1、1340 吨 /时循环流化床锅炉的设计与计算 xxxx 本科毕业设计说明书 1340 吨 /时循环流化床锅炉的设计与计算 Design and calculation of circulating fluidized bed boiler 1340t / h 性 质 : 毕业设计 毕业论文 教 学 院： 系 别： 学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 能源与环境学院 能源与环境学院 - - 1 - 摘 要 本次的毕业设计的题目是 1340 吨 /小时循环流化床锅炉设计。设计本着锅炉运行的安全性和可靠性为首要设计特性的准则，综合考虑燃烧，传热，脱硫，烟气、空气、工
2、质的动力特性以及受热面的磨损和腐蚀。保证锅炉的着火稳定性，炉膛内有足够的辐射热量，煤的燃尽程度，合理的烟气速度和排烟温度以及脱硫效率。同时，还要确保有一定的气密性以保证炉膛内进行微负压燃烧。 在整个设计过程中作为技术支持进行了热力计算、强度计算。其中热力计算包括炉膛、高温过热器、低温过热器、省煤器以及空气预热器。炉膛及尾部顶棚全部采用膜式壁结构， 解决炉膛漏风问题；将全部过热器布置在尾部烟道内，使其运行更加可靠。为了提高分离器的分离效率和锅炉的结构紧凑，采用两个小直径高温旋风分离器。鉴于该锅炉为中压锅炉，所以采用钢管式省煤器，为降低低温腐蚀，便于维修，将空气预热器低温段与高温段隔开。 此外，利
3、用 CAD绘制锅炉总图、 炉墙砖砌图、锅筒展开图、锅炉本体图。 关键词 ： 循环流化床锅炉；热力计算；强度计算 1340 吨 /时循环流化床锅炉的设计与计算 Abstract The topic of this graduation design is 1340 t/h circulating fluidized bed boiler. Design in line with the boiler running safety and reliability as the primary design guidelines, the characteristic of consideratio
4、n of combustion, heat transfer and desulfurization, flue gas, air, the dynamic performance of the working medium and the wear and corrosion of heat exchangers. Inside the boiler furnace fire stability enough heat radiation, the burning of coal, a reasonable speed and exhaust temperature and smoke de
5、sulfurization efficiency. At the same time, also make sure that there are certain air tightness to slightly negative pressure to ensure that the chamber of a stove or furnace combustion. In the process of the whole design as a technical support for thermodynamic calculation, strength calculation. Th
6、ermodynamic calculation including furnace, high temperature superheater, low temperature superheater, economizer and air preheater. Furnace and the rear roof are all made of the diaphragm wall structure, solve the problem of air leakage of the chamber of a stove or furnace; All the superheater arran
7、gement in the tail flue, make its operation more reliable. In order to improve the separation efficiency of separator and boiler structure is compact, high temperature cyclone separator with two small diameter. Given the boiler as the medium pressure boiler, so the economizer tube type, in order to
8、reduce low temperature corrosion, easy maintenance, to separate air preheater of low-temperature and high temperature. In addition, the use of CAD drawing general layout, boiler furnace wall brick figure, figure figure, boiler drum. Keywords： Circulating fluidized bed boiler; Thermodynamic calculati
9、on. Strength calculation; 能源与环境学院 - - 3 - 目 录 摘 要 . 1 Abstract . 2 目 录 . 3 1 文献综述 .6 1.1 概述 .6 1.1.1 火力发电是电力工业重要组成部分 .4 1.1.2火力发电厂三大主机之一 锅炉介绍 .4 1.1.2.3锅炉的燃料和燃烧方式 .6 1.2 我国电厂锅炉的发展 .6 第 2 章 锅炉结构与设计简介 .- 16 - 2.1 循环流 化床锅炉工作原理 .- 16 - 2.2 锅炉基本特性 .- 16 - 2.2.1 锅炉规范 .- 17 - 2.2.2 燃料特性 .- 17 - 2.2.3 石灰石特性
10、 .- 17 - 2.2.4 管子特性 .- 17 - 2.2.5 主要经济技术指标 .- 18 - 2.2.6 锅炉基本尺寸 .- 18 - 2.3 方案论证 .- 19 - 2.4 锅炉结构简介 .- 20 - 2.4.1 锅筒及炉内设备 .- 21 - 2.4.2 水冷壁 .- 21 - 2.4.3 燃烧设备 .- 21 - 2.4.4 过热器 .- 23 - 2.4.5 省煤器 .- 24 - 2.4.6 空气预热器 .- 25 - 2.4.7 钢架及平台楼梯 .- 25 - 2.4.8 炉墙及保温结构 .- 25 - 2.4.9 锅炉阀门仪表及管道 .- 26 - 2.5 本章小结
11、.- 26 - 第 3 章 热力计算 .- 26 - 1340 吨 /时循环流化床锅炉的设计与计算 3.1 设计任务 .- 27 - 3.2 燃料特性 .- 27 - 3.3 辅助计算 .- 27 - 3.3.1 燃烧脱硫计算 .- 27 - 3.3.2 脱硫工况时燃烧产物平均特性计算 .- 31 - 3.3.3 锅炉热平衡及燃烧和石灰石消耗量计算 .- 33 - 3.4 炉膛设计及传热计算 .- 35 - 3.4.1 炉膛结构特性计算 .- 35 - 3.4.2 炉膛传热计算 .- 36 - 3.5 高温过热器设计及传热计算 .- 39 - 3.5.1 高温过热器结构计算 .- 39 - 3
12、.5.2 高温过热器传热计算 .- 39 - 3.6 低温过热器设计及传热计算 .- 41 - 3.6.1 低温过热器结构计算 .- 41 - 3.6.2 低温过热器传热计算 .- 41 - 3.7 省煤器设计及传热计 .- 43 - 3.7.1 省煤器结构计算 .- 43 - 3.7.2 省煤器传热计算 .- 44 - 3.8 空气预热器设计计算 .- 45 - 3.8.1 空气预热器结构计算 .- 45 - 3.8.2 空气预热器传热计算 .- 46 - 3.9 热力计算结果汇总表 .- 47 - 3.10 本章小结 .- 47 - 第 4 章 强度计算 .- 48 - 4.1 锅筒强度校
13、核计算 .- 48 - 4.1.1 筒体最大未加强孔直径计算 .- 49 - 4.1.2 孔加强的计算 .- 50 - 4.1.3 相邻两孔互不影响最小节距计算 .- 51 - 4.1.4 孔桥减弱系数计算 .- 52 - 4.1.5 锅筒筒体允许最小减弱系数计算 .- 52 - 4.1.6 锅筒凸形封头强度校核计算 .- 52 - 4.2 安全阀排放能力校核计算 .- 53 - 4.3 本章小结 .- 54 - 结 论 .- 54 - 参考文献 .- 57 - 能源与环境学院 - - 5 - 致 谢 .- 55 - 1340 吨 /时循环流化床锅炉的设计与计算 1 - 6 - 第 1 章 文
14、献综述 1.1 概述 随着能源设备的发展和利用，特别是锅炉这种将工质加热到一定的温度和压力的能源设备广泛应用，给环境造成了严重污染。尤其是以煤为主要燃料的 锅炉燃烧排放出大量的灰渣、粉尘、二氧化硫和氮的氧化物等污染物，严重影响了生态环境。又由于煤、石油等化石燃料的不断开采而日渐枯竭，人们一直在努力寻找一种高效、低污染的燃烧方式以解决以上两个问题。 循环流化床燃烧技术是 20世纪 70 年代发展起来的清洁燃烧技术，是解决燃烧煤而产生的污染问题的主要方法之一。此外，循环流化床燃烧还对不同性质的燃煤适应性强，适于燃烧低质煤等特点。在煤含硫量高时，还可以在燃煤中加入石灰石，在燃烧中低成本脱硫。而不必架
15、设投资巨大的烟气脱硫设备。在循环流化床燃烧中，燃烧温度很低，空气又分级送入 ，燃烧中所产生的氮的氧化物很低，煤燃烧后所余下的灰渣活性强，便于生产水泥、制砖、化工等，用来综合利用，它是没有废弃物的燃烧方法。循环流化床燃烧技术具有一些层燃和煤粉燃烧等常规燃煤技术所不具备的特点。最突出的特点是：燃烧温度低，停留时间长，以及湍流混合强烈，这些优点给流化床燃烧带来一系列优点。除以上所述优点外，还具有燃烧强度大，床内传热能力强，负荷调节性能强，易于操作和维护等优点。由于上述诸多优点使得循环流化床燃烧技术特别适合我国的国情，在较短的时间内得到了迅速的发展和应用。 1.1.1 火力发电是电力工业重 要组成部分
16、 火力发电是世界电能生产主要形式，我国由于能源构成的特点更是如此。目前在世界多数国家及我国电力事业中，火力发电约占总发电量的 70%。 水电站基建投资一般比较大，建设时间长，运行工况受自然条件影响。火力发电虽然成本较高，但基建投资较少，一般不受地区限制，建设时间比较短，能较快地满足工农业发展需要。 核电站在我国正在兴建，所以目前所占比例并不大。 1.1.2 火力发电厂三大主机之一 锅炉介绍 锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉中产生的热水或蒸汽可直 接为生产和生活提供所需要的热能， 也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。 1.1.
17、2.1 锅炉的发展简况 锅炉技术的发展是与工业生产的需要和科学技术的进步紧密相关的。 1872 年，英国的工人阶级首先创造了锅炉。当时的构造极为笨重简单，产生的蒸汽量有限，压力不高。 19 世纪，常用的蒸汽压力提高到 0.8 兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后 来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧火。 随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒能源与环境学院 - 7 - 后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰
18、开夏锅炉。 1830 年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些 火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火 (烟气 )在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要 很大的砌体。 19 世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、 火管。 锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。 二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数
19、较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的 应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。 30 年代开始应用直流锅炉， 40 年代开始应用强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。 第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发
20、电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的 是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。在超临界压力时，直流锅炉是唯一可以采用的一种锅炉， 70 年代最大的单台容量是 27 兆帕压力配 1300兆瓦发电机组。 后来又发展了由强制循环锅炉和直流锅炉复合而成的复合循环锅炉。 1.1.2.2 锅炉的工作原理、结构分类 在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收 炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水
21、分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为 450的过热蒸汽，然后送往汽轮机。 在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大 气。 锅炉整体的结构：包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生
22、产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 1340 吨 /时循环流化床锅炉的设计与计算 - 8 - 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。 锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的 给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。其主要功能是储水， 进行汽水分离， 在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有
23、高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。 内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。 锅炉可按照不同的方法进行分类：锅炉按用途可分为工业锅炉、电站锅炉、船用锅炉和机车锅炉等；按锅炉出口压力可分为低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力等锅炉；锅炉按水和烟气的流动路径可分为火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉，其中火筒锅炉和火管锅炉又合称为锅壳锅炉；按循环方式可分为自然循环锅炉、辅助循环锅炉 (即强制循环锅炉 )、直流锅炉和复合循环锅炉；按燃烧方式，锅炉分为室燃炉、层燃炉
24、和沸腾炉等。 1.1.2.3 锅炉的燃料和燃烧方式 早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。炉排下送风从不分段的“统仓风”发展成分段送风。 20 年代开始使用室燃炉，室燃炉燃烧煤粉和油。煤由磨煤机磨成煤粉后用燃烧器喷入炉膛燃烧，发电机组的容量遂不再受燃烧设备的限制。自第二次世界大战初起， 电站锅炉几乎全部采用室燃炉。 二战后，石油价廉，许多国家开始广泛采用燃油锅炉。燃油锅炉的自动化程度容易提高。 70 年代石油提价后，许多国家又重新转向利用煤炭资源。 重油的含硫量高达 3%左右，而煤中含硫一般约为
25、 1%左右，虽然其他燃料油的含硫量要低一些，但是燃烧时，其硫分几乎全部转变为氧化硫气体，而在燃煤时，则约有一半硫分残留在灰分中。由此可见，在燃油时，特别是重 油，氧化硫的生成量往往要比燃煤时多的多。同时，由于油燃烧时的强度大，燃烧温度高，所以低温腐蚀、高温腐蚀、大气污染等问题都有所恶化。 气体燃料一般是指天然煤气，以及钢铁联合企业炼铁过程中生成的高炉煤气。通常其设备比较简单，结构也比较紧凑，易于实现操作过程的自动化，对大气的污染也比较轻。但是，燃气是易燃、易爆、有毒的气体，因此气体燃料炉必须有严格的防爆防漏的全面的安全措施，要求比较高，其应用受到地域和经济性的限制。中国能源资源中，煤炭占绝对的
26、优势，达到常规能源总量的 85%而水能占 12%，石油和天然气不足 3%， 而且煤种齐全，分布广。所以中国火力发电厂的锅炉一直以来都是燃煤为主。 1.2 我国电厂锅炉的发展 我国电厂锅炉已进人大容量、高参数、多样化、高度自动化的发展新时期。到目前为止已投运的 500-800MW 机组已有近 40 台； 300MW 以上的超临界压力机组已有 12台投入正常运能源与环境学院 - 9 - 行； 900MW 的超临界压力机组也在建设中。对于炉型，既有通常采用的“”型布置锅炉，也有大型塔式布置锅炉；既有四角切圆燃烧、墙式燃烧方式，也有“ U”和“ W”型下射火焰燃烧方式；既有固态除渣、液态除渣锅炉，也有倍受关注的循环流化床锅炉。 燃用煤种从褐煤、烟煤、劣质烟煤、贫煤直到无烟煤一应俱全。作为煤粉燃烧锅炉机组不可缺少的磨煤机，特别是中速磨煤机， RP、 HP、 MPS、 MBF 等，均已普遍运行在锅炉辅机上，双进双出钢球磨煤机也打破了普通钢球磨煤机一统天下的局面。所有这些设备中，既有国产的、从国
