锅炉炉膛换热计算

锅炉热力计算的目的是确定锅炉受热面与燃烧产物和工质参数间的关系，计算的基础是燃料的燃烧计算和锅炉的热平衡计算。根据锅炉各种受热面的不同性质，将锅炉热力计算分为炉膛换热计算和炉膛出口后对流受热面的换热计算两大部分。从热力计算方法上分为受热面的设计计算和校核计算，在工程实际中，校核计算应用的更多，譬如，当燃料发生较大的变更、锅炉受热面改造、改变运行方式等情况下均需要进行校核计算。

第一节 锅炉炉膛内传热的特点

一、炉膛换热的主要特点

在锅炉炉膛中进行着燃料的燃烧过程，送入炉膛的燃料放出近乎全部的热量，将燃烧产物（主要为燃烧而生成的烟气）迅速加热升高至很高的温度（常规煤粉炉的炉膛火焰最高温度约为1500~1600℃）；同时，燃烧产物又以辐射为主、对流为辅的传热方式将热量传递给炉膛受热面中的工质，燃烧产物的温度沿流程逐渐降低。

二、炉膛换热计算的主要任务

从传热的角度，炉膛内必须布置足够的受热面，以在炉膛的出口处将高温烟气冷却到合适的温度，使烟气进入炉膛后的密集对流管束时温度已经低于灰的熔融温度，避免受热面结渣。

炉膛换热计算均以计算炉膛出口截面上的平均烟气温度为核心。设计计算是在已知炉膛出口温度的条件下，计算所需受热面的数量，校核计算是在已知炉膛内布置的受热面的条件下，计算炉膛出口的烟气温度。

三、炉膛换热计算的主要困难

炉膛换热计算是一个受多种因素影响的复杂课题，炉膛的换热过程是伴随燃料的燃烧过程同时进行的，它不仅取决于炉膛的结构型式、几何尺寸，而且与燃料的种类、燃料性质、燃烧器的布置和型式以及运行方式等都有紧密且复杂的关系。

炉膛换热计算的主要困难来自炉内过程的复杂性。炉膛本身结构复杂，火焰温度分布不均匀，火焰的辐射特性不易确定，尤其是燃料燃烧后对受热面产生的积灰或结渣程度难以准确计算，其对传热的影响程度也极难定量估计。

由于影响因素众多且关系过于复杂，基于纯数学方法描述物理化学过程的炉膛换热计算方法尚未进入工程实用阶段，因此，依赖大量经验数据的计算方法在工程实际中仍起着不可替代的作用。

为了合理、有效地进行炉膛换热计算，至今为止，世界各国的锅炉制造商，在经过长期的工程实践和经验总结的基础上，各自开发了行之有效的工程计算方法。尽管各种计算方法的差别很大，但所遵循的基本思路是一致的：简化的炉膛换热物理模型，依赖于先进测试技术所得到的大量测试数据及其总结的经验参数，并辅助以先进的数值计算技术等。值得指出的是，现有的各种计算方法均仍处于不断的改进与完善之中。

四、炉膛内工作过程的简化

在我国现行的工程计算方法中，对炉膛内的复杂工作过程进行了如下的简化。 ⑴ 分别考虑炉膛内的燃烧与换热过程。

实际上，炉膛内的燃烧与换热是紧密耦合在一起的，但是，至今人们的认识水平还远没有达到可以合理处理二者之间错综复杂关系的程度，因此，人为将换热和燃烧过程分开后再进行分析是首先要进行的必要简化。

在计算换热量时认为燃料从燃烧器进入炉膛后瞬间即完成燃烧过程并达到最高绝热燃烧温度（理论燃烧温度）Ta，同时引入经验系数来计及燃烧工况对换热的影响。

⑵ 炉膛内换热主要以辐射换热的方式进行。

由于炉膛内高温烟气向上流动的流速不高，而炉内火焰的温度很高，以对流方式传给炉壁受热面管内工质的换热份额占总换热量中很小的比例，不足 5%，传热主要是辐射方式，所以，在炉膛换热工程计算中按纯辐射的方式计算。

⑶ 火焰平均温度

对炉膛换热起决定性作用的是炉膛火焰温度。在计算中将炉内火焰温度看作是均匀的，火焰辐射按平均火焰温度来考虑，避免了计算炉膛内复杂温度场的极大困难。但是，需要对火焰平均温度的近似且合理的描述。

⑷ 炉膛受热面及火焰面均按灰体来处理

由于采用了灰体的假设，能够直接应用传热学的有效辐射概念，从而可以大大简化了计算，以便于工程应用。炉膛受热面作为固体表面具有固体的连续辐射光谱，被处理成灰体是完全合理的。

将与壁面进行换热的火焰面作为灰体处理带有一定程度的近似，燃煤烟气中固体颗粒（飞灰、焦炭颗粒等）具有固体的连续辐射光谱，可以作为灰体处理；而烟气成分中的N2，

O2是辐射透明体，对辐射没有影响，当然与波长没有关系；三原子气体CO2（14%~16%），

，H2O（较少）对辐射具有选择性，其吸收与辐射与波长有关。但是，炉膛SO2（很少）

内的火焰温度均低于2000K，热辐射的波长位于红外线范围内（0.76~20m），在这一范围内，吸收系数随波长的变化较小。因此，燃煤烟气按灰体处理并不会带来很大的误差，但需要用实验数据加以修正。

五、炉膛换热的基本物理模型

在以上相对合理的简化条件基础上，可以得到目前工程计算方法中采用的炉膛计算基本物理模型，如图9-1所示。复杂的炉膛火焰与壁面的换热过程被简化为两个无限接近的灰体表面（具有不同的温度和黑度）间的辐射换热问题。即所谓的“双灰体模型”。此时，火焰面具有平均火焰温度Thy、黑度ahy和面积F1。水冷壁的投影面既作为火焰的辐射表面，也是水冷壁接受火焰辐射的表面积，称为炉膛辐射壁面，具有平均温度Tb、黑度ab和面积F1。

图9-1炉膛换热模型

第二节 炉膛辐射换热的基本方程和有效辐射热计算方法

根据上节所得到的炉膛换热的基本物理模型，应用传热学的知识，考虑燃料燃烧放出的热量通过辐射传给炉膛受热面中的工质，则反映炉膛换热的基本方程有：

⑴ 高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程

4BjQf0asF1ThyTb4 (9-1)

as1111ahyab (9-2)

⑵ 高温烟气在炉内放热的热平衡方程

BjQfBjQ1h\"1BjVcpTaT\"1 (9-3)

式中 Bj——计算燃料消耗量，kg/s；

Qf——以1kg燃料为基准的炉内换热量，kJ/kg；

0——玻耳滋曼常量,05.671011kW/m2K4 ；

as——炉膛系统黑度； F1——炉膛换热壁面积，m2；

Thy、Tb——炉膛内烟气介质的平均温度和炉膛辐射壁面温度，K；

——考虑炉膛散热损失的保热系数；

Q1——以1kg计算燃料为基准送入炉膛内的有效热量，包括燃烧用空气带入炉

膛的热量等，kJ/kg；

h\"1——炉膛出口截面上燃烧产物的焓，kJ/kg； Vcp——燃烧产物的平均比热容，kJ/(kg²℃)；

Ta——燃烧产物的绝热燃烧温度，K，也称为理论燃烧温度，即为在绝热条件

下1kg燃料完全燃烧后燃烧产物能达到的温度；

T\"1——炉膛出口烟气温度，K； ahy——火焰黑度；

ab——炉膛壁面黑度。

根据炉膛换热方程计算的炉内辐射换热量应该等于按炉内热平衡方程计算的烟气在炉内的放热量，将辐射换热方程式（9-1）及热平衡方程（9-3）结合起来得到炉膛换热基本方程。即

40asF1ThyTb4BjVcpTaT\"1 (9-4)

原则上，由该方程可以完成炉膛换热计算的主要任务，即由已知受热面结构计算炉膛出口烟温，或由已知的炉膛出口烟温计算所需的炉膛受热面面积。

在炉膛换热基本方程式(9-4)中，、Bj、Vcp、Ta可以由炉膛设计计算的初始条件得到，ahy可以根据炉膛几何尺寸、温度、烟气辐射成分等求得，均可视为已知。但是，系统黑度as计算式（9-2）中的炉膛壁面黑度ab和壁面温度Tb既不是炉膛壁面受热面管的，也不是炉墙的，均是极难确定的参数，火焰温度Thy也不易确定，至此还无法直接应用上式进行炉膛的换热计算。所以，需要根据传热学的基本概念，在炉膛换热基本方程式（9-4）的基础上，进一步引入其他容易由实验方法确定的参数，替代式中的不易确定的壁面温度Tb、炉膛壁面黑度ab及火焰温度Thy。

为此，进一步引入了水冷壁热有效系数，描述辐射受热面的平均吸热能力，其定义为受热面的吸热量与投射到炉壁上的热量比值，即

受热面的吸热量 （9-5）

投射到炉壁上的热量根据传热学中灰体有效辐射的原理，对炉膛内火焰的有效辐射，可以认为灰体的有效辐射公式仍然成立。有效辐射J定义为本身辐Eb射加上反射辐射G（见图9-2），

图9-2 有效辐射、本身辐射与反射辐射的关系G——投射辐射；

即 JEbG

Eb1G （9-6）

式中

——灰体的辐射率（或称为黑度）；

Eb——同温度下黑体的辐射力；

——灰体的反射率；

——灰体的吸收率。

由灰体假设得出，灰体的辐射率（黑度）即为灰体的吸收率，因此，火焰的有效辐射Jhy表达为

JhyEb,hy1ahyJb （9-7）

式中 Eb,hy——火焰的本身辐射；

Jb——壁面的有效辐射； ahy——火焰的黑度。

实际上，该式成立的条件是不透射0，而锅炉炉膛内的辐射是透射的。但是，由于炉膛的结构所决定，透射部分仍然落在另一侧的水冷壁上，所以，尽管0，该式还是适用的。

水冷壁热有效系数也可以表述为水冷壁受热面的实际吸热量与火焰有效辐射热量的比值，即

火焰和水冷壁间的辐射换热量 （9-8）

火焰的有效辐射热量火焰与水冷壁间的辐射换热量qf为火焰与水冷壁的有效辐射热的差值，即

qfJhyJb （9-9）

因此有

火焰的本身辐射Eb,hy可写为

JhyJbJhy （9-10）

4Eb,hyahy0Thy （9-11）

由式（9-10）得

Jb=1-Jhy （9-12）

将式（9-12）带入（9-7）得

JhyEb,hy1ah1Jhy （9-13）

再将式（9-11）带入式（9-13），并整理得

Jhy式（9-14）可改写为

0ahyT4ahy1ahyhy （9-14）

4 （9-15） Jhya10Thy其中

a1ahy1ahyahy （9-16）

将式（9-15）中的a1定义为炉膛黑度。根据式（9-15）的表达形式，相当于定义火焰的有效辐射在数值上等于某一表面的本身辐射，该表面的温度仍为火焰的平均温度，但该表面的黑度为某一假想的黑度a1。根据火焰的黑度和水冷壁的热有效系数即可计算得到炉膛黑度。

值得注意，式（9-15）中的炉膛黑度a1，既不是火焰黑度ahy，也不是壁面黑度ab，而且，a1与前述的系统黑度as也不同，因此，炉膛黑度a1只是一假想的黑度。

根据以上结果，炉膛内辐射换热量可表达为

4BjQf=F1Jhy=0a1FThy （9-17） 1所以，炉膛换热基本方程（9-4）进一步变化为

4 0a1F1ThyBjVcpTaT\"1 （9-18）

由此可见，引入了炉膛黑度a1后，避免了直接确定Tb与ab的困难。

从炉膛换热方程式（9-18）可以得出，影响炉膛换热的主要因素为炉膛黑度a1、辐射受热面平均吸热能力、辐射受热面面积F1及火焰平均温度Thy等。

第三节 炉内传热的相似理论计算方法

目前我国工程界常用的炉膛换热计算方法是直接建立在描述炉内换热方程式（9-18）的基础上，通过对火焰平均温度的近似表述，并应用相似理论所得到的半经验关联式，也被称为经过修正的古尔维奇方法。

炉膛内火焰平均温度Thy显然处于理论燃烧温度Ta与炉膛出口烟气温度T\"1之间，三者间的关系与燃烧和传热过程有关。由实验和经验数据可总结得到如下的关系，即

ThyT\"c1 （9-19） TaTan式中c和n均为经验参数。进一步引入炉膛出口烟温的无量纲温度和火焰平均温度的无量纲温度，有

ThyT\"1\"1,hy=

TaTa 式（9-19）可写为

n （9-20） hy=c\"1由炉膛换热基本方程式（9-18）及式（9-20）可得

a1c4n \"1\"110 （9-21）

B0B0式中 B0——玻耳兹曼特征数。

式（9-21）中的a1，c，n均无法采用理论的方法确定，还不能用来求解炉膛出口烟气温度，但得到了决定炉膛出口无量纲烟温的重要的特征数关系，即

BjVcp （9-22） 30FT1aB0\"1f,n,c （9-23）

a1根据大量的炉内换热实验数据整理成炉膛出口无量纲烟温与特征数间的关系，可以进一步得到表达炉膛出口无量纲烟温的传热特征数方程式，即

B00.6T\"1\"1 （9-24）

TaMa10.6B00.6式中 M——经验系数，它和燃料的性质、燃烧方法、燃烧器布置的相对高度、炉内火焰温

度平均值与绝热温度的关系等因素有关。

当需要计算炉膛出口温度时，式（9-24）可以表达为如下的形式，即

\"1T\"1273

Ta30a1FT1aMBVcjp0.6273,℃ （9-25） 1当需要计算水冷壁的面积F1时，可写为

F1BjVcp10a1Ta3MTa1T\"15/3 ,m2 （9-26）

该计算式为原苏联“锅炉机组热力计算标准方法”（1973年）推荐，是基于锅炉容量在400t/h以下的试验数据总结得到的。

在应用炉膛换热计算式（9-25）时，由于Vcp和炉膛黑度a1中的火焰黑度ahy的计算均要已知炉膛出口烟气温度\"1的值，所以，需采取试凑法（或称为逐次逼近计算法）来计算得到炉膛出口烟温。即先假定一个炉膛出口烟气温度，计算出Vcp和ahy的值，然后应用式（9-25）计算得到\"1。如果计算得到的\"1值与假定的\"1值相差大于100℃，则重新假定一个新的炉膛出口烟温，重复以上过程，直至最后计算得到的\"1值与预先假定的\"1值相差小于100℃时（原苏联“锅炉机组热力计算方法”规定），则计算结束。之所以规定计算的炉膛出口烟温与假定值相差在±100℃范围内即可以终止计算，是由于100℃的温度变化对Vcp和ahy的计算值影响很小，反映在炉膛出口烟温计算结果上只有10℃以下的变化。加之该计算式本身的局限性，其计算误差约为10%。

第四节 炉膛受热面的辐射特性

炉膛受热面或多或少均会被燃烧产物（譬如灰渣）所沾污，依所燃用的燃料和燃烧工况的不同，被污染表面的灰垢成分不同，因此，不仅炉膛受热面灰层外表面的温度比管外壁金属温度高，而且也影响了受热面的辐射特性。所以，炉膛内高温火焰与水冷壁间的辐射换热，实际上为高温火焰与较高温度的灰层间的辐射换热，热交换的强度会有不同程度的降低。在本章所讲述的计算方法中，采用受热面的热有效率系数和沾污系数来定量地描述炉膛受热面的辐射特性。

同样根据灰体有效辐射的概念，炉膛壁面的有效辐射为壁面本身的辐射加上火焰辐射的反射，即

JbabEb+1-bJhy (9-27)

式中 ab——壁面黑度；

Eb——同温度下黑体的辐射强度；

b——壁面的吸收率。

由灰体假设得出，壁面的黑度等于壁面的吸收率，即 ab= b，并带入火焰有效辐射的表达式（9-15），得到

Jbab0Tb1ba10Thy (9-28)

44当受热面壁面为洁净的金属表面时，壁面温度Tb不高,且ab又接近1，Jb相比于Jhy要小得多，所以，根据热有效系数的定义式（9-10），在可以不计Jb的条件下，1。考虑到受热面管的角系数，则火焰的有效辐射能够投射到受热面管表面的部分为xJhy，所以，

x。

但是，在实际情况下，水冷壁管均存在污染，外壁积有灰垢层，水冷壁为非黑体，污染越严重，换热能力越低，灰垢层的温度也较洁净的受热面外壁温度高得多，忽略Jb项后所带来的误差，可用表征受热面辐射能力的沾污系数进行修正。

从物理意义上，沾污系数是指受热面受到污染而使吸热降低的一个修正系数，是火焰辐射到水冷壁受热面上的热量中最终为水冷壁受热面所获得的份额，即

受热面的吸热量 （9-29）

投射到受热面上的热量显然，此处的沾污系数值越大，污染越轻。 水冷壁角系数定义为

x投射到受热面的热量 （9-30）

投射到炉壁的热量显然，沾污系数、热有效系数和水冷壁的角系数是从不同的角度描述了炉膛受热面的辐射特性，其相互间的关系可用下式表示，即

x （9-31）

式（9-31）表示了当炉膛受热管的 s/d1，金属表面受到污染，管壁为非黑体时，受

热面吸收辐射热的能力。

有效辐射热是可以直接测定的，所以，不同工况下的值可以从实际运行的锅炉直接检测到。x可以根据受热面的结构计算，从而为实际锅炉的设计积累了大量的值供设计计算参考。

沾污系数与燃料性质、燃烧工况、水冷壁受热面的结构等因素有关，可按表9-1选取相应的数值。

当炉膛受热面中有局部覆盖时（如有卫燃带），的平均值计算如下，即

1F112F12F11F12 （9-32）

式中 F11、F12——未覆盖及覆盖耐火层的有效辐射受热面积，m2；

1、2——相应壁面的沾污系数，选自表9-1

表9-1 沾污系数的选取

水冷壁形式 气体燃料 重油 无烟煤（飞灰可燃物含量≥12%） 光管水冷壁或膜式水冷壁 贫煤（飞灰可燃物含量≥8%） 0.45 燃料种类 沾污系数 0.65 0.55 煤粉炉固态排渣炉覆盖耐火涂料的水冷壁 固态排渣炉覆盖耐火砖的水冷壁 注 如水冷壁可有效吹灰，基本不结渣时，值可提高0.03~0.05。

第五节 炉膛火焰黑度

在利用式（9-16）计算炉膛黑度 a1时，需要计算炉膛火焰黑度ahy。 一、火焰黑度

火焰黑度表示炉内高温介质的辐射能力，工程实际中火焰的辐射是一个十分复杂的现

烟煤和褐煤 无烟煤（飞灰可燃物含量＜12%） 0.35 贫煤（飞灰可燃物含量＜8%） 所有燃料 所有燃料 0.20 0.10 象，在现行锅炉热工计算中将这一复杂问题做了简化。首先，将传热学中贝尔定律所导出的气体单色黑度公式近似地推广到多组分和非单色辐射的烟气，即采用气体黑度公式的形式来计算火焰黑度，并将火焰当作灰体处理。

表达火焰黑度的贝尔定律表达式为

ahy1ekps （9-33）

式中 k——炉内介质的辐射减弱系数，为各种辐射介质减弱系数的代数和，1/mMPa p——炉膛中火焰压力，对平衡通风负压燃烧的炉膛取为p0.1MPa;

s——有效辐射层厚度,m。

火焰厚度的计算，实质上是计算辐射减弱系数。由于炉膛中温度分布的不均匀性，实际炉膛火焰各处的辐射成分的比例也是不同的。锅炉炉膛换热计算已经假定火焰的温度是均匀的，火焰各处的成分是均匀的，计算中所涉及的温度、烟气成分等均以炉膛出口截面处的数值为准。因此，火焰黑度是按平均火焰黑度进行计算的。

炉膛内火焰的黑度与构成火焰的成分有关，由于火焰的成分不同，其具有辐射能力的成分也不同。从工程热辐射角度，单原子气体和对称结构的双原子气体在低于2000K的温度范围内没有辐射和吸收能力。火焰中具有一定辐射能力的气体主要是CO2、SO2、H2O（水蒸气）等气体。完全由三原子气体组成的火焰肉眼是看不见的，称之为“不发光火焰”。如果火焰中存在碳黑颗粒或焦炭颗粒与灰粒等，则均具有固体辐射的特点，使火焰发光，这种火焰称作“发光火焰”。炉膛中既存在发光火焰，也存在不发光火焰。

二、气体与液体燃料火焰黑度的计算

现行锅炉热力计算中，将气体和液体燃料的火焰分为发光和不发光火焰，根据式（9-34）计算火焰的平均黑度，即

ahy=mafg+1-maq （9-34）

式中 afg——发光火焰的黑度；

aq——三原子气体（不发光火焰）的火焰黑度；

m——火焰发光系数，表示火焰发光部分充满炉膛的份额。

m值与燃料种类和锅炉的炉膛容积热负荷有关，气体和液体燃料火焰的发光主要源自

于其燃烧过程中产生的碳黑颗粒，气体燃料的发光程度要比液体火焰低得多。当

qv400103W/m3时，气体燃料m0.1，液体燃料m0.55；当qv1.16106W/m3

时，气体燃料m0.6，液体燃料m1；处于之间时，采用线性内插确定m值。

发光火焰的黑度按下式计算，即

afg=1e（9-35）

kc+kqps

T\"Ckc0.32\"11.610.5ar,1/m MPa （9-36）

1000Har式中 kc——碳黑微粒的辐射减弱系数；

\"1——炉膛出口过量空气系数；

Car、Har——燃料中碳、氢的收到基含量。

三原子气体的黑度按下式计算，即

aq1ekqps （9-37）

0.781.6rH2OT\"kq10.20.110.371rn,1/mMPa （9-38）

10.2prs1000n式中 kq ——三原子气体RO2及H2O的辐射减弱系数； rH2O ——烟气中水蒸气的容积份额； rn——三原子气体的总容积份额；

p——烟气中三原子气体的分压力，近似取为0.1MPa。 三、煤粉火焰黑度的计算

燃烧煤粉的火焰中具有热辐射能力的介质是三原子气体RO2、水蒸气、灰粒、焦炭颗粒。煤粉炉中，焦炭颗粒的辐射力约占火焰总辐射力的25%~30%，灰粒的辐射力约占火焰总辐射力的40%~60%。我国锅炉热力计算所推荐采用的计算煤粉火焰黑度方法与上述燃烧气体和液体燃料的火焰黑度计算方法有所不同，此处将火焰中所有辐射成分的贡献一并在辐射减弱系数的计算中考虑，火焰黑度按式（9-33）计算。煤粉火焰的总辐射减弱系数k由三原子气体CO2 、水蒸气、灰粒、焦炭颗粒的辐射减弱系数之和组成，即

kkqkhkt （9-39）

1.三原子气体CO2 及H2O的辐射减弱系数kq

kq按式（9-38）计算。

2.灰粒的减弱系数kh

影响含灰气流中灰粒的减弱系数的主要因素为含灰浓度和灰粒的平均直径等，规定按下式计算，即

kh式中

43850y3T\"d212pj ,1/mMpa （9-40）

y ——烟气密度，kg/m3；

dpj——灰粒的平均直径，m；

——灰粒浓度，kg/m3。

3.焦炭颗粒的减弱系数

火焰中的焦炭颗粒具有强烈的发光性，焦炭粒子的减弱系数主要与焦炭颗粒的浓度有关，而其浓度又取决于燃料的种类和燃烧方式,在本章所讲述的计算方法中规定

ktkjtx1x2,1/mMpa （9-41）

式中 kjt10；

x1——燃料种类影响系数，无烟煤和贫煤取1。烟煤、褐煤等高反应能力煤取0.5； x2——燃烧方式影响系数，煤粉炉取0.1；层燃炉取0.03.

四、炉膛火焰辐射层厚度

式（9-33）中的炉膛火焰辐射层有效厚度按下式计算，即

s3.6V1,m （9-42） F13

式中 V1——炉膛容积，m。

F1——炉膛的包覆面积，m2。

第六节 火焰中心位置修正系数M

在推导炉膛换热计算式中采用了炉膛内火焰平均温度的假设，但实际中，炉内各处的温度差别是很大的，尤其沿炉膛高度温度变化显著，且对传热有很大的影响。炉膛换热计算式

（9-25）中的系数M是被用来考虑沿炉膛高度方向温度最高处的相对位置对炉内换热影响的参数，是重要的修正系数之一，对计算结果的影响很大，以下规定了M值的计算方法。对煤粉炉，M值一般不大于0.5。

MAB （9-43） rxx式中 A、B——与燃料种类和炉膛结构有关的经验系数，其值见表9-2；

xr——燃烧器的相对高度，xrhr/h1 见图9-3；

见图9-3燃烧器标高计算说明

x——火焰最高温度点的相对位置修正值，其值见表9-3；

m； h1——炉膛高度，即从炉底或冷灰斗中间平面至炉膛出口烟窗中部的高度，

hr——燃烧器的布置高度，即从炉底（平炉底的炉膛）或冷灰斗1/2高度的水平

面（炉底为冷灰斗的炉膛）至燃烧器轴线的高度，m。

当布置几层燃烧器时，按下式计算hr，即

hrniBihri （9-44）

niBi式中 Bi——对应于每层燃烧器的燃煤量，kg/s；

hri——对应于该层燃烧器的布置高度，m； ni——该层燃烧器的数量。

表9-2

M计算关联式中的

A 、B 值 表9-3 M半开式炉膛 A 0.48 0.48 0.46 B 0 0 0 计算关联式中的x值

开式炉膛 燃 料 A 气体、重油 高反应性能固体燃料 0.54 0.59 B 0.2 0.5 0.5 燃烧器型式 水平、四角切向布置燃烧器 前墙或对冲布置煤粉燃烧器 D＞420t/h D≤420t/h 摆动式燃烧器向上下摆动±20° x值 0 0.05 0.1 ±0.1 无烟煤、贫煤和多灰燃料 0.56

第七节 炉膛结构特征及其他参数

一、炉膛容积

对于固态排渣煤粉炉，炉膛的容积按图9-4所示的阴影范围确定，容积的边界是水冷壁管中心线所在的平面，或者是耐火绝热层的向火面。在炉膛出口处以通过屏式过热器或凝渣管的第一排管子中心线的平面作为其边界，炉膛下部的容积边界为平炉底炉膛的炉底或冷灰斗1/2高度的水平面。

图9-4 炉膛容积确定方法

在炉膛中若屏式受热面沿整个炉膛断面布置在炉膛上部，图9-4中的（a）~(c),则炉膛容积不包括屏区的容积。如果屏的布置形式为图9-4中的（d）~（f）时，屏间的容积应计算到炉膛容积中。

二、炉壁面积

炉壁面积按包覆炉膛容积的表面积计算。将炉壁的投影面作为火焰的辐射表面，也是炉壁受热面接受火焰辐射的表面积，称为炉壁面积F。对于炉膛内的双面曝光水冷壁及屏式受热面，应以边界管子中心线间的距离和曝光长度乘积的两倍作为其相应的炉壁面积。

炉膛容积中包含有辐射屏式受热面时，炉壁总面积等于下列面积之和：无屏区炉膛容积

的炉壁面积、屏的面积和屏区的炉壁面积，同时还需要考虑某些炉壁的曝光不完全性。

三、炉壁的有效辐射面积

通常，炉壁受热面的有效辐射面积并不等于炉壁面积，HF, 炉壁有效辐射面积H定义为

HFx,m2 （9-45）

sexf,

dd式中

x——角系数； s——管节距；

e——管中心线距炉墙的距离；

d——管子外径。

x值可以查有关图线。对于采用膜式水冷壁的受热面，不论管子节距多大，角系数均等

于1。

在炉膛壁面的不同位置，角系数x可能是不同的，因此，炉膛的总的有效辐射面积为

HFixi （9-46）

整个炉壁的平均角系数为

xH （9-47） Fi炉壁的平均角系数也被称为炉膛的水冷程度，现代电站锅炉的水冷程度都很高，一般在0.95以上。

四、炉膛的出口截面

锅炉炉膛出口截面的定义位置与炉型有关。通常中、小型锅炉的炉膛出口截面指凝渣管或锅炉管束的进口截面，大容量锅炉是指屏式过热器或屏式再热器的进口截面，前屏过热器被视为炉膛辐射受热面的一部分，参加图9-4。

炉膛出口截面的大小，一般应使烟气在出口截面上的平均流速在6m/s左右。 五、输入炉膛的有效热量及绝热燃烧温度

输入炉膛的有效热量Q1是指每千克计算燃料的燃烧产物所拥有的总热量，计算式为

q3q6Q1Qr1 QkQwr,kJ/kg （9-48）

100q4 QrQar,nethrQwr,kJ/kg （9-49）

00 （9-50） Qk\"11zfhrk1zfhlk00Qwrhkhlk,kJ/kg (9-51)

式中 Qr——每千克燃料送入炉膛的可利用热量；

Qk——每千克燃料所需空气带入炉膛的热量； Qwr——锅炉烟气热源以外的加热空气的热量；

以输入炉膛的有效热量作为火焰的绝热燃烧焓，可以根据该燃料对应的烟气温—焓关系确定绝热燃烧温度。

六、燃烧产物的平均比热容

燃烧产物的平均比热容Vcp是指烟气在绝热燃烧温度和炉膛出口温度间烟气比热容的平均值，由式（9-52）计算，即

VcpQ1h\"1 ,kJ/kgK （9-52）

TaT\"1式中 h\"1——炉膛出口烟温所对应的烟焓。

在计算Vcp和计算火焰黑度ahy中三原子气体的辐射减弱系数kq时[见式（9-38）]，均要知道炉膛出口烟气温度，所以，炉膛出口烟温计算过程为一个逐次逼近计算过程。

七、炉膛受热面的平均热负荷及热负荷不均匀系数

炉膛辐射受热面热负荷是单位炉膛辐射受热面所吸收的炉内辐射热量的平均值，即

qHQF,kW/m2 （9-53）H12式中 H1——炉膛辐射受热面面积，m；

QF——炉膛辐射吸热量,kJ/kg。

炉膛受热面的辐射吸热量按炉膛的热平衡方程计算，即

QFBjQ1h\"1,KW （9-54）

式中 Bj——计算燃料消耗量,kg/s；

Q1——输入炉膛的有效热量，按式（9-48）计算。

炉膛辐射受热面热负荷数值的大小，也表征了炉膛内烟气平均温度水平的高低，辐射受热面热负荷值qH过低，会影响锅炉低负荷时燃料着火和燃烧的稳定；qH过高，会造成炉壁结渣，或者使水冷壁管的金属温度过高。将qH的数值折算到水冷壁管的内壁热负荷，还是用于判断膜态沸腾发生的重要指标之一。

由于炉内各区段的温度场、黑度场存在着不均匀性，影响到水冷壁热负荷沿炉膛宽度、深度和高度方向的分布。要精确计算某一部分受热面的热负荷或吸热量是相当困难的，因此，在锅炉炉膛热力计算中，只是从整体出发计算平均吸热量和平均热负荷的数值，而在为进行某项专门计算（譬如，水冷壁的水动力计算，炉顶受热面的换热计算等）需知道局部热负荷时，则引用热负荷不均匀系数来近似计算炉内某一区段的热负荷，热负荷不均匀系数定义为局部热负荷与平均热负荷的比值。

设系数 i为沿炉膛高度热负荷分布不均匀系数，则在炉膛高度的某个区段上辐射受热面的热负荷为

qiiqH,kW/m2 （9-55）

图9-5 固态排渣煤粉炉沿炉膛高度热负荷分布不均匀系数

实线—燃用无烟煤、贫煤和烟煤；虚线—燃用褐煤

图9-5为固态排渣煤粉炉沿炉膛高度热负荷分布不均匀系数的大致规律。 相应于该区段的吸热量为

QiqiFi,kW （9-56）

炉膛各侧炉壁的平均热负荷为

qbbqH,kW/m2 （9-57）

式中

b——各侧炉壁热负荷分布不均匀系数。

炉膛的结构形式、燃烧方式、燃烧器布置、燃料种类都会影响热负荷的分布。对四角燃烧的炉膛，通常可以认为各炉墙间热负荷分布是均匀的，所以，各侧炉壁的热负荷分布不均匀系数均可取为1.0。当燃烧器前墙布置时，后墙的热负荷分布系数可取为1.2，前墙可取为0.8，侧墙1.0。

第八节炉膛换热计算的修正方法

大容量锅炉炉内换热计算的准确性问题一直受到锅炉行业普遍的关注。因此，经过长期的工程应用和验证表明，上述计算方法在建立锅炉炉膛换热计算模型以及推导计算方法中所基于的原理和采用的修正是合理的。但是，在采用该式计算较大容量锅炉的炉膛换热时，炉膛出口实际检测烟气温度与计算值存在较大的差别，炉膛出口烟温计算值通常较实际测量值低约100~130℃。

其原因可能归于以下几个方面：①采用“双灰体”模型所带来的误差，尤其是将火焰看作是灰体的影响比将受热面作为灰体更显著。②对炉内温度场不均匀性的处理考虑欠合理，上述方法中考虑了沿炉膛高度方向的温度不均匀性，而没有计及炉膛横截面上的温度不均匀性的影响。容量不大的锅炉炉膛横截面上的温度相对比较均匀，因此，是否计及可能影响不大；而对大容量锅炉，炉内横截面上温度不均匀性大大增大，影响势必十分显著。③没有直接考虑炉膛的几何形状对炉膛出口烟温的影响。

为了克服该计算方法不足之处，在原方法所依赖的基本原理基础上，后续提出了若干种改进方案，以下扼要叙述其中一种，仅供参考。

该修正方案推荐的炉膛出口烟温计算式为

0.6a1Ta2 \"Ta1M 273,℃ （9-58）

10800qFqFBjQ1F1

式中 qF——水冷壁受热面的热负荷‘

——水冷壁的热有效系数；

F1——炉膛壁面面积；

BjQ1——送入炉膛的有效利用热。

第九节 炉膛换热的其他计算方法

不同国家或锅炉制造公司的锅炉炉膛换热计算方法，由于其积累的经验数据的局限性，一般只能适用于其所生产的锅炉型式和燃烧方式。这里扼要介绍美国CE公司的炉膛计算方法和瑞士Sulzer公司的炉膛计算方法，数据尚不完整，仅供参考。

一、美国CE公司的炉膛换热计算方法

锅炉炉膛换热计算以燃烧产物与包覆受热面间的辐射换热计算公司为基础，用Hottel的气体辐射率计算气体辐射率，辅以修正因子F进行修正，以考虑除CO2及H2O以外的气体成分辐射的影响、炉膛清洁程度以及燃烧产物的压力、温度及有效辐射层厚度等因素的影响。

炉膛换热计算式为

4Tg4TwqKH1sg wg （9-59）

100100gF1

FF1

Fwg式中 q——炉膛换热量kJ/h；

K——斯蒂芬—玻尔兹曼常数；

H1——接收辐射的有效受热面积；m2

s——水冷壁有效辐射系数，亦即水冷壁受热面的黑度；

g——燃烧产物的辐射率；

Tg——烟气温度,K；

wg——辐射系数；

Tw——水冷壁表面温度, K；

F——修正因子，取值范围为1.0与∞之间，它取决于炉膛的有效辐射层厚度、燃

烧产物的压力和温度，还考虑了除CO2及H2O以外的气体成分的辐射的影响；

——计算CO2和H2O的Hottel辐射率；

——Hottel给出的燃烧产物CO2和H2O的吸收率。

二、瑞士Sulzer公司的炉膛换热计算方法 采用下式计算炉膛出口烟气温度，即

\"TaB0B0 273,℃ (9-60）

3K0B01/2Bjhah\"1 （9-61） 30FTTT\"1aa1111 （9-62）

0h1w（9-63） Kk1k2k30Bk4Ta/T\"1

式中 B0——玻尔兹曼特征数；

0——炉膛的系统黑度；

K——修正系数，由考虑燃烧器倾角的修正系数k1、k2，修正火焰充满程度和燃烧

器位置的系数k3以及炉内温度场的修正系数k4组成；

——考虑炉膛中结渣、积灰影响的结渣系数，烟煤取0.8~0.9，褐煤取0.75~0.85，

w油取0.9~1.0，气体燃料取1.0；

h——炉膛的火焰黑度，分别由CO2、H2O的气体辐射率、碳黑粒子的辐射和灰粒

辐射计算；

——燃烧器的倾角；

0B——投入运行的燃烧器的平均高度以上受热面与炉膛总受热面的比值。

在式（9-63）中，k10.21；燃烧器向上倾时，k20.003 燃烧器向下倾时，；k30.29； k4s/160，s为有效辐射层厚度。 k20.001667