ПОСОБИЕ по ФХОГТ

54

4.9,в) нашла широкое применение на многих типах паровых котлов, в том числе большой мощности. Ее преимущества заключаются в равномерности тепловых потоков по всем стенам топки, малой вероятности шлакования стен, так как вдоль них движутся уже частично остывшие газы. При организации жидкого шлакоудаления достигается выпадение капель жидкого шлака на стенах предтопка и увеличение доли шлакоулавливания.

Схему с блочным соударением струй смежных горелок (рис. 4.9,б) применяют при сжигании каменных углей. Этим достигается высокая турбулизация ядра факела. Недостатком этой схемы является возможность шлакования фронтовой и задней стен топки при движении факела из центра топки (зоны относительно повышенного давления) в обе стороны к стенам.

Схемы с тангенциальной компоновкой можно осуществить в топке, форма которой близка к квадратной, т. е. отношение paзмеров стен 1 ≤ a/b ≤1,2. Это обусловливает хорошую аэродинамику топочного объема. В топочных камерах с более развитой шириной фронта применимы другие схемы размещения горелок.

4.3.Камерные топки с твердым шлакоудалением

Топочные камеры, работающие с твердым шлакоудалением, по конструкции выполняют открытыми, т. е. без изменения сечения топки по высоте. По характеру движения факела они разделяются на топки с прямоточным факелом, с вертикально–вихревым факелом и горизонтально–вихревым факелом (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Характер движения факела.

Отличительной особенностью этих топок является наличие в нижней части топки холодной воронки, образованной путем сближения фронтового и заднего экранов с большим уклоном (50–60°) до расстояния 1…1,2 м. За счет этого снижается температура газов в нижней части топки, и выпадающие из

55

ядра факела расплавленные шлаковые частицы, попадая в эту зону, быстро отвердевают и по крутым скатам воронки ссыпаются в шлакоприемное устройство (рис. 4.11). Количество золы, уловленной таким способом через холодную воронку, невелико и составляет 5–10% общего золосодержания топлива. Гранулированные шлаковые частицы непрерывно удаляются из ванны шнековым, скребковым или роторным механизмом. Водяная ванна выполняет одновременно роль гидрозатвора против подсоса снизу в топку холодного воздуха.

Рис. 4.11. Топка с твердым шлакоудалением.

1 – холодная воронка; 2 – шлаковая ванна с водой; 3 – канал гидрозолоудаления; 4–горелка; 5 – настенные экраны; 6 – ядро факела; 7 – шнековый шлакоудаляющий механизм; 8–• электродвигатель.

Аэродинамика топочного объема должна быть так организована, чтобы вблизи настенных экранов температура газов была не выше характерной температуры золы, начиная с которой золовые частицы становятся липкими и создают опасность шлакования стен. Поэтому средние тепловые напряжения сечения топочной камеры и топочного объема при твердом шлакоудале-

нии, как правило, имеют невысокие значения (qf = 3…4 МВт/м2, qv =

56

100…140 кВт/м3). Это неизбежно приводит к увеличению размеров топочных камер и их металлоемкости.

Так, топочная камера прямоточного котла П–59 для блока 300 МВт при сжигании подмосковного бурого угля в прямоточном факеле по схеме (рис. 4.10,б) имеет размеры a X b X hт = 21,8 X 9,56 X 48 м.

Пылеугольные топки с удалением шлака в твердом состоянии обычно применяют для сжигания топлив с большим и умеренным выходом летучих веществ (Vг>25 %)

Наиболее распространенными являются схемы сжигания топлив в подъемном прямоточном факеле (рис. 4.10, а, б) с применением вихревых горелок при однофронтальном размещении и прямоточных горелок (встречное расположение). При создании мощных паровых котлов для сжигания сибирских бурых углей более предпочтительной оказалась схема сжигания с вертикальным вихревым факелом и расположением прямоточных горелок в несколько ярусов по высоте (рис. 4.9,в). Такая схема снижает вероятность заброса факела на стены топки и связанного с этим шлакования экранов, а рассредоточение горелок по высоте топки (до 12 м) ведет к уменьшению энерговыделения в сечении каждого яруса горелок. При этом снижается уровень температур в зоне растянутого ядра факела и заметно сокращается образование вредных окислов азота. Топочные камеры с горизонтальным вихревым факелом, разработанные профессором В. В. Померанцевым, успешно работают при сжигании фрезерного торфа и бурых углей (рис. 4.10,г). При этом мелкие фракции топлива сгорают в прямоточной части факела, а более грубые сепарируются вниз, там подхватываются струей вторичного воздуха и попадают в вихревое движение, пока не сгорят.

Практически полное сжигание топлива достигается при избытках воз-

духа на выходе из топки αт = 1,15…1,20. С учетом неизбежных присосов в топку холодного воздуха извне (Δαт = 0,05…0,1) избыток воздуха в горелках

αгор = αт - Δαт = 1,05…1,1.

4.4.Камерные топки с жидким шлакоудалением

Для обеспечения жидкого шлакоудаления необходимо, чтобы температура газов у стен нижней части топки и в районе пода была выше температуры текучести шлака, т. е. υг > tн.ж, где tн.ж tз 50...100 ºС – температура нормального жидкотекучего состояния. Создание таких условий в нижней части топки возможно путем приближения ядра факела к поду топки и покрытия настенных экранов в этой зоне карборундовой огнеупорной тепловой изоляцией (футерование экранных труб). Для прочного удержания футеровки вначале на трубы экранов со стороны топочного объема приваривают шипы

57

(диаметром 10…12 мм и длиной 12…15 мм) и затем наносят слой изоляции (рис. 4.12). Оригинальная конструкция таких «утепленных» экранов предложена ЗиО. Вместо ошипованных труб использованы трубы со спиральным оребрением, полученным методом накатки.

Подовая часть топки выполняется горизонтальной или слабонаклонной к центру топки. Здесь на трубы пода накладывают два–три слоя огнеупорного кирпича на огнеупорной связке. В центре пода оставляется одно или два футерованных отверстия для слива шлака (летки) размером примерно 500X800 мм. Расплавленный шлак переливается через край летки и тонкими струями стекает в шлаковую ванну, где при контакте с водой отвердевает.

Доля шлакоулавливания в таких топках заметно возрастает по сравне-

нию с твердым способом: ашл = 0,2…0,4. Удаление затвердевшего шлака из ванны производят непрерывно скребковыми, шнековыми или роторными транспортерами.

По конструкции топочные камеры с жидким шлакоудалением выполняются однокамерными (открытые и полуоткрытые) и двух–, трехкамерными. По характеру движения факела они могут быть с прямоточным факелом, с пересекающимися струями и циклонным движением.

Рис. 4.12. Вид на футерованный экран.

1 – экранная труба; 2 – шипы до их покрытия обмазкой; 3 – огнеупорная обмазка.

Наиболее простым конструктивным решением топки с жидким шлакоудалением является открытая однокамерная топка с прямоточным факелом (рис. 4.13,а). За счет футерования экранов нижней части топки и выполнения утепленного пода выделяется зона с повышенной температурой газов (зона плавления шлаков). В этом случае применяют вихревые горелки с встречным и более низким расположением их над подом топки. Однако высокая отдача

59

Рис. 4.14. Схемы вихревых топок с пересекающимися струями. а – топка МЭИ; б – топка ЦКТИ; в – гамма–топка ВТИ.

Рис. 4.15. Циклонные топки.

а – топка с горизонтальными циклонами; б – подовые предтопки с верхним выходом газов; 1 – камера горения (циклон); 2 – шлакоулавливающий пучок; 3 – камера охлаждения; 4 – горелка; 5 – сопла вторичного воздуха; 6 – шлаковая летка; 7 – шлаковая ванна.

Объемное тепловое напряжение камеры горения составляет 500…600 кВт/м3. Более полное разделение горения и охлаждения газов достигается в топках с циклонными предтопками (рис. 4.15). По принципу выполнения эти топочные устройства относятся к двухкамерным топкам. Сущность циклонного метода сжигания состоит в том, что тангенциально вводимый в предтопок с большой скоростью вторичный воздух (80…120 м/с) или тангенциально направленные пылевоздушные струи из горелок закручивают факел в

60

предтопке. Вся внутренняя его поверхность покрыта экранами из ошипованных и футерованных огнеупорной массой труб. Частицы топлива в предтопке подвержены воздействию двух сил: центробежной, отбрасывающей их к внутренней стенке предтопка; аэродинамической, выносящей частицы вместе с газами из предтопка. Соотношение этих сил зависит от размеров частиц, поэтому частицы распределяются по сечению циклона неравномерно: наиболее крупные отбрасываются к стенкам предтопка и там вовлекаются в вихревое движение до полного выгорания, а мелкие фракции сгорают в центральной части его. В циклонных предтопках можно сжигать более грубую пыль, а в ряде случаев (в горизонтальных циклонах) и дробленое топливо, снижая тем самым затраты энергии на пылеприготовление. Интенсивное вихревое движение обеспечивает также значительное улавливание шлака в жидком виде (ашл до 0,6….0,85). Большее значение относится к горизонтальным циклонным предтопкам.

Горизонтальные циклонные предтопки (рис. 4.15,а) выполняют диаметром 1,8…4 м. Длина циклона больше его диаметра в 1,2…1,3 раза. Тепловая мощность одного циклона составляет 150…400 МВт. Тепловое напряже-

ние в циклоне весьма высокое (qv= 2…6 МВт/м3) при уровне температур га-

зов 1800…1900°С и избытке воздуха ашл = 1,05…4,1. Однако из–за необходимости иметь развитую камеру охлаждения газов общее тепловое напряжение топок с горизонтальными циклонами не превышает 200…300 кВт/м3, что ненамного выше, чем в обычных однокамерных топках с жидким шлакоудалением.

Высокие скорости вторичного воздуха обеспечиваются применением специальных высоконапорных вентиляторов с напором 10…20 кПа (1000…2000 мм вод. ст.), что в 2…3 раза выше обычных напоров воздуха. В конструктивном исполнении топки с циклонными предтопками сложнее и дороже обычных однокамерных топок.

Вертикальные подовые предтопки с верхним выходом газов (рис. 4.15,б) производства Барнаульского котельного завода (БКЗ) располагаются под камерой охлаждения. Их выполняют восьмигранными из отдельных плоских секций и включают в общую циркуляционную схему экранов топочной камеры, что заметно удешевляет конструкцию по сравнению с горизонтальными циклонами. На одну камеру охлаждения работают обычно два предтопка. Прямоточные щелевые горелки устанавливают на четырех стенках предтопка с тангенциальным направлением потоков при обычных скоростях первичного и вторичного воздуха (ω1=25…35 м/с, ω2=40…50 м/с). Вся внутренняя поверхность предтопка футерована по экранам.

Преимущества топочных устройств с жидким шлакоудалением в сравнении с твердым удалением шлаков заключаются в следующих основных

61

моментах. При сжигании одного и того же вида топлива потери с механическим недожогом q4 в случае жидкого шлакоудаления снижаются примерно на 30%. Общее тепловое напряжение топочного объема оказывается в среднем на 20% выше. Это значит, что в таком же соотношении при жидком шлакоудалении можно уменьшить габариты топочной камеры. За счет уплотнения нижней части топки уменьшаются присосы воздуха в топочную камеру, что приводит к некоторому снижению потерь с уходящими газами. В топках с высоким шлакоулавливанием заметно сокращаются затраты на золоулавливающие установки.

Вместе с тем топки с жидким шлакоудалением обладают рядом недостатков. Так, рост шлакоулавливания ведет к увеличению потери теплоты с высокотемпературными шлаками q4 которая во многих случаях превосходит уменьшение потерь q4 Снижается диапазон рабочих нагрузок по условиям выхода жидкого шлака (для однокамерных топок). Рост температурного уровня в ядре факела ведет к увеличению выхода вредных окислов азота. В связи с этим выбор для того или другого вида топлива топочного устройства с твердым или жидким шлакоудалением требует оценки и сопоставления всех положительных и отрицательных моментов. В то же время не всякое топливо можно сжигать с обеспечением жидкого выхода шлаков. Если для топ-

лив с относительно легкоплавкой золой (t3 = 1150…1300°С) не возникает за-

труднения, то при значениях t3 > 1350°С необходимо произвести расчет обеспечения выхода жидкого шлака. Экономически выгодно применять топки с жидким шлакоудалением при сжигании низкореакционных топлив (антрацит, полуантрацит, тощие каменные угли), когда достигается заметный выигрыш за счет снижения механического недожога, а также топлив с низкой температурой плавления золы, которые в топках с твердым шлакоудалением вызывают сильное шлакование топочных экранов.

4.5.Топочные камеры газомазутных котлов, их конструкции

Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять топочные камеры для этих видов топлива одинаковой конструкции. Как правило, в таких топочных устройствах основным топливом является мазут, а резервным – природный газ. Близость характеристик сжигания газа и мазута выражается в следующих показателях.

1. При практическом отсутствии внешней влаги в топливах образуются близкие объемы продуктов сгорания при работе парового котла как на мазуте, так и на газе, что позволяет эксплуатировать те же тягодутьевые машины на разных топливах.

62

2.Горение мазута и газа происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда) по законам ЦРР. Интенсивность горения в обоих случаях

определяется условиями перемешивания, а максимально допустимые тепловые напряжения топочного объема имеют близкие значения (300 кВт/м3 – для мазута и 350 кВт/м3 – для природного газа). Поэтому при одинаковой паро-

производительности котла для этих топлив могут быть приняты одинаковые размеры топочных камер.

3.Практическое отсутствие золы при сжигании этих топлив (мазут

имеет Ас < 0,3%) исключает вероятность шлакования настенных экранов и необходимость в шлакоудалении. Поэтому для обоих видов топлива под топки выполняют горизонтальным или слабонаклонным с выполнением только лазов для ремонтных работ (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Виды топочных камер газомазутных паровых котлов.

а – открытая топка с однофронтальными многоярусными горелками; б – топка с пережимом и встречным (двухфронтальным) расположением горелок; в

– открытая топка с встречным двухъярусным расположением горелок; г – топка с встречными циклонными предтопками; д – топка с подовыми горелками прямоточного или вихревого типа (пунктирные линии).

4. Более легкие условия перемешивания воздуха с топливом в газовом состоянии обеспечивают практически полное сжигание топлива при вы-

соких тепловых напряжениях с низкими избытками воздуха αгор=1,02…1,05

при одинаковой температуре его подогрева (tг.в.=250…300°С). Это позволяет выполнять комбинированные газомазутные горелки с близкими объемными расходами воздуха и практически равным сопротивлением.

Интенсивное горение этих видов топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, кото-

63

рая для мазута характеризуется достаточно высоким уровнем температур и значительной интенсивностью теплового потока на настенные экраны. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии, а также ведет к образованию высокой концентрации окислов азота в ядре факела.

По профилю газомазутные топочные камеры могут быть открытого типа, с пережимом и с циклонными предтопками (рис. 4.16). Большинство выпускаемых газомазутных паровых котлов оборудуются традиционными призматическими топками с однофронтальным или двухфронтальным (встречным) расположением горелок. Горелки при однофронтальной установке размещают в несколько (три–четыре) ярусов. Такая компоновка дешевле и удобнее в обслуживании, однако не обеспечивает равномерного заполнения топки факелом и неприемлема для топок с небольшим размером по глубине (менее 6 м) ввиду значительного роста температуры газов и теплонапряжения заднего экрана.

При встречном расположении горелок обеспечиваются лучшие условия работы экранов. При этом факел концентрируется в центральной высокотемпературной области топочной камеры. Встречное движение факелов способствует турбулизации при выгорании топлива в концевых участках факела и при прочих равных условиях приводит к повышению теплонапряжения в зоне ядра факела на 20–30%. Наличие пережима способствует турбулизации потока в зоне ядра факела и в зоне дожигания топлива на выходе из камеры горения.

Для снижения интенсивности тепловых потоков на экранные поверхности топочной камеры в опытной серии паровых котлов для блоков 300 МВт было предложено вынести основное горение топлива в циклонные предтопки (рис. 4.16,г), размещенные встречно. За счет высокой турбулентности вихревого потока в пределах циклона обеспечивается сгорание 85–90% топлива. Экраны самих циклонов ошипованы и футерованы карборундовой огнеупорной изоляцией. Однако связанные с этим рост температуры факела и теплового потока на экраны нежелательны. Поэтому такой профиль топочной камеры не оптимален для этих видов топлива. Известно, что факел газового топлива обладает меньшей излучающей способностью, и при переводе котла с мазута на природный газ тепловосприятие топочной камеры снижается, а температура продуктов сгорания на выходе из топки становится выше. Это расхождение температур при номинальной нагрузке для топочных камер открытого типа составляет около 100°С, что неизбежно сказывается на изменении тепловой работы последующих поверхностей нагрева и прежде всего перегревателя. В открытых топочных камерах с многоярусными однофронтальными горелками для выравнивания температуры газов за топкой поль-