Для сжигания твердого топлива используют устройства, яки называют топками. В топках происходит процесс горения, при котором химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, которая передается дальше по назначению.
Существующие топочные устройства можно разделить на шаровые и камерные. Шаровые топки предназначены для сжигания твердого топлива в слое на колосниковой решетке. В камерных топках сжигается твердое топливо во взвешенном состоянии в виде пыли и дробленых частиц, а также жидкое, который распыляется с помощью форсунок, и газообразное. Камерные топки подразделяются на факельные и вихревые (циклонные).
На рисунке 4.4 показано схемы шарового (а), факельного (б), вихревого (в) и в кипящем слое (г) способов сжигания топлива. При послойном способе сжигания (см. рис. 4.4, а) необходимый для горения воздух подается к слою топлива через колосниковую решетку.
При факельным способом сжигания (см. рис. 4.4, б) твердое топливо предыдущее размалывается в мельницах и пыль вместе с воздухом (аеросумиш) подается в топку. Очень мелкие угольные пылинки (мельче 0,1 мм) захватываются потоком воздуха, относительная скорость таких пылинок и воздуха очень мала. С уменьшением диаметра d пылинки растет удельная поверхность контакта с окислителем, поэтому скорость сгорания увеличивается пропорционально уменьшению d2. Время полного сгорания пылинки уменьшается пропорционально уменьшению квадрата ее первоначального диаметра. В горящем пилеповитряному факеле развивается высокая температура. Это способствует интенсификации прогрева топлива и его воспалению.
Циклонный способ сжигания (см. рис. 4.4, в) основан на использовании закрученных топливо-воздушных потоков. Транспорт топлива осуществляется воздухом. Топливные частицы циркулируют по определенным траекториям в течение времени, необходимого для завершения их сгорания.
Под действием центробежных сил частицы движутся в виде уплотненного пристенного слоя, при этом они интенсивно перемешиваются с воздухом. Время пребывания частиц в циклонных камере выбирается достаточным для выгорания грубой пыли (размер частиц - 200 мкм) или дробленого топлива (размер частиц до 5 мм).
Способ сжигания в кипящем слое (см. рис. 4.4, г) является в определенном смысле промежуточным между шаровым и камерным. Кипящим называется слой мелкозернистого материала, продуваемого снизу вверх газом со скоростью, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но недостаточной для выноса частиц из слоя. Интенсивная циркуляция частиц в ограниченном объеме камеры создает впечатление бурно кипящей жидкости. Значительная часть воздуха проходит через такой слой в виде пузырей сильно перемешивают мелкозернистый материал, что еще больше усиливает сходство с кипящей жидкостью и объясняет происхождение названия.
Шаровые топки. По способу механизации операций обслуживания (подача топлива, шуровки слоя, удаления золы и шлака) шаровые топки делятся на ручные (немеханизированные), полумеханическими и механические. В полумеханическими топках механизированы только часть операций. В механических топках механизированы все операции. Классификация наиболее типичных и относительно широко распространенных топочных устройств с шаровым сжиганием топлива показана на рисунке 4.5.
В топку, показанная на рисунке 4.5, а топливо загружают вручную и вручную удаляют топливные остатки через зольник. Через большой расход физического труда топки этого типа используют только при малой паропроизводительности (до 0,5 кг / с).
На рисунке 4.5, б показано полумеханическими топку с пневмомеханическим закидателем и ручными колосниками, которые возвращаются. Топливо забрасывается питателем и равномерно распределяется по решетке. Топливные остатки удаляют путем их сброса в зольный бункер при повороте колосников вокруг своей оси от ручного привода.
В топке, показанная на рисунке 4.5, в, загрузка осуществляется под действием собственного веса топлива. Топки с наклонными решеткой (с углом 40-45 °, что соответствует углу естественного откоса сжигаемого,) используют обычно для сжигания древесных отходов и кускового торфа. Возвратно-постепенное движение колосников на наклонно-перештовхувальних решетке (см. рис. 4.5, г) дает возможность осуществить непрерывное шуровки слоя топлива. В таких топках возможно сжигание горючих сланцев, бурых углей с большой зольностью и повышенной влажностью, каменных углей с высоким выходом летучих веществ.
Топки с планкой, шурует, (см. рис. 4.5, д) предназначены для сжигания багатозольних бурых углей и каменных углей, яки НЕ спекаются. Планка, шурует, выполняется в виде трехгранной призмы из литого чугуна или стали. Угол наклона передней плоскости к горизонтальной плоскости составляет 35 °, а задней - 15 °. При движении вперед (к задней стенке топки) топливо перештовхуваеться в том же направлении. При обратном ходе слой топлива подрезается задней гранью и осуществляется шуровки горящего слоя топлива.
На рисунке 4.5, е показана топка для сжигания кускового топлива с присадкой фрезерного торфа. Эта топка имеет передтопку в виде шахты, в которой топливо подсушивается и подвергается частичной газификации, и имеет цепные играть. Процесс горения в топках с цепными решетками, яки оборудованы пневмомеханическая закидателямы, имеет смешанный характер. В слое сгорают крупные фракции топлива, а в надшаровому пространстве - пыль, неизбежно образуется при транспортировке и подготовке топлива к сжиганию, а также летучие вещества, не сгорели непосредственно в пласте.
Камерные (факельные) топки. Факельный способ сжигания топлива используется в факельных топках, в которых тонко размолотый горючий пыль вдувается через горелки вместе с необходимым для горения воздухом (см. рис. 4.4, б) аналогично тому, как сжигаются газообразные или жидкие топлива. Время пребывания газа и пыли в объеме топки незначительно (1,5-2 с). Поэтому в зависимости от вида твердого топлива дисперсность помола выбирается разной. Например, при сжигании антрацитов и тощих углей частицы размером более 90 мкм должны составлять только 7-15% по массе, каменных углей - 15-35%, а при сжигании бурых углей доля таких частиц может составлять уже 40%.
Топливо измельчается в мельничных устройствах и вдувается в топочную камеру через пылеугольные горелки. Воздуха вдувается вместе с пылью, называется первичным.
При камерном сжигании твердого топлива в виде пыли летучие вещества, яки выделяются в процессе ее прогрева, сгорают в факеле как газообразное топливо способствует разогреву твердых частиц до температуры воспламенения и облегчает стабилизацию факела. Количество первичного воздуха должно быть достаточным для сжигания летучих компонентов. Оно составляет от 15-25% всего количества воздуха для углей с малым выходом летучих веществ (например, антрацитов) и до 20-55% для топлив с их большим выходом (бурых углей). Другое необходимое для горения воздуха (его называют вторичным) подают в топку отдельно и перемешивают с пылью уже в процессе горения.
Основные преимущества камерных топок заключаются в следующем:
1) возможность экономичного использования практически всех сортов угля, в том числе и низкокачественных, которые трудно сжигать в слое;
2) хорошее перемешивание топлива с воздухом, что позволяет работать с небольшим избытком воздуха (Я = 1,2 ^ 1,25);
3) возможность повышения единичной мощности котлового агрегата;
4) относительная простота регулирования режима работы и, следовательно, возможность полной автоматизации топочного процесса.
Факельные топки можно классифицировать по расположению горелок (фронтальный, встречный, угловое) и способа удаления шлака из камеры (твердое или жидкое). Расположения горелок на стенках факельных топок показано на рисунке 4.6. Потолочное (см. рис. 4.6, а) и одноярусное фронтальная (см. рис. 4.6, б) расположения горелок применяется для котлов производительностью до 33 кг / с (120 т / ч). Для котлоагрегатов производительностью свыше 33 кг / с рекомендуется боковое встречный (см. рис. 4.6, в) и угловое тангенциальное расположение горелок (см. рис. 4.6, г). Применяется также многоярусная фронтальная установка горелок. Более предпочтительной является схема с установкой угловых тангенциальных горелок, так как в этом случае создается интенсивное (вихревое) перемешивание топлива с воздухом, развиваются более высокие температуры и процесс горения протекает более полно. В зависимости от способа удаления шлака из топочной камеры используют топки с удалением шлаков в твердом и жидком состояниях. На рисунке 4.7, а показано топку с удалением твердых шлаков, а на рисунке 4.7, б - жидких шлаков.
В топках с удалением твердых шлаков сжигают багатозольни бурые угли, каменные угли, фрезерный торф, сланцы.
Слабореакцийне топливо (антрациты, напивантрациты, худые каменные угли) целесообразно сжигать в топках с удалением жидких шлаков.