Котельные установки

КАМЕРНОЕ СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА

Увеличение мощности современных производственных котельдых до 33,5—195 кг/с (300—700 т/ч) пара, а отопительных до 175—*350 МВт (150—300 Гкал/ч) требует перехода к сжиганию твердого топлива в пылевидном состоянии.

Появление этого способа сжигания было связано с необходимостью повышения единичной производительности котельных агрегатов.

При рассмотрении процесса горения твердого топлива указывалось, что начальными стадиями подготовки твердого топлива к горению явля­ются его дробление, подогрев и испарение внешней влаги. Если выне­сти из топочного пространства процессы подогрева, сушки и измельче­ния топлива, то можно интенсифицировать процесс горения практически любого твердого топлива, в том числе и низкосортного.

В процессе подготовки твердого топлива к камерному сжиганию из топлива, поступающего в котельную кусками различных размеров, с помощью грохотов, щепоуловителя (рис. 3-20,а) и магнитных сепара­торов (рис. 3-20,6) отделяют мелкое топливо, щепу-древесину и попав­шие стальные предметы (см. гл. 7). Обычно чем выше влажность топли­ва, тем более крупные куски топлива могут быть поданы в мельницу. Это предупреждает застревание и налипание мелких частиц по тр! акту то - пливоподачи от дробилок до мельниц. Из бункеров котельной дробленое (до размера куска 6—25 мм) топливо поступает в пылеприготовитель­ную установку, где оно размалывается в угольную пыль.

Нормами расчета и проектирования пылеприготовительных устано­вок или [Л. 18] рекомендуется определять рациональную крупность дробления по остаткам на ситах 5x5 или 10X10 мм.

Угольная пыль представляет собой смесь ча. стиц неправильной фор­мы, отличающейся от шара или куба, с размерами частиц от близких 136

К 0 до 300—500 мкм. Свеженасыпанная пыль угля представляет собой массу плотностью 0,45—0,50 т/м3, легко текущую и сыпучую с углом естественного откоса в 25—30°. Будучи смешана с воздухом, угольна» пыль взрывоопасна, так как она легко перемещается, переходит во взве­шенное состояние и может воспламениться.

При длительном хранении пыль слеживается, что приводит к уве­личению ее плотности до 0,8—0,9 т/м3. Пыль топлива, у которого выход летучих более 7—9%, склонна к самовозгоранию.

Самовозгорание пыли происходит под воздействием содержащегося в воздухе кислорода, который окисляет органическую часть топлива. Наличие в топливе серного колчедана ускоряет самонагревание; склон­ны к самонагреванию и возгоранию практически все топлива, кроме антрацитов и полу антрацитов.

Качество угольной пыли для сжигания оценивают по размеру ее частиц, т. е. тонкостью помола.

Тонкость помола определяют ситовым анализом ^рассевкой), т. е. путем просеивания пробы пыли через набор специальных сит на просеи­вающих машинах для получения остатка на сите.

После просеивания пыли через набор сит, характеризуемых разме­рами стороны ячейки в свету в микрометрах на каждом сите остается какая-то часть пыли. Эту часть пыли принято называть остатком R на сите с ячейкой в столько-то микрометров, например R20, R90, R200, Rim и т. д., где цифрами обозначены размеры ячейки.

Если обозначить количество угольной пыли, прошедшей через дан­ное сито, через Dx, то

Dx+Rx=lOO°/0. (3-1)

Для определения тонкости помола угольную пыль просеивают через возможно большее число сит. По результатам рассева строят кривую

Полного остатка пыли на ситах в зависимости от размера отвер­стий в сите.

По действующему стандарту на сита для определения тонкости по­мола наименьший размер отвер­стия составляет 40 мкм. Для рас­сеивания более мелких частиц при­меняют другие способы. Получен­ная в результате рассева пыли через сита характеристика пыли поэтому называется неполной.

Пример такой характеристики пыли кизеловского угля, размолото­го в молотковой мельнице 1, и под-

Московного угля, размолотого в шаровой барабанной мельнице 2, приве­ден на рис. 3-21.

Обработкой многочисленных данных п<э определению характеристик пыли было установлено, что кривые распределения можно описать урав­нением

Л*==100в-***. (3-2)

В уравнении:

Rx — полный остаток пыли на одном из сит, %;

Е — основание натурального логарифма;

Х — размер ячейки данного сита, мкм;

Ь и п — постоянные коэффициенты, зависящие от тонкости помола, сорта угля и типа мельницы.

Коэффициент п называют также коэффициентом полидис­персности пыли, поскольку его значением можно оценить равномер­ность структуры пыли.

Пользуясь уравнением (3-2), можно при известных остатках на двух ситах Я и получить зависимость распределения частиц пыли по круп-

Ности из следующего выражения:

(3-3)

Принято, что для характеристики угольной пыли необходимо знать остатки на ситах с размерами ячеек в 90 и 200 мкм, т. е. #90 и /?гоо, а для оценки грубой пыли и остатки на ситах с размерами ячеек в 500 и 1000 мкм.

Если величина п больше единицы, то в пыли содержится при по­стоянной величине Кх наименьшее количество частиц с размерами мень­ше 40 мкм. Такая пыль имеет относительно ровную структуру. Если величина /1=1, то в пыли содержится брлыпее, чем в первом случае, количество мелких частиц. Наконец, при п< 1 угольная пыль переиз - мельчена.

На рис. 3-22 показано изменение поверхности 1 кг угольной пыли в зависимости от тонкости ее помола, характеризуемой остатком на сите </?9о. Уменьшение остатка на этом сите с 40 до 20% увеличивает суммарную поверхность угольной пыли с 250 до 380 м2. Увеличение тонкости помола топлива требует большего расхода энергии на размол, поскольку по закону Реттингера работа, затраченная на измельчение материала, пропорциональна вновь полученной поверхности, кВт-ч/т.

Уточнение закона Реттингера применительно к размолу топлива приве­ло к следующему уравнению:

В уравнении:

Э — расход электроэнергии, кВт-ч/т;

/V — мощность, расходуемая на измельчение материала, кВт;

В — производительность размалывающей установки, кг/с (т/ч);

А — расход электроэнергии, отнесенный к 1 м2 вновь полученной по­верхности, кВт-ч/м2;

И и /г — начальная и конечная поверхности материала, м2/м3;

Ркаж —кажущаяся плотность размолотого материала, т/м3.

Фактический расход электроэнергии выше за счет расхода электро­энергии на холостой ход мельницы, на разрушение мелющих органов, на преодоление упругих и пластических деформаций угля, на тепловые процессы, сопутствующие размолу, и др. После размола топлива из пыли необходимо отделить крупные частицы угля и транспортировать аэровзвесь, т. е. смесь пыли с воздухом, через горелки в топочную каме­ру, на что также расходуется энергия.

Поэтому для определения оптимальной тонкости помола данного топлива поступают следующий образом: варьируя величину остатка пыли, например на сите 90 мкм — Яво, определяют расход энергии на

Приготовление ПЫЛИ Эп. п(<7п. п) и значение величины потерь теплоты от недожога топлива <74. Пересчитав расход энергии Э„.и в теплоту, можно построить кривые, аналогичные изображенным на рис. 3-23. Суммируя потери теплоты и расход теплоты на приготовление и подачу пыли В топку <7п. п, можно получить кривую имеющую минимум при неко­торой величине остатка на сите 90 мкм, который и будет примерно опти­мальным.

Оптимальная тонина помола зависит для данного топлива от вы­хода летучих и зольности; эта зависимость в нервом приближении для топлив с выходом летучих больше 10% для остатка на сите 90 мкм от Кг имеет вид, %:

#90=6+0,7УГ. (3-5)

Более точные рекомендации имеются в [Л. 18], которые можно представить в виде табл. 3-2.

Таблица 3-2

Тонкость помола угольной пыли

Топливо
	40 60 15—40 15 7	15 35 0,3—1,3 1,2 0,3—-1,2	0,5 1,5
Бурые угли Сланцы Каменные угли Тощие угли, полу антрациты Антрациты

При выборе типа мельницы для размола топлива до требуемого значения тОнины помола необходимо знать, как (хорошо или плохо) размельчается данное топливо, т. е. коэффициент размолоспо - - собности топлива. с>тот коэффициент кло представляет собой отношение расхода электроэнергии на размол 1 т антрацитового штыба из Донецкого бассейна к такой же величине расхода электроэнергии на 1 т для данного топлива. Топливо должно быть в воздушно-сухом со­стоянии и измельчаться от одинаковой с АШ начальной крупности до одной и той же тонкости помола. Величина коэффициента зависит от состава топлива, его золы, наличия в топливе колчедана и ряда других факторов. Значения /сло приводятся в справочниках, например [!Л. 12, 13] и табл. 1-3.

Для представления о величине /сло в табл. 3-2 даны пределы изме­нения «до для нескольких групп топлива.

Системы пылеприготовления могут отличаться друг от друга пода­чей в топочную камеру пыли угля и всей влаги, содержащейся в сыром рабочем топливе, или сбросом части влаги рабочего топлива за пределы котельного агрегата. При сбросе влаги помимо топочной камеры повы­шается качество подаваемой угольной пыли (так называемой сушенки) и улучшается процесс сжигания топлива, но система пылеприготовления становится более сложной, так как могут возникать дополнительные потери топлива и может увеличиваться расход электроэнергии.

Системы со сбросом влаги в топку называют замкнутыми, без сброса — разомкнутыми.

Наличие систем пылеприготовления создает ряд преимуществ для камерного сжигания твердого топлива по сравнению со слоевым:

Возможность использования низкосортных топлив с достаточно вы­сокой экономичностью;

Практически полная механизация процесса подготовки и сжигания топлива;

Возможность создания котельных агрегатов большой и практически любой производительности;

Универсальность топочного устройства, т. е. допустимость работы топочной камеры при необходимости поочередно, а иногда и вместе на твердом, жидком и газообразном топливе без существенных переделок;

Широкие регулиро­вочные возможности то­почной камеры по ее теп­ловой нагрузке и, следо­вательно, производитель­ности котельного агре­гата;

Возможность приме­нения автоматизации процессов регулирования работы котельной уста­новки при сохранении возможности возврата к ручному управлению.

Однако эти преиму­щества даются ценой за­трат дополнительного рас­хода энергии, усложнения устройств для подготов­ки топлива к сжиганию, т. е. за счет больших ка­питальных й эксплуата­ционных затрат по срав­нению со слоевым спосо­бом сжигания.

Для полного выжига­ния горючих веществ из твердого топлива в ка­мерной топке, кроме под­готовки его, необходимо обеспечить подачу воз­духа к каждой части­це топлива и ее зажи­гание.

Применяемые в на­стоящее время основные схемы камерной топки для твердого топлива рас­смотрены ниже. По спо­собу удаления шлака ка­мерные топки разделяют на устройства с сухим (или гранулирован­ным) и жидким рис з_24. Схема камерной топки для сжигания твер* удалением шлака. дого топлива.

Наиболее распространена однокамерная топка для сжигания твер­дого топлива (рис. 3-24). Топка состоит из следующих основных частей: собственно камеры 1 в виде параллелепипеда, на стенах которой уста­навливают горелочные устройства — амбразуры 8 или горелки, форсун­ки 10 и сопла 2 для подачи воздуха 9. С внутренней стороны стены топки защищены экранами из труб 3-. Экраны воспринимают теплоту в основном излучением, как это видно из формул (2-101) и (2-113), т. е. пропорционально разности четвертых степеней температур газов в топке и температур стенок труб. Поэтому экраны, кроме защиты стен от высо­ких температур и шлакования, используются для восприятия значитель­ных количеств теплоты при небольших размерах поверхностей нагрева (см. стр. 75, 76 и рис. 2-8).

В верхней части топочной камеры расположены конвективные по­верхности нагрева 4, а в нижней — холодная воронка 5, которую выпол­няют в виде усеченной пирамиды. Устройства 6 служат для удаления шлака в систему шлакозолоудаления.

В топочной камере стремятся разместить возможно больше экран­ных поверхностей нагрева с тем, чтобы глубже охладить продукты сго­рания топлива. В топочной камере, изображенной на рис. 3-24, экрана­ми покрыты все стены, потолок и под топки. При необходимости иметь экраны с поверхностью больше, чем поверхность ограждений, в топочной камере размещают так называемые двухсветные (с двусторонним освещением факелом) экраны и ширмовые поверхности нагрева — ширмы.

Схемы топочной камеры с двухсветными экранами и ширмами по­казаны на рис. 3-25.

При сжигании твердого топлива в камерной топке необходимо обес­печить охлаждение продуктов сгорания до температур, исключающих шлакование, т. е. загрязнение поверхностей нагрева шлаками, и быстрый износ обмуровки под действием горящего факела и шлаков. Эта задача решается применением экранов с малым шагом труб (рис. 3-26,а) Или из труб с плавниками (рис. 3-26,6), которые частично или полностью закрывают обмуровку. Достигаемое при этом снижение температур за трубами экранов позволяет отказаться от тяжелой кирпичной или дру­гой обмуровки и ограничиться только тепловой изоляцией. В некоторых конструкциях к экранным трубам приваривают шипы, выполненные из легированной стали, как это показано на рис. 3-26,в, заполняя пустоты огнеупорным составом.

Горение пыли угля или другого твердого топлива зависит от ряда факторов, к числу которых относятся выход летучих, влажность, золь­ность, тонина помола, полидисперсность частиц, температура воспламе­нения, температура среды, окружающей факел, интенсивность переме­шивания частиц в факеле и в окружающей его топочной среде и др. Влияние этих факторов на процессы воспламенения и горения пыли не изучено достаточно широко, в силу чего число конструкций топочных устройств для сжигания размолотого твердого топлива весьма велико, разнообразно и со временем меняется.

Представленные на рис. 3-27,а — д схемы камерных топок для сжи­гания твердого топлива иллюстрирую? сказанное, но не исчерпывают всех возможных вариантов и схе|| расположения горелок. В топках,

Предназначенных для сжигания топлив с малым выходом летучих (ан­трацита, полуантрацита) и топлив с высокой и колеблющейся влаж­ностью (например, торфа), применялись зажигательные пояса (рис. 3-27,6, г, д). Стены, экранированные в районе горелок, покрывали огнеупорным кирпичом или специальными обмазками, накладываемыми на экранные трубы с шипами. Такие покрытия Снижают тепловосприя - тие экранов в зоне горелок и обеспечивают зажигание топлива.

В нижней части холодной воронки для сбора и охлаждения водой выпадающих шлаков выполняют устройства в виде специальных объе­мов, называемых шлаковыми комодами. Иногда камерные топки оборудуют механизмами, позволяющими получать шлак раздробленным на небольшие куски до его удаления из котельной.

Для жидкого удаления шлака из камерных топок требуется изме­нять конфигурацию топки и способ размещения горелок. Такие топки используют обычно для котлоагрегатов средней и большой производи­тельности и при сжигании топлив с низкой температурой плавления золы. Эти топочные устройства могут быть однокамерными, двухкамер­ными, с циклонными предтопками.

На рис. 3-28,а, б, в показаны схемы топок, нашедших применение в котельной технике, — открытые топки с горизонтальным подом; то же с наклонным подом, с пережимом и двухкамерные устройства с различ­ной конфигурацией.

Из схем топок (рис. 3-28, в, гид) видно стремление разграничить топочную камеру на камеры для сгорания твердого топлива и на каме­ры охлаждения продуктов сгорания, т. е. создать условия для устойчи­вого зажигания и полного сгорания топлива в первой камере и обеспе­чить отдачу теплоты без шлакования поверхностей нагрева во второй камере.

Дальнейшим развитием топочных устройств такого типа явились предложенная ЦКТИ (А. Н. Ковригиным) топка с горизонтальным или наклонным расположением циклона (рис. 3-28,е и ж) и разработанный ВТИ (Ю. Л. Маршаком) вертикальный предтопок (рис. 3-28,з).

При создании таких топочных устройстз имелось в виду существен­но повысить общие для топочных камер тепловыё напряжения и со - Н4

Рис. 3-28. Основные схемы развития топочных устройств с жидким удалением шлака. о, — с горизонтальным подом; б — с слабонаклонным подом;

Е — с яережимом; гид — с двумя камерами; е — с циклоном ЦКТИ; ж г— с горизонтальным циклоном; з — с предтопком ВТИ; / — горелки; 2—• под с жидким шлаком; 3 —летка для выпуска жидкого шлака.

Кратить за счет этого их габариты и массу. Однако, даже при увеличен­ных в несколько раз тепловых напряжениях объема первых камер топочных устройств средние значения получались близкими к обычным. Одновременно выявились жесткие требования к постоянству качества топлива и потребовались дополнительные устройства для регулирования процесса горения и удаления шлака.

Обычно в первой камере (или в циклоне) осуществляется выжига­ние горючих веществ из топлива на 90—95% (эту камеру часто назы­

Вают камерой сгорания), во второй камере происходят охлажде­ние и дожигание продуктов сгорания (эту часть называют камерой охлаждения). Удаление шлака осуществляется из камеры сгорания или из камеры охлаждения, а иногда из обеих камер.

Количество золы, осаждающееся в топках с жидким удалением шлака, значительно больше, чем в топках с сухим шлакоудалением. Обычно в топочных устройствах этого типа успешно сгорает топливо с высокой теплотой сгорания и с большим выходом летучих.

В топочных устройствах с предтопками и циклонами сжигают пыль твердого топлива с большими размерами частиц, чем в обычных пыле­угольных топках.

Конструктивные разработки и практика изготовления нескольких котельных агрегатов показали, что эти топочные устройства не позволи­ли практически уменьшить габариты и массу котельных агрегатов. Рост стоимости подобных топочных устройств по сравнению с обычными и указанные выше особенности ограничили их применение в отечественной энергетике.

Для котельных установок с теплопроизводительностью от 23 МВт (20 Гкал/ч) и выше, предназначенных для работы на твердом пылевид-

10— 53 ' 145

Ном топливе, чаще всего применяют системы приготовления топлива более простого вида. К ним относятся индивидуальные системы при­готовления пыли из бурых углей и торфа с молотковыми мельни­цами или мельницами-вентиляторами. Для приготовления пыли из каменных углей используются системы с среднеходными или молотковыми мельницами. При сжигании же антрацита и полуантра - цита пока приходится применять шаровые барабанные мельницы (см. гл. 7).