Общие сведения
Топка - основная часть котельного агрегата, в которой происходит процесс сгорания топлива.
К топочному устройству относятся форсунка, предназначенная для распыливания топлива, воздухонаправляющее устройство, обеспечивающее эффективное перемешивание частиц топлива с воздухом, поступающим в топочную камеру, электроды зажигания, смотровое отверстие со светофильтром для наблюдения за факелом в процессе его регулирования.
В судовых котлах применяют основной принцип организации топочного процесса - факельный, при котором частицы топлива непрерывно движутся в топочном объеме во взвешенном состоянии вместе с потоками воздуха и газов.
К преимуществам факельного процесса относится возможность полной механизации обслуживания топки и автоматизация управления ею. Топки, в которых осуществляется факельный процесс называют камерными, подразумевая под камерой топочное пространство котла.
Схема топочного устройства для сжигания мазута в топках судовых паровых котлов представлена на рис. 9.101.
Рис. 9.101. Топочное устройство для сжигания мазута.
Мельчайшие капельки распыленного мазута вылетают в воздушную среду топки из форсунки 1, образуя конус распыливания с углом 60-90°. Горение капелек мазута не начинается сразу же по вылету из форсунок, так как их температура еще ниже температуры воспламенения. В этой начальной зоне, называемой корнем факела, происходит интенсивное нагревание, испарение и частичная газификация мазута под воздействием высокой температуры.
Для улучшения прогрева корня факела устанавливается диффузор 2, конус которого защищает корень факела от потока холодного воздуха и способствует созданию устойчивой зоны завихрений. Главным источником тепла для этой начальной зоны служит мощное излучение горящего факела и, в меньшей степени, футеровочного кольца 4, а также рециркуляция горящих частиц топлива -С-.
Фронт горения а-б устанавливается там, где образовавшаяся горючая смесь паров и продуктов газификации мазута с воздухом будет иметь температуру, достаточную для воспламенения.
Капельки мазута (или частички газифицированного продукта) перемещаются вместе с потоком воздуха, поэтому относительная скорость омывания воздухом будет невелика. При этих условиях горение будет затруднено, так как проникновению молекул кислорода к поверхности частиц будут мешать окружающие ее продукты горения.
Для ускорения процесса горения создают интенсивное перемешивание газовоздушных потоков внутри и по окружности факела. С этой целью в диффузоре 2 сделаны щели, через которые первичный воздух I поступает к корню факела. Диффузор пропускает лишь небольшое количество воздуха, достаточное для охлаждения самого диффузора и начального смесеобразования топлива с воздухом.
Основное количество воздуха - II - подводится к активной зоне горения факела через воздухонаправляющие устройства с лопатками 3, которые обеспечивают устойчивое завихрение газовоздушной смеси. Горло 5 топочной амбразуры способствует направлению струй воздуха внутрь факела и более тщательному перемешиванию его горючими газами.
При полной нагрузке топки и установившемся режиме, устойчивость горения факела обеспечивается как непрерывностью подачи топлива, воздуха и удаления продуктов горения, так и высокой температурой, развиваемой в самом факеле.
Таким образом, для организации устойчивого факельного процесса необходимо:
- подача в топку подогретого и мелкораспыленного мазута;
- защита корня факела от относительного холодного воздуха, который должен подаваться в эту зону в минимальном количестве, необходимом для начала смесеобразования;
- интенсивный прогрев начальной зоны факела за счет излучения его активной зоны и теплового излучения диффузора 2 и футеровочного кольца 4;
- интенсивное перемешивание продуктов испарения и газификации мазута с воздухом по всей толщине активной зоны горения факела;
- бесперебойная подача воздуха и топлива к факелу и удаление продуктов горения;
Топочные устройства для сжигания мазута, которые обеспечивают выше перечисленные условия, рассматриваются ниже.
На рис. 1 показана простая конструкция топочного устройства с паровой или воздушной форсункой. Воздух в топку подается через поддувало в воздушном коробе 3 и лишь в незначительном количестве - через отверстие во фронтоне, в котором размещается форсунка 1. Количество воздуха регулируется поддувальной дверцей 2. Воздух в топку подается вентилятором под напором 30-40 мм вод. ст.
На рисунке 2 представлена типичная конструкция топочного устройства котла шотландского типа.
Позиции на рисунке: 1 - кладка из фасонного кирпича; 2 - кладка из простого кирпича; 3 - воздушный короб; 4 - рычаг регулирования подачи воздуха в топку; 5 - главная воздушная заслонка; 6 - форсунка; 7 - место подвода вторичного воздуха; 8 - смотровое отверстие.
Топочное устройство водотрубного котла с паромеханической форсункой имеет следующие особенности конструкции: давление пара перед форсункой составляет 0,1-0,15 МПа (форсунка с внешним смесеобразованием); при изменении подачи топлива форсункой не требуется изменение давления распыливающего пара; глубина регулирования форсунки 15 : 1; форсунка не может быть вынута из гнезда без предварительного отключения подвода топлива и пара. Предусмотрена блокировка, в соответствии с которой рукоятка топливного клапана не может быть повернута в положение открыто до тех пор, пока не будет открыт клапан подвода распыливающего пара и, наоборот, подвод пара не может быть закрыт до тех пор, пока не будет закрыт клапан подвода топлива; в том случае, если клапан подвода топлива закрыт, а клапан подвода пара открыт, пар используется в качестве охлаждающей среды. В этом состоянии форсунка не может перегреться и готова к немедленному включению в работу.
Рис 4. Конструкция топочного устройства с механической центробежной форсункой 1 и двухзонным воздухонаправляющим устройством 5. Сопло форсунки (а следовательно, и корень факела) в данном случае значительно удалено от выходного сечения -А- топочной фурмы, что приводит к образованию нагара на внутреннем кольце воздухонаправляющего устройства. Для удаления нагара предусмотрено специальное кольцо 3 с рукояткой. Первичное завихрение воздуха осуществляется лопатками 6, которые поворачивают рукояткой 2.
В периферийной зоне воздухонаправляющего устройства степень завихрения воздуха снижается лопатками 4, и струи воздуха в этой зоне отжимают факел от стен фурмы, а затем поступают к основной зоне факела. Имеется клапан (захлопка), предназначенный для того, чтобы газы из топки не поступали в котельное помещение при удаленной форсунке.
Рис 5. Топочные устройства с профильными поворотными лопатками, в которых могут быть применены как обычные механические форсунки, так и паромеханические. Воздух для горения топлива подается дутьевым вентилятором в короб 1, где расположены воздухонаправляющие устройства форсунок. В данной конструкции имеются восемь заслонок 4 с профильными лопатками 2, имеющими криволинейную поверхность, которая создает вращательное движение воздуха. Закрываются и открываются заслонки вручную с помощью рукоятки, перемещающей кольцо 8. К кольцу приварены штыри 9, с помощью которых поворачиваются хомуты 7, жестко соединенные с ведущими пальцами 6 заслонок 4. Кольца перемещаются по роликам. Входной конус 5 соединен с основной частью ВНУ стяжными болтами 3. Ствол форсунки 14 размещен в трубе 11, которая заканчивается диффузором 13, защищающим корень факела от охлаждения его воздухом. На наружном фланце имеется смотровой глазок 12, через который можно наблюдать за качеством горения мазута.
Рис 6. Конструкция воздухонаправляющего устройства с неподвижными лопатками 2, расположенными по касательной к окружности. Воздух из короба 9 поступает в каналы, образованные лопатками 2, а затем в виде завихренного потока подводится к фурме 1, где смешивается с распыленным мазутом. Воздухонаправляющие каналы перекрываются или открываются цилиндрическим шибером 3, перемещающимся автоматически сервомотором, с которым шибер соединен тягой 4. При выводе ствола форсунки из трубы 5 захлопка 8 предотвращает выброс горячего воздуха. Диффузор 10 перемещается вручную тягой 6, закрепленной стопором 7.
Рис 7. Вспомогательные котлы дизельных судов часто оборудуют топочным устройствами типа «Монарх». Топочное устройство представляет собой агрегат, который состоит из двух распыливающих сопел 6: основного рабочего и дежурного (запального), скомпонованных в одной головке. Перед каждым из двух сопел имеются магнитные запорные клапана 7 и 8. Топливный насос 10 и вентилятор 1 смонтированы на одном валу вращаемым электродвигателем 2. Топливо из расходной цистерны самотеком поступает по трубе 9 к насосу 10 и направляется по напорной линии к электромагнитным клапанам 7 и 8. Форсунка снабжена электрозапальным устройством 3 и запальными электродами 5. Внутренние части топочного устройства размещены в корпусе 4. Топочное устройство является элементом системы автоматического регулирования котла по давлению пара. Регулирование подачи топлива осуществляется либо отключением сопел, либо сливом части топлива в приемную часть насоса 10. Производительность котла регулируется выключением одного или обоих сопел по датчикам давления пара, связанным с электромагнитными клапанами 7 и 8.
Рис 8. Топочное устройство вспомогательных котлов теплоходов с вращающейся форсункой типа «Сааке». Основной частью ротационных форсунок является распыливающий стакан, вращающийся с большой скоростью. Распыливающий стакан и вентилятор расположены на одном валу, приводимым электродвигателем с помощью ременной передачи. Топливо с температурой 70-90°С и с давлением 0,07-0,15 МПа поступает во внутренний канал ротора форсунки и далее на внутренние стенки стакана вращаемого электродвигателем со скоростью 4500-5000 об/мин. Первичный воздух, подающийся вентилятором, поступает через воздухопровод к кольцевой щели. Вторичный воздух поступает через полость. Под действием центробежной силы топливо равномерно распределяется по внутренней поверхности стакана. Воздух от вентилятора первой ступени концентрично обтекает стакан и набегая на топливную пленку разбивает ее на мельчайшие капельки, которые перемешиваются с ним, обеспечивая нормальный процесс сгорания. Давление первичного воздуха составляет 350-400 мм вод. ст.; вторичного 30-40 мм вод. ст.
Рис 9. Для более высокой интенсификации факельного процесса сжигания мазута применяется компоновка форсунок в верхней части топочной камеры. В этом варианте расположения форсунок перемешивающиеся газовоздушные потоки получили более эффективное движение сверху вниз, таким образом обеспечивается почти полное распределение факела по объему топки. При этом повышается устойчивость горения факела в условиях почти полного отсутствия кирпичной кладки.
Позиции на рисунке: 1 - выдвижное запальное устройство; 2 - сервомотор главной воздушной заслонки; 3 - датчик наличия пламени; 4 - место подвода топлива и пара; 5 - главная воздушная заслонка; 6 - стабилизатор пламени.
