Сжигание топлива в камерных топках

В мощных паровых котлах применяется сжигание всех видов топлива: газового, жидкого и твердого в смеси с воздухом в камерных топках.

Приготовление такой смеси требует предварительной подготовки твердого и жидкого топлива, связанной главным образом с его измельчением (пылеприготовление и распыление мазута).

Подготовленное для сжигания топливо вводится в топочную камеру через горелки. Окончательный процесс перемешивания топлива с воздухом происходит в объеме топки за счет энергии струй, созданных в горелочном устройстве.

Начальный этап горения топлива происходит в условиях высокой концентрации горючего, окислителя и при повышенной турбулентности потока, созданной горелкой. Зона топочной камеры, в пределах которой идет интенсивное горение топлива до степени выгорания 0,85-0,9 называют зоной ядра факела. Она отличается высоким температурным уровнем и значительным тепловым излучением на окружающие экранные поверхности нагрева.

По своим размерам зона ядра факела занимает 1/3-1/5 объема топочной камеры. Остальная часть топки составляет зона догорания топлива и охлаждения газов. Здесь сочетаются низкая концентрация горючего и окислителя и слабая турбулентность газового потока, поэтому догорание топлива происходит в глубоко диффузионной области и идет медленно.

Степень выгорания топлива в топочной камере обычно относят к условной длине факела l_ф, под которой понимают расстояние от устья горелки до оси топки по горизонтали, затем расстояние от уровня горелок до уровня середины горизонтального газохода по вертикали и далее по горизонтали до выхода из топки.

Угольная пыль отличается полифракционным составом. Её горение начинается с мелких фракций, прогрев которых до воспламенения завершается за сотые доли секунды пребывания в топочной камере. Горение мелких фракций ускоряет прогрев более крупных, но их горение начинается уже тогда, когда значительная часть кислорода в пылевоздушной струе израсходована. Поэтому крупные фракции создают основную долю недожога топлива на выходе из топки. В высокотемпературной области (выше 1700-1800) начинает заметно сказываться диссоциация (расщепление молекул СO₂ и H₂О) с поглощением теплоты.

По мере снижения температуры газов происходит явление рекомбинации, когда образовавшиеся в результате диссоциации горючие газы СО и Н₂ получают возможность вступить в реакцию с О₂ и вновь образуют СO₂ и H₂О с выделение ранее затраченной на диссоциацию теплоты.

В топочных камерах выделяют три характерные температуры газовой среды: теоретическую температуру горения, максимальную и температуру газов на выходе из топки.

Теоретическая (адиабатная) температура T_a подсчитывается при условии, что вся выделяемая в топке теплота расходуется только на подогрев продуктов сгорания (при отсутствии отвода теплоты к экранам). Условно считается, что всё тепловыделение происходит на выходе из горелок на уровне их установки в топке. В реальных условиях процессы тепловыделения (горение) и отвода теплоты к экранам топки за счет излучения происходят одновременно. На начальном этапе горения температура горящей газовой смеси после воспламенения быстро повышается, растет и интенсивность теплоотвода. Максимальная температура факела устанавливается в ядре горения. По мере приближения к выходу из топки температура газов падает и достигает конечного значения. В последнее время находит применение новый для энергетики способ сжигания топлива в так называемом кипящем слое. Этот способ представляет собой дальнейшее развитие слоевого способа сжигания. Находящееся на решетке измельченное топливо с частицами размером 1-6 мм продувается снизу потоком воздуха с такой скоростью, что частицы «всплывают» над решеткой и совершают возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости. Более мелкие и частично выгоревшие частицы поднимаются в верхнюю часть кипящего слоя, где скорость потока снижается, и там сгорают. Аэродинамика кипящего слоя характеризуется установлением равновесия для частиц горящего топлива; вес каждой частицы уравновешивается силой давления набегающего снизу газовоздушного потока. Наибольшую скорость поток имеет у основания слоя (на выходе из-под распределительной решётки), затем по мере разрыхления слоя скорость снижается и над ним может быть в несколько раз меньше начальной. Это обеспечивает поддержание во взвешенном состоянии частиц разных размеров. Однако весьма мелкие частицы могут выноситься из кипящего слоя и создавать основной источник недожога топлива. Кипящий слой характеризуется высокой плотностью горящего топлива. Поскольку горение топлива сосредоточено в достаточно узкой зоне, появляется возможность ввода в зону кипящего слоя твердых размолотых присадок для нейтрализации образующихся в процессе горения окислов серы. Основные трудности промышленного освоения кипящего слоя связаны с большими размерами площади кипящего слоя топлива для мощного котла и неравномерностью распределения воздуха по слою, заметным износом трубной поверхности внутри слоя, трудностями удаления накапливающихся шлаков из горящего слоя и достаточно высоким недожогом топлива, требующим создания системы возврата уноса вновь в кипящий слой.