Топки для факельного сжигания угольной пыли с жидким шлакоудалением

В отличие от топок с твердым шлакоудалением, в топках с жидким шлакоудалением температу­ру в нижней части топочной камеры поддерживают такой, чтобы обеспечить не только полное расплавление шла­ков, но и удаление их в жидком виде из топки. Схемы пылеугольных фа­кельных топок с жидким шлакоудалением показаны на рис. 31.

В однокамерной открытой топке (рис. 31а) пыле­видное топливо через горелку посту­пает в камеру, стенки которой покры­ты ошипованными футерованными эк­ранными трубами. В связи с этим в камере при горении топлива разви­вается достаточно высокая темпера­тура, обеспечивающая плавление шла­ка. Расплавленный и уловленный здесь шлак через летку стекает в ванну (на рис. не показана), где грану­лируется водой и затем удаляется.

В камере охлаждения, имеющей открытые экранные поверхности и являющейся непосредственным про­должением камеры плавления, происходит охлаждение газов и содержа­щегося в них расплавленного шлако­вого уноса. На выходе из камеры плав­ления при поступлении в последую­щие конвективные поверхности унос должен иметь температуру, исключаю­щую его налипание на поверхности нагрева.

В отличие от топок с твердым золо­удалением, где в топочной камере оседает около 5 % золы, а остальная зола уносится газообразными продуктами горения, в однокамерной от­крытой топке с жидким шлакоудалением улавливается и удаляется 15 – 30 % общего количества золы. Следует, однако, отметить, что для такой от­крытой топки в области перехода от «горячей» к «холодной» зоне, где температура снижается и шлак теряет текучесть, наблюдается интенсивное шлакование экранных поверхностей нагрева. Это усложняет эксплуатацию и снижает эффективность поверхнос­тей нагрева.

а) б) в)

Рис. 31. Схемы пылеугольных факельных топок с жидким шлакоудалением:

1 – поверхность топки, покрытая огнеупорной обмазкой;

2 – холодная радиационная поверхность; 3 – подача топлива;

4 – шлакоулавливающий пучок труб, покрытых огнеупорной

футеровкой

Значительно более благоприятны условия работы полуоткрытой однокамерной топки с жидким шлакоудаленяем (рис. 31б). Здесь, благодаря специально выпол­ненному пережиму, зона плавления и зона охлаждения в значительной степени разделены. В камере горения экранные трубы ошипованы и покрыты огнеупорной обмазкой. Процесс сжи­гания топлива почти полностью завер­шается в этой камере; объем ее отно­сительно ограничен, в связи с чем объемная плотность тепловыделения составляет здесь 0,5 - 0,8 МВт/м², а температура 1700 – 1800 °С. В камере улавливается 20 - 40 % золы топлива, удаляемой в жидком состоянии через летку. В верхней части топки распо­ложены открытые экранные поверх­ности, обеспечивающие охлаждение газа и уноса.

В двухкамерной топке с жидким шлакоудалением (рис. 31в) камера горения и камера охлаждения разделены шлакосепарационной решет­кой, выполненной из разведенных ошипованных экранных труб, имею­щих огнеупорную обмазку. Основное количество расплавленного шлака улавливается в камере горения. Дополнительно уловленный в шлакосепараторе шлак стекает на по­д топки, откуда через летку весь шлак поступает в водяную ванну для грануляции.

В двухкамерной топ­ке улавливается до 70 % всей золы. Еще большего улавливания золы (80 - 95 %) в пределах топочной камеры достигают при применении рассматриваемых далее циклонных топок.

Улавливание значительного количества золы в пределах топочной камеры уменьшает загрязнение поверхностей нагрева, а также их износ летучей золой. При этом возможно повышение скорости дымовых газов, что интенсифицирует передачу тепла конвективным поверхностям нагрева. При жидком шлакоудалении благодаря высокой температуре в топочной камере снижаются потери тепла от механического недожога. Так, при сжигании АШ, при переходе от твердого шлакоудаления к жидкому потери тепла от механического недожога снижаются с 6 - 7 до 3 - 4 %.

К недостаткам топок с жидким шлакоудалением можно отнести повышенные потери с физическим теплом шлака. При многозольном топливе эта потеря может достигать 2 - 3 %. Однако следует отметить, что тепло жидких шлаков, так же как и сами шлаки, может использоваться для различных технологических процессов. Кроме того, высокая температура горения приводит к увеличению концентрации оксидов азота в дымовых газах.

Топки с жидким шлакоудалением применяют для низкореакционных топлив, имеющих благоприятные тем­пературные и вязкостные характе­ристики золы и шлака, и топлив с относительно легкоплавкой золой.

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 мм, диаметр пережима (выходного сопла) 2340 мм.

Основное количество необходимого для горения воздуха (70 – 80 %) вводится в циклон со скоростью около 70 м/с через два вертикальных тангенциальных сопла. В каждом сопле установлены две ма­зутные механические форсунки про­изводительностью по 1,25 кг/с при давлении мазута 2,85 МПа. Остальной воздух подается со скоростью 30 м/с через аксиально улиточный ввод. Предусмотрена также подача в улиточный ввод и дутьевые сопла газового топлива.

Длительная эксплуатация пароге­нератора показала высокую эффектив­ность циклонного сжигания высокосернистого мазута. Сжигание мазута с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице, позволило прак­тически ликвидировать высокотемпе­ратурную газовую коррозию труб экранов и изменить характер натрубных отложений на конвективных поверхностях нагрева. Объемная плот­ность тепловыделения в циклонной камере около = 3 МВт/м³, плот­ность теплового потока на сечении наклона = 15 МВт/м², в циклонной камере сгорает около 90 % вводимого мазута, остальные 10 % догорают по­сле циклона в камере горения (до пе­режима в топке).

Рис. 37. Схема топочного устройства парогенератора ПК–41Ц с двумя

циклонными предтопками:

1 – тангенциальное сопло; 2 – шибер для регулирования скорости

воздуха; 3 – аксиальный улиточный ввод

Для циклонных топок наиболее це­лесообразно применение механических форсунок, дающих короткий факел с большим углом раскрытия. Хоро­шие результаты получены при распо­ложении форсунок в дутьевых соплах (рис. 38). В этом случае воздух, выходящий из сопла со скоростью 70 - 120 м/с, способствует улучшению распыливания мазута. При таком рас­положении форсунок удается избе­жать отложения сажи на стенках циклонной камеры.

Для установок малой производи­тельности интенсификация сжигания мазута может быть достигнута приме­нением муфельного предтопка; один из вариантов его показан на рис. 39. Муфельный керамический предтопок обеспечивает эф­фективную предварительную тепло­вую подготовку мазута - частичную газификацию и лучшее смесеобразо­вание. Раскаленные керамические стенки муфеля интенсифицируют испа­рение топлива, улучшают воспламе­нение газовой смеси. Горение мазута получается короткофакельным.

 

 

Рис. 38. Схема установки мазутных форсунок в дутьевых соплах

 

Рис. 39. Схема муфельного предтопка для интенсификации сжигания

мазута:

1 – форсунка; 2 – керамический муфель; 3 – фронтальная

стенка топки

Жидкое и газообразное топливо может применять­ся для котлов любой произ­водительности.