Полное сгорание газов
В камерах топок, работающих по поперечной схеме подачи топлива и воздуха, должно обязательно организовываться хорошее перемешивание газов, чтобы свободный кислород, проходящий в избытке через передний и задний участки решетки, мог соединиться с продуктами неполного сгорания, выделяющимися посередине последней. Иначе трудно исключить большой химический недожог и сильное дымообразование.
В этом отношении, а также в отношении улучшения зажигания трудновоспламеняемого топлива (бурых углей и антрацитов) важное значение имеет перекрытие решетки низко опущенным задним сводом, который, как правило, выполняется при оборудовании наших котлов топками с цепной и наклоннопереталкивающей решетками (см. рис. 2-2 и 2-7). Указанный свод, с одной стороны, отжимает газовый поток к фронтовой стене топочной камеры, за счет чего увеличивается приток лучистого тепла на передний участок решетки, а с другой стороны, сближает струи газов, выходящие из разных мест слоя, что способствует их смешению. Длина свода принимается около 0,5 активной длины решетки (La) При сжигании антрацита рекомендуется увеличивать ее до 0,6 - 0,65 La. Целесообразно устройство такого свода также в топках с шурующей планкой и с вибрирующей решеткой.
Следует отметить, что простого сближения струй газов еще недостаточно, чтобы они смешались надлежащим образом. Требуются турбулизация или частичное закручивание потока. Если это не обеспечивается естественным путем при той или иной конфигурации топочной камеры, то необходимо подводить в горловину топки, образуемую сводом, острое дутье. Ранее для котлов старых типов оно применялось в обязательном порядке (рис. 2-2 и 2-7). Рекомендуется устанавливать сопла острого дутья в заднем своде. Одно время практиковался также встречный подвод воздуха со стороны фронта топки, но такое решение следует считать неправильным, о чем будет сказано специально в § 9-2.
В ряде случаев в топках с цепной решеткой прямого хода выполняется передний свод того или иного размера. Относительно назначения и расположения его существуют противоречивые мнения. Часто ему приписывается роль зажигательного или экранирующего (защищающего начальный участок слоя от теплообмена излучением с поверхностями нагрева котла).
Следует отметить, что передний свод обычно появляется тогда, когда топочная камера имеет выступающую часть. При совпадении фронтов топки и котла устройство его, вообще говоря, нецелесообразно, так как выше свода получится мертвый объем, который не будет заполняться газами. Ввиду этого нужно относиться к данному своду прежде всего как к простому перекрытию выступающей части топочной камеры.
Основным источником тепла для подготовки топлива к горению является факел над слоем. Прямое излучение его всегда сильнее, чем отражение тепловых лучей от обмуровки. Для обеспечения быстрого воспламенения топлива важно, чтобы факел был максимально приближен к начальному участку решетки и поток лучистого тепла от него ничем не заслонялся. Следовательно, если возникает необходимость в переднем своде, то он должен располагаться высоко над решеткой (что и определено принятыми у нас типовыми конфигурациями топочных камер при цепной и наклонно-переталкивающих решетках, (рис. 2-2 и 2-7).
Высокая установка переднего свода, однако, не всегда возможна по условиям компоновки топки с котлом. Часто его приходится располагать низко над решеткой. В таких случаях тепло от факела к корню слоя может передаваться только за счет отражения тепловых лучей от свода (рис. 7-30). С этим собственно и связано представление, что данный свод является зажигательным. На самом же деле он, наоборот, ухудшает подготовку топлива к горению, поскольку заслоняет корень слоя от непосредственного излучения факела.
Рис. 7-30. Полное сгорание газов от факела к корню слоя при низко опущенном переднем своде над решеткой.
Нельзя также считать правильным мнение, что низкий передний свод служит защитным экраном против переохлаждения корня слоя вследствие теплоотдачи к поверхностям нагрева котла. Поскольку слой еще не горит, то нет и тепла, которое бы отдавалось.
Тепло приходит к слою извне от факела. Нужно максимально открывать начальный участок решетки, а не закрывать его. Неэкранированные своды могут способствовать зажиганию топлива совсем в другом смысле. При них за счет уменьшения в топке. Чем он выше, тем сильнее излучение факела на начальный участок решетки. С этой точки зрения свод должен быть поднят высоко, чтобы под ним был факел.
В топках современных котлов своды обычно выкладываются из огнеупорного кирпича или огнеупорных плит на экранных трубах. Последние при работе, а каменных углях оставляются открытыми со стороны топки. В случаях сжигания бурых углей необходимо закрывать фасонными кирпичами (восьмерками) экран переднего свода и в случае сжигания антрацитов - экраны обоих сводов (см. рис. 2-2). В принципе передний свод возможно выполнять и без экранных труб (из подвесных фасонных кирпичей).
Иное полное сгорание газов получаются в топочных устройствах с механическими ротационными забрасывателями. Здесь благодаря относительно ровному составу газов над слоем и наличию в них значительного процента свободного кислорода химический недожог может быть исключен сравнительно легко, во многих случаях даже без специальной организации перемешивания продуктов сгорания. Поэтому камеры таких топок чаще всего выполняются открытыми.
Сказанное может быть проиллюстрировано рис. 7-31 а, где показано горение газов по высоте топочной камеры котла СУ-20 с топкой ПМЗ-ЛЦР на основе испытаний, проведенных ЦКТИ. Выходное газовое окно отстоит от решетки на 3,6 м. Сжигался каменный уголь марки Г. Теплонапряженные решетки составляло 1400 тыс. ккал/(м2Xч). Как видно, при αпер=1,1 и αт=1,3 газы полностью догорают в пределах топочной камеры. Ядро горения располагается в задней части топки, где имеет место наибольший выход продуктов неполного сгорания и куда не проникает вторичный воздух со стороны фронта (в виде пневмозаброса, а также утечки через уплотнения решетки и присоса снаружи). Это видно и по температурам факела (рис. 7-32).
Рис. 7-31. Картины горения газов в топочной камере котла СУ-20 (опыты Нечаева): а - при αпер=1,1 и αт = 1,3 без острого дутья; б - при αпер= 0,9 и αт = 1,3 без острого дутья; в - при αпер = 0,9 и αт = 1,3 с острым дутьем.
Рис. 7-32. Температуры факела в топке котла СУ-20 при Q/R =1400 тыс. ккал( м2Xч); αпер=1,1 и αт=1,3 без острого дутья.
Вместе с тем, если предельно снизить избыток первичного воздуха, то, несмотря на достаточное общее количество воздуха в топке, горение газов может значительно затягиваться и не заканчиваться полностью.Такой случай показан на рис. 7-31, б. При αпер= 0,9 и αт=1,3 в газах на выходе из топочной камеры оставались продукты неполного сгорания (СО=1%, Н2= 0,1 % и СН4 = 0,05%). Отсюда следует, что все же нужно более организованно использовать вторичный воздух и обеспечивать лучшее перемешивание газов. Многое зависит от размеров топочной камеры (ее длины и высоты), а также от таких факторов, как дальность заброса топлива и скорость решетки, оказывающих значительное влияние на состав газов над слоем. При одинаковом воздушном режиме топки химический недожог в одном случае может отсутствовать, а в другом случае получаться значительным.
Чтобы надежно исключить химическую неполноту сгорания и свести к минимуму дымообразование, а также одновременно уменьшить потери с уносом, топки с механическими забрасывателями оборудуются, как правило, устройствами острого дутья. Опыт показывает, что достаточно произвести сравнительно небольшое возмущение газового потока, как густота дыма сразу же уменьшается до нормы, а химический недожог исчезает. Кроме того, за счет острого дутья удается устранять шлакование поверхностей нагрева котла.
У нас до тех пор, пока топки ПМЗ-РПК и ПМЗ-ЛЦР устанавливались главным образом к небольшим котлам типов ДКВ, ДКВР, энергопоезда и СУ-9, не было особой необходимости применять острое дутье, так как, с одной стороны, в таких установках поддерживаются сравнительно высокие значения коэффициента избытка воздуха (αт=1,4÷1,5) , которые пока не могут быть меньше по воздушным балансам топок, а с другой стороны, при выполняемых конфигурациях топочных камер обычно и так достигается хорошее перемешивание газов (рис. 7-33, 7-34). В котлах ДКВ и ДКВР этому способствует задний отвод газов из топки и наличие специальной камеры догорания газо; у котлов энергопоезда и СУ-9 имеется развитый задний свод.
Рис. 7-33. Полное сгорание газов в топочной камере котла ДКВ-6,5 при отсутствии острого дутья (опыты Нечаева и Винокурова). Топливо донецкий уголь Д с примесью антрацита AC; Q/R = 650 тыс. ккал/(м2Xч); αпер=0,9; αт=1,45.
Рис 7-34. Полное сгорание газов в топочной камере котла ДКВР- 10 при отсутствии дутья (опыты Нечаева и Винокурова). Топливо смесь донецких углей Д и Г; Q/R= 900 тыс. ккал (м2Xч); αnep=0,9; αT = l,4.
Для более крупных установок желательно, конечно, снизить коэффициент избытка воздуха в топке. Американские котлы более или менее значительной паропроизводительности, оборудованные топками с механическими забрасывателями, работают, например, при αт=1,22. Такой результат достигается за счет хорошо организованного острого дутья. Интересны опыты с острым дутьем, поставленные ЦКТИ на котле СУ-20 с топкой ПМЗ-ЛЦР.
Котел работал на каменном угле марки Г при Q/R =1400 тыс. ккал/(м2Xч). Первоначально острое дутье в топке отсутствовало. Коэффициент избытка первичного воздуха поддерживался на уровне αпер=1,1 и общий коэффициент избытка воздуха в конце топочной камеры на уровне αт=1,35 - 1,4. При этом, однако, наблюдалось шлакование пароперегревателя, из-за чего приходилось через 10 - 20 дней работы останавливать котел для расшлаковки.
Чтобы улучшить перемешивание газов, было подведено острое дутье низко над решеткой со стороны задней стены топочной камеры (подробно об этом будет сказано в § 9-2) в количестве 5% от всего воздуха в топке. В результате стало возможным работать без химического недожога с αпер= 0,9 и αт=1,25 - 1,3. Шлакование пароперегревателя практически полностью прекратилось.
На рис. 7.31. в показано полное сгорание газов в топочной камере котла СУ-20 при наличии острого дутья. Можно видеть, что в данном случае имеет место быстрое снижение содержания СО по высоте топки. Горение газов заканчивается намного ближе выходного окна из топочной камеры.
Сейчас острое дутье предусматривается у всех наших серийных котлов с топками системы ПМЗ-РПК, ПМЗ-ЛЦР и ПМЗ-ЧЦР.
Низкий задний свод в топке с механическими забрасывателями и цепной решеткой обратного хода нежелателен по условиям зажигания топлива, так как он отводит газы от начального участка решетки, который находится у задней стены топочной камеры. Как будет сказано в § 8-5, этот свод неблагоприятен также с точки зрения уноса. Вместе с тем при небольших по высоте котлах без него трудно обойтись, поскольку возможно затягивание факела с котельный пучок. У сравнительно крупных американских котлов обычно также выполняется задний топочный свод, но он устанавливается высоко над решеткой (рис. 5-6).
В топках с низконапорным пневмозабросом и цепной решеткой прямого хода организация хорошего перемешивания газов еще более необходима, чем в обычных топках с цепной решеткой. Вместе с тем устройство низко опущенного развитого заднего свода здесь в принципе противопоказано, так как он будет нарушать заброс на решетку мелких частиц. Поэтому приходится решать задачу перемешивания газов в условиях открытой топочной камеры.
Опыт показывает, что острое дутье при большой длине топки и ограниченных количествах воздуха не дает надлежащего эффекта. Обычно установки работают со значительными потерями от химического недожога.
Одно время большие надежды возлагались на вихревое острое дутье в топках данного вида. Идея такого дутья заключается в том, чтобы закрутить газовый поток вокруг вертикальной оси струями воздуха низкого давления, выходящими из сопел относительно большого сечения, которые устанавливаются по углам топочной камеры. Но положительный результат не достигнут. К тому же для вихревого дутья необходимо подводить слишком много воздуха (15 - 20%).
Требуются специальные исследования в отношении устранения химического недожога в таких топочных устройствах.