4.3.6. Горение твердого топлива (гетерогенное горение)

Примеры горения свечи и древесины показан на рис. 11-12.

Рис. 11. Распределение температур в пламени при горении.

Рис. 12. Этапы сгорания древесины.

Слоевое сжигание твердого топлива в печах показано на рис. 13.

Для горения топлива нужно количество воздуха, пре­вы­шающее в несколько раз по весу количество топлива. При продува­нии слоя топлива воздухом сила аэродинамического давления потока Р может быть меньше веса кусочка топлива G или, наоборот, больше его (рис. 14-15).

Рис. 13. Слоевое сжигание твердого топлива в печах.

В топках с «кипящим слоем» «кипение» связано с разъединением частиц топлива, что увеличивает объем слоя в 1,5-2,5 раза. Движение час­тиц топ­лива (обычно они от 2 до 12 мм) похоже на движение кипящей жидко­сти, почему такой слой и получил на­звание «кипящего».

Рис. 14. Изменение «кипящего» слоя при различных количествах воздуха,

подаваемого для горения.

В топках с «кипящим» слоем газо-воздушный поток не циркулирует в слоевой зоне, а прямоточно продувает слой (рис. 14-15). Поток воздуха, пронизывающий слой, испытывает неоднородное торможение, что соз­дает слож­ное поле скорос­тей, в котором частицы все время меняют свою парусность в зависимости от положения в потоке. Частицы при этом приобретают враща­тельно-пульсирую­щее движение, которое и создают впечатление кипящей жид­кости.

Процесс сгорания твердого топли­ва может быть условно разделен на ста­дии, накладывающиеся одна на другую. Эти стадии протекают в разных темпе­ратурных и тепловых ус­ловиях и требуют различного количе­ства окислителя.

Свежее топливо, поступающее в топку, подвергается более или менее бы­ст­рому нагреванию, из него испаря­ется влага и выделяются лету­чие вещества - продукты сухой пере­гонки топлива. Одновременно протека­ет процесс коксооб­разования. Кокс сго­рает и частично газифицируется на ко­лосниковой решетке, а газообразные продукты сгорают в топочном прост­ранстве. Негорючая мине­ральная часть топлива при сгорании топ­лива превращается в шлак и золу.

Рис. 15. Сжигание твердого топлива в слоевых и камерных топках.

4.4. Конструкции различных топок

Топочным устройством или топкой называют часть котельного агре­гата, которая предназначена для сжигания топлива и выделения химичес­ки связан­ной в нем теплоты. Вместе с тем топка является теплообменным уст­ройством, в котором поверхностям нагрева отдается излучением часть тепла, выделивше­гося при горении топлива. Кроме того, при сжигании твердого топ­лива в топке выпадает некоторая часть образующейся золы.

В соответствии с видом сжигаемого топлива различают топки для сжига­ния твердого, жидкого и газообразного топлива. Кроме того, есть топки, в которых одновременно можно сжигать различные виды топ­лива: твер­дое с жидким или газообразным, жидкое и газообразное.

Существуют три основных способа сжигания топлива: в слое, факеле и вихре (циклоне). В соответствии с этим топки разделяют на три больших класса: слоевые, факельные и вихревые. Факельные и вихревые топки часто объединяют в общий класс камерных топок.

Рис. 16. Классификация слоя при сжигании твердого топлива: а – плотный слой; б - «кипящий» слой; в и г – взвешенный слой (гетерогенные факелы).

В слое топливо сжигают под котельными агрегатами паропроизводитель­ностью до 20-35 т/ч. В слое можно сжигать только твердое кусковое топливо, например: бурые и каменные угли, кусковой торф, горючие сланцы, древесину. Топливо, подлежащее сжиганию в слое, 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 (рис. 17):

1 – топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежа­щим на ней слоем топлива (рис. 17, а и б);

2 – топки с движущейся колосниковой решеткой, перемещающей лежа­щий на ней слой топлива (рис. 17, в, г);

3 – топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемещающимся по ней слоем топлива (рис. 17, д, е, ж).

Рис. 17. Схемы топок для сжигания топлива в слое: а – ручная горизонтальная колосниковая решетка; б – топка с забрасывателем на неподвижный слой; в – топка с цепной механической решеткой; г – топка с механической цепной

ре­шеткой обратного хода и забрасывателем; д – топка с шурующей планкой; е – топка с колосниковой решеткой; ж – топка системы Померанцева.

Самой простой топкой с неподвижной колосниковой решеткой и непод­вижным слоем топлива является топка с ручной горизонтальной колосниковой решеткой (рис. 17, а). На этой решетке можно сжигать твердое топливо всех видов, но необходимость ручного обслуживания ограничивает область приме­нения ее в котлах очень малой паропроизводительности (до 1-2 т/ч).

Для слоевого сжигания топлива под котлами большей паропроизводи­тельности механизируют обслуживание топки и прежде всего - подачу 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. 17, б). В таких топках можно сжигать каменные и бурые угли, а иногда и антрацит под котлами паропроизводитель­ностью до 6,5-10,0 т/ч.

К классу топок с движущейся колосниковой решеткой, перемещаю­щей лежащий на ней слой топлива, относят топки с механической цепной решеткой (рис. 17, 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 в конце решетки шлак 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 веществ V^Г = 10-25 % на горючую массу. В таких топках можно также сжигать сортированный антрацит. Для работы на спекающихся углях, а также на углях с легкоплавкой золой топки с цепной ре­шет­кой непригодны. Эти топки можно устанавливать под котлами паропроизводительностью от 10 до 150 т/ч, но в России их устанавливают под паровыми кот­лами паропроизводительностью 10-35 т/ч главным образом для сжигания сор­тированного антрацита.

Для сжигания топлива большой влажности, в частности кускового торфа, цепную решетку комбинируют с шахтным предтопком, который нужен для предварительной сушки топлива. Самая распространенная шахтно-цепная топка – это топка профессора Т. Ф. Макарьева.

Другим типом топки рассматриваемого класса являются топки с цепной решеткой обратного хода и забрасывателем. В этих топках колосни­ковое по­лотно решетки движется в обратном направлении, т. е. от задней стенки топки к передней. На фронтальной стене топки размещены забрасыва­тели, непрерывно подающие топли­во на полотно. Выгоревший шлак ссыпается с решетки в шла­ковый бун­кер, размещенный под передней частью топки. Топки рассматривае­мо­го типа значительно меньше чувствительны к качеству топ­лива, чем топки с решеткой прямого хода, поэтому их применяют для сжи­гания как сортирован­ных, так и не сортированных каменных и бурых углей под котлами паропроизводительно­стью 10-35 т/ч.

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 топливо пере­ме­щается вдоль неподвижной горизонтальной колосниковой решетки специаль­ной планкой особой формы, движу­щейся возвратно-поступательно по колосни­ковому полотну. Применяют их для сжигания бурых углей под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч. Разновидностью топки с шурующей планкой является факельно-слоевая топка системы профессора С. В. Татищева, получившая приме­нение для сжигания фрезерного торфа под котлами паропроизводитель­ностью до 75 т/ч. Она отличается от обычной топки с шурующей план­кой на­личием шахтного предтопка, в котором происходит предваритель­ная подсушка фрезерного торфа дымовыми газами, засасываемыми в шахту специальным эжектором. В этой топке можно также сжигать бурые и каменные угли.

В топках с наклонной колосниковой решеткой и ско­ростных топках сис­темы В. В. Померанцева топ­ливо, поступив в топку сверху, при сгорании сползает под дей­ствием силы тяжести в нижнюю часть топки, позволяя поступать в топку новым пор­циям топлива. Эти топки применяют для сжигания древесных отходов под котлами паропроизводительностью от 2,5 до 20 т/ч, а шахтные топки и для сжигания кус­кового торфа - под котлами паропроизводительностью до 6,5 т/ч.

В связи с особенностями топливного баланса России, в котором используют в основном каменные и отчасти бу­рые угли, больше всего рас­пространены топки с забрасывателями и механические цепные ре­шетки. Топки же, предназначенные для сжигания торфа, сланцев и древесины, распространены значительно меньше, так как топливо этих видов в топливном балансе России играет второстепен­ную роль.

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, основным элемен­том которых являются углеразмольные мельницы;

- жидкое топливо должно быть распылено на очень мелкие капли в специальных форсунках.

Жидкое и газообразное топливо сжигают под котлами любой паропроиз­водительности, а пылевидное топливо - под котельными агрегатами паропроиз­водительностью начиная от 35-50 т/ч и выше.

Сжигание в факельном процессе топлива каждого из трех видов отлича­ется конкретными особенностями, но общие принципы факельно­го способа сжигания остаются одинаковыми для всякого топлива.

Факельная топка (рис. 18) представляет собой прямоугольную камеру 1, выполненную из огнеупорного кирпича, в которую через горелки 2 вводят в тесном контакте топливо и воздух, необходимый для его горения, то есть топливо-воздушную смесь. Эта смесь воспламеняется и сгорает в образовавшемся фа­келе. Газообразные продукты сгорания покидают топку в ее верхней части. При сжигании пылевидного топли­ва с этими продуктами сгорания в газоходы котла уносится и значитель­ная часть золы топлива, а остальное количество золы вы­падает в нижнюю часть (шлаковую воронку) топки в виде шлака.

Рис. 18. Схемы камерных топок: a – однокамерная топка для пылевидного топ­лива с твердым шлакоудалением; б – однокамерная топка для пылевид­ного топ­лива с жидким шлакоудалением; в – топка для жидкого и газообраз­ного топ­лива; г – топка с полуоткрытой топочной камерой для сжигания пы­левид­ного топлива.

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 главное - они представляют собой эффектив­ную поверхность нагрева, восприни­мающую большое количество тепла, излучаемого факелом. Поэтому эти топоч­ные экраны становятся очень эффективным 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; б) топки с жидким шлакоудалением.

Камера 1 топки с удалением шлака в твердом состоянии (рис. 18, а) огра­ничена снизу шлаковой воронкой 3, стенки которой защищены экранными тру­бами. Эта воронка получила название «холодной». Кап­ли шлака, выпадающие из факела, попадая в эту воронку, вследствие относительно низкой темпера­туры среды в ней затвердевают, гранули­руясь в отдельные зерна. Из холодной воронки гранулы шлака через горловину 4 попадают в шлакоприемное устрой­ство 5, из которого они специальным механизмом удаляются в систему шлако­золоудаления.

Камера 1 топки с жидким шлакоудалением (рис. 18, б) ограничена снизу горизонтальным или слегка наклонным подом 3, вблизи которого в результате тепловой изоляции нижней части топочных экранов поддерживают температу­ру, превышающую температуру плавления золы. В результате этого 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 одно- (рис. 18, б) и двух­камерные для крупных котлов (рис. 18, г). В последних топочная камера разде­лена на две камеры:

1 - камеру горения, в которой происхо­дит горение топлива;

2 - камеру охлаждения, в которой продукты сго­рания охлаждают.

Экраны камеры горения покрывают тепловой изоляцией, чтобы максимально повысить температуру горения с целью более надежного получе­ния жидкого шлака, а экраны ка­меры охлаждения - открытыми, чтобы они могли больше снизить температуру продуктов сго­рания.

Факельные топки для жидкого и газообразного топлива (рис. 18, в) вы­полняют с горизонтальным или слегка наклонным по­дом.

В очень крупных котельных агрегатах наряду с топочными камерами призматической формы делают так называемые полуоткрытые каме­ры, ко­торые имеют особый пережим, разделяющий топку на две зо­ны: горения и охлаждения. Полуоткрытые камеры выполня­ют для сжига­ния пылевидного (рис. 18, г), жидкого и газо­образного топлива.

Факельные топки можно также классифицировать по ти­пу горелок, кото­рые бывают прямоточными и завихривающими, и по расположению го­релок в топочной камере. Го­релки размещают на передней и боковых стенах ее и по углам топочной камеры (рис. 18). В круп­ных котельных агрегатах воз­можно применять также встречное размещение горелок на передней и задней стенах топки (рис. 18, г).

В вихревых (циклонных) топках можно сжигать твердое топ­ливо и с высоким содержанием летучих, измельченное до пыле­видного состояния или до размеров зерна 4-6 мм, а также (по­ка редко) мазут.

Принцип работы циклонной топки заключается в том, что в почти го­ризонтальном (рис. 19, а) или в вертикальном цилинд­рическом предтопке 1 небольшого диаметра (рис. 19, б) создается газовоздушный вихрь, в котором частицы горящего топлива многократно обращаются до тех пор, пока они не сгорают почти полностью во взве­шенном состоянии.

Рис. 19. Схемы циклонных топок: а – топка с горизонтальными циклонными предтопками; б – топка с вертикальными циклонными пред­топками.

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 измельченного твердого топлива камеры дожигания не делают и продукты сгорания выводят непосредственно из пред­топков в камеру охлаждения. Циклонные топки применяют в котельных агрегатах относительно высо­кой паропроизводительности.

Кроме перечисленных выше трех основных способов сжигания топ­лива, существуют еще некоторые промежуточные способы.