Полнота выгорания топлива, условия эксплуатационно надежной работы топки в значительной степени определяет расположение горелок. Наибольшее распространение для обычных однокамерных топок получило фронтальное (рис. 8.10, а), встречное (рис. 8.10,б) и угловое (рис. 8.10,в) расположение горелок.
Фронтальное расположение горелок и их примерный характер аэродинамики топки показаны на рис. 8.11, а. При выходе из отдельных горелок струи первоначально развиваются самостоятельно, а затем сливаются в общий поток. При движении к задней стенке струя подсасывает из окружающей среды топочные газы, масса ее значительно увеличивается, а концентрация окислителя снижается. При ударе факела о заднюю стенку может иметь место ее шлакование. В связи с этим фронтальное расположение горелок наиболее целесообразно применять в вихревых горелках с относительно коротким широким факелом.
Встречное расположение горелок (рис. 8.11,б и в) предполагает, что горелки могут располагаться как на противоположных боковых, так и на фронтальной и задней стенках, возможно встречно-лобовое и встречно-смещенное расположение горелок. При встречно-лобовой ориентации горелок (рис. 8.11,6) в топке получается концентрированный удар встречных потоков. Часть общего потока направляется в верхнюю половину топки, часть опускается в холодную воронку. При неравенстве импульсов возникает асимметричность течения в вертикальной плоскости и результативный факел приближается к одной из стен, что может вызвать ее шлакование.
При встречно-смещенной компоновке горелок по схеме МЭИ (рис. 8.11, в) горящие потоки взаимно проникают друг в друга. При этом имеет место лучшее заполнение факелом топочного объема, обеспечивается принудительный подвод теплоты к корню факела, улучшается выгорание топлива при бесшлаковочном режиме работы экранов. В случае применения встречно-смещенной компоновки горелок более целесообразными являются щелевые горелки.
При угловом расположении горелок возможны следующие схемы их установки (рис. 8.12): диагональная, блочная, тангенциальная. Такое размещение горелок ставит ряд конструктивных трудностей. Наблюдается также шлакование стенок. При тангенциальном расположении горелок при взаимодействии струй образуется единый закрученный поток, направляющийся вверх и вниз топочной камеры. По центру топки образуется область несколько пониженного давления, что стабилизирует положение факела. Наличие крутки потока сохраняется вплоть до выхода из топки. При вытянутой форме сечения топки в плане может иметь место искажение аэродинамики потока, сопровождающееся шлакованием стенок. Поэтому при тангенциальной компоновке горелок целесообразно, чтобы горизонтальное сечение топочной камеры по форме приближалось к квадратному.
Фронтальное, встречное и угловое расположение горелок по высоте топки могут размещаться в один-два и более ярусов. Количество горелок, размещенных в топке, определяется на основе следующих расчетов. Тепловая мощность топки Q тт, МВТ, определяется по выражению
где В р - общий расчетный расход топлива на котел, кг/с; Q р н -теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Тепловая мощность горелки Q r , МВт, определяется аналогично:
где В г - расход топлива на одну горелку, кг/с.
Количество горелок
С увеличением паропроизводительности котла количество горелок соответственно увеличивается. Так, для котла производительностью 20,8 кг/с (75 т/ч) при тепловой мощности топки около 60 МВт применяют две-три вихревые горелки при фронтальном и две-четыре горелки при встречном их расположении; при угловой компоновке применяют четыре прямоточные горелки. Для котла производительностью 89 кг/с (320 т/ч) при тепловой мощности топки 290 МВт применяют 6-8 встречных или 16 угловых горелок. По конфигурации факела различают топки с U-образным факелом (рис. 8.13, а) и L-образным факелом (рис.8.13,6). Наибольшее распространение нашли топки с L-образным факелом. По способу удаления шлака различают пылеугольные топки с твердым (гранулированным) и жидким шлакоудалением.
Узел соединения горелок с топкой может быть выполнен двумя конструктивными способами:
1. Жестким соединением с экранами при помощи переходных коробок.
2. Установкой между горелками и топкой специального уплотнения.
В первом варианте при тепловом удлинении экранов горелки перемещаются вместе с
ними. Перемещение горелок компенсируется с помощью компенсаторов тепловых расширений, устанавливаемых при подводящих магистралях топлива и воздуха. Для пылеугольных котлов решение возможно в схемах пылеприготовления с промбункерами, когда пылепроводы имеют значительную протяженность. При этом необходимо принять специальные меры для предотвращения передачи консольной нагрузки от горелок на экраны.
Для котлов подвесной конструкции с близким к нему расположением мельниц(схемы с прямым вдуванием) пылепроводы получаются короткими. Жесткое соединение горелок с топкой здесь не пригодно. Горелки устанавливаются в этом случае на неподвижном каркасе, а уплотнение допускает перемещение экранов топки относительно неподвижных горелок, обеспечивая при этом герметичность (отсутствие присоса воздуха в топку) узла соединения.
На рис. 1.5 представлены некоторые конструктивные варианты для котлов с жестким соединением горелок с экранами и установкой уплотнений.
2. Компоновка горелок и тепловые характеристики топок.
2.1 Аэродинамика пылеугольных топок.
Размещение горелок в топке носит название их компоновки. В зависимости от пространственной ориентации по отношению друг к другу горелки могут размещаться по одной из схем: фронтальной, встречной, тангенциальной, или встречно-смещенной. Число ярусов горелок , в общем случае равно 1-4. Каждой из схем компоновке присуща своя аэродинамическая картина течения продуктов сгорания в топочном объеме. Правильный выбор компоновки горелок с учетом свойств топлива, способа шлакоудаления во многом определяет экономичность и надежность работы котла, его маневренные характеристики и экологические показатели.
а) Фронтальная компоновка горелок
В данной схеме горелки размещают на одной, чаще фронтовой, стене топки котла в один или несколько ярусов (рис. 2.1 а). Такая компоновка горелок обеспечивает малую
протяженность пылепроводов, пониженные расходы на пневмотранспорт пыли. Пролеты между соседними котлами не загромождаются мельничным оборудованием и
пылепроводами. Нет ограничений на расстояние между радиационной и конвективной шахтами. Особенно удачной такая схема является для индивидуальных систем пылеприготовления с прямым вдуванием и сушкой топлива горячим воздухом.
Из-за большого пути продукты сгорания в нем подходят к устью амбразур достаточно охлажденным. Наличие присосов в нижней части топки может в этом отношении лишь
усугубить положение.
б) Встречная компоновка горелок
Стремление к ликвидации динамического воздействия потока на экран привело к появлению встречной компоновки, при которой горелки располагаются одна против другой на противолежащих стенах топки в один или несколько ярусов.
Аэродинамика топки при встречной компоновке (рис. 2.1 б) во многом зависит от конструкции от конструкции горелок.
При прямоточных горелках хорошее заполнение топочной камеры достигается лишь при строго одинаковом начальном количестве движения потоков, вытекающих из горелок.
Превышение суммарного импульса одного из струйных комплексов всего 3-5 % приводит
к
нарушению стабильности и симметричности
картины течения с образованием восходящих
и нисходящих потоков соответственно
у стен топки, горелки которой обладают
меньшим и большим импульсом
.
Неустойчивость крайне трудно устранить
в условиях эксплуатации, так как это
требует тонкого регулирования расходов
вторичного и первичного воздуха по
отдельным горелкам.
Уменьшение скорости достигается увеличением амбразуры горелок. Следствием этого является нарушение симметричности картины течения в горизонтальной плоскости, может возникнуть довольно мощный поток газов, ориентированный на стену топки по аналогии с фронтальной компоновкой.
В этих
горелках вследствие пониженной
дальнобойности и большей площади
рассеивания потока импульса
- аэродинамическая картина является
более стабильной и обладает меньшей
чувствительностью к начальной
неравномерности расходов по отдельным
горелкам.
Следует отметить, что для получения наиболее равномерного температурного поля по ширине на выходе из топки необходимо стремиться к тому, чтобы число горелок в ярусе было кратным 4. В противном случае возможны пики и провалы с различием температур до 120°.
в) Тангенциальная компоновка горелок
Характерной особенностью тангенциальной компоновки горелок является ориентация осей последних по касательной к условной окружности диаметром d у , находящейся в центре топки (полутопки).
Прямоточные горелки располагаются в один или несколько ярусов по углам топки
(полутопки) или по всему ее периметру. В последнем случае число горелок в ярусе может быть равно 6 или 8 (рис 2.2)
Характерная картина течения в тангенциальной топке представлена на рис.2.3 в виде полей аксиальной и тангенциальной составляющей скорости. За счет центробежного момента возникает вращение потока. Увеличение числа ярусов горелок приводит к лучшему наполнению топки. Это объясняется тем, что при увеличении числа ярусов горелок закрученный поток из каждого последующего яруса, считая от нижнего, движется вокруг предыдущего, увеличивая радиус вихря.
Относительная
высота горелок оказывает влияние на
аэродинамику. При больших значениях
h/b
или ∑h/b
поток «прилипает» к стенке независимо
от величины d
у
.
При h/b=8
и
смещение
местоположения максимумаU τ
на окружность с радиусом, близким к
,
наблюдалось в диапазоне сd у =
0,08-0,32. Подобное явление объясняется
потерей устойчивости течения из-за
снижения аэродинамической жесткости
струи под действием начального давления
∆Р, образующегося вследствие отклонения
траекторий струй.
Анализ
различных аэродинамических схем
показывает, что хорошие результаты
можно получить в схемах с расположением
горелок по периметру топки. Причина -
меньшая чувствительность аэродинамики
к отключению не только отдельной горелки,
но и блока горелок по высоте. В других
схемах стабилизация аэродинамической
картины течения достигается труднее.
Так, в схемах с прямым вдуванием при 
>
2 и числе горелок в
вихре, равном 4, количество мельниц должно быть кратным числу горелок и числу ярусов. Подвод топлива на ярус в этом случае целесообразно осуществлять от одной мельницы. Такой же схемы следует придерживаться и в системах пылеприготовления с промбункером при подаче пыли в топку отработанным сушильным агентом.
Тангенциальная компоновка применяется в сочетании с прямоточными горелками типа
ГПО и ГПЧв. Для котлов D<320 т/ч допускается использование горелок ГПЦпф.
г) Встречносмещенная компоновка горелок
Мероприятия по уменьшению дальнобойкости факелов прямоточных горелок при снижении до минимума динамического воздействия потока на экраны нашли отражение в
р
азработанных
МЭИ топках со встречными струями
(ВСС).Горелки устанавливаются на
противоположных стенах топки со смещением относительно друг друга на величину
полушага
между горелками. Число ярусов горелок
1-2.В зависимости от шага между горелками
в принципе возможно наличие в топке
трех режимов: фронтального, переходного
и проникающего. Картина течения в
топке с ВСС определяется величиной
параметра
.
ПриW<0,05 наблюдается
фронтальный, при 0,05
Анализ картины течения показывает, что переходный режим является наиболее приемлемым для топок с ТШУ. Во-первых, в этом случае активно используется объем холодной воронки, во- вторых, исключаются набросы факела на стены. Для шлакующих топлив рекомендуется принимать W=0,085-0,98, для не шлакующих - 0,06-0,86. ЗначениеW=0,06-0,085 следует принимать и при сжигании низкосортных топлив; это позволит повысить теплонапряжение активной зоны горения.
Расположение горелок по встречносмещенной схеме позволяет.
Уменьшить дальнобойкость прямоточного факела, вплоть до полного исключения удара факела в стенку топки;
Повысить нечувствительность системы к неравномерности распределения реагентов по
горелкам;
Интенсифицировать массообмен между струями;
Обеспечить стабилизацию процесса горения за счет устойчивого подвода продуктов сгорания к корню факела;
Получить хорошее заполнение топочной камеры восходящими потоками.
Указанная компоновка применяется в сочетании с прямоточными щелевыми горелками, имеющими периферийный подвод топлива и центральный подвод вторично воздуха. При этом конструкция горелки должна отвечать условию h/b>1,5-2. Периферийный подвод топлива дает возможность иметь повышенную концентрацию пыли в наружных слоях факела, непосредственно контактирующих с топочными газами. В то же время центральный подвод вторичного воздуха гарантирует поддержание повышенной действующей концентрации кислорода в активной зоне горения, что способствует лучшему выжигу топлива.
Специфически для аэродинамики топок с ВСС является краевой эффект, связанный с отклонением струй крайних горелок в сторону стен, свободных от их размещениях. Наличие динамического воздействия факела на экран может привести к его шлакованию. Для борьбы с этим явлением существует ряд мер: увеличение простенка S 1, установка крайних горелок половинной тепловой мощности, подача сброса (если он имеется) либо через крайние горелки, либо через сопла на боковых стенах топки.
Все описанные выше компоновки горелок до недавнего времени применялись лишь при схемах пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами (ШБМ), дающих возможность использовать горелки и пылепроводы, имеющие значительное сопротивление. Иначе обстояло дело в топках с молотковыми мельницами, оборудованными шахтными (гравитационными) сепараторами, где применялись открытые окна (амбразуры) для
выхода аэропыли из шахты. При малых скоростях выхода аэропыли (порядка 4-6 м/сек) подача вторичного воздуха проводилась через сопла, расположенные снизу и сверху амбразуры, со скоростями порядка 20-40 м/сек. Незначительные скорости аэропыли в самой шахте (1,5-2,5 м/сек) и на выходе в топку обеспечивали малые сопротивления системы, преодолевавшиеся за счет небольшого напора, развиваемого молотковой мельницей, и разрежения в топке. В итоге в шахте, а соответственно и в мельнице поддерживалось небольшое разрежение, достаточное для предотвращения выбивания пыли через питатель сырого угля и в местах прохода вала мельницы через корпус. Эта схема очень проста и у котлов малой мощности при сжигании бурых углей и фрезторфа используется и сейчас с некоторыми усовершенствованиями в
р
аспределении
воздуха и в конструкции амбразуры
(установка рассекателей,
направляющих перегородок). Однако вялый выход аэропыли с первичным воздухом (доля которого составляет в шахтных мельницах около 40% для каменных углей и 50-70% для фрезторфа) не обеспечивает хорошего заполнения топки. Поэтому даже при каменных углях с большим выходом летучих такие топки дают повышенную неполноту сгорания.
Для мощных котлов при работе на бурых углях топки с открытыми амбразурами мало-эффективны, так как при громадном сечении амбразуры (до 4,50м 2 ) поток оказывается чрезмерно дальнобойным даже при малых скоростях выхода, а вторичный воздух не удавалось хорошо перемешать с первичным. В результате этого имели место сильное шлакование экранов и значительная неполнота сгорания, особенно при сжигании каменных углей. Известное улучшение было достигнуто применением эжекционных амбразур ЦКТИ. В этих устройствах вторичный воздух вводится по специальным каналам, направленным попеременно вверх и вниз прямо в амбразуру, что улучшает перемешивание его с аэропылью. Вторичный воздух, эжектируя аэропыль, сильно увеличивает
угол раскрытия факела, который в обычных амбразурах не превышает 40°. Все это улучшает воспламенение пыли и заполнение топки факелом и уменьшает неполноту сгорания.
Регулируемость факела и при эжекционных амбразурах оставалась недостаточной, что затрудняло борьбу со шлакованием. Поэтому для защиты задней стенки применялись сопла для подачи вторичного воздуха со скоростями выхода 35-45 м/сек. Однако, несмотря на это и другие усовершенствования, подобные топки значительно уступали
камерным топкам с описанными выше пылеугольными горелками.
Топки, с амбразурами, молотковыми мельницами и шахтными сепараторами, так называемые «шахтно-мельничные топки», помимо недостаточной экономичности и надежности, не смогли обеспечить потребное большое повышение единичной мощности (от 230 до 640 т/ч пара и выше). Шахтные сепараторы большой мощности становились громоздкими и «взрывоопасными», а обычное непосредственное присоединение их к топочной камере стало невозможным. Радикальное улучшение работы топок с молотковыми мельницами произошло в результате оборудования схем пылеприготовления (прямого вдувания) более совершенными сепараторами пыли (центробежными- для каменных углей; инерционными- для бурых), применения пылеугольных горелок, соединения мельничных систем и топки с помощью пылепроводов и в целом благодаря переводу схемы пылеприготовления на работу под наддувом. Избыточнее давление перед размольной установкой (100-200кг/м 2 ) расходуется на преодоление дополнительных сопротивлений после молотковой мельницы. Такие схемы пылеприготовления широко применяются для каменных и бурых углей к котлам средней и большой мощности.
Любые горелки служат для ввода в топку топлива и воздуха, последующего их перемешивания и для обеспечения устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси. Другое название – горелочные устройства. Любые горелки должны удовлетворять требованиям экономичности, экологичности, технологичности и ремонтопригодности и надежности.
Конкретные требования:
1. Должны обеспечивать экономичное сжигание расчетных видов топлив во всем диапазоне нагрузок котла
2. Должны обеспечивать требуемые экологические показатели при работе на расчетных видах топлива
3. Конструкция горелок должна быть такова, чтобы обеспечивалось герметичное соединение с топкой
4. Горелки должны быть технологичными и ремонтопригодными
5. Горелки должны обеспечивать срок службы котла не менее 12000 часов без капитального ремонта
Выполнение требований 1 и 2 зависят не только от конструкции горелок но и от топочного устройства.
Классификация:
1. По виду сжигания топлива горелки бывают:
1.1. Пылеугольные
1.2. Газовые
1.3. Мазутные
1.4. Комбинированные
2. По аэродинамическому способу ввода компонентов горючей смеси:
2.1. Вихревые
2.2. Прямоточные
Под прямоточной горелкой понимается такая горелка, в которой потоки топлива и воздуха вводится в топку без закрутки. Формально, в выходном сечении она может иметь любую форму, но обычно, каналы, через которые вводятся потоки, прямоугольны в сечении и выходное сечение горелки тоже прямоугольное.
Типы прямоточных горелок:
a) Горелка с центральным вводом вторичного воздуха (с периферийным вводом пылевоздушной смеси). Обычно такие горелки используются для низкореакционных топлив.
b) Горелка с периферийным подводом вторичного воздуха (с центральным вводом П-В смеси). Используются для сжигания высокореакционных топлив.
a. Т.к. вторичный воздух в пределах этих горелок разворачивается на 90 градусов и попадает в вертикальный выходной канал с h>b, то в пределах поворота предусматривается направляющий лопаточный аппарат 4, позволяющий более равномерно распределить воздух по высоте выходного канала. — рассчитываются, чтобы неравномерность была минимальна.
c) ГПО — Горелка прямоточная, с односторонним подводом П-В смеси. Горелки ГПО разрабатывались специально для тангенциальной компоновки горелок в топке и поэтому используются только при этой компоновке. Они достаточно универсальны и поэтому применяются для любых видов топлив – как высоко- так и низко-реакционных. (15-12-4)
d) ГПЧг – Горелка прямоточная с чередующимися по высоте горизонтальными каналами. (15-12-5). Использование первой модификации – для высокореакционных топлив. Вторая модификация –специально для бурых углей.
e) ГПЧв – горелка прямоточная с чередующимися по высоте вертикальными каналами. ГПЧвр — горелка прямоточная с чередующимися по высоте вертикальными каналами и каналов рециркуляции. (15-12-6). Эти горелки предназначены для сжигания бурых углей. Большинство бурых углей – сильно шлакуюшее топливо и одновременно – они очень влажные, поэтому для бурых углей обычно используется газовая сушка топлива. Для того, чтобы в зоне активного горения не было шлакования экранов топки нужно, чтобы температуры в этой зоне были относительно невысоки, а в этом случае может оказаться полезным ввод в топку газов рециркуляции (горелки ГПЧвр). На ЗИО были разработаны унифицированные ряды этих горелок разной тепловой мощности. П-67 (Пп-2650-25-545БТ) ЗиО, работающих в составе блока 800МВт Березовской ГРЭС и сжигающий Березовский Б2. Эти котлы имеют габариты ~25х25х100м. На этих котлах установлено 32 горелки ГПЧвр в 4 яруса.
Все эти горелки целиком изготавливаются на заводе. Для проведения монтажа на них предусматриваются подсоединительные фланцы 8, для пристыковке к пыле- и воздухопроводам, а также крепежный фланец 5 для стыковки горелки с топкой. После проведения монтажа, на горелки снаружи наносится теплоизоляция и Ме обшивка для защиты теплоизоляции.
Горелки полного предварительного перемешивания (ГПП) предназначены для сжигания топлива в плоских параллельных струях и были разработаны на кафедре ПГС для сжигания торфа и подмосковного бурого угля. А последствии они использовались также для сжигания других бурых углей, а также некоторых каменных углей. ГПП применяются исключительно в сочетании с ММТ и гравитационным (шахтным) сепаратором. Горелка устанавливается в верхней части шахты и по первичному воздуху (П-В смеси является продолжением сепаратора. Вторичный воздух по каналам 1 подается в камеру смешения 6, при этом струи вторичного воздуха вытекают туда с большой скоростью и по этому эжектируют в камеру по каналам 3 П-В смесь из шахты. Внутри каналов вторичного воздуха установлены поворотные лопатки 7, которые позволяют получить на выходе из канала более равномерное распределение воздуха по высоте. Внизу канал вторичного воздуха закрыт рассекателем 2. Рассекатель позволяет улучшить аэродинамическую картину сечения и снизить сопротивление горелки; он также предохраняет нижнюю часть корпуса канала вторичного воздуха от абразивного износа. Существует две модификации ГПП: одноструйная (б) и двухструйная (а). Их применение связано с особенностями работы гравитационного сепаратора. В шахтном сепараторе, в зависимости от направления вращения ротора мельницы, существует область восходящего потока смеси и область сепарации. Область восходящего потока занимает примерно половину шахты и с этим обстоятельством связано использование одноструйных или двухструйных ГПП. Если двухструйную ГПП использовать в сочетании с ММТ, ось ротора которой расположена перпендикулярно фронту котла, то большая часть П-В смеси попадет в одну из двух амбразур, а во вторую попадет очень мало были, поэтому двухструйные ГПП обычно используют при расположении осей ММТ параллельно фронту котла, при этом в обе амбразуры попадает одинаковое количество пыли. Для одноструйных горелок расположение оси ротора не имеет значения, но обычно они используются при перпендикулярном расположении оси ротора к фронту котла. На практике ГПП применяются на котлах паропроизводительностью 50..320т/ч. На котлах производительностью =100т/ч обычно используют 3 ММТ с перпендикулярными осями и одноструйными горелками. Иногда на больших котлах (около 320 т/ч) используют двухструйные горелки – это получается из-за того, что высота одноструйных горелок была бы очень большой, в частности, три мельницы и двухструйные горелки используются на колах ТП – 208 (Еп – 670 – 13.8 – 545БТ, двухкорпусные) на Шатурской ГРЭС.
При установке трех мельниц, оси крайних мельниц повернуты под углом относительно средней мельницы. Это позволяет уменьшить воздействие крайних труб на боковые экраны топки и тем самым понизить вероятность их шлакования. Во вторых, между мельницами образуются ремонтные зоны, позволяющие в том числе вынуть ротор. Обычно этот угол порядка 15-20град. При использовании двух ММТ и двухструйных горелок, оси струн тоже наклонены друг к другу для уменьшения шлакования боковых стен.
Кроме рассмотренных прямоточных горелок существует еще:
. Плоскофакельные горелки
. Горелки ударного типа
Достоинства:
1. Конструктивно просты, по сравнению с вихревыми горелками
2. Имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, чем вихревые горелки, следовательно расход электроэнергии на собственные нужды меньше.
3. Топки, оборудованные прямоточными горелками отличаются меньшим выходом оксидов азота NOx, чем топки с вихревыми горелками.
Недостатки:
1. Худшая, чем в вихревых, организация перемешивания потока.
2. Меньшая единичная мощность
3. Прямоточные горелки с большей степенью чувствительны к способу их компоновки в топки. Ошибка при выборе компоновочных размеров для прямоточных горелок опаснее, чем для вихревых. Это связано с механизмом стабилизации процесса горения (механизм воспламенения П-В смеси). В прямоточных горелках стабилизация процесса горения в основном протекает за счет внешней эжекции продуктов сгорания.
4. Прямоточные горелки за исключение ГПО и плоско-факельных горелок менее универсальны по топливу, чем вихревые.
5. Как правило, у прямоточных горелок более высокая дальнобойность, чем у вихревых горелок. Исключение – плоско-факельные горелки и горелки ударного типа.
4.9,в) нашла широкое применение на многих типах паровых котлов, в том числе большой мощности. Ее преимущества заключаются в равномерности тепловых потоков по всем стенам топки, малой вероятности шлакования стен, так как вдоль них движутся уже частично остывшие газы. При организации жидкого шлакоудаления достигается выпадение капель жидкого шлака на стенах предтопка и увеличение доли шлакоулавливания.
Схему с блочным соударением струй смежных горелок (рис. 4.9,б) применяют при сжигании каменных углей. Этим достигается высокая турбулизация ядра факела. Недостатком этой схемы является возможность шлакования фронтовой и задней стен топки при движении факела из центра топки (зоны относительно повышенного давления) в обе стороны к стенам.
Схемы с тангенциальной компоновкой можно осуществить в топке, форма которой близка к квадратной, т. е. отношение paзмеров стен 1 ≤ a/b ≤1,2. Это обусловливает хорошую аэродинамику топочного объема. В топочных камерах с более развитой шириной фронта применимы другие схемы размещения горелок.
4.3.Камерные топки с твердым шлакоудалением
Топочные камеры, работающие с твердым шлакоудалением, по конструкции выполняют открытыми, т. е. без изменения сечения топки по высоте. По характеру движения факела они разделяются на топки с прямоточным факелом, с вертикально–вихревым факелом и горизонтально–вихревым факелом (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Характер движения факела.
Отличительной особенностью этих топок является наличие в нижней части топки холодной воронки, образованной путем сближения фронтового и заднего экранов с большим уклоном (50–60°) до расстояния 1…1,2 м. За счет этого снижается температура газов в нижней части топки, и выпадающие из
ядра факела расплавленные шлаковые частицы, попадая в эту зону, быстро отвердевают и по крутым скатам воронки ссыпаются в шлакоприемное устройство (рис. 4.11). Количество золы, уловленной таким способом через холодную воронку, невелико и составляет 5–10% общего золосодержания топлива. Гранулированные шлаковые частицы непрерывно удаляются из ванны шнековым, скребковым или роторным механизмом. Водяная ванна выполняет одновременно роль гидрозатвора против подсоса снизу в топку холодного воздуха.
Рис. 4.11. Топка с твердым шлакоудалением.
1 – холодная воронка; 2 – шлаковая ванна с водой; 3 – канал гидрозолоудаления; 4–горелка; 5 – настенные экраны; 6 – ядро факела; 7 – шнековый шлакоудаляющий механизм; 8– электродвигатель.
Аэродинамика топочного объема должна быть так организована, чтобы вблизи настенных экранов температура газов была не выше характерной температуры золы, начиная с которой золовые частицы становятся липкими и создают опасность шлакования стен. Поэтому средние тепловые напряжения сечения топочной камеры и топочного объема при твердом шлакоудале-
нии, как правило, имеют невысокие значения (q f = 3…4 МВт/м2 ,q v =
100…140 кВт/м3 ). Это неизбежно приводит к увеличению размеров топочных камер и их металлоемкости.
Так, топочная камера прямоточного котла П–59 для блока 300 МВт при сжигании подмосковного бурого угля в прямоточном факеле по схеме (рис. 4.10,б) имеет размерыa Xb Xh т = 21,8 X 9,56 X 48 м.
Пылеугольные топки с удалением шлака в твердом состоянии обычно применяют для сжигания топлив с большим и умеренным выходом летучих веществ (V г >25 %)
Наиболее распространенными являются схемы сжигания топлив в подъемном прямоточном факеле (рис. 4.10, а, б) с применением вихревых горелок при однофронтальном размещении и прямоточных горелок (встречное расположение). При создании мощных паровых котлов для сжигания сибирских бурых углей более предпочтительной оказалась схема сжигания с вертикальным вихревым факелом и расположением прямоточных горелок в несколько ярусов по высоте (рис. 4.9,в). Такая схема снижает вероятность заброса факела на стены топки и связанного с этим шлакования экранов, а рассредоточение горелок по высоте топки (до 12 м) ведет к уменьшению энерговыделения в сечении каждого яруса горелок. При этом снижается уровень температур в зоне растянутого ядра факела и заметно сокращается образование вредных окислов азота. Топочные камеры с горизонтальным вихревым факелом, разработанные профессором В. В. Померанцевым, успешно работают при сжигании фрезерного торфа и бурых углей (рис. 4.10,г). При этом мелкие фракции топлива сгорают в прямоточной части факела, а более грубые сепарируются вниз, там подхватываются струей вторичного воздуха и попадают в вихревое движение, пока не сгорят.
Практически полное сжигание топлива достигается при избытках воз-
духа на выходе из топки αт = 1,15…1,20. С учетом неизбежных присосов в топку холодного воздуха извне (Δαт = 0,05…0,1) избыток воздуха в горелках
αгор = αт - Δαт = 1,05…1,1.
4.4.Камерные топки с жидким шлакоудалением
Для обеспечения жидкого шлакоудаления необходимо, чтобы температура газов у стен нижней части топки и в районе пода была выше температуры текучести шлака, т. е. υ г >t н.ж , гдеt н.ж t з 50...100 ºС – температура нормального жидкотекучего состояния. Создание таких условий в нижней части топки возможно путем приближения ядра факела к поду топки и покрытия настенных экранов в этой зоне карборундовой огнеупорной тепловой изоляцией (футерование экранных труб). Для прочного удержания футеровки вначале на трубы экранов со стороны топочного объема приваривают шипы
(диаметром 10…12 мм и длиной 12…15 мм) и затем наносят слой изоляции (рис. 4.12). Оригинальная конструкция таких «утепленных» экранов предложена ЗиО. Вместо ошипованных труб использованы трубы со спиральным оребрением, полученным методом накатки.
Подовая часть топки выполняется горизонтальной или слабонаклонной к центру топки. Здесь на трубы пода накладывают два–три слоя огнеупорного кирпича на огнеупорной связке. В центре пода оставляется одно или два футерованных отверстия для слива шлака (летки) размером примерно 500X800 мм. Расплавленный шлак переливается через край летки и тонкими струями стекает в шлаковую ванну, где при контакте с водой отвердевает.
Доля шлакоулавливания в таких топках заметно возрастает по сравне-
нию с твердым способом: а шл = 0,2…0,4. Удаление затвердевшего шлака из ванны производят непрерывно скребковыми, шнековыми или роторными транспортерами.
По конструкции топочные камеры с жидким шлакоудалением выполняются однокамерными (открытые и полуоткрытые) и двух–, трехкамерными. По характеру движения факела они могут быть с прямоточным факелом, с пересекающимися струями и циклонным движением.
Рис. 4.12. Вид на футерованный экран.
1 – экранная труба; 2 – шипы до их покрытия обмазкой; 3 – огнеупорная обмазка.
Наиболее простым конструктивным решением топки с жидким шлакоудалением является открытая однокамерная топка с прямоточным факелом (рис. 4.13,а). За счет футерования экранов нижней части топки и выполнения утепленного пода выделяется зона с повышенной температурой газов (зона плавления шлаков). В этом случае применяют вихревые горелки с встречным и более низким расположением их над подом топки. Однако высокая отдача
теплоты в верхнюю зону охлаждения ограничивает регулировочные возможности топки: при снижении нагрузки до 0,7…0,8 номинальной начинается застывание шлаков вначале на стенах, а затем на поду. Кроме того, открытая топка обеспечивает невысокую степень шлакоулавливания: а шл = 0,1…0,15.
С помощью двустороннего пережима топки обеспечивается выделение камеры горения (рис. 4.13,б). Отдача теплоты в верхнюю зону здесь заметно сокращается. Благодаря этому достигается достаточно высокая температура газов (1600–1800°С). Объемное тепловое напряжение камеры горения со-
ставляет q к.с. v = 500…800 кВт/м3 , заметно растет доля шлакоулавливания:
а шл = 0,2…0,4. Расширяется диапазон работы котла с устойчивым выходом жидкого шлака.
В топках с пересекающимися струями (рис. 4.14) камера горения выделяется односторонним или двусторонним пережимом. Прямоточные горелки устанавливаются таким образом, чтобы создать в камере горения вихревое движение факела с горизонтальной осью. Факел делает один оборот вблизи футерованных стен, затем горячие газы проходят в промежутках между горелками, пересекают струи свежей пылевоздушной смеси, обеспечивая их быстрый прогрев и устойчивое воспламенение. Организованное движение вдоль стен и пода топки создает условия для устойчивого выхода жидкого шлака даже при глубоком снижении нагрузки (до 40…50% номинальной).
Рис. 4.13. Схемы топок с жидким шлакоудалением и прямоточным факелом.а – открытая топочная камера;б – топка с пережимом.
Рис. 4.14. Схемы вихревых топок с пересекающимися струями.а – топка МЭИ;б – топка ЦКТИ;в – гамма–топка ВТИ.
Рис. 4.15. Циклонные топки.
а – топка с горизонтальными циклонами;б – подовые предтопки с верхним выходом газов; 1 – камера горения (циклон); 2 – шлакоулавливающий пучок; 3 – камера охлаждения; 4 – горелка; 5 – сопла вторичного воздуха; 6 – шлаковая летка; 7 – шлаковая ванна.
Объемное тепловое напряжение камеры горения составляет 500…600 кВт/м3 . Более полное разделение горения и охлаждения газов достигается в топках с циклонными предтопками (рис. 4.15). По принципу выполнения эти топочные устройства относятся к двухкамерным топкам. Сущность циклонного метода сжигания состоит в том, что тангенциально вводимый в предтопок с большой скоростью вторичный воздух (80…120 м/с) или тангенциально направленные пылевоздушные струи из горелок закручивают факел в
предтопке. Вся внутренняя его поверхность покрыта экранами из ошипованных и футерованных огнеупорной массой труб. Частицы топлива в предтопке подвержены воздействию двух сил: центробежной, отбрасывающей их к внутренней стенке предтопка; аэродинамической, выносящей частицы вместе с газами из предтопка. Соотношение этих сил зависит от размеров частиц, поэтому частицы распределяются по сечению циклона неравномерно: наиболее крупные отбрасываются к стенкам предтопка и там вовлекаются в вихревое движение до полного выгорания, а мелкие фракции сгорают в центральной части его. В циклонных предтопках можно сжигать более грубую пыль, а в ряде случаев (в горизонтальных циклонах) и дробленое топливо, снижая тем самым затраты энергии на пылеприготовление. Интенсивное вихревое движение обеспечивает также значительное улавливание шлака в жидком виде (а шл до 0,6….0,85). Большее значение относится к горизонтальным циклонным предтопкам.
Горизонтальные циклонные предтопки (рис. 4.15,а) выполняют диаметром 1,8…4 м. Длина циклона больше его диаметра в 1,2…1,3 раза. Тепловая мощность одного циклона составляет 150…400 МВт. Тепловое напряже-
ние в циклоне весьма высокое (q v = 2…6 МВт/м3 ) при уровне температур га-
зов 1800…1900°С и избытке воздуха а шл = 1,05…4,1. Однако из–за необходимости иметь развитую камеру охлаждения газов общее тепловое напряжение топок с горизонтальными циклонами не превышает 200…300 кВт/м3 , что ненамного выше, чем в обычных однокамерных топках с жидким шлакоудалением.
Высокие скорости вторичного воздуха обеспечиваются применением специальных высоконапорных вентиляторов с напором 10…20 кПа (1000…2000 мм вод. ст.), что в 2…3 раза выше обычных напоров воздуха. В конструктивном исполнении топки с циклонными предтопками сложнее и дороже обычных однокамерных топок.
Вертикальные подовые предтопки с верхним выходом газов (рис. 4.15,б) производства Барнаульского котельного завода (БКЗ) располагаются под камерой охлаждения. Их выполняют восьмигранными из отдельных плоских секций и включают в общую циркуляционную схему экранов топочной камеры, что заметно удешевляет конструкцию по сравнению с горизонтальными циклонами. На одну камеру охлаждения работают обычно два предтопка. Прямоточные щелевые горелки устанавливают на четырех стенках предтопка с тангенциальным направлением потоков при обычных скоростях первичного и вторичного воздуха (ω1 =25…35 м/с, ω2 =40…50 м/с). Вся внутренняя поверхность предтопка футерована по экранам.
Преимущества топочных устройств с жидким шлакоудалением в сравнении с твердым удалением шлаков заключаются в следующих основных
моментах. При сжигании одного и того же вида топлива потери с механическим недожогом q 4 в случае жидкого шлакоудаления снижаются примерно на 30%. Общее тепловое напряжение топочного объема оказывается в среднем на 20% выше. Это значит, что в таком же соотношении при жидком шлакоудалении можно уменьшить габариты топочной камеры. За счет уплотнения нижней части топки уменьшаются присосы воздуха в топочную камеру, что приводит к некоторому снижению потерь с уходящими газами. В топках с высоким шлакоулавливанием заметно сокращаются затраты на золоулавливающие установки.
Вместе с тем топки с жидким шлакоудалением обладают рядом недостатков. Так, рост шлакоулавливания ведет к увеличению потери теплоты с высокотемпературными шлаками q 4 которая во многих случаях превосходит уменьшение потерьq 4 Снижается диапазон рабочих нагрузок по условиям выхода жидкого шлака (для однокамерных топок). Рост температурного уровня в ядре факела ведет к увеличению выхода вредных окислов азота. В связи с этим выбор для того или другого вида топлива топочного устройства с твердым или жидким шлакоудалением требует оценки и сопоставления всех положительных и отрицательных моментов. В то же время не всякое топливо можно сжигать с обеспечением жидкого выхода шлаков. Если для топ-
лив с относительно легкоплавкой золой (t 3 = 1150…1300°С) не возникает за-
труднения, то при значениях t 3 > 1350°С необходимо произвести расчет обеспечения выхода жидкого шлака. Экономически выгодно применять топки с жидким шлакоудалением при сжигании низкореакционных топлив (антрацит, полуантрацит, тощие каменные угли), когда достигается заметный выигрыш за счет снижения механического недожога, а также топлив с низкой температурой плавления золы, которые в топках с твердым шлакоудалением вызывают сильное шлакование топочных экранов.
4.5.Топочные камеры газомазутных котлов, их конструкции
Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять топочные камеры для этих видов топлива одинаковой конструкции. Как правило, в таких топочных устройствах основным топливом является мазут, а резервным – природный газ. Близость характеристик сжигания газа и мазута выражается в следующих показателях.
1. При практическом отсутствии внешней влаги в топливах образуются близкие объемы продуктов сгорания при работе парового котла как на мазуте, так и на газе, что позволяет эксплуатировать те же тягодутьевые машины на разных топливах.
2. Горение мазута и газа происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда) по законам ЦРР. Интенсивность горения в обоих случаях
определяется условиями перемешивания, а максимально допустимые тепловые напряжения топочного объема имеют близкие значения (300 кВт/м3 – для мазута и 350 кВт/м3 – для природного газа). Поэтому при одинаковой паро-
производительности котла для этих топлив могут быть приняты одинаковые размеры топочных камер.
3. Практическое отсутствие золы при сжигании этих топлив (мазут
имеет А с < 0,3%) исключает вероятность шлакования настенных экранов и необходимость в шлакоудалении. Поэтому для обоих видов топлива под топки выполняют горизонтальным или слабонаклонным с выполнением только лазов для ремонтных работ (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Виды топочных камер газомазутных паровых котлов.
а – открытая топка с однофронтальными многоярусными горелками;б – топка с пережимом и встречным (двухфронтальным) расположением горелок;в
– открытая топка с встречным двухъярусным расположением горелок; г – топка с встречными циклонными предтопками;д – топка с подовыми горелками прямоточного или вихревого типа (пунктирные линии).
4. Более легкие условия перемешивания воздуха с топливом в газовом состоянии обеспечивают практически полное сжигание топлива при вы-
соких тепловых напряжениях с низкими избытками воздуха αгор =1,02…1,05
при одинаковой температуре его подогрева (t г.в. =250…300°С). Это позволяет выполнять комбинированные газомазутные горелки с близкими объемными расходами воздуха и практически равным сопротивлением.
Интенсивное горение этих видов топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, кото-
рая для мазута характеризуется достаточно высоким уровнем температур и значительной интенсивностью теплового потока на настенные экраны. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии, а также ведет к образованию высокой концентрации окислов азота в ядре факела.
По профилю газомазутные топочные камеры могут быть открытого типа, с пережимом и с циклонными предтопками (рис. 4.16). Большинство выпускаемых газомазутных паровых котлов оборудуются традиционными призматическими топками с однофронтальным или двухфронтальным (встречным) расположением горелок. Горелки при однофронтальной установке размещают в несколько (три–четыре) ярусов. Такая компоновка дешевле и удобнее в обслуживании, однако не обеспечивает равномерного заполнения топки факелом и неприемлема для топок с небольшим размером по глубине (менее 6 м) ввиду значительного роста температуры газов и теплонапряжения заднего экрана.
При встречном расположении горелок обеспечиваются лучшие условия работы экранов. При этом факел концентрируется в центральной высокотемпературной области топочной камеры. Встречное движение факелов способствует турбулизации при выгорании топлива в концевых участках факела и при прочих равных условиях приводит к повышению теплонапряжения в зоне ядра факела на 20–30%. Наличие пережима способствует турбулизации потока в зоне ядра факела и в зоне дожигания топлива на выходе из камеры горения.
Для снижения интенсивности тепловых потоков на экранные поверхности топочной камеры в опытной серии паровых котлов для блоков 300 МВт было предложено вынести основное горение топлива в циклонные предтопки (рис. 4.16,г), размещенные встречно. За счет высокой турбулентности вихревого потока в пределах циклона обеспечивается сгорание 85–90% топлива. Экраны самих циклонов ошипованы и футерованы карборундовой огнеупорной изоляцией. Однако связанные с этим рост температуры факела и теплового потока на экраны нежелательны. Поэтому такой профиль топочной камеры не оптимален для этих видов топлива. Известно, что факел газового топлива обладает меньшей излучающей способностью, и при переводе котла с мазута на природный газ тепловосприятие топочной камеры снижается, а температура продуктов сгорания на выходе из топки становится выше. Это расхождение температур при номинальной нагрузке для топочных камер открытого типа составляет около 100°С, что неизбежно сказывается на изменении тепловой работы последующих поверхностей нагрева и прежде всего перегревателя. В открытых топочных камерах с многоярусными однофронтальными горелками для выравнивания температуры газов за топкой поль-
(Документ)
n1.docx
Введение 2
Твердое топливо 2
Вихревые горелки 3
Прямоточные горелки 8
Газообразное топливо 11
Сжигание газообразного топлива с низкой теплотой сгорания 12
Сжигание газообразного топлива с высокой теплотой сгорания 13
Сжигание газа совместно с другими видами топлива 14
Газомазутные горелки 14
Список литературы 16
Введение
Горелка - это устройство для поддержания процесса горения жидкого, газообразного или пылеобразного топлива. Обеспечивают испарение (для жидкого топлива), смешивание с воздухом или другим окислителем, формирование факела и распределение пламени. Пылеугольные горелки служат для организованного ввода угольной пыли и воздуха в топку. С помощью горелок и рациональной компоновки их в значительной мере организуется топочный процесс: устойчивое зажигание факела, смесеобразование, интенсивное выгорание пыли и бесшлаковочная работа парогенератора.Твердое топливо
Необходимая интенсивность горения топливной пыли достигается подготовкой горючей смеси (смесеобразованием) в горелочном устройстве (горелке). Полученная в процессе размола и сушки топливная пыль при температуре 70–130 0 С потоком первичного воздуха, доля которого составляет от 15 до 40 %, вдувается в топочную камеру через горелки; в горелки поступает также вторичный воздух при температуре 250–420 0 С .В горелках не происходит воспламенения топлива. Их задача состоит в том, чтобы подготовить два самостоятельных потока – пылевоздушную смесь и вторичный воздух – к воспламенению топлива и активному горению в топке. Следовательно, горелки выдают в топку два раздельных потока: пылевоздушную смесь и вторичный воздух. Образование горючей смеси завершается в топочной камере.От работы и размещения горелок в топке зависит характер смесеобразования, что в сочетании с аэродинамикой топочной камеры определяют интенсивность воспламенения, скорость и полноту сгорания, а, следовательно, тепловую мощность и эффективность топки.
Для сжигания угольной пыли применяются два основных типа горелок: вихревые и прямоточные. Через вихревые горелки пылевоздушная смесь и вторичный воздух подаются в топку в виде закрученных струй, образующих в топочном объеме конусообразно расходящийся факел. Такие горелки выполняются круглыми в сечении. Прямоточные горелки 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 объеме топки. Эти горелки могут быть круглого или прямоугольного сечения.
Вихревые горелки
Виды вихревых горелок:
Двухулиточные горелки с улиточными закручивателями пылевоздушной смеси и вторичного воздуха (рис. 1.а);
Улиточно-лопаточные горелки с улиточным закручивателем пылевоздушной смеси и аксиальным лопаточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 1.б);
Прямоточно-улиточные горелки с прямоточным каналом для пылевоздушной смеси рассекателем на выходе из него и улиточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 1.в);
Двухлопаточные, в которых закручивание потоков вторичного воздуха и аэропыли обеспечивается аксимальным и тангенциальным лопаточным аппаратом (рис. 1.г).
Горелки этого типа имеют производительность от 1 до 3,8 кг у.т./с, что определяет их тепловую мощность от 25 до 100 МВт. . Основным показателем аэродинамической характеристики горелки с закручивающим аппаратом является параметр крутки n. Его значения для большинства промышленных горелок находятся в пределах 1,5–5, большие значения 3–5 относятся к закручиванию потока вторичного воздуха .
С увеличением степени крутки потока увеличивается угол раскрытия струи и расширяются её границы, увеличиваются размеры зоны рециркуляции газов к устью факела, что обеспечивает более быстрый погрев и воспламенение топлива. Горелки с повышенным параметром n используют при сжигании низкореакционных, трудно воспламеняющихся топлив.
Структура струй пылевоздушной смеси, вытекающих из амбразур вихревых горелок, в значительной мере зависит от типа и конструкции их закручивающих аппаратов. При закручивающем аппарате в виде спирали крутка потока зависит от параметра (отношение площади сечения входного патрубка закручивающего аппарата к квадрату диаметра выходного сечения), значение которого рекомендуется в пределах 0,4 – 0,6. Лопаточные аппараты выполняются с тангенциальными поворачивающимися или неподвижными лопатками на входе в канал вторичного воздуха или с осевыми лопатками на выходе из канала вторичного воздуха. Воздух входит в лопаточный аппарат с направлением, параллельным оси горелки. Лопатки образуют каналы, из которых воздух вытекает в виде струй, наклоненных к продольной оси горелки под некоторым углом.
В двухулиточных и улиточно-лопаточных вихревых горелках пылевоздушной смеси и вторичному воздуху сообщается закрученное движение с одинаковым направлением вращения. В прямоточно-улиточных горелках раскрытие факела достигается установкой рассекателя в выходном сечении канала первичного воздуха и закруткой потока вторичного воздуха.
Благодаря закрутке потоки пылевоздушной смеси и вторичного воздуха в топочной камере распространяются в виде двух концентрически расположенных усеченных полых конусов, причем внутри находится конус пылевоздушной смеси, имеющий несколько больший угол раскрытия для лучшего перемешивания с вторичным воздухом. Чтобы способствовать большему раскрытию факела, амбразуру вихревых горелок выполняют конической.
Улиточно-лопаточные горелки выполняются одно- и двухпоточными по вторичному воздуху. В них закрутка вторичного воздуха осуществляется осевыми лопаточными аппаратами, а пылевоздушной смеси – улиточными закручивателями.
В прямоточно-улиточной вихревой горелке пылевоздушная смесь подается прямоточно по центральной цилиндрической трубе. На выходе из неё пылевоздушный поток, омывая конический рассекатель, раскрывается. Вторичный воздух, поступающий через улиточный закручиватель, завихривает факел. Угол раскрытия рассекателя рекомендуется принимать в пределах 90–120 0 . Главное преимущество этих горелок – меньшее аэродинамическое сопротивление тракта первичного воздуха.
Для зажигания пылевоздушной смеси в горелку монтируется мазутная форсунка производительностью до 2т/ч. Тепловая мощность растопочных форсунок должна составлять меняя 30% мощности пылеугольной горелки. Для розжига мазутной форсунки горелки снабжаются дистанционными электрогазовыми запальниками.
Снижение производительности вихревых горелок однопоточных по вторичному воздуху допускается до 70% номинальной, а двухпоточных – 60%. При этом скорость в пылепроводах по условиям предотвращения сепарации пыли не должна быть ниже допустимых нормами расчета пылеприготовления.
Вихревые горелки, как обладающие высокой устойчивостью зажигания, рекомендуются преимущественно для сжигания пыли АШ, полуантрацитов и тощих углей в открытых и полуоткрытых топках с твердым и жидким шлакоудалением. Эти горелки могут быть использованы и для сжигания топлив с большим выходом летучих. Вихревые горелки рекомендуется располагать на парогенераторах производительностью до 70 кг/с встречно на боковых стенах, а на парогенераторах большей производительности – встречно на широких фронтовой и задней стенах в один, два и более ярусов.
Оптимальная скорость выхода пылевоздушной смеси из вихревой горелки составляет 14–16 м/с, в мощных горелках может быть увеличена до 20–22 м/с, оптимальная скорость вторичного воздуха – соответственно 18–21 м/с и 26–30 м/с .
Определяющим конструктивным параметром вихревых горелок является диаметр амбразуры D a . Горелки размещают на достаточном расстоянии друг от друга – , и от боковых стен – , чтобы исключить раннее взаимодействие факелов и наброс факела на стены. При однофронтальном расположении горелок в 1–2 яруса экран задней стены получает повышенное тепловосприятие (10–20% выше среднего), и для исключения шлакования стены при твердом шлакоудалении глубина топки должна быть не менее. Встречное двухфронтальное расположение горелок характерно для мощных паровых котлов, когда необходимое число горелок невозможно разместить на одной фронтовой стене .
При встречном расположении выравнивается теплонапряжение экранов топки, повышается уровень температур в центре топки.
Актуально использовать вихревые горелки на парогенераторах средней производительности. Основное достоинство вихревых горелок – создание во внутренней полости зоны рециркуляции, обеспечивающей устойчивое зажигание. С переходом к мощным и сверхмощным парогенератором роль горелок в организации топочного процесса уменьшается. В этих парогенераторах важное значение для организации топочного процесса имеет взаимодействие факелов, определяемое способом компоновки горелок.
Горелки на стенах топочной камеры располагаются таким образом, чтобы обеспечить наибольшую полноту сгорания топлива в ядре факела, создавать благоприятные условия для удаления шлаков их топки в заданном твердом или жидком виде и исключить возможность шлакования стен топочной камеры. На рис. 2 показаны наиболее характерные схемы расположения вихревых пылеугольных горелок. Схемы с фронтальными и двухфронтальными горелками (рис. 2 а, б) могут быть выполнены как в один, так и в два яруса. При однофронтальном расположении экран задней стены получает повышенное тепловосприятие (на 10–20% выше среднего). Встречное двухфронтальное расположение горелок характерно для мощных паровых котлов, когда, необходимое число горелок невозможно разместить на одной фронтовой стене даже в два яруса.
При встречном расположении выравнивается теплонапряжение экранов топки. В котлах относительно небольшой мощности размещают горелки встречно с боковых стен в один ярус (рис. 2 в). При этой схеме имеет место повышенная температура газов в средней части топки по её ширине.
Мощным излучением и проникновением горячих продуктов сгорания в амбразуры большого размера металлические насадки и рассекатель горелки сильно нагреваются и обгорают. В этих условиях ненадежно работают прямоточно-улиточные горелки. Для уменьшения обгорания и повышения надежности работы горелки амбразуры стали выполнять цилиндрическими. Но это связано с уменьшением раскрытия факела, т.е. противоречит основному принципу работы вихревых горелок. В завихренном потоке происходит расслоение воздуха и пыли. Пыль оттесняется к периферии цилиндрического канала и неравномерно распределяется в потоке первичной смеси на выходе из горелки. Неравномерно и распределение скоростей. Также вихревые горелки громоздки и сложны в изготовлении. Они обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением и подвержены большому износу пылевоздушным потоком.
Прямоточные горелки
Прямоточные горелки ввиду более низкой турбулизации потока, создают дальнобойные струи с малым углом расширения и вялым перемешиванием первичного и вторичного потоков. Поэтому успешное сжигание топлива достигается взаимодействием струй разных горелок в объеме топочной камеры. Для этого применяют встречное расположение горелок с двух противоположных стен топки или угловое с тангенциальным направлением струй в объеме топки (рис. 3).Прямоточные горелки могут быть прямоугольной формы (плоские) или круглые (рис. 4). Горелки прямоугольной формы, особенно вытянутые по высоте, обладают высокой эжекцией окружающей газовой среды с боковых сторон струи. Поэтому такие горелки при внешней подаче аэропыли (рис. 4 а) имеют преимущества по условиям воспламенения. Круглые горелки обычно выполняют с отдельной подачей аэропыли и горячего воздуха (рис. 4 б). Встречный наклон двух блоков горелок, расположенных в одной плоскости по высоте, улучшает перемешивание и сгорание. Такие горелки получили название плоскофакельных. Горелки с внутренней подачей топлива и рассекателем (рис. 4 в) имеют лучшие условия перемешивания с воздухом, но прогрев топлива происходит медленнее, поэтому такая горелка более приемлема для качественного каменного угля с высоким выходом летучих веществ. При угловом расположении горелок и тангенциальном движении факела в сечении топки чаще всего применяют блоки щелевых горелок (рис. 4 г).
Рис. 4 Прямоточные пылеугольные горелки: а - прямоугольные с центральным каналом горячего возуха; б - плоскофакельная с круглыми соплами; в - прямоугольная с поворотной головкой и внутренней подачей аэропыли; г - щелевая блочная; В - подвод воздуха; Тл - подвод топливо-воздушной меси; М - подвод мазута; 1 - канал аэропыли; 2 - канал горячего воздуха; 3 - подсос топочных газов к струе аэропыли; 4 - поворотная головка; 5 - рассекатель; 6 - растопочный блок.
Скорость пылевоздушной смеси на выходе из горелок принимают w 1 = 20-28 м/с, а оптимальная скорость вторичного воздуха w 2 = (1,5-1,7) w 1 .
Горелки для высококонцентрированной пыли получают все более широкое применение. Подача пыли из бункера к горелке происходит в этом случае не первичным потоком воздуха, а с помощью небольшого количества (0,1 - 0,3% всего расхода) сжатого воздуха СВ, который обеспечивает достаточно хорошую текучесть аэропыли АП по пылепроводу малого диаметра - 60-90 мм. Распыл подаваемой в котел пыли обеспечивается непосредственно на входе в горелку при смешении пыли с первичным потоком воздуха.
На рис. 5 показаны характерные схемы размещения прямоточных горелок. Все представленные схемы нашли широкое применение при сжигании торфа, бурых и молодых каменных углей.
Сжигание торфа и бурых углей по схеме встречно-смещенных струй отличается высокой эффективностью за счет повышенной турбулизации факела в зоне основного горения. Это достигается созданием большого градиента скоростей между соседними струями, имеющими противоположные направления движения.
Схему с блочным соударением струй смежных горелок (рис. 5 б) применяют при сжигании каменных углей. Этим достигается высокая турбулизация ядра факела. Недостатком этой схемы является возможность шлакования фронтовой и задней стен топки при движении факела из центра топки в обе стороны к стенам.
Схема с угловыми горелками и тангенциальным направлением горелочных струй к условной окружности в центре топки диаметром 1–2,5 м (рис. 5 в) нашла широкое применение на многих типах паровых котлов. Её преимущества заключаются в равномерности тепловых потоков по всем стенам топки, малой вероятности шлакования стен, так как вдоль них движутся уже частично остывшие газы.
Газообразное топливо
Газообразное топливо сжигается в камерных топках. Если сжигаются только газы, камера может иметь очертания, показанные на рис. 6 а. При сжигании газа совместно с угольной пылью в нижней части топочной камеры предусматривается воронка для удаления твердых очаговых остатков, выпадающих из горящего факела (рис. 6 б).
Для сжигания газов применяется большое количество различных типов горелок, отличающихся как по принципу работы, так и по конструктивному оформлению.
По способу организации перемешивания компонентов горения:
без предварительного смешения;
с полным предварительным смешением;
с неполным предварительным смешением;
с частичным предварительным смешением.
По способу подачи воздуха:
с принудительной подачей воздуха от вентилятора(дутьевые горелки):
прямоточные;
вихревые;
с подачей воздуха путем эжектирования его газовой струей или за счет разрежения в топке.
с изменением сечения входного патрубка или живого сечения лопаточных завихрителей;
с изменением угла наклона лопаток
с перепуском части воздушного потока мимо завихрителей.
низкого давления (перепад давления в горелке до 500 Па);
среднего давления (до критического перепада давлений);
высокого давления (сверхкритического перепада давлений).
с низкой скоростью (около 5 м/с);
со средней скоростью (около 20 м/с);
с высокой скоростью (около 100 м/с).
Сжигание газообразного топлива с низкой теплотой сгорания
К газообразному топливу с низкой теплотой сгорания, применяемому на промышленных предприятиях для сжигания в котлах, относится доменный газ – газ доменных печей, работающих на коксе с добавкой природного газа.При сжигании доменного газа газ и воздух поступают в горелку в соизмеримых количествах. На практике при сжигании доменного газа нашли применение в основном факельные горелки (рис. 7).
Сжигание газообразного топлива с высокой теплотой сгорания
К газообразным топливам с высокой теплотой сгорания относится природный газ. В отдельных случаях используется газ коксовых печей.Характерная особенность сжигания газов с высокой теплотой сгорания – необходимость смешения больших объемов окислителя с малым количеством газа.
Этапом, определяющим интенсивность горения, является период смешения газа и воздуха. Интенсификация процесса смешения обеспечивается в большинстве случаев подачей газа тонкими струйками с большой скоростью в массу воздуха, подаваемого со скорость. 15–40 м/с.
Интенсификация перемешивания газа с воздухом достигается также турбулизацией газовоздушного потока путем его закручивания, что требует некоторого повышения давления воздуха перед горелкой по сравнению с давлением при прямоточном потоке. Указанные способы интенсификации перемешивания газа и воздуха используются в горелках (рис. 8), применяемых для сжигания природного газа. В горелке на рис. 8 а газ поступает в центральную трубу и выходит в камеру смешения через ряд мелких отверстий. Воздух поступает по межтрубному пространству вращательно благодаря тангенциальному подводу к горелке, а также направляющим лопаткам. В другой горелке (рис. 8 б) газ из двух газоподводящих трубок выходит со скоростью 50 м/с через большое количество мелких отверстий, пересекая воздушный поток.
В зависимости от условий смесеобразования газа и воздуха при сжигании газообразного топлива можно получить в топочной камере продукты сгорания с различной степенью светимости. Улучшение процесса смешения приводит к интенсификации горения топлива, повышению эффективной температуры факела, при этом факел имеет малую светимость. Ухудшение смесеобразования замедляет горение и приводит к сажеобразованию, поэтому повышается светимость факела, но снижается его температура.
Сжигание газа совместно с другими видами топлива
Расположение на топке ряда автономных газовых и мазутных или пылеугольных горелок приводит к значительному усложнению топливных и воздушных коммуникаций и затрудняет эксплуатацию. Поэтому применяют комбинированные газомазутные или пылегазовые горелки. Такие горелки обычно разрабатываются на основе проверенной практикой газовой горелки, в которую встраивается мазутная форсунка. При разработке пылегазовой горелки за основу обычно берется пылеугольная горелка, в которую встраивается газораспределительное устройство. Совместное сжигание топлив приводит к увеличению потерь теплоты от химического и механического недожога, что связано со снижением концентрации окислителя в зоне горения топлива.Газомазутные горелки
На рис. 9 показана комбинированная газомазутная горелка типа ГМГм. Такие горелки предназначены для раздельного сжигания жидких топлив и природного газа. В ряде случаев допускается использование горелок для совместного сжигания топлива. Давление мазута перед форсункой 2 МПа, давление пара на распыливание мазута – 0,2 МПа, давление газа – 3800 Па .
На рис. 10 показана горелка тепловой мощности. Она имеет два самостоятельных канала подвода воздуха, каждый из которых завихривается в тангенциальном лопаточном аппарате и поступает в периферийный и центральный каналы горелки. Кроме того, имеется еще прямоточная подача третичного воздуха в центральную трубу для охлаждения канала мазутной форсунки. Подача мазута осуществляется паромеханической форсункой типа ТКЗ-4М производительностью 1,28 кг/с (4,6 т/ч) при давлении мазута 4,5 МПа и пара 0,2 МПа. Распыл мазута производится в основном в потоке центрального воздуха. С его участием происходит воспламенение топлива. Природный газ в основном вводится в периферийный поток воздуха большим числом труб d=32 мм из кольцевого коллектора. Другая часть природного газа вводится через отверстия центрального коаксиального канала (расчетная скорость выхода газа из отверстий соответственно 134 и 177 м/с) .
Список литературы
Липов Ю. М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и парогенераторы. – Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2005. – 592 с.
Сидельковский Л. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 528 с.
Хзмалян Д. М., Каган Я. А. Теория горения и топочные устройства. Учеб.пособие для студентов высш.учеб.заведений. М.: «Энергия», 1976. – 488 с.
Резников М. И., Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электростанций – М.: Энергоиздат, 1981. – 238 с.
