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

ва, увеличивается с уменьшением толщины ламинарного слоя и уменьшением 'вязкости газов в этом слое. Количество круп­ ных частиц, достигающих поверхности, зависит от скорости газового потока и диаметра трубы [5].

Скорость упрочнения связи осевших частиц зависит не только от температуры в месте контакта, но и от «плотности укладки» частиц в слое.

В исследованиях И. Микка содержание СаО в фронталь­

ложений от скорости потока. И. П. Эпик [4], используя при обобщении материалов работу И. Микка, вводит понятие о первой и второй критической скорости движения потока газов. Под первой критической скоростью подразумевается скорость, превышение которой сопровождается сбиванием крупными частицами летучей золы всех «химически неактив­ ных» частиц. В слое остаются только частицы, способные к окреплению. По его мнению, это и приводит к образованию плотных отложений. Отсутствие плотных отложений с тыла трубы объясняется наличием в слое «химически неактивных» частиц, препятствующих спеканию.

Повышение содержания СаО еще само по себе не способ­ ствует образованию плотных отложений с тыльной стороны трубы. Эстонские исследователи своими экспериментами убе­ дительно доказали, что при свободной засыпке пробы сульфатизация не приводит к заметному упрочнению слоя в то время, как прессованный образец из золы такого же химиче­ ского состава при еульфатизации упрочняется [4]. Скорость спекания частиц в значительной степени зависит от плот­ ности слоя [6 .] Мы считаем, что для образования проч­ носвязанных отложений недостаточно наличия СаО своб. Необходим еще плотный контакт между частицами, а также соответствующая температура в месте контакта. Скорость спекания зависит как от температуры, так и от плотности кон­ такта [6 ].

Таким образом, температура возникновения плотного отложения ( t B 0 3 H . ) , о которой говорит И. Микк [3], уменьша­ ется с увеличением скорости газов, по-видимому, вследствие того, что происходит более интенсивное «утрамбовывание» слоя отложений с фронта трубы. Это облегчает процесс

72

скрепления частиц при их сульфатизации и спекании, вслед­ ствие чего образование плотных отложений может происхо­ дить при более низкой температуре.

Утверждение Н. Г. Залогина [9], что частицы менее 30 ми­ крон в основном являются материалом для образования от­ ложений, правомерно в том случае, если иметь в виду отло­ жения вообще, без подразделения их на первичные и вто­ ричные.

Если раньше считалось маловероятным осаждение на поверхностях нагрева частиц размером в доли микрона или в несколько микрон [4], то экспериментальные работы, вы­

С учетом результатов этих исследований считаем воз­ можным классифицировать фракции летучей золы (при ско­ ростях, обычных для газоходов котла) следующим образом:

1 ) фракция в доли микрона либо в несколько микрон — идет на формирование первичного слоя отложений;

2) фракция от несколько микрон до 20—30 микрон — вы­ зывает уплотнение фронтальных отложений, но не способна закрепиться в первичном слое отложений. Эта фракция об­ ладает слабой эррозионной способностью;

3) фракция размером частиц более 20—30 микрон — вы­

слоя отложений, когда начнут действовать силы адгезии, способные удержать на поверхности крупные частицы лету­ чей золы.

Неравномерность распределения отложений по периметру трубы определяется, по-ввдимому, теми же факторами.

Характер распределения отложений по периметру трубы обусловливается наличием либо отсутствием ламинарного пограничного слоя [4]. Отсутствие ламинарного погранично­ го слоя с фронта іи тыла трубы облегчает попадание мелких частиц летучей золы на ее поверхность. По-видимому, это только частично объясняет рассматриваемый процесс. Как уже отмечалось выше, образование слоя зависит как от ко­ личества мелких частиц, попадающих на поверхность и спо­ собных закрепиться на ней, так и от числа частиц крупных, достигающих поверхности и способных сбивать уже осевшие мелкие частицы. При прочих равных условиях способность

73

крупных частиц сбивать осевшие частицы зависит не только от их кинетической энергии, но и от угла удара. При ударе частицы перпендикулярно поверхности «изнашивающая» спо­ собность ее приближается к нулю [7]. С уменьшением угла атаки «изнашивающая» способность частиц возрастает. При малых углах удара появляется существенная разница между процессами износа поверхности и процессом сбивания осев­ ших частиц. Если для процесса износа необходима сила, «прижимающая» частицу к поверхности, то для сбивания осевших частиц такой силы не требуется. Максимальное ко­ личество сбиваемых частиц наблюдается на участке, где крупные частицы движутся параллельно поверхности. Этим, на наш взгляд, и объясняется почти полное отсутствие от­ ложений на продольно обтекаемых трубах, а также на бо­ ковых сторонах поперечно обтекаемых труб. Утолщение слоя отложений к центру лобовой части трубы вызывается увели­ чением угла «атаки» до 90°, а также аэродинамикой газово­ го потока в поперечно обтекаемом пучке труб. Последнее оп­ ределяет и конфигурацию отложения с тыльной стороны трубы.

§ 2. Зависимость удельного количества отложений от скорости газового потока

На образование натрубных отложений оказывает влия­ ние большое количество различных факторов. Чтобы исклю­ чить возможность увеличения скорости образования отложе­ ний за счет закрепления частиц в слое ввиду протекания процессов сульфатизации и спекания, отложения отбирались

и температурного градиента в нем, устанавливали .неохлаж­ даемые трубки.

Зависимость G уд. от скорости газов построена по дан­ ным, полученным .при температуре в топочной камере 1350, 1550 и 1650° С. Температура газов в районе эксперименталь­ ных трубок 500° С, трубки не .охлаждаются.

Графически зависимость представлена на рис. І-Ѵ. Вы­ сокотемпературная обработка летучей золы в топке умень­ шает ее склонность к образованию отложений при различ­ ных скоростях газов даже при отсутствии влияния процессов спекания и сульфатизации. Данные экспериментов с темпе­ ратурой в топке Тт=1350°С представлены кривой I, а при

74

Gyo г/к г

Рис. 1-V. Зависимость количества удельных отложений от скорости газов при неохлаждаемых трубках и темпе­

шо описываются одной зависимостью. Мы объясняем полу­ ченный эффект уменьшением, с возрастанием температуры, содержания в летучей золе мелких частиц (0 — 1 0 микрон), закрепляющихся в слое, и увеличением количества крупных (более 30 микрон), вызывающих эрозию слоя (см-, табл. 9-1II).

Анализ приведенных данных показал, что удельное коли­ чество отложений уменьшается с увеличением скорости га­ зов. Это особенно резко влияет на удельное загрязнение по­ верхности нагрева в области малых скоростей. Так, с умень­ шением скорости с 3 до 2 м/сек при температуре в топке 1350° С увеличивается G уд. с 2,3 до 3,75 ч/кг, то есть на

38%. При скорости газа более 15 м/сек. G уд. практически зависит от скорости газов очень мало С этой точки зрения увеличение скорости газов для уменьшения первичных от­ ложений в области скоростей более 15 м/сек, по-видимому, нецелесообразно.

75

Особо важно отметить, что повышение температуры сжи­ гания до 1500° С привело к снижению скорости образования отложений даже в области низкой температуры газов, где отсутствовали процессы сульфатизации и спекания отло­ жений.

§3. Совместное влияние скорости газового потока, температуры стенки трубы и температуры газов на образование натрубных отложений

Впредыдущем разделе влияние каждого из факторов рас­ сматривали отдельно. Для этого данные получали при сравнительно низкой температуре газов (^500° С), обеспе­ чивающей отсутствие «липких» частиц; использовали иеохлаждаемые трубки для устранения влияния «теплового дав­ ления» и т. д. В этом разделе рассматривается совместное влияние целого ряда факторов.

Отложения, по количеству которых построены зависимо­ сти (рис. 2-Ѵ), получены при постоянном коэффициенте из­ бытка воздуха (1,05—1,1), влажности пыли (20—22%) и тон­

кости помола (Rioo=20—26%). Температуру газов в рай­ оне установки труб поддерживали порядка 950° С. В этих ус­ ловиях увеличение скорости газового потока также приводит к уменьшению удельного количества отложений. Одиако с

няется тем, что кинетическая энергия летящих частиц умень­ шается довольно резко с уменьшением скорости газового по­ тока (пропорционально квадрату скорости). Соответственно уменьшается и количество частиц, способных сбивать уже осевшие. Поэтому при уменьшении скорости газового пото­

температур газа и стенки и ослабевают силы термофореза. Однако в этом случае благодаря высокой температуре газов

76

Рис. 2-Ѵ. Изменение удельного количества отложений от скорости газов:

удельные отложения при tCT= 350°C; ІІ«а» — удельные отложения по фронтальной стороне этих труб; 11«б» — то . же по тыльной сто­

роне.

ускоряется процесс закрепления осевших частиц летучей зо­ лы при повышении температуры стенки. Влияние этого про­ цесса превалирует над влиянием сил термофореза. Что ка­ сается изменения распределения количества загрязнений между фронтальной и тыльной сторонами трубы, то удель­ ное количество фронтальных (кривые І«я» и ІІ«а») и тыльных

77

отложений (кривые I «б» и II «б»), при низкой и высокой температурах стенки трубы .соответственно уменьшается с увеличением скорости газового потока. При малой скорости газов количество отложений с фронта и тыла трубы вырав­ нивается. Увеличение скорости газового потока уменьшает количество удельных отложений в основном с фронталь­ ной стороны трубы. На тыльные отложения скорость газо­ вого потока влияет значительно слабее.

Эоловые отложения на поверхностях нагрева ухудшают процесс теплообмена. Причем существенное влияние на про­ цесс теплообмена оказывает не только толщина слоя, но и его теплопроводность, которая, в свою очередь, зависит от химического состава отложений, размера и пористости ча­ стиц, плотности их «укладки». Все эти факторы учитываются в коэффициенте загрязнения, уменьшить который мы стре­ мимся. Поэтому в дальнейшем рассматривается влияние раз­ личных факторов на коэффициент загрязнения, определен­ ный по опубликованной ранее методике [ 1 2 ].

Испытания разбиты на две группы [11]. В первой груп­ пе (температура газов не выше 900° С и температура стенки трубы 320° С) вторичные (гребневидные) отложения не воз­ никали. Результаты представлены графически на рис. 3-Ѵ кривыми 1 , 2 и 3; скорость газового потока при этом была ра­ вна 7,11 и 33 м/сек соответственно.

Во второй группе испытаний, проведенных при более вы­ соких температурах стенки и газов, гребневидные отложения образовывались (рис. 4-Ѵ).

Рис. 3-Ѵ. Изменение коэффициента загрязнения по вре­ мени: I — при скорости газов 7 м/сек: II — при скорости газов 11 м/сек: II — при скорости газов 32 м/сек.

78

о.т

температуре стенки 500° С; IV — при тем­ пературе стенки 550° С.

Загрязнение поверхности нагрева в первой группе ха­ рактеризуется тем, что на всем протяжении образования слоя поверхности нагрева достигали в основном гранулирован­ ные частицы, не обладавшие «липкими» свойствами. Внача­ ле термическое сопротивление слоя росло быстро. Затем, ко­ гда образовавшиеся отложения придали трубе обтекаемую форму, условия закрепления частиц на трубе ухудшились, угол удара летящих частиц о поверхность отложений умень­ шился и при той же силе удара количество сбиваемых ча-

79

Стин увеличилось, приближаясь к количеству частиц оседа­ ющих. Коэффициент загрязнения стремился к некоторой ста­ билизированной величине. Чем больше скорость газов, тем быстрее наступал процесс стабилизации отложений, тем мень­ шей была стабилизированная величина слоя загрязнений. Режим, близкий к стабилизированному, наступал при скоро­

грязнения при скорости газов 33 м/сек была на 30—35% меньше, чем при скорости 7 м/сек [11].

Кривая 1 рис. 4-Ѵ характеризует работу без образования вторичных отложений и аналогична кривой II рис. 3-Ѵ (тем­ пература стенки 320° С, температура газов 900° С). Повыше­ ние температуры газов до 960—1000° С и температуры стен­ ки до 470, 500 и 550° С (кривые II, III и IV соответственно) приводит к образованию вторичных отложений. Чем выше температура стеийи трубы, тем раньше начинается образова­ ние вторичных отложений. Так, при температуре стенки 550° С их образование отмечается через 30 минут (кривая IV). Сни­

необходимое для начала образования вторичных отложений (соответственно: 2 часа и 2 часа 50 мин). Это можно объяс­ нить следующим. Интенсивное образование отложений на­ чинается в тот момент, когда температура наружной поверх­ ности загрязнений достигает «критического» значения, при котором частицы, ударяющиеся о поверхность загрязнения, приобретают «липкие» свойства. При уменьшении темпера­ туры стенки требуется большая толщина отложений, чтобы на поверхности слоя загрязнений возникла «критическая» температура. А для образования большего слоя отложений необходимо большее время.

Кривые (рис. 4-Ѵ) соответствуют скорости газов 11 м/сек. При увеличении скорости газов характер кривых II, III и IV остается тем же, только они несколько сдвигаются вправо. Это значит, что с увеличением скорости газового потока уменьшается скорость образования отложений и требуется большее время для создания термического сопротивления, необходимого для возникновения на поверхности загрязне­ ния «критичеакой» температуры. При определенных значе­ ниях скорости газового потока и температуры стенки «ста­ билизированный» слой отложений уже не в состоянии создать

80

термическое сопротивление, необходимое для возникновения на поверхности загрязнения «критической» температуры.

В этом случае образования гребневидных отложений во­ обще не наблюдается.

Это дает возможность рекомендовать в качестве одного из методов борьбы с образованием гребневидных (вторичных) отложений — увеличение скорости обтекания поверхностей нагрева потоком газов в зоне, опасной с точки зрения обра­ зования вторичных отложений. Скорость обтекания должна быть выбрана такой, чтобы «стабилизированный» коэффици­ ент загрязнения оказался меньше «критического».

Вторичные (гребневидные) отложения растут быстро и равномерно с фронта трубы навстречу потоку газов (рис. 4-Ѵ). Темп роста не замедляется со временем. Эти от­ ложения образуются за счет крупных фракций летучей зо­ лы, выделяющихся под действием сил инерции. Количество отложений с тыльной стороны трубы в период образования гребневидных отложений почти не изменяется.

Из вышеизложенного следует:

1. Увеличение температуры газов приводит к умень­ шению удельного количества отложений даже в условиях отсутствия процессов сульфатизации и спекания. При изме­ нении температуры в топке с 1350° С до 1530° С происходит эквидистантное смещение зависимости в область меньших значений GyA.. Дальнейшее повышение температуры на сме­ щение кривой не влияет. Следовательно, процессы, вызываю­ щие уменьшение количества образующихся отложений, за­

сы спекания и сульфатизации, объясняется это изменением фракционного состава летучей золы с повышением темпера­ туры сжигания.

2. Уменьшение удельного количества отложений на по­ верхностях нагрева, вызванное увеличением скорости газов, •происходит в основном за счет фронтальных отложений.

3.Влияние скорости газового потока на процесс образо­ вания отложений уменьшается с повышением температуры стенки.

4.Величина «стабилизированного» слоя отложений (или