Введение. В энергетике при большой тепловой мощности паровых котлов, как показано в гл

В энергетике при большой тепловой мощности паровых котлов, как показано в гл. 1, получил широкое распространение факельный метод сжигания топлива, т.е. сжигание поступающего из горелок топлива в свободном объеме топочного устройства, ограниченного экранированными и теплоизолирующими стенами, в виде объемного факела с различной его аэродинамикой внутри топочного объема. Подобное топочное устройство называется топочной камерой, а сжигание топлива - камерным или факельным.

Топочные камеры называются открытыми, если топочный объем имеет вертикальные плоские стены, как это показано, например, на (рис. 5.1, а). Топочные камеры с пережимом получаются, когда одна или две стены на определенной высоте имеют выступ внутрь топочного объема (см. рис. 5.1, б), который условно разделяет топку на камеру сгорания (объем, где в основном происходит горение топлива) и камеру охлаждения (объем топки с открытыми экранами, где завершается горение и в основном происходит снижение температуры газов за счет интенсивного теплообмена).

В практике находят применение двухкамерные топки, когда обе камеры (камера горения топлива и камера охлаждения газов) разделены поверхностью нагрева или перемычкой с узким проходом (переходом). Примеры таких топочных устройств показаны на (рис. 5.1, в).

По принципу вывода шлаков в нижней части топки топочные камеры разделяются на топки с твердым шлакоудалением (см. рис. 5.1, а) и жидким шлакоудалением (см. рис. 5.1, б,в). Двухкамерные топки с циклонным способом

сжигания топлив (см. рис. 5.1, в) применяются редко из-за технологической сложности выполнения топок и повышенного образования вредных газов в зоне высоких температур горения.

Рис. 5.1a. Однокамерные открытые с твердым шлакоудалением топочные устройства: 1 - топочные экраны; 2 - горелка; 3 - зона утепленных (футерованных) экранов; 4 - подвод топлива и воздуха в горелку; 5 - вихревая камера горения; 6 - циклон; 7 - камера дожигания; 8 - гравитационный сепаратор топлива с открытой амбразурой в топку; 9 - холодная воронка; 10 - шлаковая летка; II - шлаковая ванна; 12 - горизонтальный неохлаждаемый под; 13 - наклонный охлаждаемый под; 14 - выход жидкого шлака

Рис. 5.1б, в. Виды топочных устройств: б - однокамерные открытые и с пережимом для жидкого шлакоудаления; в - двухкамерные с циклонным методом сжигания топлива и жидким удалением шлаков; 1 - топочные экраны; 2 - горелка; 3 - зона утепленных (футерованных) экранов; 4 - подвод топлива и воздуха в горелку; 5 - вихревая камера горения; 6- циклон; 7- камера дожигания; 8 - гравитационный сепаратор топлива с открытой амбразурой в топку; 9 - холодная воронка; 10 - шлаковая летка; II - шлаковая ванна; 12 - горизонтальный неохлаждаемый под; 13 - наклонный охлаждаемый под; 14 - выход жидкого шлака.

Рис. 5.2. Основные размеры топочной камеры.

При конструировании топочной камеры ставится ряд условий.

Во-первых, топочная камера должна обеспечить в пределах ее объема наиболее полное сжигание топлива, так как за пределами топки горение топлива практически невозможно (допустимая неполнота сгорания топлива обоснована в гл.6).

Во-вторых, в пределах топочной камеры должно произойти охлаждение продуктов сгорания за счет отвода теплоты к экранам до экономически целесообразной и безопасной по условиям шлакования или перегрева металла труб температуры.

В-третьих, аэродинамика газовых потоков в объеме топочной камеры должна исключать явления шлакования стен или перегрева металла экранов в отдельных зонах топки, что достигается выбором типа горелок и их размещением по стенам топочной камеры.

Геометрически топочная камера характеризуется линейными размерами: шириной фронта а_Т глубиной b_Т и высотой h_Т (рис. 5.2), размеры которых определяются тепловой мощностью топки, тепловыми и физико-химическими характеристиками топлива. Произведение f_Т = a_Тb_Т, м², - сечение топочной камеры, через которое с достаточно большой скоростью (7…12 м/с) проходят раскаленные топочные газы.

Ширина фронта топки составляет а_Т = 9,5…31 м и зависит от вида сжигаемого топлива, тепловой мощности (паропроизводительности) парового котла. С увеличением мощности парового котла размер а_Т растет, но не пропорционально росту мощности, характеризуя, таким образом, увеличение тепловых напряжений сечения топки и скорости газов в ней. Оценочно ширину фронта а_Т, м, можно определить по формуле

5.1

где D - паропроизводительность котла, кг/с; m - числовой коэффициент, изменяющийся от 1,1 до 1,7 с ростом паропроизводительности.

Глубина топочной камеры составляет b_Т = 6…10,5 м и определяется размещением горелок на стенах топочной камеры и обеспечением свободного развития факела в сечении топки так, чтобы высокотемпературные языки факела не оказывали давление на охлаждающие настенные экраны. Глубина топки возрастает до 8…10,5 м при использовании более мощных горелок с увеличенным диаметром амбразуры и при их расположении в несколько (2…3) ярусов на стенах топки.

Высота топочной камеры составляет h_Т = 15…65 м и должна обеспечить практически полное сгорание топлива по длине факела в пределах топочной камеры и размещение на ее стенах требуемой поверхности экранов, необходимых для охлаждения продуктов сгорания до заданной температуры. По условиям сгорания топлива необходимая высота топки может быть установлена из выражения

5.2

где средняя скорость газов в сечении топки, м/с; τ _ПРЕБ - время пребывания единичного объема газа в топке, с. При этом необходимо, чтобы τ _ПРЕБ ≈τ _ГОР , где τ _ГОР - время полного сгорания наиболее крупных фракций топлива.

Основной тепловой характеристикой топочных устройств паровых котлов является тепловая мощность топки, кВт

5.3

характеризующая количество теплоты, выделяющейся в топке при сжигании топлива с расходом В, кг/с, с теплотой сгорания Q^р_Н, кДж/кг, и с учетом дополнительных источников тепловыделения (см. гл.6), а также теплоты поступающего в топку горячего воздуха (см. § 6.5).

На уровне расположения горелок выделяется наибольшее количество теплоты, здесь расположено ядро факела и резко растет температура топочной среды. Если отнести все тепловыделение в растянутой по высоте топки зоне горения к сечению топки на уровне горелок, то получим важную расчетную характеристику - тепловое напряжение сечения топочной камеры

5.4

Максимально допустимые значения q_f нормируются в зависимости от вида сжигаемого топлива, расположения и типа горелок и составляют от 2300 кВт/м² - для углей, обладающих повышенными шлакующими свойствами, до 6400 кВт/м³ - для качественных углей с высокими температурами плавления золы. С ростом значения q_f увеличивается температура факела в топке, в том числе вблизи экранов, заметно увеличивается тепловой поток излучения на них. Ограничение значений q_f определяется для твердых топлив исключением интенсивного процесса шлакования настенных экранов, а для газа и мазута - предельно допустимым ростом температуры металла экранных труб.

Характеристикой, определяющей уровень энерговыделения в топочном устройстве, является допустимое тепловое напряжение топочного объема, q_v , кВт/м³

5.5

где V_Т - объем топочной камеры, м³.

Допустимое тепловое напряжение топочного объема также нормируется и изменяется от 140…180 кВт/м³ при сжигании углей с твердым шлакоудалением до 180…210 кВт/м³ при жидком шлакоудалении и прямо связано со средним временем пребывания газов в топочной камере. Это следует из нижеприведенных соотношений.

Время пребывания единичного объема в топке определяется отношением фактического объема топки с подъемным движением газов к секундному расходному объему газов

5.6

где ξ_т - усредненная доля сечения топки, имеющая подъемное движение газов, ξ_т = 0,75…0,85; v^П_Г - удельный приведенный объем газов, получающийся при горении топлива на единицу (1 МДж) тепловыделения, м³/МДж, v^П_Г = 0,30…0,35 м³/МДж (соответственно крайние значения при сжигании природного газа и сильновлажных бурых углей); Т_г - средняя температура газов в топочном объеме, К.

С учетом выражения (5.5) можно τ _ПРЕБ представить в виде

5.7

где m - комплекс значений постоянных величин.

Как следует из (5.7), с увеличением теплового напряжения q_v (увеличением объемного расхода газов) время пребывания газов в топочной камере уменьшается (рис. 5.3). Условию τ_ПРЕБ = τ _ГОР соответствует максимально допустимое значение q^М_v, а этому значению по (5.5) отвечает минимально допустимый объем топочной камеры V^МИН_Т.

Вместе с тем, как это указано выше, экранные поверхности топочной камеры должны обеспечить охлаждение продуктов сгорания до заданной температуры на выходе из топки θ", что достигается определением необходимых размеров стен, и следовательно, объема топочной камеры. Поэтому следует сопоставить минимальный объем топки V^МИН_Т из условия сгорания топлива и необходимый объем топки из условия охлаждения газов до заданной температуры V^ОХЛ_Т.

Рис. 5.3. Связь теплонапряжения топочного объема со временем пребывания газов в топке Как правило, VОХЛТ > VМИНТ, поэтому высота топочной камеры определяется условиями охлаждения газов. Во многих случаях эта необходимая высота топки существенно превосходит VМИНТ, особенно при сжигании углей с повышенным внешним балластом, что ведет к утяжелению и удорожанию конструкции котла.

Увеличения поверхностей охлаждения без изменения геометрических размеров топки можно достичь применением двухсветных экранов (см. рис. 2.5), расположенных внутри топочного объема. В топочных камерах мощных паровых котлов при сильно развитой ширине фронта топки применение такого экрана делает сечение каждой секции в плане близким к квадрату, что значительно лучше для организации сжигания топлива и получения более равномерного поля температур газов и тепловых напряжений экранов. Однако такой экран, в отличие от настенного, воспринимает интенсивный тепловой поток с обеих сторон (отсюда и название - двухсветный) и отличается более высокими тепловыми напряжениями, что требует тщательного обеспечения охлаждения металла труб.

Тепловосприятие топочных экранов, полученное излучением факела Q_Л, кДж/кг, можно установить из теплового баланса топки как разность между удельным полным тепловыделением в зоне ядра факела на уровне расположения горелок без учета отдачи теплоты к экранам Н_а, кДж/кг, и удельной теплотой (энтальпией) газов на выходе из топки Н^″_Т при отдаче (потере) небольшой части теплоты через теплоизолирующие стены Q_П

5.8

где φ - доля сохранения теплоты в котле (см. гл. 6).

Если отнести значение тепловосприятия топки к единице поверхности экрана, то получим среднее тепловое напряжение поверхности нагрева q_Л, кВт/м², характеризующее интенсивность тепловой работы металла труб экранов

5.9

где F^Э_СТ - поверхность стен топки, закрытая экранами, м².