Особливості горіння вугільного пилу

Вугільний пил для спалювання подається в топкову камеру котла повітрям через пальниковий пристрій. Повітря, яке транспортує в топку вугільний пил, називають первинним. Залишкова кількість повітря, яка необхідна для горіння і яка подається в топку через пальники або повз них, називається вторинним.

В топковій камері вугільні пилинки знаходячись в зваженому стані (польоті) проходять послідовно етапи теплової підготовки, горіння летких та коксу і виділення шлакозолового залишку. Вугільний пил, який поступає в топку, складається з частинок різної великої. Дрібніші частинки запалюються і згорають першими, для більших пилинок етапи теплової підготовки і власне горіння дещо розтягуються. В зв'язку з цим по довжині пиловугільного факела має місце поєднання окремих етапів горіння.

Пиловугільний факел являє собою неізотермічну запилену струю, яка розвивається в обмеженому середовищі високотемпературних топкових газів. Якщо врахувати, що об'єм палива в порівнянні з об'ємом необхідного для його горіння повітря є дуже малим, а пилинки палива практично зважені в потоці, то закономірності і характер розвитку газового струменя можна з достатнім ступенем наближення використати і до пиловугільного факела.

Запилений струмінь, розширюючись в топковому об'ємі, захоплює гарячі топкові гази, перемішується з ними і нагрівається. Прогріванню пилоповітряного потоку сприяє також передача теплоти випромінюванням від газів і кладки, а також в деякій мірі і теплопровідність топкових газів.

Займанню передує теплова підготовка палива, яка відбувається з поглинанням теплоти. Займання пилового струменя починається з її найбільш прогрітого приграничного шару і розповсюджується в глиб струменя, утворюючи факел. Час, який необхідний для займання пилоповітряного струменя, залежить від ряду чинників: величини помолу і виходу летких палива, початкової температури пилоповітряної суміші і концентрації в ній пилу, співвідношення первинного і вторинного повітря, способу підведення вторинного повітря і ін.

Зменшення розмірів пилинок приводить до збільшення відносної поверхні реагування палива, що забезпечує на певній ділянці струменя більше теплопоглинання, яке інтенсифікує прогрів і займання пилоповітряної суміші. Леткі палива, які виділяються при його нагріві і мають нижчу температуру займання в порівнянні з коксовим залишком, спалахують раніше нього і сприяють прискоренню запалення пилу. Чим більше в паливі летких, тим легше його запалити. Полідисперсність пилу також сприяє поліпшенню його займання, найдрібніші пилинки швидко прогріваються і згоряють. Теплота, яка при цьому виділяється, інтенсифікує займання більших пилинок.

Займання пилоповітряної суміші покращується також при підвищенні її початкової температури, для чого на практиці повітря підігрівають (до 300-400°С). Особливо необхідно використовувати високий підігрів повітря при спалюванні малореакційного вугілля (антрацит, худе вугілля).

Прискорене займання пилу також досягається шляхом зменшення кількості первинного повітря, що рівносильно відповідному підвищенню концентрації пилу. Зменшення кількості первинного повітря в пилоповітряній суміші призводить до зниження її теплоємності, що забезпечує прогрівання суміші до вищої температури. Разом з тим кількість первинного повітря має бути достатньою для окисних реакцій на початковій стадії горіння суміші. Для малореакційного вугілля подача вторинного повітря в корінь факела може привести до пониження його температури і віддалення початку займання від гирла пальника. Вторинне повітря в цьому випадку слід підмішувати до факела вже після його займання. Інтенсивний підсос топкових газів з високою температурою до кореня факела сприяє стійкому і ранньому загорянню пилоподібного палива.

Час розповсюдження займання від периферії до осі струменя пов'язаний з розмірами пальника. Чим більше вихідне січення пальника, тим дальше від нього завершиться займання суміші. В зв'язку з цим для інтенсифікації запалення пилоповітряної суміші доцільно замість одного, двох пальників великого розміру використовувати декілька менших пальників; цим разом з збільшенням поверхні запалювання досягається також і менша далекобійність струмин, а також велика можливість регулювати теплове навантаження топки.

Після займання пилогазової суміші вона інтенсивно горить, утворюючи факел. Частина теплоти, яка виділяється при горінні, іде на прогрівання і займання поступившого пилогазового потоку. По довжині пиловугільного факела можна виділити різні області горіння. На рис. 1 приведені дані по вигоранню поліфракційного антрацитного пилу в топці котла ТП-270. На рисунку показана зміна по довжині факела (і в часі) концентрації О₂ і СО₂, а також температури і механічного недопалу. На початку факела має місце інтенсивне вигорання вугільного пилу і зниження концентрації кисню, яке пов'язане з швидким вигоранням дрібних частинок. Склад продуктів згорання тут істотно змінюється. Далі по довжині факела склад газу змінюється незначно. Представлений характер зміни складу газів по довжині пиловугільного факела подібний до розглянутого раніше характеру газоутворення в шарі вугілля.

Рис. 1. Зміна концентрації О₂ і СО₂, температури газів і механічного недопалу по відносній довжині факела (паливо - антрацит; коефіцієнт надлишку повітря α=1,21)

 

Зміни зольності палива, надлишку повітря і температури по довжині факела для реальної топки показані на рис. 2. Після займання вугільного пилу температура пилоповітряного потоку різко зростає. При цьому іде інтенсивне витрата кисню повітря, а зольність частинок внаслідок вигорання пального підвищується. Як видно з графіка, зона догорання коксу займає значний простір топкової камери.

Рис. 2. Зміна зольності, коефіцієнта надлишку повітря і температури по довжині пиловугільного факела

 

Горіння вугільної частинки може протікати в кінетичній, дифузійній або проміжній областях. При пилоподібному спалюванні палива, якщо враховувати малий розмір частинок, горіння в основному протікає в кінетичній і проміжній областях. В ядрі факела, де температура досягає 1500-1600 °С і вище, режим горіння близький до дифузійного. Інтенсивність горіння пилу в факелі залежить від температури, концентрації окисника, відносної швидкості частинок. Для інтенсифікації вигорання пилу в факелі має підтримуватися достатньо висока температура, особливо це важливо для його хвостової частини, де концентрація окисника різко знижена.

Аеродинаміка факела має забезпечувати інтенсивний підсос гарячих топкових газів до кореня факела, достатню турбулізацію потоку і хороше перемішування частинок з окисником. Інтенсивність, стійкість, а також економічність факельного спалювання твердого палива істотно залежать від роботи пальникових пристроїв.

 

Пиловугільні пальники

Пальниковий пристрій має забезпечувати хороше перемішування пилу і повітря, швидке займання пилоповітряної суміші і сприяти практично повному вигоранню пилу. Для камерного (факельного) спалювання твердого палива найбільше поширення одержали вихрові круглі, а також прямоточні щілинні і соплові пальники.

Вихровими називають пальники в яких первинне і вторинне повітря або лише вторинне повітря закручується спеціальними завихрювачами. Закручування потоків досягається за допомогою равлика, який встановленний на вході в пальник, або лопаток, які встановлюються в пальнику аксіально або тангенціально в потоці первинного або вторинного повітря. Принципові схеми вихрових пальників показані на рис. 3. Назва пальника відображає спосіб введення первинного (з пилом) і вторинного повітря. Так, в показаній на рис. 3а прямоточно-равликовому пальнику первинне повітря з пилом (пилоповітряна суміш або аеросуміш) подається через центральну трубу прямоточно (без закручування). Вторинне повітря, яке подається в топку через пальник, закручується равликом.

Конструкція такого пальника (одноравликовий пальник) показана на рис. 4. Аеросуміш поступає в топку через центральну трубу, яка має на кінці чавунний наконечник. Регулювання вихідного січення для аеросуміші відбувається конусом-розсікачем, який може переміщатися. Конус-розсікач забезпечує хороше розкриття пилоповітряного струменя, а також підсос гарячих топкових газів до кореня факела, що інтенсифікує займання палива. Вторинне повітря, яке подається через равлик, виходить в топку завихреним через кільцевий простір, який утворюється наконечником і обмурівкою. Для розтоплення, а також при необхідності підсвічувати пиловугільний факел передбачають встановлення мазутної форсунки, для чого в корпусі пальника є отвір 6. В вихрових пальниках (рис. 3 б-д) мазутні форсунки встановлені по центру пальника.

Рис. 3. Принципові схеми пиловугільних вихрових пальників:

а) прямоточно-равликова; б) прямоточно-лопаткова; в) двохравликова; г) равликово-лопаткова; д) лопатково-лопаткова

І - первинне повітря з вугільним пилом; II - вторинне повітря

 

Рис. 4. Вихровий пиловугільний пальник ОРГРЕС:

1 - равлик вторинного повітря; 2 - вхідний патрубок первинного повітря; 3 - труба первинного повітря, 4 - наконечник; 5 - конус-розсікач; 6 - отвір для мазутної форсунки; 7 - штурвал управління конусом; 8 - рукоятка язикового шибера; 9 - поріг

 

В прямоточних щілинних пальниках (рис. 5 а) подача в топку аеросуміші і вторинного повітря здійснюється роздільно через вузькі щілини. Такі пальники виконуються з зовнішнім 1 і з внутрішнім 2 введенням вторинного повітря. В прямоточних соплових пальниках (рис. 5 б) введення аеросуміші і вторинного повітря здійснюється роздільно через круглі сопла.

Рис. 5. Принципова схема прямоточних пальників

а) щілинний пальник; б) сопловий пальник

І - аеросуміш; ІІ - вторинне повітря

 

Прикладом прямоточного щілинного пальника є широко поширений поворотний пальник. В цьому пальнику (рис. 6) аеросуміш поступає через центральний патрубок, звідки вона через поворотні сопла-щілини виходить в топку. Вторинне повітря поступає в топку по зовнішньому соплу. Сопла за допомогою електродвигуна можна повертати вгору і вниз від горизонтальної площини на 12-20°. Це дає можливість змінювати положення факела в топці.

Рис. 6. Щілинний поворотний пальник:

1 - патрубок первинного повітря; 2 - сопло первинного повітря; 3 - сопло вторинного повітря

 

Для вихрових і прямоточних пальників характерні різні схеми займання, далекобійність факела і опір пальникового пристрою.

Схема запалення пилоповітряної суміші для вихрових турбулентних пальників показана на рис. 7 а. В цих пальниках равликове підведення повітря і наявність конуса-розсікача забезпечують пилоповітряному струменю додаткову складову швидкості, перпендикулярну осі пальника. При цьому струмінь, який виходить з пальника, має форму полого гіперболоїда обертання. Зона розрідження, яка утворюється в його центральній частині, сприяє безперервному підсосу сюди високотемпературних топкових газів, які забезпечують інтенсивне запалення суміші. Займання струменя по зовнішній поверхні конуса гальмується прошарком холоднішого вторинного повітря, яке знаходиться між пилоповітряною сумішшю і гарячими топковими газами. Крім того, тут позначається і вплив охолодження від екранних поверхонь нагріву. На відміну від вихрових турбулентних пальників в прямоточних пальниках рознесення пилоповітряного струменя відсутнє (рис. 7 б). Факел виходить більш далекобійним.

Рис. 7. Схема запалення пилоповітряної суміші: а) круглий турбулентний пальник; б) прямоточний пальник з зовнішнім вторинним повітрям; в) прямоточний пальник з внутрішнім вторинним повітрям І - аеросуміш; II - вторинне повітря

 

Для пальника з зовнішнім вторинним повітрям запалення струменя відбувається по його зовнішній поверхні. Наявність тут вторинного повітря, яке охоплює струмінь, дещо утрудняє прогрівання і займання суміші. Доцільніша схема прямоточного пальника з внутрішнім підведенням вторинного повітря (рис. 7 в), при цьому поліпшуються умови займання пилоповітряної суміші.

Умови займання пилогазової суміші, інтенсивність горіння і довжина факела в значні мірі залежать від співвідношення первинного і вторинного повітря і їх швидкостей на виході з пальника. Для прискорення займання палива кількість первинного повітря, як говорилось вище, доцільно зменшувати. Зниження частки первинного повітря особливо доцільно при спалюванні малореакційного вугілля (антрацит, напівантрацит, худе вугілля). Мінімально можлива кількість первинного повітря визначається умовами транспортування пилу через пальник. При спалюванні малореакційного вугілля кількість первинного повітря приймають до 20 % від загальної кількості, а при спалюванні бурого вугілля до 40-45 %.

Для хорошого сумішоутворення і підсосу гарячих топкових газів, які забезпечують прогрів і займання суміші, швидкості первинного ω₁ і вторинного ω₂ повітря на виході з вихрових прямоточно-равликових пальників тепловою потужністю 25-35 МВт при спалюванні кам'яного і бурого вугілля повинні складати відповідно 18-20 і 22-25 м/с; для пальників двохравликових такої ж потужності при спалюванні антрацитного штибу, напівантрацитів і худого вугілля відповідно 14-16 і 18-21 м/с, а при спалюванні кам'яного вугілля - 20-22 і 26-28 м/с.

Окрім вказаних пиловугільних пальників тепловою потужністю 25 і 35 МВт, для котлів великої потужності використовують пальники потужністю 50, 75, 100, 135 і 150 МВт. Для цих пальників швидкості первинного і вторинного повітря мають бути вищими.

Підвищені швидкості виходу в топку первинного і вторинного повітря (27-30 м/с) приймаються для прямоточних пальників, з метою покращення займання пилогазової суміші. Підвищена швидкість виходу повітря в топку використовується і для скидних пальників (35-45 м/с), через які в топку для спалювання скидаються найтонший вугільний пил, який не вловився в циклоні, і транспортуючий його з млина сушильний агент (повітря).

Якщо передбачається можливість спалювання в топковій камері твердого пилоподібного і газоподібного палив використовують комбіновані пилогазові пальники, що ускладнює паливо-повітряні комунікації. На рис. 8 для прикладу показаний комбінований пилогазовий пальник, який є вихровим пальником з вбудованим багатоструменевим газовим пальником. В центральній частині пальника може бути встановлена також і мазутна форсунка.

Рис. 8. Пилогазовий пальник:

1 - равлик вторинного повітря: 2 - равлик аеросуміші; 3 - труба аеросуміші; 4 - внутрішня труба; 5 - газовий колектор

 

При помолі вугілля в молоткових млинах в ряді випадків вугільний пил вводиться в топкову камеру через спеціальні пальники-амбразури (рис. 9). В установках малої продуктивності подача готового вугільного пилу з первинним повітрям іноді здійснюється за допомогою простої відкритої амбразури (рис. 9 а). Сопла для подачі в топку вторинного повітря розташовуються над і під амбразурою. При спалюванні бурого вугілля і фрезерного торфу швидкість виходу пилоповітряної суміші з амбразури приймають 4-5 м/с, а швидкість виходу з сопел вторинного повітря - 20-25 м/с. Робота таких пальників (відкритих амбразур) характеризується малим кутом розкриття факела, далекобійністю, поганим перемішуванням пилу з вторинним повітрям, несприятливими умовами для займання і горіння пилу і ін.

Амбразури з горизонтальним розсікачем (рис. 9 б) забезпечують збільшення кута розкриття факела, покращення займання пилу, проте в них не усунений ряд інших недоліків. Топка працює з підвищеними втратами від механічного недопалу.

Значного покращення аеродинаміки топки досягають використанням ежекційних амбразур (рис. 9 в). Подача вторинного повітря за допомогою щілинних насадок через амбразуру інтенсифікує перемішування пилоповітряного потоку і вторинного повітря. Частина вторинного повітря з швидкістю 35-45 м/с подається через сопла на задній стінці топки, щоб ядро горіння знаходилося в центральній частині топкової камери.

Рис. 9. Схеми пальникових пристроїв топки з молотковими млинами:

а) топка з відкритою амбразурою; б) амбразура з горизонтальним розсікачем; в) ежекційна амбразура; г) амбразура з плоскими паралельними струменями; д) вихровий пальник

1 - шахта; 2 - амбразура; 3 - сопла вторинного повітря (верхні); 4 - сопла вторинного дуття (нижні); 5 - сопла вторинного повітря; 6 - розсікач; 7- пальника; 8 - введення вторинного повітря

 

Знайшли використання амбразури з пристроєм для спалювання палива в тонких струменях. Така амбразура (рис. 9 г) розділена на вертикальні канали - по числу сопел вторинного повітря, яке виходить з швидкістю 40-50 м/с і ежектує пилоповітряну суміш. В топкову камеру суміш пилу з повітрям поступає з швидкістю близько 20 м/с через вузькі витягнуті щілини, які розташовані на відстані 1500-2000 мм. При цьому забезпечується інтенсивний підсос гарячих топкових газів і стійке запалення та горіння палива.

Ефективною виявилася заміна звичайних амбразур і сопел вторинного повітря вихровими пилоповітряними пальниками. На рис. 9 д показано з'єднання шахти після молоткового млина з топковою камерою за допомогою вихрового пальника. Умови займання і горіння пилу в цьому випадку достатньо сприятливі. Проте тиск, який створюється молотковими млинами є недостатнім для ефективної роботи пальників, що позначається на економічних показниках топки.