Размещение горелок и работа топочных устройств

Для котлов с горизонтальной ориентацией топки наиболее характерной является фронтовая компоновка горелок на передней стенке. С точки зрения надежности наилучшим вариантом является установка в горизонтальной топке одной горелки. При установке двух горелок оптимальным вариантом является компоновка их одна над другой. Для этих вариантов компоновки наиболее эффективно применение прямоточных или прямоточно-завихривающих горелок. При одногорелочной компоновке положение максимума излучения прямоточного факела сдвигается в глубину топки, что приводит к уменьшению численного значения максимальных тепловых потоков на экраны. В случае двухгорелочной компоновки такой же эффект в длинной горизонтальной топке достигается затягиванием процесса горения накладкой факелов.

Для варианта компоновки двух вихревых горелок необходимо учитывать взаимодействие закрученных струй. Односторонняя закрутка потоков (рис. 22, б) снижает тангенциальную составляющую скорости потока в межгорелочной зоне и вызывает асимметрию факела. При противоположной закрутке (рис. 22, а) в межгорелочной области отсутствуют нулевые скорости и факел почти не отклоняется. В зоне накладки факелов их скорости суммируются, вследствие чего активизируется процесс горения и уменьшается неравномерность тепловых потоков на стены топки. Рекомендуемая установка таких горелок приведена на рис. 22, а.

Рис. 22. Взаимодействие закрученных струй вихревых горелок:

а) противоположная закрутка струй; б) односторонняя закрутка струй

На котлах с вертикальной топочной камерой наибольшее распространение получили однофронтовая, встречная, тангенциальная и подовая компоновка горелок (рис. 23).

Рис. 23. Компоновка горелок:

а) фронтовая; б) встречная лобовая (ударная);

в) угловая тангенциальная; г) подовая; w − скорость потоков

При фронтовой компоновке горелочные устройства монтируются на передней стенке топки в один или несколько ярусов. Расстояние между осями соседних горелок яруса, от осей крайних горелок до стен топки, а также между ярусами горелок принимается не менее 2,5 D_гу; расстояние от нижнего яруса горелок до пода топки − также не менее 2,5 D_гу. При более тесной компоновке возрастает взаимодействие соседних горелок, при этом факел становится длиннее, возрастают неполнота сгорания и температура газов на выходе из топки. Длина горизонтальной и вертикальной составляющих общей длины факела определяется по известным зависимостям [3]. Глубину топочной камеры следует принимать на 5…10 % больше l_фг; высоту камеры от отметки осей верхнего яруса горелок рекомендуется принимать не менее чем на 5...10 % больше l_фв при фронтовой и встречной компоновке горелок и на 5 % − при тангенциальной. Преимущества однофронтовой компоновки горелок: простая система подвода воздуха к горелкам, удобство их обслуживания; недостатки: сложность достижения равномерного распределения воздуха по отдельным горелкам, возможность касания факелом противоположной стенки (экранов), неравномерность заполнения топочного объема факелами.

Встречная компоновка характеризуется интенсивным взаимодействием факелов, при соударении факелов повышается турбулентность потока, что интенсифицирует процесс горения. Недостатки такой компоновки: неравномерность избытка воздуха и температуры газов по ширине топки на выходе из неё, необходимость и сложность равномерной раздачи воздуха и топлива на фронтовую и заднюю группу горелок, а также по ширине топки.

При тангенциальной компоновке оси горелок, монтируемых по углам топки, направляются по касательной к воображаемой окружности (в центре топки) с радиусом r = (0,2...0,3)R, где R – радиус окружности, вписанной в план топки квадратного сечения. Рекомендуется устанавливать не менее двух ярусов горелок, в каждой из которых закручивается 25...30 % всего количества подаваемого воздуха. При снижении нагрузки котла следует отключать встречно расположенные пары горелок по ярусам. Нарушение этого правила приведет к перекосу общего факела.

При тангенциальной компоновке наблюдается хорошее заполнение факелом топочного объема, температурное поле в сечениях топки равномерное (рис. 24), а эффективное перемешивание потоков в поперечном сечении топки повышает интенсивность и качество горения, а также и q_v при прочих равных условиях. В конце топки более низкая средняя температура, что говорит о более высоком тепловосприятии экранов по высоте топки.

К достоинствам тангенциальной компоновки относится также снижение требований к точности распределения воздуха и топлива по отдельным горелкам. Если при фронтовой и встречной компоновках при сжигании топлива с α = 1,03 точность распределения должна быть около 5 %, то при тангенциальной − отклонение распределения может достигать 20...25 % даже при минимальных избытках воздуха. Недостатками такой компоновки являются сложность конструкции и обслуживания топливовоздушной системы, а также наличие значительных тепловых потоков в поясе горелочных устройств.

Рис. 24. Распределение температуры на выходе из топки

при различной компоновке горелок:

1 − тангенциальной; 2 − фронтовой; 3 − встречной

Подовая компоновка по организации смесеобразования и характеристикам горения мало отличается от фронтовой или встречной. Однако особенности сжигания топлива и теплообмена в топке, присущие такой компоновке, способствуют все более широкому её применению. Достоинства подовой компоновки: возможность применения меньшего количества комбинированных горелок большей мощности; например, на котле типа ТГМ-204П установлено двенадцать подовых газомазутных горелок вместо тридцати шести при встречной их компоновке; ядро горения (зона максимальных тепловых потоков) располагается в части топки, где энтальпия водопаровой среды относительно невысока, что повышает надежность экранных труб; локальные тепловые нагрузки снижены за счет наложения факелов и затягивания процесса горения; горение происходит без химнедожога при минимальных избытках воздуха (α < 1,02); более эффективное (на 15…20 %) заполнение факелом топочного объема. Недостатком подовой компоновки является необходимость иметь дополнительное пространство для установки и обслуживания горелочных устройств, располагаемых ниже пода, что приводит к увеличению общей высоты котла.

Процесс смесеобразования в конце горящего факела и на выходе из топки в значительной степени затруднен вследствие расслоения потока, особенно в котлах с П-образной вертикальной компоновкой: факел перемещается к заднему экрану, температура газового потока в сечении возрастает к заднему экрану, а избыток кислорода − к переднему. Причина такого явления заключена в особенностях горячей аэродинамики в поворотной камере газохода: наименее нагретые (наиболее плотные) объемы газов отжимаются при движении в сторону большего радиуса поворота, наиболее нагретые движутся по траекториям меньшей кривизны; температура выше у той части потока, где активнее протекает горение, поэтому в ней содержится меньшее количество непрореагировавшего кислорода.

Расслоение потока не сказывается на работе топки при α l,08, но при меньших значениях избытка воздуха факел может затягиваться в конвективные поверхности нагрева. Для устранения явления расслоения потока используется подача вторичного воздуха через сопла, установленные в верхней части заднего фронта котла или верхняя часть заднего фронта выполняется с выступом внутрь топки («носом»), который перекрывает 20…30 % выходного сечения топки. Однако наиболее радикальной мерой борьбы с этим явлением следует считать применение тангенциальной компоновки горелочных устройств.

Вопросы для самопроверки

1. Какие горелки используются для сжигания пылевидного топлива? В чем особенность конструкции щелевой горелки?

2. Объясните принципы конструирования топок с пылеугольными горелками.

3. Поясните особенности горения смеси топлив.

4. Какие горелки используются при сжигании смеси топлив? Назовите конструктивные особенности этих горелок.

5. Какие устройства для сжигания топлив используются на Вашем предприятии? Опишите их достоинства и недостатки.

Заключение

Из крупнейших угольных бассейнов страны, расположенных за Уралом – Кузнецкого и Канско-Ачинского, последний относится к категории бассейна низкосортного угля вследствие высокой влажности (до 45 %). Вместе с тем этот уголь является одним из самых дешевых в стране, в частности, благодаря возможности его открытой добычи. К низкосортным энергетическим топливам относятся также отходы углеобогащения (шлам, промпродукт), горючие сланцы, торф, растительные отходы и др. Роль низкосортных топлив в топливно-энергетическом балансе страны становится все более существенной, и в перспективе низкосортное топливо станет основным среди твердых органических топлив, сжигаемых на электростанциях.

Достижения современной топочной техники, разработка и внедрение новых технических решений при сжигании высокозольных и высоковлажных топлив, таких как сжигание в кипящем слое, сжигание в виде водоугольных суспензий и др., открывают реальные перспективы высокоэффективного использования топлив низкой калорийности. Разработанные отечественными учеными теоретические основы комплексного использования органических топлив, в том числе низкосортных, практическая реализация новых методов топливоподготовки открывают возможности перехода энергетики страны на новую ступень технического прогресса. При комплексном использовании сегодняшнее низкосортное топливо станет ценнейшим технологическим и энергетическим ресурсом для получения наряду с электроэнергией спектра товарных продуктов и химического сырья.

Вступление России в полосу кризисов, в том числе энергетического, создает предпосылки для развития энергетики на базе использования дешевых и легкодоступных низкосортных местных топлив и горючих отходов. Обычно доля топлива в стоимости отпускаемой теплоты составляет 40 – 60 %. Поэтому переход от использования дорогих энергетических углей, газа и мазута к бесплатным горючим отходам и дешевым местным топливам дает существенные выгоды. Кроме того, применение своих топлив, разработка торфяников и местных месторождений низкосортных углей хотя и потребует затрат на ведение этих работ, но в целом также скажется положительно благодаря открытию новых рабочих мест в удаленных регионах. К тому же сжигание отходов, т. е. огневое обезвреживание горючих отходов, – это наиболее простой и эффективный способ кардинального решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнений. Сжигание отходов помогает существенно поднять экономическую устойчивость и рентабельность предприятия еще и за счет исключения затрат на экологические штрафы, на вывоз отходов, мусора и на содержание предприятием пожароопасных свалок отходов.

В структуре себестоимости производства продукции энергетическая составляющая имеет преобладающее значение. Поэтому с учетом резкого удорожания и дефицита высококалорийных энергоносителей возникла необходимость создания технологий и оборудования для получения тепловой и электрической энегии на основе возобновляемых и местных видов топлива (отходы деревообработки, сельскохозяйственного производства, промышленные отходы и т. д.), стоимость которых в настоящее время примерно в 10 – 12 раз ниже стоимости традиционных топлив.

Одним из эффективных направлений использования в энергетике твердых топлив и горючих отходов промышленного и сельскохозяйственного производств является, кроме прямого сжигания в топках, их предварительная переработка в горючие газы различного назначения. Получаемый в газогенераторах газ может быть использован как топливо в энергетических установках, технологических процессах, транспортных и стационарных силовых машинах.

К настоящему времени разработано большое количество разнообразных методов газификации твердого топлива и конструкций газогенераторов в зависимости от назначения газа, качества исходного топлива и конструкций газогенераторов, вида дутья, давлений и т. д. Преимуществом генераторного газа является возможность поддержания высокотемпературных процессов, лучшие условия сжигания и управления технологическим процессом, а также то, что его можно получать из низкосортных, менее дефицитных видов твердого топлива.

Необходим анализ степени воздействия на природную среду всех вредных выбросов энергетических установок при различных технологиях сжигания топлива и, как следствие, достижение экосовместимости технологий.

Выполненные исследования показывают, что одной из таких техноолгий для теплоэнергетики, направленной на защиту атмосферного воздуха и водного бассейна от выбросов NO_х, СО, сажи, тяжелых углеводородов, нефтепродуктов и других вредных веществ, является сжигание мазута в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ), а также природного газа с применением впрыска в камеру горения сбросных вод.