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1、280t/h燃煤循环流化床锅炉设计目 录摘 要ABSTRACT1 绪 论1 1.1国内外CFB锅炉发展及现状1 1.1.1 国内CFB锅炉发展11.1.2国外CFB锅炉发展1 1.2 循环流化床锅炉优缺点12 锅炉结构和设计简介3 2.1 原始资料32.2 煤的元素分析数据校核和煤种判别3 2.2.1 煤的元素分析数据校核3 2.2.2 煤种判别42.3 锅炉的整体布置43 220t/hCFB锅炉热力计算63.1 锅炉燃烧产物和锅炉热平衡计算6 3.1.1 燃烧产物计算6 3.1.2 无脱硫工况计算6 3.1.3 有脱硫工况计算8 3.1.4 烟气特性计算表11 3.1.5烟气焓温计算表123
2、.2 锅炉热平衡及燃烧和石灰石消耗量计算123.3炉膛与汽冷屏设计及热力计算15 3.3.1 炉膛结构设计及计算15 3.3.2 炉膛水冷壁传热计算18 3.3.3 汽冷屏结构设计及计算21 3.3.4 汽冷屏传热计算22 3.3.5 锅炉炉膛整体热力计算253.4 汽冷旋风分离器设计及热力计算293.4.1 旋风分离器结构计算293.4.2 旋风分离器热力计算30 3.5 高温过热器设计及热力计算333.5.1 高温过热器结构计算333.5.2 高温过热器热力计算353.6低温过热器设计及热力计算383.6.1 低温过热器结构计算383.6.2 低温过热器热力计算403.7省煤器设计及热力计
3、算433.7.1 省煤器结构计算433.7.2 省煤器热力计算453.8管式空气预热器设计及热力计算473.8.1 管式空气预热器结构计算473.8.2 管式空气预热器热力计算50 3.9热力计算数据的修正52 3.10 热力计算数据汇总表544 结 论56谢 辞57参考文献58附 录59 摘 要循环流化床锅炉是近几十年发展起来的一种新型燃烧设备，其具有燃料适应性广、有利于环保、负荷调节性好、燃烧热强度大、炉内传热能力强等优点。所以，其一经推出就在世界范围内得到了广泛的应用。特别是在中国，循环流化床锅炉技术在近几十年取得了长足的进步。 循环流化床锅炉包括本体设备和辅助系统两部分。CFB锅炉本体
4、由炉膛及布风装置、循环灰分离器、回料阀、尾部受热面竖井烟道及可以加置的外置式循环灰换热器组成。循环流化床锅炉主要辅助系统包括风烟系统、煤制备系统、石灰石制备系统、灰渣处理系统、燃油点火启动系统、热控系统1。在整个设计过程中进行了锅炉整体的热力计算。热力计算包括炉膛、高温过热器、低温过热器、省煤器以及空气预热器的计算。在此基础上，利用CAD绘制锅炉结构图、主要部件三视图。关键词：循环流化床锅炉；热力计算；汽冷屏；旋风分离器；过热器The Design of 280t/h CFB BoilerABSTRACTThe CFB is the new combustion equipment which
5、 is developed in the recent years, it has the advantages of be widely adapt to fuels,be good for environment, load adjustment well, burning intensity is big, heat transfer is strong in the firebox and so on. So, it is widely applied in the world. Especially in China, the technolog of CFB is made gre
6、at progress in the recent years.CFB boiler including body systems and auxiliary equipment two parts. CFB body are compose of boiler furnace and air distribution device, loop ash separator, return valve, silo flue of heating surface and external circulating ask heat exchanger.The main auxiliary syste
7、ms of circulating fluidized bed boiler system including Wind and Smoke, coal preparation system, limestone preparation system, ash handling system, fuel ignition system, thermal control systems.Throughout the design process, we make the thermodynamic calculation. Thermodynamic calculation of the fur
8、nace, high temperature superheater, low temperature superheater, economizer and air preheater of calculation. On this basis, the use of CAD drawing the boiler chart and three view of the main parts.Key Words: CFB; thermodynamic calculations; Gas cooled screen; The Cyclone Separator; superheater unit
9、 1 绪 论1.1 国内外CFB锅炉发展及现状锅炉作为一种能源转换设备，在工业生产和生活中得到广泛的应用。锅炉是利用燃料燃烧释放的热能或其它热能将工质加热到一定参数的设备。随着科学技术的发展，锅炉无论在受热面的结构还是在燃烧方式上都有了很大的改进，以至于锅炉效率得到了提高，这对能源利用，保护环境都有重要的意义。燃煤锅炉燃烧排放出大量的灰渣、二氧化硫等气固污染物，严重影响生态环境。再由于煤等化石燃料的燃烧而日益枯竭，高效率、低污染的燃烧方式就显得格外重要。循环流化床锅炉是从上世纪七十年代发展的清洁燃烧技术，对环境问题的解决及其重要2。1.1.1 国内CFB锅炉发展自1979年热功率为15MW的首
10、台商业化循环流化床锅炉在芬兰Pihlava投运以来，循环流化床锅炉得到较快发展。为了吸收和借鉴国外CFB锅炉的先进技术和成功经验，1987年，引进国外先进设备，建立了我国100MW CFB锅炉示范电站。引进示范工程建在我国重点高硫煤地区之一的四川省，100MWCFB锅炉发电机组安装在四川内江发电总厂高坝发电厂3。经过10多年的研究和实践，国内一批技术实力雄厚、多年从事CFB锅炉技术开发研究的科研院所和高校，已拥有一定的试验设施和试验研究手段，已具备较强的CFB锅炉技术开发能力。已生产出了具有自主知识产权的50MW等级CFB锅炉，并已具备设计100MW等级CFB电站锅炉的能力，目前正在研制具有自
11、主知识产权的100MW等级和125MW级CFB电站锅炉，并拟在消化吸收国外先进技术的基础上，与国内研究、制造单位合作，有所创新地自行研制300MW等级的CFB电站锅炉4。1.1.2 国外CFB锅炉发展国外的先进性表现在：基础工作扎实、锅炉的再用效率较高、燃烧效率高、负荷调节性好, 自动控制水平高。 目前国外CFBB设计结构特点上主要分为三大流派：德国鲁奇公司为代表的鲁奇型CFBB、芬兰奥斯龙公司的百宝炉型CFBB 、 美国福斯特惠勒公司的CFBB、德国Circofluid型和内循环型5。1.2 循环流化床锅炉优缺点（1）CFB优点，具体如下：煤种适应性广。它除了燃用一般种类的煤外，还可以燃烧低
12、热值的煤矸石、煤泥、造气炉渣、生活垃圾等，从而对处理城市垃圾、能源的综合利用和减少环境污染有着非常显著的经济效益和社会效益6。 高效脱硫。由于循环流化床锅炉燃烧温度在850-950之间，对脱硫非常有利，且分离器效率高，脱硫剂很细，再加上物料循环使脱硫剂得以循环利用，石灰石的利用率高，因此脱硫效率高。燃烧效率高。CFBB燃烧效率高是因为 :空气和燃料混合充分；燃烧速率高：对粗燃料分离效率高，未燃尽的燃料会被循环装置再循环至炉膛再次燃烧7。 氮氧化物排放低。循环流化床锅炉 的炉膛温度一般较低，再通过合理配风、组织分段燃烧，可以有 效地减少 的生成。也可易于实现灰渣 的综合利用。（2）CFB缺点，具
13、体如下：支持燃料沸腾的一次风由鼓风机从炉膛底部喷入，但受风机功率的限制，影响了锅炉的出力8。CFBB的运行维护比较烦繁琐。循环流化床更容易结焦。炉膛密相区磨损严重，密封性差 。2 锅炉结构和设计简介2.1 原始数据（1）额定蒸发量 ： 280t/h ；（2）过热蒸汽压力 ： 9.8MP ；（3）过热蒸汽温度 ： 540 ；（4）设计热效率 ： =85% ；（5）排污率 ： 2% ；（6）给水温度 ： 215 ；（7）冷空气温度 ： 20 ；（8）燃料特性 ： 原料名称：元宝山褐煤 ； 煤的收到基成分：Car=39.3%、Oar=11.2%、Sar=0.9%、Har=2.7%、Nar=0.6%、
14、Mar=24.0%、Aar=21.3%9； 煤的干燥无灰基挥发分及低位发热量：Vdaf=44.0%、Q=14580kj/kg； 灰熔点：DT=1150、ST=130010；2.2 煤的元素分析数据校核和煤种判别2.2.1 煤的元素分析数据校核（1）煤的元素各种成分之和为100%的校核 ： Oar + Sar + Har + Nar + Mar + Aar +Car =11.2+0.9+2.7+0.6+24.0+21.3+39.3=100%（2）煤的元素分析数据校核 ： 干燥无灰基成分份额 ： Kdaf=100/(100- Mar - Aar)=1.828Cdaf= Kdaf * Car =1.
15、828*39.3=71.84% 、Hdaf=1.828*2.7=4.94%、Odaf=1.828*11.2=20.47%、Ndaf=1.828*0.6=1.10%、Sdaf=1.828*0.9=1.65% 干燥基灰分计算 ： Ad=100 Aar/(100- Mar)=100*21.3/(100-24.0-21.3)=28.03% 干燥无灰基低位发热量的计算 ： Q=( Q+25* Mar)*100/(100- Mar - Aar) =(14580+25*24)*100/(100-24.0-21.3) =27751kj/kg2.2.2 煤种判别（1）因干燥无灰基Vdaf=44.0% ，属于范围
16、Vdaf40%；且Q=14580kj/kg11500 kj/kg,所以此煤为高挥发分的烟褐煤。（2）折算成分计算 ： Aar.zs=4187* Aar/ Q=4187*21.3/14580=6.12% Mar.zs=4187* Mar / Q=4187*24.0/14580=6.89% Sar.zs=4187* Sar / Q=4187*0.9/14580=0.26% Aar=21.3%24%,为常灰分的煤；Vdaf=44.0%、Mar=24.0%，为高水分高挥发分煤；Sar=0.9%，为低硫煤。2.3 锅炉的整体布置（1） 炉膛温度，是CFBB设计时的关键数据之一。根据煤种及炉膛内放热份额为
17、1，选择较高的炉膛燃烧温度为950，因为它会影响锅炉的燃烧效率和水冷壁的吸热量以及吸收剂的利用情况，从而满足和的排放要求。（2） 布风板作为重要的布风装置，其在流化床锅炉中作用有三个：一是支承静止的燃料层：二是使布风板上具有均匀的气流速度分布：三是维持流化床层的稳定。本锅炉采用风帽式布风板。风帽上小孔的面积之和远小于布风板的面积，通过风帽上的小孔的气流速度很大，高速气流进入床层的底部，对床层颗粒产生强烈的扰动，气固质量交换强烈，这对于均匀床层和提高流化质量都是非常重要的11。 （3） 循环流化床锅炉的炉膛由膜式水冷壁构成，保证了良好的气密性。底部为一次风区。一次风经布风板上的风帽均匀进入炉膛底
18、部，确保底部流化状态，使燃烧粒子充分混合。二次风离底部约5m高处射入炉膛燃烧。回料口及给煤口均位于炉膛的下部1.5到两米处。此机组燃烧器为风道型燃烧器，实施床下点火，是高温烟气与一次风一起，经布风板送入炉膛，加热床料12。 （4） 炉膛尺寸主要为炉膛深度、宽度、高度和炉膛下部界面收缩部分的尺寸。燃烧室的截面宽度与深度的确定应考虑如下主要因素：燃烧室受热面、局部受热面、分离器的布置等相协调；二次风在燃烧室内的穿透深度；燃料、石灰石及回灰的供给与扩散13。本次设计选取炉膛宽深比为1:1，截面为8804mm*8804mm,截面热负荷为2.53MW/m2。 （5） 燃烧室的高度,是循环床锅炉设计的一个
19、重要参数。高度的确定应综合考虑几个方面的要求：保证燃料流化完全燃烧；有足够的空间布置受热面保证吸热量；保证脱硫所需的气体最短停留时间；保证足够的循环物料正常回送；与尾部受热面布置所需的高度相协调14。此次280t/h燃煤循环流化床锅炉设计的炉膛高度为自布风板至炉顶最低处为33米。 （6） 过热器由屏式过热器、旋风分离器、高温过热器、低温过热器、炉顶包覆管。蒸汽流程为：锅筒-屏式过热器-旋风分离器-一级喷水减温器-低温过热器-二级喷水减温器-炉顶包覆管-高温过热器-由集箱进入汽轮机。（7） 本设计锅炉炉膛内四壁由膜式水冷壁组成,膜式水冷壁采用的无缝钢管，管节距为80mm。前墙水冷壁管屏下部与集箱
20、连接，上部过炉顶后与上集箱连接，最后蒸汽由管子引入锅筒。后墙水冷壁管屏与前墙相似，但不过炉顶。两侧水冷壁管屏下部分别与下级箱连接，上部与上集箱连接，再由管子引入锅筒。（8） 该分离器内直径D0为6458mm，筒体高h为9000mm，总高度H为20000mm，排灰口直径D0为1242mm，分离器入口高度a为8000mm，分离器入口宽度b为1600mm，排气管内直径De为2990mm，排气管插入深度hc 为1355mm。分离器从内到外分别是耐火层、保温层、钢外壳。总壁厚400mm。（9） 尾部对流受热面的设计。高温分离器接着连接尾部对流烟道，布置有过热器、省煤器和空气预热器。在高温与低温过热器之间
21、，布置有喷水减温器，使过热蒸汽温度在设计允许的范围内波动。过热器之后，布置有省煤器，省煤器出口烟温比给水温度高为适宜，本次设计控制在40左右，使省煤器和空气预热器之间达到最佳吸热比15。Mar.zs=6.89%(3%20%)、tgs=215(215280),故所选排烟温度暂定为135。空气预热器，本次设计为竖管式，管内流体为烟气管外为空气，以减少漏风，烟气速度一般取16，本次设计为10.64m/s。具体设计尺寸见第三章详解。3 220t/hCFB锅炉热力计算3.1 锅炉燃烧产物和锅炉热平衡计3.1.1 燃烧产物计算计算理论空气量和理论烟气容积：Oar + Sar + Har + Nar + M
22、ar + Aar +Car（1）、理论空气量：V0=0.0889*（Car +0.375* Sar）+0.265*（Har - Oar /8） =0.0889*（39.3 +0.375* 0.9）+0.265*（2.7 11.2/8） =3.87m3/kg（2）、理论氮气容积：VN20=0.8* Nar /100+0.79 V0 =0.8*0.6/100+0.79*3.87 =3.54 m3/kg（3）、三原子气体容积：VRO2=1.866* Car /100+0.7* Sar /100 =1.866*39.3/100+0.7*0.9/100 =0.74 m3/kg（4）、理论水蒸气容积：VH
23、2O0=11.1* Har /100+1.24* Mar /100+0.0161* V0 =11.1*2.7/100+1.24*24.0/100+0.0161*3.87 =0.60 m3/kg（5）、理论烟气容积：Vy0= VH2O0+ VRO2+ VN20 =3.54+0.74+0.60 =4.88 m3/kg3.1.2 无脱硫工况计算 根据该锅炉的燃料属性为劣质褐煤，查循环流化床燃烧锅炉选择炉膛出口过量空气系数为=1.20，具体见表3.2（1）、无脱硫工况的燃料计算：表3-1 无脱硫工况时燃料计算 序号 名称符号公式及来源数值单位1理论空气量0.0889(+0.375)+0.265-0.0
24、3333.87m3/kg续表3-12三原子气体体积0.74m3/kg3理论氮气体积3.54m3/kg4理论水蒸气体积0.60m3/kg5飞灰份额测量值0.7（2）、无脱硫工况的烟气体积计算：表3-2 无脱硫工况时烟气体积计算名称公式符号炉膛旋风筒高温过热器低温过热器省煤器空气预热器单位出口过量空气系数1.201.221.241.271.281.38平均过量空气系数1.1951.211.231.2651.281.335过量空气量0.75470.81270.89011.02561.08361.2965m3/kg水蒸气体积0.61220.61310.61430.61650.61740.6209m3/
25、kg烟气总体积5.64695.70585.78445.92215.98106.1974m3/kg3.1.3 有脱硫工况计算有脱硫工况的燃烧计算：表3-3 脱硫计算序号名称符号公式及来源数值单位1SO2原始排放浓度（1.998104）/2887.0mg/m32SO2允许排放浓度“GB13271锅炉大气污染物排放标准”表2900mg/m33计算脱硫效率（1-/）100%68.53mg/m34燃煤子脱硫能力系数A测量值80.85石灰石脱硫能力系数K测量值0.80556钙硫摩尔比M)/A/K1.1717石灰石中CaCO3含量见表2-397.32%8入炉石灰石量3.122m/0.0338kg/kg 9C
26、aCO3未利用率测量值15.0%10煅烧成CaO时吸热量（1-）5561.8m/10049.82kj/kg11脱硫时放热量15597.7(/100) (/100)96.20kj/kg12可支配热量 (+A )/(1+)16085.37kj/kg续表 3-313燃烧所需理论空气量 见表3-23.87m3/kg14脱硫所需理论空气量1.667(/100) (/100)0.0103m3/kg15燃烧和脱硫当量理论空气量(+)/(1+)3.75m3/kg16燃烧产生理论氮气体积见表3-23.54m3/kg17脱硫所需空气中氮气体积0.790.00814m3/kg18当量理论氮气体积(0.8/100)/
27、(1+)+0.792.9671m3/kg19燃烧产生RO2体积见表3-20.74m3/kg20煅烧石灰石生成CO2体积0.699m(/100)0.00737m3/kg21脱硫使SO2减少量0.699(/100) (/100)0.00431m3/kg22燃烧和脱硫时产生RO2当量体积(+-)/(1+)0.7188m3/kg23燃烧产生理论水蒸气体积见表3-20.60m3/kg24当量理论水蒸气体积0.0124(+Md)+0.111/(1+)+0.01610.6422m3/kg25入炉燃料灰量/1000.213kg/kg26入炉石灰石直接生成飞灰量3.122(/100)m(/)0.00507kg/
28、kg27入炉石灰石灰分含量(100-)/100* (1-/100- Md/100)7.4kg/kg续表 3-328未反应CaO的量1.749(100-)/100m(/100)-( /100)( /100)4.88kg/kg29脱硫产物CaSO4的量 4.26(/100)( /100)0.0263kg/kg30当量灰分(+)/(1+)24.18%31未脱硫时底灰份额 取定0.332脱硫工况时底灰份额(/100)+/(1+)(/100)0.383333未脱硫时飞灰份额1-0.734脱硫时飞灰份额(/100)+/1+)(/100)0.616735分离效率设计值99%36灰循环倍率/（1-）69.33
29、7分离器前飞灰份额+69.9238脱硫后的SO2排放浓度（1.998104）1-( /100)913.11mg/m339脱硫效率（1-/）10068.37%40误差（-）/=0.00230.15%合格3.1.4 烟气特性计算表不同过量空气系数下燃烧产物的容积及成分见表3-4。 表3-4 烟气特性表名称符号公式分离器前分离器后单位a=54.33a=0.5433炉膛分离器高温过热器低温过热器省煤器空气预热器平均过量空气系数(+)/21.1951.211.231.2651.281.335水蒸气容积0.65390.65480.65610.65820.65910.6624m3/kg烟气总容积5.0711
30、 5.5.12825.20455.33795.39505.6046m3/kgRO2容积份额0.14170.14020.13810.13470.13320.1282H2O容积份额0.12890.12770.12610.12330.12220.1182三原子气体容积份额0.27060.26790.26420.25800.25540.2464飞灰浓度3333.923296.803248.473167.293133.763016.57g/m3烟气重量6.68876.76326.86247.03667.11117.3840kg/kg烟气密度1.31901.31881.31861.31821.13811.
31、1375kg/m33.1.5烟气焓温计算表不同过量空气系数下燃烧产物的焓温表见表3-5。 表3-5 烟气焓温表Iy= I0y +( -1) I0k空预器=1.3816804.691628.682474.473345.294211.105151.156089.367050.28026.879008.22省煤器=1.2915760.041538.802338.533162.523980.224871.095758.726668.697594.478523.84低温过热器后=1.2714750.121518.832308.323121.903928.914808.855685.246583.9174
32、98.388415.83高温过热器后=1.2413735.231488.872263.003060.983851.954715.505575.026456.747354.248254.27V0D=3.75m3/kg(C)k V0D12496.13998.631510.502030.752565.383111.753673.884239.004804.505385.38(C)k11132.3266.3402.8541.8684.1829.8979.71130.41281.21436.11595.2I0ykj/(kg)3+5+7+910616.161249.201900.482573.603236
33、.263968.684693.295439.386201.166961.78ADar=24.18% 0f=0.6167(C)AAa 0f /100912.0525.2239.3453.7068.3783.5498.78114.37130.48146.72(C)A880.8169.1263.8360.1458.5560.2662.4767.0875.0983.91096.9VDH20=0.6422m3/kg(C)H2O VDH20796.78195.48296.95402.21481.46621.13736.73857.72978.711107.80(C)H2O6150.7304.4462.6626.3794.7967.21147.21335.61524.01725.01925.9V0DN2=2.9671m3/kg(C)CN2 V0DN25385.13771.461162.811562.771970.152385.252807.473242.453689.594124.27(C) N24129.8260.0391.9526.7664.0803.9946.21092.81243.51390.01544.9VDRO2=0.7188m3/kg(C)CO2 VDRO23
