КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Низкотемпературная коррозия

К этому виду коррозии относят разрушение металла поверхностей воз­духоподогревателей, находящихся в области наиболее низких температур как газов, так и рабочей среды (воздуха).

По своему характеру — это сернокислотная коррозия. Определяющим фактором интенсивной низкотемпературной коррозии является наличие в потоке дымовых газов паров серной кислоты H2SO4. При горении серы топлива в зоне ядра факела образуется диоксид серы S02. В дальнейшем при наличии некоторого избытка воздуха SO2 частично доокисляется в SO3 атомарным кислородом О", образующимся в высокотемпературной зоне фа­кела и избыточным количеством молекулярного кислорода в зоне горения. Трехокись серы SO3 может разлагаться, но только при весьма высоких тем­пературах. Общий процесс образования и разложения SO3 в зоне факела можно выразить следующим образом:

I"-^S03-^S02 + 1/2 02,

Где к и к2 — константы скорости прямой и обратной реакций, при этом в зоне ядра факела к > к2. В итоге на границе ядра факела образуется заметная концентрация SO3, которая после завершения горения снижае?- ся в результате постепенного разложения SO3 в зоне высоких температур газов.

Однако по мере снижения температуры газов этот процесс тормозится и практически прекращается при = 1 200 - г-1 250°С. Чем быстрее проис­ходит охлаждение газов, тем выше будет остаточная концентрация SO3.

В общем виде уровень концентрации SO3 в продуктах сгорания на выходе из топки, по данным Внукова А. К., можно выразить следующей эмпирической зависимостью:

SO3 - K„Kv(SnnO? qlv,
где Кп, Ат — коэффициенты, учитывающие конструкцию топочного устрой­ства (факельная открытая или с вихревым предтопком, с твердым или жид­ким шлакоудалением) и вид сжигаемого топлива; 02 — содержание избы­точного кислорода в продуктах сгорания, %; qy — тепловое напряжение топочного объема, кВт/м3. Значения показателей степени n, га, I близки к единице.

При дальнейшем прохождении газами конвективных поверхностей на­грева может происходить увеличение концентрации SO3 за счет окисле­ния S02 в потоке газов остаточным содержания кислорода. Катализаторами процесса доокисления S02 в S03 являются отложения на поверхностях нагрева, в том числе сульфаты железа и сажевые частицы. В итоге содержа­ние SO3 в газах составляет 1-5% количества S02 или 0,002-0,010% полного объема газов.

В зоне температур газов ниже 500°С начинается образование паров серной кислоты за счет реакции SO3 с водяными парами, находящимися в газовом потоке. Этот процесс завершается при температуре около 250°С.

Коррозия поверхности нагрева может начаться при условии, если тем­пература стенки и пристенного пограничного слоя окажется ниже темпера­туры конденсации паров влаги или паров серной кислоты, соответствующей их парциальному давлению в газах.

Температура, при которой начинается конденсация влаги на поверхно­сти, называется термодинамической температурой росы (точка росы) £т>р. Температура росы чистых водяных паров при их парциальном давлении в продуктах сгорания рн2о = 0,01 - г 0,015 МПа составляет tT. p = 45 - г 54°С. При наличии в потоке газов паров серной кислоты температура конденсации (сернокислотная точка росы tsp) значительно увеличивается и может дости­гать 140-160°С. Оценочно ее можно определить по формуле (для сжигания

Ма3ута) n / Of ,5

Tsp = tr. p + 250(5П. 02)°'5 (1L) , . (7.25)

Где 5П = Sp/Qp — приведенная сернистость топлива, %-кг/МДж; 02 = = 21 (а — 1)/а — концентрация избыточного кислорода в газовом потоке, %, принимается по состоянию на выходе из топки; qj — тепловое напряжение сечения топочной камеры, МВт/м2.

С увеличением содержания серы в топливе и избытка воздуха ат воз­растает образование SO3 в потоке газов, что ведет к росту температуры росы.

Агрессивность дымовых газов твердых топлив, по данным ВТИ, опре­деляется соотношением содержания в них серы Sp к содержанию золы Ар и при доле щелочных соединений: !H=Ca0+Mg0+Na20+K20, % выража­ется комплексом

Кщ= (д"ще)' (7"26)

Расчеты по (7.26) показывают, что высокой сернокислотной агрессивно стью обладают кизеловский каменный уголь (Sp = б, 1%, Кщ = 0,38), под московный бурый уголь (Sp = 4,0%, Кщ = 0,16); донецкий уголь марки I (Sp — 3,0%, Кщ = 0,11). Однако наибольшей агрессивностью обладав сернистый мазут, для которого расчет по (7.26) дает Кщ = 2, 62.

Температура точки росы продуктов сгорания твердых топлив определя ется наличием серы в топливе, влияние которой ослабляется присутствие?* в потоке газов летучей золы:

*; = *т. Р+ , , (7.27

Где аун — доля летучей золы; Ап = Ap/Qf{ — приведенная зольность топлива %-кг/МДж. Как видно из (7.27), с увеличением зольности топлива точкг росы дымовых газов снижается. При избытках воздуха ат ^ 1,1 изменение концентрации SO3 от О2 незначительно, поэтому значение О2 прямо ж учитывается в (7.27).

На рис. 7.24 приведена диаграмма фазового равновесия жидкости и па­ра двухкомпонентной системы Н2О и H2SO4 при различных парциальных давлениях водяных паров. Нижняя ветвь кривых при р — const характери - зует зависимость температуры кипения водного раствора серной кислоты от ее концентрации, а верхняя — температуру начала конденсации (точ­ку росы) парового раствора. Видно, что даже незначительное содержание паров H2SO4 в дымовых газах (левая пунктирная линия) резко повышает температуру начала конденсации, при этом образующаяся пленка жидкости на стенке имеет высокую концентрацию серной кислоты (около 80%).

Коррозии зависит от процентного содержания H2SO4 в конденсирующей­ся пленке на поверхности металла. При более низкой температуре (ни­же 110°С) в пленке растет масса влаги и снижается доля серной кислоты.

Скорость коррозии металла в наиболее опасной зоне температур 100 - т - 110°С существенно снижается при уменьшении избытка воздуха в продуктах сгорания (рис. 7.25,а, кривая 2), что связано с резким умень­шением образования SO3 в потоке газов. В том же направлении изменяется скорость коррозии, если уменьшить содержание серы в топливе.

Для исключения низкотемпературной коррозии необходимо иметь £ст ^ tp + (10 - т - 15)°С, однако это экономически оправдано лишь при сжи­гании малосернистых мазутов и сернистых твердых топлив, у которых t3p не превышает 110°С. В других случаях при высоком значении tCJ тем­пература уходящих газов будет чрезмерно велика, значительно возрастут потери с уходящими газами. Для исключения заметного роста потерь q2 допускают в воздухоподогревателе невысокую скорость коррозии (не бо­лее 0,2 мм/год), обеспечив за счет предварительного подогрева воздуха на входе в воздухоподогреватель соответствующую температуру стенки. Так, при сжигании сернистых мазутов допускается tCT = 120°С, что увеличивает рабочую кампанию холодного слоя РВП до четырех лет. Однако при этом несколько повышается температура уходящих газов и снижается КПД котла. Изменение температуры уходящих газов Д$ух при повышении температуры поступающего воздуха At'Bn связано следующей зависимостью:

Д^ух = 0, 7At'Bn. (7.28)

Так, при подогреве воздуха на входе РВП с 50°С до 90°С температура уходя­щих газов повысится на ді? ух = 0,7 • 40 = 28°с, что снизит экономичность котла примерно на Аг}к = 1,1%.