Абразивный износ

Продукты сгорания твердого топлива выносят из топки значительное количество частиц золы и несгоревшего топлива. Считают, что в мире к 1990 г. при сжигании твердого и жидкого топлива, учитывая современные способы очистки продуктов сгорания, в атмосферу будет выбрасываться до 40 млн. т/год уноса и до 170 млн. м³/год S0₂.

Средняя концентрация частиц уноса в потоке газов, г/м³, определяется по формуле

где — содержание золы в рабочей массе топлива, %; — доля золы в продуктах сгорания; Г_ун — содержание горючих в уносе, %; — объем продуктов сгорания, м³/кг; — температура продуктов сгорания на входе в конвектив­ную поверхность нагрева, °С.

Например, при сжигании АШ в топках с сухим шлакоудалением μ = 0, 14 г/м³.

Находящиеся в потоке газов частицы уноса встречают на своем пути трубы поверхностей нагрева. Крупные (инерционные) частицы (размером более 20 мкм) под действием кинетической энергии, возникающей при их движении вместе с газами с относительно высокой скоростью, пробивают пограничный слой, ударяются о трубы и вызывают их истирание— абразивный износ наружной поверхности.

Золовой износ за промежуток времени т определяется по формуле

(25.2)

где —износ, мм или г/м², за время ; а= (2-9, 5) • 10^-9— коэффициент, характеризующий абразивные свойства частиц, мм-с³/(гч); — концентрация уноса в потоке газа, г/м³; w — средняя скорость потока газов, м/с; — коэффициент, учитывающий вероятность ударов частиц о поверхность; m — коэффициент, учитывающий сопротивляемость металла износу; m=1для углеродистых труб и m = 7 для хромомолибденовых труб.

При длительном истирании толщина стенки труб уменьшается, снижается ее прочность, что может привести к разрыву труб, работающих под давлением. Наибольший местный абразивный износ в шахматном пучке труб поверхности нагрева, мм, характеризуется выражением

(25.3)

где — коэффициент неравномерности концентрации золы в газоходе, обычно (1, 2-1, 25); w — средняя скорость потока газов, м/с, в наиболее узком месте; — коэффициент неравномерности поля скоростей в газоходе, (1, 2-1, 4); — длительность работы поверхности нагрева, ч; к — средняя концентрация частиц в потоке газов.

Из формул (25.2) и (25.3) видно, что износ в основном определяется скоростью потока газов и местной концентрацией крупных частиц в потоке. Наибольшую скорость поток газов имеет в каналах около труб, расположенных у стенок газоходов. Характер распределения концентрации частиц зависит от аэродинамических условий движения потока. Наибольшая концентрация крупных частиц имеет место у задней стенки газохода в местах поворота газов, и поэтому износу наиболее подвержены змеевики экономайзера, расположенные в верхней части конвективной шахты непосредственно за поворотной газовой камерой.

Неравномерность скорости потока газов и концентрации в нем крупных частиц уноса (рис. 25.1) вызывает и неравномерный износ поверхностей нагрева. При поперечном обтекании поверхности нагрева большему износу подвержены шахматные пучки труб, расположенные в зоне наибольшей концентрации крупных частиц уноса. Наибольшему износу подвержены участки труб при угле атаки потока 30—50°.

При продольном обтекании абразивный износ возникает на входных участках труб вследствие увеличения в этих местах скорости потока, а также прямого удара частиц уноса о поверхность. Предельно допустимая по условиям абразивного износа скорость газов на входе в первый пакет конвективной шахты (между трубами), м/с, определяется по формуле

(25.4)

где — коэффициенты неравномерности полей скоростей газов и концентрации золы (при П-образнон компоновке =1, 25; =1, 2; при повороте газов на 180° =1, 6, =1, 6); τ — срок службы труб, ч; — максимально допустимый износ стенки трубы, мм; —коэффициент, равный 1, 15 для котлов с D> 120 т/ч и 1, 3—1, 4 для котлов с D = 50-75 т/ч; R90— остаток золы на сите 90 мкм, %.

Существенное влияние на износ оказывают абразивные свойства золы и несгоревших частиц топлива. Легкоплавкие зольные частицы оплавляются и меньше истирают трубы. Частицы тугоплавкой золы, а также несгоревшего топлива имеют шероховатую поверхность с острыми кромками, что повышает их абразивные свойства. При жидком шлакоудалении частицы золы оплавлены и имеют меньшие размеры, поэтому износ поверхностей нагрева уменьшается.

Уменьшение износа может быть достигнуто за счет снижения скорости газового потока, а также уменьшения концентрации в нем уноса, в частности, путем применения топок с жидким шлакоудалением. Допустимая скорость продуктов сгорания может быть определена исходя из желаемого срока службы труб и допустимой остаточной толщины стенки по условиям ее прочности. Допустимый износ трубы примерно 0, 2 мм/год. Скорость газовw, определяемая условиями истирания абразивной золой, при пылеугольном сжигании АШ иs/d = 2, 5 составляет 11, 5 м/с.

С целью защиты рабочих поверхностей нагрева в местах наиболее интенсивного износа на трубах устанавливают уголки и накладки на сгибах змеевиков и приваривают прутки на прямых участках труб. В трубчатых воздухоподогревателях во входных участках, где имеет место наибольший износ, устанавливают вставки длиной 150—200 мм.