燃生物质锅炉结构与热力计算方法

燃生物质锅炉结构设计与热力计算方法 湖南省特种设备检验检测研究院 汪斌 工程师 关键词：生物质锅炉 热力计算

摘要：根据生物质燃料挥发分高，热值低，着火快的特点，设计一种新的锅炉结构，此结构不同于以往的燃煤链条炉排锅炉，针对此新的锅炉结构，给出热力计算方法。为了方便工程应用，简化繁琐的计算过程。本文在吸收现有热力计算标准的核心思想的基础上，根据最基本的传热学理论，将大量的经验公式，图、表、结构系数等化简合并。对于合并后的系数取值，结合半经验公式计算和实际运行效果给出一个参考值。

1. 锅炉的设计目标：排烟处过量空气系数py ，排烟温度py T ，热效率q ，蒸发量D 。以上设计目标在锅炉热力计算时预先给定，作为已知条件使用。

2. 计算的目的：根据以上给定的设计目标，确定锅炉结构各部分的尺寸，比如炉膛尺寸小了，锅炉蒸发量达不到，尺寸大了过量空气系数增加，效率下降。

设计计算过程：先假定一个锅炉结构，如图所示为经过修改后的燃生物质锅炉结构，它分为三部分：1.炉膛；2对流管束；3尾部对流受热面。取消了燃煤锅炉的链条炉排和前后炉拱，用一个不设水冷壁的耐火浇筑燃烧室引燃新加入的燃料。

3. 炉膛传热计算：

炉膛传热计算的内容：根据假定的炉膛尺寸，确定炉膛的出口烟温，和辐射传热量。若出口烟温和传热量不合理，则须修改炉膛尺寸。炉膛容积的大小可以先参考炉膛容积热负荷假定。

炉膛传热计算的理论模型：将火焰看作紧贴水冷壁的一个表面。

则炉膛传热计算可以简化为两个灰体表面之间的辐射传热计算：传热方程 )(6.3Q 440r wal av cal fur T T B A

a -=σ KJ/Kg （1）

上式为纯理论公式，式中cal B 是计算燃料消耗量，根据设计的锅炉

蒸发量D ，算出所需吸热量，再除以每千克燃料的热值乘以锅炉效率，即可得出。式中出现常数3.6是因为计算燃料消耗量cal B 单位是Kg/h ，需采用国际单位秒，需要乘以3600。A 是传热面积2m ，包括炉膛四周水冷壁和炉顶受热面的面积，几何计算得出。801067.5-⨯=σW/）

（42K m 是玻尔兹曼常数。 公式应用的关键在于确定系统黑度fur a ，fur a 是两个灰体表面之间传

热的系统黑度，按上图的简化模型，根据传热学理论1)121()111(1

a 2112fur +-+-=εεX X 。12X 和21X 为两个表面的视角系数，按

上图模型，都等于1；1ε为其中一个表面的发射率（发射率为表面相对黑体的辐射能力），取为水冷壁，按不光泽金属表面为0.8，2ε为火焰的发射率，实际上火焰的发射辐射和吸收辐射都对光谱有选择性，火焰发射率2ε是波长的函数，不能采用灰体假设，但是根据现有的热力计算标准，仍将其看做与波长无关的灰体。2ε与火焰中2C O ，O 2H 成分和飞灰、炭黑浓度有关。其中2C O ，O 2H 的发射率可以查图得出，飞灰和炭黑的发射率按经验公式估算。按燃煤锅炉的经验公式计算2ε=0.35，那么32.012

1111a fur =-+=εε。wal T 是水冷壁表面温度，可以取为250℃（523K ），四次方之后与前一项相比可以忽略。av T 是炉膛内火焰平均温度，为未知量，也可以用炉膛出口烟

温fur T 的函数代替。r Q 是传热量，为未知量。公式（1）的问题是，

为了方便计算，对火焰采用灰体模型，这实际上是不正确的。既然这样，那我们干脆不采用通过查图、查表，计算平均射线程长，估算飞灰和炭黑发射率的方法去计算，而直接给定一个系统黑度fur a 的值，比如3.0a =fur .然后根据实际运行的经验去修正这个值。

热平衡方程， )(Q fur r T T Vc adi av -=ϕ KJ/Kg （2）

物理意义是传热量等于烟气从绝热火焰温度降至炉膛出口温度的焓的变化量。 其中ϕ为保热系数，98.015

5=+-=q q ηϕ，物理意义为焓的变化量中扣除散热损失以后，能被工质吸收的比例。V 为每千克燃料燃烧产生的烟气体积，根据燃料元素成分算出烟气中2C O ，O H 2,2O ,2N 各成分的体积后相加，再加上过量的空气而得到。av c 为炉膛内烟气的平均热容量，查烟气焓温表得到，乘以后面的温差即得到烟气的焓的变化量。adi T 为绝热火焰温度，可以根据燃料发热量

查焓温表得到。fur T 为炉膛出口烟温，为未知量，r Q 为未知量。

联立（1）（2），)(6.3Q 440r wal av cal fur T T B A

a -=σ，)(Q fur r T T Vc adi av -=ϕ两个

方程，两个未知量。可以解出炉膛出口烟温fur T 和每千克燃料炉膛传

热量r Q ，计算时做好电子表格，估计一个炉膛出口烟温fur T 值（比如1100K ），代入上述两个方程，如果两个方程得出的r Q 的值相差不超

过1%，那么可以认为fur T 的估计值就是方程的解。根据fur T 和r Q 的计算结果可以判断炉膛尺寸的选择是否合理。假如计算出fur T 高，则说明炉膛尺寸小了。以我的经验，生物质燃料fur T 应不超过1100K 。炉

膛传热量r Q 应占锅炉全部受热面传热量的60~70%。在炉膛传热计

算前，需要先做好焓温表、烟气量计算、绝热火焰温度计算等前置的计算准备。

4.对流管束传热计算：理论公式采用传热系数乘以温差的形式cal

h B t 6.3Q ∆=KA KJ/Kg （3） 式中t ∆为温压，为烟气平均温度和管内介质平均温度的温差。公式（3）的关键在于确定传热系数K 。根据实际的受热面结构形式，如顺列水管、错列水管、烟管等，选择相应的传热系数计算公式。常数3.6仍为cal B 单位由KG/h 化为秒所乘的系数。K 为传热系数（热阻的倒数），

2

1111

ααψ+=K ，分母中两部分分别为，烟气至管外壁 的热阻，管内壁至介质的热阻，忽略了管壁中的传导热阻。对于普通工业锅炉，管内介质为汽水混合物，2α很大，可以忽略分母中第二项。1α包含辐射和

对流两部分r con ααα+=1，当烟温小于600℃时，可以忽略辐射部分。

ψ为考虑积灰和冲刷不均匀的系数，取0.6。根据前述锅炉结构图，为双锅筒的顺列对流管束，选择顺列水管的传热系数公式： 对流部分 33.065.0s con Pr )(2.0ν

ωλαd d C C z = W/（2m K ） 式中烟气流速ω、普朗特数Pr 、烟气导热系数λ、粘度ν均是烟气温度的函数，z C C s 、为结构系数。查表计算依然繁琐。 辐射部分)(1)(1211067.54av wal 38

av wal av g wal r T T T T T a a a --+⨯=- W/（2m K ）