高效节能热风炉设计与计算

IndustrialFurnaceVol.26No.3May2004©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.文章编号:1001-6988(2004)0320041205高效节能热风炉设计与计算胡秀和(黑龙江省庆钢股份有限公司设计院,绥化152400)摘要:热风炉是为粮食烘干提供洁净空气的热源设备。为了解决烘干过程粮食污染问题,开发设计出RFL系列燃煤热风炉。该炉具有机械化程度高,故障率低,操作方便,高效节能,无污染等优点。广泛应用于世行贷款的国储库改造等粮食干燥机招标项目中。关键词:燃煤热风炉;参数选择;设计原则;工作原理;应用效果中图分类号:TS21013文献标识码:BDesignandCalculationofHighEfficiency&EnergySavingHot2AirFurnaceHUXiu2he(DesignInstiuteQing’anIron&SteelCo.,Ltd.,Suihua152400,China)Abstract:Hot-airfurnaceistheheat-sourceequipmentforsupplyingclean-airtodrygrain.RFLseriescoal-burninghot-airfurnaceisdevelopedanddesigned,inordertodealwiththegrainpollution.Thefurnacehasthead2vantagesofhighmechanization,lowfailure,convenientoperation,andhighefficiency&energy-saving,no-pollutionetc.ItiswidelyusedinthebiddingprojectssuchasoftheWorldBankloan,reconstrctionofnationalstorageware2houseetc.Keywords:coal-burninghot-airfurnace;selectionofparameters;designprinciples;workingprinciples;ef2fectivenessofapplication0前言随着粮食干燥技术与规模的不断发展,对粮食干燥过程使用燃煤热风炉的技术性、科学性、适用性提出了更高要求。从提高炉膛燃烧温度,降低不完全燃烧损失入手,科学地确定炉体结构尺寸,提出了高效节能、低污染FRL系列热风炉设计原则。该炉采用了机械链条炉排燃煤机,炉内采用新型节能拱燃烧技术,各拱采用掺304不锈钢纤维的耐热混凝土浇注,耐高温,抗氧化,显著提高了炉体的使用寿收稿日期:2004-04-15作者简介:胡秀和(1966—),男,工程师,从事燃煤热风炉和粮食烘干机的开发和设计工作.命。换热器采用螺旋管和热浸铝新技术,既强化了传热过程又提高了换热器的耐高温性能,延长了使用寿命。RFL系列热风炉的各项技术指标及性能居国内领先地位,可满足粮食干燥的需要。1热风炉燃烧理论计算111煤种及其成分热风炉适应煤种较多,可燃烧无烟煤、烟煤、优质煤、劣质煤等。但是,热风炉的设计计算及实际选用一般都以工业锅炉设计代表性煤种(Ⅱ类烟煤)为依据,其成分见表1。41热工计算:高效节能热风炉设计与计算©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.=HNdwN表1山东良庄Ⅱ类烟煤的成分组成dw/(kJ·kg-1)17690112理论空气量理论空气量是根据燃料完全燃烧(氧化)所需要的必要氧气量,再根据氧在空气中所占百分数而求出的所需空气量。经计算整理,理论空气量(V0)表达式如下:V0=0.0889(Cy+0.375Sy)+0.265(Hy-0.1260y)=4.18(m3/kg)(代入上述代表性煤种的成分组成)113理论烟气量风炉的鼓风机和引烟风机。2热风炉主要参数选择计算211炉排面积决定炉排面积大小的主要指标是炉排热负荷(也称炉排热强度),单位是kJ/(m2·h)。热风炉的炉排热负荷一般按工业锅炉的炉排热负荷取偏小值,即炉排面积较锅炉偏大。热风炉的炉排面积用下式表示:y2)1kg燃料完全燃烧时,理论上所产生的烟气量叫理论烟气量。理论烟气量(VO)的表达式如下:Fp=BQdw/qp(m式中:B—每小时耗煤量,kg/hyy=VROOOO220.01866(Cy+0.375Sy)+0.111Hy+0.0124Wy+0.0161V0+0.008Ny+Qdw—煤的应用基低位发热值,kJ/kgqp—炉排热负荷,kJ/(m2·h)212炉膛容积决定炉膛容积大小的主要指标是炉膛热负荷0.79V0=5.22(m3/kg)(也称炉膛热强度),单位是kJ/(m3·h)。热风炉的式中:VRO2VRO2V0—RO2气体量,m3/kg=0.01866(Cy+0.375Sy)3炉膛热负荷一般按工业锅炉的炉膛热负荷取偏小值,即炉膛容积较锅炉偏大。热风炉的炉膛容积用下式表示;炉排和炉膛热负荷见表2。H0—理论水蒸汽量,m/kg2VT=BQy/q(m3)V0yy0TH0=0.111H2+0.0124W+0.0161V式中:B—每小时耗煤量,kg/h0—理论氮气量,m3/kg2y—煤的应用基低位发热值,kJ/kg0=0.008Ny+0.79V02114空气系数q—炉膛热负荷,kJ/(m3·h)T表2炉排热负荷和炉膛热负荷(链条炉排)为使燃料在炉内能完全燃烧,考虑炉内的燃烧不均性和不稳定性,送入炉内的实际空气量必须大炉排热负荷/kJ·(m2·h)-1炉膛热负荷/kJ·(m3·h)-1于理论空气量,两者之比称为空气系数(α)。热风炉设计时其空气系数一般取α=1.5～2.0。115实际烟气量实际烟气量(Vy)是理论烟气量与过剩空气量之和,即Vy=V0+1.0161(α-1)V0=5.22+1.061(2-1)×4.81=10.11(m3/kg)(α=2时)根据上述计算的空气量、烟气量可选择确定热42(2094～2721)×103(1047～1256)×103213热风炉的能力反映热风炉能力大小的主要指标是热风炉的换热量或供热量。环境温度在0℃以下时,换热量大于供热量;环境温度在0℃以上时换热量小于供热量。为了与烘干机配套方便,公司以供热量表示热风炉的能力。因为供热量是热风炉纯输出的即烘干机所需要的热量。有些热风炉厂家以换热量表示热©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.《工业炉》第26卷第3期2004年5月dwdwdmdm风炉的能力,容易使烘干机配套产生误解,使热风炉选用偏小,不能满足烘干工艺要求。热风炉的常用规格、能力见表3。表3热风炉能力相当于锅炉不同单位的供热量(换热量)管加烟气再循环技术后其传热系数可提高30%～50%,从而减少了换热面积。换热面积由下式求得:F=Hh/KΔT(m2)式中:ΔT—两种流体的温差(ΔT=T2-T1),℃K—综合传热系数,kg/(m·℃·h)K=1/(1/α1+δ/λ+1/α2)/t/MW/×104kJ·h-110.725021.450032.1750式中:α1—烟气侧对流传热系数,kJ/α2—空气侧对流传热系数,kJ/δ—换热器管壁厚,m(m2·℃·h)(m2·℃·h)42.8100053.5125064.2150074.9175085.62000热风炉的换热量(Hh)表示如下:Hh=GzCg(T2-T1)(kJ/h)式中:Gz—空气质量流量,kg/hCg—干空气比热,kJ/(kg·℃)T2—热风温度,℃T1—环境温度,℃热风炉的供热量(Hg)表示如下:Hg=GzCgT2(kJ/h)式中:Gz—空气质量流量,kg/hCg—干空气比热,kJ/(kg·℃)T2—热风温度,℃热风炉的换热量(Hh)与供热量(Hg)的关系表示为:Hh=Hg-GzCgT1例如:热风炉设计环境温度为-20℃,换热后的热风温度为150℃,则热风炉换热量的温升为170℃,而供热量的温度为150℃,比值170/150=1.13,即此时换热量与供热量的比例系数为1.13。同理,可求得任意温度下换热量与供热量的比例系数。214热风炉的换热面积热风炉的换热面积取决于热风炉的能力及换热器的综合传热系数。影响综合传热系数的因素较多(烟气、空气的合理流速,换热器的结构及材质等)。一般热风炉均采用列管式换热器,如不采取特殊措施,其传热系数为50～70kg/(m·℃·h),而采用螺旋λ—换热器管壁的导热系数,kJ/(m2·℃·h)215热风炉的热效率设备热效率计算通则(GB258881)中规定:有效能量占供给能量的百分比称为热设备的热效率,用η表示,它反映了能量利用的有效程度。η=(有效能量/供给能量)×100%对于热风炉而言,忽略其它带入炉内的热量,其供给热量为煤的总发热量,即Qg=BQy式中:Qg—热风炉的供给热量,kJ/hB—小时耗煤量,kg/hQy—煤的应用基低位发热值,kJ/kg有效热量就是被工质吸收的热量,对热风炉而言是加热空气所需的热量(不是热风炉的输出热量),即Qy=GCg(T2-T1)式中:Qy—热风炉的有效热量,kJ/hG—热风质量流量,kg/hCg—空气比热,kJ/(kg·℃)T2—热风温度,℃T1—环境温度,℃216热风炉的耗煤量热效率确定后,耗煤量就是个定值。即B=100Qy/ηQy(kg/h)实际耗煤量Qy按Ⅱ类烟煤选取。为了统一比较,标准耗煤量Qy按标煤(Qy=29308kJ/kg)选取。dmdm217热风炉换热器的烟气、空气流速烟气流速一般取9～13m/s,因采用了螺旋管技术,烟速高达15～20m/s。空气流速是烟气流速的0.5倍。通过上述选择计算,就可对热风炉及换热器的43©1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.热工计算:高效节能热风炉设计与计算具体结构进行优化设计,以取得最佳效果。3热风炉的结构、技术参数及工作原理311热风炉的结构热风炉的结构分为整体式和分列式两种。小型炉为整体式,大型炉为分列式。热风炉的典型结构见图1。312主要技术参数根据粮食烘干的不同要求设计了8个系列产品,详见表4。11上煤机21煤闸板31链条式炉排41分段式配风室51前拱61反射拱71预热准备段81燃烧段91燃尽段101出渣机111灰尘沉降室121换热器(室)图1热风炉结构简图表4热风炉主要技术参数表型号供热量/kJ/h热效率/%炉排面积/m2耗煤量/kg·h-1烟气温度/℃热风温度/℃装机容量/kW外形尺寸/m×m×mRFL120500×104RFL180750×104RFL2401000×104RFL3001250×104RFL3601500×104RFL4201750×104RFL4802000×104≥7032453.63685.34905.56137.67368.48569.3980≤750≤250157.3×7.9×2.920.27.4×8.0×2.8267.8×8.9×2.828.510.5×11.9×3.14710.6×11.9×3.148.510.6×11.9×3.149.510.8×12.0×3.8RFL6002500×10411.2122658.510.8×12.7×3.8313工作原理燃煤由煤斗加入,经煤闸板调节煤