Види теплогенераторів

1. Конструкції топок

1.1 Шарові топки

У топках з шаровим спалюванням палива основними трудоємкими робочими процесами є: завантаження палива на решітку; прошуровування (просування, розрівнювання) шару палива; видалення шлаку.

Залежно від ступеня механізації цих процесів розрізняють топки з ручним обслуговуванням, топки з частковою механізацією і механічні шарові топки. Раніше у невеликих котельних установках, устаткованих котлами потужністю до 10 т пари на годину, застосовувались майже винятково шарові топки з ручним обслуговуванням. Останнім часом в цих установках широко застосовуються топки з частковою або комплексною механізацією трудомістких процесів.

Зараз розроблено і опробовано недороге і ефективне топкове обладнання, що дає можливість в невеликих установках полегшити працю обслуговуючого персоналу і досягти високого коефіцієнта корисної дії топки.

Шарова топка походить від найпростішого типу топки — нерухомої горизонтальної колосникової решітки з ручним обслуговуванням.

Широке застосування її в малих установках пояснюється простотою, надійністю і дешевизною, універсальністю щодо можливості спалювання різноманітних видів твердого палива, високою стійкістю процесу горіння.

Решітка складається з 4-х рядів нерухомих колосників, на яких лежить паливо. Колосники виготовляють або у вигляді чавунних плиток (плиткові), або у вигляді брусків (брускові, балочні). У зольник (піддувало) вентилятором нагнітається повітря, яке крізь отвори або щілини в колосниках і між ними, тобто крізь живий переріз решітки, надходить у шар палива. Зараз застосовують колосникові решітки з малим живим перерізом, що становить менш як 15% площі решітки. Над решіткою розміщений топковий простір, а над ним — променесприймальна поверхня нагріву. Свіже паливо вручну закидається на шар гарячого палива через завантажувальний (шурувальний) отвір. Завантажувальні дверцята 6 закріплюються на рамі, з'єднаній з каркасом котла. Шлак видаляється в зольник, для чого установлюється кілька перекидних (поворотних навколо горизонтальної осі) колосників.

Ручні горизонтальні топки мають багато недоліків: потребують застосування важкої фізичної праці для обслуговування; працюють періодично; мають невисокий к. к. д. топки; через обмежену довжину колосникових решіток утруднюється можливість їх застосування навіть під невеликими котлами; при одиничній видатності (понад 5 т пари на годину) обмежена питома потужність решітки; висока чутливість до фракційного складу палива (за розмірами кусків); низька видатність і економічність під час роботи на паливі з великим вмістом дріб'язку; працюють з підвищеним коефіцієнтом зайвини повітря в топці, що зумовлює значну втрату теплоти з відхідними газами.

Ці недоліки настільки істотні, що в наш час відмовляються від застосування у невеликих установках горизонтальних топок з ручним обслуговуванням і все ширше застосовують топки з частковою або повною механізацією трудомістких процесів паливоспалювання. Це полегшує працю обслуговуючого персоналу, основною функцією якого стає керування механізмами і контроль за їх роботою.

Топки із закидачами. Дуже поширеними топками з частковою механізацією подачі палива на решітку є топки із закидачами.

Вони бувають трьох типів: з механічним, з пневматичним і комбінованим пневмомеханічним закиданням.

Пневмомеханічний закидач складається з плунжерного живильника, ротора-закидача і повітряних сопел, розміщених під закидачем. Напрям обертання ротора (правий) такий, що вугілля в топку закидається лопатками в той час, коли вони знаходяться у верхньому положенні. Виробність по вугіллю регулюється числом ходів плунжера і величиною його ходу. Лопатки закидача прикріплені до барабана під кутом, що забезпечує віялоподібний закид.

Суміщення механічного (основного) і пневматичного (додаткового) закидання дає можливість добитись кращого, ніж при механічних або пневматичних закидах, розподілу вугілля по решітці.

У топці ПМЗ-ЦКТІ можна спалювати кам’яне вугілля і антрацити. Нормально топка працює на вугіллі, попередньо роздрібненому на куски, менші за 40 мм. При спалюванні рядового вугілля із значним вмістом дріб'язку топки працюють погано.

Шахтні топки. Для спалювання кускового торфу в невеликих котельних установках застосовуються шахтні топки з похилим дзеркалом горіння. Колосникова решітка шахтної топки складається з двох рядів похилих і двох рядів горизонтальних колосників. Торф завантажується з вагонетки великими порціями в паливний бункер, звідки надходить у шахту, розміщену над колосниковою решіткою. В міру вигоряння торфу і видалення (з нижнього горизонтального ряду колосників) вогнищевих залишків торф з шахти надходить на колосникову решітку і просувається вздовж похилих колосників під впливом сили тяжіння.

У шахтних топках, як і взагалі в топках з похилим дзеркалом горіння (похилих, східчастих), стадії горіння палива розділені по місцю: у верхній частині відбувається теплова підготовка, в середній-горіння коксу, а в нижній-допалювання. Обслуговування шахтних топок потребує менших фізичних зусиль персоналу порівняно з обслуговуванням ручних горизонтальних топок.

Топки з шурувальною планкою. Основним елементом топок цього типу є нерухома плоска колосникова решітка, вздовж якої пересувається паливо. Рух палива здійснюється за допомогою клиновидної планки, що періодично переміщується через певні проміжки часу, установленої поперек колосникового полотна. Швидкість ходу планки регулюється, при цьому задається програма чергування ходів певної довжини (коротких і довгих). Під час руху планки відбувається живлення шару свіжим паливом, підломлювання шлаку, прошуровування шару і видалення шлаку. Топки з шурувальною планкою можуть застосовуватися для спалювання кам’яного і бурого вугілля під котлами з невеликою видатністю — до 10−12 т пари на годину.

Топки з ланцюговими решітками. Найпоширенішими механічними шаровими топками є топки з ланцюговими решітками.

Ланцюгова решітка — це нескінченне колосникове полотно, що рухається разом з паливом, яке лежить на ньому Основою ходової частини ланцюгової решітки є два або декілька ланцюгів, що несуть на собі колосники. Залежно від способу кріплення колосників розрізняють бімсові і безбімсові, або безпровальні решітки.

Тепер у нашій країні серійно виробляють тільки решітки безпровального типу (БЛР — безпровальні ланцюгові решітки). Решітка БЛР порівняно з бімсовою значно легша і дешевша, надійніша і економічніша в експлуатації. Решітки потрібного розміру складаються із стандартних серійно виготовлених секцій.

У решітках БЛР колосники вміщені в обойми-колосникотримачі, прикріплені до ланцюгів. Нескінченні ланцюги натягнені на зірочці та шківі. Ведучим є передній вал. Натяг ланцюга регулюють переміщенням заднього вала.

Привід решітки здійснюється електродвигуном через редуктор, що дає можливість змінювати швидкість руху решітки від 4 до 20 м/год. Іноді з цією метою застосовують електродвигуни з кількома ступенями швидкості.

У передній частині решітки встановлено відсічний охолоджувальний шибер для регулювання товщини шару палива. В кінці ланцюгової решітки установлюється шлакознімач.

Конфігурація топкових камер в топках з ланцюговими решітками в основному подібна до топок, в яких спалюють різні види палива. Вона характеризується наявністю низько опущеного довгого заднього склепіння і відносно високо розміщеного короткого переднього склепіння. Так, для антрациту і кам’яного вугілля заднє склепіння, завдовжки близько половини довжини решітки, розміщається на висоті 0,9−1,0 м від решітки, а переднє - завдовжки близько чверті довжини решітки — на висоті 2−2,5 м.

Заднє склепіння спрямовує потік гарячих газів у зону надходження свіжого палива, що сприяє його займанню. Переднє склепіння добре прогрівається топковими газами, не закриває від випромінюючих твердих частинок і газів зону попередньої підготовки палива і сприяє стабілізації високої температури в передній частині решітки. Звуження топкової камери, утворене переднім і заднім склепіннями, і рух під заднім склепінням газового потоку у напрямку до фронту топки сприяють перемішуванню топкових газів, горінню винесених із шару твердих частинок і горючих газів і утворенню зони високих температур. Цьому сприяє і гостре дуття, що подається з сопел, установлених на одному із склепінь.

При нормальній роботі топки ланцюгова решітка рухається безперервно. Режим роботи топки регулюють зміною товщини шару вугілля на решітці за допомогою шибера — регулятора шару, зміною швидкості переміщення решітки і відповідним режимом тяги і дуття. Регулювання повітряного режиму топки полягає в підтримуванні потрібного тиску повітря під різними дільницями решітки (4−5 зон по довжині решітки). Шлакознімач у кінці решітки дає можливість підтримувати на решітці певний шар шлаку і робити випал пального із шлаку, підтримуючи допустиму величину видимої теплонапруги дзеркала горіння.

Діапазон видатності котлоагрегатів, під якими можуть установлюватись ланцюгові решітки, досить широкий. Наші заводи випускають ланцюгові решітки, починаючи з розмірів 1260 мм х 5500 мм до розмірів 4590 мм х 7900 мм. У разі потреби під котлоагрегатом установлюють дві решітки.

Ланцюгові решітки дають змогу механізувати подачу вугілля в топку і видаляння шлаків, але не забезпечують прошуровування і розрівнювання шару палива. Цей основний їх недолік пояснюється тим, що паливо, яке надходить на решітку, повільно рухається разом з решіткою і не має ніяких відносних переміщень.

Найефективніше топки з ланцюговою решіткою працюють на малоспікливому і спісненому сортованому вугіллі з розмірами фракцій від 6 до 25 мм. У цьому разі к. к. д. топки високий (91−94%). Спалювання дужеспікливого вугілля супроводжується зростанням втрати від механічної неповноти згоряння q₄ до 8−10%. При значному вмісті в паливі дріб'язку, особливо при спалюванні рядових антрацитів, втрата q₄ може досягти 15−20%.

З цієї ж самої причини (непрошуровування шару) топки з ланцюговою решіткою працюють з погіршеними показниками при спалюванні висок озольного палива. В них можна задовільно спалювати паливо із зольністю на суху масу А⁰ до 15−20%. Звичайні топки з ланцюговою решіткою без спеціального додаткового обладнання непридатні також для спалювання високовологого палива.

Топка з ланцюговою решіткою і з пневмозакидачем — двоступінчаста топка ВТІ-Комега (С.А. Тагера). У неї застосовується пневмозакидання палива і сортування його по довжині решітки і висоті шару, двоступеневе спалювання, при якому паливо спочатку спалюється у своєму шарі, а потім допалюється в топковому об'ємі виділеного шару горючого газу і відвіяного пилу, а в разі потреби забезпечення нижнього запалювання за допомогою застосування установленої під решіткою в передній частині топки поперечної балки або труби (вогневої балки). Внаслідок цих особливостей істотно підвищується (приблизно в 1,5 раза) питома потужність ланцюгової решітки при роботі на рядовому кам’яному і бурому вугіллі.

Шахтно-ланцюгова топка. Для спалювання у котлоагрегатах видатністю понад 10 т/год такого вологого палива, як кусковий торф доцільно застосовувати шахтно-ланцюгові топки (Т.Ф. Макар'єва). Шахтно-ланцюгова топка характеризується наявністю передтопки із східцями, на яких затримується частина палива, що надходить з шахти. Через фронтальну стінку шахти підводиться гаряче повітря, внаслідок чого на східцях утворюються вогнища горіння. Продукти згоряння пронизують основну масу торфу і підсушують його до надходження на решітку.

У шахтно-ланцюговій топці кусковий торф можна спалювати з присадкою на шар фрезерного торфу, застосувавши для цього спеціальне ежекційне обладнання для фрезерного торфу.

Шахтно-ланцюгові топки при нормальній вологості торфу W^р = 45−50% працюють добре. Для поліпшення роботи топки на торфі з високою вологістю потрібно застосовувати додаткові обладнання (наприклад, розміщеної під східцями «вогневої» балки).

Перештовхувальні решітки і топки з нижнім подаванням палива. Перештовхувальні решітки не набули у нас поширення, а великі топки з нижнім подаванням палива не застосовуються взагалі. Тому можна обмежитися лише короткою характеристикою цих конструкцій.

Існує три групи перештовхувальних решіток: похило-перештовхувальні, каскадні і зворотно-перештовхувальні. Колосникове полотно похило-перештовхувальних решіток складається з рухомих і нерухомих колосників, які чергуються між собою по довжині; в кінці решітки установлюються великі шлакові колосники. Рухомі колосники рухаються зворотно-поступально і переміщають та прошуровують шар палива. Хід колосників невеликий — до 100 мм. У топках цього типу можна спалювати паливо з підвищеною зольністю до А^с = 3035%.

Каскадні і зворотно-перештовхувальні топки відрізняються великим ходом колосників — до 400 мм і, внаслідок цього, інтенсивним прошуровуванням шару, що дає можливість спалювати в таких топках дуже зольне паливо із зольністю А^с = 50% при високій теплонапрузі дзеркала горіння. Проте механізація в цих топках коштує надто дорого — ускладнюється конструкція, колосники виготовляють з хромистого чавуну, підвищуються витрати на ремонт і т. п.

Великі топки з нижнім подаванням палива складаються з похилих реторт з прорізами, в яких переміщаються плунжери, що подають свіже паливо під шар того, що горить. Ці топки мають дуже досконале паливоспалювальне обладнання, але в них можна ефективно спалювати лише обмежений асортимент вугілля, яке відповідає цілому ряду вимог щодо зольності, вологості, виходу летких речовин, здатності до спікання.

1.2 Камерні (факельні) топки

Найпоширенішими є камерні (факельні) топки. Вони широко застосовуються в енергетичних котлоагрегатах великої і середньої потужності для спалювання різних видів палива.

Пилоприготування. Тверде паливо перед спалюванням у камерній топці здрібнюється на тонкий пил. Тонкість помелу палива характеризується залишком R% (у процентах від початкової наважки) на ситах певного розміру. Найчастіше для визначення тонкості помелу застосовують сито № 70, з отвором 88 мк. Для кожного виду палива визначається тонкість помелу, яка відповідає мінімумові експлуатаційних витрат. При цьому враховується, з одного боку, економія палива, яку дає тонкий помел, з іншого боку — витрати енергії на розмелювання. Основною характеристикою палива, що визначає оптимальну тонкість помелу, є вихід летких речовин. Чим він менший, тим тонший повинен бути помел. Так, при спалюванні антрациту тонкість помелу характеризується залишком на ситі № 70 R₈₈ = 78%, при спалюванні ж палива з великим виходом летких речовин можна допускати залишок R₈₈, що дорівнює 50% і більше.

У котельних установках, обладнаних пиловугільними топками, передбачається певна система пилоприготування.

Найбільш поширена тепер індивідуальна система пилоприготування, в якій кожний котельний агрегат обслуговується окремим пилоприготувальним обладнанням. З бункера через ваги попередньо подрібнене паливо надходить у витратний бункер, з якого воно живильником подасться у млин, куди надходить також гаряче повітря з короба. У млині паливо одночасно сушать і розмелюють. Пил з повітрям з млина виноситься до сепаратора, де відділяються крупні частинки пилу, які повертаються до млина. Пил потрібної тонкості надходить із сепаратора в циклон, де основна його частина відділяється від повітря. З циклона пил надходить у пиловий бункер, звідки він видається живильником і подається разом з повітрям, яке нагнітається вентилятором, у пальник. До пальника підводиться також вторинне повітря з короба гарячого повітря. З пальника аеропил (суміш пилу і первинного повітря) і вторинне повітря надходять у камерну топку.

В описаній схемі пилоприготування передбачається установка кульового барабанного млина. У покритий бронею барабан млина завантажуються стальні кулі, які при повільному обертанні барабана перекочуються і розмелюють паливо.

Застосовуються також індивідуальні схеми пилоприготування без проміжного пилового бункера, а для легко розмелюваних палив з високим V^г — спрощені схеми пилоприготування (без сепараторів і циклонів) з швидкохідними млинами. Паливо в них розмелюється під дією бил, підвішених за допомогою билотримачів до вала. Для спалювання високовологих палив у великих установках застосовують розімкнену схему підсушування палива з викиданням спрацьованого сушильного агента і водяної пари в атмосферу.

На теплових електростанціях великої потужності доцільно застосовувати центральну систему пилоприготування — спорудження пилозаводів, де всі операції по підготовці палива — грохотіння, дробіння, сушіння і розмелювання-здійснюються централізовано.

Топки для пиловидного палива. Час перебування частинок твердого палива в камерних (факельних) топках дуже обмежений (1−2 сек.). Щоб повністю спалити їх у такий короткий проміжок часу, треба здрібнювати паливо до пиловидного стану. Внаслідок розмелювання досягається також багаторазове збільшення вільної поверхні палива (поверхні реагування), вираженої в м²/кг, що сприяє організації і перебігу процесів горіння.

В установках для спалювання твердого палива в пиловидному стані застосовують різні типи пальників і різноманітні форми топкової камери.

Пилові пальники можна поділити на два основні типи: круглі і щілинні. Типовим представником групи круглих пальників, широко вживаних у наших енергетичних котельних установках, є двозавитковий пальник ТКЗ-ЦКТІ. Суміш пилу й первинного повітря підводиться тангенціальне у завиток, закручений потік аеропилу рухається в кільцевому просторі і виходить у топку. Потік вторинного повітря, підведеного у другий завиток, закручується в ньому у тому самому напрямку і виходить у топку, вбираючи потік аеропилу.

У круглому пальнику ОРГРЕС закручується потік тільки вторинного повітря, а аеросуміш рухається по осі центральної труби і погім роздається в боки, зустрічаючи на своєму шляху розсікач, установлений у кінці труб В обох пальниках потік виходить у топку у вигляді порожнистого конуса. Цей потік і газ, що заповнюють топку, перемішуються, гарячі топкові гази підсмоктуються до кореня факела, що забезпечує інтенсивне прогрівання пилу і його займання.

Круглі пальники розміщаються або на фронтальній стінці топки в один або два ряди, або на двох протилежних бічних стінках топки. Їх застосовують при сухому шлаковидалянні для будь-якого палива. Недоліком великих круглих пальників (для спалювання в одному пальнику 5−10 m палива на годину) є трудність у побудові великих амбразур внаслідок складної розводки екранних труб довкола пальників.

У щілинних пальниках аеропил і вторинне повітря подаються по вузьких витягнених щілинах. Розводка екранних труб при цьому спрощується.

Пальники можна розміщати на фронтальній і бічних стінах топки, але найчастіше їх розміщають по кутках топки. Осі кутових пальників звичайно спрямовані дотично до уявлюваного кола в центрі топки.

Дуже важливим енергетичним паливом є антрацит. Стійкий і економічний процес спалювання в камерних топках антрациту відбувається, головним чином, внаслідок високої температури його займання-порядку 900° С.

Для інтенсивної теплової підготовки і займання антрацитового пилу для спалювання АШ застосовують топку з утепленою воронкою, екрани якої закриті вогнетривкою масою, і пальник нижнього ряду розміщають поблизу воронки.

У таких топках утворюється рідкий шлак з 20% золи палива (залежно від ступеня навантаження котла). Їх можна вважати проміжними між топками з сухим і рідким шлаковидалянням.

Однокамерні топки з сухим шлаковидалянням характеризуються несприятливою структурою золового балансу. З топки з продуктами горіння виноситься у вигляді леткої золи в середньому 85% золи палива. Це призводить до золового зносу і заносу поверхонь нагрівання, обмежує швидкість газів у конвективних елементах, що зумовлює зниження коефіцієнта теплопередачі в них, викликає потребу у громіздкому золовлов-лювальному обладнанні.

Зольний баланс топок з рідким шлаковидалянням кращий. У них, залежно від конструкції топки і властивостей палива і його золи, вдається дістати 30−60% шлаку в рідкому стані. Для цього в топці створюють зону високих температур, закриваючи екрани в нижній частині топки торкретом і зменшуючи цим їх теплосприймання. Рідкий шлак стікає із стін і випадає з газового потоку на горизонтальний або трохи нахилений під топки і видаляється через центральну льотку.

Топки з рідким шлаковидалянням можуть бути однокамерні двокамерні. Двокамерні топки стійкіші від однокамерних щодо одержання і видаляння шлаку в рідкому вигляді при різному навантаженні котельного агрегату і забезпечують більший у процентному відношенні вихід рідкого шлаку.

У двокамерних топках часто виділяють зону горіння і плавлення шлаку і зону охолодження продуктів згоряння.

У топці виразно виділена камера горіння. В кінці її установлено пучок труб-решітка для додаткового шлаковидаляння. Екрани камери горіння і решітка зроблені з обшипованих труб, покритих теркретом.

У топці з перетиском, нижня частина — камера горіння, верхня — камера охолодження. У багатьох потужних котлоагрегатів установлюють топки цього типу.

Топки із спрощеним пилоприготуванням. Для спалювання палива з великим виходом летких речовин доцільно застосовувати топки із спрощеним пилоприготуванням. Вони значно компактніші і дешевші від звичайних систем пилоприготування і споживають меншу кількість електроенергії на розмелювання палива і пневматичне транспортування пилу. З топок цього типу у нас дуже поширені топки з шахтними млинами (шахтно-млинові).

Поблизу топкової камери встановлена вертикальна шахта, під якою розміщений швидкохідний млин ударної дії. У млин по про-тічці надходить паливо, а по повітропроводам з двох боків аксіальне підводиться сушильний агент — гаряче повітря або газоповітряна суміш. Сушильний агент може підводитись у млин і тангенціальне. У млині паливо сушиться і розмелюється. У шахті під час руху в ній знизу вгору суміші пилу й газу пил сепарується: крупні частки падають униз і повертаються в млин, а дрібні частки виносяться газовим потоком з шахти і крізь амбразуру 5 надходять у топкову камеру, де займаються і горять. Через шліци 6 підводиться вторинне повітря.

Щоб у топку виносився лише достатньо дрібний пил, швидкість газів у шахті має бути невеликою (2−3 м/сек). Швидкість газів в амбразурі 4−6 м/сек.

Топки з шахтними млинами застосовуються для спалювання різних видів твердого палива: фрезерного торфу, бурого вугілля, сланців і кам’яного вугілля з V^г>30%. Так само широкий діапазон їх застосування щодо видатності котлоагрегатів — від кількох тонн до кількох сотень тонн пари на годину.

Млини установлюють як з фронтальної сторони, так і з бічної сторони і по кутках топки. В енергетичних агрегатах середньої і великої потужності для поліпшення аеродинаміки топок і підвищення їх к.к.д. застосовують ежекційні амбразури.

Для спалювання в промислових котельних установках дуже низькоякісного (високовологого і зольного) палива доцільно застосовувати топку, яка є поєднанням шахтно-млинової топки з постійно діючим камерним муфелем, установленим між шахтою і фронтовою стінкою топки. Принцип дії муфеля полягає у відгалуженні за допомогою регулювальної заслінки частини потоку аеропилу для направлення його в муфель, гальмуванні цієї частини потоку в муфелі і спалюванні (а також газифікації) в завислому стані частини пилу в топковому просторі муфеля, захищеному склепінням від охолодної дії потоку вологого пилу. Повітря підводиться знизу через повітророзподільну решітку.

Продукти горіння і газифікації надходять потім через газове вікно в нижню частину топкової амбразури і забезпечують інтенсивну теплову підготовку основного потоку, його прискорене запалювання і стійке горіння факела в топковій камері.

Досвід промислової експлуатації показав, що це топкове обладнання надійне й ефективне і придатне для спалювання в ньому такого низькосортного палива, як землисте буре вугілля з дуже низькою теплотою згоряння =56 505 860 кДж/кг.

Топки для рідкого і газоподібного палива. Як уже зазначалося раніше, з рідких палив у котельних установках використовується тільки мазут. Мазут і повітря надходять у топку через пальники, що складаються з форсунок і повітряних регістрів. Для ефективного спалювання рідкого палива його тонко розпилюють і добре перемішують з повітрям. Форсунки для розпилу мазуту розміщають у центрі пальників. Повітряні регістри призначені для подачі в амбразуру пальника закрученого потоку повітря і змішування його з дрібнорозпиленим мазутом.

За принципом дії форсунки поділяють на механічні й парові (повітряні), за конструктивним оформленням — на круглі і плоскі (щілинні). У механічних форсунках мазут подається до форсунок під тиском 10−30 бар, струмина мазуту набуває обертального руху, з великою швидкістю надходить у топку і розпадається за рахунок кінетичної енергії потоку пари (повітря).

У круглих парових форсунках пара і мазут рухаються в співвісно розміщених круглому і кільцевому каналах. У форсунках Шухова пара надходить по зовнішній кільцевій щілині, а мазут — по внутрішній трубі. В щілинних форсунках пара витікає з нижньої щілини, а мазут — з верхньої.

З підвищенням тиску пари зростає видатність форсунок і поліпшується якість розпилювання. Парові форсунки прості за конструкцією, але неекономічні, бо потребують багато пари: 0,3 — 0,5 кг на 1 кг мазуту. До їх недоліків, крім того, відносяться:

а) збільшення втрат тепла з відпрацьованими газами внаслідок збільшення об'єму продуктів згоряння; б) безповоротна втрата пари (і, відповідно, конденсата); в) шум, під час їх роботи.

Тому в установках великої і середньої потужності застосовують форсунки з механічним розпилюванням мазуту.

Топкові мазути звичайно мають високу в’язкість і в тій чи іншій мірі забруднені механічними домішками. Щоб мазут став текучим і його можна було транспортувати по трубопроводах, а також для кращого розпилювання в форсунках, його перед надходженням до форсунок підігрівають. При застосуванні механічних форсунок мазут треба також старанно фільтрувати, щоб не забруднювалися канали шайб, які мають малі прохідні перерізи.

Топкові камери для спалювання мазуту за своєю формою і конструкцією взагалі аналогічні з камерами для пиловидного палива, за винятком нижньої частини, яка має вигляд не шлакової воронки, а плоского поду. Пальники розміщають звичайно на фронтальній або бічних стінках топки.

При спалюванні високосірчастих мазутів, а також мазутів з великим вмістом ванадію і натрію виникає серйозне ускладнення в експлуатації.

Щоб зменшити сірчасту корозію і запобігти відкладенню золи з великим вмістом натрію, в топку або газоходи вводять домішку доломіту у вигляді дрібного порошку.

В енергетичних установках використовують природний газ, доменний газ і газ підземної газифікації. Спалюванню газу передують стадії сумішоутворення і підігрівання. Залежно від того, де змішують газ з повітрям, газові пальники поділяються на три типи: з попереднім змішуванням, дифузійні і проміжного типу. У пальниках з попереднім змішуванням газ і повітря змішуються перед пальником, і в пальник подається горюча суміш з невеликим коефіцієнтом зайвини повітря. У дифузійних пальниках газ і повітря подаються в топку роздільно, змішуються в топці способом турбулентної дифузії. В пальниках проміжного типу газ і повітря в значній мірі змішуються в самому пальнику і додатково перемішуються внаслідок дифузії в топковому просторі. Чим повніше перемішування в самому пальнику, тим кращі показники його роботи. При наявності газу високого тиску в невеликих установках можуть застосовуватись інжекційні пальники, в яких повітря інжектується струминою газу. Звичайно ж застосовують двопровідну систему з вентиляторним повітряним дуттям.

До пальників з попереднім змішуванням належать пальники з форкамерами, тунельні пальники, пальники з каналами й насадками з пористої вогнетривкої маси.

Такі пальники бувають безфакельними (безполум'яними, ко-роткополум'яними), бо переважна частина газу згоряє в форкамерах, тунелях або насадках, від чого на виході з пальника утворюється дуже короткий і малосвітний факел або (в пальниках з насадками) з пальника виходять прозорі продукти згоряння.

Застосування пальників з попереднім змішуванням дає можливість зменшити об'єм топкової камери, що важливо для невеликих установок.

У великих установках об'єм топки визначається, як правило, умовами охолодження. В той самий час пальники цього типу мають значні габарити, вони більш громіздкі, ніж пальники інших типів. Це стосується також і пальників, побудованих на застосуванні мікрофакельного горіння природного газу, в яких горюча суміш пропускається з малою швидкістю крізь численні отвори малого діаметра. Пальники з попереднім змішуванням застосовуються при спалюванні низькокалорійних газів у невеликих установках.

У топках енергетичних котлоагрегатів середньої і великої потужності застосовують або пальники проміжного типу, або дифузійні пальники. Загальний принцип їх роботи полягає в поділові газу на невеликі струмини і наступному змішуванні його з повітрям частково в пальнику, частково в топковій камері.

Струмини газу пронизують закручений повітряний потік, і газоповітряна суміш крізь амбразуру надходить у топку.

Топкові камери для спалювання газу і розміщення газових пальників аналогічні топкам при спалюванні рідкого палива. Суто мазутні і суто газові топки у великих установках трапляються рідше, ніж комбіновані топки для спалювання мазуту і вугільного пилу або газо-мазутні топки. У таких установках застосовують пальники, що дають можливість спалювати той чи інший вид палива. Наприклад, показаний на рис. 1−18. пальник призначений для спалювання рідкого і газоподібного палива.

1.3 Вихрові (циклонні) топки

Прямотоковий факельний метод спалювання не позбавлений і недоліків, зумовлених насамперед незадовільною аеродинамікою топкових камер (зокрема дуже малими швидкостями обмивання пилинок газовим потоком, особливо в заключній стадії горіння), а саме: громіздкість топкових камер через погане використання об'єму і необхідність глибоко охолоджувати гази в топці для попередження шлакування; висока концентрація золового пилу в потоці продуктів згоряння; золовий знос і занос конвективних елементів або знижені швидкості газів у них для попередження золового зносу; громіздке пилоприготувальне і золовловлююче обладнання. Ці недоліки в найбільшій мірі виявляються при спалюванні твердого палива.

Застосування вихрового (циклонного) принципу спалювання стало новим етапом у розвитку топкової техніки. Вихрові топки, як і факельні, можуть працювати з сухим і рідким шлаковидалянням. Найкращим типом вихрових топок для великих енергетичних котлоагрегатів є циклонні топки з рідким шлаковидалянням.

Першою топкою вихрового типу була пневматична (циркуляційно-вихрова) топка О. О. Шершньова для спалювання фрезерного торфу. Роботи по створенню цієї конструкції були початі наприкінці 20-х років нашого століття.

Нижня частина топкової камери має вигляд ежекторної воронки з двома вертикальними і двома похилими стінками-Основна кількість повітря (близько 85%) надходить в ежекторну воронку крізь горизонтальні сопла і створює в топці вихор з горизонтальною віссю обертання.

Дроблений торф подається в топку живильником тонким опаром по всій ширині топки, разом з торфом крізь щілинний пальник подається близько 15% повітря. Найдрібніші частки проходять стадію теплової підготовки, займаються і горять на льоту, крупніші частки, що падають униз, підхоплюються зустрічним газоповітряним потоком, піднімаються вгору і втягуються у вихровий рух. Повітряна струмина, що надходить із сопел, ежектує гарячі гази з топкового простору. В циркуляційному вихорі сушаться, здрібнюються, займаються і горять частки торфу.

Пневматична топка О. О. Шершньова надійна, гнучка і економічна. Крім фрезерного торфу, в ній можна також спалювати тирсу і лузгу.

Циклонні топки складаються з циклонних камер (передтопок) і камер охолодження, в нижній частині яких завершується процес горіння.

Найпоширеніші топки з горизонтальною або мало похиленою до горизонту циклонною камерою.

До цього типу топок належить циклонна топка Барнаульського котельного заводу-ЦКТІ (інж. О.Н. Ковригіна). Топка складається з трьох камер: циклонної, допалювальної і камери охолодження.

Краплі рідкого шлаку, що виносяться газовим потоком, який виходить з горловини циклонної камери, натрапляють на своєму шляху на вертикальну стінку з торкрету, нанесеного на екранні труби, осаджуються на ній і стікають униз. У другій камері гази тричі змінюють напрям руху на 90°. Між другою І третьою камерою розміщений шлаковловлювальний пучок екранних труб. Це забезпечує високий ступінь уловлювання шлаку в рідкому стані і високу повноту горіння пилу грубого помелу і навіть дробленки.

Топки з горизонтальними циклонами характеризуються коефіцієнтом шлаковловлювання Ю=90ч95%, тепловим навантаженням циклонної камери =(16,7ч25)· 10³ кДж/(м³· год), відношенням довжини циклона до його діаметра = 1,0ч1,3, швидкістю повітря щ= =120ч180 м/сек, що підводиться.

Вона характеризується великим відношенням висоти передтопки до його діаметра =4ч6, середнім тепловим навантаженням циклонної камери =(4,18ч6,3)Ч10кДж/(м· год),високим коефіцієнтом шлаковидалення Ю=75ч85% і швидкістю повітря щ=40ч70 м/сек.

Застосовують також топки з вертикальними циклонами, розміщеними над камерою охолодження. Основні показники їх такі:

=1; =(4,18ч5)· 10 кдж/м· год; Ю=75ч80%; щ=20ч30 м/сек.

Циклонні топки з рідким шлаковидалянням можна застосовувати для багатьох видів палива. Їх застосування обмежується через: а) несприятливі характеристики золи твердого палива (тугоплавкість, висока зольність), що утруднюють надійність добування і видалення шлаку в рідкому стані, особливо при неповному навантаженні агрегату, і б) високу зведену зольність палива Аз < 4%, що спричинює значну витрату теплоти з фізичною теплотою шлаку.

Застосування циклонного принципу спалювання дає можливість створити високовидатне й ефективне топкове обладнання для спалювання твердого палива у потужних установках, досягти високої інтенсифікації топкового процесу і максимального ступеня уловлювання в топці шлаку в рідкому стані. Останнім часом намітилась тенденція застосовувати циклонні передтопки також для спалювання рідкого палива.

Топки циклонного типу набули в нас поки що обмеженого застосування, але вони дуже перспективні.

2. Конструкції парових котлів і котельних агрегатів

2.1 Загальні відомості

Паровий котел — це елемент котельного агрегату, в якому вода перетворюється в насичену пару. На початковому етапі розвитку котельних конструкцій теплова схема котельних агрегатів була дуже примітивна, бо в котельних установках не застосовували перегрівники, водяні економайзери і повітропідігрівники. Агрегат складався з топки й котла, який виробляв насичену пару у наш час термін «паровий котел» застосовують як у власному (вузькому) розумінні, так і в широкому розумінні слова «котельний агрегат» і «парогенератор».

Сучасні котлоагрегати досить складні і різноманітні. Їх можна класифікувати за такими ознаками: а) виробність — агрегати малі (D<20 т/год), середні (D=2075 т/год), потужні (D100 т/год), б) тиск — агрегати низького тиску (р < 30 бар), середнього (р = 3070 бар), високого (р>150 бар), надвисокого (р=150 190 бар), надкритичного тиску (р>225 бар); в) конструктивне оформлення — котли барабанні (батарейні), жаротрубні, з димогарними трубами, комбіновані, водотрубні, спеціальних типів; г) розміщення поверхні нагріву — горизонтальне і вертикальне; д) число газоходів — одно-, дво-, триі багатоходові; е) принцип дії — прямий і непрямий; є) призначення — енергетичні, промислові, транспортні, опалювальні; ж) циркуляція води — з природною циркуляцією, прямотокові, з багатократною примусовою циркуляцією.

Класифікація за видатністю і тиском в деякій частині орієнтовна і умовна. Ряд допоміжних класифікаційних ознак носить інший характер. Досить загальною класифікаційною ознакою є спосіб здійснення циркуляції. Тому розгляд котельних конструкцій зручно вести, користуючись ним.

2.2 Котли з природною циркуляцією

У котлах цього типу під час роботи внаслідок утворення пари, зривання парових бульбашок і їх скупчення відбувається рух води, який називається природною циркуляцією. В сучасних водотрубних котлах шлях води чітко виражений. У котлах старого типу рух неупорядкований, хаотичний, і тому ці котли іноді називають безциркуляційними.

Котли з природною циркуляцією більш поширені. Історію їх розвитку можна розбити на два періоди: початковий-від найпростішого котла до водотрубного і дальший — від водотрубного котла так званого заводського типу до сучасного потужного енергетичного котельного агрегату.

Перші парові котли мали вигляд горизонтального циліндричного барабана, заповненого до певного рівня водою, який обігрівався зовні. Такі котли були дуже металомісткими і маловидатними. Необхідність зменшити витрату металу на 1 м² поверхні нагріву i на 1 т вироблюваної пари на годину, а також збільшити одиничну видатність котла зумовила пошуки більш досконалих конструкцій.

Розвиток конструкцій парових котлів у початковий період ішов у двох напрямках: а) розміщення у водяному просторі барабана внутрішніх поверхонь нагріву і б) приєднання до барабана додаткових зовнішніх поверхонь нагріву.

За першим варіантом внутрішні поверхні нагріву мали вигляд одної або двох труб великого діаметра (700 1100 мм) — жарових труб. Котли цього типу, що дістали назву жаротрубних (однотрубні-корнвалійські, двотрубні-ланка-ширські), широко застосовувались у промислових установках; трапляються вони і тепер у малих котельних установках.

За другим варіантом внутрішні поверхні виконувались у вигляді багатьох труб малого діаметра (60−100 мм) — димогарних труб, що обмиваються зсередини димовими газами, а зовні - водою. Такі котли мають назву котлів з димогарними трубами. У чистому вигляді вони не знайшли помітного поширення, але стали основним елементом комбінованих котлів, у тому числі локомобільних, суднових, паровозних. Іноді їх застосовують як утилізаційні котли малої потужності для використання теплоти відпрацьованих газів промислових печей.

Більш плодотворним виявився другий шлях розвитку — приєднання до барабана зовнішніх поверхонь нагріву, що привів до створення сучасних котлоагрегатів.

Першим етапом цього шляху було приєднання до основного барабана одного або двох барабанів досить великого діаметра (кілька сот міліметрів). Котли цього типу, що дістали назву барабанних (батарейних), давно втратили своє значення.

Другим етапом розвитку зовнішніх поверхонь нагріву було приєднання до основного барабана багатьох труб малого діаметра (70−100 мм) — кип’ятильних труб, що обмиваються всередині водою, а зовні - димовими газами. Котли з кип’ятильними трубами дістали назву водотрубних.

У перших конструкціях водотрубних котлів до барабана приєднувались проміжні елементи — камери, а до них — кип’ятильні труби (водотрубні котли заводського типу). Цей тип котлів можна вважати кінцевим підсумком першого періоду розвитку котельних конструкцій і разом з тим вихідним типом наступного періоду розвитку конструкцій сучасних котельних агрегатів з природною циркуляцією.

Загальним результатом розвитку котлів у перший період було істотне поліпшення техніко-економічних показників порівняно з вихідним — простим циліндричним котлом: вага металу, а також площі і об'єму, віднесених до 1 м² поверхні нагріву. При цьому найкращі показники мали водотрубні котли. В той же час розвиток котельних конструкцій характеризувався зростанням відношення — поверхні нагріву до водяного об'єму — i зменшенням ролі барабана як поверхні нагріву. В сучасних агрегатах барабан взагалі не є поверхнею нагріву.

Водотрубні котли можна поділити на дві групи: горизонтально-водотрубні (при невеликому куті нахилу кип’ятильних труб до горизонту) і вертикально-водотрубні (при куті нахилу труб понад 45°).

Горизонтально-водотрубні котли в свою чергу залежно від конструкції проміжних елементів між барабанами і кип’ятильними трубами поділяються на камерні і секційні.

У свій час існувало багато варіантів камерних котлів, камери яких мали вигляд плоских коробок значної ширини і висоти, але малої глибини. Укріплені анкерними в’язями камери приклепували до барабанів. Прямі кип’ятильні труби приєднувались до камер розвальцьовкою.

У нашій країні в свій час набули поширення камерні котли системи Лукіна, заводу Фіцнер і Гампер, а також котли системи Шухова, камери яких мали вигляд коротких циліндрів (головок, колекторів) із загальним люком. Це була оригінальна і для свого часу вдала і дешева конструкція, в якій стандартизувалися основні елементи.

Пізніше (в середині 30-х років) котли Шухова реконструювали і почали випускати котли Шухова-Берліна, які мали кращі показники щодо ваги і вартості, ніж котли Шухова.

Камерні котли мають багато недоліків — велика металомісткість, непридатність для високих тисків і великих потужностей, вони дорогі та ін. Тому виробництво таких котлів давно припинено.

Кроком уперед у розвитку горизонтально-водотрубних котлів було застосування замість суцільних камер окремих секцій коробчастої або циліндричної форми. Звичайно застосовувались коробчасті секції змієвидної форми з близьким до шахового розміщення труб у пучку. У горизонтальному перерізі секції майже квадратні, їх розміри невеликі. Коробчасті і циліндричні секції можна застосовувати для підвищених і високих тисків. Секційні котли Бабкок-Вількокс Ленінградського Металічного заводу (ЛМЗ), Таганрозького котельного заводу (ТКЗ) були досить поширені у нашій країні. Помітним етапом у розвитку секційних котлів був перехід до поперечного розміщення барабана. Це дало можливість підвищити одиничну потужність агрегату, спростити його конструктивну схему і здешевіти їх виготовлення.

Секційні горизонтально-водотрубні котли з поперечним розміщенням барабана і циліндричними секціями виготовлялись у нас до війни на параметри p == 35 бар, t_n.п = 425° С і D = 160 200 т/год. Вони були в той час найбільшими енергетичними котлоагрегатами. секційного Проте горизонтально-водотрубні котли навіть найкращої конструкції складні і дорогі. Тому після війни виробництво їх було припинено.

У вертикально-водотрубних котлах кип’ятильні труби приєднують безпосередньо до барабанів. Проміжних елементів (камер, секцій) у цих котлах нема, що спрощує конструктивну схему. Верхні барабани таких виконують роль камер для приєднання труб і парозбірників — сепараторів, нижні барабани — камер і грязьовиків, з яких періодичним продуванням видаляють шлаки. Замість великої кількості (десятків і сотень) дрібних люків, що встановлювали у горизонтально-водотрубних котлах, у вертикально-водотрубних котлах передбачено декілька великих лазів, (не менше ніж 300 400 мм), крізь які можна проникнути в барабани. Розміщення барабанів, як правило, поперечне. Пучки кип’ятильних труб розміщують з великим нахилом до горизонту або вертикально. Труби приєднують до барабанів розвальцьовкою. Розвальцьовка їх у гніздах стінок барабанів робиться зсередини. На відміну від горизонтально-водотрубних котлів кип’ятильні трубки виконуються гнутими.

Вихідним типом сучасних вертикально-водотрубних котлів, стали котли Стерлінга з гнутими трубами, хоч у їх первісній, конструкції було багато недоліків: значна кількість барабанів. (триі п’ятибарабанні) при малій одиничній видатності, багато рядів труб, розмішених по ходу димових газів, велика витрата металу і висока вартість котла.

Розвиток вертикально-водотрубних конструкцій характеризувався зменшенням кількості барабанів — найтяжчих і найдорожчих деталей котла — від п’яти до одного при одночасному збільшенні в десятки разів одиничної потужності котла, відмовленням від неактивно діючих, розміщених у зоні низьких температур газів, пучків котельних труб, спрощенням і поліпшенням конструктивної і циркуляційної схеми котла.

Конструкція двобарабанного агрегату ЦКТІ - ТКЗ це енергетичний агрегат середнього тиску (р = 36 бар) на той час великої видатності (D = 140 т/год). Конструктивна схема котла досить проста: верхній і нижній барабани, огріваний підйомний пучок труб, неогріваний опускний пучок і розвинена система топкових екранів, що є ефективною випарною поверхнею нагріву. За котельним пучком по ходу газів розміщені пароперегрівник, водяний економайзер і повітропідігрівник. Компоновка агрегата П-подібна.

Останнім часом будують тільки невеликі двобарабанні вертикально-водотрубні котли.

Транспортабельний (щодо можливості транспортування в складеному вигляді залізницею) котел ДКВ (двобарабанний котел вертикальний) з двома вподовж розміщеними барабанами. Котли цього типу (ДКВР) дещо модернізовані випускає тепер Бійський котельний завод. Їх виробність 2 т/год на тиск 8 бар без перегрівників і 4; 5; 6; 10; 20 т/год на тиск 13 бар і температуру перегрітої пари 350° С.

Після війни у нашій країні почали випускати потужні агрегати високого тиску однобарабанної конструкції екранного типу з розміщеним у верхній частині топки фестоном — три — або чотирирядним розрідженим пучком, утвореним розводкою труб заднього екрана. У великих котельних агрегатах, що випускаються останнім часом, у верхній частині топкової шахти встановлюють виступи («носки»), однорядні фестони і ширмові пароперегрівники у вигляді вертикальних ширм.

Для потужніших агрегатів ТП-90 виробністю 500 т/год і ТП-100 видатністю 640 т/год (для блоків 150 Мвт і 200 Мвт) на параметри пари р = 143 бар, t_{п. п} = 570° С з проміжним перегрівом пари до 570° С ТКЗ застосовують нову Т-подібну компоновку. За такої компоновки топкова камера розміщується посередині у вихідному газоході, а конвективні елементи — у двох симетричних бічних опускних газоходах. Поряд з деякими перевагами Т-подібна компоновка разом з тим мала багато недоліків, через що пізніше їх не випускали. Схема власне котла в агрегатах ТП-90 і ТП-100 взагалі аналогічна схемі котла в агрегаті ТП-80.

У зв’язку з повним екрануванням топкових камер (1), зменшенням із зростанням тиску теплоти пароутворення r, підвищенням температури димових газів перед пароперегрівником, викликаним зростанням температури перегрітої пари, в агрегатах високого тиску відпала потреба в конвективних котельних пучках. У котлоагрегатах високого тиску вода перетворюється в насичену пару практично повністю в топкових екранах. При надвисоких тисках (180−190 бар) поверхня нагріву пароутворювальних екранів стає недостатньою для охолодження продуктів згоряння в топці до потрібної (щоб уникнути шлакування; температури. Тому додатково в топці розміщують настінні екрани, які служать радіаційними пароперегрівниками.

У старих котельних конструкціях низького тиску котел був єдиною поверхнею нагріву. З ростом тиску і температури пари, застосуванням пароперегрівників і водяних економайзерів роль котла в загальному вбиранні теплоти безперервно зменшувалась. При тисках 180−190 бар основним у вбиранні теплоти і найважливішим (за умовами роботи) елементом став пароперегрівник. Помітно зросла також роль водяного економайзера. Так зростання параметрів пари істотно змінило профіль котельних агрегатів.

Агрегати з природною циркуляцією будуть для тисків до 190 бар. Це зумовлено тим, що при вищих, близьких до критичних тисках густина води і густина пари стають близькими за своїми значеннями, у зв’язку з чим дуже утруднюється організація надійної природної циркуляції і сепарації води від пари.

2.3 Прямоточні парогенератори

Принцип прямотоковості стосовно до парових котлів полягає в тому, що в елемент, який нагрівається (трубу, змійовик, ряд паралельно включених змійовиків), подається насосом стільки води, скільки в ньому утворюється пари. Найпростіший прямотоковий котел являє собою змійовик, в один кінець якого надходить вода, а з другого — виходить перегріта пара. Щоб дістати в потужних прямотокових котлах прийнятний гідравлічний опір котла, поверхні нагріву роблять у вигляді великого числа (кількох десятків) паралельних витків. Прямотокові котлоагрегати вигідно відрізняються від котлів з природною циркуляцією відсутністю важких і дорогих елементів — барабанів, системи неогрівних опускних труб і колекторів.

Прямотокові котли — єдино можливий тип котлів для вироблення пари близькокритичного і накидного тиску. Компоновка котла подібна, аналогічна до компоновки котлів з природною циркуляцією.

Живильна вода подається насосом у конвективний економайзер, звідки вона надходить у нижню радіаційну частину агрегату, виконану у вигляді стрічки, яка складається з 44 паралельно включених витків. У котлах Рамзіна застосовується горизонтальна навивка екранних труб. На фронтальній і бічних стінках топки стрічки розміщуються горизонтально, на задній — з нахилом, який дорівнює ширині стрічки. Нижня і середня частини радіаційної поверхні нагріву — радіаційний економайзер і котел.

З радіаційного котла пароводяна суміш з 20%-ним вмістом води надходить у конвективну перехідну зону, де закінчується перетворення всієї води в пару, яка перегрівається приблизно на 20−30° С. Потім пара надходить у радіаційний пароперегрівник, розміщений у верхній частині топки, і з нього — в конвективний пароперегрівник, в якому перегрівається до заданої температури 510° С.