燃煤矸石的循环流化床锅炉.doc

内蒙古科技大学毕业设计参考文献 220t/h燃煤矸石循环流化床锅炉的设计 摘 要本论文介绍的是一台220t/h燃用煤矸石循环流化床锅炉的设计。由于煤矸石自身具有硬度大、热值低的特点，本设计首先在分析燃料的基础上，结合国内外循环流化床锅炉的设计经验，选择了合适的锅炉结构，并选择与燃料合适的运行参数，通过进行热力计算和强度计算，确定锅炉各部分结构尺寸。热力计算是循环流化床锅炉设计、改造所必须的计算，根据热力计算可确定锅炉的燃料消耗量、锅炉效率及各受热面大小等设计参数，是锅炉强度计算、水动力计算、烟风阻力计算的基础。计算过程中需要参考许多与燃煤矸石相适应的热力计算参数。强度计算是确定锅炉汽水系统壁厚的主要依据，保证所设计锅炉的安全性。在此基础上绘制了锅炉结构总图及零件图。 关键词循环流化床；锅炉设计；煤矸石；热力计算；强度计算 AbstractDescribed in this paper is a 220t/h circulating fluidized bed combustion boiler’s design with coal gangue combustion. As a result of coal gangue its own features of hardness and low calorific value, the design is based on the analysis of fuel then take the circulating fluidized bed boiler at home and abroad and the experience of the design for reference ,I select the appropriate boiler structure, and select the appropriate operation parameters for the fuel,determine the structure of the various parts of the boiler size through the thermal and intensity calculation.Thermal calculation is the necessary calculation of circulating fluidized bed boiler design or modifying, which can determine the design parameters such as fuel consumption, the size of heating surface and efficiency of the boiler.it is the basis of the strength calculation, water power calculation and the smoke wind resistance caculation.and it need a number of reference parameters of the thermodynamic calculation adaptitng to the burning coal gangue. Strength calculation is to determine the wall thickness of boiler’s steam and water system ,and it ensures the safety of the designed boiler.And I make the boiler’s structure CAD drawings and components drawings on the basis of above. Key wordscirculating fluidized bed; boiler design; coal gangue; heat calculation; intensity calculation 引 言 我国循环流化床燃烧基本成熟，制造和运行成本都较低，在保证高效燃烧的基础上能显著降低废弃物排放，可以满足目前世界上最严格的环保标准。在当前及今后较长的时间内，流化床燃煤技术是洁净煤燃烧的主要形式和发展重点。流化床燃烧具有对燃料适应性好，有害气体排放量低等优点，自它问世以来在世界各主要工业化国家得到了迅速的发展。流化床燃烧在电站锅炉、工业锅炉、窑炉和焚烧各种废物、烧水泥等领域得到了广泛的应用。流化床燃烧是介于层状燃烧与煤粉燃烧之间的一种燃烧方式。 为保证新建和改建的循环流化床锅炉安全、经济、高效和低污染的运行，对循环流化床锅炉合理的设计是其关键因素之一。 目前各设计单位和制造厂家采用了各自的热力计算方法和设计方法，并且已经利用计算机进行辅助设计，但不少重要的设计参数选取和计算仍然带有一定的盲目性和纯经验性，而且尚未形成一套完善的、统一的设计计算方法，给工程设计人员和相关的技术人员在锅炉设计和选型方面带来很大的不便。 本文以哈尔滨工业大学循环流化床锅炉设计经验为基础，对一台220t/h燃煤矸石循环流化床进行了结构和强度设计，并绘制了锅炉总图和部件图。 锅炉主要部件的设计和相关参数的选取与计算 2.1 锅炉选型与布置 炉膛结构采用单炉膛，布置屏式受热面。 炉膛尺寸主要为炉宽、炉深、炉高和炉膛下部界面收缩部分的尺寸，其大小的确定需考虑一系列的因素。 本锅炉炉膛上部横截面为103006000mm2，烟气表观速度为4.378m/s。炉膛下部的前后墙向中间收缩，形成上大下小的结构。炉膛下部的后墙水冷壁弯制成水冷布风板，布风板的横断面为103003346mm2，其上布置1365只改进型蘑菇式风帽，风帽采用耐磨高温合金精密铸造，并具有防漏渣功能，风帽的横向和纵向节距皆为160mm。布风板上的表观烟气速度为4.07m/s。由于床面较宽，制造和安装过程中必须保证床面的水平度，防止料层厚薄不匀影响流化质量。在布风板上部的两侧墙分别设有人孔门，供锅炉内部检修用。 2.2 固体颗粒分离装置的种类和选型 固体颗粒分离装置是循环床锅炉的关键部件之一。它的性能直接影响到锅炉的安全和经济性运行。分离器的结构形式和布置位置，决定了循环床锅炉的整体布置形式与紧凑性，成为区别循环床锅炉技术流派的重要标志之一。 本锅炉采用高温绝热旋风分离器作为烟气与物料的分离装置，它具有分离效率高和强化燃烧的优点。 旋风分离器的外壳由钢板制成，内衬绝热材料及耐磨耐火材料。内壁面必须耐磨、光滑，使旋风分离器既有较高的分离性能，又有较长的使用寿命。旋风分离器将被烟气夹带离开炉膛的物料分离下来，通过返料器返回炉膛，烟气则流向尾部对流受热面。旋风分离器的中心筒采用高强耐热合金钢制造，以保证有效的耐高温、抗变形能力。 2.3 尾部烟道布置 尾部烟道布置方式是单烟道形式，烟气从上往下依次布置有高温过热器、低温过热器，省煤器，空气预热器，过热汽温采用喷水调节。 2.4 对流受热面的设计 根据我国有关单位的研究，对于固态排渣炉，提出最佳过热器受热面的烟速为10～14m/s。在循环流化床中，分离器前烟气中的物料浓度较高，对受热面的磨损严重；分离器出口的烟气中含尘颗粒的粒度相对比较粗，一般为40～80μm，而煤粉炉为15～25μm，且飞灰的形态与煤粉炉不同，未经高温融化[4]。因此对流过热器的设计要充分考虑到发生磨损的可能性。 2.5 主要系统的设计 2.5.1 锅炉汽水系统 锅炉给水首先进入省煤器进口集箱，经过水平布置的四组省煤器，汇集到省煤器的出口集箱，经出口集箱引入汽包水空间。在启动阶段，用省煤器再循环系统保护省煤器。锅炉采用自然循环，汽包内的锅水通过四根集中下降管进入炉膛膜式水冷壁和水冷蒸发屏的进口集箱，经炉膛膜式水冷壁和水冷蒸发屏加热后成为汽水混合物，随后经上集箱、汽水引出管引入汽包进行汽水分离。被分离出来的水进入汽包水空间，进行再循环。分离出来的饱和蒸汽从汽包顶部的蒸汽连接管引至低温过热器入口集箱，然后依次经过低温过热器、一级喷水减温器、炉内屏式过热器、二级喷水减温器、高温过热器，最后将合格的过热蒸汽引向汽轮机。 2.5.2 锅炉烟风系统 锅炉采用平衡通风。空气采用两级送风，一次风经空气预热器升温后分为两路第一路由风道引入炉底水冷风室，经过布风板上的风帽进入炉膛；第二路由风道引至炉前加煤管，随给煤一起进入炉膛。二次风经空气预热器升温后由二次风风道引到炉前的二次风箱，再从二次风箱引出若干个支管，经两层二次风喷口进入炉膛。 燃煤在炉膛内燃烧后产生的高温烟气和飞灰离开旋风分离器并流经尾部竖井内的对流受热面，然后经除尘系统、引风机，进入烟囱，排向大气。 高压流化风机供给返料器高压流化风，石灰石输送风由专用风机提供。 2.5.3燃烧过程组织 本锅炉采用循环流化床燃烧方式。燃煤和空气在炉膛内流态化状态下掺混燃烧，并与受热面进行热交换，离开炉膛并夹带有大量物料的烟气经过高温旋风分离器之后，绝大部分固体物料被分离器分离下来，经返料器返回炉膛，烟气则进入尾部烟道。循环流化床燃烧系统由炉膛、旋风分离器和返料器等核心部分组成。 2.5.4 锅炉配风系统 本锅炉燃烧系统采用两级配风，一次风经空气预热器升温至207℃后，进入水冷风室，经过布风板上的风帽进入炉膛。二次风经空气预热器也升温至207℃，进入二次风箱，经若干根支管引入炉膛。一、二次风风量比为5545，布风板下的一次风室风压大约为10000Pa，二次风箱内的风压大大于炉膛内压力。运行中可以适当调节一、二次风风量的配比。 从一次风预热器出口风道上引出一只风管，做为给煤机的播煤风，在炉前分成4个支管，分别接到炉前2个进煤管的特定部位，在进煤口的下部形成气垫使煤能够顺利地进入炉膛。从二次风机出口引出一只风管，在炉前分成2个支管，接到炉前2个给煤机的特定部位，做为给煤机的密封风。两个返料器用的流化风由高压风机提供。 2.5.5 锅炉的排渣系统 煤燃烧后的灰渣以底渣形式从炉膛底部和以飞灰形式从尾部排出。煤的种类、粒度和成灰特性等会影响底渣和飞灰份额。底渣从布风板上的四个排渣管接到四台水冷滚筒冷渣器。位于中间的一个排渣管作为事故排渣用。排渣量维持合适的料层差压为准，一般差压波动500Pa，以保证锅炉良好的运行状态。 2.5.6 锅炉的点火启动系统 锅炉设置有四台床上点火燃烧器和四台床下点火燃烧器，点火燃烧器由点火油枪、高能点火器及火焰检测装置组成。床下点火燃烧器为主启动燃烧器，床上点火燃烧器起补燃作用。锅炉首次冷态启动时，在流化床内加装床料并进行平整，先启动床下点火燃烧器，加热启动床料，床料在流化状态下升至一定温度并保持稳定，然后启动床上点火燃烧器，床料升至550℃后，开始投煤。可先断续少量给煤，当床料温度持续上升后，加大给煤量并连续给煤直到锅炉启动完毕。 2.6 受热面布置 2.6.1 炉膛水冷壁受热面 炉膛水冷壁和水冷屏采用膜式壁结构，悬吊于钢架的顶部横梁上，下膨胀。水冷壁管的规格为Ф605mm，节距为80mm，材料为20G。 水冷壁由4根集中下降管供水，由连接管与前墙、后墙和侧墙下集箱冷壁上集箱经汽水引出管与锅筒连接。水冷蒸发屏由汽包单独引出下降管。 炉膛上部横断面为103006000mm，炉膛下部的前后墙向中间收缩，达到103003346mm，水冷布风板的管子规格为Ф605mm，管节距为160mm，在水冷管上焊有销钉，用以固定防磨耐火可塑料；布风板下的一次风室采用水冷风室。 为防止水冷壁磨损，密相区四周水冷壁上均敷设耐火耐磨材料，水冷风室的内侧敷料，以满足床下点火的要求。 炉膛内布置有两片水冷屏、四片汽冷屏，底部为防止磨损，也进行了防磨处理，防磨措施为密焊销钉并敷设耐火耐磨材料 水冷壁四周外侧在不同高度装设刚性梁，以增加水冷壁刚度。 为监视炉膛运行工况，沿高度方向分几层布置了温度和压力测点。如一次室的温度和压力测点、布风板上的温度测点、顶部的温度和压力测点等，同时在指定位置设有看火孔、检查门等，上述各测点处的水冷壁均要求采用非向内突出的防磨措施。 2.6.2 过热器受热面及蒸汽调温 饱和蒸汽从锅筒由导管引出进入低温过热器进口集箱，然后再依次通过低温过热器、第一级喷水减温器、屏式过热器、第二级喷水减温器和高温过热器。屏式过热器采用Ф385mm的管子，管节距为50mm，材料为12Cr1MoV，其下部敷设防磨塑料。4片屏式过热器采用上行程。高温过热器和低温过热器两组蛇形管为纯对流型，顺列布置。高温过热器采用双管圈，由Ф425mm管弯制，材料为12Cr1MoV。低温过热器采用三管圈，由Ф384管弯制，材料为20G。为防止磨损，高温过热器前四排管子和低温过热器的前三排管子均加装防磨盖板，并在过热器弯头及穿墙部位加装防磨罩。过热蒸汽调温采用两级喷水减温，两级减温器分别位于低温过热器出口和高温过热器进口位置，第一级减温器（低温过热器后）设计喷水量为3.52t/h，第二级减温器（高温过热器前）设计喷水量为5.28t/h，自制冷凝水喷水减温。高温过热器和低温过热器采用低温过热悬吊管进行悬吊，屏式过热器则悬吊在炉顶的屏式过热器集箱上。 2.6.3 省煤器 省煤器布置在低温过热器下部区域，由省煤器支撑梁支撑，中通空气冷却。整个省煤器分成四个管组，采用光管型式，管规格为Ф385mm，顺列布置，材料为20G。每组省煤器的前四排管子均加装防磨盖板，并在省煤器弯头及穿墙部位加装防磨罩。 2.6.4 空气预热器 空气预热器采用立式结构，两行程、错列布置。烟气在管内流动，空气在管外流动。冷风风道分别从炉前方向引入，热风风道从炉前方向引出。空气预热器的各段管箱的管规格均为Ф401.5mm。 2.7 锅炉的吹灰 锅炉尾部对流受热面需装设吹灰器，在过热器处可装长伸缩式蒸汽吹灰器，在省煤器处可安装固定式吹灰器。 2 锅炉热力计算 炉膛的热力计算大体包括以下过程 1）燃料与燃烧产物计算和锅炉热平衡计算，这部分计算也可称为预备性计算； 2）炉膛热力计算，这部分计算结果获得炉膛出口烟温及炉膛区域各受热面的吸热量、焓增量等数据； 3）高低温过热器热力计算，为了使工质出口参数达到设计要求，须先假设受热面积，再进行热平衡的校核，如果不满足误差条件，则要进行循环计算，从而得出适合的受热面积； 4）省煤器、空气预热器热力计算，通常省煤器和空气预热器计算，满足本身的热平衡后，得到的热空气和排烟温度与已知的输入数据是不一样的，这时还须进行锅炉整体的热平衡计算误差的校核，根据规定，当误差大于0.5时，须把热空气温度和排烟温度迭代回到锅炉热平衡计算前进行迭代循环。 热力计算结果汇总见表3-1。 表3-1 热力计算结果汇总 序号 名称 符号 单位 炉膛 高温过热器 屏式过热器 低温过热器 省煤器 空气预热器 1 烟气出口温度 θ″ ℃ 880 748.171 880 549.88 284.999 139.25 2 介质进口温度 t ℃ 316.6 445.544 386.657 316.6 220 30 3 介质出口温度 t“ ℃ 316.6 540 466.151 396 316 207 4 介质平均流速 w m/s 20.4617 20.4277 15.897 1.29467 5.9523 5 烟气平均流速 wy m/s 10.314 8.9376 7.32063 10.271 6 平均温压 Δt ℃ 328.117 453.596 288.66 122.785 86.257 7 传热系数 K W/m2℃ 87.5927 151.346 84.576 46.2945 20.832 8 受热面积 H m2 534.222 855.05 4719.66 8046.6 9 总传热量 Q kW 1121926 184247 179637 250498 321935 173506 3 强度计算 锅筒用四根集中下降管（Ф36840）通过连接管、下集箱与水冷壁（Ф605）相连，水冷屏单独用管（Ф13314）从锅筒中引出，每根下降管用六根连接管（Ф13314）连入水冷壁下集箱，其中前后墙下集箱分别连七根连接管，侧墙水冷壁下集箱分别连五根连接管。 锅筒上连四根蒸气引出管。 省煤器上集箱引出管用八根引出管与锅筒相连。 锅筒上还开有水位表用孔、压力表用孔。 下降管截面积 S下 4πDn2 /40.2606 水冷壁管截面积 S上394πDn2 /40.7736 S下 / S上 0.2606/0.7736 0.3369 水冷屏下降管截面积S下 πDn2 /4 0.0087 水冷屏管截面积 S上 11πDn2 /40.0216 S下 / S上 0.0087/0.02160.403 经强度计算，确定各部分壁厚，满足强度要求。 4 关键部件设计与分析 本循环流化床锅炉关键技术部件有高温绝热旋风分离器、U型自平衡返料器、风帽等。 5.1 旋风分离器结构 离风分离器结构见图 图 5-1 旋风分离器结构 1． 中心筒；2．分离器进口烟道3．旋风筒；4．锥体。 5.2 回料器及回路布置 图 5-2 回料装置图 5.3 风帽 图 5-3 风帽结构 通过对220t/h超高压循环流化床锅炉旋风分离器、回料器及风帽等关键部件作用和设计要求分析，针对各部件的主要因素进行提出合理参数选取，并做出了设计计算。 5 部件的磨损及防磨 分析循环流化床锅炉的主要磨损部位炉膛、炉内受热面、布风板、对流烟道受热面、分离器、回料装置等设备上的某些金属部件或非金属耐火材料磨损情况进行了分析，并根据国内外的防磨经验提出了一系列防磨措施，以保证锅炉长期有效的运行。 参考文献 1 冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算.3.科学出版社，2003 2 朱国桢，徐祥.循环流化床锅炉设计与计算.清华大学出版社，2004 3 陈学俊等.锅炉原理（上、下册）.机械工业出版社，1981 4 李之光，王铣庆.锅炉受压元件强度分析与设计.机械工业出版社，1985 5 岑可法，倪明江，骆仲泱等.循环流化床锅炉理论设计与运行北京中国电力出版社，1998 6 何宏舟，王勤辉，岑可法，骆仲泱.循环流化床锅炉技术的现状及发展前景.动力工程.2004,246 - 249 -