Наружные загрязнения


Наружное загрязнение конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата приводит к ухудшению теплопередачи и как следствие к повышению температуры уходящих газов и снижению КПД котельного агрегата. Кроме того, оно увеличивает аэродинамическое сопротивление газового тракта, в результате чего повышаются нагрузка дымососов и расход электроэнергии на тягу.

Характер наружных загрязнений конвективных поверхностей нагрева различен и зависит от рода сжигаемого топлива, способа сжигания его и температурного режима в области загрязняющейся поверхности нагрева. Различают:

  • загрязнение конвективных поверхностей нагрева, у которых температура наружной стенки труб превышает температуру точки росы для сжигаемого топлива:
    • при сжигании твердого топлива в слоевой или пылеугольной топке;
    • при сжигании жидкого топлива в факельной топке и иногда твердого топлива в циклонной топке;
    • при сжигании газообразного топлива;
  • загрязнение конвективных поверхностей нагрева, у которых температура наружной стенки труб ниже температуры точки росы для сжигаемого топлива.

При сжигании твердого топлива в слоевой или пылеугольной топке трубы, температура которых превышает температуру точки росы («сухие» трубы), загрязняются сыпучими отложениями летучей золы, которые сдуваются струей пара или воздуха и легко счищаются механическими средствами. Частицы золы прилипают к трубе под действием Сил притяжения поверхностных слоев их атомов. Эффект этих сил возрастает с увеличением отношения поверхности тела к его объему, т. е. с уменьшением размеров тела. В результате чем меньше частицы золы, тем плотнее и крепче они пристают к поверхности трубы, и наоборот. Этим и объясняется непрочность золовых отложений, образующихся на трубах котельных агрегатов при сжигании твердого топлива в слое или в пылевидном состоянии, когда летучая зола оказывается относительно крупной.

Нарастание сыпучих отложений летучей золы на чистых трубах вначале происходит очень интенсивно, но затем оно постепенно замедляется и стабилизируется. Характер расположения отложений на трубах определяется аэродинамическими особенностями трубного пучка.

При поперечном омывании трубных пучков местом основного отложения золы независимо от направления газового потока является кормовая сторона труб (рис. 1), так как в газовые вихри, образующиеся за кормой трубы, поступают из основного потока лишь более мелкие частицы золы, поскольку они больше следуют движению газовой фазы, чем частицы более крупных размеров. Поэтому в кормовой части трубы создаются более благоприятные условия для оседания золы, чем в лобовой. Размеры отложений на кормовой стороне определяются скоростью омывании труб газовым потоком; они уменьшаются с увеличением скорости. На лобовой части трубы при небольшой скорости омывания также создаются небольшие отложении золы, но при увеличении скорости омывания они исчезают. На боковых образующих трубы оседания золы не происходит ни при какой скорости и последние всегда остаются чистыми, причем с увеличением скорости омывання увеличивается поверхность чистых участков трубы.

Характер оседания на трубах сыпучих отложений

Рис. 1. Характер оседания на трубах сыпучих отложений при поперечном омывании трубного пучка (по данным Н. В. Кузнецова)

Уменьшение размеров отложений с увеличением скорости омывания пучков объясняется тем, что в результате возрастания живой силы летящих частиц золы они легче преодолевают силы притяжения атомов поверхностных слоев. Кроме того, с увеличением скорости движения газового потока крупные частицы золы более эффективно отрывают от поверхности труб осевшие на них мелкие частицы. По этим же причинам загрязнение труб уменьшается с увеличением размеров частиц золы.

Степень загрязнения поверхности нагрева после стабилизации процесса перестает зависеть от концентрации золы в дымовых газах, поэтому при сжигании малозольного топлива поверхности нагрева загрязняются до той же степени, что и при сжигании многозольного топлива, но этот процесс происходит медленнее, что позволяет увеличить период работы котельного агрегата между обдувками поверхностей нагрева.

Трубные пучки котельного агрегата очищают от сыпучих отложений обдувкой паром, сжатым воздухом или перегретой продувочной водой с помощью специальных обдувочных аппаратов, устанавливаемых в газоходах котельного агрегата.

Вредное влияние наружного загрязнения труб конвективных поверхностей нагрева в основном заключается в том, что оно снижает величину коэффициента теплоотдачи данной поверхности нагрева. Поэтому в качестве количественной характеристики, определяющей степень наружного загрязнения конвективных поверхностей нагрева, называемой коэффициентом загрязнения, принимают величину:

Наружные загрязнения коэффициент

где k3 и kч — соответственно коэффициенты теплопередачи для аналогичных загрязненных и чистых пучков труб.

При сжигании твердого топлива величина е в поперечно омываемых трубных пучках заметно уменьшается с увеличением скорости омывания и увеличивается приблизительно пропорционально возрастанию диаметра труб. В шахматных пучках при прочих равных условиях коэффициент загрязнения оказывается приблизительно в 2 раза меньшим, чем в коридорных.

Уменьшение продольного относительного шага труб в шахматных пучках с 2 до 1 заметно уменьшает величину коэффициента загрязнения (до 4 раз и более) из-за уменьшения и полного исчезновения отложений золы на кормовой стороне труб. В коридорных пучках величина продольного относительного шага мало влияет на величину е, так же как и величина поперечного относительного шага труб при шахматном и коридорном расположении их. Почти не влияют на величину в направление движения потока газов в пучке и величина концентрации летучей золы в газах. Коэффициент загрязнения пучков из ребристых труб значительно выше коэффициента загрязнения пучков из гладких труб.

Из всего изложенного можно было бы заключить, что увеличение скорости омывания трубных пучков газовым потоком могло бы явиться рациональным способом самоочистки поверхностей нагрева от наружного загрязнения. Однако это верно только до известного предела, так как увеличение скорости движения газов в трубных пучках сопровождается резким увеличением их аэродинамического сопротивления и как следствие резким увеличением требуемого давления дымососа и расхода электроэнергии на тягу. Кроме того, начиная с некоторой скорости омывания, возникает износ труб летучей золой, который резко увеличивается по мере увеличения скорости омывания.

Указанное ограничивает нижний предел скорости дымовых газов по условиям заноса поверхностей нагрева летучей золой скоростью 6 м/сек для поперечно омываемых пучков и 8 м/сек для трубчатых воздухоподогревателей; верхний предел скорости дымовых газов по условиям предотвращения золового износа принимается равным 9-14 м/сек в зависимости от рода топлива и способа сжигания его.

По данным Н. В. Кузнецова основное направление создания мало загрязняющихся конвективных поверхностей нагрева заключается в уменьшении диаметра труб, а при шахматном расположении их еще и в уменьшении их продольного шага.

Величину коэффициента загрязнения гладкотрубных пучков при сжигании твердого топлива, за исключением древесного, определяют по формуле:

Наружные загрязнения коэффициент загрязнения гладкотрубных пучков

где ε0 — исходный коэффициент загрязнения, определяемый по номограмме (рис. 2);
Cd — поправка на диаметр труб для коридорных пучков, определяемая по вспомогательному графику той же номограммы;
Cфр — поправка на фракционный состав золы, принимаемая равной 1,0 для углей и сланцев н 0,7 для торфа;
Δεфр — поправка, равная 0,002, вводимая только при определении величины в для пароперегревателей, а также для испарительных пучков и переходной зоны прямоточных котлов, второй ступени экономайзеров и одноступенчатых экономайзеров при температуре газов перед поверхностью нагрева, превышающей 400 °С.

Наружные загрязнения номограмма

При сжигании древесного топлива величина коэффициента загрязнения дается интегрально: для котельных пучков — 0,010 м²·ч·град/ккал, для пароперегревателей — 0,008 м²·ч·град/ккал, для гладкотрубных экономайзеров — 0,012 м²·ч·град/ккал.

При сжигании мазута в факеле и некоторых видов твердого топлива в циклонных топках на экранах топки, фестонах, первых рядах кипятильных труб и пароперегревателях образуются отложения в виде плотной, иногда стекловидной, трудно удаляемой корки, толщина которой неограниченно увеличивается. В результате после некоторого периода работы котельного агрегата, который при неблагоприятных условиях может ограничиваться 10—15 днями, толщина слоя плотных отложений может достигнуть 4—7 и даже 15—20 мм. Это вызывает недопустимое повышение температуры отходящих газов и аэродинамического сопротивления газового тракта, что приводит к необходимости срочной остановки котельного агрегата для чистки поверхностей нагрева. В этих прочных отложениях содержатся в большом количестве окиси кремния и железа и сульфаты щелочных металлов. Окиси кремния и железа переходят в отложения из минеральных примесей топлива, где они содержатся в относительно значительных количествах. Сульфаты же щелочных металлов образуются в процессе горения топлива. Вследствие относительно низкой температуры кипения эти сульфаты образуются в парообразном состоянии и только в процессе движения но газоходам котельного агрегата конденсируются, оседают на трубы вместе с очень тонкими частицами окиси кремния и железа, остывают и твердеют. Удалить эти отложения обдувкой не представляется возможным.

Для предотвращения образования указанных отложений при сжигании мазута применяют особые присадки, вводимые в размере 0,1—1,0 % количества сжигаемого топлива в топочную камеру или непосредственно в мазут на стадии хранения его или транспорта перед подачей в топку. Эти присадки, влияя на физико-химические процессы, происходящие в минеральной части топлива при его горении, приводят к тому, что отложения на трубах становятся рыхлыми и рассыпчатыми, что позволяет удалять их с поверхности нагрева обычными обдувочными аппаратами. Распространенной присадкой служит доломит — смесь карбонатов кальция н магния (СаО = 30 ÷ 34 %; MgO = 21 ÷ 22 %; С02 = 38 ÷ 48 %), который подают в порошкообразном виде в количестве ≈ 0,1 % сожженного топлива вместе с воздухом в топку либо непосредственно в мазут. Существуют еще жидкие присадки, которые подаются в мазутопроводы в количестве ≈ 0,2 % расхода топлива.

Поверхности нагрева, расположенные в вертикальных конвективных шахтах, очищают от загрязнений также чугунной дробью с диаметром дробинок 4—6 мм. Ее подают в верхнюю часть шахты, где она особым распределительным устройством равномерно разбрасывается по сечению газохода. Падая через конвективные поверхности, дробь сбивает с труб осевшие на них отложения и вместе с ними собирается в находящемся под шахтой бункере. Затем дробь очищается от золы и вновь поднимается системой пневмотранспорта к верху шахты. Такая система называется дробеочисткой; основное достоинство ее заключается в том, что ею можно пользоваться во время работы котельного агрегата без остановки его.

Расчетные величины коэффициента загрязнения при сжигании мазута принимаются равными для котельных пучков и пароперегревателей 0,015 м²·ч·град/ккал, а для гладкотрубных водяных экономайзеров 0,020 м²·ч·град/ккал.

При сжигании газообразного топлива загрязнение конвективных поверхностей. нагрева незначительно. Обычно трубы покрываются тонким слоем сажи, которая иногда в незначительных количествах образуется в топке при нарушении установленного режима горения или растопке котла.

Расчетный коэффициент загрязнения при сжнгании природного газа принимают равным 0,005 м²·ч·град/ккал для всех поверхностей нагрева.

Конвективные поверхности нагрева, температура наружной стенки которых ниже температуры точки росы для сжигаемого топлива («потеющие» трубы), загрязняются при сжигании любого зольного топлива. Загрязнения этого рода локализуются в нижней части труб трубчатого воздухоподогревателя или в нижних рядах труб чугунного водяного экономайзера котельных агрегатов малой производительности при питании экономайзера холодной водой. Оседая на влажную «потеющую» поверхность нагрева, летучая зола образует слипшуюся корку, которая постепенно нарастает и, высыхая, затвердевает, так как с увеличением толщины корки температура на ее поверхности повышается и конденсация водяных паров из дымовых газов прекращается. Одновременно прекращается и дальнейшее загрязнение. Вследствие локального характера такое загрязнение, как правило, существенно не нарушает нормальной эксплуатации котельного агрегата. От этих загрязнений котельный агрегат очищают при остановке его на ремонт обдувкой сжатым воздухом или механическим способом.