Общая схема котельной установки с естественной циркуляцией, работающей

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие «Котельные установки и парогенераторы» написано в соот­ветствии c программой одноименной учебной дисциплины по специальности 140104 (100700) «Промышленная теплоэнергетика».

Основную направленность содержания настоящего учебника авторы видят в раскрытии и анализе рабочих процессов, протекающих в энергетических котлах, что соответствует характеру подготовки специалистов как инженеров эксплуатационно – наладочного профиля.

В учебном пособии приводится общее устройство парового котла и раскрывается современное конструктивное выполнение его поверхностей нагрева, позво­ляющее показать характер аэродинамических, гидравлических, механических и физико – химических процессов в различ­ных элементах котла.

Раздел, связанный с котельным топливом и технологией его сжигания, изложен в несколько сокращенном объеме в части подготовки топлив к сжиганию, поскольку в учеб­ном плане эти вопросы изучаются в дисциплине «Топливо и теория горения». Основное внимание уделено организации сжигания, конструкции топочных устройств и экономичности работы парового котла.

В учебном пособии отсутствует раздел, связанный с методикой теплового и аэродинамического расчета элементов котельного агрегата, так как эти вопросы изложены в учебном пособии С.Н. Смородина, А.Н. Иванова «Тепловой и аэродинамический расчеты котельных установок».

Учебное пособие сопровождается большим числом иллюстраций и принципиальных схем для лучшего усвоения материала.

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В котельной технике применяют следующие термины и определения:

Котел – устройство, в котором для получения пара или нагрева воды с давлением выше атмосферного, потребляемых вне этого устройства, используется теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива, а также теплота отходящих газов. Котел состоит из топки, поверхностей нагрева, каркаса, обмуровки. В котел могут также входить: пароперегреватель, поверхностный экономайзер и воздухоподогреватель.

Котельная установка – совокупность котла и вспомогательного оборудования, включающего: тягодутьевые машины, сборные газоходы, дымовую трубу, воздухопроводы, насосы, теплообменные аппараты, автоматику, водоподготовительное оборудование.

Топка (топочная камера ) – устройство, предназначенное для преобразования химической энергии топлива в физическую теплоту высокотемпературных газов с последующей передачей теплоты этих газов поверхностям нагрева (рабочему телу).

Поверхность нагрева – элемент котла для передачи теплоты от факела и продуктов сгорания теплоносителю (вода, пар, воздух).

Радиационная поверхность – поверхность нагрева котла, получающая теплоту в основном излучением.

Конвективная поверхность – поверхность нагрева котла, получающая теплоту в основном конвекцией.

Экраны – поверхности нагрева котла, расположенные на стенках топки и газоходов и ограждающие эти стенки от воздействия высоких температур.

Фестон – испарительная поверхность нагрева, располагаемая в выходном окне топки и образованная, как правило, трубами заднего экрана, разведенными на значительные расстояния путем образования многорядных пучков. Назначение фестона заключается в организации свободного выхода из топки топочных газов в поворотный горизонтальный газоход.

Барабан – устройство, в котором осуществляется сбор и раздача рабочей среды, обеспечение запаса воды в котле, разделение пароводяной смеси на пар и воду. Для этой цели используются размещенные в нем паросепарационные устройства.

Котельный пучок – конвективная поверхность нагрева котла, представляющая собой группу труб, соединенных общими коллекторами или барабанами.

Пароперегревател ь – устройство для повышения температуры пара выше температуры насыщения, соответствующей давлению в котле.

Экономайзер – устройство для предварительного нагрева воды продуктами сгорания до подачи ее в барабан котла.

Воздухоподогревател ь – устройство для подогрева воздуха продуктами сгорания до подачи его в горелки.

ОБЩАЯ СХЕМА КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ, РАБОТАЮЩЕЙ

При сжигании твердых топлив

Топливо, приведенная влажность, (%·кг)/МДж	Расход пара Dпе < 20 кг/с	Расход пара Dпе > 20 кг/с
tпв <180 °С	tпв=180÷230 °С	tпв>230 °С
Сухое, W^rпр ≤ 0,7 Влажное, W^rпр = 1-5 Сильновлажное, W^rпр > 5	120-140 140-150 150-160	110-120 120-130 130-140	120-130 140-150 160-170	130-140 150-160 170-180

КЛАССИФИКАЦИЯ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ И ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ

Слоевое сжигание

Организация слоевого сжигания осуществляется принудительным движением воздуха через неподвижный или движущийся горизонтально слой твердого топлива, в котором воздух превращается в поток горячих продуктов сгорания. В слоевых топках имеется значительный запас топлива, соизмеримый с его часовым расходом. Наличие значительного количества горящего топлива стабилизирует процесс горения. Интенсивность слоевого сжигания зависит от форсировки воздушного потока. Форсировка дутья, а, следовательно, и интенсификация сжигания ограничивается аэродинамической устойчивостью слоя и появлением значительного уноса штыбовых фракций. Для слоевого сжигания опти-мальными являются куски 25-50 мм (так называемый класс «орех»), при которых обеспечиваются достаточно устойчивое залегание частиц в слое и достаточно развитая поверхность реагирования. Топки со слоевым сжиганием из-за недостаточной производительности, надежности и экономичности работы на мощных паровых котлах не применяются. К тому же слоевые топки сложны, слабо механизированы и трудно поддаются автоматизации управления.

Процесс горения твердого топлива в топочных устройствах состоит из трех основных фаз.

Первая фаза процесса горения заключается в подогреве топлива и испарении из него влаги, на что расходуется тепло, выделяемое ранее введенным топливом. После нагревания топлива до температуры 300-400 °С из него начинают выделяться летучие горючие вещества.

Вторая фаза – топливо воспламеняется по достижении определенной температуры, которая для разных топлив различна: для торфа – 225°С, дров – 300°С, бурого угля – 300°С, каменного угля – 325°С, антрацита – 700 °С. В первую очередь воспламеняются газообразные летучие горючие вещества, затем твердая часть топлива.

Третья фаза является основной – в ней завершается окончательный процесс газификации и горение твердого остатка топлива (кокса) с выделением наибольшего количества тепла.

Процесс горения заканчивается выделением негорючего остатка (золы и шлака).

Системы пылеприготовления

Приготовление угольной пыли из кускового топлива производится в системе специальных устройств, в которых последовательно осуществляются первоначальное грубое дробление на куски размером в несколько десятков миллиметров, сушка и, наконец, его размол до пылевидного состояния с размером частиц в несколько десятков или сотен микрон. В циклонных и вихревых топках применяют также дробленку – частицы топлива размером в несколько миллиметров. Часто размол и сушку топлива совмещают в одном устройстве.

Крупность топлива после предварительного дробления влияет на последующие этапы его сушки и размола. С увеличением крупности топлива возрастает расход энергии на приготовление пыли, увеличивается износ мелющих органов, а производительность мельницы снижается.

Рекомендуются следующие характеристики дробления топлива:

- остаток на сите 5×5 мм R₅ = 20%;

- остаток на сите 10×10 мм R₁₀ = 5%;

- максимальный размер куска не больше 15 мм.

Для влажных топлив в случае замазывания дробильного оборудования максимальный размер куска принимается до 25 мм.

Предварительное грубое дробление сырого топлива дополняется отделением металлических частей и щепы, которые могут попасть в него при добыче и транспортировке.

Для размола топлива применяют следующие системы пылеприготовления: центральную, индивидуальную с прямым вдуванием и индивидуальную с промежуточным пылевым бункером.

Центральная схема пылеприготовления отличается большой сложностью и высокой стоимостью, поэтому целесообразно рассматривать индивидуальную схему пылеприготовления. Индивидуальная система пылеприготовления характеризуется приготовлением пыли непосредственно у котла с использованием для сушки топлива и его пневмотранспорта горячего воздуха или продуктов сгорания.

Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием (рис. 25а) отличается жесткой связью мельничного оборудования с котлом. Изменение нагрузки требует и изменения работы мельницы. При снижении нагрузки котла мельница оказывается недогруженной.

Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным пылевым бункером (рис. 25б) независима от работы котла, что является ее основным достоинством. Наличие промежуточного пылевого бункера повышает надежность установки. Этому способствует также связь мельничных устройств отдельных агрегатов с помощью пылевых шнеков, позволяющих передавать пыль в случае необходимости от одного котельного агрегата к другому. В системе пылеприготовления с промежуточным бункером также имеется возможность полностью загружать мельничное оборудование. К недостаткам схемы с промежуточным пылевым бункером относится, в частности, увеличение затрат на оборудование.

Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием применяется при сжигании высокореакционных бурых и каменных углей, допускающих грубый помол. Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным бункером применяется для мощных котлов при работе на тощих и малореакционных углях, требующих тонкого помола.

 

а) б)

 

Рис. 25. Принципиальные схемы систем пылеприготовления:

а – индивидуальная с прямым вдуванием; б – индивидуальная

с промежуточным пылевым бункером;

1 – бункер сырого дробленого угля; 2 – сушилка; 3 – мельница;

4 – мельничный вентилятор; 5 – топка; 6 – промежуточный бункер;

7 – шнек для пыли

 

 

Сушка топлива

Для улучшения размола топлива, хранения и транспорта пыли, а также интенсификации ее зажигания и горения топливо подсушивается. Однако чрезмерная подсушка пыли не допускается по условиям самовозгорания и взрывобезопасности.

Влажность рабочего топлива W^r может быть представлена как сумма гигроскопической влажности W_h и внешней влажности W_ex. Значения W_h зависят от топлива: например, для антрацита – 2,5 %, для подмосковного угля – 7,5 %, для торфа – 11 %.

Для относительно сухих углей, внешняя влажность которых не превышает 10 %, сушка топлива производится одновременно с размолом в мельничном устройстве путем подачи внутрь мельницы горячего воздуха или продуктов сгорания.

Для влажных топлив с внешней влажностью 15-20 % частичная предварительная подсушка топлива может осуществляться непосредственно перед мельничным устройством в коротких сушильных трубах. Окончательная досушка топлива проводится в мельнице в процессе размола.

Для высоковлажных топлив с внешней влажностью более 20 % возможно применение сушки топлива в отдельном сушильном устройстве с разомкнутой сушкой, т.е. с выбросом отработавшего сушильного агента вместе с водяными парами в атмосферу.

Для предварительной подсушки топлива перед мельницей применяют различные типы сушилок: газовые барабанные, паровые, трубчатые, пневматические (трубы-сушилки), с кипящим слоем и др.

Значительно интенсивнее, чем в обычных сушилках, протекает сушка при совмещении ее с размолом топлива, что связано с резким увеличением при этом суммарной поверхности частиц угля.

В настоящее время в большинстве случаев подсушка топлива проводится, в основном, в самом мельничном устройстве, часто в сочетании с короткой трубой-сушилкой, располагаемой перед мельницей.

Различают сушку топлива по замкнутой и разомкнутой схемам (рис. 26). При замкнутой схеме отработавший в системе пылеприготовления сушильный агент вместе с пылью сбрасываются в топку. При разомкнутой схеме отработавшие сушильные газы сбрасываются в атмосферу.

Влажность подсушенной пыли для углей марки АШ – W^r = 0,5-1 %; подмосковного угля – W^r = 11-16 %; торфа – W^r = 35-40 %. По условиям взрывобезопасности конечная влажность пыли сланцев, а также бурых углей, у которых W_h < 0,4 W^r, не должна быть ниже гигроскопической. Для бурых углей с W_h ≥ 0,4 W^r и каменных углей влажность пыли не должна быть менее 50 % гигроскопической влажности.

Для регулирования подачи топлива к мельницам применяют различные питатели: дисковые (тарельчатые), ленточные, скребковые, скребково-барабанные, пластинчатые.

Для отделения готовой пыли от крупных частиц угля, вынесенных из мельницы вместе с пылью, служат сепараторы. Выпавшие в сепараторе частицы направляются в мельницу для дальнейшего размола, а вынесенная пылевоздушная смесь поступает в циклон, где пыль отделяется от воздуха. Слабо запыленный воздух отсасывается из циклона, а пыль поступает в пылевой бункер.

По тракту системы пылеприготовления для взрывоопасных топлив предусматривается установка предохранительных взрывных клапанов.

а) б)

 

 

Рис 26. Схема пылеприготовления с шаровой барабанной мельницей

(ШБМ) при подаче пыли горячим воздухом:

а – замкнутая схема пылеприготовления; б – разомкнутая схема

пылеприготовления; 1 – бункер угля; 2– питатель; 3 – течка сырого

угля; 4 – устройство для нисходящей сушки; 5 – мельница;

6 – мигалка; 7 – сепаратор; 8 – взрывной клапан; 9 – циклон;

10 – мельничный вентилятор; 11 – сбросная горелка;

12 – промежуточный бункер угольной пыли;

13 – питатель пыли; 14 – основная пылеугольная горелка;

15 – топочная камера; 16 – вентилятор; 17 – воздухоподогреватель;

18 – линия отбора горячих газов на сушку;

19 – подвод горячего воздуха к основной горелке (вторичный воздух);

20 – первичный воздух; 21– электрофильтр

 

Размол топлива

В процессе размола топлива образуется смесь мельчайших пылинок (от нескольких микрон) с более крупными (размером до 300-500 мкм). Основными качественными характеристиками пыли являются ее тонкость помола и влажность. Согласно ГОСТ тонкость пыли характеризуется остатком на ситах с ячейками 90, 200 и 1000 мкм. Остаток обозначается буквой R. Так, обозначение R₉₀ = 10 % указывает, что на сите с размером ячеек 90 мкм остается 10 % пыли, а вся остальная пыль проходит через это сито. При расчетах мельничных устройств тонкость пыли определяется остатком на сите 90 мкм, R₉₀.

Представление о фракционном составе пыли дает так называемая ситовая или зерновая характеристика, которая может быть построена на основе определения остатков пыли на ряде сит. Вид зерновой характеристики показан на рис. 27.

Рис. 27. Зерновая характеристика пыли

Размольные свойства топлива характеризуются коэффициентом размолоспособности, т.е. сопротивляемостью топлива размолу. Лабораторный относительный коэффициент размолоспособности К_ло - это отношение расхода электроэнергии при размоле угля, принятого за эталон, к расходу электроэнергии при размоле данного угля, находящегося в воздушно-сухом состоянии. Размол сравниваемых топлив производится от одинаковой крупности до одной и той же тонкости помола. Практический коэффициент К_ло показывает, во сколько раз производительность мельницы при размоле данного топлива выше, чем при размоле эталонного топлива, близкого по свойствам к АШ. Коэффициент размолоспособности К_ло по шкале ВТИ для некоторых топлив имеет следующие значения:

Егоршинский полуантрацит 1,5

Донецкий тощий уголь 1,8

Кизеловский газовый 1,0

Подмосковный бурый 1,7

Сланцы эстонские 2,5

Целесообразная тонкость помола топлива находится в зависимости от его стоимости и реакционной способности, характеризуемой в основном выходом летучих. С повышением выхода летучих, способствующих более интенсивному горению топлива, применяется более грубый помол. Тонкость помола для различных углей выбирается на основе технико-экономических соображений. Уменьшение размеров пылинки приводит к росту удельной поверхности топлива, что благоприятствует его горению, однако это связано с увеличением расхода энергии на пылеприготовление. С угрублением помола расход энергии на пылеприготовление уменьшается, однако увеличивается потеря тепла от механического недожога.

Потеря тепла от механического недожога в основном зависит от содержания в пыли грубых фракций, количество которых для АШ, полуантрацитов, тощих и каменных углей определяется остатками на сите 200 мкм, а для бурых углей и сланцев – на сите 1000 мкм.

С учетом выхода летучих для получения минимальных потерь рекомендуются следующие остатки на ситах:

Топливо R₉₀ R₂₀₀ R₁₀₀₀

АШ, ПА и тощий уголь 7 – 15 0,3 – 1,2 -

Каменный уголь 15 – 40 1,3 – 13 -

Бурый уголь и сланцы 40 – 60 15 – 35 0,5– 1,5

Для размола топлива применяют различные мельничные устройства, использующие в работе принципы удара и раскалывания, раздавливания и истирания. В отличие от дробилок, где кратность измельчения, т.е. отношение средних размеров куска до измельчения и после, доходит до 20, в мельницах эта величина достигает 200 - 500.

Для приготовления угольной пыли применяются следующие мельничные устройства:

· тихоходная шаровая барабанная мельница ШБМ;

· среднеходная мельница СМ;

· быстроходная молотковая мельница ММ;

· быстроходная мельница-вентилятор МВ.

 

Циклонные и вихревые топки

Значительная интенсификация про­цесса горения твердого топлива, а также максимальное улавливание золы в пределах топочной камеры дости­гаются в циклонных топках. Циклон­ный принцип организации горения твердого топлива был предложен Г. Ф. Кнорре еще в начале 30-х годов.

В промышленности при­меняются различные типы горизонтальных (малонаклонных) и вертикальных циклон­ных топок для сжигания мелкодробленого топлива или грубой пыли с жидким шлакоудалением дробленого топлива или грубой пыли с жидким шлакоудалением.

Принципиальная схема циклон­ной топки с горизонтальным расположением камеры и жидким шлакоудалением показана на рис. 32а. Топливо (дробленый уголь, грубая угольная пыль) подается в циклонную камеру с первичным воздухом. На схеме пока­зан ввод топливно-воздушной смеси через улитку в центральную часть камеры. По оси вводится только дробленка. При сжигании угольной пыли она вводится через тангенциальные сопла.

Вторичный воздух подается в камеру тангенциально через сопла-щели с большой скоростью (более 100 м/с), обеспечивая вихревое движение топливных частиц. В отдельных схемах (при сжигании пыли) топливно-воздушная смесь вводится в камеру также тангенциально. Образующиеся в циклонной камере вихри способст­вуют интенсивному смесеобразованию и увеличению времени пребывания частиц в зоне горения.

Развиваемая в циклонной камере высокая температура (1700 - 1800 °С) приводит к расплавлению золы и образованию на стенках шлаковой пленки. Жидкий шлак вытекает из камеры через летку. Улавливание золы в пре­делах камеры составляет 85 - 90 %. Отбрасы-ваемые на стенки свежие час­тицы топлива прилипают к шлаковой пленке, где они интенсивно выгорают при обдувании их воздушным пото­ком.

В выходной части циклонной каме­ры имеется пережим (ловушка), через который продукты горения поступают в камеру дожигания. Наличие пережима приводит к уменьшению уноса. Крупные частицы циркулируют в ка­мере до полной газификации. Выносимые из циклона мельчайшие частицы топлива догорают в камере дожигания.

а) б) в)

Рис. 32. Схема циклонных топок с жидким шлакоудалением:

а – горизонтальная топка; б – вертикальная топка с нижним

выводом газов; в – вертикальная кольцевая топка с верхним

выводом газов

Циклонные камеры работают с высокими объемными плотностями теп­ловыделения МВт/м³ и плотностью теплового потока на сечении циклона МВт/м² при малом коэффициенте избытка воздуха в циклоне .

Жидкий шлак через летки циклонов вытекает в камеру дожигания, откуда он через центральную летку поступает в шлаковую ванну, где гранулируется водой. Горизонтальные циклонные топки могут быть применены для сжигания бурых и каменных углей (дробленка, грубая пыль).

Схема вертикальной циклонной топки (предтопка) с нижним выводом газов пока­зана на рис. 32б. Угольная пыль вместе с первичным воздухом в количестве 15 - 20 % от общего расхода воздуха поступает в предтопок через расположенную в верхней его части горелку с лопаточным аппаратом для закручивания потока (скорость вы­хода аэросмеси 20 - 25 м/с). Вторичный воздух поступает через тангенциаль­но расположенные сопла со скоростью 50 - 60 м/с. Топка пригодна для сжи­гания различных углей – бурых, ка­менных, тощих, а также АШ. Топливо сжигается в виде грубой пыли. Так, при сжигании АШ используется пыль с R₉₀ ≤ 20 %. Работа верти­кального циклонного предтопка харак­теризуется следующими показателями: МВт/м³; МВт/м²; . Улавливание золы в предтопке составляет 60 - 80 %.

Схема вертикальной циклонной топки с верхним выводом газов показана на рис. 32в. Пылевоздушная смесь поступает в кольцевое пространство вертикальной циклонной камеры. Уловленный в циклоне шлак (до 80 %) удаляется через летку. Газообразные продукты сгорания через горловину циклона поступают в камеру охлаждения.

Циклонные топки (горизонтальные и вертикальные) с жидким шлакоудалением нашли широкое распространение за рубежом. Длительная эксплуатация циклонных топок с жидким шлакоудалением показала их высокую эффективность.

Основными преимуществами циклонных топок являются:

- высокая объемная плотность тепловыделения, измеряемая несколькими МВт/м³, что приводит к сокращению габаритов установки;

- улавливание в пределах камеры и удаление в жидком виде 85 - 90 % золы топлива, что дает возможность интенсифицировать работу конвективных поверхностей нагрева и в ряде случаев отказаться от установки газоочистительных устройств;

- возможность работы с малым коэффициентом избытка воздуха (), что приводит к снижению потери тепла с уходящими газами;

- возможность работы на дробленом топливе или пыли грубого помола, что позволяет упростить систему пылеприготовления и снизить расход электроэнергии на топливоприготовление.

К основным недостаткам циклонных топок относятся:

- увеличение потери тепла с физичес­ким теплом шлака (более 2 %).

- повышенный расход энергии на дутье.

- повышенный выход оксидов азота в связи с высокой тем­пературой в циклонной камере.

Для сжигания фрезерного торфа и древесных опилок находят приме-нение вихревые (пневматичес­кие) топки ЦКТИ системы А. А. Шершнева (рис. 33).

 

Рис. 33. Топка системы Шершнева для сжигания фрезерного торфа:

1 - барабанный питатель торфа; 2 - камера сгорания; 3 - камера

догорания; 4 - трубы; 5 - дожигательная колосниковая решетка;

6 - сопла; 7 - воздушный короб; 8 - колосниковая решетка

Топоч­ная камера имеет обтекаемую конфи­гурацию. Вихревое движение газо­воздушного потока с горизонтальной осью вращения в топке достигается тангенциально подведенными воздуш­ными струями, выходящими из щеле­вых дутьевых сопл 7. Топливо, подавае­мое в топку питателем 1, подхватывается завихренным потоком, подсушивается и сгорает во взвешенном состоянии. Отсепарированные крупные частицы топлива дожигаются на колосниковой решетке 8 с опрокидными колосниками, устанавливаемой в нижней части топки. Решетка служит также для растопки. Через дутьевые сопла со ско­ростью до 60 – 80 м/с подается до 80 - 85 % воздуха, необходимого для горения. Остальной воздух подается под дожигательную решетку 5. Коэф­фициент избытка воздуха в однокамерной топке Шершнева ; суммарные потери от химического и механического недожога q₃ + q₄ =3 – 5,5 %.

Положительные особенности за­крученных потоков используются так­же в вихревых топках, известных под названием топок с пересекающимися струями. На рис. 34 показаны схемы полузакрытых топок ЦКТИ и МЭИ, в которых благодаря соответствующей конфигурации ниж­ней части топки и способу подвода пылевоздушной смеси со скоростью примерно 80 м/с создается вихревое движение. Горячие топочные газы пересекают пылевоздушный поток, обеспечивая его интенсивное воспла­менение.

а) б)

Рис. 34. Вихревые топки с пересекающимися струями:

а – топка ЦКТИ; б – топка МЭИ

Циклонный принцип организации огнетехнических процессов находит широкое примене­ние при создании высокоэффектив­ных энерготехнологических агрегатов.

Сжигание газа и мазута

Газовое топливо и мазут сжигаются в камерных топках, выполнен-ных в форме параллелепипеда с небольшим наклоном пода. При этом организуется факельный прямоточный способ сжигания. Газовое топливо поступает в камеру вместе с воздухом (или раздельно) через специальное устройство – горелку. При прохождении через топочную камеру газо-воздушная смесь сгорает. Жидкое топливо поступает в топку через форсунки в пульверизированном виде. Мельчайшие его капельки испаряются, смешиваясь в топке с воздухом, и сгорают в полете. При сжигании газа и мазута совместно с угольной пылью в нижней части топочной камеры предусматривается экранированная холодная воронка для удаления падающей в нее золы (рис. 35).

Сжигание газового и жидкого топлив может быть осуществлено также в циклонной камере.

Газомазутные горелочные устройства должны обеспечивать оптимальные условия для правильного смешения топлива с воздухом, горения смеси и передачи теплоты от факела к тепловоспринимающим поверхностям нагрева. К ним предъявляются следующие основные требования:

- длина горящего факела не должна превышать значения, определяемого размерами топочной камеры;

- значения коэффициента избытка воздуха должны выбираться такими, чтобы обеспечивалась минимальная потеря теплоты от химической неполноты сгорания, и при этом содержание токсичных и коррозионно-активных соединений в топочных газах не превышало предельнодопустимых значений;

- температурные и скоростные поля в различных сечениях топки должны быть максимально выровнены, чтобы не было локальных перегревов экранных поверхностей нагрева, вызываемых постоянным омыванием факелом отдельных экранных труб котла или чрезмерным приближением факела к экранам.

а) б)

Рис. 35. Схемы топочных камер для сжигания газового топлива:

а – при сжигании газа или газа совместно с мазутом;

б – при сжигании газа или мазута и угольной пыли

 

На рис. 36 представлена топочная камера котла БКЗ-75-39, работающего на газе и мазуте.

 

 

Рис. 36. Топка котла, работающего на газе и мазуте

Сжигание газового топлива

Для сжигания газового топлива применяется большое число различных типов горелок, отличающихся как по принципу работы, так и по конструктивному оформлению. Назначением горелки, кроме ввода в топку необходимого для достижения заданной производительности количества газа и воздуха, являются организация смесеобразования и создание у ее устья устойчивого фронта воспламенения для зажигания выходящей из горелки газовой смеси.

По способу организации важнейшего этапа – перемешивания компонентов горения – горелки можно разделить на горелки с внешним смешением, горелки с полным внутренним смешением и горелки с частным внутренним смешением.

Горелки с внешним и частичным внутренним смешением при сжигании теплоустойчивых газов, содержащих углеводороды, дают растя-нутый видимый светящийся факел. Более длинный факел характерен для горелок с чисто внешним смешением. Горелки, дающие при работе видимый факел, называются факельными. Горелки с полным внутренним смешением газа и воздуха дают очень короткий невидимый факел. Такие горелки условно называются беспламенными.

Горелки могут классифицироваться и по другим признакам. Так, по способу подачи воздуха горелки делятся на две группы: с принудительной подачей воздуха от вентилятора и с подачей воздуха путем эжектирования его газовой струей или за счет разрежения в топке. В свою очередь горелки с принудительной подачей воздуха от вентилятора (дутьевые горелки) делятся на прямоточные, аксиальные и вихревые. В прямоточных горелках структура факела зависит от формы устья горелки, которая может быть прямоугольной, щелевой или круглой. Вихревые горелки могут быть с простым тангенциальным, с улиточным тангенциальным или аксиальным подводом воздуха.

По способу регулирования крутки потока применяют горелки с изменением сечения входного патрубка или живого сечения лопаточных завихрителей, с изменением угла наклона лопаток, с перепуском части воздушного потока мимо завихрителя. Способ подвода воздуха в дутьевых горелках оказывает решающее влияние на форму факела и угол его раскрытия, размеры зон рециркуляции газов, интенсивности турбулентного перемешивания и т.п.

По давлению газа горелки разделяют на горелки низкого давления (давление газа до 2 кПа) и среднего давления (2 – 70 кПа). Имеются также горелки высокого давления с давлением газа до 0,6 МПа.

Для котлов малой производительности находят применение однопроводные инжекционные горелки частичного (атмосферные горелки) и полного смешения. Инжекционные горелки, работающие на газовом топливе среднего давления, обеспечивают полное перемешивание газа и воздуха в смесителе и сжигание газа при небольших избытках воздуха. Недостатками таких горелок являются значительные их размеры и шум при работе.

Наибольшее применение в котельных агрегатах нашли рассматриваемые далее дутьевые горелки с принудительной подачей воздуха и газа. Конструктивные особенности горелок зависят от характеристик сжигаемого газового топлива и располагаемого напора газа и воздуха.

Сжигание жидкого топлива

При организации сжигания жидкого топлива следует учитывать, что горение его происходит в основном в парогазовой фазе. Последнее связано с тем, что температура кипения жидкого топлива значительно ниже температуры его воспламенения. Поэтому скорость сгорания его будет определяться скоростью испарения с поверхности, а эта поверхность многократно увеличивается при распыливании жидкого топлива на отдельные капли, для чего и применяют специальные устройства – форсунки.

В зависимости от способа распыливания мазута форсунки бывают:

- механические (за счет давления мазута);

- паровые (за счет давления паровой струи);

- паромеханические;

- воздушные высоконапорные или низконапорные;

- ротационные (центробежные).

Совершенство конструкции любой форсунки оценивается по тонкости и однородности распыливания, которые форсунка может обеспечивать. Важным качеством является возможный предел регулирования форсунки, т.е. ее минимальная производительность, при которой сохраняется высокое качество распыливания.

В механических форсунках для распыливания мазута используется кинетическая энергия струи жидкого топлива, которое подается к форсункам специальным насосом под давлением от 1,0 до 3,5 МПа.

Недостатком механических форсунок является резкое ухудшение качества распыливания при снижении давления мазута до 1,0 - 1,2 МПа, что не позволяет снижать производительность форсунки более чем до 75-80 % от номинальной. Регулирование нагрузки котла с механическими форсунками производится поэтому отключением или включением различного количества горелок. Такой способ регулирования работы котла исключает возможность постоянного поддержания в топочной камере минимальных избытков воздуха, необходимых для предотвращения образования оксидов, определяющих скорость коррозии холодных конвективных поверхностей нагрева.

Паровые и пневматические форсунки. В паровых и пневматических форсунках дробление топлива осуществляется за счет кинетической энергии пара или воздуха. Основными показателями работы являются качество дробления и расход распыливающего агента на распыливание 1 кг топлива. Взаимодействие потоков топлива и распыливающего агента в форсунках этого типа осуществляется как внутри форсунки, так и за ней. Эффективность работы форсунок зависит от поверхности соприкосновения взаимодействующих потоков. Чем больше поверхность соприкосновения, тем эффективней работа форсунок (выше качество дробления, ниже удельный расход распыливающего агента).

Паромеханические и пневмомеханические форсунки. Устранение основного недостатка механических форсунок - малого диапазона регулирования производительности – достигается применением комбинированного паро- или пневмомеханического распыливания мазута. В последнее время получили распространение так называемые паромеханические форсунки, которые работают при умеренном давлении мазута 1,6 - 2,0 МПа. Обеспечение широкого диапазона регулирования такого типа форсунок (10 - 100 %) достигается сравнительно незначительным дополнительным расходом пара на распыливание (до 0,05 кг/кг мазута).

Ротационные форсунки. К комбинированным форсункам могут быть отнесены и ротационные форсунки.В ротационных форсунках дробление и подача топлива в топку осуществляются вращающимися элементами.

Горелочные устройства выполняются, как правило, комбинирован-ными, обеспечивающими сжигание как газа, так и мазута (раздельно или совместно) с применением форсунок различного типа. Это связано с тем, что обычно основным топливом является газ, а мазут ­­­– резервным.

Размещение форсунок, а также комбинированных газомазутных горелок в камерных топках может быть фронтальным, встречным и угловым. При сжигании распыленного жидкого топлива воздух в топочную камеру подают вместе с ним.

Сгорание мазута необходимо полностью завершить в пределах топочной камеры. При неблагоприятных условиях (нехватка воздуха, плохое перемешивание, низкая температура) из топки вместе с сажей могут выноситься капли неиспаренного мазута, которые будут откладываться на относительно холодных поверхностях нагрева парогенератора, снижая его экономичность.

Наряду с обычными камерными топками для эффективного сжигания мазута применяются и циклон­ные топки. В качестве примера на рис. 37 показана схема топочного устройства парогенератора ПК–41Ц паропроизводительностью 132 кг/с, с давлением пара 25 МПа, температу­рой перегретого пара 565/570 °С, оборудованного двумя вертикальными подовыми циклонами. Диаметр циклон­ной камеры и ее высота составляют 3880 м