ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

Горелочные устройства (горелки) предназначены для образования горючей смеси (топлива с воздухом) в топочной камере и по принципу действия делятся на вихревые и прямоточные. В вихревых горелках угольная пыль и вторичный воздух в виде закрученных потоков вводятся в топочную камеру и смешиваются. В прямоточных горелках поток угольной пыли подается в топку вдоль их оси без закрутки, а вторичный воздух может закручиваться в устройстве улиточного ввода или подаваться без закрутки. Горелки располагаются на стенках топки в один или несколько рядов по высоте либо по ее углам.

Рис.1. Схемы прямоточных щелевых горелок с круглыми Соплами ТКЗ (а) и тремя вертикальными щелями ВТИ (б)

Щелевая (прямоточная) горелка с круглыми соплами схематически изображена на рис. 1(а), а щелевая (прямоточная) горелка с тремя вертикальными щелями - на рис. 1(б). В горелке, изображенной на рис. 1(б), через среднюю щель проходит вторичный воздух, а через крайние - первичный. Вторичный воздух подается и в нижнюю часть боковых щелей для предотвращения выпадения угольной пыли и лучшего перемешивания потока. При расположении горелок вблизи углов топки выходящие из них струи воздуха создают круговое движение газов в центре топки.

При аксиальном (осевом) расположении горелок (рис. 2, а) воздушные потоки сталкиваются в центре топочной камеры, в результате одна часть горящей угольной пыли направляется вверх, а другая- поворачивается вниз, а далее, двигаясь снова вверх, проходит вблизи ввода в топку еще не загоревшейся пылеугольной смеси.

Рис. 2.

При тангенциальном расположении горелок (рис. 2, б) воздух направляется по касательным к воображаемому кругу в центре топки вызывая вихревое движение горящих частиц угольной пыли. Вихревые горелки, получившие широкое распространение, имеют две или одну улитку.

Вихревая горелка ТКЗ (рис. 3, а) имеет две улитки. В меньшую улитку 2 вводится пылевоздушная смесь, в большую 1- вторичный воздух. Оба завихренных потока раздельно по кольцевым каналам 4 и 5 поступают в топку. Мазутная форсунка 3, используемая при растопке и малых нагрузках котла, устанавливается в центральной трубе. Продольный разрез пылегазовой горелки, предназначенной для сжигания угля и природного газа, представлен на рис. 3,б.

Рис.3. Схемы двухулиточных пылеугольной (а) и пылегазовой (б) вихревых горелок.

1, 3- мазутная форсунка, 4,5- кольцевые каналы для пыли и воздуха, 6- обмуровка, 7- кольцевой коллектор природного газа, 8-труба для ввода природного газа, 9- наконечник газового электрозапальника, А,Б- зоны начала и окончания воспламенения топлива, В- направление движения топочных газов.

Зажигание горючей смеси в топке происходит благодаря топочным газам, которые имеют очень высокую температуру. Для растопки котла, работающего на твердом топливе, используют газ или мазут, и когда топка хорошо прогреется, переходят к сжиганию угольной пыли.

Газообразное топливо вводят в топку также вихревыми или прямоточными горелками. Так как состав и теплота сгорания разных видов газообразного топлива различны, для их сжигания используют разнообразные горелочные устройства.

Полнота выгорания топлива, условия эксплуатационно надежной работы топки в значительной степени определяет расположение горелок. Наибольшее распространение для обычных однокамерных топок получило фронтальное (рис. 8.10, а), встречное (рис. 8.10,б) и угловое (рис. 8.10,в) расположение горелок.

Фронтальное расположение горелок и их примерный характер аэродинамики топки показаны на рис. 8.11, а. При выходе из отдельных горелок струи первоначально развиваются самостоятельно, а затем сливаются в общий поток. При движении к задней стенке струя подсасывает из окружающей среды топочные газы, масса ее значительно увеличивается, а концентрация окислителя снижается. При ударе факела о заднюю стенку может иметь место ее шлакование. В связи с этим фронтальное расположение горелок наиболее целесообразно применять в вихревых горелках с относительно коротким широким факелом.

Встречное расположение горелок (рис. 8.11,б и в) предполагает, что горелки могут располагаться как на противоположных боковых, так и на фронтальной и задней стенках, возможно встречно-лобовое и встречно-смещенное расположение горелок. При встречно-лобовой ориентации горелок (рис. 8.11,6) в топке получается концентрированный удар встречных потоков. Часть общего потока направляется в верхнюю половину топки, часть опускается в холодную воронку. При неравенстве импульсов возникает асимметричность течения в вертикальной плоскости и результативный факел приближается к одной из стен, что может вызвать ее шлакование.

При встречно-смещенной компоновке горелок по схеме МЭИ (рис. 8.11, в) горящие потоки взаимно проникают друг в друга. При этом имеет место лучшее заполнение факелом топочного объема, обеспечивается принудительный подвод теплоты к корню факела, улучшается выгорание топлива при бесшлаковочном режиме работы экранов. В случае применения встречно-смещенной компоновки горелок более целесообразными являются щелевые горелки.

При угловом расположении горелок возможны следующие схемы их установки (рис. 8.12): диагональная, блочная, тангенциальная. Такое размещение горелок ставит ряд конструктивных трудностей. Наблюдается также шлакование стенок. При тангенциальном расположении горелок при взаимодействии струй образуется единый закрученный поток, направляющийся вверх и вниз топочной камеры. По центру топки образуется область несколько пониженного давления, что стабилизирует положение факела. Наличие крутки потока сохраняется вплоть до выхода из топки. При вытянутой форме сечения топки в плане может иметь место искажение аэродинамики потока, сопровождающееся шлакованием стенок. Поэтому при тангенциальной компоновке горелок целесообразно, чтобы горизонтальное сечение топочной камеры по форме приближалось к квадратному.

Фронтальное, встречное и угловое расположение горелок по высоте топки могут размещаться в один-два и более ярусов. Количество горелок, размещенных в топке, определяется на основе следующих расчетов. Тепловая мощность топки Q тт, МВТ, определяется по выражению

где В р - общий расчетный расход топлива на котел, кг/с; Q р н -теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Тепловая мощность горелки Q r , МВт, определяется аналогично:

где В г - расход топлива на одну горелку, кг/с.

Количество горелок

С увеличением паропроизводительности котла количество горелок соответственно увеличивается. Так, для котла производительностью 20,8 кг/с (75 т/ч) при тепловой мощности топки около 60 МВт применяют две-три вихревые горелки при фронтальном и две-четыре горелки при встречном их расположении; при угловой компоновке применяют четыре прямоточные горелки. Для котла производительностью 89 кг/с (320 т/ч) при тепловой мощности топки 290 МВт применяют 6-8 встречных или 16 угловых горелок. По конфигурации факела различают топки с U-образным факелом (рис. 8.13, а) и L-образным факелом (рис.8.13,6). Наибольшее распространение нашли топки с L-образным факелом. По способу удаления шлака различают пылеугольные топки с твердым (гранулированным) и жидким шлакоудалением.

Узел соединения горелок с топкой может быть выполнен двумя конструктивными способами:

1. Жестким соединением с экранами при помощи переходных коробок.

2. Установкой между горелками и топкой специального уплотнения.

В первом варианте при тепловом удлинении экранов горелки перемещаются вместе с

ними. Пе­ремещение горелок компенсируется с помощью компенсаторов тепловых расширений, устанавливае­мых при подводящих магистралях топлива и воздуха. Для пылеугольных котлов решение возможно в схемах пылеприготовления с промбункерами, когда пылепроводы имеют значительную протяжен­ность. При этом необходимо принять специальные меры для предотвращения передачи консольной нагрузки от горелок на экраны.

Для котлов подвесной конструкции с близким к нему расположением мельниц(схемы с прямым вдуванием) пылепроводы получаются короткими. Жесткое соединение горелок с топкой здесь не при­годно. Горелки устанавливаются в этом случае на неподвижном каркасе, а уплотнение допускает пере­мещение экранов топки относительно неподвижных горелок, обеспечивая при этом герметичность (отсутствие присоса воздуха в топку) узла соединения.

На рис. 1.5 представлены некоторые конструктивные варианты для котлов с жестким со­единением горелок с экранами и установкой уплотнений.

2. Компоновка горелок и тепловые характеристики топок.

2.1 Аэродинамика пылеугольных топок.

Размещение горелок в топке носит название их компоновки. В зависимости от пространствен­ной ориентации по отношению друг к другу горелки могут размещаться по одной из схем: фронталь­ной, встречной, тангенциальной, или встречно-смещенной. Число ярусов горелок , в общем случае равно 1-4. Каждой из схем компоновке присуща своя аэродинамическая картина течения продуктов сгорания в топочном объеме. Правильный выбор компоновки горелок с учетом свойств топлива, спо­соба шлакоудаления во многом определяет экономичность и надежность работы котла, его маневрен­ные характеристики и экологические показатели.

а) Фронтальная компоновка горелок

В данной схеме горелки размещают на одной, чаще фронтовой, стене топки котла в один или несколь­ко ярусов (рис. 2.1 а). Такая компоновка горелок обеспечивает малую

протяженность пылепроводов, пониженные расходы на пневмотранспорт пыли. Пролеты между соседними котлами не загроможда­ются мельничным оборудованием и

пылепроводами. Нет ограничений на расстояние между радиаци­онной и конвективной шахтами. Особенно удачной такая схема является для индивидуальных систем пылеприготовления с прямым вдуванием и сушкой топлива горячим воздухом.

Из-за большого пути продукты сгорания в нем подходят к устью амбразур достаточно охлаж­денным. Наличие присосов в нижней части топки может в этом отношении лишь

усугубить положе­ние.

б) Встречная компоновка горелок

Стремление к ликвидации динамического воздействия потока на экран привело к появлению встреч­ной компоновки, при которой горелки располагаются одна против другой на противолежащих стенах топки в один или несколько ярусов.

Аэродинамика топки при встречной компоновке (рис. 2.1 б) во многом зависит от конструкции от конст­рукции горелок.

При прямоточных горелках хорошее заполнение топочной камеры достигается лишь при строго одинаковом начальном количестве движения потоков, вытекающих из горелок.

Превышение суммарного импульса одного из струйных комплексов всего 3-5 % приводит

кнарушению стабильности и симметричности картины течения с образованием восходящих и нисходя­щих потоков соответственно у стен топки, горелки которой обладают меньшим и большим импульсом
. Неустойчивость крайне трудно устранить в условиях эксплуатации, так как это требует тонкого регулирования расходов вторичного и первичного воздуха по отдельным горелкам.

Уменьшение скорости достигается увеличением амбразуры горелок. Следствием этого является нарушение симметричности картины течения в горизонтальной плоскости, может возникнуть довольно мощный поток газов, ориентированный на стену топки по аналогии с фронтальной компо­новкой.

В этих горелках вследствие пониженной дальнобойности и большей площади рассеивания по­тока импульса
- аэродинамическая картина является более стабильной и обладает меньшей чувст­вительностью к начальной неравномерности расходов по отдельным горелкам.

Следует отметить, что для получения наиболее равномерного температурного поля по ширине на выходе из топки необходимо стремиться к тому, чтобы число горелок в ярусе было кратным 4. В противном случае возможны пики и провалы с различием температур до 120°.

в) Тангенциальная компоновка горелок

Характерной особенностью тангенциальной компоновки горелок является ориентация осей последних по касательной к условной окружности диаметром d у , находящейся в центре топки (полутопки).

Прямоточные горелки располагаются в один или несколько ярусов по углам топки

(полутопки) или по всему ее периметру. В последнем случае число горелок в ярусе может быть равно 6 или 8 (рис 2.2)

Характерная картина течения в тангенциальной топке представлена на рис.2.3 в виде полей акси­альной и тангенциальной составляющей скорости. За счет центробежного момента возникает вращение потока. Увеличение числа ярусов горелок приводит к лучшему наполнению топки. Это объ­ясняется тем, что при увеличении числа ярусов горелок закрученный поток из каждого последующего яруса, считая от нижнего, движется вокруг предыдущего, увеличивая радиус вихря.

Относительная высота горелок оказывает влияние на аэродинамику. При больших значениях h/b или ∑h/b поток «прилипает» к стенке независимо от величины d у . При h/b=8 и
смещение ме­стоположения максимумаU τ на окружность с радиусом, близким к
, наблюдалось в диапазоне сd у = 0,08-0,32. Подобное явление объясняется потерей устойчивости течения из-за снижения аэродинамиче­ской жесткости струи под действием начального давления ∆Р, образующегося вследствие отклонения траекторий струй.

Анализ различных аэродинамических схем показывает, что хорошие результаты можно полу­чить в схемах с расположением горелок по периметру топки. Причина - меньшая чувствительность аэродинамики к отключению не только отдельной горелки, но и блока горелок по высоте. В других схемах стабилизация аэродинамической картины течения достигается труднее. Так, в схемах с прямым вдуванием при
> 2 и числе горелок в

вихре, равном 4, количество мельниц должно быть кратным числу горелок и числу ярусов. Подвод топлива на ярус в этом случае целесообразно осуществлять от одной мельницы. Такой же схемы следует придерживаться и в системах пылеприготовления с промбункером при подаче пыли в топку отработанным сушильным агентом.

Тангенциальная компоновка применяется в сочетании с прямоточными горелками типа

ГПО и ГПЧв. Для котлов D<320 т/ч допускается использование горелок ГПЦпф.

г) Встречносмещенная компоновка горелок

Мероприятия по уменьшению дальнобойкости факелов прямоточных горелок при снижении до ми­нимума динамического воздействия потока на экраны нашли отражение в

разработанных МЭИ топках со встречными струями (ВСС).Горелки устанавливаются на

противоположных стенах топки со смещением относительно друг друга на величину

полушага между горелками. Число ярусов горелок 1-2.В зависимости от шага между горелками в принципе возможно наличие в топке трех режимов: фронтального, переходного и проникающего. Картина течения в топке с ВСС определяется величиной параметра
. ПриW<0,05 наблюдается фронтальный, при 0,050.078-проникающий режимы.

Анализ картины течения показывает, что пе­реходный режим является наиболее приемлемым для топок с ТШУ. Во-первых, в этом случае активно используется объем холодной воронки, во- вторых, исключаются набросы факела на стены. Для шла­кующих топлив рекомендуется принимать W=0,085-0,98, для не шлакующих - 0,06-0,86. ЗначениеW=0,06-0,085 следует принимать и при сжигании низкосортных топлив; это позволит повысить теплонапряжение активной зоны горения.

Расположение горелок по встречносмещенной схеме позволяет.

Уменьшить дальнобойкость прямоточного факела, вплоть до полного исключения удара факела в стенку топки;

Повысить нечувствительность системы к неравномерности распределения реагентов по

горелкам;

Интенсифицировать массообмен между струями;

Обеспечить стабилизацию процесса горения за счет устойчивого подвода продуктов сгорания к кор­ню факела;

Получить хорошее заполнение топочной камеры восходящими потоками.

Указанная компоновка применяется в сочетании с прямоточными щелевыми горелками, имеющими периферийный подвод топлива и центральный подвод вторично воздуха. При этом конст­рукция горелки должна отвечать условию h/b>1,5-2. Периферийный подвод топлива дает воз­можность иметь повышенную концентрацию пыли в наружных слоях факела, непосредственно контак­тирующих с топочными газами. В то же время центральный подвод вторичного воздуха гарантирует поддержание повышенной действующей концентрации кислорода в активной зоне горения, что спо­собствует лучшему выжигу топлива.

Специфически для аэродинамики топок с ВСС является краевой эффект, связанный с отклоне­нием струй крайних горелок в сторону стен, свободных от их размещениях. Наличие динамического воздействия факела на экран может привести к его шлакованию. Для борьбы с этим явлением сущест­вует ряд мер: увеличение простенка S 1, установка крайних горелок половинной тепловой мощности, подача сброса (если он имеется) либо через крайние горелки, либо через сопла на боковых стенах топ­ки.

Все описанные выше компоновки горелок до недавнего времени применялись лишь при схемах пылеприготовления с шаровыми бара­банными мельницами (ШБМ), дающих воз­можность использовать горелки и пылепроводы, имеющие значительное сопротивление. Иначе обстояло дело в топках с молотковыми мельницами, оборудованными шахтны­ми (гравитационными) сепараторами, где применялись открытые окна (амбразуры) для

выхода аэропыли из шахты. При малых скоростях выхода аэропыли (порядка 4-6 м/сек) подача вторичного воздуха про­водилась через сопла, расположенные снизу и сверху амбразуры, со скоростями порядка 20-40 м/сек. Незначительные скорости аэро­пыли в самой шахте (1,5-2,5 м/сек) и на вы­ходе в топку обеспечивали малые сопротивле­ния системы, преодолевавшиеся за счет не­большого напора, развиваемого молотковой мельницей, и разрежения в топке. В итоге в шахте, а соответственно и в мельнице под­держивалось небольшое разрежение, доста­точное для предотвращения выбивания пыли через питатель сырого угля и в местах про­хода вала мельницы через корпус. Эта схема очень проста и у котлов малой мощности при сжигании бурых углей и фрезторфа используется и сейчас с некоторыми усовершенствованиями в

распределении воз­духа и в конструкции амбразуры (установка рассекателей,

направляющих перегородок). Однако вялый выход аэропыли с первичным воздухом (доля которого составляет в шахт­ных мельницах около 40% для каменных углей и 50-70% для фрезторфа) не обеспе­чивает хорошего заполнения топки. Поэтому даже при каменных углях с большим выхо­дом летучих такие топки дают повышенную неполноту сгорания.

Для мощных котлов при работе на бурых углях топки с открытыми амбразурами мало-эффективны, так как при громадном сечении амбразуры (до 4,50м 2 ) поток оказывается чрезмерно дальнобойным даже при малых скоростях выхода, а вторичный воздух не уда­валось хорошо перемешать с первичным. В результате этого имели место сильное шлакование экранов и значительная неполнота сгорания, особенно при сжигании каменных углей. Известное улучшение было достигнуто применением эжекционных амбразур ЦКТИ. В этих устройствах вто­ричный воздух вводится по специальным ка­налам, направленным попеременно вверх и вниз прямо в амбразуру, что улучшает пере­мешивание его с аэропылью. Вторичный воз­дух, эжектируя аэропыль, сильно увеличивает

угол раскрытия факела, который в обычных амбразурах не превышает 40°. Все это улуч­шает воспламенение пыли и заполнение топки факелом и уменьшает неполноту сгорания.

Регулируемость факела и при эжекционных амбразурах оставалась недостаточной, что за­трудняло борьбу со шлакованием. Поэтому для защиты задней стенки применялись сопла для подачи вторичного воздуха со скоростями выхода 35-45 м/сек. Однако, несмотря на это и другие усовершенствования, подобные топ­ки значительно уступали

камерным топкам с описанными выше пылеугольными горел­ками.

Топки, с амбразурами, молотковыми мель­ницами и шахтными сепараторами, так назы­ваемые «шахтно-мельничные топки», помимо недостаточной экономичности и надежности, не смогли обеспечить потребное большое по­вышение единичной мощности (от 230 до 640 т/ч пара и выше). Шахтные сепараторы большой мощности становились громоздкими и «взрывоопасными», а обычное непосред­ственное присоединение их к топочной камере стало невозможным. Радикальное улучшение работы топок с молотковыми мельницами произошло в результате оборудования схем пылеприготовления (прямого вдувания) бо­лее совершенными сепараторами пыли (цен­тробежными- для каменных углей; инер­ционными- для бурых), применения пылеугольных горелок, соединения мельничных си­стем и топки с помощью пылепроводов и в целом благодаря переводу схемы пылеприготовления на работу под наддувом. Избы­точнее давление перед размольной установ­кой (100-200кг/м 2 ) расходуется на пре­одоление дополнительных сопротивлений по­сле молотковой мельницы. Такие схемы пылеприготовления широко применяются для каменных и бурых углей к котлам средней и большой мощности.

4.9,в) нашла широкое применение на многих типах паровых котлов, в том числе большой мощности. Ее преимущества заключаются в равномерности тепловых потоков по всем стенам топки, малой вероятности шлакования стен, так как вдоль них движутся уже частично остывшие газы. При организации жидкого шлакоудаления достигается выпадение капель жидкого шлака на стенах предтопка и увеличение доли шлакоулавливания.

Схему с блочным соударением струй смежных горелок (рис. 4.9,б) применяют при сжигании каменных углей. Этим достигается высокая турбулизация ядра факела. Недостатком этой схемы является возможность шлакования фронтовой и задней стен топки при движении факела из центра топки (зоны относительно повышенного давления) в обе стороны к стенам.

Схемы с тангенциальной компоновкой можно осуществить в топке, форма которой близка к квадратной, т. е. отношение paзмеров стен 1 ≤ a/b ≤1,2. Это обусловливает хорошую аэродинамику топочного объема. В топочных камерах с более развитой шириной фронта применимы другие схемы размещения горелок.

4.3.Камерные топки с твердым шлакоудалением

Топочные камеры, работающие с твердым шлакоудалением, по конструкции выполняют открытыми, т. е. без изменения сечения топки по высоте. По характеру движения факела они разделяются на топки с прямоточным факелом, с вертикально–вихревым факелом и горизонтально–вихревым факелом (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Характер движения факела.

Отличительной особенностью этих топок является наличие в нижней части топки холодной воронки, образованной путем сближения фронтового и заднего экранов с большим уклоном (50–60°) до расстояния 1…1,2 м. За счет этого снижается температура газов в нижней части топки, и выпадающие из

ядра факела расплавленные шлаковые частицы, попадая в эту зону, быстро отвердевают и по крутым скатам воронки ссыпаются в шлакоприемное устройство (рис. 4.11). Количество золы, уловленной таким способом через холодную воронку, невелико и составляет 5–10% общего золосодержания топлива. Гранулированные шлаковые частицы непрерывно удаляются из ванны шнековым, скребковым или роторным механизмом. Водяная ванна выполняет одновременно роль гидрозатвора против подсоса снизу в топку холодного воздуха.

Рис. 4.11. Топка с твердым шлакоудалением.

1 – холодная воронка; 2 – шлаковая ванна с водой; 3 – канал гидрозолоудаления; 4–горелка; 5 – настенные экраны; 6 – ядро факела; 7 – шнековый шлакоудаляющий механизм; 8– электродвигатель.

Аэродинамика топочного объема должна быть так организована, чтобы вблизи настенных экранов температура газов была не выше характерной температуры золы, начиная с которой золовые частицы становятся липкими и создают опасность шлакования стен. Поэтому средние тепловые напряжения сечения топочной камеры и топочного объема при твердом шлакоудале-

нии, как правило, имеют невысокие значения (q f = 3…4 МВт/м2 ,q v =

100…140 кВт/м3 ). Это неизбежно приводит к увеличению размеров топочных камер и их металлоемкости.

Так, топочная камера прямоточного котла П–59 для блока 300 МВт при сжигании подмосковного бурого угля в прямоточном факеле по схеме (рис. 4.10,б) имеет размерыa Xb Xh т = 21,8 X 9,56 X 48 м.

Пылеугольные топки с удалением шлака в твердом состоянии обычно применяют для сжигания топлив с большим и умеренным выходом летучих веществ (V г >25 %)

Наиболее распространенными являются схемы сжигания топлив в подъемном прямоточном факеле (рис. 4.10, а, б) с применением вихревых горелок при однофронтальном размещении и прямоточных горелок (встречное расположение). При создании мощных паровых котлов для сжигания сибирских бурых углей более предпочтительной оказалась схема сжигания с вертикальным вихревым факелом и расположением прямоточных горелок в несколько ярусов по высоте (рис. 4.9,в). Такая схема снижает вероятность заброса факела на стены топки и связанного с этим шлакования экранов, а рассредоточение горелок по высоте топки (до 12 м) ведет к уменьшению энерговыделения в сечении каждого яруса горелок. При этом снижается уровень температур в зоне растянутого ядра факела и заметно сокращается образование вредных окислов азота. Топочные камеры с горизонтальным вихревым факелом, разработанные профессором В. В. Померанцевым, успешно работают при сжигании фрезерного торфа и бурых углей (рис. 4.10,г). При этом мелкие фракции топлива сгорают в прямоточной части факела, а более грубые сепарируются вниз, там подхватываются струей вторичного воздуха и попадают в вихревое движение, пока не сгорят.

Практически полное сжигание топлива достигается при избытках воз-

духа на выходе из топки αт = 1,15…1,20. С учетом неизбежных присосов в топку холодного воздуха извне (Δαт = 0,05…0,1) избыток воздуха в горелках

αгор = αт - Δαт = 1,05…1,1.

4.4.Камерные топки с жидким шлакоудалением

Для обеспечения жидкого шлакоудаления необходимо, чтобы температура газов у стен нижней части топки и в районе пода была выше температуры текучести шлака, т. е. υ г >t н.ж , гдеt н.ж t з 50...100 ºС – температура нормального жидкотекучего состояния. Создание таких условий в нижней части топки возможно путем приближения ядра факела к поду топки и покрытия настенных экранов в этой зоне карборундовой огнеупорной тепловой изоляцией (футерование экранных труб). Для прочного удержания футеровки вначале на трубы экранов со стороны топочного объема приваривают шипы

(диаметром 10…12 мм и длиной 12…15 мм) и затем наносят слой изоляции (рис. 4.12). Оригинальная конструкция таких «утепленных» экранов предложена ЗиО. Вместо ошипованных труб использованы трубы со спиральным оребрением, полученным методом накатки.

Подовая часть топки выполняется горизонтальной или слабонаклонной к центру топки. Здесь на трубы пода накладывают два–три слоя огнеупорного кирпича на огнеупорной связке. В центре пода оставляется одно или два футерованных отверстия для слива шлака (летки) размером примерно 500X800 мм. Расплавленный шлак переливается через край летки и тонкими струями стекает в шлаковую ванну, где при контакте с водой отвердевает.

Доля шлакоулавливания в таких топках заметно возрастает по сравне-

нию с твердым способом: а шл = 0,2…0,4. Удаление затвердевшего шлака из ванны производят непрерывно скребковыми, шнековыми или роторными транспортерами.

По конструкции топочные камеры с жидким шлакоудалением выполняются однокамерными (открытые и полуоткрытые) и двух–, трехкамерными. По характеру движения факела они могут быть с прямоточным факелом, с пересекающимися струями и циклонным движением.

Рис. 4.12. Вид на футерованный экран.

1 – экранная труба; 2 – шипы до их покрытия обмазкой; 3 – огнеупорная обмазка.

Наиболее простым конструктивным решением топки с жидким шлакоудалением является открытая однокамерная топка с прямоточным факелом (рис. 4.13,а). За счет футерования экранов нижней части топки и выполнения утепленного пода выделяется зона с повышенной температурой газов (зона плавления шлаков). В этом случае применяют вихревые горелки с встречным и более низким расположением их над подом топки. Однако высокая отдача

теплоты в верхнюю зону охлаждения ограничивает регулировочные возможности топки: при снижении нагрузки до 0,7…0,8 номинальной начинается застывание шлаков вначале на стенах, а затем на поду. Кроме того, открытая топка обеспечивает невысокую степень шлакоулавливания: а шл = 0,1…0,15.

С помощью двустороннего пережима топки обеспечивается выделение камеры горения (рис. 4.13,б). Отдача теплоты в верхнюю зону здесь заметно сокращается. Благодаря этому достигается достаточно высокая температура газов (1600–1800°С). Объемное тепловое напряжение камеры горения со-

ставляет q к.с. v = 500…800 кВт/м3 , заметно растет доля шлакоулавливания:

а шл = 0,2…0,4. Расширяется диапазон работы котла с устойчивым выходом жидкого шлака.

В топках с пересекающимися струями (рис. 4.14) камера горения выделяется односторонним или двусторонним пережимом. Прямоточные горелки устанавливаются таким образом, чтобы создать в камере горения вихревое движение факела с горизонтальной осью. Факел делает один оборот вблизи футерованных стен, затем горячие газы проходят в промежутках между горелками, пересекают струи свежей пылевоздушной смеси, обеспечивая их быстрый прогрев и устойчивое воспламенение. Организованное движение вдоль стен и пода топки создает условия для устойчивого выхода жидкого шлака даже при глубоком снижении нагрузки (до 40…50% номинальной).

Рис. 4.13. Схемы топок с жидким шлакоудалением и прямоточным факелом.а – открытая топочная камера;б – топка с пережимом.

Рис. 4.14. Схемы вихревых топок с пересекающимися струями.а – топка МЭИ;б – топка ЦКТИ;в – гамма–топка ВТИ.

Рис. 4.15. Циклонные топки.

а – топка с горизонтальными циклонами;б – подовые предтопки с верхним выходом газов; 1 – камера горения (циклон); 2 – шлакоулавливающий пучок; 3 – камера охлаждения; 4 – горелка; 5 – сопла вторичного воздуха; 6 – шлаковая летка; 7 – шлаковая ванна.

Объемное тепловое напряжение камеры горения составляет 500…600 кВт/м3 . Более полное разделение горения и охлаждения газов достигается в топках с циклонными предтопками (рис. 4.15). По принципу выполнения эти топочные устройства относятся к двухкамерным топкам. Сущность циклонного метода сжигания состоит в том, что тангенциально вводимый в предтопок с большой скоростью вторичный воздух (80…120 м/с) или тангенциально направленные пылевоздушные струи из горелок закручивают факел в

предтопке. Вся внутренняя его поверхность покрыта экранами из ошипованных и футерованных огнеупорной массой труб. Частицы топлива в предтопке подвержены воздействию двух сил: центробежной, отбрасывающей их к внутренней стенке предтопка; аэродинамической, выносящей частицы вместе с газами из предтопка. Соотношение этих сил зависит от размеров частиц, поэтому частицы распределяются по сечению циклона неравномерно: наиболее крупные отбрасываются к стенкам предтопка и там вовлекаются в вихревое движение до полного выгорания, а мелкие фракции сгорают в центральной части его. В циклонных предтопках можно сжигать более грубую пыль, а в ряде случаев (в горизонтальных циклонах) и дробленое топливо, снижая тем самым затраты энергии на пылеприготовление. Интенсивное вихревое движение обеспечивает также значительное улавливание шлака в жидком виде (а шл до 0,6….0,85). Большее значение относится к горизонтальным циклонным предтопкам.

Горизонтальные циклонные предтопки (рис. 4.15,а) выполняют диаметром 1,8…4 м. Длина циклона больше его диаметра в 1,2…1,3 раза. Тепловая мощность одного циклона составляет 150…400 МВт. Тепловое напряже-

ние в циклоне весьма высокое (q v = 2…6 МВт/м3 ) при уровне температур га-

зов 1800…1900°С и избытке воздуха а шл = 1,05…4,1. Однако из–за необходимости иметь развитую камеру охлаждения газов общее тепловое напряжение топок с горизонтальными циклонами не превышает 200…300 кВт/м3 , что ненамного выше, чем в обычных однокамерных топках с жидким шлакоудалением.

Высокие скорости вторичного воздуха обеспечиваются применением специальных высоконапорных вентиляторов с напором 10…20 кПа (1000…2000 мм вод. ст.), что в 2…3 раза выше обычных напоров воздуха. В конструктивном исполнении топки с циклонными предтопками сложнее и дороже обычных однокамерных топок.

Вертикальные подовые предтопки с верхним выходом газов (рис. 4.15,б) производства Барнаульского котельного завода (БКЗ) располагаются под камерой охлаждения. Их выполняют восьмигранными из отдельных плоских секций и включают в общую циркуляционную схему экранов топочной камеры, что заметно удешевляет конструкцию по сравнению с горизонтальными циклонами. На одну камеру охлаждения работают обычно два предтопка. Прямоточные щелевые горелки устанавливают на четырех стенках предтопка с тангенциальным направлением потоков при обычных скоростях первичного и вторичного воздуха (ω1 =25…35 м/с, ω2 =40…50 м/с). Вся внутренняя поверхность предтопка футерована по экранам.

Преимущества топочных устройств с жидким шлакоудалением в сравнении с твердым удалением шлаков заключаются в следующих основных

моментах. При сжигании одного и того же вида топлива потери с механическим недожогом q 4 в случае жидкого шлакоудаления снижаются примерно на 30%. Общее тепловое напряжение топочного объема оказывается в среднем на 20% выше. Это значит, что в таком же соотношении при жидком шлакоудалении можно уменьшить габариты топочной камеры. За счет уплотнения нижней части топки уменьшаются присосы воздуха в топочную камеру, что приводит к некоторому снижению потерь с уходящими газами. В топках с высоким шлакоулавливанием заметно сокращаются затраты на золоулавливающие установки.

Вместе с тем топки с жидким шлакоудалением обладают рядом недостатков. Так, рост шлакоулавливания ведет к увеличению потери теплоты с высокотемпературными шлаками q 4 которая во многих случаях превосходит уменьшение потерьq 4 Снижается диапазон рабочих нагрузок по условиям выхода жидкого шлака (для однокамерных топок). Рост температурного уровня в ядре факела ведет к увеличению выхода вредных окислов азота. В связи с этим выбор для того или другого вида топлива топочного устройства с твердым или жидким шлакоудалением требует оценки и сопоставления всех положительных и отрицательных моментов. В то же время не всякое топливо можно сжигать с обеспечением жидкого выхода шлаков. Если для топ-

лив с относительно легкоплавкой золой (t 3 = 1150…1300°С) не возникает за-

труднения, то при значениях t 3 > 1350°С необходимо произвести расчет обеспечения выхода жидкого шлака. Экономически выгодно применять топки с жидким шлакоудалением при сжигании низкореакционных топлив (антрацит, полуантрацит, тощие каменные угли), когда достигается заметный выигрыш за счет снижения механического недожога, а также топлив с низкой температурой плавления золы, которые в топках с твердым шлакоудалением вызывают сильное шлакование топочных экранов.

4.5.Топочные камеры газомазутных котлов, их конструкции

Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять топочные камеры для этих видов топлива одинаковой конструкции. Как правило, в таких топочных устройствах основным топливом является мазут, а резервным – природный газ. Близость характеристик сжигания газа и мазута выражается в следующих показателях.

1. При практическом отсутствии внешней влаги в топливах образуются близкие объемы продуктов сгорания при работе парового котла как на мазуте, так и на газе, что позволяет эксплуатировать те же тягодутьевые машины на разных топливах.

2. Горение мазута и газа происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда) по законам ЦРР. Интенсивность горения в обоих случаях

определяется условиями перемешивания, а максимально допустимые тепловые напряжения топочного объема имеют близкие значения (300 кВт/м3 – для мазута и 350 кВт/м3 – для природного газа). Поэтому при одинаковой паро-

производительности котла для этих топлив могут быть приняты одинаковые размеры топочных камер.

3. Практическое отсутствие золы при сжигании этих топлив (мазут

имеет А с < 0,3%) исключает вероятность шлакования настенных экранов и необходимость в шлакоудалении. Поэтому для обоих видов топлива под топки выполняют горизонтальным или слабонаклонным с выполнением только лазов для ремонтных работ (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Виды топочных камер газомазутных паровых котлов.

а – открытая топка с однофронтальными многоярусными горелками;б – топка с пережимом и встречным (двухфронтальным) расположением горелок;в

– открытая топка с встречным двухъярусным расположением горелок; г – топка с встречными циклонными предтопками;д – топка с подовыми горелками прямоточного или вихревого типа (пунктирные линии).

4. Более легкие условия перемешивания воздуха с топливом в газовом состоянии обеспечивают практически полное сжигание топлива при вы-

соких тепловых напряжениях с низкими избытками воздуха αгор =1,02…1,05

при одинаковой температуре его подогрева (t г.в. =250…300°С). Это позволяет выполнять комбинированные газомазутные горелки с близкими объемными расходами воздуха и практически равным сопротивлением.

Интенсивное горение этих видов топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, кото-

рая для мазута характеризуется достаточно высоким уровнем температур и значительной интенсивностью теплового потока на настенные экраны. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии, а также ведет к образованию высокой концентрации окислов азота в ядре факела.

По профилю газомазутные топочные камеры могут быть открытого типа, с пережимом и с циклонными предтопками (рис. 4.16). Большинство выпускаемых газомазутных паровых котлов оборудуются традиционными призматическими топками с однофронтальным или двухфронтальным (встречным) расположением горелок. Горелки при однофронтальной установке размещают в несколько (три–четыре) ярусов. Такая компоновка дешевле и удобнее в обслуживании, однако не обеспечивает равномерного заполнения топки факелом и неприемлема для топок с небольшим размером по глубине (менее 6 м) ввиду значительного роста температуры газов и теплонапряжения заднего экрана.

При встречном расположении горелок обеспечиваются лучшие условия работы экранов. При этом факел концентрируется в центральной высокотемпературной области топочной камеры. Встречное движение факелов способствует турбулизации при выгорании топлива в концевых участках факела и при прочих равных условиях приводит к повышению теплонапряжения в зоне ядра факела на 20–30%. Наличие пережима способствует турбулизации потока в зоне ядра факела и в зоне дожигания топлива на выходе из камеры горения.

Для снижения интенсивности тепловых потоков на экранные поверхности топочной камеры в опытной серии паровых котлов для блоков 300 МВт было предложено вынести основное горение топлива в циклонные предтопки (рис. 4.16,г), размещенные встречно. За счет высокой турбулентности вихревого потока в пределах циклона обеспечивается сгорание 85–90% топлива. Экраны самих циклонов ошипованы и футерованы карборундовой огнеупорной изоляцией. Однако связанные с этим рост температуры факела и теплового потока на экраны нежелательны. Поэтому такой профиль топочной камеры не оптимален для этих видов топлива. Известно, что факел газового топлива обладает меньшей излучающей способностью, и при переводе котла с мазута на природный газ тепловосприятие топочной камеры снижается, а температура продуктов сгорания на выходе из топки становится выше. Это расхождение температур при номинальной нагрузке для топочных камер открытого типа составляет около 100°С, что неизбежно сказывается на изменении тепловой работы последующих поверхностей нагрева и прежде всего перегревателя. В открытых топочных камерах с многоярусными однофронтальными горелками для выравнивания температуры газов за топкой поль-