10 Выбор и обоснование типа и количества горелок, их размещения на стенах топочной камеры

Компоновка горелок и форма топочной камеры, ее размеры взаимосвязаны и имеют решающее значение для надежности и экономичности работы топки и котла в целом. Топочное устройство (горелки вместе с топкой) должно удовлетворять основным требованиям, обеспечивающим [1]:

• эффективное смешение топлива с необходимым для горения количеством воздуха, устойчивое воспламенение и заданную экономичность сжигания топлива при рекомендованных значениях тонкости пыли и температуры горячего воздуха без сепарации пыли, при отсутствии коррозии, эрозии и шлакования радиационных и конвективных поверхностей нагрева в пределах регулирования его нагрузки: от 70 до 100% от номинальной для низкореакционных твердых топлив при ТШУ и всех топлив при ЖШУ, 50 – 100% при сжигании высокореакционных топлив в топках с твердым шлакоудалением и 30 - 100% при сжигании газа и мазута;

• минимальное количество вредных выбросов, прежде всего, оксидов азота и серы;

• равномерное распределение тепловых нагрузок по периметру топки (не допускается наброс факела на экраны);

• вытекание жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением в указанном диапазоне нагрузок;

• возможность растопки котла на жидком или газообразном топливе;

• возможность работы на резервном топливе и быстрый переход с основного топлива на резервное и обратно;

• экономичную работу котла при совместном сжигании твердого топлива и газа или мазута;

• уровень звукового давления не должен превышать 80 – 85 дБ;

• возможность автоматического регулирования управления процессом горения;

• простоту изготовления и удобство при монтаже и ремонте;

• надежность и долговечность работы.

10.1 Выбор типа, размеров, количества и компоновки горелок

В зависимости от организации подачи топлива и воздуха горелки подразделяются на вихревые, прямоточные и комбинированные (прямоточно-вихревые); у последних один из потоков подается в топку незакрученным, а другой – закрученным [1].

Исходя из рекомендаций [1] для данного топлива с высоким выходом летучих веществ (V^daf = 46%), принята топочная камера с тангенциальным расположением прямоточных горелок с односторонней подачей пылевоздушной смеси (ГПО). Прямоточные горелки по сравнению с вихревыми проще конструктивно и в изготовлении, имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, а их недостаток – затягивание перемешивания топлива с воздухом превращается в достоинство с точки зрения снижения уровня образования токсичных окислов азота.

Так как горелки меньшей мощности рекомендуются для шлакующих углей [1], а заданное топливо малошлакующее, то тепловая мощность горелки выбрана Q_г = 35 МВт.

Число горелок рассчитывается по формуле [1]

,

где B – полный расход топлива, кг/с.

= = 9.89 ≈ 8.

Действительная мощность одной горелки рассчитывается по формуле

МВт.

10.2 Конструирование и расчет горелочных устройств

Размеры выходных амбразур горелок определяются через площади сечений каналов, необходимых для прохода пылевоздушной смеси (f₁) и вторичного воздуха (f₂) [1]:

;

.

где V₁ и V₂ – объемный расход через горелку пылевоздушной смеси (V₁) и вторичного воздуха (V₂), м³/с;

W₁ и W₂ – скорость пылевоздушной смеси и вторичного воздуха в каналах горелки, м/с.

Скорость пылевоздушной смеси принимается равной W₁ = 23 м/с [1], и скорость вторичного воздуха W₂ = 1,9∙W₁ = 1,9∙23 = 43,7 м/с.

Так как пыль транспортируется всем сушильным агентом (схема с прямым вдуванием), то объемный расход через горелку пылевоздушной смеси равен [1]

,

где V_вл.см = 2,34 м³/кг – объемный расход влажной смеси за пылесистемой [3].

м³/с;

Объемный расход через горелку вторичного воздуха определяется выражением [1]

,

где α₂ - коэффициент подачи через горелку вторичного воздуха;

= 2.53м³/кг - теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг топлива, при избытке α = 1 и нормальных условиях (101,3 кПа; 0 °С);

t₂ = t_г.в = 400 °С – температура вторичного воздуха.

Коэффициент подачи вторичного воздуха α₂ находится из выражения для коэффициента избытка воздуха в горелках [1]

α_г = α₁ + α₂ + α_с + α_г.рц + α_ц,

где α₁ – коэффициент подачи первичного воздуха, при транспорте пыли сушильным агентом с подачей всего его количества в канал пылевоздушной смеси определяемый по формуле

,

где g₁ = 1.78кг/кг – количество (масса) сушильного агента, подаваемого в пылесистему [3];

r_в – суммарное количество воздуха на входе в пылеприготовительную установку в долях от g₁, определяемое из выражения [1]

r_в = r_г.в + r_х.в + r_д.г∙r_в.г,

где r_г.в – количество горячего воздуха, поступающего на сушку, в долях от g₁;

r_х.в - количество холодного воздуха, подаваемого на сушку, в долях от g₁;

r_д.г – количество дымовых газов, поступающих на сушку, в долях от g₁;

r_в.г – количество воздуха в дымовых газах, поступающих на сушку, в долях от r_д.г;

Для данной пылесистемы r_в = 1, так как сушильный агент подается в пылеприготовительную установку весь в количестве g₁.

k_з – коэффициент, который учитывает возможность увеличения присосов в условиях эксплуатации из-за нарушения плотности пылесистемы; так как пылеприготовительная установка работает под давлением, то k_з = 0;

k_прс = 0 - коэффициент присоса воздуха в пылесистеме;

= 0,54;

α_с - коэффициент подачи воздуха через канал сушильного агента в пределах горелки; так как транспорт пыли осуществляется всем количеством сушильного агента, то α_с = 0;

α_г.рц - коэффициент подачи воздуха через специальный канал газов рециркуляции в пределах горелки; α_г.рц = 0 в следствие отсутствия рециркуляции газов через горелки.

α_ц - коэффициент подачи центрального воздуха, поступающего в центральный канал вихревых горелок; для прямоточных горелок α_ц = 0.

Коэффициент избытка воздуха в горелках на поданное в них топливо α_г связан с коэффициентом избытка α_т и присосами Δα_т воздуха в топке, принимаемыми на сгоревшее топливо, соотношением (при подаче всего сушильного агента через горелки) [1]

,

где Δα_нер.г - коэффициент подачи горячего воздуха, поступающего в неработающие горелки для их охлаждения; так как считается, что все горелки работают, то Δα_нер.г = 0.

= = 1,16;

Коэффициент подачи вторичного воздуха α₂ равен

;

Объемный расход вторичного воздуха через горелку равен:

13.2 м³/с.

Площади сечений каналов, необходимых для прохода пылевоздушной смеси (f₁) и вторичного воздуха (f₂) равны:

0,303м²;

0,302 м².

Для прямоточных горелок связь между площадями f₁ и f₂ и размерами каналов первичного и вторичного воздуха выходной амбразуры горелок определяется зависимостями [1]:

;

,

где z_c1 и z_c2 - число сопл пылевоздушной смеси и вторичного воздуха в одной горелке;

и - высота сопла пылевоздушной смеси ( ) и вторичного воздуха ( ), м;

и - ширина сопла пылевоздушной смеси и вторичного воздуха, м.

Для вертикально-щелевых горелок с односторонней подачей пылевоздушной смеси при твердом шлакоудалении размеры каналов первичного и вторичного воздуха рекомендуется подбирать такими, чтобы выполнялись следующие соотношения [1]:

2 – 4; 4 – 6; 4 – 6; 0,5 – 1,2; 14 – 22; h₁ = h₂.

Данные рекомендации при f₁ = 0.303 м² и f₂ = 0.302 м² соблюдаются только тогда, когда у горелки будут два сопла пылевоздушной смеси и одно сопло вторичного воздуха. Но такая горелка невыгодна с точки зрения маневренности котла. Для снижения производительности котла необходимо уменьшить расход топлива, отключив одно сопло горелки, и снизить подачу воздуха, необходимого для горения. Но так как короб вторичного воздуха один, то придется уменьшать скорость вторичного воздуха, что плохо отразится на общей вихревой структуре потока в топке. Поэтому число сопл z_c1 и z_c2 принимается равными двум, так как при отключении одной пары сопл, вторая пара будет работать, сохраняя нужный вихрь.

Соотношение h₁/b₁ принимается равным 4. Отсюда размеры каналов первичного и вторичного воздуха выходной амбразуры горелок определяется следующим образом:

;	м;
h1 = h2 = 4∙b1 =-4∙0,19 = 0,76 м;	b2 = f2/(2∙h2) = 0,303/(2∙0,76) = 0,19 м.

Размеры амбразуры и габариты горелки следующие

b_а ≈ b_г = b₁ + b₂ = 0,19 + 0,19 = 0,38 м;

Расстояние между соплами задается не менее 0,1 м и не более 2,5∙b_г = 2,5∙0,38 =

= 0,95 м:

h_р = 0,152 м;

h_а ≈ h_г = h₁ + h_р + h₂ = 0,76 + 0,152 + 0,76 = 1,672 м.

Соотношения между размерами горелки получаются следующими:

; ; ; ;h₁ = h₂.

По выше проведённым расчётам была сконструирована прямоточная горелка с односторонней подачей пылевоздушной смеси.

Все размеры и габариты смотреть на рисунке 10.1.

1 – пылевоздушная смесь; 2 – вторичный воздух; 3 – мазут; 4 – запально-защитное

устройство (ЗЗУ); 5 – лючок, гляделка.

Рисунок 10.1 – Горелка прямоточная вертикально-щелевая с односторонним

подводом пылевоздушной смеси (ГПОв)