Представление о физических и химических процессах, протекающих в котельных агрегатах и установках, является необходимым условием для понимания причин, вызвавших создание и определяющих выбор той или иной конструкции топочного устройства, котельного агрегата и его элементов, устройств и вспомогательных механизмов.

К физико-химическим явлениям, протекающим с внешней стороны поверхностей нагрева, относятся процессы горения, загрязнения, износа, коррозии и окалинообразования и с внутренней — изменение темпера­туры и агрегатного состояния теплоносителя, гидродинамика и цирку­ляция теплоносителя, образование накипи и выпадение из воды отло­жений, шлама, иногда коррозии внутренних поверхностей нагрева и сепарация пара и воды.

Загрязнение внешних поверхностей нагрева при омывании их дымо­выми газами может иметь место при работе котлоагрегатов на твердых и жидких топливах. Все отложения, образующиеся на наружных по­верхностях нагрева, можно условно разделить на четыре группы: плот­ные, рыхлые, сыпучие и липкие. Каждая из групп отложений связана с составом золы топлива и процессом, протекающим при сжи­гании в топке.

Первые три группы отложений наблюдаются при сжигании твер­дых топлив, липкие отложения могут образовываться при сжигании жидких топлив.

Процесс загрязнения начинается в топке и обычно при сжигании твердого топлива происходит в виде осаждения частиц золы на трубах поверхностей нагрева и не закрытых трубами участках обмуровки. Наи­более интенсивно эти процессы протекают при наличии в топочной ка­мере полувосстановительной среды, снижающей температуру плавкости золы по сравнению с температурами для окислительной среды. Перйо - начально отложения золы твердого топлива имеют в топке рыхлую структуру и могут быть легко удалены. Задержка удаления отложений приводит к их превращению в плотные спекшиеся образования, которые

II— 53 161 под воздействием высоких температур и полувосстановительной среды становятся стекловидными.

В рыхлых отложениях силы сцепления частиц между собой и с по­верхностью нагрева не велики. Плотные отложения и особенно спекшие­ся стекловидные отложения сильно связаны между собой, а также с по­верхностями нагрева. Поэтому удаление отложений с поверхностей нагрева в топке и газоходах должно выполняться регулярно и своевре­менно.

При вертикальном расположении труб в газоходах котлоагрегатов сыпучие и рыхлые отложения падают с поверхностей нагрева и ограж­дающих конструкций в специальные емкости или бункера.

В тех случаях, когда в газоходы котлоагрегата из топочной камеры уносится значительное количество не полностью сгоревшего топлива, в емкостях устанавливают устройства для возврата уноса в топочную камеру и его дожигания.

При горизонтальном или наклонном расположении труб конвектив­ных поверхностей нагрева сыпучие и рыхлые отложения могут превра­щаться в плотные. Сернистые мазуты при сжигании без присадок и с большими избытками воздуха ат дают плотные отложения на трубах пароперегревателя и воздухоподогревателя, прочно сцепленные с метал­лической стенкой. При совместном сжигании мазута и торфа, мазута и АШ также образуются прочные отложения.

Борьба с отложениями на внешних поверхностях нагрева в топоч­ных камерах ведется путем поддержания такого режима горения топли­ва, при котором среда в топочной камере окислительная, процесс горе­ния полный и отсутствует наброс (попадание) факела на стены. В газо­ходах необходимо при всех нагрузках выдерживать скорости газов, пре­пятствующие отложению частиц, вынесенных из топочного устройства. Чрезмерное увеличение указанной скорости дымовых газов ведет не только к разрушению слоя отложений, но и износу металла.

Износ труб поверхностей нагрева может происходить за счет удара частиц золы о металл, разрушения пленки окислов и последующего эро­зионного (механического) и коррозионного воздействия. Износ имеет место, когда скорость дымовых газов превышает 6—8 м/с и приведен­ная зольность топлива (см. стр. 28) составляет около 10—12%. Износ труб протекает неравномерно: больше всего изнашиваются места, где скорости газов и концентрации в их потоке твердых частиц имеют по­вышенные значения. По окружности трубы быстрее изнашивается стен­ка, находящаяся под углом 30—40° от оси набегающего потока. В пер­вом приближении износ труб, мм, можно определить из выражения

Бизноса:=: ^Х1С1кк2. (4-1)

В выражении:

Ш — скорость газов, найденная по формуле (2-146), м/с, с учетом неравномерности скоростного поля по сечению газохода, достигающей величины 1,4—1,6;

Т — длительность работы, ч;

IX — концентрация твердых частиц в потоке газов, определяемая по формуле (2-54), г/м3;

К и &2 — коэффициенты, определяющие число вероятных ударов частиц о стенку и устойчивость металла износу;

А — коэффициент абразивности, мм-с3/(г-ч), величина коэффици­ента для различных топлив изменяется от —2,2 до 9,5-10”9 и определя­ется опытным путем.

Если же скорость дымовых газов низка (<2—3 м/с), то могут иметь место повышенное загрязнение Поверхностей нагрева и снижение тепловосприятия вне зависимости от приведенной зольности топлива.

В силу изложенного скорости дымовых газов (при номинальной нагрузке котлоагрегата) выбирают в диапазоне 4—8 м/с. При слоевом сжигании топлива частицы уноса из топочной камеры крупней, чем при камерном, а количество золы меньше, что дает возможность продлить кампанию ра­боты котлоагрегата без очистки поверхно­стей нагрева.

Внешняя коррозия поверхностей на^ грева связана с составом дымовых газов и характером протекания процесса горения, а также с температурным режимом работы металлических элементов и поверхностей нагрева котельного агрегата. Например, при сжигании мазута коррозия может про­исходить при высоких и низких темпера­турах.

Высокотемпературная коррозия явля­ется следствием присутствия в золе мазута окиси ванадия и воздействия его на эле­менты котлоагрегата при температуре ме­талла, достигающей 680°С и более (подвес­ки, опоры и т. п.). В первую очередь высокотемпературной коррозии подвержены легированные стали аустенитного класса.

Низкотемпературная коррозия связана с содержанием в мазуте се­ры, образованием 5>Оз и соединением его с конденсирующимися водя­ными парами, дающим серную кислоту и ее раствор.

При камерном сжигании твердого топлива внешняя коррозия труб наблюдалась при температурах металла около 400°С в тех частях топоч­ных камер, где имели место полувосстановительная среда и несгоревшее топливо.

Для борьбы с низкотемпературной - коррозией при сжигании серни­стого мазута, как показали исследования, целесообразно снижать избы­ток воздуха в топочной камере до величины ат=1,02—1,05, что умень­шает температуру точки росы. Ориентировочная зависимость темпера­туры точки росы от приведенного содержания серы в топливе показана на рис. 4-1.

Для определения температуры точки росы дымовых газов, образую­щихся при сжигании сернистых топлив, можно пользоваться формулой ВТИ:

Пр

1,054 •19 • Дуд Лпр

В формуле:

— температура точки росы водяных паров 50—60°С;

5пр и Лпр — приведенное содержание серы и золы в топливе, см. формулу (1-17);

%н — доля золы топлива в уносе, см. формулу (2-75);

Р — коэффициент, зависящий от избытка воздуха в топке и при «т=1,2 равный 195, при а—1,5—208.

Поскольку в дымовых газах всегда имеются вещества, активно реа­гирующие с металлом, избежать полностью коррозии не удается. По - 11* 163

Этому следует лишь обеспечить условия, при которых скорость коррозии была бы минимальной.

Для низкотемпературного процесса экономически допустима ско­рость коррозии до 0,2 мм/год при соответствующей температуре стен­ки, °С:

(4-3)

В формуле:

$1—температура греющей среды, °С;

Tcp — температура нагреваемой среды, °С.

Поскольку повышение температуры тепловоспринимающей среды (воды, воздуха) не всегда возможно, часто приходится увеличивать тем­пературу газов. Наряду с этим предпринимаются попытки заменить сталь стеклом, керамикой или покрыть сталь эмалью. Низкотемператур­ные поверхности нагрева, выполненные из чугуна, за счет увеличенной (в 4—5 раз) толщины стенки работают более длительно по сравнению со стальными трубами. Конденсация раствора серной кислоты на по­верхностях нагрева, кроме вызываемой им коррозии металла, приводит к отложениям частиц золы и топлива и снижению коэффициента тепло­передачи.

При расположении элементов котлоагрегата, изготовленных из угле­родистых сталей, в зоне температур выше 600°С и недостаточном их охлаждении может происходить интенсивное окалинообразование. Ока- линообразование же на деталях котлоагрегатов сопровождается дефор­мацией, что приводит к нарушению плотности и прочности соединений (дверц, опор, прокладок и подвесок в газоходах) и ухудшает работу поверхностей нагрева. Надежная работа углеродистых сталей будет обеспечена в том случае, если температура металла не превышает 500— 600°С, для легированных сталей она может быть повышена до 600— 700°С, а сталей аустенитного класса — до 800°С. Однако при таких тем­пературах металла может происходить и высокотемпературная ванадие­вая коррозия.

Поэтому для углеродистых сталей необходимо обеспечить охлаж­дение подвесок, опор, дистанцирующих вставок до температуры 500°С.