20t/h燃煤鍋爐空氣預熱器課程設計說明書江蘇大學京江學院動力熱能1002班3101105036張冠中摘要 空氣預熱器是電廠中的一個基本的設備，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。可見其是一種一箭雙雕的設備：一方面可以吸收煙氣余熱，降低排煙溫度，提高鍋爐的經濟性；另一方面使冷風變成熱風送入爐內，改善燃燒，提高鍋爐燃燒效率，并且強化傳熱。 管式空氣預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，煙氣在管內從上到下流動，空氣從管間的縫隙通過，進行熱量交換。管式空氣預熱器是通過它的下管板支撐在鍋爐空氣預熱器框架上的。管式空氣預熱器可分為單流程和多流程，當空氣預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，管式空氣預熱器根據進口方式不同，可分為單面進風和多面進風。其他條件不變的時候，進風面越多，空氣的流動速度越低。與回轉式空氣預熱器相比，管式空氣預熱器構造簡單，制造、安裝和維護方便，價格便宜，密封性能好，工作也可靠，但是管式傳熱性能差，使得空氣預熱器的體積龐大，鋼耗嚴重。 本次課程實際經過鍋爐選材，耗煤量計算，確定基本計算數據，通過物料平衡，熱平衡來確定焓值等數據來進行傳熱計算，設計出空氣預熱器結構尺寸，從而形式具體結構就的出。再進行阻力計算，得到數據。 本課程設計由于時間限制，設計條件極為理想，只可作為理想設計，不考慮漏風等因素，并不十分完善。目錄第一章 已知參數 1.1 鍋爐已知參數 1.2 燃料特性第二章 空氣預熱器設計 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 結構設計 2.6 阻力計算第三章 數據總結參考文獻第一章 已知參數1.1 鍋爐的已知參數 表 11 鍋爐已知參數鍋爐蒸發量額定蒸汽壓力給水溫度額定蒸汽溫度空氣預熱器入口溫度排煙溫度環境溫度排污率 20t/h2.5MPa105 4002501602051.2 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，但發熱量高，燃燒持續時間長。一般揮發份10%20%，含碳量高達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12 煤的成分成分CarOarSarHarNarMarAarVdaf百分比（）39.94.60.22.70.6745251.2.3 煤的低位發熱量單位質量的燃料在完全燃燒時所發出的熱量稱為燃料的發熱量，高位發熱量是指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成水所放出的汽化潛熱。從燃料的高位發熱量中扣除煙氣中水蒸汽的汽化潛熱時，稱燃料的低位發熱量。低位發熱量因為最接近工業鍋爐燃燒時的實際發熱量，常用于設計計算。低位發熱量（Qnet）單位質量的試樣在恒容條件下，在過量氧氣中燃燒，其燃燒產物組成為氧氣、氮氣、二氧化碳、二氧化硫，氣態水以及固態灰時放出的熱量。恒容低位發熱量即由高位發熱量減去水（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熱量。 Qnet = 15890 KJ/ kg第二章 空氣預熱器設計2.1 鍋爐選型根據已知參數，在我國一般35t/h 以下的鍋爐多采用鏈條爐排，陰齒設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，在鍋筒內布置一束螺紋煙管。爐膛左右二側裝有光管水冷墻。采用輕型鏈條爐排實現機械加煤，配有鼓風機、引風機進行機械通風，并裝有刮板式出渣機實現自動出渣。該爐前后拱采用新型的節能技術爐拱。燃料自煤斗落到爐排上，進入爐膛燃燒后，火焰經過后拱折射向上通過本體兩側燃燼室折向轉到前煙箱，再由前煙箱折回鍋內管束，通過后煙箱進入省煤器，然后由引風機抽引通過煙道至煙囪排向大氣。根據鍋爐蒸發量20t/h，燃料的特性，查鍋爐的最低效率表1 , 可得鍋爐的最低效率為76%，由于課程設計的限制，簡化設計，不考慮漏風等實際因素，因此取鍋爐的效率為87.1%。2.2 計算燃煤量 根據鍋爐蒸發量：20t/h ； 額定蒸汽量：400 額定蒸汽壓力：2.5MPa查過熱蒸汽表1 ,得到h=3240.7kj/kg又根據鍋爐蒸發量：20t/h,得鍋爐總吸熱量： 得： = 18004KJ/ s根據鍋爐的效率，得消耗燃料的輸入熱量： （21） =20670.5KJ/s燃煤量為： （22） 1.3 kg/s2.3 物料平衡與熱平衡 物料平衡即產品或物料實際產量或實際用量及收集到的損耗之和與理論產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中的一個基本實驗定律，其重要意義在于它是科學定義溫度概念的基礎，是用溫度計測量溫度的依據。在熱力學中，溫度、內能、熵是三個基本的狀態函數，內能是由熱力學第一定律確定的；熵是由熱力學第二定律確定的；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中的基本實驗定律，其重要性不亞于熱力學第一、第二定律，但由于人們是在充分認識了熱力學第一、第二定律之后才看出此定律的重要性，故英國著名物理學家R.H.否勒稱它為熱力學第零定律。 根據燃燒方式，燃料種類，查爐膛出口空氣系數表2,得到爐膛的出口過量空氣系數的范圍：1.20 1.25。取過量空氣系數為1.20，不考慮漏風情況。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1Nm3)中所含可燃物質與氧進行燃燒化學反應，按理論計算求得的空氣需要量(常以標準立方米計)。燃料完全燃燒時空氣中所含氧均與燃料中的可燃物質相化合，在燃燒產物中不再存在任何可燃物質和多余的氧。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。 根據： (23) 得： 4.144 Nm3/h2.3.2 理論燃燒后的燃燒產物計算 燃燒產物是指由燃燒或熱解作用產生的全部物質。燃燒產物包括：燃燒生成的氣體、能量、可見煙等。 （24） 0.745934 Nm3/h (25)3.27856 Nm3/h (26)0.3738584Nm3/h2.3.3理論煙氣量的計算 理論煙氣量:指單位燃料與理論空氣進行完全燃燒生成的煙氣量。 查1m3空氣，煙氣和1kg灰的焓表1 經過差值計算170+0.6（358-170） 282.8KJ/ m3 130+0.6(260-130) 208 KJ/ m3 151+0.6（305-151） 243.4 KJ/ m3 根據 （27） 983.49181KJ/ kg2.3.4 根據空氣預熱器的過量空氣系數1.20的計算 過量空氣系數是指通過的可燃混合氣成分指標，常用符號表示。 在我國及前蘇聯等國，通過的可燃混合氣成分指標是過量空氣系數，常用符號表示。=燃燒1kg燃料實際所供給的空氣質量/完全燃燒1kg燃料所需的理論空氣質量由上面的定義表達式可知：無論使用任何燃料，凡過量空氣系數=1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；1時則為稀混合氣 過量空氣量 ： （28） 0.8288 Nm3/h 水蒸氣容積： （29） 0.3872 Nm3/h 煙氣總容積: (210) 5.3235 RO2容積份額： （211） 0.142 H2O容積份額： （212） 0.074 三原子氣體份額： （213） 0.216 煙氣質量： （214） 7.04kg2.3.5 焓的計算 在熱力學中，分子、原子、離子做熱運動時遵從相同的規律，所以統稱為分子。既然組成物體的分子不停地做無規則運動，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，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志（即微觀含義，宏觀：表示物體的冷熱程度）。分子間存在相互作用力，即化學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r0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。物體的體積發生變化時，分子間距也發生變化，所以分子勢能同物體的體積有關系。當 時的空氣以及煙氣的焓根據空氣預熱器入口溫度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31 焓值表順序123456789t,()CCO2* CCO2*100170.0126.8130426.21150.756.34609.132549200357.6266.826085230411412332661104300538.9416.93921285463172.9518754031669表32 焓溫表kj/kgkj/kg公式1.20100613.20548.67613.2+*548.67722.934738.6162001241.041102.731241+*1102.731461.55758.923001886.721668.751887+*16692220.472.4 傳熱計算 2.4.1 空氣出口溫度的計算 根據空氣預熱器的煙氣入口溫度：250 排煙溫度：160 空氣入口溫度： 20查不同燃料和燃燒方式對預熱空氣溫度表1 根據煙氣入口溫度：250 得： 1563.88kj/kg 根據煙氣出口溫度：160 得： 989.904kj/kg 因此 （41） 4036.89Kj/kg (42) 5247.957Kj/s 根據空氣預熱器已知參數：64 mm 60 mm 在空氣預熱器中煙氣流速一般為的范圍內選取，煙氣流速過高則磨損大，煙氣流速過低則會堵灰，設計中一般取空氣流速比煙氣流速低，為煙氣的。 即， （43） 取 煙氣流速 根據煙氣流速得： 煙氣總容積 ： （44） 6.8055 流通截面積： （45） 2.44 根據能量守恒 （46） 查空氣熱物理性質表3,利用試算法，先估后算，再根據焓溫表32，得出溫度。根據試算法的出：125 核對誤差：5108.73Kj/s （47） 誤差符合要求2.4.2 鍋爐對流受熱面的傳熱系數K的計算 傳熱系數，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t）的比例系數，即： Kq/t它在數值上等于在單位溫度差推動下于單位時間內經單位傳熱面所傳遞的熱量，它與傳熱面積乘積的倒數為傳熱過程的總熱阻。 根據 （48） ：煙氣側熱阻 ：受熱面煙氣側灰污層熱阻 ：受熱面管壁金屬熱阻 ：空氣側熱阻 由于本課程設計數據精度不高，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，在進行維護中，水垢沉積層的厚度很薄，因此可以忽略不計，即傳熱系數公式可以簡化為： （48） 查管式空氣預熱器利用系數表1 查得： 根據縱流沖刷受熱面的溫度改正系數圖1 查得：1.05 38 由 （49） 得：40.32 根據空氣在管外沖刷管子，利用 （410） 根據決定橫向沖刷錯簇的對流放熱系數的線算圖1 得：1.05 1 與有關 根據： （411） （412） 得 ： 1.7 因此 （413） 0.94 求得： 61.6875 20.73 根據空氣預熱器的煙氣入口溫度：250 排煙溫度：160 空氣入口溫度： 20 空氣出口溫度：125 小溫降等于： （414） 90 大溫降等于： （415） 105 （416） 0.39 （417） 1.15 查交差溫壓改正系數圖1 選擇二流程，查的 由 （418） （419） （420） 得 140 125 132.4 （421） 132.4 2.4.3 傳熱面積的計算 根據 （422） 求得： 1.91 2.4.4 管束的計算 根據煙道的截面積2.44 設計煙道長度為1.63m 煙道高度為1.5 m 根據單根管子的換熱面積 （423） 由 （424） 根 根據設計為二流程，因此需要三段管箱，而每個管箱中有504根管子。 表42 計算參數表 序號名稱符號單位公式結果1進口空氣溫度給定202進口空氣焓kj/kg查焓溫表32109.73出口空氣溫度先估后校1254出口理論空氣焓kj/kg查焓溫表32687.1855進口煙氣溫度給定250序號名稱符號單位公式結果6進口理論煙氣焓kj/kg查焓溫表321563.887出口煙氣溫度給定1608出口理論煙氣焓kj/kg查焓溫表32989.9049煙氣平均溫度20510煙氣流速m/s1211流通截面積2.44序號名稱符號單位公式結果12煙氣傳熱熱阻40.3213空氣側熱阻61.687514傳熱系數K20.7315大溫降10516小溫降9017對數平均溫度132.418溫差132.419單根管換熱面積序號名稱符號單位公式結果20傳熱面積F1.9121管數n根10082.5 結構設計 根據已知參數，設計第一級空氣預熱器有16與15 根管子交錯排列，空氣預熱器長度為1.63m，寬度為1.5m，高度為1.5m，管子共有24排，共504根管子。 設計第二級空氣預熱器有16與15 根管子交錯排列，空氣預熱器長度為1.63m，寬度為1.5m，高度為1.5m，管子共有24排，共504根管子。 2.6 阻力計算2.6.1煙氣側阻力 由于立式管式空氣預熱器煙氣從管內流過，空氣預熱器的阻力由：入口局部阻力，管內流動的沿程摩擦阻力和出口局部阻力組成。 根據 （61） ：氣動壓 ：沿程阻力 ：進口局部阻力系數 ：出口