Топки для сжигания жидкого топлива

Для сжигания мазута разных марок используются топки для сжигания жидкого топлива. Для сжигания жидкого топлива (мазута) необходима его предварительная подготовка: уменьшение вязкости и распыление, при котором обеспечивается испарение мазута. Исследования показали, что горение жидкого топлива происходит только в газовой фазе. Поэтому горению топлива должно предшествовать его испарение, смешение с окислителем, прогрев горючей смеси до температур, при которых обеспечивается большая интенсивность протекающих реакций горения.

Распыление и распределение жидкого топлива в потоке окислителя (воздуха) производится в элементе горелки, называемом форсункой. Под горелкой понимается устройство, состоящее из форсунки, воздухонаправляющего аппарата и амбразуры.

Форсунки молено классифицировать по различным признакам. Чаще всего их классифицируют по способу распыления топлива. Форсунки, в которых распыление топлива производится за счет потенциальной энергии струи мазута, находящейся под давлением, называются механическими. Форсунки, в которых для распыления мазута используется кинетическая энергия распыляющего агента (воздуха, пара), называются пневматическими. Форсунки, в которых для распыления мазута используется механическая энергия вращающегося распылителя (диск или стакан), называют ротационными. Указанные способы распыления мазута наиболее часто применяют в топках промышленных парогенераторов и водогрейных котлов.

К форсункам предъявляется ряд требований, основными из которых являются: надежность; устойчивость зажигания и стабильность фронта горения в широких пределах изменения нагрузки; обеспечение заданной мощности агрегата и температуры перегретого пара; обеспечение полного горения при минимальных коэффициентах избытка воздуха в широком диапазоне изменения нагрузки; простота изготовления, ремонта, обслуживания; минимальное сопротивление проходу воздуха; быстрота перехода на другой вид топлива (например, газ).

Одной из основных характеристик форсунки является ее мощность (МВт), т. е. количество теплоты, выдаваемой форсункой в единицу времени (BQ_P).

В форсунках с механическим распылением мазуту сначала сообщается вращательное движение, и затем он с большой скоростью вытекает из отверстия, называемого соплом. Вращательное движение создается винтовой нарезкой, подачей мазута по тангенциально расположенным каналам в вихревую камеру, лопаточным завихрителем и т. д. Вследствие этого мазут вытекает из сопла форсунки в форме конусной пленки, которая при больших скоростях истечения распадается на мелкие капли.

В форсунках с пневматическим распылением топлива в качестве распыляющего агента применяется пар или воздух. Струя пара или воздуха, обладающая большой кинетической энергией, подхватывает направляемые в нее под углом тонкие струйки мазута и разбивает их на отдельные капли.

В ротационных форсунках под действием центробежных сил вращающегося распылителя в зависимости от его размеров и режима работы может происходить образование струй или пленки, распадающихся затем на капли.

Механические форсунки имеют узкий диапазон регулирования мощности, так как при снижении давления мазута перед ними заметно ухудшается качество распыления. Пневматические форсунки с паровым распылением создают шум и расходуют большое количество пара (от 0,3 до 1 кг пара на 1 г мазута). Исключение указанных недостатков достигается сочетанием механического и парового распыления. Комбинированные паромеханические форсунки обеспечивают удовлетворительное распыление мазута в диапазоне изменения мощности форсунки от 20 до 100% и имеют расход пара 0,02-0,03 кг на 1 кг мазута.

Форсунки с паровым распылением мазута могут применяться для кратковременной работы, например для растопки котлоагрегата. Форсунки с воздушным распылением хотя п не обеспечивают достаточно тонкого распыления мазута, но применяются, если мазут является аварийным топливом. Ротационные форсунки, несмотря на сложность изготовления, находят в настоящее время все более широкое распространение, особенно для водогрейных котлов.

Существенное влияние на работу мазутной горелки оказывает воздухонаправляющнй аппарат, предназначенный для закрутки воздушного потока. В современных горелках закрутка воздушного потока осуществляется тангенциальным подводом воздуха или установкой специальных лопаток. Закрученная струя имеет ряд преимуществ по сравнению с прямоточной. Она обладает большей эжекционной способностью; падением скорости в осевой области, при известных условиях вызывающим осевой обратный ток; имеет увеличенный угол разноса.

Третьим элементом горелки является амбразура. Как показали исследования, размеры амбразуры влияют на работу горелки. Увеличение длины амбразуры приводит к повышению уровня температур и ее оплавлению. Конические амбразуры обеспечивают более спокойную работу горелки по сравнению с цилиндрическими амбразурами. Наиболее целесообразно выполнять амбразуры в виде конуса с углом раскрытия от 30 до 60°.

Из различных типов горелок с пневматическим распылением мазута наибольшее распространение в свое время получили низконапорные горелки, разработанные ЦКТИ, типа НГМГ (в настоящее время сняты с серийного производства).

Топки для сжигания жидкого топлива (мазута) развиваются в направлении совершенствования вихревых горелок с паромеханическими форсунками, внедрения в эксплуатацию на водогрейных котлах ротационных горелок и разработки камер ступенчатого сжигания мазута.

На рис. 5-33 показана одна из конструкций вихревых горелок с паромеханической форсункой, разработанная ЦКТИ и серийно выпускаемая заводом «Ильмарине». Горелка состоит из паромехапической форсунки, двухзонного направляющего аппарата и газовой камеры с газовыпускными отверстиями. Горелка предназначена для сжигания мазута и природного газа, t. Один из вариантов форсунки с паромеханическим распылением, применяемой в вихревых горелках, показан на рис. 5-34. Принцип действия форсунки заключается в следующем. Мазут по трубе 2 через распределительную шайбу 4 поступает в кольцевую камеру распылителя 5 и затем по тангенциальным каналам попадает в его завихрительную камеру. Закрученная струя мазута под действием центробежных сил прижимается к стенкам завихрительной камеры и, продолжая двигаться поступательно, срывается с кромки сопла распылителя 5, разбиваясь на множество мельчайших капель. Пар из трубы 1 поступает в полость между деталями, пропускающими мазут, и концевой гайкой 8. Из этой полости пар поступает через тангенциальные каналы в камеру парового завихрителя 6. Затем пар выходит под углом из цилиндрической щели и охватывает с внешней стороны распыленную струю мазута.

Подача пара в форсунку необходима при пониженной мощности (50-70 % номинальной). Однако, так как расход пара мал, подача его производится при всех нагрузках форсунки с давлением 70-200 кПа. Давление мазута перед форсункой в зависимости от ее номинальной мощности выбирается от 1,3 до 3,5 МПа. Регулирование мощности форсунки производится изменением давления мазута перед ней. В табл. 5-7 приведены основные характеристики вихревых газомазутных горелок, серийно выпускаемых промышленностью. Они в основном отличаются друг от друга типом воздухонаправляющего устройства. Цифра в шифре горелки указывает ее полезную теплопроизводительность в Гкал/ч.

ЦКТИ совместно с Белгородским заводом энергетического машиностроения (БЗЭМ), Калужским машиностроительным заводом и заводом «Ильмарине» разработал для серийного выпуска два типа горелок с ротационными форсунками. Форсунки малой мощности (до 8 МВт) выпускаются со встроенным вентилятором распыляющего воздуха, а большей мощности - с отдельно устанавливаемым вентилятором распыляющего воздуха.

На рис. 5-35 показана ротационная газомазутная горелка со встроенным вентилятором распыляющего воздуха типа РГМГ (ротационная газомазутная горелка). Мазутная форсунка 11 горелки состоит из полого вала 17, на котором закреплены рабочее колесо 18 вентилятора распыляющего воздуха, распыляющий стакан 13 и гайка-питатель 14. Вал 17 через клиноременную передачу 20 получает вращение от электродвигателя 21. Мазут подводится к штуцеру 3. В центральном отверстии вала расположена консольная топливная трубка 15, по которой мазут поступает в кольцевую внутреннюю полость гайки-питателя 14. В гайке-питателе имеются четыре радиальных канала, по которым под действием центробежных сил мазут вытекает на внутреннюю стенку распыляющего стакана, образуя пленку. В стакане пленка перемещается в осевом направлении и затем срывается с кромки стакана, распадаясь на капли. Угол раскрытия образующегося при этом конуса, если не подавать распыляющего воздуха, близок к 180°. Для получения нужного угла раскрытия конуса и лучшего распыления мазута через завихритель 12 подается распыляющий (первичный) воздух. Первичный воздух поступает также через отверстия в гайке-питателе во внутреннюю полость распыляющего стакана 13, что предохраняет его от закоксования. Распыляющий стакан имеет конусообразную форму и хорошо отполирован.

Вторичный воздух подается в улиточный короб 8 и из него направляется к завихрителю 16 и всасывающему патрубку первичного воздуха 7, в котором имеется шибер для регулирования количества воздуха, поступающего к распыляющему вентилятору. Распыляющий вентилятор создает напор около 5000 Па. Давление мазута должно составлять не более 0,2 МПа. Ротационные форсунки удобны для применения на водогрейных котлах, не вырабатывающих пара. Они имеют широкий диапазон регулирования мощности.

В табл. 5-8 приведены основные характеристики ротационных горелок со встроенным и автономным вентилятором распыляющего (первичного) воздуха.

Удовлетворительное распыление мазута возможно только при его предварительном подогреве. Температура подогрева мазута перед форсунками выбирается с таким расчетом, чтобы вязкость мазута перед ними обеспечивала необходимое качество распыления. Для механических и паромеханических форсунок вязкость мазута рекомендуется поддерживать 2,5 °УВ (16,1 мм²/с), для пневматических - не более 6 °УВ (44 мм^₂/с) и ротационных - не более 8 °ВУ (59 мм²/с). Для получения указанных значений вязкости перед форсунками необходимо подогревать мазут марки 40 до 115 °С, а марки 100 - до 130 °С при сжигании в топках с механическими и паромеханическими форсунками; в топках с пневматическими форсунками - соответственно до 90 и 110 °С; в топках с ротационными форсунками - до 80 и 95 °С.

Работа топок на жидком топливе обычно оценивается не только работой мазутных горелок, но и другими показателями: удельной нагрузкой сечения и объема топочной камеры, коэффициентом избытка воздуха, потерями теплоты от химической неполноты горения.

При сжигании высокосернистых мазутов важное значение приобретает коэффициент избытка воздуха не только с точки зрения экономичности процесса горения,но и в связи с коррозией хвостовых поверхностей нагрева и загрязнением воздушного бассейна. Первые лабораторные опыты по сжиганию мазута с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице, были выполнены в СССР и показали возможность работы топки для сжигания жидкого топлива без химической неполноты горения. Обычно принято считать коэффициент избытка воздуха 1,02-1,0 предельно низким, 1,02-1,05 - низким и более 1,15 - высоким. Исследования и испытания мазутных топок показали, что достижение низких коэффициентов избытка воздуха практически без потерь теплоты от химической и механической неполноты горения возможно при качественном распылении мазута, равномерном распределении мазута и воздуха по отдельным горелкам, рациональной компоновке горелок, применении двухпоточных воздухонаправляющих аппаратов и удельных нагрузках топочного объема (230-290)*103 кВт/м³.

Для оценки коррозионной активности продуктов сгорания сернистых мазутов существенной характеристикой является температура точки росы и содержание серного ангидрида (S0₃). Испытания энергетических котлоагрегатов при сжигании сернистых мазутов показали, что увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к повышению содержания серного ангидрида в продуктах сгорания, а это в свою очередь заметно влияет на повышение температуры точки росы.

Как показали исследования, снижение концентрации вредных выбросов при сжигании высокосернистых мазутов может быть достигнуто при использовании камер с двухступенчатым сжиганием топлива. На рис. 5-36 показана камера двухступенчатого сжигания. Она состоит из паромеханической форсунки с завихрителем первичного воздуха и камеры горения, в которую по кольцевому каналу подается вторичный воздух.

При двухступенчатом сжигании топлива основная часть воздуха (50-70 %) вводится через мазутную форсунку, а остальной воздух подается в кольцевой канал, охлаждая стенки камеры. В конце канала установлен завихритель, через который пропускается вторичный воздух. Вторичный воздух, выходя из завихрителя, смешивается с продуктами газификации мазута, которые полностью догорают в топочной камере парогенератора.

Результаты испытания камер двухступенчатого сжигания показали их работоспособность и надежность в длительной эксплуатации под наддувом (давление в топке парогенератора составляло 2500 Па), При высокой нагрузке топки для сжигания жидкого топлива (1,2*10³ МВт/м³) и коэффициенте избытка воздуха 1,05 потеря от химической неполноты горения отсутствовала. ЦКТИ (совместно с заводами) принял к установке камеры двухступенчатого горения для газомазутных парогенераторов новой серии производительностью от 16 до 75 т/ч.