Переход от вихревых к прямоточно-вихревым горелкам

Практический опыт развития конструкции пылеугольных горелок показал, что переход от вихревых к прямоточно-вихревым горелкам сопровождается по крайней мере двукратным снижением выхода оксидов азота.

На котлах типа ПК-14 достигаемое снижение недожога (весьма незначительное) при переходе от прямоточных горелок ВНИИТМУО ОРГРЭС к вихревым горелкам ОРГРЭС сопровождалось более чем двукратным возрастанием концентрации оксидов азота в дымовых газах. Показателен эффект перехода от вихревых к прямоточновихревым газовым горелкам на котле ТГ-104 [24]. Здесь двенадцать вихревых двухканальных горелок конструкции ТКЗ, размещенных в два яруса на фронтовом экране, были заменены малотоксичными прямоточно-вихревыми горелками типа ГМПВ «ЭКОТОП» (рис. 9.12). Переход от горелочных устройств с чисто вихревой аэродинамикой к прямоточно-вихревой позволил снизить концентрацию NO_v в 2,0—2,5 раза.

Горелки ступенчатого сжигания

Применение горелок ступенчатого сжигания, кроме решения экологических задач, позволяет обеспечить возможность экономичной и устойчивой работы на сниженных нагрузках благодаря наличию двух изолированных концентрических или смежных каналов с раздельными подводами. При пониженной нагрузке уменьшается подача воздуха на периферийный канал при сохранении расчетной скорости воздуха на выходе из внутреннего канала. Кроме того, разделение закрученного потока воздуха кольцевой перегородкой предотвращает смещение основной части воздуха к периферии, то есть способствует равномерному распределению воздуха по сечению амбразуры. Это позволяет наращивать единичную мощность горелочного устройства.

Ступенчатое сжигание, как способ подавления выбросов оксидов азота, реализуется не только в топочном процессе в качестве внутритопочного мероприятия, но также и направленным формированием структуры факела в горелке. Здесь ступенчатое сжигание осуществляется последовательным, ступенчатым включением обоих разделенных потоков воздуха в смесеобразование и, соответственно, замедлением процесса выгорания большей части топлива при недостатке воздуха (а ~ 0,7—0,8). В результате снижается максимальная температура факела, снижается интенсивность окисления азота воздуха. За счет выделения основной массы азотсодержащих веществ топлива в среде с минимальной концентрацией кислорода осуществляется переход выделяющегося атомарного азота в молекулярный азот. Конструкция горелки должна обеспечивать интенсивное завершение процессов смесеобразования и выгорания топлива на последующем этапе.

Совмещение указанных разнонаправленных функций двухканальных горелок (расширение диапазона эффективной работы при снижении нагрузки и ограничение вредных выбросов) возможно при наличии раздельного регулируемого подвода воздуха в каждый из каналов воздуха (рис. 9.21).

Рис. 9.21. Пылеугольная вихревая горелка с двумя каналами вторичного воздуха, регулируемым лопаточным аппаратом внешнего канала:

• 1 — канал внешнего потока вторичного воздуха; 2 — подводящий короб внешнего потока вторичного воздуха; 3 — внешний поток вторичного воздуха; 4 — разделительная перегородка; 5 — внутренний поток вторичного воздуха; 6 — переходный канал; 7 — механизм поворота лопаток переходного канала вторичного воздуха;
• 8 — поворотные лопатки внешнего вторичного воздуха; 9 — закрутка внутреннего потока вторичного воздуха; 10 — неподвижные лопатки осевого завихрителя внутреннего потока вторичного воздуха; 11, 12 — каналы для подвода охлаждающего воздуха; 13, 14 — лопатки для закрутки потоков охлаждающего воздуха

В определенной мере отсутствие раздельных вводов должно быть компенсировано выполнением регулируемой крутки внешнего потока воздуха. Развитие технологии ступенчатого сжигания в горелках привело к организации ввода части горячего воздуха в топку, минуя основные каналы горелки и амбразуру горелки, через отдельные сбросные шлицы с автономными подводами воздуха. Здесь совершается плавный переход от ступенчатого сжигания в горелке к ступенчатому сжиганию в топке (рис. 9.22).

Известны конструкции многоканальных по воздуху пылеугольных горелок, в которых помимо двух основных каналов горячего воздуха и центрального канала «мазутного» воздуха организуется отдельный концентричный канал для ввода в топку сушильного агента (рис. 9.23).

Рис. 9.22. Горелка двухступенчатого смешения с низким выходом N0: 1 — вторичный воздух; 2 — третичный воздух; 3 — направляющий аппарат для регулирования закручивания; 4 — отверстия для третичного воздуха с направляющими лопатками; 5 — форсунка; 6 — распылитель угля.

Рис. 9.23. Пылеугольная двухканальная горелка с дополнительным (третьим) каналом для сушильного агента:

• 1 — канал центрального («мазутного») воздуха; 2 — канал сушильного агента;
• 3 — канал аэросмеси; 4 — общий секционированный короб вторичного воздуха; 5 — каналы вторичного воздуха; 6 — завихрители; 7 — форсунка мазутная

растопочная В конструкции горелки со ступенчатым смешением особое значение придается отклоняющей насадке на перегородке, разделяющей оба смежных потока воздуха. Это усиливает эффект ступенчатого смешения.

Организация двухступенчатого сжигания в прямоточных горизонтально-щелевых и вертикально-щелевых горелках также предусматривает конструктивные способы ограничения взаимодействия смежных потоков аэросмеси и вторичного воздуха, придания ему поэтапного, ступенчатого характера. Основным способом является установка прямоточных каналов аэросмеси под различным углом к горизонтальной плоскости — здесь речь идет не о концентричной компоновке горелок, а о конструкции угловой прямоточной горелки с различной ориентацией каналов аэросмеси и вторичного воздуха. Оси этих каналов образуют угол 20—25°. В методических указаниях [19J горизонтально-щелевые каналы выполняются следующим образом:

• — нижние сопла вторичного воздуха направлены параллельно соплам аэросмеси (20—40% расхода вторичного воздуха);
• — остальные каналы вторичного воздуха отклонены от направления сопел аэросмеси в сторону экранов, что создает воздушную завесу, снижая опасность шлакования и коррозии экранных труб и, прежде всего, замедляя смешение с аэросмесью, ограничивая образования оксидов азота.

При такой структуре факела в начальном его участке складывается низкий избыток воздуха, что ограничивает образование оксидов азота.

1) Двухканальные газомазутные горелки

Особенности конструктивных методов организации ступенчатого сжигания в газомазутных горелках отражают специфику механизма воздействия на процессы горения и образование оксидов азота. Ступенчатость достигается воздействием на воздушный режим горелки — регулируя интенсивность смешения смежных потоков горячего воздуха, либо воздействием на распределение газовых струй в потоке воздуха, последовательным, ступенчатым вводом газовых струй в поток горячего воздуха при наборе нагрузки либо таким же способом для снижения нагрузки горелки. Показанная на рис. 9.20 горелка с двумя раздельными подводами газа для двух отдельных зон раздачи газовых струй обеспечивает:

• — возможность поддержания необходимого избытка воздуха в факеле при различной нагрузке горелки путем регулирования подачи газа в каждый из двух газовых коллекторов;
• — возможность поддержания оптимального избытка воздуха в начальном участке факела, регулируя соотношение расходов и крутки смежных потоков горячего воздуха.

Таким образом, газовая горелка для функционирования в режиме ступенчатого сжигания должна оснащаться:

• — двумя раздельными концентричными воздушными каналами в цилиндрической горелке с различной регулируемой круткой или рядом горизонтальных щелевых либо вертикальных каналов для прямоточной горелки;
• — двухканальньной системой газоснабжения с раздачей газа в различных воздушных потоках.
• 2) Двухканальные по вторичному воздуху пылеугольные вихревые горелки

В пылеугольных горелках изначально существуют два раздельных канала подвода воздуха — канал первичного воздуха (аэросмеси) и канал горячего (вторичного) воздуха. Регулирование интенсивности смешения этих потоков (концентричных в вихревых горелках и смежных в прямоточных горелках) является важным инструментом воздействия на выход оксидов азота и на эффективность воспламенения и выгорания топлива.

В вихревой цилиндрической пылеугольной двухканальной горелке ступенчатого сжигания выполнены три концентричных канала — приосевой канал топлива с первичным воздухом, охватывающий его канал вторичного воздуха, разделенный кольцевой перегородкой по всей длине на два изолированных кольцевых канала. Двухканальные по вторичному воздуху горелки обеспечивают механическое разделение потоков вторичного воздуха с помощью разделительных перегородок, исключающих взаимодействие указанных потоков по всей длине горелки вплоть до выхода в топку. Появление в горелке дополнительного канала вторичного воздуха формирует еще одну зону аэродинамического взаимодействия смежных воздушных потоков. Таким образом, применительно к пылеугольной двухканальной (по первичному воздуху) горелке необходимо решать две задачи по взаимодействию смежных потоков — аэросмесь — горячий воздух (внутренний поток) и между двумя потоками горячего воздуха (внутренний и периферийный в цилиндрической горелке). При этом совмещение оптимальных условий выгорания топлива и сниженного выхода оксидов азота может быть осуществлено за счет поддержания:

• — расхода внутреннего потока вторичного воздуха соответственно оптимальному {поусловиям выхода оксидов азота) соотношению полных импульсов потока аэросмеси и внутреннего потока вторичного воздуха;
• — оптимального {по условиям выгорания пылевоздушной смеси) соотношения скорости аэросмеси и основного (периферийного) потока вторичного воздуха, соответствующего нормативному значению скоростей этих потоков.

При этом каждый из потоков вторичного воздуха решает свои, специфические задачи: внутренний определяет условия стабилизации и начального воспламенения пылеугольного факела, подмешивание к факелу внешнего потока тормозится конструктивными и аэродинамическими методами, что способствует подавлению вредных выбросов. Оптимальное взаимодействие этих потоков позволяет успешно решать обе эти задачи разнонаправленными методами — в первом случае интенсифицируется смешение аэросмеси и внутреннего потока вторичного воздуха, для второй задачи приходится притормаживать смешение внешнего потока воздуха к факелу.

Значительный экологический эффект достигнут в цилиндрических двухканальных пылеугольных вихревых горелках конструкции «Бабкок — Вилькокс». Аксиальная двухканальная горелка имеет два концентричных смежных канала с регулируемым лопаточным аппаратом в каждом из воздушных каналов. Обеспечивается снижение выхода оксидов азота на 50—70%. Здесь весь поток топлива развивается в начальном участке факела при недостатке воздуха (а ~ 0,7—0,8). В результате снижается максимальная температура факела (уменьшается интенсивность процессов окисления азота воздуха за счет выделения основной массы азотсодержащих веществ топлива в среде с минимальной концентрацией кислорода; осуществляется переход выделяющегося атомарного азота в молекулярный азот. Отклонение наружного потока вторичного воздуха от ядра факела усиливает эффект ступенчатого смешения и обеспечивает дополнительное снижение оксидов азота (рис. 9.24).

В другой двухканальной горелке фирмы «Бабкок — Вилькокс» (рис. 9.25) существенно наличие лопаточного завихрителя во внутреннем канале вторичного воздуха с регулируемым углом установки лопаток и наружного незакрученного потока вторичного воздуха.

Рис. 9.24. Пылеугольная горелка с двумя каналами вторичного воздуха с разделением вторичного воздуха во входе в горелку:

• 1 — входной короб центрального потока газа; 2 — входной патрубок центрального воздушного канала; 3 — воздушный короб вторичного воздуха; 4 — лопаточный завихритель; 5 — пристенный холодный воздух; 6 — внешний поток вторичного воздуха; 7 — канал центрального потока воздуха; 8 — пылеподающий патрубок;
• 9 — аэросмесь высокой концентрации; 10 — вспомогательный канал горячего воздуха, 11 — электрозапальник

При этом внутренний поток вторичного воздуха при значительной крутке смещается к периферии, ограничивая при этом контакт его с центральной прямоточной струей аэросмеси, обеспечивая при этом интенсивную рециркуляцию горячих топочных газов к корню факела, устойчивое воспламенение смеси. Прямоточный периферийный поток вторичного воздуха ограничивает раскрытие закрученного внутреннего потока и завершает смесеобразование в зоне, в которой конверсия топливного азота в молекулярный завершена. За счет аэродинамического размежевания потоков складываются благоприятные условия для предотвращения окисления азота топлива — на горелках «Бабкок — Вилькокс» достигнуто снижение выхода оксидов азота на 40—60%. В различных модификациях эта конструкция получила широкое распространение и в котлах других фирм («Фостер Уиллер», «Дойче Бабкок», «Бабкок — Хитачи»).

Рис. 9.25. Пылеугольная горелка с разделением вторичного воздуха на два изолированных потока непосредственно в полости горелки.

В конструкции горелки со ступенчатым смешением особое значение придается отклоняющему коническому насадку на кольцевой перегородке, разделяющей канал вторичного воздуха на два изолированных канала. Отклонение наружного потока вторичного воздуха от ядра факела усиливает эффект ступенчатого смешения и обеспечивает дополнительное снижение оксидов азота. Указанная конструкция рассчитана на 50%-ное снижение выбросов оксидов азота. Дополнительные конструктивные элементы, улучшающие условия воспламенения, стабилизирующие факел, — конический диффузор для эффективного распределения угольной пыли, стабилизирующее кольцо на выходе из канала аэросмеси. Здесь обеспечивается снижение выхода оксидов азота на 50—70%.

Модернизация горелки включала установку в канал вторичного воздуха трубы, разделяющей канал на два равных по проходным сечениям кольцевых канала и имеющей на выходе конический диффузор. Это устройство способствует пространственному разделению в топочном объеме периферийного потока вторичного воздуха и остальной топливовоздушной смеси.

Существенным фактором при создании двухканальной пылеугольной горелки является способ размежевания двух смежных потоков вторичного воздуха. В типовых вихревых пылеугольных горелках наиболее распространенным решением является разделение канала вторичного воздуха на два канала кольцевой тонкостенной перегородкой по всей длине горелки. Такой конструктивный прием уже сам по себе замедляет смесеобразование и способствует снижению выброса оксидов азота. Однако этого недостаточно для получения необходимого экологического эффекта.

Известен опыт проведения модернизации вихревых горелок на котле ПК-39 с преобразованием их в двухканальные по вторичному воздуху (Ермаковская ГРЭС, экибастузский уголь) [25]. Топка этого котла оборудована прямоточно-вихревыми горелками с регулируемой круткой вторичного воздуха, аэросмесь поступает по прямоточному кольцевому каналу. Модернизация горелки включала установку в канал вторичного воздуха трубы, разделяющей канал на два равных по проходным сечениям кольцевых канала и имеющей на выходе конический диффузор. После реконструкции топка котла была оборудована вихревыми горелками с регулируемой круткой вторичного воздуха, аэросмесь поступала по прямоточному кольцевому каналу. Это устройство способствует пространственному разделению в топочном объеме периферийного потока вторичного воздуха и остальной топливовоздушной смеси, отклоняя периферийный поток к экранным поверхностям. Замедленное смесеобразование приводит к уменьшению выхода оксидов азота при, а = 1,2 на 23%.

При оценке столь скромного итога реконструкции обращают внимание два обстоятельства:

• — в горелке организуются два смежных равновеликих по мощности закрученных потока вторичного воздуха, которые могут развиваться в топке как монолитная аэродинамическая структура;
• — использованы дополнительные конструктивные способы раскрытия закрученных кольцевых струй вторичного воздуха по выходу их в топку (конический диффузор).

Проведенные исследования и практический опыт показывают возможность ослабления взаимодействия концентричных потоков в случае их различия по углу крутки, массе и скорости истечения из горелки:

• — соотношение расходов внутреннего и внешнего (периферийного) потоков вторичного воздуха составляет в среднем до 0,6; это создает условия для меньшего взаимодействия обоих концентричных потоков вторичного воздуха;
• — скорость внутреннего потока воздуха, контактирующего с аэросмесью; поддерживается меньшей относительно внешнего потока, при этом замедляется подмешивание вторичного воздуха к аэросмеси, предотвращается сепарация угольных частиц из факела, повышается влияние внешнего потока на формирование приосевой зоны обратных токов и внутреннего воспламенения;

— в ряде конструкции (в частности, в горелках Бабкок-Вилкокс) внешний поток имеет меньшую закрутку, чем внутренний. Это обеспечивает замедленное подмешивание его к факелу и в то же время обеспечивает на второй стадии формирования факела необходимую интенсивность смешения с аэросмесью.