Топочное устройство, или топка, являясь основным элементом котельного агрегата, предназначена для сжигания топлива с целью выделения заключенного в нем тепла и получения продуктов сгорания с возможно большей температурой. В то же время топка служит теплобменным устройством, в котором происходит теплоотдача излучением из зоны горения на более холодные окружающие поверхности нагрева котла, а также устройством для улавливания и удаления некоторой части очаговых остатков при сжигании твердого топлива.

По способу сжигания топлива топочные устройства делятся на слоевые и камерные. В слоевых топках осуществляется сжигание твердого кускового топлива в слое, в камерных топках - газообразного, жидкого и пылевидного топлива во взвешенном состоянии.

Современные котлы обычно используют три основных способа сжигания твердого топлива: слоевой, факельный, вихревой.

Слоевые топки. Топки, в которых производится слоевое сжигание кускового твердого топлива, называются слоевыми. Эта топка состоит из колосниковой решетки, поддерживающей слой кускового топлива, и топочного пространства, в котором сгорают горючие летучие вещества. Каждая топка предназначена для сжигания определенного вида топлива. Конструкции топок разнообразны, и каждая из них соответствует определенному способу сжигания. От размеров и конструкции топки зависят, производительность и экономичность котельной установки.

Слоевые топки для сжигания разнообразных видов твердого топлива делят на внутренние и выносные, с горизонтальными и наклонными колосниковыми решетками.

Топки, расположенные внутри обмуровки котла, называют внутренними, а расположенные за пределами обмуровки и дополнительно пристроенные к котлу,- выносными.

В зависимости от способа подачи топлива и организации обслуживания слоевые топки подразделяют на ручные, полумеханические и механизированные.

Ручными топками называют те, в которых все три операции - подача топлива в топку, его шуровка и удаление шлака (очаговых остатков) из топки - производятся машинистом вручную. Эти топки имеют горизонтальную колосниковую решетку.

Полу механическими топками называют те, в которых механизированы одна или две операции. К ним относят шахтные с наклонными колосниковыми решетками, в которых топливо, загруженное в топку вручную, по мере прогорания нижних слоев перемещается по наклонным колосникам под действием собственной массы.

Механизированными топками называют те, в которых подача топлива в толку, его шуровка и удаление из топки очаговых остатков производятся механическим приводом без ручного вмешательства машиниста. Топливо в топку поступает непрерывным потоком.

Слоевые топки для сжигания твердого топлива делят на три класса:

• топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижнолежащим на ней слоем топлива, к которым относят топку с ручной горизонтальной колосниковой решеткой. На этой решетке можно сжигать все виды твердого топлива, но вследствие ручного обслуживания ее применяют под котлами паропроизводительностью до 1-2 т/ч. Топки с забрасывателями, в которые непрерывно механически загружают свежее топливо и разбрасывают его по поверхности колосниковой решетки, устанавливают под котлами паропроизводительностью до 6,5-10 т/ч;
• топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива, к которым относят топки с шурующей планкой и топки с наклонной колосниковой решеткой. В топках с шурующей планкой топливо перемещается вдоль неподвижной горизонтальной колосниковой решетки специальной планкой особой формы, совершающей возвратно-поступательное движение по колосниковой решетке. Применяют их для сжигания бурых углей под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч; в топках с наклонной колосниковой решеткой свежее топливо, загруженное в топку сверху, по мере сгорания под действием силы тяжести сползает в нижнюю часть топки. Такие топки применяют для сжигания древесных отходов и торфа под котлами паропроизводительностью до 2,5 т/ч; скоростные шахтные топки системы В. В. Померанцева применяют для сжигания кускового торфа под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч для сжигания древесных отходов под котлами паропроизводительностью 20 т/ч;
• топки с движущимися механическпми цепными колосниковыми решетками двух типов: прямого и обратного хода. Цепная решетка прямого хода движется от передней стенки в сторону задней стенки топки. Топливо на колосниковую решетку поступает самотеком. Цепная решетка обратного хода движется от задней к передней стенке топки. Топливо на Колосниковую решетку подается забрасывателем. Топки с цепными колосниковыми решетками применяют для сжигания каменных, бурых углей и антрацитов под котлами паропроизводительностью от 10 до 35 т/ч.

Камерные (факельные) топки. Камерные топки применяют для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. При этом твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в специальных пылеприготовительных установках - углеразмольных мельницах, а жидкое топливо - распылено на очень мелкие капли в мазутных форсунках. Газообразное топливо не требует предварительной подготовки.

Факельный способ позволяет сжигать с высокой надежностью и экономичностью самые различные и низкосортные виды топлива. Твердые топлива в пылевидном состоянии сжигают под котлами паропроизводительностью от 35 т/ч и выше, а жидкое и газообразное под котлами любой паропроизводительности.

Камерные (факельные) топки представляют собой прямоугольные камеры призматической формы, выполняемые из огнеупорного кирпича или огнеупорного бетона. Стены топочной камеры изнутри покрывают системой кипятильных труб - топочными водяными экранами. Они представляют собой эффективную поверхность нагрева котла, воспринимающую большое количество тепла, излучаемого факелом, в то же время предохраняют кладку топочной камеры от износа и разрушения под действием высокой температуры факела и расплавленных шлаков.

По способу удаления шлака факельные топки для пылевидного топлива разделяют на два класса: с твердым и жидким шлакоудалением.

Камера топки с твердым шлакоудалением снизу имеет воронкообразную форму, называемую холодной воронкой. Капли шлака, выпадающие из факела, падают в эту воронку, затвердевают вследствие более низкой температуры в воронке, гранулируются в отдельные зерна и через горловину попадают в шлакоприемное устройство. Камеру топки б с жидким шлакоудалением выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом, который в нижней части топочных экранов имеет тепловую изоляцию для поддержания температуры, превышающей температуру плавления золы. Расплавленный шлак, выпавший из факела на под, остается в расплавленном состоянии и вытекает из топки через летку в шлакоприемную ванну, наполненную водой, затвердевает и растрескивается на мелкие частицы.

Топки с жидким шлакоудалением делят на однокамерные и двухкамерные.

В двухкамерных топка разделена на камеру горения топлива и камеру охлаждения продуктов горения. Камеру горения надежно покрывают тепловой изоляцией для создания максимальной температуры с целью надежного получения жидкого шлака. Факельные топки для жидкого и газообразного топлива иногда выполняют с горизонтальным или слегка наклонным подом, который иногда не экранируют. Расположение горелок в топочной камере делают на передней и боковых стенках, а также по углам ее. Горелки бывают прямоточными и завихривающими.

Способ сжигания топлива выбирается в зависимости от вида и рода топлива, а также паропроизводительности котельного агрегата.

18 апреля 2011

Газообразное топливо сжигается в печах тремя способами.

При первом способе сжигания газ и воздух под низким давлением подаются одновременно в горелку, где происходит их частичное перемешивание, однако полное перемешивание газа с воздухом завершается только при входе в печь, где смесь сгорает, образуя сравнительно короткий факел. Горелки, в которых осуществляется частичное смешивание газа и воздуха, называются пламенными горелками низкого давления.

В смесительную камеру 7 газ входит тонкой кольцеобразной струей. Воздух, подаваемый (под напором несколько большим, чем газ) по касательной корпуса 10 завихряющимися струями, входит в смесительную камеру через прорези 8 и разбивает движущуюся струю газа.

Перемешанная таким образом газовоздушная смесь после прохождения через футерованное отверстие горелки 9 сгорает в рабочем пространстве печи, образуя короткий факел.

При втором способе сжигания газ и воздух подаются в специальное устройство — смеситель, в котором они полностью перемешиваются в газовоздушную смесь и направляются под высоким давлением для сжигания в горелку. Сгорание происходит быстро, не создавая пламени в рабочем пространстве печи.

При третьем способе сжигания газ подается в горелку под высоким давлением, при котором потребный воздух засасывается из атмосферы. Смешивание газа с воздухом происходит в смесителе инжекторного типа, встроенном в горелку.

Горелки для сжигания газа по второму и третьему способам называются беспламенными горелками высокого давления.

«Свободная ковка», Я.С. Вишневецкий

Карусельная нагревательная печь с вращающимся подом Электрические печи сопротивления применяются для нагрева заготовок небольших сечений. Для нагрева заготовок до температуры 1200—1250° С пользуются печами с нагревателями из карбида кремния (селитовыми элементами сопротивления), выпускаемыми трестом Электропечь. Нагрев заготовок из цветных сплавов осуществляется в печах с металлическими нагревателями, работающими при температуре до 900—950° С. Эти печи применяются…

Электроконтактные нагревательные устройства служат для нагрева заготовок по методу сопротивления. 1 — генератор, 2— индуктор, 3 — нагреваемая заготовка, 4 — батарея конденсаторов, 5 — контактор. Индукторы в зависимости от формы и размеров нагреваемой заготовки бывают: цилиндрические, овальные, квадратные и щелевые. Формы индукторов и расположение в них нагреваемых заготовок показаны на рис. 1 —…

Электрическая печь сопротивления Н75 1 — нагревательные элементы, 2 — огнеупорная кладка,3 — теплоизоляция, 4 — механизм подъема дверцы, 5 — противовес, 6 — дверца, 7 — вал подъемника, 8 — конечный выключатель, 9 — пятовые кирпичи, 10 — подовая плита. Сущность метода заключается в подведении электрического тока промышленной частоты к концам заготовки (или…

Принципиальная электрическая схема нагрева по методу сопротивления приведена на рис. К зажатой в контактах заготовке подводится ток большой силы и напряжением от 5,6 до 13,6 в. Сила тока, потребная для нагрева металла, увеличивается пропорционально квадрату диаметра заготовки. 1 — контакты, 2 — нагреваемая заготовка, 3 — подводящие шины, 4 — силовой трансформатор. По мере…

Основными показателями при оценке работы печей являются: производительность печи, удельный расход топлива и коэффициент полезного действия. Производительностью печи называется количество металла в килограммах, которое может быть нагрето в ней до заданной температуры за единицу времени (кг/ч). Производительность зависит от количества одновременно нагреваемых заготовок, способа их расположения на поду, размера заготовки, марки стали, температуры, нагрева и…

5.1. Способы сжигания твердого топлива

5.2. Сжигание жидких топлив

5.2.1. Качество мазута.

5.2.2. Проблемы подготовки мазута к сжиганию

5.2.3. Проблемы при использовании мазута на котельных и ТЭЦ

5.3. Сжигание газообразных топлив

5.3.1. Подготовка газа

5.3.2. Особенности процесса горения природного газа

5.3.3. Сжигание газообразного топлива

5.3.4. Газовые горелки

5.4. Комбинированные горелки

5.5. Приборы контроля пламени

5.6. Газоанализаторы

5.7. Примеры газовых горелок

5.7.1. БК-2595ПС

5.7.3.БИГ-2-14

5.8. Удаление продуктов горения.

5.1. Способы сжигания твердого топлива

Способы сжигания. Топочное устройство, или топка, являет­ся основным элементом котельного агрегата или огневой промышленной печи и служит для сжигания топлива наиболее эко­номичным способом и превращения его химической энергия в тепло. В топке происходят горение топлива, передача части теп­лоты продуктов сгорания поверхностям нагрева, находящимся в зоне горения, а также улавливание некоторого количества очаговых остатков (золы, шлака). В современных котельных агрега­тах и печах до 50 % теплоты, выделенной в топке, передается поверхностям нагрева излучением. В топочной технике обычно используют следующие основные способы сжигания твердого топлива: слоевой, факельный (камер­ный), вихревой и сжигание в кипящем слое (рис. 5.5). Каждый из этих способов имеет свои особенности, касающиеся основных прин­ципов организации аэродинамических процессов, протекающих в топочной камере. Для сжигания жидких и газообразных топлив применяется только факельный (камерный) способ сжигания.

Слоевой способ. Процесс сжигания этим способом осуществляют в слоевых топках

(см. рис. 5.5а ), имеющих разнообразные конструкции. Слоевой процесс горения характерен тем, что в нем поток воздуха встречает при своем движении неподвижный или медленно движущийся слой топлива и, взаимодействуя с ним, превращается в поток топочных газов.

Важной особенностью слоевых топок является наличие запаса топлива на решетке, увязанного с его часовым расходом, что по­зволяет осуществлять первичное регулирование мощности топки только изменением количества подаваемого воздуха. Запас топли­ва на решетке обеспечивает также определенную устойчивость процесса горения.

В условиях современной топочной техники слоевой способ сжигания топлива является устаревшим, так как его различные схемы и варианты непригодны или трудно приспосабливаемы к крупным энергетическим установкам. Однако слоевые методы сжига­ния твердого топлива еще длительное время будут применяться в котельных малой и средней энергетики.

На рис. 5.6 6 показаны принципиальные схемы слоевых топок. При слоевом способе сжигания необходимый для горения воздух пода­ется из зольника 1 к слою топлива 3 через свободное сечение ко­лосниковой решетки 2. В топочной камере 4 над слоем горят газооб­разные продукты термического разложения топлива и вынесенные из слоя мелкие частицы топлива. Продукты сгорания вместе с из­быточным воздухом из топки поступают в газоходы котла.

Слоевые топки получили широкое применение в котлах малой и средней мощности. Они разделяются по нескольким классифи­кационным признакам. В зависимости от способа обслуживания бывают топки с ручным обслуживанием (см. рис. 5.6, а), немехани­зированные, полумеханизированные (см. рис. 5.6, б, в) и механизи­рованные (см. рис. 5.6, г, д). Представленные на рис. 5.6 слоевые топки могут быть разделены на три группы

Рис. 5.5. Способы сжигания твердого топлива

а – в плотном слое; б – в пылевидном состоянии; в – в циклонной топке; г – в кипящем слое.

1. Топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно л ежашим на ней плотным, фильтрующимся воздухом, слоем топл ива (см. рис. 5.6, а, в). При возрастании скорости воздуха, Исходящего через слой топлива, последний может стать «кипящим», т. е. частицы его приобретают возвратно-поступательное перещение вверх-вниз до полного сгорания. Такой слой топлива горит более интенсивно вследствие увеличения контактной по­верхности с воздухом (окислителем топлива), что улучшает ее теплопроизводительность. Процесс горения более эффективен при фракционировании топлива по размерам его кусочков.

Топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемеща­ ющимся по ней слоем топлива (см. рис. 5.6, б, г).

Топки с движущимся вместе с колосниковой решеткой сло ем топлива (см. рис. 5.6, д).

Простейшая слоевая топка с неподвижной колосниковой ре­шеткой и ручным обслуживанием (см. рис. 5.6, а) применяется для сжигания всех видов твердого топлива. Такими топками оборудуют котлы лишь очень малой паропроизводительности - 0,275...0,55 кг/с (1... 2 т/ч).

В топке с неподвижной наклонной колосниковой решеткой (см. рис. 5.6, б) топливо по мере сгорания движется по решетке под действием силы тяжести. Эти топки применяют для сжигания влажных топлив (древесных отходов, кускового торфа) под кот­лами паропроизводительностью 0,7... 1,8 кг/с (2,5...6,5 т/ч).

В полумеханизированной топке (см. рис. 5.6, в), подача топлива на неподвижную колосниковую решетку осуществляется с помо­щью забрасывателя 5. В этих топках сжигают каменные и бурые угли, сортированный антрацит под котлами паропроизводитель­ностью 0,55...2,8 кг/с (2... 10 т/ч).

Простейшей механизированной топкой является топка с шу­рующей планкой (см. рис. 5.6, г). Она состоит из неподвижной лосниковой решетки, по всей ширине которой скользит план­ка б клиновидного сечения. Планка совершает возвратно-посту­пательные перемещения с помощью специального устройства. При­меняют эти топки для сжигания бурых углей под котлами паро­производительностью до 2,8 кг/с (10 т/ч).

Наиболее распространенным типом механизированной сло­евой топки является топка с цепной механической решеткой (см. рис. 5.6, д). Цепная механическая решетка выполняется в виде бесконечного колосникового полотна, движущегося вместе с лежащим на нем слоем горящего топлива. Каждая новая порция топлива, поступающая на решетку, движется вслед за слоем топлива. Скорость движения решетки можно изменять в зависимо­сти от расхода топлива (режима работы котла) от 2 до 16 м/ч.Эти топки применяют для сжигания сортированного антрацита и неспекающихся углей с умеренной влажностью и зольностью и выходом летучих веществ У т = 10...25 %. Существующие модификации топок с цепными решетками позволяют применять их для сжигания и других топлив. Топки с цепными решетками устанавлиавают под котлами паропроизводительностью 3...10 кг/с (10,5...35 т/ч) и выше.

Факельный способ. В отличие от слоевого этот процесс (См рис. 5.5, б) характеризуется непрерывностью движения в топочном пространстве частичек топлива вместе с потоком воздуха и продуктов сгорания, в котором они находятся во взвешенном состоянии.

Для обеспечения устойчивости и однородности горящего фа­кела, а следовательно, и газовоздушного потока с взвешенным в нем топливом частички твердого топлива размалываются до пылевидного состояния, до размеров, измеряемых микронами (от 60 до 90 % всех частиц имеют размер менее 90 мкм). Жидкое топливо предварительно распыливается в форсунках в очень мел­кие капли, чтобы капельки не выпадали из потока и успевали полностью сгореть за короткое время нахождения в топке. Газо­образное топливо подается в топку через горелки и не требует I особой предварительной подготовки.

Особенностью факельных топок является незначительный за­пас топлива в топочной камере, отчего процесс горения неустой­чив и весьма чувствителен к изменению режима. Регулировать мощ­ность топки можно, лишь одновременно изменяя подачу в топоч­ную камеру топлива и воздуха. При факельном сжигании (рис. 5.7 твёрдое топливо предварительно размельчается в системе пылеприготовления и в виде пыли вдува­ется в топку, где оно сгорает во взвешенном состоянии. Размол топлива резко увеличивает повер­хность его реагирования, что спо­собствует лучшему сгоранию.

Основными достоинствами пы­левидного способа сжигания явля­ются возможность создания мощных топок и возможность эконо­мичного и надежного сжигания зольных, влажных и отбросных топлив под котлами разных мощностей.

К недостаткам этого способа можно отнести высокую стоимость оборудования системы пылеприготовления, расход электроэнергии на размол, более низкие удельные тепловые нагрузки камеры горения (примерно вдвое), чем при слоевых топках, что заметно увеличивает объемы топочных пространств.

Пылеприготовление из кускового топлива состоит из следующих операций:

удаление из топлива металлических предметов при помощи магнитных сепараторов;

дробление крупных кусков топлива в дробилках;

сушка и размол топлива в специальных мельницах.

При рабочей влаге W Р < 20 % сушка топлива производится в мельнице одновременно с процессом размола, для чего в мельницу подается горячий воздух из воздухоподогревателя котла. Тем­пература воздуха доходит до 400 °С, и он одновременно служит для выноса пыли из мельницы.

При размоле топлива образуются пылинки размером 0...500 мк. Основной характеристикой пыли является тонкость ее помола, ко­торая по ГОСТ 3584-53 характеризуется остатком на ситах с ячей­ками 90 и 200 мк, обозначаемые R 90 и R 2 оо. Так, R 90 = 10 % означает, что на сите с размером ячеек 90 мк осталось 10 % пыли, а вся остальная пыль прошла через сито.

Оптимальная тонкость помола (тонина) определяется суммар­ным фактором: минимальным расходом электроэнергии на помол топлива и потерями от механического недожога. Тонкость помола зависит от реакционной способности топлива, характеризуемой в основном выходом летучих веществ. Чем выше содержание в топливе ле­тучих веществ, тем грубее помол.

Размольные свойства топлива ха­рактеризуются коэффициентом размолоспособности, (для антрацита Кло = 1; для тощего угля К ло = 1,6; Для подмосковного бурого угля Кл 0 = 1,75).

Широкое распространение получили индивидуальная схема пыле­приготовления и схема пылеприготовления с промежуточным бункером- На рис. 5.8 показана схема индвиидуального пылеприготовления, которой пыль из мельницы непосредственно поступает в топку. В этой схеме из бункера сырого угля 4 топливо подается на автоматические весы 3, а затем в питатель 2. Отсю­да топливо направляется в шаровую барабанную мельницу (ШБМ) , где оно размалывается и подсушивается, для чего в барабан мель­ницы вдувается горячий воздух. Из мельницы пыль выносится в се­паратор 5, где готовая пыль отделяется от грубых фракций, которые возвращаются в мельницу. Готовая пыль из сепаратора нагнетается мельничным вентилятором б через горелки 7 в топочное простран­ство котла. Производительность мельницы регулируется изменением подачи топлива питателем с одновременным изменением числа обо­ротов мельничного вентилятора.

Основными недостатками этой схемы являются отсутствие за­паса пыли, что снижает надежность работы котла, и сильный из­нос мельничного вентилятора, через который пропускается вся угольная пыль.

На рис. 5.9 дана схема пылеприготовления с промежуточным бункером. Отличие ее состоит в том, что за сепаратором ставится циклон 6, в который и направляется готовая пыль. В циклоне 90...95% пыли отделяется от воздуха и осаждается, а затем на­правляется в промежуточный бункер 9. Пыль из циклона в бункер спускается через клапаны (мигалки) 8, которые открываются при давлении на них определенной порции пыли. Воздух с остат­ком тонкой пыли отсасывается из циклона мельничным вентилятором 12 и нагнетается в трубопровод первичного воздуха, куда в свою очередь поступает пыль из промежуточного бункера с помо­щью шнековых или лопастных пылепитателей 10. Схема пылеприготовления с промежуточным бункером, как наиболее гибкая и надежная, получила наиболее широкое распространение.

Для размола топлива применяют мельницы различных типов. Выбор типа мельницы зависит от размольных характеристик топлива, выхода летучих веществ и влажности топлива. Различают мельницы тихоходные и быстроходные.

Для размола антрацита и каменных углей с небольшим выхо­дом летучих веществ, сжигаемых котлоагрегатами средней и большой паропроизводительности, применяют тихоходные ша­ровые барабанные мельницы (ШБМ).(Рис.5.10). Основными достоинствами барабанной мельницы являются хорошая регулируемостьтонкости помола, и надежность помола. К недостаткам этих мельниц следует отнести: громозкость, высокую стоимость, повышенный удельный расход электроэнергии, значительный шум, сопровождающий работу мельницы.

Быстроходные мельницы применяют двух типов: молотковые и мельницы-вентиляторы.

Молотковые мельницы с аксиальным (ММА) или тангенциальным (ММТ) подводом сушильного агента применяют для размола бурых углей, сланцев, фрезерного торфа и каменных углей с выходом летучих веществ V г > 30 %. Устанавливают их с котлоагрегатами производительностью свыше 5 кг/с (рис.5.11).К достоинствам молотковой мельницы следует отнести ее ком­пактность, простоту эксплуатации и небольшой удель­ный расход электроэнергии. Основным недостатком этих мельниц является быстрый износ бил, вызывающий за­метное снижение производи­тельности мельницы.

Мельница-вентилятор (МБ) предназначена для размола, главным образом, высоковлажных бурых углей и фрезерного торфа. Применяют топки с МВ в котлоагрегатах средней произ­водительности. Мелющим органом МВ является массивная крыль­чатка 1 (рис. 5.12) с частотой вращения 380... 1470 об/мин, рас­положенная в бронированном корпусе 6.

В ихревой способ. В рассмотренных факельных топках частицы топлива сгорают в объеме топки на лету. Длительность пребыва­ния их в топочном пространстве не превышает времени "пребыва­ния продуктов сгорания в топке и составляет 1,5... 3 с. В циклон­ных топках, которые предназначены для сжигания мелкодробле­ного топлива и грубой пыли, крупные частицы угля находятся во взвешенном состоянии столько времени, сколько это необходи­мо для полного выгорания их независимо от длительности пребы­вания продуктов сгорания в топке.

В них сжигают достаточно мелкие частицы угля (обычно мельче 5 мм), а необходимый для горения воздух подают с огромными (до 100 м/с) скоростями по касательной к образующей циклона-В топке создается мощный вихрь, вовлекающий частицы в циркуляционное движение, в котором они интенсивно обдуваются потоком (см. рис. 5.5, в).

Значительная удельная поверхность мелких частиц, большие зна­чения коэффициентов массоотдачи между потоком и частицами высокие концентрации горючего в камере обеспечивают получение больших теплонапряжений объема топки (q= 0,65... 1,3 МВт/м 3 при a= 1,05... 1,1), в результате чего в топке развиваются температуры, близкие к адиабатным (до 2000 °С). Зола угля плавится, жидкий шлак, стекая по стенкам, тормозит движение частиц, налипающих на его поверхность, что еще больше увеличивает скорость их омывания потоком, а значит и коэффициент массоотдачи.

Поскольку центробежный эффект уменьшается с увеличением радиуса циклона, диаметр последнего обычно не превышает 2 м, что позволяет получить тепловую мощность 40...60 МВт.

В нашей стране применяются в основном технологические цик­лонные топочные камеры, например для сжигания серы (в целях получения SО 2 - сырья для производства Н 2 SО 4 ; при этом ис­пользуется и теплота горения), для плавления и обжига руд и нерудных материалов (например фосфоритов) и т.д. В последнее время в циклонных топках осуществляют огневое обезвреживание сточных вод, т. е. выжигание содержащихся в них вредных приме­сей за счет подачи дополнительного (обычно газообразного или жидкого) топлива.

В топочных камерах, в которых топливо сгорает при высоких температурах, образуется большое количество крайне токсичных оксидов азота. Предельно допустимая концентрация (ПДК) N0, безопасная для здоровья людей, в воздухе населенных пунктов составляет 0,08 мг/м 3 .

Поскольку образование оксидов азота существенно уменьша­ется при снижении температуры, в последние годы энергетики проявляют все больший интерес к так называемому низкотемпе­ратурному (в отличие от высокотемпературного - с температу­рой 1100°С и выше) сжиганию в псевдоожиженном слое, когда устойчивое и полное горение каменных и бурых углей удается обеспечить при 750...950 "С.

Сжигание в кипящем слое. Слой мелкозернистого материала, продуваемый снизу вверх воздухом со скоростью, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но недостаточной для выно­са частиц из слоя, создает циркуляцию. Интенсивная циркуляция частиц в ограниченном объеме камеры создает впечатление бурно кипящей жидкости. Значительная часть воздуха проходит через такой слой в виде пузырей, сильно перемешивающих мелкозернистый материал, что еще больше усиливает сходство с кипящей жидкостью и объясняет происхождение названия.

Способ сжигания в псевдосжиженном (кипящем) слое (см. рис. 5.5, г) является в определенном смысле промежуточным между слоевым и камерным. Его преимуществом является возможность сжигания относительно мелких кусочков топлива (обычно мельче 5... 10 мм) при скорости воздуха 0,1...0,5 м/с.

Топки с кипящим слоем широко используются в промышленности для сжигания колчеданов в целях получения SО 2 , обжига различных руд и их концентратов (цинковых, медных, никелевых, золотосодержащих) и т. д.

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 .

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.