Шлакообразование в котельных установках

Шлак - застывший остаток на поверхности выплавленного металла, а также остаток после сжигания в топках твердого топлива.

На процесс шлакообразования в топке решительное влияние оказывают нижеследующие внешние факторы: [7]

1. Температурный фактор, связанный, с одной стороны, с тепловым режимом топки, а с другой - со свойствами горючей массы топ­лива, с которой шлакообразующие элементы золы находятся в непосредственном соприкосновении.

2. Фактор времени, т. е. длительность соприкосновения могущих реагировать между собой при данных температурных условиях компонентов золы. В известной мере он может заменить собой фактор температуры, т. е. обеспечить шлакообразование при несколько пониженных температурах за счет увеличения длительности реагирования.

3. Фактор концентрации, увеличивающий выход шлака при повышении концентрации реагирующих веществ (закон действующих масс).

4. Фактор среды, в которой протекает реагирование компонентов золы как между собой, так и с этой средой.

Так, в чисто окис­ленной или чисто восстановительной среде наблюдается повышенная тугоплавкость золы вследствие исчезновения закиси железа (FeO), дающей легкоплавкие сплавы с силикатной основой золы. В чисто восстановительной среде она восстанавливается до чистого металла и не участвует в дальнейшем шлакообразовании, а в чисто окислительной — переходит в более прочное соединение — окись железа (Fe₂0₃), которая также значительно менее активна по отношению к силикатным компонентам золы (AI₂0₃, Si0₂). Между двумя крайними пределами: чисто восстановительной и чисто окислительной средой, имеется обширная промежуточная область, называемая полувосстановительной средой (смесь продуктов полного сгорания с продуктами восстановительных процессов: С0₂, Н₂0, СО, Н₂), которая особенно способствует усиленному шлакообразованию. Все эти факторы получают особенное развитие в период выгорания коксовой основы топлива (повышенная температура реагирующей поверхности коксовых частиц; достаточно длительная поверхностная газификация, увеличивающаяся концентрация минеральных примесей вследствие исчезновения летучих и газификации коксового углерода; полу восстановительная среда, возникающая вокруг частицы вследствие выделения смеси С0₂ и СО. В связи с этим наиболее существенными для борьбы с зашлаковыванием топки становятся именно те мероприятия, которые направлены на регулировку зоны выгорания, вернее -газификация кокса и выжига шлака, а если шлак уже достиг жидкоплавкого состояния, - на регулировку по температуре и составу среды зоны грануляции шлака при твердом его удалении и зоны шлакоперегрева при жидком шлакоудалении.

На поведение угля в топочной камере и надежность его использования,
в первую очередь по условиям шлакования поверхностей нагрева и выходу жидкого шлака, существенно влияют минеральная часть топлива, минералогический
и химический состав. Особенно характерны в этом отношении угли Канско-Ачинского бассейна и окисленные угли Кузнецкого бассейна, поставляемые для сжигания на топливо использующие установки.

Угли Канско-Ачинского бассейна, кроме того, что имеют способность быстро терять влагу на воздухе, растрескиваться, превращаться в мелочь и самовозгораться, отличаются весьма низкой зольностью – до 4…5 %. Зола таких углей (Березовское, Барандатское месторождения бассейна) характеризуется высоким содержанием оксида кальция (СаО) до 60…70 %, что и определяет ряд особенностей поведения минеральной части в топке.

Кальций связан с органической массой угля: чем меньше золы в угле, тем более высокое содержание оксида кальция в золе, чем выше зольность, тем более высокое содержание диоксида кремния (SiO₂) в золе. Это характерно для углей всех месторождений бассейна. Так содержание СаО при значениях зольности:
A^d = 5 % достигает 60 %, в то время как содержание SiO₂ составляет менее 10 %. При повышении зольности до 35 % содержание SiO₂ возрастает до 70…80%, а СаО падает до 10 % (рис. 3.9, табл. 3.8).

Температура размягчения t _C при малых значениях зольности и соответственно повышенном содержании СаО достигает 1700 °С.

Определение вязкости расплавов золы углей различных месторождений КАБ выявило следующие особенности, характерные для основных шлаков, богатых оксидом кальция:

1) при содержании СаО в золе до 45 % (содержание золы A^d < 12 %) область температур жидкого шлакоудаления находится в пределах 1450…1500°С;

2) при повышенном содержании СаО (> 40…45 %) растет температура расплава золы, которая при СаО» 60 % становится более 1650…1700°С;

3) полученные расплавы характеризуются весьма низкой вязкостью образующейся жидкой фазы и очень коротким интервалом жидкоплавкого состояния, что связано с быстрой кристаллизацией расплава при охлаждении.

При этом надо иметь в виду, что наиболее шлакующимися свойствами обладают угли Канско-Ачинского и окисленные угли Кузнецкого бассейнов.

Состав шлака с содержанием SiO₂ = 17…40 %, соответствующей зольности более 10 %, является весьма благоприятным для жидкого шлакоудаления. Эти составы имеют сравнительно низкую температуру истинно жидкого состояния (1250…1350 °С). При дальнейшем увеличении содержания СаО происходит закономерное повышение температуры истинно жидкого состояния до 1500°С и понижение вязкости расплава при этой температуре. Расплав приобретает высокую кристаллизационную способность. Это сказывается на надежности работы топки в режиме жидкого шлакоудаления. Эти трудности наступают при увеличении СаО³ 45…50 %.

Помимо резкого повышения температуры истинно жидкого состояния наступает сложное структурированное состояние расплава, при котором вследствие низкой вязкости жидкой фазы, происходит разделение массы с выделением расплава из кристаллического скелета, и уровень температуры, при котором обеспечивается жидкое шлакоудаление достигает1700°С ивыше.

Рисунок 4.1 –Шлакующие свойства углей

Работу парового котла на твердом топливе сопровождают такие нежелательные явления, как шлакование стен топки и труб поверхностей нагрева. При высоких температурах, развиваемых в топках, частицы золы могут переходить в расплавленное или размягченное состояние. Некоторые из этих частиц могут несущим газовым потоком доставляться и соударяться с трубами топочных экранов или поверхностей нагрева и налипать на последних, накапливаясь большими массами. [1]

Шлакование — это процесс интенсивного налипания на поверхности труб и обмуровки частиц золы, находящихся в расплавленном или размягченном состоянии.

Этот процесс сопровождается образованием значительных наростов, которые время от времени обрушиваются, выпадая в нижнюю часть топки. При падении шлаковых наростов может происходить деформация или разрушение трубной системы и обмуровки топочной камеры, а также шлакоудаляющих устройств. При высоких температурах упавшие глыбы шлака могут расплавляться, превращаясь в многотонные монолиты, заполняющие нижнюю часть топки. Подобные зашлаковки топки требуют останова котла и проведения расшлаковочных работ.

Шлакованию подвергаются также трубы поверхностей нагрева, расположенные на выходе из топки. В этом случае рост шлаковых отложений приводит к забиванию проходов между трубами и к частичному или полномуперекрытию сечения для прохода газов. Частичное перекрытие приводит к возрастанию сопротивления поверхности нагрева и увеличению загрузки дымососов. Если мощности дымососов недостаточно для вывода продуктов сгорания из зашлакованного котла, то снижают его нагрузку.

На шлакование сильное влияние оказывает состояние частицы, которое зависит от температуры газов, газового состава продуктов горения, свойств золы, в частности температуры ее плавления, зольности. В значительной степени процесс шлакования зависит от машиниста, от ведения топочного режима. Так, при недостаточной подаче воздуха процесс горения протекает в условиях нехватки кислорода и в топке создается восстановительная или полувосстановительная среда. В этих условиях многие оксиды переходят в закисные формы. В частности, оксиды железа Fe₂0₃ могут переходить в FeO, образуя жидкотекучие смеси Fe₂03—FeO (при 900—930° С), кроме того, в восстановительной или полувосстановительной среде температуры размягчения, деформации и плавления золы снижаются на 100—150° С, а иногда и больше.

Большое влияние на шлакование стен оказывает ударное действие горящего факела; уменьшение скорости и угла набегания факела на стенку благоприятствует снижению шлакования.

На шлакование также оказывает влияние длительность работы котла и состояние поверхности; отмечается более сильное шлакование шероховатых неохлаждаемых стен, имеющих повышенную температуру. Шероховатая поверхность удерживает частицы золы и создает условия повышеннойопасности шлакования; с увеличением длительности эксплуатации вследствие коррозионных процессов, загрязнения труб шероховатость труб растет. Если не очищать наружную поверхность труб, то даже при сжигании слабо шлакующих топлив со временем может происходить увеличение шлакования поверхностей нагрева.

Расшлаковка топочной камеры и поверхностей нагрева — длительный и трудоемкий процесс, требующий привлечения значительных людских и материальных ресурсов.

Для снижения или ликвидации шлакования необходимо тщательно следить за поддержанием окислительной среды в топочной камере (по показаниям кислородомеров) в целом и по ее сторонам; за равномерностью распределения топлива и воздуха по отдельным горелкам, за состоянием поверхности стен топки и труб, своевременно проводя обдувки. При локальном увеличении температуры у отдельных стен топочной камеры и появлении шлака можно вмешиваться в аэродинамическую организацию процесса горения уменьшением загрузки горелок, пылевоздушная смесь которых направлена в зону повышенного шлакования. В период интенсивного шлакования следует делать отборы проб топлива и их анализ. В отдельных случаях следует вводить ограничения на состав топлива или изменять схему сжигания и топочное устройство.

Для уменьшения шлакования проводят регулярную профилактическую очистку поверхностей нагрева, применяя паровую обдувку и водную термоциклическую обмывку стен топки.