Горелочные устройства для промышленной энергетики
Опубликовано: 22 июля 2010 г.
258
А. Терехов, В. Котлер, к. т. н.
Решающая роль в организации топочного процесса принадлежит горелочным устройствам: от их конструкции, размещения и режима работы зависят надежность воспламенения, характер смесеобразования и аэродинамика зоны активного горения в топке котельного агрегата. Перечисленные факторы в свою очередь определяют скорость и полноту сгорания топлива, а также количество вредных выбросов в атмосферу.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
В качестве топлива для промышленных и отопительных котлов в Российской Федерации обычно используют природный газ или легкие сорта жидкого топлива – дизтопливо, флотский мазут и т.д. Твердое топливо (там, где оно применяется) сжигают, как правило, в слое, на неподвижных колосниковых или механических решетках. Иногда на твердотопливных котлах устанавливают газовые или жидкотопливные горелки, включаемые при пуске из холодного состояния. Поэтому для промышленных и крупных отопительных котлов на отечественный рынок поставляются исключительно газовые, жидкотопливные и комбинированные горелки.
Перечислим основные требования, предъявляемые к современным горелочным устройствам. Их конструкция должна обеспечивать:
• эффективное сжигание топлива (практически полное отсутствие химического и механического недожога при умеренном коэффициенте избытка воздуха в топке);
• устойчивость горения (при всех режимах работы фронт пламени должен оставаться стабильным, исключая срыв и проскок пламени для горелок предварительного смешения);
• удобство розжига и регулирования (современные горелки должны менять производительность в широких пределах);
• отсутствие сильного шума и вибрации (эти факторы не только оказывают негативное воздействие на обслуживающий персонал, но и могут стать причиной разрушения элементов котла в случае, если колебания столба горячих продуктов сгорания попадают в резонанс с собственной частотой колебания горелки);
• простоту не только изготовления, но также монтажа и ремонта;
• безопасность и долговечность в работе; выходные части горелок не должны обгорать из-за высокой температуры факела.
Применяемые в промышленной энергетике горелки различаются по способу подвода воздуха. Здесь, как и в коммунально-бытовом секторе, имеются так называемые диффузионные горелки, в которых воздух для горения подсасывается из окружающей атмосферы. На многих старых котлах установлены инжекционные горелки: воздух для горения в них подается за счет кинетической энергии газовой струи. Но подавляющее число современных горелок – с принудительной подачей воздуха от специально установленного вентилятора. Они подразделяются на прямоточные и вихревые, преобладающие в номенклатуре изделий отечественных и зарубежных производителей.
По своей конструкции вихревые горелки представляют собой систему из осесимметричных каналов, хотя бы в одном из которых установлен завихритель (иногда завихрение потока обеспечивается за счет тангенциального подвода воздуха к цилиндрическому каналу горелки). Закручивающими устройствами часто являются тангенциальные или осевые лопаточные аппараты.
Факел вихревых горелок обладает большей турбулентностью. Кроме того, завихрение струй улучшает воспламенение топливовоздушной смеси. С увеличением параметра крутки увеличивается угол раскрытия струи и расширяются её границы, возрастает количество газов, рециркулирующих к устью факела. Одновременно уменьшается дальнобойность факела.
В России большое распространение получили вихревые горелки Перловского завода энергетического машиностроения (г. Мытищи, Московская обл.). На паровых котлах типа ДКВР и ДЕ устанавливают газомазутные горелки ГМ (рис. 1) или ГМП для раздельного сжигания жидкого и газообразного топлива (на время перехода с одного вида топлива на другой допускается кратковременное совместное сжигание топочного мазута и природного газа).
Перловский завод энергетического машиностроения выпускает горелки РГМГ номинальной тепловой мощностью 1,1 и 2,2 МВт, предназначенные для раздельного сжигания жидкого и газообразного топлива.
Кроме отечественных производителей, на российском рынке горелок для промышленных котлов широко представлены зарубежные фирмы. Одна из них – немецкая компания Walter Dreizler, поставляющая газовые и жидкотопливные горелки для бытовых и промышленных котлов. На примере продукции этого предприятия можно рассмотреть направления, по которым производители совершенствуют горелочную технику.
Так, компания оснащает свои модуляционные горелки системой частотного регулирования. Известно, что бόльшую часть времени отопительные котлы (а значит – и горелки) работают на сниженной нагрузке. Уменьшение расхода топлива на таких нагрузках у большинства современных горелок сопровождается пропорциональным снижением расхода воздуха, которое достигается поворотом заслонки, то есть дросселированием воздушного потока. В результате, при сниженной нагрузке дутьевой вентилятор расходует почти то же количество электроэнергии, что и при номинальной.
Частотный преобразователь снижает обороты вентилятора в зависимости от мощности горелки, поддерживая тем самым заданное соотношение «топливо–воздух» без дросселирования потока воздуха. Если мощность горелки составляет 3 МВт, то привод вентилятора должен иметь мощность 5,5 кВт. При снижении нагрузки котла до 60 % номинальной двигатель обычной горелки будет нести нагрузку примерно 5 кВт, а двигатель с частотным регулированием числа оборотов – только 2 кВт. Если же нагрузка котла снизится до 20 % номинальной, то вентилятор с частотным регулированием будет потреблять мощность всего 0,75 кВт. С учетом общего времени работы котла на сниженных нагрузках годовая экономия электроэнергии может оказаться весьма существенной.
Второе направление – снижение образования токсичных оксидов азота NOx. Как правило, промышленные и коммунальные котельные располагаются вблизи жилых массивов и имеют невысокие (по сравнению с тепловыми электростанциями) дымовые трубы. В этих условиях единственным средством обеспечения санитарно-гигиенических норм по допустимой концентрации NOx в приземном слое атмосферы становится снижение выбросов оксидов азота. Именно поэтому производители горелочной техники уделяют такое внимание снижению эмиссии NOx.
Эффект малотоксичного сжигания достигается, в частности, за счет интенсификации внутренней рециркуляции продуктов сгорания. На рис. 2 показана схема работы горелки серии ARZ (Dreizler). Ее выходное сечение выполнено таким образом, что воздушный поток направлен к оси горелки, а струйки газа – к периферии факела. Такая аэродинамика на начальном участке факела интенсифицирует смешение топлива в первую очередь с газами внутренней рециркуляции, что и приводит к уменьшению образования NOx. При сжигании газа горелки ARZ-super обеспечивают удельные выбросы оксидов азота на уровне 80 мг/кВт•ч (22 мг/МДж, или примерно 64 мг/м3 в пересчете на O2 = 6 %).
Другой способ уменьшения эмиссии NOx – понижение температуры, при которой протекает сгорание топлива. Очень хорошие показатели получены при использовании так называемых бесфакельных горелок. На рынке бытового оборудования такие аппараты уже не редкость, но в промышленном секторе их применение пока ограничено. Ранее журнал «Аква-Терм» рассказывал о разработанной Dreizler горелке Magma (см. А-Т 2.212). Она имеет форму полого цилиндра из пористого керамического материала. Ее рабочая поверхность нагревается до температуры 700–900 °С. Горелка характеризуется бесшумным запуском, сгорание газовоздушной смеси происходит без пульсаций пламени, а удельные выбросы NOx составляют всего лишь 10–35 мг/кВт•ч. Выбросы других токсичных компонентов (СО и CxHy) практически отсутствуют. Мощность горелок Magma достигает 5 МВт.
Проблеме выбросов в атмосферу токсичных загрязнителей уделяют большое внимание и другие зарубежные изготовители промышленных горелок. Например, итальянская компания Baltur разработала и представила на рынок серию LX мощностью от 60 кВт до 6 МВт. Для снижения образования термических NOx в данных горелках в максимальной степени используется рециркуляция продуктов сгорания: они подсасываются к корню факела в результате разряжения, которое создается на периферии вытекающей из горелки струи топливовоздушной смеси. Эти газы рециркуляции имеют более низкую температуру и, кроме того, снижают действующую концентрацию кислорода, что также уменьшает скорость образования термических NOx. Опыт использования газовых горелок LX подтвердил: они работают надежно и экономично в диапазоне нагрузок от 15 до 100 % номинальной и обеспечивают удельные выбросы оксидов азота не более 80 мг/кВт•ч.
Отметим: ассортимент Baltur включает газовые горелки в исполнении ME c микропроцессорным управлением и системой электронного регулирования состава газовоздушной смеси. Традиционные, используемые в стандартных горелках системы управляют устройствами и исполнительными механизмами с помощью механических связей. Это приводит к возникновению механической погрешности и гистерезиса и не позволяет точно установить соотношение воздуха и топлива для сжигания, особенно при минимальных нагрузках. При электронной модуляции данные недостатки отсутствуют, поскольку серводвигатели напрямую связаны с устройствами, регулирующими подачу воздуха и газа.
Электронная система управления с микропроцессорным менеджером горения контролирует работу горелки и гарантирует настройку серводвигателей с точностью до 0,1 градуса. В зависимости от серии горелок опционально или штатно предусмотрена функция плавного изменения мощности в зависимости от значения контролируемого параметра теплоносителя (температура или давление).
Большой известностью на российском рынке пользуются горелки фирмы Weishaupt (Германия), выпускающей газовые, жидкотопливные и комбинированные горелки мощностью до 17,5 МВт. Среди ноу-хау этой компании – технология Multiflame, обеспечивающая полное и чистое сжигание жидкого топлива за счет его распыления вокруг первичного пламени (рис. 3). Кроме высокой эффективности горения, такая схема обеспечивает снижение удельных выбросов NOx до 120 мг/кВт•ч. Weishaupt также активно оснащает свои горелки системами электронного управления.
В 1990-е гг. на российском рынке приобрели популярность горелки английской фирмы Hamworthy. В частности, хорошо себя зарекомендовали модели серии S, работающие на газе и жидком топливе. Они обладают тепловой мощностью от 1,25 до 5,9 МВт и могут использоваться в теплогенераторах с большим противодавлением в топке. В ассортименте компании имеются также ротационные горелки типа AW, рассчитанные на сжигание большинства сортов нефтяного (в том числе высоковязкого) топлива. Особенность ротационных горелок – отсутствие механической или паромеханической форсунки в традиционном понимании. Жидкое топливо подается в распылительный стакан, вращающийся со скоростью до 6000 об/мин. В результате появляется пленка из топлива, равномерно распределенная по внутренней поверхности стакана. При отрыве этой пленки от кромок стакана образуется чрезвычайно тонкая струя, распыляемая потоком первичного воздуха.
Горелки с ротационными форсунками выпускает и немецкая компания Saacke. Высокая эффективность сжигания топлива (в том числе битумов, гудронов и остатков тяжелых минеральных масел) при их использовании обеспечивается за счет качественной регулировки различных потоков топлива. Подаваемый в горелку воздух разделяется на первичный (25 %), совершающий распыление топливной пленки после кромок вращающегося стакана, вторичный (70 %), обеспечивающий сгорание основной массы топлива, и третичный (5 %), защищающий вращающиеся лопатки от перегрева и препятствующий отложению продуктов сгорания (рис. 4). Снижение образования оксидов азота в ротационных горелках Saacke обеспечивается подачей газов рециркуляции в область зоны первичного сжигания.
Ротационные горелки обладают широким диапазоном регулирования (1:10), причем избыток воздуха остается практически неизменным при снижении нагрузки до 20 % номинальной.
Хороших успехов в снижении эмиссии оксидов азота добились американские энергетики, разработавшие горелку типа R-RMB. Принципиальная схема этой горелки приведена на рис. 5: смесь воздуха и газов рециркуляции проходит через лопатки аксиального закручивающего аппарата, и в эту смесь, в пространство между лопатками, инжектируется природный газ. Конструкция газовых наконечников и скоростной режим обеспечивают полное и быстрое смешение топлива с газовоздушной смесью. При этом стабильное воспламенение факела достигается даже при сниженной максимальной температуре в ядре горения (именно такая температура необходима для подавления образования термических оксидов азота).
Испытание горелки R-RMB было проведено на паровом котле производительностью 11,35 т/ч, не оснащенном воздухоподогревателем. Горелка без рециркуляции дымовых газов обеспечивала концентрацию NOx за этим котлом не менее 200 мг/м3. Установка новой горелки и рециркуляция 18 % дымовых газов снизили концентрацию NOx до 18 мг/м3.
На жаротрубных котлах фирмы Cleaver Brooks тепловой мощностью по 1,5 МВт установка горелок R-RMB позволила снизить концентрацию NOx до 16 и 10 мг/м3 (при доле рециркуляции газов, соответственно, 25 и 35 %).
Самая крупная горелка этого типа (тепловой мощностью 38 МВт) установлена на котле паропроизводительностью 45 т/ч. С новой горелкой мощность котла удалось повысить до 50 т/ч. При этой нагрузке и рециркуляции 18 % анализ дымовых газов за котлом дал следующие результаты: О2 = 3,2 %, NOx = 15 мг/м3 (в пересчете на O2 = 6 %) и СО – менее 1 мг/м3.
Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» # 1(35) 2007