Расположение горелок на стенках топочной камеры. Современные решения, закладываемые оао «сибэнергомаш» в конструкцию котлов, сжигающих экибастузский каменный уголь. Газовые горелки котельных агрегатов - устройство и принцип работы

Узел соединения горелок с топкой может быть выполнен двумя конструктивными способами:

1. Жестким соединением с экранами при помощи переходных коробок.

2. Установкой между горелками и топкой специального уплотнения.

В первом варианте при тепловом удлинении экранов горелки перемещаются вместе с

ними. Пе­ремещение горелок компенсируется с помощью компенсаторов тепловых расширений, устанавливае­мых при подводящих магистралях топлива и воздуха. Для пылеугольных котлов решение возможно в схемах пылеприготовления с промбункерами, когда пылепроводы имеют значительную протяжен­ность. При этом необходимо принять специальные меры для предотвращения передачи консольной нагрузки от горелок на экраны.

Для котлов подвесной конструкции с близким к нему расположением мельниц(схемы с прямым вдуванием) пылепроводы получаются короткими. Жесткое соединение горелок с топкой здесь не при­годно. Горелки устанавливаются в этом случае на неподвижном каркасе, а уплотнение допускает пере­мещение экранов топки относительно неподвижных горелок, обеспечивая при этом герметичность (отсутствие присоса воздуха в топку) узла соединения.

На рис. 1.5 представлены некоторые конструктивные варианты для котлов с жестким со­единением горелок с экранами и установкой уплотнений.

2. Компоновка горелок и тепловые характеристики топок.

2.1 Аэродинамика пылеугольных топок.

Размещение горелок в топке носит название их компоновки. В зависимости от пространствен­ной ориентации по отношению друг к другу горелки могут размещаться по одной из схем: фронталь­ной, встречной, тангенциальной, или встречно-смещенной. Число ярусов горелок , в общем случае равно 1-4. Каждой из схем компоновке присуща своя аэродинамическая картина течения продуктов сгорания в топочном объеме. Правильный выбор компоновки горелок с учетом свойств топлива, спо­соба шлакоудаления во многом определяет экономичность и надежность работы котла, его маневрен­ные характеристики и экологические показатели.

а) Фронтальная компоновка горелок

В данной схеме горелки размещают на одной, чаще фронтовой, стене топки котла в один или несколь­ко ярусов (рис. 2.1 а). Такая компоновка горелок обеспечивает малую

протяженность пылепроводов, пониженные расходы на пневмотранспорт пыли. Пролеты между соседними котлами не загроможда­ются мельничным оборудованием и

пылепроводами. Нет ограничений на расстояние между радиаци­онной и конвективной шахтами. Особенно удачной такая схема является для индивидуальных систем пылеприготовления с прямым вдуванием и сушкой топлива горячим воздухом.

Из-за большого пути продукты сгорания в нем подходят к устью амбразур достаточно охлаж­денным. Наличие присосов в нижней части топки может в этом отношении лишь

усугубить положе­ние.

б) Встречная компоновка горелок

Стремление к ликвидации динамического воздействия потока на экран привело к появлению встреч­ной компоновки, при которой горелки располагаются одна против другой на противолежащих стенах топки в один или несколько ярусов.

Аэродинамика топки при встречной компоновке (рис. 2.1 б) во многом зависит от конструкции от конст­рукции горелок.

При прямоточных горелках хорошее заполнение топочной камеры достигается лишь при строго одинаковом начальном количестве движения потоков, вытекающих из горелок.

Превышение суммарного импульса одного из струйных комплексов всего 3-5 % приводит

кнарушению стабильности и симметричности картины течения с образованием восходящих и нисходя­щих потоков соответственно у стен топки, горелки которой обладают меньшим и большим импульсом
. Неустойчивость крайне трудно устранить в условиях эксплуатации, так как это требует тонкого регулирования расходов вторичного и первичного воздуха по отдельным горелкам.

Уменьшение скорости достигается увеличением амбразуры горелок. Следствием этого является нарушение симметричности картины течения в горизонтальной плоскости, может возникнуть довольно мощный поток газов, ориентированный на стену топки по аналогии с фронтальной компо­новкой.

В этих горелках вследствие пониженной дальнобойности и большей площади рассеивания по­тока импульса
- аэродинамическая картина является более стабильной и обладает меньшей чувст­вительностью к начальной неравномерности расходов по отдельным горелкам.

Следует отметить, что для получения наиболее равномерного температурного поля по ширине на выходе из топки необходимо стремиться к тому, чтобы число горелок в ярусе было кратным 4. В противном случае возможны пики и провалы с различием температур до 120°.

в) Тангенциальная компоновка горелок

Характерной особенностью тангенциальной компоновки горелок является ориентация осей последних по касательной к условной окружности диаметром d у , находящейся в центре топки (полутопки).

Прямоточные горелки располагаются в один или несколько ярусов по углам топки

(полутопки) или по всему ее периметру. В последнем случае число горелок в ярусе может быть равно 6 или 8 (рис 2.2)

Характерная картина течения в тангенциальной топке представлена на рис.2.3 в виде полей акси­альной и тангенциальной составляющей скорости. За счет центробежного момента возникает вращение потока. Увеличение числа ярусов горелок приводит к лучшему наполнению топки. Это объ­ясняется тем, что при увеличении числа ярусов горелок закрученный поток из каждого последующего яруса, считая от нижнего, движется вокруг предыдущего, увеличивая радиус вихря.

Относительная высота горелок оказывает влияние на аэродинамику. При больших значениях h/b или ∑h/b поток «прилипает» к стенке независимо от величины d у . При h/b=8 и
смещение ме­стоположения максимумаU τ на окружность с радиусом, близким к
, наблюдалось в диапазоне сd у = 0,08-0,32. Подобное явление объясняется потерей устойчивости течения из-за снижения аэродинамиче­ской жесткости струи под действием начального давления ∆Р, образующегося вследствие отклонения траекторий струй.

Анализ различных аэродинамических схем показывает, что хорошие результаты можно полу­чить в схемах с расположением горелок по периметру топки. Причина - меньшая чувствительность аэродинамики к отключению не только отдельной горелки, но и блока горелок по высоте. В других схемах стабилизация аэродинамической картины течения достигается труднее. Так, в схемах с прямым вдуванием при
> 2 и числе горелок в

вихре, равном 4, количество мельниц должно быть кратным числу горелок и числу ярусов. Подвод топлива на ярус в этом случае целесообразно осуществлять от одной мельницы. Такой же схемы следует придерживаться и в системах пылеприготовления с промбункером при подаче пыли в топку отработанным сушильным агентом.

Тангенциальная компоновка применяется в сочетании с прямоточными горелками типа

ГПО и ГПЧв. Для котлов D<320 т/ч допускается использование горелок ГПЦпф.

г) Встречносмещенная компоновка горелок

Мероприятия по уменьшению дальнобойкости факелов прямоточных горелок при снижении до ми­нимума динамического воздействия потока на экраны нашли отражение в

разработанных МЭИ топках со встречными струями (ВСС).Горелки устанавливаются на

противоположных стенах топки со смещением относительно друг друга на величину

полушага между горелками. Число ярусов горелок 1-2.В зависимости от шага между горелками в принципе возможно наличие в топке трех режимов: фронтального, переходного и проникающего. Картина течения в топке с ВСС определяется величиной параметра
. ПриW<0,05 наблюдается фронтальный, при 0,050.078-проникающий режимы.

Анализ картины течения показывает, что пе­реходный режим является наиболее приемлемым для топок с ТШУ. Во-первых, в этом случае активно используется объем холодной воронки, во- вторых, исключаются набросы факела на стены. Для шла­кующих топлив рекомендуется принимать W=0,085-0,98, для не шлакующих - 0,06-0,86. ЗначениеW=0,06-0,085 следует принимать и при сжигании низкосортных топлив; это позволит повысить теплонапряжение активной зоны горения.

Расположение горелок по встречносмещенной схеме позволяет.

Уменьшить дальнобойкость прямоточного факела, вплоть до полного исключения удара факела в стенку топки;

Повысить нечувствительность системы к неравномерности распределения реагентов по

горелкам;

Интенсифицировать массообмен между струями;

Обеспечить стабилизацию процесса горения за счет устойчивого подвода продуктов сгорания к кор­ню факела;

Получить хорошее заполнение топочной камеры восходящими потоками.

Указанная компоновка применяется в сочетании с прямоточными щелевыми горелками, имеющими периферийный подвод топлива и центральный подвод вторично воздуха. При этом конст­рукция горелки должна отвечать условию h/b>1,5-2. Периферийный подвод топлива дает воз­можность иметь повышенную концентрацию пыли в наружных слоях факела, непосредственно контак­тирующих с топочными газами. В то же время центральный подвод вторичного воздуха гарантирует поддержание повышенной действующей концентрации кислорода в активной зоне горения, что спо­собствует лучшему выжигу топлива.

Специфически для аэродинамики топок с ВСС является краевой эффект, связанный с отклоне­нием струй крайних горелок в сторону стен, свободных от их размещениях. Наличие динамического воздействия факела на экран может привести к его шлакованию. Для борьбы с этим явлением сущест­вует ряд мер: увеличение простенка S 1, установка крайних горелок половинной тепловой мощности, подача сброса (если он имеется) либо через крайние горелки, либо через сопла на боковых стенах топ­ки.

Все описанные выше компоновки горелок до недавнего времени применялись лишь при схемах пылеприготовления с шаровыми бара­банными мельницами (ШБМ), дающих воз­можность использовать горелки и пылепроводы, имеющие значительное сопротивление. Иначе обстояло дело в топках с молотковыми мельницами, оборудованными шахтны­ми (гравитационными) сепараторами, где применялись открытые окна (амбразуры) для

выхода аэропыли из шахты. При малых скоростях выхода аэропыли (порядка 4-6 м/сек) подача вторичного воздуха про­водилась через сопла, расположенные снизу и сверху амбразуры, со скоростями порядка 20-40 м/сек. Незначительные скорости аэро­пыли в самой шахте (1,5-2,5 м/сек) и на вы­ходе в топку обеспечивали малые сопротивле­ния системы, преодолевавшиеся за счет не­большого напора, развиваемого молотковой мельницей, и разрежения в топке. В итоге в шахте, а соответственно и в мельнице под­держивалось небольшое разрежение, доста­точное для предотвращения выбивания пыли через питатель сырого угля и в местах про­хода вала мельницы через корпус. Эта схема очень проста и у котлов малой мощности при сжигании бурых углей и фрезторфа используется и сейчас с некоторыми усовершенствованиями в

распределении воз­духа и в конструкции амбразуры (установка рассекателей,

направляющих перегородок). Однако вялый выход аэропыли с первичным воздухом (доля которого составляет в шахт­ных мельницах около 40% для каменных углей и 50-70% для фрезторфа) не обеспе­чивает хорошего заполнения топки. Поэтому даже при каменных углях с большим выхо­дом летучих такие топки дают повышенную неполноту сгорания.

Для мощных котлов при работе на бурых углях топки с открытыми амбразурами мало-эффективны, так как при громадном сечении амбразуры (до 4,50м 2 ) поток оказывается чрезмерно дальнобойным даже при малых скоростях выхода, а вторичный воздух не уда­валось хорошо перемешать с первичным. В результате этого имели место сильное шлакование экранов и значительная неполнота сгорания, особенно при сжигании каменных углей. Известное улучшение было достигнуто применением эжекционных амбразур ЦКТИ. В этих устройствах вто­ричный воздух вводится по специальным ка­налам, направленным попеременно вверх и вниз прямо в амбразуру, что улучшает пере­мешивание его с аэропылью. Вторичный воз­дух, эжектируя аэропыль, сильно увеличивает

угол раскрытия факела, который в обычных амбразурах не превышает 40°. Все это улуч­шает воспламенение пыли и заполнение топки факелом и уменьшает неполноту сгорания.

Регулируемость факела и при эжекционных амбразурах оставалась недостаточной, что за­трудняло борьбу со шлакованием. Поэтому для защиты задней стенки применялись сопла для подачи вторичного воздуха со скоростями выхода 35-45 м/сек. Однако, несмотря на это и другие усовершенствования, подобные топ­ки значительно уступали

камерным топкам с описанными выше пылеугольными горел­ками.

Топки, с амбразурами, молотковыми мель­ницами и шахтными сепараторами, так назы­ваемые «шахтно-мельничные топки», помимо недостаточной экономичности и надежности, не смогли обеспечить потребное большое по­вышение единичной мощности (от 230 до 640 т/ч пара и выше). Шахтные сепараторы большой мощности становились громоздкими и «взрывоопасными», а обычное непосред­ственное присоединение их к топочной камере стало невозможным. Радикальное улучшение работы топок с молотковыми мельницами произошло в результате оборудования схем пылеприготовления (прямого вдувания) бо­лее совершенными сепараторами пыли (цен­тробежными- для каменных углей; инер­ционными- для бурых), применения пылеугольных горелок, соединения мельничных си­стем и топки с помощью пылепроводов и в целом благодаря переводу схемы пылеприготовления на работу под наддувом. Избы­точнее давление перед размольной установ­кой (100-200кг/м 2 ) расходуется на пре­одоление дополнительных сопротивлений по­сле молотковой мельницы. Такие схемы пылеприготовления широко применяются для каменных и бурых углей к котлам средней и большой мощности.

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)

Использование: в энергетике, в частности, в топках котельных агрегатов, сжигающих распыленное твердое, жидкое и газообразное топливо. Сущность изобретения: прямоточная горелка содержит вертикально-щелевые сопла 1 топливно-воздушной смеси и расположенные по одну сторону от них внешние и внутренние сопла 2 и 3 вторичного воздуха, последнее из которых установлено параллельно соплу 1 топливно-воздушной смеси. Внутреннее и внешнее сопла 2 и 3 на выходе из горелки установлены расходящимися в горизонтальной плоскости под углом, равным не менее 30 o , между указанными соплами 2 и 3 выполнен простенок 4 шириной не менее суммарной ширины сопла 1 топливно-воздушной смеси и внутреннего сопла 2 вторичного воздуха. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано преимущественно в тангенциальных топках котельных агрегатов, сжигающих распыленное твердое, жидкое и газообразное топливо. Известны прямоточные пылеугольные горелки, содержащие два параллельно-щелевых канала, направленных по касательной к условной центральной окружности, один из которых, расположенный обычно в топке со стороны ядра факела, служит для подачи топливно-воздушной смеси, а второй, располагающийся со стороны близлежащей боковой стенки топки, служит для подачи вторичного воздуха. Недостатком такой конструкции является высокий уровень концентрации О 2 на начальном участке факела, что приводит к образованию повышенных концентраций окислов азота (NO х). Известна прямоточная пылеугольная горелка, содержащая пылеподводящую трубу, а также воздушный короб, разделенный на каналы первичного и вторичного воздуха продольной перегородкой, снабженной на заднем торце языковым шибером, в который пылевидное топливо подается с высокой концентрацией по пылеподводящей трубе, размещенной в канале первичного воздуха. Недостатком такой горелки является высокий уровень NO х, так как весь воздух подается в зону выхода летучих и воспламенения топлива. Известна также пылеугольная угловая горелка, состоящая из попарно расположенных сопл первичной топливно-воздушной смеси и сопл вторичного воздуха, направленных по касательной к центральной окружности, причем сопла вторичного воздуха по отношению направления вращения факела в топке установлены за соплами аэросмеси. Отличительной особенностью такой горелки является расположение сопл топливно-воздушной смеси и сопл вторичного воздуха в проекции на горизонтальную плоскость таким образом, что их продольные оси сходятся в топке под острым углом не более 45 о. Недостатком такой горелки является быстрое смешение вторичного воздуха с топливно-воздушной смесью, в результате чего уже в ближайших к устью горелки сечениях горелочной струи, где еще не успела выделиться из угля основная часть азотсодержащих летучих веществ, концентрация кислорода (О 2) становится высокой, что приводит к образованию больших концентраций окислов азота. В настоящее время многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями доказано, что при пылеугольном сжигании основная часть NO х образуется на участке выхода и горения летучих. Поэтому для снижения NO х необходимо на начальном участке горелочной струи протяженностью в несколько калибров создать зону с недостатком кислорода за счет задержки подмешивания вторичного воздуха к топливно-воздушной струе. При этом также повышается устойчивость воспламенения топлива, так как более позднее подмешивание вторичного воздуха способствует более быстрому прогреву топливно-воздушной смеси на начальном участке и ускорению выхода и сгорания летучих веществ. Целью изобретения является уменьшение образования окислов азота и повышение устойчивости воспламенения топливно-воздушной смеси. Для достижения указанной цели предлагаемая прямоточная горелка содержит вертикально-щелевое сопло топливно-воздушной смеси и расположенные по одну сторону от него внешнее и внутреннее сопла вторичного воздуха, последнее из которых установлено параллельно соплу топливно-воздушной смеси. Внутреннее и внешнее сопла на выходе из горелки установлены в горизонтальной плоскости, расходящимися под углом не менее 30 о. Между указанными соплами выполнен простенок шириной не менее суммарной ширины сопла топливно-воздушной смеси и внутреннего сопла вторичного воздуха. При сжигании жидкого, газообразного топлива или угольной пыли, подаваемой преимущественно с высокой концентрацией (30.80 кг.топлива/кг.воздуха) предлагаемая горелка содержит вертикально-щелевые сопла топливно-воздушной смеси с топливораздающим устройством на конце и внешние и внутренние сопла вторичного воздуха, установленные на выходе из горелки расходящимися в горизонтальной плоскости под углом равным не менее 30 о. Между соплами вторичного воздуха выполнен простенок шириной не менее суммарной ширины сопла вторичного воздуха, при этом сопла топливно-воздушной смеси установлены на внутренних соплах вторичного воздуха. Предлагаемое выполнение сопл вторичного воздуха с расходящимися продольными осями и непроточным разрывом (простенком) между ними позволяет, как показали проведенные в Сибтехэнерго стендовые (модельные) исследования, задержать подмешивание наружной струи вторичного воздуха к основной горелочной струе на участке 5-6 калибров горелки. Здесь в качестве калибра принимается суммарная ширина параллельных сопл топливно-воздушной смеси и внутреннего вторичного воздуха. При меньших (по сравнению с предлагаемыми) углах расхождения продольных осей сопл вторичного воздуха и размерах простенка между ними вытекающие из горелки струи топливно-воздушной смеси и вторичного воздуха под влиянием создаваемого струями разрежения между ними смыкаются вблизи устья горелки. В результате эффект снижения концентраций кислорода, а следовательно, и окислов азота, оказывается незначительным. Наличие непроточного разрыва (простенка) между соплами вторичного воздуха способствует подсосу в межструйное пространство (снизу и сверху) высокотемпературных топочных газов, интенсифицирующих прогрев и воспламенение топливно-воздушной струи. Кроме того, приток этих газов уменьшает концентрацию кислорода на участке воспламенения, а это, в свою очередь, способствует снижению образования NO х. При меньшей, по сравнению с предлагаемой, ширине простенка подсасываемые газы не доходят по высоте до середины горелки, и эффект прогрева и стабилизации воспламенения оказывается незначительным. Соотношение выходных сечений внутреннего и наружного сопл вторичного воздуха принимается из условия, при котором суммарный расход воздуха в топливно-воздушной смеси и вторичного воздуха, проходящего по внутреннему соплу, обеспечивал бы избыток воздуха на выходе из горелки ( г) в диапазоне 0,6-0,8. При г < 0,6 резко возрастают химический и механический недожог и образуются токсичные составляющие СО, канцерогены и др. При г > 0,8 эффект снижения образования NO х за счет стадийности подачи окислителя (воздуха) становится существенно меньшим. Предлагаемый диапазон г 0,6-0,8 принят из условий сжигания различных топлив с разным содержанием летучих и азота. С целью оптимизации режимов по NO х для конкретного топлива в каналах вторичного воздуха устанавливаются регулирующие клапаны, позволяющие перераспределять воздух между внутренним и наружным соплами. На фиг. 1 показан горизонтальный разрез по оси горелки; на фиг.2 расположение горелок по сечению топки; на фиг.3 установка горелок по высоте топки (вид из топки); на фиг.4 горизонтальный разрез по оси горелки с раздельными подводами вторичного воздуха; на фиг.5 горизонтальный разрез по оси горелки для схем подачи угольной пыли с высокой концентрацией или для сжигания жидкого и газообразного топлива; на фиг.6 вид по стрелке Б на фиг.5. Горелка содержит сопло 1 для подачи топливно-воздушной смеси, внутреннее сопло 2 и наружное сопло 3 для подачи вторичного воздуха. Сопла 1 и 2 расположены параллельно друг другу, а сопло 3 под расходящимся углом, равным 30 о и более. В выходном сечении горелки сопла 2 и 3 разделены простенком 4, ширина которого С составляет не менее суммарной ширины В сопл 1 и 2. Размеры и соотношение проходных сечений сопл 2 и 3 выбираются из условия, при котором избыток воздуха на выходе из сопл 1 и 2 составлял бы 0,6-0,8. Для перераспределения вторичного воздуха между соплами 2 и 3 в общем канале установлен регулирующий клапан 5. Возможно конструктивное выполнение горелки (см. фиг.4) с раздельными подводами вторичного воздуха к внутреннему 2 и наружному 3 соплам с установкой индивидуальных регулирующих клапанов 5 в каждом канале после воздухоподводящих коробов 6. В топочной камере 7 горелка установлена таким образом, чтобы продольные оси сопл 1 и 2 были направлены по касательным к условной окружности 8 в центре топки. При этом сопло 1 расположено со стороны потока набегающих топочных газов 9 от вращающегося факела, имеющего направление крутки, показанное стрелкой 10. По высоте топки горелки могут быть установлены в один или несколько ярусов (см.фиг.3). В случае применения схем транспорта угольной пыли с высокой концентрацией (ПВК), например, по пылепроводу диаметром 70-100 мм или же при сжигании газа и жидкого топлива предлагаемая горелка может выполняться без сопла 1 (см. фиг. 5, 6). В этом случае для подвода пыли или мазута и газа в сопле 2 установлен трубопровод 14, на конце которого (на выходе из горелки) имеется топливораздающее устройство 15. В качестве такого устройства для угольной пыли служит рассекатель-стабилизатор, для жидкого топлива форсунка, для газа газораспределительная насадка. Предлагаемая горелка работает следующим образом. Подготовленная для сжигания топливно-воздушная (угольная) смесь подается в топку через сопло 1 с постоянной скоростью на выходе из горелки (14-20 м/с). Вторичный воздух подводится к горелке через один общий или два раздельных патрубка 6, после которых большая часть воздуха проходит через сопло 2, а остальная доля его отводится в топку через сопло 3. Перераспределение расхода вторичного воздуха между соплами 2 и 3 осуществляется с помощью регулирующих клапанов 5. Скорость истечения вторичного воздуха в топку 30-50 м/с. В случае транспортировки угольной пыли по трубопроводу высокой концентрации или же при сжигании мазута или газа топливо может подаваться через сопло 2 и распыливаться с помощью топливораздающего устройства 15. При выходе топливно-воздушной смеси 11 в топку со стороны набегающего потока горящего факела происходит быстрый прогрев топлива и его воспламенение. Быстрый прогрев топливно-воздушной струи в предлагаемой горелке происходит за счет подмешивания к корню струи горячих топочных газов, притекающих как с внешней стороны (поток 9), так и через межструйное пространство в зоне 12 (см.фиг.2). При прогреве пылевидного топлива из него выделяются летучие вещества в виде газообразных составляющих, в состав которых входят и азотсодержащие соединения. В начале процесса сгорания азотсодержащие соединения разлагаются с образованием активного азота, который в дальнейшем участвует в реакциях образования и разложения NO х. N + O 2 NO + О,

N + NO N 2 + О

Конечный выход топливных окислов азота определяется динамическим равновесием образования и разложения NO. Учитывая, что константы скоростей реакций и образования (К 1) и разложения (К 2) зависят от температуры, можно считать, и это доказано многими опытами, что температура оказывает существенно меньшее влияние на конечный выход топливных NO х, чем концентрация кислорода. Поскольку в предлагаемой конструкции горелки воспламенение и сгорание топлива на начальном участке факела происходит при недостатке кислорода, то и образование окислов азота в такой системе замедляется. В дальнейшем, когда основная часть летучих выделилась и сгорела с неполным окислением на некотором расстоянии (сечение 1-1 на удалении 5-6 калибров от горелки) к горелочной струе подмешивается воздух со струей 13, истекающей из наружного сопла 3, который способствует дожиганию летучих и экономичному сгоранию кокса. Помимо основного эффекта подача части воздуха через сопло 3 со стороны близлежащей стены топки позволяет создать вблизи экранов окислительную газовую среду и уменьшить интенсивность шлакования и высокотемпературной коррозии. В настоящее время Барнаульским и Подольским котельными заводами совместно с Сибтехэнерго разработаны проекты реконструкции котлов П-57, Е-500, ПК-10 и других, в которых с целью снижения выбросов NO х, в качестве горелочного устройства используется предлагаемая горелка.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

Cтраница 1

Тангенциальный подвод воздуха к газу в этих горелках обеспечивает получение закрученного вокруг оси горелки потока, обеспечивающего растекание пламени вблизи поверхности огнеупорной футеровки.  

Тангенциальный подвод воздуха с высокой скоростью обеспечивает его интенсивное перемешивание с топливом, а наличие карборундовой обмазки способствует быстрому зажиганию и горению мазута.  

Горелки снабжены тангенциальным подводом воздуха, вызывающим закручивание воздушного потока при выходе из них, что способствует укорочению факела. Поэтому такие горелки работают в действительности не как длиннопламенные.  

В мельницах с тангенциальным подводом воздуха горячий воздух подается непосредственно в кожух, мельницы по всей его ширине тангенциально по отношению к поверхности ротора и в направлении вращения его. В мельницах с аксиально-тангенциальным подводом воздуха совмещены оба способа его подвода.  

В циклонной печи благодаря тангенциальному подводу воздуха происходит исключительно сильное перемешивание паров серы с воздухом и интенсивность сгорания Жидкая сера. Поэтому новые циклонные печи вытесняют форсуночные печи старого типа.  

Завихритель был убран и сделали тангенциальный подвод воздуха через улитку, обеспечивающий хорошее закручивание воздушного потока.  

Исследования воздушного сопротивления горелок при тангенциальном подводе воздуха, выполненные ИИГ АН УССР И. Я. Сигал показали, что простой тангенциальный подвод имеет меньшее сопротивление, чем улиточный при одинаковых степенях крутки. Кроме того, простой тангенциальный подвод требует меньших затрат на изготовление и конструктивно проще осуществим.  

Окружные скорости в вихревой камере с тангенциальным подводом воздуха по всей высоте возрастают при уменьшении радиуса вращения от начальной скорости до максимальной. Скорость потока у стенки, как правило, меньше, а при некоторых конструктивных соотношениях может быть равна скорости входа. Радиус, соответствующий максимальной скорости, приблизительно совпадает с радиусом выходной горловины.  

Дожигание этой пыли может быть организовано за счет тангенциального подвода воздуха в верхнюю часть конуса или в специальной циклонной камере с жидким шлакоудалением.  

Были исследованы две турбулентные горелки конструкции Укргипромеза с тангенциальным подводом воздуха и так называемая польская горелка, разработанная Гипромезом на основе чертежей Biprohut zabrze. Горелки Укргипромеза отличаются друг от друга конструкцией газового сопла. Одна горелка имеет укороченное газовое сопло с выходным отверстием в виде узкой кольцевой щели (рис. 2а), и перемешивание газа с воздухом начинается внутри горелки. Вдоль оси в центре газового сопла этой горелки расположена смотровая труба, в которую может быть вставлена мазутная форсунка или запальник.