Для выявления влияния мощности горелок на эффективность вы­горания пыли АШ и на аэродинамические характеристики топки было проведено сравнительное изучение аэродинамики и процесса горения в топочных камерах парогенераторов ТП-100 при одноярусном и двухъ­ярусном расположении вихревых горелок мощностью 70 и 35 Мвт с ци­линдрическими амбразурами и насадками.

Характеристики сжигаемого топлива и режимные параметры ра­боты горелочных устройств приведены в табл. 5-1.

Для исследованных горелок параметры крутки пылевоздушчой струи щ п вторичного воздуха п2 отличались незначительно (/zi = ft2~4,0 и «1 = 4,6, «2 = 4,5 для горелок мощностью 35 и 70 МВт). При оптималь­ных режимах работы горелочных устройств (ar~l,05; w2/wi^ 1,5) от­ношение количеств движения в струях пылевоздушнон смеси и вторич­ного воздуха сохранялось практически постоянным.

Таблица 5-1

Характеристики сжигаемого топлива и режимные параметры горелочных устройств Тепловая мощность горелок, Наименование параметра п единица измерения МВт 35 70 Теплота сгорания топлива (2РН, МДж, кг 43,0 42,8 Выход летучих Кг, о/о 4,0 4.6 Зольность.4р, °/о 23,0 23,5 Влажность №р, о/0 . ... 7,0 6.0 Тепловое напряжение топочного объема ^ МВт/м3 0,151 0,152 Тонина помола пыли Я9о> % 8,0 8,0 Коэффициент избытка воздуха ат/аг 1,25/1,05 1.25/1,06 Скорость пылевоздушной струи на выходе из горелки и)х, м./ 17,6 20,5 Скорость вторичного воздуха хюг, м7с 27,0 30,7 Соотношение скоростей Х2)Ч.}ХЮ 1,53 1,50 Средняя эквивалентная скорость ш0, м/ 25,0 28.5 Температура горячего воздуха? г.в» °С. 360 352 Расход воздуха через горелку при СП О0, м3/ 9,2 17,4 Температура пылевоздушной струи t, °С 280 275

Зондирование топки по высоте на вертикальном участке факела показало, что на отметке 17000 (7000 от оси рассматриваемого яруса горелок) характер движения потока и степень заполнения топки факелом практически не различаются в топках с одноярусным и двухъярусным расположением горелок. Поэтому сопоставление характера движения газов механизма развития процесса горения и теплообмена проводи­лось главным образом на начальном участке факела, где наиболее пол­но проявляются индивидуальные особенности работы горелок.

Анализ полученных полей скоростей показывает, что как для мощ­ных горелок, так и для горелок меньшей мощности в плоскости оси горелок наблюдаются четыре области течения: зона основного потока, две зоны рециркуляции и зона между горелками.

Относительная ширина приосезой зоны Ьрец/0а, в которой по на­правлению к устью горелок движутся мощные потоки газов с высокой температурой (1000—1600°С) и скоростью (0,25^-0,35)(р. г^/ру^о =

О.!5-г-0,2), тем больше, чем больше 5г/^а и чем меньше степень стесне­ния факела (рис. 5-8,а, сплошные кривые). В области максимальной рециркуляции она достигает 1,90а для топок с горелками мощностью 35 МВт и 1,3Оъ для топок с горелками мощностью 70 МВт. Относи­тельная длина приосевой зоны рециркуляции /рец/^а в исследованном диапазоне значений 5Г/А> сос1авляст примерно 2,7£>а. Относительная длина пристенной зоны рециркуляции тем больше, чем меньше 5г/£>а (рис 0-8XI, штриховые кривые) Скорость движения газов в пристенной зоне меньше, чем в приосевой, и составляет (0,Ы-0,2) ку0, но уровень температур достаточно высок [5].

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2# 1/Ва

/шх) /РхЮх) * /маисРу Мр /м

0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 1/Ва

Г)

Г			Х-2

0,4 0# 1,2 1,6 2,0 1,4 2,8

0,4 0/8 1,1 1,6 2,0 2,4 2/8

Фа

		1	(
<1	/	0-3 А-5 *-7 ш-з
А*;	** Г'	Д-0 0-0 I 1		Г — I
		^ ч 1-щ ’**‘у ^	—>	(--

0,4 0,8 1,2 1,6 2/} 2,4 2,8 УВа

Рис. 5-8. Аэродинамические характеристики факела: а, б — размеры и коли­чество рециркулирующих газов в приосевой (сплошные кривые) и пристенной зоне; в — суммарное количество рециркулирующих газов; г — относительные максимальные фактические (сплошные кривые) и массовые аксиальные скоро­сти; д — степень заполнения горизонтального участка факела.

/ — горелки мощностью 35 МВт; 2 — то же 70 МВт; 3, 4 — основной поток; 5, 5 —при­стенная зона рециркуляции; 7, 8 — приосеная зона рециркуляции; 9, 10 — слабопроточная зона между горелками (3, 5, 7, 9 — для горелок 35 МВт, 4, 6, 8, /0 — 70 МВт)

С уменьшением Яг/^а рециркулирующие потоки более равномерно распределяются между приосевыми и пристенными областями факела. Максимальный расход рециркулирующих газов в приосевой зоне (рис. 5-8,6, сплошные кривые) у малых горелок наблюдается на рас­стоянии (1,6ч-1,8)(примерно 2000 мм от устья горелок) и составля­ет примерно 0,35 кг/кг В топке с большими горелками максимальный расход рециркулирующих газов снижается до 0,18 кг/кг и пик его пере­мещается ближе К устью (/ф=1,0£>а).

Максимальный рециркулирующий поток в пристенной зоне распо­лагается в обоих случаях вблизи устья горелок на расстоянии 200— 300 мм ((рис. 5-8,6, штриховые кривые), и расходы газов в этой зоне для малых горелок составляют примерно 0,38 кг/кг, а для крупных 0,2 кг/кг Суммарное количество газов в обеих зонах рециркуляции состав­ляет 0,3 и 0,35С0 для горелок мощностью 70 и 35 МВт (рис. 5-8,в.) При этом сохраняется постоянство этого расхода почти на протяжении всей зоны.

Вблизи устья уровень скоростей в топках с мощными горелками вы­ше, что интенсифицирует обмен внутри факела с топочными газами. Уровень тангенциальных скоростей при почти одинаковых параметрах, крутки струй пылевоздушной смеси и вторичного воздуха практически не зависит от размера горелок.

Полученные результаты, относящиеся к аэродинамической структу­ре факела, позволили свести воздушный баланс в каждом сечении фа­кела и определить площадь, занятую зоной основного потока воздуха, рециркулирующими топочными газами, а также малопроточными зона­ми со скоростями менее 0,1 до0.

Для характеристики распределения зон в факеле на горизонталь­ном его участке введены условные коэффициенты

К

В£ = 2

/=1

Характеризующие долю сечения, занятую соответственно основным по­током, зонами рециркуляции и малопроточными зонами. Здесь /> — суммарная площадь рассматриваемого сечения факела, м2, & — число элементарных площадок в рассматриваемых зонах. Так, в качестве се­чения для крайней горелки выбирались две полуокружности: одна радиусом, равным расстоянию от оси горелки до бокового экрана (5ГТ), другая — от оси горелки до оси топки (0,555г)

При работе мощных горелок заполнение сечения топки основным потоком больше, чем при работе малых (рис. 5-8,(3). Так, на расстоянии 3000 мм от устья в топках с мощными горелками основная струя зани­мает примерно 0,85 сечения факела, а в топках с горелками меньшей мощности 8 = 0,67 (штриховая линия) При этом малопроточные зоны между горелками в топках с мощными струями занимают весьма не­значительную долю сечения, а в топках с меньшими горелками они наблюдаются на протяжении всего горизонтального участка факела. Суммарная площадь, занятая рециркуляционными течениями, достигает максимума. на расстоянии примерно 1000 мм от устья и составляет в этом сечении примерно 0,4 для обоих вариантов. Далее размеры рециркуляционных зон начинают уменьшаться. При работе с малыми горелками сначала исчезла пристенная зона, а затем и приосевая.

Проведенные исследования, а также данные о работе мощных го­релок, изложенные в работах [2, 6, 15 и др.], показывают, что, несмотря :-та то что увеличение размеров струи приводит к некоторому умень­шению доли рециркулирующих газов, еще имеются достаточные резер­вы для обеспечения устойчивости воспламенения при дальнейшем уве­личении мощности пылеугольных горелок.

Увеличение единичной мощности горелок благоприятствует лучше­му заполнению топки основным потоком и резкому сокращению зон, в которых не происходит горения.

-1,4 ~2,0 -1,6 -1,2 -0,8 - ОМ 0 0,4 0,8 1,2 1,6

Рис. 5-9. Локальные коэффициенты подачи воздуха в горизонтальной пло­скости оси горелок на различных расстояниях от их устья: а — 200 мм; б — 1900 мм; в — 3000 мм 1 — горелки мощностью 35 МВт; 2 — горелки мощностью 70 МВт

2,0

Особенно велики пики на расстоянии 200 мм от амбразуры в топ­ках с малыми горелками. При мощных горелках они меньше, но и в этом случае значительно отличаюся от средних значений [6]. В зоне основной воздушной струи относительные коэффициенты подачи воздуха аг = аг7аг значительно превышают средние, а в струе. аэросмеси они ниже средних (рис. 5-9). При удалении от устья пики

Для сравнения эффективности работы отдельных участков факела и для количественной оценки скорости смешения пылевых и воздушных струй л-о методике, изложенной в гл. 4, определялись расходы сгоревше - . о и пестревшего углерода, а также остаточного кислорода и по этим данным находилось распределение локальных коэффициентов подачи зоздуха в выделенных сечениях факела.

Е) -?М -2,0 ~1,6 ~1,2 -0,8 -0,4 0 0^ 0,8 1,2 1,6 2,0

Локальных потоков резко снижаются и на расстоянии 1900 мм от ам­бразуры максимальные значения не отличаются от средних более чем в 2 раза. На расстоянии 3000 мм от амбразуры (2Да для горелок мощ­ностью 70 МВт и 2,8/)а для горелок мощностью 35 МВт) происходит почти полное выравнивание полей щ по сечению факела.

При анализе локальных тепловых потоков [5, 61 уже в начальных сечениях факела четко обнаруживается положительный небаланс меж­ду выделившимся и воспринятым теплом на внутренней границе факе­ла. При этом в топках с мощными горелками вблизи амбразуры область факела, в которой наблюдается положительный небаланс, шн-

Рис. 5-10. Распределение лучистых потоков в горизонтальной плоскости оси горелок мощностью 70 МВт

/ — поток, направленный к горелке; 2 —поток от горелки; 3 — результирующий потока 4 — пылевоздушная смесь; 5 — вторичный воздух

Ре, величина результирующего потока больше и значительно меньше неравномерность в распределении тепловых потоков по сечению.

В обоих случаях суммарное тепловыделение на расстоянии 3000 мм от амбразуры превышало теплосодержание газов по всему сечению фа­кела, что свидетельствует о завершении процесса воспламенения.

Сравнение лучистых потоков, замеренных в объеме топки в раз­личных сечениях на начальном (горизонтальном) участке факела горе­лок мощностью 35 и 70 МВт (рис. 5-10), а также вдоль боковых экра­нов, показывает, что величины этих потоков практически одинаковы [5]

Рис. 5-11. Температура и механический недожог по длине факела / — горелки мощностью 35 МВт; 2 — горелки мощностью 70 МВт.

Полученные данные позволили определить все статьи теплового баланса в различных сечениях натурного пылеугольного факела. Ана­лиз этих величин показал, что результирующий лучистый поток тепла, направленный к устью горелки, в 8—9 раз меньше конвективного пере­носа тепла рециркулирующими газами, обеспечивающими в основном процесс воспламенения.

Рис. 5-12. Тепловые потоки по высоте топки 1, 2 — падающий поток; 3, 4 — обратный поток; 5, б —граница шипования (первые цифры для горелок мощностью 35 МВт, вторые — для горелок 70 МВт)

Проведенные комплексные исследования горения и теплообмена показывают, что в топках, в которых сжигается пылевидное топливо, при оборудовании их вихревыми горелками устойчивость процесса вос­пламенения обусловливается конвективным теплообменом пылевых и воздушных струй с рециркулирующими топочными газами.

Сравнительные данные о динамике выгорания топлива по длине фа­кела для горелок различной мощности свидетельствуют о большой ско­рости развития процессов воспламенения и горения в топках с более мощными горелками. Так, к концу горизонтального участка факела (/ф = 4 м) в топках с горелками мощностью 70 МВт сгорает примерно 87% топлива (рис. 5-11), а в нижнем ярусе при двухъярусном располо­жении горелок 80%- При этом замечено, что максимум температур (1660°С) в топках с мощными горелками расположен в горизонтальной плоскости оси горелок. При примерно том же режиме работы малые горелки дают максимум температуры не более 1600°С, сдвинутый вверх между ярусами. Температура факела на выходе из топочной ка­меры с одноярусным расположением более мощных горелок ниже при­мерно на 50°С. На выходе из топки потери тепла с механическим не­дожогом в обоих случаях практически одинаковы с тенденцией к уменьшению для крупных горелок.

Характер изменения тепловых потоков по высоте топок, оборудо­ванных горелками различной мощности, при примерно одних и тех же режимах их работы идентичен. Величины падающих н обратных пото­ков в сходственных сечениях практически одинаковы (рис. 5-12).

При номинальных тепловых напряжениях объема (^ = 0,151 МВт/м3) величина падающего потока в ошипованной зоне составляет 0,64—0,75 МВт/м2, обратного 0,47—0,58 МВт/м2. На границе шипова - ния падающий поток ^пад снижается примерно до 0,56 МВт/м2 и на вы­ходе из топки он составляет примерно 0,174 МВт/м2. Соответственно обратный поток изменяется от 0,29 МВт/м2 на границе шипованпя до 0,116 МВт/м2 на выходе из топки.

Коэффициент тепловой эффективности независимо от мощности го­релок в зоне ошипованных экранов находится в пределах 0,25—0,28, а в зоне неошипованных составляет примерно 0,4.

Таким образом, хорошее заполнение топки основным потоком и резкое уменьшение малопроточных зон, раннее и устойчивое воспла­менение, отсутствие сепарации пыли на под, равномерное распределе­ние материальных и тепловых потоков по сечению факела, большая скорость выгорания топлива на начальном участке факела, интенсивное охлаждение газов по высоте топки, умеренные величины лучистых потоков при одноярусном расположении горелок мощностью 70 МВт позволяют рекомендовать дальнейшее увеличение тепловой мощности вихревых горелок до 150 МВт, особенно при сжигании высокореакцио- онных топлив в топках с жидким шлакоудалением.

В настоящее время ЦКТИ и ТКЗ разработаны вихревые горелки мощностью 100 МВт. Этими горелочными устройствами оборудованы топочные камеры однокорпусных парогенераторов ТПП-312А паро - лроизводительностью 264 кг/с, которые успешно работают при сжига­нии угля марки ГСШ.