Горелочные устройства и их размещение

Необходимая интенсивность горения и полнота выгорания пылевидного топлива в топочном объеме достигаются правильной организацией подачи и последующим смешением топлива (аэропыли) с вторичным воздухом, что обеспечивается горелочными устройствами, называемыми в дальнейшем горелками. В них не происходит воспламенения топлива. На данном этапе задача состоит в том, чтобы подготовить два самостоятельных потока – пылевоздушную смесь и вторичный воздух – к воспламенению топлива и активному горению в топке. Для этого нужно создать подсос топочных газов в свежую струю аэропыли для ее прогрева и своевременное смешение воспламенившегося топлива с остальной частью вторичного воздуха. С этой целью потоки горячего воздуха и аэропыли вводят в топочный объем с различными скоростями и с разной степенью крутки [12].

Выделяют два основных типа горелок: вихревыеи прямоточные. Через вихревые пылевоздушная смесь и вторичный воздух подаются в виде закрученных струй, образующих в топочном объеме конусообразно расходящийся факел. Такие горелки выполняются круглыми в сечении. Прямоточные подают в топку чаще всего параллельные струи аэропыли и вторичного воздуха. Перемешивание струй определяется главным образом взаимным расположением горелок на стенах топки и созданием необходимой аэродинамики струй в её объеме. Эти горелки могут быть круглого или прямоугольного сечения (рис. 7).

а б в

Рис. 7. Схемы расположения вихревых пылеугольных горелок на стенах топочной камеры: а – фронтальное; б – двухфронтальное (встречное); в – встречное с боковых стен топки

Вихревые горелки бывают следующих видов:

· двухулиточные с закручиванием аэропыли и вторичного воздуха в улиточном аппарате;

· прямоточно-улиточные, в которых аэропыль подается по прямоточному каналу и раздается в стороны рассекателем, а вторичный воздух закручивается в улиточном аппарате;

· улиточно-лопаточные с улиточным закручиванием потока аэропыли и аксиальным лопаточным закручивателем вторичного воздуха;

· лопаточные, в которых закручивание потоков вторичного воздуха и аэропыли обеспечивается аксиальным и тангенциальным лопаточными аппаратами.

а б в

Рис. 8. Схемы расположения прямоточных пылеугольных горелок на стенах

топочной камеры: а – встречно-смещенное; б – угловое с блочным соударением

струй (блочное расположение); в – угловое с тангенциальным направлением струй (тангенциальное расположение)

Вихревые горелки универсальны и применимы для любого твердого топлива, но наибольшее распространение они получили при сжигании топлива с малым выходом летучих веществ.

Прямоточные горелки.Ввиду сниженной турбулизации потока прямоточные горелки создают дальнобойные струи с малым углом расширения и с вялым перемешиванием первичного и вторичного потоков. Поэтому успешное сжигание топлива достигается взаимодействием струй разных горелок в объёме топочной камеры. Они могут быть установлены неподвижно или выполнены как поворотные, что облегчает наладку топочного режима. Горелки прямоугольного типа, особенно вытянутые по высоте, характеризуются высокой эжекцией окружающей газовой среды с боковых сторон струи. Поэтому такие горелки при внешней подаче аэропыли имеют преимущества перед горелками с внутренней подачей пыли по условиям воспламенения. Прямоточные горелки имеют, как правило, относительно небольшую производительность; поэтому в мощных паровых котлах их набирают в блоки (рис. 8). Прямоточные горелки применяют в основном для сжигания высокореакционного топлива: бурых углей, торфа, сланцев и каменных углей с высоким выходом летучих веществ.

Комбинированные горелки.Во многих случаях на электростанции возникает необходимость попеременного или одновременного сжигания разных видов топлива, для чего горелки выполняют комбинированными с обеспечением экономичного сжигания каждого из видов топлива. Такие горелки отличаются повышенным диаметром центрального канала, в котором размещена основная мазутная форсунка с регистром для закручивания осевого потока воздуха. Через раздающие трубки природный газ поступает тонкими струями между завихренными осевым и вторичным потоками воздуха, что обеспечивает его хорошее перемешивание и последующее сгорание.

Топки котельных установок

Важной проблемой эксплуатации котлов является удаление золы и шлаков, образующихся при сжигании топлива. Минеральная часть твердого топлива имеет очень сложный состав. В углях Канско-Ачинского бассейна значительная доля основных оксидов золы связана в гуматах с органической частью. Это главным образом оксиды кальция и магния. Часто их называют внутренней золой. К минералам внешней золы относят примеси, не связанные с органической частью топлива (кварц, глинистые минералы, слюды, полевые шихты, гидрооксиды железа, гипс, сульфаты железа и др.).

Образующаяся в топке зола – это смесь минералов, находящихся в свободном состоянии или связанных с топливом. Расплавляясь при высокой температуре, зола образует шлак.

Топочные камеры, работающие с твердым шлакоудалением, 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. 9). Отличительной особенностью этих топок явля­ется наличие в нижней части холодной воронки, образованной путем сближения фронтового и заднего экранов с большим уклоном (50 – 60 °). За счет этого снижается температура газов в нижней части топки, а выпадающие из ядра факела расплавленные шлаковые частицы, попадая в эту зону, быстро отвердевают и по крутым скатам воронки ссыпаются в шлакоприемное устройство (рис. 10) [12].

а б в г

Рис. 9. Характер движения струи в топочных камерах с твердым шлакоудалением: а – прямоточный S-образный факел; б – встречно-прямоточный факел; в – вертикально-вихревой факел; г – сочетание прямоточного и горизонтально-вихревого факелов

Пылеугольная топка представляет собой топочную камеру, стены которой полностью экранированы. По способу шлакоудаления они делятся на топки с твердым и с жидким шлакоудалением. Выбор способа шлакоудаления зависит от мощности котла, вида топлива и свойств его золы. В соответствии с этим по-разному выполняется и топочная камера. При твердом шлакоудалении (рис. 10, а)в ядре факела, где достигается высшая температура, зола, остающаяся после выгорания горючей части топлива, расплавляется, затем по мере движения факела и отдачи теплоты излучением к экранным поверхностям нагрева затвердевает и большей частью (85 – 90 %) уносится дымовыми газами. Оставшаяся зола попадает в твердом виде в нижнюю часть топки, так называемую холодную воронку. Гранулированные шлаковые частицы непрерывно удаляются из ванны шнековым, скребковым или роторным механизмом. Количество золы, уловленной таким способом через холодную воронку, невелико и составляет 5 – 10 % от общего золосодержания топлива [12].

В котлах с жидким шлакоудалением (рис. 10, б) благодаря более низкому расположению горелок, покрытию нижней части экранных труб огнеупорным материалом и другим конструктивным решениям в нижней части топки поддерживается высокая температура, обеспечивающая стекание образовавшегося шлака со стенок топки на её под. Интенсивный нагрев шлака до 1700 – 1800 °С придает ему хорошую текучесть; этим обеспечивается его непрерывное вытекание через летку. Таким способом может быть удалено 40 % всей золы. Из-за повышенной температуры в ядре горения в топках с жидким шлакоудалением растёт образование термических оксидов азота. По экологическим соображениям практически прекращено строительство таких топочных камер. Рост шлакоулавливания ведет еще к одному недостатку топок с жидким шлакоудалением – увеличению потерь теплоты с высокотемпературными шлаками q₆.

Шахтно-мельничные топки широко применяются для котлов средней мощности (от 10 т/ч и выше) при сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии. Для обеспечения устойчивого режима горения пыли до перехода к её сжиганию необходимо создать соответствующую температуру. Это достигается путем предварительного включения либо мазутных форсунок, либо специальных растопочных устройств, называемых муфельными горелками.

Топливо Топливо Воздух 1800 º С Воздух На золоотвал 1600 º С

1400 º 1000 º 1200 º

а б

Рис. 10. Схемы топок:

а – 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; б – с жидким шлакоудалением: 1 – камера горения; 2 – камера охлаждения; 3 – горелка; 4 – шлаковая летка; 5 – шлаковая ванна

Вихревые топки предназначаются для сжигания твердого топлива в виде мелкой крошки или пыли во взвешенном состоянии в завихривающем потоке воздуха. Они могут выполняться как с твердым, так и с жидким шлакоудалением.

Вихревой принцип сжигания топлива имеет некоторые преимущества перед факельным. В факельных топках, несмотря на применение завихривающих горелок, отдельные места остаются незаполненными топочным факелом; в вихревых же конфигурация топочного пространства, высокая скорость газовоздушного потока (по сравнению со скоростью движения частиц топлива) и длительное время пребывания частичек топлива в камере способствуют наиболее интенсивному процессу смесеобразования не только на начальной, но и на конечных стадиях горения топлива. Благодаря этому обеспечиваются устойчивость и экономичность процесса сжигания при минимальной величине коэффициента избытка воздуха ( = 1,25).

Дальнейшее внедрение вихревой принцип получил в топочных камерах, имеющих цилиндрическую форму. Эти топки называются циклонными.

В нихза счет создания устойчивого вращательного движения топливно-воздушного потока можно успешно сжигать во взвешенном состоянии относительно крупные кусочки каменного угля (размером 0,5 – 5 мм) или фрезерного торфа (размером 20 – 50 мм). Это значительно упрощает и удешевляет систему пылеприготовления, и сокращает расход электроэнергии наразмол топлива.

Контрольные вопросы к главе 2

1. В чем отличие парового котла от водогрейного?

2. Что такое топочные устройства?

3. Для чего предназначен воздухоподогреватель?

4. Из каких основных конструктивных элементов состоит котельный агрегат?

5. Какие способы передачи теплоты по­верхностям нагрева вы знаете?

6. На какие группы разделяются котлы по принципу движения потоков теплоносителя (воды или пара)?

7. Какими основными показателя (параметрами) характеризуется паровой котел?

8. Дайте определение номинальной паропроизводительности котла.

9. Какие схемы приготовления угольной пыли вы знаете?

10. На какие основные два типа подразделяются горелки?

11. Опишите принцип работы котлов с твердым шлакоудалением.

12. Опишите принцип работы котлов с жидким шлакоудалением.

13. В чем преимущество вихревого способа сжигания?