Организация сжигания топлива

Сжигание твердого топлива в неподвижном слое производится в специальных топках. Топка с неподвижным слоем может быть ручкой, полумеханической или механической с цепной решеткой. Различают топки с прямым (рис. 15, а) и обратным (рис. 15, б) ходом решеток 1, приводимых в движение звездочками 2. Расход топлива, подаваемого из бункера 3, регулируется высотой установки шибера 4 (рис. 15, а) или скоростью движения дозаторов 7 (рис. 15, б). В решетках с обратным входом топливо подается на полотно забрасывателями 8 механического (рис. 15, б, в) или пневатического (рис. 15, г) типа. Мелкие фракции топлива сгорают во взевешенном состоянии, а крупные – в слое на решетке, под которую подводится воздух 9. Прогрев, воспламенение и горение топлива происходят за счет теплоты, передаваемой излучением от продуктов сгорания. Шлак 6 с помощью шлакоснимателя 5 (рис. 15, а) или под действием собственного веса (рис. 15, б) поступает в шлаковый бункер. Структура горящего слоя представлена на рис. 15, а. Область III горение кокса после зоны II подогрева поступающего топлива (зона I) расположена в центральной части решетки. Здесь же находится восстановительная зона IV.

Сжигание твердого топлива в кипящем слое может быть организовано как в топке, так и в специальном предтопке (ванне). Кипящий слой может быть высоко- или низкотемпературным. Низкотемпературным (800…900 °С) слой будет при размещении в нем поверхностей нагрева. В отличие от неподвижного слоя, где размер частиц топлива достигает 100 мм, в кипящем слое сжигается дробленый уголь с мм. В слое содержится 5 – 7 % топлива (по объему).

Рис. 15. Схемы цепных решеток и типы забрасывателей топлива.

Пример топки парового котла, в которой твердое топливо сжигается в низкотемпературном кипящем слое, приведен на рис. 16.

В зоне низкотемпературного кипящего слоя размещены перегревательные 8 и испарительные 9 поверхности нагрева. Подача топлива в слой 3 происходит сверху, а ввод воздуха – из короба 6 через колпачки (рис. 16, б), расположенные по полотну решетки. Отвод золы из слоя осуществляется по золоотводу 7. Мелкие фракции топлива сгорают во взвешенном состоянии над слоем. Передача теплоты испарительным поверхностям 2 в топке 1, перегревателю 11 и экономайзеру 10 происходит, как в барабанном котле.

Для обеспечения надежности циркуляции среды в испарительных поверхностях 9, расположенных в слое, используется циркуляционный насос 5.

Рис. 16. Схема котла с топкой кипящего слоя: а) схема котла;

б) конструкция колпачка раздачи воздуха; 1 – топка котла;

2 – экранные трубы; 3 − кипящий слой; 4 – воздухораздающая решетка;

5 – циркуляционный насос; 6 − воздушный коробок; 7 – золоотвод;

8 – пароперегревательные поверхности; 9 − испарительные поверхности;

10 – экономайзер; 11 − пароперегреватель

Факельный способ сжигания твердого топлива производится преимущественно в мощных энергетических котлах. Для сжигания в факеле размолотое до пылевидного состояния и предварительно подсушенное твердое топливо подают с частью воздуха (первичного) через горелки в топку. Остальную часть воздуха (вторичный) вводят в зону горения чаще всего через те же горелки или через специальные сопла. В топке пылевидное топливо горит во взвешенном состоянии в системе взаимодействующих газовоздушных потоков, перемещающихся в ее объеме. При большем измельчении топлива значительно возрастает площадь реагирующей поверхности, а следовательно, химических реакций горения.

По условиям смесеобразования в горящем факеле топочная камера может быть разделена на две зоны. В качестве критерия такого разделения предлагается структура поля скоростей в топочной камере. В первой зоне поле скоростей имеет значительные локальные неравномерности, что обусловлено горением несмешивающихся факелов отдельных горелок. Во второй зоне эти неравномерности незначительны, что объясняется накладкой факелов отдельных горелок, их взаимодействием (рис. 17).

Рис. 17. Взаимодействие факелов в горизонтальной топке котла

Тепловое напряжение топочного объема связано с тепловым напряжением отдельной горелки. Объем горящего факела

, (89)

где S_ф − поперечное сечение факела; l_ф − его длина, w_см − скорость топливовоздушной смеси. Так как S ~ B, а l_а ~ В^m, то

, (90)

а тепловое напряжение факела

~ . (91)

Отсюда следует, что тепловое напряжение факела отдельной горелки уменьшается при прочих равных условиях пропорционально производительности горелки в степени m. Увеличение скорости w_см приводит к повышению q_vф. Распространяя эти положения на топку в целом, можно сказать, что при увеличении мощности топочного устройства для сохранения его экономичности и надежности необходимо уменьшать q_v при соответствующем увеличении q_F. Это положение справедливо при сохранении вида и характеристик сжигаемого топлива. При переходе на сжигание другого топлива необходимо уменьшать q_v, если у него большое время индукции τ _инд, и можно увеличивать q_v при меньшем τ_инд замещающего топлива. Так, при переходе с твердого топлива на газообразное q_v может быть увеличено в 3...4 раза без конструктивных изменений топки, мощность топки при этом возрастает на 30...50 % без ухудшения ее надежности и экономичности горения.

Надежность топочной камеры зависит также от местоположения максимума тепловыделения. Известно, что около 80...90 % топлива выгорает примерно на 50 % длины факела, т. е. максимальные тепловые потоки находятся в первой смесеобразовательной зоне топки. Допустимое значение локальных тепловых потоков определяется максимальной допустимой температурой металла экранных поверхностей топки, солесодержанием циркулирующей в экранах смеси (энтальпией среды в прямоточных и СКД-котлах) и скоростью ее движения. Следует отметить также, что с ростом локальных тепловых потоков возрастает генерация NO_x [4]. В любом случае снижение локальных тепловых потоков, равномерное распределение тепловыделения факела по длине (высоте) топки способствуют более надежной ее работе. Наилучшим с этой точки зрения является прямоточный факел, но при его использовании возрастают габариты топки. Применение вихревых горелок позволяет уменьшить длину факела l_ф и размеры топочной камеры, однако при этом увеличивается q_F, а зона максимального тепловыделения приближается к устью горелки. При сжигании мазута она располагается на расстоянии около 0,3 l_ф от устья горелки и 0,15 l_ф − при сжигании газа. Центр зоны максимального тепловыделения факела ортогонально проецируется на экранные поверхности, а радиус максимальных тепловых потоков на экраны может быть определен из выражения

, (92)

где В − производительность горелки, т/ч.

При установке вихревых горелок возрастает интенсивность перемешивания в первой зоне топки. Одной из задач топочного устройства является поддержание этой интенсивности по всей длине (высоте) топки. В значительной мере это достигается компоновкой горелок и конструкцией топочной камеры.

Другим фактором, оказывающим влияние на процессы смесеобразования в топочном устройстве под разрежением, являются неорганизованные присосы воздуха. Присосы в топке достигают 10…15 % (Δα = 0,1…0,15), а по всему тракту котла − до 30...45 %. Подача организованного воздуха через горелки уменьшается вследствие наличия присосов, смесеобразование ухудшается, так как присосный воздух в горении участвует неэффективно. К тому же наличие присосного воздуха снижает резервы по тяге дымососов, вследствие чего даже при незначительных загрязнениях поверхностей нагрева возникает недостаток тяги, что отрицательно сказывается на работе топки. При избытке воздуха на выходе из топки α _т = 1,02…1,03 и присосах в топку Δα_т = 0,1…0,13 подача организованного воздуха снижается до α 0,9, что нарушает нормальную работу горелок, приводит к росту длины факела и повышенному сажеобразованию. Поэтому снижать организованную подачу воздуха ниже α = 0,97…1,0 не рекомендуется, т. е. надежное и экономичное горение в топках котлов может быть обеспечено только при хорошем уплотнении топки и газового тракта.

Вопросы для самопроверки

1. Какое горение называется кинетическим видом горения? Как определяется скорость кинетического горения?

2. Когда наступает проскок пламени в горелку?

3. Какое горение называется диффузионным? Когда такое горение является ламинарным, когда − турбулентным? Чему равна скорость диффузионного горения?

4. Изобразите структуру турбулентного диффузионного факела.

5. Объясните пределы устойчивости горения ламинарного факела. Как осуществляется искусственная стабилизация пламени?

6. Какие методы используются для интенсификации сжигания газообразного топлива?

7. Рассмотрите классификацию горелок для сжигания газов.

8. Объясните физическую модель горения капли жидкого топлива. Изобразите схему факела жидкого топлива.

9. Какие форсунки применяются для распыления жидкого топлива? Объясните принцип их работы. Когда используется газомазутные горелочные устройства и какова особенность их конструкции?

10. Какие методы применяются для снижения вредных выбросов при сжигании мазута?

11. Объясните схему топливного тракта пылеприготовления.

12. Какова тонкость помола и зерновая характеристика угольной пыли?

13. Почему может произойти взрыв угольной пыли? Какие методы применяются для предотвращения этого процесса?

14. Объясните зависимость экономичности помола от размеров угольной пыли.

15. Какие углеразмольные мельницы используются для приготовления угольной пыли?

16. Каковы особенности индивидуальных схем пылеприготовления с прямым вдуванием и с пылевым промежуточном бункером?

17. Объясните физическую модель гетерогенного горения твердого топлива. Какие факторы влияют на удельную скорость горения углерода?

18. В чем особенность горения мелких и крупных частиц твердого топлива?

19. Какие факторы оказывают влияние на интенсификацию сжигания пылевидных топлив?