2.6. Способы сжигания топлива

Процесс горения в значительной мере определяет надежность и экономичность работы всех топливо использующих агрегатов. Поэтому так важно иметь эффективное топливосжигающее устройство.

В основу классификации способов сжигания положена аэродинамическая характеристика процесса, определяющая условия подвода окислителя к зоне реакции горения. Эти условия оказывают основное влияние на удельную производительность и экономичность топочного процесса. Различают слоевой, циклонный, в кипящем слое и факельный способы сжигания топлива.

При слоевом способе сжигания (рис. 2.1а) твердое топливо, находящееся на неподвижной или движущейся колосниковой решетке, омывается воздухом, подаваемым снизу. Основная часть топлива сгорает в виде кокса (твердого остатка, образующегося после выхода разложившихся в результате нагрева угля кислородосодержащих молекул) в самом слое. Этот способ просто осуществить, однако, он требует повышенного расхода воздуха, обладает высокой инерционностью и малым тепло напряжением.

При увеличении скорости воздуха через слой топлива, лежащего на распределительной решетке, до критического значения, когда сила, создаваемая потоком воздуха, становится равной силе тяжести, устойчивость частиц в слое нарушается, начинается "кипение" слоя (рис. 2.1б). При кипении слой топлива высотой 0,5-0,6 м увеличивается в объеме в 1,5-2 раза. В 1 м³ может находиться 400-600 кг топлива. Скорость сгорания составляет от 40 до 400 кг/ч на 1 м² решетки. Тепловое напряжение топки достигает 1 МВт/м². Невысокая температура слоя позволяет размещать внутри него часть поверхностей нагрева.

Рис. 2.1. Схемы основных процессов сжигания топлива:

а) слоевой; б) в кипящем слое; в) факельный; г) циклонный

Факельный способ сжигания топлива (рис. 2.1г), используемый для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива, требует специальной их подготовки и является наиболее распространенным. При факельном способе горения пылинки твердого, капли жидкого, элементы газообразного топлива находятся во взвешенном состоянии и, перемещаясь вместе с потоком воздуха (газов), быстро выгорают (0,5-20 с). Для этого твердое топливо должно быть подсушено и размолото в пыль с частицами 10-20 мкм, жидкое топливо подается в топку через форсунки, которые распыляют его на капли диаметром до 10 мкм, газообразное топливо подается через горелки, что обусловливает хороший контакт с воздухом и высокую скорость выгорания. Факельный способ позволяет достичь в сравнительно небольших объемах высокую плотность теплового потока (до 2 МВт/м³). К достоинствам этого способа сжигания относится возможность полной механизации и автоматизации процесса. Топки, в которых реализуется данный способ, называются камерными. Эти топки могут иметь практически любую мощность при сжигании всех видов топлива.

Циклонный способ сжигания (рис. 2.1д) большого распространения не получил. Суть данного способа заключается в том, что дробленый уголь подается в цилиндрическую камеру сгорания (циклон) и под действием воздуха, тангенциально подводимого с большой скоростью, отбрасывается к стенкам камеры. В результате происходит интенсивное выгорание частиц кокса и эффективная сепарация жидкого шлака.

Характеристика работы топок включает следующие показатели:

• тепловая мощность топки - количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в топочной камере или сжигающем устройстве

Q_т = В Q , (2.48)

• удельная тепловая нагрузка (форсировка) топки, т. е. количество теплоты, выделяемое на 1 м² сечения топки

q_F = Q_т/F_т, (2.49)

• тепловое напряжение объема топки или количество теплоты, выделенное в 1 м³ объема топки

q_V = Q_т/V_т, (2.50)

• коэффициент избытка воздуха

 = V_д/V^О, (2.51)

• относительные потери теплоты, вследствие химического недожога, когда в продуктах горения имеются CO, H и CH₄

q₃ = Q₃/Q_т, (2.52)

• относительные потери теплоты, вследствие механического недожога, когда в золе и шлаке имеются невыгоревшие частицы топлива

q₄ = Q₄/Q_т. (2.53)

По конструкции топливосжигающие устройства весьма разнообразны, но при их создании стремятся к увеличению диапазона регулирования тепловой мощности, снижению коэффициента избытка воздуха и потерь. Для сжигания жидкого топлива служат форсуночные устройства, состоящие из форсунки и воздухо-направляющего устройства. По способу распыления топлива форсунки можно разделить на 3 группы: 1) с распыляющей средой (воздух или пар); 2) механические и 3) комбинированные (газо-механические).

Рис. 2.2. Схемы форсунок: а) паровых; б) механических;

в) ротационных; г) паро-механических: 1 - канал топлива;

2 - патрубок воздуха (пара); 3 – сопло; 4 - вихревая камера;

5 - шайба распылителя с каналами; 6-стакан

В воздушных форсунках топливо распыляется сжатым воздухом (р=0,1-0,3 МПа), расход которого составляет 0,2-0,3 кг/кг топлива. В паровых форсунках распыление осуществляется главным образом за счет кинетической энергии пара (р=0,4-0,6 МПа) в количестве 0,2-0,7 кг/кг топлива. Эти форсунки обеспечивают высокое качество распыла и большой диапазон регулирования производительности.

В механических форсунках распыление топлива происходит за счет его подачи топливным насосом через вихревую камеру (4) и сопло(3) или на вращающийся корпусной стакан (6) для распыления. С целью использования преимуществ паровой и механической форсунок создают комбинированные паро-механические форсунки, в которых имеются две группы каналов для топлива (1) и пара (2), подаваемых под давлением через вихревую камеру (4) и сопло (3) в топку топливо использующего оборудования.

Для сжигания газового топлива применяются горелки, которые в зависимости от способа перемешивания топлива с воздухом подразделяются на горелки (рис. 2.3): 1) полного предварительного смешения, обеспечивающие подачу в топку полностью готовой газо-воздушной смеси; 2) диффузионные, обеспечивающие раздельную подачу необходимого количества газа и воздуха в топку; 3) частичного предварительного смешения, обеспечивающих подачу в топку частично подготовленной газо-воздушной смеси.

Рис. 2.3. Принципиальная схема газовых горелок:

а) кинетическая полного предварительного смешения;

б) диффузионная; в) диффузионно-кинетическая

Наибольшее распространение в установках потребителей получили инжекционные горелки полного предварительного смешения. Эти горелки просты по устройству, надежны в работе, имеют значительный диапазон регулирования тепловой мощности и обеспечивают сжигание топлива и без потерь.

Диффузионные подовые горелки состоят из газового коллектора из стальной трубы, в которой в шахматном порядке просверлены два ряда отверстий под углом 90. Эти горелки устанавливают в щели, выложенной из огнеупорного кирпича. Воздух и газ подаются в топку раздельно, а их смешение происходит при горении. Данный тип горелок обеспечивает сжигание газа с коэффициентом избытка воздуха  = 1,05-1,1. В горелке с частичным предварительным смешением газ и воздух подаются раздельно, а их смешение происходит на выходе из горелки в туннели и заканчивается при горении в топке. Коротко факельные горелки имеют газовое сопло с 4-6 газо-выпускными отверстиями, просверленными под углом 45, а длиннопламенные - с одним центральным отверстием.

Газовые горелки должны обеспечивать длительную, устойчивую работу без отрыва и проскока пламени в диапазоне от минимальной до максимальной тепловой мощности. По уровню давления газовые горелки бывают: 1) низкого давления р<0,05 кгс/см²; 2) среднего (0,05<p<3 кгс/см²) и 3) высокого давления (р>3 кгс/см²). Диапазон устойчивой работы определяет и пределы изменения давления газа на горелке: n=Q_max/Q_min  . Следовательно, чтобы увеличить тепловую мощность горелки в 3 раза давление газа надо поднять примерно в 9 раз.

Рис. 2.4 . Схема газомазутной горелки:

1 - мазутная форсунка; 2- газо-воздушная камера; 3 и 4- регистры вторичного и первичного воздуха

В настоящее время широкое распространение имеют комбинированные горелки, предназначенные для сжигания двух видов топлива – газа и мазута. Эти горелки состоят из газовой диффузионно-кинетической горелки и встроенной в нее форсунки для сжигания жидкого топлива (рис. 2.4). Выбор топливосжигающих устройств производится в зависимости от вида и способа сжигания топлива в соответствии с требуемой тепловой мощностью, удельной тепловой нагрузкой топки и тепловым напряжением топочного объема. При этом должно обеспечиваться полное сжигание топлива с оптимальным коэффициентом избытка воздуха при отсутствии тепловых потерь, вызванных механическим или химическим недожогом топлива.