Паровые котлы ТЭС

Механизм образования отложений

Вместе с органической массой твердого топлива в топочную камеру парового котла поступают различные минеральные примеси, которые в зоне высоких температур преобра­зуются; часть из них плавится, соединяется в более крупные частицы и выпадает в низ топки в виде шлака, а основная масса мелких золовых частиц уносится продуктами сгора­ния. Поведение золовых частиц в газоходах и топке зависит от химического состава и их физических свойств (температуры плавления, вязкости, теплопроводности и др.).

В составе золы имеются в небольшом количестве легкоплавкие соединения с температурой плавления 700—850°С. Это в основном хлориды и сульфаты ще­лочных металлов fNaCl, Na2S04, СаС12, MgCl2, A12(S04)3]. В зоне высоких температур ядра факела они переходят в парообразное состояние и затем конденси­руются на т^тхноети тоуб, тик как температура чи­стой гтенки вс г, а менее 700°С.

Среднеп. тякир компоненты золы с температуиой плавления 90С-1100°С (FeS, Na2SiO:), K? S04 и др.) мо-

Образовать первичный липкий слой на экранных трубах и ширмах, если в результате неналаженного топочного режима факел будет касаться стен топки и вблизи экранных труб будет находиться высокотемпе­ратурная газовая среда.

Тугоплавкими компонентами золы являются, как правило, чистые окислы (Si02, А1203, CaO, MgO. Fe?03 и др.). Температура их плавления (1690—2800°С) пре­вышает максимальную температуру ядра факела, по­этому они проходят зону горения без изменения своего состояния, оставаясь твердыми. Ввиду малых размеров частиц эти компоненты в основном уносятся потоком газов и составляют летучую золу.

В зоне высоких температур газов (выше 700— 800°С) на поверхности чистой трубы вначале происхо­дит конденсация из газового потока легкоплавких со - __ единений и образуется первичный липкий слой на тру - "бах. На него одновременно налипают твердые частицы золы. Затем он отвердевает и становится плотным пер­воначальным слоем отложений, крепко сцепленным с поверхностью трубы. Температура наружной поверх­ности слоя повышается и конденсация прекращается. Далее на шероховатую поверхность этого слоя набра­сываются мелкие твердые частицы тугоплавкой золы, образуя внешний сыпучий слой отложений. Таким об­разом, в этой области температур газов на повепхности труб чаще всего присутствуют два слоя отложений: плотный и сыпучий.

В топочной камере в зонах контакта вы­сокотемпературных газов с экранами могут возникать быстро нарастающие отложения. Они определяются набросом на поверхность труб частиц золы и шлаков, находящихся в полужидком тгли размягченном состоянии, которые затем охлаждаются и прочно схва­тываются с повепхностью. Этот процесс на­зывается шлакованием. Возникшие при этом шлаковые наросты могут иметь большие раз­меры и массу до нескольких тонн. Наличие относительно легкоплавких частиц в зоне го­рения определяется образованием эвтектик окислов металлов МеО (типа CaO, MgO, FeO, Fe203) с кремнеземом Si02 и глинистыми ми­нералами на основе А1о03.

Зола большинства твердых топлив содер­жит примерно от 5 до 40% МеО. Увеличение содержания МеО в золе понижает ее темпе­ратуру размягчения, создает опасность шла­
кования. Наоборот, при на­личии в золе окислов АЬОз+БЮг, превышающих 80%, температура плавле­ния золы быстро увеличи­вается; зола становится ту­гоплавкой.

При неблагоприятных характеристиках минераль­ной части топлива (содер­жание окислов кальция Са0>40%) в возникшем на поверхности нагрева слое сыпучих отложений может начаться процесс спекания (сульфатизации) за счет присутствия S02 в дымовых газах, ведущий к нарастанию плотных, креп­ко связанных с трубной по­верхностью отложений (рис. 16.1). Шлакова­нию, кроме экранов топочной камеры, подвер­гаются ширмы, пакеты конвективного пере­гревателя в области температур газов до 600—700°С. Спекшиеся отложения могут пе­рекрывать межтрубные промежутки шириной до 400 мм. Горизонтальные и слабонаклон­ные трубы шлакуются интенсивнее, чем вер­тикальные.

В зоне относительно низких температур

Газового потока (менее 600—700°С), харак­терных для поверхностей конвективной шахты, наиболее распространены сыпучие отложения. Плотный подслой на поверхности труб здесь отсутствует, так как конденсация паров ще­лочных металлов уже завершилась.

Сыпучие отложения преимущественно об­разуются на тыльной стороне трубы по отно­шению к направлению газового потока, в об­разующейся сзади трубы вихревой зоне (рис. 16.2). На лобовой стороне сыпучие от­ложения возникают лишь при малых скоро­стях потока (менее 5—6 м/с) или при наличии в потоке очень тонкой летучей золы.

При рассмотрении процесса образования сыпучих отложений разделяют частицы золы на три группы фракций [21]. К первой группе относят самые мелкие фракции, так называе­мые безынерционные частицы, которые на­столько малы, что двигаются по линиям тока газов, и поэтому вероятность их осаждения на трубах мала. Предельный размер частиц, относящихся к этой группе, составляет около 10 мкм.

Ко второй группе относят крупные фрак­ции размером свыше 30 мкм. Эти частицы обладают достаточно большой кинетической энергией и при контакте с сыпучими отложе­ниями разрушают их.

Третью группу составляют фракции золы размером от 10 до 30 мкм. При обтекании газовым потоком трубы эти частицы преиму­щественно оседают на ее поверхности и обра­зуют слой отложений. В результате размер слоя сыпучих отложений определяется дина­мическим равновесием процессов постоянного оседания средних фракций золы и разруше­ния осевшего слоя более крупными частицами.

Сыпучие загрязнения на поверхности труб ухудшают теплообмен, что оценивается коэф­фициентом загрязнения

S = 53!X3

Где б3, К3 — средняя условная толщина слоя отложений по периметру трубы и теплопро­водность золового слоя.

Коэффициент загрязнения є, (м2-К)/Вт, характеризует термическое сопротивление слоя отложений. 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 (рис. 16.3,а). Существует сильная за­висимость отложений от фракционного соста­ва золы. Чем более тонкой по размерам фрак­ций является зола, тем интенсивнее загряз­нение труб, толще слой отложений (рис. 16.3,6).

Существенной является зависимость ^степе­ни загрязнения труб от скорости газового по­тока. Оседание средних фракций золы на тру­бах увеличивается приблизительно пропор­ционально скорости потока. В то же время разрушающее слой действие крупных частиц растет пропорционально скорости в третьей степени, поэтому с увеличением скорости от­ложения на трубах уменьшаются. Проведен­ными исследованиями (рис. 16.2) доказано, что интенсивность загрязнений не зависит от на­правления движения потока, поперечно омы­вающего поверхность. Вертикальные зме-еви - ковые поверхности в сравнимых условиях имеют меньшее загрязнение.

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. 16.4).

При скорости газов менее 3—4 м/с загряз­нение труб сильно увеличивается. Эксплуата­ция поверхностей котла с такими низкими скоростями не рекомендуется. Если учитывать, что паровой котел может снижать нагрузку примерно до 50%, расчетная скорость газов при номинальной нагрузке должна быть не ниже 5—6 м/с. j

При сжигании высокосернистых мазутов на поверхностях нагрева в зоне температур газов ниже 600°С образуются как липкие от­ложения, так и плотные стекловидного типа. Липкие отложения на поверхностях нагрева конвективных перегревателей, экономайзеров содержат преимущественно соединения вана­дия (главным образом V2O5) и сульфаты. В плотных отложениях преобладают сульфаты железа и окислы кальция и натрия. Отложе­ния при сжигании мазутов имеют тенденцию к быстрому росту, что приводит к заметному снижению теплообмена, увеличению сопротив­ления газового тракта и ограничению рабочей кампании парового котла.

За счет заметного количества соединений ванадия и серы отложения имеют кислую основу. Добавка к мазуту специальных ве­ществ, обладающих щелочными свойствами, переводит эти отложения в более рыхлые. Того же эффекта можно добиться специальной организацией процесса сжигания, например сжиганием с избытками воздуха, близкими к единице [21].

Одним из методов очистки поверхностей нагрева является использование динамического воздействия на слой отложений струи пара, воды или воздуха. Дей­ственность струй определяется их дальнобойностью, в пределах которой струя сохраняет достаточный ди­намический напор для разрушения отложений. Наи­большей дальнобойностью и термическим эффектом воз­действия на плотные отложения обладает водяная струя. Аппараты этого типа находят применение для очистки экранов топочных камер. Однако обдувка во­дой требует строгого расчета, чтобы исключить резкое переохлаждение металла после удаления отложений.

Для очистки радиационных поверхностей нагрева и конвективных перегревателей широкое распростране­ние получили многосопловые выдвижные аппараты, ра­ботающие на насыщенном или перегретом паре с дав­лением около 4 МПа.

Для очистки ширм и коридорных трубных пакетов в области горизонтального газохода применяют вибро- очистку. Ее яенсіси,' г. е-.ювано на том, что пои коле - банінг чруб с 6о,'".,ші'і"і часкчой напутается сгеплс-ние отложений с MCi4..'.K>V В ЗПІХ целях ИСЧ0.1!,Ч"'Т ви­браторы с водоохлаж и-.-мыми штапгями, п-'рм. чющими воздействие па очищаемую поверхность.

Наиболее эффективным способом очистки конвек­тивных поверхностей в опуокпой шахіе няроього котла от сыпучей золы является дрооеочиегка. В этом случае используют кинетическую энергию падающих чугунных дробинок диаметром 3—5 мм. Дробь подастся вверх воздушным потоком и распределяется по всему сечению шахты. Расход дроби на очне псу определяют исходя из оптимальной нптенсивносп! «прошения» дробью — 150 -200 кг/м2 сечения конвективной шахты. Время очистки составляет обычно 20—60 с.

Обязательным условием успешного использования дробовой очистки является регулярность ее примене­ния сразу после it} ска котла в эксплуатацию при еще практически чистых поверхностях нагрева. В последнее время находит распространенно метод термоволновой очистки поверхностей нггрева конвективной шахты при помощи акустических низкочастотных волн, генерируе­мых в специальной импульсной камере взрывного го­рения.

Очистку вынесенных за пределы котла регенератив­ных воздухоподогревателей (РВП) осуществляют путем обдувки теплообменной набивки РВП перегретым паром (на 170—200°С выше температуры насыщения), реже применяют обмывку водой (липкие отложения она уда­ляет, но увеличивает коррозию), а также применяют метод ударной волновой очистки и термический способ очистки. Последний основан на периодическом повы­шении температуры набивки до 250—300°С за счет отключения подачи воздуха в аппарат РВП. При этом высушиваются липкие отложения и испаряется скон­денсировавшаяся серная кислота.