燃煤矸石的循環(huán)流化床鍋爐

1、 220t/h燃煤矸石循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)摘 要：本論文介紹的是一臺(tái)220t/h燃用煤矸石循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)。由于煤矸石自身具有硬度大、熱值低的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)首先在分析燃料的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇了合適的鍋爐結(jié)構(gòu)，并選擇與燃料合適的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)進(jìn)行熱力計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算，確定鍋爐各部分結(jié)構(gòu)尺寸。熱力計(jì)算是循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)、改造所必須的計(jì)算，根據(jù)熱力計(jì)算可確定鍋爐的燃料消耗量、鍋爐效率及各受熱面大小等設(shè)計(jì)參數(shù)，是鍋爐強(qiáng)度計(jì)算、水動(dòng)力計(jì)算、煙風(fēng)阻力計(jì)算的基礎(chǔ)。計(jì)算過(guò)程中需要參考許多與燃煤矸石相適應(yīng)的熱力計(jì)算參數(shù)。強(qiáng)度計(jì)算是確定鍋爐汽水系統(tǒng)壁厚的主要依據(jù)，保證所設(shè)計(jì)鍋爐的安

2、全性。在此基礎(chǔ)上繪制了鍋爐結(jié)構(gòu)總圖及零件圖。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床；鍋爐設(shè)計(jì)；煤矸石；熱力計(jì)算；強(qiáng)度計(jì)算 Abstract：Described in this paper is a 220t/h circulating fluidized bed combustion boilers design with coal gangue combustion. As a result of coal gangue its own features of hardness and low calorific value, the design is based on the analysis of fue

3、l then take the circulating fluidized bed boiler at home and abroad and the experience of the design for reference ,I select the appropriate boiler structure, and select the appropriate operation parameters for the fuel,determine the structure of the various parts of the boiler size through the ther

4、mal and intensity calculation.Thermal calculation is the necessary calculation of circulating fluidized bed boiler design or modifying, which can determine the design parameters such as fuel consumption, the size of heating surface and efficiency of the boiler.it is the basis of the strength calcula

5、tion, water power calculation and the smoke wind resistance caculation.and it need a number of reference parameters of the thermodynamic calculation adaptitng to the burning coal gangue. Strength calculation is to determine the wall thickness of boilers steam and water system ,and it ensures the saf

6、ety of the designed boiler.And I make the boilers structure CAD drawings and components drawings on the basis of above.Key words：circulating fluidized bed; boiler design; coal gangue; heat calculation; intensity calculation 引 言我國(guó)循環(huán)流化床燃燒基本成熟，制造和運(yùn)行成本都較低，在保證高效燃燒的基礎(chǔ)上能顯著降低廢棄物排放，可以滿足目前世界上最嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。在當(dāng)前及今后較長(zhǎng)

7、的時(shí)間內(nèi)，流化床燃煤技術(shù)是潔凈煤燃燒的主要形式和發(fā)展重點(diǎn)。流化床燃燒具有對(duì)燃料適應(yīng)性好，有害氣體排放量低等優(yōu)點(diǎn)，自它問(wèn)世以來(lái)在世界各主要工業(yè)化國(guó)家得到了迅速的發(fā)展。流化床燃燒在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、窯爐和焚燒各種廢物、燒水泥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。流化床燃燒是介于層狀燃燒與煤粉燃燒之間的一種燃燒方式。為保證新建和改建的循環(huán)流化床鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、高效和低污染的運(yùn)行，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐合理的設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵因素之一。目前各設(shè)計(jì)單位和制造廠家采用了各自的熱力計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法，并且已經(jīng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，但不少重要的設(shè)計(jì)參數(shù)選取和計(jì)算仍然帶有一定的盲目性和純經(jīng)驗(yàn)性，而且尚未形成一套完善的、統(tǒng)一的設(shè)計(jì)計(jì)算

8、方法，給工程設(shè)計(jì)人員和相關(guān)的技術(shù)人員在鍋爐設(shè)計(jì)和選型方面帶來(lái)很大的不便。本文以哈爾濱工業(yè)大學(xué)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)一臺(tái)220t/h燃煤矸石循環(huán)流化床進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并繪制了鍋爐總圖和部件圖。鍋爐主要部件的設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)的選取與計(jì)算2.1 鍋爐選型與布置爐膛結(jié)構(gòu)采用單爐膛，布置屏式受熱面。爐膛尺寸主要為爐寬、爐深、爐高和爐膛下部界面收縮部分的尺寸，其大小的確定需考慮一系列的因素。本鍋爐爐膛上部橫截面為103006000mm2，煙氣表觀速度為4.378m/s。爐膛下部的前后墻向中間收縮，形成上大下小的結(jié)構(gòu)。爐膛下部的后墻水冷壁彎制成水冷布風(fēng)板，布風(fēng)板的橫斷面為103003346mm

9、2，其上布置1365只改進(jìn)型蘑菇式風(fēng)帽，風(fēng)帽采用耐磨高溫合金精密鑄造，并具有防漏渣功能，風(fēng)帽的橫向和縱向節(jié)距皆為160mm。布風(fēng)板上的表觀煙氣速度為4.07m/s。由于床面較寬，制造和安裝過(guò)程中必須保證床面的水平度，防止料層厚薄不勻影響流化質(zhì)量。在布風(fēng)板上部的兩側(cè)墻分別設(shè)有人孔門，供鍋爐內(nèi)部檢修用。2.2 固體顆粒分離裝置的種類和選型固體顆粒分離裝置是循環(huán)床鍋爐的關(guān)鍵部件之一。它的性能直接影響到鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。分離器的結(jié)構(gòu)形式和布置位置，決定了循環(huán)床鍋爐的整體布置形式與緊湊性，成為區(qū)別循環(huán)床鍋爐技術(shù)流派的重要標(biāo)志之一。本鍋爐采用高溫絕熱旋風(fēng)分離器作為煙氣與物料的分離裝置，它具有分離效率

10、高和強(qiáng)化燃燒的優(yōu)點(diǎn)。旋風(fēng)分離器的外殼由鋼板制成，內(nèi)襯絕熱材料及耐磨耐火材料。內(nèi)壁面必須耐磨、光滑，使旋風(fēng)分離器既有較高的分離性能，又有較長(zhǎng)的使用壽命。旋風(fēng)分離器將被煙氣夾帶離開(kāi)爐膛的物料分離下來(lái)，通過(guò)返料器返回爐膛，煙氣則流向尾部對(duì)流受熱面。旋風(fēng)分離器的中心筒采用高強(qiáng)耐熱合金鋼制造，以保證有效的耐高溫、抗變形能力。2.3 尾部煙道布置尾部煙道布置方式是單煙道形式，煙氣從上往下依次布置有高溫過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器，省煤器，空氣預(yù)熱器，過(guò)熱汽溫采用噴水調(diào)節(jié)。2.4 對(duì)流受熱面的設(shè)計(jì)根據(jù)我國(guó)有關(guān)單位的研究，對(duì)于固態(tài)排渣爐，提出最佳過(guò)熱器受熱面的煙速為1014m/s。在循環(huán)流化床中，分離器前煙氣中的物料濃

11、度較高，對(duì)受熱面的磨損嚴(yán)重；分離器出口的煙氣中含塵顆粒的粒度相對(duì)比較粗，一般為4080m，而煤粉爐為1525m，且飛灰的形態(tài)與煤粉爐不同，未經(jīng)高溫融化4。因此對(duì)流過(guò)熱器的設(shè)計(jì)要充分考慮到發(fā)生磨損的可能性。2.5 主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.5.1 鍋爐汽水系統(tǒng)鍋爐給水首先進(jìn)入省煤器進(jìn)口集箱，經(jīng)過(guò)水平布置的四組省煤器，匯集到省煤器的出口集箱，經(jīng)出口集箱引入汽包水空間。在啟動(dòng)階段，用省煤器再循環(huán)系統(tǒng)保護(hù)省煤器。鍋爐采用自然循環(huán)，汽包內(nèi)的鍋水通過(guò)四根集中下降管進(jìn)入爐膛膜式水冷壁和水冷蒸發(fā)屏的進(jìn)口集箱，經(jīng)爐膛膜式水冷壁和水冷蒸發(fā)屏加熱后成為汽水混合物，隨后經(jīng)上集箱、汽水引出管引入汽包進(jìn)行汽水分離。被分離出來(lái)的水

12、進(jìn)入汽包水空間，進(jìn)行再循環(huán)。分離出來(lái)的飽和蒸汽從汽包頂部的蒸汽連接管引至低溫過(guò)熱器入口集箱，然后依次經(jīng)過(guò)低溫過(guò)熱器、一級(jí)噴水減溫器、爐內(nèi)屏式過(guò)熱器、二級(jí)噴水減溫器、高溫過(guò)熱器，最后將合格的過(guò)熱蒸汽引向汽輪機(jī)。2.5.2 鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)鍋爐采用平衡通風(fēng)?？諝獠捎脙杉?jí)送風(fēng)，一次風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器升溫后分為兩路:第一路由風(fēng)道引入爐底水冷風(fēng)室，經(jīng)過(guò)布風(fēng)板上的風(fēng)帽進(jìn)入爐膛；第二路由風(fēng)道引至爐前加煤管，隨給煤一起進(jìn)入爐膛。二次風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器升溫后由二次風(fēng)風(fēng)道引到爐前的二次風(fēng)箱，再?gòu)亩物L(fēng)箱引出若干個(gè)支管，經(jīng)兩層二次風(fēng)噴口進(jìn)入爐膛。燃煤在爐膛內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂惋w灰離開(kāi)旋風(fēng)分離器并流經(jīng)尾部豎井內(nèi)的對(duì)流受熱面，

13、然后經(jīng)除塵系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)，進(jìn)入煙囪，排向大氣。高壓流化風(fēng)機(jī)供給返料器高壓流化風(fēng)，石灰石輸送風(fēng)由專用風(fēng)機(jī)提供。2.5.3燃燒過(guò)程組織本鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒方式。燃煤和空氣在爐膛內(nèi)流態(tài)化狀態(tài)下?lián)交烊紵⑴c受熱面進(jìn)行熱交換，離開(kāi)爐膛并夾帶有大量物料的煙氣經(jīng)過(guò)高溫旋風(fēng)分離器之后，絕大部分固體物料被分離器分離下來(lái)，經(jīng)返料器返回爐膛，煙氣則進(jìn)入尾部煙道。循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)由爐膛、旋風(fēng)分離器和返料器等核心部分組成。2.5.4 鍋爐配風(fēng)系統(tǒng)本鍋爐燃燒系統(tǒng)采用兩級(jí)配風(fēng)，一次風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器升溫至207后，進(jìn)入水冷風(fēng)室，經(jīng)過(guò)布風(fēng)板上的風(fēng)帽進(jìn)入爐膛。二次風(fēng)經(jīng)空氣預(yù)熱器也升溫至207，進(jìn)入二次風(fēng)箱，經(jīng)若干根支管引入爐

14、膛。一、二次風(fēng)風(fēng)量比為55：45，布風(fēng)板下的一次風(fēng)室風(fēng)壓大約為10000Pa，二次風(fēng)箱內(nèi)的風(fēng)壓大大于爐膛內(nèi)壓力。運(yùn)行中可以適當(dāng)調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)風(fēng)量的配比。從一次風(fēng)預(yù)熱器出口風(fēng)道上引出一只風(fēng)管，做為給煤機(jī)的播煤風(fēng)，在爐前分成4個(gè)支管，分別接到爐前2個(gè)進(jìn)煤管的特定部位，在進(jìn)煤口的下部形成氣墊使煤能夠順利地進(jìn)入爐膛。從二次風(fēng)機(jī)出口引出一只風(fēng)管，在爐前分成2個(gè)支管，接到爐前2個(gè)給煤機(jī)的特定部位，做為給煤機(jī)的密封風(fēng)。兩個(gè)返料器用的流化風(fēng)由高壓風(fēng)機(jī)提供。2.5.5 鍋爐的排渣系統(tǒng)煤燃燒后的灰渣以底渣形式從爐膛底部和以飛灰形式從尾部排出。煤的種類、粒度和成灰特性等會(huì)影響底渣和飛灰份額。底渣從布風(fēng)板上的四個(gè)排渣

15、管接到四臺(tái)水冷滾筒冷渣器。位于中間的一個(gè)排渣管作為事故排渣用。排渣量維持合適的料層差壓為準(zhǔn)，一般差壓波動(dòng)500Pa，以保證鍋爐良好的運(yùn)行狀態(tài)。2.5.6 鍋爐的點(diǎn)火啟動(dòng)系統(tǒng)鍋爐設(shè)置有四臺(tái)床上點(diǎn)火燃燒器和四臺(tái)床下點(diǎn)火燃燒器，點(diǎn)火燃燒器由點(diǎn)火油槍、高能點(diǎn)火器及火焰檢測(cè)裝置組成。床下點(diǎn)火燃燒器為主啟動(dòng)燃燒器，床上點(diǎn)火燃燒器起補(bǔ)燃作用。鍋爐首次冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，在流化床內(nèi)加裝床料并進(jìn)行平整，先啟動(dòng)床下點(diǎn)火燃燒器，加熱啟動(dòng)床料，床料在流化狀態(tài)下升至一定溫度并保持穩(wěn)定，然后啟動(dòng)床上點(diǎn)火燃燒器，床料升至550后，開(kāi)始投煤?？上葦嗬m(xù)少量給煤，當(dāng)床料溫度持續(xù)上升后，加大給煤量并連續(xù)給煤直到鍋爐啟動(dòng)完畢。2.6 受熱面

16、布置2.6.1 爐膛水冷壁受熱面爐膛水冷壁和水冷屏采用膜式壁結(jié)構(gòu)，懸吊于鋼架的頂部橫梁上，下膨脹。水冷壁管的規(guī)格為605mm，節(jié)距為80mm，材料為20G。水冷壁由4根集中下降管供水，由連接管與前墻、后墻和側(cè)墻下集箱冷壁上集箱經(jīng)汽水引出管與鍋筒連接。水冷蒸發(fā)屏由汽包單獨(dú)引出下降管。爐膛上部橫斷面為103006000mm，爐膛下部的前后墻向中間收縮，達(dá)到103003346mm，水冷布風(fēng)板的管子規(guī)格為605mm，管節(jié)距為160mm，在水冷管上焊有銷釘，用以固定防磨耐火可塑料；布風(fēng)板下的一次風(fēng)室采用水冷風(fēng)室。為防止水冷壁磨損，密相區(qū)四周水冷壁上均敷設(shè)耐火耐磨材料，水冷風(fēng)室的內(nèi)側(cè)敷料，以滿足床下點(diǎn)火的

17、要求。爐膛內(nèi)布置有兩片水冷屏、四片汽冷屏，底部為防止磨損，也進(jìn)行了防磨處理，防磨措施為密焊銷釘并敷設(shè)耐火耐磨材料水冷壁四周外側(cè)在不同高度裝設(shè)剛性梁，以增加水冷壁剛度。為監(jiān)視爐膛運(yùn)行工況，沿高度方向分幾層布置了溫度和壓力測(cè)點(diǎn)。如一次室的溫度和壓力測(cè)點(diǎn)、布風(fēng)板上的溫度測(cè)點(diǎn)、頂部的溫度和壓力測(cè)點(diǎn)等，同時(shí)在指定位置設(shè)有看火孔、檢查門等，上述各測(cè)點(diǎn)處的水冷壁均要求采用非向內(nèi)突出的防磨措施。2.6.2 過(guò)熱器受熱面及蒸汽調(diào)溫飽和蒸汽從鍋筒由導(dǎo)管引出進(jìn)入低溫過(guò)熱器進(jìn)口集箱，然后再依次通過(guò)低溫過(guò)熱器、第一級(jí)噴水減溫器、屏式過(guò)熱器、第二級(jí)噴水減溫器和高溫過(guò)熱器。屏式過(guò)熱器采用385mm的管子，管節(jié)距為50mm，

18、材料為12Cr1MoV，其下部敷設(shè)防磨塑料。4片屏式過(guò)熱器采用上行程。高溫過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器兩組蛇形管為純對(duì)流型，順列布置。高溫過(guò)熱器采用雙管圈，由425mm管彎制，材料為12Cr1MoV。低溫過(guò)熱器采用三管圈，由384管彎制，材料為20G。為防止磨損，高溫過(guò)熱器前四排管子和低溫過(guò)熱器的前三排管子均加裝防磨蓋板，并在過(guò)熱器彎頭及穿墻部位加裝防磨罩。過(guò)熱蒸汽調(diào)溫采用兩級(jí)噴水減溫，兩級(jí)減溫器分別位于低溫過(guò)熱器出口和高溫過(guò)熱器進(jìn)口位置，第一級(jí)減溫器（低溫過(guò)熱器后）設(shè)計(jì)噴水量為3.52t/h，第二級(jí)減溫器（高溫過(guò)熱器前）設(shè)計(jì)噴水量為5.28t/h，自制冷凝水噴水減溫。高溫過(guò)熱器和低溫過(guò)熱器采用低溫過(guò)熱

19、懸吊管進(jìn)行懸吊，屏式過(guò)熱器則懸吊在爐頂?shù)钠潦竭^(guò)熱器集箱上。2.6.3 省煤器省煤器布置在低溫過(guò)熱器下部區(qū)域，由省煤器支撐梁支撐，中通空氣冷卻。整個(gè)省煤器分成四個(gè)管組，采用光管型式，管規(guī)格為385mm，順列布置，材料為20G。每組省煤器的前四排管子均加裝防磨蓋板，并在省煤器彎頭及穿墻部位加裝防磨罩。2.6.4 空氣預(yù)熱器空氣預(yù)熱器采用立式結(jié)構(gòu)，兩行程、錯(cuò)列布置。煙氣在管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管外流動(dòng)。冷風(fēng)風(fēng)道分別從爐前方向引入，熱風(fēng)風(fēng)道從爐前方向引出。空氣預(yù)熱器的各段管箱的管規(guī)格均為401.5mm。2.7 鍋爐的吹灰鍋爐尾部對(duì)流受熱面需裝設(shè)吹灰器，在過(guò)熱器處可裝長(zhǎng)伸縮式蒸汽吹灰器，在省煤器處可安裝固定式

20、吹灰器。2 鍋爐熱力計(jì)算爐膛的熱力計(jì)算大體包括以下過(guò)程：1）燃料與燃燒產(chǎn)物計(jì)算和鍋爐熱平衡計(jì)算，這部分計(jì)算也可稱為預(yù)備性計(jì)算；2）爐膛熱力計(jì)算，這部分計(jì)算結(jié)果獲得爐膛出口煙溫及爐膛區(qū)域各受熱面的吸熱量、焓增量等數(shù)據(jù)；3）高低溫過(guò)熱器熱力計(jì)算，為了使工質(zhì)出口參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，須先假設(shè)受熱面積，再進(jìn)行熱平衡的校核，如果不滿足誤差條件，則要進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，從而得出適合的受熱面積；4）省煤器、空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算，通常省煤器和空氣預(yù)熱器計(jì)算，滿足本身的熱平衡后，得到的熱空氣和排煙溫度與已知的輸入數(shù)據(jù)是不一樣的，這時(shí)還須進(jìn)行鍋爐整體的熱平衡計(jì)算誤差的校核，根據(jù)規(guī)定，當(dāng)誤差大于0.5%時(shí)，須把熱空氣溫度和排煙

21、溫度迭代回到鍋爐熱平衡計(jì)算前進(jìn)行迭代循環(huán)。熱力計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表3-1。表3-1 熱力計(jì)算結(jié)果匯總序號(hào)名稱符號(hào)單位爐膛高溫過(guò)熱器屏式過(guò)熱器低溫過(guò)熱器省煤器空氣預(yù)熱器1煙氣出口溫度880748.171880549.88284.999139.252介質(zhì)進(jìn)口溫度t316.6445.544386.657316.6220303介質(zhì)出口溫度t316.6540466.1513963162074介質(zhì)平均流速wm/s20.461720.427715.8971.294675.95235煙氣平均流速wym/s10.3148.93767.3206310.2716平均溫壓t328.117453.596288.66122.

22、78586.2577傳熱系數(shù)KW/(m2)87.5927151.34684.57646.294520.8328受熱面積Hm2534.222855.054719.668046.69總傳熱量QkW3 強(qiáng)度計(jì)算鍋筒用四根集中下降管（36840）通過(guò)連接管、下集箱與水冷壁（605）相連，水冷屏單獨(dú)用管（13314）從鍋筒中引出，每根下降管用六根連接管（13314）連入水冷壁下集箱，其中前后墻下集箱分別連七根連接管，側(cè)墻水冷壁下集箱分別連五根連接管。鍋筒上連四根蒸氣引出管。省煤器上集箱引出管用八根引出管與鍋筒相連。鍋筒上還開(kāi)有水位表用孔、壓力表用孔。下降管截面積： S下= 4Dn2 /4=0.2606水冷壁管截面積：