ТОПКА С ВСТРЕЧНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ГОРЕЛОК
Для сжигания бурых и каменных углей в топках с твердым и жидким шлакоудалением на парогенераторах производительностью до 64 кг/с (230 т/ч) как более совершенную широко применяют компоновку
вихревых или прямоточных горелок на боковых стенах топки, а в парогенераторах большей мощности — на фронтовой и задней стенах. В парогенераторах производительностью до 64 кг/с в последние годы нашла распространение в с т р е ч н а я компоновка вихревых горелок на боковых^ стенах треугольником, направленным на одной стене вершиной вверх, а на другой — вниз (рис. 20-4). При компоновке по треугольнику получается более просторное расположение горелок по сравнению с расположением их в один ряд, что позволяет создать лучшие условия для зажигания и выгорания в вихревом факеле.
Рис. 20-5 и 20-6 дают представление об аэродинамике топки с встречным расположением прямоточных горелок на фронтовой и задней стенах. Изображенные на них поля скоростей получены в экспериментальных исследованиях на воздушной модели. По истечении из горелок струи эжектируют газ из окружающей среды, в результате чего расход в них увеличивается. При равенстве начальных количеств движения встречные потоки соударяются в центре топки (рис. 20-5) при практически одинаковых скоростях в них и суммарном расходе, равном в рассматриваемом случае 1,88(?0, где С0— начальный расход газа через горелки. В месте соударения в результате торможения динамический напор трансформируется в статическое давление. Ри _ Под действием образовавшегося перепада давления
С ^встречным" располо - общий поток растекается вверх и вниз с повышен-
Жением вихревых го - ными скоростями и вследствие этого с малым за-
Релок треугольником полнением сечения топки: восходящий поток зани-
На боковых стенах. мает 0,57 сечения топки, причем 0,37 сечения топки
Занимает основной поток. В месте разветвления расход в восходящем потоке составляет 1,325С0, а в нисходящем 6Хв — 0,55 С0. По мере движения восходящий поток расширяется. Однако полного заполнения топки не достигается. На уровне перехода в горизонтальный газоход степень заполнения сечения топки восходящим потоком составляет 0,86, причем на основной поток приходится 0,68 сечения топки. Максимальная скорость в этом сечении составляет 0,36^о - Вследствие неполного заполнения сечения камеры над горелками у фронтовой и задней стен развиваются вихри. Часть восходящего пото - ‘ ка с расходом С0 направляется на выход из топки. Избыточный расход рециркулирует, образуя у стен в области над горелками два больших вихря, каждый из которых занимает до 0,3—0,35 глубины топки и распространяется почти по всей высоте топки. Расход в них соответственно составляет 0,181С0 и 0,144С0.
Движение восходящего потока по вертикальной оси топки является неустойчивым. Под действием возмущений, связанных с пульсацией давления газов, изменением соотношения импульсов встречных потоков и других возмущений ВОСХОДЯЩИЙ поток смещается к одной из стен. При расположении горелок на фронтовой и задней стенах наиболее вероятно отклонение восходящего потока к одной из них, а при боковом расположении горелок — к одной из боковых стен.
Нисходящий поток с повышенными скоростями и сравнительно небольшим сечением проникает глубоко в холодную воронку, далее под действием удара и разрежения, создаваемого истекающими струями, 428
разделяется на две ветви, которые вдоль скатов холодной воронки направляются вверх в корневую область горелочных струй. Так, в холодной воронке образуются два низкоопущенных энергичных вихря с расходом 0,28С0 в каждом. Количество газов, втекающих в горелочные
Рис. 20-5. Аэродинамика топки с встречными щелевыми горелками при равенстве количеств движения встречных струй. |
Струи из нижних вихрей, обычно превышает эжекционную способность струй на их начальном участке.
Вихри оказывают значительное динамическое воздействие на стены, а также на горелочные струи, несколько искривляя их оси. Часть газа из восходящих ветвей нижних вихрей растекается вдоль стен, на которых расположены горелки, и находит выход в верхнюю часть топки в ее углах на уровне горелок, оказывая одновременно динамическое воздействие на экраны прилежащих стен.
В случае неравенства количества движения (см. рис. 20-6) поток с большим расходом и большим количеством движения подавляет противоположный поток с меньшим расходом. Место соударения потоков смещается к стене с меньшим количеством движения горелочных струй. После соударения происходит растечка газов вверх и вниз вдоль этой
Т Й“| Въ/ВгН* 1р ср/б0-т |
|
|||
|
|||
|
|||
|
|||
|
|
||
|
Стены. Восходящий поток с расходом 1,25С0 прижимается к указанной стене, а со стороны стены с большим количеством движения горелочных струй устанавливается вялый вихрь большой протяженности с расходом ОД96Со - Степень заполнения восходящим потоком поперечного сечения топки в среднем по ее высоте составляет 0,71, а на долю основного потока приходится 0,54 сечения топки.
В холодной воронке нисходящий поток образует у стены с большим количеством движения мощный вихрь с расходом 0,375(?о и малый вихрь с расходом 0,10(?о у противоположной стены. Аэродинамическая картина в этом случае напоминает аэродинамику топки с (фронтальным расположением горелок.
Неустойчивость аэродинамики наблюдается и в горизонтальном сечении. Как видно по полям скоростей в горизонтальной плоскости топки по оси горелок (рис. 20-7), струи по выходе из горелок, пройдя некоторое расстояние, отклоняются от своих осей. В -исследованных условиях струи, вытекающие из горелок, расположенных на фронтовой стене, попарно сливаются между собой и с расстояния Х=
= 18,1 Ь0, где Ь0 — полуширина выходного сечения горелки, единым потоком направляются в межструйное пространство струй противоположных горелок. Струи' от крайних горелок задней стены отклоняются к боковым стенам и направляются в углы топки у фронтовой стены. Создаются условия, способствующие шлакованию участков боковых стен, примыкающих к фронтовой стене, и углов топки у фронтовой стены.
В топках с встречным расположением горелок зажигание более устойчиво, а горение протекает более интенсивно, чем в топке с фронтальными горелками. Вытекающие из горелок пылевоздушные струи эжектируют более горячие продукты сгорания из вихревых зон, что обеспечивает
Быстрый нагрев и воспламенение смеси. Усиление зажигания в особенности необходимо при сжигании слабореакционных топлив типов - АШ, ПА и тощих углей. Расстояние между горелками т их взаимное расположение следует выбирать таким образом, чтобы способствовать поступлению к корню факела более горячих газов. В этом отношении более благоприятным является расположение вихревых горелок треугольником с вершиной, обращенной «а одной боковой стене вверх, а на другой — вниз.
При соударении встречных факелов и турбулизации потока ускоряется массо - и теплообмен, а усиливающиеся при этом смесеобразование и нагрев интенсифицируют процесс горения. Однако в дальнейшем поток распространяется при недостаточно полном заполнении сечения топочной камеры и вследствие неустойчивости отклоняется к одной из стен. Турбулентность потока все уменьшается, ослабляя массообмен и смесеобразование, что затягивает выгорание угольной пыли. Более сильное затягивание процесса догорания имеет место при встречной компоновке прямоточных горелок, при которых аэродинамическая неустойчи
вость наблюдается не только в восходящем потоке, но и в горизонтальном сечении по малой оси горелок.
Вследствие аэродинамической неустойчивости и отклонения основного потока к одной из боковые стен, с возможным его перебросом от одной к другой стене, перед пароперегревателем наблюдается большая разверка температур газов, что отрицательно влияет на его работу.
По этой же причине на парогенераторах с встречным расположением горелок с твердым шлакоудалением наблюдалось значительное шлакование стен топки и фестона, которое ограничивало производительность и длительность рабочей кампании. На парогенераторах большой производительности топки с вытянутым в плане сечением при расположении горелок на боковых стенах удовлетворительно работать не могут вследствие значительного усиления аэродинамической неустойчивости. В этом случае удовлетворительные результаты получаются при расположении горелок на длинных гранях топки, т. е. на ее фронтовой и задней стенах.
На устойчивость зажигания и интенсивность протекания процесса горения сильно влияет технологическая схема сжигания (см. § 17-2). Пр и схеме сжигания с промбункером в системе пылеприготовления и подачей пыли частью отработанного сушильного агента имеется возможность сбросом неиспользуемой его части через сбросные горелки изменять концентрацию пыли во влажной первичной смеси и скорость ее выхода из горелок. Уменьшение количества отработанного сушильного агента, используемого для подачи угольной пыли в горелке, улучшает концентрационные и температурные условия зажигания и горения (см. § 17-2, 16-2). Наиболее благоприятные условия для сжигания имеют место в топкарс с разомкнутой схемой сушки и подачей пыли горячим воздухом (см. § 17-2 и § 16-2). Однако эта схема широко не распространилась из-за отсутствия эффективного метода полного улавливания пыли из отработанного сушильного агента и очистки его перед сбросом в атмосферу.
При применении разомкнутой схемы при сжигании топлив с легкоплавкой золой затруднительным является обеспечение достаточно низкой температуры на выходе из топки, исключающей опасность шлакования конвективных поверхностей нагрева и образования на них отложений. Поэтому для топлив с легкоплавкой золой целесообразной является схема с прямым вдуванием, для каменных и бурых углей с тугоплавкой золой — схема с промбункером и подачей пыли частью отработанного сушильного агента, а для слабореакционных топлив —■ преимущественно схема с подачей пыли горячим воздухом. Разомкнутая схема с центральной системой пылеприготовления из-за сложности и громоздкости установки получила небольшое распространение для блоков мощностью 500 и 800 МВт на влажных углях.
Оптимальное количество первичного воздуха следует определять для каждого конкретного случая в зависимости от технологической схемы сжигания, сорта топлива, конструкции топки и горелок (см. § 16-2, 16-5).
Для слабореакционных топлив — антрацитов, полуантрацитов и тощих углей — рекомендуется схема с подачей пыли горячим воздухом и сбросом отработанного сушильного агента в топку через сбросные сопла. При этой схеме повышением температуры газов в области корня факела повышается устойчивость зажигания.
Вводом отработанного сушильного агента в область за ядром горения факела расширяется область с повышенными температурами 432
С включением в нее зоны выгорания основной массы топлива. Эта схема, называемая полуразомкнутой, применяется также для влажных топлив при сушке их продуктами сгорания, отобранными из верхней части топочной камеры. В области до смешения отработанного сушильного агента с продуктами сгорания в процесс горения вступает подсушенная угольная пыль, горение которой вследствие повышения адиабатической температуры протекает при более высоком температурном уровне. Зона горения освобождается от инертных газов, используемых в качестве сушильного агента, и водяных паров, выделяющихся при подсушке топлива. При этом повышается действующая концентрация кислорода и уменьшается объем, а следовательно, суммарная теплоемкость газов, что ускоряет рост температур за счет тепла химического реагирования. Все это способствует интенсификации процесса горения.-
Т а б л и ц а 20-1 Рекомендуемое количество первичного воздуха [JI. 3]
* При Иромбункере. Примечания: I. При сушке топлиза газами или смесью газов и воздуха колшестзо воздуха в сушильном агенте за мельницей должно составлять не менее 0,15 V0, 2. Темнерагура аэросмеси для углей с Vr >35% не должна превышать 1G0 С. |
В топках с встречным расположением горелок, благодаря лучшему перемешиванию в факеле потоков из различных горелок, горение может протекать практически при отсутствии химического недожога и с минимальными потерями от механического недожога при меньшем избытке воздуха по сравнению с топками с фронтальной компоновкой горелок.
Данные по рекомендуемому количеству первичного воздуха, полученные из длительного опыта эксплуатации, приведены в табл. 20-1.
При сжигании бурых углей с большим выходом летучих, воспламенение которых наступает легче, количество первичного воздуха можно увеличить до 40—50% Для улучшения смесеобразования и обеспечения. интенсивного горения кокса, находящегося после воспламенения в раскаленном активном состоянии. Увеличение количества первичного воздуха необходимо также для подсушки влажных углей в системе пыле - приготовления, в которой часто в качестве сушильного агента используется горячий воздух. Бурые угли, имеющие большой выход летучих, сжигают при грубом размоле (i?9o = 50^60%), химический недожог при этом практически отсутствует, а механический не превышает 0,5—1%.
При сжигании каменных углей рекомендуется уменьшать количество первичного воздуха до 25—35%, а при сжигании АШ, производимом обычно при тонком размоле (-/?эо~8%) и избытке воздуха ат = = 1,25, — до 20—25%. При таких условиях горение протекает с механическим недожогом — 3—5% •
При сжигании бурых углей тепловое напряжение объема топочной камеры по условиям горения может быть повышено до 185 кВт/м3
[170 Мкал/м3-ч)], если это допустимо по условиям охлаждения газов,, при каменных углях — до 175 кВт/м3 [150 Мкал/(м3-ч)], а при сжигании АШ рекомендуется ее снижать до 140 кВт/м3 [120 Мкал/(м3-ч)]л
Тепловое напряжение поперечного сечения топки на один ярус горелок составляет до 1,0—1,8, а общее — 2,0—6,0 МВт/м2 (см. табл. 20-2).
Открытые и полуоткрытые топки со встречной компоновкой вихревых горелок нашли широкое применение на парогенераторах производительностью 42 и 64 кг/с (150 и 230 т/ч) при расположении горелок на боковых стенах для сжигания бурых и каменных углей с твердым* а АШ, ПА и тощих углей — с жидким шлакоудалением и на парогенераторах блоков 300 МВт и более при двухъярусном расположении горелок на фронтовой и задней стенах для сжигания слабореакционных топлив с жидким шлакоудалением.
На прямоточных парогенераторах с горизонтальной навивкой труб для сжигания антрацитов и тощих углей при жидком шлакоудалении успешно применяется топка со встречным расположением щелевых горелок БПК-ОРГРЭС на боковых стенах, так как в этих агрегатах имеется возможность удобно разводить трубы.
Для топок с промбункером и подачей пыли горячим воздухом важным является выбор места сброса отработанного сушильного агента в топку. На средних и мощных парогенераторах обычно сбросные сопла устанавливаются на боковых стенах. При значительной ширине топки сбросной воздух, которого обычно значительно больше, чем нужно для сжигания содержащегося в нем топлива, плохо смешивается с топочными газами и плохо используется в процессе горения. Поэтому в этих топках отработанный сушильный агент подается в топку через каналы вторичного воздуха или через специально предусмотренные каналы горелок.
Расчетные характеристики камерных топок при сжигании пылевидного топлива с твердым и жидким шлакоудалением для парогенераторов производительностью выше 75 т/ч приведены соответственно в табл. 19-5 и 21-1.
20- 4. ТОПКИ С УГЛОВЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ГОРЕЛОК
•3 2 |
На парогенераторах производительностью от 33 до 66 кг/с (120—■ 240 т/ч) для сжигания бурых и каменных углей нашли применение однокамерные топки с угловой компоновкой горелок, которые располагаются на боковых стенах вблизи углов топки. При угловой компоновке горелки размещают в один, два или большее число ярусов по одной из следующих схем: с направлением осей тангенциально к воображаемому кругу в центре топки (рис. 20-8,«), с диаго-
Рис. 20-8. Схема компоновки угловых горелок, о — тангенциальная; б — диагональная; в — блочная. |
Нальным (рис. 20-8,6) и с блочным (рис. 20-8,в) направлением осей. Угловая тангенциальная компоновка испытана и на более мощных парогенераторах с разделением топки двусветными экранами на несколько параллельных отсеков, а также в топке, выполненной в виде двухвихревой камеры.
Ниже дано описание аэродинамики топки с угловыми горелками при указанных трех способах компоновки горелок на основании результатов экспериментальных исследований на изотермических моделях и приведены основные характеристики их работы.
Тангенциальная компоновка. Ось горелок образует с прилегающими стенами неравные углы с тем большей разницей, чем сильнее вытянута топка в плане.
В топках (рис. 20-9,а) с сечением (с отношением сторон) близким к квадратному А/В = 1-т-1,2, отношением диаметра условной окружности, к которой по касательной направлены оси горелок, к стороне В 4У/В^0,2 струи, втекающие в камеру, отклоняются от направления осей горелок в сторону прилегающих стен, с которыми оси составляют меньший угол. Сливаясь в общий поток, струи образуют вихрь с вертикальной осью вращения, который по мере подъема раскручивается и далее движется вдоль стен.
В области горелок поток движется почти горизонтально, а по мере движения вверх угол подъема увеличивается и достигает примерно 30°. В углах топки вследствие прямого удара в стену поток растекается и угол подъема его увеличивается. Часть потока под небольшим углом направляется вниз, развиваясь также в виде вихря.
Выше горелок центральная часть топки занята опускным вялым потоком, скорость которого равняется примерно 0,2 скорости истечения из горелок, а ниже горелок — восходящим осевым потоком. Опускной, л также и восходящий осевой поток под действием основного потока по периферии слегка закручены.
Факелы отклоняются от осей горелок под действием большего разрежения, образующегося в меньшем углу ац, и удара соседней струи (см. рис. 20-8).
При отношении суммарной высоты горелок, установленных в одном углу, к ширине горелки 2/г/2605^4 и йу/В = 0,084-0,12 не наблюдается- активного динамического воздействия факелов на стены топки, . что - является благоприятным для бесшлаковочной работы топок с твердым шлакоудалением.
С увеличением и 2/г/2Ь0 (рис. 20-9,6) отклонение от осей горелок увеличивается. При этом увеличивается протяженность нисходящего осевого потока, а восходящий осевой поток в нижней части* уменьшается и, наконец, по всей высоте центральной части камеры, устанавливается нисходящее течение. Изменяется и аэродинамика потоков на уровне горелок. Факелы, вытекающие из горелок, имеющих меньший угол (XI между осью и нормалью к боковой стене, на которой установлена горелка (см. рис. 20-8), отклоняются и набегают на фронтовую и заднюю стены под углом атаки, доходящим до 60°, создавая опасные условия по шлакованию. Факелы, вытекающие из горелок, установленных под большим углом сх2, с отрицательным углом атаки прилипают к стенам, на которых установлены горелки. Расстояние, на котором происходит удар факела в фронтовую и заднюю стены, и угол атаки зависят от величин углов а1 и и относительной высоты горелок.
С точки зрения описанной аэродинамики становится понятным наблюдающийся характер шлакования при тангенциальной схеме установки горелок (рис. 20-8,а). При топочном вихре газов по часовой стрелке шлак налипал на левом крае фронтовой стены и на правом крае задней стены. При вращении топочного вихря против движения часовой стрелки налипание шлака имеет место на правом крае фронтовой и левом: крае задней стен топки.
Чем сильнее вытянута топка в плане, т. е. чем больше она отклоняется от квадратной формы, тем больше разница между углами, образованными осью горелки и прилегающими стенами. Вследствие этого1 отклонение струй под действием удара и перепада давления увеличивается, увеличивая опасность шлакования.
Диагональная компоновка. Оси всех горелок пересекаются в центре топки, факелы образуют две эффективно действующие друг на друга группы струй (рис. 20-8,6). Первая группа образуется струями, вытекающими из горелок 1 и 2, а вторая — струями из горелок 3 и 4. Взаимодействие этих групп струй определяет характеристику аэродинамики топки. В квадратной (в плане) топке при одинаковом количестве движения вытекающие из сопл струи распространяются вдоль своих осей и соударяются в центре топки. В топке, имеющей' в плане прямоугольное сечение, струи каждой группы до столкновения в центре топки сливаются в единый поток. Под действием повышенного давления в центре топки, образующегося в результате удара струй, от места столкновения вверх и вниз устремляются потоки с большой скоростью. Область у стенок непосредственно над факелами занята значительными вихревыми зонами.
Основная масса газов движется вверх. Вначале сечение этого потока несколько уменьшается. Затем в процессе турбулентного расширения по свободным границам, сопровождающегося тормозящим эффектом, оказываемым вихревыми зонами, скорость в восходящем потоке падает. Поток расширяется и на выходе из топки занимает почти все се сечение. Нижний поток разделяется на две ветви, которые в холодной воронке образуют вихри и вновь поступают в факел у боковых стен.
Однако такой режим неустойчив. При увеличении расхода в одной - из групп струй аэродинамика изменяется. Место соударения смещается 436 к стене, гор елочные струи которой имеют меньшее количество движения. К той же стене перебрасывается подъемный поток. С другой стороны устанавливается опускной поток, который стекает к факелу, образуя огромный, но вялый вихрь. Нижний поток также отклоняется к стене, расход смеси через горелки которой меньше, и, омыв холодную воронку, втекает в корень противоположных факелов, образуя в холодной воронке энергичный вихрь.
Блочная компоновка. В топке с угловой блочной компоновкой горелок (рис. 20-8,в) при равных количествах движения струи из горелок противоположных боковых стен образуют два потока, которые затем устремляются друг к другу. После соударения газы направляются в центральный неустойчивый восходящий поток. При превышении количества движения с какой-либо стороны или при каком-либо случайном возмущении поток смещается к противоположной стене, у которой стабилизируется восходящий поток. При. прямоугольной топке наиболее вероятно прижатие потока к одной из широких стен.
Благодаря описанному характеру аэродинамики в топках с угловыми горелками зажигание устойчивое. Основными недостатками их являются недостаточно интенсивное протекание процесса горения и сравнительно сильное шлакование, в особенности имеющее место при твердом шлакоудалении из топки. На уровне горелок наблюдается местное шлакование. Выше горелок имеет место сравнительно равномерное общее шлакование всех стен вследствие омывания их газами.
Топки с угловым тангенциальным расположением горелок работают более эффективно при выполнении их с поперечным сечением, близким к квадратному, с отношением сторон не более 14-1,2. В этом случае уменьшается динамическое воздействие факелов на стены, что снижает опасность шлакования, уменьшается также центральный вихрь продуктов сгорания. В топках с диагональной и блочной компоновкой горелок наблюдается шлакование фронтовой и задней стен, в особенности в гибах скатов холодной воронки. Неустойчивая аэродинамика этих топок усиливает опасность шлакования.
С целью использования газового регулирования температуры перегрева пара изменением положения факела по высоте топки в ряде случаев применялись угловые прямоточные горелки, сопла первичного и вторичного воздуха которых поворачиваются вокруг горизонтальной оси. Это одновременно расширяло возможности по наладке и предотвращению шлакования в топке.
Топки с угловыми горелками имеют повышенную эжекцию газов из окружающей среды в основной поток и повышенную интенсивность теплоотдачи из него. В результате этого в реагирующем потоке уменьшается аккумуляция тепла, выделяющегося при горении топлива, и температуры в факеле стабилизируются на недостаточно высоком уровне (см. § 5-9 и 16-4), что обусловливает недостаточно интенсивное протекание процесса горения. Эти неблагоприятные условия в топке с тангенциальной компоновкой связаны с разобщенным распространением факелов горелок, расположенных в разных углах топки, и движением газового потока, образующегося после слияния струй, вдоль экранированных стен, а в топках с диагональной или блочной компоновкой — С'движением основного потока на значительной высоте с неполным заполнением сечения топочной камеры.
При недостаточно интенсивном горении и сравнительно невысоких температурах уменьшается доля топлива, сгорающего в ядре факела, и увеличивается его доля, выгорающая в зоне дожигания факела. Это 29—541 437 приводит к уменьшению радиационной теплопередачи в топочной камере и к повышению температуры газов на выходе из топки, что часто» вызывает шлакование фестона и первых по ходу газов конвективных поверхностей нагрева.
При жидком шлакоудалении горение в этих топках интенсифицируется, а опасность шлакования уменьшается.
Во избежание чрезмерной интенсивности вращения вихря скорости пылевоздушной смеси и вторичного воздуха на выходе из угловых горелок в тангенциальной топке рекомендуются не выше 30—40 м/с. Такие же скорости рекомендуются при диагональной и блочной компоновке горелок.
В топке с тангенциальным расположением горелок обогрев стек равномерен, В топках с угловым расположением горелок схема пылепро - водов и воздухопроводов сложнее, пылепроводы получаются более длинными и имеют больше гибов. Повороты нарушают равномерное распределение пыли, повышают износ пылепроводов и потерю напора в них. Размещение горелок в углах задней стены часто затруднено из-за близости конвективной шахты.
При проектировании топок с угловыми горелками можно пользоваться расчетными характеристиками камерных топок, приведенным® в табл. 19-5 и 21-1.