Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы, постановка задач исследования, моделирование топочной аэродинамики 12
1.1. Обзор литературы по существующим схемам сжигания топлив в топках котлов 12
1.2. Снижение выбросов оксидов азота путем оптимизации топочной аэродинамики 24
1.3. Влияние особенностей аэродинамики факела на комплексную эффективность работы котлов 29
1.3.1. Проблемы обеспечения надежности и маневренности работы котлов 29
1.3.2. Проблемы обеспечения экологической эффективности и экономичности работы котлов 33
1.3.3. Комплексное преимущество использования прямоточных горелок по сравнению с вихревыми в условиях сопутствующей оптимизации аэродинамики факела в топочной камере 35
1.4. Цели и задачи настоящей работы 36
1.5. Моделирование аэродинамики топочного объема 37
Выводы по главе I... 43
2. Разработка и исследование схемы сжигания кузнецкого каменно го угля на котлах К-50-14-250 46
2.1. Краткое описание парового котла К-50-14-250 и основные недостатки в его работе при сжигании топлив с использованием вихревых горелок 46
2.2. Разработка схем для перехода на сжигание каменных углей в U-образном прямоточно-вихревом факеле
2.2.1. Схема организации топочной аэродинамики и исследования на модели применительно к котлу № 2 50
2.2.2. Предлагаемая для реконструкции схема сжигания топлив на котле № 1 62
2.2.3. Различия в схемах установки прямоточных горелок и сопл на котлах №№ 2, 3, 4, 5 70
2.3. Методика изучения развития прямоточных струй в объеме модели 73
2.4. Исследования топочной аэродинамики котлов с U-образным прямоточно-вихревым факелом на изотермических моделях 76
2.5. Основные результаты испытаний котлов К-50-14-250 после реконструкции 85
Выводы по главе II 99
3. Исследование технологий сжигания кузнецкого каменного угля на котлах ТП-87 при их переводе на твердое шлакоудаление 103
3.1. Описание котла ТП-87 и причины его низкой надежности и экологической эффективности 103
3.2. Проблемы перевода котла ТП-87 на режим твердого удаления шлака 105
3.3. Разработка схемы сжигания пыли высокой концентрации в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ) 107
3.3.1. Компоновочная схема для ступенчатого сжигания угольной пыли 107
3.3.2. Конструктивные особенности предлагаемых горелок и сопл для котла ТП-87 111
3.4. Метод расчетной оценки распределения потоков горячего воздуха через горелки и сопла котла ТП-87 и конструктивные особенности воздушного тракта 116
3.5. Результаты исследований топочной аэродинамики на изотермической модели 118
3.6. Оценка эффективности предложенной реконструкции то-почно-горелочных устройств 134
Выводы по главе III 138
4. Исследование и оптимизация аэродинамики топочной камеры котла ТГМП-314 при сжигании природного газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле 142
4.1. Краткое описание прямоточного котла сверхкритического давления типа ТГМП-314 и существующей технологии сжигания топлив 142
4.2. Предлагаемая схема сжигания газа и мазута 148
4.3. Конструктивные особенности прямоточных горелок для котла ТГМП-314 151
4.4. Исследования на физической модели аэродинамики топки при трехступенчатом сжигании топлив 157
Выводы по главе IV 168
Заключение 171
Список использованных источников
- Влияние особенностей аэродинамики факела на комплексную эффективность работы котлов
- Разработка схем для перехода на сжигание каменных углей в U-образном прямоточно-вихревом факеле
- Проблемы перевода котла ТП-87 на режим твердого удаления шлака
- Предлагаемая схема сжигания газа и мазута
Введение к работе
Актуальность работы
Стратегия развития энергетики России предусматривает значительное
увеличение генерирующих мощностей ТЭС. Так, в период до 2030 г., для обеспечения
прогнозируемого энергопотребления необходимо увеличение производства
электрической энергии в 1,7-2,1 раза по сравнению с 2008 г. Существующие темпы ввода нового оборудования в значительной мере отстают от необходимых.
Широко распространенная практика применения вихревых горелок имеет свои недостатки, к которым можно отнести следующие: вихревые горелки, являясь горелками индивидуального действия, требуют повышенного внимания к организации их совместной работы для обеспечения эффективности сжигания топлив при малых избытках воздуха; горение органических топлив в этих горелках начинается в глубине амбразур, что приводит к постепенному обгоранию и короблению лопаточного аппарата и топливораздающих устройств. На многих пылеугольных котлах при использовании вихревых горелок из-за неустойчивого горения угольной пыли при снижении паропроизводительности подсветка газом или мазутом начинается на нагрузках в 70-80 % от номинальных.
Неудовлетворительное состояние атмосферного воздуха в крупных городах и промышленных центрах заставляет все большее внимание уделять вопросу снижения вредных выбросов от оборудования ТЭС и котельных. Эксплуатация котлов, работающих в режиме жидкого шлакоудаления (ЖШУ), сопряжена со значительными выбросами NOx. У большинства котлов этого типа, концентрация оксидов азота в дымовых газах составляет 1200…1800 мг/м3, что в 2,5-4 раза превышает концентрации NOx при твердом шлакоудалении (ТШУ). Поэтому важной задачей является проработка возможности перевода существующих котлов с жидким шлакоудалением на удаление шлака в твердом состоянии при нормативном уровне механического недожога топлива. Однако без модернизации процессов горения за счет реконструкции топочно-горелочных устройств и конструкции топочной камеры это является невозможным.
В условиях старения энергетического оборудования и ужесточения экологических нормативов все большую актуальность приобретают вопросы модернизации, организации рациональной работы, повышения надежности, снижения затрат на обслуживание паровых котлов путем внедрения новых малозатратных технологий сжигания органических топлив. К этим технологиям в полной мере относится сжигание топлив в прямоточно-вихревом факеле (ПВФ).
В данной работе предлагаются способы рациональной организации процессов сжигания природного газа, каменного угля и мазута на различных типах паровых
котлов в условиях прямоточно-вихревого факела (в U-образном факеле при встречно-смещенной компоновке горелок и сопл, с тангенциально направленными горелками и в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов), что позволит относительно малозатратными методами решить актуальные вопросы их эксплуатации. Рассматриваются вопросы модернизации котельных агрегатов следующих типов: ТГМП-314, ТП-87 и К-50-14-250, т.е. котлов различных мощностей и типоразмеров, эксплуатируемых на значительном количестве энергетических объектов страны.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является оптимизация сжигания газа,
мазута и твердого топлива путем усовершенствования аэродинамики прямоточно-
вихревого факела за счет взаимного размещения горелок и сопл на двух
противоположных стенах при сопутствующей организации внутритопочной
аэродинамики для различных типов паровых котлов.
Научная новизна
В работе показано, что прямоточные горелки и сопла при оптимизации аэродинамики топочного объема могут быть применены на всех типах паровых котлов и всех видах органических топлив. В ряде случаев применение ПВФ при сжигании низкореакционной угольной пыли может позволить отказаться от режима жидкого шлакоудаления и перевести котел на ТШУ при нормативном уровне мехнедожога.
Разработана методика экспериментального определения эжекционной
способности прямоточных струй для физических моделей топок котлов.
Разработаны новые схемы организации ПВФ для котлов разных типоразмеров, отличающиеся своей простотой и надежностью, что должно способствовать более широкому внедрению технологий сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле как при реконструкции существующих котлов, так и при проектировании новых.
Достоверность работы
Достоверность результатов достигалась за счет использования апробированных
методик исследований на физических моделях при анализе аэродинамики схем
сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле (ПВФ) и подтверждена результатами
промышленных испытаний реконструированных по разработанным рекомендациям
котлов. В расчетах применялись закономерности, являющиеся либо
фундаментальными, либо применение которых регламентировано общепринятыми нормативными материалами. При проведении испытаний реконструированных котлов использовались приборы, прошедшие своевременную поверку.
Практическая значимость
Применение ПВФ позволяет значительно снизить выбросы NOx при сжигании всех видов органических топлив, повысить надежность работы системы экранных труб,
снизить затраты на ремонт топочно-горелочных устройств, снизить расходы электроэнергии на тягу и дутье, значительно расширить маневренный диапазон пылеугольных котлов за счет стабилизации пламени и снизить их минимально допустимую нагрузку (по условию устойчивого горения) без подсветки факела высокореакционным топливом.
Разработанная в диссертации технология ступенчатого сжигании угля в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ) внедрена на четырех паровых котлах К-50-14-250 производственно-отопительной котельной г. Таштагол. В результате реконструкции котлов были получены результаты, подтверждающие высокую эффективность предложенных схем (что отражено в акте о внедрении разработок). Разработанные технологии и рекомендации по реконструкции котлов ТП-87 и ТГМП-314 с организацией сжигания топлив в ПВФ переданы заказчикам (по котлу ТП-87 выполняется рабочее проектирование).
Результаты работы и основные положения по разработке схем ступенчатого сжигания топлив в ПВФ используются в учебном процессе для студентов, обучающихся по специальности «Тепловые электрические станции». Схемы установки топочно-горелочных устройств используются в качестве примеров и иллюстративного материала при изучении студентами внутритопочной аэродинамики.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в разработке схем сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле для разных типов паровых котлов, работающих на различных топливах, в проведении исследований на физических моделях топок котлов, разработке и применении методики по определению эжекционнной способности топливных струй на физических моделях, в непосредственном участии в пуско-наладочных испытаниях на реконструированных по указанным разработкам котлах и в составлении режимных карт.
Положения, выносимые на защиту
Автор защищает: основные принципы и положения по разработке и оптимизации, схем сжигания топлив в прямоточно-вихревом факеле в условиях ступенчатого подвода окислителя; разработанные технологические решения по переводу котлов на высокоэффективное сжигание топлив в ПВФ; результаты исследований на физических моделях внутритопочной аэродинамики и промышленных испытаний реконструированных котлов.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были доложены на Четвертой международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (г. Москва, МЭИ, 2011 г.), на Национальной конференции «Повышение
эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» – ИТАЭ-80 (г. Москва, МЭИ, 2012 г.), на Восемнадцатой и Девятнадцатой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2012 и 2013 гг.) и на двух заседаниях кафедры Котельных установок и экологии энергетики «НИУ «МЭИ» в 2013 и 2014 гг.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 печатных трудах, четыре из которых входят в утвержденный перечень ВАК, а остальные являются тезисами к докладам на конференциях. По разработкам получен патент на изобретение и свидетельство о государственной регистрации базы данных.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников с 97 наименованиями и трех приложений. Объем основной части работы составляет 182 страницы машинописного текста, объем приложений – 15 страниц.
Влияние особенностей аэродинамики факела на комплексную эффективность работы котлов
Стремление к повышению экологической эффективности работы котлов и наиболее полному использованию (выжигу) топлива при минимальных затратах на ремонты и обслуживание топочно-горелочных устройств заставляет постоянно совершенствовать схемы и методы сжигания топлив, а также применять различные режимно-технологические мероприятиями (организация рециркуляции дымовых газов, переход на ступенчатое сжигание и проч.).
Особенно остро вопросы оптимизации сжигания стоят на пылеугольных котлах из-за постепенного ухудшения качества используемых углей и перехода на непроектные их виды.
В литературе большое внимание уделяется модернизации котлов и их промышленному освоению при использовании новых схемных решений сжигания органических топлив [12-31]. Большое внимание в этих работах уделяется охране воздушного бассейна от вредных выбросов.
Наиболее распространенные схемы установки горелочных устройств в газомазутных и пылеугольных котлах при твердом (ТШУ) и жидком (ЖШУ) шлакоудалении [32, 33] приведены на рис. 1.1-1.3. На этих рисунках приняты следующие обозначения: aт и bт – ширина и глубина топочной камеры соответственно; dy – условный диаметр крутки.
Топки для сжигания газа и мазута в большинстве случаев имеют расположения горелочных устройств, приведенные на рис. 1.1. Циклонные предтоп-ки на газомазутных котлах (рис. 1.1 в) используются редко из-за высоких выбросов вредных веществ, образующихся при горении (в частности оксидов азота), постепенного обгорания экранов циклонной камеры, возможности проникновения продуктов сгорания в котельный цех даже при незначительной не 13 плотности, повышенных тепловых напряжений экранных поверхностей на уровне выхода газов из предтопков. Ограниченной серией выпускались котлы ТГМП-314Ц с циклонными предтопками, от которых в дальнейшем практиче ски везде отказались.
Топки с удалением шлака в твердом состоянии (рис. 1.2) применяются при сжигании бурых и каменных углей, фрезерного торфа и сланцев. Горелки размещают в несколько ярусов при различной их компоновочной схеме (фронтальной, встречной, встречно-смещенной, тангенциальной).
Для интенсификации сжигания слабореакционных топлив (марок АШ, Т, ПА, СС и некоторых других) и снижения величины механического недожога используются топки с жидким шлакоудалением (рис. 1.3). В зоне активного горения топлив (ЗАГ) экранные трубы ошиповывают и покрывают огнеупорной обмазкой для снижения тепловосприятий экранов, и как следствие для повы 15 шения температур продуктов сгорания в ЗАГ. С этой же целью используется пережим топки. Циклонные предтопки конструктивно сложны и склонны к быстрому обгоранию.
На рисунке 1.4 приводится схема движения топлива и воздуха в вихревой горелке полученная по испытаниям модели мазутной горелки [34]. На графике рис. 1.4 приведена зависимость относительного количества рециркулирующих топочных газов в зависимости от расстояния до горелки.
К достоинствам вихревых горелок можно отнести большую устойчивость зажигания [35] за счет одновременно внутреннего (в зоне обратных токов) и наружного прогрева топливовоздушной струи (см. рис. 1.4). Это достоинство в полной мере может быть использовано лишь на котлах средней паропроизводи-тельности при достаточно свободной их установке, при которой во внутренней полости образуется значительная рециркуляционная зона. На мощных котлах большое значение имеет взаимодействие факелов при определенных компоновках горелочных устройств, однако использование вихревых горелок в этом случае во многом сопряжено с определенными трудностями ввиду большого угла раскрытия потоков и неудовлетворительного заполнения ими топочного пространства. Поэтому роль вихревых горелок в организации топочного процесса сильно ограничена.
Вихревые горелки громоздки, сложны в изготовлении, обладают высоким аэродинамическим сопротивлением. За счет излучения раскаленных топочных газов и их проникновения в амбразуры происходит коробление и обгорание насадков и завихривающих аппаратов. Ремонт таких горелок сопряжен с трудностями технического характера и в некоторых случаях не может быть качественно произведен без привлечения завода-изготовителя.
Разработка схем для перехода на сжигание каменных углей в U-образном прямоточно-вихревом факеле
При наличии высокотемпературного ядра факела снижается также надежность работы экранных труб из-за возможного перегрева металла, что требует частых промывок труб НРЧ для удаления отложений солей с внутренних стенок труб, т.к. в противном случае положение усугубляется за счет повышения термического сопротивления.
Наименьшую надежность работы металла труб имеет НРЧ боковых (малых) стенок топки, т.к. они воспринимают радиационное излучение из ядра факела, имеющего максимальную толщину излучающего слоя. Центральные зоны малых стен топки имеют наименьший запас надежности против повреждения металла. Этот запас резко снижается при работе на сернистом мазуте из-за возможности выхода продуктов сгорания из ядра горения в сторону малых стен с набросом на них пламени, содержащего сероводород [33]. Из-за стремления снизить скорость сероводородной коррозии крайние горелки приходится смещать к оси больших стен топки, уменьшая горизонтальный шаг установки горелок. Но при этом дополнительно повышается температура газов в ядре факела со всеми отрицательными последствиями, указанными выше.
На пылеугольных котлах с ЖШУ выход достаточно большой массы продуктов сгорания из зоны соударения факелов вихревых горелок противоположных стен вниз способствует разогреву пленки жидкого шлака на поде. Однако после перехода на подачу угольной пыли в топки по технологии ПВК (пыль высокой концентрации) наряду с обеспечением надежности работы пылепрово-дов против абразивного износа произошло ухудшение зажигания и перемешивания угольной пыли с воздухом. Поэтому существенно увеличилось попадание несгоревшей угольной пыли на под, что привело к увеличению вязкости шлака и существенному повышению минимальной располагаемой нагрузки котлов по условию обеспечения надежного выхода жидкого шлака без подсвет 32 ки пылеугольного факела. Так, например, на котлах ТП-87 Западно-Сибирской ТЭЦ эта нагрузка составляет 310-320 т/ч и возрастает при ухудшении качества сжигаемого угля. Подобная ситуация резко снижает регулировочный диапазон работы котлов, поскольку максимальная располагаемая нагрузка в этих случаях снижается до 360-380 т/ч из-за шлакования пароперегревателя и усугубляющегося дефицита тяги.
Стабильность положения зоны соударения факелов вихревых горелок противоположных стен в ряде случаев резко нарушается. Например, котлы П-57 [12] работают на экибастузских углях, размалываемых в шахтных мельницах с подачей пыли от каждой мельницы по трем пылепроводам на смежные горелки. Часто возникает неблагоприятная ситуация, когда наряду с остановленной для ремонта мельницей аварийно (например, из-за разрушения бил) отключается соседняя мельница. В этих случаях через шесть смежных горелок данной стены подается воздух только для их охлаждения (всего топка котла оборудована 24 горелками, установленными в двух ярусах по 12 на каждой большой стене). Из-за разбаланса динамических давлений факелов горелок противоположных стен ядро горения резко смещается в сторону отключенных шести горелок. В результате происходит коробление завихривающих лопаток горелок, которые и в расчетном режиме их работы подвержены сильному эксплуатационному разрушению за счет абразивного износа угольной пылью.
Мощный поток продуктов сгорания, выходящий вверх из зоны соударения факелов, имеет высокие вертикальные скорости в большой плоскости симметрии топки. При этом в эксплуатационных условиях (несмотря на большую высоту топок) не удается снизить температуру газов на их выходе до расчетного уровня. Это приводит к шлакованию ширм и конвективного пароперегревателя (при сжигании угля) и повышению температуры их металла выше нормативной (при сжигании угля и особенно газа). 1.3.2. Проблемы обеспечения экологической эффективности и экономичности работы котлов
Топочная аэродинамика с соударением факелов горелок противоположных стен в центре топки, как уже отмечено выше, характеризуется высокотемпературным ядром горения в зоне соударения. Поэтому обычно при сжигании мазута и особенно кузнецкого угля в режиме ЖШУ удельные выбросы NОх значительно превышают нормативные значения. Так, на котлах ТПП-210А ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго» при сжигании тощего кузнецкого угля удельный выброс NОх составляет 1400-1900 мг/м3при нормативе 640 мг/м3 [5].
При сжигании газа на типовых котлах ТГМП-314 обычно удается снизить удельный выброс NОх до нормативного (125 мг/м3 [5]) за счет использования трех экологических мероприятий: применения горелок ухудшенного перемешивания, ступенчатого сжигания топлива и ввода через отдельные каналы горелок газов рециркуляции с повышенной их долей [12].
В мощных топках со встречным размещением газомазутных вихревых горелок, в которых продукты сгорания движутся вверх с большой скоростью после соударения в большой плоскости симметрия топки, увеличение доли вторичного воздуха с целью подавления NОх не является эффективным мероприятием. Это обусловлено несколькими причинами: повышенным сажеобразова-нием при сжигании мазута, снижением дальнобойности струй вторичного воздуха в условиях наличия слабообменных, но мощных вихревых зон над уровнем размещения горелок верхнего яруса и повышенным расстоянием от сопл до продольной оси топки. Поэтому необходимо использование дополнительного экологического мероприятия – ввод в топки газов рециркуляции с большой их долей. Однако это мероприятие сопровождается снижением запаса по тяге и увеличением температуры газов перед РВП, т.е. снижением экономичности работы котла.
Проблемы перевода котла ТП-87 на режим твердого удаления шлака
Разработанная схема организации топочной аэродинамики в условиях прямоточных встречно-смещенных струй приведена на рис. 2.2, ее можно назвать схемой сжигания топлив в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ). На рисунке (и в этой главе) приняты следующие условные обозначения: Г – прямоточная горелка, СВВ – сопло вторичного воздуха, СТВ – сопло третичного воздуха, цифрами указаны номера горелок и сопл. По высоте топочной камеры осуществляется ступенчатый подвод окислителя к горящей струе топлива за счет сопл вторичного и третичного дутья. Конструктивно прямоточная горелка выполнена в виде трубы 4267 мм, имеющей наклон вниз на 450, во внутренней части которой установлены рассекатели пыли. Отметка установки 11 м. На противоположной боковой стене топки (в плоскости размещения горелок) установлены сопла вторичного и третичного воздуха. Сопла вторичного воздуха установлены горизонтально на отметке 7,1 м и имеют 4267 мм. Центральный канал сопла вторичного воздуха является трубой установки мазутной форсунки парового распыла. Сопла третичного воздуха 2197 мм по высоте находятся между горелкой и соплом вторичного воздуха (отметка 9,5 м) и предназначены для дополнительной турбулизации хвостовых объемов горелочных струй и увеличения концентрации окислителя на стадии догорания топлива. При этом учитывалось, что указанная компоновка должна обеспечить сравнительно низкое положение ядра факела и надежную турбули-зацию топливных потоков свежими горелочными струями и свежими струями третичного дутья. Выпадению несгоревшей пыли в холодную воронку должна препятствовать воздушная подушка из струй вторичного воздуха.
Скорость струй на выходе из сопл вторичного воздуха и сопл третичного дутья (при полностью открытых шиберах перед первыми и работе котла на двух мельницах) составит порядка 17,5 м/с. Шиберы перед соплами вторичного воздуха могут частично прикрываться. Это позволит увеличить скорость истечения струй третичного дутья, что важно для интенсивной турбулизации догорающего факела.
Схема установки прямоточных горелок, сопл вторичного и третичного воздуха на котле № 2 На выходе из горелок была предусмотрена установка рассекателей потоку аэросмеси с размером 192 мм. Это конструкторское решение должно обеспечить зону обратных токов и в определенной степени повысить устойчивость зажигания угольной пыли. При этом начальный периметр эжекции был увеличен на 25 % и составил 6,5 м (на четыре горелки), против 2,75 м – на существующих горелках.
Скорость истечения аэросмеси составит 26,9 м/с (Dном = 50 т/ч, в работе две мельницы) и 15,9 м/с (D = 30 т/ч, в работе одна мельница).
На рисунке 2.3 приведены эскизные проработки конструкций прямоточных горелок, сопл вторичного и третичного воздуха.
Мазутные форсунки вставляются в сопла вторичного воздуха под небольшим углом к оси сопл. Они имеют короткие стволы (не более 1,2 м) и обслуживаются с прежней площадки (отметка 6,6 м).
Делители пыли спроектированы таким образом, чтобы при работе на одной мельнице во все прямоточные горелки подавалась угольная пыль. До реконструкции при отключении одной из мельниц в работе находились всего две вихревые горелки из четырех, что также являлось одной из причин неустойчивого горения топлива на сниженных нагрузках.
Компоновочная схема обеспечивает нижнебоковой принудительный подвод топочных газов в свежие горелочные струи, что решает проблему устойчивого зажигания. При этом важно, что не потребуется прогревать достаточно большие массы вторичного воздуха (это имеет место в существующих горелках котла К-50-14-250).
Повышенная величина внутренней рециркуляции топочных газов, содержащих продукты недожога, в свежие горелочные струи, а также наличие рассредоточенной зоны дожигания факела струями третичного дутья [69] позволит снизить удельный выброс NОх до нормативного уровня – 470 мг/м3 [5].
Важная роль третичного дутья состоит в турбулизации факела, поднимающегося вверх. Избыток третичного воздуха должен составлять около 0,1 при номинальной скорости истечения не менее 17,5 м/с. Для обеспечения более высокой скорости потребуется частичное прикрытие воздушных шиберов перед соплами вторичного воздуха.
Основу принятого для дальнейшей проработки варианта составляют следующие положения.
1. Использование прямоточных горелок вместо вихревых позволяет лучше заполнить топочный объем и более надежно контролировать траектории движения их факелов.
2. Подъем горелок на более высокий уровень и наклон их вниз обеспечивает увеличение располагаемой длины обобщенного факела [69]. В условиях повышенных расходов первичного воздуха (из-за высоких присосов холодного воздуха в пылесистемы) этот принцип компоновки позволяет более полно использовать кинетическую энергию направленных с наклоном вниз струй аэросмеси для лучшего зажигания и перемешивания реагентов (благодаря встречному движению: аэросмесь движется наклонно вниз, а продукты сгорания – вверх).
3. Отдельный (от вторичного и третичного воздуха) ввод в топку струй аэросмеси способствует их более быстрому прогреву, зажиганию и подавлению образования NОх [8].
4. Использование четырех делителей пыли позволяет сохранять количество горелок (четыре штуки) независимо от числа работающих мельниц. Это должно повысить устойчивость зажигания угольной пыли при работе на одной мельнице и исключить необходимость включения мазутных форсунок при снижении нагрузки котла. Каждый делитель состоит из нижнего ввода 273х7 мм и двух верхних отводов 219х7 мм. Перед каждой горелкой устанавливаются специальный переходник-смеситель. К нему подходят два пылепровода 219х7 мм – по одному от делителей, относящихся к разным мельницам.
Увеличения сопротивления пылепроводов за счет новых участков не произойдет, т.к. перед горелками не будет улиток. Наоборот, по оценкам, сопротивление пылепроводов снизится на 18 кгс/м2. Появится возможность некоторого увеличения вентиляции работающей мельницы и ее дополнительной загрузки топливом.
Предлагаемая схема сжигания газа и мазута
По результатам исследований на физической модели можно заключить, что прямые удары топливовоздушных струй в противоположную стенку отсутствуют. Потоки топочных газов (уже охлажденных), скользя вдоль стен, отжимают от них топливовоздушные струи, движущиеся от противоположной стены. Этому же способствуют корни топливовоздушных и воздушных струй данной стены.
По повышенному углу расширения струй вторичного и третичного дутья в центре топки можно сделать вывод о хорошем перемешивании реагентов при дожигании топлива. Этому способствует высокая степень турбулентности среды в модели за счет противоположных углов установки горелок и сопл в двух ярусах и вращение вихревых образований на уровне этих ярусов в противоположные стороны. Заполнение объема модели струями полное, что косвенно говорит о надежном рассредоточении ядра факела как по ширине, так и по глубине модели. Активное взаимодействие третичного воздуха с факелом происходит выше уровня установки сопл воздушного (третичного) дутья, но как уже было отмечено ранее, оно является сравнительно интенсивным, т.е. в условиях реальной топки будет своевременным.
На приведенных фотографиях хорошо прослеживается более высокая, чем у струй вторичного дутья, дальнобойность топливовоздушных струй. Их интенсивное расширение начинается с середины глубины модели. В то же время отсутствуют признаки повышенного динамического давления на противоположные стены. Повышенная дальнобойность топливовоздушных струй свидетельствует о рассредоточении ядра факела не только по ширине, но и по глубине топочной модели. Характер движения потоков восходящий, а нисходящие движения практически отсутствуют. Только у горелок нижнего яруса происходит эжектирование среды из объема модели топки под корни топливовоздуш-ных и воздушных струй. Это можно считать положительным фактором, т.к. в реальной топке эжектированные топочные газы способствуют надежному зажиганию топлива. Кроме того, они способствуют подавлению образования оксидов азота, т.к. содержат продукты химического недожога топлива.
Чрезмерное (вплоть до экранированных стен) взаимное проникновение струйных факелов четных горелок первого и нечетных горелок второго ярусов будет исключено за счет их взаимодействия с воздушными струями, вытекающими из горелок противоположной стены. Продукты сгорания четырех крайних горелок обоих ярусов, а также центральных горелок №№ 3,7,10,14 попадают в зоны между топливоподающими и воздушными струями, вытекающими из противолежащих горелок, и тормозятся ими. В крайних горизонтальных вихрях боковые экраны будут защищены от контакта с продуктами сгорания воздушными прослойками.
Следует учитывать, что указанное взаимодействие струй и перемешивание реагентов будет удалено от высокотемпературной зоны топки и осуществляться в условиях пониженной температуры топочных газов (не более 1550…1600 оС), что объясняется охлаждением продуктов сгорания при приближении их к фронтальному и заднему экранам. Поэтому даже возможное появление в этих зонах взаимодействия струй локальных объемов с избытком воздуха, близким или большим единицы, не приведет к заметному локальному образованию здесь термических оксидов азота.
Проведем сравнительную оценку степени внутренней рециркуляции топочных газов в корни топливных струй и струй вторичного воздуха в исходном и предлагаемых вариантах топки. Пренебрегая влиянием начального отношения плотностей эжектирующих струй и эжектируемых потоков, которое в обоих случаях примерно одинаково, подсчитаем сумму произведений начальных периметров струй (Пi) и квадратов скоростей истечения (Wi2). Она пропорциональна степени внутренней рециркуляции продуктов сгорания в корни струй. Итак, имеем в исходном и предлагаемом вариантах топки соответственно:
(Пi Wi2) = 5574 м3/с2 и (Пi Wi2) = 10498 м3/с2. (4.3)
Таким образом, в предлагаемом варианте топки степень внутренней рециркуляции продуктов сгорания в корни топливовоздушных струй и струй вторичного воздуха в 1,88 раза больше. Эжектируемые продукты сгорания являют 167
ся в определенной степени охлажденными (за счет радиационной и конвективной теплоотдачи из факела топочным экранам) и содержащими продукты хим-недожога, что в значительной степени будет способствовать дополнительному снижению удельных выбросов оксидов азота. Кроме того, можно дополнительно утверждать, что произойдет некоторое снижение суммарного избытка воздуха на выходе из горелок и сопл. Это свидетельствует о более высокой экономичности и экологической эффективности предлагаемой технологии сжигания.
Как это видно из сравнения рис. 4.4-4.5, направление поворота осей каналов во втором ярусе горелок следует осуществить по зеркальному отображению компоновки горелок первого яруса. В результате этого между первым и вторым ярусами соседних по высоте топки струй будут образовываться вертикальные вихри, причем в каждой паре соседних вихрей вращение продуктов сгорания также будет осуществляться в противоположном направлении, как и вращение соседних горизонтальных вихрей.
