燃生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)與熱力計(jì)算方法

1、燃生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱力計(jì)算方法湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院汪斌工程師關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐熱力計(jì)算摘要：根據(jù)生物質(zhì)燃料揮發(fā)分高，熱值低，著火快的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新的鍋爐結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不同于以往的燃煤鏈條爐排鍋爐，針對(duì)此新的鍋爐結(jié)構(gòu)，給出熱力計(jì)算方法。為了方便工程應(yīng)用，簡(jiǎn)化繁瑣的計(jì)算過(guò)程。本文在吸收現(xiàn)有熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的核心思想的基礎(chǔ)上，根據(jù)最基本的傳熱學(xué)理論，將大量的經(jīng)驗(yàn)公式，圖、表、結(jié)構(gòu)系數(shù)等化簡(jiǎn)合并。對(duì)于合并后的系數(shù)取值，結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行效果給出一個(gè)參考值。1 .鍋爐的設(shè)計(jì)目標(biāo)：排煙處過(guò)量空氣系數(shù)py,排煙溫度Tpy,熱效率q,蒸發(fā)量Do以上設(shè)計(jì)目標(biāo)在鍋爐熱力計(jì)算時(shí)預(yù)先給定，作為已知條

2、件使用。2 .計(jì)算的目的：根據(jù)以上給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定鍋爐結(jié)構(gòu)各部分的尺寸，比如爐膛尺寸小了，鍋爐蒸發(fā)量達(dá)不到，尺寸大了過(guò)量空氣系數(shù)增加，效率下降。設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程：先假定一個(gè)鍋爐結(jié)構(gòu)，如圖所示為經(jīng)過(guò)修改后的燃生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)，它分為三部分：1.爐膛；2對(duì)流管束；3尾部對(duì)流受熱面。取消了燃煤鍋爐的鏈條爐排和前后爐拱，用一個(gè)不設(shè)水冷壁的耐火澆筑燃燒室引燃新加入的燃料。3.爐膛傳熱計(jì)算:爐膛傳熱計(jì)算的內(nèi)容：根據(jù)假定的爐膛尺寸，確定爐膛的出口煙溫，和輻射傳熱量。若出口煙溫和傳熱量不合理，則須修改爐膛尺寸。爐膛容積的大小可以先參考爐膛容積熱負(fù)荷假定。爐膛傳熱計(jì)算的理論模型：將火焰看作緊貼水冷壁的一個(gè)表面。則

3、爐膛傳熱計(jì)算可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)灰體表面之間的輻射傳熱計(jì)算:傳熱方程Qr310afurA(T：T焉)KJ/Kg(1)Bcal上式為純理論公式，式中Be.是計(jì)算燃料消耗量，根據(jù)設(shè)計(jì)的鍋爐蒸發(fā)量D,算出所需吸熱量，再除以每千克燃料的熱值乘以鍋爐效率，即可得出。式中出現(xiàn)常數(shù)3.6是因?yàn)橛?jì)算燃料消耗量Bcai單位是Kg/h,需采用國(guó)際單位秒，需要乘以3600。A是傳熱面積m2,包括爐膛四周水冷壁和爐頂受熱面的面積，幾何計(jì)算得出。o5.67108W/（m2K4）是玻爾茲曼常數(shù)。公式應(yīng)用的關(guān)鍵在于確定系統(tǒng)黑度afur?afur是兩個(gè)灰體表面之間傳熱的系統(tǒng)黑度，按上圖的簡(jiǎn)化模型，根據(jù)傳熱學(xué)理論afur；1。X12

4、和X21為兩個(gè)表面的視角系數(shù)，按11Xi2（-1）X/1）112上圖模型，都等于1；1為其中一個(gè)表面的發(fā)射率（發(fā)射率為表面相對(duì)黑體的輻射能力），取為水冷壁，按不光澤金屬表面為0.8,2為火焰的發(fā)射率，實(shí)際上火焰的發(fā)射輻射和吸收輻射都對(duì)光譜有選擇性，火焰發(fā)射率2是波長(zhǎng)的函數(shù)，不能采用灰體假設(shè)，但是根據(jù)現(xiàn)有的熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，仍將其看做與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的灰體。2與火焰中CO2,GO成分和飛灰、炭黑濃度有關(guān)。其中CO2,GO的發(fā)射率可以查圖得出，飛灰和炭黑的發(fā)射率按經(jīng)驗(yàn)公式估算。按燃煤鍋爐的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算2=0.35,那么afur10.32。Twal是水冷壁表工工112面溫度，可以取為250c（523K）,四次

5、方之后與前一項(xiàng)相比可以忽略。Tav是爐膛內(nèi)火焰平均溫度，為未知量，也可以用爐膛出口煙溫Tfur的函數(shù)代替。Qr是傳熱量，為未知量。公式（1）的問(wèn)題是，為了方便計(jì)算，對(duì)火焰采用灰體模型，這實(shí)際上是不正確的。既然這樣，那我們干脆不采用通過(guò)查圖、查表，計(jì)算平均射線程長(zhǎng)，估算飛灰和炭黑發(fā)射率的方法去計(jì)算，而直接給定一個(gè)系統(tǒng)黑度afur的值，比如而,0.3.然后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)去修正這個(gè)值。熱平衡方程，QrVCaV（TadiT.）KJ/Kg（2）物理意義是傳熱量等于煙氣從絕熱火焰溫度降至爐膛出口溫度的始的變化量。其中為保熱系數(shù)，1一口0.98,物理意義為始q5的變化量中扣除散熱損失以后，能被工質(zhì)吸收的

6、比例。V為每千克燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣體積，根據(jù)燃料元素成分算出煙氣中CO2,H2O,O2,N2各成分的體積后相加，再加上過(guò)量的空氣而得到。Cav為爐膛內(nèi)煙氣的平均熱容量，查煙氣給溫表得到，乘以后面的溫差即得到煙氣的給的變化量。Tadi為絕熱火焰溫度，可以根據(jù)燃料發(fā)熱量查始溫表得到。心,為爐膛出口煙溫，為未知量，Qr為未知量。36a,A聯(lián)立（1）（2）,Qr（TaVT：al）,QrVCavSdi丁而）兩個(gè)Bcal方程，兩個(gè)未知量?？梢越獬鰻t膛出口煙溫丁.和每千克燃料爐膛傳熱量Qr,計(jì)算時(shí)做好電子表格，估計(jì)一個(gè)爐膛出口煙溫丁而值（比如1100K）,代入上述兩個(gè)方程，如果兩個(gè)方程得出的Qr的值相差不超

7、過(guò)1%,那么可以認(rèn)為Tfur的估計(jì)值就是方程的解。根據(jù)r.和Qr的計(jì)算結(jié)果可以判斷爐膛尺寸的選擇是否合理。假如計(jì)算出.高，則說(shuō)明爐膛尺寸小了。以我的經(jīng)驗(yàn)，生物質(zhì)燃料丁而應(yīng)不超過(guò)1100K。爐膛傳熱量Qr應(yīng)占鍋爐全部受熱面?zhèn)鳠崃康?070%。在爐膛傳熱計(jì)算前，需要先做好給溫表、煙氣量計(jì)算、絕熱火焰溫度計(jì)算等前置的計(jì)算準(zhǔn)備。4.對(duì)流管束傳熱計(jì)算：理論公式采用傳熱系數(shù)乘以溫差的形式3.6KAtQhKJ/Kg(3)Bcal式中t為溫壓，為煙氣平均溫度和管內(nèi)介質(zhì)平均溫度的溫差。公式(3)的關(guān)鍵在于確定傳熱系數(shù)K。根據(jù)實(shí)際的受熱面結(jié)構(gòu)形式，如順列水管、錯(cuò)列水管、煙管等，選擇相應(yīng)的傳熱系數(shù)計(jì)算公式。常數(shù)3.

8、6仍為Beal單位由KG/h化為秒所乘的系數(shù)。K為傳熱系數(shù)(熱阻的倒數(shù))，K1T，分母中兩部分分別為，煙氣至管外壁的熱阻，管內(nèi)壁12至介質(zhì)的熱阻，忽略了管壁中的傳導(dǎo)熱阻。對(duì)于普通工業(yè)鍋爐，管內(nèi)介質(zhì)為汽水混合物，2很大，可以忽略分母中第二項(xiàng)。1包含輻射和對(duì)流兩部分1con,，當(dāng)煙溫小于600c時(shí)，可以忽略輻射部分。為考慮積灰和沖刷不均勻的系數(shù)，取0.6。根據(jù)前述鍋爐結(jié)構(gòu)圖，為雙鍋筒的順列對(duì)流管束，選擇順列水管的傳熱系數(shù)公式：對(duì)流部分con0.2CsCz-()0.65Pr0.33W/(m2K)d15.67108awa-1agTat-2g1W/(m2K)式中煙氣流速、普朗特?cái)?shù)Pr、煙氣導(dǎo)熱系數(shù)、粘度

9、均是煙氣溫度的函數(shù)，Cs、Cz為結(jié)構(gòu)系數(shù)。查表計(jì)算依然繁瑣。輻射部分ar經(jīng)過(guò)計(jì)算給出參考值r10W/(m2K),刈60W/(m2K)。那么式(3)中只有兩個(gè)未知數(shù)吸熱量Qh和平均煙溫Tav。對(duì)流管束中熱平衡方程：Qh(II,I0)I、I分別為受熱面入口和出口處煙氣的始，是對(duì)流管束入口煙溫T,和出口煙溫T的函數(shù)，通過(guò)查始溫表得到I、I,。對(duì)流管束入口煙溫T,就是爐膛出口煙溫Tfur,已經(jīng)通過(guò)前述爐膛傳熱計(jì)算解出。I0為該處受熱面漏風(fēng)帶入的冷空氣始，通過(guò)煙氣量計(jì)算得到。式(4)中也有兩個(gè)未知數(shù)吸熱量Qh和出口煙溫t。聯(lián)立(3)，Qh36KAJ,Qh(II,I0)可以解出該級(jí)受熱Bcal面吸熱量Qh

10、和出口煙溫T,。根據(jù)吸熱量Qh和出口煙溫T的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)，增加或減少該級(jí)受熱面的面積A。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行情況修正10W/(m2K),con60W/(m2K)的值。4 .尾部受熱面計(jì)算：與對(duì)流受熱面計(jì)算類似，聯(lián)立(3)(4),Qh36KA1,Qh(I,I,I),I,為上級(jí)受熱面出口煙氣的始。Bcal當(dāng)上級(jí)受熱面出口煙溫T,低于600c時(shí)，可以忽略傳熱系數(shù)K中的輻射部分r,對(duì)流部分的傳熱系數(shù)con按尾部受熱面的布置方式選擇經(jīng)驗(yàn)公式，如仍為順排管束，則與上述公式相同，但煙氣流速，普朗特?cái)?shù)Pr,導(dǎo)熱系數(shù)，粘度等已隨煙氣溫度而改變。由con0.2CsCz(-d).65Pr.33計(jì)算，參考值con65W/(m2K)。根據(jù)設(shè)d計(jì)目標(biāo)選擇合適的尾部受熱面面積，使鍋爐最終排煙溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在實(shí)際運(yùn)行中修正con