课程设计热风炉设计计算.docx
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课程设计热风炉设计计算
设计题目:
热风炉设计计算
一、热风炉的燃烧计算
燃烧计算采用《热能工程设计手册》(汤蕙芬,范季贤主编,机械工业出版社,1999.3)P.60上所提供的计算方法来计算。
选用燃煤的应用及成分为:
Cy:
52.69Hy:
0.80Oy:
2.36Ny:
0.32Sy:
0.47Ay:
35.36My:
8.00
1.煤燃烧的理论空气量计算:
标态下1Kg固体燃料完全燃烧所必须的理论空气量V0(Nm3/Kg):
V0=0.0889(Cy+0.375Sy)+0.265(Hy-0.126Oy)(1-1)
将Cy=52.69,Sy=0.47Hy=0.8和Oy=2.36代入上式(不需带%),可得:
V0=0.0889(52.69+0.375×0.47)+0.265(0.8-0.126×2.36)
=4.83Nm3空气/Kg煤
当空气量用质量表示时,理论空气量m0(Kg空气/Kg煤)为:
m0=1.293V0(1-2)
将V0=4.83Nm3/Kg代入,可得:
m0=1.293×4.83=6.25Kg空气/Kg煤
2.煤燃烧的实际空气量和过剩空气量计算:
煤燃烧的实际空气量计算:
Vk=αV0=1.3×4.83=6.28Nm3空气/Kg煤(1-3)
mk=1.293×6.28=8.12Kg空气/Kg煤
煤燃烧的过剩空气量计算:
ΔVk=6.28-4.83=1.45Nm3空气/Kg(1-4)
Δmk=8.12-6.25=1.87Kg空气/Kg煤
3.标准状态下完全燃烧,无过剩空气时煤燃烧的烟气量计算:
(1).二氧化物VRO2(Nm3/Kg):
二氧化物包括CO2和SO2:
VRO2=1.866Cy/100+0.7Sy/100(1-5)
将Cy=52.69和Sy=0.47代入上式,可得:
VRO2=1.866×52.69/100+0.7×0.47/100=0.99Nm3/Kg煤
CO2的分子量为44,空气的平均分子量为29,根据理想气体状
态方程,CO2气体在标准状态下的密度为:
44×1.293/29=1.962Kg/Nm3
SO2的分子量为64,则SO2气体在标准状态下的密度为:
64×1.293/29=2.854Kg/Nm3
在本工况条件下,二氧化物是以CO2为主,二氧化物气体在标
准状态下的密度可以CO2气体密度来计算,即γRO2=1.962Kg/Nm3。
当二氧化物气体用质量表示时,二氧化物气体量mRO2(Kg/Kg)为:
mRO2=1.962VRO2(1-6)
mRO2=1.962×0.99=1.94KgCO2气体/Kg煤
(2).水蒸气VH2O0(Nm3/Kg):
VH2O0=0.111Hy+0.0124Wy+0.0161V0(1-7)
将Hy=0.80,My=8.00和V0=4.83代入上式,可得:
VH2O0=0.111×0.80+0.0124×8.00+0.0161×4.83=0.27Nm3/Kg煤
H2O的分子量为18,则H2O蒸汽在标准状态下的密度为:
18×1.293/29=0.80Kg/Nm3
当水蒸汽用质量表示时,水蒸汽量mH2O(Kg/Kg)为:
mH2O0=0.80VH2O0(1-8)
mH2O0=0.80×0.27=0.22Kg水蒸汽/Kg煤
(3).氮气VN20(Nm3/Kg):
VN20=0.79V0+0.008Ny(1-9)
将Ny=0.32和V0=4.83代入上式,可得:
VN20=0.79×4.83+0.008×0.32=3.82Nm3/Kg煤
N2的分子量为28,则N2气体在标准状态下的密度为:
28×1.293/29=1.248Kg/Nm3
当N2气体用质量表示时,N2气体mN2(Kg/Kg)为:
mN20=1.248VN20(1-10)
mN20=1.248×3.82=4.77KgN2气体/Kg煤
(4).煤燃烧的理论烟气量计算:
Vy0=VRO2+VH2O0+VN20(1-11)
将VRO2=0.99,VH2O0=0.27和VN20=3.82代入,可得:
Vy0=0.99+0.27+3.82=5.08Nm3/Kg煤
如用气体质量表示时,理论烟气量为:
my0=mRO2+mH2O0+mN20(1-12)
将mRO2=1.94,mH2O0=0.22和mN20=4.77代入,可得:
my0=1.94+0.22+4.77=6.93Kg烟气/Kg煤
(5).理论烟气中的水蒸汽质量百分比和含湿量:
理论烟气中的水蒸汽质量百分比可用下式计算:
Φy,水0=mH2O0/my0(1-13)
将my0=6.93和mH2O0=0.22代入,可得:
Φy,水0=0.22/6.93=3.2%
理论烟气中的含湿量可用下式计算:
dy0=mH2O0/(my0-mH2O0)(1-14)
将my0=6.93和mH2O0=0.22代入,可得:
dy0=0.22/(6.93-0.22)=0.033Kg水/Kg干烟气
(6).理论烟气中的含氧量为零。
(7).理论烟气在标准状态下的密度:
理论烟气在标准状态下的密度可用下式计算:
γy0=my0/Vy0(1-15)
将my0=6.93和Vy0=5.08代入,可得:
γy0=6.93/5.08=1.364Kg烟气/Nm3
4.标准状态下完全燃烧,有过剩空气时煤的燃烧产物:
二氧化物不随过剩系数α变化,其他均有变化。
(1).水蒸汽VH2O(Nm3/Kg):
VH2O=VH2O0+0.0161(α-1)V0(1-16)
将VH2O0=0.27,α=1.3和V0=4.83代入,可得:
VH2O=0.27+0.0161×(1.3-1)×4.83
=0.293Nm3/Kg煤
当水蒸汽用质量表示时,水蒸汽量mH2O(Kg/Kg)为:
mH2O=0.80×0.293=0.23Kg水蒸汽/Kg煤
(2).实际烟气量:
完全燃烧,有过剩空气时的烟气量称为实际烟气量Vy0(Nm3/Kg煤),
其计算式如下:
Vy=Vy0+1.0161(α-1)V0(1-17)
将Vy0=5.08,α=1.3和V0=4.83代入,可得:
Vy=5.08+1.0161×(1.3-1)×4.83=6.38Nm3/Kg煤
当烟气用质量表示时,烟气量my(Kg/Kg)为:
my=my0+1.0161(α-1)m0(1-18)
my0=6.93,α=1.3和m0=6.25代入,可得:
my=6.93+1.0161×(1.3-1)×6.25=8.84Kg烟气/Kg煤
(3).实际烟气在标准状态下的密度:
理论烟气在标准状态下的密度可用下式计算:
γy=my/Vy(1-19)
将my=8.84和Vy=6.38代入,可得:
γy=8.84/6.38=1.386Kg烟气/Nm3
(4).实际烟气中的水蒸汽质量百分比和含湿量:
实际烟气中的水蒸汽质量百分比可用下式计算:
Φy,水=mH2O/my(1-20)
将my=8.84和mH2O=0.23代入,可得:
Φy,水=0.23/8.84=2.6%
实际烟气中的含湿量可用下式计算:
dy=mH2O/(my-mH2O)(1-21)
将my=8.84和mH2O=0.23代入,可得:
dy=0.23/(8.84-0.23)=0.027Kg水/Kg干烟气
(5).实际烟气中的含氧量:
实际烟气中的含氧量是由代入的,已知过剩空气量为:
Δmk=8.12-6.25=1.87Kg空气/Kg煤,还已知氧气与空气
的质量百分比为0.23,则氧气的绝对含量为:
MO2=0.23×1.87=0.430Kg氧气/Kg煤
实际烟气中的含氧量由下式计算:
Φo=mO/my(1-22)
将mo=0.430和my=8.84代入,可得:
Φo=0.430/8.84=4.9%
体积百分比计算:
Φo,=Φo×0.21/0.23=0.913Φo(1-23)
将Φo=4.9%代入,可得:
Φo,=4.9%×0.913=4.4%
热风炉的燃烧计算汇综表
序号
项目
代号
单位
计算式
计算结果
1
理论空气量
V0
Nm3空气/Kg煤
(1-1)
4.83
m0
Kg空气/Kg煤
(1-2)
6.25
2
空气过剩系数
α
无量纲
给出
1.3
3
实际空气量
Vk
Nm3空气/Kg煤
(1-3)
6.28
mk
Kg空气/Kg煤
(1-3)
8.12
4
过剩空气量
ΔVk
Nm3空气/Kg煤
(1-4)
1.45
Δmk
Kg空气/Kg煤
(1-4)
1.87
序号
项目
代号
单位
计算式
计算结果
5
理论燃烧的二氧化物
VRO2
Nm3气体/Kg煤
(1-5)
0.99
mRO2
Kg气体/Kg煤
(1-6)
1.94
6
理论燃烧的水蒸汽
V0H2O
Nm3水蒸汽/Kg煤
(1-7)
0.27
moH2O
Kg水蒸汽/Kg煤
(1-8)
0.22
7
理论燃烧的氮气
V0N2
Nm3氮气/Kg煤
(1-9)
3.82
m0N2
Kg烟气/Kg煤
(1-10)
4.77
8
理论燃烧的烟气量
V0y
Nm3氮气/Kg煤
(1-11)
5.08
m0y
Kg烟气/Kg煤
(1-12)
6.93
9
理论燃烧的水蒸汽质量百分比
Φy,水0
%
(1-13)
3.2
10
理论燃烧的烟气含湿量
d0y
Kg水/Kg干烟气
(1-14)
0.033
11
理论燃烧的烟气密度
γy0
Nm3/Kg
(1-15)
1.364
12
实际燃烧的水蒸汽
VH2O
Nm3水蒸汽/Kg煤
(1-16)
0.293
mH2O
Kg水蒸汽/Kg煤
(1-16)
0.23
13
实际燃烧的烟气量
Vy
Nm3氮气/Kg煤
(1-17)
6.38
my
Kg烟气/Kg煤
(1-18)
8.84
14
实际燃烧的烟气密度
γy0
Nm3/Kg
(1-19)
1.386
15
实际燃烧的水蒸汽质量百分比
Φy,水
%
(1-20)
2.6
16
实际燃烧的烟气含湿量
dy
Kg水/Kg干烟气
(1-21)
0.027
17
实际燃烧的氧气质量百分比
Φyo
%
(1-22)
4.9
18
实际燃烧的氧气体积百分比
Φo,
%
(1-23)
4.4
二、干燥热风含湿量和含氧量计算
干燥热风是由直燃热风炉的烟气和环境空气混合而得到。
1.计算所需的各项参数:
由给出的已知参数和计算得到的各项参数如下:
烟气温度:
ty1=900℃,烟气含湿量:
dy=0.027Kg水/Kg干烟气,烟气
中水蒸汽质量百分比:
Φy,水=2.6%,烟气中氧气质量百分比:
Φyo=4.9%;
环境空气温度:
tk1=6℃,环境空气含湿量:
d0=0.004Kg水/Kg干空气,
环境空气中水蒸汽质量百分比:
Φk,水=0.4%,环境空气中氧气质量百
分比:
Φko=23%;间接干燥热风温度:
t3=450℃;烟气降温后的温度:
ty3=450℃;环境空气升温后的温度:
tk3=450℃,经间接换热后烟气温度降至260℃。
2.干空气比热:
0℃~100℃之间平均比热:
Ck1=0.24Kcal/Kg·℃
0℃~260℃之间平均比热:
Ck2=0.243Kcal/Kg·℃
0℃~450℃之间平均比热:
Ck3=0.245Kcal/Kg·℃
3.干烟气比热:
0℃~260℃之间平均比热:
Cy2=0.244Kcal/Kg·℃
0℃~450℃之间平均比热:
Cy3=0.250Kcal/Kg·℃
0℃~900℃之间平均比热:
Cy1=0.255Kcal/Kg·℃
4.水蒸汽比热:
0℃~100℃之间平均比热:
Cs3=0.450Kcal/Kg·℃
0℃~260℃之间平均比热:
Cs2=0.456Kcal/Kg·℃
0℃~450℃之间平均比热:
Cs2=0.465Kcal/Kg·℃
0℃~900℃之间平均比热:
Cs1=0.504Kcal/Kg·℃
5.1Kg烟气(含水蒸汽)从900℃降到450℃放出的热量:
900℃,1Kg烟气的热焓:
iy1=(1-Φy,水).ty1.Cy1+Φy,水.(595+ty1.Cs1)(2-1)
将Φy,水=0.026,ty1=900,Cy1=0.255和Cs1=0.504代入,可得:
iy1=(1-0.026)×900×0.255+0.026×(595+900×0.504)
=250.80Kcal/Kg
450℃,1Kg烟气的热焓:
iy2=(1-Φy,水).ty2.Cy2+Φy,水.(595+ty2.Cs2)(2-2)
将Φy,水=0.026,ty2=450,Cy2=0.250和Cs3=0.465代入,可得:
iy2=(1-0.026)×450×0.250+0.026×(595+450×0.465)
=161.05Kcal/Kg
Δiy=iy1-iy2=250.80-161.05=89.75Kcal/Kg烟气
6.1Kg环境空气(含水蒸汽)从6℃升到450℃吸收的热量:
6℃,1Kg环境空气的热焓:
ik1=(1-Φk,水).tk1.Ck1+Φk,水.(595+tk1.Cs3)(2-3)
将Φk,水=0.004,tk1=6,Ck1=0.24和Cs3=0.450代入,可得:
ik1=(1-0.004)×6×0.24+0.004×(595+6×0.450)
=3.83Kcal/Kg
450℃,1Kg环境空气的热焓:
ik2=(1-Φk,水).tk2.Ck2+Φk,水.(595+tk2.Cs2)(2-4)
将Φk,水=0.004,tk2=450,Ck2=0.245和Cs2=0.465代入,可得:
ik2=(1-0.004)×450×0.245+0.004×(595+450×0.456)
=113Kcal/Kg
Δik=ik3-ik1=113-3.83=109.2Kcal/Kg烟气
7.1Kg450℃干燥热风的热焓:
1Kg450℃干燥热风由Gy(Kg)的烟气和Gk=1-Gy(Kg)的环境空气混合得
到,由热量平衡可得到如下的计算式:
Gy×Δiy=(1-Gy)×Δik(2-5)
经整理,可得到下式:
Gy=Δik/(Δik+Δiy)(2-6)
将Δik=109.2和Δiy=161.05代入,可得:
Gy=109.2/(109.2+1161.05)=0.404Kg(烟气)
∴Gk=1-Gy=1-0.404=0.596Kg(环境空气)
1Kg450℃干燥热风的热焓可由下式计算:
i1=Gy.iy2+Gk.ik2(2-7)
将ik2=113,iy2=161.05,Gy=0.404和Gk=0.596代入,可得:
i1=0.404×161.05+0.596×113=132.4Kcal/Kg干燥热风
8.1Kg4500℃干燥热风的含湿量:
1Kg450℃干燥热风的含湿量可用下式计算:
d1,=(Gy.Φy,水+Gk.Φk,水)/[Gy.(1-Φy,水)+Gk.(1-Φk,水)](2-8)
将Gy=0.404,Gk=0.596,Φy,水=0.026和Φk,水=0.004代入,可得:
d1,=(0.404×0.026+0.596×0.004)/[0.404×(1-0.026)+0.596×(1-0.004)]
=0.013Kg水/Kg干气体
d1=(0.24×0.026+0.76×0.004)/[0.24×(1-0.026)+0.76×(1-0.004)]
=0.009
9.1Kg450℃干燥热风的含氧量:
1Kg450℃干燥热风含氧量的质量百分比可用下式计算:
φ1=(Gy.Φo+Gk.Φk0)/(Gy+Gk)(2-9)
将Gy=0.404,Gk=0.596,Φ0=0.049和Φk0=0.23代入,可得:
φ1=(0.404×0.049+0.596×0.23)/(0.404+0.596)
φ1=15.7%
1Kg450℃干燥热风的含氧量的体积百分比可用下式计算:
φ1,=15.7%×0.21/0.23=14.3%(2-10)
干燥热工计算参数汇综表
参数名称
代号
单位
数据来源
参数值
物
料
参
数
干燥器进煤量
W原
t/h
设计值
200
进煤湿基含水率
ω1
%
测定
20
出煤湿基含水率
ω2
%
计算值
10
干燥器进煤的设计煤温
θ1
℃
给出(与环境空气温度相同)
6
干燥器出煤的设计煤温
θ2
℃
计算和查图得到
41
煤的绝干比热
Cs
Kcal/Kg·℃
查表
0.37
环
境
参
数
环境空气温度(年平均温度)
t0
℃
查表
6
环境空气含湿量(年平均值)
d0
Kg水/Kg干空气
查表和查图
0.004
年平均最低温度
t低
℃
查表
-16
干
燥
热
风
参
数
干燥热风温度
t1
℃
给出
260
干燥热风含湿量
d1,
Kg水/Kg干气体
计算得到
0.013
干燥热风含氧量
(体积百分比)
φ1
%
计算得到
14.3
干燥排风温度
t2
℃
设定:
θ2+20
(需验证)
70
热风
炉出
口烟
气参
数
热风炉出口烟气温度
ty1
℃
实测
900
热风炉出口烟气含湿量
dy
Kg水/Kg干烟气
计算得到
0.027
热风炉出口烟气含氧量
(质量百分比)
φ0
%
计算得到
4.9
热风炉出口烟气含氧量
(体积百分比)
φ0,
%
计算得到
4.4
三、物料衡算
1.脱水量计算:
用以下两式均可计算脱水量:
W水=W原×(ω1-ω2)/(1-ω2)(3-1)
W水=W产×(ω1-ω2)/(1-ω1)(3-2)
现已知干燥器进煤量,即已知W原,可采用(3-1)计算脱水量。
将W原=200,ω1=0.20,ω2=0.10代入,可得:
W水=200×(0.2-0.10)/(1-0.10)=22.2t水/h=22.2×103Kg水/h
2.干燥器出煤量计算:
干燥器出煤量就是产量,可用下式计算。
W产=W原-W水(3-3)
将W原=200,W水=22.2代入,可得:
W产=200-22.2=177.8t/h
四、热量衡算和干燥热风质量流量计算
蒸发水分所需的热量Q1:
Q1=W水.(595+0.45t2-C水.θ1)(4-1)
式中:
595---水在0℃时的汽化热,(Kcal/Kg);
0.45---水蒸汽在0~100℃之间的平均比热,(Kcal/Kg·℃);
t2---干燥排风温度,(℃);
C水---水在0~100℃之间的平均比热,(Kcal/Kg·℃);
θ1---干燥器进煤的煤温,一般有θ1=t0。
将W水=22.2×103,t2-=70,C水=1和θ1=6代入,可得:
Q1=22.2×103×(595+0.45×70-1×6)=1369×104Kcal/h
2.产品升温所需的热量Q2:
Q2=W产.[Cs.(1-ω2)+C水.ω2].(θ2-θ1)(4-2)
式中:
θ2---干燥器出煤的煤温,(℃)
将W产=177.8×103,Cs=0.37,ω2=0.10,C水=1,θ1=6和θ2-=41代
入,可得:
Q2=177.8×103×[0.37×(1-0.10)+1×0.10]×(41-6)
=270×104Kcal/h
3.干燥器外围热损失Q3:
有保温的干燥器,外围的热损失一般用估算方法,用以
下计算式:
Q3=0.08×(Q1+Q2)
=0.08×(1369×104+270×104)
=131×104Kcal/h(4-3)
4.干燥热风在干燥器内放出的热量总和:
干燥热风在干燥器内放出的热量总和用下式计算:
∑Q=Q1+Q2+Q3=1770×104Kcal/h(4-4)
5.单位质量的干燥热风在干燥器内热焓减少量计算:
(1).干燥器进口的干燥热风热焓计算:
i1=(0.24+0.45d1).t1+595d1(4-5)
将d1=0.009和t1=260代入,可得:
i1=(0.24+0.45×0.009)×260+595×0.009=68.81Kcal/Kg干空气
(2).干燥热风在干燥器内放出热量后的热焓计算:
i,2=(0.24+0.45d1).t2+595.d1(4-6)
将d1=0.009和t2=70代入,可得:
i,2=(0.24+0.45×0.009)×70+595×0.009=22.44Kcal/Kg干空气
(3).单位质量的干燥热风在干燥器内热焓减少量计算:
Δi=i1-i,2(4-7)
将i1=68.81和i,2=22.44代入,可得:
Δi=46.37Kcal/Kg干空气
1.干燥热风质量流量计算:
在没有漏风损失的条件下,干燥系统中干燥热风的质量流量是保持不变的;而在不同部位,由于干燥热风的温度变化,可产生体积流量的变化。
所以干燥热风质量流量计算是非常重要的。
在没有漏风损失的条件下,干燥热风质量流量可用下式计算:
Gz=(Q1+Q2+Q3/Δi(4-8)
将Q1,Q2,Q3,和Δi的值代入上式,可得:
风机Gz=1770×104/46.37=38.17×104Kg/h
干燥器所需的总热量是以环境空气的热焓为基础值来比较的。
环境空气的热焓i0:
i0=(0.24+0.45d0).t0+595d0(4-9)
将d0=0.004和t0=6代入,可得:
i0=(0.24+0.45×0.004)×6+595×0.004=3.83Kcal/Kg干空气
干燥器所需的总热量Q总可用下式计算:
Q总=Gz×(i1-i0)(4-10)
将Gz=38.17×104,i1=68.81和i0=3.83代入,可得:
Q总=38.17×104×(68.81-3.83)=2480×104Kcal/h
五、热风炉供热量和耗煤量计算
1.设计工况下的直燃式热风炉供热量和耗煤量计算:
(1).设计工况下的直燃式热风炉供热量就是干燥器所需的总热量Q总,即Q热=Q总=2480×104Kcal/h(5-1)
(2).设计工况下的直燃式热风炉耗煤量:
设:
直燃式热风炉的热效率为0.9,则耗煤量为:
M=Q热/(0.9×5000)(5-2)
=2480×104/(0.9×5000)
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