ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ТОПКА С ВСТРЕЧНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ГОРЕЛОК

Для сжигания бурых и каменных углей в топках с твердым и жид­ким шлакоудалением на парогенераторах производительностью до 64 кг/с (230 т/ч) как более совершенную широко применяют компоновку
вихревых или прямоточных горелок на боковых стенах топки, а в паро­генераторах большей мощности — на фронтовой и задней стенах. В па­рогенераторах производительностью до 64 кг/с в последние годы нашла распространение в с т р е ч н а я компоновка вихревых горелок на боковых^ стенах треугольником, направленным на одной стене вершиной вверх, а на другой — вниз (рис. 20-4). При компонов­ке по треугольнику получается более просторное расположение горелок по сравнению с расположением их в один ряд, что позволяет создать лучшие условия для зажига­ния и выгорания в вихревом факеле.

Рис. 20-5 и 20-6 дают представление об аэро­динамике топки с встречным расположением пря­моточных горелок на фронтовой и задней стенах. Изображенные на них поля скоростей получены в экспериментальных исследованиях на воздушной модели. По истечении из горелок струи эжектируют газ из окружающей среды, в результате чего рас­ход в них увеличивается. При равенстве начальных количеств движения встречные потоки соударяются в центре топки (рис. 20-5) при практически одина­ковых скоростях в них и суммарном расходе, рав­ном в рассматриваемом случае 1,88(?0, где С0— на­чальный расход газа через горелки. В месте соуда­рения в результате торможения динамический на­пор трансформируется в статическое давление. Ри _ Под действием образовавшегося перепада давления

С ^встречным" располо - общий поток растекается вверх и вниз с повышен-

Жением вихревых го - ными скоростями и вследствие этого с малым за-

Релок треугольником полнением сечения топки: восходящий поток зани-

На боковых стенах. мает 0,57 сечения топки, причем 0,37 сечения топки

Занимает основной поток. В месте разветвле­ния расход в восходящем потоке составляет 1,325С0, а в нисходящем 6Хв — 0,55 С0. По мере движения восходящий поток расширяется. Одна­ко полного заполнения топки не достигается. На уровне перехода в го­ризонтальный газоход степень заполнения сечения топки восходящим потоком составляет 0,86, причем на основной поток приходится 0,68 се­чения топки. Максимальная скорость в этом сечении составляет 0,36^о - Вследствие неполного заполнения сечения камеры над горелками у фронтовой и задней стен развиваются вихри. Часть восходящего пото - ‘ ка с расходом С0 направляется на выход из топки. Избыточный расход рециркулирует, образуя у стен в области над горелками два больших вихря, каждый из которых занимает до 0,3—0,35 глубины топки и рас­пространяется почти по всей высоте топки. Расход в них соответст­венно составляет 0,181С0 и 0,144С0.

Движение восходящего потока по вертикальной оси топки является неустойчивым. Под действием возмущений, связанных с пульсацией дав­ления газов, изменением соотношения импульсов встречных потоков и других возмущений ВОСХОДЯЩИЙ поток смещается к одной из стен. При расположении горелок на фронтовой и задней стенах наиболее вероятно отклонение восходящего потока к одной из них, а при боковом распо­ложении горелок — к одной из боковых стен.

Нисходящий поток с повышенными скоростями и сравнительно не­большим сечением проникает глубоко в холодную воронку, далее под действием удара и разрежения, создаваемого истекающими струями, 428
разделяется на две ветви, которые вдоль скатов холодной воронки на­правляются вверх в корневую область горелочных струй. Так, в холод­ной воронке образуются два низкоопущенных энергичных вихря с рас­ходом 0,28С0 в каждом. Количество газов, втекающих в горелочные

Струи из нижних вихрей, обычно превышает эжекционную способность струй на их начальном участке.

Вихри оказывают значительное динамическое воздействие на сте­ны, а также на горелочные струи, несколько искривляя их оси. Часть газа из восходящих ветвей нижних вихрей растекается вдоль стен, на которых расположены горелки, и находит выход в верхнюю часть топки в ее углах на уровне горелок, оказывая одновременно динамиче­ское воздействие на экраны прилежащих стен.

В случае неравенства количества движения (см. рис. 20-6) поток с большим расходом и большим количеством движения подавляет про­тивоположный поток с меньшим расходом. Место соударения потоков смещается к стене с меньшим количеством движения горелочных струй. После соударения происходит растечка газов вверх и вниз вдоль этой

Стены. Восходящий поток с расходом 1,25С0 прижимается к указанной стене, а со стороны стены с большим количеством движения горелочных струй устанавливается вялый вихрь большой протяженности с расходом ОД96Со - Степень заполнения восходящим потоком поперечного сечения топки в среднем по ее высоте составляет 0,71, а на долю основного потока приходится 0,54 сечения топки.

В холодной воронке нисходящий поток образует у стены с большим количеством движения мощный вихрь с расходом 0,375(?о и малый вихрь с расходом 0,10(?о у противоположной стены. Аэродинамическая картина в этом случае напоминает аэродинамику топки с (фронтальным распо­ложением горелок.

Неустойчивость аэродинамики наблюдается и в горизонтальном се­чении. Как видно по полям скоростей в горизонтальной плоскости топки по оси горелок (рис. 20-7), струи по выходе из горелок, пройдя не­которое расстояние, отклоняются от своих осей. В -исследованных условиях струи, вытекающие из горелок, расположенных на фрон­товой стене, попарно сливаются между собой и с расстояния Х=

= 18,1 Ь0, где Ь0 — полуширина выходного сечения горелки, еди­ным потоком направляются в межструйное пространство струй противоположных горелок. Струи' от крайних горелок задней стены отклоняются к боковым стенам и направляются в углы топки у фронтовой стены. Создаются условия, способствующие шлако­ванию участков боковых стен, примыкающих к фронтовой стене, и углов топки у фронтовой стены.

В топках с встречным распо­ложением горелок зажигание бо­лее устойчиво, а горение протека­ет более интенсивно, чем в топке с фронтальными горелками. Вы­текающие из горелок пылевоз­душные струи эжектируют более горячие продукты сгорания из вихревых зон, что обеспечивает

Быстрый нагрев и воспламенение смеси. Усиление зажигания в осо­бенности необходимо при сжигании слабореакционных топлив типов - АШ, ПА и тощих углей. Расстояние между горелками т их вза­имное расположение следует выбирать таким образом, чтобы способ­ствовать поступлению к корню факела более горячих газов. В этом отношении более благоприятным является расположение вихревых го­релок треугольником с вершиной, обращенной «а одной боковой стене вверх, а на другой — вниз.

При соударении встречных факелов и турбулизации потока ускоря­ется массо - и теплообмен, а усиливающиеся при этом смесеобразование и нагрев интенсифицируют процесс горения. Однако в дальнейшем поток распространяется при недостаточно полном заполнении сечения топочной камеры и вследствие неустойчивости отклоняется к одной из стен. Турбулентность потока все уменьшается, ослабляя массообмен и смесеобразование, что затягивает выгорание угольной пыли. Более силь­ное затягивание процесса догорания имеет место при встречной компо­новке прямоточных горелок, при которых аэродинамическая неустойчи­
вость наблюдается не только в восходящем потоке, но и в горизонталь­ном сечении по малой оси горелок.

Вследствие аэродинамической неустойчивости и отклонения основ­ного потока к одной из боковые стен, с возможным его перебросом от одной к другой стене, перед пароперегревателем наблюдается большая разверка температур газов, что отрицательно влияет на его работу.

По этой же причине на парогенераторах с встречным расположени­ем горелок с твердым шлакоудалением наблюдалось значительное шла­кование стен топки и фестона, которое ограничивало производитель­ность и длительность рабочей кампании. На парогенераторах большой производительности топки с вытянутым в плане сечением при располо­жении горелок на боковых стенах удовлетворительно работать не могут вследствие значительного усиления аэродинамической неустойчивости. В этом случае удовлетворительные результаты получаются при распо­ложении горелок на длинных гранях топки, т. е. на ее фронтовой и задней стенах.

На устойчивость зажигания и интенсивность протекания процесса горения сильно влияет технологическая схема сжигания (см. § 17-2). Пр и схеме сжигания с промбункером в системе пылеприготовления и подачей пыли частью отработанного сушильного агента имеется воз­можность сбросом неиспользуемой его части через сбросные горелки изменять концентрацию пыли во влажной первичной смеси и скорость ее выхода из горелок. Уменьшение количества отработанного сушильно­го агента, используемого для подачи угольной пыли в горелке, улучша­ет концентрационные и температурные условия зажигания и горения (см. § 17-2, 16-2). Наиболее благоприятные условия для сжигания име­ют место в топкарс с разомкнутой схемой сушки и подачей пыли горя­чим воздухом (см. § 17-2 и § 16-2). Однако эта схема широко не рас­пространилась из-за отсутствия эффективного метода полного улавли­вания пыли из отработанного сушильного агента и очистки его перед сбросом в атмосферу.

При применении разомкнутой схемы при сжигании топлив с легко­плавкой золой затруднительным является обеспечение достаточно низ­кой температуры на выходе из топки, исключающей опасность шлако­вания конвективных поверхностей нагрева и образования на них отло­жений. Поэтому для топлив с легкоплавкой золой целесообразной является схема с прямым вдуванием, для каменных и бурых углей с ту­гоплавкой золой — схема с промбункером и подачей пыли частью отра­ботанного сушильного агента, а для слабореакционных топлив —■ пре­имущественно схема с подачей пыли горячим воздухом. Разомкнутая схема с центральной системой пылеприготовления из-за сложности и громоздкости установки получила небольшое распространение для бло­ков мощностью 500 и 800 МВт на влажных углях.

Оптимальное количество первичного воздуха следует определять для каждого конкретного случая в зависимости от технологической схе­мы сжигания, сорта топлива, конструкции топки и горелок (см. § 16-2, 16-5).

Для слабореакционных топлив — антрацитов, полуантрацитов и тощих углей — рекомендуется схема с подачей пыли горячим воздухом и сбросом отработанного сушильного агента в топку через сбросные сопла. При этой схеме повышением температуры газов в области кор­ня факела повышается устойчивость зажигания.

Вводом отработанного сушильного агента в область за ядром горе­ния факела расширяется область с повышенными температурами 432

С включением в нее зоны выгорания основной массы топлива. Эта схе­ма, называемая полуразомкнутой, применяется также для влажных топлив при сушке их продуктами сгорания, отобранными из верхней части топочной камеры. В области до смешения отработанного сушиль­ного агента с продуктами сгорания в процесс горения вступает подсу­шенная угольная пыль, горение которой вследствие повышения адиа­батической температуры протекает при более высоком температурном уровне. Зона горения освобождается от инертных газов, используемых в качестве сушильного агента, и водяных паров, выделяющихся при подсушке топлива. При этом повышается действующая концентрация кислорода и уменьшается объем, а следовательно, суммарная теплоем­кость газов, что ускоряет рост температур за счет тепла химического реагирования. Все это способствует интенсификации процесса горения.-

В топках с встречным расположением горелок, благодаря лучше­му перемешиванию в факеле потоков из различных горелок, горение может протекать практически при отсутствии химического недожога и с минимальными потерями от механического недожога при меньшем избытке воздуха по сравнению с топками с фронтальной компоновкой горелок.

Данные по рекомендуемому количеству первичного воздуха, полу­ченные из длительного опыта эксплуатации, приведены в табл. 20-1.

При сжигании бурых углей с большим выходом летучих, воспламе­нение которых наступает легче, количество первичного воздуха можно увеличить до 40—50% Для улучшения смесеобразования и обеспечения. интенсивного горения кокса, находящегося после воспламенения в рас­каленном активном состоянии. Увеличение количества первичного воз­духа необходимо также для подсушки влажных углей в системе пыле - приготовления, в которой часто в качестве сушильного агента исполь­зуется горячий воздух. Бурые угли, имеющие большой выход летучих, сжигают при грубом размоле (i?9o = 50^60%), химический недожог при этом практически отсутствует, а механический не превышает 0,5—1%.

При сжигании каменных углей рекомендуется уменьшать количе­ство первичного воздуха до 25—35%, а при сжигании АШ, производи­мом обычно при тонком размоле (-/?эо~8%) и избытке воздуха ат = = 1,25, — до 20—25%. При таких условиях горение протекает с механи­ческим недожогом — 3—5% •

При сжигании бурых углей тепловое напряжение объема топочной камеры по условиям горения может быть повышено до 185 кВт/м3
[170 Мкал/м3-ч)], если это допустимо по условиям охлаждения газов,, при каменных углях — до 175 кВт/м3 [150 Мкал/(м3-ч)], а при сжига­нии АШ рекомендуется ее снижать до 140 кВт/м3 [120 Мкал/(м3-ч)]л

Тепловое напряжение поперечного сечения топки на один ярус горе­лок составляет до 1,0—1,8, а общее — 2,0—6,0 МВт/м2 (см. табл. 20-2).

Открытые и полуоткрытые топки со встречной компоновкой вихре­вых горелок нашли широкое применение на парогенераторах произво­дительностью 42 и 64 кг/с (150 и 230 т/ч) при расположении горелок на боковых стенах для сжигания бурых и каменных углей с твердым* а АШ, ПА и тощих углей — с жидким шлакоудалением и на парогене­раторах блоков 300 МВт и более при двухъярусном расположении го­релок на фронтовой и задней стенах для сжигания слабореакционных топлив с жидким шлакоудалением.

На прямоточных парогенераторах с горизонтальной навивкой труб для сжигания антрацитов и тощих углей при жидком шлакоудалении успешно применяется топка со встречным расположением щелевых го­релок БПК-ОРГРЭС на боковых стенах, так как в этих агрегатах име­ется возможность удобно разводить трубы.

Для топок с промбункером и подачей пыли горячим воздухом важ­ным является выбор места сброса отработанного сушильного агента в топку. На средних и мощных парогенераторах обычно сбросные сопла устанавливаются на боковых стенах. При значительной ширине топки сбросной воздух, которого обычно значительно больше, чем нужно для сжигания содержащегося в нем топлива, плохо смешивается с топоч­ными газами и плохо используется в процессе горения. Поэтому в этих топках отработанный сушильный агент подается в топку через каналы вторичного воздуха или через специально предусмотренные каналы горелок.

Расчетные характеристики камерных топок при сжигании пылевид­ного топлива с твердым и жидким шлакоудалением для парогенерато­ров производительностью выше 75 т/ч приведены соответственно в табл. 19-5 и 21-1.

20- 4. ТОПКИ С УГЛОВЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ГОРЕЛОК

На парогенераторах производительностью от 33 до 66 кг/с (120—■ 240 т/ч) для сжигания бурых и каменных углей нашли применение однокамерные топки с угловой компоновкой горелок, ко­торые располагаются на боковых стенах вблизи углов топки. При угловой компоновке горелки размещают в один, два или большее чис­ло ярусов по одной из следующих схем: с направлением осей танген­циально к воображаемому кругу в центре топки (рис. 20-8,«), с диаго-

Нальным (рис. 20-8,6) и с блочным (рис. 20-8,в) направлением осей. Угловая тангенциальная компоновка испытана и на более мощных парогенераторах с разделением топки двусветными экранами на не­сколько параллельных отсеков, а также в топке, выполненной в виде двухвихревой камеры.

Ниже дано описание аэродинамики топки с угловыми горелками при указанных трех способах компоновки горелок на основании резуль­татов экспериментальных исследований на изотермических моделях и приведены основные характеристики их работы.

Тангенциальная компоновка. Ось горелок образует с при­легающими стенами неравные углы с тем большей разницей, чем силь­нее вытянута топка в плане.

В топках (рис. 20-9,а) с сечением (с отношением сторон) близким к квадратному А/В = 1-т-1,2, отношением диаметра условной окружно­сти, к которой по касательной направлены оси горелок, к стороне В 4У/В^0,2 струи, втекающие в камеру, отклоняются от направления осей горелок в сторону прилегающих стен, с которыми оси составляют меньший угол. Сливаясь в общий поток, струи образуют вихрь с вер­тикальной осью вращения, который по мере подъема раскручивается и далее движется вдоль стен.

В области горелок поток движется почти горизонтально, а по мере движения вверх угол подъема увеличивается и достигает примерно 30°. В углах топки вследствие прямого удара в стену поток растекается и угол подъема его увеличивается. Часть потока под небольшим углом направляется вниз, развиваясь также в виде вихря.

Выше горелок центральная часть топки занята опускным вялым потоком, скорость которого равняется примерно 0,2 скорости истечения из горелок, а ниже горелок — восходящим осевым потоком. Опускной, л также и восходящий осевой поток под действием основного потока по периферии слегка закручены.

Факелы отклоняются от осей горелок под действием большего раз­режения, образующегося в меньшем углу ац, и удара соседней струи (см. рис. 20-8).

При отношении суммарной высоты горелок, установленных в одном углу, к ширине горелки 2/г/2605^4 и йу/В = 0,084-0,12 не наблюдается- активного динамического воздействия факелов на стены топки, . что - является благоприятным для бесшлаковочной работы топок с твердым шлакоудалением.

С увеличением и 2/г/2Ь0 (рис. 20-9,6) отклонение от осей горе­лок увеличивается. При этом увеличивается протяженность нисходя­щего осевого потока, а восходящий осевой поток в нижней части* уменьшается и, наконец, по всей высоте центральной части камеры, устанавливается нисходящее течение. Изменяется и аэродинамика по­токов на уровне горелок. Факелы, вытекающие из горелок, имеющих меньший угол (XI между осью и нормалью к боковой стене, на которой установлена горелка (см. рис. 20-8), отклоняются и набегают на фрон­товую и заднюю стены под углом атаки, доходящим до 60°, создавая опасные условия по шлакованию. Факелы, вытекающие из горелок, установленных под большим углом сх2, с отрицательным углом атаки прилипают к стенам, на которых установлены горелки. Расстояние, на котором происходит удар факела в фронтовую и заднюю стены, и угол атаки зависят от величин углов а1 и и относительной высоты горелок.

С точки зрения описанной аэродинамики становится понятным на­блюдающийся характер шлакования при тангенциальной схеме установ­ки горелок (рис. 20-8,а). При топочном вихре газов по часовой стрелке шлак налипал на левом крае фронтовой стены и на правом крае задней стены. При вращении топочного вихря против движения часовой стрел­ки налипание шлака имеет место на правом крае фронтовой и левом: крае задней стен топки.

Чем сильнее вытянута топка в плане, т. е. чем больше она откло­няется от квадратной формы, тем больше разница между углами, об­разованными осью горелки и прилегающими стенами. Вследствие этого1 отклонение струй под действием удара и перепада давления увеличи­вается, увеличивая опасность шлакования.

Диагональная компоновка. Оси всех горелок пересекают­ся в центре топки, факелы образуют две эффективно действующие друг на друга группы струй (рис. 20-8,6). Первая группа образуется струями, вытекающими из горелок 1 и 2, а вторая — струями из горе­лок 3 и 4. Взаимодействие этих групп струй определяет характеристи­ку аэродинамики топки. В квадратной (в плане) топке при одинаковом количестве движения вытекающие из сопл струи распространяются вдоль своих осей и соударяются в центре топки. В топке, имеющей' в плане прямоугольное сечение, струи каждой группы до столкновения в центре топки сливаются в единый поток. Под действием повышенного давления в центре топки, образующегося в результате удара струй, от места столкновения вверх и вниз устремляются потоки с большой ско­ростью. Область у стенок непосредственно над факелами занята значи­тельными вихревыми зонами.

Основная масса газов движется вверх. Вначале сечение этого пото­ка несколько уменьшается. Затем в процессе турбулентного расшире­ния по свободным границам, сопровождающегося тормозящим эффек­том, оказываемым вихревыми зонами, скорость в восходящем потоке падает. Поток расширяется и на выходе из топки занимает почти все се сечение. Нижний поток разделяется на две ветви, которые в холод­ной воронке образуют вихри и вновь поступают в факел у боковых стен.

Однако такой режим неустойчив. При увеличении расхода в одной - из групп струй аэродинамика изменяется. Место соударения смещается 436 к стене, гор елочные струи которой имеют меньшее количество движе­ния. К той же стене перебрасывается подъемный поток. С другой стороны устанавливается опускной поток, который стекает к факелу, образуя огромный, но вялый вихрь. Нижний поток также отклоняется к стене, расход смеси через горелки которой меньше, и, омыв холодную воронку, втекает в корень противоположных факелов, образуя в холод­ной воронке энергичный вихрь.

Блочная компоновка. В топке с угловой блочной компонов­кой горелок (рис. 20-8,в) при равных количествах движения струи из горелок противоположных боковых стен образуют два потока, которые затем устремляются друг к другу. После соударения газы направляют­ся в центральный неустойчивый восходящий поток. При превышении количества движения с какой-либо стороны или при каком-либо слу­чайном возмущении поток смещается к противоположной стене, у кото­рой стабилизируется восходящий поток. При. прямоугольной топке наи­более вероятно прижатие потока к одной из широких стен.

Благодаря описанному характеру аэродинамики в топках с угловы­ми горелками зажигание устойчивое. Основными недостатками их явля­ются недостаточно интенсивное протекание процесса горения и сравни­тельно сильное шлакование, в особенности имеющее место при твер­дом шлакоудалении из топки. На уровне горелок наблюдается местное шлакование. Выше горелок имеет место сравнительно равномерное общее шлакование всех стен вследствие омывания их газами.

Топки с угловым тангенциальным расположением горелок ра­ботают более эффективно при выполнении их с поперечным сечением, близким к квадратному, с отношением сторон не более 14-1,2. В этом случае уменьшается динамическое воздействие факелов на стены, что снижает опасность шлакования, уменьшается также центральный вихрь продуктов сгорания. В топках с диагональной и блочной компоновкой горелок наблюдается шлакование фронтовой и задней стен, в особенно­сти в гибах скатов холодной воронки. Неустойчивая аэродинамика этих топок усиливает опасность шлакования.

С целью использования газового регулирования температуры пере­грева пара изменением положения факела по высоте топки в ряде слу­чаев применялись угловые прямоточные горелки, сопла первичного и вторичного воздуха которых поворачиваются вокруг горизонтальной оси. Это одновременно расширяло возможности по наладке и предот­вращению шлакования в топке.

Топки с угловыми горелками имеют повышенную эжекцию газов из окружающей среды в основной поток и повышенную интенсивность теплоотдачи из него. В результате этого в реагирующем потоке умень­шается аккумуляция тепла, выделяющегося при горении топлива, и температуры в факеле стабилизируются на недостаточно высоком уров­не (см. § 5-9 и 16-4), что обусловливает недостаточно интенсивное про­текание процесса горения. Эти неблагоприятные условия в топке с тан­генциальной компоновкой связаны с разобщенным распространением факелов горелок, расположенных в разных углах топки, и движением газового потока, образующегося после слияния струй, вдоль экраниро­ванных стен, а в топках с диагональной или блочной компоновкой — С'движением основного потока на значительной высоте с неполным за­полнением сечения топочной камеры.

При недостаточно интенсивном горении и сравнительно невысоких температурах уменьшается доля топлива, сгорающего в ядре факела, и увеличивается его доля, выгорающая в зоне дожигания факела. Это 29—541 437 приводит к уменьшению радиационной теплопередачи в топочной каме­ре и к повышению температуры газов на выходе из топки, что часто» вызывает шлакование фестона и первых по ходу газов конвективных поверхностей нагрева.

При жидком шлакоудалении горение в этих топках интенсифици­руется, а опасность шлакования уменьшается.

Во избежание чрезмерной интенсивности вращения вихря скоро­сти пылевоздушной смеси и вторичного воздуха на выходе из угловых горелок в тангенциальной топке рекомендуются не выше 30—40 м/с. Такие же скорости рекомендуются при диагональной и блочной компо­новке горелок.

В топке с тангенциальным расположением горелок обогрев стек равномерен, В топках с угловым расположением горелок схема пылепро - водов и воздухопроводов сложнее, пылепроводы получаются более длинными и имеют больше гибов. Повороты нарушают равномерное распределение пыли, повышают износ пылепроводов и потерю напора в них. Размещение горелок в углах задней стены часто затруднено из-за близости конвективной шахты.

При проектировании топок с угловыми горелками можно пользо­ваться расчетными характеристиками камерных топок, приведенным® в табл. 19-5 и 21-1.