Значне розповсюдження в промисловості мають механічні шарові топки з ланцюговими решітками. Характерною особливістю цих топок є безперервне переміщення палива разом з колосниковими решітками, які є транспортером, виконаним у вигляді нескінченного полотна. Використання знаходять механічні топки з колосниковими решітками прямого і зворотного ходу (рис. 6). В топці з решітками прямого ходу полотно з паливом переміщається від фронту топки до задньої стінки (рис. 6 а), а в топці з решітками зворотного ходу - від задньої стінки до фронту (рис. 6 б). Колосникові полотна бувають лускового і стрічкового типів.
Рис. 6. Механічні топки з колосниковими решітками:
а) прямого ходу; б) зворотного ходу
1 – полотно решіток; 2 – зірочки; 3 – завантажувальний ящик; 4 – шибер;
5 – шлакознімач; 6 – шлаковий бункер
В механічній топці з лусковими ланцюговими решітками прямого ходу (рис. 6 а) полотно решіток 1 складається з окремих колосників, які укріплені на нескінченних шарнірних ланцюгах, надітих на дві пари зірочок 2. Передня пара є ведучою і приводиться в обертання електродвигуном через редуктор. Швидкість руху решіток можна змінювати в широких межах (1-18 м/год). Паливо з завантажувального ящика 3 поступає на рухомі решітки. Бажана товщина шару палива встановлюється шибером 4, який може переміщатися по вертикалі. Необхідне для горіння повітря підводиться під решітки (між полотнами) і поступає в шар через зазори між колосниками. По мірі просування решіток паливо вигоряє а шлак, який утворився скидається з решіток шлакознімачем 5 в шлаковий бункер 6.
Лускова ланцюгова решітка прямого ходу типу ТЧ показана на рис. 7 а. Лускове колосникове полотно виконують з похило розташованих беспровальних колосників (рис. 7 б). Куски провалу збираються в кишенях нижньої частини колосників. При переході ланцюга вниз колосники перекидаються і вловлений провал скидається в бункер. Повітря проходить в шар через вузькі щілини в місцях прилягання колосників один до одного.
Рис. 7. Лускові ланцюгові решітки прямого ходу типу ТЧ
а) подовжній розріз; б) безпровальні колосники
1 - фронтовий кожух; 2 - передній вал; 3- вугільний ящик; 4 - рама; 5 - колосникове полотно; 6 - опорний рольганг; 7 - задній вал; 8 - шлакознімач
Лускові ланцюгові решітки прямого ходу мають довжину 5600-8000 мм при ширині 2700-3700 мм. Лускові ланцюгові решітки зворотного ходу мають довжину 4000-8000 мм при ширині 2700-4900 мм. Стрічкові ланцюгові решітки зворотного ходу мають довжину 2400-4000 мм при ширині 1870-2700 мм.
Секційне дуття. Процес горіння в топці з ланцюговими решітками на відміну від топки з періодичним завантаженням палива протікає безперервно. Проте по довжині решіток процес горіння розділяється на наступні етапи: підготовка палива (прогрів, підсушування, виділення летких); горіння коксу і летких; випалювання (догорання палива) і видалення шлаку. Оскільки для різних етапів горіння потрібна різна кількість повітря, використовують позонне (секційне) дуття. На рис. 8 крива 1 характеризує потрібну кількість повітря для горіння палива по довжині решіток прямого ходу. При відсутності позонного дуття подача повітря в топку характеризується штриховою лінією 2, а при секційному дутті - ламаною лінією 3. Через останню, шлакову зону, яка має шар малої товщини, повітря подають в більшій кількості, ніж це необхідно для догорання палива, щоб забезпечити охолодження шлаку і решіток. Позонне дуття покращує горіння палива. Одночасно знижується і втрата теплоти з відхідними газами у зв'язку з пониженням загального для всієї топки коефіцієнта надлишку повітря. Позонне дуття проводять і в топках з решітками зворотного ходу.
Рис. 8. Подача повітря в топку при секційному дутті
Запалення шару. Особливістю горіння палива в топці з ланцюговими решітками прямого ходу є його одностороннє верхнє запалення, оскільки свіже паливо з завантажувального ящика лягає на відносно холодні колосники. В даному випадку виходить схема поперечного руху паливного і газоповітряних потоків. Схема запалення шару на ланцюгових решітках показана на рис. 9. Основним джерелом теплоти, який визначає прогрів і займання свіжого палива, є випромінювання газів з топкового об'єму. Швидкість розповсюдження в шарі горіння ωр.г направлена поперечно до руху шару, який переміщається з швидкістю руху решіток ωреш. Тому фронт початку виходу летких і фронт займання розташовуються з нахилом в бік руху решіток.
Рис. 9. Схема запалювання шару палива на ланцюгових решітках прямого ходу
Запалювання палива від його безпосереднього зіткнення з частинками, які горять, має невелику роль в загальному процесі займання палива. Так, швидкість розповсюдження горіння від безпосереднього контакту частинок складає всього 0,2-0,5 м/год, тоді як переміщення шару разом з решітками має швидкість, в десятки разів більшу. У зв'язку з вказаною особливістю прогрівання і займання палива при спалюванні малореакційних і вологих палив значна частина довжини ланцюгової решітки може виявитися зайнятою попередньою підготовкою палива. При спалюванні таких палив на ланцюгових решітках доводиться приймати заходи для інтенсифікації підготовчих етапів.
Так, для інтенсифікації запалювання антрациту (палива з малим виходом летких) застосовують топкову камеру з сильно розвинутою і низько розташованою задньою стелею, завдяки чому гарячі гази, які утворюються в зоні найбільш активного горіння, прямують до початкової ділянки шару, сприяючи запалюванню свіжого палива. Крім того, надлишкове гаряче повітря, яке є після шлакової зони, при такому розташуванні стелі прямує в зону найбільш активного горіння. Стелю виконують з цегли, яка розжарюється під час роботи, що також сприяє повнішому вигоранню пальних з шлаку.
При спалюванні кускового торфу, який має велику вологість (Wр = 40-50 %), для інтенсифікації підготовчих етапів застосовують спеціальні передтопки. В цьому випадку торф подається в цегляну шахту-передтопок де частково підсушується і потім поступає на ланцюгові решітки.
Характерною особливістю горіння палива в топці з ланцюговими решітками зворотного ходу (рис. 6 б) є нижнє необмежене запалювання палива. Паливо подається на решітки за допомогою пневмомеханічних закидувачів. Більші фракції палива, які потрапляють на дальню від фронту топки частину решіток, падають на шар, який горить. Дрібні частинки, які в значній кількості згоряють в зваженому стані в об'ємі топки, падають на шар, який горить, ближче до фронту.
«Гостре дуття» в шарових топках. Гази, які виходять з шару палива, який горить на ланцюгових решітках разом з інертними продуктами повного горіння містять горючі складові, а також кисень.
Щоб уникнути значних втрат теплоти від хімічного недопалу продукти горіння, які містять горючі компоненти і кисень, необхідно в топковій камері добре перемішати для завершення горіння. Дуже ефективним способом інтенсифікації процесу перемішування газів в топці є застосування «гострого» дуття, тобто введення в топкову камеру з великою швидкістю (50-70 м/с) тонких струменів повітря. Витрата повітря на гостре (вторинне) дуття складає 5-10 % від загальної кількості повітря.
Випалювання і видалення шлаку. Для зменшення втрати хімічно зв'язаної теплоти палива, яке догоряє, необхідно інтенсифікувати його випалювання на шлаковій ділянці решіток. Ефективними в цьому відношенні є низько розташована гаряча цегляна стеля. При сталому процесі горіння на решітках має повністю закінчуватися приблизно на відстані 0,3-0,5 м від місця скидання шлаку з решіток. В місці скидання шлаку встановлюють шлакознімач (рис. 6 а), який дещо сповільнює рух шлаку, що також сприяє його випалюванню і захищає решітки від оголення. Щоб уникнути утворення наростів шлаку на бічних стінах топкової камери, на рівні верхнього полотна ланцюгових решіток з її бічних сторін встановлюють водоохолоджуючі панелі, які є круглими колекторами, включеними в систему циркуляції котла.
Використання гарячого дуттєвого повітря сприяє інтенсифікації горіння палива в шарі. Межа підігріву повітря лімітується умовами роботи решіток. Так, при спалюванні на решітках антрациту (палива з малим виходом летких) для якого тепловиділення відбувається в основному в шарі, підігрів повітря проводять до 150-170 °С. При спалюванні палив з великим виходом летких, для яких тепловиділення в значній мірі переноситься в топковий об'єм, використовують повітря підігріте до 200-250 °С.
Шарові топки з ланцюговими решітками прямого ходу можуть використовуватись для спалювання сортованих антрацитів, деревних відходів і ін. Робота топки характеризується наступними показниками: qR=0,93-1,16 МBт/м2; qV=0,29-0,465 МBт/м3; αт = 1,5-1,6; тиск повітря під решітками 980 Па.
При спалюванні бурого і кам'яного вугілля з вмістом дрібних кусків з розміром 0-6 мм в кількості 60 % і максимальному розмірі кусків 50 мм можуть використовуватись топки з ланцюговими решітками зворотного ходу з закидувачами палива. Показники роботи цих топок: qR= 1,16-1,63 МВт/м2; qV= 0,29-0,465 МВт/м3; αт=1,3-1,5; тиск повітря під решітками 490 Па.
Топки з киплячим шаром
Ефективне спалювання твердого дрібнозернистого палива (0-20 мм) може бути проведено при використанні принципу киплячого (псевдозрідженого) шару, використання якого при газифікації палива, в чорній і кольоровій металургії, хімічній і нафтопереробній, будівельній і інших галузях промисловості дозволило різко інтенсифікувати ряд технологічних процесів.
Киплячий шар характеризується швидкістю первинного повітря, яка перевищує межу стійкості щільного шару, але далеко не досягає швидкості витання середніх частинок. За цих умов усі частинки в шарі інтенсивно перемішуються, рухаючись вгору і вниз, причому в цілому шар має відносно чітку верхню межу. Для киплячого шару твердого палива характерна його підвищена концентрація в об'ємі камери горіння, а також підвищена відносна швидкість в шарі ωвід, що створює сприятливі умови для швидкого горіння палива. На відміну від щільного (нерухомого) шару, аеродинамічний опір якого з збільшенням інтенсивності дуття зростає по степеневому законі, в киплячому шарі опір від інтенсивності дуття не залежить (рис. 10 а).
Рис. 10. Характеристики киплячого шару:
а) залежність опору шару від швидкості дуття; б) зміна тиску по висоті киплячого шару
При малій швидкості дуття шар залишається нерухомим і працює як фільтруючий. Досягнувши критичної швидкості дуття сила тиску газового потоку в шарі стає рівною силі тяжіння частинок. Шар починає розширюватися і при подальшому збільшенні швидкості повітря частинки приходять в рух. Об'єм шару збільшується в 1,2-1,8 разів залежно від інтенсивності дуття, форми і розмірів частинок. Опір киплячого шару з зміною інтенсивності дуття не змінюється, оскільки при цьому збільшується відстань між частинками, тобто збільшується прохідне січення для газу. При надмірному збільшенні швидкості дуття увесь шар переходить в зважений стан і може бути винесений з робочої камери.
Для киплячого шару подібно до рідини характерний лінійний закон падіння тиску по його висоті (рис. 10 б). Тиск (опір) в киплячому шарі пропорційний його висоті і густині «киплячого» матеріалу. На відміну від аеросуспензії, де відносна швидкість частинок і газу наближається до нуля, для киплячого шару в окремі періоди (при падінні частинок) вона доходить до декількох метрів в секунду.
Вперше використання принципу киплячого шару в топковому пристрої було розпочато в 1944 р. для малореакційних дрібнозернистих палив, а далі і для бурого вугілля.
Характерною особливістю таких топок є двоступінчата схема організації процесу горіння. В якості першого ступеня топки використовується киплячий шар, де проводиться інтенсивна і глибока теплова підготовка палива (прогрів, підсушування і виділення високотемпературних горючих газів). Другим ступенем топки є камера допалювання горючого газу, який виділяється в киплячому шарі і частинок термічно підготовленого виносу, які в ньому містяться.
При роботі таких топок на АШ в шар подають біля третини повітря, яке необхідне для повного згорання палива. Газоутворення в киплячому шарі (рис. 11) відбувається подібно до газоутворення в щільному шарі, однак киснева і відновна зони мають збільшену товщину. Температуру киплячого шару підтримується на рівні, яка виключає плавлення золи, щоб уникнути шлакування шару. Це може бути досягнуто встановленням в шарі охолоджуючих поверхонь і рециркуляцією димових газів і ін.
Рис. 11. Динаміка газоутворення і розподіл температури по висоті киплячого шару (паливо: антрацит 3-5 мм; навантаження В/R = 700 кг/(м2∙год))
Відносно висока і достатньо рівномірна температура по висоті шару (при роботі на АШ близько 1000 °С), сприятливі гідродинамічні умови, які визначаються підвищеною відносною швидкістю газу і наявність достатньо розвиненої поверхні окислення дрібнозернистого палива забезпечують високу продуктивність киплячого шару в якості першого ступеня напівгазової топки. В даних умовах горючий газ, який виходить з шару, має температуру близько 1000 °С і теплоту згорання 1,7-2,5 МДж/м3. Видима густина теплового потоку на дуттєві решітки складає qR = 4,7-7 МВт/м2.
Другий ступінь топки для допалювання газу і виносів можна виконати по різних варіантах. На рис. 12 показана компоновка однокамерної топки з киплячим шаром і водогрійним котлом; другий ступінь топки розташовується безпосередньо над шаром.
Рис. 12. Компоновка топки з киплячим шаром з водогрійним котлом:
1 - топкова камера: 2 - конусна частина топки; 3 – дуттєві решітки: 4 - дуттєва коробка: 5 - камера допалювання випавших частинок; 6 - шнек золовидалення; 7 - паливний шнек; 8 - шуруючий вал; 9 - екранні труби; 10 - колектор; 11- барабан; 12 - конвективний пучок; 13 – паливний бункер; 14 - фурми вторинного дуття; 15 - бак з гідрозатвором для золи; 16 - підведення мережевої води; 17 - підведення первинного дуття; 18 - підведення повітря в камеру допалювання; 19 – запалювальний пояс
Така топка у виробничих умовах працювала на коксі і вугіллі. Величина палива 0-20 мм. Теплова потужність водогрійного опалювального котла близько 5 МВт. При роботі на коксі (Ар=17,33%; Wр=19,85%) близько 30% всієї кількості повітря, яке необхідне для горіння, поступає під решітки, які мають живе січення 3-4 %. Решта повітря подається в топкову камеру над киплячим шаром через два ряди фурм. Необхідне охолодження киплячого шару палива для здійснення безшлакового режиму (t=1000°С) досягається розташованими в киплячому шарі водоохолоджуючими поверхнями, які включені в систему циркуляції котла.
Коефіцієнт тепловіддачі від киплячого шару до охолоджуючої поверхні складає близько 250-400 Вт/(м2∙К). Передбачено також вприскування води безпосередньо в киплячий шар для можливості регулювання його температури в разі потреби. При роботі на вугіллі мазки БМ (Ар= 19,8 %; Wр=33,84 %) в шар подавалося близько 50-60 % всього повітря, температура шару підтримувалася на рівні 900 °С.
Підтримання бажаної зольності шару, яке виключає його згасання і забезпечує невеликі втрати від механічного недопалу, здійснюється безперервним або періодичним «продуванням» шару через вигрібний пристрій. Висота шару в киплячому стані підтримується на рівні 600-800 мм. Необхідний тиск повітря під решітками складає 3400-3900 Па. При роботі на коксі витрата палива складає близько 0,3 кг/с, а при роботі на вугіллі 0,5 кг/с. При цьому видима густина теплового потоку дуттєвих решіток складає qR = 4,8 МВт/м2 при об'ємній густині тепловиділення на усю топкову камеру qV=0,17 МВт/м3.
На рис. 13 показані деякі інші варіанти другого ступеня топки з киплячим шаром.
Рис. 13. Схеми організації другого ступеня топки з киплячим шаром:
а) топка з тангенціальним підведенням вторинного повітря; б) топка з турбулентним пальником; в) топка з циклонною камерою
На схемі а) - варіант однокамерної топки з киплячим шаром, де для інтенсифікації спалювання виносів вторинне повітря подається тангенціально; на схемі б) зєднання першого і другого ступенів двокамерної топки відбувається за допомогою спеціального турбулентного пальника; на схемі в) як другий ступінь топки використовується циклонна камера з рідким шлаковидаленням.
Особливий інтерес до організації спалювання палив в киплячому шарі викликаний рядом обставин. Для спалювання можуть використовуватися різні палива (включаючи низькосортні) величиною 0-20 мм. При цьому значно скорочуються витрати електроенергії на паливопідготовку. Розташування поверхонь нагріву в киплячому шарі, де коефіцієнт тепловіддачі складає 200-300 Вт/(м2∙К), забезпечує істотне зниження металоємності установки. Робота з відносно низькотемпературним шаром (800-1000 °С) приводить до значного зменшення забруднення атмосфери сполуками сірки, оскільки велика його частина залишається в шарі і віддаляється разом з золою. Для підвищення ступеня вловлювання сірки в киплячий шар може додаватися вапно або доломіт. Завдяки низькій температурі газів киплячого шару вони практично не містять оксидів азоту. Знижується також сублімація лужних сполук золи палива, що приводить до зменшення забруднення поверхонь нагріву.
Принципова схема котла з топкою киплячого шару з розміщенням частини поверхонь нагріву в шарі показана на рис. 14. Передбачено повернення в топку вловленого виносу в якому міститься значна кількість невигорілого вуглецю. Можлива також схема з допалюванням виносу в спеціальному пристрої.
В даний час в експлуатації знаходяться різні топки з киплячим шаром, зокрема і для котлів великої паропродуктивності, а також таких, що працюють під тиском, що приводить до подальшої інтенсифікації процесу спалювання твердого палива і поліпшенню техніко-економічних показників.
Разом з спалюванням твердого палива в киплячому шарі може бути організоване високоефективне спалювання газового і рідкого палив. Для цього над дуттєвими решітками створюється киплячий шар з інертного матеріалу (пісок, цегляна крихта і т.п.), в якому спалюється газ або рідке паливо. В такому киплячому шарі також можуть бути встановлені поверхні нагріву котла, що інтенсифікує теплопередачу.
Широке розповсюдження в промисловості знаходять також технологічні топки з киплячим шаром, зокрема для випалення різних сірковмісних матеріалів (колчедану, мідних і цинкових концентратів і ін.). Для підтримання температури шару на рівні, яке виключає його шлакування, використовують охолоджуючі елементи, які розташовують безпосередньо в киплячому шарі і відбирають надлишкову теплоту. В цих елементах, як правило, виробляється пара.
Рис. 14. Принципова схема котла з топкою киплячого шару з розміщенням випарних і пароперегріваючих поверхонь в шарі:
1 - барабан котла; 2 - економайзер; 3 - випарні поверхні; 4 - конвективний пакет пароперегрівача. 5 - пароохолоджувач; 6 - вихідний пакет пароперегрівача; 7 - подача палива; 8 - киплячий шар; 9 - сепаратор пилу; 10 - повернення пилу в киплячий шар; 11 - повітропідігрівач; 12 - подача повітря в киплячий шар
