Дипломная (вкр): Закономерности отложения примесей в паровых котлах, методы химических очисток и консервации котлов

Рис. 1.5. Изменение скорости кристаллизации вещества  по длине обогреваемого канала.

Таким образом, при изменении температуры водного теплоносителя СКД по длине трубы возможны участки, где скорость кристаллизации примеси и, следовательно, роста массы отложений на поверхности трубы замедляется из-за снижения скорости диффузии вещества.

.2 Изменение массы отложившейся на стенке примеси во времени

Рассмотрим процессы на границе водный раствор-стенка трубы

(рис. 1.6). На поверхность стенки за счет кристаллизации вещества поступает  примеси за счет адсорбции . Часть продуктов коррозии остается на поверхности стенки. Так как наружный слой отложений, как правило, рыхлый, неустойчивый, то часть отложений  смывается и уносится потоком теплоносителя. В результате этих (и некоторых других) процессов на поверхности стенки образуется слой отложений  мг/м2. Так как в общем случае адсорбция мала, то в можно ей пренебречь.

Рис.1.6. Схема потоков примеси в системе «слой отложений - водный теплоноситель».

Изменение массы отложившейся на стенке примеси во времени, в общем случае, определяется соотношением количества поступившей примеси и уносом (смывом) примеси со стенки. Количество поступившей примеси за время , с, на единицу поверхности стенки  мг/м2, за счет ее кристаллизации равно

 (1.10)

Смыв отложений мг/м2 за время dt пропорционален величине отложений , мг/м2, и касательному напряжению  на границе слоя отложений

 (1.11)

Местное уменьшение величины отложений может происходить не только путем их смыва, но и за счет механического разрушения защитной пленки при изменении температурного режима труб (пуск, останов, переменный режим), так как коэффициенты линейного расширения магнетита ( 1/0С) и стали (1/0С) существенно различаются.

Количество отложений увеличивается путем коррозии металла. Скорость коррозии зависит от температуры. В частности, при температуре металла свыше 572°С процесс пароводяной коррозии интенсифицируется, при этом ускоряется рост отложений и температуры металла. Температура внутренней поверхности трубы зависит от толщины слоя отложений :

Следовательно, величина отложений влияет на скорость коррозионных процессов. Исходя из этого, запишем, что количество продуктов коррозии, поступивших в слой отложений за время пропорционально величине отложений:

 (1.12)

Суммарная скорость роста отложений  определится из (1.10), (1.11), (1.12):

 (1.13)

где  (1.14)

Начальные условия:

при  (1.15)

Наиболее простой вид формула (1.13) принимает при

 (1.16)

Это уравнение соответствует следующим условиям:

. Величина отложений определяется процессом кристаллизации;

. Величина  пренебрежимо мала, что возможно в начальный период образования отложений;

. равно нулю - нет смыва отложений; за счет кристаллизации образуются мелкие кристаллы, которые к тому же уплотняются адсорбирующими молекулами;  равно нулю - нет коррозии металла;

.  не равны нулю, но , т.е.  может иметь место при определенном сочетании параметров.

Решение уравнения (1.16) дает формулу прямой линии:

 (1.17)

На рис. 1.7. эта прямая линия обозначена условием .

Рис. 1.7. Зависимость массы отложений от времени процесса .

Приведем решение полного уравнения (1.13):

; ;

; ; при ; ; ;

;

. (1.18)

Если , то при  система приходит в динамическое равновесие:

 (1.19)

В этих условиях интенсивность смыва отложений равна интенсивности поступления примеси из потока воды и коррозии металла. Минимальная величина  соответствует  (рис. 1.7). При  установление равновесия затягивается во времени, а величина  увеличивается. Влияние других факторов: а) ; б) ; в) .

При  формула принимает вид:

. (1.20)

В этом случае динамическое равновесие не устанавливается, а при увеличении времени масса отложений растет с убыстряющейся скоростью

(рис. 1.7). Такой характер зависимости устанавливается при температуре стенки выше 572°С, когда интенсифицируется пароводяная коррозия. В начальный период роста отложений скорость коррозии мала (кривая 2, рис. 1.8) и величина  изменяется по кривой 1 (рис. 1.8). В момент времени  температура стенки достигает значения 572°С, кривая коррозии 2 резко возрастает и суммарная кривая 3 также растет.

Рис. 1.8. Влияние коррозионных процессов на массу отложений примеси

В обогреваемых трубах по условиям обеспечения надежного температурного режима определяется предельно допустимая масса отложений , . Полученные зависимости дают возможность определить время работы поверхностей нагрева, за которое произойдет накопление после чего необходимо производить химическую промывку поверхностей парового котла. Межпромывочный период зависит от качества воды, водно-химического режима, теплового потока и т. п.

На рис. 1.9 показано изменение во времени t массы отложений на стенке и температуры наружной поверхности стенки .

Рис. 1.9. Определение межпромывочного периода

Максимально допустимой температуре стенки по окалинообразованию  соответствует допустимая величина отложений . По этой величине определяют время промывки поверхностей нагрева от образовавшихся отложений (межпромывочный период).

Из формулы (1.18) получаем

 (1.21)

или

Отсюда  определяем межпромывочный период

. (1.22)

Раскрывая , получаем

 (1.23)

Выражение (1.23) дает возможность определить влияние различных факторов на межпромывочный период.

1.3 Особенности отложения примесей в прямоточных котлах СКД

Особенности отложения примесей по тракту котла СКД связаны с изменением характеристик тепло- и массообмена в зоне большой теплоемкости (ЗБТ). В ЗБТ существенно снижаются значения коэффициента диффузии (рис. 1.3), при этом замедляются все процессы, связанные с диффузией примеси.

На рис. 1.10. представлены профили скорости, температуры и концентрации примеси по сечению обогреваемой трубы.

Рис. 1.10. Изменение скорости , температуры  и концентрации примеси  по сечению потока.

Рассмотрим профиль концентрации примеси. Как правило, примеси, находящиеся в водном теплоносителе, имеют сходство с веществами, входящими в металл труб. За счет ван-дер-ваальсовых сил притяжения, электростатических сил и других концентрация примеси у поверхности металла существенно больше, чем средняя величина концентрации в потоке  (случай «а» на рис. 1.10). При кристаллизации вещества на поверхности трубы концентрация примеси непосредственно у поверхности трубы снижается (случай «б»).

С учетом этих замечаний рассмотрим изменение температуры водного теплоносителя и концентрации примеси по ходу среды в прямоточном котле сверхкритического давления

На рис. 1.11,а изображены графики изменения средней энтальпии потока , средней температуры потока  и температуры на внутренней поверхности стенки . В отличие от энтальпии потока, температура потока изменяется по длине трубы нелинейно в зоне, где температура потока близка к температуре максимальной теплоемкости , скорость роста температуры по длине трубы при этом значительно снижается. В сечении (см. рис. 1.11, а) температура стенки достигает значения  и может наступить режим ухудшенного теплообмена, температура стенки при этом резко возрастает. При подходе к сечению , где существенно увеличивается удельный объем водного теплоносителя, что приводит к росту линейной скорости потока и улучшению теплообмена между стенкой трубы и ядром потока. В этой зоне наблюдается снижение температуры стенки трубы.

Рис. 1.11. Распределение по длине трубы температуры потока (а), концентрации (б), и массы отложений (в).

Растворимость веществ в ЗБТ уменьшается с ростом температуры, а затем растворимость может расти. Характер изменения растворимости вещества в двух сечениях трубы () по длине трубы показан на рис. 1.11, б - по температуре стенки и температуре потока . Здесь же показано изменение средней концентрации примеси в потоке  (при  ) и вблизи стенки  (как уже отмечалось ).

Величина  характеризует минимум растворимости по длине трубы. Возможны случаи: 1) ; 2) . В первом случае примесь должна была бы пройти через паровой котел транзитом, однако, как уже отмечалось для легкорастворимых веществ, за счет адсорбционных процессов и часть примеси все же осаждается на поверхности нагрева. Для продуктов коррозии железа характерен второй случай, который и представлен на рис. 1.11,б.

В сечении   и начинается процесс кристаллизации вещества на стенке, масса отложений увеличивается (рис. 1.11, в). При увеличении концентрационного напора  скорость роста отложений возрастает. При приближении  к температуре максимальной теплоемкости скорость диффузии в поверхностном слое жидкости резко падает, что приводит к торможению собственно процесса кристаллизации, величина  и  снижается (рис. 1.11, в, сечение ). При этом в пристенном слое жидкости создается избыток примеси и может начаться кристаллизация в объеме слоя на имеющихся там частицах примеси.

Когда , кристаллизация на стенке ускоряется и масса отложений растет. Кристаллы из объема пристенного слоя частично осаждаются на наружном (эпитактическом) слое отложений. Достигнув максимума, скорость роста отложений падает. Это снижение величины  обусловлено достижением ЗБТ ядра потока , когда массообменные процессы в потоке теплоносителя замедляются (скорость диффузии падает) и уменьшается доставка примеси из ядра в пристенный слой. Второй минимум  находится в области сечения (рис. 1.11). При дальнейшем прогреве ядра потока массообменные процессы улучшаются, величина  и снова растет, достигая третьего максимума. Последующее снижение скорости роста отложений связано с уменьшением концентрации в потоке , на стенке  и концентрационного напора .