ТОПКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

В топках промышленных парогенераторов и водогрейных котлов в основном сжигаются вязкие мазуты марок 40, 100 и реже 200. Топочные мазуты этих марок делятся на малосерни­стые, сернистые и высокосернистые с содержанием серы соот­ветственно не более 0,5; 2,0 и 3,5%. Для сжигания мазута не­обходима его предварительная подготовка: уменьшение вязко­сти и распыление, при котором обеспечивается испарение мазута. Распыление и распределение жидкого топлива в потоке окислителя (воздуха) производится в одном из элементов го­релки, называемом форсункой.

В настоящее время имеются разнообразные конструкции форсунок для сжигания мазута. Из различных типов форсунок с пневматическим распыливанием мазута наибольшее распро­странение в свое время получили разработанные ЦКТИ горелки двух типов: низконапорные типа НГМГ (в настоящее время сняты с производства, но находятся в эксплуатации во многих котельных) и паромеханические типа ГМГ. Обе эти конструк­ции выполнены как комбинированные для сжигания газа и ма­зута. В последнее время для сжигания мазута начинают приме­няться камеры двухступенчатого сжигания. Для водогрейных котлов применяются ротационные горелки, разработанные ЦКТИ совместно с БЗЭМ, Калужским машиностроительным заводом и заводом «Ильмарине».

Для стационарных паровых котлов форсунки паромеханиче­ские выпускаются в соответствии с ОСТ 108.836.03—80, механи­ческие по ОСТ 108.836.01—80 и паровые по ОСТ 108.836.04—80.

Для сжигания вязкого мазута независимо от типа применяе­мых форсунок необходим его предварительный подогрев, от ко- < торого зависит качество распыливания мазута. Температура подогрева мазута выбирается с таким расчетом, чтобы вязкость мазута перед горелками обеспечивала необходимое качество распыливания. Для механических и паромеханических форсунок вязкость мазута рекомендуется поддерживать 2,5° -УВ (16,1 мм²/с), для пневматических — не более 6° УВ (44 мм²/с) и ротационных — не более 8°УВ (59 мм²/с). Для получения указанных значений вязкости мазута перед форсунками необхо­димо подогревать мазут марки 40 до 115 °С, а марки 100 — до 130 °Спри сжигании в топках с механическими и паромеханическими форсунками; в топках с пневматическими форсун­ками— соответственно до 90 и ПО °С; в топках с ротационными форсунками — до 80 и 95 °С.

На рис. 3-15 показана схема газомазутной горелки типа НГМГ с воздушным распиливанием мазута. В горелке НГМГ мазут поступает под давлением не более 30 кПа по мазутному стволу 4 и вытекает через мазутовыпускные отверстия 8. Рас­пиливающий (первичный) воздух получает закрутку в завихрителе 9 и, выходя через пережимное кольцо 7, подхватывает и

распиливает струйки ма­зута, вытекающие через от­верстия 8. Давление пер­вичного воздуха составляет 2500—3000 Па при расходе 10—15 % общего количе­ства воздуха, необходимого для горения. При эксплуатации форсунки необходимо следить за правильной установкой мазутного ствола. Много­численные испытания показали, что излишнее смещение мазуто-выпускных отверстий относительно пережима в сторону топки приводит к удлинению факела, затягиванию процесса горения в камеру догорания и даже в газоходы котла. Излишнее сме­щение мазутовыпускных отверстий в противоположную сторону относительно пережима приводит к попаданию мазута на за-вихритель. Положение мазутовыпускных отверстий относи­тельно пережима уточняется при наладке горелки. На рис. 3-16 показано оптимальное положение мазутовыпускных отверстий

для горелки НГМГ-4, установленной на котле ДКВР-6,5-14. При монтаже горелок нужно следить за тем, чтобы закрутка пер­вичного (распыливающего) воздуха и вторичного воздуха, по­даваемого для горения, производилась в одну и ту же сторону. На рис. 3-17 показана одна из конструкций вихревых горе­лок с паромеханической форсункой, разработанная ЦКТИ и се­рийно выпускаемая заводом «Ильмарине». Горелка состоит из паромеханической форсунки, двухзонного направляющего аппа­рата и газовой камеры с газовыпускными отверстиями. Горелка предназначена для сжигания мазута и природного газа.

Один из вариантов форсунки с паромеханическим распыливанием, применяемых в вихревых горелках, показан на рис. 3-18. Принцип действия форсунки заключается в следующем. Мазут по трубе 2 через распределительную шайбу 4 поступает в коль­цевую камеру распылителя 5 и затем по тангенциальным кана­лам попадает в его завихрительную камеру. Закрученная струя мазута под действием центробежных сил прижимается к стен­кам завихрительной камеры и, продолжая двигаться поступа­тельно, срывается с кромки сопла распылителя 5, разбиваясь на множество мельчайших капель. Пар из трубы / поступает в по­лость между деталями, пропускающими мазут, и концевой гай­кой 8. Из этой полости пар поступает через тангенциальные ка­налы в камеру парового завихрителя 6. Затем пар выходит под углом из цилиндрической щели и охватывает с внешней стороны распыленную струю мазута.

При расходах мазута, меньших 50 % номинального, давление мазута перед форсункой становится недостаточным'для хоро­шего качества распиливания и в форсунку дополнительно пода­ется пар. Однако, так как расход пара не превышает 0,03 кг/кг,

подача его произво­дится при всех нагруз­ках форсунки с давле­нием 70 — 200 кПа.
В то же время испы­тания показали, что
при расходах мазута
70 % и более подача
пара практически не
улучшает качества

распыливания. Давле­ние мазута перед фор­сункой в зависимости
от ее номинальной
мощности выбирается
от 1,3 до 3,5 МПа. Ре­
гулирование мощности
форсунки произво-

дится изменением дав­ления мазута перед ней.

Качество работы мазутных форсунок с механическим и паромеханическим распыливанием зависит от тщательности изготов­ления, точности сборки и установки. Очень ва­жно обеспечить плот­ность мазутного тра­кта во избежание по­падания мазута в паровой канал, так как последнее приво­дит к закупорке ка­ нала из-за коксова­ния мазута. При обслуживании форсунки необходимо систематически ее прочищать и заменять распылитель, который чаще выходит из строя, чем остальные детали. Абразивный износ внутренних по­верхностей, особенно стенок распылителя, приводит к изменению формы факела, увеличению расхода топлива и укрупнению раз­мера капель. Скорость износа зависит от загрязненности ма­зута механическими примесями, его состава, а также от давле-

ния подачи. Опыт показывает, что, несмотря на очистку мазута от механических примесей, наблюдается загрязнение входных каналов и распределительной шайбы форсунки. Это приводит к смещению факела относительно оси форсунки и ухудшению качества ее работы. При снижении производительности форсунки вследствие частичного закоксовывания или засорения темпера­тура стенок быстро растет, а это приводит к ускоренному закоксовыванию. Во избежание этого надо систематически следить за температурой и чистотой распылителей, а также характером факела. При появлении около корня факела темных полос, скоплений капель и разрывов необходимо проверить состояние

деталей форсунки.

На рис. 3-19 показана горелка РГМГ (ротационная газомазутная горелка) с встроенным вентилятором распыливающёго воздуха, выпускаемая серийно мощностью до 8 МВт. Горелки большей мощности выпускаются с отдельно устанавливаемым вентилятором распыливающёго воздуха.

Мазутная форсунка 11 горелки состоит из полого вала 17, на котором закреплены рабочее колесо 18 вентилятора распыливающёго воздуха, распыливающий стакан 13 и гайка-питатель 14. Вал 17 через клиноременную передачу 19 получает враще­ние от электродвигателя 20. Мазут подводится к штуцеру 3. В центральном отверстии вала расположена консольная топлив­ная трубка 15, по которой мазут поступает в кольцевую внут­реннюю полость гайки-питателя 14. В гайке-питателе имеются четыре радиальных канала, по которым под действием центро­бежных сил мазут вытекает на внутреннюю стенку распыливаю­щёго стакана, образуя пленку. В стакане пленка перемещается в осевом направлении и затем срывается с кромки стакана, рас­падаясь на капли. При этом угол раскрытия образующегося ко­нуса, если не подавать распыливающёго воздуха, близок к 180°. Для получения нужного угла раскрытия конуса и лучшего рас­пыления мазута через завихритель 12 подается распиливающий (первичный) воздух. Первичный воздух поступает также через четыре отверстия в гайке-питателе в полость распыливающёго стакана 13, что предохраняет его от закоксовывания. Распыливающий стакан имеет конусообразную форму и отполирован.

Вторичный воздух поступает в улиточный короб 8 и из него направляется к завихрителю 16 и всасывающему патрубку пер­вичного воздуха 7, в котором имеется шибер для регулирования количества воздуха, поступающего к распыливающему вентиля­тору. Распыливающий вентилятор создает напор около 5000 Па. Давление мазута не должно превышать 0,2 МПа.

Подробные промышленные испытания горелки РГМГ-10 вы­полнены ЦКТИ. Основные параметры горелки по данным этих испытаний показаны на рис. 3-20. В результате испытаний уста­новлено, что диапазон регулирования мощности горелки — от 10 дб 100%. Доля первичного (распыливающёго) воздуха на номи­нальной нагрузке составляла примерно 10 % общего расхода

воздуха, поданного на горение. Давление первичного воздуха на нагрузках 100—30 % номинальной поддерживалось равным 5000—6000 Па, а на нагрузках ниже 30 % номинальной — в пре­делах от 2500 до 3500 Па. При испытании сжигался мазут марки 40 и природный газ Дашавского месторождения с низшей теплотой сгорания 36,12 МДж.

При эксплуатации ротационных форсунок необходимо следить за чистотой внутренней поверхности распыливающего ста­кана, так как нагарообразование, смолистые и другие отложе­ния резко ухудшают качество распыливания. Об отложениях на стенках распыливающего стакана можно судить по появлению в топке крупных летящих капель — «звездочек». В таких слу­чаях форсунка должна быть отключена и выведена из воздуш­ного короба. Для этого достаточно вывернуть барашки прижим­ного устройства и откатить мазутную часть горелки, которая имеет двойной шарнир. После этого следует очистить полость стакана деревянным, алюминиевым или красномедным ножом и промыть соляровым маслом или другим легким топливом. Уда-

лять нагар стальным инструментом нельзя, так как на стенке стакана останутся риски, что резко ухудшит качество распили­вания мазута. Недопустимы также зазубрины, выбоины на кромке распыливающего стакана. Периодически следует прове­рять размах вибрации кромки стакана, который не должен пре­вышать 0,06 мм.

Факел, выдаваемый горелкой, должен быть симметричным относительно геометрической оси горелки. Несимметричность факела и даже вибрационное горение могут возникать вслед­ствие неправильного выполнения амбразуры или ее разрушения

в процессе эксплуатации. Периодически следует добав­лять смазку в подшипниковые узлы, производя подачу ее шприцем до тех пор, пока она не начнет устойчиво выжи­маться из контрольных отвер­стий.

При задевании топливной трубки за вал форсунки появ­ляется резкий звенящий шум. Устранение этого достигается центровкой топливной трубки относительно отверстия вала форсунки. Резкий шум также может быть вызван задева­нием колеса вентилятора за его корпус вследствие смеще­ния ротора форсунки. Ликви­дация этого Дефекта достига­ется регулировкой положения ротора с помощью прокладок, установленных в подшипниковых узлах. Правильность положения ротора проверяется через ин­спекционное отверстие в корпусе вентилятора. Несовпадение выходной кромки колеса вентилятора с выходной кромкой на­правляющего аппарата не должно превышать 0,5 мм.

На рис. 3-21 показана камера двухступенчатого сжигания топлива. Она состоит из паромеханической форсунки 2 с завихрителем первичного воздуха 4 и камеры горения, в которую по кольцевому каналу через завихритель 6 подается вторичный воздух. Основная часть воздуха (50—70 %) подается через ма­зутную форсунку, а остальная — через завихритель в камеру горения. Вторичный воздух, проходя по кольцевому каналу, охлаждает камеру горения. Распыленный в паромеханической форсунке мазут, попадая в зону высоких температур камеры горения, газифицируется и, смешавшись с вторичным воздухом, догорает в топке парогенератора.

Результаты испытания камер двухступенчатого сжигания по­казали их работоспособность и надежность при эксплуатации

под наддувом (давление в топке парогенератора составляло 2500 Па). При высокой удельной нагрузке топочного объема (1,2-10³ МВт/м³) и коэффициенте избытка воздуха 1,05 потеря теплоты от химической неполноты горения отсутствовала.

При эксплуатации камер двухступенчатого сжигания необхо­димо следить за работой паромеханической форсунки* не допус­кая ее перегрева и закоксовывания. Следует также регулиро­вать распределение первичного и вторичного воздуха, поддер­живая распределение, заданное режимной картой, давление воздуха перед форсункой и завихрителем камеры горения.

При эксплуатации форсунок рассмотренных конструкций не­обходимо следить за сохранением производительности форсунки при неизменном давлении, за вязкостью мазута, отсутствием за­коксовывания, поддержанием минимального коэффициента из­бытка воздуха. Нарушение производительности форсунки при неизменных давлении перед ней и вязкости мазута наблюдается при нарушении заданной точности изготовления и недостаточно тщательной сборке при ремонте. Погрешности изготовления оказывают тем большее влияние, чем меньше расчетная произ­водительность форсунки. Небрежная сборка форсунок может привести к снижению производительности до уровня 40 % но­минальной, а также способствует закоксовыванию форсунки.

Качество распыливания мазута существенно зависит от вяз­кости его перед форсункой. Кроме того, на распыливание топ­лива оказывают влияние поверхностное натяжение, плотность мазута и наличие механических примесей. Механические при­меси, карбены и карбоиды уменьшают внутреннее сопротивле­ние мазута распыливанию. При этом в процессе нагревания и длительного хранения дисперсность карбенов и карбоидов изме-меняется, что приводит к изменению качества распыливания ма­зута. Мазут, содержащий мелкодисперсные частицы, при прочих равных условиях распыливается на более мелкие капли по срав­нению с мазутом, содержащим крупные частицы.

Нарушения нормального режима работы форсунок чаще всего происходят вследствие их закоксовывания. Многочислен­ные наблюдения за работой форсунок показали, что закоксовы-вание обусловлено термоокислительными процессами с образова­нием слоя кокса вследствие нагрева мазута стенками форсунки. Чем выше температура стенок форсунки, тем интенсивнее происходит отложение смол и увеличивается слой кокса. Тем­пература стенки головки форсунки в значительной мере за­висит от ее расположения относительно среза амбразуры. Ча­сто при эксплуатации различных форсунок стремятся из-за кок­совых отложений в амбразуре расположить головку форсунки на срезе амбразуры или даже несколько выдвинуть ее за пре­делы среза (рис. 3-22, а). Как показали испытания, такое по­ложение головки форсунки не обеспечивает должного охлажде­ния ее. По данным испытаний ВТИ выдвижение головки за срез амбразуры приводит к резкому повышению температуры

металла ее стенки. Так, например, расположение головки на расстоянии 100 мм от среза амбразуры в направлении топочной камеры приводит к повышению температуры металла стенки до 500 °С. Надежное охлаждение головки форсунки обеспечивается при перемещении ее на расстоянии 100 мм от среза амбразуры в глубь горелки, как показано на рис. 3-22, б. При таком распо­ложении головки температура металла стенки не превышает 200 °С и никакого ухудшения экономических показателей ра­боты топки не наблюдается. Таким образом, в случае коксова­ния амбразуры следует прежде всего проверить качество изго-

товления и сборки форсунки, а не перемещать ее в глубь топоч­ной камеры.

Коэффициент избытка воздуха при сжигании сернистых ма­зутов не только влияет на экономичность работы котельного агрегата, но и определяет надежность работы хвостовых поверх­ностей нагрева и загрязнение воздушного бассейна выбросами. Первые лабораторные опыты по сжиганию мазута с коэффици­ентом избытка воздуха, близким к единице, были выполнены в СССР и показали возможность работы топки без химического недожога. Обычно принято считать коэффициенты избытка воз­духа 1,00—1,02 предельно низкими; 1,02—1,05 низкими и более 1,15 высокими. В нормах теплового расчета котельных агрега­тов рекомендуется принимать коэффициент избытка воздуха на выходе из топки 1,10. Для оценки коррозионной активности про­дуктов горения при сжигании сернистых мазутов существенной характеристикой является также температура точки росы и со­держание серного ангидрида.

Опыт эксплуатации и испытания котельных агрегатов пока­зал, что достижение низких и предельно низких коэффициентов избытка воздуха возможно только при точном порционировании

топлива и воздуха по всем установленным горелкам. Уменьше­ние числа горелок облегчает равномерное распределение между ними топлива и воздуха. Вязкость мазута перед форсунками особенно заметно влияет на потери теплоты от химической не­полноты сгорания при низких коэффициентах избытка воздуха. На рис. 3-23 в качестве примера показано влияние вязкости на потери теплоты от химической неполноты горения при различ­ном избытке воздуха по результатам испытаний ВТИ на одном из котлов, оборудованных форсунками с паромеханическим распыливанием мазута.

Компоновка форсунок также оказывает влияние на работу топочной камеры. В литературе указывается, что при встречной компоновке горелок обеспечить работу топки с низким коэффи­циентом избытка воздуха проще, чем при однофронтовой ком­поновке. На котлах малой производительности применяется, как правило, однофронтовая компоновка горелок, и это вызывает затруднения при организации процесса горения с низким коэф­фициентом избытка воздуха.

Устойчивость и качество работы мазутных форсунок различ­ных конструкций в значительной мере зависят от воздухона­правляющих аппаратов. Для организации перемешивания рас­пыленного мазута с воздухом современные мазутные форсунки оборудованы воздухонаправляющими аппаратами, производя­щими закрутку воздушного потока. Закрученная струя имеет ряд преимуществ по сравнению с прямоточной. Она обладает большой эжекционной способностью, провалом скорости в осе­вой области, при известных условиях переходящим в осевой об­ратный ток. Наличие осевого обратного тока обеспечивает не­прерывное поступление горячих топочных газов к корню факела

и его стабилизацию.

Закрутка воздушного потока в воздухонаправляющих аппа­ратах мазутных форсунок чаще всего осуществляется установ­кой плоских или винтовых лопаток. Если воздух в форсунке для горения подается одним потоком, воздухонаправляющее устройство называют однопоточным, если двумя потоками — двухпоточным. В горелках типа ГМГ и НГМГ воздух подается двумя потоками и закрутка его производится плоскими лопат­ками.

При эксплуатации воздухонаправляющих аппаратов необхо­димо следить за состоянием лопаток, не допуская их загрязне­ния или закоксовывания. При ремонте воздухонаправляющих аппаратов и замене отдельных лопаток установка их должна проводиться по шаблону под одинаковым углом.

Существенное влияние на работу форсунок оказывает также качество и правильность выполнения амбразуры. Амбразуры должны быть выполнены по чертежу в соответствии с типом установленной форсунки. Ось амбразуры должна совпадать с осью форсунки. На рис. 3-24 в качестве примера показаны два типа амбразур (цилиндрическая и коническая), применяе-

мые для форсунок с пневматическим и паромеханическим рас­пиливанием.

Зольность мазута не превышает 0,3 %, однако в эксплуата­ции наблюдаются загрязнения поверхностей нагрева плотными отложениями в зонах с температурой продуктов горения более 700 °G. Наиболее интенсивно загрязняются пароперегреватели и поверхности нагрева водогрейных котлов типа ПТВМ, имею­щие небольшие площади поперечного сечения для прохода про­дуктов горения.

Обслуживание мазутных форсунок требует повышенного внимания. Необходимо следить за устойчивостью факела, не

допуская пульсации и неравномерного заполнения топочного объема. Пульсация факела может возникать вследствие поступ­ления обводненного мазута, недостаточного его подогрева, за­грязнения фильтров и сопл форсунок, шлакования амбразур, от­ложений на лопатках воздухонаправляющего аппарата или их коробления и ряда других нарушений режима горения. Нерав­номерное заполнение топочного объема факелом может при­вести к местному перегреву экранных труб или обмуровки топки. В связи с этим необходимо следить за дальнобойностью факела и окончанием горения в пределах топочной камеры.

Особенно внимательно следует производить розжиг форсу­нок, не допуская образования сажи, уноса несгоревших капелек мазута, подтекания его из форсунки, плохого горения или пога­сания растопочного факела, В форсунках с паромеханическим распыливанием необходимо сначала открывать подачу пара и только после этого подачу мазута. В форсунках с воздушным распыливанием сначала подается распиливающий воздух, а за­тем мазут.

Отложение сажи и унос несгоревших капелек мазута могут привести к хлопкам и взрывам, а также к горению в хвостовых поверхностях нагрева, которое обнаруживается по внезапному повышению температуры продуктов горения в соответствующем

газоходе.

Форсировка топки изменяется регулированием подачи ма­зута и воздуха одновременно ко всем форсункам или отключе­нием отдельных форсунок. При установке двух-трех форсунок чаще всего одновременно регулируют расход мазута и воздуха на все форсунки: это качественное регулирование. На водогрей­ных котлах при установке большого числа форсунок применяют количественное регулирование, т. е. отключение отдельных фор­сунок для снижения форсировки топки. При установке форсунок ротационного типа, имеющих большой диапазон регулирования мощности (20—100%), применяют качественное регулирование, которое проще и надежнее.