теплообмен, загрязнение и коррозия поверхностей нагрева

ТЕПЛООБМЕН, ЗАГРЯЗНЕНИЕ И КОРРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА
КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.
5.1 Загрязнение и очистка поверхностей нагрева
Поверхности нагрева работающего котла покрываются со стороны газов горения
шлаком, золой и сажей. Твердые осаждения из уходящих газов на поверхностях
нагрева называются внешними загрязнениями, а отложения, скапливающиеся на
поверхностях нагрева – внешними отложениями. По стороне пара и воды
возможно покрвание внутренней поверхности труб накипью, котловой грязью и
водорастворимыми солями. В этом случае имеем дело с внутренними
загрязнениями и внутренними отложениями.
Как внешние, так и внутренние отложения уменьшают коэффициент
теплопередачи поверхностей теплообмена. Из-за отложений происходит меньшее
охлаждение уходящих газов горения и таким образом,умеьшается к.п.д. и тепловая
мощность котла. Внешние загрязнения забивают газовый тракт котла и
увеличивают его аэродинамическое сопротивление из-за чего увеотчивается
расход электроэнергии дымососами.
Наиболее интенсивным внешнее загрязнение является при сжигании твердого
топлива, загрязение меньше при сжигании жидкого топлива и еще меньше при
сжигании газообразного топлива.
Внешние загрязнения могут быть рыхлыми и находится на поверхностях нагрева в
насыпную, несвязанными, а могут быть – твердыми и сильно связянными с
поверхностью нагрева. Между этими двумя крайними формами отложений
существует множество промежуточных состояний отложений. Какие отложения
образуются на поверхностях нагрева (трубах) зависит от:
- вида сжигаемого топлива, особенно от состава его минеральной части
- метода сжигания
- температуры газов горения и поверхности нагрева
- скорости газов горения
- способа и частоты очистки поверхностей нагрева.
Если с внутренними загрязнениями в настоящее время умеют достаточно успешно
справляться, то образование внешних отложений неизбежно и котлы следует
оборудовать обдувочными аппаратами.
Наиболее распростаненным методом очистки поверхностей нагрева является
обдувка воздухом, паром или водяными струями, для чего в газоходах
установлены обдувочные аппараты, оборудованные соплами. Во время продувки
аппараты в большинстве своем вращаются; в межобдувочный период аппараты
удаляются из газаходов.
В вертикальных газоходах расположенные поверхности нагрева можно очищать,
используя дробильную очистку. Отложения удаляют ударами по трубе сверху
посыпаемой металлической или чугунной дробью.
При виброочистке встряхивают поверхности нагрева при помощи вибраторов.
1
5.2. Теплообмен в котле
Теплота сгорания, образующаяяся в результате горения топлива перегосится от
продуктов сгорания через металлические поверхности нагрева ( стенка трубы)
воде, пароводяной смеси и предварительно подогреваемому воздуху. Теплообмен
на внешней и внутренней стороне поверхностей нагрева происходит посредством
теплопроводности, конвекции и излучения. Эти процессы происходят
одновременно. От продуктов горения теплота переносится на внешнюю
поверхность нагрева излучением и конвекцией (теплоотдачей). Через матриал
поверхности нагрева (металл), а также через слои внешних и внутренних
отложений теплота передается теплопроводностью. С внутреннй поверхности
трубы тепло передается воде, пару или воздуху конвекцией или теплоотдачей.
При движении газов горения (уходящих) от топки в направлении к дымовой трубе
соотношение передаваемой лучистой теплоты и теплоты, передаваемой конвекцией
меняется. В топке доля лучистой теплоты составляет около 90%. Соотношение
теплоты, передаваемой конвекцией, большее в вихревых топках и топках с
кипящим слоем. А в слоевых топках и прямоточных камерных топках
конвекционная часть теплоты настолько мала, что её при расчете теплообмена и не
учитывают.
В поверхностях нагрева, раположенных в газоходах изменяется конвекционная
часть теплоты с 70-80% сразу за топкой до 95% - в воздухоподогревателях. Из-за
большого значения в теплообмене теплоты, передающейся конвекцией,
поверхности теплообмена, расположенные в газоходах ( пароперегреватели,
поверхности парообразования, экономайзер, вохдухоподогреватель) называют
также конвективными.
5.2.1. Теплообмен в топке.
Теплоотдача в топке происходит одновременно с горением топлива. Источником
излучения в топке являются углеводороды, газообразные трехатомные продукты
горения (СО2, SО2, Н2О), раскаленные частицы кокса, золы, сажы, в случае горения
на решетке – раскаленный слой топлива. Двухатомные газы практически теплоты
не излучают.
Интегральный поток излучения газового объема или поверхности выражается по
закону Стефана-Больцмана:
Е = ε∙σ0∙Т4
(5.1)
где
ε - степень черноты излучающего тела
σ0 – постоянная излучения абсолютно черного тела (σ0 = 5,65∙10-8 W/m2K4)/
Поскольку теплоту излучают все тела, то результирующий тепловой поток,
которым два тела обмениваются в единицу времени q W/m 2 , составляет разность
тепловых потоков этих тел:
q = E 1 – E 2 = ε ef σ0 (T 1 4 –T 2 4 )
(5.2)
2
где ε ef - эффективная степень черноты, которая зависит от степеней черноты
участвующих в теплообмене тел, их формы и взаиморасположения.
T 1 и T2 – температуры тел, которые участвуют в теплообмене.
При контрольном расчете теплообмена в топке находят температуру
уходящих газов из топки, где конструкция топки и рабочие условия
задаются.
При конструкционном расчете
определяются площадь поверхности
тепловоспринимающих поверхностей в топке, которая обеспечивала бы
заданную темпертуру уходящих из топки газов.
Прямое применение закона Стефана-Больцмана в этих целях невозможно,
т.к. сложность представляет определение температур излучающего объема
газов и тепловоспринимающей поверхности, а также определение
эффективной степени черноты.
Эти трудности связаны со следующими обстоятельствами:
- неоднородностью газовой среды в топке.
Топку частично заполняют пламя и газы горения и как излучательные
свойства ( степень черноты), так и температура резко изменяются как по
длине, так и по ширине топки.
- температура поверхности нагрева, окружающей топку, очень сильно
зависит
от
толщины
отложений
и
теплофизических
свойств
(теплопроводности, степени черноты).
Толщина отложений не однородна, поэтому и температура загрязненной
поверхности нагрева очень неоднородная.
Поскольку в силу изложенных причин аналитический расчет теплообмена
топки представляется весьма затруднительным, то более распространен ы
методы, которые базируются на теории подобия, где зависимости между
различными величинами определены экспериментально. Методика
теплового расчета топки представлена в книге: «Тепловой расчет котельных
агрегатов (нормативный метод)» М. Энергия. 1973, 295с. и на базе этой
книге составленном справочнике I. Mikk Soojustehnika käsiraamat. Valgus,
1977, 619 lk.
5.2.2. Теплообмен в конвективных поверхностях нагрева.
В конвективных поверхностях нагрева бОльшая часть тепла от газов горения
переносится путем конвекции. В расчетах следует учитывать и относительно
малое количество лучистой теплоты. Тепловой поток от газов горения к
теплоносителю, движущемуся внутри трубы расчитывается как:
q = k ( t1 – t2) ,
W/m 2
(5.3)
где k – коэффициент теплопередачи, W/(m 2 ·K)
k = ( 1 / ( 1/α 1 + δ s.sad /λ s.sad + δ m/λ m + δ v.sad/ λ v.sad + 1/α 2 ))
( 5.4)
3
где α1 и α2 – коэффициеты теплоотдачи от газов горения к внешней поверхности
нагрева и от внутренней поверхности нагрева к нагреваемой среде ( воде, пару,
воздуху), W/(m2-K)
δs.sad , δm , δv.sad — толщина внешних загрязнений, стенки поверхности нагрева
(трубы), внутренних загрязнений, m ,
λs.sad, λm, λv.sad – коэффициенты теплопроводности, W/(m·K),
t 1 – средняя температура газа в рассматриваемой части, 0 С
t 2 – средняя температура нагреваемой среды в рассматривамой части
поверхности нагрева, 0 С.
При нормальной экплуатации котлов толщина накипи и других внутренних
отложений не должна быть такой, чтобы значительно влиять на
теплоотдачу, поэтому термические сопротивления внутренних отложений
δ s.sad /λs.sad принимают равными нулю ( в одельных случаях, если их тощина
значительна, то при расчете их следует учитывать).
При маленькой толщине труб (0,002... 0,004 m ) и высокой теплопроводности
металла термическое сопротивление δ m/λ m тоже очень малая величина и ей
можно пренебречь.
В некоторых случаях внутренний коэффициент теплоодачи ( от стенки к
теплоносителю) настолько велик, что термическим сопротивлением 1/α 2 тоже
можно пренебречь ( например,
если т/нос – вода, или происходит
парообразование).
Термическое сопротивление внешних загрязнений δ v.sad/ λ v.sad существенно
уменьшает коэффициент теплопередачи k и его учитывают или
коэффициентом загрязнения
ε = δ v.sad/ λ v.sad , или коэфффициентом
эффективности поверхности нагрева
ψ = k saast /k,
где
ksaast и k –
коэффициенты теплопередачи загрязненной и чистой поверхности нагрева.
Как следует из выше приведенного, у каждой поверхности нагрева есть свои
особенности, которые необходимо учитывать при расчете теплообмена, при этом
возможно делать одни или другие упрощения. Поэтому для каждой конвективной
поверхности теплообмена выведены свои специальные формулы расчета
коэффициента теплопередачи k. Тепло-технический расчет конвективных
поверхностей нагрева представлен в нормативном расчете в книге «Тепловой
расчет котельных агрегатов (нормативный метод)» М. Энергия. 1973, 295с. и
на базе этой книге составленном справочнике I. Mikk Soojustehnika
käsiraamat. Valgus, 1977, 619 lk.
5.2.3. Возможности интенсификации теплоотдачи в котлах.
Интенсификация теплообмене дает возможность изготавливать поверхности
нагрева котлов меньших размеров, более компактными, это позволяет уменьшить
металлоемкость изготавливаемого котла, уменьшить расход других материалов.
4
В топке увеличить количество передаваемого тепла на единицу поверхности
нагрева возможно в основном 1. увеличением температуры пламени и
2. уменьшением внешних загрязнений поверхностей нагрева в топке.
Поднять температуру пламени можно прежде всего уменьшением коэффициента
избытка воздуха и теплопотерь от хим.и мех. недожега в топке. Поскольку
коэффициент избытка воздуха и теплопотери от хим. и мех. недожега зависят друг
от друга, то в топке следует поддерживать оптимальное значение коэффициента
избытка воздуха. Ещё возможно увеличить температуру
в топке путем
предварительного подогрева воздуха и увеличением температуры газов горения,
покидающих топку.
Коэффициент теплопередачи конвективного теплообмена пропорционально
увеличению скорости газов горения в 0,6...0,8 степени. Поэтому увеличить
теплоотдачу в конвективных поверхностях нагрева можно увеличением
скорости газов горения.
С увеличением скорости газов горения однако увеличивается аэродинамическое
сопротивление газового тракта ( аэродинамическое увеличение пропорционально
квадрату скорости газов горения), что увеличивает расход электроэнергии на
работу дымососов. В случае твердого топлива, если в газах горения содержится
много твердых частиц, увеличение скорости газов горения приводит к износу
поверхностей нагрева.
Уменьшение диаметра труб поверхностей нагрева также увеличивает
конвективный коэффициент теплоотдачи –
( зависимость коэффициента
теплоотдачи обратнопропорциональна диаметру трубы в степени 0,4...0,2).
Поскольку теплоотдача со стороны газов гораздо меньше, чем по стороне воды, то
очень важно улучшить условия теплоотдачи именно по газовой стороне.
Количество теплоты, воспринимаемое поверхностью нагрева в единицу времени:
Q = α1(t1—tP)A,
(5-5)
где tP – температура поверхности в 0С,
t1 – температура газов горения в 0С,
A – площадь тепловоспринимающей поверхности нагрева, м2.
Поскольку помимо коэффициента теплоотдачи α1 и темпертурного напора t1—tP на
количество теплоты влияет ещё площадь поверхности нагрева, одним из
мероприятий по увеличению теплоотдачи по газовой стороне является увеличение
площади поверхности нагрева путем оребрения труб. В настоящее время оребрение
труб в поверхностях нагрева по газовой стороне применяется довольно широко.
На рис. 5.1 представлены виды оребрений труб:
а – мембранная поверхность нагрева, b – спиральное оребрение, c –плавниковое
оребрение, d – спиральное оребрение с вырезами.
5
Рис. 5.2. Турбулизаторы газового
потока в жаровых трубах: а –
кольцевые диафрагмы, b – завихрители,
изготовленные из изогнутой жестяной
спирали, c – изогнутые с вырезами
жестяные завихрители, d – прямые
жестяные завихрители.
В случае жаротрубных котлов, когда газы движутся внутри труб, для увеличения
теплоотдачи находят применение различные завихрители и турбулизаторы
газового потока.
5.3. Внешняя коррозия поверхностей нагрева.
Коррозия – разрушение металла из-зи химического или электролитического
воздействия окружающей металл среды.
Внешнюю ( по газовой стороне)
коррозию
высокотемпературную и низкотемпературную.
можно
разделить
на
6
Высокотемпературная коррозия происходит в топке и в начале газоходов. Она
обусловлена наличием агрессивных компонентов (кислород, соединения серы,
щелочных металлов, ванадия и др.) в газах горения и золе и их влиянием на металл
поверхностей нагрева в условиях высоких температур. Поверхность металла под
воздействием кислорода, содержащегося в газах горения покрывается тонким
оксидным слоем (FeО2, Fe2О3), который препятствует дальнейшему окислению
металла. Все факторы, которые оказывают разрущающее воздействие на этот
оксидный слой, вызывают интенсивную коррозию.
Такими факторами являются:
- очистка поверхностей нагрева от внешних загрязнений, в результате которой
происходит частичное удаление оксидной пленки;
- слишком высокая температура нагрева в топке, в результате которой происходит
отслаивание оксидного слоя от поверхности нагрева;
- наличие в газах горения и золе таких соединений, с которыми оксидный слой
вступает в химическую реакцию.
Высокотемпературную коррозию можно снизить, если воздерживаться от
перегрева металла поверхностей нагрева и применять такие методы обдувки
(очистки поверхностей нагрева), которые не разрушают оксидный слой.
Низкотемпературная коррозия происходит при конденсации водяных паров,
находящихся в газах горения, на поверхности нагрева по газовой стороне.
Поверхность металла покрывается водяной пленкой, содержащей и другие
компоненты, которая представляет из себя электролит и вызывает интенсивную
электрохимическую коррозию. Конденсация водяных паров происходит, если
температура поверхности нагрева ниже температуры точки росы. При
отсутствии в газах горения соединений серы температура точки росы низкая и не
превышает 600С даже при самом влажном топливе. Таким образом, конденсация
паров на газоходах при отсутствии серы в газах горения довольно редкое явление,
если водяная пленка все же образуется, то имеет место интенсивная коррозия под
воздействием растворенной в воде кислоты.
Наличие в газах горения соединений SO2 и SO3 поднимает температуру точки росы
до 100 -150 0С. Сконденсировавшиеся пары воды вместе с SO3 образуют на
поверхности металла серную кислоту, которая оказывает на металл высокое
коррозионное воздействие.
Снизить возможность возникновения низкотемпературной коррозии можно
посредством поддержания щадящих эксплуатационных режимов и подбора
конструкций.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА СЛАНЦЕВЫХ ПАРОВЫХ
КОТЛОВ.
Загрязнение поверхностей нагрева паровых котлов в т.ч. покрывание поверхностей
осаждениями золы – сложное явление, результат нескольких физико-химических
процессов, которое нельзя однозначно описать и представить, поскольку несколько
7
факторов определяют механизм его образования. Наиболее важные из которых
следующие:
1. состав минеральной и органической части топлива,
2. изменения в минеральной части в процессе горения топлива, фракционный
состав летучей золы,
3. концентрация золы в газах горения,
4. состав газов горения,
5. температура газов горения и труб поверхностей нагрева,
6. скорость потока газов горения,
7. конструктивные особенности поверхностей нагрева,
8. технология очистки золовых отложений с поверхности нагрева,
9. коэффициент заноса (отложения загрязнений) во времени, который может
существенно изменять структуру отложений, их плотность и
теплофизические свойства и др.
Исследование загрязнений поверхностей нагрева преследует две цели:
1. выяснить механизм загрязнения,
2. определить влияние слоя отложений на поверхности теплообена на
теплоотдачу.
Вследствие изменения температуры газов горения, их скорости и других
параметров вдоль газоходов котла изменяются и условия загрязнения поверхностей
нагрева в широких пределах. Поэтому
целесообразно разделять золовые
отложения в сланцевых котлах на четыре группы – ссыпные (несвязанные),
связанные, связанные шлаки, шлаковые отложения ( последняя группа
встречается довольно редко).
Золовые отложения собирающиеся на поверхности нагрева сланцевого котла
значительно отличаются по составу от осаждающейся на ней летучей золы.
Причина в том, что частицы золы выпадают на поверхность нагрева выборочно и
уже в образовавшемся слое отложений протекают под воздействием газов горения
химические реакции и частицы спекаются между собой. Следовательно, в
зависимости от условий трубы поверхностей нагоева в котле могут покрываться
различающимися стркутурно, по химико-минералогическому составу, по
прочности и по теплофизическим свойствам.
В ссыпных отложениях частицы золы соединены между собой
межмолекулярными (механическими) силами. Такого типа отложения в сланцевом
котле встречабися на трубах конвектиных поверхностей нагрева, в зоне, где
температура не превышает 400-5000С. Масса ссыпных отложений зависит в
основном от гранулометрического состава золы и скорости её частиц. Масса
отложений тем больше, чем больше в газах горения мелких частиц и чем
медленнее скорость газового потока.
8
Механизм образования связанных отложений более сложный. В нем
значительное место занимают химические реакции в самих отложениях, важное
значение имеет также химическая связь между отложениями и трубами
поверхностей нагрева. При сжигании сланца как топлива с богатым содержанием
кальция Са и серы S возникают в основном сульфатные отложения. Начальной
причиной их образования является реакция между частицами, содержащими оксид
кальция СаО, которые осели на поверхности трубы, с двуокисью серы SО2 и
кислородом О2 в газах горения. В реакции сульфатизации более активными
являются частицы, содержащие оксид кальция СаО. Сульфат кальция образуется не
только из свободной извести, но сульфатизироваться могут на основе содержания
окиси кальция в них и новые минералы, которые образуются в топке при высоких
температурах. К более интенсивной сульфатизации склонны и соединения,
образовавшиеся на основе окиси железа. Источником окиси кальция в золе
является известь, образующаяся при разложении минеральных карбонатов ( в
сланце это в основном кальциты и доломиты).
Ранее было отмечено, что при определенных условиях отложения, осаждающиеся
на поверхностях нагрева химически активны в отношении металла поверхностей
нагрева. Силу этих химических связей определяет прежде всего температура
металла поверхности нагрева и состав отложений на поверхности нагрева,
имеет значение тип металла. Связанные отложения в сланцевом котле можно
встретить на конвективных поверхностях нагрева, когда температура газов горения
ниже 1000 – 1050 0С, а также на топочных экранах в области умеренного излучения
пламени.
Связанные шлаковые отложения образуются, когда на поверхность нагрева
осаждаются одновременно частицы как в твердом состоянии, так и в мягком и
расплавленном. Тогда в отложениях происходят реакции между частицами и
газовой средой, которые уплотняют слой отложений. Связанные шлаковые
отложения образуются на конвективных поверхностях нагрева в зоне высоких
температур газов горения. Также он покрывают поверхность топочных экранов в
местах с высокой интенсивностью излучения пламени (факела). Признак связанных
шлаковых соедиений – обычно высокое содержание железа в них.
Первый этап загрязнеия – это образование начального слоя на поверхностях труб.
При сжигании сланца в соответствующих условиях механизм образования
начальных отложений зависит от прямой конденсации на поверхность нагрева
сульфатов и хлоридов щелочных металлов. Конденсация сульфатов и хлоридов
щелочных металлов определяется парциальным давлением соответствующего
компонента в газах горения и температурой поверхности. Отсюда следует, что
возможность конденсации паров сульфатов и хлоридов щелочных металлов во
многом определяется их условиями образования и происходящими процессами в
минеральной части топлива при его сжигании. Здесь имеет значение технология
сжигания топлива. Очевидно, что при пылевидной технологии сжигания
летучесть щелочных металлов ( в основном калия) значительно выше, чем
при низкотемпературной технологии сжигания в кипящем слое.
9
ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ОТ ЗОЛОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ.
Очистку производят периодически повторяющимися циклами очистки, где метод
очистки определяется способом воздействия на отложения, при этом сила
воздействия должна превышать прочность связей отложений.
Цель очистки – наиболее полное удаление отложений с поверхности нагрева. В то
же время это связано с износом поверхностей нагрева.
Для очистки поверхностей нагрева сланцевых котлов используются несколько
разных технологий, наиболее распространенные среди них следующие:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
водяная очистка (струями),
паровая очистка,
высокочастотная вибрация труб,
низкочастотное всряхивание труб,
дробильная очистка
комбинированные системы.
Выбор типа очистки зависит от частоты приименения, характера и динамики
отложений, тепловосприятия, срока службы труб. Технология очистки
должна обеспечивать полную очистку труб от отложений, в то же время не
увеличивая коррозионно-эрозионного износа труб.
ТЕПЛООТДАЧА ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЛА.
Теплоотдача в топке и в конвективных поверхностях нагрева зависит от теплофизических свойств золовых отложений.
В пылевых топках перенос теплоты осуществляется преимущественно
лучистым обменом. Лучистую теплоту воспринимают боковые топочные
экраны, а также обширная поверхность ширм в камерной топке.
Перенос тепла в топках конвекцией небольшой, т.к. скорость газов горения
низкая.
В случае сжигания в кипящем слое преобладает перенос теплоты
конвекцией.
Теплоотдачу от факела к топочным экранам определяют три наиболее
существенных фактора:
1. термическое сопротивление золовых отложений,
2. излучательные свойства золовых отложений,
3. неизотермичность околостенного пограничного слоя топки.
Поскольку слой отложений вокруг трубы различен, то используют понятие
эффективного термического сопротивления, числовое значение которого
10
выражает общее термическое сопротивление тепловому потоку слоя
отложения как целого.
Используется и понятие коэффициента эффективности поверхности
нагрева как отношение тепловосприятий загрязненной и чистой поверхности.
Термическое сопротивление золовых отложений в значительной мере зависит
от типа отложений и их пористости.
Связанные отложения и связанные шлаковые отложения растут зачастую
беспрепятственно до их очистки с поверхности в цикле очистки. Вместе с
увеличением слоя отложений растет и их термическое сопротивление, из-за
чего процесс теплоотдачи на поверхности нагрева котла по существу –
нестационарный. Удаление в ходе цикла очистки слоя золовых отложений
является причиной скачкообразного изменения термического сопротивления
слоя и коэффициента эффективности поверхности нагрева.
Теплообмен в топках характеризует температура газов горения на выходе из
топки, по которой можно оценить степень загрязнения поверхностей нагрева.
Термическое сопротивление пристенного слоя и его влияние на теплообмен в
значительной мере зависит от внутритопочного массообмена, который в свою
очередь определяется аэродинамикой топки, которая зависит от геометрии
топки, расположения горелок.
Баланс лучистой энергии в топке тоже зависит степени черноты
тепловоспринимающей поверхности, что является физическим свойством
поверхности тела, коорая в данном случае зависит от состава и структуры
отложений и может изменяться в широких пределах. Степень черноты
стабильного слоя отложений высокая и приближается к степени черноты
металла с оксидным слоем. Но при конденсации щелочных металлов на
поверхность нагрева и образующийся при этом тонкий слой начальных
отложений обладает очень низкой лучевоспринимающей способностью из-за
низкой степени черноты.
Теплота передается в конвективных поверхностях нагрева конвекцией и
излучением, соотношение которых определяется температурой газов горения и
величиной излучающего объема газов.
Поскольку в процессе очистки удаляется не весь слой золовых отложений, то
тепловоспринимающая способность поверхностей нагрева снижается не только
из-за увеличения слоя отложений в межобдувочный период, но и из-за
постоянного наличия слоя золовых отложений на поверхностях нагрева.
11
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ
ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА
КОРРОЗИЯ
И
ИЗНОС
МЕТАЛЛА
Коррозия металла – окисление металла под воздействием окружающей среды, в
большинстве случаев под воздействием свободной или связанной кислоты.
Рассматриваеися коррозия металла по газовой стороне под воздействием
соединений, находящихся в золовых отложениях, которыми в случае сжигания
сланца наиболее важными являются хлор содержащие соединения.
Интенсивность коррозии поверхностей нагрева зависит от:
1. марки стали,
2. температуры металла,
3. свойств золовых отложений на поверхностях нагрева,
4. состава газов горения
5. фактора времени
Скорость коррозии зависит от свойств оксидного слоя. Если слой – плотный и
сильный, то процесс коррозии замедляется и это определяется скоростью
диффузии кислоты в оксидном слое. Коррозия тогда происходит в области
диффузии и оксидный слой предохраняет металл от коррозии.
Если оксидный слой – пористый, то сопротивление диффузии незначительное
и процесс дифундирования – линейный во времени. В этом случае
определяющее значение имеет кинетика коррозионной реакции и процесс
находится в т.н. кинетической области. Довольно часто процесс нахолится в
кинетическо-диффузионной области, т.к. на него оказывает влияние как
диффузия, так и кинентический фактор.
Из вышесказанного следует, что различные повреждения оксидного слоя во
время экплуатации котла ( во время очистки поверхности, останов котла,
резкое увеличение нагрузки) являюися факторами, увеличивающими износ
труб.
При сжигании сланца увеличивают коррозию металла хлорсодержащие
соединения в золе, при том, что влияние хлора на различные марки стали
не одинаковое.
В сланцевых котлах пылевидного сжигания коррозию металла ускоряют
хлориды калия КСl, которые конденсируются на поверхности нагрева
непосредственно из газов горения или входят в состав золовых отложений.
Сначала
хлорные
соединения
в
золовых
отложениях
очень
коррозионноактивны, но со временем количество хлора в отложениях
уменьшается – его вытесняет из отложений двуокись серы в газах горения и
образуется менее коррозионноактивный сульфат калия. Снижение содержания
хлора в отложениях снижает их коррозионную активность.
12
Коррозия металла при сжигании в кипящем слое отличается. При низких
температурах летучесть соединений калия из глинисто-песчаной минеральной
части сланца – умеренная и вероятность образования хлоридов калия в топке –
низкая. Но коррозионноактивные хлориды могут образоваться непосредственно
на поверхности нагрева при
соединении минералов с образующимся
хлористым водородом при горении сланца. Из-за очень низкого содержания
двуокиси серы в газах горения отсутствует и возможность интенсивного
вытеснения хлора и, таким образом, концентрация хлора в отложениях
увеличивается, а следовательно увеличивается коррозионная активность
отложений.
Независимо от области коррозии скорость коррозии металла сильно зависит от
температуры и хорошо описывается законом Аррениуса.
Серьезной проблемой является износ труб поверхностей нагрева сланцевых
котлов. Наиболее интенсивно изнашиваются трубы пароперегревателя, имеет
место высокотемпературная коррозия, которую ускоряет периодическое
разрушение оксидного слоя в процессе очистки.
13