Условия оптимизации процессов сжигания жидкого топлива и газа - Требования к организации топочного процесса

Глава четвертая
ВЛИЯНИЕ КОМПОНОВКИ ГОРЕЛОК НА РАБОТУ ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА
13. Требования к организации топочного процесса

Оптимальные характеристики процесса сжигания и высокая надежность топочного устройства могут быть обеспечены, если каждый в отдельности элемент (горелка, топочная камера, поверхность нагрева в топке) работает в условиях, близких к оптимальным. Приведенные в гл. 2 и 3 рекомендации по организации сжигания топлива относятся к условиям обеспечения свободного (независимого) развития факела. В реальных условиях в топке работают, как правило, одновременно несколько горелочных устройств, и основные характеристики процесса горения определяются не только работой каждой горелки, но и топочного устройства в целом. Эти суммарные характеристики определяют структуру общего газового потока, распределение реагирующих компонентов, а также интенсивность выгорания и теплообмена.
Практика эксплуатации топочных устройств различных типов подтверждает, что надежная и экономичная работа топки и ряда других элементов котельного агрегата (пароперегревателей, экономайзеров, воздухоподогревателей и т. п.) в значительной степени зависит от компоновки и взаимодействия горелок, установленных в топочной камере. Работа топочной камеры котельного агрегата должна удовлетворять следующим основным требованиям.

1. Максимальный химический недожог на выходе из топки не должен превышать 1—3%, а механический - 0,5%. При этом неравномерность распределения недожога по поперечному сечению на выходе из топки не должна быть выше ±10%. Выполнение этих условий позволяет получить недожог на выходе из котла не более 0,2—0,3%.
2. В котлоагрегатах, работающих на топливе с высоким содержанием серы и низкой температурой уходящих газов, сжигание топлива должно осуществляться с малым избытком воздуха (а= 1,02±0,01), при котором наблюдается резкое уменьшение интенсивности низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева. При сжиганий топлива с малым избытком воздуха присосы по топочной камере и конвективному газоходу должны отсутствовать.
3. Температура на выходе из топки в зависимости от характеристик золы топлива не должна превышать 1050— 1200 °С. При этом неравномерность температурного поля не должна быть выше ±10—15%. При наличии в потоке топочных газов на выходе из топки зон с более высокой температурой возникает опасность быстрого загрязнения конвективных поверхностей и увеличения скорости высокотемпературной коррозии труб пароперегревателем, подвесок и других конструктивных элементов конвективного газохода.
4. Локальные тепловые потоки не должны превышать значений, при которых обеспечивается достаточно надежная работа экранов. Максимальные допустимые тепловые потоки определяются материалом труб, коррозионной активностью среды вблизи экранов, условиями теплообмена с внутренней стороны труб, качеством водоподготовки и конструкцией экранов (диаметром, шагом, толщиной стенки и т. п.).5. Факел должен равномерно заполнять топочный объем (степень заполнения близка к единице) без ударов и касаний об экранные поверхности топочной камеры. Это требование должно особо строго выдерживаться в зонах с высокой интенсивностью горения. Явления удара и касания факела повышают локальные тепловые потоки, коррозионную активность топочных газов вблизи экранов и способствуют увеличению скорости высокотемпературной коррозии экранов.
5. Условия развития факела в топочном объеме не должны способствовать загрязнению экранов. На величину отложений и их структуру главное влияние оказывают: температура экранов, температурный режим частиц неполностью выгоревшего топлива в момент контакта их с поверхностью экрана, дисперсность распыления топлива и аэродинамика факела вблизи экранных поверхностей.
6. Конструкция и компоновка элементов топочного устройства должны быть выполнены с учетом безопасности и удобства его эксплуатации. Топочная камера должна оснащаться минимально необходимым числом горелок, форсунок, регулирующей и запорной арматуры и т. п.
7. Конструкция топочного оборудования должна предусматривать возможность наблюдения и контроля за процессом горения, а также учитывать требования регулирования и автоматизации работы топки и котла в целом.

Выполнение поставленных выше требований возможно только при условии выбора профиля и габаритов топочной камеры в соответствии с характеристиками факела применяемых горелок и схемой компоновки горелочных устройств в топке. Так, например, необходимо, чтобы габариты топочной камеры соответствовали характеристикам факела, которые, в свою очередь, зависят от единичной мощности, конструкции, компоновки и рабочих параметров горелок [10].
Задача проектирования топочных устройств осложняется тем, что выбор габаритов топочной камеры и схема размещения экранных поверхностей должны быть согласованы с общим тепловосприятием в топочной камере и локальным распределением тепловых потоков, падающих на экранные поверхности. Так, например, размещение соленых отсеков барабанных котлов или экранов с высоким значением энтальпии среды (2,1 МДж/кг) для прямоточных котлов типа СКД в зонах с высокими тепловыми нагрузками (более 600—700 Вт/м2-К) не допускается. В общем случае допустимое значение локальных тепловых потоков определяется максимальной допустимой температурой металла на поверхности труб, которая, в свою очередь, зависит от условий работы металла в коррозионно активной среде топочных газов. Для экранов котлов СКД, выполненных из стали 12Х1МФ, эта температура не должна превышать, например, 520—540°С.
Таким образом, при проектировании топочных устройств необходимо учитывать влияние большого числа взаимосвязанных конструктивных и режимных факторов. Однако в качестве исходных данных должны использоваться характеристики факела одной горелки с учетом влияния на процесс выгорания топлива профиля топочной камеры и компоновки горелок. В настоящее время для сжигания жидкого и газообразного топлива в котлах средней и большой мощности наибольшее распространение получила топочная камера в виде вертикальной четырехгранной призмы. При этом в котельных агрегатах с П-образным профилем газового тракта верхняя часть топочной камеры выполняется с односторонним выступом («носом») от задней стенки, который перекрывает 20—30% выходного сечения топки. Этот выступ способствует выравниванию полей температуры и скорости на выходе из топочной камеры, возникающих при П-образном профиле вследствие поворота потока на 180°.
При развитии вихревого факела в топочном объеме структура потока на начальном участке в основном определяется конструкцией горелок и параметрами их работы, а также условиями компоновки элементов. Однако на некотором расстоянии от устья горелок влияние начальных параметров горелки ослабевает и на структуру потока основное влияние начинают оказывать компоновка горелок, габариты и конфигурация топочной камеры.
Таким образом, по условиям смесеобразования топочный объем условно может быть разбит на две зоны — первую, где смесеобразование определяется, главным образом, работой горелок, и вторую, где основную роль играет конструкция топки. Критерием разделения зон перемешивания может, например, служить структура поля скоростей в топочной камере. В первой зоне наблюдаются большие локальные неравномерности поля скоростей, обусловленные раздельной работой горелок. Во второй зоне эти неравномерности отсутствуют или выражаются в слабой степени. С увеличением теплового напряжения топочного объема относительная величина первой зоны сокращается, с уменьшением теплового напряжения наоборот увеличивается и, вообще говоря, может распространяться на всю длину топочного объема. В последнем случае факел каждой горелки развивается практически самостоятельно. Величина первой зоны зависит в основном от параметров работы горелок (скорости воздуха, турбулентности потока, давления топлива и т. п.). Интенсивность перемешивания в первой зоне, как правило, выше, чем во второй, и одной из задач топочного устройства является поддержание этой интенсивности на максимальном возможном уровне. Большое влияние на это оказывает компоновка горелочных устройств в топочной камере, которая определяет характер взаимодействия горелок и в значительной степени структуру потока в объеме топки. При компоновке вихревых горелок необходимо учитывать взаимодействие воздушных потоков соседних горелок. Здесь возможны два вида взаимодействия потоков за счет закрутки факела в одну или в противоположные стороны. При противоположной закрутке в межгорелочной области отсутствуют нулевые скорости и факел почти не отклоняется в сторону вращения потоков. Это активизирует процесс сгорания за счет сложения скоростей в зоне соприкосновения факелов и уменьшает неравномерность тепловых потоков на противоположных стенах топки. Односторонняя закрутка воздушных потоков, наоборот, приводит к падению отношения v/vу до нуля, т. е. снижает общий уровень тангенциальной составляющей скорости в межгорелочной зоне и вызывает асимметрию факела. По тангенциальной составляющей скорости, характеризующей изменение угла воздушного потока, может быть найдена знакопеременная поправка, учитывающая изменение угла в зависимости от степени взаимодействия соседних потоков.