2.6. Способы сжигания топлива

Процесс горения в значительной мере определяет надежность и экономичность работы всех топливоиспользующих 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. 2.1, а) твердое топливо, находящееся на неподвижной или движущейся колосниковой ре-

шетке, омывается воздухом, подаваемым снизу. Основная часть то­плива сгорает в виде кокса (твердого остатка, образующегося после выхода разложившихся в результате нагрева угля кислородосодер-жащих молекул) в самом слое. Этот способ просто осуществить, однако он требует повышенного расхода воздуха, обладает высокой инерционностью и малым теплонапряжением.

При увеличении скорости воздуха через слой топлива, лежа-­ щего на распределительной решетке, до критического значения, ко­ гда сила, создаваемая потоком воздуха, становится равной силе тя­ жести, устойчивость частиц в слое нарушается, начинается «кипе-­ ние» слоя (рис. 2.1, б). 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/м. Не­ высокая 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

• коэффициент избытка воздуха

Факельный способ сжигания топлива (рис. 2.1, в), 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. 2.1, г) 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 в себя следующие по-­ казатели:

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

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

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

α = V / V₀

• относительные потери теплоты вследствие химического не­ дожога, когда в продуктах горения имеются СО, Н и СН₄,

q₃ = Q₃ / Q_T

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

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 воздухонаправ-ляющего устройства (рис. 2.2). По способу распыления топлива форсунки можно разделить на 3 группы: 1) с распыляющей средой (воздух или пар); 2) механические и 3) комбинированные (газоме­ханические).

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 паромеханические 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 топливоиспользуюшего 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 га­зовоздушной смеси; 2) диффузионные, обеспечивающие раздель­ную подачу необходимого количества газа и воздуха в топку; 3) частичного предварительного смешения, обеспечивающие пода­чу в топку частично подготовленной газовоздушной смеси.

Рис. 2.2. Схемы форсунок:

а - паровых; б - механических; в - ротационных; г - паромеханических;

1 - канал топлива; 2 - патрубок воздуха (пара); 3 - сопло; 4 - вихревая камера; 5 - шайба распылителя с каналами; 6 - стакан

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 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 а = 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. Короткофакельные горелки имеют газовое сопло с 4-6 газовыпускными 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/см"; 2) среднего (0,05 < р < 3 кгс/см²) и 3) высокого давления (р > > 3 кгс/см²). Диапазон устойчивой работы определяет и пределы изменения давления газа на горелке: п = Q_max /Q_min ≈√p_max /p_min

Следовательно, чтобы увеличить тепловую мощность горелки в 3 раза дав­ление газа надо поднять примерно в 9 раз.

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.

Рис. 2.4. Схема газомазутной горелки:

1 - мазутная форсунка, 2-газовоздушная камера, 3 и 4- регистры вторичного и первичного воздуха

Вопросы к главе 2

1. Какие показатели являются основными характеристиками топлива?

2. Какой состав имеет твердое топливо?

3. Как определяется энергетическая ценность топлива?

4. Какие способы применяют для сжигания топлива?

5. Что называют избытком воздуха?

6. Как определяется количество воздуха, необходимого для горения

топлива?

7. Как определяется состав и теплосодержание дымовых газов?

8. Какие показатели характеризуют работу топок?

9. Что представляют собой форсунки?

10. Какие принципиальные схемы газовых горелок Вы знаете?