Учебник - Котельные установки часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

Оксиды железа, поступающие в котловую воду, превращаются в магнетит Fe

который и является основой железооксидных отложений. Другие формы оксидов (Fe

)

образуют в основном шламовые осадки.

С ростом температуры растворимость магнетита снижается, значительная часть

оксидов железа находится в дисперсном, а не истинно-растворенном состоянии. Поэтому

отложения образуются не только за счет кристаллизации, но и за счет

электрокинетических процессов. Дисперсные частицы несут электрический заряд

(адсорбция ионов из теплоносителя, диссоциация собственных молекул), под

воздействием электрофоретических сил осаждаются на поверхности нагрева и образуют

отложения.

Скорость образования отложения А,мг/(см

Чч), зависит линейно от концентрации

, мг/кг, и от теплового потока q, Вт/м

, во второй степени

(11.29)

Зависимость А от С

и q показана на (рис. 11.20)

2. Щелочноземельные отложения, состоящие из соединений кальция и магния.

Соединения кальция и магния попадают в питательную воду с присосами в конденсаторе

и с добавочной водой. В котловой воде обычно присутствуют различные соединения

кальция: CaSiO

, CaSO

, CaCO

, CaCI

и др. Интенсивное отложение соединений кальция

(аналогично и магния) происходит при превышении концентрации Са

анионов

произведения растворимости.

Скорость образования отложений Са и Mg от их концентрации не линейная (рис.

11.21), но для оценки можно использовать формулу

(11.30)

3.Отложения соединений меди. Оксиды меди в питательной воде появляются в

результате коррозии латунных труб конденсатора, ПНД или деталей насоса, содержащих

медь. При концентрации меди 2 мкг/кг происходит интенсивное отложение меди на

участках с высокими тепловыми потоками или в местах глубокого упаривания воды (рис.

11.22). В отложениях присутствует главным образом чистая медь. Восстановление ионов

меди до чистой меди присходит при контакте их с чистым железом. Процесс этот

электрохимический, для его осуществления необходима достаточно высокая разность

потенциалов. Поэтому медные отложения образуются в заметных количествах в зоне

тепловых потоков выше порогового значения q

(рис. 11.23). Скорость образования

отложений меди описывается формулами

(11.31)

4. Алюминиевые отложения (алюмосиликатные, силикатные с преобладанием

свободной SiO

). Реальная концентрация кремниевой кислоты меньше ее растворимости в

питательной воде (изменяется от 10 мкг/кг SiO

при непрерывной длительной

эксплуатации до 100 мкг/кг при пуске). Однако крем-некислота всегда присутствует в

отложениях при высоких давлениях. Возможно, кремниевая кислота способна вступать в

различные реакции, например, с оксидами железа с образованием ферросиликатов.

5. Отложения легкорастворимых солей. В питательной воде паровых котлов могут

присутствовать соединения натрия в виде NaOH, NaCl, Na

, Na

SiO

. Эти соединения

обладают большой растворимостью при высоких параметрах, но за счет адсорбции на

поверхностях нагрева, за счет химического взаимодействия с отложениями соединения

натрия присутствуют в составе отложившихся веществ.

Интенсивное отложение соединений натрия происходит при глубоком упаривании

воды, сопровождающемся концентрированием примеси, в пристенном слое (при высоком

тепловом потоке, малой скорости потока и т.п.) или в потоке теплоносителя в

испарительных поверхностях. В этом случае концентрация растворенных веществ

превышает их растворимость, и они кристаллизуются на поверхности трубы или в потоке

теплоносителя.

11.6.Образование отложений примесей в пароводяном тракте

прямоточного котла

Наибольшие сложности в работе котла вызывают отложения, образовавшиеся в зоне

высоких тепловых потоков (топочная камера, область горелок) из-за значительного

увеличения термического сопротивления теплопередачи и повышения температуры

металла.

Характер распределения отложений по длине труб парового котла зависит от типа

котла (барабанный или прямоточный), давления (ДКД или СКД), водно-химического

режима и других факторов.

Особенности отложения примесей в прямоточных котлах СКД связаны с

изменением характеристик массопереноса в зоне большой теплоемкости.

На (рис. 11.24) показано изменение скорости W, температуры t и концентрации

примеси С по сечению трубы, а также изменения средней энтальпии потока h

ср

температуры ядра потока Т

и внутренней поверхности стенки Т

ст

. В сечениях трубы Z

ст

эти температуры равны температуре максимальной теплоемкости Т

мт

Растворимость веществ в ЗБТ уменьшается с ростом температуры. Характер

изменения растворимости вещества в двух сечениях трубы (C

отл

, C

) по длине трубы

показан на (рис. 11.24). Здесь же показано изменение концентрации примеси в ядре

потока С

(при Z = 0 С

= С

вх

) и вблизи стенки С

ст

. С учетом адсорбции вещества на стенке

принято С

ст

> С

, где C

мин

соответствует минимуму растворимости.

Для продуктов коррозии железа характерен второй случай, который и представлен на

(рис. 11.24). В сечении Z

нач

, где C

стен

≥ C

стен

, на стенке трубы начинается процесс

кристаллизации вещества (рис. 11.24). При увеличении концентрационного напора C

стен

скорость роста отложении dg/dt возрастает. Здесь g - масса отложений. При

приближении Т

ст

к температуре максимальной теплоемкости Т

мт

(ЗБТ) скорость диффузии

резко падает, и это приводит к торможению процесса кристаллизации, dg/dt снижается

(рис. 11.24) сечение Z

ст

). При этом в пристенном слое создается избыток примеси и может

начаться кристаллизация в объеме слоя. Когда Т

ст

> Т

мт

, кристаллизация на стенке

ускоряется и dg/dt растет. Кристаллы из объема пристенного слоя частично осаждаются на

эпитактическом слое отложений. Максимальная скорость отложений достигается в зоне

сечения Z

макс

, последующее снижение dg/dt вызвано достижением ЗБТ ядра потока (Т

→T

мт

), когда массообменные процессы в ядре потока замедляются (скорость диффузии

падает) и уменьшается доставка примеси из ядра в пристенный слой. Второй минимум dg/

dt находится в области сечения Z

(Т

≈ Т

мт

). При дальнейшем прогреве ядра потока

массообменные процессы улучшаются, dg/dt снова растет, достигает третьего максимума.

Последующее снижение скорости роста отложений связано с уменьшением концентрации

в ядре потока С

, на стенке С

ст

и концентрационного напора (С

ст

-С

ст

Таким образом, при СКД зону отложения примесей в пароводяном тракте котла

можно разделить на три участка: z < Z

ст

(Т

ст

< Т

мт

); Z

ст

<z < Z

(Т

< Т

мт

< Тст); Zя < z(Тя >

Тмт)- в пределах каждого из участков скорость роста отложений достигает максимального

значения (dg/dt)макс. Зависимость (dg/dt)макс от q, ρw и других параметров на разных

участках различается.

Первый участок зоны отложений соответствует экономайзеру и началу нижней

радиационной части топочной камеры, где тепловые потоки относительно невелики.

Второй участок с максимальными отложениями расположен в середине и конце НРЧ, что

соответствует зоне максимальных тепловых потоков. Такое неблагоприятное сочетание

(максимум отложений - максимум тепловых потоков) может привести к большой

скорости роста температуры металла трубы. Третий участок характеризуется снижением

скорости роста отложений и расположен в зоне СРЧ, ВРЧ.

Особенностью отложения примеси в прямоточном котле докритического давления

является упаривание воды в испарительных поверхностях нагрева и, соответственно,

повышение концентрации примесей в жидкой фазе.

Запишем баланс примесей в пароводяной смеси

(11.32)

где С

, С

- концентрация примесей в жидкой и паровой фазах;

х - массовое паросодержание. Преобразуем формулу (11.32)

(11.33)

где К

- коэффициент распределения примесей,

Из (11.33) определим относительное изменение концентрации примесей γ

в жидкой фазе

(11.34)

Для паровой фазы

(11.35)

Для сильных электролитов К

≈ 0, тогда

(11.36)

В этом случае при х → 1 концентрация С

бесконечно растет (рис. 11.25).

Для слабых электролитов K

составляет сотые и десятые доли, что существенно

снижает концентрацию примесей в жидкой фазе и увеличивает в паровой (рис. 11.25).При

=1 g

= g

= 1, все примеси из воды, в принципе, могут перейти в пар. Это условие

отвечает критическому давлению.

Из (рис. 11.25) видно, что при К

= 0,2 концентрация примесей в жидкой фазе при х =

1 в 5 раз больше концентрации в питательной воде.

Растворимость примесей в пароводяной смеси уменьшается от растворимости в воде

на линии насыщения C

до растворимости в паре C

(11.37)

На (рис. 11.26) показано изменение растворимости по длине обогреваемой трубы при

концентрации примесей в питательной воде С

п.в

, меньше, чем минимальная растворимость

в паре (C

)

мин

. По мере испарения воды С

увеличивается и в каком-то сечении C

≥ C

пв

и начинается отложение примесей на стенке трубы. Отложение примесей будет

происходить до сечения, где достигается С

= С

пв

На (рис. 11.26) показаны две кривые для С

. Для кривой 1 диапазон энтальпии

рабочей среды, где происходит отложение примесей, узок (рис. 11.26). Для кривой 2 зона

отложений шире, но максимальное их количество на единицу длины трубы меньше.

При малых тепловых нагрузках (паровые котлы малой мощности на низкое

давление), когда кризис кипения происходит при больших значениях х, характер

отложений аналогичен кривым 1 на (рис. 11.26). В этом случае имеет смысл зону

интенсивных отложений (x > 0,75…0,8) вынести из топки в конвективную шахту, где

тепловой поток ниже в несколько раз. Такую поверхность нагрева называют переходной

зоной. В переходной зоне происходит доиспарение воды и частичный (на 20…30°С)

перегрев пара.

В переходной зоне на единицу поверхности можно допустить отложений больше во

столько раз, во сколько раз в ней меньше тепловой поток по сравнению с топочными

экранами, при одинаковых марках стали и температуре металла труб.

При высоких тепловых потоках и высоком давлении среды диапазон отложений

сильно расширяется и организовать переходную зону практически не удается.

На (рис. 11.27) показана зависимость скорости роста отложений продуктов коррозии

dg/dt от массового паросодержания х для разных значений массовой скорости ρw. При ρw

= 2960 кг/(м

∙с) отложение примесей начинается при х = 0,10…0,15. Отложения примесей

в первую очередь зависят от упаривания и срыва микропленки на поверхности трубы, где

происходит концентрирование примеси. Максимум отложений соответствует области

кризиса теплообмена.

Экспериментальные данные показывают, что максимальная интенсивность

отложений продуктов коррозии имеет место при массовой скорости пара (ρwx) < 500

кг/(м

∙с), поэтому необходимо иметь (ρwx) > 500 кг/(м

∙с).

11.7.Образование отложений примесей в пароводяном тракте

барабанного котла

11.7.1.Удаление примесей с непрерывной продувкой воды из

водяного тракта барабанного котла

Для того чтобы ограничить рост отложений, в барабанных котлах организуется

непрерывная продувка- удаление из водяного тракта барабанного котла небольшого

количества котловой воды Dпр с большей концентрацией примесей С

пр

На (рис. 11.29) показана принципиальная схема устройства продувки воды из

барабана котла, в которую включены расширитель 6 и поверхностный теплообменник 9

для утилизации теплоты продувочной воды и, частично, для сокращения потерь воды

путем подачи пара 7, образовавшегося в расширителе, в деаэратор.

Составим баланс потоков воды и пара с указанием соответствующих концентраций.

В барабан с питательной водой за 1 ч вносятся примеси в количестве D

п.в

п.в,

а уходят: с

паром DС

, с продувочной водой D

пр

. Часть примесей образует отложения в трубах D

п.в

DС

отл

. С учетом этих потоков примесей составим солевой баланс барабана

11.7.2.Организация ступенчатого испарения в барабанном

котле

Увеличение доли продувки приводит к уменьшению примесей в котловой воде С

к.в

(11.42) и в насыщенном паре С

(11.41), но увеличивает потери теплоты и воды с

продувочной водой. Улучшить качество котловой воды и пара без увеличения продувки

барабанного котла можно путем организации ступенчатого испарения.

Существуют различные способы организации ступенчатого испарения, в частности

внутри барабана устанавливают перегородку (рис.11.31,а,б, рис.11.31,в,г)

Питательная вода поступает в отсек 7, в который включены некоторые контуры

циркуляции. Часть воды испаряется в них, при этом образуется пар в количестве D

(доля

его n

= D

/D). Оставшаяся вода перетекает через отверстие в перегородке во второй отсек.

В контурах циркуляции, включенных в этот отсек, вода испаряется с образованием пара

= D

/D). Продувка котла производится из второго отсека, причем С

к.вI

= C

к..вII

Определим С

к.вI

и С

к.вII

. Для первого отсека по (11.42)