DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2011.05.003
煤炭燃烧
工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法研究
王晓雷，仝胜录，郭
治
（中国神华煤制油化工有限公司北京研究院，北京100011）
摘要：工业锅壳煤粉锅炉因其诸多优点，得到广泛应用。炉膛出口烟气温度可以为锅炉
——73标准和《燃油分析了现有的烟温计算方法—的设计提供重要参考。为了优化锅炉设计，
燃气锅炉》简化算法。并根据能量衡算及辐射、对流传热方程建立了一维稳态传热数学模型，提出了具体的计算方法，通过10t /h示范锅炉的验证，与已有的2种计算方法进行对比，表明该方法计算简便、准确。但在实际运行中需要考虑水侧热阻的影响。
关键词：一维稳态传热；炉膛出口烟温；辐射传热；对流传热
中图分类号：TQ520．1；TD849
文献标识码：A
文章编号：1006－6772（2011）05－0059－03
近年来一种新型工业煤粉锅炉在中小型工业
这类工业煤粉锅炉多采用火管锅炉市场异军突起，
锅壳式结构设计，配以煤粉燃烧器、储供粉设备、高
具有燃烧效率高、效布袋除尘器及自动控制系统，节煤显著、自控水平高等特点。
炉膛出口烟温是此类锅炉结构设计的重要参
数之一，直接影响到锅炉对流受热面的布局确定、总面积等参数及传热计算的准确性。目前，炉膛出口烟温的计算多采用前苏联《锅炉机组热力计——标准方法》算—即73标准和《燃油燃气锅炉》简化算法计算。由于73标准是由相似论得出的半经验半理论公式，参数多由电站锅炉回归获得，应用于中小型工业锅炉计算会使结果偏高。另一种算
［1］
《燃油燃气锅炉》法为中所提到的简化算法，此方
1计算模型
对工业锅壳煤粉锅炉炉膛进行建模计算，由于
因此其在炉内的传热特性不燃煤燃烧动力学不同，
为简化算法假定：①煤在刚进入炉膛时就达到同，
此时忽略向外的传热量，即达到理实际燃尽程度，
论燃烧温度；②烟气沿径向温度分布均匀，向炉壁
稳定传热，温度仅沿轴向变化。炉膛截面图如图1所示
。
图1炉膛截面图
法将辐射换热系数的经验值直接代入公式进行计
［2－3］
，算，参数比较少，计算简便但由于燃料种类不使得计算结果偏低。同导致传热特性不同，
为了较准确地计算工业锅壳煤粉锅炉炉膛出
口烟温，笔者建立一维稳态传热数学模型，并给出了具体的计算方法。通过10t /h锅炉的验证，表明
计算结果优于73标准和《燃油燃该方法计算简便，
中的简便算法，该方法为此种锅炉的设计、气锅炉》
不同负荷下锅炉运行参数分析提供较好的指导
作用。
收稿日期：2011－06－21
责任编辑：孙淑君
针对炉膛轴向的截面F →F +ΔF 微元，
Q 入=BVCT F
Q 出=BVCT F +ΔF +q ΔF
根据能量衡算Q 入=Q 出推出：
q =－BVC
式中
d T d F
（1）
q ———单位面积上的热负荷，kW /m2；B ———燃煤量，kg /s；V ———烟气容积，m 3/kg；
C ———烟气平均比热容，kJ /（kg ·ħ ）。
作者简介：王晓雷（1978—），女，内蒙古通辽人，工程师，从事煤化工节能、高效燃烧、工业煤粉锅炉设计等方面的工作。王晓雷等：工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法研究
59
根据辐射、对流传热速率方程：
q =σb ［T 4－T b 4］=α2（T b －T 0）式中
（2）
——饱和水的导热系数，W /（m ·ħ ）；λ—
r ———汽化潜热，kJ /kg；——饱和水的运动粘度，m 2/s。ν—
T 4－T b 4］=Aq 0．7（T b －T 0）因此q =σb ［
440．
3
则A （T b －T 0）=［σb （T －T b ）］
——综合黑体辐射常数，kW /（m 2·K 4）；σb —
——水侧对流传热系数；α2—
T b ———炉壁的绝对温度，K ；
T 0———锅炉压力下对应的饱和水温度，K 。
而σb =σ0εxt
——黑体辐射常数，5. 67ˑ10 σ0—
－11
（8）（9）
2计算方法
kW/（m 2·K 4）；
［4］
1
——系统黑度，；εxt —εxt =
11+－1εy εb
——烟气黑度；εy —
根据以上推导出的公式，具体计算步骤如图2
所示。
——炉壁黑度。εb —
（2）推出式（3），根据公式（1），炉膛辐射传热
量是以理论燃烧温度T a 为起点，将炉膛轴向无数个微元进行积分求得的总热量：
－
式中
∫
T l T a
σb F d T
=
T 4－T b 4BVC
（3）
T a ———理论燃烧温度，K ；T l ———炉膛出口温度，K ；
烟气对壁面的辐射传热系数为：
T 4－T b 4
kW /（m 2·ħ ）αf =εxt σ0
T －T b
（4）
5］α2的求取则根据文献［炉管水侧在正常运行
工况下为沸腾状态，饱和水在管内呈核态沸腾时，传热系数主要取决于压力和热负荷，管内核态沸腾时的传热系数为：
0．3140．7
q α2=0. 589K p
图2炉膛出口烟温计算步骤
（5）
以10t /h工业锅壳煤粉锅炉为例，按此方法
2
计算得出：对流传热系数154. 8W /（m ·ħ ）；辐
2
射传热系数153. 7W /（m ·ħ ）；总传热系数77. 13W /（m 2·ħ ）；炉膛出口烟温为948ħ 。图3
式中
104P
；K p ———考虑压力影响的准数，K p =
P ———锅内压力，Pa ；即蒸汽压力，q ———单位传热面上的平均热负荷，kW /m2；
为αf /α2随温度变化曲线。由图3可知，每个温度间隔的辐射传热系数与对流传热系数比值的变化范
围为0. 58 0. 78。
随着温度的降低，此比值呈正比减小，可见辐射传热系数与对流传热系数处在同一数量级，因此水侧对流传热的影响很大，不可忽略。
——饱和水的表面张力，kg /m；σ—
－γ”———压力为P 时饱和水及饱和蒸汽的密γ’
kg /m3。度，
，由于火管锅炉特点是“锅包炉”即水包围着炉膛和烟管，水在管间沸腾，水容积比同吨位水管锅
炉大很多，同时水的循环量较小，管间水侧流速较低，因此其传热系数在工程上大都采用大空间核沸腾的传热系数公式，即：
0．7
α2=Aq
（6）
A =0. 513λ60
6. 48P γ0．35Pr
r νγ”（γ’－γ”）σ[]
0．7
（7）
图3αf /α2随温度变化曲线
《洁净煤技术》2011年第17卷第5期
煤炭燃烧
3种计算方法得出的炉膛出口烟气温度及实测值见表1。
表1
项目
炉膛出口烟气温度
同吨位示范运行的工业锅壳煤粉锅炉进行实测验证而求得。
3种计算方法结果对比
《燃油燃气锅炉》新模型
简化算法计算结果
870
948
ħ
实测
值959
3结论
73标准1042
（1）对现行的2种锅炉炉膛出口烟温计算方法进行分析研究，指出2种计算方法均不适用于新型工业锅壳煤粉锅炉。根据能量衡算及辐射、对流传热速率方程建立一维稳态数学模型进行积分、计算，并与另2种方法计算值对比，通过10t /h锅壳煤粉锅炉的验证，新模型计算结果与实测值接近，从而得出一种新的工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法。
（2）工业锅壳煤粉锅炉由于压力低，辐射传热系数与对流传热系数数值处在同一数量级，水侧的热阻对整个传热过程的影响非常重要，因此计算时必须考虑它的影响。这是与电站煤粉锅炉炉膛出口烟温计算完全不同之处。
参考文献：
［1］赵钦新，．西安：西安交通惠世恩．燃油燃气锅炉［M ］
2000．大学出版社，
［2］王建伟，赵然，沈胜强，等．锅壳式锅炉设计与计算问
J ］．工业锅炉，2008（4）：24－26．题分析［
［3］杨锦春．卧式内燃燃油燃气锅炉炉膛出口烟温计算公
J ］．工业锅炉，2004（2）：21－22．式探讨［
［4］林宗虎，．北京：化学工业徐通模．实用锅炉手册［M ］
1999．出版社，
［5］《化学工程手册》．北编辑委员会．化学工程手册［M ］
1989．京：化学工业出版社，
采用新模型计算的炉膛出口烟气温度与示范
运行中的工业锅壳煤粉锅炉实测值最接近，而采用73标准计算的数值偏大，《燃油燃气锅炉》采用简化算法得出的数值则偏小。从公式（7）可看出，水侧对流传热系数与锅炉压力的0. 7次方成正比。电站煤粉锅炉压力是工业锅壳煤粉锅炉压力的几百倍，其水侧核状沸腾传热系数比辐射传热系数大很多，热阻很小，可忽略不计。而中低压力工业锅炉尤其是供暖锅炉，通常运行压力为0. 1 0. 5MPa ，水侧对流传热对整个过程传热的影响很大。而采用《燃油燃气锅炉》简化算法，对辐射换热系数的取值存在较大误差，煤相比油、气的辐射传热不稳定性增强，燃煤种类不同，辐射换热系数变化范围较大。新模型计算方法综合考虑了炉内的辐射传热和水侧的对流传热，简单易行，计算准确，避免了直接计算中对炉膛平均温度的估算或求取。
采用新模型计算炉膛出口烟气温度也存在着一定的误差，炉膛进口按理论燃烧温度计算，可能导致温差加大，计算传热量增加，炉膛出口温度偏低，但由于q 较小，对水侧传热系数影响较小，主要是影响温差，可考虑在辐射传热中加一修正系数进行修正。此修正系数需要在今后工作中通过对不
Calculation method of gas temperature at furnace outlet of
industrial shell type pulverized-coal boiler
WANG Xiao-lei ，TONG Sheng-lu ，GUO Zhi
（Beijing Research Institute ，China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co．，Ltd．，Beijing 100011，China ）
Abstract ：Industrial shell type pulverized-coal boiler is widely used thanks to its lots of advantages．Gas temperature
analyze status gas at furnace outlet can provide reference for the design of boiler．In order to optimize the design ，
temperature calculation methods ，which are 73standard and 《oil-fired and gas-fired boiler 》simplified algorithm．The one-dimensional steady-state heat-transfer model is established based on the calculation of energy balance ，radiative
which is compared with above two and convective heat transfer equation．Put forward specific calculation method ，
methods ，the practical production of 10t /hindustrial shell type pulverized-coal boiler proves that the results simply got by this method is accurate．The only one issue need to be concerned is that the influence of thermal resistance．Key words ：one-dimensional steady-state heat-transfer ；gas temperature at furnace outlet ；radiative heat ；convective heat
王晓雷等：工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法研究
61
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2011.05.003
煤炭燃烧
工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法研究
王晓雷，仝胜录，郭
治
（中国神华煤制油化工有限公司北京研究院，北京100011）
摘要：工业锅壳煤粉锅炉因其诸多优点，得到广泛应用。炉膛出口烟气温度可以为锅炉
——73标准和《燃油分析了现有的烟温计算方法—的设计提供重要参考。为了优化锅炉设计，
燃气锅炉》简化算法。并根据能量衡算及辐射、对流传热方程建立了一维稳态传热数学模型，提出了具体的计算方法，通过10t /h示范锅炉的验证，与已有的2种计算方法进行对比，表明该方法计算简便、准确。但在实际运行中需要考虑水侧热阻的影响。
关键词：一维稳态传热；炉膛出口烟温；辐射传热；对流传热
中图分类号：TQ520．1；TD849
文献标识码：A
文章编号：1006－6772（2011）05－0059－03
近年来一种新型工业煤粉锅炉在中小型工业
这类工业煤粉锅炉多采用火管锅炉市场异军突起，
锅壳式结构设计，配以煤粉燃烧器、储供粉设备、高
具有燃烧效率高、效布袋除尘器及自动控制系统，节煤显著、自控水平高等特点。
炉膛出口烟温是此类锅炉结构设计的重要参
数之一，直接影响到锅炉对流受热面的布局确定、总面积等参数及传热计算的准确性。目前，炉膛出口烟温的计算多采用前苏联《锅炉机组热力计——标准方法》算—即73标准和《燃油燃气锅炉》简化算法计算。由于73标准是由相似论得出的半经验半理论公式，参数多由电站锅炉回归获得，应用于中小型工业锅炉计算会使结果偏高。另一种算
［1］
《燃油燃气锅炉》法为中所提到的简化算法，此方
1计算模型
对工业锅壳煤粉锅炉炉膛进行建模计算，由于
因此其在炉内的传热特性不燃煤燃烧动力学不同，
为简化算法假定：①煤在刚进入炉膛时就达到同，
此时忽略向外的传热量，即达到理实际燃尽程度，
论燃烧温度；②烟气沿径向温度分布均匀，向炉壁
稳定传热，温度仅沿轴向变化。炉膛截面图如图1所示
。
图1炉膛截面图
法将辐射换热系数的经验值直接代入公式进行计
［2－3］
，算，参数比较少，计算简便但由于燃料种类不使得计算结果偏低。同导致传热特性不同，
为了较准确地计算工业锅壳煤粉锅炉炉膛出
口烟温，笔者建立一维稳态传热数学模型，并给出了具体的计算方法。通过10t /h锅炉的验证，表明
计算结果优于73标准和《燃油燃该方法计算简便，
中的简便算法，该方法为此种锅炉的设计、气锅炉》
不同负荷下锅炉运行参数分析提供较好的指导
作用。
收稿日期：2011－06－21
责任编辑：孙淑君
针对炉膛轴向的截面F →F +ΔF 微元，
Q 入=BVCT F
Q 出=BVCT F +ΔF +q ΔF
根据能量衡算Q 入=Q 出推出：
q =－BVC
式中
d T d F
（1）
q ———单位面积上的热负荷，kW /m2；B ———燃煤量，kg /s；V ———烟气容积，m 3/kg；
C ———烟气平均比热容，kJ /（kg ·ħ ）。
作者简介：王晓雷（1978—），女，内蒙古通辽人，工程师，从事煤化工节能、高效燃烧、工业煤粉锅炉设计等方面的工作。王晓雷等：工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法研究
59
根据辐射、对流传热速率方程：
q =σb ［T 4－T b 4］=α2（T b －T 0）式中
（2）
——饱和水的导热系数，W /（m ·ħ ）；λ—
r ———汽化潜热，kJ /kg；——饱和水的运动粘度，m 2/s。ν—
T 4－T b 4］=Aq 0．7（T b －T 0）因此q =σb ［
440．
3
则A （T b －T 0）=［σb （T －T b ）］
——综合黑体辐射常数，kW /（m 2·K 4）；σb —
——水侧对流传热系数；α2—
T b ———炉壁的绝对温度，K ；
T 0———锅炉压力下对应的饱和水温度，K 。
而σb =σ0εxt
——黑体辐射常数，5. 67ˑ10 σ0—
－11
（8）（9）
2计算方法
kW/（m 2·K 4）；
［4］
1
——系统黑度，；εxt —εxt =
11+－1εy εb
——烟气黑度；εy —
根据以上推导出的公式，具体计算步骤如图2
所示。
——炉壁黑度。εb —
（2）推出式（3），根据公式（1），炉膛辐射传热
量是以理论燃烧温度T a 为起点，将炉膛轴向无数个微元进行积分求得的总热量：
－
式中
∫
T l T a
σb F d T
=
T 4－T b 4BVC
（3）
T a ———理论燃烧温度，K ；T l ———炉膛出口温度，K ；
烟气对壁面的辐射传热系数为：
T 4－T b 4
kW /（m 2·ħ ）αf =εxt σ0
T －T b
（4）
5］α2的求取则根据文献［炉管水侧在正常运行
工况下为沸腾状态，饱和水在管内呈核态沸腾时，传热系数主要取决于压力和热负荷，管内核态沸腾时的传热系数为：
0．3140．7
q α2=0. 589K p
图2炉膛出口烟温计算步骤
（5）
以10t /h工业锅壳煤粉锅炉为例，按此方法
2
计算得出：对流传热系数154. 8W /（m ·ħ ）；辐
2
射传热系数153. 7W /（m ·ħ ）；总传热系数77. 13W /（m 2·ħ ）；炉膛出口烟温为948ħ 。图3
式中
104P
；K p ———考虑压力影响的准数，K p =
P ———锅内压力，Pa ；即蒸汽压力，q ———单位传热面上的平均热负荷，kW /m2；
为αf /α2随温度变化曲线。由图3可知，每个温度间隔的辐射传热系数与对流传热系数比值的变化范
围为0. 58 0. 78。
随着温度的降低，此比值呈正比减小，可见辐射传热系数与对流传热系数处在同一数量级，因此水侧对流传热的影响很大，不可忽略。
——饱和水的表面张力，kg /m；σ—
－γ”———压力为P 时饱和水及饱和蒸汽的密γ’
kg /m3。度，
，由于火管锅炉特点是“锅包炉”即水包围着炉膛和烟管，水在管间沸腾，水容积比同吨位水管锅
炉大很多，同时水的循环量较小，管间水侧流速较低，因此其传热系数在工程上大都采用大空间核沸腾的传热系数公式，即：
0．7
α2=Aq
（6）
A =0. 513λ60
6. 48P γ0．35Pr
r νγ”（γ’－γ”）σ[]
0．7
（7）
图3αf /α2随温度变化曲线
《洁净煤技术》2011年第17卷第5期
煤炭燃烧
3种计算方法得出的炉膛出口烟气温度及实测值见表1。
表1
项目
炉膛出口烟气温度
同吨位示范运行的工业锅壳煤粉锅炉进行实测验证而求得。
3种计算方法结果对比
《燃油燃气锅炉》新模型
简化算法计算结果
870
948
ħ
实测
值959
3结论
73标准1042
（1）对现行的2种锅炉炉膛出口烟温计算方法进行分析研究，指出2种计算方法均不适用于新型工业锅壳煤粉锅炉。根据能量衡算及辐射、对流传热速率方程建立一维稳态数学模型进行积分、计算，并与另2种方法计算值对比，通过10t /h锅壳煤粉锅炉的验证，新模型计算结果与实测值接近，从而得出一种新的工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法。
（2）工业锅壳煤粉锅炉由于压力低，辐射传热系数与对流传热系数数值处在同一数量级，水侧的热阻对整个传热过程的影响非常重要，因此计算时必须考虑它的影响。这是与电站煤粉锅炉炉膛出口烟温计算完全不同之处。
参考文献：
［1］赵钦新，．西安：西安交通惠世恩．燃油燃气锅炉［M ］
2000．大学出版社，
［2］王建伟，赵然，沈胜强，等．锅壳式锅炉设计与计算问
J ］．工业锅炉，2008（4）：24－26．题分析［
［3］杨锦春．卧式内燃燃油燃气锅炉炉膛出口烟温计算公
J ］．工业锅炉，2004（2）：21－22．式探讨［
［4］林宗虎，．北京：化学工业徐通模．实用锅炉手册［M ］
1999．出版社，
［5］《化学工程手册》．北编辑委员会．化学工程手册［M ］
1989．京：化学工业出版社，
采用新模型计算的炉膛出口烟气温度与示范
运行中的工业锅壳煤粉锅炉实测值最接近，而采用73标准计算的数值偏大，《燃油燃气锅炉》采用简化算法得出的数值则偏小。从公式（7）可看出，水侧对流传热系数与锅炉压力的0. 7次方成正比。电站煤粉锅炉压力是工业锅壳煤粉锅炉压力的几百倍，其水侧核状沸腾传热系数比辐射传热系数大很多，热阻很小，可忽略不计。而中低压力工业锅炉尤其是供暖锅炉，通常运行压力为0. 1 0. 5MPa ，水侧对流传热对整个过程传热的影响很大。而采用《燃油燃气锅炉》简化算法，对辐射换热系数的取值存在较大误差，煤相比油、气的辐射传热不稳定性增强，燃煤种类不同，辐射换热系数变化范围较大。新模型计算方法综合考虑了炉内的辐射传热和水侧的对流传热，简单易行，计算准确，避免了直接计算中对炉膛平均温度的估算或求取。
采用新模型计算炉膛出口烟气温度也存在着一定的误差，炉膛进口按理论燃烧温度计算，可能导致温差加大，计算传热量增加，炉膛出口温度偏低，但由于q 较小，对水侧传热系数影响较小，主要是影响温差，可考虑在辐射传热中加一修正系数进行修正。此修正系数需要在今后工作中通过对不
Calculation method of gas temperature at furnace outlet of
industrial shell type pulverized-coal boiler
WANG Xiao-lei ，TONG Sheng-lu ，GUO Zhi
（Beijing Research Institute ，China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co．，Ltd．，Beijing 100011，China ）
Abstract ：Industrial shell type pulverized-coal boiler is widely used thanks to its lots of advantages．Gas temperature
analyze status gas at furnace outlet can provide reference for the design of boiler．In order to optimize the design ，
temperature calculation methods ，which are 73standard and 《oil-fired and gas-fired boiler 》simplified algorithm．The one-dimensional steady-state heat-transfer model is established based on the calculation of energy balance ，radiative
which is compared with above two and convective heat transfer equation．Put forward specific calculation method ，
methods ，the practical production of 10t /hindustrial shell type pulverized-coal boiler proves that the results simply got by this method is accurate．The only one issue need to be concerned is that the influence of thermal resistance．Key words ：one-dimensional steady-state heat-transfer ；gas temperature at furnace outlet ；radiative heat ；convective heat
王晓雷等：工业锅壳煤粉锅炉炉膛出口烟温计算方法研究
61