4.2. Немеханізовані, напівмеханізовані та механічні топки для спалювання твердого палива в щільному шарі

До напівмеханізованих топок відносять швидкісні топки системи ЦКТИ–Померанцева та топки з пневмомеханічними закидачами системи ЦКТИ з решіткою із поворотних колосників.

Топки з пневмомеханічними закидачами ПМЗ системи ЦКТИ відносяться до групи топок з горизонтальними колосниковими решітками з механізованою верхньою подачею палива на нерухомій горючий шар з періодичними видаленнями шлаку.

Особливістю даних топок є суміщення двох принципів закидання вугілля на колосникову решітку: механізованого та пневмомеханізованого.

Механічний є основний, а пневмомеханічний забезпечує розвіювання дрібних фракцій палива (розміром до 1 мм) в топковій камері та по довжині решітки.

Топки з ПМЗ складаються з горизонтальної колосникової решітки з поворотними колосниками РПК безпровального профілю, пневмомеханічних закидачів, пристрою повернення виносу і топкової гарнітури (рис 4.2).

Рис. 4.2. Топка ПМЗ–РПК

1 – шлаковий затвор; 2 – повітряний короб; 3 – фронтові плити з зольними дверцями; 4 – фронтові плити з завантажувальними дверцями; 5 – привід закидачів; 6 – вал групового управління закидачами; 7 – з’єднувальна муфта; 8 – колосникова решітка; 9 – пневмомеханічний закидач; 10 – вугільний ящик

4.3. Механізовані шарові топки

Однією з характерних особливостей робочого процесу даних топок є одностороннє верхнє займання палива на решітці за рахунок променевої енергії топкових газів і випромінювання футерівки, а також відсутність перемішування палива на колосниковій решітці. Крім того, у таких топках паливо рухається разом із решіткою. Стійке горіння шару палива забезпечується підтримується відносно товстого шару палива на решітці. Недоліки: спалювання несортованого рядового вугілля з підвищеним вмістом мілких фракцій сприяє розвитку кратерного горіння палива і шлакуванню шару на решітці. Малоінтенсивне верхнє займання утруднює стійке загоряння високо вологих палив та палив, що важко займаються, в результаті цього зона горіння коксу зміщується до кінця решітки, збільшується втрата теплоти від механічної неповноти згоряння. Ланцюгові решітки не пристосовані до спалювання високозольного вугілля з легкоплавкою золою.

На рис. 4.3 наведена механізовані топки з колосниковими решітками прямого та зворотного ходу.

Рис.4.3. Механізовані топки з колосниковими решітками:

а) – прямого ходу; б) – зворотного ходу

4.4. Топки з киплячим шаром

Проміжною ланкою між шаровими та пилевугільними топками є топки з киплячим шаром, де паливо спалюється у зваженому стані в масі киплячого шару, що утворюється за рахунок позонного продування палива повітрям.

Впровадження топок з киплячим шаром в промисловості багатьох країн світу викликано перш за все зростаючими екологічними проблемами: оскільки, по-перше, в топках з киплячим шаром можна перетворити значну частину сірки у безпечний гіпс; по-друге, у кращих конструкціях топок знижуються викиди оксидів азоту.

Топки із стаціонарним киплячим шаром характеризуються тепловою напругою площі решітки 1 – 2,5 МВт/м², споживанням електроенергії на власні потреби 14 кВт/МВт. Їх використання для котлів продуктивністю до 25 – 30 т/год замість шарових топок дозволяє забезпечити: ефективне спалювання низькоякісних сортів твердого палива, які не вдається спалити у шарових топках; суттєво зменшити викиди оксидів сірки і азоту; повністю механізувати і автоматизувати котельні на твердому паливі; отримати золу і шлак, які майже не містять горючих складових, і які можна використати в якості будівельних матеріалів; спалювання різних твердих горючих відходів.

Топки з циркуляційним киплячим шаром підвищують теплонапругу решітки до 5 – 6 МВт/м², і навіть до 7 МВт/м² [9] (хоча при цьому споживання електроенергії на власні потреби досягає 26 кВт/МВт); знижують викиди оксидів азоту до 250 мг/м³; зв’язують більше 90 % золи.

Дослідження показали, що такі топки по–перше, внаслідок інтенсивного перемішування частинок газовими бульбашками, дозволяють уникнути появу у шарі суттєвих температурних перекосів, навіть при нерівномірному по об’ємі тепловиділенні (це полегшує проблеми шлакування); по–друге, у цих топках різко інтенсифікується тепловіддача від киплячого шару до омиваючих його стін або до занурених труб. Частинка твердого матеріалу, охолоджуючись біля поверхні труби, що омивається зсередини робочим тілом, за рахунок різниці густин віддає на три порядки більше теплоти, ніж така ж за об’ємом частинка газу, при охолодженні до тієї ж самої температури. Коефіцієнт тепловіддачі до труб, які занурені у киплячий шар, складає у таких сучасних котлах 250 Вт/(м²·К).

Розміщення поверхні нагріву в об’ємі киплячого шару або на стінах, що обмежують цей шар, дозволило організувати низькотемпературне (800 – 900 ^ОС, інколи і до 1000 ^ОС) спалювання. При таких температурах сірковий ангідрид (SO₂), який утворюється при згорання палива, реагує в шарі з оксидами кальцію, які містяться в золі палива або у спеціально добавленому молотому вапняку і утворюється безпечний, нерозчинний у воді, гіпс

. (4.1)

Аналогічно SO₂ реагує з оксидами магнію. Внаслідок цього зменшуються шкідливі викиди SO₂ у атмосферу. Тобто є можливість використання вугілля з підвищеним вмістом сірки.

Одночасно при такій температурі азот повітря майже не окислюється, що також зменшує викиди оксидів азоту (NO_x) у атмосферу.

Горіння палива у топках з киплячим шаром є стійким при концентрації горючих складових у киплячому шарі, що складають проценти, а для високо реакційних палив – долі процентів. Все інше, в основному, може бути золою. Це дозволяє використовувати високозольне паливо та виводити золу із любої точки шару з мінімальними втратами від механічної неповноти згорання.

Процес у киплячому шарі здійснюється наступним чином. При збільшенні швидкості дуття повітря, яким знизу продувається паливо, динамічний напір потоку повітря може досягнути значення, яке рівне вазі частинок. При цьому стійкість частинок в шарі порушується. Швидкість дуття, яка відповідає цьому моменту, називається критичною.

При подальшому збільшенні інтенсивності дуття починається так зване кипіння шару (рис. 4.4). При цьому режимі дуття основна маса частинок палива знаходиться над решіткою, здійснюючи зворотно–поступальні рухи вверх і вниз, і інтенсивно перемішуючись з окислювачем. За зовнішнім виглядом шар нагадує киплячу рідину.

В киплячому шарі швидкість дуття перевищує межу стійкості шару палива, але середня швидкість газу в топці над шаром w_П далека від швидкості, при якій частинки знаходяться у завислому стані (якщо швидкість газового потоку перевищить таку межу, то частинки палива будуть згоряти рухаючись разом з потоком – факельний спосіб спалювання).

Рис. 4.4 Топка з киплячим шаром

У порівнянні із вихідним (нерухомим) шаром, об’єм палива при “кипінні” збільшується у 1,5 – 2 рази.

Існує декілька різновидностей даних топок.

Топка з киплячим стаціонарним шаром наведена на рис. 4.5. Киплячий шар золи 3, який містить 0,5 – 2 % горючих, підтримується газорозподільною решіткою 4, через яку підводиться необхідне для горіння повітря. Часто її конструкція передбачає і видалення золи 5. Паливо 1, а якщо потрібно і вапняк 2, як правило подаються на поверхню шару (інколи вводяться пневмотранспортом під його рівень). Для зниження температури шару у ньому розміщують труби 8 і екрани 7 з циркулюючим у них робочим тілом, а при спалюванні дешевих видів палива і відходів – просто подають під шар надлишкове (більш ніж необхідно для горіння) повітря.

Крупні відкоксовані частинки палива згорають у шарі, а більша частина летючих догорає у над шаровому просторі. Дрібні частинки високореакційних видів вугілля (наприклад, бурих), які виносяться із шару, також згорають над шаром. Частинки палива, яке горить погано (антрацити), згоріти не встигають. В результаті неповнота згорання з виносом може доходити до 20 %. Щоб зменшити це, такі частинки уловлюють за котлом і знову повертають (як правило пневматично) в шар або у надшаровий простір.

Рис. 4.5. Схема топки з стаціонарним киплячим шаром

1 – паливо; 2 – вапняк; 3 – киплячий шар золи; 4 – газорозподільна решітка; 5 – повітря; 6 – труби; 7 – екрани

Гази, які виходять із топки з температурою, що не перевищує 800 – 900 ^ОС, віддають теплоту розміщеним за топкою конвективним поверхням.

Швидкість газів в топках зі стаціонарним киплячим шаром вибирається в залежності від крупності палива в межах 2 – 4 м/с, оскільки при більших швидкостях зростає винос і, в результаті, отримуємо недопал з виносом.