Исследование теплообмена и разработка технологии комплексной защиты поверхностей нагрева котельных установок

Во многих отраслях промышленности пар используется в качестве движущей силы компрессоров и насосов, а также для производства электроэнергии или тепла, необходимого для технологических процессов. Пар вырабатывается котельным агрегатом, в котором вода нагревается за счёт сжигания топлива до тех пор, пака она не перейдет в паровую фазу.

Вода всегда содержит примеси. В процессе получения пара растворённые соли теоретически остаются в водяной фазе, так что котловая вода содержит соли в повышенной концентрации по сравнению с питательной водой. На самом же деле примеси в виде растворённых в воде газов, и некоторые соли попадают в пар. В результате этого возникает целый ряд проблем в работе систем, основными из них являются образование накипи и отложения железа.

В условиях повышенных температур соли откладываются на трубках котельного агрегата и создают барьер, ухудшающий теплопередачу сквозь стенку трубки. Это приводит к снижению КПД котлоагрегата и, в конечном счете, к выходу трубок из строя.

Возникающее в результате этого ухудшение экономических показателей предприятия обычно нельзя восстановить. В большинстве случаев производственные потери вследствие снижения паропроизводи-тельности обходятся гораздо дороже, чем ремонт и обслуживание с прекращением работы котлоагрегага.

Образование накипи вызывается в основном присутствием в питательной воде взвешенных веществ и растворимых примесей. Большинство котельных агрегатов работает на питательной воде хорошего качества с подпиточной водой, умягченной, по крайней мере, цеолитом, и 30 — 70% возвращенного конденсата. На входе в систему питательная вода содержит, как правило, 0,002 — 0,02 мг-экв/л солей жесткости и 0,03.

0,3 мг/л взвешенных окислов железа [76]. Но ни использование подпиточной воды, умягченной цеолитом, ни более глубокая очистка воды путем обессоливания не обеспечивает полное отсутствие накипи. Если не принимать каких-либо специальных мер, за год может образоваться 2 002 000 кг накипи в котлоагрегате, вырабатывающем 100 т пара в час [10]. Поэтому совершенно очевидно, что поддержание максимального эксплуатационного КПД требует проведения соответствующих мероприятий по внутрикотловой обработке воды.

Причиной коррозии является химическое или электрохимическое взаимодействие со средой. Коррозионный процесс протекает на границе двух фаз металл — окружающая среда, т. е. является гетерогенным процессом взаимодействия жидкой среды с металлом. Безвозвратные потери металла от коррозии за срок службы металлических конструкций принимаются равными в России 8% от начальной массы металла, что составляет за год 1,6 млн. т, а безвозвратные потери металла в процессе металлообработки от кислотного травления металла, окисления металлических отходов и неполного сбора окалины составляют 1 млн. т [35]. Таким образом, значительная часть производственной мощности металлургической промышленности идет на компенсацию коррозионных потерь металла. К косвенным убыткам можно отнести отказ в работе, простой оборудования, стоимость ремонта, увеличение расхода металла.

Надежная и экономичная работа котла и паровой турбины возможна при обеспечении отсутствия внутренних отложений на поверхностях нагрева, снижении до возможного минимума коррозии конструкционных материалов и получении в котле пара высокой чистоты. Эти задачи решаются организацией рационального водного режима, включающего в себя надлежащую обработку питательной воды в сочетании с определенными конструктивными мероприятиями и соответствующую очистку питательной и добавочной воды от имеющихся в них газообразных и твердых примесей. Последние могут находиться как в растворенном, так и во взвешенном состоянии. Вместе с питательной водой в котлы поступают различные минеральные примеси, в том числе соединения кальция и магния, оксида железа, алюминия, меди и др.

Накапливаясь в котле по мере испарения воды, эти примеси после наступления состояния насыщения начинают из нее выпадать. Прежде всего состояние насыщения наступает для солей жесткости Са (НС03)2, Mg (HC03)2, CaC02, MgC02, и они начинают выпадать из воды в виде кристаллов. Центрами кристаллизации служат шероховатости на поверхностях нагрева, а так же взвешенные и коллоидные частицы, находящиеся в воде котла. Вещества, кристаллизующиеся на поверхности нагрева, образуют плотные и прочные отложения — накипь. Вещества, кристаллизующиеся в объеме воды, образуют взвешенные в ней частицышлам.

Образование накипи на поверхности нагрева объясняется процессами взаимодействия между противоположно заряженными частицами накипеобразователей и металлической стенкой. Выделение твердой фазы на поверхности может происходить так же в процессе парообразования, до того как будет достигнуто состояние перенасыщения накипеобразователей в объеме воды вследствие выпаривания водяной оболочки пузырьков пара, образующихся на поверхности нагрева. Образовавшаяся первичная накипь является основой для отложения вторичных видов накипи — прикипевшего шлама, отложений продуктов коррозии металла [24].

Наиболее распространены кальциевая и магниевая первичные накипи, в составе которых преобладают CaS04, CaSi02, CaO, Si02H20, CaC02, Mg (OH)2. Накипь, как правило, имеет низкую теплопроводность, составляющую 0,1−0,2 Вт/(м-к). Поэтому даже малый слой накипи приводит к резкому ухудшению условий охлаждения металла поверхностей нагрева и вследствие этого к повышению его температуры. При этом у поверхностей нагрева, расположенных в области высоких температур экраны, фестоны, первые ряды труб конвективного пучка), температура металла может превысить предельную по условиям прочности, после чего начинается образование отдулин с утонением стенки трубы. Затем проявляется свищ — отверстие вдоль образующей трубы, через который с большой скоростью вытекает струя воды, и котел приходится останавливать. Накипь недопустима и в поверхностях нагрева, расположенных в зоне более низких температур, так как приводит к снижению КПД котла в результате уменьшения коэффициента теплопередачи и связанного с этим повышения температуры уходящих газов.

На режим работы котла вредное влияние оказывает также повышенная щелочность водыувеличенная щелочность может привести к вспениванию воды в барабане и в предельном случае — к заполнению вспененной водой всего парового объема барабана. Вспениванию воды способствует содержание в ней органических соединений и аммиака. В этих условиях сепарационные устройства не обеспечивают отделение капель воды от пара, и вода из барабана, содержащая различные примеси, может поступить в пароперегреватель и затем в турбину, создавая опасность их загрязнения и нарушения нормальных условий работы. Повышенная щелочность является причиной появления щелочной коррозии металла, а также возникновения трещин в местах вальцовки труб в коллекторах и барабане.

В связи с указанными вредными влияниями на работу котла различных примесей их предельно-допустимое содержание в питательной воде нормируется.

Исходным фактором в организации водного режима паровых котлов является качество питательной воды.

Из этого следует вывод: коррозия и накипь — два «врага» теплоэнергетики.

Вопросам технологии водоподготовки и защиты теплотехнического оборудования от коррозии и накипеобразования посвящено значительное количество монографий и научных статей. Наиболее полно указанные вопросы рассмотрены в трудах А. П. Акользина, Н. Н. Манькина, Н. М. Дятловой, Н. В. Ивановой JI.C. Петрова и др. [4, 33, 39, 57, 58, 73].

В течение нескольких лет кафедра «Промышленной теплоэнергетики» и ОАО «Череповецкий «Азот» ведут работы по изысканию путей снижения и исключения образования накипи на поверхностях теплообмена и защиты от коррозии.

Актуальность работы.

В процессе работы теплотехнического оборудования при использовании жесткой воды на поверхностях нагрева образуются твердые отложения, которые принято называть накипью. Накипь обладает высокими механическими свойствами и низкой теплопроводящей способностью и поэтому является причиной ряда технических сложностей и дополнительных затрат при эксплуатации теплового хозяйства предприятий:

— накипь и отложения приводят к значительному перерасходу топлива и, соответственно, снижению коэффициента полезного действия котлов. Так, при наличии накипи толщиной 1 мм котел перерасходует в среднем 2−3% топлива, а 4−5 мм — 8−10% [62]. С ростом потребления топлива увеличивается и количество вредных выбросов в атмосферу;

— при остановке котла требуется выполнить трудоемкую и дорогостоящую очистку котлов и теплообменной аппаратуры от накопившихся накипи и отложений. В период между чистками накипь и отложения образуются вновь;

— низкая теплоотдача накипи и отложений приводит к сильному перегреву металлических поверхностей нагрева, из-за чего в трубах появляются трещины, вздутия и деформации. Это является причинами аварий, сокращением межремонтных сроков и увеличением затрат на ремонт и обслуживание;

— накипь и отложения уменьшают сечение труб, увеличивая их гидросопротивление, что приводит к дополнительным потерям электроэнергии в насосном оборудовании на перекачку воды;

— перегрев металла, несвоевременная и некачественная очистка неизбежно приводят к сокращению срока службы котлов в 2³ раза [62]- к неоправданным затратам на приобретение и монтаж новых котлов, взамен вышедших из строя.

Если не принимать каких-либо специальных мер, за год может образоваться 200−2000 кг накипи в котлоагрегате, вырабатывающем 100 т пара в час [62].

Таким образом, предотвращение накипеобразования и защита от коррозии являются одной из актуальных проблем, связанных с эксплуатацией теплотехнического оборудования.

Целью работы является исследование взаимодействия реагентов (фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином — морфолином) на теплопередающие поверхности котельных установок и разработка мероприятий по защите поверхности нагрева от коррозии, накипи и отложений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель теплообмена с учетом толщины слоя и состава отложений на внутренней поверхности труб. Проведено исследование влияния толщины и состава отложений на тепловое состояние труб. Получены зависимости для оценки и прогноза ресурса работы труб в условиях образования отложений на их внутренней поверхности.

2. Исследовано влияние фосфатного реагента отечественного производства — фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином морфолином на процесс образования защитной пленки на поверхностях пароводяного тракта котельных установок.

3. Установлена оптимальная массовая концентрация морфолина и фосфанола в питательной воде, способствующая устойчивому образованию пленки для котлов разного давления. Исследовано термическое сопротивление защитной пленки на экспериментальной установке, а также влияние образующейся защитной пленки на коэффициент теплопередачи.

4. Установлено, что термическое сопротивление защитной пленки, образующейся при применении новых реагентов, в три с половиной раза меньше, а коэффициент теплопередачи в семь с половоиной раз выше аналогичных параметров при применении традиционных схем обработки питательной воды (схемы амминирования и фосфатирования).

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами проведенных экспериментов, опытными данными других авторов и промышленными испытаниями.

Практическая значимость работы:

1. Установлено, что для снижения температуры поверхности труб, увеличивающейся в результате образования отложений, необходимо своевременно увеличивать интенсивность теплообмена. При достижении определенной толщины слоя отложений, соответствующей критическому значению перепада температур по толщине трубы, их необходимо выводить из эксплуатации. Предложена методика определения температурного ресурса работы труб в условиях накипеобразования.

2. Разработана последовательность операций по приготовлению растворов морфолина и фосфанола, правила работы с этими реагентами на основе существующих по проекту схем амминирования и фосфатирования питательной воды котлов.

3. На основе использования методов расчета произведен анализ и даны рекомендации по применению реагентов на котлах различной мощности, применяемых на промышленных предприятиях.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли проверку в промышленных условиях и рекомендованы к внедрению в технологиях водоподготовки не только на котлах средней мощности, но и на других видах теплотехнического оборудования.

Практическая ценность и перспективность разработок подтверждены протоколами совещаний специалистов ОАО «Череповецкий «Азот» .

Апробация работы, публикации. Настоящее диссертационное исследование проводилось автором на ОАО «Череповецкий «Азот» в цехе пароводогазоснабжения и центральной лаборатории объединенияна кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Череповецкого государственного университета.

Основные разделы работы были представлены на Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 1998г), XIII межвузовской военно-научной конференции (Череповец, 1999г), II Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообмена процессов и систем» (Вологда, 2000г), IV межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2003г), I общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону» (Вологда, 2003 г), а также на совещаниях специалистов ОАО «Череповецкий «Азот» .

По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения и четырех глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Она изложена на 167 страницах, содержит 132 страницы основного текста,.

4.5 Выводы по главе.

1. Получены расчетные значения доз реагентов фосфанола в пересчете на POl~ и морфолина в пересчете на основное вещество.

2. Разработана последовательность операций и правила работы для приготовления, хранения и подачи рабочего водного раствора морфолина и фосфанола.

3. Для непрерывной подачи фосфанола в питательную воду предложено применить существующее оборудование установки амминирования, а непрерывной подачи морфолина — существующее оборудование установки фосфатирования.

4. Дана общая характеристика котельных установок, применяемых в промышленности и характеристика основных видов коррозии металла в котельных агрегатах, на основании чего представлены требования к качеству питательной воды паровых котлов в виде графических зависимостей от рабочего давления пара.

5. Разработаны рекомендации по дозировке реагентов морфолина и фосфанола на промышленных котлах, которые также представлены в виде графических зависимостей двух видов:

— зависимости от содержания растворенного кислорода и общей жесткости питательной воды котлов;

— зависимости от объема подаваемой воды в котел (производительности котла).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам практических и экспериментальных исследований разработана технология снижения и образования накипи и защита от коррозии на поверхностях теплонагрева в котельном оборудовании с помощью применения реагентов отечественного производства — фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином — морфолином. Изучено влияние образующейся пленки на теплопередающие поверхности котла.

1. Разработана математическая модель теплообмена в зависимости от толщины слоя и состава отложений на внутренней поверхности труб. Проведено исследование влияния толщины слоя и состава отложений на тепловое состояние труб. Установлено, что для снижения температуры поверхности труб, увеличивающейся в результате образования отложений, необходимо своевременно увеличивать интенсивность теплообмена. Получены зависимости для определения температурного ресурса работы труб в условиях появления отложений на внутренних поверхностях труб.

2. Исследовано термическое сопротивление защитной пленки методом регулярного теплового режима первого рода, который отличается простотой расчетных зависимостей, измерительной аппаратуры и проведения опыта. При его использовании основной измеряемой величиной является темп охлаждения.

3. На базе лаборатории кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Череповецкого государственного университета изготовлена экспериментальная установка для определения термического сопротивления образцов-свидетелей без обработки реагентами и после обработки реагентами.

4. Проведены инженерные расчеты по определению термического сопротивления защитной пленки и термического сопротивления слоя отложений. У становлено, что термическое сопротивление защитной пленки в три с половиной раза меньше термического сопротивления слоя накипи, а средний коэффициент теплопередачи с применением новых добавок увеличился в семь с половиной раз.

5. На основании лабораторных исследований проведен расчет доз реагентов фосфанола в пересчете на Р ()1~ и морфолина в пересчете на основное вещество. Разработана последовательность операций по приготовлению растворов фосфанола и морфолина, даны рекомендации по работе с этими реагентами на основе существующих по проекту схем амминирования и фосфатирования питательной воды.

6. Экпериментально установлено, что после введения в питательную воду котла (ГМ-50−1) новых реагентов, поверхности нагрева покрыты защитной пленкой, ранее образовавшиеся язвы «залечились», отсутствуют отложения на стенках котла. Защитной пленкой частично покрыт и паровой тракт.

7. Даны рекомендации по использованию реагентов на котлах различной мощности, применяемых на промышленных предприятиях.

Внедрение технологий обеспечит:

— надежную защиту поверхностей нагрева, благодаря созданию прочных защитных пленок;

— возможность отключения установок умягчения или декарбонизации подпиточной воды и питать котельные установки водой с высокой жесткостью и щелочностью;

— снижение перерасхода топлива и, как следствие, увеличение кпд котельных установок, уменьшение выбросов продуктов сгорания в атмосферу;

— увеличение межремонтного цикла котельных агрегатов и снижение затрат на ремонт (очистка труб от отложений трудоемка и дорога);

— консервацию оборудования в период его простоя;

— отсутствие переноса продуктов коррозии по пароводяному тракту;

— возможность ускоренного ввода мощности в эксплуатацию;

— увеличение надежности эксплуатации оборудования.