Влияние тепловой нагрузки на железо-окисное накипеобразование в котлах
На основании теоретического рассмотрения закономерностей термолиза гидрозакиси железа, а также экспериментальных данных, приведенных в работе, авторами были получены соответствующие номограммы, приведенные на рис. 2 и 3. Анализ данных по термическому распаду гидрозакиси железа показывает следующее. В прямоточных котлах СКД (например, в котле ПК-41) распад Ре(ОН)2 завершается во входном фронтовом экране НРЧ, и железо-окисные отложения, наблюдаемые в следующем боковом экране НРЧ, происходят из ранее образовавшихся высокодисперсных кристаллов магнетита. Это подтверждается экспериментальными данными о структуре отложений и дисперсности соединений железа в потоке среды.
В барабанных котлах высокого давления (13,8 и 9,8 МПа) за время пребывания в котле 5 ... 6 ми# (время пребывания — это отношение массы воды в циркуляционных контурах котла к его паро-производительности гидрозакись железа полностью распадается с образованием магнетита, поскольку время распада на 90 % составляет 0,8 мин (при давлении 13,8 МПа) и 1,5 мин (при 9,8 МПа). Время пребывания в котле и время распада гидрозакиси железа в барабанных котлах среднего давления (4,0 МПа) близки и составляют 13 и 15 мин соответственно. В барабанных котлах низкого давления (1,4 МПа) гидрозакись железа распадается в меньшей степени, поскольку время распада на 90 % в условиях пониженной температуры воды составляет 180 мин, тогда как время пребывания воды в котле — лишь около 50 мин.
На основании изложенного можно дать прогнозную сравнительную оценку интенсивности железо-окисного накипеообразования в котлах различных типов н влияния на нее тепловой нагрузки.
В барабанных котлах высокого давления, на электростанциях, работающих в режиме ГРЭС с минимальным добавком химической обессоленной воды, действуют оба рассмотренных основных фактора железо-окисного накипеобразования, а именно: наличие поверхностного заряда у коллоидных частиц продуктов коррозии и присутствие железа преимущественно в форме магнетита. Так, согласно данным промышленных испытаний, проведенных НПО ЦКТИ и ЛПИ, уже в питательной воде подобных котлов около 50 % соединений железа обладает магнитными свойствами. Остальные 50 % — в основном гидрозакись железа, которая, как показано ранее, в котле полностью переходит в форму магнетита. В этом случае должна иметь место максимальная скорость железо-окисного накипеообразования, а при обобщении экспериментальных данных в соответствии с формулой для показателя степени п следует ожидать значения 2,0 — максимальной из экспериментально определяемых величин, что хорошо согласуется с результатами промышленных испытаний.
В барабанных котлах среднего давления в полной мере сохраняется влияние первого из перечисленных факторов. Однако большая величина добавка химически умягченной воды (20 % и более), в которой содержание магнитных форм соединений железа незначительно, и более низкая температура питательной воды приводят к тому, что суммарное содержание магнетита и гидрозакиси железа в питательной воде на входе в котел заметно снижается (около 20 % Ре804).
Кроме того, в условиях работы котлов среднего давления должны проявляться дополнительные факторы процесса. В соответствии с результатами работы, следует ожидать стабилизирующего влияния повышенных значений рН котловой воды и концентрации кремниевой кислоты, которые тормозят процесс термического распада гидрозакиси железа. В связи с большим размером добавка и упрощенной схемой хим-водоочистки железо-окисное накипеообразование может существенно уменьшаться из-за присутствия органических соединений в «солевом букете» котловой воды. Так, например, в опытах, проведенных на Рижской ТЭЦ-1 при переводе котла (питавшегося химически очищенной водой, приготовленной из артезианской) на питание из поверхностного водоисточника с высоким содержанием органических веществ, интенсивность осаждения соединений железа в контурах котла снизилась в несколько раз. Наконец, более низкая температура котловой воды и соответственно металла труб должна привести к некоторому снижению величины термо-ЭДС, возникающей под действием теплового потока и, следовательно, к снижению интенсивности осаждения соединений железа в котле.
Очевидно, следует ожидать существенного уменьшения интенсивности железо-окисного накипеобразования в котлах среднего давления. Анализ фактических данных, выполненный в работе [41, показывает, что доля соединений железа, выпадающих в котлах среднего давления, составляет около 40 % (от общего количества, поступившего с питательной водой) по сравнению с 90 % для котлов высокого давления, т. е. снижается в 2 раза. При этом интенсивность железоокисных отложений линейно зависит от тепловой нагрузки (п=1).
Приведенные соображения относятся и к котлам низкого давления, для которых показатель степени влияния тепловой нагрузки (с учетом данных работы по фактическому выпадению железа в котлах низкого давления) также должен быть примерно равен 1.
В котлах СКД, работающих при гидразинно-аммиачном режиме, как уже отмечалось, все соединения железа в зоне образования отложений в НРЧ присутствуют в форме магнетита, т. е. второй фактор железоокисного накипеообразования проявляется в максимальной степени. При этом влияние первого фактора практически отсутствует, так как в силу высокой температуры среды свойства ее как растворителя резко снижаются, и поэтому отсутствуют условия для образования поверхностных зарядов коллоидных частиц [7]. Таким образом, в условиях работы котлов *СКД интенсивность осаждения соединений железа в НРЧ должна линейно зависеть от тепловой нагрузки. Экспериментальные данные, полученные разными авторами на промышленных котлах типа ПК-41, фиксируют подобные значения показателя степени (1,0 и 0,5).
Накопленный в последние годы опыт эксплуатации блоков СКД на нейтрально-окислительном режиме прн вводе перекиси водорода и газообразного кислорода свидетельствует о весьма незначительном осаждении соединений железа в топочных экранах котлов. С учетом изложенного это представляется закономерным, так как при вводе окислителя подавляющее количество соединений железа в тракте энергоблока находится в немагнитной (парамагнитной) форме Ре(ОН)3, РеООН и Ре203. Характерно, что небольшие железо-окисные отложения при нейтрально-окислительном режиме крайне слабо связаны с металлом труб, что подтверждает ограниченную роль в процессе железо-окисного накипеобразования поверхностных адгезионных сил взаимодействия частиц продуктов коррозии с поверхностью нагрева.
Таким образом, можно констатировать, что в условиях традиционного щелочного режима максимальное влияние тепловой нагрузки должно проявляться в барабанных котлах высокого давления (показатель степени п в формуле (1) равен 2), а минимальное — в котлах СКД (л=1). В остальных случаях показатель степени п в большей или меньшей степени приближается к единице в зависимости от параметров и конструкции котла, водно-химической схемы и качества исходной воды.
На основании изложенного должно быть пересмотрено отношение к повышенным тепловым потокам, интенсифицирующим осаждение соединений железа в котлах, как к неизбежному явлению. Определенные резервы борьбы с железо-окисным накипеобразованием заключены в рациональной организации водного режима энергоблоков и прежде всего в снижении содержания магнитных форм соединений железа в котловой воде. Представляется также перспективной рекомендуемая рядом авторов локальная защита зоны топочных экранов с высокими удельными тепловыми потоками путем установки дополнительных экранов, охлаждаемых водой с более низкой температурой, поскольку снижение температуры стенки трубы должно закономерно приводить к уменьшению генерируемых термо-ЭДС. Выводы
1. Важнейшими факторами железо-окисного накипеобразовання в топочных экранах котлов являются наличие поверхностного заряда у коллоидных частиц продуктов коррозии и присутствие в котловой воде магнитных форм соединений железа. Суммарное влияние указанных и ряда дополнительных факторов определяется как организацией водно-химического режима энергоустановки в целом, включая качество добавляемой в цикл воды и размер добавка, так и параметрами и конструкцией котла.
2. Известная формула (1) для прогнозирования интенсивности железо-окисного накипеобразования, учитывающая лишь общую концентрацию соединений железа в питательной воде и тепловую нагрузку топочных экранов, в общем виде не отражает сложного процесса взаимодействия факторов осаждения соединений железа в котлах разных типов и параметров. Вместе с тем использование указанной формулы для прогнозирования интенсивности накипеобразования в котлах данного типа на конкретной электростанции целесообразно и правомерно при уточнении коэффициентов «к» и «п» по данным тепло-химических испытаний.
3. Представляется перспективной промышленная проверка возможности снижения интенсивности железо-окисного накипеобразования в барабанных котлах высокого давления в условиях нейтрально-окислительного режима при наличии блочной обессоливающей установки.
4. Необходимо дальнейшее развитие экспериментальных работ по изучению влияния теплового потока и возникающей при этом термо-ЭДС на интенсивность железо-окисного накипеобразования. В частности, требуется всесторонне исследовать осаждаемость различных форм соединений железа при щелочном и нейтрально-окислительном режимах, а также влияние на этот процесс температуры стенки трубы.