книги из ГПНТБ / Деринг И.С. Поведение минеральной части твердого топлива в парогенераторах пособие по курсу Парогенераторы

(угли назаровские), в котором на поверхности неохлаждаемых трубок прекращается образование прочного подслоя. Этот интервал температур можно считать либо зоной за­ твердевания липкой пленки эвтектики (для углей, у которых спекание летучей золы определяется наличием этих соеди­ нений), либо зоной прекращения процессов кристаллизации

чав формироваться при соответствующей температуре, проч­ но связанный с трубой слой отложений продолжал бы расти (аналогично вторичным отложениям) с постоянной скоро­ стью. Однако этого не наблюдается. В определенный момент времени прочный подслой начинает покрываться рыхлым, несвязанным надслоѳм. Исследование химического состава отдельных фракций летучей золы (см. главу III) показало, что в частицах размером от 0 до 1 микрона, за счет которых в основном формируется прочный подслой, количество ще­ лочных соединений в несколько раз больше, чем в золе ис­ ходного топлива. В то же время на поверхность частиц раз­ мером от 1 до 10 микрон десублимат почти не выпадает (ом. та'бл. 4-Ш).

С другой стороны самая мелкая фракция летучей золы содержит меньше всего кристаллической фазы. Пока на го­ рячую поверхность нагрева оседают наиболее мелкие фрак­ ции летучей золы, происходит быстрое упрочнение подслоя' за счет «липкой» пленки эвтектики и за счет протекания про­ цессов кристаллизации.

Со временем слой начинает формироваться из более крупных частиц (размером в неоколько микрон), " поверх­ ность которых обеднена легкоплавкими соединениями. Кро-' ме того', более крупные частицы содержат значительно боль­ ше кристаллической фазы и процессы кристаллизации в слое отложений протекают более вяло. И то и другое приводит к образованию рыхлого надслоя. Исследование спекаёмости различных фракций (глава VI) подтвердило смещение на­ чала спекания в область более высоких температур с уве­ личением размера фракций.

Поскольку в летучей золе содержатся сульфаты Калия;

153

натрия и окислы железа, вполне вероятно, что повышенные адгезионные свойства частиц обусловлены наличием трех­ компонентной эвтектики Na2S0 4 -K2S0 4 -FeS, которая имеет температуру плавления, близкую к 554°С. ’

Адгезионные свойства частиц летучей золы в интервале температур 540—650°С могут обуславливаться образовани­ ем сульфатов натрия — железа и калия — железа. Нали­ чие названных соединений в большем либо меньшем коли­ честве подтверждается результатами рентгеноструктурных анализов.

«Линкую» пленку на поверхности частиц могут дать при температуре выше 320—400° С соответственно гидроокиси натрия и калия. Эти соединения возникают в газоходах котла только как промежуточные. Они настолько нестойки, что зафиксировать их наличие в летучей, золе не удается. Поэтому говорить о их роли в образовании прочносвязан­ ных отложений достаточных оснований нет.

С изменением температурных условий изменяется и хи­ мический состав отложений. Селективное осаждение отдель­ ных химических соединений может повлиять и на процесс образования отложений.

Из рис. 2-ѴІІ видно, что количество ЭіОг в отложениях не зависит от температуры стенки и на 1—1,5% ниже, чем ее со­ держание в летучей золе.

При температуре стенки 650°С и температуре газов бо­ лее 1000° С адгезионные свойства приобретают частицы боль­ шего размера, обедненные окислами кальция (ом. табл. 6 -ІІ). С этого момента они начинают закрепляться на поверхности.

Мелких частиц, формировавших ранее .слой отложений, почти не уменьшается. Однако количество более крупных частиц, выпадающих на поверхности под действием сил инер­ ции, значительно превышает количество мелких частиц, до­ стигающих поверхности нагрева. «Разбавление» отложений более крупными частицами, содержащими значительно мень­ шее количество СаО, понижает содержание в них окиси кальция, SO3 и окислов щелочных металлов. Одновременно уменьшается степень сульфатизации (Квоз)- Уменьшение степени сульфатизации отложений сопровождалось увеличе­ нием их прочности. Следовательно, в этом случае процессы сульфатизации не являлись доминирующими в упрочнении слоя отложений.

Изменение химического состава натрубных отложений в различных температурных зонах по ходу газов показывает

154

155

отсутствие области выпадения десублимата какого-либо сое­ динения в интервале температур .газов от 400 до 1100° С. Из рис. 6-ѴІІІ видно, что в основном в натрубных отложениях по ходу газов изменяется содержание окиси кремния и окиси кальция. Частицы, обогащенные окисью кремния, как более тяжелые, сепарируются, выпадая из потока газов в газоходах. Это приводит к обеднению ими летучей золы, а следовательно, и отложений на хвостовых поверхностях нагрева. Окись каль­ ция, входящая в состав более легких частиц, остается в по­ токе газов и принимает участие в формировании натрубных отложений в хвостовых поверхностях нагрева, в связи с чем содержание ее в отложениях увеличивается по ходу газов. Количество щелочных соединений почти не изменяется.

Если бы в газоходе котла происходила конденсация па­ ров щелочных соединений, то имелась бы зона с повышен­ ным содержанием этих соединений, а прочно связанный с трубой подслой образовался бы по всему периметру трубы и, в первую очередь,-на наиболее холодных поверхностях, че­ го не' наблюдается. Следовательно, конденсат паров щелоч­ ных соединений в газоходах котла непосредственно на по­ верхности нагрева не выпадает.

Следует отметить, что при температуре сжигания ниже 1300° С заметного переноса соединений щелочных металлов за счет процессов сублимации не произойдет. Последнее уменьшит опасность спекания отложений из-за наличия на поверхности частиц пленки легкоплавкой эвтектики на ос­ нове щелочных соединений. Кроме того, при .низкотемпера­ турном сжигании в летучей золе будет содержаться значи­ тельно больше кристаллической^ фазы, чём при высокотем­ пературном, что значительно уменьшит возможность спека­ ния на основе протекания процессов кристаллизации в слое отложений.

В проводившихся на огневом стенде исследованиях были отобраны по отдельным слоям фронтальные отложения, и про­ изведен их химический анализ [256]. Основные результаты этих анализов приведены в табл. 8-ѴІІІ. Отложения отбирали с зондов, имеющих температуру стенки 620—650° С, при тем­ пературе в топке 1480° С и сжигании назаровского угля.

Рыхлый надслой, расположенный между прочным подсло­ ем и гребневидными отложениями, оказался близким по хи­ мическому составу к летучей золе (имеет несколько повы­ шенное содержание СаО).

157

трудностями. При отборе в пробу неизбежно попадала часть оксидной пленки. Это завышало содержание Fe20 3 в пробах. Поэтому прочный подслой снимали в два приема. Вначале счищали часть прочного подслоя до такой глубины, которая гарантировала непопадание окислов металла со стенки. Во второй прием счищали последние прочные отложения вместе- с частью оксидной .пленки. Затем содержание всех элементов, в нижней части прочного подслоя пересчитывали на содер­ жание Fe20 3, близкое к летучей золе (21%).

Анализы показали, что прилегающий к металлу прочный слой отложений сильно обогащен соединениями щелочных металлов (в сумме Na20 + K 20 более 5,5%), неоколько обо­ гащен содержанием СаО и обеднен Si02. Полученное содер­ жание Na20 + K 2 0 несколько выше, чем в рыхлых натрубных отложениях, образующихся за короткий отрезок времени при

тучей золы не все частицы одинаково обогащены соединения­ ми щелочных металлов. При высокой температуре стенки ча­ стицы летучей золы, обогащенные щелочными -соединениями, в момент контакта с поверхностью сохраняют адгезионные свойства. Происходит селективное закрепление в слое ча­ стиц, обогащенных щелочами.

Если бы в газоходе стенда возникала конденсация паров щелочных соединений, они выпадали бы в первую очередь на «холодные» зонды. Исследования показали обратное. На основании этих исследований мы считаем, что в условияхэкспериментов, проводившихся на стенде, конденсации за­ метного количества паров соединений щелочных металлов в- конвективных газоходах не происходило.

§ 3. Влияние режима работы на фракционный состав летучей золы и натрубных отложений

Фракционный состав летучей золы оказывает большоевлияние на формирование натрубных отложений. Если мел­ кие фракции легко закрепляются на поверхности труб, то грубые вызывают эрозию уже образовавшегося слоя [14, 15, 85]. Изменение режима работы агрегата может изменитьсоотношение содержания различных фракций в летучей зо­ ле и скорость образования отложений. Таким образом, без-.

158

выяснения влияния различных факторов на фракционный со­ став летучей золы невозможно дать достаточно обоснован­ ное объяснение воздействию этих факторов на скорость об­ разования натрубных отложений. Влияние качественного и количественного состава летучей золы на степень загрязне­ ния поверхностей нагрева рассмотрены в ряде работ совет­ ских и зарубежных ученых [86, 87, 88, 91]. Однако эти вопросы изучены далеко не полно, а исследования фракци­ онного состава летучей золы при сжигании канско-ачинских углей не проводилось. Изменение режима работы топки вли­ яет не только на химический и минералогический, но также и на дисперсный состав и концентрацию летучей золы. Оце­ ним влияние некоторых факторов на фракционный состав уноса. Наиболее важным и интересным, на наш взгляд, яв­ ляется изучение влияния температуры сжигания Тт на фрак­ ционный состав летучей золы.

В табл. 3-ѴІІІ представлена зависимость фракционного состава летучей золы назаровскош угля от температуры сжи­ гания [26]. Аналогичные данные по березовскому углю при­ ведены в табл. 1-Ш. Из таблицы видно, что с повышением температуры сжигания количество частиц в 15 микрон и вы­ ше увеличивается.

зования отложений с повышением температуры сжигания. О распределении частиц внутри фракций 0—5 микрон в

литературе приведены различные данные. Р. С. Прасолов [88] утверждает, что наибольшее количество частиц имеет размер порядка 0,2—0,5 микрон. По данным других авторов [90], максимальное количество частиц приходится на фрак­ цию 0,1—0,2 микрона. По-вид.имому, это зависит от способа сжигания, конструкции топки, температуры в топочной ка­ мере, химического и минералогического составов топлива и других факторов.

В наших исследованиях внутри фракции 0—5 микрон зна­

159

казали, что с повышением температуры сжигания увеличи­ вается средний размер частиц [261].

Изменение фракционного состава натрубных отложений по времени исследовано нами на назаровокам угле при тем-' пературе сжигания 1550° С. Результаты исследования пред­ ставлены в табл. 5-ѴІІІ, а распределение частиц внутри фракции 0—5 .микрон в соотношениях за 0,75 часа даны в табл. 6-ѴІІІ.

Известно, что первый слой отложений формируется за счет самых тонких фракций. Данные, приведенные в табл. 5-ѴІІІ, дают возможность утверждать, что изменение фракционного состава отложений происходит плавно и по­ стоянно. По мере накопления слоя отложений в его форми­ ровании принимают участие все более крупные частицы. Это связано, по-видимому, с одной стороны, с повышением шеро­ ховатости поверхности при закреплении на ней частиц ле­ тучей золы, а с другой — с «гашением» энергии удара частиц о поверхность слоя отложений. При достаточно толстом слое отложений частица погружается .в него, не отскакивая от поверхности под действием сил упругости.

Наши исследования также подтвердили, что первичный слой отложений формируется в основном из частиц разме­ ром менее 1 микрона (табл. 6-ѴІІІ).

Исследования фракционного состава отложений с фрон­ тальной и тыльной сторон трубы еще раз подтвердили, что отложения с тыльной стороны формируются за счет более мелких фракций, чем фронтальные [257],—табл. 5-ѴІІІ. Ис­ следования проводились при температуре поверхности нагре­

160

шение температуры стенки вызывает угрубление отложений. Однако к 'полученным данным следует подходить с большой осторожностью, поскольку повышение температуры стенки при высокой температуре газового потока может так уси­ лить спекание и слипание осевших частиц, что даже приме­ нение ультразвука для дисперсирования пробы не в состоя­ нии обеспечить полное разделение частиц. Это внесет соот­ ветствующее искажение в результаты исследования.

§ 4. Механизм образования первичных, прочно связанных с трубой отложений

Анализ процесса образования прочно связанных с трубой отложений начнем с рассмотрения осаждения золы на чи­ стую и сравнительно «холодную» поверхность нагрева. Ча­ стицы летучей золы, движущиеся с потоком газов, достига­ ют этой поверхности вследствие сил инерции, электростати­ ческих сил, оил термофореза и др., как правило, в гранули­ рованном виде (ом. гл. II). Закрепиться на гладкой и чи­ стой поверхности могут только наиболее мелкие частицы {размером в доли микрона), которые удерживаются в ос­ новном силами межімолекулярного притяжения [127, 128]. Согласно расчетным данным К. Шеффа [121] за счет этих сил на поверхности нагрева могут удерживаться только ча­ стицы размером не более 3 микрон. Экспериментальные ис­ следования, проведенные сотрудниками Таллинского поли­ технического института [252], показали, что при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна первоначальный слой отло­ жений образуется из частиц размером 0,3—0,5 микрон.

Более крупные частицы, у которых сила веса ичсила инер­ ции превышают силу межімолекулярного притяжения, на по­ верхности не закрепляются. Обладая достаточной кинетиче­ ской энергией, они сбивают и часть осевших частиц. Одних сил межмолекулярного притяжения недостаточно для удер-