Котлы с кипящим слоем
При сжигании топлива в топках с высокой температурой образуется большое количество диоксида азота NO2. Это высокотоксичный газ бурого цвета с удушливым запахом. При снижении температуры в топке до 1000ºС и ниже диоксид азота почти не образуется. Это достигается сжиганием твердого топлива (каменного и бурого угля, сланца, древесных отходов, бытового мусора и т.д.) в кипящем (псевдоожиженном) слое.
Мелкозернистый горючий материал, размещенный на решетке топки, продувается снизу воздухом со скоростью, превышающей предел устойчивости плотного слоя. «Скорость ожижения» зависит от плотности горючего материала и от крупности частиц, обычно она находится в пределах 0,9-2,3 м/с. Возможные состояния системы «газ - частицы топлива» показаны на рис. 11.1.
При скорости продувки меньше критической (см. рис. 11.1, 1) частицы топлива лежат в плотном слое.
Это – обычная слоевая топка. В топку с кипящим слоем (см. рис. 11.1, 2) первичный воздух подается снизу, измельченное топливо вводится через патрубок слева. Если превышена скорость ожижения, в слое происходит интенсивная циркуляция частиц, напоминающая пузырьковое кипение жидкости. Часть воздуха проходит через такой слой в виде пузырей, которые еще сильнее перемешивают горючий материал. Частицы циркулируют в объеме слоя до полного их выгорания. Для сжигания вынесенных из слоя частиц через правый патрубок вводится вторичный воздух.
Рисунок 11.1 – Топки с кипящим слоем:
1 - слоевое сжигание; 2 - кипящий слой с пузырями; 3 – переход к пневмотранспорту; 4 - циркулирующий кипящий слой
С дальнейшим увеличением скорости продувки (см. рис. 11.1, 3) все большее количество мелких частиц выносится из кипящего слоя, происходит переход к режиму пневмотранспорта. В этом случае целесообразно применять сепарацию несгоревшего топлива (обычно в циклонных аппаратах газоочистки) с возвратом отсепарированных частиц в кипящий слой (см. рис. 11.1, 4). Такой режим работы топки называют «циркулирующим кипящим слоем». Внутри слоя размещаются трубы с нагреваемым теплоносителем, который отводит выделяемую теплоту. Контакт с движущимися горящими частицами топлива приводит к значительной интенсификации теплообмена.
Благодаря сравнительно низкой температуре горения в топках с кипящим слоем не происходит расплавления золы, и поэтому она не налипает на поверхности теплообмена котла. В результате сокращаются затраты на очистку поверхностей теплообмена.
Кипящий слой на 90% и более состоит из частиц золы или специально добавляемого инертного материала (известняка, доломита, шамотной крошки). Поэтому в кипящем слое можно сжигать материалы с очень высокой зольностью. Введение известняка позволяет резко снизить выбросы диоксида серы S02 – этот токсичный газ переходит в безвредный гипс СаS04, удаляемый из топки вместе с золой. Увеличение концентрации топлива в слое приводило бы к появлению в продуктах сгорания водорода Н2 и оксида углерода СО.
Топки с кипящим слоем широко используются в промышленности для обжига различных руд, колчеданов в сернокислотном производстве и т.п. В Финляндии, Швеции котлы с кипящим слоем широко применяются для утилизации отходов лесной промышленности (щепы, коры, опилок) и для сжигания фрезерного и кускового торфа. В США, Англии, Франции котлы с кипящим слоем все шире применяются на ТЭС. В США мощность котельных установок с кипящим слоем достигла 200 МВт. На рис. 11.2 показана схема топки с циркулирующим кипящим слоем фирмы BDC (США). В патрубок 1 подается первичный воздух, через шнековый питатель 2 – измельченный известняк, через патрубок 3 – топливо. В объеме 5 продолжается горение взвешенных частиц топлива. В циклоне 6 происходит очистка уходящих газов.
Рисунок 11.2 – Топки с циркулирующим кипящим слоем:
1 - первичный воздух; 2 - известняк; 3 - топливо; 4 - вторичный воздух; 5 - камера топки; 6 - циклон; 7 – подача воды; 8 - воздух
Уловленные частицы догорают в бункере, в котором размещены змеевиковые теплообменники, греющие питательную воду котла. Дополнительный воздух для дожигания твердого уноса подается через патрубок 8.
Применение топок с кипящим слоем позволяет утилизировать громадное количество угольных отходов, накопленных в терриконах около угольных шахт и обогатительных фабрик. В отвальной пустой породе содержится значительное количество неиспользованного твердого топлива, самовозгорание которого приводит к загрязнению атмосферы дымом, оксидами серы и азота.