Способы сжигания топлива. Топки

 

Различают три способа сжигания топлива: слоевой, при котором топливо в слое продувается воздухом и сжигается; факельный, когда топливно-воздушная смесь сгорает в факеле во взвешенном состоянии при перемещении по топочной камере, и вихревой (циклонный), при котором топливно-воздушная смесь циркулирует по обтекаемому контуру за счет центробежных сил. Факельный и вихревой способы могут быть объединены в камерный.

Процесс слоевого сжигания твердого топлива происходит в неподвижном или кипящем слое (псевдосжиженном). В неподвижном слое (рис. 2.6, а) куски топлива не перемещаются относительно решетки, под которую подается необходимый для горения воздух. В кипящем слое (рис. 2.6, б)частицы твердого топлива под действием скоростного напора воздуха интенсивно перемещаются одна относительно другой. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя и начинается возвратно-поступательное движение частиц над решеткой, называется критической. Кипящий слой существует в границах скоростей от начала псевдосжижения до режима пневмотранспорта.

 

 

 

Рис. 2.6. Схемы сжигания топлива: а – в неподвижном слое; б – в кипящем слое; в – факельный прямоточный процесс; г – вихревой процесс; д – структура неподвижного слоя при горении топлива и изменение a, О ₂, СО, СО ₂ и t по толщине слоя: 1 – решетка; 2 – шлак; 3 – горящий кокс;
4– топливо; 5 – надслойное пламя

 

На рис. 2.6, д показана структура неподвижного слоя. Топливо 4, ссыпаемое на горящий кокс, прогревается. Выделяющиеся летучие сгорают, образуя надслойное пламя 5. Максимальная температура (1300 – 1500 °С) наблюдается в области горения коксовых частиц 3.В слое можно выделить две зоны: окислительную, a > 1; восстановительную, a < 1.
В окислительной зоне продуктами реакции горючего и окислителя являются как СО ₂, так и СО. По мере использования воздуха скорость образования СО ₂ замедляется, максимальное ее значение достигается при избытке воздуха a = 1. В восстановительной зоне ввиду недостаточного количества кислорода (a < 1) начинается реакция между СО ₂ и горящим коксом (углеродом) с образованием СО. Концентрация СО в продуктах сгорания возрастает, а СО ₂ уменьшается. Длина зон в зависимости от среднего размера d_к частиц топлива следующая: L ₁ = (2 – 4) d_к; L ₂ = (4 – 6) d_к. На длины зон L ₁и L ₂ (в сторону их уменьшения) влияют увеличение содержания летучих горючих ,уменьшение зольности А^р, рост температуры воздуха.

Поскольку в зоне 2 кроме СО содержатся Н ₂ и СН ₄, появление которых связано с выделением летучих, то для их дожигания часть воздуха подается через дутьевые сопла, расположенные над слоем.

В кипящем слое крупные фракции топлива находятся во взвешенном состоянии. Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным. Низкотемпературное (800 – 900 °С) сжигание топлива достигается при размещении в кипящем слое поверхности нагрева котла. В отличие от неподвижного слоя, где размер частиц топлива достигает 100 мм, в кипящем слое сжигается дробленый уголь с d_к £ 25 мм.
В слое содержится 5 – 7 %топлива (по объему). Коэффициент теплоотдачи к поверхностям, расположенным в слое, довольно высок и достигает 850 кДж/(м²×ч×К). При сжигании малозольных топлив для увеличения теплоотдачи в слой вводят наполнители в виде инертных зернистых материалов: шлак, песок, доломит. Доломит связывает оксиды серы
(до 90 %), в результате чего снижается вероятность возникновения низкотемпературной коррозии. Более низкий уровень температур газов в кипящем слое способствует уменьшению образования в процессе горения оксидов азота, при выбросе которых в атмосферу загрязняется окружающая среда. Кроме того, исключается шлакование экранов, т. е. налипание на них минеральной части топлива.

Характерной особенностью циркулирующего кипящего слоя является приближение к работе слоя в режиме пневмотранспорта.

Камерный способ сжигания твердого топлива осуществляется преимущественно в мощных котлах. При камерном сжигании размолотое до пылевидного состояния и предварительно подсушенное твердое топливо подают с частью воздуха (первичного) через горелки в топку. Остальную часть воздуха (вторичный) вводят в зону горения чаще всего через те же горелки или через специальные сопла для обеспечения полного сгорания топлива. В топке пылевидное топливо горит во взвешенном состоянии в системе взаимодействующих газовоздушных потоков, перемещающихся в ее объеме. При большем измельчении топлива значительно возрастает площадь реагирующей поверхности, а следовательно, химических реакций горения.

Характеристикой размола твердого топлива является удельная площадь F_пл поверхности пыли или суммарная площадь поверхности частиц пыли массой 1 кг (м²/кг). Для частиц сферической формы одинакового (монодисперсного) размера величина F_пл обратно пропорциональна диаметру пылинок.

В действительности получаемая при размоле пыль имеет полидисперсный состав и сложную форму. Для характеристики качества размола полидисперсной пыли наряду с удельной площадью поверхности пыли используют результаты ее просеивания на ситах различных размеров. По данным просеивания строят зерновую (или помольную) характеристику пыли в виде зависимости остатков на сите от размераячеек сита.Наиболее часто используют показатели остатков на ситах 90 мкм и 200 мкм – R ₉₀ и R ₂₀₀. Предварительная подготовка топлива и подогрев воздуха обеспечивают выгорание твердого топлива в топке за относительно небольшой промежуток времени (несколько секунд) нахождения пылевоздушных потоков (факелов) в ее объеме.

Технологические способы организации сжигания характеризуются определенным вводом топлива и воздуха в топку. В большинстве систем пылеприготовления транспортирование топлива в топку осуществляется первичным воздухом, являющимся только частью общего количества воздуха, необходимого для процесса горения. Подача вторичного воздуха в топку и организация взаимодействия его с первичным осуществляются в горелке.

Камерный способ в отличие от слоевого также применяется для сжигания газообразного и жидкого топлива. Газообразное топливо поступает в топочную камеру через горелку, а жидкое – через форсунки в пульверизированном виде.

 

Слоевые топки

 

Топка с неподвижным слоем может быть ручной, полумеханической или механической с цепной решеткой. Механической топкой называют слоевое топочное устройство, в котором все операции (подача топлива, удаление шлака) выполняются механизмами. При обслуживании полумеханических топок наряду с механизмами используется ручной труд. Различают топки с прямым (рис. 2.7, а) и обратным (рис. 2.7, б)ходом решеток 1, приводимых в движение звездочками 2. Расход топлива, подаваемого из бункера 3, регулируется высотой установки шибера 4 (см. рис. 2.7, а)или скоростью движения дозаторов 7(рис. 2.7, б). В решетках с обратным ходом топливо подается на полотно забрасывателями 8 механического (рис. 2.7, б, в)или пневматического (рис. 2.7, г)типа. Мелкие фракции топлива сгорают во взвешенном состоянии, а крупные – в слое на решетке, под которую подводится воздух 9. Прогрев, воспламенение и горение топлива происходят за счет теплоты, передаваемой излучением от продуктов сгорания. Шлак 6 с помощью шлакоснимателя 5(рис. 2.7, а) или под действием собственного веса (рис. 2.7, б)поступает в шлаковый бункер.

Структура горящего слоя представлена на рис. 2.7, а. Область III горения кокса после зоны II подогрева поступающего топлива (зона I) расположена в центральной части решетки. Здесь же находится восстановительная зона IV. Неравномерность степени горения топлива по длине решетки приводит к необходимости секционного подвода воздуха. Большая часть окислителя должна подаваться в зону III, меньшая – в конец зоны реагирования кокса и совсем небольшое количество – в зону II подготовки топлива к сжиганию и зону V выжига шлака. Этому условию отвечает ступенчатое распределение избытка воздуха a₁ по длине решетки. Подача одинакового количества воздуха во все секции могла бы привести к повышенным избыткам воздуха в конце полотна решетки, в результате чего его будет не хватать для горения кокса (кривая a₁) в зоне III.

Основным недостатком топок с цепными решетками являются повышенные потери теплоты от неполноты сгорания топлива. Область применения таких решеток ограничена котлами паропроизводительностью D = 10 кг/с и топливами с выходом летучих = 20 %и приведенной влажностью .

Топки с кипящим слоем отличаются пониженным выбросом таких вредных соединений, как NO_х, SO ₂, малой вероятностью шлакования экранов, возможностью (ввиду низкой температуры газов) насыщения объема топки поверхностями нагрева. Недостатками их являются повышенная неполнота сгорания топлива, высокое аэродинамическое сопротивление решетки и слоя,узкий диапазон регулирования паропроизводительности котла.

Рис. 2.7. Схемы работы цепных решеток и типы забрасывателей топлива: а, б – топки с прямым и обратным ходом решеток соответственно; в, г – механический и пневматический забрасыватели;
1 – решетка; 2 – звездочки; 3 – бункер; 4 – шибер; 5 – шлакосниматель; 6 – шлак; 7 – дозатор топлива; 8 – забрасыватель; 9 – подвод воздуха; I – зона свежего топлива; II – зона подогрева топлива;
III – область горения (окисления) кокса; IV – восстановительная зона; V – зона выжига топлива

 

Слоевой способ сжигания топлива характеризуется относительно невысокими скоростями процесса горения, пониженной его экономичностью и надежностью. Поэтому он не нашел применения в котлах большой производительности.

 

Камерные пылеугольные топки

 

Камерные пылеугольные топки состоят из пылеугольных горелок и топочной камеры.

Топочной камерой называется устройство, предназначенное для завершения процесса горения и изоляции его от внешних условий.

Горелки предназначены для ввода в топку и перемешивания топлива и воздуха, обеспечения устойчивого воспламенения и выгорания смеси. Они должны отвечать следующим требованиям: герметичность соединения с топкой; ремонтопригодность; обеспечивать устойчивое горение на сниженной нагрузке и при использовании резервного топлива (газа или мазута).

Топки для сжигания твердых топлив по способу вывода шлака разделяют на топки с сухим шлакоудалением (рис. 2.8) и топки с жидким шлакоудалением (рис. 2.9).

На рис. 2.8 приведена принципиальная схема факельной (пылеугольной) топки с сухим шлакоудалением, где топливо сгорает во взвешенном состоянии в объеме топочной камеры.

 

 

б

а

 

В топках с сухим шлакоудалением ядро факела располагается несколько ниже топочной камеры, покрытой экранными поверхностями нагрева, воспринимающими излучаемую продуктами сгорания и горящим факелом теплоту и защищающими стены топочной камеры от воздействия высоких температур. Такие топки выполняются однокамерными с холодной воронкой в нижней части. В зоне холодной воронки и в верхней части топки температуры продуктов горения более низкие, чем в ядре факела. Взвешенные в потоке топочных газов частички золы, попадая из ядра факела в области относительно пониженных температур, охлаждаются и затвердевают. Небольшая часть золы (10 – 15 % общей зольности топлива) выпадает в шлаковый бункер, расположенный под холодной воронкой. Остальная зола уносится с продуктами сгорания в газоходы котла.

Топки с жидким шлакоудалением бывают однокамерные и двухкамерные.
В однокамерных низ топочной камеры выполняют в виде горизонтального или наклонного пода. На высоте 4 – 5 м от пода экраны закрывают теплоизоляционным материалом для снижения тепловосприятия, что позволяет поддерживать вблизи пода топки высокие температуры 1500 – 1600 ^оС, при которых шлак находится в жидком состоянии. Жидкий шлак непрерывно удаляется через летку в шлаковую ванну, заполненную водой.
В двухкамерных топках процессы сгорания топлива и охлаждения продуктов сгорания разделены.

Принципиальные схемы двухкамерных циклонных топок с жидким шлакоудалением показаны на рис. 2.9.Основными составляющими циклонным топок являются вихревая камера горения, представляющая собой цилиндр с тангенциальным сосредоточенным или рассредоточенным вводом топлива и воздуха, и камера охлаждения призматической формы.

Топливо подают в вихревую камеру с первичным воздухом. Топливно-воздушную смесь через завихритель (улитку) вводят в центральную часть камеры. По оси вводится дробленка. Через тангенциально расположенные сопла поступает угольная пыль. Вторичный воздух подают в камеру тангенциально через сопла-щели с большой скоростью (более 100 м/с), обеспечивая движение топливных частиц к стенкам камеры. Образующиеся в циклонной камере вихри способствуют интенсивному образованию топливно-воздушной смеси и горению топлива как в объеме циклона, так и на его стенках. Между камерами сгорания и охлаждения располагается шлакоулавливающий пучок футерованных (закрытых теплоизоляционным материалом) труб, предназначенный для улавливания расплавленных капелек шлака, содержащихся в продуктах сгорания. Неуловленные частички золы затвердевают в камере охлаждения.

Стены камеры горения для утепления выполняются из ошипованных экранов, покрытых огнеупорной обмазкой (рис. 2.10), а стены камеры охлаждения имеют неутепленные гладкотрубные или плавниковые экраны.

 

В зависимости от принципа организации процесса ввода пылевоздушной смеси пылеугольные горелки можно разделить на три типа: вихревые, прямоточные и плоскофакельные.

Принцип работы вихревой горелки (рис. 2.11, а) следующий. Потоки первичного I и вторичного II воздуха вводят в топку через кольцевые концентрические каналы, в которых установлены завихрители. Направление крутки потоков одинаковое. Характерной особенностью такого течения является сопоставимость по величине всех трех составляющих скорости: аксиальной (продольной) w_а, касательной w_t (окружной) и радиальной w_r. Наличие касательной составляющей скорости приводит к заметному расширению струи, образующей в пространстве параболическое тело вращения. В центральной внутренней части 1струи образуется зона разрежения, величина которой определяется втулочным отношением т=D_о/D_a и скоростью потоков на выходе из горелок.

Под действием перепада давлений возникают обратные токи высокотемпературных продуктов сгорания,обеспечивающие стабилизацию воспламенения пылевоздушной смеси. При движении первичный I и вторичный II воздух перемешиваются, и процесс горения распространяется на внешнюю поверхность 2струи.

В зависимости от конструкции завихрителей различают горелки улиточно-лопаточные (рис. 2.12, в), улиточно-улиточные (рис. 2.12, а), лопаточно-лопаточные, прямоточно-улиточные (рис. 2.12, б) и прямоточно-лопаточные. В названии сначала указывают тип завихрителя по первичному воздуху.

 

Рис. 2.12. Виды вихревых пылеугольных горелок: а – улиточно-улиточная горелка;
б – прямоточно-улиточная горелка ОРГРЭС; в – улиточно-лопаточная горелка ЦКТИ – ТКЗ;
1 – улитка пылевоздушной смеси; 1' – входной патрубок пылевоздушной смеси; 2 – улитка вторичного воздуха; 2' – короб ввода вторичного воздуха; 3 – кольцевой канал для выхода пылевоздушной смеси в топку; 4 – то же для вторичного воздуха; 5 – основная мазутная форсунка;
5' – растопочная мазутная форсунка; 6 – рассекатель на выходе пылевоздушной смеси;
7 – завихривающие лопатки для вторичного воздуха; 8 – подвод третичного воздуха по осевому каналу; 9 – управление положением рассекателя; 10 – завихритель осевого потока воздуха;
11 – обмуровка топки; АБ – граница воспламенения пылевоздушной смеси; В – подсос топочных газов к корню факела

 

В вихревой горелке подводы первичного I и вторичного II воздуха индивидуальные (рис. 2.11). Подвод вторичного воздуха может быть как верхним, так и нижним, а подвод первичного воздуха – только верхним, что объясняется необходимостью предупреждения отложений пыли в пылепроводе. Каналы первичного и вторичного воздуха выполняются кольцевыми концентрическими.

Раскрытие факела, количество эжектируемых газов, распределение скоростей, дальнобойность в вихревой горелке определяются интенсивностью закручивания потоков, которая оценивается параметром п крутки, зависящим от конструкции завихрителя.

Через вихревые горелки целесообразна подача всех видов топлива, кроме фрезерного торфа. К недостаткам этих горелок следует отнести: повышенное гидравлическое сопротивление, конструктивную сложность, необходимость выполнения выходной части из жаростойких материалов во избежание ее выгорания, повышенную склонность к сепарации топлива, несколько больший (по сравнению с горелками других конструкций) выброс оксидов азота в атмосферу.

В прямоточных горелках в отличие от вихревых потоки первичного I и вторичного II воздуха не закручиваются и имеют однонаправленное (попутное) движение (рис. 2.11, б). Касательная составляющая скорости отсутствует, а радиальная намного меньше продольной составляющей.

Стабилизация воспламенения осуществляется благодаря эжекции продуктов сгорания 1 по периферии 2струи. Нужная степень перемешивания воздуха достигается соответствующим соотношением скоростей первичного I и вторичного II воздуха.

Сопротивление прямоточных горелок меньше, чем вихревых, они проще в изготовлении, количество образующихся оксидов азота меньше. К недостаткам прямоточных горелок следует отнести более высокую дальнобойность и худшие условия перемешивания смеси по сравнению с вихревыми.

Область применения прямоточных горелок – каменные и бурые угли. Горелки предварительного перемешивания, имеющие камеру смешения,применяют в основном для торфа и бурых углей.

Принцип работы плоскофакельных горелок (рис. 2.13) основан на использовании эффекта соударения двух струй воздуха, направленных под углом друг к другу. Дальнобойность факела плоскофакельных горелок меньше, чем у прямоточных. Между струями вторичного воздуха и горелкой образуется «треугольник», в который подается топливо, воспламеняемое эжектируемыми в него раскаленными продуктами сгорания. В результате раздавливания струй после соударения образуется плоская струя, обладающая большой поверхностью. Вследствие расширения струи в одной плоскости и интенсивной эжекции ею продуктов сгорания снизу и сверху скорость струи резко падает. Наклон факела регулируется изменением соотношения расходов вторичного воздуха, подаваемого в верхние и нижние сопла. Это свойство горелки используется при изменении качества сжигаемого топлива, а также нагрузки котлоагрегата или режима его работы.

 

Топки для сжигания жидкого топлива (мазута)

 

В качестве жидкого топлива для промышленных котлов применяется в основном мазут. Для того чтобы сжечь мазут, его необходимо предварительно распылить для улучшения условий испарения, поскольку при сжигании мазута горят газообразные продукты его испарения. Для распыливания и ввода мазута в топку используют специальные устройства, называемые форсунками.

Топка для сжигания мазута состоит из топочной камеры, лучевоспринимающих поверхностей нагрева и форсунок.

Топочная камера и лучевоспринимающие поверхности нагрева при сжигании мазута выполнены так, что низ камеры ограничен горизонтальным или слегка наклонным поддоном. Сама камера выполнена относительно меньших размеров, так как мазут можно сжигать при значительно более высоком тепловом напряжении топочного пространства, чем пылевидное топливо. В котлах небольшой паропроизводительности под топки часто не экранируют, чтобы упростить выполнение экранной системы.