7. Топки и горелочные устройства
7.1. Виды топочных устройств
Горение газообразного и жидкого топлива организуют обычно в факеле. Твердое топливо сжигают в слоевых (с плотным или кипящим слоем), в камерных либо циклонных топках (рис. 6.1).
При сжигании в плотном фильтрующем слое топливо, свободно лежащее на решетке, снизу продувают воздухом. Скорость газового потока при этом такова, что устойчивость слоя не нарушается.
На практике в слоевых топках сжигают твердое топливо с частицами 20-30 мм и более. Выбор диаметра частиц обусловлен двумя факторами: с увеличением диаметра частиц возрастает устойчивость слоя, с уменьшением их диаметра возрастает реакционная поверхность. Значительный запас топлива на решетке, часто соизмеримый с его часовым расходом, определяет большую тепловую инерцию и устойчивость слоевого процесса. Скорость выгорания топлива определяется скоростью подвода окислителя, поэтому, несмотря на большую тепловую инерцию, удается регулировать нагрузку слоевых топок изменением количества подаваемого воздуха.
Рис. 6.1. Схемы организации сжигания твердых топлив:
а – факельный (камерный) способ сжигания; б – циклонный способ сжигания; в – сжигание топлива в кипящем слое
При сжигании твердого топлива в кипящем слое (рис. 6.1,в) увеличение скорости дутья приводит к нарушению устойчивости слоя, начинается «кипение» слоя, т.е. основная масса частиц переходит в подвижное состояние. В кипящем слое величина скорости дутья превышает предел устойчивости, но ниже скорости витания частиц, составляющих основную массу слоя. Сжигание топлив в кипящем слое позволяет решить ряд проблем: снижение выбросов оксидов азота и серы, обеспечение устойчивого зажигания, возможность утилизации низкосортных топлив и отходов производства.
При скорости газового потока в топочной камере, превышающей скорость витания частиц, последние оказываются взвешенными в потоке и вместе с ним перемещаются, сгорая в полете в пределах топочной камеры. Такой топочный процесс называется факельным (рис. 6.1,а). Поскольку время пребывания газа в топочной камере ограничено, для обеспечения выгорания за короткое время используют топливо, измельченное до пылевидного состояния (диаметр частиц 100-200 мкм). Измельчение топлива при факельном процессе горения увеличивает поверхность реагирования и облегчает транспорт частиц по топочному объему. Cжигание газового и жидкого топлива также осуществляется в факельном процессе. Газовое топливо поступает в камеру вместе с воздухом через специальное устройство – горелку. Жидкое топливо поступает в топку через форсунки в распыленном виде. Мельчайшие его капли испаряются, продукты испарения смешиваются в топке с воздухом и сгорают.
При циклонном топочном процессе (рис. 6.1,б) транспорт частиц твердого топлива, как и при факельном процессе, осуществляется газовоздушным потоком. Но в отличие от факельного процесса, частицы циркулируют по организованному контуру столько, сколько это необходимо для их сгорания. Циркуляция осуществляется за счет центробежных сил, прижимающих частицы к стенкам циклонной камеры. При циклонном процессе время пребывания частиц и интенсивность их обдувания существенно увеличены, поэтому здесь могут использоваться более крупные частицы, чем при факельном процессе, (2-5 мм). Использование для горения более крупных частиц топлива приводит к снижению расхода энергии на его размолым тепловым напряжением зеркала горения qf, МВт/м2, и удельным тепловым напряжением объёма топки qv, МВт/м3:
;
. (6.1)
Расход воздуха, подаваемый на сжигание, может быть рассчитан как:
, (6.2)
где
-
скорость дутья, приведенная к нормальным
условиям.
Выражая из данного соотношения
(6.3)
и подставляя в выражение для тепловых напряжений зеркала горения, получим
. (6.4)
Отношение теплоты сгорания органического топлива к теоретически необходимому количеству воздуха для большинства топлив является величиной постоянной и равной примерно 3,8 МДж/м3. Тогда в окончательном виде тепловые напряжения зеркала горения можно представить в виде, МВт/м2,
. (6.5)
Для увеличения тепловых напряжений зеркала горения необходимо осуществлять сжигание топлива при минимальных избытках воздуха с максимально возможной для данной технологии скоростью дутья. Рекомендуемые значения тепловых напряжений зеркала горения и объёма топки приведены в следующей таблице.
Рекомендуемые значения тепловых напряжений
Топки |
qF, МВт/м2 |
qV,МВт/м3 |
Wну, м/с |
Слоевые |
2 |
0,2-0,4 |
~0,5 |
Камерные |
3,5-5 |
0,1-0,2 |
~1 |
Циклонные |
12-14 |
0,6-1,1 |
~3,5 |