7.5. Загрязнения 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.

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

Легкоплавкие компоненты имеют температуру плавления 700…850°С. Это в основном хлориды и сульфаты щелочных металлов (NaCI, CaCl₂, Na₂SO₄, MgCl₂, Al₂(SO₄)₃). В зоне высоких температур ядра факела эти компоненты 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…1100°С (FeS, Na₂SiO₃, K₂SO₄и 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 являются, как правило, оксиды металлов типа МеО (CaO, MgO, FeO, а также SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃и др.).

Температура их плавления (1600…2800°С) превышает температуру газов в ядре факела, поэтому эти компоненты проходят зону горения без изменения своего состояния, оставаясь твердыми. Из-за малых размеров минеральные частицы 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

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 шлакоудаления. 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%) за счет структурных преобразований приводят к снижению температуры расплавления эвтектической смеси (особенно это относится к оксидам Fe₂O₃и СаО при наличии в потоке газов SO₂), что создает опасность шлакования конвективных поверхностей в горизонтальном газоходе. При содержании МеО в золе более 25%, а также при повышенном содержании Al₂O₃и SiO₂(более 65% по массе) температура плавления золовых частиц повышается и шлакование не имеет места даже при повышенной температуре потока газов. Особенно неблагоприятными характеристиками обладает оксид кальция.

При содержании в золе СаО = 25…40% и наличии оксидов серы в потоке газов в отложениях активно происходит сульфатизация

В результате развивается цементация (спекание) слоя отложений и его постепенное нарастание. Это явление называют шлакованием конвективной поверхности нагрева. Наоборот, при увеличении в золе оксидов Al₂O₃+ SiO₂(особенно более 60% массы летучей золы) температура плавления золы заметно увеличивается и шлакование поверхностей исключается.

По степени механической прочности образующиеся на поверхности металла отложения разделяются на сыпучие, связанные рыхлые, прочные и сплавленные (шлаковые). Шлаковые отложения развиваются в зоне температур газов 700…900°С и могут привести к перекрытию (зашлаковыванию) части газохода, что вызовет необходимость снижения нагрузки на котле из-за ограничения тяги в результате резкого роста аэродинамического сопротивления газового тракта котла.

В образовании связанных рыхлых и плотных отложений участвуют щелочные соединения (К₂О, Na₂O), а также сульфатные типа Na₂SO₄и золовые фракции с повышенным содержанием оксидов железа. Характерный вид плотных отложений показан на (рис. 7.18), такие отложения развиваются на поверхностях с температурой стенки до 550°С.

Особый вид связанных липких и цементирующихся отложений образуется на поверхности воздухоподогревателя при температуре стенки ниже 200 °С, где начинается конденсация на поверхности нагрева паров серной кислоты совместно с влагой. На твердых топливах в воздухоподогревателях образуется слой рыхлых влажных отложений, а при сжигании мазута - липкие сильнокислые отложения, которые при наличии достаточного количества органических соединений и силикатов натрия в мазуте образуют твердые и прочные стеклоподобные наплавления.

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 сыпучие отложения появляются лишь при малых скоростях набегающего потока (менее 5…6 м/с) или при наличии в потоке тонкой летучей золы при жидком шлакоудалении в топке.

Рис. 7.19. Загрязнение труб сыпучими отложениями при разных скоростях движения газов.

Интенсивность образования сыпучих 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 за счет более мелких частиц. 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 тепловую эффективность поверхности. Оценка тепловой эффективности поверхности нагрева производится через приведенный коэффициент загрязнения, ξ_З, м²∙К/Вт

где δ_З, λ_З- средняя условная толщина слоя отложений по периметру трубы, м, и теплопроводность золового слоя, Вт/(м · К).

Изменение коэффициента загрязнения ξ_Зв разных условиях эксплуатации позволяет оценить изменение размера отложений, т.е. установить влияние режимных факторов на характер отложений. Значение коэффициента ξ_Зполучают экспериментально через определение тепловосприятия загрязненной и чистой поверхностей.

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 ξ_З) имеет место в случае присутствия в потоке тонких фракций золы. Во всех случаях с увеличением скорости потока загрязнения труб сыпучими отложениями уменьшаются, что связано с ростом кинетической энергии частиц и разрушением образующихся отложений более крупными частицами.

Рис. 7.20. Изменение коэффициента загрязнения труб в зависимости от концентрации золы в потоке и ее крупности (трубы d = 38 мм, s₁/d = s₂/d = 2): а - в зависимости от времени работы; б - в зависимости от скорости потока; 1 - концентрация золы 21 г/м³; 2 - то же при концентрации 7 г/м³; 3 - мелкая зола; 4 - крупная зола.

Большое влияние на степень загрязнения поверхности оказывают тип пучка труб (шахматный или коридорный) и продольный шаг труб s₂в 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 труб 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 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.

Абразивный износ определяется тем, 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.

Таким образом, золовой износ прежде всего определяется абразивностью частиц золы. Абразивность зависит от содержания SiO₂в золе и заметно увеличивается, когда SiO₂> 60%. Так, например, сильноабразивными свойствами обладают зола экибастузского каменного угля, так как в ее составе содержание SiO₂> 80%.

бразивный износ более сильно проявляется в зоне температур газов ниже 800°С, 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 разворачиваются на 90°, в результате чего наиболее грубые фракции золы отбрасываются к задней стене шахты и имеют там повышенную концентрацию.

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

где а - коэффициент абразивности золы, мм·с³/(г·ч); m - относительный показатель износоустойчивости труб, зависящий от химического состава стали; τ_Р- 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:

k_μ= 1,20…1,25 и k_W= 1,25…1,30. Допустимым считается износ стенки трубы I_ИЗ= 0,2 мм/год из расчета нормальной работы трубы не менее 10 лет (τ_Р= 60…70 тыс. ч).

Максимально допустимая по условиям износа скорость газов в первом ряду конвективного пакета верхней части шахты w_ИЗ, м/с, определяется из (7.23) и для шахматного пучка труб при относительном шаге труб s_В1/d = 2,5 составляет:

Рабочие скорости газов в пакете должны быть меньше максимальных. При опасности абразивного износа труб поверхности принимаются меры для их защиты.

Активными являются способы общего уменьшения скоростей (при конструировании) и выравнивания их в сечении газохода (аэродинамические устройства, исключающие возникновение 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 более 10d_ВН.