Механические слоевые топки с цепными решетками

Значительное распространение в промышленности имеют слоевые топки с цепными решетками. Характерной особенностью таких топок является непрерывное перемещение топлива вместе с колосниковой решеткой, представляющей собой транспортер, выполненный в виде бесконечного полотна.

На рис. 19 показан продольный разрез чешуйчатой цепной решетки ЧЦР прямого хода (полотно с топливом перемещается от фронта топки к задней стенке). Решетка ЧЦР выпускается взамен изготавливавшихся ранее у нас цепных беспровальных решеток БЦР и устанавливается под котлами малой и средней мощности (10-20 т/ч) для сжигания антрацитов марки АС и АМ. Живое сечение колосникового полотна для прохода воздуха составляет 7-8 %. Скорость движения колосникового полотна решетки может регулироваться от 2 до 15 м/ч.

В топку с чешуйчатой цепной решеткой прямого хода типа ЧЦР топливо из бункера 2 поступает на непрерывно движущееся от фронта топки колосниковое полотно 4. Последнее состоит из нескольких шарнир-ных цепей, на которые набираются профильные колосники. Колосники перекрывают друг друга, образуя подобие чешуи. Движение колоснико-вому полотну сообщает передний вал 1, звездочки которого перемещают ролики колосникового полотна и толкают его. Колосниковое полотно в хвостовой части опирается на шкивы заднего вала 5. В конце решетки установлен шлакосниматель 6, сбрасывающий шлак в бункер 8. Толщина слоя топлива, поступающего на решетку, регулируется шибером 3. Кусочки провала собираются в карманах нижней части колосников. При сходе цепи вниз колосники опрокидываются и уловленный провал сбрасывается в бункер. Воздух проходит в слой через узкие щели в местах прилегания колосников друг к другу. Чешуйчатые цепные решетки имеют длину 5600-8000 мм при ширине 2330-4550 мм.

Рис. 19. Топка с цепной решеткой прямого хода типа ЧЦР:

1 - передний вал; 2 - угольный ящик; 3 - регулятор толщины слоя;

4 - колосниковое полотно; 5 - задний вал; 6 - шлакосниматель;

7 - окна для подвода воздуха; 8 – шлаковый бункер

Секционное дутье. Процесс горения в топке с цепной решеткой в отличие от топки с периодической загрузкой топлива протекает непрерывно. Однако по длине решетки процесс горения достаточно четко разделяется на следующие этапы: подготовка топлива (прогрев, подсушка, выделение летучих); горение кокса и летучих; выжиг и удаление шлака. Так как для различных этапов горения требуется различное количество воздуха, применяется позонное (секционное) дутье. Через последнюю, шлаковую зону, имеющую слой малой толщины, воздух подают в большем количестве, чем это необходимо для дожигания шлака, чтобы обеспечить охлаждение решетки. Позонное дутье улучшает горение топлива. Одновременно снижаются и потери тепла с уходящими газами в связи с понижением общего для всей топки коэффициента расхода воздуха.

Зажигание слоя. Особенностью горения топлива в топке с цепной решеткой является одностороннее верхнее его зажигание, так как свежее топливо из загрузочного ящика ложится на относительно холодные колосники. В данном случае получается схема поперечного движения топливного и газовоздушных потоков. Схема зажигания слоя на цепной решетке показана на рис. 20.

Основным источником тепла, определяющим прогрев и воспламенение свежего топлива, является излучение газов из топочного объема. Скорость распространения слоя высокой температуры и скорость распространения горения ω_рг направлены поперечно движению слоя, перемещающегося со скоростью движения решетки ω_реш . Поэтому фронт начала выхода летучих и фронт воспламенения располагаются с наклоном в сторону движения решетки.

Рис. 20. Схема зажигания слоя на цепной решетке

Зажигание топлива от непосредственного его соприкосновения с горящими частицами играет небольшую роль в общем процессе воспламенения топлива. Так, скорость распространения горения от непосредственного контакта частиц составляет всего 0,2-0,5 м/ч, в то время как перемещение слоя вместе с решеткой имеет скорость, в десятки раз большую. В связи с указанной особенностью прогрева и воспламенения топлива при сжигании малореакционных и влажных топлив значительная часть цепной решетки может оказаться занятой предварительной подготовкой топлива. При сжигании таких топлив на цепной решетке приходится принимать меры для интенсификации подготовительных этапов.

Так, для интенсификации зажигания антрацита - топлива с малым выходом летучих - применяют топочную камеру специальной конфигурации (рис. 21а). Топка выполняется с сильно развитым и низко расположенным задним сводом, благодаря чему горячие газы, образующиеся в зоне наиболее активного горения, направляются к начальному участку слоя, способствуя зажиганию свежего топлива. Кроме того, имеющийся после шлаковой зоны избыточный горячий воздух при таком расположении свода направляется в зону наиболее активного горения. Свод выполняют из кирпича, раскаляющегося во время работы, что также способствует более полному выгоранию горючих из шлака.

При сжигании кускового торфа, имеющего значительную влажность (W_р = 40-50 %), для интенсификации подготовительных этапов применяют специальные предтопки. На рис. 21б показана схема шахтно-цепной топки, открывшей возможность эффективно сжигать кусковой торф в агрегатах малой и большой производительности. Торф из загрузочной воронки 1 поступает в кирпичный предтопок 2. По мере опускания торф в предтопке подсушивается и затем поступает на цепную решетку. Подсушка торфа происходит благодаря очагам горения, образующимся на ступеньках 3 предтопка. Газы, образовавшиеся при горении задержавшегося на ступеньках торфа, пронизывают массу топлива, подсушивают его и уходят в топочную камеру. Основная часть воздуха, необходимого для горения торфа, поступает из воздухоподогревателя при температуре около 250 ºС позонно через колосниковую решетку в слой. Часть горячего воздуха направляется в предтопок для поддержания горения торфа на ступеньках. Толщина слоя на решетке определяется положением балки 4. Для регулирования слоя балку можно перемещать по вертикали.

а) б)

Рис. 21. Схемы топок с цепной решеткой:

а – для антрацитов; б – для торфа

В качестве подсушивающей шахты в топках с цепными решетками для торфа применяют также предтопок Померанцева, отличающийся наклонным расположением ступенек, чем обеспечивается их самоочистка от золы. Для предварительной подсушки влажного топлива перед решеткой применяют также отсос специальным вентилятором горячих газов из топки через слой топлива со сбросом этих газов под решетку.

Острое дутье в слоевых топках. Газы, выходящие из горящего на цепной решетке слоя топлива, наряду с инертными продуктами полного горения содержат горючие составляющие, а также кислород.

Во избежание значительных потерь тепла от химического недожога продукты горения, содержащие горючие компоненты и кислород, необходимо в топочной камере хорошо перемешать для завершения горения. Весьма эффективным способом интенсификации процесса перемешивания газов в топке является применение «острого» дутья, т.е. ввод в топочную камеру относительно тонких струй воздуха с большой скоростью (50-70 м/с). Расход воздуха на острое (вторичное) дутье составляет 5-10 % от общего количества воздуха. Место ввода острого дутья в слоевую топку показано стрелками на рис. 21.

Выжиг и удаление шлака. Для уменьшения потери химически связанного тепла шлака необходимо максимально интенсифицировать его выжиг на шлаковом участке решетки. Эффективными в этом отношении являются низко расположенные горячие кирпичные своды. При налаженном процессе горение на решетке должно полностью заканчиваться примерно на расстоянии 0,3-0,5 м от места сброса шлака с решетки. В месте схода шлака устанавливается шлакосниматель (см. рис. 19), который несколько замедляет движение шлака, способствуя его выжигу, а также защищает решетку от оголения. Чтобы избежать образования наростов шлака на боковых стенах топочной камеры, на уровне верхнего полотна цепной решетки с боковых ее сторон устанавливаются водоохлаждаемые панели, представляющие собой круглые коллекторы, включенные в систему циркуляции котла.

Применение горячего дутьевого воздуха способствует интенсифи-кации горения топлива в слое. Предел подогрева воздуха лимитируется условиями работы решетки. Так, при сжигании на решетке антрацита - топлива с малым выходом летучих, для которого тепловыделение происходит, в основном, в слое, воздух подогревается до 150-170 ºС. При сжигании топлив с большим выходом летучих, для которых тепловыделение в значительной степени переносится в топочный объем, температура горячего воздуха составляет 200-250 ºС.

Слоевые топки с цепными решетками прямого хода применяются для сжигания сортированных антрацитов (АС и АМ), несортированных каменных углей с умеренной спекаемостью, кускового торфа, а также бурых углей с небольшой влажностью и зольностью.

Для сжигания рядовых каменных и бурых углей и сланца с содержанием мелочи размером 0-6 мм до 40 % находят применение факельно-слоевые механические топки. В таких топках на движущееся колосниковое полотно топливо подается пневмомеханическими или пневматическими забрасывателями. Характерной отличительной особенностью факельно-слоевых топок является комбинированное сжигание топлива: крупные кусочки сгорают в слое, а мелкие - во взвешенном состоянии в объеме топки.

Для топок ПМЗ-ЧЦР с цепной решеткой обратного хода (полотно со слоем топлива движется от задней стенки топки к фронту агрегата) конструкция колосникового полотна аналогична полотну топки ЧЦР (рис. 19). Топливо подается на решетку при помощи пневмомеханических забрасывателей. Более крупные фракции топлива, попадая на дальнюю от фронта топки часть решетки, проходят более длинный путь. Мелкие частицы ложатся на горящий слой топлива ближе к фронту. Воздух для горения топлива подводится под колосниковую решетку. Сжигание топлива происходит в тонком слое. Имеются также топки с ленточной цепной решеткой (ЛЦР) обратного хода. Ленточное полотно решетки набирается из ребристых колосников.

При сжигании в таких топках каменных углей типа кузнецких Г и Д, донецких Г и Д, бурых типа артемовского и других работа топки характеризуется следующими показателями: q_R = 1,4-1,75 МВт/м² ; q_V = 0,28-0,47 МВт/м³ ; α_т = 1,3-1,4 ; q₃ = 0,5-1,0 % ; q₄ = 3-7 % .

Давление воздуха под решеткой - около 500 Па, температура 150-200 ºС (для каменных углей используется также холодный воздух).

Топки с кипящим (псевдоожиженным) слоем (КС)

Одним из направлений совершенствования слоевого способа сжигания является использование топок с кипящим слоем. Топка с кипящим слоем (рис. 22) выполняется с вертикальными стенками и подом в виде горизонтальной решетки (рис. 23).

Рис. 22. Топка котла с кипящим слоем

Технология основана на сжигании топлива в объеме раскаленных частиц инертного материала, «кипящих» в восходящем потоке воздуха. В качестве инертного материала обычно используется фракционированный песок с размером фракций 0,5 - 2 мм.

Кипящий слой характеризуется скоростью дутья, превышающей предел устойчивости плотного слоя, однако не достигающей скорости витания средних частиц. Скоростью витания называется скорость среды, при которой частица находится в состоянии динамического равновесия.

W_вит = ,

где и - плотность частицы и среды, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; ­­- коэффициент лобового сопротивления; d – диаметр частицы, м.

При этих условиях все частицы песка в слое интенсивно перемешиваются, двигаясь колебательно вверх и вниз, причем в целом слой имеет относительно четкую верхнюю границу.

Рис. 23. Распределительная решетка типа HYBEX

Небольшое процентное отношение массы подаваемого топлива к инертной массе кипящего слоя (2-3 %) и интенсификация процесса горения обеспечивают эффективное сжигание низкореакционных углей, тощих углей с низким выходом летучих, высокозольных топлив, кору деревьев с влажностью до 65 % и других низкосортных топлив, сжигание которых традиционными способами затруднительно.

Размеры частиц топлива, предназначенного для сжигания в КС, средние между размерами частиц топлива для пылевидного сжигания и для механических топок. Максимальный размер их зависит от реакционной способности топлива и составляет от 6 до 25 мм. В котлах с КС характерная плотность слоя составляет 750 кг/м³ при температуре 800-900 °С. Благодаря длительному времени пребывания топлива в слое и высокой интенсивности процессов тепломассообмена эффективность сжигания в топке с КС довольно велика, несмотря на относительно низкую температуру процесса 800-900 °С.

В пузырьковом слое наблюдается незначительный вынос частиц из топки. Время пребывания крупных кусков топлива велико, а мелких частиц – примерно соответствует расчетному по скорости газа. Это зачастую приводит (по крайней мере для низкореакционных топлив) к повышенному содержанию углерода в слое и уносе и, соответственно, к увеличению механического недожога. Для его уменьшения вынесенные из топки частицы улавливаются и возвращаются в слой.

Технология КС обеспечивает:

Ÿ полный отказ от каких бы то ни было механически движущихся узлов топочного устройства, что значительно увеличивает его надежность;

Ÿ эффективное сжигание самых разнообразных низкосортных топлив;

Ÿ достижение паспортной производительности котла, при необходимости - его форсировки, даже при использовании низкосортных топлив;

Ÿ эффективную внутритопочную нейтрализацию оксидов серы (при работе на высокосернистых топливах) и азота за счет организации двухступенчатого горения топлива;

Ÿ высокую степень автоматизации технологического процесса.

Необходимым условием организации КС является установка высоконапорного вентилятора с мощным электродвигателем для преодоления сопротивления колпачковой воздухораспределительной решетки и самого кипящего слоя, а также возврат унесенных частиц на дожигание, с помощью которого может быть организован циркулирующий кипящий слой (ЦКС). Мелкие фракции древесных отходов (опилки и стружка) требуют организации сжигания их в топке над слоем за счет направленной подачи вторичного воздуха.

Снижение уровня выбросов NO_x в топках с кипящим слоем происходит благодаря эффективной ступенчатой подаче воздуха, высокой степени смешения и низком коэффициенте избытка воздуха. Использование добавок (например, известняка, добавляемого для связывания серы) дает хорошие результаты благодаря эффективному смешению, обеспечиваемому в псевдоожиженном слое.

Недостатком установок, предназначенных для сжигания топлива в КС, является унос большого количества пыли с топочными газами, что делает необходимым использование эффективных золоуловителей и регулярную чистку систем котлоагрегата. Материал псевдоожиженного слоя также теряется с золой, что делает необходимым регулярное пополнение материала слоя.

Увеличение скорости потока воздуха до 5-10 м/с и использование более мелких частиц песка (0,2-0,4 мм) позволяет создать циркулирующий псевдоожиженный слой (ЦКС). Частицы песка, увлекаемые топочным газом, улавливаются в горячем циклоне и подаются обратно в камеру сгорания (рис. 24) .

Рис. 24. Топка котла с циркулирующим кипящим слоем

Недостатками топок с ЦКС являются их большие размеры и, соответственно, более высокая стоимость, еще более высокая по сравнению с установками со стационарным КС. Для этих топок так же характерны унос большего количества пыли с топочными газами и большие потери материала слоя. Кроме того, необходимость использования мелких частиц топлива (эквивалентным диаметром до 40 мм) часто увеличивает затраты на предварительную подготовку топлива.

6.2.2. Сжигание твердого топлива в пылевидном состоянии

Твердое топливо при сжигании в камерных топках предварительно измельчают и в виде пыли в смеси с воздухом вдувают в топочную камеру, где оно сгорает, находясь в потоке газов во взвешенном состоянии.

Превращением кускового топлива в пыль достигается многократное увеличение поверхности реагирования, благодаря чему существенно улучшаются условия его сжигания, так как горение твердого топлива является гетерогенным процессом, происходящим на поверхности частиц топлива. Так, если кусочек угля диаметром 20 мм раздробить на частицы диаметром 40 мкм, то суммарная поверхность полученных пылинок будет в 500 раз больше поверхности исходной частицы.

Основные преимущества сжигания топлива в виде пыли заключаются в следующем:

· возможность сжигания с достаточно высоким КПД любого топлива, включая малореакционные антрациты, а также высоковлажные и высокозольные угли и отходы обогащения;

· практически неограниченная по условиям сжигания топлива единичная мощность парогенератора;

· полная механизация топочного процесса, легкость регулирования, возможность полной автоматизации топочного устройства;

· отсутствие подвижных деталей в топке, что повышает эксплуатационную надежность агрегата.

Недостатками сжигания топлива в пылевидном состоянии являются:

· сложность, громоздкость и в большинстве случаев высокая стоимость оборудования пылеприготовления, а также значительный расход на него электроэнергии, доходящий для антрацита до 25-30 кВт·ч/т;

· низкие объемные плотности тепловыделения для камеры горения, находящиеся при факельном сжигании пыли в пределах МВт/м³.

Последнее обусловливается малой массовой концентрацией топлива в единице объема такой топки (20-30 г/м³), а также неблагоприятными условиями подвода окислителя к поверхности реагирования вследствие низкой относительной скорости горящих частиц в газовоздушном потоке.

При сжигании пыли в циклонных топках, характеризующихся более благоприятными условиями для тепло- и массообмена, объемная плотность тепловыделения камеры горения имеет значительно более высокие значения.