книги из ГПНТБ / Деринг И.С. Поведение минеральной части твердого топлива в парогенераторах пособие по курсу Парогенераторы
.pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
КРАСНОЯРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
И. С. ДЕРИНГ
ПОВЕДЕНИЕ
МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ
'V..
.. ч
Ч КРАСНОЯРСК
1973
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
• СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
КРАСНОЯРСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
И. С. ДЕРИНГ
ПОВЕДЕНИЕ МИНЕРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ
(ПОСОБИЕ ПО КУРСУ «ПАРОГЕНЕРАТОРЫ»)
КРАСНОЯРСК
1973
I^ л у ч и о - т ѳ к н и
!библиотека СО^Р
U ^ g a & a a .
f 3 -ъзіча
■<4*
/ % ? / /
В В Е Д Е Н И Е
Межремонтный срок работы блока котел-турбина опреде ляется в первую очередь надежностью работы парогенерато ра. Основными причинами, препятствующими удлинению меж ремонтного периода, являются загрязнение поверхностей на грева эоловыми отложениями и золовой износ. Скорость об разования отложений обусловливается количеством летучей золы, ее химической активностью, фракционным составом, скоростью движения и другими факторами. В свою очередь, фракционный состав летучей золы, ее концентрация, хими ческая активность зависят не только от исходного топлива, но и от работы системы пылеприготовления, от конструкции и работы топочного устройства. Поэтому невозможно рас сматривать влияние различных факторов на процесс образо вания натрубных отложений в отрыве от работы системы пы леприготовления и топочного устройства.
В данной работе рассмотрена зависимость химического, минералогического и фракционного составов летучей золы и топочного шлака от тонкости помола, зольности, влажности
исходной .угольной пыли, а также |
от режима |
работы |
топки* |
(коэффициента избытка воздуха, |
температуры сжигания: |
||
и т. д.). Поскольку формирование |
различных |
слоев |
натруб |
ных отложений происходит за счет частиц летучей золы опре деленных размеров, рассмотрено влияние некоторых режим ных факторов на свойства узких фракций летучей золы.
Формирование первичного слоя отложений происходит из: самых мелких частиц (от 0 до 1 микрона), подчиняющихся закону Стокса. В связи с этим описано влияние сил термофореза и электрофореза на процесс формирования слоя пер вичных отложений.
На образование натрубных отложений в значительной сте пени воздействует скорость движения пыле-газового потока, температура газов и температура поверхности нагрева. По
этому нами рассмотрено влияние этих факторов во взаимо действии, установлена зависимость скорости образования первичного слоя отложений от скорости газового потока в различных температурных условиях. Описаны условия, не обходимые для формирования вторичного слоя отложений.
Не умаляя общепризнанной роли процесса сульфатизации в упрочнении слоя золовых отложений, обращается вни мание на то, что не всегда увеличение степени сульфатизации сопровождается возрастанием прочности слоя. Показаны до полнительные условия, необходимые для того, чтобы про цесс сульфатизации привел к упрочнению отложений.
В образовании прочгюсвязаніных отложений, а также в упрочнении слоя рыхлых отложений значительную роль мо гут играть процессы спекания, попадание на поверхность на грева частиц летучей золы, несущих на себе липкую эвтек тику, конденсация паров минеральной части топлива непо средственно на поверхность нагрева. В работе показана ве роятность протекания перечисленных процессов и их роль в упрочнении слоя отложений.
Даны рекомендации по изменению конструкции котло агрегата, выполнение которых позволит в значительной сте пени уменьшить опасность образования прочносвязанных натрубных отложений.
В основе работы — большое количество эксперимен тальных исследований, проведенных как на огневом стенде Красноярского политехнического института, так и на про мышленных агрегатах. В нее включены некоторые результа ты исследований, выполненных аспирантами под руковод ством автора. При обобщении привлечены результаты иссле дований, выполненных рядом научно-исследовательских кол
лективов.
Нумерация рисунков, таблиц и формул я каждой главе своя. Номера рисунков, таблиц и формул проставлены араб скими цифрами, номер главы, ів которой они помещены,— римскими. Поскольку при изложении материала в основном приходится ссылаться на рисунки, формулы и таблицы этой же главы, для удобства чтения первой стоит цифра, обозна чающая номер рисунка, таблицы, формулы, второй — номер главы.
ГЛАВА I. ИЗУЧЕННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
§ 1. Актуальность рассматриваемого вопроса
Освоение канско-ачинских углей связано с рядом трудно стей. Основными из них являются шлакование поверхностей нагрева на выходе из топовой камеры и образование несдуваемых, прочно связанных с поверхностью труб отложений.. К настоящему времени рядом авторов проведено значитель
ное количество исследований исходного топлива [4, |
81, |
82,. |
|
117—119, 173, 198, |
199, 209, 234, 235 и др.] и процесса сжи |
||
гания этих углей |
в промышленных котлоагрегатах |
[17, |
48,. |
115, 19.1, 201—207, 214—222, 240 и др.]. В результате значи тельно уменьшена скорость загрязнения поверхностей на грева, однако полностью избавиться от образования прочносвязанных отложений пока не удается. По-видимому причи ны продолжающегося образования прочно связанных с ме таллом труб отложений кроются в значительной сложности' протекающих процессов упрочнения слоя.
Химические и минералогические превращения минераль ной части топлива в топочной камере влияют на процесс об разования натрубных отложений. Частицы пылевидного то плива при сгорании очень быстро (иногда за доли секунд)- разогреваются до высокой температуры. Скорость и темпе-1 ратура разогрева оказывают сильное влияние на превраще ния в минеральной части топлива. До последнего времени о температуре, при которой протекают эти превращения, су дили по температуре факела. Однако максимальная темпе ратура отдельных частиц топлива намного превышает сред нюю температуру факела іи зависит от их величины [61, 62]. Эти факторы нельзя не учитывать при объяснении причин изменения свойств летучей золы.
Поскольку отдельные фракции летучей золы играют осо бую роль в образовании натрубных отложений и обладают
5
специфическими свойствами, необходимо знать влияние не которых режимных факторов на свойства каждой из них. Это очень важно и для объяснения процессов образования иатрубных отложений. Установлено, что натрубные отложе ния с течением времени начинают формироваться из более крупных частиц. При этом со временем изменяется их сред ний химический состав.
Изменение химического состава отложений может проис ходить как за счет химических процессов, протекающих в слое, так и за счет того, что в формировании слоя начинают принимать участие частицы золы другого размера, имеющие иной состав.
Вданной работе приведены сведения, позволяющие судить
остепени влияния каждого из названных факторов в отдель ности.
Значительная роль в упрочнения иатрубных отложений -отводится рядом авторов свободной окиси кальция [48—50 и др.]. В [35] показана возможность полного связывания сво бодной окиси кальция в пределах топочной камеры. Однако другие исследования [64, 8] свидетельствуют о том, что при
.сжигании полифракционной пыли даже в условиях очень высокой температуры >в топке полного связывания свободной ■окиси кальция не происходит. По-видимому, тонкая фракция летучей золы содержит отдельные частицы, сильно обога щенные СаО, и других соединений в них не хватает для пол ного связывания ее. Ответ на этот вопрос могло бы дать изу чение свойств узких фракций летучей золы.
В исследованиях, проведенных на промышленных агре гатах [8], в одних и тех же экспериментах были получены пробы летучей золы, сильно разнящиеся по содержанию сво бодной окиои кальция. Это может быть объяснено либо неизокинетичным отбором, приводящим к обогащению пробы ■какой-либо одной фракцией летучей золы, либо выпаданием грубой фракции на каком-либо участке газохода, располо женного между точками отбора. И то и другое говорит о том,
что свободная |
окись кальция распределяется неравномерно |
по различным |
фракциям летучей золы. ПофракционнЬе ис |
следование свойств летучей золы устранит погрешность в оп ределении состава и свойств золы ввиду неизокинетичности отбора.
Процессы улетучивания отдельных компонентов мине ральной части могут привести к заметному их перераспреде лению между различными' фракциями летучей золы, а так
■6
же вызвать загрязнение поверхностей нагрева за счет выпа дения конденсата этих соединений [150—154]. Однако это испарение происходит сравнительно медленно и в небольших количествах. Вызывает сомнение возможность конденсации этих паров непосредственно на поверхности нагревд. Наи большую опасность, по-видимому, представляет температу ра газов, при которой эти соединения кипят. Наличие непос редственной конденсации паров щелочных соединений на «холодных» поверхностях нагрева может быть установлено прямым экспериментом.
Прочная связь между слоем отложений н металлической поверхностью натрева может образоваться за счет наброса расплавленных частиц либо частиц, несущих на своей поверх ности липкую эвтектику [48, 124, 161 и др.]. Но для этого частица летучей золы в момент контакта с поверхностью на грева должна иметь температуру, превышающую темпера туру появления эвтектики. Поэтому в работе приведены дан ные, позволяющие судить о возможности наброса расплав ленных либо размягченных частиц летучей золы на поверх ность нагрева.
Осаждение летучей золы на поверхностях нагрева про исходит под действием различных сил (инерции, диффузии, термофореза, электрофореза и др.). Произведена проверка влияния термофореза и электрофореза, поскольку эти силы действуют на мелкие частицы, идущие на формирование первичного слоя отложений. Последнее осуществлено уста новкой в одной температурной зоне трубок с разной темпе ратурой стенки, а силы электрофореза — установкой неохлаждаемых трубок (для устранения влияния сил термофо реза) с различным потенциалом на поверхности.
Ранние исследования влияния скорости газового потока на процесс образования натрубных отложений [2] выполне ны на холодной модели. Наблюдения за работой промышлен ных котлоагрегатов показали, что температура газов и тем пература стенки заметно влияют на скорость образования от ложений и на их характер. Поэтому было проведено изуче ние совокупного влияния скорости газов, их температуры и температуры стенки на процесс загрязнения; изучена степень влияния каждого из этих факторов отдельно [11].
Для эксплуатации котлоагрегата важна не столько ско рость образования отложений, сколько их плотность и проч ность связи с поверхностью нагрева. Наряду с общепризнан ным влиянием процесса сульфатизации, уплотнение слоя от
7
ложений, появление прочной связи со стенкой трубы может происходить также вследствие спекания в твердой фазе. Причем проверка спекаемости полифракціионной золы может и не вскрыть полностью роли спекания. Дело в то>м, что ча стицы летучей золы, особенно в мелкой фракции, могут ока заться чрезвычайно неоднородными по химическому и мине ралогическому составу. Поэтому очень важно установить воз можность припекания к поверхности нагрева, а также к уже образовавшемуся слою отложений отдельных частиц лету чей золы, обогащенных содержанием какого-либо соединения. О наличии такой возможности говорит тот факт, что слой от ложений, трудно удалимых с поверхности нагрева, образует ся обычно не сразу, а через несколько месяцев после пуска котлоагрегата в эксплуатацию. Возникает предположение, что отдельные частицы летучей золы, способные «припекать ся» к поверхности нагрева, остаются на ней после обдувки. Ввиду малого содержания таких частиц в потоке газов, про цесс накапливания их протекает м ед л ен н о и результаты ста новятся заметными только через несколько месяцев работы. Для выяснения реальности этой гипотезы была осуществле на экспериментальная проверка возможности спекания раз личных соединений, входящих в состав летучей золы, как в чистом виде, так и в смесях [66].
Полученные результаты дают возможность достаточно обоснованно судить о роли перечисленных факторов в фор мировании натрубных отложений.
§ 2. Конструкция огневого стенда
При работе на промышленном котлоагрегате диапазон изменения тонкости помола, температуры в топке, темпера туры стенки и др. ограничен. Последнее не позволяет доста точно полно проследить, влияние отдельных факторов. Гораз до более подходит для этой цели стенд, работающий с макси мальным приближением к условиям промышленного агрега та, построенный и пущенный в эксплуатацию в лаборатории КПИ. Он состоит из системы разомкнутого пылеприготовления, топочной камеры, газохода (рис. 1-1). Расчет отдельных элементов стенда, а также причина произведенных реконст рукций приведены в [75]. Описание схемы стенда в первом
исполнении было опубликовано в [84].
Разомкнутая схема пылеприготовления состоит из вал ковой дробилки (1), трубы-сушилки (2), циклона для отде-
8
L^T V
. <=
■V |
<N |
у |
|
T* 4 |
/ \ c |
— / |
|
L |
|
hJ |
|
CU 'т*' |
|
|
w B S: Я |
0) ^ w |
CQ |
5 H |
||
1S , |
fSää |
I |
1 1g s i |
1 |
|
*I ^ Ю
3 |
|
|
I I |
СЧ |
r«uH S - , .. . |
||||
|
S . . S 2 S |
| 8 |
||
S i& is f ..ig |
||||
3 |
5 £ |
в |
>LVO 5 |
|
j |
IS R |
Я |
È5 |
2 crt |
S'! § I |
g &g g |
|||
i ft я |
|
n |
и >> |
|
I |
ca p |
|
|
|
;И*к |
-§ёо|2 ^ и ^ |
||||||
|
5 |
|
|
•* и >»а> ß |
|||
I £? s£ s |
s* c |
A |
|||||
|
g 2 4 S p So |
||||||
' I I |
|
« g * « ! |
|||||
3 3 3EC Q_/ |
« A |
|
- |
||||
|
I 4 « Цч,* |
||||||
|
1I * s g ^ |
||||||
|
o |
& è “ g g |
|
Cl |
|||
|
^ |
U |
a s s c |
||||
|
• - *'Н |
г ш^ * |
|||||
|
aS |
3 |
ЯQJM |
||||
|
к со ac |
* Рч |
|
I |
|||
'С |
J |
5 |
<D |
стЗ ( |
|||
■ 3 ^ |
geo и и 1 |
||||||
|
H , . H H ^ ^ |
||||||
|
|
cd >з |
Je ft J |
||||
|
5 S й я m о s |
||||||
|
2 § § £ |
g ’ |
|||||
:о |
c2 S |
5 « |
° |
||||
|
ft® 2°3 g |
||||||
|
ca . |
|
|
ca |
g |
||
|
° |
1 I» * |
|||||
' |
|
2ю § I m |
|||||
®.. |
1-Hя о |
|
I |
||||
|
|
|
S o l |
|
|||
|
|
a ■-ft |
|
|
|||
|
ж о |
g< |
.-со |
||||
|
о Й |
S |
S<M |
||||
|
a g j |
1S |
|
- |
|||
|
2 ca * fr- >>сч |
||||||
|
S ЕС&гч oC4 |
||||||