Топка

Конструктивна схема шарової топки з рухомою колосниковою решіткою

Шарова топка — топка, у якій горіння твердого палива, завантаженого шаром (зазвичай на колосникову решітку), відбувається у струмені повітря, що пронизує цей шар (переважно знизу вгору)[1].

Історично це перший тип спалювання палива, що бере початок від освоєння вогню стародавніми людьми у вигляді багаття. Паливо може завантажуватися вручну, через дверцята, або механічно, з бункера. Перед подачею в бункер паливу надається потрібна крупність подрібненням на дробарках, або, навпаки, формуванням паливних гранул (пелет).

За будовою колосникової решітки та характером руху по ній палива топки бувають наступних різновидів[2]:

• з нерухомою колосниковою решіткою і нерухомим шаром палива (в тому числі якщо окремі колосники можуть повертатись або решітка струшується). Використовуються для невеликих парових котлів з продуктивністю до 1—2 т/год пари.
• з шаром палива, що переміщається на нерухомій решітці під дією гравітації. (наприклад, по нахиленій решітці) або шуруючої планки.
• топки шахтового типу, що мають розвинуту за висотою завантажувальну горловину (шахту), у якій відбувається підсушування, розігрівання і часткове виділення летких речовин. По мірі згоряння палива вище розташовані підготовлені шари переміщаються в активну зону горіння на колосниковій решітці. Застосовуються в основному для котлів з паропродуктивністю до 6,5 т/год;
• з рухомою решіткою прямого (спереду до заду) або зворотного ходу. Застосовуються для котлів продуктивністю пари до 10…35 т/год і вище. Топки з прямим ходом решітки чутливі до якості палива, що приводить до не повного його згорання.

За конструктивними особливостями відноситься до шарових топок, але стан палива в них у зоні горіння суттєво відрізняється[3]. Особливість даного виду топки полягає у тому, що тверде паливо, яке знаходиться у зоні горіння перебуває у псевдорозрідженому стані, що носить назву «киплячий шар». Він утворюється за певної швидкості потоку повітря, що подається. При проходженні через шар палива потік «розсуває» частинки та збільшує його товщину (в 1,2…1,8 рази), зменшуючи щільність та не маючи спроможності винести частинки за межі шару.

Киплячий шар може бути високотемпературним і низькотемпературним (800—900 °C), в даний час по ряду причин майже завжди використовується другий. Зокрема, в ньому дуже ефективно пригнічується виділення оксидів азоту і можна застосувати занурену поверхню теплообміну, до якої забезпечується високий коефіцієнт тепловіддачі (нагріті частинки палива стикаються з нею безпосередньо, і частина тепла передається не конвекцією, а теплопровідністю).

По мірі вигорання палива дрібні його частинки виносяться у простір топки і там згоряють, при чому температура горіння в киплячому нижньому шарі є нижчою (1000…1200 °C) у порівняння з температурою горіння у щільному шарі. Куски палива (розміром 2…12 мм) у киплячому шарі інтенсивно обдуваються повітрям, що сприяє високій швидкості їх спалювання. Для регулювання температури шару з метою уникнення шлакування можна вводити воду або водяну пару.

Топки киплячого шару не чутливі до якості палива за хімічним складом, але чутливі до однорідності фракційного складу частинок палива та інертної засипки[4]. Горіння в цих топках відбувається інтенсивніше, ніж у звичайних шарових при менших габаритах, однак для них потрібна повітророзподільна решітка й вентилятор більшої продуктивності. До інших недоліків цього типу топок слід віднести:

• винесення до 20—30 % всього вуглецю палива (тому ці топки рекомендують використовувати при можливості допалювання виносу розміром до 1 мм у робочому просторі котла);
• зашлаковування міжсоплового простору і самих сопел повітророзподільчих колосникових решіток при недостатньому динамічному напорі повітря;
• значне абразивне зношування поверхонь теплопередавання, особливо у занурених.

Камерна топка — топка котла, в якій пиловидне, рідке або газоподібне паливо спалюється у факелі[1]. За способом спалювання палива такі топки поділяються на топки факельного і вихрового спалювання.

Факельні топки — це різновид камерних топок.

Принцип факельного способу полягає в тому, що спалювання здійснюється в просторі топки. Рідке паливо форсунками розпорошується на дрібні краплі, а тверде паливо подрібнюється млинами до пилоподібного стану, подається разом з повітрям в топку і спалюється там в підвішеному стані. Так як поверхня пилу є більшою за поверхню шматка вугілля, то прогрівання частинок, вихід летких речовин і вигорання коксу відбувається швидше, а значить при однаковій площі поперечного перерізу топки факельного способу забезпечують вищу теплову потужність.

Вихрова топка — камерна топка з багатократною циркуляцією паливо-повітряної суміші, яка досягається спеціальною формою стінок топки, компоновкою пальників та способом передачі палива та повітря[1].

У топках цієї конструкції спалюється дроблене тверде паливо (куски 5…10 мм). Перевага — зниження затрат (у порівнянні з твердопаливними факельними топками) на подрібнення палива, але застосовується порівняно рідко через складність конструкції.

За конфігурацією топкового простору розрізняють:

• відкриті топки з твердим шлаковидаленням, рідинним шлаковидаленням і газово-мазутні. Всі відкриті топки мають горизонтальний поперечний переріз у вигляді прямокутника. Їх, також, називають топками призматичного типу. У верхній частині топки часто виконується аеродинамічний виступ, що служить для покращення аеродинамічної картини на виході з топки.
• напіввідкриті топки з рідинним шлаковидаленням і газово-мазутні.
• двокамерні і трикамерні топки з рідинним шлаковидаленням, рідше, газово-мазутні. Відрізняльною ознакою двокамерних топок є шлаковловлювальний пучок. Зазвичай це випарна поверхня нагріву з труб більшого діаметра, які зовні покриті карборундовою обмазкою. Шлаковловлювальний пучок необхідний для збільшення коефіцієнта шлаковидалення (для двокамерних топок він становить 0,4). Для цього пучка доводиться використовувати випарну поверхню нагріву, тому він працює в зоні високих температур (1500…1600 °C) і його необхідно охолоджувати.

За способом компонування пальників розрізняють топки:

• з фронтальним компонуванням (пальники можуть розташовуватися в 1..5 ярусів);
• із зустрічним компонуванням (пальники можуть розташовуватися в 1..5 ярусів);
• із зустрічно-зміщеним компонуванням (пальники можуть розташовуватися в 1..2 яруси);
• з тангенціальним компонуванням. Використовується при твердому і рідкому шлаковидаленні. Осі пальників в ярусі розташовані по дотичній до умовного кола діаметром Dy (залежить від виду шлаковидалення). Топка найчастіше близька до квадратної. У ярусі може бути 4, 6, 8 пальників (пальники можуть розташовуватися в 1..5 ярусів);
• з подовим компонуванням (використовується лише у газово-мазутних топках);
• із стельовим компонуванням (в інверторних котлах);
• із L-подібним компонуванням.

Знайшли широке застосування фронтальне, зустрічне і тангенціальне компонування. Зустрічне і тангенціальне компонування зустрічаються на котлах будь-якої паропродуктивності при спалюванні газу, мазуту та інших видів палив з будь-яким шлаковидаленням. Фронтальне компонування використовується на котлах продуктивністю D≤320 т/год при спалюванні газу, мазуту і твердих палив з твердим шлаковидаленням. Решта видів зустрічаються рідко.