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

в) Особенности образования отложений в барабанных котлах

На рис. 1.21 показано изменение растворимости примеси по длине испарительных труб (до - энтальпии пароводяной смеси на выходе из испарительной трубы) и труб пароперегревателя (от  до ). График имеет вид, аналогичный для прямоточного котла докритического давления, только диапазон энтальпии от  до  в барабанном котле не реализуется.

Рис. 1.21. Распределение концентрации примеси (а) и массы отложений (б) по длине испарительных и перегревательных труб в барабанном котле.

Энтальпия  и массовое паросодержание  определяются кратностью циркуляции в контуре (в целом по котлу).

Допустим, что . За счет упаривания концентрация примеси в котловой воде увеличивается в  раз. Возможны три случая (рис. 1.21) соотношения  в ступени испарения и растворимости :

а) ; отложение примеси возможно в небольших (относительно) количествах за счет адсорбции на стенке и местного концентрирования примеси в поверхностной пленке жидкости;

б) ; интенсивное отложение примеси в конце участка;

в) ; интенсивное отложение примеси по всей длине трубы.

Чтобы рост отложений в испарительных трубах был минимальным, необходимо выдержать соотношение

 (1.43)

В насыщенном паре при уносе влаги  концентрация примеси составит: в случае «а» ; в случаях «б» и «в» . Отложение примеси будет происходить, в основном, в начале пароперегревателя (до ). Если , то  резко увеличится, что приведет к росту величины отложений в трубах.

Учитывая, что концентрация и интенсивность отложения примеси в контурах циркуляции второй и третьей ступени испарения выше, для снижения температуры стенки их располагают в топочной камере на участках с минимальными тепловыми потоками (боковые стенки, угловые секции).

1.6 Факторы, влияющие на скорость образования отложений

) Влияние концентрации примеси

Кристаллизация вещества на стенке происходит при его концентрации у стенки , большей растворимости его при температуре стенки. Доставка примеси из ядра потока к стенке трубы зависит от разности концентраций , где - концентрация (средняя) в потоке воды. С увеличением  возрастает скорость роста отложений  (рис. 1.22) и температуры стенки (рис. 1.23):

где показатель степени для большинства веществ . Для оксидов меди .

Рис. 1.23. Скорость роста температуры металла в районе максимальных тепловых потоков в зависимости от величины жесткости среды на входе: 1-  2-

) Влияние диффузионных процессов

Кроме абсолютного значения концентрации примеси, необходимо знать фракционный состав примеси.

Коэффициент диффузии вещества зависит от индивидуальных свойств примеси, ее размеров (- диаметр частицы), вязкости раствора , температуры

Зависимость диффузии от диаметра частицы показана на рис. 1.24: с увеличением диаметра коэффициент  падает.

Рис. 1.24. Зависимость диффузии примеси  от диаметра частицы

На скорость образования отложений влияет и турбулентная диффузия . Около поверхности трубы присутствует вязкий подслой жидкости (рис.1.25), в котором процессы теплообмена проходят на молекулярном уровне, а массобмена - на уровне микрочастиц и молекул вещества, перемещающихся в этом подслое за счет диффузионных процессов. Скорость среды в вязком подслое изменяется линейно от нулевого значения у поверхности стенки. Ближе к центру потока расположен промежуточный слой, а затем - ядро потока. В промежуточном слое (также как и в ядре потока) малые объемы раствора (турбулентные моли) участвуют в турбулентной пульсации и перемещаются не только по направлению движения потока, но и в поперечном направлении.

Рис. 1.25. Турбулентный моль в пристенном слое потока.

При приближении турбулентного моля к границе вязкого подслоя (рис. 1.25) он изменяет направление своего движения (внутрь вязкого подслоя он не проникает). Как ведут себя частицы примеси, находящиеся в этом моле раствора? Мелкие частицы движутся безынерционно и вместе с молем раствора вернутся обратно в ядро потока. Более крупные частицы за счет сил инерции будут продолжать двигаться к стенке трубы, часть из них достигнет поверхности стенки и за счет сил притяжения останется в слое отложений. Такой механизм перемещения частиц примеси в вязком подслое называют турбулентной диффузией.

Коэффициент турбулентной диффузии  увеличивается с ростом диаметра и, соответственно, массы частицы (рис. 1.24).

Результирующий (эффективный) коэффициент переноса примеси в вязком подслое  принимает минимальное значение при диаметре частиц , зависящем от вещества, концентрации, фазового состава примеси, от скорости потока и других факторов.

) Влияние плотности теплового потока

При увеличении теплового потока :

увеличивается температура стенки и жидкости в пристенном слое при той же температуре потока;

увеличивается коэффициент диффузии;

уменьшается толщина вязкого подслоя;

увеличиваются значения градиентов температуры  и концентрации примеси , что ведет к росту скорости доставки примеси к стенке трубы.

Все это ведет к увеличению скорости роста отложений (рис. 1.26).

В общем случае зависимость скорости роста отложений от теплового потока можно представить в виде:

Рис. 1.26. Зависимость скорости образования медных отложений (за месяц) от тепловой нагрузки: 1- 1-ая ступень испарения; 2-2-ая ступень испарения; 3-3-я ступень испарения.

При  отложение примеси на стенке происходит за счет адсорбционных сил.

Сильная зависимость величины отложений от теплового потока приводит к тому, что максимум отложений совпадает с максимумом теплового потока (рис. 1.27). Металл при этом находится в тяжелых условиях работы.

Рис. 1.27. Распределение теплового потока и количества медных отложений  по высоте экрана.

По периметру экранных труб тепловой поток распределяется не равномерно (рис. 1.28): на лобовой поверхности 1 тепловой поток максимален, на тыльной 3 - минимален. Растечка теплоты по металлу трубы несколько сглаживает неравномерность теплового потока. Такой характер изменения теплового потока по периметру трубы приводит к значительной неравномерности величины отложений - максимальное количество примеси расположено на лобовой образующей 1, что существенно сказывается на температуре металла в этой зоне.

Рис. 1.28. Распределение теплового потока и количества отложений  по периметру трубы.

) Влияние скорости потока

Увеличение скорости потока в паровых котлах СКД приводит:

к усилению турбулизации потока и увеличению скорости роста отложений;

к увеличению скорости смыва рыхлых отложений и уменьшению массы отложений на стенке.

Следовательно, влияние скорости потока неоднозначно, зависит от конкретных условий. Общая тенденция: с увеличением скорости потока снижается скорость роста отложений.

При докритическом давлении в прямоточных котлах основная масса примеси выпадает в зоне кризиса кипения 2-го рода (рис. 1.29). В координатах максимум отложений для всех значений скорости потока лежит выше точки кг/(м2с) - см.рис.1.30. Следовательно, при проектировании паровых котлов необходимо выдерживать соотношение кг/(м2с).

Рис. 1.29. Влияние массового паросодержания теплоносителя на скорость образования отложений (МПа; кВт/м2,мг/кг) , кг/(м2с): 1- 2960; 2- 1565; 3- 1525

Рис. 1.30. Зависимость интенсивности образования отложений от массовой скорости пара (обозначения - на рис. 1.29, кроме того: 4- кг/(м2с))

Барабанные котлы проектируют так, чтобы в экранных трубах кризисы теплообмена 1 и 2 рода отсутствовали. На выходе из контура циркуляции массовое паросодержание смеси должно быть меньше , при котором наступает кризис теплообмена 2-го рода (с запасом). Из этого условия выбирается кратность циркуляции среды в контурах котла (должна быть >4).

1.7 Структура и физические свойства отложений

Структура и физические свойства отложений зависят от химического состава, температуры котловой воды, конструкции котла и от режима его эксплуатации.

Отложения, обнаруживаемые на поверхности нагрева, имеют разнообразный характер, как по своему химическому составу, так и по физическим свойствам. Наряду с пористыми отложениями подобными пемзе, встречаются отложения, которые по твердости и прочности связи с металлом напоминают эмали.

К физико-механическим показателям отложений относятся пористость, твердость и теплопроводность.

Пористость отложений - показатель, характеризующий, какая часть их объема (в процентах) занята порами и трещинами. На пористость отложений оказывают влияние органические включения, которые позже выгорают, образуя пустоты, а также включения гипса, переходящие в раствор при случайных понижениях температуры.

Твердость исследуемого образца отложения определяют методом вдавливания в него наконечника (алмазная пирамида с ромбическим основанием); она может быть также охарактеризована по сопротивлению накипи размолу в лабораторных мельницах, т.е. величиной коэффициента размолоспособности. Твердость и пористость отложений являются показателями, которые позволяют судить о трудности удаления их с помощью скребков, шарошек и других механических способов.

Теплопроводность отложений является важной характеристикой, определяющей надежность и экономичность работы котлов. Величины коэффициентов теплопроводности отложений зависят от их структуры и химического состава. Снижение пористости отложений, как правило, приводит к росту их коэффициента теплопроводности. Плотно приставшие к поверхности отложения менее опасны, чем слабо сидящие, так как зазор, образующийся между металлической стенкой и отложениями, сильно увеличивает тепловой подпор и приводит к опасному местному перегреву металла.

Структура отложений и их количество зависят от определяющих при данных условиях процессов доставки примеси, осаждения и закрепления ее на поверхности трубы.

В общем случае отложения примесей разделяют на два слоя:

верхний слой (наружный, эпитактический) - рыхлый, слабо сцепленный с нижним слоем, легко снимается при механическом воздействии; состоит из хаотично расположенных кристаллов размером 1-6 мкм и из конгломератов округлых частиц размером в десятые доли микрона; поры пронизывают весь слой в разных направлениях;

нижний слой (внутренний, топотактический) - прочно сцеплен с поверхностью металла, состоит из сросшихся кристаллов размером 1-2 мкм, плотный, с малым количеством пор (рис.1.31).

Рис.1.31. Структура внутритрубных отложений примеси.

Соотношение удельных количеств отложений в наружном  и внутреннем  слоях зависит от их общего количества  (рис. 1.32). Линейный характер этой зависимости говорит о том, что продолжительность формирования отложений не влияет на закономерность распределения примеси между слоями. Зависимость толщин наружного  и внутреннего слоев от массы отложений так же линейна, т.е. пористость и плотность слоев остается практически постоянной при увеличении массы отложений.