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
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.
Тепловое напряжение сечения топочной камеры
* При применении Плоскопараллельных горелок со смещенным расположением. Примечание. Приведенные выше величины являются ориентировочными и уточняются с учетом опыта работы котлоагрегатов. |
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.