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生物质直燃锅炉设计计算

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生物质直燃锅炉设计计算（总26页）

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生物质直燃锅炉设计计算

生物质直燃锅炉设计计算

生物质直燃锅炉设计计算

锅炉设计时主要的结构尺寸

　　　1）炉膛净空尺寸：

250×250×1400

　　　2）炉排有效面积250×600，共做3块，炉排小孔4mm，开孔率40%，炉排下两侧装导轨，机械传动

　　　3）前拱高200，长50；

　　　4）后拱高180，长300

　　　3）炉顶出口：

天圆地方结构，出口60mm

　　　4）点火炉门80×80，装在侧强

　　　5）看火孔42mm

　　　6）炉前装料斗

　　　7）料层厚度60mm

　　　6）炉顶装省煤器，管子18mm，前后各布置测点一个。

　　　8）每隔300mm一个测点，测点预留孔14mm，烟囱上布置一个测点

　　　9）支架高度800mm

　　　10）炉膛内衬80mm厚，布置抓钉

　　　11）整体用不锈钢外包装

　　　12）支架高度800mm

　　　13）整体外形长宽高：

760×410×2200

试验原料

　　　本试验是采用生物质颗粒燃料（玉米秸秆颗粒燃料），是由生物质燃料成型机压制而成的。

其尺寸是圆柱形，直径是8mm，燃料颗粒自然堆积密度为m3，其颗粒密度为1200kg/m3。

　　　实验前用氧弹式量热仪测定玉米颗粒燃料的收到基净发热量qnet,ar，qnet,ar=15132kJ/kg。

　　　由燃料元素分析仪分别测定其收到基中C，H，N，S，O的含量，得到：

Car=%，Har=%，Nar=%，Sar=%，Oar=%。

　　　用燃料工业分析仪分别测定其收到基水分含量（Mar），收到基挥发分含量（Var），收到基固定炭含量（Far），收到基灰分含量（Aar）。

如下：

Mar=%，Var=%，Far=%，Aar=%。

直燃锅炉设计的相关参数

　　　1）锅炉功率要求：

10kW；

2）温度：

查阅暖通空调设计指南（P63）可以得到室内空气温度在16-24℃范围内[2]，在试验期间实际测得当时温度为16℃，室外环境温度t0=10℃，排烟温度tpy低于烟气露点，150℃左右[20]，tpy=165℃；

　　　3）热负荷：

查相关锅炉设计手册得炉排单位面积热负荷经验值700~1050kW/m2[3-8]，由于低温及燃料易燃尽时取上限，所以取qF=1050kW/m2；炉膛单位容积热负荷经验值235~350kW/m3[3-8]，因为低温及燃料易燃尽时取取上限，所以取qV=350kW/m3；

　　　4）过量空气系数：

炉门和进料槽漏风系数△α=；炉膛进口空气过量系数α1=，炉膛出口空气过量系数α2,=α1+△α=；

　　　5）热损失：

固体未完全燃烧损失q4=%，CO未完全燃烧损失q3=%，侧壁散发到室内的热量q5=0%；

　　　6）大气压力P=1atm

　　　总结以上数据绘制成下表1

表1直燃锅炉主要设计参数

序号主要设计参数符号参数来源数值单位

　燃料参数　　　　

1燃料种类给定玉米桔杆

2燃料颗粒大小s燃料测定8mm

3燃料颗粒自然堆积密度s燃料测定kg/m3

4灰渣自然堆积密度ash燃料测定1200kg/m3

5收到基碳含量Car燃料元素分析仪测定%

6收到基氢含量Har燃料元素分析仪测定%

7收到基氮含量Nar燃料元素分析仪测定%

8收到基硫含量Sar燃料元素分析仪测定%

9收到基氧含量Oar燃料元素分析仪测定%

10收到基水分含量Mar燃料工业分析仪测定%

11收到基挥发分含量Var燃料工业分析仪测定%

12收到基固定炭含量Far燃料工业分析仪测定%

13收到基灰分含量Aar燃料工业分析仪测定%

14收到基净发热量qnet,ar氧弹式量热仪测定15132kJ/kg

　直燃锅炉参数　　　　

15功率W10kW

16温度thot,230-50℃，不超过70℃[1]50℃

17室内空气温度thot,1在16-24℃范围内选取[2]16℃

18炉排单位面积热负荷qF经验值700~1050kW/m2[3-8]1050kW/m2

低温及燃料易燃尽时取上限

19炉膛单位容积热负荷qV经验值235~350kW/m3[3-8]350kW/m3

低温及燃料易燃尽时取取上限

20炉门和进料槽漏风系数△α参照文献[9]选取

21炉膛出口空气过量系数α2α1+△α

22炉膛进口空气过量系数α1参考文献[10-13]

23固体未完全燃烧损失q4参考文献[14-16]%

24CO未完全燃烧损失q3参照文献[14-16]选取%

25侧壁散发到室内的热量q5参考文献[17-19]0%

26室外环境温度t0给定10℃

27排烟温度tpy低于烟气露点，150℃左右[20]165℃

28压力P给定1atm

烟气量的计算

（1）二氧化物量vRO2

　　　二氧化物是指烟气中的量，其计算如下：

　vRO2=（Car+

=（+×）

（2）理论空气量va,0

　　　理论空气量是指每千克固体、液体燃料或每标准立方米气体燃料在化学当量比之下完全燃烧所需的空气量。

此试验所需的理论空气量为：

va,0=（Car++=（+×）+×（3）理论氮气量vN2

理论氮气量包括空气中的氮气量和燃料燃烧所产生的氮气。

计算如下：

vN2=+,0

=×+×

（4）理论水蒸气量

理论水蒸气量包括自身水分，空气中水分和H燃烧生成的水分：

=++,0

=×+×+×

（5）理论烟气量vy,0

理论烟气量是指单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气量。

包括二氧化物，氮气和水蒸气的量：

vy,0=VRO2+VN2+VH2O,0

（6）实际烟气量vy

　　　实际排放或者测量的烟气量，依状态不同，分为工况和标况两种，工况是依实际条件测定的烟气量，标况是工况换算成标准状态下的烟气量：

vy=vy,0+（α-1）Va,0

　　　α×（）×

　　　α2,=α1+△α×（）×

=

　　　汇总数据成下表2：

表2烟气量计算

序号项目符号单位计算公式数值

1过剩空气系数α

3理论空气量va,0Nm3/kg（Car+

5理论水蒸气量vH2O,0Nm3/kg+

7实际烟气量vyNm3/kgvy,0+（α

烟气焓温表

　　　由于实验需多次用到烟气焓温表，所以查阅工业锅炉实用手册得到下表3以随时查找相关数据：

表3烟气焓温表[21]

θ/℃iCO2iN2iH2Oiy,0ia,0iy=iy,0+（α-1）ia,0

（ct）CO2vRO2（ct）RO2（ct）N2vN2（ct）N2（ct）H2OvH2O（ct）H2OiRO2+iN2+iH2O（ct）ava,0（ct）a

100170130151132

200375260304266

300559392463403

400772527626542

500994664795684

6001225804969830

70014629481149978

8001705109413341129

9001952124215261282

10002204139217231437

11002458154419251595

12002717169721321753

13002977185323441914

14003239200925592076

15003503216627792239

直燃锅炉热效率和燃料消耗量计算

（1）冷空气理论焓ia,t0,0

　　　由于经过排烟和灰斗预热，温度接近0℃，近似为基准温度0℃，所以其焓是0.

（2）排烟焓

　　　由排烟温度为165℃可查得排烟焓ipy=1740kJ/kg。

（3）排烟热损失q2

　　　其值在8～16%范围内，合理。

（4）灰渣温度、焓和排渣率

　　　参照文献[23]可以选取灰渣温度为300℃；参照文献[24]可以得出灰渣焓iash=（ct）ash=264kJ/kg；参照文献[25]且通过实验获得排渣率为αash=22%。

（5）灰渣散发到室内的热量q6

由于在试验中忽略了灰渣散发到室内的热量，所以可以将其设定为0。

（6）直燃锅炉总热损失∑q

∑q=q2+q3+q4+q5+q6=%

（7）直燃锅炉热效率η

η=100-∑q=%>小容量工业锅炉设计效率50-62%

　　　达到了85%的要求，设计合理。

（8）燃料消耗量m

m=100W/（3600qnet,arη）

=100×10×1000/（3600×15132×

　　　　　　　　　　　　　　　　　　=kg/s

　　　　　　　　　　　　　　　　　　=g/s

（9）保热系数ηb

ηb=1-q5/（η+q5）=100%

（10）燃料最大日消耗量mmax

mmax=3600×24m

=3600×24×

=d

（11）料仓容积Vs

Vs=mmax×nt/s=35

（12）灰产生量mash

mash=mmax×nt×αash×Aar×7

=×30×22×

　　　　　　　　　　　　　　　=kg/week

（13）综合热效率η’

η’=η+（q5+q6）/qnet,ar

　　　　　　　　　　　　　　　　=%

汇总以上数据计算得下表4：

表4直燃锅炉热效率和燃料消耗量计算

序号项目符号数据来源数值单位

1燃料收到基单位发热量qnet,ar表115132kJ/kg

2冷空气温度t0表110℃

3冷空气理论焓ia,t0,0近似为基准温度0℃

经过排烟和灰斗预热，温度接近0℃0kJ/kg

4排烟温度tpy表1165℃

5排烟焓ipy表31740kJ/kg

6固体不完全燃烧热损失q4表1%

7排烟热损失q2100（ipy-α2ia,t0,0）（1-q4/100）/qnet,ar%

在8～16%范围内[1,2]

8CO不完全燃烧损失q3表1%

9侧壁散发到室内的热量q5表10%

10灰渣温度tash参照文献[3]、实验和经验选取300℃

11灰渣焓iash参考文献[4]，iash=（ct）ash264kJ/kg

12排渣率αash参照文献[5]和实验选择22%

13燃料收到基灰分Aar表1%

14灰渣散发到室内的热量q6100αash（ct）ashAar/qnet,ar0%

15直燃锅炉总热损失∑qq2+q3+q4+q5+q6%

16直燃锅炉热效率η100-∑q%

>小容量工业锅炉设计效率50-62%[6,7]

17直燃锅炉功率W表110kW

18燃料消耗量m100W/（3600qnet,arη）kg/s

g/s

19保热系数ηb1-q5/（η+q5）100%

20

燃料最大日消耗量

mmax3600×24mkg/d

21运行时间系数nt按经验选取30%

22料仓容积Vsmmax×nt/s，1仓/天35l

23燃料月消耗量mmon30mmax×ntt/mon

24灰斗容积Vashmash/ash1l

25灰产生量mashmmax×nt×αash×Aar×7，1次/周kg/week

26综合热效率η’η+（q5+q6）/qnet,ar%

燃烧器和炉膛设计计算

（1）炉排单位面积燃烧率qm

　　参考文献[21]，Far=%<无烟煤45%，符合计算设计标准

qm=3600×Far×qF）/qnet,ar,

=3600×（×1050）/15132

　　　　　　　　　　　　　　　=1487kg/（m2h）

（2）水平炉排

　　参考文献[21]，Far=%<无烟煤45%，符合计算设计标准

总面积Ap=m×qnet,ar/Far×qF）

=×15132/×1050）

　　　　　　　　　　　　　　　　=m2

　　1）水平炉排类型参照calimax样机确定，是宽而窄；

　　2）水平炉排形状系数参照calimax样机选取；

　　3）水平炉排区有效长度lp：

联立lp/wP=和lp×wP=Ap求解，可得lp=82mm，进料槽颗粒能

　　4）沿炉排长度方向较均匀（随机）分布；

　　5）水平炉排区有效宽度wp减薄火焰厚度和减小炉排中心缺氧区域面积：

wp=1000×Ap/lP

=1000×

　　　　　　　　　　　　　　　　　　=24mm

　　（3）燃烧需实际空气量va

va=（α1+α2）/2×va,0

=+/2×

=Nm3/kg

（4）空气通过炉排间隙流速ua

ua=va×m×a/（a+1）/[（n1+1）×dp×wp]

=××2/（2+1）/[（7+1）×5×24]

=m/s

（5）水平炉排通风截面积Atf

Atf=va×m×a/（a+1）/ua

=××2/（2+1）/

=960mm2

（6）水平炉排通风截面积比ftf

ftf=Atf/Ap×100

=960/×100

=%

（7）水平炉排片数目n1

n1=（lp-dp）/（dp+p）

=（82-5）/（5+5）

=,取整即7

水平炉排片直径p=5mm

水平炉排片间距dp=5mm

（8）一、二次风孔面积比Atf:

Ack=

（9）侧壁矩形风孔总面积Ack

Ack=Atf/（Atf:

Ack）

=960/

=128mm2

（10）侧壁矩形风孔宽度wck

考虑颗粒和calimax样机侧壁风孔（3mm）设计,得wck=

（11）侧壁矩形风孔高度hck

hck=2wck=，和calimax样机侧壁风孔面积相等

（12）侧壁矩形风孔数目n2

n2=Ack/（wck×hck）

=128/×

=,取整即为14

（13）侧壁沿炉宽方向矩形风孔个数n21参照calimax样机选定为3个

（14）前后侧壁矩形风孔个数之比n22:

n23参照calimax样机布置为

　　则，前侧壁矩形风孔个数n22=n22:

n23/（n22:

n23+1）×（n2-2×n21）=3个；

　　　　后侧壁矩形风孔个数n23=n2-2×n21-n22=5个

（15）通过水平炉排的一次风百分数φa,p

φa,p=100×（n1+1）×dp×wp/[（n1+1）×dp×wp+n2×wck×hck]

=100×（7+1）×5×24/[（7+1）×5×24+14××]

=%

（16）通过侧壁风孔的二次风百分数φa,ck

φa,ck=100-φa,p

=%

=%

汇总如下表5：

表5水平炉排和侧壁风孔计算

序号项目符号数据来源数值单位

1燃料消耗量m表4kg/s

2燃料收到基低位发热量qnet,ar表115132kJ/kg

3炉排单位面积热负荷qF表11050kW/m2

4炉排单位面积燃烧率qm1487kg/（m2h）

5水平炉排总面积Apm2

6水平炉排类型宽而窄

7水平炉排形状系数lp/wP

8水平炉排区有效长度lp82mm

9水平炉排区有效宽度wp1000×Ap/lP24mm

10燃烧需实际空气量va（α1+α2）/2×va,0Nm3/kg

11空气通过炉排间隙流速uam/s

12水平炉排通风截面积Atfva×m×a/（a+1）/ua960mm2

13水平炉排通风截面积比ftfAtf/Ap×100%

14水平炉排片数目n1（lp-dp）/（dp+p），取整7根

15水平炉排片直径p5mm

16水平炉排片间距dp5mm

17水平炉排材质参考文献[3]HT150-200

18水平炉排脊背形状参考文献[4]半圆形

19一、二次风孔面积比Atf:

Ack

20侧壁矩形风孔总面积AckAtf/（Atf:

Ack）128mm2

21侧壁矩形风孔宽度wckmm

22侧壁矩形风孔高度hckmm

23侧壁矩形风孔数目n2Ack/（wck×hck），取整14个

24侧壁沿炉宽方向矩形风孔个数n213个

25前后侧壁矩形风孔个数之比n22:

n23

26前侧壁矩形风孔个数n223个

27后侧壁矩形风孔个数n23n2-2×n21-n225个

28通过水平炉排的一次风百分数φa,p%

29通过侧壁风孔的二次风百分数φa,ck100-φa,p%

（1）炉膛容积V炉膛

　　　通过参考文献[21]，设计大炉膛容积，保证燃烬时间，

V炉膛=m×（qnet,ar-Far××30000）/qv

=×××30000）/350

=28m3

　　　炉膛类型参照calimax样机确定为宽、高而窄

（2）炉膛梯形区高度h梯

参照calimax样机选定，火焰最高温度正常高度为300mm

（3）炉膛矩形区高度h矩

h矩=[V炉膛/W炉膛-（l梯下底+L炉膛）×h梯/2]/L炉膛

=[28/150-（152+400）×300/2]/400

=260mm

炉膛梯形区底边长l梯下底利于落灰和组织宽高薄火焰,

l梯下底=lp+2×dfp

=82+2×35

=152

炉膛长度L炉膛=400mm

炉膛宽度W炉膛=150mm

（4）炉膛侧壁底部与炉排间距dfp

为了便于放取水平炉排，dfp设定为35mm

（5）炉顶辐射换热管与垂直方向夹角θ按辐射圆管实际布置确定便于在窄小空间里布置更多辐射换热面积，最终确定为40o。

（6）腔顶斜边长a暖参照calimax样机选定为100mm;矩形通道斜宽度W暖,1参照calimax样机选定为25mm;垂直空气腔宽度δ暖参照calimax样机选定为70mm;辐射换热管端面斜宽度W暖,2，端面布置辐射换热管，参照calimax样机选定为75mm;

（7）炉膛前侧壁高度H前

H前=h梯+h矩+炉膛/tgθ?

=300+260+×150/40o

=650mm

（8）炉膛中间高度H中

H中=h梯+h矩+炉膛/tgθ+a暖sinθ

=300+260+×150/tg40o+100sin40o

=714mm

（9）垂直空气腔后侧壁高度H后

H后=H中-（δ暖+W炉膛-a暖×cosθ）/tgθ

=714-（70+150-100×cos40o）/tg40o

=543mm

汇总以上数据得下表：

表6炉膛计算

序号项目符号数据来源数值单位

1炉膛单位容积热负荷qV表1350kW/m3

2炉膛容积V炉膛28m3

3炉膛类型宽、高而窄

4炉膛梯形区高度h梯300mm

5炉膛矩形区高度h矩260mm

6炉膛侧壁底部与炉排间距dfp便于放取水平炉排35mm

7炉膛梯形区底边长l梯下底152mm

8炉膛长度L炉膛400mm

9炉膛宽度W炉膛150mm

10炉顶辐射换热管与垂直方向夹角θ40°

11腔顶斜边长a暖100mm

12矩形通道斜宽度W暖,125mm

13垂直空气腔宽度δ暖70mm

14辐射换热管端面斜宽度W暖,275mm

15炉膛前侧壁高度H前650mm

16炉膛中间高度H中714mm

17垂直空气腔后侧壁高度H后543mm

（1）阻力系数M

　　　参考文献得知在10-20范围内选取故选取M=10

（2）包括炉排在内的阻力m

考虑炉排上积灰百分数，

　m=M（qmαash）2/103

　　　　　　=10×（1487×22%）/103

　　=1072Pa

（3）颗粒层最大容许厚度hm

　　　参照文献[]可知颗粒和灰渣不堵炉膛侧壁二次风孔在25~50mm之间，参考calimax样机选取为50mm。

（4）侧壁矩形风孔高出水平炉排的高度h

　　　h和颗粒层最大容许厚度相等，即为50mm

汇总数据得下表7：

表7颗粒层阻力计算

序号项目符号数据来源数值单位

1系数M在10-20范围内选取[2]10

2包括炉排在内的阻力m1072Pa

3颗粒层最大容许厚度hm50mm

4侧壁矩形风孔高出水平炉排的高度h　50mm

辐射换热计算

（1）燃料系数e

参考文献[1]，查无烟煤数据可得e=

（2）燃质系数N

参考文献[1]，查无烟煤数据可得N=2500

（3）理论燃烧温度tmax,1

tmax,1=N/（α2+e）

=2500/+

=1351℃

（4）理论燃烧温度tmax,2

tmax,2由表3烟气焓温表查得1171℃

（5）理论燃烧温度计算值tmax

tmax=max（tmax,1,tmax,2）=1351℃

汇总数据见下表8：

表8理论燃烧温度

序号项目符号数据来源数值单位

1炉膛出口过量空气系数α2表1

2燃料系数e

3燃质系数N2500

4理论燃烧温度tmax,11351℃

5理论燃烧温度tmax,21171℃

6理论燃烧温度计算值tmax1351℃

（1）炉膛出口烟温tll,cal

由参考文献可知tll,cal<灰软化温度860-900℃，设定为700℃

（2）辐射换热量Qrad,cal

Qrad,cal=（tmax-tll,cal）W/（tmax-tpy）

=（1351-700）×10/（1351-165）

=

（3）辐射换热面热强度qrad,cal

参照文献[]，结合tll线性外延，可得qrad,cal=30kW/m2

（4）有效辐射换热面Arad,0

Arad,0=Qrad,cal/qrad

=30

=

（5）辐射换热面利用率ηrad

参考文献[3]，并结合经验选取ηrad=76%

（6）辐射换热面积计算值Arad,cal

Arad,cal=Arad/ηrad

=76%

=

（7）观察窗下底边边长awin,down和炉排长度lp相等，取整得80mm；

　　　观察窗两边预留宽度awin,down安装观察窗需要知其为60mm;

　　　观察窗上底边边长awin,up=awin,down-2×?

awin,down=280mm;

　　　观察窗顶边离梯形顶边距离hwin=40mm;

　　　观察窗高度hwin=hwin-hwin=260mm;