Топки с кипящим слоем
Эффективное сжигание твердого мелкозернистого топлива (0-20 мм) может быть достигнуто при использовании принципа кипящего (псевдоожиженного) слоя, применение которого при газификации топлива, в черной и цветной металлургии, химической и нефтеперерабатывающей, строительной и других отраслях промышленности позволило резко интенсифицировать ряд технологических процессов.
Кипящий слой характеризуется скоростью первичного воздуха, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но далеко не достигающей скорости витания средних частиц. При этих условиях все частицы в слое интенсивно перемешиваются, двигаясь колебательно вверх и вниз, причем в целом слой имеет относительно четкую верхнюю границу. Для кипящего слоя твердого топлива характерны повышенная его концентрация в объеме камеры горения, а также повышенная относительная скорость в слое w0tп, что создает благоприятные условия для скоростного горения топлива. В отличие от плотного (неподвижного) слоя, аэродинамическое сопротивление которого с увеличением интенсивности дутья возрастает по степенному закону, в кипящем слое сопротивление от этого фактора не зависит (рис. 6.10, а).
При малой скорости дутья слой остается неподвижным и работает как фильтрующий. При достижении критической скорости дутья сила давления газового потока в слое становится равной силе тяжести частиц. Слой начинает расширяться, и при дальнейшем увеличении скорости воздуха частицы приходят в движение. Объем слоя увеличивается в 1,2-1,8 раза в зависимости от интенсивности дутья, формы и размеров частиц. Сопротивление кипящего слоя с изменением интенсивности дутья не изменяется, потому что при этом увеличивается расстояние между частицами, т. е. увеличивается проходное сечение для газа. При чрезмерном увеличении скорости дутья весь слой переходит во взвешенное состояние и может быть вынесен из рабочей камеры.
Для кипящего слоя подобно жидкости характерен линейный закон падения давления по его высоте (рис. 6.10, б). Давление (сопротивление) в кипящем слое пропорционально его высоте и плотности «кипящего» материала. В отличие от аэровзвеси, где относительная скорость частиц и газа приближается к нулю, для кипящего слоя в отдельные
периоды (при падении частиц) она доходит до нескольких метров в секунду.
Впервые использование принципа кипящего слоя в топочном устройстве было начато в 1944 г. работами Московского энергетического института применительно к малореакционным мелкозернистым топливам (АШ, коксовая мелочь), а в последующем и к бурым углям. Характерной отличительной особенностью топок МЭИ является двухступенчатая схема организации процесса горения. В качестве первой ступени используются топки с кипящим слоем, где проводится интенсивная и глубокая тепловая подготовка топлива: прогрев, подсушка и выделение высокотемпературных горючих газов. Второй ступенью топки с кипящим слоем является камера дожигания горючего газа, выдаваемого кипящим слоем, и содержащихся в нем частиц термически подготовленного уноса.
При работе таких топок на АШ в слой подают около трети воздуха, необходимого для полного сгорания топлива. Газообразование в кипящем слое (рис. 6.11) происходит подобно газообразованию в плотном слое, однако кислородная и восстановительная зоны имеют увеличенные толщины. Температуру кипящего слоя поддерживают на уровне, исключающем плавление золы, во избежание шлакования слоя. Это может быть достигнуто установкой в слое охлаждающих поверхностей, рециркуляцией дымовых газов и др.
В нормально работающем кипящем слое оплавленного шлака не получается.
Относительно высокая и достаточно равномерная температура по высоте слоя (при работе на АШ около 1000 °С), благоприятные гидродинамические условия, определяемые повышенной относительной скоростью газа, и наличие достаточно развитой поверхности окисления мелкозернистого топлива обеспечивают высокую производительность кипящего слоя как первой ступени полугазовой топки с кипящим слоем. В рассматриваемых условиях выходящий из слоя горючий газ имеет температуру около 1000°С и теплоту сгорания 1,7- 2,5 МДж/м3. Видимая плотность теплового потока на дутьевую решетку составляет qn=4,7/7МВт/м2.
Вторую ступень топки с кипящим слоем для дожигания газа и выноса можно выполнить по различным вариантам. На рис. 6.12 показана компоновка однокамерной топки с кипящим слоем с водогрейным котлом; вторая ступень топки с кипящим слоем располагается непосредственно над слоем. Такая топка в производственных условиях работала на коксовой мелочи и подмосковном угле. Крупность топлива 0-20 мм. Тепловая мощность водогрейного отопительного котла около 5 МВт. При работе на коксовой мелочи (Ар = 17,33 %; Wp= 19,85 %) около 30 % всего количества воздуха, необходимого для горения, поступает под решетку, имеющую живое сечение 3-4 %. Остальной воздух подается в топочную камеру над кипящим слоем через два ряда фурм. Необходимое охлаждение кипящего слоя топлива для осуществления бесшлаковочного режима (1000°С) достигается расположенными в кипящем слое водоохлаждаемыми поверхностями, включенными в систему циркуляции котла.
Коэффициент теплоотдачи от кипящего слоя к охлаждающей поверхности составляет около 250-400 Вт/(м2*К). Был предусмотрен также впрыск воды непосредственно в кипящий слой для возможности регулирования его температуры в случае необходимости. При работе на подмосковном угле марки БМ (Ар=19,8 %; Wp = 33,84 %) в слой подавалось около 50-60 % всего воздуха, температура слоя поддерживалась на уровне 900 °С. Поддержание желательной зольности слоя, исключающей его погасание и обеспечивающей небольшие потери от механического недожога с выгребом, осуществляется непрерывной или периодической «продувкой» слоя через выгребное устройство. Высота слоя в состоянии кипения поддерживается на уровне 600-800 мм. Необходимое давление воздуха под решеткой составляет 3400-3900 Па. При работе на коксовой мелочи расход топлива составляет около 0,3 кг/с, а при работе на подмосковном угле 0,5 кг/с. При этом видимая плотность теплового потока дутьевой решетки составляла qH - 4,8 МВт/м2 при объемной плотности тепловыделения на всю топочную камеру гу = 0,17 МВт/м.
На рис. 6.13 показаны некоторые другие варианты второй ступени топки с кипящим слоем. На схеме а - вариант однокамерной топки с кипящим слоем, где для интенсификации сжигания выноса вторичный воздух подается тангенциально; на схеме б сочленение первой и второй ступеней Двухкамерной гонки осуществляется при помощи специальной турбулентной горелки; на схеме в в качестве второй ступени топки с кипящим слоем используется циклонная камера с жидким шлакоудалением. В 50-х годах в СССР были построены и находились в эксплуатации три топки с кипящим слоем, показавшие возможность эффективного сжигания различных мелкозернистых топлив.
Особый интерес к организации сжигания топлив в кипящем слое вызван рядом обстоятельств. Для сжигания могут использоваться различные топлива, включая низкосортные, крупностью 0-20 мм. При этом значительно сокращаются расходы электроэнергии на топливоприготовление. Расположение поверхностей нагрева в кипящем слое, где коэффициент теплоотдачи составляет 200-300 Вт/(м2*К), обеспечивает существенное снижение металлоемкости установки. Работа с относительно низкотемпературным слоем (800- 1000°С) приводит к значительному уменьшению загрязнения атмосферы соединениями серы, так как большая ее часть остается в слое и удаляется вместе с золой. Для повышения степени улавливания серы в кипящий слой может добавляться известь или доломит. Благодаря низкой температуре отходящие из кипящего слоя газы практически не содержат оксидов азота. Снижается также возгонка щелочных соединений золы топлива, что приводит к уменьшению загрязнения поверхностей нагрева.
Принципиальная схема котла с топкой кипящего слоя с размещением части поверхностей нагрева в слое показана на рис.6.14. Предусмотрен возврат в топку уловленного выноса из кипящего слоя, содержащего обычно значительное количество невыгоревшего углерода. Возможна также схема с дожиганием выноса в специальном устройстве. В настоящее время за рубежом и в СССР в эксплуатации находятся различные топки с кипящим слоем, в том числе для котлов большой паропроизводительности, а также работающие под давлением (до 1 МПа), что приводит к дальнейшей интенсификации процесса сжигания твердого топлива и улучшению технико-экономических показателей.
Наряду со сжиганием твердого топлива в кипящем слое может быть организовано высокоэффективное сжигание газового и жидкого топлив. Для этого над дутьевой решеткой создается кипящий слой из инертного материала (песок, кирпичная крошка и т. п.), в котором сжигается газ или жидкое топливо. В таком кипящем слое также могут быть установлены поверхности нагрева котла, что интенсифицирует теплопередачу.
Широкое распространение в промышленности находят также технологические топки с кипящим слоем, в частности Для обжига различных серосодержащих материалов (колчедана, медных и цинковых концентратов и др.). Для подДержания температуры слоя на уровне, исключающем его шлакование, используют охлаждаемые элементы, располагаемые в кипящем слое и отнимающие избыточную теплоту. В этих элементах обычно вырабатывается пар. Более подробно о таких энерготехнологических установках см. гл. 18.
