ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ПРОЦЕСС ШЛАКООБРАЗОВАНИЯ И МЕТОДЫ УСТРАНЕНИЯ ШЛАКОВАНИЯ

В твердых топливах внутренней золы содержится обычно немного, яри тонком размоле она преимущественно отделяется в виде мелких. золовых частиц. Зола, находящаяся в сравнительно крупных частицах топлива, при выгорании также выделяется в мелкодисперсном состо-

'ЯНИИ.

Температура в ядре факела зависит от технических характеристик топлива, главным образом его влажности, температуры подогрева воз­духа и его избытка, а также от интенсивности теплоотдачи в топке. Температура в ядре факела достигает 1300—1700°С и обычно превыша­ет температуру начала размягчения t2 и температуру начала жидко­плавкого состояния U золы многих сортов углей. Мелкие частицы золы, пройдя ядро факела в зоне высоких температур, размягчаются, частич­но или полностью расплавляются, принимая сферическую форму, и ча­стично газифицируются.

Входящие в состав минеральных примесей углей окислы SiC>2 и •особенно А1203 повышают температуру плавления шлаков, а окислы железа FeO, РегОз, кальция СаО и магния MgO и окислы щелочных металлов ЫагО и К2О понижают ее. Обычно температура плавления золы зависит от соотношения содержания кальция и кремнекислоты золе топлива, понижаясь с увеличением содержания кальция. В ре­зультате этого при горении углей происходит сепарация в шлак частиц,

Обогащенных кремнекислотой и А1гОз, а в уносе остаются частицы с по­вышенным содержанием кальция.

Вследствие интенсивной теплоотдачи излучением температура га­зов в топочной камере понижается. При этом продукты сгорания до выхода из топки должны быть охлаждены до температуры, обеспечи­вающей затвердевание уносимых ими жидких частиц золы. Эта тем­пература для различных топлив находится в пределах 1000—1150°С (см. табл. 19-'1).

Кроме того, в топках с твердым шлакоудалением частицы золы затвердевают, попадая в пристеночный слой газов пониженной темпе­ратуры. Часть затвердевших частиц выпадает в шлаковый бункер, а большая часть их уносится вместе с газами в конвективные газоходы. За температуру затвердевания шлака условно принимают к—50°С.

Если частицы золы до выхода из топки не успевают затвердеть, то - они в жидком или размягченном виде, попадая на полурадиационные и конвективные поверхности, могут прилипать к ним, образуя наросты шлака и отложения золы. Шлакование и отложение золы на полура - диапионных поверхностях, фестоне и конвективных поверхностях, раз­мещаемых в газоходах после топки, может происходить также и сле­дующим образом.

При работе парогенератора на трубах конвективных поверхностей нагрева оседает летучая зола, уменьшая интенсивность теплоотдачи от омывающих их газов. Температура газов и температура внешних за­грязнений повышается, загрязнения размягчаются, и постепенно на тру­бах образуются шлаковые гребешки. Дальнейшее развитие шлакования идет прогрессивно с оплавлением наростов и перекрытием ими зазоров между трубами. Вследствие уменьшения зазоров между трубами уве­личивается сопротивление, уменьшается тяга, уменьшаются избытки воздуха в топке, что способствует дальнейшему усилению шлакования.

В начальной стадии шлакования фестона обычно образуется рых­лый пористый шлак, который легко удаляется обивкой. Однако эта работа трудоемка.

При недостаточном экранировании стен топочной камеры и холод­ной воронки и недостаточном наклоне ее скатов на участках с открытой’ и поэтому горячей обмуровкой легко прилипает размягченная зола, а на пологих скатах образуются золовые скопления. В потоках газов в топочной камере и в холодной воронке капли жидкого шлака могут не успеть гранулироваться, а шлак, накопившийся на пологих скатах, размягчается.

Местами очагов первичного шлакообразования являются слабо - экранированные участки стен с открытой обмуровкой, участки разводки экранных труб, пологие участки перехода задней стены в горизонтальный' газоход, корзина разводки труб заднего экрана в фестон, гибы и недо­статочно крутые скаты холодной воронки.

При ударе факела в настенные экраны под большим углом атаки образуются шлаковые наросты. Нарушая пристенный слой газов с по­ниженной температурой, горячие газы факела достигают стен, при этом содержащиеся в них жидкие частицы, ударяясь и оседая, образуют на экранах большие шлаковые наросты. Так, например, происходит мест­ное шлакование задней стены топки с фронтальными горелками. Часто- шлакование вызывается вторичными течениями, набегающими на стены. Попадая в эти потоки, частицы жидкой или размягченной золы пере­носятся на настенные экранные поверхности и образуют пленку с более высокой температурой. Попадающие на нее размягченные и твердые 444

Частицы золы осаждаются на этой пленке, вызывая местное ограничен­ное шлакование при наличии вблизи охлаждающих потоков, или рас­плавляются и в жидком виде стекают вниз до мест, благоприятных для осаждения или где температура шлака может понизиться до темпера­туры затвердевания. В этих местах шлак застывает и образует твер­дый нарост, постепенно увеличивающийся.

Наличие в топке отдельных даже небольших неэкранированных участков стен, ,в особенности в области холодной воронки, может явиться причиной. сильного шлакования. Первоначальным шлаковани­ем этих мест создаются очаги прогрессирующего осаждения шлаков, которые способствуют сильному местному шлакованию значительной области.

Так, например, в парогенераторе типа БКЗ-140-120, работающем на фрезерном торфе, в холодной воронке ниже боковых экранов имелись неэкранированные участки. После осаждения на них размягченной золы наступало прогрессирующее шлакообразо­вание, захватывающее боковые стены и углы топки местами (вплоть до горелок.

При образовании на вертикальных стенах нароста больших разме­ров сила тяжести нароста может преодолеть силы сцепления шлака со стеной. Шлак крупными кусками отрывается и падает с большой вы­соты, что иногда приводит к серьезным повреждениям, даже к выры­ванию экранных труб из коллекторов. Местное шлакование происходит на отдельных участках, благоприятных для осаждения и накопления шлаков, например на слабо наклоненных и указанных выше неэкрани­рованных участках, а также в местах разводки труб, выступающих в топку. В топке может иметь место общее шлакование, т. е. одновре­менное постепенное, медленно нарастающее шлакование большей части настенных экранов.

Опасность шлакования полностью отсутствует лишь при сжигании углей с тугоплавкой золой.

Проблема предотвращения шлакования в пылеугольных топках с твердым шлакоудалением является очень сложной.

Исходя из того, что образование шлаковых наростов связано с на­липанием частиц расплавленной или размягченной золы на сравнитель­но холодных экранных поверхностях, пытались предотвратить шлако­вание путем грануляции этих частиц в потоке газов. Поэтому появились предложения о понижении температуры газов в районе интенсивного шлакования, обычно наблюдаемого по поясу большей или меньшей высоты на уровне горелок. Предлагавшиеся методы решения указанной проблемы по своему характеру можно подразделить на две группы. Содержавшиеся в первой группе предложения предусматривали пони­жение температуры подачей теплопоглощающей среды в топочную ка­меру. Второй группой предложений рекомендовалось сжигание в низ­котемпературном факеле.

К первой группе относятся следующие предложения: сброс части отработанного сушильного агента в топку в области расположения горелок; рециркуляция дымовых газов сравнительно низкой темпера­туры, отобранных из конвективных газоходов, в нижнюю часть топки; сжигание топлива с повышенными избытками воздуха; локальная по­дача воздуха или дымовых газов низкой температуры в места усилен­ного шлакования.

При сжигании влажных бурых углей со сбросом в топку сушильного агента с большим содержанием водяного пара снижается температура газов и устраняется шлакование стен на уровне горелок и в нижней части топки. Однако из-за понижения температурного уровня умень­шаются доля - сгорающего топлива и лучистая теплопередача в нижней части топки и соответственно увеличиваются доля сгорающего топлива и тепловыделение в верхней части топочной камеры. В результате этого повышается температура на выходе из топки, создается опасность шла­кования ее верхней части и в особенности фестона и горячего пакета пароперегревателя. Случаи переноса шлакования с нижней в верхнюю часть топки при подаче сброса в область горелок, в частности, наблю­дались на парогенераторах, работающих на подмосковных углях.

Предотвращение шлакования рециркуляцией дымовых газов так­же достигается посредством снижения температуры - газов в нижней части топки. В результате забалластирования топки рециркулируемыми газами (при одновременном осуществлении сброса, который обычно вводят выше горелок) процесс горения может существенно затягивать - ‘ ся, а значительное увеличение массы газов приводит к понижению температурного уровня по всей высоте топки. Поэтому при применении этого метода принимается пониженное тепловое напряжение объема то­почной камеры.

Аналогичным по результатам является способ предотвращения шлакования организацией сжигания с большими избытками воздуха.

Рециркуляция дымовых газов является сравнительно экономичным мероприятием, так как организация сжигания с повышенными избыт­ками воздуха связана с увеличением потерь с уходящими газами, хотя в первом случае агрегат осложняется установкой вентилятора-дымо­соса рециркуляции.

Посредством сброса в топочную камеру влажного отработанного сушильного агента, организацией сжигания с повышенными избытками воздуха или рециркуляцией дымовых газов можно уменьшить и даже устранить шлакование в нижней части топки. Н-о появляющаяся при этом опасность шлакования фестона не позволяет существенно повы­сить бесшлаковочную производительность парогенератора.

Некоторые из указанных мер по предотвращению шлакования по­дачей в топку теплопоглощающих сред могут быть использованы при решении частных задач. Так, рециркуляция отработанных продуктов сгорания в верхнюю часть топки представляется приемлемой для устра­нения шлакования фестона и пароперегревателя без ухудшения условий зажигания и выгорания угольной пыли в факеле. В некоторых случаях может быть оправданной рециркуляция небольшой доли дымовых газов в места усиленного шлакования. Так, например, известны - случаи успеш­ного применения рециркуляции для устранения шлакования газозабор­ных - окон.

Вторая группа мероприятий по устранению шлакования предусма­тривает снижение температур в районе горелок организацией сжигания в размытом факеле. Организуя сжигание в разобщенных, или слабо взаимодействующих факелах отдельных горелок или в вихревом потоке при повышенной рециркуляции без явно выраженного факела можно получить общий размытый факел. В разобщенных факелах между по­токами горящих факелов будут развиваться потоки рециркулирующих газов со сравнительно пониженной температурой, что обусловит пони­жение температуры в факеле и следовательно будет способствовать устранению шлакования. В таких размытых факелах из-за менее вы­соких температур горение будет более растянутым. Сравнительно не­высокие температуры в топке при размытом факеле способствуют пред­отвращению шлакования в нижней части топки. Однако появляющаяся опасность шлакования верхней части топки и фестона не позволяет 446 существенно повысить бесшлаковочную производительность парогене­ратора.

Таким образом, снижением температуры в нижней части топки за счет подачи охлаждающей среды или организацией сжигания в раз­мытом факеле не представляется возможным значительно повысить бесшлаковочную нагрузку, так как эти мероприятия одновременно ухудшают условия зажигания и горения и поэтому приводят к повыше­нию температуры на выходе из топки, создавая опасность шлакования фестона. Устранение шлакования рециркуляцией газов в нижнюю часть топки, а, в особенности сжиганием при больших избытках воздуха до­стигается понижением интенсивности горения, паропроизводительности и экономичности работы парогенератора.

Шлакование фестона может быть устранено существенным пони­жением температуры на выходе из топки, которое достигается органи­зацией интенсивного сжигания в системе взаимодействующих струй в нижней части топки. Интенсификация радиационной теплоотдачи в нижней части топки, увеличение степени выгорания в ядре факела и соответственно сокращение доли топлива, выгорающего в зоне до­горания, и одновременное уменьшение ее длины могут привести к по­нижению температуры газов вверху топки.

Шлакование настенных экранов может быть устранено сохране­нием пристеночного газового слоя с пониженными температурами, для чего массо - и теплообмен этого слоя с высокотемпературными газами факела не должен быть интенсивным. С этой целью аэродинамика должна быть организована так, чтобы не было ударов факела, несу­щего частицы расплавленной золы, в стены под значительным углом атаки, а также отсутствовали вторичные течения, направленные в гибы холодной воронки или в другие места, благоприятные для осаждения и накопления шлаков, способные вызвать сильное местное шлакование.

Уменьшением дальнобойности факела, высоким темпом падения скорости в нем и увеличением подъемных сил интенсификацией горения можно достигнуть плавного омывания факелом настенных экранов. Это позволяет ослабить динамическое воздействие потоков на экраны и сохранить пристеночный газовый слой с пониженной температурой.

Вышеприведенный способ предотвращения шлакования, разрабо­танный в МЭИ, позволил предотвратить шлакование и повысить бес­шлаковочную нагрузку парогенераторов на ряде электростанций, ра­ботающих на каменных, бурых подмосковных углях и фрезерном торфе.

На тепловых электростанциях, работающих на твердых топливах с значительным содержанием соединений кальция и железа, а также щелочных металлов, как, например, бурых углях Ирша-Бородинского и Назаровского месторождений Канско-Ачинского бассейна, на торфах отдельных месторождений Тюменской области, на эстонских сланцах, имеет место интенсивное образование плотных сульфатносвязанных от­ложений на конвективных поверхностях нагрева при температурах ниже температуры размягчения и плавления золы.

Образование отложений приводит к ограничению нагрузки пароге­нераторов, падающей в ряде случаев до 60—70% от номинальной, и к необходимости периодической остановки на очистку поверхностей от загрязнений.

В газах, поступающих из топки в газоходы парогенератора, содер­жится летучая зола, наиболее мелкие ее фракции выпадают и под дей­ствием молекулярного притяжения осаждаются на поверхности нагре­ва. Часть золовых частиц может находиться в размягченном состоянии с пониженной вязкостью, могут быть и частицы, имеющие на своей поверхности тонкую жидкую, липкую пленку, состоящую из сплавов - сульфидов железа с низшими окислами железа l(FeO), с другими суль­фидами и с силикатами. Размягченные частицы, которые несутся по­током газов с большой скоростью, при ударе о поверхности нагрева или с осевшими ранее частицами деформируются и создавшейся пло­щадкой прилипают, а частицы с липкими пленками легко приклеивают­ся, образуя отложения на лобовой части труб.

Ряд исследователей [JL 58] считает, что процесс загрязнения обу­словливается появлением в золовых частицах при определенных усло­виях низкотемпературных соединений, обычно сульфида кальция CaS или эвтектических смесей, например, типа CaS—CaSC>4 с температурой плавления 830—850°С, которые обладают высокой текучестью и, выходя на поверхность частиц, придают им липкие свойства. Например, пред­полагается, что таким образом появляются липкие участки на поверх­ности нагрева или на поверхности золовых частиц при сжигании канско - ачинских углей.

На поверхности нагрева жидкие пленки могут быть также образо­ваны соединениями железа FeO; FegCb; FeS и при наличии низкотем­пературной эвтектики в системе Fe—FeO—FeS. Известно, что с увели­чением содержания железа в золе снижается температура плавления последней. Температура плавления сульфидов железа в присутствии других сульфидов, а также некоторых окислов, в особенности FeO, снижается до 800—900°С.

Было обнаружено, что в тонких фракциях золы содержание СаО незначительно, а в отложениях, образуемых ими, обнаруживается отно­сительно высокое содержание Б^Оз. Поэтому И. П. Эпик i[JI. 59] пред­полагает, что кроме свободной СаО в образовании отложений участву­ют также соединения с более высоким содержанием Fe203, возможно* ферриты кальция, которые под влиянием SO2 разлагаются, образуя CaS04 и РегОз.

При сжигании углей, содержащих серу, натрий и хлор, налипание золовых частиц происходит вследствие того, что соединения Na2S04, NaCl либо их смеси из газовой фазы конденсируются на относительно холодных поверхностях нагрева и на стекловидных золовых частицах, образуя жидкие или размягченные липкие пленки. При сжигании эстон­ских сланцев аналогичными компонентами являются K2SO4 и KCl.

Сульфидные расплавы образуют низкотемпературные легкоплавкие высокотекучие эвтектики с другими окислами и силикатами и на по­верхности непроплавленных частиц золы, обогащенных известью, созда­ют тонкие клейкие пленки.

Частицы с липкой поверхностью выпадая из газовой фазы на по­верхность нагрева, прилипают сами и способствуют прилипанию других частиц, не имеющих липких пленок.

В первичных отложениях, происходящих преимущественно за счег осаждения более мелких фракций (менее 1 мкм) при сравнительно не­высоких температурах потока, в начальной стадии частицы золы слабо связаны между собой и с поверхностью труб. Они удерживаются под действием межмолекулярных сил и благодаря шероховатости поверх­ности. В образовании первичных связей в отложениях могут участво­вать также и легкоплавкие силикаты, в частности силикаты железа. При более высоких температурах поверхности определенное влияние - оказывает спекание в слое, к чему более склонны мельчайшие фракции. Кроме того, сульфидная пленка очень тонкая и в слой попадает зна - 448 чительное количество частиц, не имеющих липких пленок, и по этой причине также первоначально образовавшиеся связи в отложениях •очень непрочны.

Осевшие золовые частицы, имеющие липкие пленки, вступают в ре­акции с металлом поверхности нагрева, приводящие к плотному сра­станию отложений с металлом труб и коррозии последних. Механиче­ская очистка таких труб до металлического блеска не удается. После ■очистки остается шероховатая поверхность.

В тонком слое первичных отложений одновременно протекают ре­акции между липкими сульфидными пленками, другими компонентами золы и газовым потоком [Л. 58]. При наличии свободной извести в слое может протекать обменная реакция по уравнению

Ре5 + СаО = Са8 + РеО,

В результате которой сульфид железа замещается сульфидом кальция, образующим эвтектические сплавы СаБ — Са504, затем происходит доокисление сульфида кальция по уравнению

СаЗ + 2502 = СаБ04+ Бг

Или по уравнению

Са5 + 202= Са804.

В расплаве увеличивается концентрация СаБО^ кристаллизация которого приводит к упрочнению первичных отложений.

Процесс связывания частиц золы в плотные отложения протекает весьма медленно.

Толщина первичного плотного слоя отложений невелика, она зави­сит от температуры поверхности и может колебаться в пределах от 1 до 10 мм. На трубах водяного экономайзера при максимальных темпе­ратурах продуктов сгорания и металла труб, обычно составляющих 440 и ЗЭ0°С, толщина этих отложений достигает ллшь десятых долей милли­метра; на трубах переходной зоны при уровне указанных температур 700 и 360°С она равна 0,5 мм, на трубах конвективного промежуточного перегревателя, температура которого доходит до 600°С, а температура газов — 1000°С, толщина плотных отложений достигает 5—7 мм. С укрупнением золы и увеличением скорости потока в связи с повы­шением изнашивающего действия уменьшается интенсивность роста отложений, при этом плотность их возрастает. Первичные отложения растут очень медленно и поэтому не представляют непосредственную опасность интенсивного неограниченного шлакования конвективных по­верхностей нагрева.

В сравнительно холодной зоне у поверхностей нагрева температура частиц до соприкосновения с трубами может настолько снизиться, что частицы затвердеют. По мере образования первичных отложений тем­пература поверхности слоя загрязнений возрастает, приближаясь к тем­пературе газового потока. В этих условиях золовые частицы ударяются в слой отложений, сохраняя липкие пленки в расплавленном или раз­мягченном состоянии, и, начиная с некоторой температуры внешней поверхности первичных отложений на них образуют быстрорастущие вторичные отложения.

Вторичные золовые отложения отличаются от первичных структу­рой, составом и характеризуются большой скоростью роста.

Вторичные отложения растут на лобовой поверхности нагрева в виде гребней, направленных навстречу газовому потоку. Эти отложе­ния образуются преимущественно за счет крупных фракций золы (до 30 мкм) при, их температурах, превышающих в момент касания с по­верхностью определенную критическую величину.

Критическая температура начала образования гребневидных отло­жений находится между температурой начала пластического состояния и температурой начала деформации золы. Она зависит от состава и свойств неорганической части топлива, условий превращения топлива в топочном процессе, сепарации частиц золы в топке. Например, тем­пература начала образования гребневидных отложений при сжигании назаровских углей в открытых топках составляет 950°С. Межмолекуляр - ные силы недостаточны для удержания частиц таких размеров; сцеп­ление их с поверхностью при касании происходит лишь благодаря вяз­кости частиц золы. Отложения первоначально получаются непрочные, неплотные и в этой стадии легко удаляются.

Со временем в результате медленных процессов сульфатизации и спекания гребневидные образования могут упрочняться. Образование сульфата кальция СаБОд идет при диффузии СаО через оплавленную поверхность непроплавленных золовых частиц и встречной диффузии из потока газов. Образующиеся вокруг частиц оболочки СаЭОд и их срастание увеличивают прочность отложений. Сульфатизация вызывает упрочнение отложений в слое при сравнительно низких температурах— 850—900°С. Скорость и величина упрочнения повышаются с увеличе­нием концентрации SO2 в газах. Сульфатизации подвергаются прежде всего свободная известь, окись магния и соединения, содержащие кальций.

Вследствие того что содержащиеся в гребневидных отложениях компоненты золы, способные к сульфатизации, большой частью оста­ются в частицах в инертном виде, процесс сульфатизации в них проте­кает менее полно и с меньшей скоростью, чем в плотных отложениях.

При более высоких температурах некоторое влияние на упрочение гребневидных загрязнений оказывает также спекание.

Химический состав гребневидных отложений характеризуется вы­соким содержанием окиси кремния и относительно низким содержанием серы. Химический состав этих отложений отличается от химического состава летучей золы большим содержанием частиц, имеющих в рас­плавленном состоянии меньшую вязкость. Поэтому предполагают, что гребневидные отложения образуются преимущественно более легко­плавкими частицами золы с высоким содержанием окиси кремния.

Исследования и опыт эксплуатации показывают, что интенсивность загрязнения поверхностей нагрева парогенераторов с жидким шлако - удалением при сжигании назаровских и ирша-бородинских углей ниже, чем при сжигании их в топках с сухим шлакоудалением. Повышение температуры сжигания топлива приводит к увеличению связывания оки­си кальция в сложных соединениях, повышению температуры начала образования гребневидных отложений.

В парогенераторах, работающих на назаровских углях, наиболь­шая интенсивность образования связанных отложений на конвективных поверхностях, по опытным и эксплуатационным данным, имеет место при температуре газов 1200—1300°С. При более высоких темпера­турах, превышающих температуру начала жидкоплавкого состояния, когда зола проходит через расплавленное состояние, содержание суль­фатной серы в отложениях и летучей золы уменьшается, а при темпе­ратурах 1400°С уже не обнаруживается. Вся сера при таких темпера­турах переходит в дымовые газы. На золовых частицах, прошедших 450

Высокотемпературную обработку, липкие пленки не образуются, и сни­жается активность реагирования летучей золы с БОг.

Опыт эксплуатации топок с жидким шлакоудалением показал, что при сжигании этих углей при температурах 1400°С и выше, т. е. выше температуры жидкоплавкого состояния золы, связанные отложения не образуются даже при температурах на выходе из топки 1000—1100°С.

В случаях неполного окисления сернистого железа РеБ при отсут­ствии кислорода создаются условия, способствующие появлению жидко­плавких эвтектик типа РеБ — РеО, при этом окись железа РеО образу­ется как промежуточный продукт реакции окисления РеЭ с водяными парами, содержащимися в продуктах сгорания топлива, по схеме

РеЭ + Н20—нРеО + НгБ.

Интенсивность образования гребневидных отложений на конвек­тивных поверхностях увеличивается с возрастанием температуры про­дуктов сгорания и уменьшением избытка воздуха в »них.

При благоприятных условиях гребневидные отложения могут ра­сти со значительной скоростью, стать причиной быстрого забивания газоходов и привести к ограничению мощности и резкому уменьшению* непрерывной кампании работы парогенераторов.

Соединения щелочных металлов имеют низкую температуру плав­ления (625—885°С). Обладая высокой текучестью, некоторые низкотем­пературные расплавы этих соединений могут диффундировать к по­верхности золовых частиц с последующим испарением и переходом в продукты сгорания. В конвективных газоходах десублимация щелоч­ных соединений может привести к загрязнениям на трубах поверхно­стей нагрева. С повышением температуры увеличивается степень суб­лимации соединений щелочных металлов и соответственно их десубли­мация в конвективных газоходах.

Исходя из этого, ЛПИ с целью сокращения образования связан­ных отложений снижением интенсивности сублимационно-десублимаци - онных процессов разработан способ низкотемпературного сжигания топлив с повышенным содержанием соединений щелочных металлов в золе.

Несмотря на достигнутые успехи в повышении бесшлаковочной на­грузки парогенераторов, использование ряда сортов бурых углей и сланцев все еще затруднено из-за интенсивно протекающих процессов шлакования и образования связанных отложений. Поэтому при созда­нии первых образцов мощных парогенераторов на сильношлакующих углях новых месторождений бесшлаковочную номинальную производи­тельность при высокой надежности их работы стремятся достигнуть сни­жением температурного уровня газов в топочной камере. Последнее может быть обеспечено увеличением количества воспринимаемого тепла в топочной камере и сбросом в нее теплопоглощающей среды. Первое из этих мероприятий выполняется размещением более развитой экран­ной поверхности в увеличиваемом для этого объеме топки, применением в некоторых случаях двусветных экранов и обеспечением эффективной очистки экранных поверхностей. Второе мероприятие осуществляется рециркуляцией продуктов сгорания, отобранных из газохода до возду­хоподогревателя, в топочную камеру через горелки.

Следовательно, бесшлаковочная работа парогенератора этими спо­собами достигается за счет уменьшения теплового напряжения топоч­ного объема и его сечения и понижения температурного уровня в топке.

Для предотвращения усиленного шлакования экранов топочной ка­меры тепловое напряжение ее сечения рекомендуется принимать не выше следующих величин [Л. 3]:

А) для жидкого шлакоудаления при сжигании АШ, ПА и Т — 4,5-10е ккал/(м2-ч) (5,2 МВт/м2), каменных и бурых углей — 5,5Х X 10е ккал/(м2*ч) (6,4 МВт/м2) ;

Б) для твердого шлакоудаления максимально допустимое тепловое напряжение сечения топочной камеры дается в зависимости от свойств топлива, типа и компоновки горелок в табл. 2ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ТОПОК С ЖИДКИМ ШЛАКОУДАЛЕНИЕМ

На парогенераторах пылеугольные топки первоначально выполня - .лись с твердым шлакоудалением. При высоких температурах в топоч­ной камере зола угольной пыли расплавляется, капли жидкого шлака в холодной воронке гранулируются и в твердом виде удаляются из топ­ки через систему шлакоудаления.

При недостаточной степени охлаждения стен холодной воронки, или недостаточном их наклоне при режимах работы с низко опущенным факелом жидкие капли шлака не успевают гранулироваться, а твердый ■452

Шлак, накапливающийся на пологих скатах, размягчается. Шлак, на­ходящийся в размягченном или жидкоплавком состоянии, приходя в соприкосновение со сравнительно холодными экранными поверхно­стями, прилипает к ним и на них гранулируется. Дальнейшее налипание шлака на загрязненных поверхностях усиливается. На экранных поверхностях в районе горелок и в холодной воронке, в особенности на ее гибах, нарастают значительные отложения, а иногда и глыбы шлака, которые периодически отрываются и падают в горловину холодной воронки, вызывая затруднения в нормальной работе шлакоудаляющих устройств, а в ряде случаев вызывают аварии в экранной системе.

При высоких температурах газов на выходе из топки, близких к температурам размягчения золы, появляется опасность шлакования полурадиационных и первых по ходу газов конвективных поверхностей нагрева.

При сжигании топлив с легкоплавкой золой обычный температур­ный уровень в объеме холодной воронки и у экранных поверхностей оказывается опасным по условиям шлакования. Частицы золы не за­твердевают, в жидком или размягченном виде попадая на стены, шла­куют их.

Появление жидкого шлака в топочной камере парогенераторов имело место и при выполнении мероприятий по интенсификации про­цесса горения для повышения устойчивости и экономичной работы парогенераторов на малореакционных топливах, а также для одновре­менного усиления теплообмена в топке с целью уменьшения габаритов радиационной шахты.

Проводимые с этой целью конструктивные и режимные мероприя­тия по уменьшению присосов воздуха в топочную камеру, по усовер­шенствованию горелочных устройств и технологической схемы сжига­ния, а также по лучшей подготовке топлива к сжиганию обусловливали повышение температуры в топочной камере и как следствие шлакование в холодной воронке. Поэтому в ряде случаев стали невозможными и не­совместимыми интенсификация процесса горения и сохранение твердого шлакоудаления.

Для устранения шлакования и свободного удаления шлаков в ряде случаев перешли к удалению шлака в жидком виде, заменив холодную воронку слабонаклонным или горизонтальным подом с охлаждаемой леткой. При этом для поддержания высоких температур, необходимых для свободного стекания жидкого шлака по стенам, в нижней части топочной камеры экраны выполняются футерованными (покрытыми огнеупорными теплоизоляционными материалами). Жидкий шлак, по­падая на торкретированные (футерованные) стены, покрытые тонким слоем шлака с жидкой поверхностью, осаждается и стекает на под в шлаковую ванну. Твердые частицы шлака, попадающие в ванну, плавятся в ней, а жидкие растворяются. Из ванны жидкий шлак удаля­ется через летку (см. рис. 21-1, 21-4).

Замена холодной воронки шлаковой ванной резко уменьшает при - сосы воздуха в топку, а футеровка стен нижней части топки снижает интенсивность теплоотдачи в экраны. Одновременно с этим появляются дополнительные возможности для лучшей организации топочного про­цесса. При меньшей интенсивности теплоотдачи и, напротив, более бла­гоприятных условиях для горения равновесие между тепловыделением и теплоотдачей наступает при более высоких температурах в зоне активного горения, чем достигается высокая интенсивность процесса горения. В этих условиях эффективность работы футерованных экран-

Ных поверхностей по сравнению с работой открытых экранов в топке с твердым шлакоудалением, с учетом менее напряженной работы экранов холодной воронки, не только не уменьшается, но несколько увеличивается.

Поэтому переход на топки с жидким шлакоудалением преследовал также цель интенсификации сжигания топлив, в особенности сжигания слабореакционных топлив типа АШ и тощих углей. Одновременно ста­вилась задача большего улавливания золы в топке для уменьшения содержания золы в дымовых газах.

Возможность применения жидкого шлакоудаления существенно зависит от температурных характеристик золы. Удовлетворительная текучесть шлаков многих топлив достигается при температуре, при ко­торой вязкость шлака (1Шл^:250 Пз.

Зола, расплавляясь в ядре факела, образует шлак, представляю­щий собой раствор минеральных примесей топлива. В этих растворах отдельные минералы реагируют между - собой, превращаясь в новые химические соединения. При длительном пребывании в жидкой ванне отдельные составные части взаимно диффундируют, что превращает расплавленный шлак в однородную жидкость. Температуры плавления отдельных окислов, содержащихся в шлаке в чистом виде составляют: Si02 — 1625; АЬОз —2050; CaO —2570; MgO — 2800; Fe203— 1550; FeO — 1030°C.

Шлаки как растворы не имеют определенной температуры плавле­ния. Шлаки являются не механической смесью минералов, как зола, а их эвтектическими сплавами, обладающими более низкими темпера­турами плавления, чем отдельные входящие в них минералы. Расплав­ленные эвтектики способны растворять остальные твердые минералы, присутствующие в золе. Таким образом, становится возможным плав­ление этих элементов при температурах ниже их точки плавления в чистом состоянии. Характерные для шлаков эвтектические сплавы Si02 — AI2O3 — CaO — FeO плавятся при температурах 1000—1200°С. Присутствие свободного Si02, не связанного с ДI2O3, способствует об­разованию эвтектик в золе. Соотношение между связанными Si02 и AI2O3 составляет 1,18. Поэтому для получения сравнительно низкой температуры плавления золы для топок с жидким шлакоудалением желательными являются топлива с соотношением 8Ю2/А1гОз> 1,2 в золе.

При высоких температурах шлаки находятся в жидком состоянии и весьма текучи. При понижении температуры шлаки переходят в пла­стическое состояние и находятся в таком состоянии в определенном температурном интервале. Затем при некоторой температуре они за­твердевают.

Температуру, при которой жидкий шлак превращается в пластиче­ский, называют критической температурой. По характеристике плавле­ния различают «короткие» и «длинные шлаки». Короткими называют шлаки, которые имеют резкую границу перехода из жидкотекучего со­стояния в пластическое. Шлаки с низкой критической температурой не имеют пластической области, остаются текучими при значительном понижении температуры и затвердевают непосредственно из текучего состояния. Такие шлаки называют «длинными». Длинные шлаки имеют пологую зависимость imn=f(t) и поэтому менее чувствительны к коле­баниям температуры. У коротких шлаков при небольшом уменьшении температуры вязкость быстро повышается, что делает выход шлака неустойчивым.

При температурах топочных газов ниже температуры затвердева­ния шлака, т. е. при переходе его из пластического состояния в твер­дое, шлакование поверхностей нагрева не происходит. В пластическом состоянии шлак способен налипать и зашлаковывать стены топочной камеры и поверхности нагрева. Поэтому для предотвращения шлако­вания в камере охлаждения топки у экранных поверхностей и перед конвективными поверхностями, расположенными на выходе из топки, температура газов должна быть ниже температуры затвердевания шлака.

Для стекания и удаления жидкого шлака решающее значение име­ет критическая температура шлака, при которой вязкий шлак превра­щается в пластический. Эта температура зависит от содержания желе­за, степени его окисления и содержания окиси кальция в шлаке.

Топки с жидким шлакоудалением имеют ряд преимуществ. В них достигается высокая интенсивность сжигания и повышенный к. п. д., обусловленный малыми величинами избытка воздуха и малой величи­ной <74 при высоких температурах в топке, достигается большая устой­чивость сжигания. Поэтому топки с жидким шлакоудалением мало чувствительны к свойствам сжигаемого угля, т. е. более универсальны.

В топках можно сжигать топлива от низкореакционных углей с ма­лым выходом летучих до высоковлажных и высокозольных углей. В топ­ках с жидким шлакоудалением улавливается значительная часть золы в виде жидкого шлака, причем преимущественно его легкоплавкие компоненты, уменьшается износ золой конвективных поверхностей на­грева. Наконец, вследствие того что плотность шлака в 2—3 раза боль­ше, чем золы, для накопления шлака требуются меньшие емкости.

Недостатками топок с жидким шлакоудалением являются ограни­ченный диапазон нагрузок устойчивой работы и наличие потерь тепла с физическим теплом жидкого шлака, удаляемым из топки. Эти поте­ри увеличиваются с повышением зольности сжигаемого топлива и доли золы, улавливаемой в топке. При снижении нагрузки температуры в топке уменьшаются, вследствие чего не получается жидкого шлака. Топка переходит на режим работы с твердым шлаком. При сжигании высоковлажных углей из-за снижения температуры затрудняется плав­ление и удаление шлаков из топки.