Вихревые топки

6.4.1. Высокотемпературное вихревое сжигание

Высокотемпературное вихревое сжигание (ВТВ) осуществляется в циклонно-вихревых топках (рис.18). Этот способ также позволяет сжигать газообразное, жидкое и дроблёное твёрдое топливо (с размером частиц, как правило, до 5 мм).

Рис.18. Высокотемпературное вихревое сжигание

Перед основной топкой (камерой догорания) монтируется циклонный предтопок (обычно, неэкранируемый). Смесь топлива с первичным воздухом подаётся по оси предтопка, а вторичный воздух – по касательной к образующей циклона со скоростью около 100 м/с. Таким образом создаётся мощный вихрь, обеспечивающий условия для многократной циркуляции частиц топлива в вихревом потоке, что увеличивает время их пребывания в зоне активного горения при температурах, близких к адиабатным (до 2000 °С), что и позволяет сжигать более крупные частицы, чем при факельном способе сжигания.

Циклонно-вихревые камеры предвключаются к основному топочному объёму, что предусматривает ступенчатое сжигание со всеми его достоинствами. При этом в циклонном предтопке, во всем диапазоне нагрузок котла, имеет место активное циклонно-вихревое движение среды с интенсивным центробежным полем и высокой турбулентностью.

По ряду причин в энергетике этот способ сжигания используется очень редко. Как правило, сфера применения схожа с реакторами с кипящим слоем: технологические процессы, термическое обезвреживание и т.д.

6.4.2. Низкотемпературное вихревое сжигание

Другой разновидностью вихревого сжигания является низкотемпературный вихревой (НТВ) способ сжигания, разработанный профессором В.В.Померанцевым (рис.19).

В основу НТВ-технологии заложен принцип организации низкотемпературного сжигания груборазмолотого твердого топлива в условиях многократной циркуляции частиц в камерной топке.

В НТВ-топке организованы две зоны горения, которые условно разнесены по ее высоте: вихревая и прямоточная. Вихревая зона занимает объём нижней части топки от устья топочной воронки до горелок. Прямоточная зона горения располагается над вихревой зоной в верхней части топки.

Аэродинамика вихревой зоны создается за счет взаимодействия двух организованных потоков: первый поток сформирован из топливно-воздушной смеси, поступающей в топку через горелки; второй поток состоит из горячего воздуха, подаваемого в топку через систему нижнего дутья (скорость около 100 м/с). Потоки направлены навстречу друг другу по касательной и образуют пару сил, создающую вихревое движение в нижней части топки.

Рис.19. Низкотемпературная вихревая топка Померанцева

В отличие от традиционной технологии пылеугольного сжигания, где основная часть топлива (до 95 %) сгорает в так называемой "зоне активного горения", расположенной в районе горелок и занимающей относительно небольшой объём топочной камеры, в вихревой топке с НТВ-технологией сжигания в "зону активного горения" вовлечен значительно больший объём топочного пространства. В результате снижается максимальная температура в вихревой топке (примерно на 100÷300 ^оС), и за счет активной аэродинамики выравнивается уровень температуры в объёме вихревой зоны. Отсюда и название – низкотемпературный вихрь.

Пониженный температурный уровень и повышенная конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи позволяют устанавливать внутритопочные ширмовые поверхности нагрева, что обеспечивает дополнительный теплосъём и позволяет уменьшить габариты (высоту) топочной камеры.

Снижение выбросов оксидов азота в НТВ-топке обусловлено условиями топочного процесса: низким уровнем температуры в зоне активного горения и ступенчатым подводом окислителя к топливу. Максимальная температура продуктов сгорания в классической НТВ-топке не превышает 1100÷1250 ^оС. Вихревая зона топки является практически изотермичной. При таком температурном уровне образуются, в основном, топливные оксиды азота, количество воздушных оксидов азота ничтожно мало (см. раздел 11). Коэффициент избытка воздуха в горелках (доля первичного воздуха) зависит от марки топлива и лежит в диапазоне α₁ = 0,5÷0,8. В результате применения НТВ-сжигания удается снизить концентрацию оксидов азота на 20÷50 % в сравнении с традиционной технологией сжигания в прямоточном факеле.

В НТВ-топке созданы также благоприятные условия для связывания оксидов серы. Низкий уровень температуры определяет активное связывание оксидов серы основными оксидами (CaO, MgO) минеральной части топлива. Этому процессу способствует увеличение времени пребывания связывающих компонентов в вихревой зоне, а также меньшая оплавленность (т.е. большая поверхность реагирования) частиц золы. Применение НТВ-технологии сжигания позволяет повысить степень связывания оксидов серы в пределах газового тракта котла на 20÷50 % (в зависимости от марки топлива) в сравнении с технологией прямоточного факела. Кроме того, как показывает опыт, условия вихревой топки позволяют эффективно использовать различные сорбенты на основе СаО для повышения степени связывания оксидов серы.

Укрупнение помола топлива при НТВ-сжигании приводит к укрупнению летучей золы уноса. Испытания золоулавливающего оборудования котлов, переведённых на НТВ-сжигание, показали повышение эффективности работы золоуловителей циклонного типа и электрофильтров.

Таким образом, пониженный уровень температуры, ступенчатый ввод окислителя, многократная циркуляция горящих топливных частиц и угрубление гранулометрического состава золы в совокупности обеспечивают улучшенные показатели вихревых топок по вредным выбросам (оксидам азота и серы), а также повышают эффективность работы золоулавливающего оборудования котельной установки.

НТВ-топка отличается высокой устойчивостью воспламенения топлива, что особенно актуально при сжигании низкосортных топлив. Несмотря на пониженный уровень температуры, благодаря организованной многократной циркуляции горящих коксовых частиц топлива и ступенчатому подводу воздуха в вихревой зоне топки создан устойчивый и надежный механизм, стабилизирующий воспламенение и обеспечивающий выгорание топлива. Важную роль при этом имеет конструктивное исполнение горелочно-сопловых устройств и аэродинамические приемы, обеспечивающие взаимодействие горелочных и сопловых потоков между собой. НТВ-топка позволяет обеспечить эффективное сжигание низкосортных топлив без использования "подсветки" пылеугольного факела газом и мазутом.

Применение НТВ-сжигания позволяет практически полностью исключить шлакование поверхностей нагрева котла и повысить надежность его работы. Пониженный уровень температуры в зоне активного горения снижает количество расплавленных частиц золы, что в сочетании с активной аэродинамикой снижает вероятность возникновения отложений на поверхностях нагрева котла.

НТВ-технология сжигания получила апробацию на широкой гамме твердых топлив, таких как торф, бурые и каменные угли, горючие сланцы, отходы деревообработки и микробиологического производства.

Характеристики опробованных при НТВ-сжигании твердых органических топлив находятся в следующих диапазонах:

Достоинства НТВ-сжигания

Применение НТВ-технологии позволяет:

• упростить систему подготовки топлива (возможность сжигать дроблёный уголь с размером частиц до 20÷30 мм), увеличить её производительность, обеспечить взрывобезопасность, снизить затраты на подготовку топлива к сжиганию, увеличить срок службы размольного оборудования;
• стабилизировать воспламенение и горение и отказаться от "подсветки" факела газом или мазутом, даже при сжигании низкосортных топлив;
• обеспечить устойчивый процесс горения вне зависимости от колебаний нагрузки котла и технических характеристик топлива, что унифицирует топку по топливу;
• повысить коэффициент тепловой эффективности топки, что дает возможность увеличить паропроизводительность котла на 15÷20 %;
• создавать малогабаритные котлы большой мощности;
• исключить шлакование и загрязнение топочных и конвективных поверхностей нагрева;
• обеспечить снижение выбросов оксидов азота NO_x на 20÷50 %;
• обеспечить снижение выбросов оксидов серы SO_x на 20÷40 % за счет их связывания с основными оксидами золы (CaO и MgO) при благоприятных внутритопочных условиях;
• обеспечить более глубокое связывание оксидов серы за счет ввода в вихревую топку СаО-содержащих добавок.

Недостатки:

• повышенный мехнедожог (из-за уноса крупных недогоревших частиц);

• эрозия внутритопочных поверхностей нагрева.

В промышленной теплоэнергетике основным является факельное сжигание, когда в топочную камеру через прямоточные или вихревые горелки подаются потоки топлива и воздуха или топливовоздушной смеси (а иногда – ещё и газы рециркуляции). Реже применяются циклонно-вихревой способ, низкотемпературный вихрь и кипящий слой.