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)

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.

Одним из преимуществ комбинированных горелок является возможность легкого перехода с одного вида топлива на другое. При этом сжигание каждого из них должно происходить в оптимальных условиях.

В такой горелке каналы подвода воздуха выполняются общими для обоих видов топлив, а расположение каждого вида горелочного устройства должно обеспечить быстрое и полное смешение топлива с воздухом. Для эффективного смешения с топливом поток воздуха в горелке сильно турбулизируется с помощью воздушного регистра (воздухо-направляющего устройства), обеспечивающего его интенсивную закрутку.

Воздушные регистры выполняют трех видов: улиточный, аксиальный лопаточный и тангенциальный лопаточный (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 - Схемы воздушных регистров:

а - улиточный; б - тангенциальный лопаточный; в - аксиальный лопаточный.

С учетом больших расчетных объемов воздуха улиточный завихритель получается довольно громоздким. Его применяют на горелках относительно небольшой мощности. Аксиальный лопаточный аппарат наиболее прост в выполнении и имеет наименьшее гидравлическое сопротивление, но для пропуска всего потока воздуха требуется канал большего диаметра. Тангенциальный лопаточный регистр имеет несколько большее сопротивление, но отличается возможностью регулирования размера проходного сечения при изменении нагрузок путем перемещения вдоль оси горелки регулирующего диска (рисунок 2.14).

На мощных паровых котлах устанавливают три основных типа газомазутных горелок и отличающихся способом ввода газа в поток воздуха и методом регулирования его расхода при переменных нагрузках.

Природный газ из центрального кольцевого коллектора выдается двумя рядами отверстий разного диаметра. Воздух подводится через тангенциальный лопаточный регистр. Регулирование его расхода обеспечивается перемещающимся дисковым шибером. Таким образом, при снижении нагрузки котла уменьшенный расход воздуха будет сохранять интенсивность крутки и хорошие условия смешения с топливом. Мазут распыляется в механической форсунке, установленной в центральном канале горелки.

Давление газа перед горелкой 2,5 - 3,0 кПа. Скорость воздуха в узком сечении горелки 40 м/с. Воспламенение топлива - мазута или газа - обеспечивается электрозапальными устройствами.

Рисунок 2.14 - Газомазутная горелка ТКЗ коаксиального типа с центральной подачей газа:

1 - кольцевой газовый коллектор; 2 - мазутная форсунка; 3 - тангенциальный лопаточный аппарат; 4 - регулирующий воздушный шибер; 5 - фланец, предохраняющий газовый наконечник от обгорания; 6 - воздушный короб; 7 - подвод воздуха для охлаждения наконечника и фланца; 8 - коническая амбразура; 9 - канал для запальника.

Газомазутная горелка ЦКБ (харьковского филиала)-ВТИ-ТКЗ для прямоточного котла блока 300 МВт, работающего под наддувом (рисунок 2.15), имеет тангенциально-аксиальный подвод воздуха через лопаточный аппарат с разделением основного потока воздуха на два канала. Кроме того, имеется еще третичный воздух, постоянно поступающий по центральному каналу для охлаждения мазутной форсунки. При снижении нагрузки расход воздуха по периферийному кольцевому каналу уменьшается регулирующим шибером. Подача мазута осуществляется паро-механической форсункой типа ТКЗ-4М производительностью 4,6 т/ч при давлении мазута 4,5 МПа и пара 0,2 МПа. Природный газ в основном вводится в поток воздуха с периферии большим числом труб Æ 32 мм и частично из отверстий центрального коаксиального канала.

На рисунке 2.16 показана газомазутная горелка однокорпусного прямоточного котла блока 800 МВт производительностью 5,2 т/ч мазута.

Рисунок 2.15 - Газомазутная горелка ХФЦКБ-ВТИ-ТКЗ с периферийной и центральной подачей газа:

1, 1’ - центральный и периферийный коробы воздуха; 2 - тангенциальный лопаточный аппарат; 3 - аксиальный лопаточный аппарат; 4 - ствол паро-механической форсунки; 5 - ввод центрального потока воздуха; 6 - подвод газа в коаксиальный канал; 7 - периферийный подвод газа; 8 - разводка экранных труб вокруг горелки.

Равномерная раздача воздуха по горелкам обеспечивается за счет больших размеров воздушных коробов, общих для всех горелок одной стены топки. Каждый короб разделен по всей длине на два отсека для раздачи воздуха во внутренние и периферийные каналы горелок. Отдельно имеется короб для ввода через горелку дымовых газов рециркуляции. Потоки воздуха закручиваются тангенциальным лопаточным аппаратом, а газы вводятся в топку прямотоком и смешиваются с расходящимся под углом периферийным воздухом.

Природный газ вводится по центральному коаксиальному каналу под углом 45 о к оси потока. Для компенсации разницы тепловых расширений воздушного короба с встроенными в него горелками и экранов топки установлены линзовые компенсаторы.

При переходе на сжигание газа мазутная форсунка автоматически отключается и втягивается в центральный ствол. Одновременное сжигание двух видов топлива приводит к ухудшению выгорания одного из них (чаще мазута), что связано с различными условиями смешения и временем воспламенения.

Рисунок 2.16 - Газомазутная горелка парового котла ТГМП-204 производительностью 5,2 т/ч мазута или 5,54 тыс.м 3 природного газа:

1, 1’ - центральный и периферийный каналы горячего воздуха; 2 - канал подачи рециркулирующих газов; 3 - линзовый компенсатор; 4,5 - тангенциальные закручивающие лопатки; 6 - центральный канал подачи природного газа; 7 - пневмозатвор, препятствующий выбиванию топочных газов из горелки; 8 - разводка экранных труб вокруг амбразуры горелки; 9 - ствол для мазутной форсунки; 10 - газовый электрозапальник; 11 - импульсные линии для контроля за давлением воздуха.

ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

Горелочные устройства (горелки) предназначены для образования горючей смеси (топлива с воздухом) в топочной камере и по принципу действия делятся на вихревые и прямоточные. В вихревых горелках угольная пыль и вторичный воздух в виде закрученных потоков вводятся в топочную камеру и смешиваются. В прямоточных горелках поток угольной пыли подается в топку вдоль их оси без закрутки, а вторичный воздух может закручиваться в устройстве улиточного ввода или подаваться без закрутки. Горелки располагаются на стенках топки в один или несколько рядов по высоте либо по ее углам.

Рис.1. Схемы прямоточных щелевых горелок с круглыми Соплами ТКЗ (а) и тремя вертикальными щелями ВТИ (б)

Щелевая (прямоточная) горелка с круглыми соплами схематически изображена на рис. 1(а), а щелевая (прямоточная) горелка с тремя вертикальными щелями - на рис. 1(б). В горелке, изображенной на рис. 1(б), через среднюю щель проходит вторичный воздух, а через крайние - первичный. Вторичный воздух подается и в нижнюю часть боковых щелей для предотвращения выпадения угольной пыли и лучшего перемешивания потока. При расположении горелок вблизи углов топки выходящие из них струи воздуха создают круговое движение газов в центре топки.

При аксиальном (осевом) расположении горелок (рис. 2, а) воздушные потоки сталкиваются в центре топочной камеры, в результате одна часть горящей угольной пыли направляется вверх, а другая- поворачивается вниз, а далее, двигаясь снова вверх, проходит вблизи ввода в топку еще не загоревшейся пылеугольной смеси.

Рис. 2.

При тангенциальном расположении горелок (рис. 2, б) воздух направляется по касательным к воображаемому кругу в центре топки вызывая вихревое движение горящих частиц угольной пыли. Вихревые горелки, получившие широкое распространение, имеют две или одну улитку.

Вихревая горелка ТКЗ (рис. 3, а) имеет две улитки. В меньшую улитку 2 вводится пылевоздушная смесь, в большую 1- вторичный воздух. Оба завихренных потока раздельно по кольцевым каналам 4 и 5 поступают в топку. Мазутная форсунка 3, используемая при растопке и малых нагрузках котла, устанавливается в центральной трубе. Продольный разрез пылегазовой горелки, предназначенной для сжигания угля и природного газа, представлен на рис. 3,б.

Рис.3. Схемы двухулиточных пылеугольной (а) и пылегазовой (б) вихревых горелок.

1, 3- мазутная форсунка, 4,5- кольцевые каналы для пыли и воздуха, 6- обмуровка, 7- кольцевой коллектор природного газа, 8-труба для ввода природного газа, 9- наконечник газового электрозапальника, А,Б- зоны начала и окончания воспламенения топлива, В- направление движения топочных газов.

Зажигание горючей смеси в топке происходит благодаря топочным газам, которые имеют очень высокую температуру. Для растопки котла, работающего на твердом топливе, используют газ или мазут, и когда топка хорошо прогреется, переходят к сжиганию угольной пыли.

Газообразное топливо вводят в топку также вихревыми или прямоточными горелками. Так как состав и теплота сгорания разных видов газообразного топлива различны, для их сжигания используют разнообразные горелочные устройства.

4.9,в) нашла широкое применение на многих типах паровых котлов, в том числе большой мощности. Ее преимущества заключаются в равномерности тепловых потоков по всем стенам топки, малой вероятности шлакования стен, так как вдоль них движутся уже частично остывшие газы. При организации жидкого шлакоудаления достигается выпадение капель жидкого шлака на стенах предтопка и увеличение доли шлакоулавливания.

Схему с блочным соударением струй смежных горелок (рис. 4.9,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 (зоны относительно повышенного давления) в обе стороны к стенам.

Схемы с тангенциальной компоновкой можно осуществить в топке, форма которой близка к квадратной, т. е. отношение paзмеров стен 1 ≤ a/b ≤1,2. Это обусловливает хорошую аэродинамику топочного объема. В топочных камерах с более развитой шириной фронта применимы другие схемы размещения горелок.

4.3.Камерные топки с твердым шлакоудалением

Топочные камеры, работающие с твердым шлакоудалением, по конструкции выполняют открытыми, т. е. без изменения сечения топки по высоте. По характеру движения факела они разделяются на топки с прямоточным факелом, с вертикально–вихревым факелом и горизонтально–вихревым факелом (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Характер движения факела.

Отличительной особенностью этих топок является наличие в нижней части топки холодной воронки, образованной путем сближения фронтового и заднего экранов с большим уклоном (50–60°) до расстояния 1…1,2 м. За счет этого снижается температура газов в нижней части топки, и выпадающие из

ядра факела расплавленные шлаковые частицы, попадая в эту зону, быстро отвердевают и по крутым скатам воронки ссыпаются в шлакоприемное устройство (рис. 4.11). Количество золы, уловленной таким способом через холодную воронку, невелико и составляет 5–10% общего золосодержания топлива. Гранулированные шлаковые частицы непрерывно удаляются из ванны шнековым, скребковым или роторным механизмом. Водяная ванна выполняет одновременно роль гидрозатвора против подсоса снизу в топку холодного воздуха.

Рис. 4.11. Топка с твердым шлакоудалением.

1 – холодная воронка; 2 – шлаковая ванна с водой; 3 – канал гидрозолоудаления; 4–горелка; 5 – настенные экраны; 6 – ядро факела; 7 – шнековый шлакоудаляющий механизм; 8– электродвигатель.

Аэродинамика топочного объема должна быть так организована, чтобы вблизи настенных экранов температура газов была не выше характерной температуры золы, начиная с которой золовые частицы становятся липкими и создают опасность шлакования стен. Поэтому средние тепловые напряжения сечения топочной камеры и топочного объема при твердом шлакоудале-

нии, как правило, имеют невысокие значения (q f = 3…4 МВт/м2 ,q v =

100…140 кВт/м3 ). Это неизбежно приводит к увеличению размеров топочных камер и их металлоемкости.

Так, топочная камера прямоточного котла П–59 для блока 300 МВт при сжигании подмосковного бурого угля в прямоточном факеле по схеме (рис. 4.10,б) имеет размерыa Xb Xh т = 21,8 X 9,56 X 48 м.

Пылеугольные топки с удалением шлака в твердом состоянии обычно применяют для сжигания топлив с большим и умеренным выходом летучих веществ (V г >25 %)

Наиболее распространенными являются схемы сжигания топлив в подъемном прямоточном факеле (рис. 4.10, а, б) с применением вихревых горелок при однофронтальном размещении и прямоточных горелок (встречное расположение). При создании мощных паровых котлов для сжигания сибирских бурых углей более предпочтительной оказалась схема сжигания с вертикальным вихревым факелом и расположением прямоточных горелок в несколько ярусов по высоте (рис. 4.9,в). Такая схема снижает вероятность заброса факела на стены топки и связанного с этим шлакования экранов, а рассредоточение горелок по высоте топки (до 12 м) ведет к уменьшению энерговыделения в сечении каждого яруса горелок. При этом снижается уровень температур в зоне растянутого ядра факела и заметно сокращается образование вредных окислов азота. Топочные камеры с горизонтальным вихревым факелом, разработанные профессором В. В. Померанцевым, успешно работают при сжигании фрезерного торфа и бурых углей (рис. 4.10,г). При этом мелкие фракции топлива сгорают в прямоточной части факела, а более грубые сепарируются вниз, там подхватываются струей вторичного воздуха и попадают в вихревое движение, пока не сгорят.

Практически полное сжигание топлива достигается при избытках воз-

духа на выходе из топки αт = 1,15…1,20. С учетом неизбежных присосов в топку холодного воздуха извне (Δαт = 0,05…0,1) избыток воздуха в горелках

αгор = αт - Δαт = 1,05…1,1.

4.4.Камерные топки с жидким шлакоудалением

Для обеспечения жидкого шлакоудаления необходимо, чтобы температура газов у стен нижней части топки и в районе пода была выше температуры текучести шлака, т. е. υ г >t н.ж , гдеt н.ж t з 50...100 ºС – температура нормального жидкотекучего состояния. Создание таких условий в нижней части топки возможно путем приближения ядра факела к поду топки и покрытия настенных экранов в этой зоне карборундовой огнеупорной тепловой изоляцией (футерование экранных труб). Для прочного удержания футеровки вначале на трубы экранов со стороны топочного объема приваривают шипы

(диаметром 10…12 мм и длиной 12…15 мм) и затем наносят слой изоляции (рис. 4.12). Оригинальная конструкция таких «утепленных» экранов предложена ЗиО. Вместо ошипованных труб использованы трубы со спиральным оребрением, полученным методом накатки.

Подовая часть топки выполняется горизонтальной или слабонаклонной к центру топки. Здесь на трубы пода накладывают два–три слоя огнеупорного кирпича на огнеупорной связке. В центре пода оставляется одно или два футерованных отверстия для слива шлака (летки) размером примерно 500X800 мм. Расплавленный шлак переливается через край летки и тонкими струями стекает в шлаковую ванну, где при контакте с водой отвердевает.

Доля шлакоулавливания в таких топках заметно возрастает по сравне-

нию с твердым способом: а шл = 0,2…0,4. Удаление затвердевшего шлака из ванны производят непрерывно скребковыми, шнековыми или роторными транспортерами.

По конструкции топочные камеры с жидким шлакоудалением выполняются однокамерными (открытые и полуоткрытые) и двух–, трехкамерными. По характеру движения факела они могут быть с прямоточным факелом, с пересекающимися струями и циклонным движением.

Рис. 4.12. Вид на футерованный экран.

1 – экранная труба; 2 – шипы до их покрытия обмазкой; 3 – огнеупорная обмазка.

Наиболее простым конструктивным решением топки с жидким шлакоудалением является открытая однокамерная топка с прямоточным факелом (рис. 4.13,а). За счет футерования экранов нижней части топки и выполнения утепленного пода выделяется зона с повышенной температурой газов (зона плавления шлаков). В этом случае применяют вихревые горелки с встречным и более низким расположением их над подом топки. Однако высокая отдача

теплоты в верхнюю зону охлаждения ограничивает регулировочные возможности топки: при снижении нагрузки до 0,7…0,8 номинальной начинается застывание шлаков вначале на стенах, а затем на поду. Кроме того, открытая топка обеспечивает невысокую степень шлакоулавливания: а шл = 0,1…0,15.

С помощью двустороннего пережима топки обеспечивается выделение камеры горения (рис. 4.13,б). Отдача теплоты в верхнюю зону здесь заметно сокращается. Благодаря этому достигается достаточно высокая температура газов (1600–1800°С). Объемное тепловое напряжение камеры горения со-

ставляет q к.с. v = 500…800 кВт/м3 , заметно растет доля шлакоулавливания:

а шл = 0,2…0,4. Расширяется диапазон работы котла с устойчивым выходом жидкого шлака.

В топках с пересекающимися струями (рис. 4.14) камера горения выделяется односторонним или двусторонним пережимом. Прямоточные горелки устанавливаются таким образом, чтобы создать в камере горения вихревое движение факела с горизонтальной осью. Факел делает один оборот вблизи футерованных стен, затем горячие газы проходят в промежутках между горелками, пересекают струи свежей пылевоздушной смеси, обеспечивая их быстрый прогрев и устойчивое воспламенение. Организованное движение вдоль стен и пода топки создает условия для устойчивого выхода жидкого шлака даже при глубоком снижении нагрузки (до 40…50% номинальной).

Рис. 4.13. Схемы топок с жидким шлакоудалением и прямоточным факелом.а – открытая топочная камера;б – топка с пережимом.

Рис. 4.14. Схемы вихревых топок с пересекающимися струями.а – топка МЭИ;б – топка ЦКТИ;в – гамма–топка ВТИ.

Рис. 4.15. Циклонные топки.

а – топка с горизонтальными циклонами;б – подовые предтопки с верхним выходом газов; 1 – камера горения (циклон); 2 – шлакоулавливающий пучок; 3 – камера охлаждения; 4 – горелка; 5 – сопла вторичного воздуха; 6 – шлаковая летка; 7 – шлаковая ванна.

Объемное тепловое напряжение камеры горения составляет 500…600 кВт/м3 . Более полное разделение горения и охлаждения газов достигается в топках с циклонными предтопками (рис. 4.15). По принципу выполнения эти топочные устройства относятся к двухкамерным топкам. Сущность циклонного метода сжигания состоит в том, что тангенциально вводимый в предтопок с большой скоростью вторичный воздух (80…120 м/с) или тангенциально направленные пылевоздушные струи из горелок закручивают факел в

предтопке. Вся внутренняя его поверхность покрыта экранами из ошипованных и футерованных огнеупорной массой труб. Частицы топлива в предтопке подвержены воздействию двух сил: центробежной, отбрасывающей их к внутренней стенке предтопка; аэродинамической, выносящей частицы вместе с газами из предтопка. Соотношение этих сил зависит от размеров частиц, поэтому частицы распределяются по сечению циклона неравномерно: наиболее крупные отбрасываются к стенкам предтопка и там вовлекаются в вихревое движение до полного выгорания, а мелкие фракции сгорают в центральной части его. В циклонных предтопках можно сжигать более грубую пыль, а в ряде случаев (в горизонтальных циклонах) и дробленое топливо, снижая тем самым затраты энергии на пылеприготовление. Интенсивное вихревое движение обеспечивает также значительное улавливание шлака в жидком виде (а шл до 0,6….0,85). Большее значение относится к горизонтальным циклонным предтопкам.

Горизонтальные циклонные предтопки (рис. 4.15,а) выполняют диаметром 1,8…4 м. Длина циклона больше его диаметра в 1,2…1,3 раза. Тепловая мощность одного циклона составляет 150…400 МВт. Тепловое напряже-

ние в циклоне весьма высокое (q v = 2…6 МВт/м3 ) при уровне температур га-

зов 1800…1900°С и избытке воздуха а шл = 1,05…4,1. Однако из–за необходимости иметь развитую камеру охлаждения газов общее тепловое напряжение топок с горизонтальными циклонами не превышает 200…300 кВт/м3 , что ненамного выше, чем в обычных однокамерных топках с жидким шлакоудалением.

Высокие скорости вторичного воздуха обеспечиваются применением специальных высоконапорных вентиляторов с напором 10…20 кПа (1000…2000 мм вод. ст.), что в 2…3 раза выше обычных напоров воздуха. В конструктивном исполнении топки с циклонными предтопками сложнее и дороже обычных однокамерных топок.

Вертикальные подовые предтопки с верхним выходом газов (рис. 4.15,б) производства Барнаульского котельного завода (БКЗ) располагаются под камерой охлаждения. Их выполняют восьмигранными из отдельных плоских секций и включают в общую циркуляционную схему экранов топочной камеры, что заметно удешевляет конструкцию по сравнению с горизонтальными циклонами. На одну камеру охлаждения работают обычно два предтопка. Прямоточные щелевые горелки устанавливают на четырех стенках предтопка с тангенциальным направлением потоков при обычных скоростях первичного и вторичного воздуха (ω1 =25…35 м/с, ω2 =40…50 м/с). Вся внутренняя поверхность предтопка футерована по экранам.

Преимущества топочных устройств с жидким шлакоудалением в сравнении с твердым удалением шлаков заключаются в следующих основных

моментах. При сжигании одного и того же вида топлива потери с механическим недожогом q 4 в случае жидкого шлакоудаления снижаются примерно на 30%. Общее тепловое напряжение топочного объема оказывается в среднем на 20% выше. Это значит, что в таком же соотношении при жидком шлакоудалении можно уменьшить габариты топочной камеры. За счет уплотнения нижней части топки уменьшаются присосы воздуха в топочную камеру, что приводит к некоторому снижению потерь с уходящими газами. В топках с высоким шлакоулавливанием заметно сокращаются затраты на золоулавливающие установки.

Вместе с тем топки с жидким шлакоудалением обладают рядом недостатков. Так, рост шлакоулавливания ведет к увеличению потери теплоты с высокотемпературными шлаками q 4 которая во многих случаях превосходит уменьшение потерьq 4 Снижается диапазон рабочих нагрузок по условиям выхода жидкого шлака (для однокамерных топок). Рост температурного уровня в ядре факела ведет к увеличению выхода вредных окислов азота. В связи с этим выбор для того или другого вида топлива топочного устройства с твердым или жидким шлакоудалением требует оценки и сопоставления всех положительных и отрицательных моментов. В то же время не всякое топливо можно сжигать с обеспечением жидкого выхода шлаков. Если для топ-

лив с относительно легкоплавкой золой (t 3 = 1150…1300°С) не возникает за-

труднения, то при значениях t 3 > 1350°С необходимо произвести расчет обеспечения выхода жидкого шлака. Экономически выгодно применять топки с жидким шлакоудалением при сжигании низкореакционных топлив (антрацит, полуантрацит, тощие каменные угли), когда достигается заметный выигрыш за счет снижения механического недожога, а также топлив с низкой температурой плавления золы, которые в топках с твердым шлакоудалением вызывают сильное шлакование топочных экранов.

4.5.Топочные камеры газомазутных котлов, их конструкции

Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять топочные камеры для этих видов топлива одинаковой конструкции. Как правило, в таких топочных устройствах основным топливом является мазут, а резервным – природный газ. Близость характеристик сжигания газа и мазута выражается в следующих показателях.

1. При практическом отсутствии внешней влаги в топливах образуются близкие объемы продуктов сгорания при работе парового котла как на мазуте, так и на газе, что позволяет эксплуатировать те же тягодутьевые машины на разных топливах.

2. Горение мазута и газа происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда) по законам ЦРР. Интенсивность горения в обоих случаях

определяется условиями перемешивания, а максимально допустимые тепловые напряжения топочного объема имеют близкие значения (300 кВт/м3 – для мазута и 350 кВт/м3 – для природного газа). Поэтому при одинаковой паро-

производительности котла для этих топлив могут быть приняты одинаковые размеры топочных камер.

3. Практическое отсутствие золы при сжигании этих топлив (мазут

имеет А с < 0,3%) исключает вероятность шлакования настенных экранов и необходимость в шлакоудалении. Поэтому для обоих видов топлива под топки выполняют горизонтальным или слабонаклонным с выполнением только лазов для ремонтных работ (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Виды топочных камер газомазутных паровых котлов.

а – открытая топка с однофронтальными многоярусными горелками;б – топка с пережимом и встречным (двухфронтальным) расположением горелок;в

– открытая топка с встречным двухъярусным расположением горелок; г – топка с встречными циклонными предтопками;д – топка с подовыми горелками прямоточного или вихревого типа (пунктирные линии).

4. Более легкие условия перемешивания воздуха с топливом в газовом состоянии обеспечивают практически полное сжигание топлива при вы-

соких тепловых напряжениях с низкими избытками воздуха αгор =1,02…1,05

при одинаковой температуре его подогрева (t г.в. =250…300°С). Это позволяет выполнять комбинированные газомазутные горелки с близкими объемными расходами воздуха и практически равным сопротивлением.

Интенсивное горение этих видов топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, кото-

рая для мазута характеризуется достаточно высоким уровнем температур и значительной интенсивностью теплового потока на настенные экраны. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии, а также ведет к образованию высокой концентрации окислов азота в ядре факела.

По профилю газомазутные топочные камеры могут быть открытого типа, с пережимом и с циклонными предтопками (рис. 4.16). Большинство выпускаемых газомазутных паровых котлов оборудуются традиционными призматическими топками с однофронтальным или двухфронтальным (встречным) расположением горелок. Горелки при однофронтальной установке размещают в несколько (три–четыре) ярусов. Такая компоновка дешевле и удобнее в обслуживании, однако не обеспечивает равномерного заполнения топки факелом и неприемлема для топок с небольшим размером по глубине (менее 6 м) ввиду значительного роста температуры газов и теплонапряжения заднего экрана.

При встречном расположении горелок обеспечиваются лучшие условия работы экранов. При этом факел концентрируется в центральной высокотемпературной области топочной камеры. Встречное движение факелов способствует турбулизации при выгорании топлива в концевых участках факела и при прочих равных условиях приводит к повышению теплонапряжения в зоне ядра факела на 20–30%. Наличие пережима способствует турбулизации потока в зоне ядра факела и в зоне дожигания топлива на выходе из камеры горения.

Для снижения интенсивности тепловых потоков на экранные поверхности топочной камеры в опытной серии паровых котлов для блоков 300 МВт было предложено вынести основное горение топлива в циклонные предтопки (рис. 4.16,г), размещенные встречно. За счет высокой турбулентности вихревого потока в пределах циклона обеспечивается сгорание 85–90% топлива. Экраны самих циклонов ошипованы и футерованы карборундовой огнеупорной изоляцией. Однако связанные с этим рост температуры факела и теплового потока на экраны нежелательны. Поэтому такой профиль топочной камеры не оптимален для этих видов топлива. Известно, что факел газового топлива обладает меньшей излучающей способностью, и при переводе котла с мазута на природный газ тепловосприятие топочной камеры снижается, а температура продуктов сгорания на выходе из топки становится выше. Это расхождение температур при номинальной нагрузке для топочных камер открытого типа составляет около 100°С, что неизбежно сказывается на изменении тепловой работы последующих поверхностей нагрева и прежде всего перегревателя. В открытых топочных камерах с многоярусными однофронтальными горелками для выравнивания температуры газов за топкой поль-