36

Тема 5.Сжигание и горелки

Тема 5. Способы сжигания топлив и горелочные устройства.

5.1. Способы сжигания твердого топлива

5.2. Сжигание жидких топлив

5.2.1. Качество мазута.

5.2.2. Проблемы подготовки мазута к сжиганию

5.2.3. Проблемы при использовании мазута на котельных и ТЭЦ

5.3. Сжигание газообразных топлив

5.3.1. Подготовка газа

5.3.2. Особенности процесса горения природного газа

5.3.3. Сжигание газообразного топлива

5.3.4. Газовые горелки

5.4. Комбинированные горелки

5.5. Приборы контроля пламени

5.6. Газоанализаторы

5.7. Примеры газовых горелок

5.7.1. БК-2595ПС

5.7.2. МДГГ

5.7.3.БИГ-2-14

Weishaupt WG40

5.8. Удаление продуктов горения.

5.1. Способы сжигания твердого топлива

Способы сжигания. Топочное устройство, или топка, являет­ся основным элементом котельного агрегата или огневой промышленной печи и служит для сжигания топлива наиболее эко­номичным способом и превращения его химической энергия в тепло. В топке происходят горение топлива, передача части теп­лоты продуктов сгорания поверхностям нагрева, находящимся в зоне горения, а также улавливание некоторого количества очаговых остатков (золы, шлака). В современных котельных агрега­тах и печах до 50 % теплоты, выделенной в топке, передается поверхностям нагрева излучением. В топочной технике обычно используют следующие основные способы сжигания твердого топлива: слоевой, факельный (камер­ный), вихревой и сжигание в кипящем слое (рис. 5.5). Каждый из этих способов имеет свои особенности, касающиеся основных прин­ципов организации аэродинамических процессов, протекающих в топочной камере. Для сжигания жидких и газообразных топлив применяется только факельный (камерный) способ сжигания.

Слоевой способ. Процесс сжигания этим способом осуществляют в слоевых топках

(см. рис. 5.5а ), имеющих разнообразные конструкции. Слоевой процесс горения характерен тем, что в нем поток воздуха встречает при своем движении неподвижный или медленно движущийся слой топлива и, взаимодействуя с ним, превращается в поток топочных газов.

Важной особенностью слоевых топок является наличие запаса топлива на решетке, увязанного с его часовым расходом, что по­зволяет осуществлять первичное регулирование мощности топки только изменением количества подаваемого воздуха. Запас топли­ва на решетке обеспечивает также определенную устойчивость процесса горения.

В условиях современной топочной техники слоевой способ сжигания топлива является устаревшим, так как его различные схемы и варианты непригодны или трудно приспосабливаемы к крупным энергетическим установкам. Однако слоевые методы сжига­ния твердого топлива еще длительное время будут применяться в котельных малой и средней энергетики.

На рис. 5.6 6 показаны принципиальные схемы слоевых топок. При слоевом способе сжигания необходимый для горения воздух пода­ется из зольника 1 к слою топлива 3 через свободное сечение ко­лосниковой решетки 2. В топочной камере 4 над слоем горят газооб­разные продукты термического разложения топлива и вынесенные из слоя мелкие частицы топлива. Продукты сгорания вместе с из­быточным воздухом из топки поступают в газоходы котла.

Слоевые топки получили широкое применение в котлах малой и средней мощности. Они разделяются по нескольким классифи­кационным признакам. В зависимости от способа обслуживания бывают топки с ручным обслуживанием (см. рис. 5.6, а), немехани­зированные, полумеханизированные (см. рис. 5.6, б, в) и механизи­рованные (см. рис. 5.6, г, д). Представленные на рис. 5.6 слоевые топки могут быть разделены на три группы

Рис. 5.5. Способы сжигания твердого топлива

а – в плотном слое; б – в пылевидном состоянии; в – в циклонной топке; г – в кипящем слое.

1. Топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижно лежашим на ней плотным, фильтрующимся воздухом, слоем топлива (см. рис. 5.6, а, в). При возрастании скорости воздуха, Исходящего через слой топлива, последний может стать «кипящим», т. е. частицы его приобретают возвратно-поступательное перещение вверх—вниз до полного сгорания. Такой слой топлива горит более интенсивно вследствие увеличения контактной по­верхности с воздухом (окислителем топлива), что улучшает ее теплопроизводительность. Процесс горения более эффективен при фракционировании топлива по размерам его кусочков.

2. Топки с неподвижной колосниковой решеткой и перемеща­ющимся по ней слоем топлива (см. рис. 5.6, б, г).

3. Топки с движущимся вместе с колосниковой решеткой слоем топлива (см. рис. 5.6, д).

Простейшая слоевая топка с неподвижной колосниковой ре­шеткой и ручным обслуживанием (см. рис. 5.6, а) применяется для сжигания всех видов твердого топлива. Такими топками оборудуют котлы лишь очень малой паропроизводительности — 0,275...0,55 кг/с (1... 2 т/ч).

В топке с неподвижной наклонной колосниковой решеткой (см. рис. 5.6, б) топливо по мере сгорания движется по решетке под действием силы тяжести. Эти топки применяют для сжигания влажных топлив (древесных отходов, кускового торфа) под кот­лами паропроизводительностью 0,7... 1,8 кг/с (2,5...6,5 т/ч).

В полумеханизированной топке (см. рис. 5.6, в), подача топлива на неподвижную колосниковую решетку осуществляется с помо­щью забрасывателя 5. В этих топках сжигают каменные и бурые угли, сортированный антрацит под котлами паропроизводитель­ностью 0,55...2,8 кг/с (2... 10 т/ч).

Простейшей механизированной топкой является топка с шу­рующей планкой (см. рис. 5.6, г). Она состоит из неподвижной лосниковой решетки, по всей ширине которой скользит план­ка б клиновидного сечения. Планка совершает возвратно-посту­пательные перемещения с помощью специального устройства. При­меняют эти топки для сжигания бурых углей под котлами паро­производительностью до 2,8 кг/с (10 т/ч).

Наиболее распространенным типом механизированной сло­евой топки является топка с цепной механической решеткой (см. рис. 5.6, д). Цепная механическая решетка выполняется в виде бесконечного колосникового полотна, движущегося вместе с лежащим на нем слоем горящего топлива. Каждая новая порция топлива, поступающая на решетку, движется вслед за слоем топлива. Скорость движения решетки можно изменять в зависимо­сти от расхода топлива (режима работы котла) от 2 до 16 м/ч.Эти топки применяют для сжигания сортированного антрацита и неспекающихся углей с умеренной влажностью и зольностью и выходом летучих веществ У^т = 10...25 %. Существующие модификации топок с цепными решетками позволяют применять их для сжигания и других топлив. Топки с цепными решетками устанавлиавают под котлами паропроизводительностью 3...10 кг/с (10,5...35 т/ч) и выше.

Факельный способ. В отличие от слоевого этот процесс (_См рис. 5.5, б) характеризуется непрерывностью движения в топочном пространстве частичек топлива вместе с потоком воздуха и продуктов сгорания, в котором они находятся во взвешенном состоянии.

Для обеспечения устойчивости и однородности горящего фа­кела, а следовательно, и газовоздушного потока с взвешенным в нем топливом частички твердого топлива размалываются до пылевидного состояния, до размеров, измеряемых микронами (от 60 до 90 % всех частиц имеют размер менее 90 мкм). Жидкое топливо предварительно распыливается в форсунках в очень мел­кие капли, чтобы капельки не выпадали из потока и успевали полностью сгореть за короткое время нахождения в топке. Газо­образное топливо подается в топку через горелки и не требует I особой предварительной подготовки.

Особенностью факельных топок является незначительный за­пас топлива в топочной камере, отчего процесс горения неустой­чив и весьма чувствителен к изменению режима. Регулировать мощ­ность топки можно, лишь одновременно изменяя подачу в топоч­ную камеру топлива и воздуха. При факельном сжигании (рис. 5.7 твёрдое топливо предварительно размельчается в системе пылеприготовления и в виде пыли вдува­ется в топку, где оно сгорает во взвешенном состоянии. Размол топлива резко увеличивает повер­хность его реагирования, что спо­собствует лучшему сгоранию.

Основными достоинствами пы­левидного способа сжигания явля­ются возможность создания мощных топок и возможность эконо­мичного и надежного сжигания зольных, влажных и отбросных топлив под котлами разных мощностей.

К недостаткам этого способа можно отнести высокую стоимость оборудования системы пылеприготовления, расход электроэнергии на размол, более низкие удельные тепловые нагрузки камеры горения (примерно вдвое), чем при слоевых топках, что заметно увеличивает объемы топочных пространств.

Пылеприготовление из кускового топлива состоит из следующих операций:

удаление из топлива металлических предметов при помощи магнитных сепараторов;

дробление крупных кусков топлива в дробилках;

сушка и размол топлива в специальных мельницах.

При рабочей влаге W^Р < 20 % сушка топлива производится в мельнице одновременно с процессом размола, для чего в мельницу подается горячий воздух из воздухоподогревателя котла. Тем­пература воздуха доходит до 400 °С, и он одновременно служит для выноса пыли из мельницы.

При размоле топлива образуются пылинки размером 0...500 мк. Основной характеристикой пыли является тонкость ее помола, ко­торая по ГОСТ 3584—53 характеризуется остатком на ситах с ячей­ками 90 и 200 мк, обозначаемые R₉₀ и R₂оо. Так, R₉₀ = 10 % означает, что на сите с размером ячеек 90 мк осталось 10 % пыли, а вся остальная пыль прошла через сито.

Оптимальная тонкость помола (тонина) определяется суммар­ным фактором: минимальным расходом электроэнергии на помол топлива и потерями от механического недожога. Тонкость помола зависит от реакционной способности топлива, характеризуемой в основном выходом летучих веществ. Чем выше содержание в топливе ле­тучих веществ, тем грубее помол.

Размольные свойства топлива ха­рактеризуются коэффициентом размолоспособности, (для антрацита Кло = 1; для тощего угля К_ло = 1,6; Для подмосковного бурого угля Кл₀ = 1,75).

Широкое распространение получили индивидуальная схема пыле­приготовления и схема пылеприготовления с промежуточным бункером- На рис. 5.8 показана схема индвиидуального пылеприготовления, которой пыль из мельницы непосредственно поступает в топку. В этой схеме из бункера сырого угля 4 топливо подается на автоматические весы 3, а затем в питатель 2. Отсю­да топливо направляется в шаровую барабанную мельницу (ШБМ) , где оно размалывается и подсушивается, для чего в барабан мель­ницы вдувается горячий воздух. Из мельницы пыль выносится в се­паратор 5, где готовая пыль отделяется от грубых фракций, которые возвращаются в мельницу. Готовая пыль из сепаратора нагнетается мельничным вентилятором б через горелки 7 в топочное простран­ство котла. Производительность мельницы регулируется изменением подачи топлива питателем с одновременным изменением числа обо­ротов мельничного вентилятора.

Основными недостатками этой схемы являются отсутствие за­паса пыли, что снижает надежность работы котла, и сильный из­нос мельничного вентилятора, через который пропускается вся угольная пыль.

На рис. 5.9 дана схема пылеприготовления с промежуточным бункером. Отличие ее состоит в том, что за сепаратором ставится циклон 6, в который и направляется готовая пыль. В циклоне 90...95% пыли отделяется от воздуха и осаждается, а затем на­правляется в промежуточный бункер 9. Пыль из циклона в бункер спускается через клапаны (мигалки) 8, которые открываются при давлении на них определенной порции пыли. Воздух с остат­ком тонкой пыли отсасывается из циклона мельничным вентилятором 12 и нагнетается в трубопровод первичного воздуха, куда в свою очередь поступает пыль из промежуточного бункера с помо­щью шнековых или лопастных пылепитателей 10. Схема пылеприготовления с промежуточным бункером, как наиболее гибкая и надежная, получила наиболее широкое распространение.

Для размола топлива применяют мельницы различных типов. Выбор типа мельницы зависит от размольных характеристик топлива, выхода летучих веществ и влажности топлива. Различают мельницы тихоходные и быстроходные.

Для размола антрацита и каменных углей с небольшим выхо­дом летучих веществ, сжигаемых котлоагрегатами средней и большой паропроизводительности, применяют тихоходные ша­ровые барабанные мельницы (ШБМ).(Рис.5.10). Основными достоинствами барабанной мельницы являются хорошая регулируемостьтонкости помола, и надежность помола. К недостаткам этих мельниц следует отнести: громозкость, высокую стоимость, повышенный удельный расход электроэнергии, значительный шум, сопровождающий работу мельницы.

Быстроходные мельницы применяют двух типов: молотковые и мельницы-вентиляторы.

Молотковые мельницы с аксиальным (ММА) или тангенциальным (ММТ) подводом сушильного агента применяют для размола бурых углей, сланцев, фрезерного торфа и каменных углей с выходом летучих веществ V^г > 30 %. Устанавливают их с котлоагрегатами производительностью свыше 5 кг/с (рис.5.11).К достоинствам молотковой мельницы следует отнести ее ком­пактность, простоту эксплуатации и небольшой удель­ный расход электроэнергии. Основным недостатком этих мельниц является быстрый износ бил, вызывающий за­метное снижение производи­тельности мельницы.

Мельница-вентилятор (МБ) предназначена для размола, главным образом, высоковлажных бурых углей и фрезерного торфа. Применяют топки с МВ в котлоагрегатах средней произ­водительности. Мелющим органом МВ является массивная крыль­чатка 1 (рис. 5.12) с частотой вращения 380... 1470 об/мин, рас­положенная в бронированном корпусе 6.

Вихревой способ. В рассмотренных факельных топках частицы топлива сгорают в объеме топки на лету. Длительность пребыва­ния их в топочном пространстве не превышает времени 'пребыва­ния продуктов сгорания в топке и составляет 1,5... 3 с. В циклон­ных топках, которые предназначены для сжигания мелкодробле­ного топлива и грубой пыли, крупные частицы угля находятся во взвешенном состоянии столько времени, сколько это необходи­мо для полного выгорания их независимо от длительности пребы­вания продуктов сгорания в топке.

В них сжигают достаточно мелкие частицы угля (обычно мельче 5 мм), а необходимый для горения воздух подают с огромными (до 100 м/с) скоростями по касательной к образующей циклона-В топке создается мощный вихрь, вовлекающий частицы в циркуляционное движение, в котором они интенсивно обдуваются потоком (см. рис. 5.5, в).

Значительная удельная поверхность мелких частиц, большие зна­чения коэффициентов массоотдачи между потоком и частицами высокие концентрации горючего в камере обеспечивают получение больших теплонапряжений объема топки (q= 0,65... 1,3 МВт/м³ при a= 1,05... 1,1), в результате чего в топке развиваются температуры, близкие к адиабатным (до 2000 °С). Зола угля плавится, жидкий шлак, стекая по стенкам, тормозит движение частиц, налипающих на его поверхность, что еще больше увеличивает скорость их омывания потоком, а значит и коэффициент массоотдачи.

Поскольку центробежный эффект уменьшается с увеличением радиуса циклона, диаметр последнего обычно не превышает 2 м, что позволяет получить тепловую мощность 40...60 МВт.

В нашей стране применяются в основном технологические цик­лонные топочные камеры, например для сжигания серы (в целях получения SО₂ — сырья для производства Н₂SО₄; при этом ис­пользуется и теплота горения), для плавления и обжига руд и нерудных материалов (например фосфоритов) и т.д. В последнее время в циклонных топках осуществляют огневое обезвреживание сточных вод, т. е. выжигание содержащихся в них вредных приме­сей за счет подачи дополнительного (обычно газообразного или жидкого) топлива.

В топочных камерах, в которых топливо сгорает при высоких температурах, образуется большое количество крайне токсичных оксидов азота. Предельно допустимая концентрация (ПДК) N0, безопасная для здоровья людей, в воздухе населенных пунктов составляет 0,08 мг/м³.

Поскольку образование оксидов азота существенно уменьша­ется при снижении температуры, в последние годы энергетики проявляют все больший интерес к так называемому низкотемпе­ратурному (в отличие от высокотемпературного — с температу­рой 1100°С и выше) сжиганию в псевдоожиженном слое, когда устойчивое и полное горение каменных и бурых углей удается обеспечить при 750...950 "С.

Сжигание в кипящем слое. Слой мелкозернистого материала, продуваемый снизу вверх воздухом со скоростью, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но недостаточной для выно­са частиц из слоя, создает циркуляцию. Интенсивная циркуляция частиц в ограниченном объеме камеры создает впечатление бурно кипящей жидкости. Значительная часть воздуха проходит через такой слой в виде пузырей, сильно перемешивающих мелкозернистый материал, что еще больше усиливает сходство с кипящей жидкостью и объясняет происхождение названия.

Способ сжигания в псевдосжиженном (кипящем) слое (см. рис. 5.5, г) является в определенном смысле промежуточным между слоевым и камерным. Его преимуществом является возможность сжигания относительно мелких кусочков топлива (обычно мельче 5... 10 мм) при скорости воздуха 0,1...0,5 м/с.

Топки с кипящим слоем широко используются в промышленности для сжигания колчеданов в целях получения SО₂, обжига различных руд и их концентратов (цинковых, медных, никелевых, золотосодержащих) и т. д.