Топочным процессом называют реальный способ сжи­гания топлива в топке, при котором осуществляются непрерыв­ное и регулируемое горение топлива в определенном объеме и своевременное удаление из этого объема золы и шлака. В со­временной топочной технике применяются слоевой, вихревой, циклонный и факельный процессы сжигания древесного топ­лива.

Слоевой процесс сжигания твердого топлива. Сущность слое­вого процесса сжигания твердого топлива заключается в том, что воздух непрерывно продувается через слой горящего куско­вого топлива, взаимодействует с ним, в результате чего получа­ются нагретые до высокой температуры топочные газы, зола и шлак. Топочные газы омывают поверхности нагрева топочного пространства и передают им часть своего тепла. Поверхности нагрева топки воспринимают тепло, излучаемое раскаленными частицами топлива и пламенем, возникающим при сгорании горючих газов, выходящих из слоя топлива. Зола и шлак уда­ляются из зоны горения либо вручную, либо посредством меха­нического колосникового устройства того или иного типа.

Пространство в слоевом топочном устройстве, где происхо­дит взаимодействие топлива с воздухом и продуктами сгорания, называют активной зоной или зоной горения. Активная зона в топке состоит из кислородной зоны, зоны восстановления, зоны возгонки летучих и сушки топлива.

Кислородная зона — это нижний слой топлива, в кото­рый подводится воздух. В газах, проходящих через этот слой, содержится кислород. В этой зоне происходит взаимодействие кислорода воздуха с углеродом топлива, в результате чего об­разуется одновременно окись углерода СО и углекислый газ СОг. Верхней границей кислородной зоны является сечение слоя, в котором температура достигает максимального значе­ния, а содержание кислорода становится незначительным. Про­тяженность кислородной зоны по высоте слоя не зависит от ско­рости воздушного дутья и определяется размером кусков топ­лива и его природой. Чем выше реакционная способность топлива, тем меньше протяженность кислородной зоны, и чем больше средний размер куска, тем больше ее протяженность. Если по технологии сжигания топлива высота слоя больше про­тяженности кислородной зоны, то над ней располагается зона восстановления.

Зона восстановления — это пространство, в котором происходит взаимодействие углекислого газа СО2 с поверх­ностью раскаленного топлива, в результате чего в продуктах сгорания увеличивается содержание окиси углерода СО. Взаи­модействие углекислого газа с углеродом топлива происходит с поглощением тепла, вследствие чего температура слоя по вы­соте восстановительной зоны уменьшается.

Над зоной восстановления расположена зона возгонки летучих и сушки топлива. При большой высоте слоя со­держание горючих компонентов в топочных газах увеличива­ется и возникает необходимость подвода воздуха сверху слоя для их дожигания. Воздух, подводимый за слоем топлива для дожигания горючих компонентов топочных газов, называют вторичным воздухом.

При слишком малой высоте топлива через него проходит зна­чительное количество непрореагировавшего кислорода, что по­вышает коэффициент избытка воздуха, снижает - температуру то­почных газов и теплоотдачу от них поверхностям нагрева.

Таким образом, режим работы топки при слоевом сжига­нии может быть двояким. Можно держать оптимальный по вы­соте слой топлива, равный протяженности кислородной зоны, при этом весь требующийся для горения кислород продувается через слой топлива. Такой режим рекомендуется для сухого топлива с большой теплотой сгорания при использовании про1 стой колосниковой решетки.

Можно поддерживать более высокий слой топлива, с тем, чтобы над кислородной зоной имелись зоны восстановления, возгонки летучих и подсушки топлива при подводе вторичного воздуха. Этот режим рекомендуется для влажного топлива с низкой теплотой сгорания. Топочные устройства, работающие по такому принципу с подводом вторичного воздуха, называют полугазовыми. При слоевом топочном процессе производитель­ность топочного устройства регулируется изменением только од­ного параметра — количества воздуха, подаваемого в топку.

Преимуществами слоевого процесса сжигания твердого топ­лива являются:

Возможность сжигания древесной биомассы с самым широ­ким диапазоном по размерам частиц;

Возможность наилучшей автоматизации работы топочного устройства;

Простота устройств для механизации подачи топлива в зону горения;

Минимальные затраты на подготовку топлива.

При слоевом сжигании частицы топлива находятся в слое, который очень медленно движется по мере выгорания, и они сцеплены друг с другом. Скорость обдувания частиц воздухом и продуктами сгорания равна скорости движения этих газов по каналам, образованным зазорами между частицами. Макси­мальная допустимая скорость газовых компонентов при движе­нии их через слой топлива практически лимитирована недопу­стимостью выноса из слоя мелких частиц с последующим обра­зованием прогаров в слое топлива. Протяженность кислородной зоны зависит в основном от среднего диаметра частиц и, под - 40 бирая надлежащим образом толщину слоя, можно обеспечить возможность использования слоевого процесса для различного фракционного состава топлива. Например, в шахтных топках возможно эффективно сжигать как опилки, так и дрова. Не­пригоден слоевой процесс для сжигания только одного вида древесных отходов — шлифовальной пыли, размеры частиц кото­рой, как правило, меньше 0,5 мм. При попытках сжигания слое­вым способом древесной пыли происходили вспышки и взрывы ее в топочном объеме и газовом тракте котлоагрегатов.

Как уже отмечалось, слоевой процесс сжигания древесного топлива обеспечивает хорошие условия для автоматизации то­почных устройств. Действительно, при автоматизации слоевых топок достаточно обеспечить автоматическое регулирование ко­личества подаваемого в топку воздуха, в то время как при других типах топочного процесса необходимо автоматическое регулирование не только количества подаваемого воздуха, но и количества поступающего топлива, что усложняет систему ав­томатизации.

При слоевом процессе сжигания древесного топлива устрой­ство механизации подачи топлива в топку практически состоит из течки или топливного рукава, заполняемых периодически топливом, т. е. является предельно простым. Трудовые затраты на подготовку топлива при слоевом процессе являются мини­мальными— мелкие древесные отходы можно сжигать в их естественном виде. Подготовка кусковых отходов для сжигания сводится только к их измельчению в такой степени, чтобы они свободно, без застревания проходили через течки, топливные рукава и нормально сходили в шахтах топочных устройств.

Однако слоевой процесс сжигания топлива имеет и отрица­тельные стороны. Во-первых, при слоевом процессе необходима громоздкая колосниковая решетка, не вписывающаяся при большой мощности в габарит котлоагрегата. Во-вторых, при слоевом процессе имеют место в некоторых случаях прогары слоя и кратерное горение, что лимитирует напряженность ра­боты колосниковых решеток не столь высокими пределами, как это было желательно при конструировании топок повышенной мощности.

Вихревой процесс сжигания твердого топ­лива заключается в том, что внутри объема топки создается устойчивое вихревое вращательное движение газовоздушной смеси и частиц топлива, которые движутся по круговым или петлевым траекториям, находясь во взвешенном состоянии и сгорая при движении в газовом объеме. Большая скорость дви­жения частиц и их развитая поверхность создают условия для ускоренного протекания процессов нагревания, подсушки, воз­гонки летучих и сгорания частиц, витающих в топочном объ­еме. Для сжигания отдельных крупных частиц вихревые топки снабжаются дожигательными колосниковыми решетками.

Вихревое движение газовоздушной смеси достигается соот­ветствующим подводом воздушного дутья и отводом продуктов горения. Оно организуется так, что наиболее крупные частицы топлива попадают периодически в область, где газовоздушная смесь или воздух движутся с большой скоростью, подхватыва­ются ими и вновь выносятся в топочный объем. Этот цикл по­вторяется до тех пор, пока частицы топлива, постепенно обго­рая, не достигнут размеров, обеспечивающих их полное сгорание за один виток движения газовоздушной смеси.

При вихревом процессе сжигания топлива не требуется очень тонкого измельчения кускового топлива. Вихревой процесс дает возможность сжигать каменный уголь с размерами частиц 0,5... .. .3 мм, фрезерный торф и т. п. Многие виды древесных отхо­дов, например опилки, стружки и т. п., могут сжигаться при этом процессе без дополнительного измельчения.

Однако при всех процессах сжигания мелкого топлива во взвешенном состоянии следует иметь в виду, что интенсивность массо- и теплообмена между газовой средой и поверхностью взвешенных частиц определяется не абсолютной скоростью их движения, а скоростью движения частиц относительно газовой среды, которая при равномерном движении не может превы­шать скорости витания частиц среды в газовом объеме и огра­ничена, таким образом, не столь высокими для мелких частиц пределами.

В отличие от слоевого процесса сжигания применение вихре­вого процесса связано с необходимостью при изменении тепло- производительности топки регулировать как количество подво­димого воздуха, так и количество топлива, подаваемого в топку. Это обстоятельство усложняет автоматизацию работы топоч­ных устройств вихревого типа.

Циклонный процесс сжигания пылевидного топлива. Цик­лонный процесс сжигания твердого пылевидного топлива по своему принципу аналогичен вихревому процессу и отличается тем, что объему топочного пространства придается цилиндриче­ская форма, а подвод воздуха осуществляется по касательной к цилиндрической поверхности внутреннего объема топки.

Факельный процесс сжигания пылевидного топлива. Факель­ный процесс сжигания пылевидного топлива состоит в том, что пылевоздушная смесь подается через горелку в топочное про­странство и сгорает во взвешенном состоянии, образуя факел ярко светящегося пламени.

Для обеспечения устойчивости горящего факела частицы топлива должны предварительно измельчаться до таких разме­ров, чтобы полностью сгореть в короткое время пребывания их в объеме факела. В связи с этим сжигать - в факеле можно только топливо с высокой степенью измельчения. Практически без дополнительного измельчения в факеле можно сжигать только один вид древесных отходов — шлифовальную пыль.

Особенностью факельного процесса является весьма незначи­тельный запас топлива в топочной камере, отчего процесс горе­ния малоустойчив и весьма чувствителен к изменению режима. Регулировать мощность топки можно лишь одновременным из­менением количества подаваемых в топку топлива и воздуха. При факельном процессе наблюдается золовый износ поверхно­стей нагрева, высаждение на кирпичных стенках топки твердого сплавленного шлака. Факельный процесс требует точного со­блюдения мер взрывобезопасности.

Рассмотрим конкретные технические решения по использо­ванию топочных процессов различного типа при сжигании дре­весной биомассы.