的可燃物质相化合，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：arararar0CHSO1V(.865.0.7.)20110(23) 得： 4.144 Nm3/h02.3.2 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。（2000RO2S2CO2V4）0.745934 Nm3/h02(25)0arN.4*.79V813.27856 Nm3/h02V(26)0ararHON2.1600.3738584Nm3/h022.3.3 理论烟气量的计算理论烟气量:指
10、单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气量。9查 1m3 空气，烟气和 1kg 灰的焓表 1经过差值计算170+0.6（358-170） Co2()282.8KJ/ m3130+0.6(260-130)N2208 KJ/ m3151+0.6（305-151） H2O()243.4 KJ/ m3根据 000yR2O2H22NI()()()OVCVC（27）983.49181KJ/ kg0y2.3.4 根据空气预热器的过量空气系数 1.20 的计算pj过量空气系数是指通过的可燃混合气成分指标，常用符号 表示。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 表示。=燃烧 1kg
11、 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=1 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；1 时则为稀混合气10过量空气量 ： （2kgpj0V(1)8）0.8288 Nm3/hkg水蒸气容积： （2OH22.6kgV9）0.3872 Nm3/h2V烟气总容积: OOH2N2(1)yROpj(210)5.3235 y3m/hRO2 容积份额： （2OR22yVr11）0.1422ROrH2O 容积份额： （22HOyV12）0.0742HOr三原子气体份额： （22ROr13）0.216r烟气
12、质量： （2O1.306rypjAGV14）117.04kgyG2.3.5 焓的计算在热力学中，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 r0 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
13、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 时的空气以及烟气的焓1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 31 焓值表顺序1 2 3 4 5 6 7 8 912t,()CCO2 2ROV* CCO2*NO2NCH2OO22HVyIktCOkI100 170.0 126.8 130 426.21 150.7 56.34 609. 132 549200 357.6 266.8 260 852 304 114 1233 266 1104300 538.9 416.9 392 1285
14、463 172.95 1875 403 1669表 32 焓温表1.20OyIkj/kgkkj/kg公式 (1)ooykIII100 613.20 548.67 613.2+ *548.67722.934738.616200 1241.04 1102.73 1241+ *1102.7yI()31461.55758.92300 1886.72 1668.75 1887+ *1669y12220.47132.4 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： 250y排烟温度： 160空气入口温度： 20kt查不同燃料和燃烧方式对预热空气温度表 1根据烟气入口温度： 250y
15、得： 20201h.5()H1563.88kj/kgy根据烟气出口温度： 160得： y20201.6()989.904kj/kgh因此 （4yyQ=()G放141） 4036.89Kj/kgQ=放(42)B总 放5247.957Kj/s总根据空气预热器已知参数： 64 mm1S60 mm2=在空气预热器中烟气流速 一般为 的范围内选取，yW0m/s4/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 。5 即， （4k=(y )3）取 烟气流速 12/ymsW6k根据烟气流速得：烟气总容积 ： （4yzVB4） 6.8055yz3m流通截面积： （44.
16、f=Wzy5）2.44 f3根据能量守恒15（4Q=Gh=Vh吸 空 气 空 气 空 气 空 气 空 气放6）查空气热物理性质表 3,利用试算法，先估后算，再根据焓温表 32，得出温度。根据试算法的出： 125kt核对误差： 5108.73Kj/sQ=估 算（4-10吸放 放 7）误差符合要求=2 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 t）的比例系数，即： Kq/t 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，它与传热面积乘积的倒数为传热过程的总热阻。根据 （4gbsh12K=18）：烟气
17、侧热阻116：受热面烟气侧灰污层热阻h：受热面管壁金属热阻gb：空气侧热阻21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：（412K=8）查管式空气预热器利用系数表 1查得： =0.85根据纵流冲刷受热面的温度改正系数图 1 查得： 1.05wCl138 =2W/m由 （410lw=9）17得： 40.32 1=2W/m根据空气在管外冲刷管子，利用（420zwsC10）根据决定横向冲刷错簇的对流放热系数的线算图 1得： 1.05w1z与 有关Cs根
18、据： （41211）（4221412）得 ： 1.72因此 （40.1.95sC13）0.94s求得： 61.6875 22W/m20.73 K=根据空气预热器的烟气入口温度： 250y排烟温度： 16018空气入口温度： 20kt空气出口温度： 125小温降等于： （414）xy90大温降等于： （4dkt15）105d（4ykPt16）0.39（4dxR17）1.15查交差温压改正系数图 1 选择二流程，查的 由 （4maxinittlnl18）（4maxtykt19）19（4mintykt20）得 140axt125min132.4tl（4nl21）132.4t2.4.3 传热面积的计算
19、根据 （4tQKF22）t求得： 1.912m2.4.4 管束的计算根据烟道的截面积 2.44 f=3设计烟道长度为 1.63m 烟道高度为 1.5 m根据单根管子的换热面积 （41()2ndfl23）201f32.890m由 （41n=Ff24）根07.98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。表 42 计算参数表序号名称符号 单位 公式 结果1进口空气温度kt 给定 202进口空气焓hkkj/kg 查焓温表 32 109.7213出口空气温度kt 先估后校 1254出口理论空气焓hkkj/kg 查焓温表 32 687.1855进口烟气温度 y 给定 250序号名
20、称符号 单位 公式 结果6进口理论烟气焓hykj/kg 查焓温表 32 1563.887出口烟气温度y 给定 1608出口理hykj/kg 查焓温表 32 989.90422论烟气焓9烟气平均温度pj 2y20510烟气流速yWm/s 1211流通截面积f2m()24ndl2.44序号名称符号 单位 公式 结果12烟气传热热阻12/()Wm 10lw=C40.3213空气侧热阻22/() 20zws61.687514传热系数K 2/()Wm 12K=20.7315 大温 d dkt10523降16小温降x xy9017对数平均温度tnl mainxittlnl132.418 温差 t tnl1
21、32.419单根管换热面积1f2m1()24ndfl31.890序号名称符号 单位 公式 结果20传热面积F 2mtQFK1.9121管数 n 根 1n=f10082.5 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24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。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
22、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。根据 （62()ycrkcwh1）：气动压2w25：沿程阻力ych：进口局部阻力系数rk：出口局部阻力系数c根据 （62nd1F0.785=xS2）0.28dFx查截面变化的阻力系数图 1得 0.385rkc（6221ycdlbwhT3）：沿程摩擦阻力系数：管程长度l：气流速度w：气体密度：气流平均绝对温度T：管壁平均绝对温度b：当量直径dl26依照 （6(1)273yBVwF4）得 13.4m/sy查摩擦阻力系数表 1 的 0.03查决定 760mmHg 时空气动压线算图 152Pa2w得 106.84Paych156.7
23、6 Pa2.6.2 空气侧阻力第二段空气预热器的管子为 403.5根据已知参数设出口空气温度为 55（62kwh5）查决定 760mmHg 时空气动压线算图 125Pa227（613.2(46.7)(2s SCd6） （60.270sR7） （602(1)Z8） 0.81221.125Pa 1kh第一级空气预热器采用 的管子40.5根据空气入口温度为 55空气出口温度为 125查决定 760mmHg 时空气动压线算图 126Pa2w2kh5.166 129.5Pa2k12kh147.12Pa k28第三章 数据总结表 1 数据总结序号 名称 符号 单位 结果1 进口空气温度 kt 202 出口空气温度 1253 入口烟气温度 y 2504 出口烟气温度 1605 横向间距 1Smm 646 纵向间距 2mm 607 级数 28 排数 m 249 总管数 n 根 100810 总换热面积 F 21.9111 烟气侧阻力 yhPa 156.7612 空气侧阻力 kPa 147.12参考文献1. 冯俊凯、沈幼庭， 锅炉原理及计算，科学出版社2. 赵翔、任有中， 锅炉课程设计，北利电力出版社3. 章熙民、任泽濡、梅飞鸣，传热学，中国建筑工业出版社294. 容銮恩、袁镇福、刘志敏，电站锅炉原理，中国电力出版社
