11.4 Циклонные и вихревые топки

Значительная интенсификация процесса горения твердого мелкодробленого топлива или грубой пыли, а также максимальное улавливание золы в пределах топочной камеры достигаются в циклонных топках. Циклонный принцип организации горения твердого топлива был предложен в СССР Г. Ф. Кнорре еще в начале 30-х годов. В промышленности применяют различные типы горизонтальных (малонаклонных) и вертикальных циклонных топок для сжигания мелкодробленого топлива или грубой пыли с жидким шлакоудалением.

Принципиальная схема циклонной топки с горизонтальным расположением камеры и жидким шлакоудалением показана на рис. 11.5, а. Топливо подают в циклонную камеру с первичным воздухом. На схеме показан ввод топливно-воздушной смеси через улитку в центральную часть камеры. По оси вводится только дробленка. При сжигании угольной пыли она вводится через тангенциальные сопла.

Вторичный воздух подают в камеру тангенциально через сопла-щели с большой скоростью (более 100 м/с), обеспечивая движение топливных частиц к стенкам камеры. Образующиеся в циклонной камере вихри способствуют интенсивному смесеобразованию и горению топлива как в объеме циклона, так и на его стенках.

Развиваемая в циклонной камере высокая температура (1700÷1800°С) приводит к расплавлению золы и образованию на стенках шлаковой пленки. Жидкий шлак вытекает из камеры через летку. Улавливание золы в пределах камеры составляет 85÷90 % и более. Отбрасываемые на стенки свежие частицы топлива прилипают к шлаковой пленке, где они интенсивно выгорают при обдувании их воздушным потоком.

В выходной части циклонной камеры имеется пережим (ловушка), через который продукты горения поступают в камеру дожигания. Наличие пережима приводит к уменьшению уноса. Крупные частицы циркулируют в камере до полной газификации. Выносимые из циклона мельчайшие частицы топлива догорают в камере дожигания.

Циклонные камеры работают с высокими объемными плотностями тепловыделения q_v≈ 1,5÷3 МВт/м³ и плотностью теплового потока на сечение циклона q_F ≈ ll÷16 МВт/м² при малом коэффициенте избытка воздуха в циклоне α =1,08÷1,1.

Аэродинамическая картина потока в циклонной камере отличается сложным пространственным полем скоростей. Для характеристики движения потока в циклоне главный вектор скорости обычно представляют в виде трех составляющих: осевой (расходной) скорости w_x, тангенциальной w_τ и радиальной w_r. На рис. 11.6 показано примерное распределение осевой и тангенциальной скоростей в циклонной камере, свидетельствующее о сложной аэродинамической структуре потока.

Длина циклонной камеры составляет 1,2÷1,5 ее диаметра.

Схема вертикальной циклонной топки (предтопка) с нижним выводом газов показана на рис. 11.5,б, а схема вертикальной циклонной топки с верхним выводом газов — на рис. 11.5, в.

Циклонные топки горизонтальные и вертикальные нашли широкое распространение за рубежом. Длительная эксплуатация циклонных топок с жидким шлакоудалением показала высокую их эффективность. Основными их преимуществами являются: высокая объемная плотность тепловыделения, измеряемая несколькими мегаваттами на кубический метр, что приводит к сокращению габаритов установки; улавливание в пределах камеры и удаление в жидком виде около 85÷90 % золы топлива, что дает возможность интенсифицировать работу конвективных поверхностей нагрева и в ряде случаев отказаться от установки газоочистительных устройств; возможность работы с малым коэффициентом избытка воздуха (α = 1,05÷1,1), что приводит к снижению потери теплоты с уходящими газами; возможность работы на дробленом топливе или пыли грубого помола, что позволяет упростить систему пылеприготовления и снизить расход электроэнергии на топливоприготовление.

К основным недостаткам циклонных топок относятся: затруднения при сжигании углей с малым выходом летучих, а также высоковлажных углей; увеличение потери теплоты с физическим теплом шлака (более 2%); повышенный расход энергии на дутье; относительно повышенный выход оксидов азота в связи с высокой температурой в циклонной камере.

Положительные особенности закрученных потоков используются в вихревых топках, известных под названием топок с пересекающимися струями. На рис.11.7 показаны схемы полузакрытых топок ЦКТИ и МЭИ, в которых благодаря соответствующей конфигурации нижней части топки и способу подвода пылевоздушной смеси со скоростью примерно 80 м/с создается вихревое движение с горизонтальной осью вращения. Горячие топочные газы пересекают пылевоздушный поток, обеспечивая его интенсивное воспламенение. Имеются топки с пересекающимися струями с вертикальной осью вращения потока. Циклонный принцип организации теплотехнологических процессов находит в последние годы широкое применение и при создании высокоэффективных энерготехнологических агрегатов.

а — центральная; б — индивидуальная с прямым вдуванием; в — индивидуальная с промежуточным пылевым бункером;

1 — бункер сырого дробленого угля; 2 — сушилка; 3 — мельница; 4 — центральный бункер готовой пыли; 5— насос для пыли; 6 — расходный бункер; 7 — вентилятор; 8 — топка котла; 9 — промежуточный бункер; 10 — шнек для пыли.

Рисунок 11.1 - Принципиальные схемы систем пылеприготовления

Рисунок 11.2 - Схема топки с твердым шлакоудалением

Рисунок 11.3 - Зажигательный пояс

1 — поверхность топки, покрытая огнеупорной обмазкой; 2 — холодная радиационная поверхность; 3 — подача топлива; 4 — шлакоулавливающий пучок труб, покрытых гарниссажной футеровкой.

Рисунок 11.4 - Схемы пылеугольных факельных топок с жидким

шлакоудалением

Рисунок 11.5 - Схема циклонных топок с жидким шлакоудалением

а — горизонтальная топка; б — вертикальная топка с нижним выводом газов; в — вертикальная кольцевая топка с верхним выводом газов.

а — составляющие скорости циклонного потока; б — характер распределения тангенциальной и осевой скоростей по сечению потока.

Рисунок 11.6 - Принципиальная схема потока в циклонной камере

а – топка ЦКТИ; б – топка МЭИ.

Рисунок 11.7 - Вихревые топки с пересекающимися струями