Пособие по фхогт. Горелочные устройства
Горелочное устройство должно обеспечивать хорошее перемешивание пыли и воздуха, возможно более раннее воспламенение пылевоздушной смеси и способствовать практически полному выгоранию пыли. Для камерного (факельного) сжигания твердого топлива наибольшее распространение получили вихревые круглые, а также прямоточные щелевые и сопловые горелки.
Вихревыми горелками называют, у которых первичный и вторичный воздух или только вторичный воздух закручивается специальными завихрителями. Закручивание потоков достигается при помощи улиток, устанавливаемых на входе в горелку, или лопаток, устанавливаемых в горелке аксиально или тангенциально в потоке первичного или вторичного воздуха. Принципиальные схемы вихревых горелок показаны на рис.1. Наименование горелки отражает способ ввода первичного (с пылью) и вторичного воздуха. Так, в показанной на рис.1, а прямогочно-улиточиой горелке первичный воздух с пылью (пылевоздушная смесь или аэросмесь) подается через центральную трубу прямо-точно, без закручивания. Вторичный воздух, подаваемый в топку через горелку, закручивается улиткой.
Рис. 1 Принципиальные схемы пылеугольных вихревых горелок: а-прямоточно-улиточная; б- прямоточно-лопаточная; в - двухулиточная; г- улиточно-лопаточная; д- лопаточно-лопаточная; I - первичный воздух с угольной пылью; II - вторичный воздух, III – мазут; 1 – мазутная форсунка.
Аэросмесь поступает и топку через центральную трубу, имеющую на конце чугунный наконечник. Регулирование выходного сечения для аэросмеси осуществляется конусомрассекателем, который может перемещаться. Конус-рассекатель обеспечивает хорошее раскрытие пылевоздушной струн, а также подсос горячих топочных газов к корню факела, что интенсифицирует воспламенение топлива. Вторичный воздух, подаваемый через улитку, выходит в топку завихренным через кольцевое пространство, образуемое наконечником и обмуровкой. Для растопки, а также при необходимости подсвечивать пылеугольный факел предусматривают установку мазутной форсунки, для чего в корпусе горелки имеется отверстие. В вихревых горелках, показанных на рис. 1,б-д, мазутные форсунки установлены по центру горелки.
Прямоточные горелки .
Рис. 2 Принципиальная схема прямоточных горелок: а-щелевая горелка: б - сопловая горелка; I - аэросмесь: II - вторичный воздух.
В прямоточных щелевых горелках (рис. 2, а) подача в топку аэросмеси и вторичного воздуха осуществляется раздельно через узкие щели. Такие горелки выполняются с внешним 1 и внутренним 2 вводом вторичного воздуха. В прямоточных сопловых горелках (рис. 2,6) ввод аэросмеси и вторичного воздуха осуществляется раздельно через круглые сопла.
Примером прямоточной щелевой горелки является широко используемая поворотная горелка. В этой горелке аэросмесь поступает через центральный патрубок, откуда через поворотные сопла-щели она выходит в топку. Вторичный воздух поступает в топку по наружному соплу. Сопла при помощи электродвигателя можно поворачивать вверх и вниз от горизонтальной плоскости на 12-20°. Это дает возможность менять положение факела в топке.
Полнота выгорания топлива, условия эксплуатационно надежной работы топки в значительной степени определяет расположение горелок. Наибольшее распространение для обычных однокамерных топок получило фронтальное (рис. 8.10, а), встречное (рис. 8.10,б) и угловое (рис. 8.10,в) расположение горелок.
Фронтальное расположение горелок и их примерный характер аэродинамики топки показаны на рис. 8.11, а. При выходе из отдельных горелок струи первоначально развиваются самостоятельно, а затем сливаются в общий поток. При движении к задней стенке струя подсасывает из окружающей среды топочные газы, масса ее значительно увеличивается, а концентрация окислителя снижается. При ударе факела о заднюю стенку может иметь место ее шлакование. В связи с этим фронтальное расположение горелок наиболее целесообразно применять в вихревых горелках с относительно коротким широким факелом.
Встречное расположение горелок (рис. 8.11,б и в) предполагает, что горелки могут располагаться как на противоположных боковых, так и на фронтальной и задней стенках, возможно встречно-лобовое и встречно-смещенное расположение горелок. При встречно-лобовой ориентации горелок (рис. 8.11,6) в топке получается концентрированный удар встречных потоков. Часть общего потока направляется в верхнюю половину топки, часть опускается в холодную воронку. При неравенстве импульсов возникает асимметричность течения в вертикальной плоскости и результативный факел приближается к одной из стен, что может вызвать ее шлакование.
При встречно-смещенной компоновке горелок по схеме МЭИ (рис. 8.11, в) горящие потоки взаимно проникают друг в друга. При этом имеет место лучшее заполнение факелом топочного объема, обеспечивается принудительный подвод теплоты к корню факела, улучшается выгорание топлива при бесшлаковочном режиме работы экранов. В случае применения встречно-смещенной компоновки горелок более целесообразными являются щелевые горелки.
При угловом расположении горелок возможны следующие схемы их установки (рис. 8.12): диагональная, блочная, тангенциальная. Такое размещение горелок ставит ряд конструктивных трудностей. Наблюдается также шлакование стенок. При тангенциальном расположении горелок при взаимодействии струй образуется единый закрученный поток, направляющийся вверх и вниз топочной камеры. По центру топки образуется область несколько пониженного давления, что стабилизирует положение факела. Наличие крутки потока сохраняется вплоть до выхода из топки. При вытянутой форме сечения топки в плане может иметь место искажение аэродинамики потока, сопровождающееся шлакованием стенок. Поэтому при тангенциальной компоновке горелок целесообразно, чтобы горизонтальное сечение топочной камеры по форме приближалось к квадратному.
Фронтальное, встречное и угловое расположение горелок по высоте топки могут размещаться в один-два и более ярусов. Количество горелок, размещенных в топке, определяется на основе следующих расчетов. Тепловая мощность топки Q тт, МВТ, определяется по выражению
где В р - общий расчетный расход топлива на котел, кг/с; Q р н -теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Тепловая мощность горелки Q r , МВт, определяется аналогично:
где В г - расход топлива на одну горелку, кг/с.
Количество горелок
С увеличением паропроизводительности котла количество горелок соответственно увеличивается. Так, для котла производительностью 20,8 кг/с (75 т/ч) при тепловой мощности топки около 60 МВт применяют две-три вихревые горелки при фронтальном и две-четыре горелки при встречном их расположении; при угловой компоновке применяют четыре прямоточные горелки. Для котла производительностью 89 кг/с (320 т/ч) при тепловой мощности топки 290 МВт применяют 6-8 встречных или 16 угловых горелок. По конфигурации факела различают топки с U-образным факелом (рис. 8.13, а) и L-образным факелом (рис.8.13,6). Наибольшее распространение нашли топки с L-образным факелом. По способу удаления шлака различают пылеугольные топки с твердым (гранулированным) и жидким шлакоудалением.
ОПЫТ ОАО «СИБЭНЕРГОМАШ» (БКЗ) ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ПРОИЗВОДСТВУ КОТЛОВ ОАО «Сибэнергомаш» является специализированным ведущим предприятием России по производству энергетического оборудования, в том числе паровых котлов паропроизводительностью от 50 до 820 т/ч и водогрейных котлов теплопроизводительностью от 30 до 180 Гкал/ч. Богатый опыт проектирования и изготовления котлов позволяет создавать котлы для сжигания широкой гаммы твердых топлив, газа и мазута. Предприятие обладает высококвалифицированными специалистами, уникальным технологическим и испытательным оборудованием, современными средствами вычислительной техники. Кроме разработки проектов новых котлов ОАО «Сибэнергомаш» занимается реконструкцией и модернизацией ранее изготовленных котлов с целью улучшения технико- экономических и экологических показателей, перевода котлов на сжигание новых (непроектных) топлив. 2
ОСОБЕННОСТИ ЭКИБАСТУЗСКОГО ТОПЛИВА ПРЕДЪЯВЛЯЮТ ОСОБЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТОПОЧНО-ГОРЕЛОЧНЫМ УСТРОЙСТВАМ Экибастузское месторождение является одним из крупнейших месторождений энергетических углей, на котором работают станции Казахстана, Урала и Западной Сибири. Основные особенности данного топлива: повышенная зольность, низкая влажность, высокая абразивность золы, отсутствие шлакования при избытке воздуха в зоне горения больше единицы возникновение шлакования при избытке воздуха в зоне горения меньше единицы. Эти свойства топлива предъявляют определённые требования к конструкциям топочно- горелочных устройств и оказывают заметное влияние на организацию его сжигания. 5
ОАО «СИБЭНЕРГОМАШ» (БКЗ) ИМЕЕТ БОЛЬШОЙ ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОТЛОВ, РАБОТАЮЩИХ НА ЭКИБАСТУЗСКОМ УГЛЕ ОАО «Сибэнергомаш» (БКЗ) имеет большой опыт проектирования котлоагрегатов, работающих на Экибастузском угле, так в настоящий момент на теплоэлектроцентралях Казахстана и России находятся в работе около 60 паровых и водогрейных котлов, подтверждающих свою надёжную работу в течение долгого периода времени. В первоначальный период освоения Экибастузского угольного бассейна Барнаульским котельным заводом были изготовлены для ТЭЦ котлоагрегаты моделей БКЗ, БКЗ, БКЗ различных модификаций. Основной задачей проектирования котлоагрегатов на тот момент времени являлось обеспечение надёжной и экономичной работы. Одним из наиболее полно удовлетворяющих все требования заказчиков на тот период стал котлоагрегат БКЗ, проект которого в восьмидесятые годы был разработан Барнаульским котельным заводом. Этот котёл был изготовлен и поставлен на различные ТЭЦ. 6
КОТЕЛ БКЗ Компоновка такого котла выполнена по Т-образной сомкнутой схеме. Топка открытого типа, призматической формы верхняя её часть в горизонтальном сечении по осям труб противоположных экранов имеет размеры 15420х3860мм, а нижняя часть – 15420х8980 мм. Котёл оборудован индивидуальными системами пылеприготовления с прямым вдуванием. Размол и сушка угля осуществляется в молотковых мельницах. Сушка производится горячим воздухом. Топка оборудована вихревыми двухпоточными пылеугольными горелками, расположенными на боковых стенах в один ярус (Рис.1). Котлы этой модели показали высокую надёжность в эксплуатации, КПД их находился на уровне 92,5%. По отдельным измерениям, выполняемым во время испытаний, концентрация оксидов азота (NOх), за котлом составляла мг/нм3 (при α=1,4). 7 Рис. 1 – Схема топочно-горелочного устройства котла БКЗ
КОТЕЛ БКЗ А Восьмидесятые годы предыдущего столетия характеризовались началом борьбы за экологию. В нормативных документах появились требования по предельно допустимым выбросам оксидов азота за котлом. С целью снижения выбросов окислов азота, ОАО «Сибэнергомаш» в 2003 году изготовил для Астанинской ТЭЦ-2 котёл новой модификации БКЗ А ст. 6. Компоновка, форма и размеры топки, а также система пылеприготовления остались аналогичными с моделью БКЗ С учётом имеющихся у ОАО «Сибэнергомаш» наработок, для организации топочного процесса топка оборудована прямоточными пылеугольными горелками и соплами нижнего дутья (Рис. 2). Пылеугольные горелки расположены тангенциально на боковых стенах топки в два яруса и имеют разворот осей, создающий в плане топки два вихря. Сопла нижнего дутья (СНД) расположены по встречно-смещённой схеме на скатах холодной воронки. Котёл пущен в эксплуатацию в 2007 году. При использовании прямоточных горелок и сопел нижнего дутья без проведения каких-либо режимно-наладочных работ удалось снизить выбросы NOх на номинальной нагрузке до мг/нм 3, при обеспечении надёжной и экономичной работы котла. 8
КОТЕЛ БКЗ А Ввиду того, что заявленные показатели по выбросам окислов азота не были достигнуты, ОАО «Сибэнергомаш» произвело реконструкцию топочно-горелочного устройства. Была смонтирована дополнительно система сопел третичного дутья. Сопла третичного дутья расположены над основными горелками по тангенциальной схеме. Направление крутки совпадает с направлением крутки основных горелок (Рис. 2) 9 Рис. 2 – Схема топочно-горелочного устройства котла БКЗ А.
КОТЕЛ БКЗ А В 2011 году, по окончании монтажа системы сопел третичного дутья, специалистами «УралВТИ» совместно со специалистами ОАО «Сибэнергомаш» проведен комплекс режимно- наладочных испытаний, целью которого являлась оценка эффективности реконструкции котла (совместное влияние системы сопел нижнего и третичного дутья на уровень концентрации окислов азота в дымовых газах). По результатам режимной наладки можно сделать следующие выводы: Оптимальное соотношение расходов воздуха на сопла нижнего и третичного дутья составляет на номинальной нагрузке 3:1. С увеличением расхода воздуха на третичное дутьё концентрация NOx снижается, при этом чем больше доля нижнего дутья, тем больше эффект от увеличения доли третичного дутья, но влияние третичного дутья заметно слабее по сравнению с влиянием нижнего дутья. Выдерживание параметров, приведённых в режимной карте, выданной после проведения режимно-наладочных работ, обеспечивает надёжную работу котла с номинальными параметрами пара на нагрузке (420т/ч), КПД котла составляет 91,0%, при этом выбросы оксидов азота NOx в уходящих газах, приведенные к α=1,4, не превышают гарантированное значение 550 мг/нм 3. 10
КОТЕЛ БКЗ Наряду с использованием прямоточных горелок, с целью снижения выбросов NOх, ОАО «Сибэнергомаш» решает эту же проблему с применением вихревых горелок. Данное решение реализовано на котлоагрегате БКЗ ст. 1 Павлодарской ТЭЦ-3. Компоновка котла, выполнена по той же схеме, что и в вышеописанных котлах, система пылеприготовления аналогична предыдущим. Модернизированное топочно-горелочное устройство представлено вихревыми горелками, системой сопел нижнего дутья и воздушными соплами третичного дутья (Рис. 3). Однопоточные пылеугольные горелки установлены на боковых стенах топки в один ярус. Сопла нижнего дутья расположены по встречно-смещённой схеме на скатах холодной воронки. Сопла третичного дутья, расположены на боковых стенах топки над пылеугольными горелками. Котёл пущен в эксплуатацию в январе 2012 года. Согласно результатам испытаний, выполненных специалистами ЗАО «Е4-СибКОТЭС» совместно со специалистами ОАО «Сибэнергомаш», достигнуты выбросы оксидов азота при α=1,4 менее 500 мг/нм 3 c обеспечением надёжной работы котла и всех гарантийных показателей. Вариант топочно-горелочного устройства с применением вихревых горелок сопоставим с вариантом установки горелок немецкой фирмы Steinmuller Engineering GmbH, но дешевле его в 5-10 раз. 11
КОТЕЛ БКЗ Рис. 3 – Схема топочно-горелочного устройства котла БКЗ А.
КОТЕЛ БКЗ Продолжением работ по совершенствованию топочно-горелочных устройств является выполненная ОАО «Сибэнергомаш» реконструкция (с сохранением существующего каркаса и барабана) котла БКЗ ст. 6 Петропавловкой ТЭЦ-2. Котёл выполнен по П-образной схеме, топка открытого типа, призматической формы имеет в плане по осям труб размеры 9536х6656 мм. Котёл оборудован индивидуальными системами пылеприготовления с промбункером и подачей пыли отработавшим сушильным агентом. Размол и сушка осуществляется в шаровых барабанных мельницах. Сушка производится горячим воздухом. Для организации топочного процесса топка оборудована прямоточными горелками, соплами нижнего дутья и воздушными соплами третичного дутья (Рис. 4).
КОТЕЛ БКЗ Рис. 4 – Схема топочно-горелочного устройства котла БКЗ
КОТЕЛ БКЗ Пылеугольные горелки установлены на фронтовой и задней стенах вблизи углов топки в два яруса. Оси горелочных устройств направлены тангенциально к воображаемой окружности в центре топки. Направление крутки - по часовой стрелке. Воздушные сопла системы нижнего дутья расположены по встречно-смещённой схеме на скатах холодной воронки. Воздушные сопла третичного дутья установлены над основными горелками на фронтовой и задней стенах вблизи углов топки. Оси воздушных сопел третичного дутья расположены тангенциально к воображаемой окружности в центре топки. Направление крутки – против часовой стрелки. После выполнения реконструкции котёл пущен в эксплуатацию в январе 2012 года. В соответствии с результатами режимно-наладочных работ, выполненных специалистами «УралВТИ» и ОАО «Сибэнергомаш», подтверждена эффективность проведенной реконструкции в части существенного снижения выбросов NOx и обеспечения расчетного КПД котла. Результаты испытаний показали, что во всём рабочем диапазоне нагрузок выбросы оксидов азота не превышали 500 мг/нм3 (при α=1,4), при этом КПД составил 90,9-91,5%.
КОТЕЛ БКЗ, Кроме использования собственного опыта по совершенствованию топочно-горелочных устройств в настоящее время ОАО «Сибэнергомаш» совместно с немецкой фирмой Steinmuller Engineering GmbH разработал проект котла БКЗ,8-560 ст. 7 для ТЭЦ-2 АО «Астана- энергия». Этот котёл башенной компоновки, топка открытого типа, призматической формы имеет в плане по осям труб 11370х Котел оборудован индивидуальными системами пылеприготовления с прямым вдуванием. Размол и сушка осуществляется в молотковых мельницах. Сушка угля производится горячим воздухом. В проекте предусмотрена подача угольной пыли от каждой мельницы к двум горелкам одного яруса, расположенным на противоположных стенах. Котёл оборудован топочно-горелочными устройствами компании Steinmuller Engineering GmbH. В данном котле заложена принципиально новая схема сжигания Экибастузского угля. Топочно-горелочное устройство представлено малотоксичными горелками, воздушными соплами бокового дутья и соплами третичного дутья (Рис.5).
17 Рис. 5 – Схема топочно-горелочного устройства котла БКЗ,8-560 Малотоксичными горелками являются прямоточно-вихревые горелки, установленные в два яруса по тангенциальной схеме вблизи центра каждой стены. Такая схема размещения прямоточно- вихревых горелок отличается от ранее применяемых схем расположения вихревых горелок (одностороннее или встречное). КОТЕЛ БКЗ,8-560
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18 ОАО «Сибэнергомаш» постоянно совершенствует свою продукцию, обеспечивая наиболее экономичное сжигание высокозольного топлива с сокращением выбросов вредных веществ в атмосферу за счёт модернизации топочных процессов, при этом широко используется математическое моделирование, которое строится на результатах испытаний уже работающих котлов.
КОНТАКТЫ Отдел продаж Дивизиона котельного оборудования Директор по продажам Тел.: +7 (3852) Европейская часть России Тел.: +7 (3852) Тел.: +7 (3852) Тел./факс: +7 (3852) Урал, Сибирь, Дальний Восток Тел.: +7 (3852) Тел.: +7 (3852) Тел./факс: +7 (3852) Ближнее и дальнее зарубежье Тел.: +7 (3852) Тел.: +7 (3852) Тел./факс: +7 (3852) Отдел продаж Дивизиона тягодутьевых машин Директор по продажам Тел.: +7 (3852) Европейская часть России Тел.: +7 (3852) Факс: +7 (3852) Урал, Сибирь, Дальний Восток Тел./факс: +7 (3852) Факс: +7 (3852) Ближнее и дальнее зарубежье Тел: +7 (3852) Факс: +7 (3852)
(Документ)
n1.docx
Введение 2
Твердое топливо 2
Вихревые горелки 3
Прямоточные горелки 8
Газообразное топливо 11
Сжигание газообразного топлива с низкой теплотой сгорания 12
Сжигание газообразного топлива с высокой теплотой сгорания 13
Сжигание газа совместно с другими видами топлива 14
Газомазутные горелки 14
Список литературы 16
Введение
Горелка - это устройство для поддержания процесса горения жидкого, газообразного или пылеобразного топлива. Обеспечивают испарение (для жидкого топлива), смешивание с воздухом или другим окислителем, формирование факела и распределение пламени. Пылеугольные горелки служат для организованного ввода угольной пыли и воздуха в топку. С помощью горелок и рациональной компоновки их в значительной мере организуется топочный процесс: устойчивое зажигание факела, смесеобразование, интенсивное выгорание пыли и бесшлаковочная работа парогенератора.Твердое топливо
Необходимая интенсивность горения топливной пыли достигается подготовкой горючей смеси (смесеобразованием) в горелочном устройстве (горелке). Полученная в процессе размола и сушки топливная пыль при температуре 70–130 0 С потоком первичного воздуха, доля которого составляет от 15 до 40 %, вдувается в топочную камеру через горелки; в горелки поступает также вторичный воздух при температуре 250–420 0 С .В горелках не происходит воспламенения топлива. Их задача состоит в том, чтобы подготовить два самостоятельных потока – пылевоздушную смесь и вторичный воздух – к воспламенению топлива и активному горению в топке. Следовательно, горелки выдают в топку два раздельных потока: пылевоздушную смесь и вторичный воздух. Образование горючей смеси завершается в топочной камере.От работы и размещения горелок в топке зависит характер смесеобразования, что в сочетании с аэродинамикой топочной камеры определяют интенсивность воспламенения, скорость и полноту сгорания, а, следовательно, тепловую мощность и эффективность топки.
Для сжигания угольной пыли применяются два основных типа горелок: вихревые и прямоточные. Через вихревые горелки пылевоздушная смесь и вторичный воздух подаются в топку в виде закрученных струй, образующих в топочном объеме конусообразно расходящийся факел. Такие горелки выполняются круглыми в сечении. Прямоточные горелки подают в топку чаще всего параллельные струи аэропыли и вторичного воздуха. Перемешивание струй определяется главным образом взаимным расположением горелок на стенах топки и созданием необходимой аэродинамики струй в объеме топки. Эти горелки могут быть круглого или прямоугольного сечения.
Вихревые горелки
Виды вихревых горелок:
Двухулиточные горелки с улиточными закручивателями пылевоздушной смеси и вторичного воздуха (рис. 1.а);
Улиточно-лопаточные горелки с улиточным закручивателем пылевоздушной смеси и аксиальным лопаточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 1.б);
Прямоточно-улиточные горелки с прямоточным каналом для пылевоздушной смеси рассекателем на выходе из него и улиточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 1.в);
Двухлопаточные, в которых закручивание потоков вторичного воздуха и аэропыли обеспечивается аксимальным и тангенциальным лопаточным аппаратом (рис. 1.г).
Горелки этого типа имеют производительность от 1 до 3,8 кг у.т./с, что определяет их тепловую мощность от 25 до 100 МВт. . Основным показателем аэродинамической характеристики горелки с закручивающим аппаратом является параметр крутки n. Его значения для большинства промышленных горелок находятся в пределах 1,5–5, большие значения 3–5 относятся к закручиванию потока вторичного воздуха .
С увеличением степени крутки потока увеличивается угол раскрытия струи и расширяются её границы, увеличиваются размеры зоны рециркуляции газов к устью факела, что обеспечивает более быстрый погрев и воспламенение топлива. Горелки с повышенным параметром n используют при сжигании низкореакционных, трудно воспламеняющихся топлив.
Структура струй пылевоздушной смеси, вытекающих из амбразур вихревых горелок, в значительной мере зависит от типа и конструкции их закручивающих аппаратов. При закручивающем аппарате в виде спирали крутка потока зависит от параметра (отношение площади сечения входного патрубка закручивающего аппарата к квадрату диаметра выходного сечения), значение которого рекомендуется в пределах 0,4 – 0,6. Лопаточные аппараты выполняются с тангенциальными поворачивающимися или неподвижными лопатками на входе в канал вторичного воздуха или с осевыми лопатками на выходе из канала вторичного воздуха. Воздух входит в лопаточный аппарат с направлением, параллельным оси горелки. Лопатки образуют каналы, из которых воздух вытекает в виде струй, наклоненных к продольной оси горелки под некоторым углом.
В двухулиточных и улиточно-лопаточных вихревых горелках пылевоздушной смеси и вторичному воздуху сообщается закрученное движение с одинаковым направлением вращения. В прямоточно-улиточных горелках раскрытие факела достигается установкой рассекателя в выходном сечении канала первичного воздуха и закруткой потока вторичного воздуха.
Благодаря закрутке потоки пылевоздушной смеси и вторичного воздуха в топочной камере распространяются в виде двух концентрически расположенных усеченных полых конусов, причем внутри находится конус пылевоздушной смеси, имеющий несколько больший угол раскрытия для лучшего перемешивания с вторичным воздухом. Чтобы способствовать большему раскрытию факела, амбразуру вихревых горелок выполняют конической.
Улиточно-лопаточные горелки выполняются одно- и двухпоточными по вторичному воздуху. В них закрутка вторичного воздуха осуществляется осевыми лопаточными аппаратами, а пылевоздушной смеси – улиточными закручивателями.
В прямоточно-улиточной вихревой горелке пылевоздушная смесь подается прямоточно по центральной цилиндрической трубе. На выходе из неё пылевоздушный поток, омывая конический рассекатель, раскрывается. Вторичный воздух, поступающий через улиточный закручиватель, завихривает факел. Угол раскрытия рассекателя рекомендуется принимать в пределах 90–120 0 . Главное преимущество этих горелок – меньшее аэродинамическое сопротивление тракта первичного воздуха.
Для зажигания пылевоздушной смеси в горелку монтируется мазутная форсунка производительностью до 2т/ч. Тепловая мощность растопочных форсунок должна составлять меняя 30% мощности пылеугольной горелки. Для розжига мазутной форсунки горелки снабжаются дистанционными электрогазовыми запальниками.
Снижение производительности вихревых горелок однопоточных по вторичному воздуху допускается до 70% номинальной, а двухпоточных – 60%. При этом скорость в пылепроводах по условиям предотвращения сепарации пыли не должна быть ниже допустимых нормами расчета пылеприготовления.
Вихревые горелки, как обладающие высокой устойчивостью зажигания, рекомендуются преимущественно для сжигания пыли АШ, полуантрацитов и тощих углей в открытых и полуоткрытых топках с твердым и жидким шлакоудалением. Эти горелки могут быть использованы и для сжигания топлив с большим выходом летучих. Вихревые горелки рекомендуется располагать на парогенераторах производительностью до 70 кг/с встречно на боковых стенах, а на парогенераторах большей производительности – встречно на широких фронтовой и задней стенах в один, два и более ярусов.
Оптимальная скорость выхода пылевоздушной смеси из вихревой горелки составляет 14–16 м/с, в мощных горелках может быть увеличена до 20–22 м/с, оптимальная скорость вторичного воздуха – соответственно 18–21 м/с и 26–30 м/с .
Определяющим конструктивным параметром вихревых горелок является диаметр амбразуры D a . Горелки размещают на достаточном расстоянии друг от друга – , и от боковых стен – , чтобы исключить раннее взаимодействие факелов и наброс факела на стены. При однофронтальном расположении горелок в 1–2 яруса экран задней стены получает повышенное тепловосприятие (10–20% выше среднего), и для исключения шлакования стены при твердом шлакоудалении глубина топки должна быть не менее. Встречное двухфронтальное расположение горелок характерно для мощных паровых котлов, когда необходимое число горелок невозможно разместить на одной фронтовой стене .
При встречном расположении выравнивается теплонапряжение экранов топки, повышается уровень температур в центре топки.
Актуально использовать вихревые горелки на парогенераторах средней производительности. Основное достоинство вихревых горелок – создание во внутренней полости зоны рециркуляции, обеспечивающей устойчивое зажигание. С переходом к мощным и сверхмощным парогенератором роль горелок в организации топочного процесса уменьшается. В этих парогенераторах важное значение для организации топочного процесса имеет взаимодействие факелов, определяемое способом компоновки горелок.
Горелки на стенах топочной камеры располагаются таким образом, чтобы обеспечить наибольшую полноту сгорания топлива в ядре факела, создавать благоприятные условия для удаления шлаков их топки в заданном твердом или жидком виде и исключить возможность шлакования стен топочной камеры. На рис. 2 показаны наиболее характерные схемы расположения вихревых пылеугольных горелок. Схемы с фронтальными и двухфронтальными горелками (рис. 2 а, б) могут быть выполнены как в один, так и в два яруса. При однофронтальном расположении экран задней стены получает повышенное тепловосприятие (на 10–20% выше среднего). Встречное двухфронтальное расположение горелок характерно для мощных паровых котлов, когда, необходимое число горелок невозможно разместить на одной фронтовой стене даже в два яруса.
При встречном расположении выравнивается теплонапряжение экранов топки. В котлах относительно небольшой мощности размещают горелки встречно с боковых стен в один ярус (рис. 2 в). При этой схеме имеет место повышенная температура газов в средней части топки по её ширине.
Мощным излучением и проникновением горячих продуктов сгорания в амбразуры большого размера металлические насадки и рассекатель горелки сильно нагреваются и обгорают. В этих условиях ненадежно работают прямоточно-улиточные горелки. Для уменьшения обгорания и повышения надежности работы горелки амбразуры стали выполнять цилиндрическими. Но это связано с уменьшением раскрытия факела, т.е. противоречит основному принципу работы вихревых горелок. В завихренном потоке происходит расслоение воздуха и пыли. Пыль оттесняется к периферии цилиндрического канала и неравномерно распределяется в потоке первичной смеси на выходе из горелки. Неравномерно и распределение скоростей. Также вихревые горелки громоздки и сложны в изготовлении. Они обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением и подвержены большому износу пылевоздушным потоком.
Прямоточные горелки
Прямоточные горелки ввиду более низкой турбулизации потока, создают дальнобойные струи с малым углом расширения и вялым перемешиванием первичного и вторичного потоков. Поэтому успешное сжигание топлива достигается взаимодействием струй разных горелок в объеме топочной камеры. Для этого применяют встречное расположение горелок с двух противоположных стен топки или угловое с тангенциальным направлением струй в объеме топки (рис. 3).Прямоточные горелки могут быть прямоугольной формы (плоские) или круглые (рис. 4). Горелки прямоугольной формы, особенно вытянутые по высоте, обладают высокой эжекцией окружающей газовой среды с боковых сторон струи. Поэтому такие горелки при внешней подаче аэропыли (рис. 4 а) имеют преимущества по условиям воспламенения. Круглые горелки обычно выполняют с отдельной подачей аэропыли и горячего воздуха (рис. 4 б). Встречный наклон двух блоков горелок, расположенных в одной плоскости по высоте, улучшает перемешивание и сгорание. Такие горелки получили название плоскофакельных. Горелки с внутренней подачей топлива и рассекателем (рис. 4 в) имеют лучшие условия перемешивания с воздухом, но прогрев топлива происходит медленнее, поэтому такая горелка более приемлема для качественного каменного угля с высоким выходом летучих веществ. При угловом расположении горелок и тангенциальном движении факела в сечении топки чаще всего применяют блоки щелевых горелок (рис. 4 г).
Рис. 4 Прямоточные пылеугольные горелки: а - прямоугольные с центральным каналом горячего возуха; б - плоскофакельная с круглыми соплами; в - прямоугольная с поворотной головкой и внутренней подачей аэропыли; г - щелевая блочная; В - подвод воздуха; Тл - подвод топливо-воздушной меси; М - подвод мазута; 1 - канал аэропыли; 2 - канал горячего воздуха; 3 - подсос топочных газов к струе аэропыли; 4 - поворотная головка; 5 - рассекатель; 6 - растопочный блок.
Скорость пылевоздушной смеси на выходе из горелок принимают w 1 = 20-28 м/с, а оптимальная скорость вторичного воздуха w 2 = (1,5-1,7) w 1 .
Горелки для высококонцентрированной пыли получают все более широкое применение. Подача пыли из бункера к горелке происходит в этом случае не первичным потоком воздуха, а с помощью небольшого количества (0,1 - 0,3% всего расхода) сжатого воздуха СВ, который обеспечивает достаточно хорошую текучесть аэропыли АП по пылепроводу малого диаметра - 60-90 мм. Распыл подаваемой в котел пыли обеспечивается непосредственно на входе в горелку при смешении пыли с первичным потоком воздуха.
На рис. 5 показаны характерные схемы размещения прямоточных горелок. Все представленные схемы нашли широкое применение при сжигании торфа, бурых и молодых каменных углей.
Сжигание торфа и бурых углей по схеме встречно-смещенных струй отличается высокой эффективностью за счет повышенной турбулизации факела в зоне основного горения. Это достигается созданием большого градиента скоростей между соседними струями, имеющими противоположные направления движения.
Схему с блочным соударением струй смежных горелок (рис. 5 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 в обе стороны к стенам.
Схема с угловыми горелками и тангенциальным направлением горелочных струй к условной окружности в центре топки диаметром 1–2,5 м (рис. 5 в) нашла широкое применение на многих типах паровых котлов. Её преимущества заключаются в равномерности тепловых потоков по всем стенам топки, малой вероятности шлакования стен, так как вдоль них движутся уже частично остывшие газы.
Газообразное топливо
Газообразное топливо сжигается в камерных топках. Если сжигаются только газы, камера может иметь очертания, показанные на рис. 6 а. При сжигании газа совместно с угольной пылью в нижней части топочной камеры предусматривается воронка для удаления твердых очаговых остатков, выпадающих из горящего факела (рис. 6 б).
Для сжигания газов применяется большое количество различных типов горелок, отличающихся как по принципу работы, так и по конструктивному оформлению.
По способу организации перемешивания компонентов горения:
без предварительного смешения;
с полным предварительным смешением;
с неполным предварительным смешением;
с частичным предварительным смешением.
По способу подачи воздуха:
с принудительной подачей воздуха от вентилятора(дутьевые горелки):
прямоточные;
вихревые;
с подачей воздуха путем эжектирования его газовой струей или за счет разрежения в топке.
с изменением сечения входного патрубка или живого сечения лопаточных завихрителей;
с изменением угла наклона лопаток
с перепуском части воздушного потока мимо завихрителей.
низкого давления (перепад давления в горелке до 500 Па);
среднего давления (до критического перепада давлений);
высокого давления (сверхкритического перепада давлений).
с низкой скоростью (около 5 м/с);
со средней скоростью (около 20 м/с);
с высокой скоростью (около 100 м/с).
Сжигание газообразного топлива с низкой теплотой сгорания
К газообразному топливу с низкой теплотой сгорания, применяемому на промышленных предприятиях для сжигания в котлах, относится доменный газ – газ доменных печей, работающих на коксе с добавкой природного газа.При сжигании доменного газа газ и воздух поступают в горелку в соизмеримых количествах. На практике при сжигании доменного газа нашли применение в основном факельные горелки (рис. 7).
Сжигание газообразного топлива с высокой теплотой сгорания
К газообразным топливам с высокой теплотой сгорания относится природный газ. В отдельных случаях используется газ коксовых печей.Характерная особенность сжигания газов с высокой теплотой сгорания – необходимость смешения больших объемов окислителя с малым количеством газа.
Этапом, определяющим интенсивность горения, является период смешения газа и воздуха. Интенсификация процесса смешения обеспечивается в большинстве случаев подачей газа тонкими струйками с большой скоростью в массу воздуха, подаваемого со скорость. 15–40 м/с.
Интенсификация перемешивания газа с воздухом достигается также турбулизацией газовоздушного потока путем его закручивания, что требует некоторого повышения давления воздуха перед горелкой по сравнению с давлением при прямоточном потоке. Указанные способы интенсификации перемешивания газа и воздуха используются в горелках (рис. 8), применяемых для сжигания природного газа. В горелке на рис. 8 а газ поступает в центральную трубу и выходит в камеру смешения через ряд мелких отверстий. Воздух поступает по межтрубному пространству вращательно благодаря тангенциальному подводу к горелке, а также направляющим лопаткам. В другой горелке (рис. 8 б) газ из двух газоподводящих трубок выходит со скоростью 50 м/с через большое количество мелких отверстий, пересекая воздушный поток.
В зависимости от условий смесеобразования газа и воздуха при сжигании газообразного топлива можно получить в топочной камере продукты сгорания с различной степенью светимости. Улучшение процесса смешения приводит к интенсификации горения топлива, повышению эффективной температуры факела, при этом факел имеет малую светимость. Ухудшение смесеобразования замедляет горение и приводит к сажеобразованию, поэтому повышается светимость факела, но снижается его температура.
Сжигание газа совместно с другими видами топлива
Расположение на топке ряда автономных газовых и мазутных или пылеугольных горелок приводит к значительному усложнению топливных и воздушных коммуникаций и затрудняет эксплуатацию. Поэтому применяют комбинированные газомазутные или пылегазовые горелки. Такие горелки обычно разрабатываются на основе проверенной практикой газовой горелки, в которую встраивается мазутная форсунка. При разработке пылегазовой горелки за основу обычно берется пылеугольная горелка, в которую встраивается газораспределительное устройство. Совместное сжигание топлив приводит к увеличению потерь теплоты от химического и механического недожога, что связано со снижением концентрации окислителя в зоне горения топлива.Газомазутные горелки
На рис. 9 показана комбинированная газомазутная горелка типа ГМГм. Такие горелки предназначены для раздельного сжигания жидких топлив и природного газа. В ряде случаев допускается использование горелок для совместного сжигания топлива. Давление мазута перед форсункой 2 МПа, давление пара на распыливание мазута – 0,2 МПа, давление газа – 3800 Па .
На рис. 10 показана горелка тепловой мощности. Она имеет два самостоятельных канала подвода воздуха, каждый из которых завихривается в тангенциальном лопаточном аппарате и поступает в периферийный и центральный каналы горелки. Кроме того, имеется еще прямоточная подача третичного воздуха в центральную трубу для охлаждения канала мазутной форсунки. Подача мазута осуществляется паромеханической форсункой типа ТКЗ-4М производительностью 1,28 кг/с (4,6 т/ч) при давлении мазута 4,5 МПа и пара 0,2 МПа. Распыл мазута производится в основном в потоке центрального воздуха. С его участием происходит воспламенение топлива. Природный газ в основном вводится в периферийный поток воздуха большим числом труб d=32 мм из кольцевого коллектора. Другая часть природного газа вводится через отверстия центрального коаксиального канала (расчетная скорость выхода газа из отверстий соответственно 134 и 177 м/с) .
Список литературы
Липов Ю. М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и парогенераторы. – Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2005. – 592 с.
Сидельковский Л. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 528 с.
Хзмалян Д. М., Каган Я. А. Теория горения и топочные устройства. Учеб.пособие для студентов высш.учеб.заведений. М.: «Энергия», 1976. – 488 с.
Резников М. И., Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электростанций – М.: Энергоиздат, 1981. – 238 с.
Расположение горелок на стенках топочной камеры
Полнота выгорания топлива, условия эксплуатационно-надежной работы топки в значительной степени определяются размещением пылеугольных горелок. Наибольшее распространение для обычных однокамерных топок получило фронтальное (рис. 12.8, а), встречное (рис. 12.8,6) и угловое (рис. 12.8, в) расположение горелок.
При фронтальном расположении горелок примерный характер аэродинамики топки показан на рис. 12.9, а. По выходе из отдельных горелок струи первоначально развиваются самостоятельно, а затем сливаются в общий поток. При движении к задней стенке струя подсасывает из окружающей среды топочные газы, масса ее значительно увеличивается, а концентрация окислителя снижается. При ударе факела о заднюю стенку может иметь место ее шлакование. В связи с этим при фронтальном расположении наиболее целесообразно применение вихревых горелок с относительно коротким широким факелом.
При встречном расположении горелки (рис. 12.9, б и в) могут располагаться как на противоположных боковых, так и на фронтальной и задней стенках, возможна встречно-лобовая и встречно-смещенная их компоновка. При встречно-лобовой ориентации горелок (рис. 12.9, б) в топке получается концентрированный удар встречных потоков. Часть общего потока направляется в верхнюю половину топки, часть опускается в холодную воронку. При неравенстве импульсов возникает асимметричность течения в вертикальной плоскости и результативный факел приближается к одной из стен, что может вызвать ее шлакование.
При встречно-смещенной компоновке горелок по схеме МЭИ (рис. 12.9, в) горящие потоки взаимно проникают друг в друга. При этом имеет место лучшее заполнение факелом топочного объема, обеспечивается принудительный подвод теплоты к корню факела, улучшается выгорание топлива при бесшлаковочном режиме работы экранов. В случае применения встречно-смещенной компоновки горелок более целесообразными являются щелевые горелки.
При угловом расположении горелок возможны следующие схемы их установки (рис. 12.10): диагональная, блочная, тангенциальная. При таком размещении горелок возникает ряд конструктивных трудностей. Наблюдается также шлакование стенок. При тангенциальном расположении горелок при взаимодействии струй образуется единый закрученный поток, направляющийся вверх и вниз топочной камеры. По центру топки образуется область несколько пониженного давления, что стабилизирует положение факела. Наличие крутки потока сохраняется вплоть до выхода из топки. При вытянутой форме сечения топки в плане может иметь место искажение аэродинамики потока, сопровождающееся шлакованием стенок. Поэтому при тангенциальной компоновке горелок целесообразно, чтобы горизонтальное сечение топочной камеры по форме приближалось к квадратному.
При фронтальном, встречном и угловом расположении горелки по высоте топки могут размещаться в один-два и более ярусов.
Количество горелок размещенных в топке, определяется на основе следующих расчетов. Тепловая мощность топки Q тт, МВт,
Q тт = B p Q н р (12.1)
где Вр - общий расчетный расход топлива на котел, кг/с;
Q н р - теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Тепловая мощность горелки Q г, МВт,
Q г = В г Q н р (12.2)
где Вр-расход топлива на одну горелку, кг/с.
Количество горелок
п = В р /В г. (12.3)
С увеличением паропроизводительности котла количество горелок увеличивается.
Так, для котла производительностью 20,8 кг/с (75 т/ч) при тепловой мощности топки около 60 МВт применяют две-три вихревые горелки при фронтальном и две-четыре горелки при встречном их расположении; при угловой компоновке применяют четыре прямоточные горелки. Для котла производитель, 89 кг/с (320 т/ч) при тепловой мощности топки 290 МВт применяют 6÷8 встречных или 16 угловых горелок.
По конфигурации факела различают топки с U-образ-ным факелом (рис. 12.1, а) и L-образным факелом (рис. 12.1, б). Наибольшее распространение нашли топки с L-образным факелом. По способу удаления шлака различают пылеугольные топки с твердым (гранулированным) и жидким шлакоудалением.
а-прямоточно-улиточная; б - прямоточно-лопаточная; в - двухулиточная; г - улиточно-лопаточная; д - лопаточно-лопаточная;
I - первичный воздух с угольной пылью; II - вторичный воздух
Рисунок 12.1 - Принципиальные схемы пылеугольных вихревых горелок
Рисунок 12.3 - Принципиальная схема прямоточных горелок
а - щелевая горелка; б - сопловая горелка; I - аэросмесь; II - вторичный воздух
1 - патрубок первичного воздуха; 2 - сопло первичного воздуха; 3 -
сопло вторичного воздуха
Рисунок 12.5 - Схема зажигания пылевоздушной смеси:
а - круглая турбулентная горелка; б - прямоточная горелка с внешним вторичным воздухом; в - прямоточная горелка с внутренним вторичным воздухом; I - аэросмесь; II - вторичный воздух
а - топка с открытой амбразурой; б - амбразура с горизонтальным рассекателем; в - эжекционная амбразура; г-амбразура с плоскими параллельными струями; д - вихревая горелка;
1 - шахта; 2 - амбразура; 3 - сопла вторичного воздуха (верхние); 4 -сопла вторичного дутья (нижние); 5 - сопла вторичного воздуха; 5 - рассекатель; 7 - горелка; 8 - ввод вторичного воздуха