ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ТОПКИ С ФРОНТАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ГОРЕЛОК

При обычно применяемом расположении среднеходных и молотко­вых мельниц перед фронтом парогенераторов, а также в случае топок с прямым вдуванием и шаровыми барабанными мельницами наиболее конструктивной и удобной в эксплуатации является фронтальная компоновка вихревых или прямоточных горелок (рис. 20-1,а и б). При такой компоновке пылепроводы получаются короткими, одинаковой дли­ны и однотипными. При однотипных пылепроводах облегчается равно­мерное распределение пылевоздушной смеси по отдельным горелкам. Отсутствие крутых гибов способствует более равномерному распределе - 422

Вию пыли по сечению пылепроводов. Воздуховоды к горелкам получа­ются короткими и простой конструкции. Горелки, воздухопроводы к ним и их органы управления более доступны для ремонта и обслуживания. В парогенераторном це*хе у всех парогенераторов горелки выносятся на единый, открытый фронт обслуживания, боковые и задняя стены не загромождены пылепроводами и воздухопроводами. Значительно упро­щается общая компоновка системы пылеприготовления с молотковыми ж среднеходными мельницами и мельницами-вентиляторами.

Однако по совершенству организации топочного процесса фронтовая »компоновка горелок значительно уступает встречной, а также и угловой компоновкам. В топках с фронтальными горелками плохо используется топочный объем, зажигание недостаточно устойчиво, горение протекает менее интенсивно. Эти топки более подвержены шлакованию.

Недостатки в работе топок с фронтальными горелками проистекают из неудовлетворительной аэродинамической организации топочного про­цесса. Аэродинамика топки с фронтальными щелевыми горелками, ис­следованная на воздушных моделях, представлена на рис. 20-2 и 20-3.

Фотографический снимок (рис. 20-2), сделанный со стороны прозрачной боковой стенки модели при искровом моделировании, позволяет составить представление об общей аэродинамике топки. От горелок «факел» движется горизонтально, ударяется в заднюю стенку и делится на два потока. Один из них опускается вниз, образуя вихрь, занимающий всю холодную воронку, и вновь поступает в факел вблизи передней стены. Второй поток вдоль задней стены поднимается вверх. На начальном участке факел эжектирует газы из окружающей среды, создавая некоторое разрежение. Под действием появляющегося перепада давления избыточное количество газа отделяется от потока и направляется к фронтовой стене, компенсируя расход газа из окружающей среды в факел. Так образуется второй вихрь в топке над факелом в области, примы­кающей к фронтовой стене. Основное количество газа, соответствующее расходу через горелки, из восходящего поток?, направляется на выход из топки.

Таким образом, в аэродинамике топки с фронтальным расположе­нием горелок можно выделить три ярко выраженные зоны: большой верхний вялый вихрь, примыкающий к фронтовой стене, нижний актив­ный вихрь, занимающий холодную воронку, и узкая полоса шириной примерно в одну треть глубины топки, по которой вверх движется ос­новной поток.

Для количественного определения расхода газа в названных трех зонах в соответствующих сечениях были сняты скоростные поля, кото­рые изображены на рис. 20-3 с ука­занием величины расхода в каждом из них. На том же рисунке изобра­жены линии тока, проведенные так, что расход между двумя соседними линиями составляет 10% от'началь - ного расхода газа через горелки (?о. Вихрь /в холодной воронке весьма энергичный. В нем расход составля­ет ~85% от начального расхода га­за через горелки. В вихре большая часть газов движется по периферии со скоростью (0,15-7-0,2) ^о, где Wo — скорость на выходе из горелок. После выхода из сопл по мере рас­пространения струи эжектируют газ из окружающей среды, в результате чего расход в струях увеличивается и у задней стены составляет пример­но 205%. В восходящем потоке па мере продвижения расход увеличи­вается от 122% начального расхода в первом сечении до 161,5% в треть­ем сечении. Поток, соответствующий основному расходу газа (без расхо­да в вихре), в общем восходящем потоке занимает ширину, равную 0,29 глубины модели. Верхний вихрь имеет продолговатую форму и зани­мает пространство у передней стенки топки над факелом вплоть до по­толка камеры, а по глубине топки за­нимает почти две трети ее, но дви­жение в этом вихре происходит менее интенсивно, чем в нижнем вихре. Поступление газов в факел со стороны нижнего вихря значительно больше, чем со стороны верхнего.

При установке горелок под некоторым углом вверх аэродинамика топки качественно не изменяется, только вихрь в холодной воронке ста­новится менее мощным.

На основании приведенных результатов экспериментальных иссле­дований можно сделать следующие выводы относительно влияния аэро­динамики топки с фронтальными горелками на процесс горения. Нали­чие вихрей у корня факела способствует зажиганию. Из вихрей горячие газы увлекаются в факел, нагревают горючую смесь и подготовляют ее к воспламенению. По количеству газов, поступающих в корень факела, основным для обеспечения зажигания является нижний вихрь. Однако

Вследствие охлаждения газов при омывании ими скатов холодной ворон­ки температура газов до поступления в корень факела может значитель­но понизиться.

Отрицательно влияют также присосы воздуха в холодную воронку и практикуемая в некоторых системах подача части вторичного воздуха через устье холодной воронки. Эти потоки воздуха, поступая в нижний вихрь, понижают температуру поджигающих газов.

Вследствие недостаточно высоких температур в очагах зажигания, в особенности при применяемой в этих случаях замкнутой схеме сушки

425

Топлива со сбросом водяных паров в зону воспламенения, в факеле устанавливаются недостаточно благоприятные температурные и концен­трационные условия для воспламенения и горения. Согласно § 9-7 в та­ких условиях зажигание можно усилить за счет уменьшения теплоотво­да из зоны реагирования, уменьшения скорости первичного воздуха до 20—25 м/с и ее поперечных градиентов, а также ограничения коли­чества первичного воздуха. С этой целью для топки, изображенной на рис. 20-1,6, прямоточные горелки выполнены с внешней подачей первич­ного воздуха и с плавно раскрывающимся раструбом, при котором за­жигание усиливается аэродинамическим торможением периферийных слоев факела (§ 9-7, рис. 9-10).

При недостаточно устойчивом зажигании приходится снижать ско­рость на выходе из горелок. Это приводит, с одной стороны, к увеличе­нию и, х выходного сечения, а с другой — уменьшению скорости турбу­лентного распространения пламени. В результате увеличивается длина зоны воспламенения. Это вместе с понижением интенсивности горения, которое вызвано увеличением теплоотвода, обусловливает расположе­ние ядра горения у задней стены топки при несколько пониженных тем­пературах в нем.

Ухудшены условия реагирования и в зоне догорания. Развивающие­ся в топке мощные вихри занимают значительную часть топочного про­странства, стесняют основной поток, уменьшая его сечение, и сущест­венно уменьшают заполнение топочного пространства факелом. При этом рециркуляция продуктов сгорания увеличивается, что уменьшает действующую концентрацию кислорода. В потоке с пониженной концен­трацией кислорода и с несколько пониженной турбулентностью, из-за отсутствия вторичной турбулизации и успокоения потока по мере паде­ния скорости выгорание кокса в основном участке факела протекает замедленно, что приводит к повышенным механическому и химическому недожогу.

Выгорание основной массы топлива происходит в узкой полосе вос­ходящего потока, примыкающего к задней стене и занимающего пример­но треть глубины топки. Сравнительно высокие скорости в этом потоке сокращают время пребывания топлива в топочном пространстве и ис­пользуемый объем топки. Таким образом, высота, а следовательно, и объем топки с точки зрения организации сжигания определяются условиями горения в этой узкой полосе. С учетом выгорания в нижнем вихре используемый объем топки составляет ~55—65% ее общего объема.

Недостаточно интенсивное протекание процесса горения в ядре факела и его растянутость приводят к тому, что температуры в факеле недостаточно высоки, вследствие чего уменьшается теплоотдача в ниж­ней части топки. Уменьшение теплоотвода от факела в нижней части топки, а также увеличение доли топлива, сгорающего в зоне догорания, приводят к повышению температуры на выходе из топки. Это создает опасные условия шлакования верха топки и первых по ходу газов кон­вективных поверхностей. Имеется также опасность шлакования задней стены топки под динамическим воздействием факела.

В топках с фронтальной компоновкой горелок ограничены возмож­ности интенсификации процесса выгорания. Все воздействие на аэроди­намику факела ограничивается выбором соответствующей конструкции горелок, направления струй и величины выходной скорости. По мере распространения струй в топке это воздействие ослабевает. Зона зажи­гания факела становится практически неуправляемой.

Расположение ядра факела у задней стены и направление основного газового потока вдоль нее приводят к неравномерному обогреву стен топки. Наибольшему обогреву подвержена задняя стена, а меньшему— фронтовая.

При использовании молотковых мельниц, мельниц-вентиляторов и среднеходных мельниц целесообразно применять прямоточные горелки, обладающие меньшим сопротивлением. В случае использования ШБМ благодаря высокому располагаемому напору мельничных вентиляторов чаще применяют вихревые горелки.

Топки с промбункером и фронтальным расположением горелок при­меняются ограниченно. Из-за недостаточно устойчивого зажигания эти топки не рекомендуются для работы на слабореакционных топливах с малым выводом летучих — АШ, полу антрацитах, тощих и каменных углях, для размола которых преимущественно применяют шаровые ба­рабанные мельницы. В случае топок с шаровыми барабанными мельни­цами применение фронтальной компоновки горелок может быть связано с принятием нового метода организации топочного процесса или с от­дельным конкретным случаем. Топки с молотковыми мельницами и промбункером при фронтальном расположении горелок применяются редко. Они используются при сжигании высоковлажных топлив для обеспечения достаточной их подсушки или при необходимости получения высоких температур в нижней части топки с жидким шлакоудалением.

Фронтальную компоновку широко применяют на парогенераторах, работающих на газовом топливе и мазуте.

Для топок с промбункером воздушный баланс рассчитывается по уравнению (17-18) или (17-19). При схеме с подачей пыли частью от­работанного сушильного агента доля / отработанного сушильного агента, используемая для подачи угольной пыли, и доля пыли по­даваемая через основные горелки в расчете по количеству сырого топ­лива, из которой она получена, может определяться:

0</<1, Я = гщ+ (1— Т]Ц)/, а (1— я) = (1— т]ц) (1— /), где г)ц+(1—г]ц) / и (1—г]Ц) (1—I) —соответственно количество пыли, по­даваемой через горелки и через сбросные сопла в расчете на 1 кг сы­рого топлива.

Согласно (17-18) уравнение воздушного баланса записывается в следующем виде:

(®1 “I- &2) [т]ц -|- (1 — т]ц) /] -|- асбр (1 — т|ц) (1 — /) -]- Дат = ат. (20-1)

Коэффициент избытка воздуха в сбросных соплах определяется по уравнению

(1 _ а у°-с-а

Асбр = (1 — тц) (1 — /) V® ’ (20_2^

В котором количество воздуха в отработанном сушильном агенте у°-са следует рассчитывать по уравнению (17-17). При схеме с подачей пыли горячим воздухом и полуразомкнутой схеме воздушный баланс рассчи­тывается по уравнению (17-21). Для топочных устройств с разомкнутой системой пылеприготовления воздушный баланс рассчитывается по урав­нению (17-24).