 |
Топочные и горелочные устройства
|
|
|
|
Топка – устройство, предназначенное для сжигания топлива с целью получения теплоты. Топка выполняет функцию горения и теплообменного аппарата – теплота одновременно передается от факела горения излучением и от продуктов сгорания конвекцией к экранным поверхностям, по которым циркулирует вода. Доля лучистого теплообмена в топке, где температура топочных газов порядка 1000 °С, больше чем конвективного, поэтому, чаще всего, поверхности нагрева в топке называют р адиационными. Для сжигания природного газа, мазута и пылевидного твердого топлива используются камерные топки, в конструкции которых можно выделить три основных элемента: топочную камеру, экранную поверхность, горелочное устройство.
1. Топочная камера или топочный объем – пространство, отделенное обмуровкой от окружающей среды. Обмуровкой называют ограждения, отделяющие топочную камеру и газоходы теплогенератора от внешней среды. Обмуровку в котельном агрегате выполняют из красного или диатомовогокирпича, огнеупорного материала или из металлических щитов с огнеупорами. Внутренняя часть обмуровки топки – футеровка, со стороны топочных газов и шлаков, выполняется из огнеупорных материалов: шамотного кирпича, шамотобетона и других огнеупорных масс. Обмуровка и футеровка должны быть достаточно плотными, особо высокоогнеупорными, стойкими к химическому воздействию шлаков и иметь малый коэффициент теплопроводности.
2. Экранная радиационная поверхность нагрева выполнена из стальных труб диаметром 51…76 мм, установленных с шагом 1,05…1,1. Экраны воспринимают теплоту за счет радиации и конвекции и передают ее воде или пароводяной смеси, циркулирующим по трубам. Экраны защищают обмуровку от мощных тепловых потоков.
|
|
|
3. Горелочные устройства устанавливаются на одной или двух противоположных (встречных) поверхностях нагрева, на поду, или в углах топки. На стенах топки котла устраивают амбразуру – отверстие в обмуровке, обмурованное огнеупорным материалом, куда устанавливают воздушный регистр и горелочное устройство.
В зависимости от вида сжигаемого топлива различают множество конструкций горелочных устройств.
1. При сжигании твердого пылевидного топлива применяют горелки смешивающего типа. В амбразуре топочной камеры устанавливают улитку, в которой пылевоздушная смесь (пылевидное топливо с первичным воздухом) закручивается и по кольцевому каналу транспортируется к выходу горелки, откуда поступает в топку в виде закрученного короткого факела. Вторичный воздух, через другую аналогичную улитку, подается в топку со скоростью 18…30 м/с, в виде мощного закрученного потока, гдеинтенсивно перемешивается с пылевоздушной смесью. Производительность горелок 2…9 т/ч угольной пыли.
2. При сжигании мазута применяют форсунки и мазутные горелки: механические, ротационные и паровоздушные (паро-механические).
Механическая форсунка. Подогретый примерно до 100°С мазут под давлением 2…4 МПа поступает в канал, перемещается в насадок (распыливающую головку), где установлен завихритель-распылитель. В результате прямолинейное движение мазута изменяется на вращательное, и мазут с большой скоростью (45…50 м/с) и сильным завихрением выбрасывается в топочную камеру, где, взаимодействуя с газовой средой, распыливается на мелкие капли. Расход мазута 0,2…4 т/ч. Достоинства: не нужен пар, нет движущихся частей. Недостатки: необходима двойная очистка мазута (грубая и тонкая); требуются мощные нефтенасосы; малый диапазон регулирования (60…100%); образование нагара.
Ротационная форсунка. Топливо подается через канал и сопло на вращающуюся чашу, дробится и сбрасывается в топочную камеру. Давление топлива – мазута составляет 0,15…1 МПа, а чаша вращается со скоростью1500…4500 об/мин. Воздух поступает вокруг чаши через конус, охватывает вращающийся поток капель и перемешивается с ним. Достоинства: не требуются мощные нефтенасосы и тонкая очистка мазута от примесей; широкийдиапазон регулирования (15…100%). Недостатки: сложная конструкция и повышенный уровень шума.
|
|
|
Паровоздушная или паро-механическая форсунка. Топливо подается в канал, по внешней поверхности которого поступает распыливающая среда – пар или сжатый воздух (давлением 0,5…2,5 МПа). Пар выходит из канала со скоростью до 1000 м/с и распыливает топливо (мазут) на мельчайшие частички. Воздух нагнетается вентилятором через амбразуру. Любая мазутная форсунка должна иметь устройство для хорошего перемешивания топлива с воздухом, что достигается использованием разного вида завихряющих приспособлений – регистров. Комплект форсунки с регистром и другими вспомогательными приспособлениями называется мазутной горелкой.
3. Газовые горелки.Газогорелочные устройства (горелки) предназначены для подачи к месту горения (в топку) газовоздушной смеси или раздельно газа и воздуха, устойчивого сжигания и регулирования процесса горения.
Основной характеристикой горелки является ее тепловая мощность, т.е. количество теплоты, выделяемое при полном сжигании газа, поданного через горелку, и определяется произведением расхода газа на его низшую теплоту сгорания. Основные параметры горелок: номинальная тепловая мощность, номинальное давление газа (воздуха) перед горелкой, номинальная относительная длина факела, коэффициенты предельного и рабочего регулирования горелки по тепловой мощности, удельная металлоемкость, давление в камере сгорания,шумовая характеристика.
Существуют три основных метода сжигания газа:
1) Диффузионный – в топку газ и воздух в необходимых количествах подают раздельно, и смешение происходит в топке.
2) Смешанный – в горелку подают хорошо подготовленную смесь газа с воздухом, содержащую только часть (30…70%) воздуха, необходимого для горения. Этот воздух называют первичным. Остальной (вторичный) воздух поступает к факелу (устью горелки) путем диффузии. К этой же группе относят горелки, у которых газо-воздушная смесь содержит весь воздух, необходимый для горения, и смешение происходит и в горелке, и самом факеле.
|
|
|
3) Кинетический – в горелку подают полностью подготовленную газо-воздушную смесь с избыточным количеством воздуха. Воздух смешивается с газом в смесителях, и смесь быстро сгорает в коротком слабосветящемся пламени при обязательном наличии стабилизатора горения. Наличие устойчивого пламени является важнейшим условием надежной и безопасной работы агрегата. При неустойчивом горении пламя может проскочить внутрь горелки или оторваться от нее, что приведет к загазованности топки и газоходов и взрыву газо-воздушной смеси при последующем повторном розжиге. Скорость распространения пламени для различных газов неодинакова: наибольшая 2,1 м/с – для смеси водорода с воздухом, а наименьшая 0,37 м/с – смеси метана с воздухом. Если скорость газо-воздушного потока окажетсяменьше скорости распространения пламени, происходит проскок пламени в горелке, а если больше – отрыв пламени.
По способу подачи воздуха для горения различают следующие конструкции горелок:
1) Горелки с поступлением воздуха к месту горения за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой или дымососом, или конвекции. Смешение газа с воздухом происходит не в горелке, а за ней, в амбразуре или топке, одновременно с процессом горения. Такие горелки называют диффузионными, они равномерно прогревают всю топку, имеют простую конструкцию, работают бесшумно, факел устойчив по отношению к отрыву, проскок пламени невозможен.
2) Горелки с инжекцией воздуха газом, или инжекционные. Струя газа, поступающего из газопровода под давлением, выбрасывается из одного или нескольких сопл с большой скоростью, в результате в инжекторе смесителя создается разрежение, а воздух подсасывается (инжектируется) в горелку и при движении вдоль смесителя смешивается с газом. Газо-воздушная смесь
|
|
|
проходит через горло смесителя (самая узкая часть), выравнивающее струю смеси, и поступает в его расширяющуюся часть – диффузор, где скорость смеси снижается, а давление возрастает. Далее газо-воздушная смесь поступает или в конфузор (где скорость увеличивается до расчетной) и через устье – к месту горения, или в коллектор с огневыми отверстиями, где сгорает в виде маленьких голубовато фиолетовых факелов.
3) Горелки с инжекцией газа воздухом. В них для подсоса газа используется энергия струй сжатого воздуха, создаваемого вентилятором, а давление газа перед горелкой поддерживается постоянным с помощью специального регулятора. Достоинства: подача газа в смеситель возможна со скоростью, близкой к скорости воздуха; возможность использования холодного или нагретого воздуха с переменным давлением. Недостаток: использование регуляторов.
4) Горелки с принудительной подачей воздуха без предварительной подготовки газо-воздушной среды. Смешение газа с воздухом происходит в процессе горения (т.е. вне горелки), и длина факела определяет путь, на котором это смешение заканчивается. Для укорочения факела газ подают в виде струек, направленных под углом к потоку воздуха, осуществляют закручивание потока воздуха, увеличивают разницу в давлениях газа и воздуха и т.п. По методу подготовки смеси данные горелки являются диффузионными (проскок пламени невозможен), они применяются как резервные при переводе одного топлива на другое в котлах ДКВР, в виде подовых и вертикально-щелевых.
5) Горелки с принудительной подачей воздуха и предварительной подготовкой газо-воздушной смеси, или газо-мазутные горелки. Они имеют наибольшее распространение и обеспечивают заранее заданное количество смеси до выхода в топку. Газ подается через ряд щелей или отверстий, оси которых направлены под углом к потоку воздуха.
Питание котла водой
Для подачи воды в котел (обычно вода подается в экономайзер) используется питательная установка, называемая часто питательным насосом. Этаустановкадолжна обладать повышенной надежностью в эксплуатации. Дажекратковременное прекращение подачи воды в котел может привести к перегреву и пережогу труб или серьезным авариям, т.к. там, где должна циркулировать вода и отводить теплоту от дымовых газов, воды может не оказаться. В качестве основного устройства питания водой теплогенерирующих установок малой и средней мощности используют центробежные насосы с электроприводом. В производственных и производственно-отопительных котельных, где вырабатывается пар, могут применяться поршневые насосы с паровым приводом, а в небольших отопительных котельных иногда для питаниякотла водой используют инжекторные насосы.
|
|
|
Центробежные насосы с электроприводом в теплогенерирующих установкахполучили широкое преимущественное применение из-за высокой экономичности инадежности, удобства регулировки производительности и простоты обслуживания.Вместе с тем, в качестве недостатков таких питательных устройств выступают:необходимость держать насос под заливом при запуске; резкое снижение производительности насоса при механическом износе рабочего колеса; низкий КПД насосной установки при ее малой производительности по отношению к номинальной.
Поршневые насосы с паровым приводом нашли применение в качестве питательных установок только в теплогенерирующих установках с паровыми котлами, т. к. для их привода требуется пар. Очень часто паровые поршневые питательные насосы используются в качестве резервных. Паровые питательные насосы имеют ряд достоинств: независимость привода от наличия в теплогенерирующей установке электрической энергии; использование пара после насоса в цикле теплогенерирующей установки. Вместе с тем, есть ряд существенных недостатков: низкая экономичность; большой расход пара на перекачку воды; неравномерность подачи воды во времени и др.
Питание водой небольших отопительных котлов может осуществляться спомощью инжекторного (пароструйного) насоса, схематическое изображениекоторого показано на рис. 1.6.1.
Рисунок1.6.1 – Принципиальная схема инжекторного насоса
Пар, проходящий через сопло (инжектор), вызывает в минимальном сечении, где скорость потока пара максимальна, разрежение, что приводит к подсосу воды в поток пара. В результате этого на выходе из инжектора давление
воды оказывается выше, чем оно было до инжектора.
Сам пар конденсируется, переходит в воду и отдает ей свою тепловую энергию, т.е. в инжекторном насосе параллельно с повышением давления воды идет и ее подогрев за счет теплоты пара.
Для надежной работы инжекторов температура питательной воды на входе внасос должна быть не выше 40°С и высота подачи не более 2 м. Расход пара винжекторном насосе обычно составляет 1…9% от количества перекачиваемойводы. Основные достоинства инжекторных насосов: простота устройства и обслуживания; компактность; отсутствие движущихся частей. Недостатками являются: значительный расход пара на перекачку воды; отсутствие возможности регулировать производительность насоса при создаваемом им постоянном напоре воды.
Подача воздуха в топку для горения топлива (дутье) и удаление топочных дымовых газов (тяга) могут быть естественными – с помощью дымовой трубы и искусственными – с применением дутьевого вентилятора и дымососа.
Дымовые газы, пройдя газоходы теплогенератора, направляются в боров, дымосос и дымовую трубу.
Дымовые трубы предназначены для удаления топочных дымовых газов и рассеивания вредных соединений (содержащихся в продуктах сгорания) в атмосферном воздухе, с целью снижения их концентрации в атмосфере на уровне дыхания до необходимых параметров. Продукты сгорания содержат токсичные вещества, оказывающие вредное воздействие на биосферу (оксиды углерода, серы и азота и др.). Содержание вредных веществ в воздухе определяется их концентрацией – количеством вещества (мг), находящегося в 1 м3 воздуха (мг/м3). Максимальная концентрация вредных веществ, не оказывающих вредного влияния на здоровье человека, называется предельно допустимой концентрацией (ПДК). Высота дымовой трубы проектируется таким образом, чтобы предупредить недопустимое загрязнение воздушного
бассейна в районе котельной. Дымовая труба, сама по себе и всегда, создает естественную тягу, а движение топочных газов при этом происходит за счет гравитационных сил, обусловленных разностью плотностей холодного наружного атмосферного воздуха и горячих газообразных продуктов сгорания, заполняющих газоходы, дымовую трубу, считая от уровня горелки до устья трубы. Чем ниже температура наружного воздуха и выше его атмосферное давление, выше температура продуктов сгорания топлива, выше дымовая труба – тем естественная тяга больше. В ясную морозную погоду тяга лучше, а в туманную, ветреную, влажную – хуже.
При работе котельных агрегатов с давлением в топочной камере выше давления атмосферного воздуха или при небольшой производительности котельной, когда оказывается достаточной тяга, развиваемая дымовой трубой,дымососы не устанавливаются. В котельных малой производительности иногда для обеспечения тяги и дутья достаточно использования только дымовойтрубы и ее самотяги, и тогда можно обойтись и без дутьевых вентиляторов. Естественная тяга (измеряется в Па, мм вод. ст., кгс/м2) в этом случае регулируется шибером, установленным в газоходе за котлом, а управление выведено на фронт котла, где должен быть фиксатор и указатель открывания заслонки. В верхней части шибера должно быть отверстие диаметром не менее 50 мм для вентиляции топки неработающего котла (при закрытом шибере).
Для устранения избыточного статического давления наиболее целесообразно устанавливать диффузоры в верхней части трубы. Они позволяют уменьшить сопротивление газового тракта в случае его заноса золой или при подключении дополнительных котлов, а также снизить расход энергии на транспортировку дымовых газов по тракту. Высота дымовых труб зависит от высоты застройки, предельно допустимых концентраций вредных веществ (ПДК) и может быть от 30 до 180 м.
При сжигании природного газа возможна установка любых труб, а для мазута и твердого топлива – только кирпичные или железобетонные трубы. Однако применение высоких труб не всегда оправдано и поэтому чаще используют невысокие трубы с установкой дутьевого вентилятора и дымососа. Установка дутьевого вентилятора и дымососа обеспечивает более надежную и эффективную работу котельных установок
Рисунок1.6.3а–Схемы работы центробежного вентилятора: а – правильное положение направляющего аппарата; б – неправильное положение; 1 – кожух; 2 – ротор; 3 – направляющий аппарат; 4 – выходной патрубок вентилятора; 5 – присоединенный к вентилятору расширяющийся патрубок газовоздухопровода (диффузор)
По его окружности расположены вперед или назад загнутые лопатки, которые ударяясь о находящийся перед ними воздух (или дымовые газы), выбрасывают его наружу.
Выйдя из рабочего колеса, воздух (или газы) попадают в расширяющуюсяполость между рабочим колесом и кожухом вентилятора, которая заканчивается выходным патрубком. Чем с большей силой ударяются лопатки о воздухили газы, тем больше создаваемый вентилятором напор, т.е. разность давления (или разрежения) в выходном и входном патрубках. Напор вентилятора измеряется в миллиметрах водяного столба (мм. вод. ст.). С увеличением скорости вращения рабочего колеса напор увеличивается почти пропорционально квадрату числа его оборотов. Создаваемый вентилятором напор затрачивается на преодоление сопротивления при движении воздуха или дымовых газов. Важно знать, что потеря напора на трение дымовых газов или воздуха пропорциональная квадрату их скорости (несколько уменьшаясь с повышением их температуры). Так при снижении нагрузки котла от максимальной до 70% потеря напора на трение уменьшается примерно в 2 раза; при снижении нагрузки вдвое потеря напора сокращается в 4 раза и т.д.
Дутьевой вентилятор имеет металлический корпус в виде улитки, в котором установлен ротор с лопатками, а на оси – электродвигатель(рис. 1.6.3б).
При вращении рабочего колеса в центре создается разрежение, куда через круглое отверстие поступает новая порция воздуха, и за счет центробежных сил он отбрасывается к стенкам корпуса и переходит в нагнетательное прямоугольное отверстие. Производительность дутьевого вентилятора должна обеспечивать с 10%-ным запасом подачу действительного объема воздуха, необходимого для горения с учетом его температуры, а напор вентилятора должен преодолеть сопротивление воздушного тракта (воздуховода, заслонки, горелки, направляющего аппарата). В качестве дутьевых вентиляторов обычно используют центробежные вентиляторы среднего давления. Забор воздуха для дутья осуществляется из верхней зоны котельного зала и частично снаружи с помощью специального клапана.
Рисунок1.6.3б–Дутьевой вентилятор: 1 – всасывающий короб; 2 – ротор с рабочими лопатками; 3 – корпус; 4 – диффузор выходная часть корпуса); 5 – неподвижная осевая труба; 6 – двухступенчатый направляющий аппарат; 7 – электродвигатель
Дымосос – центробежный вентилятор, только с массивными лопатками ротора. Производительность дымососа должна быть на 10% больше полного объема топочных дымовых газов, удаляемых из котла, с учетом их температуры, а напор должен преодолеть гидравлическое сопротивление всего газового тракта (топки, газохода, экономайзера, воздухоподогревателя, борова, шибера, дымовой трубы) за вычетом самотяги дымовой трубы. Дутьевой вентилятор и дымосос должны синхронно работать так, чтобы в топке котла поддерживалось разрежение 1,5…3 мм вод. ст., а за котлом 4…6 мм вод. ст. и при открытых дверках или гляделках пламя не выбрасывалось из топки. При разрежении в топке более 8…10 мм вод. ст. происходит значительный подсос холодного воздуха в топку, что резко снижает температуру топочных газов и увеличивает расход топлива. Для измерения небольших давлений или разрежений и получения точных показаний применяют жидкостный тягонапоромер с наклонной трубкой (ТНЖ). Отдельные котельные агрегаты имеющие
герметичную стальную обшивку, работают с наддувом воздуха и обеспечивают избыточное давление внутри котла 40 мм вод. ст., а сопротивление воздушного и газового трактов (воздуховода, горелок, газохода, дымовой трубы) преодолевается за счет напора, создаваемого только дутьевым вентилятором.
|
|
|
