1. Конструкції топок
1.1 Шарові топки
У топках з шаровим спалюванням палива основними трудоємкими робочими процесами є: завантаження палива на решітку; прошуровування (просування, розрівнювання) шару палива; видалення шлаку.
Залежно від ступеня механізації цих процесів розрізняють топки з ручним обслуговуванням, топки з частковою механізацією і механічні шарові топки. Раніше у невеликих котельних установках, устаткованих котлами потужністю до 10 т пари на годину, застосовувались майже винятково шарові топки з ручним обслуговуванням. Останнім часом в цих установках широко застосовуються топки з частковою або комплексною механізацією трудомістких процесів.
Зараз розроблено і опробовано недороге і ефективне топкове обладнання, що дає можливість в невеликих установках полегшити працю обслуговуючого персоналу і досягти високого коефіцієнта корисної дії топки.
Шарова топка походить від найпростішого типу топки – нерухомої горизонтальної колосникової решітки з ручним обслуговуванням.
Широке застосування її в малих установках пояснюється простотою, надійністю і дешевизною, універсальністю щодо можливості спалювання різноманітних видів твердого палива, високою стійкістю процесу горіння.
Решітка складається з 4-х рядів нерухомих колосників, на яких лежить паливо. Колосники виготовляють або у вигляді чавунних плиток (плиткові), або у вигляді брусків (брускові, балочні). У зольник (піддувало) вентилятором нагнітається повітря, яке крізь отвори або щілини в колосниках і між ними, тобто крізь живий переріз решітки, надходить у шар палива. Зараз застосовують колосникові решітки з малим живим перерізом, що становить менш як 15% площі решітки. Над решіткою розміщений топковий простір, а над ним – променесприймальна поверхня нагріву. Свіже паливо вручну закидається на шар гарячого палива через завантажувальний (шурувальний) отвір. Завантажувальні дверцята 6 закріплюються на рамі, з'єднаній з каркасом котла. Шлак видаляється в зольник, для чого установлюється кілька перекидних (поворотних навколо горизонтальної осі) колосників.
Ручні горизонтальні топки мають багато недоліків: потребують застосування важкої фізичної праці для обслуговування; працюють періодично; мають невисокий к. к. д. топки; через обмежену довжину колосникових решіток утруднюється можливість їх застосування навіть під невеликими котлами; при одиничній видатності (понад 5 т пари на годину) обмежена питома потужність решітки; висока чутливість до фракційного складу палива (за розмірами кусків); низька видатність і економічність під час роботи на паливі з великим вмістом дріб'язку; працюють з підвищеним коефіцієнтом зайвини повітря в топці, що зумовлює значну втрату теплоти з відхідними газами.
Ці недоліки настільки істотні, що в наш час відмовляються від застосування у невеликих установках горизонтальних топок з ручним обслуговуванням і все ширше застосовують топки з частковою або повною механізацією трудомістких процесів паливоспалювання. Це полегшує працю обслуговуючого персоналу, основною функцією якого стає керування механізмами і контроль за їх роботою.
Топки із закидачами. Дуже поширеними топками з частковою механізацією подачі палива на решітку є топки із закидачами.
Вони бувають трьох типів: з механічним, з пневматичним і комбінованим пневмомеханічним закиданням.
Пневмомеханічний закидач складається з плунжерного живильника, ротора-закидача і повітряних сопел, розміщених під закидачем. Напрям обертання ротора (правий) такий, що вугілля в топку закидається лопатками в той час, коли вони знаходяться у верхньому положенні. Виробність по вугіллю регулюється числом ходів плунжера і величиною його ходу. Лопатки закидача прикріплені до барабана під кутом, що забезпечує віялоподібний закид.
Суміщення механічного (основного) і пневматичного (додаткового) закидання дає можливість добитись кращого, ніж при механічних або пневматичних закидах, розподілу вугілля по решітці.
У топці ПМЗ–ЦКТІ можна спалювати кам'яне вугілля і антрацити. Нормально топка працює на вугіллі, попередньо роздрібненому на куски, менші за 40 мм. При спалюванні рядового вугілля із значним вмістом дріб'язку топки працюють погано.
Шахтні топки. Для спалювання кускового торфу в невеликих котельних установках застосовуються шахтні топки з похилим дзеркалом горіння. Колосникова решітка шахтної топки складається з двох рядів похилих і двох рядів горизонтальних колосників. Торф завантажується з вагонетки великими порціями в паливний бункер, звідки надходить у шахту, розміщену над колосниковою решіткою. В міру вигоряння торфу і видалення (з нижнього горизонтального ряду колосників) вогнищевих залишків торф з шахти надходить на колосникову решітку і просувається вздовж похилих колосників під впливом сили тяжіння.
У шахтних топках, як і взагалі в топках з похилим дзеркалом горіння (похилих, східчастих), стадії горіння палива розділені по місцю: у верхній частині відбувається теплова підготовка, в середній–горіння коксу, а в нижній–допалювання. Обслуговування шахтних топок потребує менших фізичних зусиль персоналу порівняно з обслуговуванням ручних горизонтальних топок.
Топки з шурувальною планкою. Основним елементом топок цього типу є нерухома плоска колосникова решітка, вздовж якої пересувається паливо. Рух палива здійснюється за допомогою клиновидної планки, що періодично переміщується через певні проміжки часу, установленої поперек колосникового полотна. Швидкість ходу планки регулюється, при цьому задається програма чергування ходів певної довжини (коротких і довгих). Під час руху планки відбувається живлення шару свіжим паливом, підломлювання шлаку, прошуровування шару і видалення шлаку. Топки з шурувальною планкою можуть застосовуватися для спалювання кам'яного і бурого вугілля під котлами з невеликою видатністю – до 10–12 т пари на годину.
Топки з ланцюговими решітками. Найпоширенішими механічними шаровими топками є топки з ланцюговими решітками.
Ланцюгова решітка – це нескінченне колосникове полотно, що рухається разом з паливом, яке лежить на ньому Основою ходової частини ланцюгової решітки є два або декілька ланцюгів, що несуть на собі колосники. Залежно від способу кріплення колосників розрізняють бімсові і безбімсові, або безпровальні решітки.
Тепер у нашій країні серійно виробляють тільки решітки безпровального типу (БЛР – безпровальні ланцюгові решітки). Решітка БЛР порівняно з бімсовою значно легша і дешевша, надійніша і економічніша в експлуатації. Решітки потрібного розміру складаються із стандартних серійно виготовлених секцій.
У решітках БЛР колосники вміщені в обойми-колосникотримачі, прикріплені до ланцюгів. Нескінченні ланцюги натягнені на зірочці та шківі. Ведучим є передній вал. Натяг ланцюга регулюють переміщенням заднього вала.
Привід решітки здійснюється електродвигуном через редуктор, що дає можливість змінювати швидкість руху решітки від 4 до 20 м/год. Іноді з цією метою застосовують електродвигуни з кількома ступенями швидкості.
У передній частині решітки встановлено відсічний охолоджувальний шибер для регулювання товщини шару палива. В кінці ланцюгової решітки установлюється шлакознімач.
Конфігурація топкових камер в топках з ланцюговими решітками в основному подібна до топок, в яких спалюють різні види палива. Вона характеризується наявністю низько опущеного довгого заднього склепіння і відносно високо розміщеного короткого переднього склепіння. Так, для антрациту і кам'яного вугілля заднє склепіння, завдовжки близько половини довжини решітки, розміщається на висоті 0,9–1,0 м від решітки, а переднє – завдовжки близько чверті довжини решітки – на висоті 2–2,5 м.
Заднє склепіння спрямовує потік гарячих газів у зону надходження свіжого палива, що сприяє його займанню. Переднє склепіння добре прогрівається топковими газами, не закриває від випромінюючих твердих частинок і газів зону попередньої підготовки палива і сприяє стабілізації високої температури в передній частині решітки. Звуження топкової камери, утворене переднім і заднім склепіннями, і рух під заднім склепінням газового потоку у напрямку до фронту топки сприяють перемішуванню топкових газів, горінню винесених із шару твердих частинок і горючих газів і утворенню зони високих температур. Цьому сприяє і гостре дуття, що подається з сопел, установлених на одному із склепінь.
При нормальній роботі топки ланцюгова решітка рухається безперервно. Режим роботи топки регулюють зміною товщини шару вугілля на решітці за допомогою шибера – регулятора шару, зміною швидкості переміщення решітки і відповідним режимом тяги і дуття. Регулювання повітряного режиму топки полягає в підтримуванні потрібного тиску повітря під різними дільницями решітки (4–5 зон по довжині решітки). Шлакознімач у кінці решітки дає можливість підтримувати на решітці певний шар шлаку і робити випал пального із шлаку, підтримуючи допустиму величину видимої теплонапруги дзеркала горіння.
Діапазон видатності котлоагрегатів, під якими можуть установлюватись ланцюгові решітки, досить широкий. Наші заводи випускають ланцюгові решітки, починаючи з розмірів 1260 мм х 5500 мм до розмірів 4590 мм х 7900 мм. У разі потреби під котлоагрегатом установлюють дві решітки.
Ланцюгові решітки дають змогу механізувати подачу вугілля в топку і видаляння шлаків, але не забезпечують прошуровування і розрівнювання шару палива. Цей основний їх недолік пояснюється тим, що паливо, яке надходить на решітку, повільно рухається разом з решіткою і не має ніяких відносних переміщень.
Найефективніше топки з ланцюговою решіткою працюють на малоспікливому і спісненому сортованому вугіллі з розмірами фракцій від 6 до 25 мм. У цьому разі к. к. д. топки високий (91–94%). Спалювання дужеспікливого вугілля супроводжується зростанням втрати від механічної неповноти згоряння q4 до 8–10%. При значному вмісті в паливі дріб'язку, особливо при спалюванні рядових антрацитів, втрата q4 може досягти 15–20%.