6t燃煤锅炉改燃气锅炉0224092216.docx
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6t燃煤锅炉改燃气锅炉0224092216
1.1本课题研究的目的
燃煤链条锅炉是我国主要的煤炭利用方式之一,广泛应用于供热和工业生产过程。
我国工业锅炉每年耗煤量约6亿吨,是仅次于电站锅炉的最大的煤炭消耗者。
我国工业锅炉总量约为60万台,且每年仍在以5%的速率增长。
在各类工业锅炉中,65%是链条炉,20%是往复炉排炉,10%是固定炉排炉,3-5%是循环流化床锅炉,其它类型占1%。
可见,燃煤链条锅炉在我国国民经济生活中的重要地位。
6t/h燃煤链条锅炉不仅数量大,而且效率普遍比较低下。
燃气锅炉具有良好的燃烧性,其特点为起火迅速,锅炉升温快、调节灵活,燃烧效率高,对环境污染小。
其主要优点有:
1、燃气锅炉中燃气的灰分、含硫量和含氮量比煤低,燃烧充分,烟气中粉尘量极少,排放易达到国家对燃烧设备所要求的标准,可大大减轻对环境的污染,环保性能好。
2、烟气污染小,对流管束承受的腐蚀小,传热效果好,热辐射能力强,排烟温度低,热效率明显提高。
3、燃气锅炉不需要上煤机、除渣机、除尘器、炉排等附属设备,节约锅炉设备投资。
4、使用管道输送的燃气为动力,不需要燃料储存,卫生条件好。
可极大的减小劳动强度,改善劳动条件,降低运行成本,节约运输费用、场地和劳动力5、燃气锅炉供热负荷适应性强,根据负荷(水温)可灵活的调节大小火。
系统启动快,减少预备工作带来的各种消耗。
由于附属设备少,用电量较燃煤锅炉要低。
燃气内杂质较少,锅炉不会发生高低温受热面的腐蚀,锅炉连续运行时间长,故障少。
6、燃气计量简单准确,便于燃气供应量的调节。
在减少设备维修保养方面,燃气锅炉燃烧系统设备简单,因而需要维修保养的设备少,受热管件使用寿命长。
7、燃气锅炉操作简单,易实现自动控制。
燃气锅炉不但设置费用和运行费用较低,而且它的社会效益是无法比拟的。
天然气是最清洁的燃料,是排放污染最少的燃料,燃气锅炉将是锅炉发展的最终趋势!
本文针对6t/h燃煤链条锅炉热效率低、生产成本高、环境污染严重等的问题,把燃煤锅炉改成燃气锅炉后可以提高锅炉热效率,降低生产成本,大大降低煤烟型烟尘排放量,显著改善空气质量、更好的保护环境。
1.2研究现状和发展趋势
国内燃气锅炉有着良好的发展前景。
国内燃气锅炉生产虽然起步较晚,但发展很快,在技术及性能上均达到了国外产品的水平。
我省目前使用的燃气锅炉均为国内生产的,且数量很少。
随着“煤改气”工作的开展,燃气锅炉在我国的占有率会快速提高。
国内燃气锅炉与国外产品的比较国外燃气锅炉发展较早,技术比较成熟,这是国内厂家所不及的,但相对于锅炉本体设计、制造方面,国内应该说走在了世界前列。
与国外产品比较,国内产品的不足之处主要有两个方面:
(l)自控系统国内厂家对锅炉自控方面投人较少,相比国外产品自动化程度还有一定差距。
但随着时间的推移,国内企业也认识到了不足之处,引人先进的生产设备和管理模式,并加大了研制开发力度,使之与国外同类产品的差距逐渐缩小。
(2)锅炉本体附件的配置方面国内锅炉厂家在锅炉本体附件的配置方面相对国外产品来讲,档次较低,很容易出现故障,影响到锅炉整体的安全、可靠运行。
燃煤锅炉改造为燃气锅炉进行了分析和探讨,无论从经济角度还是从环保方面来看,大力发展燃气锅炉是目前的发展趋势,近年来,各大中城市逐步淘汰市区内所有燃煤的小锅炉、炉灶,改用燃气锅炉。
1.3本文主要设计内容和研究方法
1、本课题研究内容
(1)燃料热力校核;
(2)燃气锅炉系统的阻力计算及风机校核;
(3)选取相应的燃气燃烧器及燃烧系统;
(4)根据出力等要求提出相应的改造方案并进行优化;
(5)根据改造方案对锅炉本体进行制图;
2、本课题研究方法
(1)资料分析法:
通过查阅资料找出可以借鉴的数据及可行性方案。
(2)数学模型法:
根据燃料进行热力计算。
[1]
2热力校核计算
2.1燃料特性
改造后所燃用的气体燃料是焦炉煤气,其低位发热量为4000大卡/m3,即
16748kJ/m3,其各种成分气体的体积分数见下表2-10
表2-1.燃气成分
序号
名称
单位
数值
1
CO
%
4
2
CO
%
9
3
CH
%
19
4
H2
%
58
5
2
%
9
6
其他
%
1
为了方便计算,在进行燃料的燃烧计算和锅炉的热力计算时,均按体积分数计算。
2.2燃料的燃烧计算
2.2.1理论空气量的计算
理论空气量是指1m燃料完全燃烧所需要空气量。
它对不同燃料油不同的数值,取决于燃料的成分分析。
当气体燃料的组成已知时,便可计算出标准状态下气体燃料燃烧所需要的理论空气量V。
V010.5H20.5CO(mn)CmHn1.5H2O2(2-1)
0.214
式中H2,CO,CmHn,O2――燃气中各种可燃组分的体积百分数,%。
将焦炉煤气各组分的气体百分数代入此公式,求得V°=3.405m3/m3。
⑵
2.2.2锅炉各受热面过量空气系数的选取
由于影响燃料完全燃烧程度的因素很多,其中空气的供给量是否充分,燃料与空气的混合是否良好,都是很重要的条件。
实际送入锅炉的空气量V(m3/m3)称为实际空气量,其值一般都大于理论空气量。
比理论空气量多出的这一部分空气就称为过量空气。
因此,实际空气量就是理论空气量与过量空气量之和。
实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数,用表示,即
(2-2)
V
V0
通常指所指的过量空气系数是炉膛出口处的值i",它是一个影响锅炉燃烧
工况及运行经济性的重要指标。
当"偏小时,炉内的不完全燃烧热损失便增大;当"偏大时,锅炉的排烟热损失就会增多。
因此存在一个最佳的i"值,使锅炉
的上述热损失之和最小。
燃气锅炉的最佳"取决于燃气的燃烧方法等,为了能使燃气能够完全燃烧,此次计算的"值特意取得大些,其值为"=1.2
锅炉各部件处烟道内漏入的空气量V与理论空气量的比值,称为该段烟
道的漏风系数,用表示,即
(2-3)
锅炉各烟道的漏风系数的大小取决于负压的大小和烟道的结构形式,一般
为0.01~0.1,此次计算中,锅炉各烟道的漏风系数的选取结果见下表2-2
表2-2
空气平衡表
序号
名称
漏风系数
过量空气系数
1
炉膛入口
0
1.2
2
炉膛出口
0.08
1.28
3
第一锅炉管束
0.05
1.33
4
第二锅炉管束
0.1
1.43
5
第三管束
0.1
1.53
2.2.3燃烧产物及其计算
燃料燃烧后的产物就是烟气。
当只供给理论空气量时,燃料完全燃烧后产生的烟气量称为理论烟气量。
理论烟气的组成为CO2,SO2,N2和H20。
前三种组成
合在一起称为干烟气。
包括H20在内的烟气称为湿烟气,由于烟气中的C02和
S02,同属三原子气体,产生的化学反应式中有许多的相似之处,并且在烟气分析
时常常被同时测出,因此,将它们合并表示,称为三原子气体,用R02表示。
当有过量空气时,烟气中除上述组分外,还含有过量的空气,这时的烟气量称为实际烟气量。
燃气中各可燃成分单独燃烧后产生的理论烟气量可同构燃烧反应式来确定,计算方法如下。
(1)理论烟气量的计算(当=1时)
三原子气体体积按下式计算:
Vr°2Vc02Vs020.01(C02C0mCmHnH2S)(2-4)
式中Vr02——标态下干烟气中三原子气体的体积,m3/m3;
Vc02、Vs02——标态下二氧化碳和二氧化硫的体积,m3/m3。
水蒸汽体积按下式计算:
Vh;00.01H2H2S号CmHn120(dgV0da)(2-5)
式中Vh020理论烟气中水蒸汽的体积,m3/m3;
dg标态下燃气的含湿量,kg/m3;
da标态下空气的含湿量,kg/m3。
此次计算中,dg=0,取da=30.3X10-6kg/m3。
氮气的体积按下式计算:
vN020.79V00.01N2(2-6)
式中V^标态下理论烟气中氮气的体积,m3/m3。
理论烟气总体积按下式计算:
Vy0Vr6goVN°2(2-7)
式中Vy°标态下理论烟气量,m3/m3。
(2)实际烟气量的计算(当>1时)三原子气体体积Vrq仍按式(2-1)计算。
水蒸汽体积按下式计算:
VH2O0.01H2H2SniCmHn120(dgV0dn)(2-8)
式中VH2。
——实际烟气中的水蒸汽体积,m3/m3
氮气体积按下式计算
Vn20.79V0
O.O1N2
(2-9)
式中
Vn2实际烟气中氮气的体积,
m3/m3。
过剩氧气体积按下式计算:
Vo20.21(
1)V0
(2-10)
式中
Vq实际烟气中过剩氧气体积,m3/
3m。
实际烟气总体积按下式计算:
VyVRO2VH2OVN2VO2(2-11)
式中Vy实际烟气量,m3/m3。
2.3燃烧计算结果
将数据代入上述公式中,所得结果列于下表中。
表2-3理论空气量及烟气量的计算
序号
名称
符号
单位
结果
1
理论空气量
v>
3,3
m/m
3.405
2
RO容积
*02
3#3
m/m
0.32
3
2理论容积
VN2
3#3
m/m
2.78
4
fO理论容积
VH2O
3#3
m/m
1.084
表2-4各受热面实际烟气量的计算
序号
名称
符号
单位
炉膛
第一管束
第二管束
第三管束
1
平均过量空气系数
apj
1.240
1.305
1.380
1.480
2
实际水蒸汽容积
Vh2O
m3/m3
1.114
1.122
1.131
1.143
3
烟气总容积
Vy
m/m
3.917
4.138
4.394
4.734
4
RO容积份额
rRO2
%
0.082
0.077
0.073
0.068
5
H0容积份额
rH2O
%
0.284
0.271
0.257
0.241
6
三原子气体容积份额
rq
%
0.366
0.348
0.330
0.309
2.4空气和烟气焓的计算
燃料和空气送入炉内进行燃烧,它们带入的热量包括两部分:
其一是由燃料和空气带入的物理显热(燃料和空气的热焓);其二是燃料的化学发热量(发热值)。
标准状态下,燃料燃烧前后的热平衡方程式为
Qnet,v,arQgQa1y(2-12)
式中Qnet,v,ar——收到基低位热值,kJ/m3;
Qg——燃料的物理显热,kJ/m3;
Qa――由空气带入的物理显热,kJ/m3;
Iy――燃烧后产生的烟气的焓,kJ/m3。
2.4.1理论空气焓的计算
1m3燃料燃烧所需要的理论空气量在定压下从0「C)加热到tk「C)所需
要的热量称为理论空气焓,用符号h0表示,单位为kJ/m3。
理论空气焓可用下式计算:
hk0V°(ct)k(2-13)
式中V0——理论空气量,m3/m3;
(ct)k――1m3干空气连同其带入的水蒸汽在温度为AC时的焓,
kJ/m3,称为比焓;
Ck1m3干空气连同其带入的水蒸汽的平均定压比热容,kJ/m3。
2.4.2实际空气焓的计算
1m3燃料燃烧所需要的实际空气量在定压下从0(C)加热到tk(C)所需
要的热量称为实际空气焓,用符号hk表示,单位为kJ/m3。
实际空气焓可用下式计算:
hkV0cktk(2-14)
式中――过量空气系数;
tk――空气温度,C。
2.4.3设计时烟气焓的计算
设计锅炉时,由于不能测得烟气中各种气体成分的百分数,故按完全燃烧
化学反应进行计算,即烟气焓等于理论烟气焓hy、过量空气焓(i)h0和飞灰焓
hfh三部分组成,但由于燃气中的飞灰极少,可忽略不计,所以其计算式可简化
为hyhy0
(1)hk0
理论烟气焓hy为各组成成分之和,即
式中Vro2、、vH)2o——烟气中三原子气体容积、理论氮气容积和理论水
蒸汽容积,m3/m3;
于此燃气中没有H2S,所以计算中取Cr°2=Cc°2
代入有关数据,求出各温度下锅炉各段的空气和烟气焓,将其整理并列于表中,
见附录1热力计算表。
2.5锅炉热平衡计算
锅炉系统的热平衡计算,是为了保证送入锅炉机组的热量与有效利用热及各项热损失的总和相平衡,并在此基础上计算出锅炉机组的热效率和燃料消耗量。
热平衡是在锅炉机组处于稳定的热力工况下进行的。
对于燃气锅炉,一般均以标准状态下1m3气体燃料为基准计算。
锅炉机组的热平衡方程的普遍形式为:
3
QrQ1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6kJ/m(2-16)
式中Qr——送入锅炉系统的热量;
Q1――锅炉系统的有效利用热;
Q2――排烟带走的热量;
Q3气体不完全燃烧损失的热量;
Q4――固体不完全燃烧损失的热量;
Q5锅炉系统向周围空气散失的热量;
Q6――燃料中灰、渣带走的热量。
因为气体燃料的含灰量很小,Q6可以忽略。
同时,气体燃料燃烧时,一般
没有固体不完全燃烧现象,即Q4=0。
因此,对于燃气锅炉,热平衡方程式为:
3
Qr=Q1+Q2+Q3+Q5kJ/m3
如各项热量用其占输入热量的百分数表示,则平衡方程可表示为:
q+q?
+q3+q4+q5+q6=100%(2-17)
式中qr父100%,其中Q为每一项热量。
Qr
式中q2——排烟损失,%;
qa
―气体不完全燃烧热损失,
%;
q4
―固体不完全燃烧热损失,
%;
q5
―散热损失,%;
q6
―灰渣物理热损失,%。
2.5.1锅炉输入热量
相应于1m3燃气送入锅炉系统的热量Qr(kJ/m3)是指锅炉范围以外输入的
热量,可按下式计算:
QrQnet,v,arirQwl(2-18)
式中Qnet,v,ar——燃料的低位发热值,kJ/m3;
Qwl——锅炉系统以外的热量加热送入锅炉的空气时,相应于每m3
燃气所具有的热量,kJ/m3;
ir——燃气的物理显热,kJ/m3;用锅炉系统以外的热量加热空气时,随这些空气带入锅炉(进入空气预热器
锅炉炉膛)的热量,按下式计算:
Qwl'(Ik0Ilk0)(2-19)
式中'——进入锅炉系统的空气量与理论空气量之比,若没有空气
预热器,'可用l"代替;
Ik0——按理论空气量计算的进入锅炉系统的焓,kJ/m3;
I;――按理论空气量计算的冷空气的焓,kJ/m3,在此次计算中,
冷空气温度取30C
00
Ik和Ilk用加热后的热空气温度和冷空气温度从烟气、空气焓温表中查得
当不用外界热源预热空气和燃气,也没有自用气带入锅炉的热量时,1m3
燃气送入锅炉的热量为
锅炉的总热损失为:
锅炉的热效率为:
100q(2-21)
2.6锅炉的各项损失
(1)排烟热损失q2
在燃气锅炉中最主要的损失是排烟损失,
它决定于排烟温度和排烟量。
对于
定的燃料,排烟量决定于过量空气系数的大小,而过量空气系数又和燃烧状况
直接有关。
锅炉的排烟热损失q2可用锅炉机组的排烟和冷空气的焓差计算:
式中Ipy在排烟过量空气系数及排烟温度下,相应于1m3燃气的排烟
焓,kJ/m3;
py――排烟的过量空气系数;
Il0——在送入锅炉的空气温度下,1m3燃气所需要的理论空气的焓,
kJ/m3。
(2)气体不完全燃烧热损失q3
气体不完全燃烧热损失q3是指排烟中未完全燃烧或燃尽的可燃气体(如
CO,H2,CH4等)所带走的热量占送入锅炉输入热的份额。
在设计计算时,对
燃用焦炉煤气的锅炉,可取q3=0.5%
(3)固体不完全燃烧热损失q4
燃气锅炉中,可取固体不完全燃烧热损失q4=0
散热损失q5
散热损失q5是指锅炉围护结构和锅炉机组范围内的气、水管道以及烟风道
等,受外部大气对流冷却和向外热辐射所散失的热量。
它与周围大气的温度、风速、围护结构的保温情况以及散热表面积的大小、形状等有关,同时还与锅炉的额定容量和运行负荷的大小有关,一般根据禁言数据和近似计算的办法确定。
本计算中,按锅炉的额定负荷以及尾部受热面情况选取散热损失q5=1.5%。
在锅炉热力计算中,为了方便起见,假定各烟道的散热量和该烟道中的烟气
放出的热量呈正比,因此可在各受热面计算中引入保热系数以考虑散热损失。
保
热系数可按下式计算:
q5
(2-23)
亘
q5
(5)灰渣物理热损失q6
由于燃气燃烧产物中灰渣含量极少,可忽略不计,故q6=0。
[3]
2.7锅炉有效利用热
锅炉的有效利用热Qi是指锅炉供给工质的总焓与给水焓的差值,对于饱和
蒸汽锅炉为:
rW
Qi[(DDzy)(ibqigs)Dpw(ibqigs)](2-24)
100
式中D――锅炉蒸发量,kg/s;
Dzy――锅炉自用蒸汽量,kg/s,由于原锅炉的自用蒸汽量为0,所以改造后
的锅炉Dzy=O;
Dpw——锅炉排污量,kg/s,Dpw=D,为锅炉排污率,%,此次计算中,
参考同类型同参数锅炉,选取=5%
ibq――饱和蒸汽焓,kg/m3;
3
igs给水焓,kg/m
3
ibs饱和水焓,kg/m;
r气化潜热,kg/m3;
W――蒸汽湿度,%按饱和蒸汽的质量标准规定,对于水管锅炉,饱和
蒸汽的蒸汽湿度不大于3%对于锅壳式锅炉,饱和蒸汽的湿度不大于5%此次计算中取W=3%
2.7.1锅炉的热效率和燃料消耗量
锅炉热效率是指锅炉有效利用热占锅炉输入热的百分比,即
(2-25)
D(iigs)Dps(ipsigs)
BQr
q100(q2q3Q4Qsq6)
式中D――锅炉蒸发量,kg/h;
i"――锅炉出口压力、温度下的蒸汽焓,kJ/m3;
igs――锅炉给水的焓,kJ/m3;
r――锅炉工作压力下的气化潜热,kJ/m3;
w――锅炉出口的蒸汽湿度;
Dps――锅炉的排污水量,kg/h;
ips――排污水焓,即排污点压力下的饱和水焓,kJ/m3;
B――锅炉燃料消耗量,nVh;
Qr――锅炉输入热,kJ/m3。
锅炉的燃料消耗量B为:
Qi
B1100
Qr
m3/h
(2-26)
锅炉的计算燃料消耗量Bj为:
BjB100q4
j100
m3/h
(2-27)
2.8炉膛热力计算
2.8.1炉膛传热的基本方程
炉膛传热计算额就是计算火焰与被火焰包围着的水冷壁之间的辐射环热量。
根据斯蒂芬•波尔兹曼定律辐射换热量为:
Qfaxto(T4T;)Hf(2-28)
_1124
式中0――绝对黑体辐射常数,其值为5.67X10kW/(m・K);
hf—有效辐射受热面积,m;
T――火焰的平均温度,K;
Tb――水冷壁表面温度,K;
axt――炉膛系统黑度。
另一方面,可以从烟气侧列出热平衡方程式,即烟气在炉膛内放出的热量应
等于燃料在炉膛被有效放热量与炉膛出口烟气带走的热流量之差,即
QfBj(QlI")(2-29)
式中Qi炉膛有效放热量,kJ/m3;
1l"――炉膛出口处烟气的焓,kJ/m3;
保热系数;
Bj——每秒钟的计算燃料消耗量,vm/s;
由于
Qi
Ii"VyCpj(TiiTi")
所以
Qf
BjVyCpj(THTi")
(2-30)
式中
Ti
炉膛有效放热量
Qi在绝热条件下所具有的燃烧温度,也称为
理论燃烧温度,
K;
T"――炉膛出口烟气温度,K;
VyCpj――在Ti和Ti"的温度区间内,每m燃气燃烧所产生的烟气平
2.8.2炉膛有效放热量与理论燃烧温度
2.821炉膛有效放热量
炉膛有效放热量Ql是对每m3完全燃烧的燃气(计算燃料)而言,并计及
了加入炉膛的各种热量,即:
式中,Qr――通常可以认为是燃料的应用基低位发热量Qnet,v,ar;
Qk――燃烧需要的空气带进炉膛的热量,其他各项在热平衡计算中
已作了说明。
当燃料燃烧不用预热空气时:
Qk=a"Vk0(ct)ik(2-32)
2.8.8.2理论燃烧温度
就是假定在绝热情况下降
Qi作为烟气的理论焓而得到的理论燃烧温度
ii,由
Qi
VyCpj
式中Vy——在情况下每m3燃料燃烧后的烟气容积m3/m3;
cpj――烟气从0C到„温度范围内的平均容积比热,kJ/(m3•K)
2.823火焰绝对平均温度
火焰绝对平均温度计算采用如下经验公式:
II
ThyT"(2-35)
4
式中T;'――炉膛出口绝对温度,K;
Tn――理论燃烧绝对温度,K。
2.9.对流受热面传热计算
对流受热面是指布置在锅炉烟道中受热烟气直接冲刷以吸收对流传热为主的那一部分受热面,如锅炉管束或烟管、过热器、省煤器、空气预热器等。
本次计算只对锅炉的对流管束进行计算。
对流管束的计算任务是在已知受热面结构特性的条件下,确定其传递的热量
2.9.1基本传热方程
对流受热面的传热量Q与受热面积H和冷、热流体之间的温压t成正比,
其传热方程式为
(2-36)
QcrKtH
比例系数K称为传热系数,是反映传热过程强弱的指标,表示温压为1C时,每平方米受热面积传热量的大小。
在计算时,以每m3燃气为基准,则传热方程式为
烟气侧
工质侧
QcrD(iUQfkJ/m3(2-38)
Bj
式中Qrp——在某一对流受热面中,每im计算燃料产生的烟气放给受热面
的热量。
在稳定传热情况下,它等于工质的吸热量Qcr,kJ/m3;
K——在某一对流受热面中,有管外烟气至管内工质的传热系数,
kW/(nf•K);
h――某一对流受热面的计算传热面积,m;
t――平均温差,C;
I'和I"——烟气进入和离开此受热面时的焓,kJ/m3;
i和i"――工质在受热面进口和出口处的焓,kJ/m;
D'――每秒工质的流量,kg/s;
Qf――工质所吸收来自炉膛的辐射热量,kJ/m3
在已知对流受热面的传热面积的情况下,需要确定烟气经放热后的焓I"和
相应的温度",这时计算的关键就在于确定传热系数K
2.9.2烟气流速计算烟气的流速计算公式为
式中Fy—烟气流通面积,m;
――烟气平均温度,C;
Vy――烟气量,m/m3(其值随而异)。
2.9.3传热系数K的确定
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