Пылеугольный способ сжигания угля

Содержание

Пылеугольный способ сжигания угля
Особенности горения угольной пыли
Пылеугольный способ сжигания угля
6.2.2. Сжигание твердого топлива в пылевидном состоянии

Пылеугольный способ сжигания угля

На современных тепловых электрических станциях 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. Для превращения крупных кусков влажного топлива в пригодную для сжигания сухую угольную пыль твердое топливо подвергают процессу подготовки в системе пылеприготовления. заключающемуся в предварительном грубом дроблении на куски в несколько десятков миллиметров, подсушке и дальнейшем размоле до пылевидного состояния с размером частиц в несколько десятков или сотен микрометров.

Превращением кускового топлива в угольную пыль достигается многократное увеличение поверхности реагирования. Так, если кусочек угля диаметром 15 мм раздробить на частицы размером 50 мкм, то суммарная площадь поверхности полученных частиц в 300 раз будет больше поверхности исходной частицы. При увеличении поверхности реагирования существенно улучшаются условия сжигания, так как горение топлива является гетерогенным процессом (топливо и окислитель находятся в разных агрегатных состояниях — соответственно в твердом и газообразном), происходящим на поверхности частиц топлива.

Основными преимуществами сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии являются следующие:

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

• практически неограниченная по условиям сжигания топлива единичная мощность котла;

• полная механизация топочного процесса, легкость регулирования, возможность полной автоматизации топочного процесса;

• 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;

• значительный расход электроэнергии на приготовление пыли, например, для антрацита составляющий 25. 30 кВт-ч/т;

• низкие (0,1. 0,3 МВт/м3) объемные плотности тепловыделения в топке при факельном сжигании твердого топлива, что объясняется малой массовой концентрацией топлива в единице объема топки (20. 30 г/м3), а также неблагоприятными условиями подвода окислителя к поверхности реагирования и отвода продуктов сгорания вследствие низкой относительной скорости горящих частиц в газовоздушном потоке

Источник

Особенности горения угольной пыли

Угольная пыль для сжигания подается в топочную камеру котла воздухом через горелочное устройство. Воздух, поступающий в топку вместе с пылью, называется первичным. Остальной воздух, необходимый для горения, подаваемый в топку через горелки или помимо них, называется вторичным.

В топочной камере угольные пылинки, находясь в полете, проходят последовательно этапы тепловой подготовки (прогрева), горения летучих и кокса и выделения шлакозолового остатка. Поступающая в топку угольная пыль состоит из частиц различной крупности. Более мелкие частицы воспламеняются и сгорают в первую очередь. Для более крупных пылинок этапы тепловой подготовки и собственно горения несколько затягиваются. В связи с этим по длине пылеугольного факела имеет место совмещение отдельных этапов горения.

Пылеугольный факел представляет собой неизотермическую запыленную струю, развивающуюся в ограниченной среде высоко-температурных топочных газов. Если учесть, что объем горящего топлива по сравнению с объемом необходимого для горения воздуха ничтожно мал, а пылинки топлива взвешены в потоке, то закономерности и характер развития газовой струи можно с достаточной степенью точности применить и к пылеугольному факелу.

Запыленная струя, расширяясь в топочном объеме, увлекает горячие топочные газы, перемешивается с ними и нагревается. Прогреву пылевоздушного потока способствует передача тепла излучением от раскаленной окружающей среды, а также в некоторой степени и теплопроводность газового потока.

Воспламенению струи предшествует тепловая подготовка топлива. Воспламенение пылевой струи начинается с ее наиболее прогретого пограничного слоя и распространяется в поперечном направлении от поверхности к оси струи, образуя факел. Время, необходимое для воспламенения пылевоздушной струи, зависит от ряда факторов: тонкости помола и выхода летучих, начальной температуры пылевоздушной смеси и концентрации в ней пыли, соотношения первичного и вторичного воздуха, способа подвода вторичного воздуха и др.

Уменьшение размеров пылинок приводит к увеличению относительной поверхности реагирования топлива, что обеспечивает на данном участке струи большее тепловыделение, интенсифицирующее прогрев и воспламенение пылевоздушной смеси. Выделяющиеся при нагреве топлива летучие, имеющие более низкую температуру воспламенения, чем коксовый остаток, способствуют ускорению зажигания пыли. Чем больше в топливе летучих, тем легче его воспламенить. Полидисперсность пыли также способствует улучшению ее воспламенения. Мельчайшие пылинки быстро прогреваются и воспламеняются. Выделяющееся при этом тепло интенсифицирует воспламенение более крупных пылинок.

Воспламенение пылевоздушной смеси улучшается также при повышении начальной ее температуры, что осуществляется на практике применением подогретого (до 300 — 400 °С) воздуха. Особенно целесообразно применение высокоподогретого воздуха при сжигании малореакционных труднозажигаемых углей (антрацит, тощий уголь).

Ускорение воспламенения пыли может быть получено также путем уменьшения количества первичного воздуха, что равносильно соответствующему повышению концентрации пыли. Уменьшение количества первичного воздуха в пылевоздушной смеси приводит к снижению ее теплоемкости, что обеспечивает прогрев смеси до более высокой температуры. Вместе с тем количество первичного воздуха должно быть достаточным для окислительных реакций в начальной стадии горения воспламенившейся смеси. Для малореакционных углей интенси-фикация воспламенения может быть достигнута также раздельным вводом в топку пылевоздушной смеси и вторичного воздуха. Подача вторичного воздуха в корень факела может привести к понижению здесь температуры и отдалению начала воспламенения от устья горелки. Вторичный воздух следует подмешивать к факелу уже после его воспламенения.

Время распространения воспламенения от периферии до оси струи связано с размерами горелки. Чем больше выходное сечение горелки, тем дальше от него завершится воспламенение смеси. В связи с этим для интенсификации зажигания пылевоздушной смеси целесообразно вместо одной — двух горелок большого размера применять несколько меньших горелок; этим достигается наряду с увеличением поверхности зажигания также и меньшая дальнобойность струи.

После воспламенения пылегазовой смеси она интенсивно сгорает, образуя факел. Часть выделяющегося при горении тепла идет на прогрев и воспламенение поступающего пылевого потока.

По конфигурации факела различают топки с U-образным факелом (рис. 28а) и L-образным факелом (рис. 28б).

Наибольшее распространение нашли топки с L — образным факелом.

Рис. 28. Схема топок с U-образным и L-образным факелами

По способу удаления шлака различают пылеугольные топки с твердым (гранулированным) и жидким шлакоудалением.

Источник

Пылеугольный способ сжигания угля

Пылеугольные горелки служат для организованного ввода угольной пыли и воздуха в топку. С помощью горелок и рациональной их компоновки в значительной мере организуется топочный процесс: достигаются устойчивое зажигание факела, смесеобразование, интенсивное выгорание пыли и бесшлаковочная работа котла.

Для сжигания угольной пыли применяют два основных типа горелок: вихревые и прямоточные. Вихревыми называют горелки, у которых первичный или вторичный воздух закручиваются специальными завихрителями. Закручивание потоков достигается при помощи улиток, устанавливаемых на входе в горелку, или лопаток, устанавливаемых в горелке аксиально или тангенциально в потоке первичного или вторичного воздуха. Принципиальные схемы вихревых горелок приведены на рис. 9.13. Наименование горелки отражает способ ввода первичного (с пылью) и вторичного воздуха. Так, в вихревой пылеугольной горелке ОРГРЭС (рис. 9.14), выполненной по типу прямоточно-улиточной, первичный воздух с пылью подается через центральную трубу прямоточно без закручивания. Вторичный воздух, подаваемый в топку через горелку, закручивается улиткой 6. Аэросмесь поступает в топку через

Рисунок 9.13 — Принципиальные схемы пылеугольных вихревых горелок

центральную трубу, имеющую на конце чугунный наконечник 3 в виде конуса-рассекателя, который может перемещаться и тем самым обеспечивает хорошее «раскрытие» пылевоздушной смеси, а также подсос горячих топочных газов к корню факела, что интенсифицирует воспламенение топлива. Вторичный воздух, подаваемый через улитку, выходит в топку завихренным через кольцевое пространство, образуемое наконечником и обмуровкой. Для растопки, а также при необходимости подсвечивания пылеугольного факела в корпусе горелки имеется отверстие #для установки мазутной форсунки.

В прямоточно-щелевых горелках (рис. 9.15, о) подача в топку аэросмеси и вторичного воздуха осуществляется раздельно через узкие щели. Такие горелки выполняются с внешним / и внутренним 2 вводом вторичного воздуха. В прямоточно-сопловых горелках (рис. 9.15, б) ввод аэросмеси и вторичного воздуха осуществляется раздельно через круглые сопла.

Полнота сгорания топлива, условия эксплуатационнонадежной работы топки в значительной степени определяются размещением пылеугольных горелок. Наибольшее распространение для камерных топок получили способы фронтального, встречного и углового расположения горелок (рис. 9.16).

При фронтальном расположении горелок (рис. 9.16, о) газовые струи развиваются первоначально самостоятельно, а затем сливаются в общий поток. При ударе факела о заднюю стенку может произойти ее ошлакование. В связи с этим при фронтальном расположении горелок наиболее целесообразно применение вихревых горелок с относительно коротким широким факелом.

Рисунок 9.16 — Способы расположениягорелок в топочной камере

При встречном расположении (рис. 9.16, б) горелки могут располагаться на противоположных боковых, а также на фронтальной и задней стенках. Возможны встречно-лобовая и встречно-смещенная их компоновки. При встречно-смешенной компоновке горелок горящие потоки взаимно проникают один в другой. При этом имеет место лучшее заполнение факелом топочного объема, обеспечивается принудительный подвод теплоты к корню факела, улучшается сгорание топлива при бесшлаковочном режиме работы экранов. В случае применения встречно-смещенной компоновки целесообразно использовать щелевые горелки.

При угловом расположении горелок (рис. 9.16, в) возможны следующие схемы их установки: диагональная, блочная, тангенциальная. При таком размещении горелок возникает ряд конструктивных сложностей и возможно ошлакование стенок.

При большом числе горелок вне зависимости от схемы их установки по высоте топки горелки могут располагаться в несколько ярусов.

Источник

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/м 3 .

Последнее обусловливается малой массовой концентрацией топлива в единице объема такой топки (20-30 г/м 3 ), 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.

Приготовление угольной пыли из кускового топлива производится в системе специальных устройств, в которых последовательно осуществляются первоначальное грубое дробление на куски размером в несколько десятков миллиметров, сушка и, наконец, его размол до пылевидного состояния с размером частиц в несколько десятков или сотен микрон. В циклонных и вихревых топках применяют также дробленку – частицы топлива размером в несколько миллиметров. Часто размол и сушку топлива совмещают в одном устройстве.

Крупность топлива после предварительного дробления влияет на последующие этапы его сушки и размола. С увеличением крупности топлива возрастает расход энергии на приготовление пыли, увеличивается износ мелющих органов, а производительность мельницы снижается.

Рекомендуются следующие характеристики дробления топлива:

— остаток на сите 5×5 мм R₅ = 20% ;

— остаток на сите 10×10 мм R₁₀ = 5% ;

— максимальный размер куска не больше 15 мм.

Для влажных топлив в случае замазывания дробильного оборудования максимальный размер куска принимается до 25 мм.

Предварительное грубое дробление сырого топлива дополняется отделением металлических частей и щепы, которые могут попасть в него при добыче и транспортировке.

Для размола топлива применяют следующие системы пылеприготовления: центральную, индивидуальную с прямым вдуванием и индивидуальную с промежуточным пылевым бункером.

Центральная схема пылеприготовления отличается большой сложностью и высокой стоимостью, поэтому целесообразно рассматривать индивидуальную схему пылеприготовления. Индивидуальная система пылеприготовления характеризуется приготовлением пыли непосредственно у котла с использованием для сушки топлива и его пневмотранспорта горячего воздуха или продуктов сгорания.

Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием (рис. 25а) отличается жесткой связью мельничного оборудования с котлом. Изменение нагрузки требует и изменения работы мельницы. При снижении нагрузки котла мельница оказывается недогруженной.

Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным пылевым бункером (рис. 25б) независима от работы котла, что является ее основным достоинством. Наличие промежуточного пылевого бункера повышает надежность установки. Этому способствует также связь мельничных устройств отдельных агрегатов с помощью пылевых шнеков, позволяющих передавать пыль в случае необходимости от одного котельного агрегата к другому. В системе пылеприготовления с промежуточным бункером также имеется возможность полностью загружать мельничное оборудование. К недостаткам схемы с промежуточным пылевым бункером относится, в частности, увеличение затрат на оборудование.

Индивидуальная система пылеприготовления с прямым вдуванием применяется при сжигании высокореакционных бурых и каменных углей, допускающих грубый помол. Индивидуальная система пылеприготовления с промежуточным бункером применяется для мощных котлов при работе на тощих и малореакционных углях, требующих тонкого помола.

Рис. 25. Принципиальные схемы систем пылеприготовления:

а – индивидуальная с прямым вдуванием; б – индивидуальная

с промежуточным пылевым бункером;

1 – бункер сырого дробленого угля; 2 – сушилка; 3 – мельница;

4 – мельничный вентилятор; 5 – топка; 6 – промежуточный бункер;

7 – шнек для пыли

Для улучшения размола топлива, хранения и транспорта пыли, а также интенсификации ее зажигания и горения топливо подсушивается. Однако чрезмерная подсушка пыли не допускается по условиям самовозгорания и взрывобезопасности.

Влажность рабочего топлива W r может быть представлена как сумма гигроскопической влажности W_h и внешней влажности W_ex. Значения W_h зависят от топлива: например, для антрацита – 2,5 %, для подмосковного угля – 7,5 %, для торфа – 11 %.

Для относительно сухих углей, внешняя влажность которых не превышает 10 %, сушка топлива производится одновременно с размолом в мельничном устройстве путем подачи внутрь мельницы горячего воздуха или продуктов сгорания.

Для влажных топлив с внешней влажностью 15-20 % частичная предварительная подсушка топлива может осуществляться непосредственно перед мельничным устройством в коротких сушильных трубах. Окончательная досушка топлива проводится в мельнице в процессе размола.

Для высоковлажных топлив с внешней влажностью более 20 % возможно применение сушки топлива в отдельном сушильном устройстве с разомкнутой сушкой, т.е. с выбросом отработавшего сушильного агента вместе с водяными парами в атмосферу.

Для предварительной подсушки топлива перед мельницей применяют различные типы сушилок: газовые барабанные, паровые, трубчатые, пневматические (трубы-сушилки), с кипящим слоем и др.

Значительно интенсивнее, чем в обычных сушилках, протекает сушка при совмещении ее с размолом топлива, что связано с резким увеличением при этом суммарной поверхности частиц угля.

В настоящее время в большинстве случаев подсушка топлива проводится, в основном, в самом мельничном устройстве, часто в сочетании с короткой трубой-сушилкой, располагаемой перед мельницей.

Различают сушку топлива по замкнутой и разомкнутой схемам (рис. 26). При замкнутой схеме отработавший в системе пылеприготовления сушильный агент вместе с пылью сбрасываются в топку. При разомкнутой схеме отработавшие сушильные газы сбрасываются в атмосферу.

Влажность подсушенной пыли для углей марки АШ – W r = 0,5-1 % ; подмосковного угля – W r = 11-16 %; торфа – W r = 35-40 %. По условиям взрывобезопасности конечная влажность пыли сланцев, а также бурых углей, у которых W_h r , не должна быть ниже гигроскопической. Для бурых углей с W_h ≥ 0,4 W r и каменных углей влажность пыли не должна быть менее 50 % гигроскопической влажности.

Для регулирования подачи топлива к мельницам применяют различные питатели: дисковые (тарельчатые), ленточные, скребковые, скребково-барабанные, пластинчатые.

Для отделения готовой пыли от крупных частиц угля, вынесенных из мельницы вместе с пылью, служат сепараторы. Выпавшие в сепараторе частицы направляются в мельницу для дальнейшего размола, а вынесенная пылевоздушная смесь поступает в циклон, где пыль отделяется от воздуха. Слабо запыленный воздух отсасывается из циклона, а пыль поступает в пылевой бункер.

По тракту системы пылеприготовления для взрывоопасных топлив предусматривается установка предохранительных взрывных клапанов.

Рис 26. Схема пылеприготовления с шаровой барабанной мельницей

(ШБМ) при подаче пыли горячим воздухом:

а – замкнутая схема пылеприготовления; б – разомкнутая схема

пылеприготовления; 1 – бункер угля; 2– питатель; 3 – течка сырого

угля; 4 – устройство для нисходящей сушки; 5 – мельница;

6 – мигалка; 7 – сепаратор; 8 – взрывной клапан; 9 – циклон;

10 – мельничный вентилятор; 11 – сбросная горелка;

12 – промежуточный бункер угольной пыли;

13 – питатель пыли; 14 – основная пылеугольная горелка;

15 – топочная камера; 16 – вентилятор; 17 – воздухоподогреватель;

18 – линия отбора горячих газов на сушку;

19 – подвод горячего воздуха к основной горелке (вторичный воздух);

20 – первичный воздух; 21– электрофильтр

В процессе размола топлива образуется смесь мельчайших пылинок (от нескольких микрон) с более крупными (размером до 300-500 мкм). Основными качественными характеристиками пыли являются ее тонкость помола и влажность. Согласно ГОСТ тонкость пыли характеризуется остатком на ситах с ячейками 90, 200 и 1000 мкм. Остаток обозначается буквой R. Так, обозначение R₉₀ = 10 % указывает, что на сите с размером ячеек 90 мкм остается 10 % пыли, а вся остальная пыль проходит через это сито. При расчетах мельничных устройств тонкость пыли определяется остатком на сите 90 мкм, R₉₀ .

Представление о фракционном составе пыли дает так называемая ситовая или зерновая характеристика, которая может быть построена на основе определения остатков пыли на ряде сит. Вид зерновой характеристики показан на рис. 27.

Рис. 27. Зерновая характеристика пыли

Размольные свойства топлива характеризуются коэффициентом размолоспособности, т.е. сопротивляемостью топлива размолу. Лабораторный относительный коэффициент размолоспособности К_ло — это отношение расхода электроэнергии при размоле угля, принятого за эталон, к расходу электроэнергии при размоле данного угля, находящегося в воздушно-сухом состоянии. Размол сравниваемых топлив производится от одинаковой крупности до одной и той же тонкости помола. Практический коэффициент К_ло показывает, во сколько раз производительность мельницы при размоле данного топлива выше, чем при размоле эталонного топлива, близкого по свойствам к АШ. Коэффициент размолоспособности К_ло по шкале ВТИ для некоторых топлив имеет следующие значения:

Егоршинский полуантрацит 1,5

Донецкий тощий уголь 1,8

Кизеловский газовый 1,0

Подмосковный бурый 1,7

Сланцы эстонские 2,5

Целесообразная тонкость помола топлива находится в зависимости от его стоимости и реакционной способности, характеризуемой в основном выходом летучих. С повышением выхода летучих, способствующих более интенсивному горению топлива, применяется более грубый помол. Тонкость помола для различных углей выбирается на основе технико-экономических соображений. Уменьшение размеров пылинки приводит к росту удельной поверхности топлива, что благоприятствует его горению, однако это связано с увеличением расхода энергии на пылеприготовление. С угрублением помола расход энергии на пылеприготовление уменьшается, однако увеличивается потеря тепла от механического недожога.

Потеря тепла от механического недожога в основном зависит от содержания в пыли грубых фракций, количество которых для АШ, полуантрацитов, тощих и каменных углей определяется остатками на сите 200 мкм, а для бурых углей и сланцев – на сите 1000 мкм.

С учетом выхода летучих для получения минимальных потерь рекомендуются следующие остатки на ситах:

АШ, ПА и тощий уголь 7 – 15 0,3 – 1,2 —

Каменный уголь 15 – 40 1,3 – 13 —

Бурый уголь и сланцы 40 – 60 15 – 35 0,5– 1,5

Для размола топлива применяют различные мельничные устройства, использующие в работе принципы удара и раскалывания, раздавливания и истирания. В отличие от дробилок, где кратность измельчения, т.е. отношение средних размеров куска до измельчения и после, доходит до 20, в мельницах эта величина достигает 200 — 500.

Для приготовления угольной пыли применяются следующие мельничные устройства:

тихоходная шаровая барабанная мельница ШБМ;

среднеходная мельница СМ;

быстроходная молотковая мельница ММ;

быстроходная мельница-вентилятор МВ.

Особенности горения угольной пыли

По конфигурации факела различают топки с U-образным факелом (рис. 28а) и L-образным факелом (рис. 28б).

Наибольшее распространение нашли топки с L — образным факелом.

Рис. 28. Схема топок с U-образным и L-образным факелами

По способу удаления шлака различают пылеугольные топки с твердым (гранулированным) и жидким шлакоудалением.

Топки для факельного сжигания угольной пыли с твердым шлакоудалением

В пылеугольных топках поведение шлакозолового остатка оказывает решающее влияние на производительность и экономичность топочного устройства. Развитие и совершенствование пылеугольных топок в основном были связаны с решением вопроса улавливания и удаления шлака. В отличие от слоевого сжигания твердого топлива, где до 80 % золы остается в слое и только незначительная ее часть выносится в объем топочной камеры, а затем уносится газовым потоком в газоходы, при факельном сжигании вся зола проходит через топочный объем. Основная масса золы (85 – 95 %) уносится вместе с газовым потоком, а меньшая часть (5 — 15 %) выпадает в топочной камере.

Температура пылеугольного факела, особенно его ядра, превышает температуру плавления золы t_ф > t_з. В связи с этим при выгорании горючего зола топлива плавится и в виде мельчайших капелек в жидком состоянии перемещается с газообразными продуктами сгорания. Следует подчеркнуть, что частицы топлива, выносимые в небольшом количестве в топочный объем при слоевом сжигании, имеют размер 200 – 300 мкм, в то время как при факельном сжигании средний размер частиц составляет всего 15 – 30 мкм. Поступление в топочный объем всего количества золы топлива при сжигании пыли и малый размер самих пылинок предопределяют большую суммарную поверхность оплавленных частиц. Расплавленный шлак, попадая на кирпичные стенки топочной камеры, зашлаковывает их и способствует их износу. При попадании на холодные конвективные поверхности нагрева котла расплавленный шлак оседает на трубах, постепенно образуя шлаковые наросты. При этом резко возрастает сопротивление газового потока, а также ухудшается передача тепла поверхностям нагрева.

Широкое применение пылевидного сжигания стало возможным лишь при установке в топочной камере охлаждаемых водой экранов, обеспечивающих защиту как стенок топки от разрушающего воздействия высокой температуры и химического взаимодействия с жидким шлаком, так и конвективных поверхностей нагрева от зашлаковывания. Кроме непосредственной защиты стенок топочной камеры от шлака, экраны воспринимают от газа и летящих частиц тепло радиации, снижая их температуру так, что при входе в конвективные элементы частицы шлака находятся уже в затвердевшем состоянии и не налипают на трубы. Пылеугольные топки, в которых выпадающая зола удаляется в твердом (гранулированном) виде, называются топками с твердым шлакоудалением (рис. 29). Топочные экраны наряду с выполнением указанных защитных функций являются наиболее эффективно работающими поверхностями нагрева с тепловой нагрузкой 0,1 — 0,3 МВт/м 2 . Для охлаждения оседающих в топке жидких шлаковых частиц нижнюю часть топки выполняют в виде полностью экранированной холодной шлаковой воронки. Наклон стенок воронки к горизонту составляет около 60° для обеспечения сползания гранулированного шлака в шлаковую шахту, которая находится под холодной воронкой.

Серьезным недостатком пылеугольных топок с твердым шлакоудалением является вынос из топочной камеры в газоходы агрегата основной массы золы топлива, что не позволяет значительно интенсифицировать передачу теплоты конвекцией во избежание истирания труб золой при увеличении скорости потока. При твердом шлакоудалении холодная воронка неблагоприятно влияет на процесс горения, так как зона низкой температуры оказывается при этом в непосредственной близости от горелок. В связи с этим стремятся отдалить горелки от холодной воронки, что приводит к увеличению высоты топки. Повышение температуры в области холодной воронки может привести к получению не гранулированного (сыпучего) шлака, а вязкой массы, что вызовет шлакование холодной воронки.

Рис. 29. Схема топки с твердым шлакоудалением

При высокой степени экранирования топочной камеры воспламенение топлива вообще затрудняется; особенно это относится к малореакционным углям типа АШ. Для интенсификации зажигания, а также повышения устойчивости горения малореакционных углей применяется зажигательный пояс, представляющий собой часть топочных экранов (в области горелок), покрытых огнеупорными материалами (рис. 30). Применяют два типа зажигательных поясов: покрытие гладких экранных труб фасонными кирпичами и обмазку ошипованных труб огнеупорной карборундовой или хромитовой массой. Высота пояса зависит от производительности котла и достигает 3 — 4 м.

Для более полного выгорания пыли в хвостовой части факела необходимо иметь высокую температуру. Особенно это важно при сжигании малореакционных углей, для которых здесь требуется температура 1250 — 1300 °С. Такое требование, однако, всегда приходит в противоречие с необходимостью охладить газы в топочной камере до температуры, исключающей шлакование конвективных поверхностей нагрева. Это противоречие, так же как и ряд других недостатков, присущих топкам с твердым шлакоудалением, устраняется при переходе на жидкое шлакоудаление.

Рис. 30. Зажигательный пояс

Топки для факельного сжигания угольной пыли с жидким шлакоудалением

В отличие от топок с твердым шлакоудалением, в топках с жидким шлакоудалением температуру в нижней части топочной камеры поддерживают такой, чтобы обеспечить не только полное расплавление шлаков, но и удаление их в жидком виде из топки. Схемы пылеугольных факельных топок с жидким шлакоудалением показаны на рис. 31.

В однокамерной открытой топке (рис. 31а) пылевидное топливо через горелку поступает в камеру, стенки которой покрыты ошипованными футерованными экранными трубами. В связи с этим в камере при горении топлива развивается достаточно высокая температура, обеспечивающая плавление шлака. Расплавленный и уловленный здесь шлак через летку стекает в ванну (на рис. не показана), где гранулируется водой и затем удаляется.

В камере охлаждения, имеющей открытые экранные поверхности и являющейся непосредственным продолжением камеры плавления, происходит охлаждение газов и содержащегося в них расплавленного шлакового уноса. На выходе из камеры плавления при поступлении в последующие конвективные поверхности унос должен иметь температуру, исключающую его налипание на поверхности нагрева.

В отличие от топок с твердым золоудалением, где в топочной камере оседает около 5 % золы, а остальная зола уносится газообразными продуктами горения, в однокамерной открытой топке с жидким шлакоудалением улавливается и удаляется 15 – 30 % общего количества золы. Следует, однако, отметить, что для такой открытой топки в области перехода от «горячей» к «холодной» зоне, где температура снижается и шлак теряет текучесть, наблюдается интенсивное шлакование экранных поверхностей нагрева. Это усложняет эксплуатацию и снижает эффективность поверхностей нагрева.

Рис. 31. Схемы пылеугольных факельных топок с жидким шлакоудалением:

1 – поверхность топки, покрытая огнеупорной обмазкой;

2 – холодная радиационная поверхность; 3 – подача топлива;

4 – шлакоулавливающий пучок труб, покрытых огнеупорной

Значительно более благоприятны условия работы полуоткрытой однокамерной топки с жидким шлакоудаленяем (рис. 31б). Здесь, благодаря специально выполненному пережиму, зона плавления и зона охлаждения в значительной степени разделены. В камере горения экранные трубы ошипованы и покрыты огнеупорной обмазкой. Процесс сжигания топлива почти полностью завершается в этой камере; объем ее относительно ограничен, в связи с чем объемная плотность тепловыделения составляет здесь 0,5 — 0,8 МВт/м 2 , а температура 1700 – 1800 °С. В камере улавливается 20 — 40 % золы топлива, удаляемой в жидком состоянии через летку. В верхней части топки расположены открытые экранные поверхности, обеспечивающие охлаждение газа и уноса.

В двухкамерной топке с жидким шлакоудалением (рис. 31в) камера горения и камера охлаждения разделены шлакосепарационной решеткой, выполненной из разведенных ошипованных экранных труб, имеющих огнеупорную обмазку. Основное количество расплавленного шлака улавливается в камере горения. Дополнительно уловленный в шлакосепараторе шлак стекает на под топки, откуда через летку весь шлак поступает в водяную ванну для грануляции.

В двухкамерной топке улавливается до 70 % всей золы. Еще большего улавливания золы (80 — 95 %) в пределах топочной камеры достигают при применении рассматриваемых далее циклонных топок.

Улавливание значительного количества золы в пределах топочной камеры уменьшает загрязнение поверхностей нагрева, а также их износ летучей золой. При этом возможно повышение скорости дымовых газов, что интенсифицирует передачу тепла конвективным поверхностям нагрева. При жидком шлакоудалении благодаря высокой температуре в топочной камере снижаются потери тепла от механического недожога. Так, при сжигании АШ, при переходе от твердого шлакоудаления к жидкому потери тепла от механического недожога снижаются с 6 — 7 до 3 — 4 %.

К недостаткам топок с жидким шлакоудалением можно отнести повышенные потери с физическим теплом шлака. При многозольном топливе эта потеря может достигать 2 — 3 %. Однако следует отметить, что тепло жидких шлаков, так же как и сами шлаки, может использоваться для различных технологических процессов. Кроме того, высокая температура горения приводит к увеличению концентрации оксидов азота в дымовых газах.

Топки с жидким шлакоудалением применяют для низкореакционных топлив, имеющих благоприятные температурные и вязкостные характеристики золы и шлака, и топлив с относительно легкоплавкой золой.

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.

Рис. 32. Схема циклонных топок с жидким шлакоудалением:

а – горизонтальная топка; б – вертикальная топка с нижним

выводом газов; в – вертикальная кольцевая топка с верхним

Циклонные камеры работают с высокими объемными плотностями тепловыделения МВт/м 3 и плотностью теплового потока на сечении циклона МВт/м 2 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/м 3 ; МВт/м 2 ; . 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/м 3 , 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 недостаткам циклонных 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 недожогаq₃ + 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.

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.

Источник