Мировой опыт свидетельствует о перспективности в ряде случаев применения вихревого способа сжигания твердого топлива и использования горизонтальных и вертикальных циклонных предтопков для реконструкции котлов на . Основные достоинства этой технологии состоят в принципиальной возможности сжигания высокозольного угля с зольностью Ad до 35 % и выходом летучих Vd=10-40 % в высокофорсированном режиме с минимальной газомазутной подсветкой или без нее. При зольности менее 25 % в таких топках можно успешно утилизировать также и антрациты с Vd=10-9 %.
Циклонный (вихревой) принцип сжигания топлива был реализован на электростанциях ведущими котлостроительными фирмами (Бабкок-Вилкокс, KSG, TRW и др.). Циклонные предтопки к действующим появились в результате разработок, направленных на совершенствование методов сжигания топлива при одновременном уменьшении выбросов оксидов азота в окружающую среду.
Основное различие между циклонными и обычными пылеугольными топками состоит в способе сжигания топлива. В пылеугольных топках частицы движутся с газовым потоком. Для полного выгорания взвешенных частиц требуются топочные камеры большого объема. При вихревом (циклонном) способе сжигания частицы топлива удерживаются в циклоне, а воздух движется относительно топлива, в результате чего большое количество топлива полностью выгорает в малом объеме циклонного предтопка за небольшой промежуток времени. При этом основная топочная камера служит для дожигания и охлаждения продуктов сгорания.
Характерный для циклонной камеры центробежный сепарационный эффект вызывает возрастание относительной скорости перемешивания частиц в закрученном потоке, приводящей к улучшению массо- и теплообмена. Интенсификации процесса горения способствует разность скоростей первичного и вторичного воздуха. Сжигание частиц топлива происходит в тонкой пленке стекающего шлака или в полете (комбасгоры фирмы TRW). Несгоревшая или недогоревшая часть топлива сжигается в основной топке (камера дожигания и охлаждения). Жидкий шлак стекает по стенкам циклонной камеры, улавливается и удаляется из котла. Высокая температура газов способствует образованию горячей шлаковой пленки на поверхности циклона, обеспечивающей стабильное воспламенение и сжигание углей и предотвращающей разрушение внутренней футеровки стен предтопка.
Важнейшая задача правильной организации всего процесса в целом — необходимость создания температурных и реологических условий для свободного отекания и последующего удаления шлака, особенно для угля с тугоплавкой золой.
В качестве установки электрооборудования на котлах, в том числе распределительных устройств низкого напряжения на токи до 4000 А рекомендуем эти — http://www.souzelectro.spb.ru/products/low-voltage/runn/.
Для свободного отекания шлака его вязкость не должна превышать 250 пуаз. Принципиальная схема котла с циклонными предтопками дана на рисунке:
Принципиальные схемы топок с горизонтальными и вертикальными циклонными предтопками: а — принципиальная схема котла с горизонтальным циклонным предтопком системы Бабкок-Вилькокс (Обергаузен, Германия); б — принципиальная схема котла с вертикальным циклонным предтопком (Закамская ТЭЦ, Российская Федерация);
В процессе сжигания топлива аэросмесь подается через вихревую горелку в камеру сгорания (циклон) в виде закрученных струй. По мере движения, до встречи со вторичным воздухом, происходит подогрев аэросмеси за счет массообмена с подсасываемыми струей горячими газами и облучения горящим факелом, что приводит к развитию окислительных реакций и воспламенению частиц топлива.
По конструктивному оформлению тонки циклонного типа можно подразделить на две укрупненные группы: обычные (высоко- и среднефорсированные с жидким шлакоудалением (ЖШУ) и умеренно форсированные с твердым шлакоудалением (ЖШУ)) и комбинированные (высокофорсированные с ТШУ и умеренно форсированные с ТШУ), в которых процесс горения твердого топлива происходит по двум стадиям.
Циклонные иредтоики подразделяются на горизонтальные (рис. а) (возможно с наклоном оси цилиндра на 5-30 град, к горизонту) и вертикальные (рис. б). Горизонтальные циклонные предтопки рекомендуется применять для сжигания дробленого угля (остаток на сите R90 = 3-5 %) с Vd > 15 % и угольной пыли грубого помола (остаток на сите R90 = 40-50 %) с Vd > 10 %.
В первом случае применяется аксиальная подача топлива, во втором -тангенциальная при тангенциальной подаче воздуха. Вертикальные циклонные предтопки с тангенциальным рассредоточенным по окружности вводом топлива и вторичного воздуха и верхним выходом газов через горловину в расположенную над циклоном камеру дожигания целесообразно применять при сжигании угольной пыли (остаток на сите R90 = 15-40 %) каменных углей с Vd > 15 % с верхним закрученным вводом огрубленной пыли, тангенциальной рассредоточенной подачей вторичного воздуха и нижним выходом газов через шлакоулавливающий пучок во вторую камеру для сжигания тощего каменного, бурого угля с Vd > 10 % и, возможно, антрацитов. Топки с вертикальными циклонными предтопками универсальны для котлов большой мощности при сжигании энергетического угля.
Отличительные характеристики циклонных предтопков
Горизонтальные (наклоненные под углом 5-30 град, к горизонту) циклонные предтопки:
- высокие тепловые форсировки сечения — (11,63-15,12) МВт/м2 и объема — 3,49-6,98 МВт/м3;
- малые величины отношения длины циклонной камеры к ее диаметру — 1-1,3;
- большая компактность при высокой производительности но топливу — 80-120 т/ч, хорошая совместимость с котлами, снимающая ограничения по увеличению паропроизводительности котлов в части топочного устройства;
- принудительно организованное вращательное движение газотопочного потока в выходной части циклонной камеры с использованием конического сопла-ловушки, обеспечивающего необходимое для горения время пребывания относительно крупных частиц твердого топлива в циклоне;
- наличие камеры догорания с сильно развитой шлакоулавливающей решеткой, в которой газы после удара о противоположную глухую стенку движутся над шлаковым подом. Такая конфигурация дожигательной камеры обеспечивает эффективное перемешивание газовых потоков, высокий коэффициент улавливания золы топлива в виде жидкого шлака в пределах циклонной топки и практически полное горение сравнительно грубо дробленого каменного угля при малом избытке воздуха;
- умеренный и малый расходы электроэнергии на приготовление грубой пыли или дробленого угля;
- высокое гидравлическое сопротивление циклонной камеры — 600-800 мм вод. ст., неприспособленность к сжиганию угля с тугоплавкой золой (tз> 1500 °С).
Вертикальные циклонные предтопки:
- высокая тепловая форсировка сечения — 17,45-20,93 МВт/м3, сравнительно умеренное тепловое напряжение объема циклонной камеры — 1,16-1,74 МВт/м3;
- большое отношение высоты предтопка к его диаметру — 4-6; высокая единичная производительность по топливу — 60-120 т/ч, позволяющая компоновать их с котлами без ограничения верхнего предела паропроизводительности топочного устройства;
- малый избыток воздуха, при работе на ныли каменного угля огрубленного помола с R90=30 — 40 % с практическим завершением процессов горения в пределах предтопков;
- удаление золы топлива в виде жидкого шлака с высоким коэффициентом улавливания шлака в предтопках;
- отсутствие дожигательной камеры и слабовыраженный шлакоулавливающий пучок, отделяющий циклонные предтопки от топочной камеры (камеры охлаждения);
- аксиальный закрученный ввод топлива через вертикальную горелку и такой же ввод вторичного воздуха с умеренной скоростью W=35-40 м/с при сжигании каменных углей с повышенным выходом летучих и тангенциальный ввод вторичного воздуха через прямоугольные сопла с повышенной скоростью W = 60-75 м/с при сжигании тощего угля;
- умеренное гидравлическое сопротивление циклонных предтопков при сжигании ныли каменных углей, незначительно превышающее сопротивление обычных пылеугольных горелок, и несколько сниженный расход электроэнергии на пылеприготовление;
- лучшая приспособляемость по сравнению с горизонтальной циклонной топкой к сжиганию каменного угля с более тугоплавкой золой, tз = = 1500-1550 °С.
Важное условие эффективной работы топок с циклонными предтопками — обеспечение полного воспламенения частиц топлива, развитие достаточно высокой температуры факела на его пути от устья горелки до встречи со струями вторичного воздуха, дальнейшего устойчивого горения топлива. Для полного воспламенения антрацитовой ныли в предтопке необходимо; обеспечить раннее зажигание аэросмеси, для чего горячие дымовые газы из зоны горения факела должны свободно поступать к устью горелки (эжекционный подсос); глубокое выгорание топлива в первичной аэросмеси (определяемое количеством кислорода в первичном воздухе), чтобы до встречи со вторичным воздухом температура первичного факела достигла 1500-1600 °С; постепенное перемешивание воспламенившейся пылевзвеси со вторичным воздухом, чтобы скорость тепловыделения в результате дальнейшего горения частиц топлива опережала теплоотдачу при смешении первичного факела со вторичным воздухом. Необходимое для внешнего зажигания аэросмеси количество горячих газов у корня факела может быть получено при достаточно большом объеме внешней пазухи предтопка, чтобы в нем обеспечивалась определенная кратность циркуляции газов на участке воспламенения в единицу времени.
В каждом конкретном случае тонки с вертикальными и горизонтальными циклонными предтопками должны проектироваться для сжигания определенного топлива, хотя они приспособлены к работе на угле, характеристики которого могут достаточно сильно отличаться от заданных.