Котельные установки

ПЫЛЕУГОЛЬНЫЕ И ВИХРЕВЫЕ ТОПКИ

В отличие от слоевого факельный процесс характеризуется непрерыв­ным движением топливных частиц вместе с газовоздушным потоком, который транспортирует их через топочную камеру во взвешенном состоянии. Для того чтобы осуществить полное сгорание частиц во взвешенном состоянии в весьма ограниченные сроки их полета по топочной камере (1-2 с), частицы топлива измельчают до пылеобразного состояния. Скорости витания таких пылинок очень малы, а удельная поверхность - огромна. Так, угольная пыль при диа - метре 30 микрон имеет удельную поверхность 500 м"/кг и скорость витания 3,5-10" м/с. Ввиду малой скорости витания пыль следует с потоком газов со скоростью, равной скорости газов. Следовательно, в факельных процессах скорость обтекания пылинки газом практически равна нулю.

Для того чтобы придать факелу достаточную устойчивость в смысле от­сутствия явлений грубой сепарации и выпадения наиболее крупных частиц, порядка десятков и сотен микрон для различных топлив рекомендуется раз­личное измельчение. Такое размельчение чрезвычайно развивает парусность частиц.

Малая скорость обтекания пылинки газом приводит к ухудшению условий турбулентного обмена газа на поверхности угольных пылинок. Но это в некоторой степени компенсируется: значительным увеличением молекулярной диффузии (коэффициент диффузии для тонкой пыли выше); значительным уменьшением запаса горючего вещества в каждой пылинке;

Резко переменной парусностью частиц неправильной формы, что заставляет частицы пыли пульсировать и вращаться на лету (в зависимости от положения в потоке).

Факельный процесс характеризуется ничтожным запасом горючего в топке (в отличие от слоевого). Это приводит к безынерционности процесса, а следовательно, и к крайней чувствительности к регулировке и различным на­рушениям (работа питателей и др.).

При пылесжигании каждая частица топлива проходит те же последова­тельные стадии, что и при слоевом методе сжигания, а именно:

1) подогрев смеси воздуха и пыли до температуры воспламенения (про­грев, подсушка, газификация);

2) собственно процесс горения летучих и кокса.

Уменьшить длину факела в первую очередь можно путем уменьшения I части. Ускорения подготовительного процесса можно добиться следующими методами:

1) уменьшением количества первичного воздуха;

2) повышением его температуры;

3) уменьшением влажности пыли;

4) повышением температуры в топке.

Н еобходимая температура подогрева воздуха зависит от количества и ка­чества летучих веществ, содержащихся в топливе. Исследования показали, что при температуре воздуха 900 °С воспламенение для всех топлив происходит почти мгновенно. Чем быстрее наступает воспламенение, тем лучше будет ис­пользован объем топочной камеры, тем лучше выгорают частицы угля, тем меньше будет потеря q4. Особенно это важно при сжигании топлив с малым выходом летучих. Поэтому при сжигании АШ и Т для сокращения пути вос­пламенения применяют высокий подогрев воздуха (400-450 °С). Одновремен­но сокращают количество первичного воздуха до 15-17 % от общего количе­ства.

В современных котлоагрегатах топочные камеры покрыты сплошь экра­нами. Экраны, поглощая тепло, снижают температуру факела и замедляют процессы горения. Поэтому при сжигании топлив типа АШ и Т стены топоч­ной камеры (экраны) на некотором расстоянии покрывают зажигательными поясами. Это повышает температуру в топке в месте выхода пылевоздушной смеси и интенсифицирует протекание подготовительных процессов. При сни­жении нагрузки котла температура в топочной камере падает. Практика пока­зала, что существует минимальная нагрузка котла, ниже которой горение ста­новится неустойчивым ввиду низких температур горения. Для АШ, например, минимальная нагрузка исходя из устойчивости горения составляет 50-60 % от номинальной.

Скорость выгорания пыли зависит:

1) от тонкости помола;

2) аэродинамики топки;

3) температуры в топочной камере.

Так как относительная скорость движения пылинки в факеле невелика (0,5-0,7 м/с), то горение пыли в факеле почти аналогично горению в непод­вижной среде.

Предполагая, что горение пылинки происходит в относительно непод­вижной среде, Нуссельт предложил формулу для теоретического времени, с, сгорания пылинки

Х0=144^.

Do Тср

Где Го - начальный радиус частицы; у - удельный вес углерода;

Vo - теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг то-

3 /

Плива, нм /кг;

Do - коэффициент диффузии, м2/ч; Тср - средняя температура среды в К,

Ті-Т0

Т =

Ср т

In-1

Т0

Где Ті - температура внешней поверхности горящего порошка; То - темпера­тура окружающего воздуха.

Из формулы видно, что время полного горения пропорционально квад­рату размера частиц и обратно пропорционально температуре.

Действительное время горения может быть получено из времени горения по Нуссельту путем введения поправки на коэффициент избытка воздуха

Та = То Да).

Действительное время полного горения уменьшается с увеличением а. Формула Нуссельта не совсем точна ввиду ряда упрощений (пыль сфериче­ская, применен закон теплопередачи для неподвижной среды и др.). Формула Нуссельта теоретическая, опытом не проверена. Нуссельт рассматривал про­цесс горения одной частицы, учитывал только диффузию без учета кинетики процесса. Он предполагал, что горение происходит лишь на поверхности час­тицы. Блиновым же доказано, что горение имеет место и в порах топлива. Кроме того, Нуссельт предполагал, что горение происходит по полной реак­ции в СО2. Здесь же имеет место горение диффузионное, при котором, как из­вестно, происходит образование СО.

Другая формула предложена Блиновым:

Т0=Аг1'6-Вг0;

Л-Рт 1 в = _Рх_

С0 1,07 W00'4 Dq6 ' C0k'

Где (3 - количество кислорода, расходуемое на единицу веса углерода; l'o - начальный радиус частицы; у - удельный вес углерода в г/см3; Со - начальная концентрация кислорода в газах в кг/м3;

Wo - скорость газа в см/с;

Do - коэффициент диффузии в м2/ч;

Ki - константа скорости реакции, сильно возрастающая с ростом температуры. Определяется по формуле Аррениуса:

K1=k0e"^,

Где е = 2,7183 - основание натурального логарифма; є - энергия активации ккал/г моль; Т - абсолютная температура в К;

R - универсальная газовая постоянная в ккал/г • моль.

В формуле Блинова учтена скорость газов. В ней же кроме коэффициен­та диффузии учтена и константа скорости реакции.

Формула Блинова проверена экспериментально и не имеет тех упроще­ний, которые допущены в формуле Нуссельта.

При выведении формулы Блинов предполагал, что горение происходит одновременно в СО2 и в СО, т. е., использовал комплексную теорию горения.

Скорость горения пыли зависит от коэффициента избытка воздуха и то­нины помола. Опыт эксплуатации показал, что наилучшие результаты полу­чаются при а = 1,2-1,25.

Скорость горения угольной пыли в топочной камере непостоянна, так как в начале при сгорании мелких фракций эта скорость максимальна, а затем процесс горения замедляется. Таким образом, при грубом помоле процесс го­рения протекает медленно, факел растягивается. Это приводит к увеличению температуры первых рядов труб, что вызывает их шлакование. На рис. 9.1 приведен график выгорания угольной пыли различной тонкости помола по времени.

100%

Кривая 1 - Rss = 5 %, кривая 2 - Rss = 15 %, кривая 3 - R88 = 25 %, кривая 4 - R8s = 35 %

Из графика видно, что большая часть частиц выгорает быстро. Остав­шаяся же небольшая часть более крупных частиц - в остальное время.

Следовательно, чтобы обеспечить хорошее выгорание небольшого количества наиболее крупных частиц, нужно увеличивать длину факела, на­пример, увеличив объем топки либо приняв меньший объем топки, умышлен­но идти на неполное выгорание крупных частиц, т. е. увеличение потери q4.

В зависимости от нагрузки котла значения выгорания частиц топлива характеризуются кривыми на графике рис. 9.2. По характеру кривых видно, что процент выгорания на первых метрах длины факела растет быстрее, чем на последних. Процент выгорания пыли при больших нагрузках котла меньше, чем при малых. Это объясняется увеличением скоростей газов при возраста­нии нагрузки, а следовательно, уменьшением времени пребывания пылинки в топке.

100% 80

Ш 60

I

Я

CL

Є 40

Л

Ш

20 0

Температура в топке возрастает с возрастанием нагрузки котла. Возрас­тание температуры газов на первых метрах длины факела происходит ввиду того, что приход тепла за счет сгорания топлива больше его расхода.

Процесс горения пыли может характеризоваться не только скоростью выгорания частицы и кривыми изменения температуры, но и изменением со­става газов по длине факела (рис. 9.3). Кривая содержания кислорода по длине факела все время падает. Только в конце топки кривая идет почти горизон­тально и даже несколько подымается за счет присосов воздуха.

Кривая содержания ССЬ вначале резко возрастает, а в конце также начи­нает снижаться за счет присосов воздуха. В средней части кривая имеет седло­вину в активной зоне горения. Нехватка кислорода вызывает частичный пере­ход ССЬ в СО. Седловина кривой СО2 соответствует максимуму кривой СО и Н2

В современных мощных котлоагрегатах процесс горения строится таким образом, что содержание СО и Н2 на выходе из топки равно нулю.