Некоторые характеристики работы топок с кипящим слоем при верхней подаче топлива забрасывателями

Обработка материалов в кипящем слое (КС) давно и помощи различных транспортирующих механизмов, широко применяется в химической, металлургической, Стендовые работы и опытно-промышленное сжигание
нефтяной, строительной, фармацевтической и других в паровых котлах с КС различных энергетических топлив с размещением в слое поверхностен нагрева полу-отраслях промышленности. Во всех аппаратах, печах чили распространение в промышленно развитых реакторах материал подается на слой сверху при нах в течение последних 10 лет.
До последнего времени подача твердого топлива в слой осуществлялась либо через боковые стенки аппарата пневмотранспортом или при помощи шнеков, либо под решетку (с проходом через нее) также пневмотранспортом. Такие способы подачи топлива требуют (из-за малой площади, на которую можно раздать топливо) наличия большого числа точек ввода.
Крупные установки для сжигания угля в КС с погруженными в него поверхностями нагрева имеют обычно несколько секций с несколькими вводами топлива в каждую секцию. Подача топлива через множество вводов в слой сопровождается необходимостью установки нескольких бункеров и сборников, первичных и вторичных питателей и распределителей. Осуществление этого способа подачи из бункеров является одной из наиболее трудных инженерных задач. Проблема еще более усложняется из-за необходимости распределения материала по многим точкам с заданным или регулируемым расходом.
С увеличением общей площади горения система подачи усложняется. Например, типичная установка мощностью 200 МВт может иметь 240...300 отдельных вводов подачи в слои. При четырех секциях потребуется 48 виброраспределителей с питанием многих вводов через опускные трубы или тройники. В свою очередь, система вибропитателей должна быть связана с системой бункеров-сборников. В результате нарушения работы одного звена (например, забивание питательной трубы) вся система подачи постепенно выйдет из строя. В настоящее время нет промышленной системы подачи, отвечающей всем необходимым требованиям.
На основании оценки имеющегося оборудования установлено, что многоточечная подача материалов в слой непрактична. Крупные котлостроительные фирмы США и ФРГ работают над подачей топлива в КС сверху, в частности при помощи широко известных и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации устройств — забрасывателей.
Эта система оправдала себя на большом количестве установок в течение 55 лет эксплуатации. Однако неясно, как особенности условий сжигания топлива в КС скажутся на выносе углерода, надслойном горении летучих и кокса, условиях связывания серы и возврата уноса.
При обсуждении возможности применения верхней подачи на КС в топках котлов главные вопросы связаны с выносом мелких частиц за счет высокой скорости ожижения и надслойным выгоранием летучих с последующим недожогом кокса. Кроме того, при переходе от топки с нижней подачей в КС, состоящей из угля с добавкой известняка, к сжиганию части топлива над слоем без хорошего контакта с поверхностью известняка может увеличиться выброс 502.
В настоящее время решение этих вопросов в значительной степени построено на предположениях, поэтому существенный интерес представляет проведенный в статье [II анализ, основанный на имеющейся информации, касающейся механизма выхода летучих из угля и их горения, образования кокса, с учетом динамики частиц и механизма движения в КС. Результаты этого анализа необходимо иметь ввиду при оценке целесообразности применения забрасывателей для подачи топлива в КС.
Анализ условий работы КС. В целях упрощения анализа топка с КС и забрасывателями условно разделена в работе [1 ] на три зоны (рис. 1). Зона 1— основная зона горения в КС. Зона 2 включает в себя пространство высотой 0,84 м от оси забрасывателя до воображаемой поверхности ожиженного слоя (это расстояние типично для котлов с забрасывателями, для КС оно дополнительно не оптимизировалось).
Зоной 3 является пространство между осью забрасывателя и нижним срезом окна для отвода газов из надслойного объема; высота ее составляет около 2,4 м. Основным вопросом при анализе условий в зоне 3 является определение количества вынесенных мелких частиц, выхода летучих и потери массы частиц за счет горения летучих и кокса. Подобная задача существует и при рассмотрении зоны 2 (в отношении частиц, падающих сверху на слой, кроме частиц критического размера, которые выносятся): необходимо определить выход летучих из этих частиц и потери массы в результате сгорания их с образованием кокса перед тем, как они достигнут слоя.
Принятый при анализе в работе типичный фракционный состав угля для котла с забрасывателями практически совпадает с приведенным на рис. 2 составом углей, применяемых в отечественных котлах с забрасывателями; максимальный размер кусков после дробления 20...30 мм. Показанное на рис. 2 содержание мелочи (до 35 % фракций 0...3 мм и до 60 % 0...6 мм) является предельным для обеспечения гарантийного КПД.
Условия ожижения слоя и поведение частиц, взвешенных в газах, могут быть описаны с помощью критериев Рейнольдса и Фруда, подсчитанных по среднему диаметру частиц.
На диаграмме рис. 3 показаны зависимости разных режимов ожижения от значений указанных критериев. На диаграмме нанесена сетка в логарифмической анаморфозе; по одной оси сетки отложены средние диаметры частиц, а по другой — скорости ожижения при 0СЛ=870 °С (рабочая температура слоя). Сетка состоит из линий постоянных диаметров частиц (^-линий) и скоростей ожижения (ш-линии).
При известном среднем диаметре частиц и скорости ожижения по диаграмме однозначно определяются условия движения частиц. Проверка по среднему размеру частиц, подсчитанному по размерам угля, применяемого в котлах с забрасывателями, и частиц известняка, употребляемого в КС, показала, что хорошие характеристики ожижения могут быть достигнуты при скорости ожижения 3,05 м/с и Осл—870 С.
Оценка условий в зоне 3. Согласно рис. 3 при скорости ожижения 3,05 м/с и 0сл“870 °С частицы угля размером менее 0,5 мм должны выноситься газами.
Количество частиц диаметром менее 0,5...0.6 мм составляет в угле 5...6 %. Оставшиеся частицы будут падать через зону 2 в зону 1 (активный КС) при условии, что они не сгорают при прохождении надслойного пространства. Частицы менее 0,5 мм будут какое-то время пребывать во взвешенном состоянии в зоне <?, прежде чем они будут вынесены газами. Изменение размера и плотности частиц за это время незначительно и им можно пренебречь. Как будет показано, результаты опытов оправдывают это предположение.
На рис. 4 показана зависимость времени пребывания вынесенных частиц в зоне от их размера. Это время подсчитано по подъемной скорости (т. е. по разнице между конечной скоростью газов и скоростью ожижения) с учетом высоты зоны 3. Конечная скорость газов может быть приближенно определена из рис. 3. Если частица летит горизонтально, нужно некоторое время, прежде чем она получит ускорение для выноса. Для маленьких частиц это время короче времени пребывания (расчеты производились без поправок на время ускорения).