Пылеугольные горелки: влияние тонкости помола на воспламенение
Содержание статьи
- Введение в технологию пылеугольных горелок
- Тонкость помола угольной пыли: основные принципы
- Влияние тонкости помола на процессы воспламенения
- Классификация пылеугольных горелок
- Механизмы воспламенения в пылеугольных горелках
- Современные технологии и инновации
- Технические параметры и характеристики
- Оптимизация работы горелочных устройств
- Часто задаваемые вопросы
Введение в технологию пылеугольных горелок
Пылеугольные горелки представляют собой высокотехнологичные устройства, предназначенные для эффективного сжигания угольной пыли в топочных камерах энергетических котлов. Основная задача горелочного устройства заключается в обеспечении оптимального перемешивания угольной пыли с воздухом, создании условий для раннего воспламенения пылевоздушной смеси и достижении практически полного выгорания топлива.
Современные пылеугольные горелки работают по принципу факельного сжигания, при котором угольная пыль подается в топочную камеру в виде аэросмеси с первичным воздухом. Вторичный воздух подается отдельно для обеспечения полноты сгорания. Качество процесса горения напрямую зависит от множества факторов, среди которых тонкость помола угольной пыли играет ключевую роль.
Тонкость помола угольной пыли: основные принципы
Характеристика размера частиц
Тонкость помола угольной пыли является одним из важнейших параметров, определяющих эффективность сжигания твердого топлива. Качество готовой пыли оценивается по гранулометрическому составу на основе ситового анализа проб пыли согласно ГОСТ 3584-73. Основными показателями тонкости помола являются остатки на ситах с различными размерами ячеек.
| Размер сита (мкм) | Обозначение | Влияние на процесс | Рекомендуемые значения (%) |
|---|---|---|---|
| 90 | R90 | Надежность воспламенения | 15-25 |
| 200 | R200 | Полнота выгорания | 2-8 |
| 500 | R500 | Механический недожог | 0-2 |
| 1000 | R1000 | Крупные фракции | 0-0.5 |
Физические свойства угольной пыли
Размер частиц угольной пыли может достигать 300 мкм, при этом преобладающая доля приходится на мелкую фракцию размером от 20 до 50 мкм. Насыпная плотность угольной пыли составляет около 0,5 т/м³, однако со временем пыль слипается и уплотняется, что приводит к увеличению насыпного веса до 0,8-0,9 т/м³ в нижней части бункеров.
Расчет коэффициента полидисперсности
Коэффициент полидисперсности пыли n характеризует структуру пыли с точки зрения равномерности помола топлива:
R = b × d^n
где:
- R - остаток на сите, %
- b - коэффициент тонкости измельчения (4×10⁻³ до 40×10⁻³)
- d - размер ячейки сита, мкм
- n - коэффициент полидисперсности (0,8-1,2)
Влияние тонкости помола на процессы воспламенения
Механизм воздействия размера частиц
Тонкость помола угольной пыли оказывает прямое влияние на скорость и надежность воспламенения пылевоздушной смеси. Уменьшение размеров пылинок приводит к увеличению относительной поверхности реагирования топлива, что обеспечивает большее теплопоглощение и интенсифицирует прогрев и воспламенение пылевоздушной смеси.
Пример влияния размера частиц на воспламенение
При размере частиц 50 мкм время воспламенения составляет 0,2-0,3 секунды, в то время как частицы размером 200 мкм требуют 0,8-1,2 секунды для устойчивого воспламенения. Мелкие частицы размером менее 20 мкм воспламеняются практически мгновенно и способствуют зажиганию более крупных фракций.
Зависимость от содержания летучих веществ
Процесс воспламенения и горения угольной пыли при одинаковой тонкости помола в значительной степени определяется количеством содержащихся в топливе летучих веществ. Современный подход к выбору тонкости помола учитывает не только выход летучих, но и их теплоту сгорания, что определяет реакционность топлива.
| Тип угля | Содержание летучих Vdaf (%) | Рекомендуемый R90 (%) | Особенности воспламенения |
|---|---|---|---|
| Антрацит | 2-8 | 8-12 | Требует высокого подогрева воздуха |
| Тощий каменный | 8-17 | 12-18 | Трудновоспламеняемый |
| Каменный | 17-35 | 18-25 | Хорошая воспламеняемость |
| Бурый уголь | 35-50 | 25-35 | Легко воспламеняется |
Влияние полидисперсности
Полидисперсность пыли также способствует улучшению воспламенения. Мельчайшие пылинки быстро прогреваются и воспламеняются, выделяющаяся при этом теплота интенсифицирует воспламенение более крупных пылинок. Этот каскадный эффект обеспечивает устойчивое горение всей массы топлива.
Классификация пылеугольных горелок
Вихревые горелки
Вихревые горелки характеризуются закручиванием первичного и вторичного воздуха специальными завихрителями. Закручивание потоков достигается при помощи улиток или лопаток, устанавливаемых аксиально или тангенциально в потоке воздуха. Вихревые горелки обеспечивают устойчивое воспламенение пылевоздушной смеси и преимущественно применяются при сжигании топлива с малым выходом летучих.
| Тип завихрителя | Конструкция | Характеристики факела | Применение |
|---|---|---|---|
| Улиточно-лопаточные | Улитка + аксиальные лопатки | Короткий, широкий | Высокореакционные угли |
| Лопаточно-лопаточные | Аксиальные лопатки | Средней длины | Каменные угли |
| Прямоточно-улиточные | Прямоточная подача + улитка | Направленный | Низкореакционные угли |
Прямоточные горелки
Прямоточные горелки подают пылевоздушную смесь и вторичный воздух без закручивания, создавая слаборасширяющийся дальнобойный факел. Для снижения дальнобойности и ускорения воспламенения такие горелки часто размещают по углам топки. Скорости первичного и вторичного воздуха составляют около 30 м/с.
Плоскофакельные горелки
Эжекционные горелки ЦКТИ представляют собой развитие плоскофакельных конструкций. Сопла делят аэросмесь на плоские вертикальные струи, их развернутая компоновка способствует разносу факела и ускоряет воспламенение. Применяются при сжигании торфа, бурых и каменных углей с содержанием летучих более 30%.
Механизмы воспламенения в пылеугольных горелках
Стадии процесса воспламенения
Воспламенению пылевой струи предшествует тепловая подготовка топлива, происходящая с поглощением теплоты. Воспламенение пылевой струи начинается с ее наиболее прогретого пограничного слоя и распространяется в глубь струи, образуя факел.
Факторы, влияющие на время воспламенения
Время воспламенения пылевоздушной струи определяется формулой:
τ = f(R90, Vdaf, T0, α, Cп)
где:
- R90 - тонкость помола, %
- Vdaf - выход летучих веществ, %
- T0 - начальная температура смеси, °C
- α - коэффициент избытка воздуха
- Cп - концентрация пыли в смеси, кг/м³
Процесс горения угольных частиц
После воспламенения угольной пыли температура пылевоздушного потока резко возрастает. Более мелкие частицы воспламеняются и сгорают в первую очередь. Для более крупных пылинок этапы тепловой подготовки и собственно горение несколько затягиваются. По длине пылеугольного факела имеет место совмещение отдельных этапов горения.
Характерные зоны пылеугольного факела
Зона прогрева (0-15% длины факела): Подогрев пылевоздушной смеси до температуры воспламенения
Зона активного горения (15-60% длины): Интенсивное выгорание летучих веществ и мелких частиц
Зона догорания (60-100% длины): Выгорание коксового остатка крупных частиц
Роль подогрева воздуха
Воспламенение пылевоздушной смеси улучшается при повышении начальной температуры, для чего воздух подогревают до 300-400°C. Особенно целесообразно применение высокоподогретого воздуха при сжигании малореакционных труднозажигаемых углей.
Современные технологии и инновации
Плазменные системы розжига
Одной из наиболее перспективных инноваций является технология безмазутного плазменного розжига. Система основана на воздействии высоковольтной высокочастотной электрической дуги на пылеугольный поток. За счет воздействия дуги происходит ускорение гетерогенных химических реакций в зоне воспламенения.
| Параметр | Традиционный розжиг | Плазменный розжиг | Преимущества |
|---|---|---|---|
| Время розжига | 3-5 минут | 30-60 секунд | Быстрый пуск |
| Устойчивость | Средняя | Высокая | Широкий диапазон нагрузок |
| Экологичность | Выбросы от мазута | Без дополнительных выбросов | Снижение NOx на 40-50% |
Усовершенствованные конструкции горелок
Современные вихревые пылеугольные горелки оснащаются выходными конфузорами с углом сужения 10-35° и степенью перекрытия сечения канала 0,2-0,7. На торце внешней обечайки выполняется выходной диффузор с углом раскрытия, что обеспечивает оптимальное смесеобразование и стабильное воспламенение.
Системы автоматического управления
Внедрение современных систем автоматического управления позволяет оптимизировать процесс сжигания в реальном времени. Системы контролируют параметры подачи пыли, распределение воздушных потоков и регулируют интенсивность горения в зависимости от нагрузки котла.
Технические параметры и характеристики
Мощностные характеристики
Современные пылеугольные горелки выпускаются с широким диапазоном тепловых мощностей. Согласно отраслевому стандарту ОСТ 24.030.26-72, для котлов большой производительности имеются горелки мощностью 25, 35, 50, 75, 100, 135 и 150 МВт.
| Мощность (МВт) | Скорость первичного воздуха (м/с) | Скорость вторичного воздуха (м/с) | Расход угольной пыли (т/ч) |
|---|---|---|---|
| 25 | 15-20 | 20-25 | 3-4 |
| 50 | 18-23 | 23-28 | 6-8 |
| 75 | 20-25 | 25-30 | 9-12 |
| 100 | 22-27 | 27-32 | 12-16 |
| 150 | 25-30 | 30-35 | 18-24 |
Аэродинамические характеристики
Для эффективной работы горелок большой мощности (50 МВт и выше) скорости первичного и вторичного воздуха должны быть более высокими. Повышенные скорости выхода воздуха особенно необходимы для улучшения воспламенения пылегазовой смеси при использовании прямоточных горелок.
Требования к системе пылеприготовления
Система пылеприготовления при установке вихревых прямоточно-улиточных горелок должна работать под избыточным давлением до 2500 Па. Это требует тщательного уплотнения системы пылеприготовления, включая питатели топлива.
Оптимизация работы горелочных устройств
Выбор оптимальной тонкости помола
Экономичная тонкость помола пыли выбирается на основании решения оптимизационной задачи, обеспечивающей эффективность сжигания топлива при минимуме затрат на пылеприготовление. Учитываются расходы электроэнергии на размол, пневмотранспорт и эксплуатацию пылеприготовительных установок.
Критерии оптимизации тонкости помола
Оптимальное значение R90 определяется по формуле:
R90 опт = a × Vdaf^(-β)
где:
- a = 8 (по данным США) или 6 (по данным Германии)
- β = 0,9 (США) или 0,7 (Германия)
- Vdaf - содержание летучих в сухой беззольной массе, %
Регулирование процесса горения
Современные горелочные устройства оснащаются системами регулирования положения факела и интенсивности горения. Поворотные сопла позволяют изменять направление факела в топке на угол до 20° от горизонтальной плоскости.
Контроль качества сжигания
Для обеспечения оптимального режима работы необходим постоянный контроль следующих параметров: температуры в зоне горения, концентрации кислорода в дымовых газах, содержания продуктов неполного сгорания и механического недожога в золе.
Часто задаваемые вопросы
Источники информации:
- ОСТ 24.030.26-72 "Горелки вихревые пылеугольные, пылегазовые и компоновка их с топками"
- ОСТ 24.836.05-73 "Горелки вихревые пылеугольные и пылегазовые и амбразуры"
- ГОСТ 3584-73 "Угли каменные и антрацит для коксования. Методы отбора и подготовки проб для лабораторных испытаний"
- ГОСТ 21204-97 "Горелки газовые промышленные. Общие технические требования"
- Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. "Котельные установки промышленных предприятий"
- Материалы ЦКТИ по эжекционным горелкам
- Патент RU2426029C1 "Вихревая пылеугольная горелка"
- Современные разработки в области плазменных технологий розжига (2024-2025)
