Топочные и горелочные устройства. Основные положения и классификация. – 2 часа

Топочные устройства. Классификация методов сжигания топлива

Топочным устройством или топкой называют часть котельного агрегата, которая предназначена для сжигания топлива с целью получения заключенного в нем тепла. Вместе с тем топка является теплообменным устройством, в котором поверхностям нагрева отдается излучением часть тепла, выделившегося при горении топлива. Наконец, в случае сжига­ния твердого топлива топка в известной мере служит сепарационным уст­ройством, поскольку в ней выпадает некоторая часть золы топлива. Таким образом, в топочном устройстве происходят одновременно три процесса: горение топлива, теплоотдача излучением и улавливание некоторой части очаговых остатков (при сжигании твердого топлива).

В настоящее время существует три основных способа сжигания топлива: в слое, факеле и вихре (циклоне).

Сжигание топлива в слое исторически является самым ранним. В слое можно сжигать только твердое кусковое топливо, как-то: бурые и каменные угли, кусковой торф, горючие сланцы, древесину. Топливо, подлежащее сжиганию, загружают на колосниковую решетку, на которой оно лежит плотным слоем. Горение топлива происходит в струе воздуха, пронизываю­щего этот слой, обычно снизу вверх.

Топки для сжигания топлива в слое разделяют на три класса, а именно (рис. 6-1):

а) топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежащим
на ней слоем топлива;

б) топки с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива;

в) топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся
по ней слоем топлива.

Наиболее простой и даже примитивной топкой с неподвижной колосни­ковой решеткой и неподвижным слоем топлива является ручная гори­зонтальная колосниковая решетка (рис. 5, а). На этой решетке можно сжигать все виды твердого топлива, но необходимость ручного обслуживания ограничивает область применения ее котлами очень малой паропроизводительности (до 1—2 т/ч).

Для слоевого сжигания топлива под котлами большей паропроизводи­тельности осуществляют механизацию обслуживания топки и, прежде всего, подачи в нее свежего топлива.

В топках с неподвижной решеткой и неподвижным слоем топлива меха­низация загрузки осуществляется применением забрасывателей 1, которые непрерывно механически загружают свежее топливо и разбрасыва­ют его по поверхности колосниковой решетки 2 (рис. 5, б). В этих топках можно сжигать каменные и бурые угли, а иногда и антрацит под котлами паропроизводительностью до 6,5—10 т/ч.

Рис. 5. Схемы топок для сжигания твердого топ­лива в слое.

а — ручная горизонтальная колосниковая решетка: б — топка с забрасывателем нанеподвижный слой; в—топка с цепной решеткой; г—топка с цепной решеткой обратного хода и за­брасывателем; д — топка с шурующей шапкой; е—топка с на­клонной колосниковой решеткой; ж— топка системы Поме­ранцева.

К классу топок с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежащий на ней слой топлива, относят топки с механической цепной решеткой (рис. 5, в), которые выполняют в различных модификациях. В этой топке топливо из загрузочной воронки 1 поступает самотеком на переднюю часть медленно движущегося бесконечного цепного колосникового полотна 2, которым оно подается в топку. Горящее топливо непрерывно перемещается по топке вместе с полотном решетки; при этом оно полностью сгорает, после чего образовавшийся шлак в конце решетки ссыпа­ется в шлаковый бункер 3.

Топки с цепной решеткой чувствительны к качеству топлива. Лучше всего они подходят для сжигания сортированных неспекающихся умеренно влажных и умеренно зольных углей с относительно высокой температурой плавления золы и выходом летучих 10—25% на горючую массу. В этих топках можно также сжигать сортированный антрацит. Для работы на спека­ющихся углях, а также углях с легкоплавкой золой топки с цепной решеткой непригодны.

Топки с цепной решеткой можно устанавливать под котлами паропроиз-водительностью от 4—5 до 120—150 т/ч, но в основном их устанавливают под котлами паропроизводительностью 10—20 т/ч, а иногда, главным образом при сжигании антрацита, и под котлами паропроизводительностью до 35 т/ч.

Другим типом топки рассматриваемого класса являются топки сцеп­ной решеткой обратного хода и забрасывателем (рис. 6-1, г). В этих топках колосниковое полотно решетки 2 движется в об­ратном направлении, т. е. от задней стенки топки к передней. На фронталь­ной стенке топки размещены забрасыватели /, непрерывно подающие топ­ливо на полотно; выгоревший шлак ссыпается с решетки в шлаковый бункер 3, размещенный под передней частью топки. Топки с цепной решет­кой обратного хода значительно менее чувствительны к качеству топлива, чем топки с решеткой прямого хода; их применяют для сжигания как сорти­рованных, так и несортированных каменных и бурых углей под котлами паропроизводительностью 10—25 т/ч и выше.

Топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива основаны на различных принципах организации про­цессов движения и горения топлива. В топках с шурующей план­кой (рис. 5, д) топливо перемещается вдоль неподвижной горизонтальной колосниковой решетки 2 специальной планкой особой формы 4, движущейся возвратно-поступательно по колосниковому полотну. Применяют их для сжигания бурых углей под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч.

В топках с наклонной колосниковой решеткой (рис. 5, е) и скоростных топках системы В.В.По­меранцева (рис. 5, ж) свежее топливо, поступившее в топку сверху, по мере сгорания сползает под действием силы тяжести в нижнюю часть топки, открывая тем самым возможность для поступления в топку новых порций свежего топлива. Эти топки применяют для сжигания древесных отходов под котлами паропроизводительностью от 2,5 т/ч, а шахтные топки, кроме того, для сжигания кускового торфа под котлами паропроиз­водительностью до 6,5 т/ч.

Существует также метод организации сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии в факельном процессе. Применением этого способа сжигания топлива были сняты ограничения в увеличении единичной паропроизводительности котельных агрегатов, а также открыты возможности сжигания с высокой надежностью и экономичностью самых низкосортных видов топлива.

Рис. 6. Схемы факельных топок.

а —топка для пылевидного топлива с твердым шлакоудалением; б—однокамерная топка для пылевидного топлива с жидким шлакоудалением; в—факельная топка для сжига­ния жидкого и газообразного топлив; г—топка с полуоткрытой топочной камерой для сжигания пылевидного топлива с жидким шлакоудалеиием.

В факельном процессе можно сжигать топливо твердое, жидкое и газо­образное. При этом газообразное топливо не требует какой-либо предвари­тельной подготовки; твердое топливо должно быть предварительно размолото в тонкий порошок в особых пылеприготовительных уста­новках, основной частью которых являются углеразмольные мель­ницы, а жидкое топливо должно быть распылено на очень мелкие капли в форсунках.

Сжигание в факельном процессе каждого из трех видов топлива имеет свои конкретные особенности, но общие принципы факельного способа сжига­ния остаются одинаковыми для всякого топлива.

Факельная топка (рис. 6) представляет собой прямоугольную камеру 1, выполненную из огнеупорного кирпича, в которую через горелки 6 вводят в тесном контакте топливо и воздух, необходимый для его горения, — топ­ливо-воздушную смесь. Эта смесь воспламеняется и сгорает в образовавшемся факеле. Газообразные продукты сгорания покидают топку через верхнюю часть ее. При сжигании твердого пылевидного топлива с этими продуктами сгорания в газоходы котла уносится и значительная часть золы топлива; остальное количество ее выпадает в нижнюю часть топки в виде шлака.

Стены топочной камеры изнутри покрывают системой охлаждаемых водой труб — топочными водяными экранами. Эти экраны имеют на­значение предохранить кладку топочной камеры от износа и разрушения под действием высокой температуры факела и расплавленных шлаков, но в еще большей степени они представляют собой очень эффективную поверхность нагрева, воспринимающую большое количество тепла, излучаемого факелом.

Тем самым топочные экраны становятся очень действенным средством охлаж­дения дымовых газов в топочной камере.

Факельные топки для пылевидного топлива разделяют на два класса по способу удаления шлака: а) топки с удалением шлака в твердом состоя­нии и б) топки с жидким шлакоудалением.

Камера 1 топки с удалением шлака в твердом состо­янии (рис. 6, а) ограничена снизу шлаковой воронкой 3, стенки которой защищены экранными трубами. Эта воронка получила название «холодной». Капли шлака, выпадающие из факела, падают в эту воронку и, так как тем­пература среды в ней относительно низка, затвердевают, гранулируясь в от­дельные зерна. Из холодной воронки гранулы шлака через горловину 4 попадают в шлакоприемное устройство 5, из которого они специальным ме­ханизмом подаются в систему шлакозолоудаления.

Камера 1 топки с жидким шлакоудалением (рис. 6, б) ограничена снизу горизонтальным или слегка наклонным подом, вблизи которого путем тепловой изоляции нижней части топочных экранов поддерживают температуру, превышающую температуру плавления золы. В результате шлак, выпавший из факела на этот под, остается в расплавленном состоянии и вытекает из топки через летку 4 в шлакоприемную ванну 5, наполненную водой, где, затвердевая, растрескивается на мелкие стекловидные частицы.

Топки с жидким шлакоудалением разделяют на две группы: одно­камерные (рис. 6, б) и двухкамерные. В последних топочная камера разделена на две: камеру горения, в которой происходит горение топлива, и камеру охлаждения, в которой происходит охлаждение продуктов сгорания. Экраны камеры горения покрывают тепловой изоляцией. Для того чтобы максимально повысить температуру горения с целью более надежного получения жидкого шлака, экраны камеры охлаждения оставляют открыты­ми, с тем, чтобы они могли более эффективно снизить температуру продуктов сгорания.

Факельные топки для жидкого и газообразного топлив (рис. 6, в) вы­полняют с горизонтальным или слегка наклонным подом, который часто не экранируют.

В очень крупных котельных агрегатах наряду с топочными камерами призматической формы выполняют так называемые полуоткрытые камеры, которые имеют особый пережим, разделяющий топку на две камеры: горения 1 и охлаждения 2. Полуоткрытые камеры выполняют для сжи­гания как пылевидного (рис. 6, г), так и жидкого и газообразного топлива.

Факельные топки можно также классифицировать по типу горелок, которые бывают прямоточными и взвихривающими, и по расположению горелок в топочной камере, которые могут размещаться на передней и боковых стенках ее и по углам топочной камеры. В очень крупных котель­ных агрегатах возможно также встречное размещение горелок на передней и задней стенках топки.

В вихревых, или, иначе, циклонных, топках, можно сжигать твердое топливо с от­носительно высоким содержанием летучих, измельченное до пылевидного состояния или до размеров зерна 4—6 мм, а также (пока в порядке экспери­мента) мазут.

Принцип циклонной топки заключается в том, что в горизонтальном (рис. 7, а) или вертикальном (рис. 7, б) цилиндрическом предтопке 1 относительно небольшого диаметра создается газо-воздушный вихрь, в ко­тором частицы горящего топлива многократно обращаются до тех пор, пока они не сгорают почти полностью. Продукты сгорания из предтопков при сжигании твердого топлива поступают в камеру дожигания 2, а из нее — в камеру охлаждения 3 и далее в газоходы котельного агрегата. Шлак из предтопков удаляется в жидком виде через летки 5, причем для увеличения количества уловленного шлака между камерой дожигания и камерой охлаждения или между циклонными предтопками и камерой дожигания устанав­ливают шлакоулавливающий пучок труб 4. При сжигании мазута, а иногда и твердого топлива камеры дожигания не делают и продукты сгорания вы­водят непосредственно из предтопков в камеру охлаждения.

Область применения циклон­ных топок — котельные агрегаты относительно высокой производи­тельности.

Факельные и циклонные топки часто объединяют в общий класс камерных топок.

Рис. 7. Схемы циклонных топок.

а —топка с горизонтальными циклоннымипредтопками; б—топка с вертикальными циклонными предтопками.

Кроме перечисленных выше трех основных способов сжигания топлива, существуют еще некото­рые промежуточные способы. К ним можно отнести, например, факельно-слоевые топки, в которых уголь­ная мелочь сжигается во взвешен­ном состоянии, а крупные куски — в слое, и топки с «кипящим» слоем, в которых слой топлива сильно разрыхляется струей воздуха, проходящей через слой с большой скоростью.

Выбор способа сжигания топлива определяется видом и родом топлива, а также величиной паропроизводительности котельного агрегата

Технические характеристики слоевых топок

Количество топлива, которое можно сжечь с достаточной эффектив­ностью в данной слоевой топке, и количество тепла, которое можно при этом получить, определяются размерами, а также типом топки и свойствами сжи­гаемого топлива.

Основным фактором, определяющим эффективную работу слоевой топки, является тепловое напряжение площади колоснико­вой решетки (зеркала горения), представляющее собой отношение:

Q/R = BQ_н^р / R (24)

где В — часовое количество топлива, сжигаемое в данной топке, кг/ч;

R — площадь колосниковой решетки (зеркало горения), м² .

Величину теплового напряжения зеркала горения в системах тепловых единиц, основанных на калории, выражают в ккал/м² ч, а в системе СИ —кдж/м² сек, т. е. в кВт/м²

Оптимальное значение теплового напряжения зеркала горения состав­ляет 700—1 400 тыс. ккал/м² ч в зависимости от типа топки и характеристик топлива.

При сжигании топлива с большим содержанием влаги, золы или ме­лочи требуется принимать меньшие значения теплового напряжения зер­кала горения; сухое, малозольное или сортированное топливо можно эф­фективно сжигать при больших значениях теплового напряжения зеркала горения. Незначительное повышение теплового напряжения зеркала горения по сравнению с оптимальным не вызывает существенных изменений работы топки. Однако при неумеренном повышении его в шлаке и летучей золе появляется значительное количество несгоревшего топлива, т. е. возрастает потеря от механической неполноты сгорания.

Для обеспечения эффективного сжигания летучих, выделившихся из топлива, необходимы достаточный объем топочного пространства и доста­точная высота его. Величина топочного объема, требуемая для эффектив­ного сжигания летучих, определяется по тепловому напряже­нию топочного пространства, которое представляет собой отношение:

Q/V = BQ_н^р / V_т (25)

где V_т — объем топочного пространства, м³.

В системах тепловых единиц, основанных на калории, величину тепло­вого напряжения топочного пространства выражают в ккал/м³ ч, а в сис­теме СИ — в кдж/м³ сек, т. е. в квт/м³

Оптимальные значения теплового напряжения топочного пространства в зависимости от вида топлива и типа топки составляют (200 - 300) •10³ ккал/м²ч. С возрастанием теплового напряжения топочного про­странства относительно оптимального постепенно возрастает и потеря тепла от химической неполноты сгорания. Высота топочного пространства для котлов паропроизводительностью 4—10 т/ч должна составлять 2,5—4 м, а для котлов паропроизводительностью 20 т/ч и выше — не меньше 4,0 м.

Большое значение для нормальной работы топки имеет активная длина колосникового полотна. В ручных колосниковых решетках по условиям работы кочегара активная длина колосникового полотна не должна превышать 2,3 м;при механизированной загрузке топ­лива на неподвижную колосниковую решетку длина ее должна быть не более 3,5 м, а при механизированной загрузке на движущуюся решетку обратного хода — не более 4,0—6,5 м.Активная длина цепной решетки прямого хода должна быть не менее 4,5 м.

Необходимый для горения воздух целесообразно подавать принуди­тельно для обеспечения давления 60 - 100 кГ/м²под колосниковой решеткой. Это позволяет интенсифицировать процесс горения и облегчает форсировку котла. При сжигании топлива в топке с цепной решеткой прямого хода, где условия зажигания не очень благоприятны, полезно подогревать воз­дух для улучшения условий сушки и газификации топлива и повышения температурного уровня процесса горения. При сжигании топлива в топках с забрасывателями и неподвижным слоем можно не подогревать воздух даже при сжигании бурых углей типа подмосковного. Однако при сжигании более влажных углей приходится прибегать к подогреву воздуха. В шахтных топках, где условия зажигания очень благоприятны, можно сжигать при холодном дутье очень влажное топливо, например торф с влажностью до 45—50%.

Лекция 8