课程设计---热风炉设计计算

设计题目：热风炉设计计算
一、热风炉的燃烧计算
燃烧计算采用《热能工程设计手册》（汤蕙芬，范季贤主编，机械工业出版社，1999.3）P.60上所提供的计算方法来计算。

选用燃煤的应用及成分为：C y:52.69 H y:0.80 O y:2.36 N y:0.32 S y:0.47
A y:35.36 M y:8.00
1.煤燃烧的理论空气量计算：
标态下1Kg固体燃料完全燃烧所必须的理论空气量V0(Nm3/Kg):
V0=0.0889(C y+0.375S y)+0.265(H y-0.126O y) (1-1)
将C y=52.69，S y =0.47 H y=0.8和 O y=2.36代入上式（不需带%），可得：
V0=0.0889（52.69+0.375×0.47）+0.265（0.8-0.126×2.36）
=4.83Nm3空气/Kg煤
当空气量用质量表示时，理论空气量m0(Kg空气/Kg煤)为：
m0=1.293V0 (1-2)
将V0=4.83 Nm3/Kg代入，可得：
m0=1.293×4.83=6.25Kg空气/Kg煤
2. 煤燃烧的实际空气量和过剩空气量计算：
煤燃烧的实际空气量计算：
V k=αV0=1.3×4.83=6.28Nm3空气/Kg煤 (1-3)
m k=1.293×6.28=8.12 Kg空气/Kg煤
煤燃烧的过剩空气量计算：
ΔV k=6.28-4.83=1.45 Nm3空气/Kg (1-4)
Δm k=8.12-6.25=1.87 Kg空气/Kg煤
3. 标准状态下完全燃烧，无过剩空气时煤燃烧的烟气量计算：（1）.二氧化物V RO2(Nm3/Kg):
二氧化物包括CO2和SO2:
V RO2=1.866C y/100+0.7S y/100 (1-5)
将C y=52.69和 S y=0.47代入上式，可得：
V RO2=1.866×52.69/100+0.7×0.47/100=0.99Nm3/Kg煤
CO2的分子量为44，空气的平均分子量为29，根据理想气体状态方程，CO2气体在标准状态下的密度为：
44×1.293/29=1.962Kg/Nm3
SO2的分子量为64，则SO2气体在标准状态下的密度为：
64×1.293/29=2.854Kg/Nm3
在本工况条件下，二氧化物是以CO2为主，二氧化物气体在标准状态下的密度可以CO2气体密度来计算，即γRO2=1.962Kg/Nm3。

当二氧化物气体用质量表示时，二氧化物气体量m RO2(Kg/Kg)为： m RO2=1.962 V RO2（1-6）
m RO2=1.962 ×0.99=1.94KgCO2气体/Kg煤
（2）.水蒸气V H2O0(Nm3/Kg):
V H2O0=0.111H y+0.0124W y+0.0161V0 (1-7)
将H y=0.80,M y=8.00和V0=4.83代入上式，可得： V H2O0=0.111×0.80+0.0124×8.00+0.0161×4.83=0.27Nm3/Kg
煤
H2O的分子量为18，则H2O蒸汽在标准状态下的密度为： 18×1.293/29=0.80Kg/Nm3
当水蒸汽用质量表示时，水蒸汽量m H2O(Kg/Kg)为：
m H2O0=0.80 V H2O0（1-8）
m H2O0=0.80 ×0.27=0.22Kg水蒸汽/Kg煤
（3).氮气V N20(Nm3/Kg):
V N20=0.79 V0+0.008N y (1-9)
将N y=0.32和V0=4.83代入上式，可得：
V N20=0.79 ×4.83+0.008×0.32=3.82 Nm3/Kg煤
N2的分子量为28，则N2气体在标准状态下的密度为： 28×1.293/29=1.248Kg/Nm3
当N2气体用质量表示时，N2气体m N2(Kg/Kg)为：
m N20=1.248 V N20（1-10）
m N20=1.248 ×3.82=4.77KgN2气体/Kg煤
（4）. 煤燃烧的理论烟气量计算：
V y0= V RO2+V H2O0+V N20 (1-11)
将V RO2=0.99，V H2O0=0.27和V N20=3.82代入，可得： V y0=0.99+0.27+3.82=5.08 Nm3/Kg煤
如用气体质量表示时，理论烟气量为：
m y0= m RO2+m H2O0+m N20 (1-12)
将m RO2=1.94，m H2O0=0.22和m N20=4.77代入，可得：
m y0=1.94+0.22+4.77=6.93 Kg烟气/Kg煤
（5）.理论烟气中的水蒸汽质量百分比和含湿量：
理论烟气中的水蒸汽质量百分比可用下式计算：
Φy,水0= m H2O0/ m y0 (1-13)
将m y0=6.93和m H2O0=0.22代入，可得：
Φy,水0=0.22/6.93=3.2%
理论烟气中的含湿量可用下式计算：
d y0= m H2O0/( m y0－ m H2O0) (1-14)
将m y0=6.93和m H2O0=0.22代入，可得：
d y0=0.22/(6.93-0.22)=0.033Kg水/Kg干烟气
（6）.理论烟气中的含氧量为零。

（7）. 理论烟气在标准状态下的密度：
理论烟气在标准状态下的密度可用下式计算：
γy0= m y0/ V y0 (1-15)
将m y0=6.93和V y0=5.08代入，可得：
γy0=6.93/5.08=1.364Kg烟气/Nm3
4.标准状态下完全燃烧，有过剩空气时煤的燃烧产物：
二氧化物不随过剩系数α变化，其他均有变化。

（1）.水蒸汽V H2O(Nm3/Kg):
V H2O=V H2O0+0.0161（α-1）V0（1-16）将V H2O0=0.27，α=1.3和V0=4.83代入，可得：
V H2O=0.27+0.0161×（1.3-1）×4.83
=0.293 Nm3/Kg煤
当水蒸汽用质量表示时，水蒸汽量m H2O(Kg/Kg)为：
m H2O=0.80 ×0.293=0.23Kg水蒸汽/Kg煤
（2）.实际烟气量：
完全燃烧，有过剩空气时的烟气量称为实际烟气量V y0（Nm3/Kg煤），其计算式如下：
V y= V y0+1.0161（α-1）V0（1-17）
将V y0=5.08，α=1.3和V0=4.83代入，可得：
V y=5.08+1.0161×(1.3-1)×4.83=6.38 Nm3/Kg煤
当烟气用质量表示时，烟气量m y(Kg/Kg)为：
m y=m y0+1.0161(α-1）m0 (1-18)
m y0=6.93，α=1.3和m0=6.25代入，可得：
m y=6.93+1.0161×(1.3-1)×6.25=8.84Kg烟气/Kg煤
（3）.实际烟气在标准状态下的密度：
理论烟气在标准状态下的密度可用下式计算：
γy= m y/ V y (1-19)
将m y=8.84和V y=6.38代入，可得：
γy=8.84/6.38=1.386Kg烟气/Nm3
(4). 实际烟气中的水蒸汽质量百分比和含湿量：
实际烟气中的水蒸汽质量百分比可用下式计算：
Φy,水= m H2O/ m y (1-20)
将m y=8.84和m H2O=0.23代入，可得：
Φy,水=0.23/8.84=2.6%
实际烟气中的含湿量可用下式计算：
d y = m H2O /( m y - m H2O ) (1-21)
将m y =8.84和m H2O =0.23代入，可得：
d y =0.23/(8.84-0.23)=0.027Kg 水/Kg 干烟气
（5）.实际烟气中的含氧量：
实际烟气中的含氧量是由代入的，已知过剩空气量为：
Δm k =8.12-6.25=1.87 Kg 空气/Kg 煤，还已知氧气与空气 的质量百分比为0.23，则氧气的绝对含量为：
M O2=0.23×1.87=0.430Kg 氧气/Kg 煤
实际烟气中的含氧量由下式计算：
Φo = m O / m y (1-22)
将m o =0.430和m y =8.84代入，可得：
Φo =0.430/8.84=4.9%
体积百分比计算： Φo ，=Φo ×0.21/0.23=0.913Φo (1-23) 将Φo =4.9%代入，可得： Φo ，=4.9%×0.913=4.4%
热风炉的燃烧计算汇综表
二、干燥热风含湿量和含氧量计算
干燥热风是由直燃热风炉的烟气和环境空气混合而得到。

1.计算所需的各项参数：
由给出的已知参数和计算得到的各项参数如下：
烟气温度：t y1=900℃,烟气含湿量：d y=0.027Kg水/Kg干烟气，烟气中水蒸汽质量百分比：Φy,水=2.6%，烟气中氧气质量百分比：
Φyo=4.9%;
环境空气温度：t k1=6℃,环境空气含湿量：d0=0.004Kg水/Kg干空气，环境空气中水蒸汽质量百分比：Φk,水=0.4%，环境空气中氧气质量百分比：Φk o=23%;间接干燥热风温度：t3=450℃；烟气降温后的温度：t y3=450℃；环境空气升温后的温度：t k3=450℃，经间接换热后烟气温度降至260℃。

2.干空气比热：
0℃～100℃之间平均比热：C k1=0.24Kcal/Kg·℃
0℃～260℃之间平均比热：C k2=0.243Kcal/Kg·℃
0℃～450℃之间平均比热：C k3=0.245Kcal/Kg·℃
3. 干烟气比热：
0℃～260℃之间平均比热：C y2=0.244Kcal/Kg·℃
0℃～450℃之间平均比热：C y3=0.250Kcal/Kg·℃
0℃～900℃之间平均比热：C y1=0.255Kcal/Kg·℃
4.水蒸汽比热：
0℃～100℃之间平均比热：C s3=0.450Kcal/Kg·℃
0℃～260℃之间平均比热：C s2=0.456Kcal/Kg·℃
0℃～450℃之间平均比热：C s2=0.465Kcal/Kg·℃
0℃～900℃之间平均比热：C s1=0.504Kcal/Kg·℃
5.1Kg烟气（含水蒸汽）从900℃降到450℃放出的热量：
900℃,1Kg烟气的热焓：
i y1=(1-Φy,水).t y1.C y1 +Φy,水 .（595+t y1.C s1）（2-1）将Φy,水=0.026, t y1=900, C y1 =0.255和C s1=0.504代入，可得：
i y1=(1-0.026)×900×0.255+0.026×（595+900×0.504）
=250.80Kcal/Kg
450℃,1Kg烟气的热焓：
i y2=(1-Φy,水).t y2.C y2 +Φy,水.（595+t y2.C s2）（2-2）将Φy,水=0.026, t y2=450, C y2 =0.250和C s3=0.465代入，可得：
i y2=(1-0.026)×450×0.250+0.026×（595+450×0.465）
=161.05Kcal/Kg
Δi y= i y1-i y2=250.80-161.05=89.75Kcal/Kg烟气
6. 1Kg环境空气（含水蒸汽）从6℃升到450℃吸收的热量：
6℃,1Kg环境空气的热焓：
i k1=(1-Φk,水).t k1.C k1 +Φk,水 .（595+t k1.C s3）（2-3）将Φk,水=0.004, t k1=6, C k1 =0.24和C s3=0.450代入，可得：
i k1=(1-0.004)×6×0.24+0.004×（595+6×0.450）
=3.83Kcal/Kg
450℃,1Kg环境空气的热焓：
i k2=(1-Φk,水).t k2.C k2 +Φk,水 .（595+t k2.C s2）（2-4）将Φk,水=0.004, t k2=450, C k2 =0.245和C s2=0.465代入，可得：
i k2=(1-0.004)×450×0.245+0.004×(595+450×0.456)
=113Kcal/Kg
Δi k= i k3-i k1=113-3.83=109.2Kcal/Kg烟气
7.1Kg450℃干燥热风的热焓：
1Kg450℃干燥热风由G y(Kg)的烟气和G k=1-G y(Kg)的环境空气混合得到，由热量平衡可得到如下的计算式：
G y×Δi y=（1-G y）×Δi k（2-5）
经整理，可得到下式：
G y=Δi k/(Δi k+Δi y) (2-6)
将Δi k=109.2和Δi y=161.05代入，可得：
G y=109.2/(109.2+1161.05)=0.404Kg(烟气)
∴G k=1-G y=1-0.404=0.596Kg(环境空气)
1Kg450℃干燥热风的热焓可由下式计算：
i1= G y.i y2+ G k.i k2 (2-7)
将i k2=113,i y2=161.05, G y=0.404和G k=0.596代入，可得：
i1=0.404×161.05+0.596×113=132.4Kcal/Kg干燥热风
8. 1Kg4500℃干燥热风的含湿量：
1Kg450℃干燥热风的含湿量可用下式计算：
d1，=(G y.Φy,水+ G k.Φk,水)/[G y.(1-Φy,水)+ G k.(1-Φk,水)] (2-8) 将 G y=0.404,G k=0.596, Φy,水=0.026和Φk,水=0.004代入，可得：
d1，=(0.404×0.026+0.596×0.004)/[0.404×(1-0.026)+0.596×(1-0.004)] =0.013Kg水/Kg干气体
d1=(0.24×0.026+0.76×0.004)/[0.24×(1-0.026)+0.76×(1-0.004)]
=0.009
9. 1Kg450℃干燥热风的含氧量：
1Kg450℃干燥热风含氧量的质量百分比可用下式计算：
φ1=(G y.Φo+ G k.Φk0)/（G y+ G k) (2-9)
将 G y=0.404,G k=0.596, Φ0=0.049和Φk0=0.23代入，可得：
φ1=(0.404×0.049+0.596×0.23)/（0.404+0.596)
φ1=15.7%
1Kg450℃干燥热风的含氧量的体积百分比可用下式计算：
φ1，
=15.7%×0.21/0.23=14.3% （2-10）
干燥热工计算参数汇综表
三、物料衡算
1.脱水量计算：
用以下两式均可计算脱水量：
W水=W原×（ω1-ω2）/(1-ω2) （3-1）
W水=W产×（ω1-ω2）/(1-ω1) （3-2）
现已知干燥器进煤量，即已知W原，可采用（3-1）计算脱水量。

将W原=200，ω1=0.20，ω2=0.10代入，可得：
W水=200×（0.2-0.10）/(1-0.10)=22.2t水/h=22.2×103 Kg水/h 2.干燥器出煤量计算：
干燥器出煤量就是产量，可用下式计算。

W产= W原- W水（3-3）
将W原=200，W水=22.2代入，可得：
W产=200-22.2=177.8t/h
四、热量衡算和干燥热风质量流量计算
蒸发水分所需的热量Q1:
Q1= W水.(595+0.45t2-C水.θ1) （4-1）
式中：595---水在0℃时的汽化热，（Kcal/Kg）;
0.45---水蒸汽在0～100℃之间的平均比热，（Kcal/Kg·℃）;
t2---干燥排风温度，（℃）；
C水---水在0～100℃之间的平均比热，（Kcal/Kg·℃）;
θ1---干燥器进煤的煤温，一般有θ1=t0。

将W水=22.2×103，t2-=70，C水=1和θ1=6代入，可得：
Q1=22.2×103×（595+0.45×70-1×6）=1369×104Kcal/h
2 . 产品升温所需的热量Q2:
Q2= W产.[C s.(1-ω2)+C水.ω2].（θ2-θ1）（4-2）式中：θ2---干燥器出煤的煤温，（℃）
将W产=177.8×103，C s=0.37,ω2=0.10，C水=1，θ1=6和θ2-=41代
入，可得：
Q2=177.8×103×[0.37×（1-0.10）+1×0.10]×（41-6）
=270×104Kcal/h
3．干燥器外围热损失Q3：
有保温的干燥器，外围的热损失一般用估算方法，用以下计算式：
Q3=0.08×（Q1+ Q2）
=0.08×(1369×104+270×104)
=131×104 Kcal/h （4-3）
4.干燥热风在干燥器内放出的热量总和：
干燥热风在干燥器内放出的热量总和用下式计算：
∑Q=Q1+Q2+Q3=1770×104Kcal/h （4-4）
5.单位质量的干燥热风在干燥器内热焓减少量计算：
(1). 干燥器进口的干燥热风热焓计算:
i1=(0.24+0.45d1).t1+595d1 (4-5)
将d1=0.009和t1=260代入，可得：
i1=（0.24+0.45×0.009）×260+595×0.009=68.81Kcal/Kg干空气
(2).干燥热风在干燥器内放出热量后的热焓计算：
i，2=(0.24+0.45d1).t2+595.d1 (4-6)
将d1=0.009和t2=70代入，可得：
i，2=（0.24+0.45×0.009）×70+595×0.009=22.44Kcal/Kg干空气（3）. 单位质量的干燥热风在干燥器内热焓减少量计算：
Δi=i1- i，2 (4-7) 将i1=68.81和i，2=22.44代入，可得：
Δi=46.37Kcal/Kg干空气
1.干燥热风质量流量计算：
在没有漏风损失的条件下，干燥系统中干燥热风的质量流量是保持不变的；而在不同部位，由于干燥热风的温度变化，可产生体积流量的变化。

所以干燥热风质量流量计算是非常重要的。

在没有漏风损失的条件下，干燥热风质量流量可用下式计算：
G z=(Q1+Q2+Q3/Δi (4-8)
将Q1，Q2，Q3，和Δi的值代入上式，可得：
风机G z=1770×104/46.37=38.17×104 Kg/h
干燥器所需的总热量是以环境空气的热焓为基础值来比较的。

环境空气的热焓i0：
i0=(0.24+0.45d0).t0+595d0 (4-9)
将d0=0.004和t0=6代入，可得：
i0=（0.24+0.45×0.004）×6+595×0.004=3.83 Kcal/Kg干空气
干燥器所需的总热量Q总可用下式计算：
Q总= G z×（i1- i0）（4-10）
将G z=38.17×104，i1=68.81和i0=3.83代入，可得：
Q总=38.17×104×（68.81-3.83）=2480×104Kcal/h
五、热风炉供热量和耗煤量计算
1.设计工况下的直燃式热风炉供热量和耗煤量计算：
（1）. 设计工况下的直燃式热风炉供热量就是干燥器所需的总热量Q总，即Q热=Q总=2480×104Kcal/h (5-1)
（2）. 设计工况下的直燃式热风炉耗煤量:
设：直燃式热风炉的热效率为0.9，则耗煤量为：
M= Q热/(0.9×5000) (5-2)
= 2480×104/(0.9×5000)=5511Kg煤/h
物料衡算、热量衡算、风量计算和热风炉计算汇总。