Маломощная (100−800 кВт) угольная топка нового типа

с применением технологии сжигания угля в кипящем слое.

Линейная горелка, применяемая в топке автоматических угольных котлов Терморобот® мощностью 100−800 кВт, разработана в Новосибирске в 2009-м году. Если сравнивать ее с «классическими» топками, она имеет некоторые общие черты со слоевой топкой с цепной механической решеткой, но есть важные отличия, которые позволяют рассматривать ее как новый тип горелочного устройства, сжигающего уголь в режиме, близком к сжиганию твердого топлива в псевдоожиженном («кипящем») слое.

Рассмотрим конструкцию линейной горелки Терморобот.
Она состоит из стального ложа с форсунками подачи первичного воздуха, и шнека, который является неотъемлемой частью горелки (в отличие от других угольных котлов, где шнек используется только для подачи угля из бункера в топку [винтовой питатель], но не участвует в процессе сжигания угля в топке).
При работе котла шнек почти непрерывно ворошит и передвигает горящий уголь, поэтому здесь одновременно горят все куски угля, в отличие от слоевых топок с покоящимся углем, где куски угля горят по очереди, слой за слоем (на цепной решетке и колосниковом барабане пласт угля перемещается как целое). Одновременное горение всех кусков угля определяет высокую удельную мощность горелки.
За счет механизированного ворошения куски угля очищаются от золы и образующегося шлака, что обеспечивает постоянный доступ кислорода к их горящей поверхности. Шнек непрерывно перемещает шлак в зольник, не давая ему скапливаться в зоне горения, поэтому горелка мало чувствительна к качеству топлива (стабильно горит уголь даже с высокой зольностью).
Такой режим горения твердого топлива характерен для кипящего слоя.

Горелка и шнек водоохлаждаемые, они включены в общую систему циркуляции теплоносителя; вода прокачивается сквозь осевую трубу и пустотелые стальные лопасти шнека. Проток теплоносителя выбран таким, чтобы в зоне горения установилась температура 850−1100ºС. Непрерывное ворошение горящего угля исключает возникновение в нем локальных зон перегрева и остывания, в отличие от других видов топок, в которых отдельные прозоры колосника могут зашлаковаться, что приводит к неравномерной подаче первичного воздуха к угольному слою.
Такой тепловой режим также характерен для горения угля в низкотемпературном кипящем слое.

Указанная температура выбрана не случайно: она достаточна для сжигания углерода, но шлакования, спекания золы в конгломераты еще не происходит; зола получается мелкой, сыпучей, заполняющей без пустот весь объем зольника. Низкотемпературное сжигание угля улучшает и экологические показатели котла, так как при этой температуре еще почти не образуются окислы азота.

Водоохлаждаемые поверхности (тело горелки и шнек), находящиеся в массе горящего угля, выступают в качестве теплообменника. Такой способ отбора тепла из зоны горения чрезвычайно эффективен, так как тепло передается теплоносителю не за счет конвекционных потоков газа, а за счет теплопроводности, прямого контакта горящего топлива с металлом.
В топках с кипящим слоем применяют именно такой способ теплосъема.

Теплообменник, погруженный в кипящий слой, отбирает 250 Вт / (м2xК). В линейной горелке этот показатель выше, так как насыпная плотность горящего угля больше, чем объемная плотность теплопереносящих частиц в обычном кипящем слое. В котлах ТР горелка и шнек передают теплоносителю значительную долю выработанного тепла.

Постоянное вращение шнека в раскаленном угле приводит к абразивному износу и к химической коррозии металла, поэтому шнек (как и любая колосниковая система) требует периодической замены, и является быстроизнашиваемым узлом (производитель декларирует 1−3-летний срок эксплуатации шнека).

Таким образом, способ сжигания угля в линейной горелке Терморобот можно назвать сжиганием в «стекающем кипящем слое».

Линейная горелка Терморобот — угольная топка с высоким КПД

В автоматических угольных котлах малой мощности (десятки-сотни киловатт) применяется три основных вида топок: барабанная колосниковая решетка (Carborobot, Венгрия); ретортная горелкаразличных модификаций (SAS, Defro и другие польские заводы) и варианты колосниковой решетки с шурующей планкой.
Линейная горелка Терморобот является существенно новым типом топки, представленным на рынке.

Тип топки определяет основные характеристики угольного котла: КПД, требования к углю, диапазон регулирования мощности, экологические показатели. Рассмотрим особенности линейной горелки на примере КПД котла.

По уравнению обратного баланса КПД-брутто котла = 100-(q2+q3+q4+q5+q6), где q2-q6 — величина основных видов потерь тепла (%). Конструкция линейной горелки позволяет минимизировать следующие потери:

— q2 (с уходящими газами). Количество тепла, уносимого дымовыми газами, зависит от их температуры и массы. Эффективный 5-ходовый теплообменник котлов ТР снижает температуру дымовых газов почти до минимально возможной (115ºС при работе на 600 кВт), поэтому уменьшить потери тепла можно только снижая избыток воздуха во всех режимах работы котла (прежде всего, на малой мощности).
Достигается это путем зонирования подачи первичного воздуха в топку. При работе на полной мощности горелка почти по всей площади заполнена горящим углем, но в начале горелки (куда подается уголь) воздуха требуется больше, а в конце горелки (где горючие вещества угля уже почти выгорели) — меньше. Такое распределение воздуха достигается заслонкой, снижающей подачу воздуха во вторую половину горелки. На малой мощности, когда уголь горит только в первой половине горелки, часть форсунок можно отключить полностью, прекратив тем самым подачу воздуха мимо зоны горения. Такая схема позволяет горелке работать даже на 15−20% мощности без подачи в топку избыточного воздуха, то есть, с оптимальным для угля коэффициентом избытка воздуха (альфа).

— q3 (химический недожог горючих газов). Полное сгорание горючих газов в топке достигается так. Контроллер котла вычисляет количество воздуха, которое нужно подать в топку (оно пропорционально количеству подаваемого угля, а значит, текущей мощности котла) и частотными регуляторами меняет производительность вентилятора поддува и дымососа. Таким образом, в любом режиме работы котла в топку подается оптимальное количество воздуха.
Подача угля в зону горения производится маленькими порциями (шнек вращается медленно, почти непрерывно), это позволяет равномерно и в нужном соотношении смешивать в топке горючие газы с воздухом. Нужное соотношение не является постоянным, оно зависит от марки сжигаемого угля. Так, бурые угли содержат около 50% летучих веществ, а каменные угли СС, ТС (которые тоже можно использовать в котлах ТР) — около 25%. Для того, чтобы в обоих случаях сжигание было полным, в линейную горелку встроен регулятор, который изменяет соотношение подаваемых в топку первичного и вторичного воздуха. Таким образом горелку можно настроить на полное сжигание угля различных марок.
Дожигание горючих газов происходит в футерованной топке, где поддерживается высокая температура, а большая длина топки обеспечивают достаточное время горения газов.

— q4 (механический недожог). Ложе горелки не имеет прозоров, а первичный воздух подается в топку через 50−80 форсунок. Это исключает просыпание мелкой фракции угля, штыб (угольная пыль) в топке полностью выгорает (в отличие от топок других типов), можно использовать фракцию 0−50 мм.

— q6 (унос тепла со шлаками). В процессе работы шлак передвигается шнеком из зоны горения к концу горелки и ссыпается во внешний зольник. При этом он перемещается по ложу горелки; водоохлаждаемая горелка и шнек выступают как эффективный теплообменник, поэтому шлак ссыпается в зольник уже остывшим, что резко снижает унос тепла.

— q5 (потери на наружное охлаждение) относится к котлу в целом, поэтому здесь не рассматриваются.

Таким образом, в линейной горелке Терморобот минимизированы все основные виды потерь тепла. Заводские замеры котлов ТР показали, что их КПД составляет не менее 87−88%. Независимые замеры КПД в рамках типовых испытаний котлов ТР-600 провели в 2016-м году.