高效节能热风炉设计与计算

精选优质文档-倾情为你奉上文章编号 :1001 - 6988 (2004) 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 )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 :BDesign and Calculation of High Eff iciency & Energy Saving Hot2Air FurnaceHU Xiu2he( Design Instiute Qingan Iron & Steel Co. , L td . , S uihua , China)Abstract : Hot- air furnace is the heat- source equipment for supplying clean- air to dry grain. RFL series coal- burning hot- air furnace is developed and designed ,in order to deal with the grain pollution. The furnace has the ad2 vantages of high mechanization ,low failure ,convenient operation ,and high efficiency & energy- saving , no-pollution etc . It is widely used in the bidding projects such as of the World Bank loan ,reconstrction of national storage ware2 house etc .Key words :coal- burning hot- air furnace ; selection of parameters ; design principles ; working principles ; ef2fectiveness of application专心-专注-专业0 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 ( 类烟煤) 为依据 ,其成分见表 1 。41表 1 山东良庄 类烟煤的成分组成VrCyHyOyNySyAyWy38 . 546 . 553 . 066 . 110 . 861 . 9432 . 489 . 00Qydw/ ( kJ kg- 1)17 690112 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 . 088 9 ( Cy + 0 . 375Sy) +0 . 265 ( Hy - 0 . 126 0y) =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 :y 2)y1 kg 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/ hyV0+ VN+ V2=Hy = VRO O O O2 20 . 018 66 ( Cy + 0 . 375Sy) + 0 . 111 Hy +0 . 012 4Wy + 0 . 016 1V0 + 0 . 008Ny +Qdw 煤的应用基低位发热值 ,kJ / kgqp 炉排热负荷 ,kJ / (m2h)Q212 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 :VRO2VRO2V0RO2 气体量 , m3/ kg= 0 . 018 66 ( 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 。H 0 理论水蒸汽量 , m / kg2V T = BQy / q (m3)dwdwV0 y y 0 TH 0 = 0 . 111 H2+ 0 . 012 4W+ 0 . 016 1V式中 : B 每小时耗煤量 ,kg/ hVN0 理论氮气量 , m3/ kg2y 煤的应用基低位发热值 ,kJ / kgVN0 = 0 . 008Ny + 0 . 79V02114 空气系数q 炉膛热负荷 ,kJ / (m3h)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 (m2h) - 1炉膛热负荷/ kJ (m3h) - 1于理论空气量 , 两者之比称为空气系数 () 。热风 炉设计时其空气系数一般取= 1 . 52 . 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yVy = V0 + 1 . 016 1 (- 1) V0 =5 . 22 + 1 . 061 (2 - 1) 4 . 81 =10 . 11 (m3/ kg) (= 2 时)根据上述计算的空气量、烟气量可选择确定热42(2 0942 721) 103 (1 0471 256) 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/ KT (m2)式中 :T 两种流体的温差 (T = T2 - T1) , K 综合传热系数 ,kg/ (mh)K = 1/ (1/ 1 + / + 1/ 2)/ t / MW / 104kJ h - 11 0 . 7 2502 1 . 4 5003 2 . 1 750式中 :1 烟气侧对流传热系数 ,kJ / 2 空气侧对流传热系数 ,kJ / 换热器管壁厚 ,m(m2h) (m2h)4 2 . 8 1 0005 3 . 5 1 2506 4 . 2 1 5007 4 . 9 1 7508 5 . 6 2 000热风炉的换热量 ( Hh) 表示如下 :Hh = Gz Cg ( 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 = Gz Cg T2 ( 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 - Gz Cg T1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 5070kg/ ( mh) ,而采用螺旋换热器管壁的导热系数 ,kJ / (m2h)215 热风炉的热效率设备热效率计算通则 ( GB ) 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 表示 ,它反映了能量利用的有效程度。= (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dwQg = BQy式中 : Qg 热风炉的供给热量 ,kJ / hB 小时耗煤量 ,kg/ hdwQy 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 =dm100 Qy/ Qy ( kg/ h)dm实际耗煤量 Qy 按 类烟煤选取。为了统一比 较 ,标准耗煤量 Qy 按标煤( Qy = 29 308 kJ / kg) 选取。dm dm217 热风炉换热器的烟气、空气流速烟气流速一般取 913 m/ s ,因采用了螺旋管技 术 ,烟速高达 1520 m/ 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/ kgh - 1烟气温度/ 热风温度/ 装机容量/ kW外形尺寸/ m m mRFL120 500 104RFL180 750 104RFL240 1 000 104RFL300 1 250 104RFL360 1 500 104RFL420 1 750 104RFL480 2 000 104703 2453 . 6 3685 . 3 4905 . 5 6137 . 6 7368 . 4 8569 . 3 980750 25015 7 . 3 7 . 9 2 . 920 . 2 7 . 4 8 . 0 2 . 826 7 . 8 8 . 9 2 . 828 . 5 10 . 5 11 . 9 3 . 147 10 . 6 11 . 9 3 . 148 . 5 10 . 6 11 . 9 3 . 149 . 5 10 . 8 12 . 0 3 . 8 RFL600 2 500 104 11 . 2 1 226 58 . 5 10 . 8 12 . 7 3 . 8 313 工作原理燃煤由煤斗加入 ,经煤闸板调节煤层厚度后随 炉排链条向后移动 ,经过预热、燃烧等阶段 ,燃尽的 煤渣由后部的出渣机排出。调节鼓风、引风机的风量 ,使炉内在负压状态下正常燃烧。燃烧后的高温 烟气 (1 1001 350 ) 经调节风门调为 750 左右 后进入换热器 ,烟气由换热器出来经除尘器、引烟风 机及烟囱排出。整体式结构热风炉设有烟气再循环风机。由换热器出来的废烟气 ,一部分由再循环风机吸出再鼓 入炉内 ,其作用主要是降低炉内温度 ,增加烟气量 , 这样既保护了换热器又强化了传热。因废烟气也具 有一定的温度 ,再循环风机起到了余热回收节能作 用。其工作原理示意图 ,见图 2 。图 2 整体式热风炉工作原理图分列式结构热风炉不设再循环风机 ,烟温和风温的调节由风门完成。其工作原理示意图 ,见图 3 。图 3 分列式热风炉工作示意图4 热风炉的特点及应用效果(1) 该炉采用通用锅炉的机械化链条炉排 ,自动 加煤、出渣 ,作业环境清洁 ,减轻了操作工人的劳动 强度。(2) 炉内采用通用新型节能拱 ,其材料采用掺有304 不锈钢纤维的耐热混凝土 ,耐高温抗氧化 ,大大 地提高了炉拱寿命。(下转第 48 页)44热工计算 :换热设备热工计算的电算方法2 . 3 . 2 试算及说明按 t2 = tw1 + ( 4 6) 假定 t2 值 , 根据试算结 果 ,可以看出 Eg 与 Eg 的绝对误差是否满足规定条 件 , 即小于等于 , 根据工程计算精度要求 , 取 =0. 01 。若| Eg - Eg| 0. 01 , 则 t2 的假定值合适; 否则需要重新假定 t2 值 ,即在 D2 单元格中输入新的 设定值 ,回车后计算机会立即显示新的“结果”,这时 若| Eg - Eg| 0 . 01 , 则计算完毕。否则 , 需比较两 次绝对值的大小以确定 t2 值的设定方向 ( 即设定 t2 值的增加还是设定 t2 值的减少) 并重新设定 t2 值。如此反复 , 直到| Eg - Eg | 0 . 01 为止。在一般情 况下 ,试算 3 、4 次即可得到满意的结果。从以上可 以看出 ,试算时只需改变 D2 单元格的输入值 ,其它 的计算便可由计算机完全承担。图 2 所示的计算图表也可用于其它型号表冷器的校核性计算 , 计算时 , 只需输入该型号“已知参 数”对应的“值”和 E的值 (根据型号、排数和迎面风 速 F5 中的值查表确定) 便能完成 t2 一次假定值下 的热工计算 ,然后即可进行与上述步骤相同的试算。 此时由于不需重新输入其它数据和公式 ,大大减少 了制表工作量。为了使人机交互方便 ,也可以在 F2 单元格中显示“值”。试算时 ,只需观察“2”行即可。同样 ,Excel 也可用于表冷器的设计计算 ,计算过程与上述步骤类似。3 结束语用 Excel 进行热工计算 ,工作量小 ,试算过程中 可以观察所求结果随参数的变化趋势 ,不需软件编 程所要求的计算机专业知识 ,便于被广大工程技术 人员掌握和应用。此外 , Excel 的许多自带功能亦有 助于工程的计算和分析。如自动填充功能有助于减 少输入工作量 ,自动绘图功能有助于用图表将计算 结果简洁方便地表示出来 ,线性回归功能有助于对 相关参数变化趋势进行分析。Excel 不仅可用在换 热设备的设计计算或校核计算中 ,也可用在高层建 筑的热负荷计算和热力管道的水力计算之中。笔者 曾利用 Excel 进行车载式导热油炉沥青加热设备3 的热工计算 ,取得了良好效果。参考文献 :1 赵荣义 ,范存养 ,薛殿华 ,等. 空气调节M 第 3 版. 北京 : 中国 建筑工业出版社 , 19962 王庆 ,王光显. 中文 Excel 2000 使用详解M . 北京 : 机械工业出版社 ,19993 王梅杰 ,刘志璋. 车载式导热油炉沥青加热设备的研究J . 节 能 ,2002 , (5)(上接第 44 页)(3) 换热器采用先进的螺旋管新技术 ,提高传热 系数 30 % ,既强化了传热又减少了受热面的布置。(4) 一方面粮食烘干机排出的部分废气回收进 热风炉 ,另外烟气再循环风机又将部分废烟气回收 ,这应用于粮食、饲料、制米、制酒、制油等行业。尤其对 黑龙江、吉林、辽宁及内蒙等高寒地区 ,高水分粮食 的干燥更显示出其独特的优越性。两方面可节能 30 % 。1张正荣. 传热学M. 北京 :高等教育出版社 ,1983(5) 该炉及烘干系统配备了微机自控系统 ,可对2王秉铨. 工业炉设计手册M. 北京 :机械工业出版社 ,1989参考文献 :烟温、风温及烘后粮食温度、水分进行在线自动检测 及控制 ,确保最佳工艺过程的实现。(6) 该热风炉作为谷物干燥机的配套热源 ,广泛3 传热手册M. 北京 :化学工业出版社 ,19834 卓宁 ,孙家庆. 工程对流换热M. 北京 :机械工业出版社 ,19825 丘树林 ,钱滨江. 换热器原理、结构、设计M . 上海 : 上海交通 大学出版社 ,199048