КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Топочные камеры и горелки для сжигания твердых Топлив

На организацию топочного процесса при сжигании пылевидного топ­лива большое влияние оказывают образование и поведение золы и шлака в топочной камере.

Топочная камера может работать с удалением шлаков в твердом состо­янии (топка с твердым шлакоудалением) либо выводом шлаков из топки в жидком состоянии (топка с жидким шлакоудалением). В любом случае мелкие золовые фракции уносятся с потоком газов из топки в отвердевшем состоянии. В ядре факела, где развиваются высокие температуры, шлако­вые и золовые частицы находятся в размягченном состоянии и обладают способностью налипать на стены/или экранные поверхности, если в таком состоянии они в каком-то месте их коснутся. Этот процесс может привести к нарастанию слоя затвердевающих частиц золы и шлаков на относительно холодной поверхности экранов, т. е. к локальному шлакованию отдельных стен топки.

Поскольку при сжигании топлива нельзя избежать промежуточного те­стообразного состояния золы по выходе из зоны высоких температур, для предотвращения шлакования стен топки процесс сжигания пылевидного топлива должен быть так организован, чтобы зола в размягченном состоя­нии не достигала стен топки.

Организация твердого шлакоудаления. Распределение тем­ператур в топочной камере при удалении шлака в твердом состоянии харак­теризуется изотермами, показанными на рис. 5.4. Наивысшая температура устанавливается в ядре факела в центральной части топки, располагающем­ся примерно на уровне горелок. В результате отдачи теплоты топочным
экранам около них располагается изотерма с более низкой температурой. По мере перемещения расплавленной в ядре факела золы к периферии и попадания в область сравнительно низкой температуры золовые части­цы охлаждаются и затвердевают. Таким образом, частицы золы при нагреве в ядре факела и охлаждении затем около топочных экранов дважды проходят все стадии изменения физического состояния от твердого до жидкого (или размягченного) и обратно. На пути движения вверх частицы золы также охлаждаются вместе с газами и должны выноситься из топки в гранулиро­ванном (отвердевшем) состоянии.

Топочные камеры, работающие с '

Твердым шлакоудалением, по конструк­ции выполняют открытыми, то есть без изменения сечения топки по высоте.

Отличительной особенностью этих топок является наличие в нижней части топки холодной воронки, образованной путем сближения фронтового и заднего экранов с большим уклоном (50-60°) до расстояния b1 — 1-1,2 м. За счет это­го быстро снижается температура газов в нижней части топки, и выпадающие из ядра факела расплавленные шлаковые частицы, попадая в эту зону, отвердева­ют (гранулируются) снаружи и по кру­тым скатам воронки ссыпаются в шла - коприемную ванну. Количество шлака, уловленного таким способом через хо­лодную воронку, невелико и составляет 5-10% общего золо содержания топлива, т. е. доля шлака ашл = 0,05-0,1. Грану­лированные шлаковые частицы непре­рывно удаляются из ванны специальным механизмом. Водяная ванна выполняет одновременно роль гидрозатвора про­тив подсоса снизу в топку холодного воздуха.

Аэродинамика топочного объема Должна быть так организована, чтобы вблизи настенных экранов температура газов была не выше характерной тем­пературы золы tA (см. раздел 3.4), начиная с которой золовые частицы становятся липкими и создают опасность шлакования стен. На рис. 5.5 по-
казано, как влияет величина теплового напряжения сечения топки qj на распределение температур по сечению. При высоких тепловых напряжени­ях более существенно, как видно, увеличивается температура газов вблизи стен, что создает опасность их шлакования, когда она превышает значе­ние tA золы.

Поэтому средние тепловые напряжения се­чения топочной камеры при твердом шлакоудале - нии как правило должны иметь невысокие значе­ния (qf — 3-4 МВт/м2). Это неизбежно приводит к развитию размеров сечения топочных камер.

Горение частиц твердого топлива, особен­но в диффузионной зоне догорания затягивает­ся. Пыль малореакционных топлив сгорает за 2-2,5 сек, что ограничивает значение тепло­вого напряжения объема величиной не выше — 180 кВт/м3, а с учетом необходимости охла­ждения газов на выходе из топки до значения, Щ < tA + 50°С, поверхность стен и объем топ­ки по условиям охлаждения газов существенно увеличиваются и реальные тепловые напряже­ния топочного объема получаются равными qy = = 100-140 кВт/м3. Это ведет к развитию габари­тов и металлоемкости котла, но оправдано по­вышением его надежности в работе, исключе­нием (сокращением) аварийных остановов из-за шлакования поверхностей стен и пароперегре­вателя на выходе из топки и в горизонтальном газоходе.

Организация жидкого шлакоуда - ления. Для обеспечения жидкого шлакоудален - ня необходимо, чтобы температура газов у стен нижней части топки и в районе пода была выше температуры текучести шлака, то есть дг > £н. ж. Создание таких условий в нижней части топки возможно за счет прибли­жения ядра факела к поду топки и покрытия настенных экранов в этой зоне карборундовой огнеупорной тепловой изоляцией (футерование экран­ных труб). Для прочного удержания футеровки вначале на трубы экра­нов со стороны топочного объема обычно приваривают шипы (диамет­ром 10 мм и длиной 15-18 м) и затем наносят слой изоляции (рис. 5.6,6). Подовая часть топки выполняется горизонтальной или слабонаклонной к центру топки. Здесь на трубы пода накладывают 2-3 слоя огнеупорно­го кирпича на огнеупорной связке. В центре пода оставляется одно или

5.2. ТОПОЧНЫЕ КАМЕРЫ И ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ 147

Два футерованных отверстия для слива шлака (летка), размером пример­но 500 ~т~ 800 мм. Расплавленный шлак переливается через край летки и тонкими струями стекает в шлаковую ванну, где при контакте с во­дой отвердевает.

Б)

Рис. 5.6. Топочпая камера с жидким шлакоудалением: а — общий вид гонки; б — вид футерованного экрана; 1 - камера сгорания; 2 — под топки; 3 — шлаковая легка; 4 — камера охлаждения; 5 — труба; 6 — шипы до их покрытия обмазкой; 7 —• огнеупорная обмазка труб (футеровка) но шипам.

Повышению уровня температуры в этой зоне способствует дву­сторонний пережим топки, который уменьшает теплоотдачу радиацией (рис. 5.6,а), где открытые экраны имеют более низкую температуру. При жидком шлакоудалении через шлаковую летку удаляется до 20-30% мине­ральной массы топлива в виде расплавленного шлака.

Камера охлаждения полностью экранирована открытыми трубами. Здесь завершается сжигание недогоревшей части топлива и охлаждение продуктов сгорания до необходимой температуры на выходе, при которой Должна гранулироваться вся зола в объеме уходящих из топки газов. По кон­струкции топочные камера с жидким шлакоудалением выполняются одно­камерными открытыми и полуоткрытыми (с пережимом) по типу рис. 5.1,6, а также двухкамерными по типу рис. 5.1,6?. В топочных устройствах с пе­режимом за счет футерования настенных экранов в зоне горения дости­
гается достаточно высокая температура газов 1 600-1 800°С. Она должна быть примерно на 150-200°С выше температуры £нж. Объемное тепловое напряжение в камере горения выше среднего по топке в целом в 4-5 раз и составляет q*y — 500 - г 800 кВт/м3.

В циклонных камерах горения за счет тангенциального ввода горя­чего воздуха (горизонтальные циклоны) или угловой установки горелок с тангенциальным направлением струй (вертикальные предтопки) создает­ся интенсивное вихревое движение горящего факела. Здесь уровень тем­ператур более высокий — 1 700-1900°С, а тепловые напряжений объ­ема достигают 2-4 МВт/м3 в горизонтальных циклонах. Однако, за счет более низких тепловых напряжений значительной по размерам камеры (зоны) охлаждения газов среднее значение qy для топочного устрой­ства получается только на 20-30% выше, чем в. топках с твердым уда­лением шлаков. Доля удаления шлаков в жидком виде здесь составля­ет ашл = 0,6-0,7.

В топках с жидким шлакоудалением благодаря более высокой темпера­туре горения улучшается сгорание топлива и несколько снижаются потери с Недожогом. Вместе с тем, вследствие увеличения количества удаляемо­го через летку шлака и более высокой его температуры, возрастает потеря с физическим теплом шлака.

Более высокий процент улавливания золы позволяет по условиям из­носа металла поверхностей повысить скорость продуктов сгорания в кон­вективных газоходах, что интенсифицирует теплообмен и уменьшает габа­риты и затраты металла поверхностей нагрева. Основной недостаток топок с жидким шлакоудалением — опасность застывания шлака при пониженной нагрузке котла, отсюда известные ограничения DM, IH.

Увеличение температуры горения ведет также к росту образования вредных составляющих газов, в частности, оксидов азота.

Топки с жидким шлакоудалением применяют в основном при сжига­нии слабореакционных топлив (при Vі' < 15%) с умеренными значениями температуры плавления золы (t. c ^ 1 300 - і - 1 350°С).

Горелочные устройства. Необходимая интенсивность горения топливной пыли достигается подготовкой горючей смеси (смесеобразова­нием) в горелочном устройстве, называемом в дальнейшем горелкой. Как показано в разделе 1.3, полученная в процессе размола и сушки топливная пыль при температуре 70-130°С потоком первичного воздуха, доля которо­го составляет от 15 до 40%, вдувается в топочную камеру через горелки; в горелки поступает также вторичный воздух при температуре 250-420°С. Следовательно, горелки выдают в топку два раздельных потока: пылевоз - душную смесь и вторичный воздух. Образование горючей смеси заверша­ется в топочной камере.

Горелки являются важным элементом топочного устройства; от их ра­боты и размещения в топке зависит характер смесеобразования, что в со­четании с аэродинамикой топочной камеры определяет интенсивность вос­пламенения, скорость и полноту сгорания, а следовательно, тепловую мощ­ность и эффективность топки.

Различают вихревые и прямоточные пылевые горелки. Вихревые горелки выполняют следующих видов:

— двухулиточные с закручиванием аэропыли и вторичного воздуха в ули­точном аппарате (рис. 5.7,а);

— улиточно-лопаточные с улиточным закручиванием потока аэропы­ли и аксиальным лопаточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 5.7,6);

— прямоточно-улиточные, в которых аэропыль подается по прямоточному каналу и раздается в стороны за счет рассекателя, а вторичный воздух закручивается в улиточном аппарате (рис. 5.7, в);

— двухлопаточные, в которых закручивание потоков вторичного воздуха и аэропыли обеспечивается аксимальным и тангенциальным лопаточ­ным аппаратом (рис. 5.7,г).

Горелки этого типа имеют производительность от 1 до 3,8 кг. у.т./с, что определяет их тепловую мощность от 25 до 100 МВт. Наиболее распростра­нены двухулиточные и улиточно-лопаточные горелки, последние применя­ют для горелок большой тепловой мощности (75-100 МВт).

Вихревые горелки отличаются повышенной эжекцией горячих топоч­ных газов в поступающую пылевоздушую смесь (см. рис. 4.10), что обес­печивает ее быстрый прогрев до температуры воспламенения. Лопаточный завихривающий аппарат может быть выполнен поворотным, что позволяет производить оптимальную настройку аэродинамики горелки.

На полноту сгорания топлива сильное влияние оказывают скорости вдувания в топку аэропыли и вторичного воздуха. Повышение скорости уси­ливает турбулентное перемешивание потоков, однако при слишком большой скорости произойдет отрыв факела от горелки. Для лучшего перемешива­ния угольной пыли с горячим воздухом необходимо сохранять различие в скоростях этих потоков. Так, скорость аэропыли на выходе из горелки поддерживают на уровне w{ = 14-25 м/с, а скорость вторичного воздуха должна быть w2 = (1, 2-1,A}w1.

Вихревые горелки универсальны и применимы для любого твердого топлива, но наибольшее распространение они получили при сжигании топ­лив с малым выходом летучих веществ. Горелки повышенной тепловой мощности выполняют с двумя регулируемыми коаксиальными каналами по вторичному воздуху (см. рис. 5.7 б), что обеспечивает сохранение необходи­мых скоростей воздуха при работе на пониженных нагрузках. При нагрузке ниже 70% номинальной периферийный канал воздуха перекрывают и тем обеспечивают поддержание высокой его скорости. Вихревые горелки со­здают более короткий факел по длине и широкий угол его раскрытия. Они обеспечивают интенсивное перемешивание потоков и глубокое выгорание

5.2. ТОПОЧНЫН КАМЕРЫ И ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ 151

Топлива (до 90-95%) на относительно короткой длине факела. В этом отно­шении вихревые горелки являются горелками «индивидуального действия», обеспечивая каждая самостоятельно сжигание топлива.

Определяющим конструктивным параметром вихревых горелок явля­ется диаметр амбразуры Da. Горелки размещают на достаточном расстоя­нии друг от друга — (2,2ч-2,3)1>а, иот боковых стен — (1,6 ^2)Da, чтобы исключить раннее взаимодействие факелов и наброс факела на стены. При однофронтальном расположении горелок в 1-2 яруса экран задней стены получает повышенное тепловосприятие (на 10-20% выше среднего), и для исключения шлакования стены при твердом шлакоудалении глубина топки Должна быть не менее Ьт = (6-7)Da. Встречное двухфронтальное располо­жение горелок (см. рис. 5.1) характерно для мощных паровых котлов, когда необходимое число горелок невозможно разместить на одной фронтовой стене.

При встречном расположении выравнивается теплонапряжение экра­нов топки, повышается уровень температур в центре топки.

Прямоточные горелки ввиду более низкой турбулизации потока, создают дальнобойные струи с малым углом расширения и вялым пере­мешиванием первичного и вторичного потоков. Поэтому успешное сжига­ние топлива достигается взаимодействием струй разных горелок в обьеме топочной камеры. Для этого применяют встречное расположение горелок с двух противоположных стен топки или угловое с тангенциальным направ­лением струй в объеме топки (рис. 5.8).

Прямоточные горелки могут быть прямоугольной формы (плоские) или круглые (рис. 5.9). Горелки прямоугольной формы, особенно вытянутые по высоте, обладают высокой эжекцией окружающей газовой среды с боко­вых сторон струи. Поэтому такие горелки при внешней подаче аэропыли (рис. 5.9, а) имеют преимущества по условиям воспламенения. Круглые горелки обычно выполняют с отдельной подачей аэропыли и горячего воз­духа (рис. 5.9,6). Встречный наклон двух блоков горелок, расположенных в одной плоскости по высоте, улучшает перемешивание и сгорание. Такие го­релки получили название плоскофакельных. Горелки с внутренней подачей топлива и рассекателем (рис. 5.9, в) имеют лучшие условия перемешивания с воздухом, но прогрев. топлива происходит медленнее, поэтому такая горел­ка более приемлема для качественного каменного угля с высоким выходом летучих веществ. При угловом расположении горелок и тангенциальном движении факела в сечении топки чаще всего применяют блоки щелевых горелок (рис. 5.9, г).

Прямоточные горелки применяют в основном для сжигания высокоре­акционных топлив: бурых углей, торфа, сланцев и каменных углей с высо­ким выходом летучих веществ. Скорость пылевоздушной смеси на выходе из горелок принимают w{ = 20-28 м/с, а оптимальная скорость вторичного воздуха w2 — (1,5-1,7)w1.

Горелки для высококонцентрированной пыли получают всё более ши­рокое применение. Подача пыли из бункера к горелке происходит в этом случае не первичным потоком воздуха, а с помощью небольшого количе­ства (0,1 0,3% всего расхода) сжатого воздуха СВ, который обеспечи-

Рис. 5.9. Прямоточные пылеугольные горелки: а — прямоугольные с центральным каналом горячего возуха; б — плоскофакельная с круглыми соплами; в — прямоуголь­ная с поворотной головкой и внутренней подачей аэропыли; г — щелевая блочная; В — подвод воздуха; Тл — подвод топливо-воздушной меси; М — подвод мазута; 1 — канал аэропыли; 2 — канал горячего воздуха; 3 — подсос топочных газов к струе аэропылп; 4 — поворотная головка; 5 — рассекатель; 6 — растопочный блок.

Рис. 5.10. Горелки с подачей высококонцентрированной пыли: а — смеситель пыли с воздухом; б — прямоточная горелка; в — двухулигочная вихревая горелка; 1 — обмуровка топки; 2 — амбразура горелки; 3 — распылитель; 1 — первичный воздух; II — вторичный воздух; П — пыль; СВ — сжатый воздух; АП — аэропыль.

Вает достаточно хорошую текучесть аэропыли АП по пылепроводу мало­го диаметра — 60-90 мм (рис. 5.10,а). Распыл подаваемой в котел пыли обеспечивается непосредственно на входе в горелку при смешении пы­ли с первичным потоком воздуха (рис. 5.10,6, в). При этом ликвидирует­ся громоздкая система пылепроводов диаметром 300-500 мм от бункеров пыли к горелкам котла, обеспечивается равномерность раздачи пыли по горелкам, резко снижается удельный расход энергии на пневмотранспорт и создается возможность регулировать расход первичного воздуха в зави­симости от нагрузки, что ранее было невозможно по условиям транспор­та пыли.

Аэродинамическое сопротивление горелки по вторичному воздуху, Па, определяется по формуле

АЯ10р = 0.5£гори>к/9В.

Где wB, Рв — аксиальная скорость, м/с, и плотность воздуха, кг/м3, при его температуре в горелке; £гор — коэффициент сопротивления горелки, который для прямоточных горелок составляет 1, 5 - т - 2, 0 и для вихревых — 2,5-3,5.