锅炉炉膛换热计算

响，当然与波长没有关系；三原子气体CO2（14%—16%），SO2（很
少），H2O（较少）对辐射具有选择性，其吸收与辐射与波长有关。但 是，炉膛内的火焰温度均低于2000K，热辐射的波长位于红外线范围内 （0.76—20μm），在这一范围内，吸收系数α随波长λ的变化较小。因此， 燃煤烟气按灰体处理并不会带来很大的误差，但需要用试验数据加以修 正。
为了合理、有效地进行炉膛换热计算，至今为止，世界各国的锅炉制
造商，在经过长期的工程实践和经验总结的基础上，各自开发了行之有效 的工程计算方法。尽管各种计算方法的差别很大，但所遵循的基本思路是 一致的： • 简化的炉膛换热物理模型 • 依赖于先进测试技术所得到的大量测试数据及其总结的经验参数 • 辅助以先进的数值计算技术等 值得指出的是，现有的各种计算方法均处于不断的改进与完善之中。 本章将主要讲述我国电站锅炉行业的教育、科研、设计制造和电厂运行、 调试等部门长期、广泛采用的常规煤粉炉炉膛工程计算方法。本章重点讲 述其基本原理、计算过程和主要的计算规定，计算的细节需要参考有关的技 术手册或计算标准。
J E b G
E b 1 G
式中 （6）
ε——灰体的辐射率（或称为黑度） Eb——同温度下黑体的辐射力； ρ——灰体的反射率； α——灰体的吸收率。
由灰体假设得出，灰体的辐射率（黑度）即为灰体的吸收率，因此， 火焰的有效辐射Jhy 表达为
J hy Eb, hy 1 hy J b
1 1 1 1 a hy a b
（2）
式中 Bj ——计算燃料消耗量，kg/s； Qf ——以1kg燃料为基准的炉内换热量，kJ/kg； σ0 ——玻耳兹曼常量，σ0=5.67×10-11kW/(m2· K4)； αs ——炉内系统黑度； Fl ——炉膛换热壁面积；
• 高温烟气在炉内放热的热平衡方程
、Bj 、 式中， VC p 、Ta可以由炉膛设计计算的初始条件得到，αh y 可
以根据炉膛几何尺寸、温度、烟气辐射成分等求得，均可视为已知。 但是，系统黑度αs 计算式中的炉膛壁面黑度αb 和壁面温度Tb 既不是炉膛 壁面受热面管的，也不是炉墙的，均是极难确定的参数，火焰温度Thy 也不易 确定，至此还无法直接应用上式进行炉膛的换热计算。所以，需要根据传热学 的基本概念，在炉膛换热基本方程式的基础上，进一步引入其他容易由试验方 法确定的参数，替代式中的不易确定的壁面温度Tb、炉膛壁面的黑度αb及火焰 温度Thy 。
第三节 炉内传热的相似理论计算方法
目前我国工程界常用的炉膛换热计算方法是直接建立在描述炉内换热 方程式（14）的基础上，通过对火焰平均温度的近似表述，并应用相似理 论所得到的半经验关联式，也被称为经过修正的古尔维奇方法。 炉膛内火焰平均温度Thy 显然处于理论燃烧温度Ta 与炉膛出口烟气温度Tl" 之间，三者间的关系与燃烧和传热过程有关。由试验和经验数据可总结得到 如下的关系，即
式中
（7）
4
Eb，hy —— 火焰的本身辐射； E b, hy a hy 0Thy Jb —— 壁面的有效辐射；
（ 8）
实际上，该式成立的条件是不透射（τ=0），而锅炉炉膛内的辐射是透射
的。但是，由于炉膛的结构所决定，透射部分仍然落在另一侧的水冷壁上，
所以尽管τ≠0，该式还是适用的。
水冷壁热有效系数ψ也可以表述为水冷壁受热面的实际吸热量与火焰 有效辐射热量的比值，即
根据以上前面的结果，炉膛内辐射换热量可表达为
4 BjQf FlJ hy 0a l FlThy
所以，炉膛换热基本方程（4）进一步变化为
'' 0 al FlTh4 B VC ( T T见，引入了炉膛黑度αl 后，避免了直接确定Tb与αb的困难。 从炉膛换热方程式（14）可以得出，影响炉膛换热的主要因素为炉 膛黑度αl 、辐射受热面平均吸热能力ψ、辐射受热面面积F1 及火焰平均 温度Thy 等。
（11）
将式8代入式9-11，并整理的得
J hy
4 0 a hy Thy 4 a l 0Thy a hy 1 a hy
（12）
其中
al
a hy 1 a hy
a hy
（13）
al 称为炉膛黑度。根据火焰的黑度和水冷壁的热有效系数即可计算 得到炉膛黑度。
Thy
Tl" c Ta Ta
n
(15)
式中c和n均为经验参数。进一步引入炉膛出口烟温的无量纲温度和火 焰平均温度的无量纲温度，有
Thy Tl" , hy Ta Ta
" l
式(15)可写为
hy c l"
n
(16)
由炉膛换热基本方程式（14）及式（16）可得
第一节 锅炉炉膛内传热的特点
一、炉膛换热的主要特点 二、炉膛换热计算的主要任务 三、炉膛换热计算的主要困难 四、炉膛内工作过程的简化 五、炉膛换热的基本物理模型
一、炉膛换热的主要特点 在锅炉炉膛中进行着燃烧的燃料过程，送入炉膛的燃料放出几乎全部 的热量，将燃烧产物（主要为燃烧而生成的烟气）迅速加热升高至很高温度 （常规煤粉炉的炉膛火焰最高温度约为1500 -1600℃）；同时，燃烧产物又 以辐射为主、对流为辅的传热方式将热量传递给炉膛受热面的工质，燃烧产 物的温度沿程逐渐降低。
2、炉膛内换热主要以辐射的方式进行
由于炉膛内高温烟气向上流动的流速不高，而炉内火焰的温度很
高，以对流方式传给炉壁受热面管内工质的换热份额占总换热量中很 小的比例，不足5%，传热主要是辐射方式，所以，在炉膛换热工程计 算中按纯辐射的方式计算。
3、火焰平均温度
对炉膛换热起决定性作用的是炉膛火焰温度。在计算中将炉内火 焰温度看作是均匀的，火焰辐射按平均火焰温度来考虑，避免了计算 炉膛内复杂温度场的极大困难。但是，需要对火焰平均温度作近似且 合理的描述。
三、炉膛换热计算的主要困难
炉膛换热计算是一个受多种因素影响的复杂课题，炉膛的换热过程是 伴随燃料的燃烧过程同时进行的，它不仅取决于炉膛的结构型式、几何尺 寸，而且与燃料的种类、燃料性质、燃烧器的布置和型式以及运行方式等 都有紧密且复杂的关系。 炉膛换热计算的主要困难来自炉内过程的复杂性。炉膛本身结构复杂，火
T”l——炉膛出口烟气温度，K；
• 炉膛换热基本方程
4 '' 0 as Fl (Th4 T ) B VC ( T T y b j p a l )
（4）
原则上，由该方程可以完成炉膛换热计算的主要任务，即由已知受热面 结构计算炉膛出口烟温，或由已知的炉膛出口烟温计算所需的炉膛受热面积。
B

（18）
根据大量的炉内换热实验数据整理成炉膛出口无量纲烟温与特征数之间的 关系，可以进一步得到表达炉膛出口无量纲烟温的传热特征数方程，即
" B0 T l" l Ta Ma l 0.6 B 0 0.6 0 .6
（19）
式中：M为经验系数，它和燃料的性质、燃烧方法、燃烧器布置的 相对高度、炉内火焰温度平均值与绝热温度的关系等因素有关。
为此，进一步引入了水冷壁热有效系数ψ，描述辐射受热面的平均吸热能 力，其定义为受热面的吸热量与投射到炉壁上的热量的比值，即

受热面的吸热量 投射到炉壁上的热量
（5）
根据传热学中灰体有效辐射的原理，对 炉膛内火焰的有效辐射，可以认为灰体的有 效辐射公式仍然成立。有效辐射J 定义为本 身辐射εEb 加上反射辐射ρG，即
四、炉膛内工作过程的简化 1、分别考虑炉膛内的燃烧与换热过程
实际上，炉膛内的燃烧与换热是紧密耦合在一起的，但是，至今
人们的认识水平还远没有达到可以合理处理二者之间错综复杂关系的 程度，因此，人为将换热与燃烧过程分开后在进行分析是首先要进行 的必要简化。 在计算换热量时认为燃料从燃烧器进入炉膛后瞬间即完成燃烧过 程并达到最高绝热燃烧温度（理论燃烧温度）Ta ，同时引入经验系数 来计及燃烧工况对换热的影响。
a lc "n l l" 1 0 B0
B0
（17）
B j VC p 0F T
3 l a
—— 波尔茨曼特征数
式（17）中的a1，c，n 均无法采用理论的方法确定，还不能用来求 解炉膛出口烟气温度，但得到了炉膛出口无量纲烟温与特征数之间的关系， 即
0 l" f a , n, c l
影面既作为火焰的辐射表面，也是水 冷壁接受火焰辐射的表面积，称为炉 膛辐射壁面，具有平均温度Tb ，黑度 αb 和面积Fl 。
第二节 炉膛辐射换热的基本方程和有效辐射热计算方法
• 高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程
4 B j Qf 0as Fl (Th4 T y b )
（1）
as
第九章 锅炉炉膛换热计算
第一节 锅炉炉膛内传热的特点 第二节 炉膛辐射换热的基本方程和有效辐射热计算方法 第三节 炉内传热的相似理论计算方法 第四节 炉膛受热面的辐射特性 第五节 炉膛火焰黑度 第六节 火焰中心修正系数M 第七节 炉膛结构特征及其他参数 第八节 炉膛换热计算的修正方法 * 第九节 炉膛换热的其他计算方法
二、炉膛换热计算的主要任务 从传热角度，炉膛内必须布置足够的受热面，以在炉膛的出口处 将高温烟气冷却到合适的温度，使烟气进入炉膛后的密集对流管束时 温度已经低于灰的熔融温度，避免受热面结渣。 炉膛换热计算均以计算炉膛出口截面上的平均烟气温度为核心。 设计计算是在已知炉膛出口温度的条件下，计算所需受热面的数量， 校核计算是在已知炉膛内布置的受热面的条件下，计算炉膛出口的 烟气温度。
焰温度分布不均匀，火焰的辐射特性不易确定，尤其是燃料燃烧后对受热面产
生的积灰或结渣程度难以准确计算，其对传热的影响程度也极难定量估计。
由于影响因素众多且关系过于复杂，基于纯数学方法描述物理化学过程的
炉膛热计算方法尚未进入工程实用阶段，因此，依赖大量经验数据的计算方法
在工程实际中仍起着不可替代的作用。
火焰和水冷壁间的辐射 换热量 火焰的有效辐射热量
（ 9）
火焰与水冷壁间的辐射换热量qf 为火焰与水冷壁的有效辐射热的差值，即
q f J hy J b
因此有 则 ∴

J hy J b J hy
（10）
J b 1 J hy
J hy Eb, hy 1 hy 1 J hy
当需要计算炉膛出口温度时，式（19）可以表达为如下的形式，即
l" Tl" - 273
Ta 0 a lFl T M B VC j p
3 a

五、炉膛换热的基本物理模型 在以上相对合理的简化条件基础 上，可以得到目前工程计算方法中采 用的炉膛计算基本物理模型： 复杂的炉膛火焰与壁面的换热过 程被简化为两个无限接近的灰体表面 （具有不同的温度和黑度）间的辐射
换热问题，即所谓的“双灰体模型”。
此时，火焰面具有平均火焰温度 Thy，黑度αhy 和面积Fl 。水冷壁的投
'' B jQ f B j Q1 I l B j VC p (Ta Tl )
kj/kg
（3）
式中

——考虑炉膛散热损失的保热系数； 炉膛的热量等，kJ/kg；
Q1—— 以1kg计算燃料为基准送入炉膛内的有效热量，包括燃烧用空气带入 I”l —— 炉膛出口截面上燃烧产物的焓，kJ/kg； ℃)，计算见本章第七节； VC p ——燃烧产物的平均比热容，kJ/(kg· Ta—— 燃烧产物的绝热燃烧温度，K，也称为理论燃烧温度，即为在绝热条件 下1kg燃料完全燃烧后的燃烧产物能达到的温度；
4、炉膛受热面及火焰面均按灰体来处理 由于采用了灰体的假设，能够直接应用传热学的有效辐射概念，从 而可以大大简化了计算，以便于工程应用。炉膛受热面作为固体表面具 有固体的连续辐射光谱，被处理成灰体是完全合理的。 将与壁面进行换热的火焰面作为灰体处理带有一定程度的近似，燃 煤烟气中固体颗粒（飞灰、焦炭颗粒等）具有固体的连续辐射光谱，可 以作为灰体处理；而烟气成分中的N2，O2是辐射透明体，对辐射没有影