Конструкция отдельных элементов котлоагрегатов

Топки для сжигания пылевидного топлива

Топка для сжигания пылевидного топлива (см. рис. 1) представляет собой прямоугольную камеру 2, в которой выгорание топлива происходит в факеле, заполняющем ее объем. Пылеугольные топки по способу удаления шлака делятся на топки с твердым и жидким шлакоудалением.

В топках с твердым шлакоудалением более крупные частицы шлака падают на дно топки, скатываются по откосам ее холодной воронки и попадают в шлаковую шахту, где они охлаждаются струями воды.

В топках с жидким шлакоудалением на дно топки (под топки) оседает расплавленная зола (шлак). Жидкий шлак вытекает из топки через летку и сливается в короб с водяной ванной.

Пылевидное топливо вводится в топку через горелки 1 (см. рис. 1), которые должны обеспечить перемешивание пыли и воздуха и возможно более раннее воспламенение пы левоздушной смеси, и более полное выгорание пыли. Горелки располагаются на стенах топки в один или несколько рядов по высоте либо по ее углам.

Для сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии используются щелевые либо турбулентные (вихревые) горелки.

На рис. 5, а изображена щелевая горелка с круглыми соплами, а на рис. 5, б - щеле вая горелка с тремя вертикальными щелями. В этой горелке через среднюю щель проходит вторичный воздух, а через крайние - первичный. Вторичный воздух подается и в нижнюю часть боковых щелей для предотвращения выпадения угольной пыли и для луч шего перемешивания потока. При расположении горелок вблизи углов топки выходящие из них струи воздуха создают круговое движение газов в центре топки (рис. 5, д).

При аксиальном (осевом) расположении горелок (рис. 6, а и 6, в) воздушные потоки сталкиваются в центре топочной камеры, в результате чего часть горящей угольной пыли направляется вверх, а другая часть поворачивает вниз, а затем, двигаясь снова вверх, проходит вблизи мест ввода в топку еще не загоревшейся пылеугольной смеси.

При тангенциальном расположении горелок (рис. 6, б и 6, г) воздух направляется по касательным к воображаемому кругу в центре топки, вызывая вихревое движение горя щих частиц угольной пыли.

Турбулентные (вихревые) горелки, получившие широкое распространение, имеют две или одну улитку.

Вихревая горелка ТКЗ (рис. 7, а) имеет две завихряющие улитки. В меньшую улитку вводится пылевоздушная смесь, в большую 2 - вторичный воздух. Оба завихренных потока по кольцевым каналам 3 и 4 раздельно поступают в топку. Мазутная форсунка 5, используемая при растопке и. при малых нагрузках котлоагрегатов, устанавливается в центральной трубе.

На рис. 7, б представлен продольный разрез пылегазовой горелки, предназначенной для сжигания угля и природного газа, а на рис. 8 - вихревая горелка с одной улиткой без закрутки первичноговоздуха. Следует отметить, что присос в топку холодного наружного воздуха через неплотности в обмуровке и обшивке топки оказывает вредное влияние на процесс горения и увеличивает потери теплоты в топке.

Для сжигания пыли, получаемой в установках с молотковыми мельницами и шахтными сепараторами, применяют два типа горелочных устройств.

В одной конструкции вторичный воздух вводится в топку через шлицы (щели), расположенные выше и ниже прямоугольного отверстия для ввода пылевоздушной смеси в топку. В другой конструкции, так называемой эжекторной горелке (см. рис. 9), вторичный воздух подается в центральную часть пылевоздушного потока и вдувается в топку через сопла в двух различных направлениях, увлекая за собой пылевоздушную смесь и посте пенно перемешиваясь с ней.

Рис. 5. Схемы устройства и работы прямоточных пылеугольных горелок: 1 - насадка для подачи природного газа; 2 - незагоревшееся топливо в центральной части пылевоздушного потока; 3 - пылевоздушная смесь; 4 - вторичный воздух

Циклонные топки

Сжигание топлива факельным способом, имеет тот недостаток, что частицы топлива,независимо от их размера, пребывают в топочном объеме ограниченное время (2-3 с), определяемое скоростью движения факела и продуктов сгорания в топке.

Вихревые циклонные топки лишены этого недостатка. К топке котлоагрегата пристраивается цилиндрический циклон (рис. 10); в котором пылевоздушная смесь 1 закручивается по спирали вторичным воздухом 2.

Рис. 7. Схемы двухулиточных вихревых горелок: а - пылеугольная горелка; б - пылегазовая горелка; 1 - улитка пылевоздушной смеси; 2 - улитка вторичного воздуха; 3 и 4 - кольцевые каналы для пылевоздушной смеси и вторичного воздуха; 5 - мазутная форсун-

ка; 6 - обмуровка; 7 - кольцевой коллектор природного газа; 8 - одна из труб природного газа, расположенных _________вокруг канала 3; 9 - наконечник газового электрозапальника; А и Б - соответствующие зоны начала и окончания воспламенения топлива; В - направление движения топочных газов.

Рис. 8. Вихревая горелка ОРГРЭС без закрутки первичного воздуха: 1 - входной патрубок первичного воздуха; 2 - улитка вторичного воздуха; 3 и 4 - выходные кольцевые каналы первичного и вторично го воздуха; 5 - мазутная форсунка; 6 - рассекатель; 7 - завихряющий порог; 8 - обмуровка.

Внутренняя поверхность циклона защищена шипованными экранными трубами, покрытыми огнеупорной набивной массой. Мелкие частицы топлива сгорают на лету в предтопке. Крупные частицы топлива центробежной силой отбрасываются на стены и полностью выгорают на пленке из жидкого шлака независимо от длительности пребывания продуктов сгорания в циклоне и скорости их перетекания в камеру дожигания (топку) и охлаждения через амбразуру 3 циклона.

Рис. 9. Схема эжекторной горелки: 1 - амбразура горелки для подачи пылеугольной смеси; 2 - мельничная шахта; 3 и 4 - нижние и верхние эжекторные сопла; 5 - короб горячего воздуха; 6 - шиберы

Рис. 10. Принцип работы горизонтального предтопка

В предтопке улавливается 60-85% золы, которая в виде жидкого шлака удаляется через летку 4. Таким образом, еще одним преимуществом циклонных топок по сравнению с факельными является высокая степень шлакоулавливания. Недостатком циклонных топок является высокий напор дутьевых вентиляторов, необходимый для создания скорости вторичного воздуха, достигающей 120 м/с.

Циклонные топки выполняются как с горизонтальными циклонами (рис. 11, а), так и с вертикальными циклонными предтопками (рис. 11, 6).

Устройства для удаления шлака

Для удаления шлака из топок мощных котлоагрегатов применяют механизированные устройства непрерывного действия.

Устройство со скребковым транспортером, передвигающим шлак по дну ванны, заполненной водой, показано на рис. 12, а.

Уровень воды в ванне поддерживается переливной трубой. Скребковый транспортер сбрасывает шлак в шлакодробилку, а затем в канал гидрозолоудаления. Для топок с гранулированным шлакоудалением надобность в шлакодробилке для некоторых топлив (особенно для бурых углей) отпадает, так как при попадании в воду шлак растрескивается.

Рис. 11. Устройство циклонных топок: а - топка с горизонтальными (наклонными) циклонами; б - топка с вертикальными циклонными предтопками; 1 - камера горения (циклон); 2 - шлакоулавливающий пучок; 3 - камера охлаждения; 4 - горелка; 5 - сопла вторичного воздуха; 6 - шлаковая летка; 7 - шлаковая ванна

Другая конструкция механизированного шлакоудаляющего устройства со шнеком, расположенным под углом 17° к горизонту, представлена на рис. 12, б. Шнек, вращаясь, подает шлак в дробилку. На верхнем конце шнека расположен шарнир, позволяющий валу шнека приподниматься при попадании кусков шлака под виток и избежать повреждения шнека.

Описанные устройства применяют для топок как с твердым, так и с жидким шлако-удалением.

Топки для сжигания жидкого и газообразного топлива

Жидкое, и газообразное топливо для сжигания подается в топку через мазутные форсунки и газовые горелки. Принцип действия мазутных форсунок заключается в следующем: мазут распыливается на мельчайшие капли, которые заполняют весь топочный объем. Отсутствие крупных капель является обязательным условием экономичного сжигания мазута.

Рис. 12. Устройства для механизированного непрерывного шлакоудаления: а - со скребковым транспортером; б - со шнеком; 1 - транспортер; 2 - ванна; 3 - рельсы; 4 - шлакодробилка; 5 - винтовой шнек; 6 - шарнир

Широко распространены форсунки с паровым распыливанием мазута, применяемые в качестве растопочных, и форсунки механического распыливания, устанавливаемые на котлоагрегатах, где мазут является основным топливом. В последней конструкции форсунок распыливание осуществляется повышением давления мазута до 2-3,4 МПа (20-35 кгс/см2).

Так как состав и теплота сгорания различных видов газообразного топлива сильно различаются, то конструкции горелочных устройств для их сжигания весьма разнообразны.

Основным условием экономичного сжигания природного газа является хорошее перемешивание его с воздухом. Это достигается введением газа в воздушный поток с очень высокой скоростью (70-140 м/с) при скорости воздуха 30 м/с. При сжигании газообразного топлива всегда предусматривается резервное топливо, обычно мазут.

Особенностью газомазутной горелки, показанной на рис. 13, является наличие механизма, который перед включением подачи одного топлива выключает подачу другого.

Газомазутная горелка производительностью 4 т/ч по мазуту и 78 м3/ч по природному газу: 1 - воздушный короб; 2 - завихряющие лопатки; 3 - кольцевой канал для периферийного воздуха; 4, 5 и 6 - те же элементы для внутреннего потока воздуха; 7 - кольцевой коллектор природного газа; 8 - отверстия для периферийной подачи природного газа; 9 и 10 - соответственно входная труба и кольцевой канал для центральной подачи природного газа; 11 - мазутная форсунка; 12 - газовый электрозапальник; 13 и 14 - входной короб и центральная труба для подачи воздуха к мазутной форсунке

Так, при включении подачи мазута мазутная форсунка автоматически выдвигается в топку. При переводе котлоагрегата на газ форсунка перемещается на прежнее место, после чего включается подача газа через трубу, имеющую на конце радиально расположенные отверстия. При отключении горелки по топливу одновременно автоматически закрываются и шиберы для воздуха.

Для обеспечения нормального процесса горения топлива воздух, необходимый для горения, подогревается в воздухоподогревателе. Температура подогрева воздуха зависит от сорта топлива и способа удаления шлака из топки.

Барабаны, устройства для сепарации пара от влаги, ступенчатое испарение

Барабаны современных котлоагрегатов высокого давления с естественной циркуляцией имеют внутренний диаметр 1600 мм, толщину стенок более 100 мм и длину до 20 м. Масса такого барабана составляет около 100 т.

Барабаны изготовляются сварными из листовой стали и имеют штуцера, к которым привариваются трубы. Тепловое расширение барабанов обеспечивается роликовыми опорами, устанавливаемыми на основных балках каркаса (рис. 14). Во время работы барабан удлиняется на 70-100 мм. Пар, выходящий из барабана, не должен уносить с собой капли воды в пароперегреватель, так как при испарении воды содержащиеся в ней соли могут отлагаться в трубах, что связано с опасностью их пережога. Для уменьшения уноса воды из барабана паром внутри барабана устанавливаются сепарационные устройства, предназначенные для разделения (сепарации) влаги и пара. Этим условиям отвечают циклонные сепараторы, размещаемые внутри барабана, так называемые внутрибарабанные циклоны, получившиеширокое распространение (рис. 15).

Пароводяная смесь вводится в циклон по касательной к поверхности цилиндра; центробежная сила прижимает крупные капли воды к стенкам циклона, по которым они стекают вниз. Благодаря поддону, расположенному под циклоном, вихревое движение не передается воде, находящейся в водяном пространстве барабана, и поверхность воды остается спокойной. Пар выходит из верхней части циклона и проходит через верхний дырчатый лист, улавливающий мелкие капли воды, оставшиеся в паре. В барабанах котлоагрегатов большой паропроизводительности устанавливают десятки таких циклонов.

Часто для сепарации пара применяются жалюзийные щиты (рис. 16), состоящие из гофрированных стальных пластин, которые устанавливаются в верхней части барабана. Пар поднимается по каналам, образуемым пластинами, и находящиесяв нем капли влаги оседают на пластинах и стекают вниз. Отдельные капли воды, оставшиеся в паре, улавливаются дырчатым листом.

Для хорошей сепарации влаги в жалюзийных щитах не должно оставаться щелей, покоторым мог бы протекать пар помимо каналов, образуемых пластинами. Котловая вода содержит значительное количество растворенных щелочей и фосфатов, которые способствуют образованию слоя пены на поверхности воды в барабане.

Сепарационные внутрибарабанные циклоны: 1 - барабан; 2 - короб для вводимой в барабан пароводяной смеси; 3 - циклон; 4 - крышка циклона; 5 - поддон циклона; 6 - труба, подающая питательную воду; 7 - короб, раздающий питательную воду; 8 - промывочный щит; 9 - насадка, отводящая воду помимо промывочных щитов; 10 - труба для слива питательной воды; 11 - верхний дырчатый лист; 12 - труба для подачи фосфатов; 13 - труба для парового разогрева барабана при растопке котлоагрегата; 14 - труба аварийного сброса воды; 15 - средний уровень воды; 16 - выход насыщенного пара; 17 - водоопускные трубы экранов.

При интенсивном парообразовании часть пены может уноситься с паром из барабана и растворенные в ней вещества могут образовать в трубах пароперегревателя слой опасной накипи. Для борьбы с этим явлением применяют размыв пены питательной водой, в которой содержится меньше солей. Благодаря этому пена растворяется в питательной воде и ее слой уменьшается.

На рис. 16 показано устройство для размыва пены в котлоагрегатах среднего давления с вводом питательной воды в питательное корыто.

Для промывки пара питательной водой в верхнюю часть барабана вводится питательная вода, вытекающая из горизонтальной трубы, разливается по дырчатому щиту и стекает в отводящий короб. Пар промывается, проходя снизу вверх через отверстия в щите и слой воды. Схема устройства для промывки пара показана на рис. 17.

Рис. 16. Схема сепарации пара в жалюзийных щитах и размыва пены питательной водой: 1 - стенка барабана; 2 - ввод питательной воды в барабан; 3 - питательное корыто; 4 - уровень воды в барабане; 5 - пена; 6 - жалюзийные щиты; 7 - дырчатый лист; 8 - вывод пара из барабана

Для удаления отдельных капель питательной воды из пара служит верхний дырчатый лист. При генерации пара не происходит глубокого выпаривания воды, поэтому большинство находящихся в растворенном состоянии примесей постепенно может достичь предельной концентрации. Для поддержания в котловой воде концентрации примесей на заданном уровне часть воды из барабанных котлов непрерывно удаляется.

Так как с непрерывной продувкой происходит потеря тепла и чем выше концентрация солей, тем больше величина продувки, что экономически невыгодно. Поэтому в современных барабанных котлах для снижения доли непрерывной продувки организовано двух- и трехступенчатое испарение. При двухступенчатом испарении водяной объем барабана разделяется перегородками на чистый и один (или два) солевых отсека (рис. 18). К каждому из отсеков присоединяется своя группа экранов. В солевые отсеки обычно выделяют один или оба торцевых участка барабана и от 5 до 30 % поверхности нагрева экранов.

Рассмотрим действие ступенчатого испарения на конкретном примере. Предположим, что в экранах двух солевых отсеков образуется 15 % пара, производимого котлоагрегатом. Солесодержание питательной воды принимаем равным 40 мг/л. Питательная вода поступает в чистый отсек; пусть котловая вода в нем имеет солесодержание 320 мг/л. Тогда 85 % воды испаряется при сравнительно невысоком солесодержании котловой воды в чистом отсеке, и с паром уносится относительно мало солей.

Рис. 18. Схема работы двух ступенчатого испарения: 1 - ввод питательной воды; 2 - чистый отсек; 3 - солевой отсек; 4 - разделительная перегородка; 5 - уравнительная труба между солевыми отсеками; 6 - труба с вентилем для регулирования солесодержания воды в солевых отсеках; 7 - непрерывная продувка

Часть котловой воды из чистого отсека перетекает в солевые отсеки через отверстияв разделительных перегородках. Эта вода с солесодержанием 320 мг/л является питательной водой для солевых отсеков, в которых котловая вода имеет значительно более высокое солесодержание (порядка 1600 мг/л). Пар, образуемый в солевых отсеках, осушают более тщательно. Непрерывная продувка из солевого отсека удаляет с каждым литром воды 1600 мг солей вместо 320 мг при отсутствии ступенчатого испарения. Таким образом, ступенчатое испарение снижает продувку котлоагрегата примерно в 5 раз. Ступенчатое испарение наиболее эффективно у котлоагрегатов с высоким солесодержанием питательной воды, что бывает обычно на ТЭЦ. Выносные сепарационные циклоны (рис. 19) используются как вторая или третья ступень испарения и питаются котловой водой из чистого отсека или из отсеков второй ступени.

В циркуляционном контуре, присоединенном к выносному циклону, вода не проходит через барабан. Пароводяная смесь, поступающая из экранных труб направляется в циклон тангенциально. При вращательном движении в циклоне вода отделяется от пара и отводится в нижний коллектор экрана. Пар поднимается в верхнюю часть циклона и по пароотводящей трубе направляется в барабан. Обычно циклоны паропроизводительностью 25 т/ч имеют диаметр около 350 мм и высоту не менее 4 м. Высокая верхняя часть циклона требуется для надлежащего осушения пара, а глубокая нижняя - чтобы избежать попадания пара в опускную трубу, если уровень в циклоне примет вид глубокой воронки. Крестовина в нижней части циклона препятствует завихрению воды в этой зоне и попаданию паровых пузырей в водоопускные трубы экрана, что может вызвать нарушение циркуляции.

Схема работы выносного сепарационного циклона: 1 - обогреваемые экранные трубы; 2 - отводящая труба; 3 - выносной сепарационный циклон; 4 - водоспускная труба; 5 - барабан; 6 - пароотводящая труба; 7 - труба, подводящая в циклон воду из барабана; 8 - дренаж; 9 - крестовина в нижней части

Ввод пароводяной смеси из экрана в циклон выполняется выше уровня воды, находящейся в барабане. Пар, выходящий из выносных циклонов, не требует дополнительного осушения. Требуется только его промывка для удаления кремниевой кислоты. Во многих котлоагрегатах к одному циркуляционному контуру экрана присоединены два выносных сепарационных циклона.