Способы сжигания топлива. Топки

 

Различают три способа сжигания топлива: слоевой, при котором топливо в слое продувается воздухом и сжигается; факельный, когда топливно-воздушная смесь сгорает в факеле во взвешенном состоянии при перемещении по топочной камере, и вихревой (циклонный), при котором топливно-воздушная смесь циркулирует по обтекаемому контуру за счет центробежных сил. Факельный и вихревой способы могут быть объединены в камерный.

Процесс слоевого сжигания твердого топлива происходит в неподвижном или кипящем слое (псевдосжиженном). В неподвижном слое (рис. 2.6, а) куски топлива не перемещаются относительно решетки, под которую подается необходимый для горения воздух. В кипящем слое (рис. 2.6, б)частицы твердого топлива под действием скоростного напора воздуха интенсивно перемещаются одна относительно другой. Скорость потока, при которой нарушается устойчивость слоя и начинается возвратно-поступательное движение частиц над решеткой, называется критической. Кипящий слой существует в границах скоростей от начала псевдосжижения до режима пневмотранспорта.

 

 

 

Рис. 2.6. Схемы сжигания топлива: а – в неподвижном слое; б – в кипящем слое; в – факельный прямоточный процесс; г – вихревой процесс; д – структура неподвижного слоя при горении топлива и изменение a, О ₂, СО, СО ₂ и t по толщине слоя: 1 – решетка; 2 – шлак; 3 – горящий кокс;
4– топливо; 5 – надслойное пламя

 

На рис. 2.6, д показана структура неподвижного слоя. Топливо 4, ссыпаемое на горящий кокс, прогревается. Выделяющиеся летучие сгорают, образуя надслойное пламя 5. Максимальная температура (1300 – 1500 °С) наблюдается в области горения коксовых частиц 3.В слое можно выделить две зоны: окислительную, a > 1; восстановительную, a < 1.
В окислительной зоне продуктами реакции горючего и окислителя являются как СО ₂, так и СО. По мере использования воздуха скорость образования СО ₂ замедляется, максимальное ее значение достигается при избытке воздуха a = 1. В восстановительной зоне ввиду недостаточного количества кислорода (a < 1) начинается реакция между СО ₂ и горящим коксом (углеродом) с образованием СО. Концентрация СО в продуктах сгорания возрастает, а СО ₂ уменьшается. Длина зон в зависимости от среднего размера d_к частиц топлива следующая: L ₁ = (2 – 4) d_к; L ₂ = (4 – 6) d_к. На длины зон L ₁и L ₂ (в сторону их уменьшения) влияют увеличение содержания летучих горючих ,уменьшение зольности А^р, рост температуры воздуха.

Поскольку в зоне 2 кроме СО содержатся Н ₂ и СН ₄, появление которых связано с выделением летучих, то для их дожигания часть воздуха подается через дутьевые сопла, расположенные над слоем.

В кипящем слое крупные фракции топлива находятся во взвешенном состоянии. Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным. Низкотемпературное (800 – 900 °С) сжигание топлива достигается при размещении в кипящем слое поверхности нагрева котла. В отличие от неподвижного слоя, где размер частиц топлива достигает 100 мм, в кипящем слое сжигается дробленый уголь с d_к £ 25 мм.
В слое содержится 5 – 7 %топлива (по объему). Коэффициент теплоотдачи к поверхностям, расположенным в слое, довольно высок и достигает 850 кДж/(м²×ч×К). При сжигании малозольных топлив для увеличения теплоотдачи в слой вводят наполнители в виде инертных зернистых материалов: шлак, песок, доломит. Доломит связывает оксиды серы
(до 90 %), в результате чего снижается вероятность возникновения низкотемпературной коррозии. Более низкий уровень температур газов в кипящем слое способствует уменьшению образования в процессе горения оксидов азота, при выбросе которых в атмосферу загрязняется окружающая среда. Кроме того, исключается шлакование экранов, т. е. налипание на них минеральной части топлива.

Характерной особенностью циркулирующего кипящего слоя является приближение к работе слоя в режиме пневмотранспорта.

Камерный способ сжигания твердого топлива осуществляется преимущественно в мощных котлах. При камерном сжигании размолотое до пылевидного состояния и предварительно подсушенное твердое топливо подают с частью воздуха (первичного) через горелки в топку. Остальную часть воздуха (вторичный) вводят в зону горения чаще всего через те же горелки или через специальные сопла для обеспечения полного сгорания топлива. В топке пылевидное топливо горит во взвешенном состоянии в системе взаимодействующих газовоздушных потоков, перемещающихся в ее объеме. При большем измельчении топлива значительно возрастает площадь реагирующей поверхности, а следовательно, химических реакций горения.

Характеристикой размола твердого топлива является удельная площадь F_пл поверхности пыли или суммарная площадь поверхности частиц пыли массой 1 кг (м²/кг). Для частиц сферической формы одинакового (монодисперсного) размера величина F_пл обратно пропорциональна диаметру пылинок.

В действительности получаемая при размоле пыль имеет полидисперсный состав и сложную форму. Для характеристики качества размола полидисперсной пыли наряду с удельной площадью поверхности пыли используют результаты ее просеивания на ситах различных размеров. По данным просеивания строят зерновую (или помольную) характеристику пыли в виде зависимости остатков на сите от размераячеек сита.Наиболее часто используют показатели остатков на ситах 90 мкм и 200 мкм – R ₉₀ и R ₂₀₀. Предварительная подготовка топлива и подогрев воздуха обеспечивают выгорание твердого топлива в топке за относительно небольшой промежуток времени (несколько секунд) нахождения пылевоздушных потоков (факелов) в ее объеме.

Технологические способы организации сжигания характеризуются определенным вводом топлива и воздуха в топку. В большинстве систем пылеприготовления транспортирование топлива в топку осуществляется первичным воздухом, являющимся только частью общего количества воздуха, необходимого для процесса горения. Подача вторичного воздуха в топку и организация взаимодействия его с первичным осуществляются в горелке.

Камерный способ в отличие от слоевого также применяется для сжигания газообразного и жидкого топлива. Газообразное топливо поступает в топочную камеру через горелку, а жидкое – через форсунки в пульверизированном виде.

 

Слоевые топки

 

Топка с неподвижным слоем может быть ручной, полумеханической или механической с цепной решеткой. Механической топкой называют слоевое топочное устройство, в котором все операции (подача топлива, удаление шлака) выполняются механизмами. При обслуживании полумеханических топок наряду с механизмами используется ручной труд. Различают топки с прямым (рис. 2.7, а) и обратным (рис. 2.7, б)ходом решеток 1, приводимых в движение звездочками 2. Расход топлива, подаваемого из бункера 3, регулируется высотой установки шибера 4 (см. рис. 2.7, а)или скоростью движения дозаторов 7(рис. 2.7, б). В решетках с обратным ходом топливо подается на полотно забрасывателями 8 механического (рис. 2.7, б, в)или пневматического (рис. 2.7, г)типа. Мелкие фракции топлива сгорают во взвешенном состоянии, а крупные – в слое на решетке, под которую подводится воздух 9. Прогрев, воспламенение и горение топлива происходят за счет теплоты, передаваемой излучением от продуктов сгорания. Шлак 6 с помощью шлакоснимателя 5(рис. 2.7, а) или под действием собственного веса (рис. 2.7, б)поступает в шлаковый бункер.

Структура горящего слоя представлена на рис. 2.7, а. Область III горения кокса после зоны II подогрева поступающего топлива (зона I) расположена в центральной части решетки. Здесь же находится восстановительная зона IV. Неравномерность степени горения топлива по длине решетки приводит к необходимости секционного подвода воздуха. Большая часть окислителя должна подаваться в зону III, меньшая – в конец зоны реагирования кокса и совсем небольшое количество – в зону II подготовки топлива к сжиганию и зону V выжига шлака. Этому условию отвечает ступенчатое распределение избытка воздуха a₁ по длине решетки. Подача одинакового количества воздуха во все секции могла бы привести к повышенным избыткам воздуха в конце полотна решетки, в результате чего его будет не хватать для горения кокса (кривая a₁) в зоне III.

Основным недостатком топок с цепными решетками являются повышенные потери теплоты от неполноты сгорания топлива. Область применения таких решеток ограничена котлами паропроизводительностью D = 10 кг/с и топливами с выходом летучих = 20 %и приведенной влажностью .

Топки с кипящим слоем отличаются пониженным выбросом таких вредных соединений, как NO_х, SO ₂, малой вероятностью шлакования экранов, возможностью (ввиду низкой температуры газов) насыщения объема топки поверхностями нагрева. Недостатками их являются повышенная неполнота сгорания топлива, высокое аэродинамическое сопротивление решетки и слоя,узкий диапазон регулирования паропроизводительности котла.

Рис. 2.7. Схемы работы цепных решеток и типы забрасывателей топлива: а, б – топки с прямым и обратным ходом решеток соответственно; в, г – механический и пневматический забрасыватели;
1 – решетка; 2 – звездочки; 3 – бункер; 4 – шибер; 5 – шлакосниматель; 6 – шлак; 7 – дозатор топлива; 8 – забрасыватель; 9 – подвод воздуха; I – зона свежего топлива; II – зона подогрева топлива;
III – область горения (окисления) кокса; IV – восстановительная зона; V – зона выжига топлива

 

Слоевой способ сжигания топлива характеризуется относительно невысокими скоростями процесса горения, пониженной его экономичностью и надежностью. Поэтому он не нашел применения в котлах большой производительности.