Юридические услуги. Стаж 10 лет.

Газовые горелки котельных агрегатов

Классификация газовых горелок.
Газовая горелка - это устройство для образования горючих смесей газового топлива и подачи их к месту сжигания с обеспечением его устойчивого горения и возможностью регулирования процесса горения.

Рис. 3.1. Схемы, иллюстрирующие осуществление принципов сжигания газа :
а - диффузионный; б - кинетический; в - диффузионно-кинетический в горелках с неполным предварительным смешением; г - то же, в горелках с частичным предварительным смешением;
ФДГ - фронт диффузионного горения; ФКГ - фронт кинетического горения; а - коэффициент избытка воздуха

Для сжигания топлива в топках котельных агрегатов используется много разнообразных горелочных устройств, которые можно классифицировать по ряду признаков, в том числе:
по степени подготовки горючей смеси - без предварительного смешения газа с окислителем; с полным предварительным смешением; с неполным предварительным смешением; с частичным предварительным смешением;
по способу подачи воздуха - с принудительной подачей воздуха от вентилятора; инжектированием воздуха газовой струей, а также за счет разрежения в топке;
по давлению газа перед горелками - низкого давления - до 5 кПа (500 мм вод. ст.); среднего давления - до критического перепада давлений (разности давлений в горелке и топке), при котором скорость истечения газа, а следовательно, и расход газа достигают максимальных (так называемых критических) значений; высокого давления - при критическом и сверхкритическом перепаде давлений (скорость истечения и расход газа при этом равны максимальным (критическим) значениям и не растут даже при увеличении давления);
по степени автоматизации управления горелками - с ручным управлением, полуавтоматические, автоматические;
по скорости истечения продуктов горения - низкая - до 20 м/с; средняя - 20...70 м/с; высокая - более 70 м/с.

Принципы сжигания газа. В зависимости от способа подачи в топочную камеру газа и воздуха и условий их смешения различают варианты организации процесса горения, основанные на следующих принципах горения:
диффузионный - с внешним (после горелки) смешением газа и воздуха;
кинетический - с полным предварительным (в горелке) смешением до образования однородной смеси;
диффузионно-кинетический - с неполным предварительным смешением без образования однородной смеси;
то же, с частичным предварительным смешением с образованием однородной смеси, но с недостатком окислителя в начальной смеси.
Для сжигания, например, природного газа требуется определенное время тг, которое складывается из времени смешения гсм газа с воздухом, времени нагрева тн газовоздушной смеси до температуры воспламенения и времени тх р, необходимого для протекания собственно химических реакций горения:

На рис. 3.1, а показана принципиальная схема организации диффузионного принципа сжигания. Видно, что газ и воздух в пределах горелки не контактируют. Смешение компонентов, участвующих в горении, в данном случае осуществляется в топочной камере. Для диффузионного принципа сжигания ХфИЗ » ^х.р? процесс горения при этом затягивается, и при достаточном для сжигания количестве воздуха получается относительно длинный светящийся факел ярко-соломенного цвета. Сгорание топлива происходит в тонком поверхностном слое факела.
При кинетическом принципе сжигания (рис. 3.1, б) наиболее продолжительная часть процесса - стадия смешения топлива с окислителем длительностью тсм - переносится в горелку. При этом тхр » ТфИЗ, т.е. т, = тхр. При достаточных температурах в топке процесс горения топлива происходит очень быстро и образуется короткий факел в виде голубого прозрачного конуса. Сгорание топлива в данном случае осуществляется на поверхности этого конуса, называемой фронтом кинетического горения.
При реализации диффузионно-кинетического способа сжигания (в горелках с неполным и частичным предварительным смешением), при котором продолжительности физической и химической стадий процесса соизмеримы, т.е. тфиз « тхр, факел имеет два фронта горения (рис. 3.1, в, г): кинетический в виде голубого прозрачного конуса и диффузионный, в котором происходит догорание топлива в прозрачном факеле бледно-голубого цвета.
Диффузионные горелки. В этих горелках газ смешивается с воздухом в топке вследствие взаимной диффузии (взаимного проникновения) газа и воздуха на границах вытекающего потока.
Разновидностью диффузионных горелок является подовая горелка (рис. 3.2), которая состоит из газового коллектора 2 диаметром 32...80 мм. Коллектор изготовлен из стальной трубы, заглушённой с одного торца, имеет два ряда отверстий диаметром 1...3мм, просверленных одно относительно другого под углом 60... 120°. Газовый коллектор устанавливается в щели 4, выполненной из огнеупорного кирпича, опирающегося на колосниковую решетку 3. Газ через отверстия в коллекторе выходит в щель, равномерно распределяясь по ее длине. Воздух для горения поступает в ту же щель через колосниковую решетку за счет разрежения в топке или принудительно с помощью вентилятора. В процессе работы огнеупорная футеровка щели разогревается, обеспечивая стабилизацию пламени на всех режимах работы горелки.
Для наблюдения за процессом горения и розжига горелки служит смотровое окно 1. Подовые горелки могут работать на низком и среднем давлении газа и используются в секционных котлах, котлах ТВГ, КВ-Г, ДКВР.

Инжекционные горелки низкого и среднего давления. Показанная на рис. 3.3 инжекционная газовая горелка низкого давления по принципу организации смешения газа с воздухом относится к горелкам с частичным предварительным смешением.
Струя газа под давлением выходит из сопла 1 с большой скоростью и за счет своей энергии захватывает в конфузоре 2 воздух, увлекая его внутрь горелки. Смешение газа с воздухом происходит в смесителе, состоящем из конфузора 2, горловины 3 и диффузора 4. Разрежение, создаваемое инжектором, возрастает с увеличением давления газа, и при этом изменяется количество подсасываемого первичного воздуха (от 30 до 70 %), необходимого для полного сгорания газа.

Рис. 3.2. Подовая горелка :
1 - смотровое окно; 2 - газовый коллектор; 3 - колосниковая решетка; 4 - щель; 5 - огнеупорные кирпичи

Рис. 3.3. Инжекционная газовая горелка низкого давления :
1 - сопло; 2 - конфузор; 3 - горловина; 4 - диффузор; 5 - огневой насадок; 6 - регулятор первичного воздуха

Количество воздуха, поступающего в горелку, можно изменять при помощи регулятора 6 первичного воздуха, представляющего собой шайбу, вращающуюся на резьбе. При вращении регулятора изменяется расстояние между шайбой и конфузором, и таким образом регулируется подача воздуха.
Для обеспечения полного сгорания топлива часть воздуха поступает за счет разрежения в топке. Регулирование расхода вторичного воздуха производится путем изменения разрежения в топке.
Инжекционные горелки низкого давления выполняются огневыми насадками 5 разной формы.
Инжекционные горелки обладают свойством саморегулирования, т.е. возможностью обеспечения постоянства соотношения между количеством поступающего в горелку газа и количеством подсасываемого ими первичного воздуха. При этом, если подача воздуха в горелку при помощи шайбы отрегулирована по цвету пламени или показанию газоанализатора на полное сгорание газа и горелка работает спокойно без шума, то дальнейшее изменение ее нагрузки можно проводить, увеличивая или уменьшая только расход газа, не меняя положения воздушной шайбы.
Изменяя режим работы горелки, необходимо следить за устойчивостью ее пламени, так как на характер горения газа влияют не только количество подаваемого в нее первичного воздуха, но и количество вторичного воздуха, поступающего в топку.
Инжекционная горелка среднего давления ИГК конструкции Ф.Ф.Казанцева (рис. 3.4) относится к горелкам с полным предварительным смешением и устойчиво работает при давлении газа 2...60 кПа (200...6ООО мм вод. ст.).
Газ, поступающий в горелку через газовое сопло 4, инжектирует воздух в необходимом для сжигания количестве. В смесителе 2, состоящем из конфузора, горловины и диффузора, осуществляется полное перемешивание газа с воздухом.
В конце диффузора установлен пластинчатый стабилизатор 1, который обеспечивает устойчивую работу горелок без отрыва и проскока пламени в широком диапазоне нагрузок.

Рис. 3.4. Инжекционная горелка ИГК среднего давления конструкции Ф. Ф. Казанцева :
1 - пластинчатый стабилизатор горения; 2 - смеситель; 3 - регулятор подачи воздуха; 4 - газовое сопло; 5 - гляделка

Стабилизатор горения состоит из тонких стальных пластин, расположенных на расстоянии примерно 1,5 мм одна от другой. Пластины стабилизатора стянуты между собой стальными стержнями, которые на пути движения газовоздушной смеси создают зону обратных токов горячих продуктов горения, за счет теплоты которых происходит непрерывное поджигание газовоздушной смеси. Фронт пламени удерживается на определенном расстоянии от устья горелки.
Регулирование подачи воздуха производится с помощью регулятора 3. На внутренней его поверхности укреплен клеем шумопоглощающий материал. В регуляторе выполнено смотровое окно - гляделка 5 для наблюдения за целостностью стабилизатора.
Вследствие хорошего перемешивания газа с воздухом инжекционные горелки обеспечивают создание малосветящегося факела с полным сгоранием газа при малых коэффициентах избытка воздуха а « 1,05.
К преимуществам инжекционных горелок относятся:
простота конструкции;
устойчивая работа горелки при изменении нагрузок;
надежность работы и простота обслуживания;
отсутствие вентилятора, электродвигателя для его привода, воздухопроводов к горелкам;
возможность саморегулирования, т.е. поддержания постоян¬ного соотношения газ -воздух.
К недостаткам инжекционных горелок относятся:
значительные габариты горелок по длине, особенно горелок увеличенной производительности (например, горелка ИГК-250-00 номинальной производительностью 135 м3/ч имеет длину 1 914 мм);
высокий уровень шума у инжекционных горелок среднего давления при истечении газовой струи и инжектировании воздуха;
зависимость поступления вторичного воздуха от разрежения в топке (для инжекционных горелок низкого давления), плохие условия смесеобразования в топке, приводящие к необходимости увеличения общего коэффициента избытка воздуха до а= 1,3... 1,5 и даже выше для обеспечения полного сгорания топлива.

Горелки с принудительной подачей воздуха. У большинства горелок с принудительной подачей воздуха образование газовоздушной смеси начинается в самой горелке и завершается в топке. Воздух для сгорания газа подается с помощью вентилятора. Подачу газа и воздуха осуществляют по отдельным трубам, поэтому такие горелки часто называют двухпроводными и смесительными. Работают они на газе низкого и среднего давления. Для лучшего перемешивания поток газа чаще всего направляют через многочисленные отверстия под углом к потоку воздуха. В зависимости от направления газового потока различают горелки с центральной подачей газа, если поток направлен от центра к периферии, и горелки с периферийной подачей газа, если поток направлен от периферии к центру горелки.
Во многих конструкциях горелок для улучшения условий смешения потоку воздуха сообщают вращательное движение, для чего используют завихрители с постоянным и регулируемым углом установки лопаток либо вводят воздух тангенциально в горелку цилиндрической формы.

Рис. 3.5. Горелка ГА с принудительной подачей воздуха :
1 - штуцеры для измерения давления газа и воздуха; 2 - распределительная камера; 3 - газовые трубки; 4 - огнеупорная футеровка; 5 - смесительная камера; 6 - головка с направляющими ребрами для закручивания воздуха

Горелки могут работать на горячем воздухе, подогретом за счет использования теплоты отходящих газов. На ряде горелок с принудительной подачей воздуха можно регулировать длину и светимость факела. На котлах малой и средней мощности устанавливают горелки типов ГА, ГГВ, Г-1,0 и др.
Горелка типа ГА с принудительной подачей воздуха приведена на рис. 3.5. Газ низкого или среднего давления подается в распределительную камеру 2, из которой поступает в трубки 3. На концы трубок навернуты конические головки Расположенная в центре горелки трубка предназначена для наблюдения за процессом горения, а при сжигании мазута ее используют для установки форсунки. Свободные пространства между головками трубок в устье горелки уплотняют огнеупорной футеровкой 4 (из жароупорного бетона). Это предохраняет горелку от перегрева и обеспечивает поступление воздуха только к газораспределительным головкам.
В горелке газовой вихревой ГГВ (рис. 3.6) газ из газораспределительного коллектора 2 выходит через отверстия, просверленные в один ряд, и под углом 90° поступает в закрученный с помощью лопаточного завихрителя 4 поток воздуха.

Рис. 3.6. Горелка газовая вихревая ГГВ :
1 - смотровое окно; 2 - газовый коллектор; 3 - корпус горелки; 4 - лопаточный завихритель; 5 - устье горелки; 6 - конический туннель

Рис. 3.7. Горелка для природного газа :
1 - камера смешения; 2 - конусная насадка; 3 - направляющие лопатки; 4 - трубопровод для подачи газа; 5 - трубопровод для тангенциального подвода
воздуха

Лопатки приварены под углом 45° к наружной поверхности газового коллектора. Внутри газового коллектора расположена труба для наблюдения через смотровое окно 7 за процессом горения. При работе на мазуте в нее устанавливают паромеханическую форсунку.
На рис. 3.7 показана горелка для природного газа. Производительность данной вихревой горелки до 750 м3/ч. Газ поступает в центральный трубопровод 4 горелки и выходит в камеру смешения 1 через ряд мелких отверстий в конусной насадке 2, установленной на выходе из трубопровода подачи газа. Воздух по трубопроводу 5 поступает в камеру смешения по межтрубному пространству, имея вращательное движение, обеспечиваемое тангенциальным подводом к горелке и направляющими лопатками 3.

Комбинированные горелки. В комбинированных горелках раздельно или совместно сжигается жидкое и газообразное топливо. Например, газомазутная горелка ГМГ (рис. 3.8) состоит из трех вставленных одна в другую камер. Газ поступает в среднюю узкую камеру и выходит через один или два ряда отверстий 4, расположенных по окружности. В центре горелки размещена паромеханическая форсунка, включаемая при работе на мазуте.
Необходимый для горения воздух подается в горелку двумя потоками, из которых один (примерно 15% общего расхода воздуха) проходит через завихритель J, состоящий из лопаток, установленных под углом непосредственно к корню факела. Этот воздух, называемый первичным, способствует улучшению перемешивания с газом, особенно при малых тепловых нагрузках котла. Другой поток воздуха, называемый вторичным и являющийся основным, проходит через завихритель 2 и закрученным потоком поступает к месту горения.
В последнее время выпускаются модернизированные горелки ГМГМ, в которых несколько изменены паромеханическая форсунка, завихрители первичного и вторичного воздуха.

Рис. 3.8. Газомазутная горелка ГМГ :
1 - монтажная плита; 2, 3 - завихритель вторичного и первичного воздуха соответственно; 4 - газовыходное отверстие

Газ выходит через отверстия, расположенные в один ряд по направлению движения воздуха и в два ряда в перпендикулярном направлении, что дает хорошее перемешивание газа с воздухом. Горелки ГМГМ обеспечивают полное сгорание газа при ос = 1,05.
В газомазутных горелках котлов ПТВМ газ из газопровода поступает в кольцеобразную газовую камеру 5 горелки (рис. 3.9) и выходит через два ряда отверстий в направлении, перпендикулярном направлению потока воздуха. В центральной части горелки расположена мазутная форсунка J, которая во время работы охлаждается проточной водой. При сжигании газа форсунка должна быть удалена из зоны горения. Воздух к каждой горелке подается отдельным центробежным вентилятором. Для лучшего перемешивания с газом воздух закручивается завихрителем 4.

Запальные горелки. Для розжига основной горелки служит запальная горелка. Запальные горелки могут быть переносными (для ручного розжига) и стационарными (для автоматического розжига).
Широкое распространение для ручного розжига горелок получили переносные газовые запальные горелки конструкции Мосгазпроекта. Газовая горелка присоединяется к газопроводу с помощью гибкого шланга 7 (рис. 3.10). Поток газа, выходящего из сопла б, подсасывает через отверстие 2 воздух из окружающей среды. Газовоздушная смесь поступает в огневой насадок 4 и через ряд мелких отверстий выходит из него, образуя множество факелов небольшого размера.

Рис. 3.9. Газомазутная горелка котлов ПТВМ:
1 - короб; 2 - смотровое окно; 3 - мазутная форсунка; 4 - завихритель воздуха; 5- газовая камера; 6 - шамотобетон; 7- асбестодиатомитовый бетон; 8 - магнезиальная обмазка; 9 - концевой упор горелки в экраны

Запальная горелка как вспомогательное приспособление вводится к устью разжигаемой горелки через специальное отверстие. Запальное отверстие располагается над горелкой или сбоку от нее. Для правильной установки относительно устья разжигаемой горелки запальная горелка имеет ограничитель.
Стационарные запальные горелки являются элементами запально-защитных устройств (ЗЗУ). Они предназначены для автоматического и дистанционного розжига горелочных устройств.

Рис. 3.10. Газовая запальная горелка конструкции Мосгазпроекта :
1 - штуцер-удлинитель для присоединения шланга; 2 - отверстия для прохода воздуха; 3 - торцевая пластинка; 4 - огневой насадок; 5 - воздушная обойма; 6 - сопло; 7 - гибкий шланг

Электрозапальники осуществляют воспламенение поступающего в них газа и контроль собственного пламени. В комплект электрозапальника входит трансформатор (или катушка) зажигания и электромагнитный клапан. Электрозапальник имеет трубопровод 1 (рис. 3.11) подачи газа, изолированный высоковольтный центральный электрод 6, конец которого загнут так, что между ним и корпусом горелки образуется небольшой зазор порядка 6...8 мм, стабилизатор 7 горения и контрольный электрод.
При подаче тока на трансформатор зажигания между центральным электродом и корпусом возникает высокое напряжение 8...10кВ, в результате вследствие пробоя воздушного зазора образуется искра. Одновременно с включением трансформатора зажигания открывается электромагнитный клапан подачи газа на электрозапальник. Газ поджигается искрой, и таким образом возникает факел. Контроль горения факела осуществляется с помощью контрольного электрода, включенного в электрическую цепь автомата контроля пламени. При наличии факела эта цепь замкнута, так как при высоких температурах факел электропроводен. При погасании факела электрическая цепь разрывается, и автомат контроля пламени отключает питание электромагнитного клапана. Подача газа на запальник при этом прекращается.

Блочные автоматизированные горелки со встроенным вентилятором. В последнее время в промышленности, коммунально-бытовом секторе и сельском хозяйстве появилось значительное количество котельных агрегатов (в основном жарогазотрубных) с высоким КПД, низким выбросом токсичных газов, оснащенных полностью автоматизированными горелками.

Рис. 3.11. Электрозапальник :
1 - трубопровод подачи газа; 2 - клемма высоковольтного электрода; 3 - изолятор; 4 - винт для центровки электрода; 5 - фарфоровая трубка; 6 - высоковольтный центральный электрод; 7 - стабилизатор горения

Горелочные устройства характеризуются широким диапазоном теплопроизводительности - 10...20 ООО кВт и предназначены для работы на природном и сжиженном газе, легких жидких топливах и мазуте. В комбинированных горелках сжигаются как газообразные, так и жидкие топлива.
Одной из ведущих мировых фирм по производству горелок является фирма Weishaupt (Германия), разрабатывающая и выпускающая полностью автоматизированные газовые, жидкотопливные и комбинированные горелки с одноступенчатым, двухступенчатым, плавно-двухступенчатым и модулируемым регулированием производительности.
На рис. 3.12 в качестве примера приведена автоматическая га¬зовая горелка типа WG-5 мощностью 12,5...50 кВт. Горелка предназначена для сжигания природного и сжиженного газа и оснащена следующей арматурой: шаровым краном 9 для подачи газа к горелке; реле 8 давления газа; многофункциональным газовым мультиблоком 7, в котором имеются фильтр (грязеуловитель), два магнитных клапана, регулятор давления газа. По присоединительному каналу 6 газ поступает в пламенную трубу 3.

Рис. 3.12. Автоматическая газовая горелка типа WG-5 :
1 - электронный прибор зажигания; 2 - электрод зажигания; 3 - пламенная труба; 4 - подпорная шайба; 5 - ионизационный электрод; 6 - присоединительный канал; 7 - многофункциональный газовый мультиблок; 8 - реле давления газа; 9- шаровой кран; 10 - колесо вентилятора; 11 - винт регулировки воздушной заслонки; 12- указатель положения воздушной заслонки; 13 - электродвигатель; 14 - реле давления воздуха; 15 - менеджер горения; 16 - регулировочный винт подпорной шайбы

В корпусе горелки расположены вентилятор, который приводится в действие с помощью электродвигателя 13, электронный прибор 7 зажигания, микропроцессорный менеджер горения 75.
Колесо 10 вентилятора, приводимое в действие электродвигателем, всасывает воздух через решетку воздухозаборника в корпус регулятора воздуха, в котором расположена воздушная заслонка. Положение воздушной заслонки можно изменять с помощью винта 77, и этим в процессе наладки работы горелки достигается оптимизация количества подводимого воздуха на стороне всасывания. Воздух вентилятором подается в пламенную трубу 3.
На конической части пламенной трубы находится подпорная шайба 4, за которой происходит смешивание газа и воздуха, поступающего под давлением. Регулировочным винтом 16 можно менять положение подпорной шайбы и таким образом изменять количество подаваемого воздуха на напорной стороне.
Управление работой горелки и диагностика неисправностей осуществляется с помощью микропроцессорного менеджера горения 75.
При работе горелки осуществляется постоянный контроль минимального давления газа с помощью реле давления газа. Реле 14 давления воздуха контролирует работу вентилятора горелки. Контроль наличия пламени происходит с помощью контрольного ионизационного электрода 5.
При включении горелки термостат (регулятор температуры) посылает на менеджер горения команду на включение. После этого запускается электродвигатель 13 горелки, и вентилятор начинает нагнетать воздух в камеру горения. Условием включения электродвигателя является замыкание контакта реле давления газа, подтверждающего наличие достаточного давления газа. В начале предварительной продувки топки срабатывает реле давления воздуха. По окончании продувки начинается розжиг горелки, при этом электронный прибор 7 зажигания создает высокое напряжение между электродом 2 зажигания и подпорной шайбой 4. При появлении искры открываются магнитные запорные клапаны в многофункциональном мультиблоке и происходит розжиг горелки. Сообщение о наличии пламени, контролируемое ионизационным электродом, поступает на менеджер горения.

Одним из преимуществ комбинированных горелок является возможность легкого перехода с одного вида топлива на другое. При этом сжигание каждого из них должно происходить в оптимальных условиях.

В такой горелке каналы подвода воздуха выполняются общими для обоих видов топлив, а расположение каждого вида горелочного устройства должно обеспечить быстрое и полное смешение топлива с воздухом. Для эффективного смешения с топливом поток воздуха в горелке сильно турбулизируется с помощью воздушного регистра (воздухо-направляющего устройства), обеспечивающего его интенсивную закрутку.

Воздушные регистры выполняют трех видов: улиточный, аксиальный лопаточный и тангенциальный лопаточный (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 - Схемы воздушных регистров:

а - улиточный; б - тангенциальный лопаточный; в - аксиальный лопаточный.

С учетом больших расчетных объемов воздуха улиточный завихритель получается довольно громоздким. Его применяют на горелках относительно небольшой мощности. Аксиальный лопаточный аппарат наиболее прост в выполнении и имеет наименьшее гидравлическое сопротивление, но для пропуска всего потока воздуха требуется канал большего диаметра. Тангенциальный лопаточный регистр имеет несколько большее сопротивление, но отличается возможностью регулирования размера проходного сечения при изменении нагрузок путем перемещения вдоль оси горелки регулирующего диска (рисунок 2.14).

На мощных паровых котлах устанавливают три основных типа газомазутных горелок и отличающихся способом ввода газа в поток воздуха и методом регулирования его расхода при переменных нагрузках.

Природный газ из центрального кольцевого коллектора выдается двумя рядами отверстий разного диаметра. Воздух подводится через тангенциальный лопаточный регистр. Регулирование его расхода обеспечивается перемещающимся дисковым шибером. Таким образом, при снижении нагрузки котла уменьшенный расход воздуха будет сохранять интенсивность крутки и хорошие условия смешения с топливом. Мазут распыляется в механической форсунке, установленной в центральном канале горелки.

Давление газа перед горелкой 2,5 - 3,0 кПа. Скорость воздуха в узком сечении горелки 40 м/с. Воспламенение топлива - мазута или газа - обеспечивается электрозапальными устройствами.

Рисунок 2.14 - Газомазутная горелка ТКЗ коаксиального типа с центральной подачей газа:

1 - кольцевой газовый коллектор; 2 - мазутная форсунка; 3 - тангенциальный лопаточный аппарат; 4 - регулирующий воздушный шибер; 5 - фланец, предохраняющий газовый наконечник от обгорания; 6 - воздушный короб; 7 - подвод воздуха для охлаждения наконечника и фланца; 8 - коническая амбразура; 9 - канал для запальника.

Газомазутная горелка ЦКБ (харьковского филиала)-ВТИ-ТКЗ для прямоточного котла блока 300 МВт, работающего под наддувом (рисунок 2.15), имеет тангенциально-аксиальный подвод воздуха через лопаточный аппарат с разделением основного потока воздуха на два канала. Кроме того, имеется еще третичный воздух, постоянно поступающий по центральному каналу для охлаждения мазутной форсунки. При снижении нагрузки расход воздуха по периферийному кольцевому каналу уменьшается регулирующим шибером. Подача мазута осуществляется паро-механической форсункой типа ТКЗ-4М производительностью 4,6 т/ч при давлении мазута 4,5 МПа и пара 0,2 МПа. Природный газ в основном вводится в поток воздуха с периферии большим числом труб Æ 32 мм и частично из отверстий центрального коаксиального канала.

На рисунке 2.16 показана газомазутная горелка однокорпусного прямоточного котла блока 800 МВт производительностью 5,2 т/ч мазута.

Рисунок 2.15 - Газомазутная горелка ХФЦКБ-ВТИ-ТКЗ с периферийной и центральной подачей газа:

1, 1’ - центральный и периферийный коробы воздуха; 2 - тангенциальный лопаточный аппарат; 3 - аксиальный лопаточный аппарат; 4 - ствол паро-механической форсунки; 5 - ввод центрального потока воздуха; 6 - подвод газа в коаксиальный канал; 7 - периферийный подвод газа; 8 - разводка экранных труб вокруг горелки.

Равномерная раздача воздуха по горелкам обеспечивается за счет больших размеров воздушных коробов, общих для всех горелок одной стены топки. Каждый короб разделен по всей длине на два отсека для раздачи воздуха во внутренние и периферийные каналы горелок. Отдельно имеется короб для ввода через горелку дымовых газов рециркуляции. Потоки воздуха закручиваются тангенциальным лопаточным аппаратом, а газы вводятся в топку прямотоком и смешиваются с расходящимся под углом периферийным воздухом.

Природный газ вводится по центральному коаксиальному каналу под углом 45 о к оси потока. Для компенсации разницы тепловых расширений воздушного короба с встроенными в него горелками и экранов топки установлены линзовые компенсаторы.

При переходе на сжигание газа мазутная форсунка автоматически отключается и втягивается в центральный ствол. Одновременное сжигание двух видов топлива приводит к ухудшению выгорания одного из них (чаще мазута), что связано с различными условиями смешения и временем воспламенения.

Рисунок 2.16 - Газомазутная горелка парового котла ТГМП-204 производительностью 5,2 т/ч мазута или 5,54 тыс.м 3 природного газа:

1, 1’ - центральный и периферийный каналы горячего воздуха; 2 - канал подачи рециркулирующих газов; 3 - линзовый компенсатор; 4,5 - тангенциальные закручивающие лопатки; 6 - центральный канал подачи природного газа; 7 - пневмозатвор, препятствующий выбиванию топочных газов из горелки; 8 - разводка экранных труб вокруг амбразуры горелки; 9 - ствол для мазутной форсунки; 10 - газовый электрозапальник; 11 - импульсные линии для контроля за давлением воздуха.

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.

Расположение горелок на стенках топочной камеры

Полнота выгорания топлива, условия эксплуатационно-надежной работы топки в значительной степени определяются размещением пылеугольных горелок. Наибольшее распространение для обычных однокамерных топок получило фронтальное (рис. 12.8, а), встречное (рис. 12.8,6) и угловое (рис. 12.8, в) расположение горелок.

При фронтальном расположении горелок примерный характер аэродинамики топки показан на рис. 12.9, а. По 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 при фронтальном расположении наиболее целесообразно применение вихревых горелок с относительно коротким широким факелом.

При встречном расположении горелки (рис. 12.9, б и в) могут располагаться как на противоположных боковых, так и на фронтальной и задней стенках, возможна встречно-лобовая и встречно-смещенная их компоновка. При встречно-лобовой ориентации горелок (рис. 12.9, б) 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. 12.9, 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. 12.10): диагональная, блочная, тангенциальная. При таком размещении горелок возникает 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.

При фронтальном, встречном и угловом расположении горелки 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,

Q тт = B p Q н р (12.1)

где Вр - общий расчетный расход топлива на котел, кг/с;

Q н р - теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Тепловая мощность горелки Q г, МВт,

Q г = В г Q н р (12.2)

где Вр-расход топлива на одну горелку, кг/с.

Количество горелок

п = В р /В г. (12.3)

С увеличением паропроизводительности котла количество горелок 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 производитель, 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-образ-ным факелом (рис. 12.1, а) и L-образным факелом (рис. 12.1, б). Наибольшее распространение нашли топки с L-образным факелом. По способу удаления шлака различают пылеугольные топки с твердым (гранулированным) и жидким шлакоудалением.

а-прямоточно-улиточная; б - прямоточно-лопаточная; в - двухулиточная; г - улиточно-лопаточная; д - лопаточно-лопаточная;

I - первичный воздух с угольной пылью; II - вторичный воздух

Рисунок 12.1 - Принципиальные схемы пылеугольных вихревых горелок

Рисунок 12.3 - Принципиальная схема прямоточных горелок

а - щелевая горелка; б - сопловая горелка; I - аэросмесь; II - вторичный воздух

1 - патрубок первичного воздуха; 2 - сопло первичного воздуха; 3 -

сопло вторичного воздуха

Рисунок 12.5 - Схема зажигания пылевоздушной смеси:

а - круглая турбулентная горелка; б - прямоточная горелка с внешним вторичным воздухом; в - прямоточная горелка с внутренним вторичным воздухом; I - аэросмесь; II - вторичный воздух

а - топка с открытой амбразурой; б - амбразура с горизонтальным рассекателем; в - эжекционная амбразура; г-амбразура с плоскими параллельными струями; д - вихревая горелка;

1 - шахта; 2 - амбразура; 3 - сопла вторичного воздуха (верхние); 4 -сопла вторичного дутья (нижние); 5 - сопла вторичного воздуха; 5 - рассекатель; 7 - горелка; 8 - ввод вторичного воздуха

(Документ)

Реферат-Одноковшовый экскаватор ЭО-2621 (Реферат)

Замотринский В.А., Шангина Л.И. Устройства СВЧ и антенны. Часть 1: Устройства СВЧ (Документ)

Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (Документ)

Презентация - Устройство набивных свай (Реферат)

Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электромеханические устройства автоматики (Документ)

Реферат - Кран трубоукладчик (Реферат)

Повный А.В. Лекция Виды технического обслуживания устройств РЗА и ПА (Документ)

Лабораторная работа - Непрерывная цепь Маркова (Лабораторная работа)

Красник В.В. Правила устройства электроустановок в вопросах и ответах. Раздел 4. Распределительные устройства и подстанции (Документ)

n1.docx

Введение 2

Твердое топливо 2

Вихревые горелки 3

Прямоточные горелки 8

Газообразное топливо 11

Сжигание газообразного топлива с низкой теплотой сгорания 12

Сжигание газообразного топлива с высокой теплотой сгорания 13

Сжигание газа совместно с другими видами топлива 14

Газомазутные горелки 14

Список литературы 16

Введение

Горелка - это устройство для поддержания процесса горения жидкого, газообразного или пылеобразного топлива. Обеспечивают испарение (для жидкого топлива), смешивание с воздухом или другим окислителем, формирование факела и распределение пламени. Пылеугольные горелки служат для организованного ввода угольной пыли и воздуха в топку. С помощью горелок и рациональной компоновки их в значительной мере организуется топочный процесс: устойчивое зажигание факела, смесеобразование, интенсивное выгорание пыли и бесшлаковочная работа парогенератора.

Твердое топливо

Необходимая интенсивность горения топливной пыли достигается подготовкой горючей смеси (смесеобразованием) в горелочном устройстве (горелке). Полученная в процессе размола и сушки топливная пыль при температуре 70–130 0 С потоком первичного воздуха, доля которого составляет от 15 до 40 %, вдувается в топочную камеру через горелки; в горелки поступает также вторичный воздух при температуре 250–420 0 С .В горелках не происходит воспламенения топлива. Их задача состоит в том, чтобы подготовить два самостоятельных потока – пылевоздушную смесь и вторичный воздух – к воспламенению топлива и активному горению в топке. Следовательно, горелки выдают в топку два раздельных потока: пылевоздушную смесь и вторичный воздух. Образование горючей смеси завершается в топочной камере.

От работы и размещения горелок в топке зависит характер смесеобразования, что в сочетании с аэродинамикой топочной камеры определяют интенсивность воспламенения, скорость и полноту сгорания, а, следовательно, тепловую мощность и эффективность топки.

Для сжигания угольной пыли применяются два основных типа горелок: вихревые и прямоточные. Через вихревые горелки пылевоздушная смесь и вторичный воздух подаются в топку в виде закрученных струй, образующих в топочном объеме конусообразно расходящийся факел. Такие горелки выполняются круглыми в сечении. Прямоточные горелки подают в топку чаще всего параллельные струи аэропыли и вторичного воздуха. Перемешивание струй определяется главным образом взаимным расположением горелок на стенах топки и созданием необходимой аэродинамики струй в объеме топки. Эти горелки могут быть круглого или прямоугольного сечения.

Вихревые горелки

Виды вихревых горелок:

Двухулиточные горелки с улиточными закручивателями пылевоздушной смеси и вторичного воздуха (рис. 1.а);
Улиточно-лопаточные горелки с улиточным закручивателем пылевоздушной смеси и аксиальным лопаточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 1.б);
Прямоточно-улиточные горелки с прямоточным каналом для пылевоздушной смеси рассекателем на выходе из него и улиточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 1.в);
Двухлопаточные, в которых закручивание потоков вторичного воздуха и аэропыли обеспечивается аксимальным и тангенциальным лопаточным аппаратом (рис. 1.г).

Горелки этого типа имеют производительность от 1 до 3,8 кг у.т./с, что определяет их тепловую мощность от 25 до 100 МВт. . Основным показателем аэродинамической характеристики горелки с закручивающим аппаратом является параметр крутки n. Его значения для большинства промышленных горелок находятся в пределах 1,5–5, большие значения 3–5 относятся к закручиванию потока вторичного воздуха .

С увеличением степени крутки потока увеличивается угол раскрытия струи и расширяются её границы, увеличиваются размеры зоны рециркуляции газов к устью факела, что обеспечивает более быстрый погрев и воспламенение топлива. Горелки с повышенным параметром n используют при сжигании низкореакционных, трудно воспламеняющихся топлив.

Структура струй пылевоздушной смеси, вытекающих из амбразур вихревых горелок, в значительной мере зависит от типа и конструкции их закручивающих аппаратов. При закручивающем аппарате в виде спирали крутка потока зависит от параметра (отношение площади сечения входного патрубка закручивающего аппарата к квадрату диаметра выходного сечения), значение которого рекомендуется в пределах 0,4 – 0,6. Лопаточные аппараты выполняются с тангенциальными поворачивающимися или неподвижными лопатками на входе в канал вторичного воздуха или с осевыми лопатками на выходе из канала вторичного воздуха. Воздух входит в лопаточный аппарат с направлением, параллельным оси горелки. Лопатки образуют каналы, из которых воздух вытекает в виде струй, наклоненных к продольной оси горелки под некоторым углом.

В двухулиточных и улиточно-лопаточных вихревых горелках пылевоздушной смеси и вторичному воздуху сообщается закрученное движение с одинаковым направлением вращения. В прямоточно-улиточных горелках раскрытие факела достигается установкой рассекателя в выходном сечении канала первичного воздуха и закруткой потока вторичного воздуха.

Благодаря закрутке потоки пылевоздушной смеси и вторичного воздуха в топочной камере распространяются в виде двух концентрически расположенных усеченных полых конусов, причем внутри находится конус пылевоздушной смеси, имеющий несколько больший угол раскрытия для лучшего перемешивания с вторичным воздухом. Чтобы способствовать большему раскрытию факела, амбразуру вихревых горелок выполняют конической.

Улиточно-лопаточные горелки выполняются одно- и двухпоточными по вторичному воздуху. В них закрутка вторичного воздуха осуществляется осевыми лопаточными аппаратами, а пылевоздушной смеси – улиточными закручивателями.

В прямоточно-улиточной вихревой горелке пылевоздушная смесь подается прямоточно по центральной цилиндрической трубе. На выходе из неё пылевоздушный поток, омывая конический рассекатель, раскрывается. Вторичный воздух, поступающий через улиточный закручиватель, завихривает факел. Угол раскрытия рассекателя рекомендуется принимать в пределах 90–120 0 . Главное преимущество этих горелок – меньшее аэродинамическое сопротивление тракта первичного воздуха.

Для зажигания пылевоздушной смеси в горелку монтируется мазутная форсунка производительностью до 2т/ч. Тепловая мощность растопочных форсунок должна составлять меняя 30% мощности пылеугольной горелки. Для розжига мазутной форсунки горелки снабжаются дистанционными электрогазовыми запальниками.

Снижение производительности вихревых горелок однопоточных по вторичному воздуху допускается до 70% номинальной, а двухпоточных – 60%. При этом скорость в пылепроводах по условиям предотвращения сепарации пыли не должна быть ниже допустимых нормами расчета пылеприготовления.

Вихревые горелки, как обладающие высокой устойчивостью зажигания, рекомендуются преимущественно для сжигания пыли АШ, полуантрацитов и тощих углей в открытых и полуоткрытых топках с твердым и жидким шлакоудалением. Эти горелки могут быть использованы и для сжигания топлив с большим выходом летучих. Вихревые горелки рекомендуется располагать на парогенераторах производительностью до 70 кг/с встречно на боковых стенах, а на парогенераторах большей производительности – встречно на широких фронтовой и задней стенах в один, два и более ярусов.

Оптимальная скорость выхода пылевоздушной смеси из вихревой горелки составляет 14–16 м/с, в мощных горелках может быть увеличена до 20–22 м/с, оптимальная скорость вторичного воздуха – соответственно 18–21 м/с и 26–30 м/с .

Определяющим конструктивным параметром вихревых горелок является диаметр амбразуры D a . Горелки размещают на достаточном расстоянии друг от друга – , и от боковых стен – , чтобы исключить раннее взаимодействие факелов и наброс факела на стены. При однофронтальном расположении горелок в 1–2 яруса экран задней стены получает повышенное тепловосприятие (10–20% выше среднего), и для исключения шлакования стены при твердом шлакоудалении глубина топки должна быть не менее. Встречное двухфронтальное расположение горелок характерно для мощных паровых котлов, когда необходимое число горелок невозможно разместить на одной фронтовой стене .

При встречном расположении выравнивается теплонапряжение экранов топки, повышается уровень температур в центре топки.

Актуально использовать вихревые горелки на парогенераторах средней производительности. Основное достоинство вихревых горелок – создание во внутренней полости зоны рециркуляции, обеспечивающей устойчивое зажигание. С переходом к мощным и сверхмощным парогенератором роль горелок в организации топочного процесса уменьшается. В этих парогенераторах важное значение для организации топочного процесса имеет взаимодействие факелов, определяемое способом компоновки горелок.

Горелки на стенах топочной камеры располагаются таким образом, чтобы обеспечить наибольшую полноту сгорания топлива в ядре факела, создавать благоприятные условия для удаления шлаков их топки в заданном твердом или жидком виде и исключить возможность шлакования стен топочной камеры. На рис. 2 показаны наиболее характерные схемы расположения вихревых пылеугольных горелок. Схемы с фронтальными и двухфронтальными горелками (рис. 2 а, б) могут быть выполнены как в один, так и в два яруса. При однофронтальном расположении экран задней стены получает повышенное тепловосприятие (на 10–20% выше среднего). Встречное двухфронтальное расположение горелок характерно для мощных паровых котлов, когда, необходимое число горелок невозможно разместить на одной фронтовой стене даже в два яруса.

При встречном расположении выравнивается теплонапряжение экранов топки. В котлах относительно небольшой мощности размещают горелки встречно с боковых стен в один ярус (рис. 2 в). При этой схеме имеет место повышенная температура газов в средней части топки по её ширине.

Мощным излучением и проникновением горячих продуктов сгорания в амбразуры большого размера металлические насадки и рассекатель горелки сильно нагреваются и обгорают. В этих условиях ненадежно работают прямоточно-улиточные горелки. Для уменьшения обгорания и повышения надежности работы горелки амбразуры стали выполнять цилиндрическими. Но это связано с уменьшением раскрытия факела, т.е. противоречит основному принципу работы вихревых горелок. В завихренном потоке происходит расслоение воздуха и пыли. Пыль оттесняется к периферии цилиндрического канала и неравномерно распределяется в потоке первичной смеси на выходе из горелки. Неравномерно и распределение скоростей. Также вихревые горелки громоздки и сложны в изготовлении. Они обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением и подвержены большому износу пылевоздушным потоком.

Прямоточные горелки

Прямоточные горелки ввиду более низкой турбулизации потока, создают дальнобойные струи с малым углом расширения и вялым перемешиванием первичного и вторичного потоков. Поэтому успешное сжигание топлива достигается взаимодействием струй разных горелок в объеме топочной камеры. Для этого применяют встречное расположение горелок с двух противоположных стен топки или угловое с тангенциальным направлением струй в объеме топки (рис. 3).

Прямоточные горелки могут быть прямоугольной формы (плоские) или круглые (рис. 4). Горелки прямоугольной формы, особенно вытянутые по высоте, обладают высокой эжекцией окружающей газовой среды с боковых сторон струи. Поэтому такие горелки при внешней подаче аэропыли (рис. 4 а) имеют преимущества по условиям воспламенения. Круглые горелки обычно выполняют с отдельной подачей аэропыли и горячего воздуха (рис. 4 б). Встречный наклон двух блоков горелок, расположенных в одной плоскости по высоте, улучшает перемешивание и сгорание. Такие горелки получили название плоскофакельных. Горелки с внутренней подачей топлива и рассекателем (рис. 4 в) имеют лучшие условия перемешивания с воздухом, но прогрев топлива происходит медленнее, поэтому такая горелка более приемлема для качественного каменного угля с высоким выходом летучих веществ. При угловом расположении горелок и тангенциальном движении факела в сечении топки чаще всего применяют блоки щелевых горелок (рис. 4 г).

Рис. 4 Прямоточные пылеугольные горелки: а - прямоугольные с центральным каналом горячего возуха; б - плоскофакельная с круглыми соплами; в - прямоугольная с поворотной головкой и внутренней подачей аэропыли; г - щелевая блочная; В - подвод воздуха; Тл - подвод топливо-воздушной меси; М - подвод мазута; 1 - канал аэропыли; 2 - канал горячего воздуха; 3 - подсос топочных газов к струе аэропыли; 4 - поворотная головка; 5 - рассекатель; 6 - растопочный блок.
Скорость пылевоздушной смеси на выходе из горелок принимают w 1 = 20-28 м/с, а оптимальная скорость вторичного воздуха w 2 = (1,5-1,7) w 1 .

Горелки для высококонцентрированной пыли получают все более широкое применение. Подача пыли из бункера к горелке происходит в этом случае не первичным потоком воздуха, а с помощью небольшого количества (0,1 - 0,3% всего расхода) сжатого воздуха СВ, который обеспечивает достаточно хорошую текучесть аэропыли АП по пылепроводу малого диаметра - 60-90 мм. Распыл подаваемой в котел пыли обеспечивается непосредственно на входе в горелку при смешении пыли с первичным потоком воздуха.

На рис. 5 показаны характерные схемы размещения прямоточных горелок. Все представленные схемы нашли широкое применение при сжигании торфа, бурых и молодых каменных углей.

Сжигание торфа и бурых углей по схеме встречно-смещенных струй отличается высокой эффективностью за счет повышенной турбулизации факела в зоне основного горения. Это достигается созданием большого градиента скоростей между соседними струями, имеющими противоположные направления движения.

Схему с блочным соударением струй смежных горелок (рис. 5 б) применяют при сжигании каменных углей. Этим достигается высокая турбулизация ядра факела. Недостатком этой схемы является возможность шлакования фронтовой и задней стен топки при движении факела из центра топки в обе стороны к стенам.

Схема с угловыми горелками и тангенциальным направлением горелочных струй к условной окружности в центре топки диаметром 1–2,5 м (рис. 5 в) нашла широкое применение на многих типах паровых котлов. Её преимущества заключаются в равномерности тепловых потоков по всем стенам топки, малой вероятности шлакования стен, так как вдоль них движутся уже частично остывшие газы.

Газообразное топливо

Газообразное топливо сжигается в камерных топках. Если сжигаются только газы, камера может иметь очертания, показанные на рис. 6 а. При сжигании газа совместно с угольной пылью в нижней части топочной камеры предусматривается воронка для удаления твердых очаговых остатков, выпадающих из горящего факела (рис. 6 б).

Для сжигания газов применяется большое количество различных типов горелок, отличающихся как по принципу работы, так и по конструктивному оформлению.

По способу организации перемешивания компонентов горения:

без предварительного смешения;
с полным предварительным смешением;
с неполным предварительным смешением;
с частичным предварительным смешением.

Горелки без предварительного смешения и с частичным предварительным смешением, а также горелки с неполным предварительным смешением при сжигании газов, содержащих углеводороды, дают растянутый видимый светящийся факел. Более длинный факел характерен для горелок без предварительного смешения. Горелки, дающие при работе видимый факел, называются факельными. Горелки с полным предварительным смешением газа и окислителя, которые дают очень короткий невидимый факел, называются беспламенными.

По способу подачи воздуха:

с принудительной подачей воздуха от вентилятора(дутьевые горелки):

прямоточные;
вихревые;

с подачей воздуха путем эжектирования его газовой струей или за счет разрежения в топке.

По способу регулирования крутки потока:

с изменением сечения входного патрубка или живого сечения лопаточных завихрителей;
с изменением угла наклона лопаток
с перепуском части воздушного потока мимо завихрителей.

По давлению газа:

низкого давления (перепад давления в горелке до 500 Па);
среднего давления (до критического перепада давлений);
высокого давления (сверхкритического перепада давлений).

По скорости истечения продуктов сгорания из горелки:

с низкой скоростью (около 5 м/с);
со средней скоростью (около 20 м/с);
с высокой скоростью (около 100 м/с).

Сжигание газообразного топлива с низкой теплотой сгорания

К газообразному топливу с низкой теплотой сгорания, применяемому на промышленных предприятиях для сжигания в котлах, относится доменный газ – газ доменных печей, работающих на коксе с добавкой природного газа.

При сжигании доменного газа газ и воздух поступают в горелку в соизмеримых количествах. На практике при сжигании доменного газа нашли применение в основном факельные горелки (рис. 7).

Сжигание газообразного топлива с высокой теплотой сгорания

К газообразным топливам с высокой теплотой сгорания относится природный газ. В отдельных случаях используется газ коксовых печей.

Характерная особенность сжигания газов с высокой теплотой сгорания – необходимость смешения больших объемов окислителя с малым количеством газа.

Этапом, определяющим интенсивность горения, является период смешения газа и воздуха. Интенсификация процесса смешения обеспечивается в большинстве случаев подачей газа тонкими струйками с большой скоростью в массу воздуха, подаваемого со скорость. 15–40 м/с.

Интенсификация перемешивания газа с воздухом достигается также турбулизацией газовоздушного потока путем его закручивания, что требует некоторого повышения давления воздуха перед горелкой по сравнению с давлением при прямоточном потоке. Указанные способы интенсификации перемешивания газа и воздуха используются в горелках (рис. 8), применяемых для сжигания природного газа. В горелке на рис. 8 а газ поступает в центральную трубу и выходит в камеру смешения через ряд мелких отверстий. Воздух поступает по межтрубному пространству вращательно благодаря тангенциальному подводу к горелке, а также направляющим лопаткам. В другой горелке (рис. 8 б) газ из двух газоподводящих трубок выходит со скоростью 50 м/с через большое количество мелких отверстий, пересекая воздушный поток.

В зависимости от условий смесеобразования газа и воздуха при сжигании газообразного топлива можно получить в топочной камере продукты сгорания с различной степенью светимости. Улучшение процесса смешения приводит к интенсификации горения топлива, повышению эффективной температуры факела, при этом факел имеет малую светимость. Ухудшение смесеобразования замедляет горение и приводит к сажеобразованию, поэтому повышается светимость факела, но снижается его температура.

Сжигание газа совместно с другими видами топлива

Расположение на топке ряда автономных газовых и мазутных или пылеугольных горелок приводит к значительному усложнению топливных и воздушных коммуникаций и затрудняет эксплуатацию. Поэтому применяют комбинированные газомазутные или пылегазовые горелки. Такие горелки обычно разрабатываются на основе проверенной практикой газовой горелки, в которую встраивается мазутная форсунка. При разработке пылегазовой горелки за основу обычно берется пылеугольная горелка, в которую встраивается газораспределительное устройство. Совместное сжигание топлив приводит к увеличению потерь теплоты от химического и механического недожога, что связано со снижением концентрации окислителя в зоне горения топлива.

Газомазутные горелки

На рис. 9 показана комбинированная газомазутная горелка типа ГМГм. Такие горелки предназначены для раздельного сжигания жидких топлив и природного газа. В ряде случаев допускается использование горелок для совместного сжигания топлива. Давление мазута перед форсункой 2 МПа, давление пара на распыливание мазута – 0,2 МПа, давление газа – 3800 Па .

На рис. 10 показана горелка тепловой мощности. Она имеет два самостоятельных канала подвода воздуха, каждый из которых завихривается в тангенциальном лопаточном аппарате и поступает в периферийный и центральный каналы горелки. Кроме того, имеется еще прямоточная подача третичного воздуха в центральную трубу для охлаждения канала мазутной форсунки. Подача мазута осуществляется паромеханической форсункой типа ТКЗ-4М производительностью 1,28 кг/с (4,6 т/ч) при давлении мазута 4,5 МПа и пара 0,2 МПа. Распыл мазута производится в основном в потоке центрального воздуха. С его участием происходит воспламенение топлива. Природный газ в основном вводится в периферийный поток воздуха большим числом труб d=32 мм из кольцевого коллектора. Другая часть природного газа вводится через отверстия центрального коаксиального канала (расчетная скорость выхода газа из отверстий соответственно 134 и 177 м/с) .

Список литературы

Липов Ю. М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и парогенераторы. – Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2005. – 592 с.

Сидельковский Л. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 528 с.

Хзмалян Д. М., Каган Я. А. Теория горения и топочные устройства. Учеб.пособие для студентов высш.учеб.заведений. М.: «Энергия», 1976. – 488 с.

Резников М. И., Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электростанций – М.: Энергоиздат, 1981. – 238 с.