КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Загрязнение и абразивный износ конвективных поверхностей нагрева

Поступающие вместе с топливом в зону горения минеральные примеси подвергаются высокотемпературным физическим преобразованиям: часть из них плавится и даже испаряется, другие в этих условиях образуют но­вые эвтектические сплавы и соединяются в более крупные расплавленные частицы, которые выпадают в нижнюю часть топки (холодную воронку) в виде шлака. Основная масса мелких золовых частиц уносится из топки с продуктами сгорания в виде летучей золы.

Характеристики плавления частиц золы. В составе летучей золы имеются три группы частиц, отличающиеся химическим со­ставом и физическим состоянием в зоне высоких температур.

Легкоплавкие соединения имеют температуру плавления 700-850°С. Это в основном хлориды и сульфаты щелочных металлов (NaCl, СаСЬ, Na2S04, MgCb, АІ2(804)3). В зоне высоких температур ядра факела они испаряются, а затем конденсируются на поверхности труб, так как темпе­ратура чистой стенки всегда менее 700°С. Их количество в составе летучей золы невелико (менее 1%).

Среднеплавкие компоненты золы с температурой плавления 900-1 100°С (FeS, FeO, Na2Si03, K2S04 и др) находятся в топке в расплавленном состоянии, при контакте с поверхностью нагрева нали­пают на нее и по мере снижения температуры застывают и цементируют другие твердые частицы.

Тугоплавкими компонентами золы являются, как правило, оксиды ме­таллов типа MeO (CaO, MgO, Ре20з), а также Si02, AI2O3 и др. Темпе­ратура их плавления (1 600-2 800°С) превышает температуру газов в ядре факела, поэтому они проходят зону горения без изменения своего состо­яния, оставаясь твердыми. Ввиду малых размеров они уносятся потоком газов и составляют основную массу летучей золы.

Плавкостные характеристики золы в топочной камере зависят от со­отношения основных и кислых (по химическим свойствам) компонентов, входящих в расплав. Количественно это соотношение характеризуют пока­зателем кислотности расплава

Fe2Q3 + CaO + MgO + Na2Q + К20 * ~~ Si02 + А1203 + ТЮ2 * ( • }

При значении К > 1 шлаки являются основными по химическим свой­ствам, а при К < 1 — кислыми. Последние относятся к так называемым «длинным» шлакам с более медленным изменением вязкости при снижении температуры, они более предпочтительны при организации жидкого шла­
к0удаления. В то же время при твердом шлакоудалении эти шлаки более склонны к шлакованию экранов топки.

Летучая зола представляет собой эвтектические смеси компонентов различной плавкости. В таких смесях тугоплавкие компоненты типа МеО при их малом содержании в золе (5-20%) приводят к снижению температу­ры расплавления эвтектической смеси (особенно это относится к окислам FC2O3 и СаО при наличии в потоке SO2), что создает опасность шлакова­ния конвективных поверхностей в горизонтальном газоходе. При содержа­нии МеО в золе более 25%, а также при повышенном содержании AI2O3 и Si02 (более 65% по массе) температура плавления золовых частиц повы­шается и шлакование не имеет места даже при повышенной температуре потока газов.

Виды отложений на поверх­ностях нагрева. По степени механиче­ской прочности образующихся на поверхности металла отложений они разделяются на сыпу­чие, связанные рыхлые, прочные и сплавлен­ные (шлаковые). Шлаковые отложения разви­ваются в зоне температур газов 700 - f - 900° С (рис. 7.18) и могут привести к перекрытию (за - шлакованию) части газохода, что вызовет необ­ходимость снижения нагрузки на котле вви­ду ограничения тяги в результате резкого ро­ста аэродинамического сопротивления газово­го тракта котла.

В образовании связанных рыхлых и плот­ных отложений участвуют щелочные соедине­ния (К2О, Na20), а также сульфатные типа Na2S04 и золовые фракции с повышенным со­держанием оксидов железа. Характер плотных отложений близок к показанному на рис. 7.18, только в меньших масштабах, они развивают­ся на поверхностях воздухоподогревателя при сжигании мазута и температуре стенки ни­же 200°С, где начинается конденсация на поверхности нагрева паров серной кислоты совместно с влагой. При наличии силикатов натрия образуются твердые, прочные, стеклоподобные наплавлення на трубах.

На твердых топливах в этой зоне образуется слой рыхлых влажных отложений, содержащих золовые частицы различного состава.

В зоне относительно низких температур газового потока — менее 000 - т - 700°С и до температур «холодной части» воздухоподогревателя - наиболее распространены при сжигании твердых топлив сыпучие отло­
жения. Они имеют слабую механическую связь с поверхностью и между собой и легко удаляются при встряхивании или прямом ударе по участку от­ложений. Кроме аэродинамических факторов, приводящих к набрасыванию частиц золы на поверхности труб, в переносе мелких фракций золы участ­вуют электростатические силы (за счет разного электростатического заряда поверхности трубы и частички золы), а также силы термофореза (движение частиц из горячего потока к более холодной поверхности трубы).

Ій ~ 18 м/с w ~ 11 м/с w ~ 5 м/с

I I I

Сыпучие отложения преимущественно образуются на тыльной стороне трубы по отношению к направлению движения газового потока, в зоне вихрей в следе за трубой (рис. 7.19) и сильно зависят от скорости пото­ка., На лобовой стороне заметные сыпучие отложения появляются лишь при малых скоростях набегающего потока (менее 5-6 м/с) или при на­личии в потоке очень тонкой летучей золы (при жидком шлакоудалении в топке).

Интенсивность образования сыпучих1 отложений сильно зависит от фракционного состава золы. Крупные фракции золы размером свыше 30 мкм обладают достаточно большой кинетической энергией при движе­нии около трубы и разрушают нарастающие отложения. В таких случаях отложения оказываются незначительными. В длительной эксплуатации при постоянном контакте отложений с газовым потоком может происходить свя­зывание (спекание) частиц между собой за счет сульфатных соединений Na и К, поэтому желательно систематическое удаление таких отложений.

Сыпучие и другие виды загрязнений поверхности труб ухудшают теп­лообмен с газовым потоком и снижают эффективность ее работы. Оценку тепловой эффективности поверхности нагрева производят через приведен­
(7.17)

Где 6-і, А3 — средняя условная толщина слоя отложений по периметру тру­бы, м, и теплопроводность золового слоя, Вт/(м-К).

Изменение коэффициента загрязнения £3 в разных условиях эксплуата­ции позволяет оценить изменение размера отложений, т. е. установить влия­ние режимных факторов на характер отложений. Значение коэффициента £3 получают при испытаниях путем сравнения реального тепловосприятия по­верхности с теоретическим при совершенно чистых трубах.

Как следует из результатов испытаний (рис. 7.20), загрязнение труб от­ложениями летучей золы мало зависит от концентрации ее в потоке дымо­вых газов. Разница в загрязнениях наблюдается только в первые часы рабо­ты до установления динамического равновесия. Более интенсивное загряз­нение труб (более высокое значение коэффициента £3) имеет место в случае присутствия в потоке тонких фракций золы. Во всех случаях с увеличением скорости потока загрязнения труб сыпучими отложениями уменьшаются,

8 Котельные установки

Что связано с ростом кинетической энергии частиц и разрушением образу­ющихся отложений более крупными частицами.

Большое влияние на степень загрязнения поверхности оказывают тип пучка труб (шахматный или коридорный) и продольный шаг труб S2 в шах­матном пучке. При равных прочих условиях (скорость газов, диаметр труб) коэффициент загрязнения коридорного пучка в 1,7-3,5 раза больше, чем шахматного (рис. 7.21). С уменьшением продольного шага труб S2 (уплот­нение пучка труб) загрязнение существенно уменьшается. Загрязнение груб существенно возрастает при низких скоростях газового потока, поэтому скорости газов в поверхностях менее 3-4 м/с не допускаются, а с учетом рабочего диапазона нагрузок котла (до 0,5 DH0M) скорости газов при номи­нальной нагрузке принимаются не ниже 6 м/с для поперечно омываемых пучков труб и не менее 8 м/с — для продольного тока газов в поверхностях воздухоподогревателей.

І м2-К Вт

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

0

Абразивный износ поверхностей нагрева. Сущ­ность абразивного износа заключается в том, что крупные частицы золы, обладающие достаточной твердостью и остротой граней, при ударах о стен­ку трубы непрерывно срезают с поверхности микроскопически малые слои оксида металла, постепенно уменьшая в этом месте толщину стенки трубы (рис. 7.22). Частицы несгоревшего топлива (чаще у антрацитов и полуан­трацитов) также вызывают истирание поверхности.

Рис. 7.22. Места и характер абразивного износа труб: а — места абразивного износа трубы поперечным набегающим потоком газов; б — упрощенная схема срезания частицами золы металла с поверхности трубы; 1 — место износа металла трубы.

Таким образом, золовой износ прежде всего определяется абразивно - стью частиц золы. Последняя прежде всего зависит от содержания SiC>2 в золе и заметно увеличивается, когда SiC>2 > 60%. Так, например, сильно абразивными свойствами обладает зола экибастузского каменного угля, так как в ее составе содержание SiC>2 > 80%.

Интенсивность износа также зависит от общего количества золы в топ­ливе, т. е. от А9, и определяется концентрацией частиц золы в газовом по­токе, г/м3:

TOC o "1-3" h z 10 Ар ауи 273 (7 Ш

VT~ 273Т^ (7Л8)

Или в безразмерном виде

АР а

№" = (Iooi)' (7Л9)

Здесь Vr — объем газов при сжигании 1 кг топлива, м3/кг; аун — доля золы, Уносимая из топки с газовым потоком; Gr — масса дымовых газов, кг/кг топлива:

Gr = 1 - 0,01 Ар 4-1,306 aVB°. (7.20)

Абразивный износ более сильно проявляется в зоне температур газов ни - >ке G00°C,'когда частицы теряют поверхностную пластичность и становятся Твердыми, т. е. в верхней части конвективной шахты. Интенсивность износа
неравномерна как по сечению газохода, так и по периметру труб. При входе в конвективную шахту из горизонтального газохода газы имеют разворот на 90°С, в результате чего наиболее грубые фракции золы отбрасываются к задней стене шахты и имеют там повышенную концентрацию.

При поперечном обтекании трубы наибольшему износу подвергаются боковые ее стенки под углом 30-50°С, где обтекающий трубу поток прохо­дит по касательной к поверхности (рис. 7.22). Коридорные пучки подверга­ются существенно меньшему износу, так как по ходу газов трубы находятся в аэродинамической тени первой (лобовой) трубы, на которую к тому же поток газов набегает с более низкой скоростью (из свободного газохода), чем скорость газов в межтрубном пространстве пучка. Интенсивность износа определяется:

1) кинетической энергией отдельных частиц золы, которая зависит от квадрата скорости газов — w*;

2) количеством частиц, проходящих у поверхности в единицу времени, которое зависит от концентрации частиц в потоке газов /ізл и является возрастающей функцией от скорости wv

3) неравномерностью концентраций золы в потоке км и скоростей газов в сечении kw

4) плотностью расположения труб в поперечноомываемом пучке, что определяет торможение частиц при контакте с поверхностью и умень­шение их скорости в следующем ряду труб, по сравнению со скоростью газов.

В итоге интенсивность износа, I мм/год, зависит в третьей степени от скорости газов:

1НЗ - 0,028а7п^/ізл(^ гог)3(^^)1,8гр • R%6, (7.21)

Где а — коэффициент абразивности золы, мм-с3/(г-ч); т — относительный показатель износоустойчивости труб, зависящий от химического состава стали; тр — время эксплуатации поверхности, ч/год. На входе в конвектив­ную шахту при П-образной компоновке котла коэффициенты неравномерно­сти концентраций золы и скоростей газов имеют следующие значения: kfI = = 1,2-1, 25 и kw = 1, 25 - г-1,3. Допустимым считается износ стенки трубы 1,п = 0, 2 мм/год из расчета нормальной работы трубы не менее 10 лет (тр = = 60-70 тыс. час). Максимально допустимая по условиям износа скорость газов в первом ряду конвективного пакета верхней части шахты, wm м/с, определяется из (7.21) и для шахматного пучка труб при относительном шаге труб S/d = 2,5 составляет:

Топливо wvl3, м/с Топливо wm, м/с

Экибастузский уголь 7,0 Кизеловский уголь 10,5

Подмосковный уголь 9,0 Антрацит марки АШ 11,5

Челябинский уголь 10,0 Донецкий уголь марки Т 12,0

Рабочие скорости газов в пакете должны быть меньше максимальных. При опасности абразивного износа труб поверхности принимают меры для их защиты. Активными являются способы общего уменьшения скоростей (при конструировании) и выравнивания их в сечении газохода (аэродинами­ческие устройства, исключение свободных газовых коридоров). Методами пассивной локальной защиты являются накладки сверху на всю длину тру­бы полуцилиндрических сменных манжет, наплавка прутков с двух сторон трубы в зоне наибольшего износа, установка на входе в трубы воздухопо­догревателя внутренних цилиндрических вставок длиной не бодее 10 dBH.