4. Методы снижения концентрации примеси в котловой воде и насыщенном паре в барабанных котлах

4.1. Унос влаги паром. Влияние примеси в воде на унос влаги

Дробление жидкости на капли происходит при возмущении зеркала испарения пароводяной струей и при выходе парового пузыря из водяного объема в паровой. В современных барабанах устанавливаются системы гашения кинетической энергии струй воды и пароводяной смеси, поступающих в барабан, и равномерной раздачи потоков по сечению барабана.

В этих условиях определяющим генератором капель воды в паровой объем является разрыв пузырей пара (рис.4.1.1). Всплывающий пузырь пара подвержен воздействию двух сил: внутреннего давления, стремящегося разорвать жидкую пленку вокруг пузыря, и силе поверхностного натяжения этой пленки. В начальный момент выхода пузыря из объема жидкости (рис.4.1.1.в) вода с пленки стекает, пленка утоняется и разрывается (рис.4.1.1.г). Пар, вырываясь через образовавшееся отверстие, разрушает верхнюю часть пленки, превращая ее в мелкие капли воды. Остатки жидкой пленки опускаются вниз, заполняют образовавшуюся после выхода пара лунку в воде. Встреча потоков в центре лунки сопровождается гидравлическим ударом с выбросом крупных капель воды в паровой объем (рис.4.1.1.д).

На каплю воды диаметром d_к в паровом пространстве действуют две силы:

• сила Архимеда, направленная вниз F_A = (πd_k³/6)(ρ' - ρ")g; (1.а)

• сила динамического напора пара, направленная вверх F_д = ξ(πd_k²/4)ρ"w₀"²/2, (1.б)

где ξ - коэффициент сопротивления.

При равенстве этих сил капля воды будет витать в потоке пара. Скорость витания w_вит будет равна w_вит = [(4gd_k/3ξ)(ρ' - ρ")/ρ"]^0.5 (2)

Скорость витания зависит от давления и диаметра капель.

При р = 10 МПа: d_k = 1 мм w_вит = 0.60 м/с

При р = 1 Мпа 0.1 0.25

С увеличением давления скорость витания уменьшается (рис.4.1.2).

Капли диаметром d_к, у которых скорость витания меньше скорости пара w₀", будут уноситься потокам пара. Капли с w_вит > w₀" будут оседать в водяной объем, скорость оседания w_ос равна разности w_ос = w_вит - w₀".

Унос влаги паром характеризуется влажностью пара ω,%, которая определяется как отношение массы водяных капель m_в к массе влажного пара: ω = 100m_в /(m_п + m_в), (3) где m_п - масса паровой фазы.

Таким образом, влажность пара определяется забросом капелек воды в пароотводящие трубы и уносом капелек потоком пара. При малых высотах парового пространства основную роль играет прямой заброс водяных капель, а при больших высотах - унос влаги. Поэтому ω сильно зависит от высоты парового пространства (рис.4.1.3), особенно до высоты 0.8 - 1 м.

Зависимость влажности пара от его скорости сложная и имеет вид ω = C(w₀")ⁿ. (4)

Это связано с распределением капель воды по размерам, по скорости витания (рис.4.1.4.а). При малой скорости пара (условно w₁ (рис.4.1.4.б)) показатель степени n < 2; с увеличением скорости уносятся паром все более крупные капли, показатель степени растет до 4-5; при скорости пара w₀", приближающейся к w_вит^ср (рис.4.1.4), резко возрастает количество и масса унесенных капелек воды, влажность возрастает с показателем степени n > 5-6. В диапазоне скорости пара и влажности пара (0.01-0.1%), в котором работают промышленные агрегаты, расчет влажности можно вести по формуле: ω = C(w₀")^2.76/(H_физ")^2.3. (5)

Коэффициент С зависит от давления, он характеризует физические свойства пара и жидкости (рис.4.1.5). С увеличением давления коэффициент поверхностного натяжения σ снижается, соответственно уменьшается размер капель воды, скорость витания падает, а количество капель - увеличивается. Кроме того, увеличивается несущая способность пара за счет роста его плотности. Поэтому при изменении давления от 10 до 16 МПа коэффициент С и влажность пара ω изменяется в 5 раз. Отсюда вытекает необходимость снижения приведенной скорости пара у зеркала испарения (нагрузку зеркала испарения) при проектировании парового котла на более высокое давления (рис.4.1.6), что вызывает увеличение размеров барабана.

Внутренний диаметр современных барабанов равен 1600-1800 мм. Дальнейшее увеличение его сопряжено с большими технологическими трудностями (требуется мощный пресс и т.д.). Длина барабана определяется не только уносом влаги, но и другими процессами, сооотношением длины барабана и шириной котла по фронту и т.д.

Кривые на рис.4.1.6 аппроксимируются формулами:

при ω = 0.02% допустимая скорость пара w₀" = 1/p, м/с, где р - в Мпа;

при ω = 0.05% допустимая скоростьпара w₀" = 1.6/p, м/с.

По этим данным определяется нагрузка на зеркало испарения R_v^s = D/(ρ"f_б), м³/(м²ч)

или R_m^s = D/f_б, т/(м²ч), и сечение барабана f_б, м².

Второй путь снижения влажности пара - использование сепарационных установок внутри барабана.

Влияние примесей на динамический двухфазный слой и унос влаги определяется наличием в котловой воде (воде барабана и контура циркуляции) поверхностно - активных веществ. Эти вещества концентрируются в жидкой пленке вокруг парового пузыря, увеличивают силы поверхностного натяжения. При низких температурах концентрация некоторых поверхностно - активных веществ в жидкой пленке может быть в десятки и сотни раз выше, чем в объеме воды. При высоких температурах поверхностно - активные вещества (ПАВ) органического происхождения становятся нестабильными и их влияние на σ снижается.

При температуре 300 - 360^оС, соответствующей мощным паровым котлам на давление свыше 9 Мпа, основную роль в образовании адсорбционных структур в жидкой пленке играют термически стойкие неорганические вещества - продукты коррозии конструкционных материалов, в первую очередь, оксиды железа. Коллоидно-дисперсные частицы гидратов оксидов железа имеют вытянутую форму и при коагуляции образуют пространственную структуру. При низкой конценрации электролитов эти структуры не прочные, распадаются под влиянием других примесей и турбулизации потока. В этом случае величина поверхностного натяжения изменяется незначительно, процессы барботажа пара и уноса его практически не претерпевают изменений. При концентрации электролитов выше критической С_кр происходит упрочнение структуры, в жидкой пленке (поверхностном слое) частицы гидратированных оксидов железа образуют упорядоченную структуру в виде сетки, обладающую вязкостью и прочностью, поверхностное натяжение резко возрастает.

Упрочнение жидкой пленки, повышение σ приводит к тому, что при выходе из погруженного дырчатого листа образуются мелкие пузыра пара, количество их возрастает. Мелкие пузыри пара всплывают медленнее. Все это приводит к изменению (увеличению) паросодержания φ_барб на стабилизированном участке двухфазного слоя (рис.4.1.7). При низких концентрациях электролитов в котловой воде С_кв, мг/кг, φ_барб не изменяется по сравнению с "чистой" водой; при С_кв выше критического значения С_кр начинается набухание двухфазного слоя - φ_барб увеличивается. При дальнейшем повышении концентрации примеси в котловой воде значения φ_барб стабилизируются на новом, более высоком значении.

Разрушение жидкой пленки вокруг парового пузыря из-за повышения σ происходит при меньшей толщине ее. Замедленное разрушение пузырей приводит к их скоплению в переходной зоне двухфазного слоя, в верхней части этой зоны образуется высокодисперсная пароводяная эмульсия (пена), состоящая из паровых пузырей, окруженных тонкой пленкой воды. Доля пара в ней превышает 90-95%. Такое явление называют вспениванием уровня.

На рис.4.1.8 показано увеличение действительного уровня двухфазного слоя в зависимости от С_кв и w₀". Из рисунка видно, что увеличение уровня достигает 200-300 мм.

С увеличением давления С_кр снижается, т.е. процессы набухания и вспенивания начинаются при более низких концентрациях; следовательно, для их предотвращения требуется более чистая вода.

При разрыве более мелких паровых пузырей с тонкой жидкой пленкой образуется большое количество мелких капель воды. Дисперсный состав (распределение по размерам) капель воды смещается в сторону увеличения доли мелких капель за счет снижения доли крупных.

Оба процесса, имеющие место при высокой концентрации примеси (С_кв > С_кр) - уменьшение высоты парового пространства и увеличение доли мелких капель воды - приводят к резкому возрастанию уноса влаги паром. На рис.4.1.9.а показана зависимость влажности пара от концентрации примеси в воде. Видно, что при С_кв > С_кр влажность сильно возрастает. На этом же рис.4.1.9.б приведен график изменения концентрации примеси в насыщенном паре С_п^ун, поступающие в него с уносимой влагой (ω в %);

С_п^ун = 0.01С_кв ω.

При ω = const С_п^ун пропорциональна С_кв, а при С_кв > С_кр зависит и от ω. Из графиков рис.4.1.9 можно определить по предельно допустимой концентрации (С_п^ун)_пр допустимые значения (С_кв)_пр и (ω)_пр.

Поддерживать значение ω ≤ ω_пр можно за счет ограничения нагрузки на зеркало испарения (R_v^s или R_m^s). На рис.4.1.10 показано, что при С_кв < С_кр нагрузку на зеркало испарения можно поддерживать на высоком уровне, при этом ω = ω_пр.

При С > С_кв для выдерживания условия ω = ω_пр нагрузку приходится снижать; при (С_кв)_пр получаем значение (R_m^s)_пр , обеспечивающим предельно допустимый режим по (С_п^ун)_пр. Кривая на рис.4.1.10 разделяет плоскость R_m^s - С_кв на две части, в которых ω меньше или больше ω_пр. Влажность пара, уходящего из барабана, можно уменьшить по сравнению с уносом влаги путем организации сепарационных устройств.