Внутренние отложения на поверхностях нагрева
Твердые отложения на внутренней поверхности теплообмена называют накипью.
Взвешенные вещества, циркулирующие с котловой водой, либо скапливающиеся в системах котла, называют шламом.
Четкой границы между этими видами отложений не существует, так как накипь при определенных условиях может превращаться в шлам и наоборот – шлам в накипь.
На рис. 7.37 показано влияние накипи на перерасход топлива для котлов низкого давления.
Рис. 7.37. Влияние толщины слоя накипи на перерасход топлива для котла низкого давления
Накипь и шлам образуются в результате физико-химических процессов, из которых основным является процесс кристаллизации, характеризующийся выделением твердой фазы из многокомпонентных пересыщенных растворов. С ростом температуры возникает кристаллизация солей, имеющих отрицательный температурный коэффициент растворимости, а при общем повышении концентрации солей в испаряемой воде вследствие ее упаривания из раствора начинают выделяться в твердую фазу в первую очередь те соединения, для которых раствор ближе всего к состоянию насыщения.
Химический состав, структура и физические свойства отложений
Отложения по химическому составу классифицируют на четыре группы:
щелочноземельные;
сложные силикатные;
железные;
медные.
В первую группу входят карбонатные, сульфатные, силикатные, фосфатные накипи с преобладанием до 90% по массе CaCО3, CaSО4, CaSiO3, 5CaO ⋅ 5SiO2 ⋅ H2O, Ca3(PO4)2, Mg(OH)2.
Карбонатная накипь – CaCО3 откладывается обычно в форме плотных кристаллических отложений на тех поверхностях нагрева или охлаждения, где отсутствует кипение воды, а среда – нещелочная (водяные экономайзеры, конденсаторы турбин, водоподогреватели, питательные трубопроводы, тепловые сети). В условиях кипения щелочной воды CaCО3 выпадает в виде шлама.
Сульфатная накипь CaSО4 – характеризуется высокой твердостью и большой плотностью.
Силикатная накипь CaSiO3 – образует твердую, прочную накипь.
Во вторую группу входят сложные силикатные накипи, имеющие разнообразный минералогический состав – обусловлено способностью кремниевой кислоты образовывать накипи не только с катионами кальция и магния, но и с катионами алюминия, железа, натрия и др. В химическом составе накипей второй группы содержится: 40–50% кремниевой кислоты; 25–30% оксидов железа, меди, алюминия; 5–10% оксида натрия; 1–3% щелочноземельных металлов (% по массе). Накипи второй группы характеризуются разнообразием структур – от пористых и комковых отложений до твердых и плотных образований, ровным слоем покрывающих металлическую поверхность.
В третью группу входят: железофосфатные накипи – NaFePO4, Fe3(PO4)2; железоокисные накипи, состоящие в основном из окислов железа Fe3O4 70–90% и 5–8% Cu (по массе).
Железофосфатные накипи образуются при повышении содержания фосфатов и железа в котловой воде и при низкой щелочности воды. Эти накипи откладываются на внутренних поверхностях парообразующих труб. Железофосфатные накипи характеризуются как рыхлые накипи.
Железокислые накипи образуются в зонах, характеризующихся высокими тепловыми нагрузками. Эти накипи откладываются на поверхности труб сплошным слоем, либо отдельными чешуйками, сцементированными друг с другом.
Четвертая группа – медная накипь. Содержит 70–90% металлической меди – Cu. Медная накипь образуется при повышении содержаний соединений меди в питательной воде на участках парогенерирующих труб с высокой тепловой нагрузкой ≥ 840 тыс кдж/м2ч (или ≥ 200 тыс ккал/м2 час), а также в местах глубокого упаривания котловой воды. Эта накипь откладывается в виде слоистых образований. Верхний слой, омываемой котловой водой, содержит наибольшее количество металлической меди (70–90% по массе), последующие слои по мере приближения к поверхности содержат все меньшее количество меди (10–25%) при одновременном возрастании окислов железа, кремниевой кислоты, фосфатов кальция и других компонентов.
В процессе эксплуатации котла при изменениях его гидродинамического и теплового режимов, связанных с ростом нагрузки, возможно образование на стенках экранных труб временных натриевых отложений (Na2SO4, Na2SiO3, NaCl), которые будучи хорошо растворимыми в воде, полностью вымываются со стенок труб котла при его остановке либо резком снижении нагрузки.
В состав котельного шлама входят: углекислый кальций CaCO3, гидрат окиси магния Mg(OH)2, гидрокарбонат магния Mg(OH)2 ⋅ MgCO3, фосфат магния Mg3(PO4)2, гидроксилапатит Ca10(PO4)6(OH)2, форстерит (2MgO ⋅ SiO2), окислы железа (Fe2O3, Fe3O4), окислы меди (CuO, Cu2O), органические вещества и т.д. При наличии в котловой воде кремниевой кислоты гидрат окиси магния вступает с нею в соединение, образуя при этом серпентин, который обычно выпадает в форме высокодисперсного шлама:
3Mg(OH)2 + 2SiO2 = 3MgO ⋅ 2SiO2 ⋅ 2H2O + H2O
Следует различать:
а) шламы, не прикипающие к поверхностям нагрева и поэтому сравнительно легко выводимые наружу во время работы котла путем периодической продувки последнего; к числу их относятся гидроксилапатит и серпентин;
б) шламы, способные при определенных условиях прикипать к поверхностям нагрева и являться материалом для образования так называемых вторичных накипей; к числу прикипающих шламов могут быть отнесены гидрат окиси магния и фосфатно-магнезиальные соединения.
Участие шлама в процессах накипеобразования возможно и за счет оседания частиц его в порах образующейся накипи, что способствует формированию более плотного слоя отложений на стенках труб.
Теплопроводность отложений (табл. 7.30) является важной характеристикой, определяющей надежность и экономичность работы котлов и теплообменных аппаратов. Плотно приставшие к поверхности отложения менее опасны, чем слабо сидящие, так как зазор, образующийся между металлической стенкой и отложениями, сильно увеличивает температурный напор и приводит к опасному местному перегреву металла. Наибольшую опасность представляют силикатная накипь и накипь, пропитанная маслом.
Таблица 7.30. Средние значения коэффициентов теплопроводности для различных видов накипи
Виды накипи и ее химический состав Характер отложений Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м⋅К (ккал/м⋅ч⋅град)
Накипь, содержащая масло Твердая 0,116 – 0,175 (0,1 – 0,15)
Силикатная накипь (с содержанием SiO2 20–25% и выше) Твердая 0,058 – 0,23 (0,05 – 0,2)
Гипсовая накипь (с содержаниемCaSO4 до 50%) Твердая, плотная 0,582 – 2,908 (0,5 – 2,5)
Карбонатная накипь (с содержанием CaCO3, MgCO3больше 50%) От аморфного порошка до твердого котельного камня 0,582 – 6,978 (0,5 – 6,0)
Смешанная накипь, состоящая из гипса, карбонатов и силикатов кальция и магния Твердая, плотная 0,814 – 3,489 (0,7 – 3,0)
Рис.7.38. Зависимость температуры стенки кипятильной трубы от толщины слоя накипи для различных значений коэффициента теплопроводности ее
Приведенные значения температур вычислены при следующих условиях:
температура топочного пространства 1100 °С;
температура котловой воды 200 °С;
толщина стенки трубы 5 мм;
теплопроводность металла трубы 50 Вт/м⋅К (43 ккал/м⋅ч °С);
теплонапряжение поверхности нагрева без накипи 630 тыс. кДж/м2ч (150 тыс. ккал/2ч).
Приведенные на рис. 7.38 кривые показывают, что достаточно незначительного по толщине слоя (0,1–0,2 мм) малотеплопроводной накипи, чтобы температура металла на внутренней поверхности достигла 500 °С и больше. Температура наружной поверхности трубы при этом еще на 30–40 °С выше, что приводит к «отдутлинам» и разрывам котельных труб. Зависимости различных отложений от температуры и концентраций приведены на рис. 7.39–7.44.
Рис. 7.39. Влияние концентрации накипеобразователей на скорость процесса (по данным ВТИ): 1 – общее количество отложений; 2 – количество отложений CaCO3; 3 – количество отложений MgCO3
Рис. 7.40. Зависимость скорости образования щелочноземельных отложений от тепловой нагрузки (по данным ВТИ): 1 – общее количество и скорость образования отложений; 2 – количество отложений CaCO3 и скорость образования кальциевых отложений; 3 – количество отложений MgCO3 и скорость образования магниевых отложений
Рис. 7.41. Зависимость скорости образования железоокисных отложений от тепловой нагрузки (по данным ВТИ): 1 – содержание железа в питательной воде 50 мкг/л; 2 – то же 20 мкг/л
Рис. 7.42. Области существования железофосфата и гидрата закиси железа в зависимости от концентраций и в котловой воде
Рис. 7.43. Зависимость количества медных отложений от величины тепловой нагрузки для экранной трубы котла ТМ-200 (по данным ВТИ): 1 – нагрузка котла 125 т/ч; 2 – нагрузка котла 200 т/ч; 3 – распределение отложений меди
Рис. 7.44. Зависимость растворимости в воде натриевых соединений от температуры
Задачей организации рационального водного режима котлов является создание в котловой воде таких условий, при которых накипеобразователи, попадающие в котел с питательной водой, выделялись бы только в форме шлама, неспособного откладываться на поверхностях теплообмена и удаляемого из котла с продувочной водой.
Снижайте затраты на отопление и парогенерацию путем удаления отложений из котельного и теплообменного оборудования с помощью инновационных технических моющих средств белорусского производства!!!
Есть решение - средства для промывки котлов и теплообменников "Декарбон", "Дескам", "Декарбон 1", "МСК", "Теплотекс плюс", " Доместик-люкс" и др.
