Котельные установки

ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

Подготовленная к сжиганию пыль топлива поступает в тоцочные камеры через специальные горелочные устройства,

В случае применения молотковых мельниц и простейшей системы приготовления пыли в топочной камере устанавливают так называемые амбразуры 2 (рис. 3-29), представляющие собой отверстия в стене, обмурованные огнеупорным материалом.

При сжигании фрезерного торфа амбразуры выполняют открытого типа с установкой в них горизонтальных рассекателей, иногда с пово­рачивающимся шибером 7 перед рассекателем для регулирования на­правлений потоков. Схема такой амбразуры показана на рис. 3^29,6. Разделение выходящего из амбразуры потока на два улучшает 'пере­мешивание топлива и воздуха, увеличивает разнос факела и приводит к заполнению топочного пространства факелом.

Скорости выхода смеси первичного воздуха с топливом из таких амбразур должны составлять 4—6 м/с, количество первичного воздуха составляет 50—70% от общего расхода воздуха. При сжигании сланцев скорости должны составлять 3,5—5 м/с и количество первичного возду­ха 50—60%, при сжигании бурых углей следует принимать скорости 4—6 м/с и количество первичного воздуха 40—45%.

Улучшения процессов сжигания при использовании пыли из молот­ковых мельниц можно достигнуть применением эжекционных амбразур с металлическими соплами со скоростью выхода из них вторичного воз­духа от 15 до 40 м/с вместо показанных на рис. 3-29,а и б наружных верхних 5 и нижних 6 сопл, из которых вторичный воздух выходит со скоростью от 15 до 30 м/с в зависимости от вида топлива.

МЭИ (Д. М. Хзмаляном и др.) было предложено при размоле то­плив в молотковых мельницах заменить амбразуры устройствами, с по­мощью которых пыль и воздух выходят в топочную камеру плоскопа­раллельными тонкими струями.

В качестве примера такого устройства на рис. 3-29,в показана ам­бразура конструкции МЭИ для сжигания фрезерного торфа в топке котельного агрегата производительностью 58 МВт (50 Гкал/ч).

Однако указанные амбразуры и устройства щелевого типа с молот­ковыми мельницами пригодны главным образом при сжигании торфа и частично лигнитов и некоторых сортов бурых углей.

Для высоковлажных бурых углей и лигнитов целесообразно при­менение мельниц-вентиляторов или молотковых мельниц с подачей пыли в специальные пылеугольные горелки. Турбулентные и щелевые горелки могут бщть применены и для каменных углей (кроме тощих), так как являются более универсальными и пригодны для сжигания значитель­ного числа топлив.

Схемы горелок с указанием направления движения в них первич­ного и вторичного воздуха показаны на рис. 3-30. Турбулентные 146

Горелки (рис. 3-30,а) при правильном выборе скоростей первичного и вторичного воздуха позволяют получить для бурых углей <74=1,0—1,5%, для каменных углей около 2,5%, для отходов обогащения каменных и тощих углей 3—4%. Такие величины потерь имеют место и при исполь­зовании для сжигания пыли каменных и бурых углей угловых горе­лок (рис. 3-30,6).

Для сжигания пыли тощих углей, полуантрацитов и антрацитов мо­гут быть применены улиточно-лопаточно-прямоточные и

Прямоточные горелки с центральным вводом вторичного воздуха, а также горелки ОРГРЗС (рис, 3-30,в).

Необходимые конструктивные данные по горелкам различного типа можно найти в [Л. 12, 13] и т. д.

Размещение горелок на стенах топочной камеры может быть раз­ным: на фронтовой или боковых стенах, в один или несколько рядов и зависит от производительности агрегата, вида сжигаемого топлива и типа горелок. Амбразуры обычного или эжекционного типа размещают в один ряд на фронтовой стене топочной камеры. Турбулентные горелки

«-^турбулентная ТКЗ; бугловая с поворотом сопл; в — турбулентная ОРГРЭС; / — подвод пыли с первичным воздухом; 2 — подача вторичного воздуха.

Иногда располагают встречно (см. рис. 3-27,6). Конструкции угловых горелок иногда выполняются с поворотом их выходной части на угол 10—20° для изменения направления потока пылевоздушной смеси (рис. 3-30,6). Изменение положения факела позволяет уменьшить шла­кование стен, изменить температуру газов в конце топки и регулировать в небольших пределах температуру перегретого пара.

При любом расположении горелок в топочной камере должны быть соблюдены определенные расстояния от оси горелок до начала ската холодной воронки; от осей крайних горелок до прилежащих стен и меж­ду осями горелок.

При сжигании тощих углей, полуантрацитов и антрацитов в камер­ной топке часть первичного воздуха сбрасывается мимо основных горе­лок через специальные сопла (шлицы), которые рекомендуется разме­щать над основными горелками или на задней стене на уровне основ­ных горелок.

Транспорт пыли твердого топлива в топочную камеру осуществля­ется с помощью воздуха, называемого первичным; этот воздух обыч­но проходит систему приготовления пыли и имеет температуру, близкую или равную температуру топлива.

В установках пылеприготовления, когда сушка и транспорт топли­ва осуществляются только воздухом, эту температуру выбирают по пра­вилам взрывобезопасности — 150—130°С для каменных углей; 100°С для бурых углей и сланцев и 80°С для торфа. При сушке смесью дымовых газов с воздухом температура выше и составляет 180°С для всех видов топлив, кроме торфа, для которого принимается равной 150°С.

Более горячий вторичный воздух из воздухоподогревателя по­ступает в горелки и топку отдельно от первичного. Температура вторич­ного воздуха принимается выше для влажных топлив и составляет от 200 до 450°С. Уменьшение количества первичного воздуха и повышение температуры вторичного могут ускорить воспламенение твердого топли- ва. Однако главными факторами, интенсифицирующими процесс зажи­гания и горения топлива в камерной топке, являются подвод к воспла­меняющимся частицам требующегося количества воздуха и перемеши­вание горящих частиц топлива с вновь поступившими частицами и воз­духом. Поэтому в камерных топках для твердого топлива важное зна­чение имеет правильный выбор типа горелки.

Значения видимых тепловых напряжений колосниковой решетки, зеркала горения, объема топочной камеры при данном избытке воздуха топочных устройств определяют путем испытаний. Основные показатели работы топочных устройств даны в § 2-6, а расчетные характеристики см. в [J1. 12 и 13].

Жидкое топливо, главным образом мазут, из-за повышенной вязко­сти, иногда наличия парафина предварительно проходит подготовку, заключающуюся в подогреве мазута и фильтрации сначала крупных, а затем мелких нерастворимых частиц. Степень подогрева топлива выби­рается в зависимости от сорта, вязкости, типа насосов, с помощью кото­рых он перекачивается, и вида форсунок. Мазут обычно подогревают до 85—135°С. Другие жидкие топлива, используемые в топочных устройст­вах (соляровое масло, керосин и т. д.), обычно не подогревают, так как их вязкость невелика и распыливание без подогрева происходит удов­летворительно. Фильтрация этих топлив также обязательна*

Подогрев мазута производят с помощью пара и реже горячей воды в кожухотрубных теплообменниках, причем внутри труб движется ма­зут, а снаружи пар или вода. При небольших расходах мазута может

Быть использован электрический подогрев. Для грубой очистки приме­няют фильтры-сетки с числом отверстий 5 на 1 см2, для тонкой очист­ки — 40.

Подогретый и очищенный от примесей мазут направляют к форсун­кам по трубопроводам. Во избежание застывания мазута трубопроводы целесообразно выполнять в виде кольца, по которому непрерывно циркулирует мазут и от которого имеются ответвления к топочному устройству.

Факел

Рис. 3-31. Общие схемы форсунок для распиливания жидкого топлива.

А — механическая с распыливанием снижением давления; б — механическая ротационная; в — с рас­пиливающей средой; / — подвод топлива; 2 и 3 — распыливающие топливо устройства; 4 — поступ - * ление воздуха.

Горение жидкого топлива протекает хорошо в том случае, если то­пливо распылено на мелкие капли. Форсунки для распыливания могут быть следующих видов:

А) механические, в которых распиливание топлива осуществ­ляется за счет снижения давления топлива при его движении через за - вихривающие каналы и отверстия малого размера;

Б) ротационные; в которых струя топлива попадает на быстро вращающуюся поверхность цилиндра, диска и последними превращает­ся в мелкие капли;

В) с распыливающей средой — паром или воздухом, в ко­торых струя топлива дробится и уносится подведенным к ней распыли­телем, вытекающим из отверстия с высокими скоростями.

Общие схемы форсунок для распыливания жидкого топлива пока­заны на рис. 3-31. Топливо подводится по каналу 1, затем с помощью сопл, распылителей и других устройств 2 и 3 дробится на капли; воз­дух 4 поступает через каналы или вокруг самой форсунки. Если воздух или пар являются распылителем, то их подводят по каналам и им при­дают вращение — завихривают.

Распыливание по схеме рис. 3-31,с достигается при сжатии горячего мазута до давления 2—6 МПа (20—60 кгс/см2), т. е. давление топлива р должно быть выше давления среды ро, куда топливо подается.

Каждая механическая форсунка состоит из следующих деталей: наконечника, по которому подводится топливо 1, распределителя 2, за - вихрителя 3 и сопла 4, собираемых на выходном конце наконечника и удерживаемых с помощью накидной гайки 5. Общий вид механической 150

Форсунки, разработанной ЦКТИ, ВТИ и заводом «Ильмарине», показан на рис. 3-32.

Ротационная форсунка с вращающимся цилиндром показана на рис. 3-33. Через вал 7, на котором закреплена чаша 8, пропущена труб­ка, подающая топливо; на конце этой трубки имеется сопло с отверсти­ем в направлении внутренней стенки чаши, топливо попадает на эту стенку, дробится и сбрасывается в топочную камеру; воздух поступает вокруг чаши через конус 9, охватывает вращающийся поток капель

Жидкого топлива и перемешивается с ними. Частота вращения чаши за­висит от производительности форсунки и находится в пределах 1500— 4550 об/мин, топливо к форсункам подается под давлением в 0,15— 1 МПа (1,5—10 кгс/см2) подогретым. Форсунки этого типа для мазута, солярового и других масел изготавливаются на заводе «Ильмарине».

Обычно при хорошем распыливании размер капель мазута изменя­ется от 40 до 160 мкм, при плохом — от 100 до 400 мкм. При механи­ческом распыливании отношение среднего размера капель к диаметру отверстия выходного сопла для оценки качества распыливания можно найти из выражения

(3-6)

В выражении:

Й — средний размер капель, мм;

Йо — диаметр выходного сопла форсунки, мм;

Це=фос1о1 — число Рейнольдса, в котором vв — эквивалентная ско­рость топлива, м /с;

V — коэффициент кинематической вязкости топлива, м2/с;

£) Г

А— ,'?9------- параметр, в котором обозначены через £>к — диаметр

#о/вх

Камеры завихрения, мм; — площадь выходного сечения сопла, мм2; /вх — площадь тангенциальных отверстий форсунки, мм2;

П = ---- параметр, в котором, кроме указанных величин, обозна-

Чены через р — плотность топлива, кг/м3; о — коэффициент поверхност­ного натяжения топлива, кг/м3; g — ускорение силы тяжести, м/с2.

Форсунки с паровым распыливанием не требуют значительного дав­ления топлива, так как топливо подхватывается, греется и распылива - ется паром.

Стандартная паровая форсунка, разработанная ЦКТИ, ВТИ и вы­пускаемая заводом «Ильмарине» (рис. 3-34), состоит из трубы 1, по которой подается топливо; в эту трубу встроена по оси труба 2, по ко­торой подается пар. На конце трубы 2 для подачи пара закреплено сопло 4. Истечение пара осуществляется с максимально возможными скоро­стями. Жидкое топливо проходит по концентрической щели вокруг сопла для пара. На сопле ставится наружная шайба с отверстиями для рав­номерного распределения топлива по окружности. Пройдя эти отвер-

Стия, топливо попадает в цель, образованную соплом для пара и диффу­зором 5; в диффузоре топливо и пар перемешиваются. Истечение смесей в топочное пространство происходит через насадку 6 для увеличения угла разноса или непосредственно. Для нормальной работы форсунки давление пара, требующееся для распыливания мазута, должно лежать в пределах 0,5—2,6 МПа (5—26 кгс/см2), давление топлива перед фор­сункой— 0,05—0,5 МПа (0,5—5 кгс/см2).

Стремление отказаться от пара для распыливания топлива привело к созданию пневмомеханической форсунки, показанной на рис. 3-34,6. В форсунке первоначальное распыливание топлива осуществляется в чи­сто механической форсунке (детали 2, 3 и 4) и дополнительно сжатым воздухом, который подается через отверстия завихрителя 6 в количестве 0,03 кг/кг топлива. При малых нагрузках форсунки и пониженном дав­лении топлива этот воздух улучшает распыливание. Расход воздуха составляет 0,8 кг/кг топлива вместо 0,3—0,4 кг пара такого же дав­ления1.

При паровом или воздушном распыливании средний размер капель топлива можно определить по формуле

В формуле, кроме указанных к формуле (3-6) обозначений, приня­ты следующие:

Р — плотность пара или сжатого воздуха, кгс/м3;

&=1>1—VI — относительная скорость среды на выходе из диффузора, равная VI — скорости пара или воздуха минус — скорость топли­ва, м/с.

Выбор того или иного типа форсунок для распыливания топлива выполняют с учетом качества топлива, содержания в нем серы, наличия пара или сжатого воздуха, требуемых пределов регулирования произ­водительности агрегата и форсунок, глубины автоматизации процесса горения и ряда других факторов.

Форсунки с паровым распыливанием более просты в эксплуатации, но применение их для высокосернистых топлив из-за увеличенного со­держания водяных паров в дымовых газах и поэтому возможной корро­зии поверхностей нагрева при низких температурах стенки нежелатель­но. Любая форсунка должна иметь устройства для хорошего перемеши-' вания топлива с воздухом, что достигается использованием разного вида завихривающих приспособлений — регистров.

Комплект форсунки с регистром и другими вспомогательными при­способлениями называют мазутной горелкой. Часто в пылеуголь­ную горелку встраивают мазутные форсунки, служащие для растопки котлеагрегатов и поддержания устойчивости горения пылевидных то­плив с малым выходом летучих.

Для более полного сгорания мазута и уменьшения образования БОз при сжигании высокосернистых мазутов иногда используют топочные устройства с циклонами типа показанных на рис. 3-28,е.

Хорошее перемешивание мазута с воздухом при всех нагрузках, осуществляемое в циклоне, позволяет работать с малыми избытками воздуха ат=1,01—1,03. Малые избытки воздуха предупреждают образо­вание сернистого ангидрида из-за сниженного количества свободного кислорода в дымовых газах. Вследствие этого снижается коррозия хво­стовых поверхностей нагрева.

Для снижения содержания окислов азота в дымовых газах изу­чаются топочные устройства для двухступенчатого сжигания мазута и с рециркуляцией части охлажденных дымовых газов. Топочная камера для жидкого топлива выполняется так же, как и для камерного сжига­ния твердого топлива, т. е. в виде параллелепипеда с расположением форсунок на фронтовой, задней или боковых стенах. Только в специаль­ных агрегатах форсунки располагают в поду топочной камеры.

Учитывая высокие удельные тепловые нагрузки излучением от ма­зутного факела, при размещении форсунок необходимо стремиться к исключению возможности удара или задевания факелом экранных, кипятильных труб и стен камеры во избежание их повреждения. Ука­зания по расположению форсунок даны в [Л. 12].

Горелки для газообразного топлива условно могут быть разделены на несколько основных групп:

Без предварительного смешения газа и воздуха;

С частичным смешением газа и воздуха;

С полным предварительным перемешиванием всего газа с потреб­ным для горения воздухом.

Следует отметить разноречивость в рекомендациях по их выбору.

Далее горелки различают по давлению поступающего газа: низко­го давления — до 5 кПа (600 кгс/м2), среднего — до 70 кПа (7000 кгс/м2) и высокого — до 0,3 МПа (3 кгс/см2). Подача воздуха к горелкам для сжигания газа может проводиться за счет подсоса (инжекции) струей газа, принудительно от вентилятора и за счет раз­режения в топочном пространстве.

Горелки без предварительного смешения газа и воздуха наиболее часто применяют в энергетике в качестве комби­нированных при сжигании двух видов топлив. Газ и воздух в таких го­релках подаются раздельно, и образование смеси происходит в факеле. Горелки просты по конструкции, обладают возможностью регулирова­ния производительности в широких пределах, дают иногда светящийся факел и позволяют осуществить предварительный подогрев воздуха, а если это необходимо, то и газа. Однако горелки должны иметь прину­дительную подачу воздуха, и получаемые при их применении тепловые напряжения объема топочной камеры невысоки: ^580 кВт/м3 (^500Х Х103 ккал/(м3-ч). Подача газа в эти горелки может осуществляться центрально или периферийно. Конструкции и детальные сведения о го­релках этого типа имеются в ряде работ, в том числе [Л. 8 и 19].

Горелки с частичным предварительным смешени­ем газа и воздуха получили широкое распространение в топочных

* Рис. 3-35. Общие виды горелок ЦКТИ типа НГМГ (а) и ГМГБ (б).

ВоздУха> 2 — мазутная форсунка; 3—-регистр вторичного воздуха; 4 — регистр Р оздуха, 5 монтажная плита; 6 — профилированные лопатки, направляющие воздух;

7 —• конус; 8 — диффузор.

Устройствах, так как имеют сравнительно небольшие габариты, дают относительно короткий факел светящегося или несветящегося типа, позволяют устанавливать одну горелку для двух видов топлива и допу-, скают достаточно большой диапазон регулирования производительно­сти. Воздух с давлением 3 кПа (300 кгс/м2) подается с помощью дутье­вого вентилятора, позволяющего не только перемешать газ среднего и низкого давления с воздухом, но и распылить им подогретый мазут. Общий вид такой горелки тйпа НГМГ, разработанной ЦКТИ, показан на рис. 3-35,а.

Горелка состоит' из четырех концентрично расположенных труб, из которых по наружной подается воздух, по второй — газ, по третьей — воздух для распыливания мазута и в четвертую трубу вставляется ма­зутная форсунка. При работе на газе воздух на распыливание мазута не подается.

Кроме горелок типа НГМГ, разработаны ЦКТИ и заводы выпуска­ют газомазутные горелки с паровым распыливанием мазута.

Подача воздуха и газа в горелках, показанных на рис. 3-35,6, типа ГМГБ осуществляется аналогично горелкам НГМГ. Горелки НГМГ и ГМГБ допускают регулирование нагрузки по газу в пределах от 20 до 100—130% при экономичном его сжигании и избытках воздуха в топке от 1,05 до 1,25 и при работе на мазуте от 10 до 100% при ат от 1,10 до 1,6.

Горелки с частичным предварительным смешением Мосгазпроекта показаны на рис. 3-36. Газ поступает по патрубку 1 в камеру 3 и далее проходит по трубам малого диаметра 4, на концах которых имеются наконечники 5 с небольшими отверстиями, а затем выходит в амбразу­ры 6. Воздух от вентилятора через патрубок 2 подается в межтрубное пространство горелки и через отверстия 7 с лопастями для закручива­ния потока выходит в ту же, что и газ, амбразуру. Пространство между отдельными горелками для газа — промежутки между амбразурами — заделывают огнеупорной массой. Давление газа перед горелкой должно быть 1,0—1,5 кПа (100—150 кгс/м2), а воздуха — около 1 кПа (100 кгс/м2).

Горелки этого типа дают достаточно полное сжигание при избытке воздуха порядка 1,05—1,1 и позволяют регулировать нагрузку в широ­ких пределах. Сведения о деталях этих горелок даны в [Л. 8, 13 и 19].

К горелкам с частичным перемешиванием, потока газа и воздуха относятся подовые горелки конструкции Института газа АН УССР, по­казанные на рис, 3-37, в которых газ подается через многочисленные отверстия в стальных трубах 2 в кирпичные каналы 3, где и происходит частичное смешение газа и воздуха до выхода в топочную камеру. Каж­дая из стальных труб 2 присоединяется к коллектору, обычно располо-

Женному на фронте топочной камеры. Общий вид подовой горелки по­казан на том же рис. 3-37; горелки этого типа обладают рядом, недо­статков, из которых главными являются коробление труб, выгорание кирпичных каналов и неравномерное распределение газа и воздуха. Для более равномерной подачи воздуха делались попытки применить сталь­ной лист с отверстиями, а при реконструкции и переводе топки на газ использовать обычную колосниковую решетку. Подовые горелки не на­шли широкого применения, хотя они и позволяют сжигать газ при из­бытках воздуха примерно от 1,10 до 1,25 без значительных потерь тепло­ты и при широком изменении нагрузки.

Инжекционные горелки, используемые при сжигании газа в топоч­ных устройствах малой производительности, обычно работают следую­щим образом: за счет давления газа перед горелкой, составляющего дс? 1 кПа (100 кгс/м2), в нее подсасывается или инжектируется 40—50% воздуха, потребного для сгорания. Далее смесь газа и воздуха поступа­ет в конфузор, горловину и диффузор, где практически полностью пере­мешивается и выходит (в топочное пространство, туда же за счет разре­жения поступает остальное количество воздуха.

Горелки с предварительным смешением газа с полным количеством воздуха, необходимым для сжигания, состоят из двух частей — собст­венно смесителя и стабилизатора горения. Воздух в смеситель может поступать за счет инжекции газом или от дутьевого вентилятора. Ин­жекционные горелки атмосферного типа обычно имеют один сопловой аппарат для подсоса окружающего воздуха, отсюда произошло их на­звание.

Инжекционные горелки с частичным предварительным перемешива­нием газа и воздуха называют атмосферными. Повышение давления газа перед горелкой до 50—100 кПа (5000—10000 кгс/м2) и соблюдение определенного соотношения между диаметрами сопла и горловины по­зволяют получить подсос всего воздуха, необходимого для сжигания: создать инжекционную горелку с полным перемешиванием газа и воз­духа, в которой для стабилизации пламени могут иметься на выходе смеси огнеупорный туннель, поджигающее кольцо или пластины из стали.

В инжекционных горелках при нескольких соплах подвода газа для воздуха выполняются короба или цилиндры. Общий вид горелки показан на рис. 3-38. Корпус горелки чаще «сего выполняют Чугунным, в конце диффузора установлен стабилизатор горения 4 в виде решетки из стальных пластин, а для уменьшения шума, создаваемого струей газа, вытекающего из сопла со скоростями порядка нескольких сотен метров в секунду, короб для приема воздуха облицовывают изнутри звукоизолирующим материалом — войлоком.

Иногда на выходе из конфузора устанавливается устройство, пока­занное на рис. 3-38,6.

Горелки инжекционного типа изготовляют для низкого и среднего давления газа; производительность горелки можно изменять от 30 до 100% при несколько повышенных избытках воздуха от 1,1 до 2,0, при­чем одновременно автоматически соблюдается нужное соотношение расходов газа и воздуха, т. е. саморегулирование,

К недостаткам горелок инжекционного типа следует отнести гро­моздкость конструкции смесителя и шум.

Однако простота конструкции и регулирования производительности предопределила их значительное распространение в небольших котель­ных установках, особенно отопительного типа. Конструктивные данные

О горелках инжекционного типа имеются в [Л. 8, 13 и 19].

500 300 300

Ф219*5

Рис. 3-39. Камерная топка с горелками ГМГ к котлу ДКВР-20-13.

1 — котел; 2 — газомазут­ные горелки; 3 —клапан для регулирования рас­хода воздуха; 4 — короб на фронте топки для воздуха; 5 — кладка из шамотного кирпича; 6 — амбразура из шамотобе - тона.

І. Іі д _______ ] і Д

При расчете горелок любого типа для сжигания газообразного то­плива определяются расходы газа и воздуха и затем выполняют аэро­динамический расчет с целью выяснения условий перемешивания пото­ков газа и воздуха, сопротивления горелки по воздуху и требуемых раз­меров отверстий для подачи газа. Для инжекционных горелок опреде­ляют и способность горелки инжектировать требуемое количество воздуха.

При размещении горелок для сжигания природного газа и мазута необходимо учитывать длину факела, направление его развития, удоб­ство контроля и наблюдений за работой горелки и ремонта при останов­ке. Пример размещения горелок для сжигания жидкого и газообразного топлива в топочной камере котлоагрегата небольшой производительно­сти показан на рис. 3-39.