青海西宁地区2.8MW燃煤热水锅炉设计
摘要
锅炉作为一种能源转换装置被广泛地研究和运用，本次设计任务是设计一台型号为SHL2.8-1.0/95/70-AⅢ的热水锅炉，适用于在海拔2000米西宁地区的区域性供暖和供热。
在锅炉设计过程中主要进行了锅炉的技术、经济分析，锅炉整体结构布置，热力计算，强度计算和烟风阻力计算，相应的设计图纸，以及英文文献翻译。
该锅炉为双锅筒横置式自然循环锅炉，炉膛四周布置水冷壁。由于锅炉在高海拔地区运行，为了保证炉膛中持续和稳定地燃烧，采用高而短的前拱和低而长的后拱。加高炉膛，以适应海拔2000米地区的运行。在炉膛之后设有燃尽室。上下锅筒之间布置密集的对流锅炉管束，为主要受热面。尾部烟道布置省煤器，以利用锅炉尾部烟气的热量加热给水降低排烟温度，提高锅炉效率。燃烧设备为链条炉排，燃料为三类烟煤，其低位发热量为22211KJ/kg。
锅炉主要数据如下：
锅炉效率 75.91%
排烟温度 165℃
燃料耗量 0.1461kg/s
辐射受热面积 18.02m2
对流受热面积 171.74m2
额定供热量 2.8MW
炉排面积 6.36m2
关键词热水锅炉；海拔2000米；双锅筒横置式自然循环
Design for the water boiler operating at xi’ning
Abstract
Boiler used as one of the important facilities that transform one form of energy into another is studied extensively and used widely. The theme of this document is to design a water boiler used in lanzhou, whose type is SHL4.2-1.0/95/70-AⅢ.This kind of boiler is suitable for the regional heating and heating of the area that suitable for having an elevation of 2000 metrs.
In the process of boiler design,i chiefly carried the feasible analyses of technology、economic、the overall structure collocation of boiler、heating power calculation、intensity calculation 、gas-air resistance calculation、the design for drawing paper as well as English translation.
This boiler is double-drum natural circulation boiler, around the furnace are fixed up water walls. To ensure the good and continuous ignition in the furnace, I used the high and short front arch, while the back arch is low and long. Through practising and proving , it increase burner hearth to a higher attitude so as to it adapt to the operation of an elevation of 2000 metrs district . Behind the furnace is the burning out zone. There are dense tube nest between the two drums, which compose the main heat-delivery surface. In the back stake flue, I set the economizer which can decline the temperature of the stack gas and improve the efficiency in the furnace.. The burner equipment is chain-grade furnace row , the design fuel is mineral coal, whose lower heating value is 22211KJ/kg.
The data cited below give perspective of the quantities involve this boiler. The boiler overall efficiency is 75.91 %, stack gas temperature is 165℃, consumption of fuel is 0.1461 kg/s, the area of radiate heating is18.02㎡, the
area of convection heating surface is 171.74㎡,the boiler capacity is 4 t/h, the area of grate is 6.36㎡.
The explanation about the characteristic of every part of boiler and design process will be stated in the context.
This document involve four main parts: heat account, intensity account, gas-air resistance account and English translation.
Keywords water boiler；an elevation of 2000 metrs ；double-drum natural circulation
目录
摘要...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II
第1章绪论 (1)
第2章方案论证 (2)
2.1 设计思路 (2)
2.1.1 锅炉主要特征 (2)
2.1.2 锅炉主要部件的结构特点 (4)
第3章热力计算 (7)
3.1 设计任务 (7)
3.2 燃料特性 (7)
3.2.1 空气平衡： (7)
3.2.2 燃烧产物的容积及焓的计算 (7)
3.2.3 炉膛计算 (10)
3.2.4 燃尽室计算 (14)
3.2.5 锅炉管束计算 (17)
3.2.6 铸铁省煤器计算 (21)
3.2.7 热力计算的误差校核 (23)
3.2.8 计算结果汇总表 (23)
第4章强度计算 (25)
4.1 上锅筒有孔封头强度计算 (25)
4.2 下锅筒封头强度计算 (26)
4.3 上锅筒筒身强度计算 (26)
4.4 下锅筒筒身强度计算 (28)
4.5 侧集箱开孔强度计算 (29)
4.6 安全阀排泄能力的计算 (30)
第5章烟风阻力计算 (31)
5.1 烟道阻力及引风机的计算 (31)
5.1.1 烟道总阻力的计算 (31)
5.1.2 引风机的选择 (35)
5.2 风道阻力及送风机的计算 (35)
5.2.1 风道系统阻力计算 (35)
5.2.2 送风机的选择 (36)
结论 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录 (41)
A 焓温表 (41)
B 英文翻译 (42)
第1章绪论
热水锅炉是一种通过煤,石油,天然气等燃料的燃烧释放出的化学能,利用传热过程将能量传递给水,加热水到一定参数,以满足工业生产和生活需要的设备.热水锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效的转换为水的内能.
为满足热水锅炉的中心任务,在进行热水锅炉的设计时需要注意一些问题:
1.节约燃料.现今锅炉燃料都是不可再生的,从可持续发展角度我们
应该注意节约,同时,对于锅炉的热效率方面,节约显现尤为突出.
为节约燃料,提高锅炉的热效率,我们必须改善燃烧条件,降低锅
炉的排烟温度等,特别要解决劣质燃料的燃烧经济性问题.
2.节约材料.锅炉设计中,需要考虑锅炉本身及锅炉房等的建筑材料,
尤其是金属材料的节约,这对提高锅炉的经济性有着很重要的意
义.
3.提高可靠性.锅炉工作的可靠程度是锅炉技术水平的重要标志.安
全可靠的连续运行,减少备用机组的投资和维护费用,降低锅炉停
炉检修费用.
此设计题目为青海西宁地区 2.8MW热水锅炉,经论证采用的锅炉型号为SHL2.8-1.0/95/70-AⅢ，即双锅筒横置式链条炉，额定供热量为2.8MW，热水出口压力为1.0Mp，燃用燃料为Ⅲ类烟煤.
本次设计的燃料是以Ⅲ类烟煤为代表煤种，其低位发热量为22211kJ/kg,挥发份较高，着火容易。
基于对链条炉和代表煤种的优、缺点的了解及初步分析，在设计该炉时采取了一些切实可行的措施，以改善着火条件、机械清洗、排污、提高热效率、降低成本的方法，例如：合理布置前后拱，采用分段送风。
作为一名本科毕业生，虽然在老师的指导下和同学的帮助下成功的设计了本锅炉,但是由于理论知识和实践经验的缺乏，错误和不足有不少，有待以后在工作中进一步提高。
设计者：万虎
2005年6月
第2章方案论证
2.1设计思路
本方案采用的是双锅筒、横置式链条炉排，自然循环的热水锅炉。由于所设计的锅炉是在海拔2000米下运行，所以设计重点是围绕链条炉排的特点使所设计锅炉在高海拔，低气压下做到运行正常且达到“保产保暖，安全耐用，节约能源，消尘除烟”的要求。
根据实践和研究表明海拔超过1000米地区，低气压造成的影响如下：1.对燃烧反应的影响
（1）.降低了燃烧反应速度，表现为燃烧着火困难和较难于燃尽。
（2）.煤粉细粒气流在炉膛内停留时间减少，增加飞灰含碳量。
（3）.低气压使烟气中CO2的离解率增加，使烟气中的CO含量增加。
（4）.高海拔下燃煤燃烧放热受到海拔的影响在相同的炉膛出口温度下烟气焓值放大了K倍排烟损失也下降了K倍，使得锅炉热效率下降。2.对锅炉传热的影响。
（1）.炉膛黑度下降，使炉膛出口烟温升高。
（2）.在各级受热面中辐射放热系数下降，导致总的传热系数下降，海拔高度越高，辐射传热系数下降的越多。
2.1.1锅炉主要特征
2.1.1.1燃料及炉型的选择
由于本次设计的锅炉应用于青海西宁地区，当地的煤矿资源较为丰富,且为高挥发份高发热量的三类烟煤,考虑到煤炭运输的经济性以及煤种的适用性采用西宁大通地区的煤。大通的产煤具有较高的地位发热量和较高的挥发分可以视为三类烟煤。
燃油炉对锅炉的密封性要求很高,否则容造成喷烟或漏风,前者会降低锅炉工作可靠性,并使锅炉房的工作条件恶化,后者会使炉内过量空气量无法控制,基于燃油炉的不成熟的运行经验,不采用燃油炉.
另外,由于受到地域性和经济性的限制,不采用燃气炉.
链条炉是一种应用最广泛的工业锅炉，它与其它类型的锅炉相比，许多地方有独到之处：与沸腾炉相比，具有设备简单，磨损小；与手烧炉相比，具有机械化程度高，易实现燃烧过程的自动控制；与煤粉炉相比，具
有设备简单，辅机少，因而投资少。同时利用炉膛内前后拱的配合，在炉内形成良好的空气动力场，且保证燃烧过程的稳定，利用链条炉排的不断移动，实现了给煤和除渣的机械化，降低了运行人员的劳动强度，该善了劳动环境。煤是我国锅炉的主要燃料，由于链条炉由于链条炉有以上优点，虽然它的煤种适应性差，链条炉仍然是利用最广泛，最普遍的工业炉炉种,所以在此次设计中采用了运用广泛,运行经验丰富的链条炉.
2.1.1.2炉膛容积分析
由于燃料量没有变化，因此所需的空气质量也没有变化，但由于海拔升高气压下降，气体的体积增大，在一定的炉膛容积下，随气体一起运动的煤粉颗粒的停留时间将缩短。在1000米以上的海拔区域，必须考虑停留时间大幅缩短的影响，即需略增大炉膛容积，但如按气压下降的比列增大炉膛容积以维持与海平面附近地区同样的停留时间，不但使炉膛容积大大增加，且使炉内受热面增加过大导致炉膛出口烟温过低会给设计带来很大的困难及浪费钢材，因此，在炉膛断面积不变情况下，只增加锅炉炉膛高度即可。由于2000米时当地大气压力是581mmHg，则应增高760/581＝1.308倍海平面附近高度，但因本身是层燃，煤粉不多，所以修正为增加海平面附近高度的 1.3倍，以保证煤粉细粒在炉膛内停留时间基本上与海平面附近地区相一致，从而保证较完善的燃尽。
2.1.1.3锅炉热空气温度分析
高原地区，由于单位容积内氧气分子数减少降低了燃烧反应速度，应略增大热空气值，以使燃烧反应速度基本不变或降低很少，因此在2000米高原地区应取150℃～170℃左右为易，因此本次设计选取165℃。
2.1.1.4各部分受热面设计分析
由于锅炉各部分对流受热面主要与对流放热系数有关，而对流放热系数又与气压无关。此外，虽然辐射放热系数有与气压降低会略有降低，因此，在2000米海拔高度，各级辐射受热面略增大2％~3％左右，各级对流受热面可不变。
综合以上分析，本次高原地区SHL2.8-1.00/95/70-AⅢ的热水锅设计采取了如下措施:
（1）、略增大炉膛容积，主要在高度方向上，根据分析，增高为在海平面附近地区的1.30倍。
（2）、适当增大了炉排风室截面，使热空气量适当增加，使冷，热风速在合理的范围内。
（3）、高温对流受热面略增大了2％，以保证排烟温度不致升高过多。
经采用以上措施较好的解决了高海拔地区低气压对本锅炉正常运行造成的影响。
（4）、考虑到高原地区气压降低气体体积增大的影响在计算时适当增大了各受热面处的过量空气系数，使锅炉在恶劣条件下交好燃烧达到出力的目的。
本设计中采用运煤系统将原煤送入煤斗，煤斗中的煤通过三重筛选落在炉排上，通过炉排片的水平运动进入炉膛，煤层高度可由煤闸门挡板控制。煤在炉排片上逐渐被加热，干馏至着火燃烧，大部分可燃气体和扬析碳粒在喉口处与高温烟气充分混合而燃烧，未燃尽部分与高温烟气一起流过出口窗，进入燃尽室进一步燃尽。炉膛四周布置水冷壁接受高温烟气的辐射热。燃尽室使没有燃尽的碳粒完全燃烧，而且使烟气中较大的灰粒产生重力分离，起沉降室的作用，产生除尘的效果。之后，高温烟气进入锅炉管束，隔板将对流烟道隔成三个行程，烟气在管外横向冲刷放热。最后烟气进入尾部烟道，冲刷省煤器,通过烟道、引风机、除尘器，经烟囱排向大气。
经过水处理的给水进入省煤器，由下而上管内流动，被管外高温烟气加热，送上锅筒，锅筒内的水经由下降管流至前后墙及两侧墙的下集箱，进入水冷壁管。由于炉膛内的水冷壁吸收辐射热而使管内工质受热，密度变小，因而向上流动进入集箱，再回到上锅筒，完成一次循环。在锅炉管束中也有上述过程，受热弱的管子充当下降管，而受热强的管子则成为上升管，构成循环回路。
本方案中采用的燃料为三类烟煤，其发热值为22211KJ/㎏，挥发分很高，达到了38.48％，着火相对较容易，燃烧也好，理论上不需要布置空气预热器。
锅炉负荷作用在基础上。侧墙、前后拱下方、燃尽室、锅炉管束中间部位开有人孔，便于安装、维修、清理灰渣。在侧墙水冷壁中间设有观火孔。为便于尾部烟道的安装检修，在省煤器附近开有人孔。炉墙为重型炉墙。
2.1.2锅炉主要部件的结构特点
2.1.2.1炉排与炉膛的设计
由于锅炉容量较小以及链条炉排的特点因此选其作为本次设计的炉排。同手烧炉相比，它具有机械化程度高、容量大、以及热效率高等特点，同沸腾炉相比，它具有飞灰浓度小、磨损轻的特点。链条炉的适用性和经济性更是其它锅炉无法比拟的。链条炉排是由很多的炉排片构成，而炉排片又由活动的链条连接。炉排的前端与后端分别设链轮，电机通过减速机构带动链轮低速转动，链轮又拖动链条及其相连的炉排片缓慢移动。煤斗设在炉排
的一端，煤落在炉排上，被移动的炉排逐渐带到燃烧室。经过燃烧产生灰渣和烟气，同时放出热量，产生的灰渣被移动着的炉排带出炉外，即靠链条炉排的移动实现了加煤与除渣的机械化。
着火条件：单面引燃,有限着火,煤种适应性差.燃烧过程没有周期性,但有区域性。炉排有效长度为4000毫米，宽度为1590毫米。预热干燥段占总炉排的25%，主燃段占总炉排的30-40%。运行时要注意炉排冷却问题由于链条炉各区的燃烧情况不同，分段送风，分四风室，主燃区风量最大。
设计中采用高而短的前拱，低而长的后拱相配合以利于燃料的引燃和着火。前拱倾角为30度，高2000毫米，覆盖率小于25%，后拱倾角为12度，高1162毫米。
炉膛四周及顶棚均布置有水冷壁，一方面充分发挥辐射受热面热强度高的优点，同时保护炉墙不受高温，避免灰渣粘结在墙壁上，防止炉墙被冲刷磨损和过烧而损坏。炉膛出口烟温控制在950-1050℃，防止受热面结渣。炉膛布置有吊挂结构，使炉墙、拱、管有一定的支撑。
2.1.2.2锅炉管束的设计
在低压小型锅炉中，锅炉管束是非常重要的受热面。本设计采用上下锅筒结构，管子两端胀接在锅筒上。采用相同的弯管直径R=160毫米。管束间用隔板把烟道分成三个流程，形成倒“S”冲刷路线，同时各个流程的烟气流通截面随烟温的降低而减少，以保证各流程烟速相近。综合考虑换热效果，烟气流动阻力，吹灰，受热面磨损等因素，设计中取烟速Wy=9.0m/s。管束采用顺列布置，以便于吹灰和清灰。
2.1.2.3尾部受热面的设计
本设计中尾部烟道布置了铸铁省煤器，吸收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉效率。热空气温度为150℃，改善炉膛内燃料着火燃烧条件，使燃烧持续稳定的进行。
2.1.2.4循环回路的设计说明
工业锅炉循环回路的设计主要是考虑提高运动压头，减少上升管和下降管的阻力和热偏差，使循环稳定。由于本设计中前后墙水冷壁均布置10根，侧墙布置了10根水冷壁管。因此前后集箱均采用同一直径下降管φ76×4㎜，侧集箱均采用同一直径下降管φ76×4㎜水冷壁管采用φ51×2.5㎜的无缝钢管。前后墙水冷壁管接进入锅筒，锅炉管束相邻两管环向分度为8度，下降管分布在锅筒下部两侧，防止下降管入口处产生漩涡和汽化。下降管均从炉墙外引入以防止受热。
2.1.2.5炉墙的设计
炉墙是用来将锅炉受热面和炉内燃烧的产物与外界隔绝形成烟气通道的锅炉部件。必须满足以下条件：1.具有良好的热稳定性；2.具有足够的耐热和承受灰渣腐蚀的能力；3.具有良好的绝热性能；4.具有结构可靠性；5.具有良好的密封性；6.具有一定的机械强度。本设计中采用重型炉前，最外层为红砖240mm，中间为空气夹层20mm，保温层为113mm，耐火砖为113mm。重量由地基支撑。锅筒、集箱和炉墙接触处用棉绳密封，防止受热膨胀，锅炉管束中间隔板采用耐火材料。
2.1.2.6锅炉经济指标的选取
1.炉排面积
炉排面积小造成燃烧不完全，浪费燃料，面积过大，热负荷减少，结构尺寸大，浪费材料，本设计中去炉排面积R=6.36㎡。
2.排烟温度
排烟温度过高，排烟热损失增大，锅炉效率低，且污染环境。排烟温度过低，易引起尾部受热面低温腐蚀，且受热面金属耗量大，经济上不合理。本设计中排烟温度165℃。
第3章 热力计算
3.1 设计任务
1．锅炉额定供热量 Q =2.8MW 2．锅炉额定压力 p =1.00mPa 3．供水温度 gs t =95C ? 4．冷空气温度 lk t =30C ? 5．回水温度 hs t =70C ? 6．排烟温度 py t =165C ?
3.2 燃料特性
(1)燃料名称：西宁大通三类烟煤 (2)工作基成分
碳C y =57.24% ， 氧O y =7.16%;氮N y =0.93%;硫S y =0.46%;水分W y =8.85%;灰分A y =21.37%;挥发分V r =38.48%，氢H y =3.81%
(3)低位发热量：y
dw Q =22211Kg Kj 辅助计算
3.2.1 空气平衡：
烟道各处过量空气系数，各受热面的漏风系数列于表3-1中。炉膛出口处过量空气系数按[1]表2-1取。烟道中各受热面的漏风系数按[1]表2-3取。
3.2.2 燃烧产物的容积及焓的计算
由于在海拔2000米的高原地区，低压的影响不可忽略，必须对所求的气体量进行修正
修正系数值为760/581＝1.308 （零海拔地区大气压力是760mmhg ，海拔2000米大气压力是581mmhg ），但是气体焓值只是温度的函数，与压力无关，因此焓值不变。（以下计算是先假设锅炉在零海拔地区，其低气压对计算结果所产生的影响的修正在其后面）
1)理论空气量及α=1时燃烧产物的计算
理论空气量
1o V =y
y y y 0.0333O -0.265H )0.375S 0.0889(C ++ =5.893Nm 3
o V =1o V *K =5.893×1.308=7.708Nm 3 RO 2理论容积
)0.375S 0.01866(C V y
y 1RO 2+= =1.0746 kg Nm 3
2RO V =1.0746×1.308=1.4056kg Nm 3
N 2理论容积
/1000.8N 0.79V V y o 1N2o += =4.6629kg Nm 3 2N V ?=4.6629×1.308=6.099kg Nm 3
H 2O 理论容积
o
y y 1H2O o 0.0161V 0.0124W 0.111H V ++= =0.6266 kg Nm 3 O H V 2?=0.6266×1.308=0.8196
2)不同过量空气系数下燃烧产物的容积及成分见表3-2
3)不同过量空气系数下燃烧产物的焓温表见表3-3（附后） (3)锅炉热平衡及燃料耗量计算见表3-4
表3-1烟道中各处过量空气系数及各受热面的漏风系数
fh
表3－3 焓温表在附录内
3.2.3炉膛计算(1)炉膛结构特性计算
1)炉膛的周界面积计算
炉排面积热负荷R q =5802
/KW m 炉排面积
R=R dw y /q BQ =0.1661×22211/580=6.362m
取炉排长度L=4.0m
炉排宽S=R/L=6.36/4.0=1.59m a)包覆面积计算 侧墙面积：
F 1=2.07×2×sin15°=0.54 2m F 2=3×2=6 2m
F 3=（0.5+0.425+0.5）×2÷2=1.425 2m F 4=5.5×1.5=8.252m
F 5=（2.5+1.932）×1÷2=2.216 2m F 6=0.3×0.5=0.15 2m F cq =ΣF i =14.7672m b)前墙面积：
F qq =1.59×（0.3+0.5+1.632+1.154+3）=12.513 2m
c)后墙面积：
F hq=1.59×（4.184+0.536+0.635+2.045+0.5）=15.01 2m
d)顶棚面积：
F dp=1.59×2.07=3.293 2m
e)出口窗面积：
F ch =1.59×1=1.59 2m
f)炉排面积：R=1.59×4=6.36 2m
炉膛包覆面积：
F L=2×F cq+ΣF i=53.439 2m
2)炉膛容积
V L= F cq×b=12.015×1.59=19.104 3m
3)炉膛辐射受热面积
前墙：s/d=160/51=3.137 e/d=0.5 Х=0.64 耐火砖：Х=0.15
光管辐射面积： H
q1=1.8×1.59×0.64=1.832 2
m
耐火砖面积： H
q2=0.15×（8.231-2.862）=0.805 2
m
则 H
g =2.637 2
m
后墙：s/d=160/51=3.137 e/d=0.5 Х=0.64 耐火砖：Х=0.15 光管辐射面积： H h1=1.59×1.148×0.64=1.168 2m
耐火砖面积： H
h2=0.15×8.795=1.319 2
m
则： H
hq =2.487 2
m
侧墙：s/d=160/51=3.137 e/d=0.5 Х=0.64 耐火砖：Х=0.15 光管辐射面积： H cq2=（6.7-3.649）×1.4×0.605=2.582m
耐火砖面积： H
cq2=2.6×1.4×0.15=0.546 2
m
则： H
cq =3.13 2
m
烟窗面积： H
ch =1.59×0.41=0.779 2
m
顶棚辐射受热面积： H
dp =2.963×0.64=1.896 2
m
总辐射受热面积： H
f =2×H
cq
+ΣHi=13.8 2
m
4)炉膛有效辐射层厚度
S=3.6×V L/ F L=1.287 m
5)炉膛水冷度
Х= H f/（F L-R）=13.8/（53.439-6.36）=1.293 6)火床与炉墙面积之比
ρ=R/（F L-R）=6.36/（53.439-6.36）=0.135 (2)炉膛传热计算见表3-5
℃℃算。
3.2.4燃尽室计算
(1)燃尽室结构特性计算