Показатели работы топочных устройств

К современным топочным устройствам котлов предъявляется ряд требований:

· топочное устройство должно обеспечить заданную тепловую мощность парогенератора для выработки пара требуемых параметров;

· топка должна обеспечивать надежность и безопасность в условиях длительной эксплуатации;

· сжигание топлива должно быть по возможности более полным с минимальными потерями от химической и механической неполноты сгорания;

· предусматривается возможность изменения нагрузки парогенератора в достаточно широком диапазоне;

· необходимо предусмотреть возможность применения резервного топлива.

Основными показателями топочного устройства являются:

1. Пригодность для сжигания данного топлива.

2. Тепловая производительность , МВт.

3. Коэффициент расхода (избытка) воздуха на выходе из топки .

4. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания , % .

5. Потеря теплоты от механической неполноты сгорания , % .

6. Видимая объемная плотность тепловыделения в топке , МВт/м³, характеризующая возможность сжигания в единице объема топки В_Р, кг/с (или м³/с), топлива при располагаемом тепле , МДж/кг (или МДж/м³), с минимально допустимыми значениями и : .

7. Видимая плотность теплового потока зеркала горения (для слоевых топок) , МВт/м², характеризующая возможность сжигания на решетке площадью R, м², топлива в количестве В_Р, кг/с, с теплотой сгорания , МДж/кг, при минимальных значениях q₃ и q₄ : .

8. Видимая плотность теплового потока, МВт/м², через сечение топки площадью F_т : .

9. Доля золы, уносимая газами из топки, .

10. Необходимое давление воздуха перед топкой Р, Па.

11. Температура дутьевого воздуха t_В, °С.

Большинство из приводимых показателей относится к камерным топкам, некоторые характерны лишь для твердого топлива ( ), другие – только для слоевого его сжигания ( ) и т.п. До рассмотрения особенностей и оптимальных схем сжигания различных топлив отметим, что выбор соответствующих характеристик топочного устройства связан с качеством сжигаемого топлива и принятым способом его сжигания.

6.2. Способы сжигания твердого топлива

Принципиальные схемы организации сжигания твердого топлива в плотном и кипящем слое, а также в факельном прямоточном и циклонном процессах показаны на рис. 14.

Сжигание в плотном фильтрующем слое. При слоевом процессе свободно лежащее на решетке топливо продувается снизу воздухом (рис. 14а). Скорость газовоздушного потока в слое такова, что устойчивость слоя не нарушается. Для обеспечения этого необходимо, чтобы сила тяжести топливных частиц была больше развиваемого газовым потоком динамического напора.

а) б) в) г)

Рис. 14. Схемы организации топочных процессов:

а – в плотном фильтрующем слое; б – в кипящем слое;

в – факельный прямоточный процесс; г – циклонный процесс

Для повышения устойчивости слоя и уменьшения потери с уносом было бы целесообразно увеличение размеров топливных частиц. Однако с увеличением относительной поверхности реагирования скорость сгорания топлива повышается, т.е. будет большей для частиц меньших размеров. На практике в слоевых топках сжигают твердое топливо с частицами 20-30 мм и более.

При слоевом процессе количество горящего топлива на решетке составляет около 700-1000 кг на 1 м³ объема слоя. Значительный запас топлива на решетке, часто вполне соизмеримый с часовым его расходом, определяет как большую тепловую инерцию, так и устойчивость слоевого процесса.

Для горящего слоя характерны высокая температура, а также преобладание в нем крупных частиц, поэтому процесс горения в слоевых топках находится преимущественно в диффузионной области, где скорость горения определяется скоростью подвода окислителя, т.е. скоростью обтекания частиц воздушным потоком. Поэтому, несмотря на значительную тепловую инерцию слоевых топок, удается регулировать их нагрузку в первую очередь изменением количества подаваемого воздуха.

Процесс в кипящем слое. При увеличении скорости дутья развиваемый потоком динамический напор может достигнуть значения, равного силе тяжести частиц, и устойчивость частиц в слое нарушается; соответствующая этому скорость дутья называется критической. С дальнейшим увеличением интенсивности дутья начинается «кипение» слоя (рис. 14б), состоящее в том, что основная масса топливных частиц поднимается над решеткой и совершает возвратно-поступательное движение вверх и вниз; при этом происходит интенсивное перемешивание топлива с окислителем.

В кипящем слое скорость дутья превышает предел устойчивости плотного слоя, однако средняя скорость газа в топке над слоем W_п далека от скорости витания основной массы частиц, т.е. скорости, при которой частицы оказываются взвешенными в потоке.

По сравнению с исходным (плотным) слоем при «кипении» слой увеличивается в объеме в 1,5 - 2 раза. Частицы топлива совершают в слое возвратно-поступательные движения до тех пор, пока их масса не уменьшится настолько, что они выносятся из слоя газовым потоком.

На практике процессы в кипящем слое осуществляются для материалов с возможно более равномерным составом мелких частиц. Топки с кипящим слоем применяют для парогенераторов малой и средней мощности. Широкое применение они находят также при обжиге различных серосодержащих материалов (колчедана, медной и цинковой руд и др.).

Факельный прямоточный процесс. При скорости газового потока в топочной камере, превышающей скорость витания частиц, последние оказываются взвешенными в газовоздушном потоке и вместе с ним начинают перемещаться, сгорая в полете в пределах топочной камеры (рис. 14в). Такой топочный процесс называют факельным. Так как время пребывания газа в топочной камере весьма ограничено, то для обеспечения выгорания за короткое время применяют топливо, измельченное до пылевидного состояния (размер пылинок измеряется десятками микрон).

Измельчение топлива при факельном процессе горения увеличивает поверхность реагирования и облегчает транспорт топливных частиц по топочному объему. Вместе с тем относительная скорость пылинок в газовом потоке здесь ничтожно мала, что ухудшает условия горения топлива.

В отличие от процессов с плотным и кипящим слоем при факельном прямоточном процессе в топочной камере находится и одновременно сгорает ничтожное количество твердого топлива. В связи с этим факельный процесс весьма чувствителен к различным нарушениям теплового режима.

Циклонный процесс. При циклонном топочном процессе (рис. 14г) транспорт частиц твердого топлива, как и в факельном процессе, осуществляется газовоздушным потоком. Скорость несущего потока здесь значительно больше критической.

При циклонном процессе, в отличие от факельного, частица циркулирует по организованному обтекаемому контуру столько, сколько необходимо для ее сгорания. Циркуляция газового потока в циклонной топке сопровождается организацией на внутренней ее поверхности за счет центробежных сил подвижного уплотненного слоя, подверженного интенсивному обдуванию. В результате имеют место интенсивное выгорание частиц топлива (кокса), а также весьма эффективная сепарация жидкого шлака. В циклонной камере улавливается 80 – 95 % золы топлива. При циклонном процессе время пребывания и интенсивность обдувания частиц газовоздушным потоком увеличены, поэтому здесь могут сжигаться более крупные частицы топлива (2 - 5 мм), что приводит к снижению расхода энергии на его размол.

Количество одновременно горящего топлива при циклонном процессе в топке меньше, чем при слоевом, однако больше, чем при факельном. Это придает относительно большую устойчивость циклонному процессу по сравнению с факельным при переменном режиме работы установки.

Слоевое сжигание

Организация слоевого сжигания осуществляется принудительным движением воздуха через неподвижный или движущийся горизонтально слой твердого топлива, в котором воздух превращается в поток горячих продуктов сгорания. В слоевых топках имеется значительный запас топлива, соизмеримый с его часовым расходом. Наличие значительного количества горящего топлива стабилизирует процесс горения. Интенсивность слоевого сжигания зависит от форсировки воздушного потока. Форсировка дутья, а, следовательно, и интенсификация сжигания ограничивается аэродинамической устойчивостью слоя и появлением значительного уноса штыбовых фракций. Для слоевого сжигания опти-мальными являются куски 25-50 мм (так называемый класс «орех»), при которых обеспечиваются достаточно устойчивое залегание частиц в слое и достаточно развитая поверхность реагирования. Топки со слоевым сжиганием из-за недостаточной производительности, надежности и экономичности работы на мощных паровых котлах не применяются. К тому же слоевые топки сложны, слабо механизированы и трудно поддаются автоматизации управления.

Процесс горения твердого топлива в топочных устройствах состоит из трех основных фаз.

Первая фаза процесса горения заключается в подогреве топлива и испарении из него влаги, на что расходуется тепло, выделяемое ранее введенным топливом. После нагревания топлива до температуры 300-400 °С из него начинают выделяться летучие горючие вещества.

Вторая фаза – топливо воспламеняется по достижении определенной температуры, которая для разных топлив различна: для торфа – 225°С, дров – 300°С, бурого угля – 300°С, каменного угля – 325°С, антрацита – 700 °С. В первую очередь воспламеняются газообразные летучие горючие вещества, затем твердая часть топлива.

Третья фаза является основной – в ней завершается окончательный процесс газификации и горение твердого остатка топлива (кокса) с выделением наибольшего количества тепла.

Процесс горения заканчивается выделением негорючего остатка (золы и шлака).