燃油锅炉设计

1、1目目 录录1 绪论.41.1 我国能源现状.41.2 能源与环境.61.3 我国锅炉发展现状.101.4 中国燃油工业锅炉的现状.121.5 燃油锅炉结构.132 设计的初步数据.162.1 计算对象.162.2 燃料特性.163 锅炉的分类及确定本设计的锅炉的基本结构.173.1 锅炉的分类.173.2 锅炉设计的步骤.173.3 确定锅炉的基本结构.174 辅助设计.194.1 理论空气量和燃烧产物.194.2 温焓表.194.3 热平衡计算.204.3.1 热平衡.204.3.2 锅炉输入热量 QR.214.3.3 排烟损失 Q2.214.3.4 气体不完全燃烧热损失 Q3.2224.

2、3.5 机械不完全燃烧损失 Q4.224.3.6 散热损失 Q5.224.3.7 锅炉有效利用热 Q1.234.3.8 锅炉的热效率和燃料消耗量.245 燃油锅炉炉膛（胆）的设计和计算.265.1 锅壳式燃油燃气湿背式三回程锅炉的炉胆传热计算.265.1.1 炉胆的传热过程.265.1.2 炉膛传热的基本方程.265.1.3 有效辐射受热面.275.1.4 火焰黑度.285.1.5 炉膛有效放热量与理论燃烧温度.295.1.6 炉膛黑度.305.1.7 炉内温度场与火焰平均温度.305.1.8 炉膛传热计算的步骤.306 对流受热面的传热计算.336.1 计算考虑因素.336.2 传热系数 K

3、 的计算.346.3 对流换热系数的计算.346.4 对流传热温压.356.5 对流受热面传热计算步骤.356.6 结构设计计算.366.6.1 第一管束结构计算.3736.6.2 第一管束热力计算.376.6.3 第二管束结构计算.406.6.4 第二管束热力计算.416.7 锅炉总热平衡校核.437 省煤器的计算.457.1 省煤器结构尺寸.457.2 省煤器热力计算.458 受压元件强度.488.1 受压元件强度分析.488.2 锅炉受压元件强度计算.49结论.51参考文献.53致谢.5441 绪论绪论1.1 我国能源现状我国能源现状中国的能源蕴藏量位居世界前列，同时也是世界第二大能源生

4、产国与消费国。经过上个世纪后五十年的持续努力，特别是改革开放以来的快速发展，中国能源建设取得了巨大成就，能源供应已经从多年的严重短缺，转到总量基本平衡，能够适应国民经济和社会发展的需要。主要表现在以下五个方面： 1、能源产量迅速增加，供应有保证。 2000 年中国一次能源生产量达到 10亿 9 千万吨标准煤，其中原煤 9 亿 9 千 8 百万吨，原油 1 亿 6 千 3 百万吨，天然气 277 亿立方米，发电量 13，500 亿千瓦时；太阳能、风能、地热等新能源也都有不同程度的发展。 2、能源消费结构不断优化，能源供应质量有所提高。煤炭消费量在一次能源消费总量中所占的比重，已由 1990 年的

5、 762%降为 2000 年的 66.0%；石油、天然气、水电、核电、风能、太阳能等所占比重，由 1990 年的 23.8%上升到2000 年的 34.0%。洁净能源的迅速发展，优质能源比重的提高，为提高能源利用效率和改善大气环境起了重要的作用。 3、能源产业的现代化程度进一步提高，技术水平上了一个新台阶。煤炭工业已具备设计、施工、装备及管理千万吨级露天煤矿和大中型矿区的能力；石油工业已形成从勘探开发、地面工程建设到装备制造的完整体系；电力工业发展进入了以大机组、大电厂、大电网、超高压和自动化为主要特征的新阶段。 4、能源工业管理体制改革顺利推进，市场化程度不断提高。煤炭价格已放开，煤炭生产、

6、运输和销售全面进入市场。为打破行业垄断，推动有序竞争，石油天然气工业和石油化工工业通过重组，实行了勘探开发、加工利用、内外贸一体化，原油、成品油价格与国际市场接轨。电力工业已确立厂网分开、竞价上网，健全合理的电价形成机制。通过这一系列的改革，中国能源市场化程度进一步提高，中国能源工业将适应 WTO 的各项要求，更好地参与经济全球化。 5、节能工作成绩显著。九五计划时期，万元国内生产总值能耗下降了30%，节约和少用能源约 4 亿吨标准煤，相当于减少排放二氧化硫 800 万吨、二5氧化碳 1 亿 8 千万吨、粉尘 600 万吨、灰渣 1 亿吨。节能工作的成效，缓解了能源供需矛盾，减少了对环境的负面

7、影响。 中国能源发展虽然获得了长足进步，但仍存在着一些深层次的问题。一是能源品种结构不合理，煤炭直接用于终端消费的比例过大，天然气、风能、太阳能等洁净能源所占比重过低。二是技术水平不高，洁净煤技术开发与应用落后。三是能源利用效率、环保措施与世界先进水平相比有较大差距，不能完全满足可持续发展的要求。中国远景一次能源资源总储量估计为 4 万亿吨标准煤。但是，人均能源资源占有量和消费量远低于世界平均水平。1990 年,中国人均探明煤炭储量 147吨，为世界平均数的 41.4%；人均探明石油储量 2.9 吨，为世界平均数的 11%；人均探明天然气为世界平均数的 4%；探明可开发水能资源按人口平均也低于

8、世界人均数。从人均能源消费看，1994 年世界平均为 1433 千克油当量，发达国家为 5066 千克油当量，中国大约为 670 千克油当量。1997 年中国人均拥有电力装机容量 0.21 千瓦、人均用电量 900kWh，仅相当于世界平均水平的 1/3。中国能源开发利用呈现出以下主要特点。 一是能源以煤炭为主，可再生资源开发利用程度很低。中国探明的煤炭资源占煤炭、石油、天然气、水能和核能等一次能源总量的 90%以上，煤炭在中国能源生产与消费中占支配地位。20 世纪 60 年代以前中国煤炭的生产与消费占能源总量的 90%以上，70 年代占 80%以上，80 年代以来煤炭在能源生产与消费中的比例占

9、 75%左右，其他种类的能源增长速度较快，但仍处于附属地位。1995 年，世界能源生产总量达到 123 万亿吨标准煤，固体、液体、气体、水电和核电的比重分别为 28.3%、38.4%、23.5%和 9.8%(刘洪，1999，12)。在世界能源由煤炭为主向油气为主的结构转变过程中，中国仍是世界上极少数几个能源以煤为主的国家之一。 二是能源消费总量不断增长，能源利用效率较低。随着经济规模的不断扩大，中国的能源消费呈持续上升趋势。1957？1989 年中国能源消费总量从 9644万吨标准煤（SCE）增加到 96934 万吨，增加了 9 倍。1989？1999 年，中国能源消费，从 96394 万吨标

10、准煤增加到 122000 万吨，增长 26%。受资金、技术、能源价格等因素的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。能源综合利用6效率为 32%，能源系统总效率为 9.3%，只有发达国家的 50%左右。1994 年单位GNP 能耗（吨标准煤/千美元）比较，中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的 14.4 倍、11.3 倍、10.6 倍、8.8 倍、8.3 倍、7.2 倍、4.6 倍、4.2 倍。三是能源消费以国内供应为主，环境污染状况加剧，优质能源供应不足。中国经济发展主要建立在国产能源生产与供应基础之上，能源技术装备也主要依靠国内供应。90 年代中期以前，中国能源供应

11、的自给率达 98%以上。随着能源消费量的持续上升，以煤炭为主的能源结构造成城市大气污染，过度消耗生物质能引起生态破坏，生态环境压力越来越大。世界银行认为，中国空气和水污染所造成的经济损失，大体占国内生产总值的 8%。中国有的学者甚至认为中国环境破坏经济损失占到国民生产总值的 10%。1.2 能源与环境能源与环境能源与环境、人口并称为当今世界的三大问题。能源是国家战略性资源，是一个国家经济增长和社会发展的重要物质基础。随着我国经济的持续快速增长和人民生活水平的不断提高，对能源的需求不断上升，加上经济粗放增长的方式尚未根本转变，能源利用效率低、浪费严重，使能源不足的矛盾越来越突出，同时能源的消耗又

12、对环境产生巨大的影响。人们已经认识到那种肆意开采和消耗矿石能源，片面谋求经济增长和居民福利的发展道路，不仅将使历经数亿年地质历史留存下来的能源资源濒临耗竭，而且给人类赖以生存的共同家园带来不堪承受的全球环境恶化问题。因此，如何根据经济发展的状况，按照可持续发展的要求，制定能源可持续发展战略和环境保护战略，已成为政府决策部门和学术界普遍关注的课题。一、能源消费对环境的影响1.能源消费与大气污染排放我国的大气环境污染主要是煤烟型污染为主，主要污染物是 SO2、烟尘和氮氧化物。这与我国以煤炭为主要能源的能源消费结构密切相关。我国煤炭消费占总能源消费的 70%左右，尽管近年来能源消费的结构有所调整，但

13、是煤炭消费仍占总能源消费的三分之二以上。石油是我国消费的第二大能源，占能源消费的 20%以上，并且有上升的趋势。天然气、水电等所占的比例较小，但是7消费量也在逐年增加。由于所使用的煤炭质量较差，因此使得以煤炭消费为主的我国环境污染极其严重。表 1 给出了我国近几年能源消费及主要大气污染排放情况。我国能源消费在1996 年达到最大之后，19972000 年有所下降，能源利用效率逐步提高。单位GDP 的 SO2 与烟尘排放量也逐年递减，一方面说明我国加大了污染治理力度，另一方面也与我国的能源消费结构调整有关。但是在 2002 年以后，能源消费又持续增长，煤炭消费达到了 15.8 亿吨。根据统计资料

14、显示，我国的 SO2 与烟尘排放量随能源消费总量的上升而上升，排放量与能源消费量呈高度正相关关系。这也说明我国大气环境污染与能源消费有直接的关系。因此，改变能源结构，采用清洁能源，提高能源利用效率，对改善大气环境至关重要。2.能源消费与 CO2 排放的国际比较美国、中国、印度、巴西是世界能源消耗大国，其一次性能源消耗占世界一次性能源总消耗的 40%左右。2004 年中国、美国、印度、巴西等国家能源消费情况比较见表 2。8由表 2 可以看出，2004 年我国的煤炭消费占了世界煤炭消费的 33.82%，而石油、天然气的消费分别占世界的 7.75%和 1.36%，消耗的比例比较小。而世界主要能源消费

15、结构中，石油一般为 40%左右，天然气一般为 22%左右，以美国为例，2004 年，美国的能源消费构成是：石油占 25.1%，天然气占 22.5%，核能占30.1%，水力发电占 9.77%，煤炭占 18.2%。这说明我国的能源消费结构不合理，与世界很多国家还存在较大的差距。而从整个世界的角度，美国是世界能源消费最大国，石油和天然气工业为美国提供了能源消费的主要部分。CO2 的排放与能源结构、消费量和能源效率等有着密切的关系。我国的 CO2排放仅次于美国，居世界第二位。1990 年至 2000 年，我国 CO2 排放量由 6.66亿吨碳增加到 8.81 亿吨碳，由占全球排放量的 11.6%增至

16、13.7%，而美国所占份额同期基本持平，由 24.4%增至 24.6%。处在发展中的我国能源消费水平低，能源的利用效率也比较低，因此其相对排放量也比较高。目前，我国的能源利用效率大约比世界先进水平低 10 个百分点，能源系统的总效率也比较低，只有11.1%，即能源可采储量变成终端有用能的只有十分之一，近 90%的能源在开采、加工转换、贮运和终端利用过程中损失和浪费掉了。至 2000 年，我国的能源效率大致相当于日本 70 年代的水平和欧洲 90 年代的水平。影响我国能源效率的因素主要有以下几点：能源结构、原料线路、企业(或设备)规模、用能设备效率、生产工艺、燃料质量、资源的再生利用等。发达国家

17、技术水平高，相对排放量低，但是其绝对排放量比发展中国家高出几十倍甚至上百倍。2000 年我国煤炭在世界一次能源消费中占 23.47%，其 CO2 排放量却占 39%。单位 GDP 的能源消费 8.92toe，是世界平均水平的 3.4 倍，比经济发达的日本、德国等国家高出 5 倍时尚。近年来，随着我国能源效率的体改和技术的不断进步，单位GDP 的 CO2 排放量在逐步下降，但是仍比世界平均水平高出 4.5 倍。二、能源活动的环境成本分析能源生产和消费对环境的影响已经成为对人类环境的主要影响之一。鉴于我国能源结构以燃煤为主，而且能源利用效率低和能源消费弹性系数高，能源引起的环境问题成为我国最早的环

18、境问题之一。我国城市的大气污染主要是由燃煤引起的。同时，随着城市机动车的增加，大多数机动车在排污超标中运行，以氮氧化物污染为主的石油型污染，开始成为城市空气污染重的新问题。91.造成大气污染和酸雨污染大量能源尤其是煤炭能源的使用过程排放出大量的污染物，造成了我国城市空气质量的严重恶化。2001 年世界银行发展报告列举的世界污染最严重的 20个城市中，我国占了 16 个城市。2001 年统计的 341 个城市中，只有 114 个城市达到或由于国家空气质量二级标准，占同级城市数的 33.4%；114 个城市空气质量为三级标准，占统计数字的 33.4%；113 个城市空气质量劣于三级标准，占统计数字

19、的 33.2%。与煤炭使用密切相关的颗粒物仍然是影响中国空气质量的主要污染物。大气污染严重的地区，呼吸道疾病总死亡率和发病率都高于轻污染区。慢性支气管炎症状随大气污染程度的增高而加重。在严重污染城市的大气烟尘和汽车尾气中，可见出三十多种多环芳烃组分，其中苯丙芘的存在比较普遍，致癌性最强。根据世界卫生组织资料，居民长期接触接近年平均浓度超过 100mg/m3 的烟尘和 SO2，短期接触日平均浓度超过 250mg/m3 的烟尘和 SO2，能促使呼吸系统疾病加重，患者病情恶化。大气污染是呼吸系统疾病，尤其是慢性支气管肺炎的主要诱因之一。大气污染已经对我国的经济建设构成的严重的威胁。总悬浮颗粒物、SO

20、2 的对我国居民的健康损害尤其大。另据研究表明，我国 1990 年代的酸雨属硫酸型。燃煤等人为活动所排放的二氧化硫是造成酸雨的主要原因。随着二氧化硫排放量的增加，酸雨污染日益严重。酸雨不仅对农作物和森林损害极大，而且酸雨对于建筑材料也有极大的腐蚀作用，从而对建筑物造成危害。2.能源污染的经济成本我国从 1980 年初开始研究环境造成的经济损失。1984 年，过孝民、张慧勤等在公元 2000 年中国环境预测与对策研究中首次对全国环境污染在城的损失进行了估算，19811985 年间平均每年为 380 亿元，占 1983 年 GNP 的 6.75%。国家环保总局政策研究中心夏光研究的结果表明 199

21、2 年中国环境污染的损失值达约为 1096 亿元，约占当年 GDP 的 4.5%。中国社会科学院的研究九十年代环境与生态问题造成的经济损失估算表明 1993 年的环境损失值为 1085 亿元，占当年 GDP 的 3%。世界银行碧水蓝天：21 世纪中国环境估计，1997 年中国大气污染与水污染的损失约占当年 GDP 的 7.7%。根据这些信息可以发现，我10国的大气污染损失已经占到 GDP 的 2%3%。世界银行发展趋势预测，2020 年我国燃煤污染导致的疾病需付出经济代价达 3900 亿美元，占 GDP 的 13%。三、结论与政策建议能源成为经济发展的动力，也对环境造成破坏，以至于影响经济的发

22、展。由此可见，一方面，我国经济必须高速增长，另一方面是能源的大量消费和粗放使用，能源结构和过高的能源消费强度，使我国的大气污染防治面临着沉重的压力。能源的合理开采和利用关系到经济、环境的可持续发展。因此，笔者提出以下政策建议：1.调整和优化能源消费结构。首先要促进油气、水电和核电等优质能源和可再生能源开发的政策，积极引进国外油气资源，适时、适度地考虑在世界范围内进口石油、开拓石油期货市场、鼓励区域石油贸易，以满足国内对石油的需求，优化区域和终端能源消费结构。其次，要调整产业结构、产品结构，鼓励发展高薪技术产业，有限发展对经济增长由重大带动作用2.提高能源利用效率。建立完善的能源市场政策，从我国

23、能源发展的趋势和环境保护的要求来看，实现能源与环境的协调发展，长期实施节能战略是达到这一目标的首选政策。政府要加快理顺节能管理体制，促进节能与清洁生产一体化，利用排污收费政策促进节能政策的实施。3.要充分利用环境标准推动能源技术进步、降低单位经济活动的能源消费。推进能源结构调整和能源绿色化，严格控制城市交通环境污染，积极应对全球气候变暖的挑战。1.3 我国锅炉发展现状我国锅炉发展现状中国的锅炉产业，它既不是“朝阳产业”，也不是“夕阳产业”，而是与人类共存的永恒产业，且在中国还是一个不断发展的产业。20 世纪 80 年代以后，中国的经济发生了突飞猛进的变化，锅炉行业更加突出，全国锅炉制造企业增加

24、近二分之一，并形成了独立开发研制一代又一代新产品的能力，产品的技术性能已接近发达国家水平。锅炉是经济发展时代不可缺少的商品，未来将如何发展，是非常值得研究的。 工业锅炉目前是中国主要的热能动力设备，工业锅炉多于电站锅炉，近年来，中国电站锅炉行业取得了快速的发展。其一，产量大幅增长，行业产能快11速提升。目前，整个行业的产能已经超过 8000 万千瓦，不仅能满足国内电力工业建设的需要，而且还进入了国际市场。 2005 年全年中国中国锅炉及原动机制造业实现累计工业总产值154,846,232 千元，比 2004 年同期增长 37；全年实现累计产品销售收入141,036,704 千元，比 2004

25、年同期增长 35.9；全年实现累计利润总额9,696,312 千元，比 2004 年同期增长 39.3。2006 年 1-12 月，中国锅炉及原动机制造业实现累计工业总产值 186,112,488 千元，比上年同期增长22.93；实现累计产品销售收入 173,137,987 千元，比上年同期增长26.78，全年实现累计利润总额 11,905,751 千元，比上年同期增长了20.5；2007 年 1-2 月，中国锅炉及原动机制造业企业实现累计工业总产值29,052,541 千元，比上年同期增长 18.61；实现累计产品销售收入23,884,869 千元，比上年同期增长 16.63，实现累计利润总

26、额 1,419,368 千元，比上年同期增长 1.7。 2005 年 1-12 月，全国工业锅炉累计产量为 150,397.90 蒸发量吨，与 2004年同期相比增长了 9.59；2006 年 1-12 月，全国工业锅炉累计产量为192,378.44 蒸发量吨，与 2005 年同期相比增长了 11.26；2007 年 1-2 月，全国工业锅炉累计产量为 29,540.58 蒸发量吨，与 2006 年同期相比增长了31.7。 2005 年 1-12 月，全国电站锅炉累计产量为 321,331.60 蒸发量吨，与 2004年同期相比增长了 37.5；2006 年 1-12 月，全国电站锅炉累计产量

27、为514,475.80 蒸发量吨，与 2005 年同期相比增长了 9.31；2007 年 1-2 月，全国电站锅炉累计产量为 52,777.00 蒸发量吨，与 2005 年同期相比增长了11.12。 2006 年，中国蒸汽、过热水锅炉进口数量为为 9,372,901.00 台/公斤，比2005 年同期下降 54.9，用汇 183,365,503.00 美元，比 2005 年同期下降9；2006 年的出口数量为 86,940,454.00 台/公斤，比上年同期增长 68.7，创汇 325,970,114.00 美元，比上年同期增长 80.9； 2006 年中国供暖锅炉进口数量为 1,574,52

28、5.00 台/公斤，比 2005 年同期增长 2.8，用汇 65,961,186.00 美元，比上年同期下降 6；2006 年的出口12数量为 2,833,581.00 台/公斤，比 2005 年同期增长 20.4，创汇10,832,594.00 美元，比 2005 年同期增长 11.74。中国锅炉制造业取得了长足的进步，目前已可以生产多种不同压力等级和容量的锅炉，已成为当今世界锅炉生产和使用最多的国家。同时，轻工纺织、能源化工、钢铁煤炭等锅炉相关产业的迅速发展给锅炉行业带来了广阔的发展空间和发展动力。1.4 中国燃油工业锅炉的现状中国燃油工业锅炉的现状 工业上最早使用的是燃煤锅炉，随着石油和

29、天然气工业的发展，相应出现了燃油锅炉和燃气锅炉。 现在的中小型燃油锅炉，是在不同发展进程中形成的产物，大致可以分为三种情况。 (1)从燃煤锅炉的基础上发展而来的燃油锅炉。这种锅炉称它为燃油锅炉，其实它的基本结构仍保留着燃煤锅炉的布置形式和结构特点，只是去掉了炉算、供煤和排渣设备，对炉膛略加改装后，加装了燃油燃烧器。 这样的燃油锅炉，很多生产厂家都有产品。燃油炉在油田使用，燃用原油；在炼油厂或一年中某个时期锅炉使用燃油的单位，一般采用简单机械雾化喷嘴或用转杯式喷嘴。 (2)引进的燃油锅炉，以前引进的燃油锅炉，一般燃用轻质油，大多装于特定的使用场合，如研究机关和专用实验室等；较少用于工业用汽锅炉或

30、供暖热水锅炉。近几年来，随着工业化的发展，环保要求日益严格，有些城市环保部门要求工厂企业停用燃煤锅炉，改用或引进燃油锅炉。 进口燃油锅炉的全自动燃油燃烧器结构大同小异，燃烧器均为风机、油泵等一体式布置。进口燃油锅炉价格昂贵，运行费用较高。(3)国产燃油锅炉。我国是产煤耗煤大国，工业锅炉长期来都是以燃煤为主，缺少自己的燃油、燃气锅炉产品。随着经济建设的发展和石油制品供求量的逐年扩大，专用燃油锅炉的研究、试制工作逐渐展开；尤其是近几年来，国产的燃油锅炉取得了较大的进展。国产燃油锅炉，一般采用卧式内燃湿背式结构的三回程火烟管设计，配置的燃油燃烧器有进口与国产之分，而很多厂家都选用进口燃烧器配置自己生

31、产的锅炉。例如：13WNS110Y 型，受热面积 24m2，燃用轻柴油，设计热效率 85，全自动燃烧器，烟囱自然引风； WNSl0125Y 型，受热面积 283m2，燃用轻柴油，设计热效率882，全自动燃烧器，烟囱自然引风。进口燃烧器及其电控箱的费用，在国产燃油锅炉的整机售价中约占 30。所以，进口燃油燃烧器的国产化，或燃油燃烧器的全自动化，是今后发展燃油锅炉的必然趋势，对降低国产油炉制造成本，提高国产燃油锅炉的机电一体化水平具有重大的现实意义。1.5 燃油锅炉结构燃油锅炉结构燃油锅炉（an oil-burning boiler）是指燃料使用燃油的锅炉 ,包括柴油,废油等油料的锅炉。 14燃油

32、是一种液体燃料，它的沸点总是低于着火点，所以燃油的燃烧总是在气态下进行的。燃油经雾化后的油粒喷进炉膛以后，被炉内高温烟气所加热，进行气化，气化后的油气和周围空气中的氧相遇，形成火焰。燃烧产生的热量有一部分传给油粒，使油粒不断气化和燃烧，直到燃烬。油粒直径越小，油粒的燃烧愈快。同样，油粒燃烧所需的氧能及时地供给，油粒的燃烧也愈快 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行

33、火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。 炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。 炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。 15锅

34、筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。 锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。 锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上

35、还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。162 设计的初步数据设计的初步数据 2.1 计算对象计算对象 锅炉额定蒸发量 D=10t/h 锅炉额定蒸汽压力 P=1.25MPa 锅炉饱和蒸汽温度 tbq=194给水温度 tgs=105排污率 =5%蒸汽带水率 W=4%冷空气温度 tlk=30热空气温度 trk=30燃烧方式 室燃锅炉型式 锅壳式燃油湿背式三回程设计燃料 重油 2.2 燃料特性燃料特性 碳 Car83.9761 氢 Har12.232 氧 Oar0.5683 氮 Nar0.24 硫 Sar0.1517 灰分 Aar0.0266 水分 Mar2.07 低位发热量 Qnet,v,ar423

36、41 kJ/kg3 锅炉的分类及确定本设计的锅炉的基本结构锅炉的分类及确定本设计的锅炉的基本结构3.1 锅炉的分类锅炉的分类根据用途的不同分为：电站锅炉、工业锅炉、动力锅炉；按载热工质的不同分为：蒸汽锅炉、热水锅炉；按能源分为：燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、废热锅炉、太阳能锅炉；按燃烧方式分火床炉、室燃炉、旋风炉、流化床锅炉；按工质在受热面内流动方式分自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉、复合循环锅炉3.2 锅炉设计的步骤锅炉设计的步骤在设计锅炉之前，应根据所给定的锅炉容量、参数、燃料特性有目的地进行调查研究，取得第一手资料，然后进行设计。一般开始设计时先选定锅炉的总布置，进行燃料消耗量的估算

37、，然后再决定炉膛结构，进行炉内传热计算，决定对流受热面的结构，进行对流受热面的传热计算。在以上的结构设计和传热计算中须预先选定受热面的材料、管径及壁厚，布置好下降管系统。在以上的计算（或称热力计算）结束以后，再根据它的计算结果，计算管壁温度并校核强度，进行水循环计算，核算水循环是否安全可靠，进行空气动力计算，核算烟风道流阻是否合理，在一切都正常合理时，即可根据以上的初步设计和计算进行进一步的设计。而在本设计中，只是进行整体的热力计算（包括各种换热器的热力计算）3.3 确定锅炉的基本结构确定锅炉的基本结构锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤

38、器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。18锅炉本体结构见下图1.锅炉筒体 2.前烟箱 3.锅壳 4.底盘 5.防爆门 6.观火孔 7.后烟箱 8.烟囱 9.烟室盖板图 3.1 锅炉总布置图194 辅助设计辅助设计4.1 理论空气量和燃烧产物理论空气量和燃烧产物表表 4.14.1 理论空气量及燃烧产物理论空气量及燃烧产物名称符号单位公式结果理论空气量0Vm3kg(1.866Car+5.55Har+0.7Sar-0.7Oar) /100/0.2110.70848理论氮气容积02NVm3kg0.79+0.008Nar0V8.

39、4613理论水蒸汽容积02OHVm3kg0.0124War+0.111Har+0.01610V1.55474RO2容积2ROVm3kg(1.866Car+0.7Sar) /1001.573994.2 温焓表温焓表表表 4.24.2 温焓表温焓表温度理论烟焓空气焓炉膛出口1 . 1 烟管出口1 . 1pyyIkIyIIyII100683546738738200139311011493756149375330021041668227177822717744002849224330738033073800500361328303890823389082060043983435474284647428

40、42700520640475611869561186680060294672649688964968829006867530573989017398898100077205938831491683149131100858566009245931924592812009461725410186941101869371300103517920111439571114395720温度理论烟焓空气焓炉膛出口1 . 1 烟管出口1 . 1py温度理论烟焓yIkIyIIyII140011245859012104961121049611500121489265130759711307597116001306

41、1994414055981140559811700139781062215040985150409851800149021130516033992160339921900158271199617027994170279942000167601268718029100218029100221001770113382190391011190391011220018638140772004610072004610074.3 热平衡计算热平衡计算4.3.1 热平衡燃油燃气锅炉热力计算的主要目的是确定足够的受热面，以保证锅炉合理的出力和热效率。油、气燃料的燃烧过程和燃烧后产生的烟气与固体燃料相比，有许多

42、不同之处，因而燃油燃气锅炉的性能、结构和热力计算与燃煤锅炉相比，也有其特点。燃油燃气锅炉的热力计算主要包括：（1） 、锅炉的热平衡计算；（2） 、炉膛（炉胆）的受热面计算；（3） 、对流受热面计算。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。热平衡计算是在锅炉机组处于稳定的热力工况下进行的。对燃油、燃气锅炉，一般均以标态下 1kg 燃料油或 1m3气体燃料为基准计算。锅炉机组热平衡方程的普遍形式为： kJ/kg 或 kJ/m3 123456rQQQQQQQ21（4.1）式中 Qr送入锅炉系统的热量； Q

43、1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（又称化学不完全燃烧）损失的热量； Q4固体不完全燃烧（又称机械不完全燃烧）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。对气体燃料，上式各热量值均相对于 1 m3燃气，单位为 kJ/m3；对液体燃料，则相对于 1 kg 燃料油，单位为 kJ/kg。所以热平衡方程改为： kJ/kg 或 kJ/m3 1235rQQQQQ（4.2）4.3.2 锅炉输入热量 Qr 相对于 1kg 燃料油或 1 m3燃气送入锅炉系统的热量 Qr（kJ/kg 或 kJ/m3）是指锅炉范围以外输入的热量，可按下式计： , ,r

44、net v arrzqwlQQiQQ（4.3）式中 Qnet,v,ar 燃料的低位发热量值，kJ/kg 或 kJ/m3； Qwl用锅炉系统以外的热量加热送入锅炉的空气时，相应于每 kg 燃料油或每 m3燃气所具有的热量，kJ/kg 或 kJ/m3； ir 油或燃气的物理显热，kJ/kg 或 kJ/m3。 Qzq雾化燃油所用蒸汽带入的热量，kJ/kg。224.3.3 排烟损失 q2在燃油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。对于一定的燃料，排烟量决定于过剩空气系数的大小，而过剩空气系数又是和燃烧状况直接有关的。排烟热损失 q2可用锅炉机组的排烟和冷空气的焓差计算： % 42

45、2100100100pypylkrrIIqQqQQ（4.4） 式中 Ipy在排烟过剩空气系数及排烟温度下，相应于 1 kg 燃料油或 1 m3燃气的排烟的焓，kJ/kg 或 kJ/m3。 py排烟的过剩空气系数； Ilk在送入锅炉的空气温度下，1 kg 燃料油或 1 m3燃气所需要的理论空气焓，kJ/kg 或 kJ/m3。4.3.4 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，对燃油锅炉 q3可取11.5，对燃用天然气、油气伴生气和焦炉煤气的锅炉，可取 q30.5；对燃用高炉煤气的锅炉，取 q31。

46、对运行锅炉，借排烟处烟气成份的分析，可按下述公式进行计算： % 3240.110.0630.225.885.5pyqCOHCH（4.5）气体不完全燃烧热损失大小主要取决于燃烧成分、炉膛过剩空气系数、所用燃烧器、燃烧器与炉膛匹配是否适当以及运行操作是否合理。一台运行的锅炉。此项热损失究竟多大，要靠烟气分析的结果确定。4.3.5 机械不完全燃烧损失 q4对燃油锅炉来说，机械不完全燃烧热损失 q4是燃料中的碳未完全燃烧引起的。在燃油锅炉的烟气中，油灰中碳粒子的来源：一是油滴燃烧后剩下来的焦23粒；另一个来源是油气气热分解形成的碳黑，它是很细的，直径只有0.010.15 微米。一般是用烟色来监督烟气中

47、碳黑的含量。但是必须指出，烟色决定于烟气中所含固体粒字的表面积，他除了和碳粒的重量有关外，还和他的直径有关。4.3.6 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（露天布置时的室外温度、室内布置时的室内温度） 、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，一般根据经验数据和近似计算的办法确定。4.3.7 锅炉有效利用热 Q1锅炉有效利用热 Q1系指锅炉供出工质的总焓与给水焓的差值，对饱和蒸汽锅炉为：kJ/s 1100zybqgspw

48、bsgsrWQDDiiDii（4.6） 对于过热蒸汽锅炉： kJ/s 1gqgszyzygspwbsgsQD iiDiiDii（4.7） 式中 D锅炉蒸发量，kg/s；Dzy锅炉自用蒸汽量，kg/s；Dpw锅炉排污量，kg/s；ibq饱和蒸汽焓，kg/s；igq过热蒸汽焓，kJ/kg；izy自用蒸汽焓，kJ/kg；ibs饱和水焓，kJ/kg；24igs给水焓，kJ/kg；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，饱和蒸汽的蒸汽湿度不大于5；当锅炉的排污量小于 2时，排污水的热耗可以忽略不计。对热水锅炉： MW 1SrshsQGCtt（4

49、.8） 式中 Q1热水锅炉的输出热量，MW G循环水流量，kg/s； trs热水温度，； ths回水温度，； Cs水的比热，MJ/（kg.） ，一般取 0.0041868MJ/（kg.） 。4.3.8 锅炉的热效率和燃料消耗量锅炉的热效率为： % 23456100qqqqq（4.9）锅炉的燃量消耗量为： kg/s 或 m3/s 1100rQBQ（4.10）式中 B燃料消耗量，kg/s 或 m3/s；考虑到燃料消耗量 B 中有一部分随机械不完全燃烧损失带出，这一部分没有产生烟气，应从 B 中扣除，这样可得计算燃料消耗量： kg/s 或 m3/s 4100jrqBBQ（4.11）25式中 Bj计算

50、燃料消耗量，kg/s 或 m3/s。 所谓计算燃料消耗量指的的是单位时间内实际参加燃烧产生烟气的燃料量，对此燃木屑锅炉来讲，B=Bj。在本文的热力计算中，空气或烟气的体积是按实际参加燃烧的燃料量来计算的，在应用空气或烟气的体积来计算温焓表时采用计算燃料消耗量。表表 4.34.3 热平衡计算热平衡计算序号名称符号单位公式结果1燃料低位发热量arvnetQ,kJ/kg设计给定42341 2冷空气温度lkt设计给定30.00 3冷空气焓0lkHkJ/kg查温焓表424.100 4排烟温度py取定228.700 5排烟焓pyIkJ/kg查温焓表4044.35 6固体不完全燃烧损失q4%估取0.000

51、7气体不完全燃烧损失q3%估取1.000 序号名称符号单位公式结果8排烟损失q2%)100(4,0qQIIarvnetlkpypy8.450 9散热损失q5%估取2.500 10燃料物理热损失q6%估取0.000 11锅炉总热损失q%23456qqqqq11.950 12锅炉效率%65432100qqqqq88.050 13给水焓gsikJ/kg查水、水蒸气物性表441.048 14饱和水焓bhikJ/kg查水、水蒸气物性表806.751 2615饱和气焓bqikJ/kg查水、水蒸气物性表2785.175 16锅炉排污率%设计给定5.000 17蒸汽带水率W%设计给定4.000 18气化潜热R

52、kJ/kg查水、水蒸气物性表1964.000 19额定蒸发量Dkg/h设计给定10000.000 20锅炉有效利用热1QkJ/s)()100(1gsbhgsbqiiDWriiDQ6344.033 21锅炉燃料消耗量Bkg/h100,1arvnetQQ612.601 22计算燃料消耗量Bjkg/h)1001 (4qB612.601 23保热系数5q0.972 5 燃油锅炉炉膛（胆）的设计和计算燃油锅炉炉膛（胆）的设计和计算5.1 锅壳式燃油燃气湿背式三回程锅炉的炉胆传热计算锅壳式燃油燃气湿背式三回程锅炉的炉胆传热计算5.1.1 炉胆的传热过程炉膛传热过程是与炉内燃烧过程烟气流动过程同时进行的。炉

53、内既有燃烧反应的化学过程，又有物质交换物理过程，因此炉膛传热过程十分复杂。目前，我国采用的炉膛热力计算方法是运用了“相似理论”分析，并通过大量试验而综合得出的半经验计算公式。近年来，随着电子计算机技术的发展，很多研究人员试图借助于数学模型用解析法来研究和计算炉膛换热过程，已取得一定进展。炉膛传热计算的任务是确定堂辐射受热面（水冷壁）的吸热量和炉膛出口烟气温度。炉膛传热过程主要是高温火焰和水冷壁之间的辐射换热。炉内烟气流速较小，因而对流传热较弱，所占炉膛换热份额很少，计算时可以忽略。275.1.2 炉膛传热的基本方程炉膛传热计算也就是计算火焰与被火焰包围着的水冷壁之间的辐射换热量。根据斯蒂芬-波

54、尔茨曼定律辐射换热量为： kW fbxtfHTTQ)(440（5.1）式中 0绝对黑体辐射常熟，其值为kW/(m2K4)；115.67 10 Hf有效辐射受热面面积，m2 ； 火焰平均温度，K；T Tb水冷壁表面温度，K； xt炉膛系统黑度由烟气在炉膛内放出的热量应等于燃料在炉膛内有效放热量与炉膛出口烟气带走的热量之差，即 kW )( lljfTQBQ（5.2）式中 Ql炉膛有效放热量，kJ/kg;Il炉膛出口处烟气的焓，kJ/kg;保热系数；Bj每秒钟的计算燃料耗量，kg/s.5.1.3 有效辐射受热面炉内吸热是借炉膛内布置了辐射受热面水冷壁管来达到。水冷壁的辐射受热面面积并不等于所以管子的

55、表面积，这是因为水冷壁管一般都是靠炉墙布置，只有曝光的一面受到炉内火焰的辐射，而其背面只受到炉墙的反射辐射，所以不能完全利用。我们称火焰投射到管壁受热面的总热量 Q 与投射到炉墙的热量 Qt之比为有效角系数，即： /txQ Q28（5.3）它计及了火焰辐射与炉膛反射作用，x 的数值与管子的相对节距 S/d 及管子中心线离开炉墙的相对距离 e/d 有关。在一定的 S/d 下，增加 e/d，则被炉墙反射后再落到水冷壁管子上的辐射热量也增加，即增大了有效角系数；但当e/d1.4 后，被炉墙反射后落到水冷壁管上的辐射份额不再变化。在一定的e/d下，增加 S/d，火焰落到水冷壁管上的份额减少，既 x 值

56、下降。对锅壳式子燃油燃气锅炉来讲，火焰辐射热量全部落在水冷壁上，有效角系数为 1。炉膛出口烟囱对炉膛而言，可取 x=1，这是因为炉膛火焰辐射投射在出口烟囱上的辐射热，陆续通过烟囱后各派管子，不会有反射，全部被吸收。三回程锅壳式锅炉回燃室的烟囱出口，不是管排组成，而是烟管的入口，也可取 x=1。有效角系数与炉膛壁面积的乘积成为有效辐射受热面：Hf = xFb m2 （5.4）式中 Fb布置有水冷壁的炉墙壁面积，m2。如果某一区域的炉墙壁面积为 Fbi，有效角系数为 xi；则该区域的有效辐射受热面为 Hfi=xiFbi；由于各区域布置水冷壁有效角系数不尽一样，炉膛总的有效辐射受热面为：Hf = x

57、iFbi m2 （5.5）整个炉膛的平均有效角系数也称为炉膛水冷程度，即 fibibibiHx FxFF（5.6）在锅炉实际运行中，由于水冷壁被灰粒沾污，使管壁积灰层的表面温度升高及黑度减小，以致不能忽略管壁本身的辐射，也就是导致水冷壁受热面吸热量的减少。因此，在计算中引入水冷壁管的沾污系数 ，即29 投射到受热面的热量受热面吸收的热量（5.7）在实际计算炉膛传热时，综合考虑沾污系数和有效角系数对传热的影响，即采用热有效系数 ： tfQQ投射到炉壁的热量受热面吸收的热量（5.8）这样，热有效系数、沾污系数和有效角系数三者的关系为：=x （5.9） 值越大，表示受热面吸收的热量越多。由于水冷壁不

58、是绝对黑体，火焰和高温烟气投射到水冷壁的热量，其中有一部分又被水冷壁反射到火焰，此外，水冷壁受热面由于被沾污，表面温度升高，本身具有相当的辐射能力。5.1.4 火焰黑度计算炉膛辐射换热时，涉及了系统黑度。它与炉膛中火焰黑度和水冷壁黑度有关。在炉膛中，沿着火焰的行程，火焰中具有辐射能力的介质如三原子气体、灰粒、焦炭粒的浓度也是改变的，并且随燃料种类、燃烧方法、燃烧工况的变化而不同。在炉膛传染计算中，只得采用平均的火焰黑度，而且以炉膛出口烟温和成分作为计算依据。在传热学中将火焰作为灰体，火焰黑度原则上可按下式计算： 1kpshye （5.10）式中 k火焰辐射减弱系数，是火焰中各辐射介质的减弱系数

59、的代数和，1/(mMPa)； P炉膛压力，一般供热锅炉在常压下燃烧，故 P0.1 MPa ； 30（5.11） S有效辐射层厚度，可由下式计算： m ； 3.6llVSF（5.12） Vl炉膛有效容积，m3 ； Fl炉膛包覆面积，m2 。在燃用气体、重油时的火焰中，主要辐射介质是三原子气体 CO2和 H2O 及悬浮在火焰中细微的碳黑粒子。5.1.5 炉膛有效放热量与理论燃烧温度在炉膛内存在着燃烧放热和辐射受热面的吸热，有关辐射受热面的一些特性已在上面述及了，在燃烧放热方面，这里要引出量与质的概念。在数量方面用炉膛有效放热量来表示；在质量方面用理论燃烧温度来表示。炉膛有效放热量 Ql是对每 kg

60、 或每 m3完全燃烧的燃料（计算燃料）而言，并计及了加入炉膛的各种热量，即： kJ/kg ，kJ/m3 3464100100lrkqqqQQQq（5.13）式中，Qr ，q3,q4,q6 各项已在热平衡计算中有了说明。Qk是燃烧所需的空气带入炉膛的热量。Qr 是每 kg 或每 m3燃料带入炉膛的热量，在燃烧中由于有一定热损失，所以燃烧后的有效放热量为： 3464100100rqqqQq（5.14）而折算到每 kg 或每 m3计算燃料时，燃料在炉膛内有效放热量为： 34636441001100100rrqqqqqQQqq31（5.15）通常 Qr可以认为就是燃料的应用基低位发热量 Qnet,v,