Топки для антрацита
Сжигание антрацита. Впервые большие экспериментальные работы по изучению сжигания антрацита на колосниковой решетке с ручным обслуживанием были проведены проф. К. В. Киршем в котельной лаборатории Московского высшего технического училища в период 1911 - 1914 гг. С полной отчетливостью была выяснена картина горения антрацита в слое, в частности роль шлакового слоя, концентрированного ввода воздуха, правильно выбранной толщины слоя топлива.
Изложение этой главы базируется на классических работах указанной лаборатории, которые получили широкую известность и положили начало большим исследованиям по сжиганию топлива, ведущимся в многочисленных научно-исследовательских институтах.
При рассмотрении процесса сжигания топлива на колосниковой решетке с обслуживанием ее вручную обращалось внимание на своеобразные условия сжигания антрацита. Антрацит обладает ничтожным выходом летучих, и весь процесс сжигания практически заканчивается в слое. Транзитный воздух, охлаждающий слой при сжигании топлив с большим выходом летучих, в данном случае отсутствует.
Таким образом, антрацит горит в слое с минимальными избытками воздуха, при этом развиваются очень высокие температуры и при легкоплавкой золе шлак плотной массой заливает решетку, чрезмерно повышая ее газовое сопротивление. Такой шлак вызывает большие трудности при чистке топки.
Шлаковый слой составляет главнейшее сопротивление при прохождении через него воздуха Это сопротивление растет по мере накопления шлака на решетке, причем суммарное сопротивление слоя перед новой чисткой, обычно производимой раз в смену, достигает иногда порядка 80 мм вод. ст. Поэтому, как правило, антрацит приходится сжигать с искусственным дутьем под полотно решетки, так как при этом преодолевается почти все сопротивление топки. Тяговым устройством поддерживается разрежение в топочном пространстве около 3 мм вод. ст. Небольшое разрежение в топке, не создавая больших присосов воздуха в моменты загрузок топлива, в то же время также предупреждает врывание горячих газов в котельную через загрузочные дверки. Регулирование тяги производится в данном случае двумя заслонками: на дутьевой линии и за установкой перед тяговым прибором.
Графическое распределение размеров газового сопротивления решетки, слоев шлака и топлива приводится на рис. 51.
Рис. 51
Только в небольших установках, например, в чугунных водогрейных или паровых котлах, антрацит иногда сжигается без дутья за счет естественной тяги, не превышающей в подобных котлах нескольких миллиметров водяного столба. Малое разрежение обусловливает и ничтожное тепловое напряжение зеркала горения, вследствие чего сильно увеличивается прямая отдача и в топке устанавливаются настолько невысокие температуры, что шлак получается в небольшом количестве, пористый и легко отстающий от чугунных колосников. Установкой дутья можно повысить Q/R, но в этом случае будет наблюдаться значительное ошлакование колосников.
Вдувание воздуха под колосниковую решетку обычно производится вентилятором. Значительно менее совершенный и расходующий почти в 10 раз больше тепловой энергии, чем при вентиляторе, это - метод эжектирования воздуха струей пара. К такому способу дутья приходится прибегать при отсутствии электроэнергии, а также в некоторые периоды работы топок с целью охлаждения колосниковой решетки и создания пористого шлака. Водяной пар, перегреваясь, отнимает тепло у решетки; кроме того, он при высоких температурах вступает в реакцию с углеродом по формуле
Н2О + С=Н2 + СО
Реакция идет с поглощением тепла и охлаждает слой топлива.
Температура колосников не остается постоянной в течение работы топки для антрацита. При вентиляторном дутье она достигает максимальных значений, доходя до 700-750° при растопке, затем по мере накопления на решетке шлака последний начинает предохранять решетку от нагревания и она постепенно охлаждается.
На рис. 52 дается пример изменения температуры решетки в течение промежутка времени от чистки до чистки. Подъем температуры после того, как на решетке не осталось ни топлива, ни шлака, объясняется влиянием излучения накаленной обмуровки.
Рис. 52
Паровое дутье для снижения температуры решетки желательно применять в период растопки, когда отсутствует шлаковый слой.
При сжигании антрацитов, обладающих особо легкоплавкой золой, вообще приходится работать на паровом дутье, иначе шлак, стекая вниз к решетке, не успевает застыть до момента соприкосновения с ней и тогда заливает плотной массой всю решетку. Воздушные струи под влиянием напора дутьевого вентилятора прорываются через слой из такого плотного шлака, но уже не распределяются им равномерно по зеркалу горения. Образуется кратерное горение с большими избытками воздуха, на соседних же с кратерами участках решетки горение идет плохо - с неполнотой. Поэтому желательно располагать обоими родами дутья, по возможности используя вентиляторное, и в случаях, только что описанных, переключаясь на паровое.
В котельных, оборудованных водогрейными котлами, пар отсутствует, и приходится ограничиваться только вентиляторным дутьем.
В периоды поступления в котельную антрацита с легкоплавкой золой приходится идти на понижение температуры слоя за счет уменьшения его толщины. Однако при этом приходится считаться с увеличением избытков воздуха и, следовательно, ухудшением к. п. д.
Для уменьшения температуры слоя топлива иногда применяют впрыскивание воды в воздушный поток, идущий под решетку, но это мало дает пользы, так как воздух, забираемый из котельной, обладает невысокими температурами и малой влагоемкостью.
Представляет большую опасность внезапная остановка работы топки для антрацита в течение первых 0,5-1,5 часа после чистки шлака, когда еще не успел образоваться новый его слой. Это может получиться, например, при водогрейных котлах в случаях прекращения подачи тока и остановки дутьевых вентиляторов. Тогда необходимо открыть поддувальную дверку, а иногда и выгребать жар из топки; к последнему будет побуждать также и возможность закипания воды в котлах, почти не движущейся, из-за остановки циркуляционных насосов.
При паровом теплоносителе в подобных случаях надо переключить топки для антрацита на паровое дутье.
Вообще паровое дутье является надежным резервом на случай выхода из строя по тем или иным причинам вентиляторного дутья, что особенно важно в установках, не только работающих на нужды отопления, но и дающих тепло на производственные процессы.
Характерные особенности работы решетки при сжигании антрацита с развитием высоких температурвслое побуждают обращать особое внимание на форму колосников. Для сжигания дров или торфа имеют значение размеры Прозоров между колосниками, а не форма колосников и взаимное расположение прозоров или щелей при плитчатых колосниках. Для сжигания антрацита полотно колосниковой решетки составляют из плит, причем круглые отверстия или щели должны быть расположены так, чтобы создался концентрированный ввод воздуха в слой. На рис. 53 показана схема подобного концентрированного подвода воздуха. Цель, преследуемая при этом, заключается в том, чтобы возможно дальше отнести пояс высоких температур от решетки, где будет плавиться шлак, который затем, стекая в направлении к решетке, успеет сгранулироваться, сделаться пористым и, хорошо распределяя воздух по зеркалу горения, не будет создавать одновременно слишком высоких сопротивлений. Конечно, отнесение зоны высоких температур уменьшит и температурный максимум кривой нагрева решетки.
На рис. 53 приводится также и график распределения температур по слою. Наивысшая температура получится в местах соприкосновения воздушных конусов, захвативших максимальный объем топлива. В других местах, ближе к решетке, конус охватывает только сравнительно небольшую часть топлива, которая будет гореть при повышенных избытках воздуха и, наоборот, сниженных температурах горения.
Понижение температуры после максимума по мере приближения к поверхности слоя объясняется влиянием прямой отдачи топки. На рис. 54 дается чертеж колосниковой плитки с концентрированным вводом воздуха. Плитка чугунная литая с отверстиями, уширяющимися книзу. Такая форма уменьшает засоряемость отверстий шлаком, но все же рекомендуется раз в неделю остановить котел и просмотреть решетку, очищая те из отверстий, которые окажутся забитыми шлаком, так как в местах, где не будет идти воздух, решетка может перегореть.
Плитки снабжены ребрами, способствующими более интенсивному их охлаждению потоком воздуха и одновременно увеличивающими механическую прочность. Плитки опираются на балки, форма которых уже приводилась на рис. 32. Полотно решетки будет при нагревании расширяться, поэтому между плитками при их укладке надо оставлять зазоры порядка 3-5 мм. Площадь живого сечения (отношение площади, через которую проходит воздух, к площади всего полотна решетки) у подобных решеток составляет 10-15%; у брусчатых колосников дровяных или торфяных топок доходит до 30 %.
Длина колосниковой решетки из-за удобства ее обслуживания, главным образом при чистке шлака, не должна превышать 2,1 м при ширине на каждую загрузочную дверку 1,0 м нормально и до 1,3 м как максимум.
На рис. 55 приведен чертеж колосниковой решетки (по проекту инж. Б. И. Радошинского и А. А. Щенкова), изготовляемой в соответствии с ГОСТ 3493-46. Топка нормально эксплуатируется на вентиляторном дутье, причем предусмотрен в случае надобности дополнительный впуск пара, для чего на кронштейне а, против каждого диффузора, укрепляется сопло для впуска пара и эжектирования воздуха. При работе на вентиляторном дутье диффузор перекрывается крышкой, укрепляемой особой трубой-державкой б, устанавливаемой между крышкой и соплом. На крышке, в месте присоединения трубы, имеется отверстие, через которое может пропускаться пар в периоды работы топки для антрацита после ее чистки при отсутствии шлака.
Если требуется длительная работа на паровом дутье, например, при сжигании антрацита с легкоплавкой золой или при выключении электрического тока, аварии вентилятора, то крышка в и труба б снимаются, заслонка воздуховода закрывается, после чего через сопло пускается пар, нагнетающий путем эжекции воздух в поддувало.
Поддувало дутьевой решетки должно разделяться перегородками на зоны, что дает возможность при чистке шлака на одной из зон не останавливать работу остальных и тем сводить до минимума колебания в производительности котла (см. рис. 76 и 155).
Скорость воздуха в воздуховодах от вентилятора до топок принимается до 10 м/сек с таким расчетом, чтобы при наличии статического давления у вентилятора 100 мм вод. ст. обеспечить давление в поддувале до 80 мм (20 мм теряются на сопротивление в воздуховодах).
Шлак удаляется через загрузочную дверку. Расстояние от нижней кромки загрузочной дверки до колосниковых плит берется равным 200-250 мм. Такое расстояние устанавливается как некоторое среднее решение при следующих двух взаимно противоречащих требованиях: удобство чистки побуждает делать размер от кромки меньше, потребность же выдержать должный по высоте слой топлива (до 200 мм при необходимости в течение длительного промежутка времени одновременно копить шлак на решетке) заставляет углублять полотно решетки. Сравнительно редкая чистка шлака (через 4 часа и более) желательна по ряду соображений.
Шлаковый слой, вызывая газовое сопротивление, одновременно и полезен, так как предохраняет решетку от нагревания и хорошо распределяет воздух по площади зеркала горения.
С целью облегчить чистку шлака решетку иногда устанавливают с небольшим наклоном (рис. 55).
Чугунные части топочного фронта должны крепиться к стальному каркасу, который в свою очередь связывают с общим каркасом котла. Такое крепление исключает возможность расшатывания в работе рамок топочных дверок и облегчает монтаж, предшествующий обмуровочным работам.
Если в котельной устанавливается несколько крупных котлов, например 3-4 котла по 150 м2, то чистку шлака не следует производить на пол котельной, так как это создает тяжелые, антисанитарные условия для обслуживающего персонала. В этом случае котельная должна иметь золовой этаж, куда и направляют шлак и золу. Чистка шлака производится периодически. В золовой бункер шлак попадает через отверстия, образуемые в полотне колосниковой решетки, для чего часть колосниковых плит делают поворачивающимися вокруг горизонтальной оси на угол 90° по типу, изображенному на рис. 59. На рис. 155 приведена решетка для сжигания антрацита системы Теплотехнического института.
Сжигать антрацит под жаротрубными котлами можно только при расположении решеток внутри жаровых труб, используя преимущества экранированного топочного объема. Это повышает к. п. д., а также облегчает условия обслуживания, потому что в экранированной топке будут сильно снижены температуры слоя, а следовательно, гораздо легче получить пористый шлак. Исключение составит только антрацитовый штыб, если бы его пришлось сжигать под жаротрубными котлами. Большая зольность и унос потребуют тогда устройства выносной топки.
Малые размеры жаровых труб не позволяют должным образом углубить колосниковую решетку по отношению к кромке топочной дверки, и в конструкциях решеток под жаротрубными котлами этот размер не превышает 75 мм, хотя работать приходится из-за сниженных температур с более толстыми слоями, так как медленнее идут реакции образования С02 и СО.
Нормальной длиной решетки, находящейся в жаровой трубе, считается размер 1,8 м. Диффузоры в этих топках с трудом размещаются в поддувале; в таких случаях чистку поддувала приходится производить при помощи особых ложек, которыми зачерпывают провал и выносят из поддувала. Лучше диффузоры выносить наружу, как, например, это выполнено на рис. 56. Тогда можно углубить полотно решетки хотя бы на 160 мм и получается свободный доступ в поддувало.
При желании перейти на паровое дутье в диффузор дают пар.
Заслонкой в регулируется давление в поддувале. Доступ к паровому соплу осуществляется через крышку б.
На рис. 57 приведена антрацитовая топка Теплотехнического института для жаротрубного котла. Подколосниковые балки опираются на башмаки, которые крепят к особому корыту, размещаемому в поддувальной части топки для антрацита. Более упрощенную конструкцию предлагал завод "Мастежарт" (рис. 58), где подколосниковые балки опираются прямо на жаровую трубу. Окончательная выверка расположения балок производится при помощи распорных болтов а.
Рис. 57-58
Колосниковая решетка для сжигания антрацита при расположении ее под водотрубными, и им подобными котлами, имеющими внешние топки для антрацита, позволяет довести тепловое напряжение зеркала Q/R горения до = 1000 тыс. ккал/м2 час для сортированного антрацита. Для штыба во избежание повышенных потерь от механического недожога тепловое напряжение принимается Q/R = 600 тыс. ккал/м2 час. Антрацит марки АРШ приходится сжигать, принимая средние цифры (см. табл. 25). Избыток воздуха в топке в зависимости главным образом от опытности кочегара можно получить αт = 1,3-1,4 для сортированных антрацитов, причем одновременно почти полное сгорание достигается при тепловом напряжении объема топочного пространства = 300 тыс. ккал/м3 час.
Для штыбов αт увеличивается до 1,8 и Q/V снижается до 250 тыс. ккал/м3 час.
Причины, побуждающие значительно увеличивать объем топочного пространства при сжигании антрацита - топлива, обладающего ничтожным выходом горючих летучих, уже описывались ранее и вытекают из свойств кокса (не спекается), а также характера летучих, в которых преобладает СО - газ, особенно трудно поддающийся сжиганию.
Для напряжений решетки и топочного пространства в пределах значений, только что указанных, и в условиях умелого обслуживания с забрасыванием новых порций не реже как через 7-8 мин. можно получить при правильно выбранной толщине слоя топлива потерю от химической неполноты горения не более q3= 2% и суммарную потерю от механического недожога: q4=q4пр + q4шл + q4ун = 0,3+3,0+3,0 = 6,3% - для сортированного антрацита и 2,0+11,0+13,0 = 26,0% -для штыба.
Для марки АРШ (антрацит рядовой со штыбом), в которой количество мелочи (штыб) составляет около 25 %, потери от механического недожога могут быть охарактеризованы так:
q4пр + q4шл + q4ун=0,3+4,7+4=9%
Конечно, потеря от механической неполноты сгорания, доходящая до 26,0%, чрезмерна, поэтому прибегать к сжиганию штыбов на примитивных решетках можно только временно. Антрацитовый штыб сжигается с высоким к. п. д. в установках для пылевидного сжигания на крупных районных станциях, туда он и должен направляться в первую очередь.
При расположении решетки внутри жаровых труб потеря от уноса по сравнению с потерями во внешних топках стационарных котлов повышается. В жаровой трубе отсутствует высокое топочное пространство, и мелкие частицы топлива выносятся за порог топки. Тепловое напряжение зеркала горения в подобных условиях надо снижать (см. примечание к табл. 25).
Полотно колосниковой решетки работает при сжигании антрацита в тяжелых температурных условиях, плитчатые колосники часто перегорают и их приходится заменять новыми. Желая сделать решетку более долговечной и облегчить работу по съему шлака с полотна решетки, в разное время предлагались конструкции так называемых "холодных решеток" с полыми колосниками, охлаждаемыми водой.
Однако такие топки для антрацита распространения не получили.
Причина неуспеха предложений, в основе вполне целесообразных, заключается в том, что на охлаждение решетки приходится затрачивать воду, тепло которой затем не удается полностью использовать. В сборном баке при паровом теплоносителе обыкновенно температура обратного конденсата довольно высокая, а добавлять воды требуется небольшое количество. Нагревать в колосниках воду до температуры, превышающей 50°, рискованно из-за опасности образования в них накипи. Далее, для беспрерывного охлаждения колосников вода, пройдя решетку, сливается через воронку. При этом она насыщается воздухом, и в случае использования ее, например, в системах отопления, может появиться разъедание металлических частей кислородом воздуха. Наконец, при перегорании или течи колосника холодной решетки его уже не удается так просто (без остановки работы) заменить новым, как это делается в обычной топке.
Во время этих аварий вся решетка, а следовательно, и котел выбывают из строя до тех пор, пока не закончится ремонт.
Антрацит - топливо, трудно разгорающееся, поэтому топка растапливается дровами или заимствуется жар от топок соседних котлов.
Сжигание длиннопламенных высокосортных углей. Все эле-менты колосниковой решетки, предназначенной для сжигания антрацита, остаются без изменения и в случаях сжигания углей с более высоким выходом летучих.
Можно было бы отказаться от шарового дутья, так как температур а в слое вследствие повышенного выхода летучих будет ниже и риск пережигания колосников отпадает, однако оставить резервное паровое дутье на случай перерывов в подаче электрического тока весьма желательно. К колоснику здесь предъявляются иные требования. Первое из них - уменьшение провала через решетку. Второе - равномерное распределение воздуха по полотну решетки, так как уже не требуется концентрированного ввода воздуха и, кроме того, пламенные угли сжигаются более тонким слоем по сравнению с антрацитом, который не успеет выровнять концентрированного его подвода. Эти два требования до известной степени друг другу противоречат: при увеличении живого сечения решетки увеличится и провал. Поскольку большинство пламенных высокосортных углей имеет зольность примерно такую же, как и антрацит, форму колосников можно оставить без изменения. Слой золы и шлака способствует равномерному распределению воздуха.
Таким образом, для пламенных углей топка остается той же.
Чтобы получить хорошее результаты горения, работая на высокосортных пламенных углях, требуется большой опыт у кочегара, так как необходима при этом равномерная загрузка всей поверхности решетки тонким слоем. Особенно трудно работать в периоды отсутствия шлака, который равномерно распределяет воздух.
При правильной эксплуатации топки для пламенных углей избыток воздуха в топке равен 1,4, а Q/V ≈ 250 тыс. ккал/м3час.
Потеря от химической неполноты сгорания при этих условиях не превышает 3-4%. Допустимое напряжение зеркала горения, а также величина потери от механического недожога приведены в табл. 25 и 26.