3.3. Особенности отложения примесей в паровых котлах скд

Особенности отложения примесей по тракту данного котла связаны с изменением характеристик тепло - и масообмена в зоне юольшой теплоемкости (ЗБТ). Мы уже говорили, что в ЗБТ существенно снижаются значения коэффициента диффузии (рис.3.3.1), при этом замедляются все процессы, связанные с диффузией примеси.

Рассмотрим профили скорости, температуры и концентрации примеси по сечению обогреваемой трубы (рис.3.3.2).

О профилях скорости и температуры неоднокатно говорилось в разных учебных курсах. Остановимся более подробно на профиле концентрации примеси. Как правило, примеси, находящиеся в водном теплоносителе, имеют сродство с веществами, входящими в металл труб. За счет ван - дер -ваальсовых сил притяжения, электростатических сил и других, концентрация примеси у поверхности металла существенно больше, чем средняя величина концентрации в потоке С_п (случай "а" на рис.3.3.2). При кристаллизации вещества на поверхности трубы концентрация примеси непосредственно у поверхности трубы снижается (случай "б").

С учетом этих замечаний расссмотрим изменение температуры водного теплоносителя и концентрации примеси по ходу среды в прямоточном котле сверхкритического давления.

На рис.3.3.3.а изображены графики изменения средней энтальпии потока h_п, средней температуры потока t_п и температуры на внутренней поверхности стенки t_ст. В отличие от энтальпии потока, температура потока изменяется по длине трубы нелинейно в зоне, где температура потока близка к температуре максимальной теплоемкости t_мт, скорость роста температуры по длине трубы при этом значительно снижается. В сечении z_ст (см. рис.3.3.3.а) температура стенки достигает значения t_мт и может наступить режим ухудшенного теплообмена, температура стенки при этом резко возрастает. При подходе к сечению z_п, где t_п ≈ t_мт, существенно увеличивается удельный объем водного теплоносителя, что приводит к росту линейной скорости потока и улучшению теплообмена между стенкой трубы и ядром потока. В этой зоне наблюдается снижение температуры стенки трубы.

Растворимость веществ в ЗБТ уменьшается с ростом температуры, а затем растворимость может расти. Характер изменения растворимости вещества в двух сечениях трубы (С_ст⁰, С_п⁰) по длине трубы показан на рис. 3.3.3.б - по температуре стенки С_ст⁰ и температуре потока С_п⁰. Здесь же показано изменение средней концентрации примеси в потоке С_п (при z = 0 С_п = С_вх) и вблизи стенки С_ст (как уже отмечалось, С_ст > С_п).

Величина С_мин⁰ характеризует минимум растворимости по длине трубы. Возможны случаи: 1) С_вх < С_мин⁰; 2) С_вх > С_мин⁰. В первом случае примесь должна была бы пройти через паровой котел транзитом, однако, как уже отмечалось для легкорастворимых веществ, за счет адсорбционных процессов С_ст > С_п и часть примеси все же осаждается на поверхности нагрева. Для продуктов коррозии железа характерен второй случай, который и представлен на рис.3.3.3.б.

В сечении z_нач С_ст ≥ С_ст⁰ и начинается процесс кристаллизации вещества на стенке, масса отложений g увеличивается (рис.3.3.3.в). При увеличиении концентрационного напора (С_ст - С_ст⁰) скорость роста отложений dg/dτ возрастает. При приближении t_ст к температуре максимальной теплоемкости скорость диффузии в поверхностном слое жидкости резко падает, что приводит к торможению собсвенно процесса кристаллизации, величина dg/dτ и g снижается (рис.3.3.3, сечение z_ст). При этом в пристенном слое жидкости создается избыток примеси и может начаться кристаллизация в объеме слоя на имеющихся там частицах примеси.

Когда t_ст > t_мт , кристаллизация на стенке ускоряется и масса отложений растет. Кристаллы из объема пристенного слоя частично осаждаются на наружном (эпитактическом) слое отложений. Достигнув максимума, скорость роста отложений падает. Это снижение величины dg/dτ обусловлено достижением ЗБТ ядра потока (t_п → t_мт), когда масообменные процессы в потоке теплоносителя замедляются (скорость диффузии падает) и уменьшается доставка примеси из ядра в пристенный слой. Второй минимум dg/dτ находится в области сечения z_п (рис.3.3.3). При дальнейшем прогреве ядра потока массобменные процессы улучшаются, величина dg/dτ и g снова растет, достигая третьего максимума. Последующее снижение скорости роста отложений связано с уменьшением концентрации в потоке с_п, на стенке с_ст и концентрационного напора (с_ст - с_ст⁰).

Таким образом, при СКД весь диапазон отложений можно разделить на три участка: z < z_ст (t_ст < t_мт); z_ст < z < z_п (t_ст > t_мт > t_п); z_п < z (t_п > t_мт). В пределах каждого из участков скорость роста отложений достигает максимального значения (dg/dτ)_макс. Зависимость (dg/dτ)_макс от теплового потока, массовой скорости и других параметров на разных участках различна.

На котлах блоков 300 МВт проводились исследования отложений в экранах топочной камеры при гидразинном водном режиме. Определялась общая масса отложений М_общ, г/м², масса наружного М_нар, внутреннего М_вн слоев, а также масса коррозионного подслоя М_корр. На рис. 3.3.4 показано распределение этих величин по ходу среды (от температуры среды t_ср). На этих графиках видны все три диапазона отложений, наибольшее количество отложений выявлено во втором диапазоне. Качественно промышленные данные соответстувуют кривым рис.3.3.3.