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

леза в отложениях с фронта трубы в несколько раз выше, чем с тыла. Повышенное содержание окислов железа в пер­ вичных отложениях, особенно с франта трубы, убедительно объясняется процессами спекания.

Минеральная часть топлива в мелких фракциях выделя­ ется почти в чистом виде [8 ]. При сгорании топлива с ма­ лым коэффициентом избытка воздуха и при высокой темпе­ ратуре, развивающейся в частицах [60, 61, 62], значитель­ ная часть окислов железа переходит в магнетит [63]. Нали­

На чистую трубку пароперегревателя с высокой темпе­ ратурой стенки начинают выпадать наиболее мелкие частицы летучей золы. Среди них в большем или меньшем количест­ ве находятся частицы, состоящие, в основном, из окислов же­

димое для «припекання» частиц магнетита, измеряется де­ сятками минут (см. главу VI). По мере накопления таких •частиц шероховатость трубы увеличивается и создаются ус­ ловия для закрепления как частиц неспекающихся, так и бо­ лее крупных. Поэтому следующие слои отложений образуют­ ся за счет более крупных частиц.

Далее процесс образования прочно связанных с трубой отложений убыстряется вследствие повышения шероховато­ сти трубы и в результате процесса сульфатизации. Большое значение в образовании слоя связанных с трубой отложений имеет уплотнение слоя ввиду бомбардировки его крупными летящими частицами. Уплотненный слой быстрее опекается. Уплотнение также сказывается и на упрочнении за счет сульфатизации [4]. Сотрудники Томского политехническаго института [48] установили, что в первичных1 отложениях «все пустоты между глобулами стекла заполнены кристал­

На основании вышеизложенного легко объясняется эф­ фект, описанный X. X. Арро, А. Я. Махлапуу и А. X. Рейром [59]. По их данным в плотных, связанных с трубой от­ ложениях (с фронтальной стороны) содержание окислов же-

164

леза—более 20%, а с тыльной стороны — 6 —7%. В то же вре­ мя щелочей с фронтальной стороны было менее 1 1 %, а с - тыльной стороны — более 35%. Этому можно дать следующее.; объяснение.

Частицы магнетита, обладая значительным удельным весом, выделяются, в основном, на фронтальной стороне трубы и закрепляются на оксидной пленке в результате спе­ кания. С тыльной стороны трубы формирование первичного' слоя происходит из более легких частиц, обогащенных ще­ лочными соединениями. Значительно большее содержание щелочных соединений в отложениях с тыльной стороны тру­ бы, ,по сравнению с их содержанием в «тонкой» летучей зо­ ле, приведенное теми же авторами [59], объясняется, по-ви- димо.му, разной «тонкостью» летучей золы и размерами ча­ стиц, образовавших отложения с тыльной стороны трубы. Авторы не приводят фракционного состава «тонкой» летучей золы. Однаіко трудно предположить, что эта летучая зола сос­ тояла из частиц менее одного микрона. А именно из таких частиц формируется слой с тыльной стороны трубы. В то же время даже незначительное уменьшение среднего диаметра аэрозоли резко увеличивает ее удельную поверхность. Поэто­ му при конденсации паров щелочей львиная доля их придется на наиболее мелкие фракции. Эти самые мелкие фракции и принесли повышенное количество щелочей в тыльные отложе­ ния.

Роль оксидной пленки на поверхности труб в образовании прочной связи с отложениями так же велика. Эксплуатация котлоагрегатов на каноко-ачинских углях показала, что на трубах из нержавеющей стали несдуваемые отложения об­ разуются значительно медленнее, чем на трубах из углеро­ дистой стали. При исследованиях спекаемости магнетита об­ разования прочной связи между порошком магнетита и фор­ мой из нержавеющей стали не наступало. Следовательно, одним из условий появления прочно связанных с трубой отт ложений является наличие оксидной пленки на поверхности трубы. Частицы гематита, содержащиеся в летучей золе, мо­ гут оказать влияние на образование прочно связанных' с ок­ сидной пленкой трубы отложений только при возникновении восстановительной среды. Последнее возможно в случае ра­ боты агрегата с малым избытком воздуха, при неудовлетвог рителы-юм смесеобразовании, при попадании недогоревшихчастиц на поверхность нагрева. Догорание их на поверхно­ сти трубы приведет к появлению микрозоны с восстанови­

1 6 5

тельной средой. Частицы гематита, попавшие в эту зону, мо­ гут восстановиться до магнетита. Процесс восстановления •окислов резко увеличивает подвижность молекул, что значи­ тельно интенсифицирует процесс спекания [6 ]. При после­ дующем изменении коэффициента избытка воздуха и темпе­ ратуры возможен обратный процесс с образованием гема­ тита.

Сульфатно-сульфидная эвтектика (C'aS-CaSO,}) имеет температуру плавления, близкую к 850° С. Наличие сульфи­ дов на «потухших» частицах с точки зрения образования прочно связанных с трубой отложений, по-видимому, не опас­ но, .поскольку образование прочного подслоя начинается при

сульфидов на частицах недожога, продолжающих гореть при входе в конвективный пучок. В этом случае на частицах ле­ тучей золы в момент их контакта с поверхностью нагрева мо- :жет иметься пленка сульфатно-сульфидной эвтектики, кото­ рая будет способствовать закреплению этих частиц на по­ верхности. Следовательно, нарушение режима работы котла, ■сопровождающееся появлением потерь q3 и q4, может при­ вести к интенсификации процесса образования прочно свя­ занных с трубой отложений не только за счет активизации

частиц летучей золы обуславливается, в основном, конденса­ цией паров щелочных соединений при высокотемпературном сжигании топлива [27]. Температура плавления сульфатов щелочных металлов составляет 880° С. Наличие на поверх­

может снизить температуру плавления жидкой фазы до

.550—650° С. Поэтому при «холодной» поверхности и темпе­ ратуре в месте контакта падающей частицы и поверхности нагрева ниже 500° С закрепления таких частиц за счет сил

.адгезии не произойдет.

Частицы недожога, продолжающие гореть в пределах га­

166

зохода, могут иметь сравнительно высокую температуру, и в момент удара их о поверхность нагрева в месте контакта может возникнуть температура выше 500° С. Однако эти ча­ стицы на своей поверхности пленки щелочей не имеют: вы­ падению десублимата щелочей на них препятствует интен­ сивный газообмен у поверхности горящих частиц.

Непосредственной конденсации паров щелочных соедине­

конденсируются на частицах'летучей золы еще в пределах топки, когда продукты сгорания в процессе охлаждения про­ ходят температуру конденсации этих паров. На основании вышеизложенного можно считать, что в образовании первич­ ных, прочно связанных с трубой отложений при температуре

и высокой температуре газов в работе пучка труб возникают условия для образования прочного слоя отложений непо­ средственно с металлической поверхности труб. Для этого в месте контакта частиц летучей золы и стенки должна воз­ никать температура выше 600° С. В этом случае высокие ад­ гезионные свойства обуславливаются соединениями щелоч­ ных металлов и железа (см. выше), наличие которых к ча­ стицах летучей золы подтверждается химическими и рентге­ нографическими анализами.

■ Повышенную концентрацию на своей поверхности щелоч­ ных соединений имеют частицы оцень мелкие (менее 1 ми­ крона). Первый подслой начинает формироваться из наибо­ лее танкой фракции (0 — 1 микрон), обладающей повышен­ ной склонностью к спеканию. Быстрому уплотнению и росту подслоя с фронта трубы способствует бомбардировка более крупными частицами, не несущими на своей поверхности «липкой» пленки и поэтому не задерживающимися в слое. Затем вследствие повышения шероховатости поверхности создаются условия для закрепления более крупных частиц. Постепенное увеличение размера фракций, закрепляющихся в слое, снижает прочность связи, так как количество «лип­ кого» десублимата на поверхности частиц уменьшается и, когда-слой начинает формироваться с участием частиц раз­ мером от 1 ,0 до 1 0 ,0 микрон, значительно обедненных по по­ верхности конденсатом щелочных соединений и обогащенных содержанием горючих, отложения становятся рыхлыми. Это

167

и приводит в соответствующих условиях к образованию на прочном подслое рыхлого надслоя.

Следовательно, в формировании первичного слоя отложе­ ний при «высокой» температуре поверхности нагрева (обес­ печивающей в месте контакта с частицей летучей золы тем­ пературу выше 600° С) принимают активное участие соеди­ нения щелочных металлов. Высокотемпературная обработка

рис.-2-ѴІІ), а количество свободной окиси кальция уменьша­ ется. Это и приводит к снижению активности золы и умень­ шению скорости упрочнения отложений.

§ 5. Механизм образования вторичных (гребневидных) отложений

Формирование первичного слоя отложений завершается тогда, когда на наружной поверхности слоя загрязнений воз­ никает температура, при которой все частицы летучей золы приобретают «липкие» свойства. Назовем эту температуру «критической». Для углей некоторых месторождений эта температура может оказаться близкой к температуре нача­ ла размягчения золы (ti). Для топлив, в золе которых со­ держатся вещества, обеспечивающие появление легкоплав­ ких эвтектик или других соединений, содержащихся в подав­ ляющем большинстве частиц летучей золы, критическая тем­ пература может оказаться ниже температуры ti, то есть формирование вторичных, гребневидных отложений происхо­ дит тогда, когда частицы летучей золы начинают закреп­ ляться на поверхности за счет сил адгезии. Эти силы доста­

времени и прямо пропорционален количеству загрязнений,

.проходящих через единицу сечения газохода в единицу вре­ мени. Вторичные отложения начинают расти с фронтальной стороны трубы в том месте, где отложения имеют наиболь­ шую толщину и где раньше всего возникает критическая тем­ пература. Поскольку гребневидные отложения образуются в основном за счет частиц, выпадающих под действием сил

168

инерции, они растут на фронтальной стороне трубы, несмот­ ря1 на то, что при некоторых условиях толщина первичного слоя отложений с тыльной стороны больше, чем с фронталь­ ной (см. главу V).

Уточним условия, необходимые для возникновения на поверхности натрубных отложений критической температу­

потока зависит толщина «стабилизированного» слоя отло­ жений, т. е. предельная толщина первичного слоя для дан­ ной скорости газа. Эта толщина уменьшается с увеличением скорости газового потока (рис. 3-Ѵ). Если толщина «ста­ билизированного» слоя отложений не обеспечивает термиче­ ского сопротивления, достаточнаго для возникновения на поверхности загрязнения критической температуры, то греб­ невидные отложения не возникают. Следовательно, скорость является одним из определяющих факторов в образовании вторичных отложений.

Химический состав золы исходного топлива, температур­ ный уровень топочной камеры, селективное осаждение шлака в топке — все это отражается на теплопроводности летучей золы. При большой теплопроводности слоя отложений их толщина может оказаться недостаточной для обеспечения необходимого термического сопротивления слоя и образова­ ние вторичных отложений также может не наступить. Следо­ вательно, вторым определяющим фактором в образовании вторичных отложений является коэффициент теплопровод­ ности слоя первичных отложений. И, наконец, температура стенки трубы и температура газового потока оказывают пря­ мое влияние на температуру слоя отложений и являются оп­ ределяющими факторами в образовании вторичных отложе­ ний. Об этом говорят и исследования Э. П. Дика и Р. А. Сихоры [190].

Пусть температура стенки трубы — W , ’поверхности слоя загрязнений — t", газового потока — t (рис. 7-ѴІІІ). Толщина слоя отложений—-б, их теплопроводность — К. Температуру на наружной поверхности загрязнений можно выразить фор­ мулой:

t" = “§ - • (1-VIIl)

169

5 -

s*. »V

и

і ЧjГ V ’•’*

где Q — количество тепла, передаваемого в единицу времени; Н — поверхность трубы.

После завершения формирования первичного слоя отло­

Проверим, как влияет изменение температуры стенки тру­ бы (tCT/) на завершение формирования первичного слоя от­ ложений. При любой температуре стенки трубы вторичные отложения образуются только при возникновении на их по­ верхности критической температуры. Поэтому будем считать tK" = const.

При постоянной температуре на поверхности загрязнения и тепловой поток, проходящий через слой загрязнения в сформированном первичном слое, постоянен. Следовательно, при изменении температуры стенки трубы от ti' до t2' изме­

170

Значит, при изменении температуры стенки трубы до t2' толщина сформированного слоя первичных отложений из­ менится до величины:

Коэффициент загрязнения (е) можно приблизительно вы­ разить:

стенки трубы на толщину сформированного слоя первичных отложений, а следовательно, и на «критическую» величину коэффициента загрязнения, при которой начинается рост гребней.

При температуре стенки трубы ti'=500° С и температуре

В расчетах зададимся несколькими значениями коэффи­ циента теплопроводности (X), несколькими значениями тем­ пературы стенки (t') и подсчитаем толщину сформирован­

ного слоя первичных отложений 6, а также коэффициент за- 8

грязнения, соответствующий этой толщине: Е=_у •

Результаты расчетов сведены в табл. 7-ѴІІІ. Графически эти результаты представлены на рис. 8-ѴІІІ.

Анализ показывает, что для возникновения вторичных гребневидных отложений необходимо, чтобы первичный слой обеспечивал определенную величину коэффициента загряз-

171

оо