Загрязнение поверхностей нагрева

4.3. Загрязнение поверхностей нагрева

Надежность и экономичность работы котлов в значи­тельной степени определяются состоянием поверхностей на­грева.

При сжигании золосодержащих топлив, как твердых, так и жидких, на поверхностях нагрева котлов образуются шлакозоловые отложения, в результате чего снижаются техни­ко–экономические показатели котельных установок.

Внутренние отложения на стенках труб вызывают повы­шение температуры металла, что может привести к их пере­греву и разрыву.

Коррозия труб поверхностей нагрева приводит к появ­лению разрывов, а эрозия (износ) их – к утонению стенок труб, а значит, снижению рабочего ресурса котла.

Формирование отложения на поверхностях нагрева – ре­зультат ряда сложных физико–химических процессов.

Отложения по температурной зоне образования подраз­деляются отложения на низкотемпературных и на высоко­температурных поверхностях нагрева. Первые – формиру­ются в зоне умеренных и низких температур дымовых газов на поверхностях нагрева, имеющих сравнительно низ­кую температуру стенки (экономайзеры и "холодный" конец воздухоподогревателя). Вторые – образуются в зоне вы­соких температур стенки топочной камеры, на экономайзе­рах котлов с высокими параметрами пара, пароперегрева­телях, горячем конце воздухоподогревателя.

По характеру связи частиц и механической прочности слоя отложения подразделяются на сыпучие, связанные рыхлые, связанные прочные и сплавленные (шлаковые).

Рекомендуемые материалы

По минеральному и химическому составам различают щелочно–связанные, фосфатные, алюмосиликатные, суль­фитные и отложения с большим содержанием железа. В за­висимости от места нахождения по периметру омываемой газовым потоком трубы отложения делятся на лобовые, тыльные и отложения в зонах минимальной толщины по­граничного слоя.

Спекшиеся отложения на лобовых поверхностях труб обычно образуют гребни, высота которых может достигать 200–250 мм.

На тыльной стороне высота отложений бывает меньше. При определенных условиях спекшиеся отложения могут перекрывать межтрубные пространства.

Образование отложений может быть связано не только с осаждением золы, но и с конденсацией на относительно холодных трубах поверхностей нагрева щелочных соедине­ний или оксида кремния, сублимировавшихся из минераль­ной части топлива в процессе его горения. Температурные пределы и интенсивность конденсации паров щелочных соединений и оксида кремния на поверхностях нагрева зави­сят в основном от их парциального давления в продуктах сгорания.

В ряде случаев на формирование отложений большое влияние оказывают химические процессы, происходящие в слое отложений (образование сульфатосвязанных соеди­нений и др.).

Рис. 4.3. Зависимость коэффициента загрязнения поверхностей нагрева

от скорости газов:

а – шахматные пучки труб; б – коридорные пучки труб

На рис. 4.3 показана зависимость коэффициента загряз­нения от скорости потока. Существенно влияют на загрязнения труб их диаметр, шаг между трубами, а также порядок расположения – коридорный или шахматный. Умень­шение диаметра труб и продольного шага в трубных шахматных пучках значительно уменьшает загрязнение. В ко­ридорных пучках труб загрязнения больше, чем в шахмат­ных.

На рис. 4.4 показаны места отложений золы и их при­мерные размеры при различных скоростях запыленного потока.

Рис   4.4.  Загрязнение  труб  при  шахтном  расположении   (по  данным ВТИ):

а – восходящий   поток; б – нисходящий   поток;   в – горизонтальный   поток

Для нормальной работы котла необходимо поверхности нагрева поддерживать чистыми. Своевременный, контроль за загрязненностью поверхностей нагрева позволяет опре­делить скорость ее увеличения и периодичность очистки котла.

Основными критериями, которые позволяют установить необходимость очистки котла, являются количество  и  состав отложений и теплонапряженность поверхностей нагре­ва. Для барабанных котлов наиболее теплонапряженной поверхностью нагрева является экранная система, а для прямоточных котлов – нижняя радиационная часть.

Характеристикой отложений, на поверхностях нагрева является степень загрязненности, которая обычно выража­ется в количестве граммов отложений, приведенных к еди­нице площади (г/см²).

При установлении периодичности очистки котла также учитывают: возможность  удаления образовавшихся отложений с минимальными коррозионными потерями металла по отдельным поверхностям нагрева; наличие трудноудаляемых компонентов (органические вещества, силикаты и медь); необходимость монтажа специальных циркуляци­онных схем, которые требуют больших затрат средств и вре­мени.

4.3.1. Наружные загрязнения

Наружные загрязнения возникают в процессе эксплуа­тации на экранных поверхностях нагрева, на ширмах топ­ки, в холодной воронке, первых рядах труб перегревателей котла, работающего на пылевидном твердом топливе. Эти отложения образуются при более высокой температуре га­зов, чем температура размягчения золы на выходе из топ­ки, а также в высокотемпературных зонах топки при плохой аэродинамической организации топочного процесса. Обыч­но шлакование начинается в промежутках между экран­ными трубами, а также в застойных зонах и участках топ­ки. Если температура топочной среды в зоне образования шлаковых отложений ниже температуры начала деформа­ции золы, то наружный слой шлака состоит из отвердевших частиц.

При более высокой температуре наружный слой шлака может оплавляться, что способствует налипанию новых час­тиц и увеличению шлакования.

Рост шлаковых отложений может продолжаться неогра­ниченно. Характерной формой шлаковых отложений явля­ется оплавленная, твердая, иногда стекловидная структура. В них также встречаются металлические включения, кото­рые возникают при плавлении компонентов золы, содержа­щих оксиды металлов.

На конвективных поверхностях нагрева количество от­ложений зависит от физических свойств золы и геометриче­ских характеристик поверхности нагрева.

Значительно влияет на загрязняющие отложения ско­рость потока газов – повышение скорости дымовых газов и концентрации в них золы и уноса наблюдается в газовых коридорах, между стенками газохода и трубами, при боль­шом расстоянии между трубами или змеевиками и т. п.

Загрязнение золой и сажей поверхностей нагрева ведет к повышению температуры уходящих газов и перерасходу топлива, составляющему около  1 % при повышении темпе­ратуры на 20–22 ºС. Увеличивается также сопротивление, что   может   ограничить   тягу   и   паропроизводительность котла.

Загрязнение экранных труб и первых рядов кипятиль­ных труб ведет к повышению температуры перегретого па­ра, температуры газов, шлакованию. Одностороннее шла­кование и загрязнение золой газохода могут вызвать пере­кос температуры и скорости газов, что ухудшает работу и снижает надежность последующих поверхностей нагрева.

На экранных трубах в топочной камере и поверхностях нагрева в конвективных газоходах могут образовываться плотные отложения обычно при сжигании мазута. Причем сернистые мазуты при сжигании с высокими избытками воз­духа дают, плотные отложения на трубах перегревателя и воздухопаронагревателя.

При сжигании мазутов с большим содержанием вана­дия на трубах перегревателей, с температурой стенок 600–650 ºС образуются плотные ванадиевые отложения.

Появление отложений сажи и уноса на хвостовых по­верхностях нагрева может быть обнаружено по увеличе­нию сопротивления (разность разрежений после газохода и перед ним).

Для своевременного выявления загорания уноса или са­жи обслуживающему персоналу необходимо следить за температурой продуктов горения до и после хвостовых по­верхностей нагрева.

Повышение температуры продуктов горения после эко­номайзера или воздухоподогревателя против установленной для данной нагрузки котла и разогрев обшивки газохода указывают на загорание сажи и уноса.

При освоении мощных котлов блоков 300, 500 и 800 МВт, работающих на различных топливах, было установлено, что ширмовые перегреватели (особенно с горизонтальным рас­положением труб) подвергаются интенсивному шлакова­нию из–за наличия очагов шлакования (обвязочные и под­весные трубы, крепежные неохлаждаемые элементы ширм, зазоры между трубами ширм). Очаги шлакования ширм можно устранить путем создания специальных конструк­ций, в частности изготавливать ширмы цельносварными.

Основной способ защиты от шлакования ширмовых и конвективных перегревателей – правильный выбор тем­пературы газов перед поверхностями нагрева. Этого можно достигнуть выполнением топочной камеры такой высоты, при которой обеспечивается охлаждение газов до необхо­димой температуры, выравниванием поля   температур   на выходе из топки, применением рециркуляции газов в верх­ней части, топочной камеры.

Наряду с температурным уровнем на выходе из топки на процесс шлакования высокотемпературных поверхнос­тей нагрева котла оказывает влияние способ сжигания топ­лива.

Механизм образования отложений на поверхностях на­грева при сжигании одного и того же вида топлива с жид­ким и сухим шлакоудалением имеет существенные отличия.

Средства защиты поверхностей нагрева от наружных от­ложений по характеру действия можно разделить на актив­ные и профилактические. Активными средствами преду­сматривается влияние на качественные и количественные характеристики золошлаковых отложений, т. е. эти средст­ва направлены на предотвращение образования отложений и снижение их механической прочности. К ним относятся различные присадки, снижающие интенсивность образова­ния отложений или их прочность, способы сжигания топлив в топках котлов и т. п.

Профилактические средства сводятся к удалению фор­мирующихся отложений. На высокотемпературных поверх­ностях нагрева профилактическим средством является уда­ление отложений механическим и химическим способами: обдувкой, обмывкой, вибрационной очисткой, дробеочисткой и др.

Эффективность профилактических средств борьбы с от­ложениями в основном определяется результативностью ак­тивных средств защиты поверхностей нагрева от наружных отложений.

4.3.2. Внутренние загрязнения

После монтажа котлов загрязненность их внутренней по­верхности вызвана в основном отложением на ней оксидов железа. Внутренняя поверхность котла может быть загряз­нена также сварочным гратом, песком, землей и другими посторонними предметами. На котлах, находящихся в эксплуатации, внутренние отложения состоят в основном из кальциевых соединений и оксидов железа.  Причинами образования отложений являются: выделе­ние труднорастворимых солей в процессе упаривания воды, оседание взвешенных веществ, находящихся в воде или па­ре, коррозия металла.

Солевые отложения в основном встречаются у котлов низкого и среднего давления. Если отложения появились на котлах высокого давления, то это свидетельствует о неэф­фективной работе водоподготовительного оборудования или о наличии присосов охлаждающей воды в конденсаторах турбин.

Наносные загрязнения (в виде рыхлого слоя) характер­ны для барабанных котлов высокого давления, где приме­няется фосфатирование котловой воды, и чаще всего рас­полагаются над солевыми или коррозионными отложениями. Коррозионные отложения образуются в результате сто­яночной коррозии и коррозии металла в среде воды или пара при эксплуатации котла.

Вместе с питательной водой в котел поступают различные минеральные примеси, в том числе соединения, кальция и магния, оксиды железа, алюминия, меди и др. Накаплива­ясь в котле по мере испарения воды, эти примеси после на­ступления состояния насыщения начинают выпадать в виде кристаллов. Центрами кристаллизации служат шерохова­тости на поверхности нагрева, а также взвешенные и кол­лоидные частицы, находящиеся в воде.

Вещества, кристаллизующиеся на поверхности нагрева, образуют плотные и прочные отложения – накипь. Накипь, как известно, имеет низкий коэффициент теплопроводности, составляющей 0,1–0,2 Вт/(м·К). Поэтому даже малый слой накипи приводит к резкому ухудшению условий охлаждения поверхностей нагрева, в результате чего повы­шается температура металла. При этом у поверхности на­грева, расположенной в области высоких температур (экра­ны, фестоны, первые ряды труб конвективного пучка), тем­пература металла может превысить предельную по условиям прочности, после чего начинается образование отдулин с утонением стенок трубы. Затем появляется свищ – отверстие вдоль образующей трубы, через который с боль­шой скоростью вытекает струя воды, и котел приходится останавливать.

На режим работы котла вредное влияние оказывает по­вышенная щелочность воды, что может привести к вспени­ванию воды в барабане и в предельном случае – к заполне­нию вспененной водой всего парового объема барабана. Вспениванию воды способствует содержание в ней органи­ческих соединений аммиака. В таких условиях сепарационные устройства не обеспечивают отделения воды от пара и вода из барабана, содержащая различные примеси, мо­жет поступать в перегреватель, создавая опасность его за­грязнения и нарушения нормальных условий работы. Повышенная относительная щелочность может явиться причи­ной появления щелочной коррозии металла, а также трещин в местах вальцовки труб в коллекторы и барабан.

4.3.3. Эрозионный износ поверхностей нагрева летучей золой

Эрозионный или механический износ – процесс разру­шения поверхностного слоя металла под влиянием механиче­ского воздействия ударяющихся твердых частиц, капелек или потока жидкости или пара, выходящих из поврежден­ной соседней трубы или сопла обдувочного аппарата.

При работе котла на твердом топливе конвективные по­верхности нагрева подвергаются износу от ударов твердых частиц, уносимых потоком дымовых газов. В результате это­го стенки трубы становятся тоньше, уменьшается прочность, что может привести к разрыву трубы. Многочисленные на­блюдения показали, что труба изнашивается неравномерно. Больше всего истираются трубы крайних змеевиков, прямые участки труб, отходящих от коллекторов, места изгиба труб и т. д. Все места износа характеризуются повышенной мест­ной скоростью потока.

Эрозионному износу подвержены трубы конвективных перегревателей поверхности нагрева, экономайзера и воз­духоподогревателей. От эрозии чаще всего страдают зме­евики пароперегревателей.

Внешний признак эрозионного разрушения – чистая по­верхность металла. При коррозионном поражении продукты коррозии, как правило, сохраняются на поверхности. Эрозия существенно зависит от абразивности золы. Наиболее аг­рессивным элементом является кремнезем SiО₂, количество которого, например, в золе экибастузского каменного угля достигает 60 %.

В табл. 4.4 приведены значения коэффициента абразив­ности золы, полученные путем обработки данных стендо­вых и промышленных испытаний. При использовании этих данных необходимо иметь в виду, что абразивный износ в котлах с жидким удалением шлака снижается в зависимости от степени оплавления золы.

Таблица   4.4 – Коэффициенты абразивности золы некоторых топлив (по данным ВТИ)

В конвективном газоходе топочные газы движутся обыч­но сверху вниз, а змеевики располагаются горизонтальны­ми рядами. Труба, находящаяся под действием запыленно­го потока, теряет свою первоначальную форму из–за обра­зования поверхностей износа (рис. 4.5, а).

Максимальный износ трубы возникает  в  тех  случаях, когда угол атаки 45º, причем характер износа остается од­ним и тем же при изменении скорости газа (рис. 4.5, б).

Рис. 4.5. Золовой износ трубы:

а – поперечное   сечение  трубы; б – распределение   износа   по   окружности   при

различной скорости газа; 1 —–21,5 м/с; 2 – 21,7 м/с; 3 – 50,9 м/с; 4 – 64,3 м/с

В коррозионной среде износ усиливается. Агрессивная среда проникает в трещины, образованные в результате от­слаивания металла при наклепе, вызванном ударами твердых частиц. Образовавшаяся на поверхности пленка окси­дов механически менее прочна, чем основной металл. В за­висимости от состава коррозионной среды  и  температуры интенсивность износа трубы возрастает. При этом угол ата­ки, соответствующий максимальному износу, возрастает с 30º в нейтральной среде до 45º в коррозионной.

Значительное число повреждений поверхностей нагрева вызывается золовым износом трубы. При этом 80 % по­вреждений от золового износа приходится на трубы и зме­евики, расположенные в конвективных газоходах.

На рис. 4.6 показаны места наиболее интенсивного зо­лового износа труб. Общий и местный зольные износы уве­личиваются при высоких нагрузках котлов, повышенных из­бытках и присосах воздуха в газоходы, а также при веде­нии топочного процесса с большим механическим недожогом топлива.

13 Кристобаль балансиага - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Рис. 4.6. Места наиболее интенсивного золового износа труб:

а – у верхних рядов змеевика  и задней стенки конвективной шахты;  б – у раз­делительной  перегородки;  в – у сужений газохода; г – под кромкой дефлектора; д – под кромкой козырька; е – около хомутика

При камерном и камерно–слоевом сжигании твердого топлива с увеличением скорости дымовых газов увеличивается износ труб летучей золой и уносом топлива. По этой причине желательной является скорость газов не более 9–10 м/с, а в газоходах стальных экономайзеров 8–9 м/с и ниже.

Опыты показывают, что скорость износа трубы прибли­зительно пропорциональна кубу скорости газов.

Эрозионный процесс часто играет основную роль при разрушении труб. Например, при образовании свища в сварном соединении экономайзера поток воды под большим давлением увлекает из газов частицы золы и за корот­кое время вызывает вторичные эрозионные разрушения со­седних труб.

Основным способом борьбы с абразивным истиранием труб поверхностей нагрева котла является установка за­щитных накладок на лобовых участках верхних труб кон­вективных поверхностей нагрева и на участках, располо­женных в районе газовых коридоров в непосредственной близости от местных сопротивлений.