На організацію процесу топки при спалюванні пилоподібного палива великий вплив надають утворення і поведінка золи і шлаку в камері топки.
Топкова камера може працювати з видаленням шлаків у твердому стані (топка з твердим шлаковидаленням) або виведенням шлаків з топки в рідкому стані (топка з рідким шлаковидаленням). У будь-якому випадку дрібні золові фракції відносяться з потоком газів з топки в затверділому стані. У ядрі факела, де розвиваються високі температури, шлакові та золові частинки знаходяться в розм'якшеному стані і мають здатність налипати на стіни/або екранні поверхні, якщо в такому стані вони в якомусь місці їх торкнуться. Цей процес може призвести до наростання шару частинок золи і шлаків, що твердіють, на відносно холодній поверхні екранів, тобто до локального шлакування окремих стін топки.
Оскільки при спалюванні палива не можна уникнути проміжного тестоподібного стану золи по виході із зони високих температур, для запобігання шлакування стін топки процес спалювання пилоподібного палива повинен бути організований так, щоб зола в розм'якшеному стані не досягала стін топки.
Організація твердого видалення шлаку. Розподіл температур у камері топки при видаленні шлаку в твердому стані характеризується ізотермами, показаними на рис. 5.4. Найвища температура встановлюється в ядрі факела в центральній частині топки, що знаходиться приблизно на рівні пальників. В результаті віддачі теплоти топочним екранам біля них розташовується ізотерма з нижчою температурою. У міру переміщення розплавленої в ядрі факела золи до периферії та попадання в область порівняно низької температури, золові частинки охолоджуються і тверднуть. Таким чином, частки золи при нагріванні в ядріфакела та охолодження потім біля топкових екранів двічі проходять всі стадії зміни фізичного стану від твердого до рідкого (або розм'якшеного) і назад. На шляху руху вгору частинки золи також охолоджуються разом з газами і повинні виноситися з топки в гранульованому стані.
Топкові камери, що працюють з '
Твердим шлаковидаленням по конструкції виконують відкритими, тобто без зміни перерізу топки по висоті.
Відмінною особливістю цих топок є наявність у нижній частині топки холодної вирви, утвореної шляхом зближення фронтового та заднього екранів з великим ухилом (50-60°) до відстані b1 - 1-1,2 м. За рахунок цього швидко знижується температура газів у нижній частині топки, і розплавлені шлакові частинки, що випадають з ядра факела, потрапляючи в цю зону, твердіють (гранулюються) зовні і по крутих скатах воронки зсипаються в шла - копріємну ванну. Кількість шлаку, уловленого в такий спосіб через холодну вирву, невелика і становить 5-10% загального золо вмісту палива, тобто частка шлаку ашл = 0,05-0,1. Гранульовані шлакові частинки безперервно видаляються із ванни спеціальним механізмом. Водяна ванна виконує одночасно роль гідрозатвора проти підсмоктування знизу в топку холодного повітря.
Мал. 5.4. Топка з твердим видаленням шлаку: 1 - холодна вирва; 2 - шлакова ванна з водою; 3 - канал гідрозоловидалення; 4 - пальник; 5 - настінні екрани; 6 - ядро факела; 7 - шнековий шлаковидалюючий механізм; 8 – електродвигун.
Аеродинаміка об'єму топки Повинна бути так організована, щоб поблизу настінних екранів температура газів була не вище характерної температури золи tA (див. розділ 3.4), починаючи з якої золові частинки стають липкими і створюють небезпекушлакування стін. На рис. 5.5 показано, як впливає величина теплової напруги перерізу топки qj на розподіл температур по перерізу. При високих теплових напругах більш суттєво збільшується температура газів поблизу стін, що створює небезпеку їх шлакування, коли вона перевищує значення tA золи.
Тому середні теплові напруги перерізу камери згоряння при твердому шлаковидаленні зазвичай повинні мати невисокі значення (qf - 3-4 МВт/м2). Це неминуче призводить до розвитку розмірів перерізу камер згоряння.
Горіння частинок твердого палива, особливо у дифузійній зоні догоряння, затягується. Пил малореакційного палива згоряє за 2-2,5 сек, що обмежує значення теплової напруги об'єму завбільшки не вище — 180 кВт/м3, а з урахуванням необхідності охолодження газів на виході з топки до значення, £. ж. Створення таких умов у нижній частині топки можливе за рахунок наближення ядра факела до поду топки та покриття настінних екранів у цій зоні вогнетривкої карборундової теплової ізоляцією (футерування екранних труб). Для міцного утримання футеровки спочатку на труби екранів з боку об'єму топки зазвичай приварюють шипи (діаметром 10 мм і довжиною 15-18 м) і потім наносять шар ізоляції (рис. 5.6,6). Подова частина топки виконується горизонтальною або слабопохилою до центру топки. Тут на труби пода накладають 2-3 шари вогнетривкої цегли на вогнетривкій зв'язці. У центрі пода залишається одне або
5.2. Топкові камери і пальник для спалювання твердих палив 147
Два футеровані отвори для зливу шлаку (літка), розміром приблизно 500
800мм. Розплавлений шлак переливається через край льотки і тонкими струменями стікає в ванну шлаку, де при контакті з водою твердне.
Мал. 5.6. Топочпа камера з рідким шлаковидаленням: а - загальний вигляд гонки; б - вид футерованого екрану; 1 – камера згоряння; 2 - під топки; 3 - шлакова легка; 4 - камера охолодження; 5 - труба; 6 - шипи до їх покриття обмазкою; 7 - вогнетривка обмазка труб (футеровка) але шипам.
Підвищенню рівня температури у цій зоні сприяє двосторонній пережим топки, що зменшує тепловіддачу радіацією (рис. 5.6,а), де відкриті екрани мають нижчу температуру. При рідкому видаленні шлаку через шлакову льотку видаляється до 20-30% мінеральної маси палива у вигляді розплавленого шлаку.
Камера охолодження повністю екранована відкритими трубами. Тут завершується спалювання недогорілої частини палива і охолодження продуктів згоряння до необхідної температури на виході, при якій Повинна гранулюватися вся зола в об'ємі газів, що виходять з топки. За конструкцією топкова камера з рідким шлаковидаленням виконуються однокамерними відкритими і напіввідкритими (з перетиском) за типом рис. 5.1,6, а також двокамерними за типом рис. 5.1,6?. У топкових пристроях з перетиском за рахунок футерування настінних екранів в зоні горіння досягається висока температура газів 1 600-1 800°С. Вона повинна бути приблизно на 150-200°С вище за температуру £нж. Об'ємна теплова напруга в камері горіння вища за середню по топці в цілому в 4-5 разів і становить q*y - 500 - г 800 кВт/м3.
У циклонних камерах горіння за рахунок тангенціального введення гарячого повітря (горизонтальні циклони) або кутової установки пальників з тангенціальним напрямком струменів (вертикальні передтопки) створюється інтенсивний вихровий рух факелу, що горить. Тут рівень температур вищий — 1 700-1900°С, а теплові напруги обсягу досягають 2-4 МВт/м3 у горизонтальнихциклони. Однак, за рахунок нижчих теплових напруг значної за розмірами камери (зони) охолодження газів середнє значення qy для топкового пристрою виходить тільки на 20-30% вище, ніж ст. топки з твердим видаленням шлаків. Частка видалення шлаків рідкому вигляді тут становить ашл = 0,6-0,7.
У топках з рідким шлаковидаленням завдяки вищій температурі горіння покращується згоряння палива і дещо знижуються втрати з Недопалом. Разом з тим, внаслідок збільшення кількості шлаку, що видаляється через льотку, і вищої його температури, зростає втрата з фізичним теплом шлаку.
Вищий відсоток уловлювання золи дозволяє за умов зносу металу поверхонь підвищити швидкість продуктів згоряння в конвективних газоходах, що інтенсифікує теплообмін та зменшує габарити та витрати металу поверхонь нагріву. Основний недолік топок з рідким видаленням шлаку - небезпека застигання шлаку при зниженому навантаженні котла, звідси відомі обмеження DM, IH.
Збільшення температури горіння веде також до зростання утворення шкідливих складових газів, зокрема оксидів азоту.
Топки з рідким шлаковидаленням застосовують в основному при спалюванні слабореакційних палив (при Vi а, і від бічних стін — (1,6 ^ 2) Da, щоб виключити ранню взаємодію факелів і накид факела на стіни. При однофронтальному розташуванні пальників в 1-2 яруси екран задньої стіни отримує підвищене теплосприйняття (на 10-20% вище середнього), і для виключення шлакування стіни при твердому шлаковидаленні глибина топки повинна бути не менше Ьт = (6-7)Da. характерно для потужних парових казанів, коли необхідну кількість пальників неможливо розмістити на одній фронтовій стіні.
Призустрічному розташуванні вирівнюється теплонапруга екранів топки, підвищується рівень температур у центрі топки.
Прямоточні пальники через нижчу турбулізацію потоку, створюють далекобійні струмені з малим кутом розширення і млявим перемішуванням первинного і вторинного потоків. Тому успішне спалювання палива досягається взаємодією струменів різних пальників в об'ємі камери згоряння. Для цього застосовують зустрічне розташування пальників із двох протилежних стін топки або кутове з тангенціальним напрямком струменів в обсязі топки (рис. 5.8).
Прямотувальні пальники можуть бути прямокутної форми (плоскі) або круглі (рис. 5.9). Пальники прямокутної форми, особливо витягнуті по висоті, мають високу ежекцію навколишнього газового середовища з боків струменя. Тому такі пальники при зовнішній подачі аеропилу (рис. 5.9 а) мають переваги за умов займання. Круглі пальники зазвичай виконують з окремою подачею аеропилу та гарячого повітря (рис. 5.9,6). Зустрічний нахил двох блоків пальників, розташованих в одній площині по висоті, покращує перемішування та згоряння. Такі пальники отримали назву плоскофакельних. Пальники з внутрішньою подачею палива та розсікачем (рис. 5.9, в) мають кращі умови перемішування з повітрям, але прогрівання. палива відбувається повільніше, тому такий пальник більш прийнятний для якісного кам'яного вугілля з високим виходом летких речовин. При кутовому розташуванні пальників та тангенціальному русі факела в перерізі топки найчастіше застосовують блоки щілинних пальників (рис. 5.9, г).
Прямотувальні пальники застосовують в основному для спалювання високореакційних палив: бурого вугілля, торфу, сланців і кам'яного вугілля з високим виходом летких речовин. Швидкість пилоповітряної суміші на виході з пальників приймають w<= 20-28 м/с, а оптимальна швидкість вторинного повітря w2 - (1,5-1,7) w1.
Пальники для висококонцентрованого пилу отримують все ширше застосування. Подача пилу з бункера до пальника відбувається в цьому випадку не первинним потоком повітря, а за допомогою невеликої кількості (0,1 0,3% всієї витрати) стисненого повітря СВ, який забезпечу-
Мал. 5.9. Прямотувальні пиловугільні пальники: а - прямокутні з центральним каналом гарячого повітря; б - плоскофакельна з круглими соплами; в — прямокутна з поворотною головкою та внутрішньою подачею аеропилу; г - щілинна блокова; В - підведення повітря; Тл - підведення паливо-повітряної місі; М - підведення мазуту; 1 - канал аеропилу; 2 - канал гарячого повітря; 3 - підсмоктування топкових газів до струменя аеропил; 4 - поворотна головка; 5 - розсікач; 6 - розпалювальний блок.
Мал. 5.10. Пальники з подачею висококонцентрованого пилу: а - змішувач пилу з повітрям; б - прямоточний пальник; в — двовуглецевий вихровий пальник; 1 - обмуровування топки; 2 - амбразура пальника; 3 - розпилювач; 1 - первинне повітря; II - вторинне повітря; П - пил; СВ - стиснене повітря; АП - аеропил.
Ває досить хорошу плинність аеропилу АП по пилопроводу малого діаметра - 60-90 мм (рис. 5.10, а). Розпил пилу, що подається в котел, забезпечується безпосередньо на вході в пальник при змішуванні пилу з первинним потоком повітря (рис. 5.10,6, в). При цьому ліквідується громіздка система пилопроводів діаметром 300-500 мм від бункерів пилу до пальників котла, забезпечується рівномірність роздачі пилу по пальникам, різко знижується питома витрата енергії на пневмотранспорт і створюється можливість регулювати витрату первинного повітря залежно від навантаження, що раніше було неможливо за умовами транспорту пилу.
Аеродинамічний опір пальника по вторинному повітрі, Па, визначається за формулою
Де wB, Рв - аксіальна швидкість, м/с, і щільність повітря, кг/м3, за його температури в пальнику; £гор - коефіцієнт опору пальника, який для прямоточних пальників становить 1, 5 - т - 2, 0 і для вихрових - 2,5-3,5.