МИНЕРАЛЬНЫЕ НОВООБРАЗОВАНИЯ В ПАРОВЫХ КОТЛАХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И СИСТЕМАХ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Проблема загрязнения поверхностей нагрева при сжигании твердых топлив находится на первом плане вследствие разнообразия и сложности процессов загрязнения из-за тяжелых последствий образования в них отложений. В разделе рассмотрены основные механизмы образования и виды отложений в паровых котлах электростанций. Приведены результаты физико-химического анализа минералообразующей способности подземных вод и результаты комплексных исследований морфологии, микроструктур, вещественного и минерального состава новообразований, формирующихся на технологическом оборудовании водозабора Томской области. Показаны результаты изучения накипи как индикатора экологического состояния питьевых вод.

Отложения в паровых котлах электростанций

Основные понятия. На внутренних поверхностях котельных агрегатов, испарителей, парообразователей, подогревателей и конденсаторов паровых турбин могут образовываться отложения из-за присутствия в нагреваемой и испаряемой воде различных примесей. Эти отложения бывают различными как по составу, гак и по структуре. Выпадение из раствора веществ, содержащихся в питательной воде котельных агрегатов, происходит в основном в виде кристаллов. Кристаллизация веществ может происходить на стенках поверхностей нагрева и в объеме раствора. Центрами кристаллизации служат шероховатости на поверхности нагрева, коллоидные частицы и пузырьки газов, находящиеся в растворе, взвешенные частицы - кристаллики этого же или другого вещества.

Вещества, кристаллизующиеся на поверхности нагрева в виде твердых, плотно приставших к металлу отложений (накипи), называют на- кипеобразователями. Из веществ, присутствующих в питательной воде котельных агрегатов, к накипеобразователям относятся малорастворимые соединения кальция и магния. Вещества, кристаллизующиеся преимущественно в толще воды в виде взвешенных в растворе кристаллов или конгломератов, носят название котельного шлама. Но нельзя провести четкую границу между этими видами отложений, т. к. вещества, выделяющиеся на поверхности нагрева в форме накипи, могут с течением времени превращаться в шлам и, наоборот, шлам при некоторых условиях может прикипать к поверхности нагрева, образуя накипь. Твердая накипь, крепко пристающая к стенкам поверхностей нагрева, образует силикат кальция CaSi03. В виде плотной накипи происходит выпадение из раствора сульфата кальция CaS04. Карбонат кальция СаС03 может образовывать твердую накипь или шлам. В подогревателях и водяных экономайзерах при отсутствии кипения воды СаСО? выпадает из раствора обычно в виде плотной кристаллической накипи. В условиях бурного кипения, когда вместе с паром происходит удаление из раствора свободной углекислоты, карбонат кальция дает преимущественно шлам. Подвижный, легко удаляемый шлам образуют силикатные соединения магния: силикат магния MgSi03 и серпентин (сложный силикат магния) 3MgO • 2Si02 • 2Н20. Гидрат окиси магния Mg(OH)2 отлагается па поверхностях нагрева в виде так называемого прикипающего шлама. Он получается в результате того, что взвешенные частички гидроокиси магния проявляют способность в зонах вялой циркуляции плотно прилипать к поверхностям нагрева с последующим образованием на них прочных, но пористых отложений. Коэффициент теплопроводности таких отложений всегда несколько ниже, чем плотных отложений. Кроме того, в неплотностях, имеющихся в пористых отложениях, происходит упаривание раствора, приводящее к значительному повышению концентрации веществ, которое может обусловить возникновение очагов коррозии (так называемая подшламовая коррозия).

Возникновение отложений в различного рода теплообменниках приводит к пониженному нагреву воды и может вызвать необходимость включения в работу большей теплопередающей поверхности, чем это требуется по расчету.

При резких температурных колебаниях в стенках котельных труб, которые могут иметь место в процессе эксплуатации котла, накипь отслаивается от стенок в виде хрупких и плотных чешуек, которые заносятся потоком циркулирующей воды в места с замедленной циркуляцией, где происходит осаждение их в виде беспорядочного скопления кусочков различных величин и формы, сцементированных шламом в более или менее плотные образования (Стырикович и др., 1966; Шкроб, Вихрев, 1966; Эксплуатация..., 1988; Заворин, 1998).

Причины минералообразования в трубах паровых котлов. Исследователями котловых процессов на экспериментальных стендах было установлено, что резкое снижение динамического давления и весовой скорости в морфологически осложненных участках трубок происходит при различных скоростях и давлениях газожидкой смеси (Мань- кина, 1960; Стырикович и др., 1966 и др.). В этих участках повышается статическое давление (Худяков, 2000). При резком снижении динамического давления и скорости до нулевых величин и повышении стагического давления происходит вскипание растворов и пароводяных смесей, повышение их температуры (рис. 7.1.1).

Механизм образования минералов в областях аэрогидродинамической тени в изгибе стальной трубы

Рис. 7.1.1. Механизм образования минералов в областях аэрогидродинамической тени в изгибе стальной трубы:

1 - газожидкая смесь или гидротермальный раствор; 2, 3 - пузырьки, образованные, соответственно, при вскипании раствора (пузырьковое кипение) и пленочном

кипении; 4 - минералы в пузырьке; 5 - пересыщенный коллоидный раствор;

б - рудная линза; 7 - граница области аэрогидродинамической тени;

8, 9- направление соответственно главного водопотока и второстепенных водопотоков; 10 - вихреобразные импульсные течения (Худяков, 2000)

Явление вскипания пароводяной смеси в морфологически осложненных участках трубок было детально изучено на экспериментальных установках при давлениях от 0,1 до 30 МПа, скоростях от 0,1 до 60 м/с и температурах от 10 до 600 °С (Манькина, 1960). Это явление получило название пузырьковое кипение.

Резкое повышение температуры смесей и стенок трубок в морфологически осложненных участках отмечается многими исследователями. В областях аэрогидродинамической тени изгибов трубок экспериментальных установок происходит также переход истинных растворов в коллоидное состояние с одновременной его дегазацией, увеличение щелочности, концентрации растворов и минералообразование при интенсивном их перемешивании. Переход пузырькового кипения в пленочное и истинного - в коллоидное состояние доказаны работами многих исследователей (Сты- рикович и др., 1966; Бихар и др., 1970; Йовчев, 1988 и др.).

Вскипние пароводяной смеси сопровождается не только пузырьковым, но и пленочным кипением. При увеличении солесодержания в результате коагуляции коллоидов структура смеси начинает приближаться к структуре смеси в докритической области. Кроме образования ква- зитвсрдых пленок самопроизвольно происходит процесс скопления микроагрегатов, твердофазовых компонентов на поверхностных оболочках пузырьков. В результате «срок жизни» пузырьков увеличивается, и они, наслаиваясь, формируют устойчивую пену. Переход пузырькового кипения в пленочное в областях тени ловушек сопровождается большим повышением температуры, чем переход пароводяной смеси в пузырьковое кипение.

Состав, структура и физические свойства отложений. Отложение различных минералов в морфологически осложненных участках труб паровых котлов электростанций отмечается всеми исследователями внутри котловых физико-химических и электрохимических процессов. В работе М.А. Стыриковича с соавторами (1966) показано, что в трубах паровых котлов отлагается до 80... 100 кг минералов.

На основе минералогических, физико-химических, термографических, кристаллооптических исследований (Стырикович и др., 1966; Голубев, Шарапов, 1974) в морфологически осложненных участках труб паровых котлов выявлены следующие минералы: самородные минералы (медь), окислы и гидроокислы (магнетит, гематит, шпинель, опал, кварц, брусит, гидроокись кальция), карбонаты (кальцит, арагонит), сульфаты (ангидрит), фосфаты (апатит, фтор-апатит, хлор-апатит, гидроксил- апатит, брушит, фосфорит, карбонат-апатит), силикаты (эгирин, аналь- цим, серпентин, натролит, нозеан, гидронозеан, волластонит, канкринит).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >