Топочные устройства или топка является основным элементом котельного агрегата или огневой печи и служит для сжигания топлива наиболее экономичным способом и превращении наиболее экономичным способом и превращении его химической энергии в тепло. Существуют следующие основные способы сжигания твердого топлива: 1) слоевой; 2) факельный (камерный); 3) вихревой; 4) сжигание в кипящем слое. Для сжигания жидких и газообразных топлив применяют только факельный способ. 1. Слоевой способ – процесс сжигания осуществляется в слоевых топках. Слоевые топки можно разделить на 3 группы: 1) топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим на ней плотным слоем топливом. При возрастании скорости топлива, проходящего через слой топлива. Последний может стать кипящим. Такой слой топлива горит более интенсивно вследствие увеличения контактной поверхности с воздухом. 2. Топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающихся по ней слоев топлива. 3. Топки с движущимся вместе с колосниковой решеткой слоем топлива.

1 – зольник; 2 – колосниковая решетка; 3 – слой топлива; 4 – топочная камера; 5 – фурма для подачи воздуха; 6 – окно для подачи топлива.

Топка предназначена для сжигания всех видов топлива.

Стандартная колосниковая решетка типа РПК – Состоит из колосников, набранных в несколько рядов и насаженных валы прямоугольного сечения. При повороте валов на поворотный угол 30 0 ряды колосников наклоняются под тем же углом, и через образовавшиеся просветы шлак с решетки просыпается в зольник. Решетки имеют размеры в ширину от 900 до 3600 мм и в длину от 915 до 3660 мм. Наиболее распространенным типом слоевых топок является механизированная слоевая топка с цепной механической передачей. Механическая решетка выполняется в виде бесконечного колосникового полотна движущегося глубину топки вместе с лежащим на нем слоем горящего топлива. Топливо проходит, все стадии горения и в виде пыли ссыпается в шлаковый бункер. Скорость движения решетки можно изменять в зависимости от расхода топлива от 2 до 16 м/ч. Эти топки применяются для сжигания сортированного антрацита с размером кусков до 40 мм. Особенностью слоевых топок является наличие запаса топлива на решетке что позволяет регулировать мощность топки изменением количества подаваемого воздуха и обеспечивает устойчивость процесса горения. Слоевой способ не пригоден для крупных энергетических установок, а в установках малой и средней мощности данный способ находит широкое применение. 2. Факельный способ. В отличие от слоевого характеризуется непрерывностью движения в топочном пространстве частичек топлива вместе с потоком воздуха и продуктов горения, в котором они находятся во взвешенном состоянии. На рисунке показана камерная топка с факельным сжиганием топлива. Она состоит из горелки 1. топочной камеры 2, кипятильных труб3, труб заднего экрана 4, шламовой воронки 5. Предварительно измельченное топливо виде угольной пыли и газовая смесь подаются в горелку 1, туда же через ряд отверстий вдувается вторичный воздух. Газовоздушный поток с взвешенными частицами твердого топлива зажигается на выходе из горелки в топку 2. В топочной камере топливо сгорает с образованием горящего факела. Тепло выделяемое при сжигании топлива в виде излучения и конвективным путем передается воде циркулирующей в кипятильных трубах и трубах заднего экрана. Остаток от сгоревшего топлива поступает, шлаковую воронку, а затем выводится. Основным достоинством данного способа сжигания является возможность создания мощных топок паропроизводительностью до 2000 т/ч и возможность экономичного и надежного сжигания зольных, влажных и отбросных топлив под котлами различной мощности. К недостаткам данного способа можно отнести: 1) Высокую стоимость системы пылеприготовления; 2) Высокий расход электрической энергии на размол; 3) Несколько пониженные тепловые нагрузки камеры сгорания, чем у слоевых топок, что способствует условию объемов топочных пространств. Пылеприготовление из кускового топлива состоит из следующих операций: 1. Удаление из топлива металлических предметов с помощью магнитных сепараторов. 2. Дробление крупных кусков топлива в дробилках до размера 15-25 мм. 3. Сушка и размол топлива в специальных мельницах и классификация топлив. 4. Классификация. Для дробления крупных кусков можно использовать шаровые, валковые, конусные дробилки. В качестве размалывающего оборудования в системе пылеприготовления используется тихоходные шаровые барабанные мельницы, быстроходные молотковые мельницы с аксиальным и тарельчатым подводом сушильного агента. Для сжигания пылевидного топлива применяются круглые и щелевые горелки. Они размещаются фронтально передней стенке топки, встречно на боковых стенках, а также по углам топки. Для фронтального и встречного распыления применяют круглые турбулентные горелки, создающие короткий факел.

Если за определяющий параметр взять скорость движения воздуха w в относительно скорости движения частиц топлива v т, то по этому параметру выделяют четыре технологии сжигания топлива.

1. В плотном фильтрующем слое (w в >> v т).

Применяется только для кускового твердого топлива, которое распределяется на колосниковой решетке. Слой топлива продувается воздухом со скоростью, при которой устойчивость слоя не нарушается и процесс горения имеет кислородную и восстановительную зону.

Видимое тепловое напряжение колосниковой решетки составляет Q R = 1,1…1,8 МВт/м 2 .

2. В кипящем или псевдоожиженным слое (w в > v т).

При увеличении скорости воздуха динамический напор может достигнуть, а затем и превысить гравитационную силу частиц. Устойчивость слоя нарушится и начнется беспорядочное движение частиц, которые будут подниматься над решеткой, а затем совершать возвратно-поступательное движение вверх и вниз. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя, называется критической.

Увеличение ее возможно до скорости витания частиц, когда они выносятся потоком газов из слоя.

Значительная часть воздуха проходит через кипящий слой в виде «пузырей» (газовых объемов), сильно перемешивающих мелкозернистый материал слоя, в результате процесс горения по высоте протекает практически при постоянной температуре, что обеспечивает полноту выгорания топлива.

Для кипящего псевдоожиженного слоя характерна скорость воздуха 0,5…4 м/с, размер частиц топлива 3…10 мм, высота слоя не более 0,3…0,5 м. Тепловое напряжение объема топки Q V = 3,0…3,5 МВт/м 3 .

В кипящий слой вводят негорючий заполнитель: мелкий кварцевый песок, шамотную крошку и др.

Концентрация топлива в слое не превышает 5 %, что позволяет сжигать любое топливо (твердое, жидкое, газообразное, включая горючие отходы). Негорючий наполнитель в кипящем слое может быть активным по отношению к вредным газам, образующимся при горении. Введение наполнителя (известняка, извести или доломита) дает возможность перевести в твердое состояние до 95 % сернистого газа.

3. В потоке воздуха (w в ≈ v т) или факельный прямоточный процесс. Частицы топлива оказываются взвешенными в газовоздушном потоке и начинают перемещаться вместе с ним, сгорая во время движения в пределах топочного объема. Способ отличается слабой интенсивностью, растянутой зоной горения, резкой неизотермичностью; требуется высокая температура среды в зоне воспламенения и тщательная подготовка топлива (распыливание и предварительное перемешивание с воздухом). Тепловое напряжение объема топки Q V ≈ 0,5 МВт/м 3 .

Владельцы патента RU 2553748:

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в печах и в теплогенераторах различного типа, использующих для сжигания органическое топливо.

Известен способ эффективного сжигания топлива путем разделения газа (продуктов реакции сжигания), например Способ разделения газов с применением мембран с продувкой пермеата для удаления СО 2 из продуктов сжигания по патенту 2489197 (RU) Патентообладатель: МЕМБРАНЕ ТЕКНОЛОДЖИ ЭНД РЕСЕРЧ, ИНК (US), Авторы БЕЙКЕР Ричард (US), ВИДЖМАНС Йоханнс Джи (US) и др. .

Реализация данного способа сжигания осуществляется в несколько этапов: этап улавливания диоксида углерода, этап мембранного разделения газов, работающий в сочетании с компрессией и конденсацией для получения продукта из диоксида углерода в виде жидкости и этапа на основе продувки, в котором входящий воздух или кислород для топки применяют в качестве продувочного газа. Недостатком данного способа является его сложность в реализации, поскольку он включает множество дополнительных этапов стандартного типа, таких как нагревание, охлаждение, компрессия, конденсация, подача насосом, различные типы разделения и/или фракционирования, а также мониторинг давлений, температур, потоков и т.п., при данном способе улавливание диоксида углерода происходит из отходящего потока, образованного сжиганием топлива, разбавленного балластными газами, имеющего в связи с этим пониженную температуру.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является Способ сжигания твердого топлива в бытовых отопительных печах по патенту 2239750 (RU), авторов Тен В.И. (RU) и Тен Г.Ч. (RU), Патентообладатель Тен Валерий Иванович (RU) .

Данный способ включает загрузку топлива на колосниковую решетку печи, создание тяги в ее рабочем пространстве, розжиг и горение топлива с удалением продуктов сжигания в атмосферу, регулирование тяги и количества удаляемых из печи продуктов сжигания путем приоткрывания заслонок поддувала и дымовой трубы.

Недостатком данного способа сжигания твердого топлива является его сложность в реализации, обусловленная разбивкой процесса на ряд отдельных периодов, в каждом из которых топливо заново разжигают, доводят до режима интенсивного горения и после достижения заданной температуры печи процесс горения переводят в режим затухания, затем снова производится розжиг с помощью сложной автоматики и с использованием уже жидкого или газообразного топлива. Недостатком этих и других подобных способов сжигания топлива является смешивание продуктов сжигания, источников тепла (CO 2 и Н 2 О), в зоне реакции, в единый поток с балластными газами (азот, излишний воздух и др.), которые ухудшают условия сжигания топлива и использования выделенного тепла (отбирают полезное тепло и выносят его в атмосферу) .

Предлагаемое изобретение ставит своей задачей улучшить условия сжигания топлива и увеличить объем выделяемой топливом тепловой энергии.

Технический результат предлагаемого способа заключается в увеличении коэффициента полезного действия печей и теплогенераторов путем сжигания горючих газов в средней зоне колпака печи и удаления балластных газов из зоны горения, а также за счет воздействия на раскаленный углерод перегретым водяным паром.

Предлагаемый способ сжигания топлива поясняется графическим материалом, где приняты следующие обозначения: 1 - зона реакции сжигания; 2 - поддувало (зольник); 3 - подача первичного воздуха для розжига, поддержания горения и газификации топлива (летучие горючие газы); 4 - камера сгорания с топливом; 5 - углеводород (летучие газы); 6 - подача вторичного воздуха в зону горения для сжигания летучих горючих газов; 7 - вредные негорючие балластные газы, не участвующие в горении; 8 - подача перегретого пара; 9 - полезные раскаленные продукты - носители тепла, диоксид углерода и водяные пары; 10 - зона теплообмена; 11 - колосниковая решетка; 12 - выход газов из колпака печи.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. На колосниковую решетку 11 загружают твердое топливо, производят его розжиг, при этом через поддувало 2 и колосниковую решетку 11 поступает первичный воздух. Затем после розжига в колпак непосредственно в зону горения поступает вторичный воздух 6 для сжигания летучих горючих газов. В результате реакции сжигания возникает смесь не связанных между собой газов: раскаленные диоксид углерода и водяные пары и условно холодные балластные газы - излишний воздух и освободившийся азот в его составе (излишний воздух с повышенным содержанием азота). Особенность колпаковой конструкции в том, что в ней во время реакции сжигания происходит разделение возникающих газов. Горячие газы поднимаются вверх, отдавая тепловую энергию колпаку, а холодные частицы балластных газов опускаются вниз через зоны колпака с пониженной температурой. Реакции горения топлива выражаются известными уравнениями горения. Соотношения веществ, вступающих в реакцию, выдерживаются, как и их состав. То есть в реакцию вступают углерод С, водород Н 2 с кислородом O 2 в количестве, определенном химическими уравнениями:

другие вещества вступить в реакцию не могут . Реакция сжигания происходит в зоне горения между углеводородом и кислородом без участия балластных газов, при этом освобожденный из воздуха азот в составе излишнего воздуха, как менее нагретые, выталкиваются через нижнюю часть колпака наружу (выходная труба на схеме не показана). После разогрева камеры сгорания и наличия в ней раскаленного углерода в колпак подают перегретый водяной пар 8 ниже зоны подачи вторичного воздуха. В результате взаимодействия углерода с водяными парами при высокой температуре возникают горючие газы в соответствии с известными химическими уравнениями

при пониженной температуре с суммарным положительным тепловым эффектом, которые усиливают процесс сжигания топлива и увеличивают теплоотдачу от него . Реализация предлагаемого способа сжигания топлива позволит увеличить коэффициент полезного действия печей и теплогенераторов. Предлагаемый способ достаточно прост в реализации, не требует сложного оборудования и может найти широкое применение в промышленности и в быту.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент Российской Федерации №2489197, МПК B01D 53/22 (2006.01). Способ разделения газов с применением мембран с продувкой пермеата для удаления диоксида углерода из продуктов сжигания. Патентообладатель, МЕМБРАНЕ ТЕКНОЛОДЖИ ЭНД РЕСЕРЧ, ИНК. (US).

2. Патент Российской Федерации №2239750, МПК F24C 1/08, F24B 1/185. Способ сжигания топлива в бытовых отопительных печах. Патентообладатель Тен Валерий Иванович.

3. Мякеля К. Печи и камины. Справочное пособие. Перевод с финского. М.: Стройиздат, 1987.

4. Гинзбург Д.Б. Газификация твердого топлива. Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. М., 1958.

Способ сжигания топлива в печах, имеющих колпак с камерой сгорания топлива и колосниковой решеткой, включающий загрузку топлива, розжиг и горение топлива за счет первичного воздуха, поступающего через поддувало, отличающийся тем, что движение газов в колпаке осуществляется без использования тяги трубы, с возможностью аккумулирования горячих газов в верхней части колпака, при этом в колпак, непосредственно в зону горения, подают вторичный воздух, при этом горячие газы поднимаются вверх, отдавая тепловую энергию колпаку, а холодные частицы балластных газов опускаются вниз через зоны колпака с пониженной температурой, после разогрева камеры сгорания в нее, ниже подачи вторичного воздуха, подают перегретый водяной пар на раскаленный углерод и получают горючие газы.

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к парообразующим устройствам. Технический результат заключается в повышении эффективности банных процедур.

Изобретение относится к варочному устройству для приготовления пищи с использованием пара. Варочное устройство содержит нагревательную камеру, в которой пища размещается и нагревается, нагревательное средство, нагревающее пищу, парообразующий резервуар, включающий водоиспарительную камеру, источник тепла, нагревающий парообразующий резервуар, устройство для подачи воды, доставляющее воду в водоиспарительную камеру, подающее отверстие для подачи пара от водоиспарительной камеры, выпускное отверстие, выбрасывающее в нагревательную камеру пар, подаваемый из подающего отверстия, буферная камера, сообщающаяся с подающим отверстием и выпускным отверстием, расположена между водоиспарительной камерой и нагревательной камерой, причем источник тепла расположен между буферной камерой и водоиспарительной камерой.

Изобретение относится к бытовой технике, а именно к устройствам для приготовления пищи в походных условиях. Одноразовая походная печь включает корпус, содержащий: стенку корпуса, дно корпуса, окно для розжига горючего, воздушные окна, причем корпус выполнен в виде вырубки из листового или из листового гофрированного материала, а имеющая возможность изгиба и фиксации вокруг дна корпуса стенка корпуса имеет защелку замка, упоры удержания нагреваемой емкости и упоры удержания дна.

Изобретение относится к приборам для химических лабораторий, а именно, к эксикаторам - устройствам для медленного охлаждения, высушивания и хранения легко поглощающих влагу из воздуха веществ и материалов в атмосфере с малым давлением водяных паров в герметичных условиях с одновременным применением адсорбентов.

Изобретение относится к области малой энергетики, в частности к устройствам теплоснабжения небольших частных домов и секторов малоэтажной застройки. Технический результат - снижение выбросов вредных веществ до минимальных значений и повышение коэффициента полезного действия. Топочное устройство содержит корпус, дверцы для загрузки топлива и выгрузки золы, установленные в топочной камере устройства горизонтальную колосниковую решетку и дутьевой канал. Устройство снабжено сводом, расположенным над топочной камерой, поворотной камерой над сводом, верхним и нижним зольниками в нижней части корпуса и снабженными дверцами, сменными насадками для сжигания топлива, расположенными на основании дутьевого канала, горизонтальной колосниковой решеткой с возможностью регулирования ее установки по высоте топочной камеры. Дутьевой канал расположен в центре топочной камеры и соединен с нижним зольником, а в задней стенке корпуса выполнен скат. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в печах и в теплогенераторах различного типа, использующих для сжигания органическое топливо. Технический результат - увеличение коэффициента полезного действия печей и теплогенераторов. Способ сжигания топлива в печах, имеющих колпак с камерой сгорания топлива и колосниковой решеткой, включает загрузку топлива, розжиг и горение топлива за счет первичного воздуха, поступающего через поддувало. Движение газов в колпаке осуществляется без использования тяги трубы, с возможностью аккумулирования горячих газов в верхней части колпака. При этом в колпак, непосредственно в зону горения, подают вторичный воздух. Горячие газы поднимаются вверх, отдавая тепловую энергию колпаку, а холодные частицы балластных газов опускаются вниз через зоны колпака с пониженной температурой. После разогрева камеры сгорания в нее, ниже подачи вторичного воздуха, подают перегретый водяной пар на раскаленный углерод и получают горючие газы. 1 ил.

Различают три способа сжигания топлива: слоевой, при котором топливо в слое продувается воздухом и сжигается; факельный, когда топливно-воздушная смесь сгорает в факеле во взвешенном состоянии при перемещении по топочной камере, и вихревой (циклонный), при котором топливно-воздушная смесь циркулирует по обтекаемому контуру за счет центробежных сил. Факельный и вихревой способы могут быть объединены в камерный.

Процесс слоевого сжигания твердого топлива происходит в неподвижном или кипящем слое (псевдосжиженном). В неподвижном слое (рис. 2.6, а ) куски топлива не перемещаются относительно решетки, под которую подается необходимый для горения воздух. В кипящем слое (рис. 2.6, б )частицы твердого топлива под действием скоростного напора воздуха интенсивно перемещаются одна относительно другой. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя и начинается возвратно-поступательное движение частиц над решеткой, называется критической . Кипящий слой существует в границах скоростей от начала псевдосжижения до режима пневмотранспорта.

Рис. 2.6. Схемы сжигания топлива: а – в неподвижном слое; б – в кипящем слое; в – факельный прямоточный процесс; г – вихревой процесс; д – структура неподвижного слоя при горении топлива и изменение a, О 2 , СО , СО 2 и t по толщине слоя: 1 – решетка; 2 – шлак; 3 – горящий кокс;
4– топливо; 5 – надслойное пламя

На рис. 2.6, д показана структура неподвижного слоя. Топливо 4, ссыпаемое на горящий кокс, прогревается. Выделяющиеся летучие сгорают, образуя надслойное пламя 5. Максимальная температура (1300 – 1500 °С) наблюдается в области горения коксовых частиц 3.В слое можно выделить две зоны: окислительную, a > 1; восстановительную, a < 1.
В окислительной зоне продуктами реакции горючего и окислителя являются как СО 2 , так и СО . По мере использования воздуха скорость образования СО 2 замедляется, максимальное ее значение достигается при избытке воздуха a = 1. В восстановительной зоне ввиду недостаточного количества кислорода (a < 1) начинается реакция между СО 2 и горящим коксом (углеродом) с образованием СО . Концентрация СО в продуктах сгорания возрастает, а СО 2 уменьшается. Длина зон в зависимости от среднего размера d к частиц топлива следующая: L 1 = (2 – 4) d к ; L 2 = (4 – 6) d к . На длины зон L 1 и L 2 (в сторону их уменьшения) влияют увеличение содержания летучих горючих ,уменьшение зольности А р , рост температуры воздуха.

Поскольку в зоне 2 кроме СО содержатся Н 2 и СН 4 , появление которых связано с выделением летучих, то для их дожигания часть воздуха подается через дутьевые сопла, расположенные над слоем.

В кипящем слое крупные фракции топлива находятся во взвешенном состоянии. Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным. Низкотемпературное (800 – 900 °С) сжигание топлива достигается при размещении в кипящем слое поверхности нагрева котла. В отличие от неподвижного слоя, где размер частиц топлива достигает 100 мм, в кипящем слое сжигается дробленый уголь с d к £ 25 мм.
В слое содержится 5 – 7 %топлива (по объему). Коэффициент теплоотдачи к поверхностям, расположенным в слое, довольно высок и достигает 850 кДж/(м 2 ×ч×К). При сжигании малозольных топлив для увеличения теплоотдачи в слой вводят наполнители в виде инертных зернистых материалов: шлак, песок, доломит. Доломит связывает оксиды серы
(до 90 %), в результате чего снижается вероятность возникновения низкотемпературной коррозии. Более низкий уровень температур газов в кипящем слое способствует уменьшению образования в процессе горения оксидов азота, при выбросе которых в атмосферу загрязняется окружающая среда. Кроме того, исключается шлакование экранов, т. е. налипание на них минеральной части топлива.

Характерной особенностью циркулирующего кипящего слоя является приближение к работе слоя в режиме пневмотранспорта.

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

Характеристикой размола твердого топлива является удельная площадь F пл поверхности пыли или суммарная площадь поверхности частиц пыли массой 1 кг (м 2 /кг). Для частиц сферической формы одинакового (монодисперсного) размера величина F пл обратно пропорциональна диаметру пылинок.

В действительности получаемая при размоле пыль имеет полидисперсный состав и сложную форму. Для характеристики качества размола полидисперсной пыли наряду с удельной площадью поверхности пыли используют результаты ее просеивания на ситах различных размеров. По данным просеивания строят зерновую (или помольную) характеристику пыли в виде зависимости остатков на сите от размераячеек сита.Наиболее часто используют показатели остатков на ситах 90 мкм и 200 мкм – R 90 и R 200 . Предварительная подготовка топлива и подогрев воздуха обеспечивают выгорание твердого топлива в топке за относительно небольшой промежуток времени (несколько секунд) нахождения пылевоздушных потоков (факелов) в ее объеме.

Технологические способы организации сжигания характеризуются определенным вводом топлива и воздуха в топку. В большинстве систем пылеприготовления транспортирование топлива в топку осуществляется первичным воздухом, являющимся только частью общего количества воздуха, необходимого для процесса горения. Подача вторичного воздуха в топку и организация взаимодействия его с первичным осуществляются в горелке.

Камерный способ в отличие от слоевого также применяется для сжигания газообразного и жидкого топлива. Газообразное топливо поступает в топочную камеру через горелку, а жидкое – через форсунки в пульверизированном виде.

Слоевые топки

Топка с неподвижным слоем может быть ручной, полумеханической или механической с цепной решеткой. Механической топкой называют слоевое топочное устройство, в котором все операции (подача топлива, удаление шлака) выполняются механизмами. При обслуживании полумеханических топок наряду с механизмами используется ручной труд. Различают топки с прямым (рис. 2.7, а ) и обратным (рис. 2.7, б )ходом решеток 1, приводимых в движение звездочками 2. Расход топлива, подаваемого из бункера 3, регулируется высотой установки шибера 4 (см. рис. 2.7, а )или скоростью движения дозаторов 7(рис. 2.7, б ). В решетках с обратным ходом топливо подается на полотно забрасывателями 8 механического (рис. 2.7, б, в )или пневматического (рис. 2.7, г )типа. Мелкие фракции топлива сгорают во взвешенном состоянии, а крупные – в слое на решетке, под которую подводится воздух 9. Прогрев, воспламенение и горение топлива происходят за счет теплоты, передаваемой излучением от продуктов сгорания. Шлак 6 с помощью шлакоснимателя 5(рис. 2.7, а ) или под действием собственного веса (рис. 2.7, б )поступает в шлаковый бункер.

Структура горящего слоя представлена на рис. 2.7, а. Область III горения кокса после зоны II подогрева поступающего топлива (зона I ) расположена в центральной части решетки. Здесь же находится восстановительная зона IV. Неравномерность степени горения топлива по длине решетки приводит к необходимости секционного подвода воздуха. Большая часть окислителя должна подаваться в зону III , меньшая – в конец зоны реагирования кокса и совсем небольшое количество – в зону II подготовки топлива к сжиганию и зону V выжига шлака. Этому условию отвечает ступенчатое распределение избытка воздуха a 1 по длине решетки. Подача одинакового количества воздуха во все секции могла бы привести к повышенным избыткам воздуха в конце полотна решетки, в результате чего его будет не хватать для горения кокса (кривая a 1) в зоне III .

Основным недостатком топок с цепными решетками являются повышенные потери теплоты от неполноты сгорания топлива. Область применения таких решеток ограничена котлами паропроизводительностью D = 10 кг/с и топливами с выходом летучих = 20 %и приведенной влажностью .

Топки с кипящим слоем отличаются пониженным выбросом таких вредных соединений, как NO х , SO 2 , малой вероятностью шлакования экранов, возможностью (ввиду низкой температуры газов) насыщения объема топки поверхностями нагрева. Недостатками их являются повышенная неполнота сгорания топлива, высокое аэродинамическое сопротивление решетки и слоя,узкий диапазон регулирования паропроизводительности котла.

Рис. 2.7. Схемы работы цепных решеток и типы забрасывателей топлива: а , б – топки с прямым и обратным ходом решеток соответственно; в , г – механический и пневматический забрасыватели;
1 – решетка; 2 – звездочки; 3 – бункер; 4 – шибер; 5 – шлакосниматель; 6 – шлак; 7 – дозатор топлива; 8 – забрасыватель; 9 – подвод воздуха; I – зона свежего топлива; II – зона подогрева топлива;
III – область горения (окисления) кокса; IV – восстановительная зона; V – зона выжига топлива

Слоевой способ сжигания топлива характеризуется относительно невысокими скоростями процесса горения, пониженной его экономичностью и надежностью. Поэтому он не нашел применения в котлах большой производительности.

Камерные пылеугольные топки

Камерные пылеугольные топки состоят из пылеугольных горелок и топочной камеры.

Топочной камерой называется устройство, предназначенное для завершения процесса горения и изоляции его от внешних условий.

Горелки предназначены для ввода в топку и перемешивания топлива и воздуха, обеспечения устойчивого воспламенения и выгорания смеси. Они должны отвечать следующим требованиям: герметичность соединения с топкой; ремонтопригодность; обеспечивать устойчивое горение на сниженной нагрузке и при использовании резервного топлива (газа или мазута).

Топки для сжигания твердых топлив по способу вывода шлака разделяют на топки с сухим шлакоудалением (рис. 2.8) и топки с жидким шлакоудалением (рис. 2.9).

На рис. 2.8 приведена принципиальная схема факельной (пылеугольной) топки с сухим шлакоудалением, где топливо сгорает во взвешенном состоянии в объеме топочной камеры.

б

а

В топках с сухим шлакоудалением ядро факела располагается несколько ниже топочной камеры, покрытой экранными поверхностями нагрева, воспринимающими излучаемую продуктами сгорания и горящим факелом теплоту и защищающими стены топочной камеры от воздействия высоких температур. Такие топки выполняются однокамерными с холодной воронкой в нижней части. В зоне холодной воронки и в верхней части топки температуры продуктов горения более низкие, чем в ядре факела. Взвешенные в потоке топочных газов частички золы, попадая из ядра факела в области относительно пониженных температур, охлаждаются и затвердевают. Небольшая часть золы (10 – 15 % общей зольности топлива) выпадает в шлаковый бункер, расположенный под холодной воронкой. Остальная зола уносится с продуктами сгорания в газоходы котла.

Топки с жидким шлакоудалением бывают однокамерные и двухкамерные.
В однокамерных низ топочной камеры выполняют в виде горизонтального или наклонного пода. На высоте 4 – 5 м от пода экраны закрывают теплоизоляционным материалом для снижения тепловосприятия, что позволяет поддерживать вблизи пода топки высокие температуры 1500 – 1600 о С, при которых шлак находится в жидком состоянии. Жидкий шлак непрерывно удаляется через летку в шлаковую ванну, заполненную водой.
В двухкамерных топках процессы сгорания топлива и охлаждения продуктов сгорания разделены.

Принципиальные схемы двухкамерных циклонных топок с жидким шлакоудалением показаны на рис. 2.9.Основными составляющими циклонным топок являются вихревая камера горения, представляющая собой цилиндр с тангенциальным сосредоточенным или рассредоточенным вводом топлива и воздуха, и камера охлаждения призматической формы.

Топливо подают в вихревую камеру с первичным воздухом. Топливно-воздушную смесь через завихритель (улитку) вводят в центральную часть камеры. По оси вводится дробленка. Через тангенциально расположенные сопла поступает угольная пыль. Вторичный воздух подают в камеру тангенциально через сопла-щели с большой скоростью (более 100 м/с), обеспечивая движение топливных частиц к стенкам камеры. Образующиеся в циклонной камере вихри способствуют интенсивному образованию топливно-воздушной смеси и горению топлива как в объеме циклона, так и на его стенках. Между камерами сгорания и охлаждения располагается шлакоулавливающий пучок футерованных (закрытых теплоизоляционным материалом) труб, предназначенный для улавливания расплавленных капелек шлака, содержащихся в продуктах сгорания. Неуловленные частички золы затвердевают в камере охлаждения.

Стены камеры горения для утепления выполняются из ошипованных экранов, покрытых огнеупорной обмазкой (рис. 2.10), а стены камеры охлаждения имеют неутепленные гладкотрубные или плавниковые экраны.

В зависимости от принципа организации процесса ввода пылевоздушной смеси пылеугольные горелки можно разделить на три типа: вихревые, прямоточные и плоскофакельные.

Принцип работы вихревой горелки (рис. 2.11, а ) следующий. Потоки первичного I и вторичного II воздуха вводят в топку через кольцевые концентрические каналы, в которых установлены завихрители. Направление крутки потоков одинаковое. Характерной особенностью такого течения является сопоставимость по величине всех трех составляющих скорости: аксиальной (продольной) w а , касательной w t (окружной) и радиальной w r . Наличие касательной составляющей скорости приводит к заметному расширению струи, образующей в пространстве параболическое тело вращения. В центральной внутренней части 1струи образуется зона разрежения, величина которой определяется втулочным отношением т=D о /D a и скоростью потоков на выходе из горелок.

Под действием перепада давлений возникают обратные токи высокотемпературных продуктов сгорания,обеспечивающие стабилизацию воспламенения пылевоздушной смеси. При движении первичный I и вторичный II воздух перемешиваются, и процесс горения распространяется на внешнюю поверхность 2струи.

В зависимости от конструкции завихрителей различают горелки улиточно-лопаточные (рис. 2.12, в ), улиточно-улиточные (рис. 2.12, а ), лопаточно-лопаточные, прямоточно-улиточные (рис. 2.12, б ) и прямоточно-лопаточные. В названии сначала указывают тип завихрителя по первичному воздуху.

Рис. 2.12. Виды вихревых пылеугольных горелок: а – улиточно-улиточная горелка;
б – прямоточно-улиточная горелка ОРГРЭС; в – улиточно-лопаточная горелка ЦКТИ – ТКЗ;
1 – улитка пылевоздушной смеси; 1" – входной патрубок пылевоздушной смеси; 2 – улитка вторичного воздуха; 2" – короб ввода вторичного воздуха; 3 – кольцевой канал для выхода пылевоздушной смеси в топку; 4 – то же для вторичного воздуха; 5 – основная мазутная форсунка;
5" – растопочная мазутная форсунка; 6 – рассекатель на выходе пылевоздушной смеси;
7 – завихривающие лопатки для вторичного воздуха; 8 – подвод третичного воздуха по осевому каналу; 9 – управление положением рассекателя; 10 – завихритель осевого потока воздуха;
11 – обмуровка топки; АБ – граница воспламенения пылевоздушной смеси; В – подсос топочных газов к корню факела

В вихревой горелке подводы первичного I и вторичного II воздуха индивидуальные (рис. 2.11). Подвод вторичного воздуха может быть как верхним, так и нижним, а подвод первичного воздуха – только верхним, что объясняется необходимостью предупреждения отложений пыли в пылепроводе. Каналы первичного и вторичного воздуха выполняются кольцевыми концентрическими.

Раскрытие факела, количество эжектируемых газов, распределение скоростей, дальнобойность в вихревой горелке определяются интенсивностью закручивания потоков, которая оценивается параметром п крутки, зависящим от конструкции завихрителя.

Через вихревые горелки целесообразна подача всех видов топлива, кроме фрезерного торфа. К недостаткам этих горелок следует отнести: повышенное гидравлическое сопротивление, конструктивную сложность, необходимость выполнения выходной части из жаростойких материалов во избежание ее выгорания, повышенную склонность к сепарации топлива, несколько больший (по сравнению с горелками других конструкций) выброс оксидов азота в атмосферу.

В прямоточных горелках в отличие от вихревых потоки первичного I и вторичного II воздуха не закручиваются и имеют однонаправленное (попутное) движение (рис. 2.11, б ). Касательная составляющая скорости отсутствует, а радиальная намного меньше продольной составляющей.

Стабилизация воспламенения осуществляется благодаря эжекции продуктов сгорания 1 по периферии 2струи. Нужная степень перемешивания воздуха достигается соответствующим соотношением скоростей первичного I и вторичного II воздуха.

Сопротивление прямоточных горелок меньше, чем вихревых, они проще в изготовлении, количество образующихся оксидов азота меньше. К недостаткам прямоточных горелок следует отнести более высокую дальнобойность и худшие условия перемешивания смеси по сравнению с вихревыми.

Область применения прямоточных горелок – каменные и бурые угли. Горелки предварительного перемешивания, имеющие камеру смешения,применяют в основном для торфа и бурых углей.

Принцип работы плоскофакельных горелок (рис. 2.13) основан на использовании эффекта соударения двух струй воздуха, направленных под углом друг к другу. Дальнобойность факела плоскофакельных горелок меньше, чем у прямоточных. Между струями вторичного воздуха и горелкой образуется «треугольник», в который подается топливо, воспламеняемое эжектируемыми в него раскаленными продуктами сгорания. В результате раздавливания струй после соударения образуется плоская струя, обладающая большой поверхностью. Вследствие расширения струи в одной плоскости и интенсивной эжекции ею продуктов сгорания снизу и сверху скорость струи резко падает. Наклон факела регулируется изменением соотношения расходов вторичного воздуха, подаваемого в верхние и нижние сопла. Это свойство горелки используется при изменении качества сжигаемого топлива, а также нагрузки котлоагрегата или режима его работы.

Топки для сжигания жидкого топлива (мазута)

В качестве жидкого топлива для промышленных котлов применяется в основном мазут. Для того чтобы сжечь мазут, его необходимо предварительно распылить для улучшения условий испарения, поскольку при сжигании мазута горят газообразные продукты его испарения. Для распыливания и ввода мазута в топку используют специальные устройства, называемые форсунками .

Топка для сжигания мазута состоит из топочной камеры, лучевоспринимающих поверхностей нагрева и форсунок.

Топочная камера и лучевоспринимающие поверхности нагрева при сжигании мазута выполнены так, что низ камеры ограничен горизонтальным или слегка наклонным поддоном. Сама камера выполнена относительно меньших размеров, так как мазут можно сжигать при значительно более высоком тепловом напряжении топочного пространства, чем пылевидное топливо. В котлах небольшой паропроизводительности под топки часто не экранируют, чтобы упростить выполнение экранной системы.

Горение топлива представляет собой химический про­цесс соединения его горючих элементов с кислородом воздуха, протекающий при высокой температуре и со­провождающийся выделением значительного количества теплоты. В зависимости от вида топлива раз­личают гомогенное, гетерогенное горение и пульсирующее (ПУЛЬСАР). Гомогенное горение происходит в объеме (в массе), при этом топливо и окислитель находятся в одинаковом агрегатном со­стоянии (например, газообразное топливо и воздух). Гетерогенное горение протекает на поверхности раздела двух фаз, то есть при горении твердого и жидкого топ­лива. Различают два способа горения: в слое кускового топлива и в факеле пылевидного топлива (слоевой и факельный способы сжигания). Газообразное и жидкое топливо сжигают только в факеле. Способ подвода воздуха к топливу имеет существен­ное значение при сжигании его в факеле. Полное время сгорания т определяется временем смесеобразования tд и временем проте­кания химических реакций горения tк. Поскольку возможно наложение этих стадий процессов, полное время сгорания t = tд+tк.

Устройство, предназначенное для сжигания топлива, называется топкой . Классификация: по способу сжигания топлива - слоевые, камерные (факельные) и циклонные; в слое сжигают только твер­дое топливо, а в остальных случаях - твердое, жидкое и газообразное; по режиму подачи топлива - с периодической и не­прерывной подачей; по взаимосвязи с котлом - внутренние, т. е. находя­щиеся внутри котла, выносные, устраиваемые вне обо­греваемой поверхности котла; по способу подачи топлива и организации обслужи­вания - ручные, полумеханические и механические. Топки для слоевого сжигания топлива могут быть следующих раз­новидностей: а) топки с неподвижной колосниковой ре­шеткой и неподвижно лежащим на ней слоем топлива; б) топки с неподвижной колосниковой решеткой и слоем топлива, перемещающимся на ней; в) топки с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топ­лива. Ручная топка с горизонтальной неподвижной колос­никовой решеткой позволяет сжигать все виды твердого топлива при ручном обслуживании операций загрузки, шурования и удаления шлака, при­меняется в котлах паропроизводительностью 1-2 т/ч. Топки с шурующей планкой: при ходе вперед пе­ремещает топливо из загрузочного бункерав глубь топки и сбрасывает с решетки шлак, а при обратном хо­де ворошит слой топлива.а - ручная с горизонтальной колосниковой решеткой; б - топка с забрасыва­телем на неподвижный слой; в - топка с шурующей планкой; г - топка с наклонной колосниковой решеткой; д - топка системы Померанцева; е - топ­ка с цепной механической решеткой; ж - то же обратного хода и забрасыва­телем; з - камерная топка для пылевидного топлива; к - топка для сжига­ния жидкого и газообразного топливаТопки с наклонной колосниковой решеткой . В них топливо загружается в топку сверху, по мере сгорания под действием силы тяжести сползает в нижнюю часть топки, создавая возможность для поступления в топку новых порций топлива (2,5-20 т/ч). Скоростные шахтные топки системы В. В. Померан­цева применяются для сжигания куско­вого торфа под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч. Топки с движущейся колосниковой решеткой . К ним относятся топки с механической цепной решеткой пря­мого и обратного хода. Цепная решетка прямого хода движется от передней стенки топки к задней, при этом топливо самотеком по­ступает на колосниковую решетку. (10-150 т/ч). В камерных топках топли­во сжи­гается в виде угольной пыли. Его подают в смеси с воздухом в топку, где оно сгорает во взвешенном состоянии. Камерные топки для жидкого и газообразного топлива. Применяют прямоточные и вихревые го­релки. Работа топок характеризуется следующими показа­телями: тепловой мощностью, тепловыми нагрузками ко­лосниковой решетки и топочного объема, коэффициен­том полезного действия.