Методы повышения коррозионной стойкости воздухоподогревателей

Из всех методов защиты низкотемператур­ных поверхностей нагрева наиболее эффек­тивными являются повышение рабочей темпе­ратуры металла выше tT. v, организация рабо­ты воздухоподогревателя в малокоррозион­ной области кривой /С=/(4т) (см. рис. 16.9) и сжигание топлива при минимальных избыт­ках воздуха.

Общепринятым методом защиты от низко­температурной газовой коррозии является по­вышение температуры металла выше точки росы Лг. р. Конденсация водяных паров особен­но вероятна при пуске и малой нагрузке, т. е. при низкой температуре продуктов сгорания.

Однако эти режимы составляют сравнительно небольшую долю общей длительности работы котла. К тому же при низкой нагрузке кор­розионный процесс существенно ослабевает.

Из формулы для определения местной температуры рабочей поверхности воздухопо­догревателя

(*ст)і= (tB)i+ (q/a2)i

Следует, что при данных условиях обогрева температура стенки в наиболее холодном ме­сте на входе воздуха в воздухоподогреватель зависит от входной температуры воздуха tB и коэффициента теплоотдачи от стенки к воз­духу а,2. Следовательно, для повышения тем­пературы стенки необходимо повысить tB и уменьшить СХ2. Однако последнее противоре­чит обшей тенденции создания малогабарит­ных поверхностей нагрева.

Универсальным методом предотвращения газовой коррозии является повышение вход­ной температуры воздуха, что реализуется применением его предварительного парового подогрева.

При любом методе повышения температу­ры воздуха на входе в воздухоподогреватель в качестве дополнительного мероприятия це­лесообразно выделить его холодную часть в отдельную секцию, в которой происходит наибольший коррозионный износ. Ремонт та­кого ТВП упрощается, так как заменяется только выделенная секция. В РВП для увели­чения срока службы и удобства ремонта на­бивку холодного пакета выполняют толщиной 1,0—1,5 мм против 0,5—0,8 мм набивки го­рячего цакета.

На новых газомазутных котлах в началь­ной зоне подогрева воздуха, в которой низко­температурная коррозия особенно велика, вместо стальных устанавливают воздухоподо­греватели из стеклянных трубок диаметром 30—40 мм при толщине стенки около 4 мм. Конструкция стеклянного воздухоподогрева­теля подобна трубчатому с металлическими трубками, но стеклянные трубки располага­ются в коридорном порядке горизонтально: продукты сгорания проходят пучок труб с на­ружным поперечным омыванием, нагреваемый воздух движется внутри труб. Стеклянные трубки на концах закрепляются прижимными стальными плитами в трубных досках на кольцевых прокладках из жаропрочной рези­ны (рис. 19.21). Жесткость воздухоподогрева­теля обеспечивается стальными (приварны­ми) трубками-связями, устанавливаемыми в отдельных местах пучка между стеклянны­ми трубками.

Зона рабочих температур воздухоподогре­вателя: от 10 на входе до 80—85°С на выходе. Предварительный подогрев воздуха до Ю°С

В зимнее время обеспечивается калорифером.

Для борьбы с низкотемпературной серно­кислотной коррозией в последнее время на­чалось внедрение антикоррозионных покры­тий металлической поверхности нагрева и вы­полнение поверхностей нагрева из керамиче­ских материалов.

В качестве антикоррозионного покрытия применяют кислотоупорные и термостойкие эмали. Эмалью покрывают металлическую набивку холодной части РВП. Толщины эма­лированного покрытия и металлического ли­ста примерно одинаковы (0,5—0,6 мм). Эма­лированные поверхности нагрева подвержены низкотемпературной коррозии в значительно меньшей степени, чем металлические (рис. 19.22); золовые отложения на них меньше и удаление их легче.

Чем выше содержание серы в топливе, тем при прочих равных условиях интенсивнее низ­котемпературная газовая коррозия. Особенно быстро протекает коррозия низкотемператур­ных поверхностей нагрева при сжигании сер­нистого мазута.

Гво Го гво

Л - А

Рис. 19.21. Узел крепления стеклянного трубчатого воз­духоподогревателя. / — трубная доена; 2 — прнжнмная плнта; 3— стеклянная тру­ба; 4—'резиновое кольцо; 5 — пружинная шайба; 6 — стальная труба.

Сжигание сернистого мазута с минималь­ными избытками воздуха является эффектив­ным средством снижения низкотемпературной сернокислотной коррозии. Чем меньше ат и избыток кислорода, тем меньше содержание S03 и продуктах сгорания (см. § 16.3), тем меньше их коррозионная активность. В опре-

Деленном интервале температур наблюдается налипание частиц летучей золы на поверх­ность нагрева, а влажная пленка, образую­щаяся при достижении £т. р и придающая по­верхности клейкие свойства, цементирует частицы золы в плотную массу. Последняя ча­сто загромождает проходное сечение для про­дуктов сгорания, а иногда полностью закупо­ривает отдельные трубы воздухоподогрева­теля.

Для улучшения условий эксплуатации при сжигании сернистых мазутов в топливо или продукты его сгорания вводят присадки: ВНИИНП—106, водный раствор хлористого магния и др. Присадки понижают /т. р и ней­трализуют образующийся на поверхности на­грева раствор серной кислоты. Плотные отло­жения переводятся в рыхлые, легко удаляе­мые дробеочисткой. Жидкие присадки, кроме того, уменьшают количество отложений, улуч­шают процесс сжигания мазута, уменьшают забивание форсунок коксом. При сжигании твердого топлива присадки в умеренном коли­честве не дают положительных результатов. Добавление присадок в количестве, соизмери­мом с зольностью твердого топлива, сложно и экономически невыгодно.

6)

Рис. 19.23. Схемы подогрева избыточного воздуха. а, б — соответственно в основном и дополнительном воздухопо­догревателях; 1 — воздух на горение топлива; 2— избыточный воздух; 3 и 4 — основной и дополнительный воздухоподогре­ватели.

В ряде установок воздух подогревается в количестве, превышающем потребности для горения топлива. Теплота избыточного возду­ха используется в теплофикации, например, для подогрева или опреснения воды, подогре­ва мазута или сушки твердого топлива и т. п. При этом решаются некоторые вопросы и са­мого котла — уменьшается температура ухо­дящих газов и для повышения КПД и для повышения эффективности электрофильтров.

Схема избыточного воздуха выгодно ис­пользуется в двухцелевых установках, в кото­рых теплоноситель — воздух свободен от загрязнений и подогревается до высокой темпе­ратуры. В двухцелевых установках на уходя­щих газах температура теплоносителя — ухо­дящих газов существенно ниже, и они корро - зионно-активны и заметно загрязнены. Тепло­та избыточного воздуха может быть получена в различных схемах воздухоподогревателя (рис. 19.23) и различных его типах. Трубча­тые воздухоподогреватели предпочтительнее, они выдают чистый неозоленный воздух и ме­нее склонны к забиванию их золой при низ­кой температуре уходящих газов.

В зоне высоких температур газов (выше 700— 800°С) на поверхности чистой трубы вначале происхо­дит конденсация из газового потока легкоплавких со - __ единений и образуется первичный липкий слой на тру - "бах. На него одновременно налипают твердые частицы золы. Затем он отвердевает и становится плотным пер­воначальным слоем отложений, крепко сцепленным с поверхностью трубы. Температура наружной поверх­ности слоя повышается и конденсация прекращается. Далее на шероховатую поверхность этого слоя набра­сываются мелкие твердые частицы тугоплавкой золы, образуя внешний сыпучий слой отложений. Таким об­разом, в этой области температур газов на повепхности труб чаще всего присутствуют два слоя отложений: плотный и сыпучий.

В топочной камере в зонах контакта вы­сокотемпературных газов с экранами могут возникать быстро нарастающие отложения. Они определяются набросом на поверхность труб частиц золы и шлаков, находящихся в полужидком тгли размягченном состоянии, которые затем охлаждаются и прочно схва­тываются с повепхностью. Этот процесс на­зывается шлакованием. Возникшие при этом шлаковые наросты могут иметь большие раз­меры и массу до нескольких тонн. Наличие относительно легкоплавких частиц в зоне го­рения определяется образованием эвтектик окислов металлов МеО (типа CaO, MgO, FeO, Fe203) с кремнеземом Si02 и глинистыми ми­нералами на основе А1о03.

Зола большинства твердых топлив содер­жит примерно от 5 до 40% МеО. Увеличение содержания МеО в золе понижает ее темпе­ратуру размягчения, создает опасность шла­
кования. Наоборот, при на­личии в золе окислов АЬОз+БЮг, превышающих 80%, температура плавле­ния золы быстро увеличи­вается; зола становится ту­гоплавкой.

Лето* гаэод І І /ь! I

Рис. 16.1. Вид спекшихся отло­жений на поверх­ности трубы.

При неблагоприятных характеристиках минераль­ной части топлива (содер­жание окислов кальция Са0>40%) в возникшем на поверхности нагрева слое сыпучих отложений может начаться процесс спекания (сульфатизации) за счет присутствия S02 в дымовых газах, ведущий к нарастанию плотных, креп­ко связанных с трубной по­верхностью отложений (рис. 16.1). Шлакова­нию, кроме экранов топочной камеры, подвер­гаются ширмы, пакеты конвективного пере­гревателя в области температур газов до 600—700°С. Спекшиеся отложения могут пе­рекрывать межтрубные промежутки шириной до 400 мм. Горизонтальные и слабонаклон­ные трубы шлакуются интенсивнее, чем вер­тикальные.

5м/с Рис. 16.2. Загрязнение труб сыпучими отложениями при разных направлениях и скоростях движения газов.

В зоне относительно низких температур

Газового потока (менее 600—700°С), харак­терных для поверхностей конвективной шахты, наиболее распространены сыпучие отложения. Плотный подслой на поверхности труб здесь отсутствует, так как конденсация паров ще­лочных металлов уже завершилась.

Сыпучие отложения преимущественно об­разуются на тыльной стороне трубы по отно­шению к направлению газового потока, в об­разующейся сзади трубы вихревой зоне (рис. 16.2). На лобовой стороне сыпучие от­ложения возникают лишь при малых скоро­стях потока (менее 5—6 м/с) или при наличии в потоке очень тонкой летучей золы.

При рассмотрении процесса образования сыпучих отложений разделяют частицы золы на три группы фракций [21]. К первой группе относят самые мелкие фракции, так называе­мые безынерционные частицы, которые на­столько малы, что двигаются по линиям тока газов, и поэтому вероятность их осаждения на трубах мала. Предельный размер частиц, относящихся к этой группе, составляет около 10 мкм.

Ко второй группе относят крупные фрак­ции размером свыше 30 мкм. Эти частицы обладают достаточно большой кинетической энергией и при контакте с сыпучими отложе­ниями разрушают их.

Третью группу составляют фракции золы размером от 10 до 30 мкм. При обтекании газовым потоком трубы эти частицы преиму­щественно оседают на ее поверхности и обра­зуют слой отложений. В результате размер слоя сыпучих отложений определяется дина­мическим равновесием процессов постоянного оседания средних фракций золы и разруше­ния осевшего слоя более крупными частицами.

(16.1)

Сыпучие загрязнения на поверхности труб ухудшают теплообмен, что оценивается коэф­фициентом загрязнения

S = 53!X3

Где б3, К3 — средняя условная толщина слоя отложений по периметру трубы и теплопро­водность золового слоя.

Коэффициент загрязнения є, (м2-К)/Вт, характеризует термическое сопротивление слоя отложений. Загрязнение труб отложениями летучей золы мало зависит от концентрации ее в потоке дымовых газов. Разница в загряз­нениях наблюдается только в первые часы работы до установления динамического рав­новесия (рис. 16.3,а). Существует сильная за­висимость отложений от фракционного соста­ва золы. Чем более тонкой по размерам фрак­ций является зола, тем интенсивнее загряз­нение труб, толще слой отложений (рис. 16.3,6).

О 2 4- 6 8 ч 4- В 8 10 12 14- ІВмІс А) В) Рис. 16.3. Изменение коэффициента загрязнения труб в зависимости от концентрации золы в потоке и ее крупности (трубы d — 38 мм, sjd — s2/d = 2). А—в зависимости от времени работы; б — в зависимости от скорости потока; / — концентрация золы 21 г/м3; 2 — то же при концентрации 7 г/м3; 3 — мелкая зола (остеток иа сите = 24,5%); 4 — крупная зола (остаток на сите #3о = 52,5%).

Существенной является зависимость ^степе­ни загрязнения труб от скорости газового по­тока. Оседание средних фракций золы на тру­бах увеличивается приблизительно пропор­ционально скорости потока. В то же время разрушающее слой действие крупных частиц растет пропорционально скорости в третьей степени, поэтому с увеличением скорости от­ложения на трубах уменьшаются. Проведен­ными исследованиями (рис. 16.2) доказано, что интенсивность загрязнений не зависит от на­правления движения потока, поперечно омы­вающего поверхность. Вертикальные зме-еви - ковые поверхности в сравнимых условиях имеют меньшее загрязнение.

Большое влияние на степень загрязнения поверхности оказывают тип пучка труб (шах­матный или коридорный) и продольный шаг труб s2 в шахматном пучке. При равных про­чих условиях (скорость газов, диаметр труб) коэффициент загрязнения коридорного пучка в 1,7—3,5 раза больше, чем шахматного (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Сравнение коэффициентов загрязнения раз­личных пучков труб.

При скорости газов менее 3—4 м/с загряз­нение труб сильно увеличивается. Эксплуата­ция поверхностей котла с такими низкими скоростями не рекомендуется. Если учитывать, что паровой котел может снижать нагрузку примерно до 50%, расчетная скорость газов при номинальной нагрузке должна быть не ниже 5—6 м/с. j

При сжигании высокосернистых мазутов на поверхностях нагрева в зоне температур газов ниже 600°С образуются как липкие от­ложения, так и плотные стекловидного типа. Липкие отложения на поверхностях нагрева конвективных перегревателей, экономайзеров содержат преимущественно соединения вана­дия (главным образом V2O5) и сульфаты. В плотных отложениях преобладают сульфаты железа и окислы кальция и натрия. Отложе­ния при сжигании мазутов имеют тенденцию к быстрому росту, что приводит к заметному снижению теплообмена, увеличению сопротив­ления газового тракта и ограничению рабочей кампании парового котла.

За счет заметного количества соединений ванадия и серы отложения имеют кислую основу. Добавка к мазуту специальных ве­ществ, обладающих щелочными свойствами, переводит эти отложения в более рыхлые. Того же эффекта можно добиться специальной организацией процесса сжигания, например сжиганием с избытками воздуха, близкими к единице [21].

Одним из методов очистки поверхностей нагрева является использование динамического воздействия на слой отложений струи пара, воды или воздуха. Дей­ственность струй определяется их дальнобойностью, в пределах которой струя сохраняет достаточный ди­намический напор для разрушения отложений. Наи­большей дальнобойностью и термическим эффектом воз­действия на плотные отложения обладает водяная струя. Аппараты этого типа находят применение для очистки экранов топочных камер. Однако обдувка во­дой требует строгого расчета, чтобы исключить резкое переохлаждение металла после удаления отложений.

Для очистки радиационных поверхностей нагрева и конвективных перегревателей широкое распростране­ние получили многосопловые выдвижные аппараты, ра­ботающие на насыщенном или перегретом паре с дав­лением около 4 МПа.

Для очистки ширм и коридорных трубных пакетов в области горизонтального газохода применяют вибро- очистку. Ее яенсіси,' г. е-.ювано на том, что пои коле - банінг чруб с 6о,'".,ші'і"і часкчой напутается сгеплс-ние отложений с MCi4..'.K>V В ЗПІХ целях ИСЧ0.1!,Ч"'Т ви­браторы с водоохлаж и-.-мыми штапгями, п-'рм. чющими воздействие па очищаемую поверхность.

Наиболее эффективным способом очистки конвек­тивных поверхностей в опуокпой шахіе няроього котла от сыпучей золы является дрооеочиегка. В этом случае используют кинетическую энергию падающих чугунных дробинок диаметром 3—5 мм. Дробь подастся вверх воздушным потоком и распределяется по всему сечению шахты. Расход дроби на очне псу определяют исходя из оптимальной нптенсивносп! «прошения» дробью — 150 -200 кг/м2 сечения конвективной шахты. Время очистки составляет обычно 20—60 с.

Обязательным условием успешного использования дробовой очистки является регулярность ее примене­ния сразу после it} ска котла в эксплуатацию при еще практически чистых поверхностях нагрева. В последнее время находит распространенно метод термоволновой очистки поверхностей нггрева конвективной шахты при помощи акустических низкочастотных волн, генерируе­мых в специальной импульсной камере взрывного го­рения.

Очистку вынесенных за пределы котла регенератив­ных воздухоподогревателей (РВП) осуществляют путем обдувки теплообменной набивки РВП перегретым паром (на 170—200°С выше температуры насыщения), реже применяют обмывку водой (липкие отложения она уда­ляет, но увеличивает коррозию), а также применяют метод ударной волновой очистки и термический способ очистки. Последний основан на периодическом повы­шении температуры набивки до 250—300°С за счет отключения подачи воздуха в аппарат РВП. При этом высушиваются липкие отложения и испаряется скон­денсировавшаяся серная кислота.

Вопрос