20t/h燃煤鍋爐空氣預(yù)熱器課程設(shè)計說明書

摘要

空氣預(yù)熱器是電廠中的一個基本的設(shè)備，其作用主要是降低排煙溫

度，提高鍋爐效率，改善燃燒的著火條件和燃燒過程；降低不完全燃

燒損失等等?？梢娖涫且环N一箭雙雕的設(shè)備：一方面可以吸收煙氣余

熱，降低排煙溫度，提高鍋爐的經(jīng)濟性；另一方面使冷風(fēng)變成熱風(fēng)送

入爐內(nèi)，改善燃燒，提高鍋爐燃燒效率，并且強化傳熱。

管式空氣預(yù)熱器是一個立方體的官箱，中間有隔板，由于許多薄壁

鋼管組成，管子一般采用錯列布置兩端與鋼板焊接。管子垂直布置,

煙氣在管內(nèi)從上到下流動，空氣從管間的縫隙通過，進(jìn)行熱量交換。

管式空氣預(yù)熱器是通過它的下管板支撐在鍋爐空氣預(yù)熱器框架上的。

管式空氣預(yù)熱器可分為單流程和多流程，當(dāng)空氣預(yù)熱器受熱面積不變

時,增加流程會使每一通道的溫度降低，因此空氣流動速度就會增大,

管式空氣預(yù)熱器根據(jù)進(jìn)口方式不同，可分為單面進(jìn)風(fēng)和多面進(jìn)風(fēng)。其

他條件不變的時候，進(jìn)風(fēng)面越多，空氣的流動速度越低。與回轉(zhuǎn)式空

氣預(yù)熱器相比，管式空氣預(yù)熱器構(gòu)造簡單，制造、安裝和維護(hù)方便，

價格便宜，密封性能好，工作也可靠，但是管式傳熱性能差，使得空

氣預(yù)熱器的體積龐大，鋼耗嚴(yán)重。

本次課程實際經(jīng)過鍋爐選材，耗煤量計算，確定基本計算數(shù)據(jù)，通

過物料平衡，熱平衡來確定熔值等數(shù)據(jù)來進(jìn)行傳熱計算，設(shè)計出空氣

0

預(yù)熱器結(jié)構(gòu)尺寸，從而形式具體結(jié)構(gòu)就的出。再進(jìn)行阻力計算，得到

數(shù)據(jù)。

本課程設(shè)計由于時間限制,設(shè)計條件極為理想，只可作為理想設(shè)計,

不考慮漏風(fēng)等因素，并不十分完善。

1

目錄

第一章已知參數(shù)一-

1.1鍋爐已知參數(shù)

1.2燃料特性

第二章空氣預(yù)熱器設(shè)計

2.1鍋爐的選型

2.2燃煤量計算

2.3物料平衡與熱平衡

2.4傳熱計算

2.5結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.6阻力計算

第二章數(shù)據(jù)總結(jié)

參考文獻(xiàn)

2

第一章已知參數(shù)

1.1鍋爐的已知參數(shù)

表1—1鍋爐已知參數(shù)

鍋爐額定蒸給水額定空氣排煙環(huán)境排污

蒸發(fā)汽壓力溫度蒸汽預(yù)熱溫度溫度率

量溫度器人

口溫

度

20t/h2.5MPa105℃400℃250℃160℃20℃5%

1.2燃料特性

1.2.1燃料選擇：貧煤

貧煤：它是煙煤的一種，對煤化程度最高的煙煤的稱謂，這種煤著火溫度高，燃燒時火

焰短，但發(fā)熱最高，燃燒持續(xù)時間長。一般揮發(fā)份＞10%?20%,含碳最高達(dá)90%,含氫量

一般在4%?4.5%。貧煤一般用作煉焦配煤。

1.2.2煤的成分

表1—2煤的成分

成分CarOarSarHarNarIVIarAarVdaf

百分比39.94.60.22.70.674525

(%)

3

1.2.3煤的低位發(fā)熱量

單位質(zhì)量的燃料在完全燃燒時所發(fā)出的熱量稱為燃料的發(fā)熱量，高

位發(fā)熱量是指1Kg燃料完全燃燒時放出的全部熱量，包括煙氣中水

蒸汽已凝結(jié)成水所放出的汽化潛熱。從燃料的高位發(fā)熱量中扣除煙

氣中水蒸汽的汽化潛熱時，稱燃料的低位發(fā)熱量。

低位發(fā)熱量因為最接近工業(yè)鍋爐燃燒時的實際發(fā)熱量，常用于

設(shè)計計算。

低位發(fā)熱量（Qnet）單位質(zhì)量的試樣在恒容條件下，在過量氧

氣中燃燒，其燃燒產(chǎn)物組成為氧氣、氮氣、二氧化碳、二氧化硫，

氣態(tài)水以及固態(tài)灰時放出的熱量。恒容低位發(fā)熱量即由高位發(fā)熱量

減去水（煤中原有的水和煤中氫燃燒生成的水）的氣化熱后得到的

發(fā)熱量。

Qnet=15890KJ/kg

第二章空氣預(yù)熱器設(shè)計

2.1鍋爐選型

根據(jù)已知參數(shù)，在我國一般35t/h以下的鍋爐多采用鏈條爐排，

陰齒設(shè)計選擇燃燒方式為鏈條爐排。

鏈條爐排鍋爐，是一種臥式三回程水火管混合式鍋爐，在鍋筒

內(nèi)布置一束:螺紋煙管。爐膛左右二側(cè)裝有光管水冷墻。采用輕型鏈條

爐排實現(xiàn)機械加煤，配有鼓風(fēng)機、引風(fēng)機進(jìn)行機械通風(fēng)，并裝有刮板

4

式出渣機實現(xiàn)自動出渣。該爐前后拱采用新型的節(jié)能技術(shù)爐拱。燃料

自煤斗落到爐排上，進(jìn)入爐膛燃燒后，火焰經(jīng)過后拱折射向上通過本

體兩側(cè)燃燼室折向轉(zhuǎn)到前煙箱，再由前煙箱折回鍋內(nèi)管束，通過后煙

箱進(jìn)入省煤器，然后由引風(fēng)機抽引通過煙道至煙囪排向大氣。

根據(jù)鍋爐蒸發(fā)量20t/h,燃料的特性，查鍋爐的最低效率表⑴，可

得鍋爐的最低效率為76%,由于課程設(shè)計的限制，簡化設(shè)計，不考慮

漏風(fēng)等實際因素，因此取鍋爐的效率為87.1%。

2.2計算燃煤量

根據(jù)鍋爐蒸發(fā)量：20t/h；

額定蒸汽量：400℃

額定蒸汽壓力：2.5MPa

查過熱蒸汽表⑴，得到h=3240.7kj7kg

又根據(jù)鍋爐蒸發(fā)量：20t/h,得

2*1000*0

鍋爐總吸熱量:Q=

3600~~

得：Q=18004KJ/s

根據(jù)鍋爐的效率，得消耗燃料的輸入熱量:

Qr=~(2—1)

n

2r=20670.5KJ/s

燃煤量為:

5

3=旦-（2—2）

det

B=1.3kg/s

2.3物料平衡與熱平衡

物料平衡即產(chǎn)品或物料實際產(chǎn)量或?qū)嶋H用量及收集到的損耗之和

與理論產(chǎn)量或理論用量之間的比較，并考慮可允許的偏差范圍。

熱平衡定律是熱力學(xué)中的一個基本實驗定律，其重要意義在于它

是科學(xué)定義溫度概念的基礎(chǔ)，是用溫度計測量溫度的依據(jù)。在熱力學(xué)

中，溫度、內(nèi)能、炳是三個基本的狀態(tài)函數(shù)，內(nèi)能是由熱力學(xué)第一定

律確定的；燧是由熱力學(xué)第二定律確定的；而溫度是由熱平衡定律確

定的。所以熱平衡定律如第一、第二定律一樣也是熱力學(xué)中的基本實

驗定律，其重要性不亞于熱力學(xué)第一、第二定律，但由于人們是在充

分認(rèn)識了熱力學(xué)第一、第二定律之后才看出此定律的重要性，故英國

著名物理學(xué)家R.H.否勒稱它為熱力學(xué)第零定律。

根據(jù)燃燒方式，燃料種類，查爐膛出口空氣系數(shù)表⑶,得到爐膛的

出口過量空氣系數(shù)的范圍：1.20~1.25。取過量空氣系數(shù)為1.20,不

考慮漏風(fēng)情況。

2.3.1理論空氣量的計算

理論燃燒空氣指1kg液體或固體燃料（對氣體燃料則為lNm3）中

所含可燃物質(zhì)與氧進(jìn)行燃燒化學(xué)反應(yīng)，按理論計算求得的空氣需要量

（常以標(biāo)準(zhǔn)立方米計）。燃料完全燃燒時空氣中所含氧均與燃料中的可

6

燃物質(zhì)相化合，在燃燒產(chǎn)物中不再存在任何可燃物質(zhì)和多余的氧。理

淪空氣量是確定燃料實際燃燒所需空氣量的一個重要依據(jù)。

根據(jù)：

]rHso

V。=——(1.886^-+5.55^-+0.7工一0.7^)

00.21100100100100

(2-3)

得：乂=4.144Nm3/h

2.3.2理論燃燒后的燃燒產(chǎn)物計算

燃燒產(chǎn)物是指由燃燒或熱解作用產(chǎn)生的全部物質(zhì)。燃燒產(chǎn)物包括:

燃燒生成的氣體、能量、可見煙等。

V°R°2=V°+V°

S02C02(2—4)

V°Rn9=0.745934Nn?/h

N2等**+S79V。(2-5)

03

VN2=3.27856Nm/h

V°=n.匹+1.249+0.0161V。(2—6)

H29°O100100

3

V°H?n=0.3738584Nm/h

2.3.3理論煙氣量的計算

理論煙氣量:指單位燃料與理論空氣進(jìn)行完全燃燒生成的煙氣量。

查1m3空氣，煙氣和1kg灰的焰表⑴

經(jīng)過差值計算

7

(C6>)rn9=170-0.6(358-170)

=282.8KJ/m3

(G9)N2=130+0.6(260-130)

=208KJ/m3

(C，)HOC=151+0.6(305-151)

=243.4KJ/m3

根據(jù)巴=%。2。8)初+V°H2O(C6)H2。+e2(女后

(2—7)

I°y=983.49181KJ/kg

2.3.4根據(jù)空氣預(yù)熱器的過量空氣系數(shù)apj=l.20的計算

過量空氣系數(shù)是指通過的可燃混合氣成分指標(biāo)，常用符號a表

zjso

在我國及前蘇聯(lián)等國，通過的可燃混合氣成分指標(biāo)是過量空氣系

數(shù)，常用符號a表示。

a=燃燒1kg燃料實際所供給的空氣質(zhì)量/完全燃燒1kg燃料所需的理

論空氣質(zhì)量

由上面的定義表達(dá)式可知：無論使用任何燃料，凡過量空氣系數(shù)a=l

的可燃混合氣即為理論混合氣，此時燃料與空氣中的氧氣完全燃燒；

時，此時燃料與空氣中的氧氣不完全燃燒，產(chǎn)生的為濃混合氣；

a>l時則為稀混合氣

過量空氣量：Vk。=(。而一1)%(2—8)

“HJv

3

Vk2=0.8288Nm/h

8

水蒸氣容積：匕2。=V°H2。+0.0161^(2-9)

匕2。=03872Nn?/h

煙氣總?cè)莘e：K，=%o2+VH2o+V°N2+(a0T)V°

(2-10)

V.=5.3235Nm3/h

y

v°

RO2容積份額：rRO2=—良2(2-11)

匕

402=°142

V0

比0容積份額：rH2O=—必(2—12)

匕

%2。=0-074

三原子氣體份額：Q=r.+r(2-13)

乙iHf乙vxor\Rcz(乙n

Q=0.216

A

煙氣質(zhì)量：G=1——+1.306aV°(2-14)

)100PJ

Gy=7.04kg

2.3.5熠的計算

在熱力學(xué)中，分子、原子、離子做熱運動時遵從相同的規(guī)律，所

以統(tǒng)稱為分子。

既然組成物體的分子不停地做無規(guī)則運動，那么，像一切運動著的物

體一樣，做熱運動的分子也具有動能。分子動能與溫度有關(guān)，溫度越

高，分子的平均動能就越大，反之越小。所以從分子動理論的角度看,

溫度是物體分子熱運動的平均動能的標(biāo)志(即微觀含義，宏觀：表示

9

物體的冷熱程度）。

分子間存在相互作用力，即化學(xué)上所說的分子間作用力（范德華力）。

分子間作用力是分子引力與分子斥力的合力，存在一距離rO使引力

等于斥力，在這個位置上分子間作用力為零。分子勢能與彈簧彈性勢

能的變化相似。物體的體積發(fā)生變化時，分子間距也發(fā)生變化，所以

分子勢能同物體的體積有關(guān)系。

當(dāng)a=l時的空氣以及煙氣的焰

根據(jù)空氣預(yù)熱器入口溫度250℃,

排煙溫度160℃,

空氣入口溫度20℃,

因此溫度計算范圍為0-300℃

表3-1熔值表

順123456789

序

t,eCcO2

0N2*V°C0^H2O?z°QI°k

（℃0N2N2Gw。，y

）*e

CcO2

0

100170.0126.8130426.21150.756.34609.132549

200357.6266.826085230411412332661104

300538.9416.93921285463172.9518754031669

10

表3—2焰溫表

e

z°公式a=1.20

[℃]v

[kj/kg][kj/kg]Iy=I0y+(a-V)I\IAZ

10()613.20548.67Iv=613.2+(a—1)*548.67722.934

738.616

2001241.041102.73Iv=1241+(a—1)*1102.731461.55

758.92

3001886.721668.75I、=1887+(a-1)*16692220.47

11

2.4傳熱計算

2.4.1空氣出口溫度的計算

根據(jù)空氣預(yù)熱器的煙氣入口溫度：e'y=250℃

排煙溫度：e"y=i6o℃

空氣入口溫度：t'kIX=20℃

查不同燃料和燃燒方式對預(yù)熱空氣溫度表⑴

根據(jù)煙氣入口溫度：。［=250℃

得:hy="200+0.5.（“200—”|。0）

h'y=1563.88kj/kg

根據(jù)煙氣出口溫度：e〃y=i6（）℃

得：h"y="200一0?6.（"200一"100）

h"y=989.904kj/kg

因此Q放《My—h"y）?Gy

Q放=4036.89Kj/kg

Q總二Q放xB（4-2）

Q總=5247.957Kj/s

根據(jù)空氣預(yù)熱器已知參數(shù)：S|=64mm

S9=60mm

在空氣預(yù)熱器中煙氣流速W、,一般為10m/s?14m/s的范圍內(nèi)選

取，煙氣流速過高則磨損大，煙氣流速過低則會堵灰，設(shè)計中一般取

空氣流速比煙氣流速低，為煙氣的45%?55%。

12

即，

wk=(45%~55%)?Wv(4-3)

取煙氣流速

Wv=12m/s

W.K=6m/s

根據(jù)煙氣流速得：

煙氣總?cè)莘e

：VvzB(4-4)

V=6.8055m3

)v7z

43-V

流通截面積：f=-------(4-5)

w,

f=2.44m3

根據(jù)能量守恒

QxQ^G空氣?Ah空氣=V空氣xp空氣xAh空氣(4-6)

查空氣熱物理性質(zhì)表叫利用試算法，先估后算，再根據(jù)培溫

表3—2,得出溫度。

根據(jù)試算法的出：t"k=125℃

核對誤差：Q估兌=5108.73Kj/s

△二Q放一Q吸xioo%(4-7)

Q放

A=2%<2%誤差符合要求

2.4.2鍋爐對流受熱面的傳熱系數(shù)K的計算

傳熱系數(shù)，是換熱操作中熱量通量q(見傳熱過程)與傳熱推

動力(溫度差A(yù)t)的比例系數(shù)，即：K=q/At它在數(shù)值上等于在單

位溫度差推動下于單位時間內(nèi)經(jīng)單位傳熱面所傳遞的熱量，它與傳熱

13

面積乘積的倒數(shù)為傳熱過程的總熱阻。

根據(jù)K二-----------&-----&------------(4-8)

1+占351

入h入gbLg。2

1

—：煙氣側(cè)熱阻

0C1

5

—h：受熱面煙氣側(cè)灰污層熱阻

居

3gb

^―：受熱面管壁金屬熱阻

九gb

1

—:空氣側(cè)熱阻

a2

由于本課程設(shè)計數(shù)據(jù)精度不高，因此不考慮輻射換熱，只對對流換

熱研究，由于管壁的厚度很小，因此管壁熱阻可以忽略不計，在進(jìn)行

維護(hù)中，水垢沉積層的厚度很薄，因此可以忽略不計，即傳熱系數(shù)公

式可以簡化為：

--------—(4—8)

-11

——十——

%a2

查管式空氣預(yù)熱器利用系數(shù)表⑴

查得：C=0.85

根據(jù)縱流沖刷受熱面的溫度改正系數(shù)圖⑴

查得：Cw=1.05

14

G二i

a尸38W/m2?℃

由d=OCoxCjxCw(4—9)

得：a)=40.32W/m2?℃

根據(jù)空氣在管外沖刷管子，利用

a2=cx()xCzxCwxCs(4—10)

根據(jù)決定橫向沖刷錯簇的對流放熱系數(shù)的線算圖5

得:Cw=1.05

CZ=1

G與心有關(guān)

01一]

根據(jù)：

(pG=—;------(4—11)

O‘2?1

52=上小寸(4-12)

得：=1.7

因此Cs=0.950x(Po°」(4—13)

CJ=0.94

求得：a?=61.6875W/m2?℃

K=20.73W/m2?℃

r

根據(jù)空氣預(yù)熱器的煙氣入口溫度：0y=250℃

排煙溫度：0"y=16O℃

空氣入口溫度：t'k=20℃

15

空氣出口溫度：t"k=125℃

小溫降等于：=夕、.一夕\(4-14)

JA=90℃

大溫降等于：(4-15)

Q=105C

P=—%—(4——16)

%一乙

P=0.39

T.

R=—(4—17)

%

H=1.15

查交差溫壓改正系數(shù)圖”選擇二流程，查的甲

At—At

由At一業(yè)t(4-18)

川,At

In—―

Atmin

△tmaxWI(4T9)

匕JO)

A

得tmax=140℃

A1=125/

Atz?/=132.4℃

At=Atn/x(4—21)

At=132.4℃

16

2.4.3傳熱面積的計算

根據(jù)Q=KFM(4—22)

F=2

KAt

求得：F=1.91m2

2.4.4管束的計算

根據(jù)煙道的截面積f=2.44

設(shè)計煙道長度為1.63m

煙道高度為1.5m

根據(jù)單根管子的換熱面積工=(4詈)x?x/(4-23)

<=1.89x10―3m2

F

由n=—(4—24)

/

n=1007.9B1008根

根據(jù)設(shè)計為二流程，因此需要三段管箱，而每個管箱中有504

根管子。

17

表4—2計算參數(shù)表

序名符號單位公式結(jié)果

號稱

進(jìn)

口

空

1氣t'k℃給定20

溫

度

進(jìn)

口

空

2查焰溫表

氣*kj/kg3-2109.7

焰

出

口

空

3氣℃先估后校125

溫

度

出

口

理

論

4kj/kg查焰溫表3-2687.185

空*

氣

烙

進(jìn)

口

煙

氣

溫

度

5%℃給定250

18

序名符號單位公式結(jié)果

號稱

進(jìn)

口

理

6論叱kj/kg查焰溫表3-21563.88

煙

氣

焰

出

口

煙

7氣*℃給定160

溫

度

出

口

理

論

8查焰溫表3-2989.904

煙%kj/kg

氣

熔

煙

氣

平夕，+夕、

9均%℃205

溫2

度

煙

氣

10流%m/s12

速

流

通

截d+d7i

112(-----------)X—X/2.44

面fm

積24

19

序名符號單位公式結(jié)果

號稱

煙

氣

傳

熱2

12%W/（m-℃）%=a°xGxCw40.32

熱

阻

空

氣

側(cè)

1361.6875

熱a2W/（病.℃）a2=aoxCzxCwxCs

阻

傳

熱K=C[1]

系

14K20.73

數(shù)W/（病.℃）

——十—

（X[a2

大

溫

15℃105

降%I-，

小

溫

16℃90

降

對

數(shù)

At_加max-&min

平

均℃〃,一

17△t,”,Atmax132.4

溫

Atmin

度

溫

18℃132.4

差A(yù)tAt=Atz//xT

單

根

管

換

192于1.89x1O-3

熱m1

面24

積

20

序名符號單位公式結(jié)果

號稱

傳

熱

面F=-^-

20Fm21.91

積KM

管

數(shù)F

21n根n=—1008

f\

2.5結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)已知參數(shù)，

設(shè)計第一級空氣預(yù)熱器有16與15根管子交錯排列，空氣預(yù)熱器

長度為1.63m,寬度為1.5m,高度為1.5m,管子共有24排，共504

根管子。

設(shè)計第二級空氣預(yù)熱器有16與15根管子交錯排列，空氣預(yù)熱器

長度為1.63m,寬度為1.5m,高度為1.5m,管子共有24排，共504

根管子。

21

2.6阻力計算

2.6.1煙氣側(cè)阻力

由于立式管式空氣預(yù)熱器煙氣從管內(nèi)流過，空氣預(yù)熱器的阻

力由：入口局部阻力，管內(nèi)流動的沿程摩擦阻力和出口局部阻力組成。

?

卬一

根據(jù)△&=△&.+（晨+晨）^p(6一1)

9

口廣

p：氣動壓

2

A/2.:沿程阻力

yVc（

：進(jìn)口局部阻力系數(shù)

rk

以:出口局部阻力系數(shù)

根據(jù)&J785xd；

(6—2)

月^xS2

%=0.28

Fd

查截面變化的阻力系數(shù)圖⑴

得晨“二。?38

晨=058

22

(6—3)

X：沿程摩擦阻力系數(shù)

/:管程長度

w：氣流速度

P：氣體密度

T：氣流平均絕對溫度

或：管壁平均絕對溫度

4〃：當(dāng)量直徑

BVx0

依照w=——-(1+(6——4)

F273

得Wy=13.4m/s

查摩擦阻力系數(shù)表⑴的入=003

查決定760mmHg時空氣動壓線算圖⑴

^p=52Pa

得yc=106.84Pa

A/l=156.76Pa

yv