Циклонные и вихревые топки

Значительная интенсификация про­цесса горения твердого топлива, а также максимальное улавливание золы в пределах топочной камеры дости­гаются в циклонных топках. Циклон­ный принцип организации горения твердого топлива был предложен Г. Ф. Кнорре еще в начале 30-х годов.

В промышленности при­меняются различные типы горизонтальных (малонаклонных) и вертикальных циклон­ных топок для сжигания мелкодробленого топлива или грубой пыли с жидким шлакоудалением дробленого топлива или грубой пыли с жидким шлакоудалением.

Принципиальная схема циклон­ной топки с горизонтальным расположением камеры и жидким шлакоудалением показана на рис. 32а. Топливо (дробленый уголь, грубая угольная пыль) подается в циклонную камеру с первичным воздухом. На схеме пока­зан ввод топливно-воздушной смеси через улитку в центральную часть камеры. По оси вводится только дробленка. При сжигании угольной пыли она вводится через тангенциальные сопла.

Вторичный воздух подается в камеру тангенциально через сопла-щели с большой скоростью (более 100 м/с), обеспечивая вихревое движение топливных частиц. В отдельных схемах (при сжигании пыли) топливно-воздушная смесь вводится в камеру также тангенциально. Образующиеся в циклонной камере вихри способст­вуют интенсивному смесеобразованию и увеличению времени пребывания частиц в зоне горения.

Развиваемая в циклонной камере высокая температура (1700 - 1800 °С) приводит к расплавлению золы и образованию на стенках шлаковой пленки. Жидкий шлак вытекает из камеры через летку. Улавливание золы в пре­делах камеры составляет 85 - 90 %. Отбрасы-ваемые на стенки свежие час­тицы топлива прилипают к шлаковой пленке, где они интенсивно выгорают при обдувании их воздушным пото­ком.

В выходной части циклонной каме­ры имеется пережим (ловушка), через который продукты горения поступают в камеру дожигания. Наличие пережима приводит к уменьшению уноса. Крупные частицы циркулируют в ка­мере до полной газификации. Выносимые из циклона мельчайшие частицы топлива догорают в камере дожигания.

а) б) в)

Рис. 32. Схема циклонных топок с жидким шлакоудалением:

а – горизонтальная топка; б – вертикальная топка с нижним

выводом газов; в – вертикальная кольцевая топка с верхним

выводом газов

Циклонные камеры работают с высокими объемными плотностями теп­ловыделения МВт/м³ и плотностью теплового потока на сечении циклона МВт/м² при малом коэффициенте избытка воздуха в циклоне .

Жидкий шлак через летки циклонов вытекает в камеру дожигания, откуда он через центральную летку поступает в шлаковую ванну, где гранулируется водой. Горизонтальные циклонные топки могут быть применены для сжигания бурых и каменных углей (дробленка, грубая пыль).

Схема вертикальной циклонной топки (предтопка) с нижним выводом газов пока­зана на рис. 32б. Угольная пыль вместе с первичным воздухом в количестве 15 - 20 % от общего расхода воздуха поступает в предтопок через расположенную в верхней его части горелку с лопаточным аппаратом для закручивания потока (скорость вы­хода аэросмеси 20 - 25 м/с). Вторичный воздух поступает через тангенциаль­но расположенные сопла со скоростью 50 - 60 м/с. Топка пригодна для сжи­гания различных углей – бурых, ка­менных, тощих, а также АШ. Топливо сжигается в виде грубой пыли. Так, при сжигании АШ используется пыль с R₉₀ ≤ 20 % . Работа верти­кального циклонного предтопка харак­теризуется следующими показателями: МВт/м³; МВт/м²; . Улавливание золы в предтопке составляет 60 - 80 %.

Схема вертикальной циклонной топки с верхним выводом газов показана на рис. 32в. Пылевоздушная смесь поступает в кольцевое пространство вертикальной циклонной камеры. Уловленный в циклоне шлак (до 80 %) удаляется через летку. Газообразные продукты сгорания через горловину циклона поступают в камеру охлаждения.

Циклонные топки (горизонтальные и вертикальные) с жидким шлакоудалением нашли широкое распространение за рубежом. Длительная эксплуатация циклонных топок с жидким шлакоудалением показала их высокую эффективность.

Основными преимуществами циклонных топок являются:

- высокая объемная плотность тепловыделения, измеряемая несколькими МВт/м³, что приводит к сокращению габаритов установки;

- улавливание в пределах камеры и удаление в жидком виде 85 - 90 % золы топлива, что дает возможность интенсифицировать работу конвективных поверхностей нагрева и в ряде случаев отказаться от установки газоочистительных устройств;

- возможность работы с малым коэффициентом избытка воздуха ( ), что приводит к снижению потери тепла с уходящими газами;

- возможность работы на дробленом топливе или пыли грубого помола, что позволяет упростить систему пылеприготовления и снизить расход электроэнергии на топливоприготовление.

К основным недостаткамциклонных топок относятся:

- увеличение потери тепла с физичес­ким теплом шлака (более 2 %).

- повышенный расход энергии на дутье.

- повышенный выход оксидов азота в связи с высокой тем­пературой в циклонной камере.

Для сжигания фрезерного торфа и древесных опилок находят приме-нение вихревые (пневматичес­кие) топки ЦКТИ системы А. А. Шершнева (рис. 33).

Рис. 33. Топка системы Шершнева для сжигания фрезерного торфа:

1 - барабанный питатель торфа; 2 - камера сгорания; 3 - камера

догорания; 4 - трубы; 5 - дожигательная колосниковая решетка;

6 - сопла; 7 - воздушный короб; 8 - колосниковая решетка

Топоч­ная камера имеет обтекаемую конфи­гурацию. Вихревое движение газо­воздушного потока с горизонтальной осью вращения в топке достигается тангенциально подведенными воздуш­ными струями, выходящими из щеле­вых дутьевых сопл 7. Топливо, подавае­мое в топку питателем 1, подхватывается завихренным потоком, подсушивается и сгорает во взвешенном состоянии. Отсепарированные крупные частицы топлива дожигаются на колосниковой решетке 8 с опрокидными колосниками, устанавливаемой в нижней части топки. Решетка служит также для растопки. Через дутьевые сопла со ско­ростью до 60 – 80 м/с подается до 80 - 85 % воздуха, необходимого для горения. Остальной воздух подается под дожигательную решетку 5. Коэф­фициент избытка воздуха в однокамерной топке Шершнева ; суммарные потери от химического и механического недожога q₃ + q₄ =3 – 5,5 %.

Положительные особенности за­крученных потоков используются так­же в вихревых топках, известных под названием топок с пересекающимися струями. На рис. 34 показаны схемы полузакрытых топок ЦКТИ и МЭИ, в которых благодаря соответствующей конфигурации ниж­ней части топки и способу подвода пылевоздушной смеси со скоростью примерно 80 м/с создается вихревое движение. Горячие топочные газы пересекают пылевоздушный поток, обеспечивая его интенсивное воспла­менение.

а) б)

Рис. 34. Вихревые топки с пересекающимися струями:

а – топка ЦКТИ; б – топка МЭИ

Циклонный принцип организации огнетехнических процессов находит широкое примене­ние при создании высокоэффектив­ных энерготехнологических агрегатов.