Рассмотрение показало, что приемлемое удержание легких парусных частиц возможно в циклонных топках, научно обоснованных профессором Г.Ф. Кнорре [2], которые были приняты для разработки, но только по аэродинамической схеме, так как эти топки неохлаждаемые, высокотемпературные и, в принципе, не пригодны из-за организации горения частиц в пленке жидкого шлака. Режим сжигания должен быть непременно низкотемпературным [3, 4], экологически эффективным.
Путем исследований на аэродинамических моделях, рис. 1, была доказана возможность удержания витающих частиц в охлаждаемых конструкциях вихревых камер, пригодных для встраивания в топочный объём типовых твердотопливных котлов, а не только в цилиндрических циклонах [2]. Это призматические многоугольные, с вертикальным и горизонтальным расположением оси вихря, неправильно угольные радиальные, сообщающиеся парные, и с другой геометрией [3, 4], более разнообразной, чем исходная схема [2].
Эти опыты показали, что за счет дутья можно формировать и устанавливать в различных сечениях камер вращающиеся структуры частиц. Интенсивная осевая циркуляция удерживает частицы, благоприятна для создания однородного температурного поля и предопределяет высокую эффективность вихревых топок. Было выявлено, что имеется критический порог несущей способности вихревого потока, емкость по твердой фракции, при превышении которой структура обрушивается, «захлебывается».
Исследованиями [1, 3, 4] было доказано, что критический порог загруженности, характерный для равномерно распределенного дутья, возможно увеличить на прядок: путем перераспределения дутья, секционирования и с помощью других мер.
В основе этих исследований лежало стремление на базе вихревой технологии сжигания для основных типоразмеров котлов промышленной теплоэнергетики, взамен имеющимся слоевым топкам, предложить более эффективные и универсальные топки «Торнадо». Наличие сужения в виде газоотводящего окна, рис. 1, и его конструкция важны.
Окно диафрагмирует выход, обеспечивает стабильность вихревых образований [5]. Скорость вращения вихря увеличивается за счет пережима, вихревой газовый поток интенсивно освобождается от витающих частиц при подходе к газоотводящему окну пережима. Подача острого дутья в пережим встречно выходящим продуктам сгорания улучшает удерживающую способность топочной камеры и дожигание выхлопа, причем по экологически наиболее эффективной схеме: подача третичного дутья с рециркуляцией и интенсивным перемешиванием и в зоне пережима.
Вторая проблема — это интенсивное образование золо-шлаковых отложений на поверхностях нагрева котлов, работающих на растительных отходах. Особо интенсивно отложения образуются при сжигании лузги подсолнечника. Минеральная часть таких топлив образуется из оболочек растительных клеток. По исследованиям выжженных проб зола лузги хрупкая, мягкая и очень мелкая, 95% массы рассевки имеет размеры менее 20 мкм. Теоретически она должна полностью выносится из топки котла и конвективных пакетов потоком продуктов сгорания[3]. Однако, несмотря на малое содержание в лузге золы, 1,5-3%, она оказалась сильно шлакующей по причине повышенного содержания калия, по анализам К2О=30-80%.
Рис 2. Вид отложений. В камере дожигания, за топкой, (фото слева) прочные крупные отложения, до 200мм. В экономайзере (справа) рыхлые отложения
Практическое же использование подсолнечной лузги в качестве топлива показало существенные изменения, происходящие с золой, она укрупняется и осаждается в котле в виде натрубных и межтрубных отложений, рис.2. В таблице 1 показаны размеры золовых частиц, замеренные при одной из очисток опытного образца котла, максимальный max, мм и средний 50%, мм (R=50%), осевших на элементах котла.
Таблица 1. Характерные размеры золовых частиц, осевших в опытном образце котла
|
Размер |
Стены топки |
Пароперегреватель |
Конвект. 1 |
Конвект. 2 |
Циклон |
|
d50%, мм |
0,315 |
2,5 |
1,6 |
1,0 |
0,063 |
|
dmax, мм |
10 |
20 |
10 |
10 |
1,6 |
Анализ, отобранных из котла, на двух различных режимах работы, проб золы с помощью хичических реакиций, выявил, что различие присутствует не только по фракционному составу, но и химическому, рис. 3. Здесь режимы: отдельное сжигание лузги (температура в топке ниже, 800-950°С, тонкие линии) и сжигание лузги вместе с природным газом (в топке температура выше, до 1100-1300°С, толстые линии). Нумерация точек отбора проб: Экр – с экранных труб в топке, ВТ — с неохлаждаемых стен из обмуровки, КД — с обмуровки камеры дожигания, КП1 – с первого конвективного пакета, 1-2 и 2-3 — из зольников под конвективным пакетом, КП3 – с труб третьего конвективного пакета, ЭКО – с труб экономайзера.