循环流化床锅炉设计《毕业设计》Word版

目录

1 绪论 (3)

1.1循环流化床锅炉的概念 (3)

1.2 循环流化床锅炉的优点 (3)

2 燃料与脱硫剂 (6)

2.1 燃料 (6)

2.2 脱硫剂 (6)

3 无脱硫工况计算 (7)

3. 1无脱硫工况下燃烧计算 (7)

3. 2无脱硫工况下烟气体积计算 (7)

4 灰平衡与灰循环倍率 (8)

4.1 循环灰量 (8)

4.2 灰平衡计算 (8)

4.2.1 灰循环倍率 (8)

的关系 (9)

4.2.2 a n与a f和η

f

5 脱硫工况计算 (10)

5.1 脱硫原理 (10)

5.2 NOX的排放 (10)

5.3 脱硫计算 (11)

6 燃烧产物热平衡计算 (14)

6.1 炉膛燃烧产物热平衡方程式 (14)

6.2 燃烧产物热平衡计算 (14)

7 传热系数计算 (17)

7.1 炉膛传热系数 (17)

7.2 汽冷屏传热系数 (17)

7.3 传热系数的计算 (17)

8 炉膛结构设计与热力计算 (20)

8.1 炉膛结构 (20)

8.1.1 炉膛结构设计 (20)

8.1.2 炉膛受热面积计算 (20)

8.2 炉膛热力计算 (21)

9 汽冷旋风分离器结构设计与热力计算 (24)

9.1 汽冷旋风分离器结构设计 (24)

9.2 汽冷旋风分离器热力计算 (24)

10 计算汇总 (27)

10.1 基本数据 (27)

10.1.1设计煤种 (27)

10.1.2 石灰石 (28)

10.2 燃烧脱硫计算 (28)

10.2.1 无脱硫工况时的燃烧工况 (28)

10.2.2 无脱硫工况时的烟气体积计算 (28)

10.2.3 脱硫计算 (29)

10.2.4 脱硫工况时受热面中燃烧产物的平均特性 (32)

10.2.5 脱硫工况时燃烧产物焓温表 (32)

10.3 锅炉热力计算 (34)

10.3.1 锅炉设计参数 (34)

10.3.2 锅炉热平衡及燃料和石灰石消耗量 (34)

10.3.3 炉膛膜式水冷壁传热系数计算 (36)

10.3.4 炉膛汽冷屏传热系数计算 (38)

10.4 结构计算 (41)

10.4.1 炉膛膜式水冷壁计算受热面积 (41)

10.4.2 炉膛汽冷屏计算受热面积 (43)

10.4.3 汽冷旋风分离器计算受热面积 (44)

10.5 热力计算 (46)

10.5.1 炉膛热力计算 (46)

10.5.2 汽冷旋风分离器热力计算 (49)

设计总结 (52)

谢辞 (53)

参考文献 (54)

1绪论

循环流化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。未来的几年将是循环流化床飞速发展的一个重要时期。

1.1循环流化床锅炉的概念

循环流化床锅炉和煤粉炉的最大区别是循环流化床锅炉有旋风分离器，流化床锅炉的燃料相比煤粉炉要大得多，在燃烧的时候会有很多燃不尽的燃料（大于切割粒径的灰粒），它们会经过旋风分离器的分离进入返料系统，回到炉膛进行二次燃烧，如此循环，直到燃尽，循环流化床的“循环”两字就指的就是此处。在燃烧过程中，燃料在风嘴送风的吹动下，一直处于流动状态，这就是循环流化床中“流化床”的来源。

循环流化床锅炉是从鼓泡床锅炉的基础上发展起来的，早期循环流化床锅炉的流化速度比较高，因此称作快速循环流化床锅炉。鼓泡床和快速床的基本理论可以用于循环流化床锅炉。鼓泡床和快速床的基本理论已经研究了很长时间，形成了一定的理论。要了解循环流化床锅炉的原理，必须要了解鼓泡床和快速床的理论以及物料从鼓泡床到湍流床到快速床各种状态下的动力特性，燃烧特性以及传热特性。

1.2 循环流化床锅炉的优点

（1）燃料适应性广

这是循环流化床锅炉的主要优点之一。在循环流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1～3%，其余是不可燃的固体颗粒，如脱硫剂、灰渣等。因此，加到床中的新鲜煤颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把煤料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而煤颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持一定的温度水平，这也是流化床一般着火没有困难，并且煤种适应性很广的原因所在。

（2）燃烧效率高

循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉高，通常在95～99%范围内，可与煤

粉锅炉相媲美。循环流化床锅炉燃烧效率高是因为有下述特点：气固混合良好，燃烧

速率高，其次是飞灰的再循环燃烧。

（3）高效脱硫

由于飞灰的循环燃烧过程，床料中未发生脱硫反应而被吹出燃烧室的石灰石、石灰能送回至床内再利用。另外，已发生脱硫反应部分，生成了硫酸钙的大粒子，在循环燃烧过程中发生碰撞破裂，使新的氧化钙粒子表面又暴露于硫化反应的气氛中。这样循环流化床燃烧与鼓泡流化床燃烧相比脱硫性能大大改善。当钙硫比为1.5～2.0时，脱硫率可达85～90%。而鼓泡流化床锅炉，脱硫效率要达到85～90% ，钙硫比要达到3～4，钙的消耗量大一倍。与煤粉燃烧锅炉相比，不需采用尾部脱硫脱硝装置，投资和运行费用都大为降低。

（4）氮氧化物(NO

X

)排放低

氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表明，循环流

化床锅炉的NO

X

排放范围为50～150ppm或40～120mg/MJ。循环流化床锅炉NOX排放低是由

于以下两个原因：一是低温燃烧，此时空气中的氮一般不会生成NO

X

；二是分段燃烧，抑

制燃料中的氮转化为NO

X ，并使部分已生成的NO

X

得到还原。

（5）燃烧强度高，炉膛截面积小

炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床锅炉的另一主要优点。其截面热负荷约为3.5～4.5MW/m2，接近或高于煤粉炉。同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2～3倍。

（6）负荷调节范围大，负荷调节快

当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化床锅炉那样采用分床压火技术，也不象煤粉锅炉那样，低负荷时要用油助燃，维持稳定燃烧。一般而言，循环流化床锅炉的负荷调节比可达(3～4)：1。负荷调节速率也很快，一般可达每分钟4%。

（7）易于实现灰渣综合利用

循环流化床燃烧过程属于低温燃烧，同时炉内优良的燃尽条件使得锅炉的灰渣含炭量低(含炭量小于1%)，属于低温烧透，易于实现灰渣的综合利用，如作为水泥掺和料或做建筑材料，同时低温烧透也有利于灰渣中稀有金属的提取。

（8）床内不布置埋管受热面

循环流化床锅炉的床内不布置埋管受热面，因而不存在鼓泡流化床锅炉的埋管受热面易磨损的问题。此外，由于床内没有埋管受热面，启动、停炉、结焦处理时间短，可以长时间压火等。

（9）燃料预处理系统简单

循环流化床锅炉的给煤粒度一般小于13mm，因此与煤粉锅炉相比，燃料的制备破碎系统大为简化。

（10）给煤点少

循环流化床锅炉的炉膛截面积小，同时良好的混合和燃烧区域的扩展使所需的给煤点数大大减少，既有利于燃烧，也简化了给煤系统。

2 燃料与脱硫剂

2.1 燃料

从燃烧技术上说，循环流化床锅炉可以燃烧几乎所有的燃料。相当多的燃料在试验台或投运机组上已经燃烧过，有着许多经验可以借鉴。除了主燃料外，循环流化床锅炉还需要启动燃料，如气体燃料、油或煤粉等。启动燃料主要用于加热床料，在完成锅炉启动运行后，还可做备用或辅助燃料，一旦主燃料临时短缺，仍可以使锅炉带一定负荷。

本次设计的燃料是烟煤，V daf=34.68%，A ar=30.63%。在循环流化床锅炉中，灰分影响到燃料的着火与燃烧，但灰分使循环的传热增强、负荷调节范围扩大，这是它有利的一面。

2.2 脱硫剂

在燃烧高硫煤的时候，循环流化床锅炉需要加入脱硫剂进行炉内脱硫，以便使SO

排

2

放浓度达到标准。

从经济角度来说，大都采用石灰石作脱硫剂。脱硫剂需要量与下列因素有关：

（1）脱硫剂成分（CaCO

含量）

3

（2）脱硫剂粒度

（3）脱硫剂反应特性

（4）脱硫剂爆裂特性

（5）脱硫剂在炉膛内的停留时间

（6）炉膛燃烧温度

（7）燃料含硫量

（8）所需的脱硫效率

本次设计燃料S ar=2.52%，可以通过脱硫效率，钙硫摩尔比等数据计算得出CaCO3的消耗量。

3 无脱硫工况计算

3.1无脱硫工况下燃烧计算 理论空气量： 0=0.0889(0.375)0.2650.0333V C S H O ?+?+?-?

三原子气体体积： 1.866(0.375)/100

R O ar ar V C S =?+? (3-2) 理论氮气体积：

000.790.8/100N ar V V N =?+? (3-3)

理论水蒸气体积： 000.1110.0120.016H O

ar ar V H M V =?+?+? (3-4) 3.2无脱硫工况下烟气体积计算

过量空气量：

0(1)pj V αα=-? (3-5) H2O 体积H O V ：

00+0.0161(1)H O H O pj V V V α=?-? (3-6)

烟气总体积y V ：

00++(1)+y N RO pj H O V V V V V α=-? (3-7)

4 灰平衡与灰循环倍率

4.1 循环灰量

循环灰量是设计，运行循环流化床锅炉的基本参数。它不仅影响燃烧，而且影响传热。根据在冷态试验台上观察的结果，循环流化床锅炉炉膛大致可以分为密相区、过渡区和稀相区三个区域。

密相区位于二次风口附近，含过渡区。在该区域里，灰粒粒度较粗，大小不一，床料密度最大，气泡尺寸较大，速度不快，类似鼓泡流化床动力学特性。

稀相区位于密相区上面。在该区域里，灰粒粒度较细，大小均匀，气泡尺寸不大，速度较快，床料密度随炉膛高度增加而迅速下降。

循环灰量的热容量虽小，二灰量却大得惊人，因此灰焓必须计入，不得略去。这里所说的循环灰量是指外循环灰量，且只有分离器之前的受热面才涉及循环灰量，需加入循环灰量。循环灰量的计量，可以入炉煤量为基准，也可以入炉灰量为基准。

4.2 灰平衡计算

4.2.1 灰循环倍率

循环流化床内的物料循环分内循环和外循环两种，物料内循环和外循环对床温的影响不同，但对燃烧效率和脱硫效率的影响相同。这里我们所计算的物料循环指内循环。

物料循环倍率公式为： 1001n f

f f

n a C a ηη-=-

(4-1) 令C f =C n ，即循环流化床锅炉处于最佳燃烧工况，式(4-1)可以变为：

1f f

n a η=-

(4-2) 由式(4-2)可知，灰循环倍率仅与飞灰份额和分离器效率有关。换言之，灰循环倍率不是人为选取的，当a f 和ηf 一定后，a n 也就确定了。

4.2.2 a n与a f和η

的关系

f

a f称为飞灰份额，即除掉底灰的那部分灰份额，它在0~1之间变化。当a f=0时，无论ηf为何值，全部燃料灰以底灰形式排出炉膛，即a n=0无灰可以循环。当a f=1时，全部燃料灰以飞灰形式飞入炉膛，a n最大。

这时，当ηf为50%时，a n=1，对循环流化床锅炉，为最小循环倍率。可以认为定出一个“转择点”，若取a f=0.7，??(ηf)=500 ，则ηf≈96.26%。换言之，当ηf<96.26%时，a f变化对a n影响不大；当ηf≥96.26%时，a f为常数，ηf变化对a n影响很大。

5 脱硫工况计算5.1 脱硫原理

SO

2是一种严重危害大气环境的污染物，SO

2

与水蒸汽进行化学反应形成硫酸，和雨水

一起降至地面即为酸雨。NO

X 包括NO、NO

2

、NO

3

三种，其中NO也是导致酸雨的主要原因之

一，同时它还参加光化学作用，形成光化学烟雾，还造成了臭氧层的破坏。

煤加热至400℃时开始首先分解为H

2S，然后逐渐氧化为SO

2

。其化学反方程式为

FeS

2+ 2H

2

→ 2H

2

S + Fe

H2S + O2 → H

2 + SO

2

对SO

2

形成影响最大的因素是床温和过量空气系数，床温升高、过量空气系数降低则

SO

2

越高。

循环流床燃烧过程中最常用的脱硫剂就石灰石，当床温超过其煅烧温度时，发生煅烧分解反应：

CaCO

3→ CaO + CO

2

─ 183 kJ/mol

脱硫反应方程式为：

CaO + SO

2 + 1/2 O

2

→ CaSO

4

5.2 NO X的排放

燃煤循环流化床锅炉，氮来自助燃空气中的氮气和煤中所含的氮。会形成热力型氮氧化物和燃料型氮氧化物。

根据Zeldovich机理，高温下氧气与助燃空气中的N

2

将按下述反应式进行反应：

O+N2=NO+N

N+O

2

=NO+O

根据循环流化床锅炉的运行温度和氧的含量，热力型NO

X

的生产速率很低，即使不考虑各种分解还原过程，其平衡浓度也很低，一般可不予考虑。

研究表明：

（1）炉膛燃烧温度升高，将使排放的NO

X 增加，N

2

O减少；

（2）与低挥发分燃烧相比，高挥发分燃烧对NO

X

的影响多半较小；

（3）过量空气系数α增加，NO

X 和N

2

O都将增加，增加的程度与燃料特性相关；