Взрывобезопасность содорегенерационных котлоагрегатов

Специфика СРК заключается в сжигании в топке отработанного после варки сульфатной целлюлозы щелока, представляющего собой влажное, высокозольное, низкокалорийное топливо, а также в аккумуляции на поду топочной камеры значительного количества расплавленных натриевых солей при температуре 850 – 900 °С. Эксплуатация СРК предъявляет повышенные требования к знанию основных принципов организации топочного процесса и физико-химических свойств жидкого сульфатного плава, так как при определенных условиях взаимодействие сульфатного плава с водой может привести к сильным взрывам.

Кроме того, в содорегенерационных котлоагрегатах используется вспомогательное топливо (газ, мазут), применяемое при пуске, остановке СРК, перебоях в подаче черного щелока с выпарной станции и для «подсвечивания» в случае повышения влажности щелока сверх предела устойчивого горения. Это налагает дополнительные условия на организацию работы СРК, так как несоблюдение правил сжигания мазута или газа может явиться причиной взрывов в топках содорегенерационных котлов. Не исключена вероятность взрывов в баке-растворителе в момент контакта плава с зеленым щелоком. Такие взрывы могут привести к серьезным разрушениям оборудования и человеческим жертвам.

Условия взрывов, связанные со сжиганием вспомогательного топлива, хорошо известны. Вместе с тем необходимо помнить, что взрыв горючих газов в топке СРК может привести к повреждению трубной системы и попаданию воды на плав, что еще более усилит аварию.

Механизм взрывов «сульфатный плав – вода». Взрывы, происходящие при контакте сульфатного плава с водой, пытались объяснить химическим взаимодействием расплавленного сульфида натрия с водой, приводящим к выделению и образованию взрывоопасных концентраций водорода. Однако лабораторные исследования и наблюдения в промышленных условиях показали, что взрывы вызываются другими причинами и объясняются физической природой явления. Так, жидкая частица плава размером примерно 5 мм вызывает взрывы при контакте с зеленым щелоком и, наоборот, контакт охлажденной твердой частицы плава таких же размеров никогда не приводит к взрыву. Физические взрывы возникают в результате чрезвычайно быстрого (взрывного) расширения пара в случае подвода тепла к испаряющейся жидкости с очень большой скоростью.

Взаимодействие расплавленных металлов, например расплавленного алюминия, с водой может привести к быстрому взрыву. Между тем, известен целый ряд расплавленных материалов (стекло, карбонат натрия), которые не вызывают взрыв при контакте с водой. Расплав карбоната натрия не вызывает взрыв, однако расплав смеси Na₂CO₃ с более чем 12 % Na₂S при контакте с водой приводит к взрыву.

Физические взрывы являются беспламенными, они не менее мощны, чем взрывы, сопровождающиеся быстрым выделением большого количества энергии (взрывы тротила). Однако давления, развиваемые при физических взрывах, могут достигнуть максимальных значений в течение микросекунд, а возникающие ударные волны распространяются со сверхзвуковыми скоростями.

Выше упоминалось, что взрывное образование пара связано с передачей тепла с очень большой скоростью от высокотемпературного материала к воде. Можно выделить следующие условия интенсификации теплообмена:

• непосредственный контакт жидкого расплава с водой;

• резкое увеличение поверхности контакта жидкого расплава и воды, что может быть достигнуто делением расплава на большое количество частичек;

• прохождение образовавшихся в конечном итоге из расплава частичек через воду с большой скоростью, препятствующей образованию паровой оболочки, которая могла бы снизить теплопередачу.

Исходя из этого, взрыв в системе «расплав – вода» должен быть инициирован, т.е. должно произойти разрушение жидкого расплава, его деление.

Предполагается, что физические взрывы, возникающие при контакте воды с большим количеством разнообразных расплавленных материалов, имеют общий механизм, в основе которого лежит предельный перегрев испаряющейся жидкости. Теория предельного перегрева предложена в ходе изучения физических взрывов в системе «сжиженный природный газ – вода».

Прежде чем рассмотреть концепцию предельного перегрева для физических взрывов, дадим общие представления о процессе кипения, необходимые для понимания сути концепции. Кипение – сложный процесс образования пара внутри объема жидкости. Для возникновения кипения всегда необходим некоторый перегрев жидкости, т.е. превышение температуры жидкости t относительно температуры насыщения t_н при заданном давлении Р. Этот перегрев зависит от физических свойств жидкости, ее чистоты, а также свойств граничных твердых поверхностей. Чем чище жидкость, тем более высоким оказывается начальный перегрев, необходимый для возникновения кипения. Известны опыты, в которых тщательно очищенные жидкости, лишенные растворенных газов, удавалось перегревать без вскипания на десятки градусов. Однако, в конце концов такая перегретая жидкость все же вскипает, причем кипение происходит крайне бурно, напоминая взрыв.

Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенный газ, а также мельчайшие взвешенные частицы. При ее нагревании процесс кипения начинается почти сразу после достижения жидкостью температуры насыщения. При этом кипение носит спокойный характер. В данном случае образующиеся при нагревании газовые пузырьки, а также находящиеся в жидкости твердые частицы являются начальными зародышами паровой фазы.

Начальный перегрев снижается и в том случае, когда стенки сосуда, в котором происходит нагревание жидкости, имеют абсорбированный на поверхности газ, микрошероховатость, а также различные неоднородности и включения, понижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью. При подводе теплоты через такую поверхность образование пузырьков наблюдается в отдельных точках поверхности – так называемых центрах парообразования. Таким образом, процесс кипения в этом случае начинается в слоях жидкости, контактирующих с поверхностью и имеющих одинаковую с ней температуру.

На рис. 46 показана зависимость плотности теплового потока от температурного напора при кипении жидкости. По мере увеличения температуры поверхности нагревания t_c и соответственно температурного напора ∆ t = t_c–t_н число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным и характеризуется пузырьковым режимом. Тепловой поток при пузырьковом кипении с увеличением температурного напора растёт и достигает некоторого максимального критического значения (q_кр1).

При дальнейшем увеличении ∆ t наступает второй, переходный режим кипения, характеризующийся тем, что как на самой поверхности, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуя большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности все более затрудняется, что определяет резкое снижение коэффициента теплопередачи и теплового потока в области переходного режима кипения, поскольку паровые области создают дополнительное термическое сопротивление.

При некотором значении температурного напора вся поверхность нагрева обволакивается сплошной пленкой пара, и наступает третий, пленочный, режим кипения. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая. В момент наступления пленочного кипения тепловой поток, отводимый от поверхности, имеет минимальное значение (q_кр2).

Все три режима кипения можно наблюдать и в обратном порядке.

Рис.46. Зависимость плотности теплового потока

от температурного напора при кипении воды

Весьма важным параметром процесса кипения является температура предельного перегрева жидкости t_п, определяющая тот максимальный перегрев жидкости, выше которого жидкая фаза оказывается термодинамически абсолютно неустойчивой и самопроизвольно распадается.

Концепция предельного перегрева при взрыве в системе «сульфатный плав – вода» представляется следующим образом.

Жидкая частица плава при соприкосновении с водой мгновенно окутывается паровой оболочкой, которая в течение нескольких секунд предохраняет воду от соприкосновения с плавом. Чем выше температура плава, тем дольше сохраняется паровая оболочка. В результате снижения температуры плава паровая оболочка разрушается. При этом возникает прямой контакт между водой и жидким плавом. Контакт такого типа не образует активных центров кипения, а приводит к перегреву в тонком слое воды, соприкасающемся с жидким плавом. В течение десятков миллисекунд перегрев воды достигает предела (~200°С) и вода мгновенно обращается в пар. Все это происходит в пограничном слое. Взрывное образование пара побуждает слабые, но глубокие ударные волны, что вызывает сотрясение частицы плава, их деление на более мелкие частицы, которые с большой скоростью пронизывают окружающею массу воды. Каждая частица может в свою очередь делиться по тому же принципу на более мелкие части, что вызывает лавинное увеличение поверхности контакта плава с водой. Это приводит к мгновенному образованию большого количества быстро расширяющегося пара, вызывающего мощную взрывную волну.

На основании результатов исследований с учетом анализа обстоятельств аварий было выдвинуто предположение, что собственно взрыв от взаимодействия плава с водой инициирует взрыв горючих компонентов подушки огарка в объеме топочной камеры.

Причины, приводящие к проникновению воды в топку. Анализ статистических данных по взрывам в содорегенерационных котлоагрегатах из-за попадания воды на плав показывает, что основными причинами являются течи в трубах, сжигание влажного щелока и поступление воды из системы охлаждения леток плава. Однако часть взрывов была вызвана случайными причинами, например, неконтролируемым случайным разбавлением щелока водой. Рассмотрим эти причины.

Повреждение труб экранов топки происходит в результате высокотемпературной коррозии. Как отмечалось, при температуре стенки трубы из углеродистой стали выше 320°С коррозия развивается с чрезвычайно высокой скоростью, тогда как при температуре стенки меньше 320 °С скорость коррозии незначительна. Для СРК, эксплуатирующихся при давлении 4 МПа, температура стенки является ниже предельно допустимой, однако образование накипи на внутренней поверхности труб может существенно повысить термическое сопротивление теплопередаче, что приведет к резкому повышению температуры стенки трубы.

Неправильные температурные режимы в топке, связанные, как правило, со сжиганием вспомогательного топлива, также могут явиться причиной резкого повышения температуры металла экранной трубы. Так, измерения температуры плавников экранных труб на СРК, работающем под давлением 4 МПа, показали, что при сжигании в топке только щелока температура в середине плавника не превышает 270°С, однако уже через некоторое время после включения одной мазутной форсунки, установленной в зоне первичного дутья, наблюдается локальное повышение температуры отдельных плавников до 320 – 340°С. Отключение мазутной форсунки приводит к снижению температуры плавников до первоначальных значений. Сильный обогрев плавниковых труб, усугубленный циклическим характером теплового режима топки и неправильным выбором геометрии плавников, приводит к развитию явления термоусталостного излома с последующим разрушением металла плавников и труб.

Разрушение экранных труб может быть вызвано и некоторыми другими причинами. На отдельных экранных трубах некоторых СРК под амбразурами щелоковых форсунок были отмечены групповые язвины коррозионного происхождения размерами в поперечнике 0, 8 – 2, 5 мм и глубиной 0, 5 – 1, 5 мм. Причиной образования таких язвин явилось увлажнение труб конденсатом, вытекающим из рамок парового уплотнения, установленных для защиты от выброса пламени.

Попадание воды в топочную камеру может быть связано и с дефектами сварных стыков в экранных трубах, а также с нарушением плотности вальцовочных соединений труб с барабанами.

Повреждение леток плава и системы их охлаждения может привести к проникновению воды в топку. При использовании для охлаждения леток холодной технической воды с большим содержанием солей жесткости и окислов железа разрушение леток плава происходит достаточно часто.

Взрывы от взаимодействия плава с водой могут быть вызваны подачей в топку слабого щелока влажностью больше 45 %, что связано с неудовлетворительной работой выпарной станции, но большей частью случайным разбавлением щелока водой. В этом отношении потенциально опасными являются места постоянного подвода воды к коммуникациям черного щелока для их промывки.

Следует отметить, что в практике эксплуатации СРК вода часто используется для разбавления щелока в случае его переуплотнения в каскадном испарителе. При отсутствии контроля над влажностью щелока, поступающего в топку, использование воды с целью регулирования концентрации может привести к серьезным последствиям.

Меры предупреждения взрывов. Обеспечение чистоты и предотвращение коррозии внутренних поверхностей нагрева достигается соблюдением норм качества питательной и котловой воды, проведением эффективной консервации резервного оборудования, предпусковых и эксплуатационных промывок.

Эффективным мероприятием для улучшения водного режима является коррекционная обработка питательной воды, позволяющая снизить содержание в ней оксидов железа, предотвратить появление отложений в трубах, а также замедлить процесс коррозии. Рациональный метод коррекции состоит в трилонной обработке питательной воды, обеспечивающей не только безнакипный, но и бесшламовый режим. В настоящее время накоплен положительный опыт трилонирования питательной воды СРК.

Гидразинная обработка питательной воды, являющаяся одним из методов коррекции, обеспечивает замедление процессов кислородной коррозии. Схема гидразинной обработки предусматривает присадку гидразина во всасывающие трубопроводы питательных насосов или в аккумуляторные баки деаэраторов. Разработаны комплексные схемы, обеспечивающие не только гидразинную обработку питательной воды, но и промывку СРК гидразином «на ходу», а также консервацию резервных СРК раствором гидразина. Подобная схема успешно эксплуатируется на ряде предприятий.

В случае существенного загрязнения внутренних поверхностей нагрева могут быть полезными химические промывки СРК с применением органических кислот, комплексообразующих реагентов и гидразина. Однако следует иметь в виду, что промывки органическими компонентами оказываются эффективными только в том случае, когда количество отложений не превышает 300 – 400 г/м² поверхности нагрева. При значительных загрязнениях более действенными являются кислотные промывки. Например, на внутренней поверхности экранных труб могут образовываться твердокаменные отложения кремнистого характера с примесью сульфатно-кальциевых соединений. Количество отложений достигает 1500 г/м². В таких случаях весьма эффективной оказывается промывка СРК ингибированной соляной кислотой. В течение короткого срока отложения полностью удаляются, и котел может быть пущен в нормальную эксплуатацию.

Безопасная работа агрегата обеспечивается при умеренных загрязнениях (100 – 150 г/м² поверхности). Количество отложений на внутренней поверхности труб экранов при этом не должно превышать 250 г/м².

К числу важнейших мероприятий по предотвращению разрушения труб относятся также проведение тщательных осмотров поверхностей нагрева и замена дефектных труб в периоды ремонтов, периодическая проверка толщины стенок методами неразрушающего контроля (магнитопорошковая и ультразвуковая дефектоскопия), периодическая вырезка образцов труб.

На рис.47 показано минимально допустимая толщина стенки труб различного диаметра в зависимости от давления в котле (материал труб – углеродистая сталь). Если при замерах установлено, что толщина стенок труб равна величине, показанной на рисунке, или меньше ее, то эти трубы должны быть заменены.

Должное внимание следует уделять контролю над состоянием труб в районе расположения обдувочных устройств во избежание эрозии металла. В этой связи очевидна эффективная и надежная работа системы отвода конденсата из трубопроводов обдувки. Целесообразно защиту амбразур щелоковых форсунок от выброса пламени осуществлять с помощью воздушной завесы путем отвода горячего воздуха от фурм вторичного дутья. Для предотвращения разрушения леток плава их охлаждение следует осуществлять горячей химически очищенной водой, циркулирующей в замкнутом контуре.

Рис.47. Зависимость максимально допустимой толщины стенки

от давления пара

1 – диаметр труб 83, 5 мм; 2 – диаметр труб 76 мм;

3 – диаметр труб 63, 5 мм; 4 – диаметр труб 51 мм.

Режимы СРК, допускающие повышение температуры металла труб, нежелательны. Поэтому большое значение имеет правильное использование горелок вспомогательного топлива, исключающее повышенные локальные тепловые нагрузки. Для улучшения условий работы экранной системы необходимо избегать включения нижних мазутных форсунок во время работы котла на щелоке, а пользоваться ими лишь в случае крайней необходимости. Для дополнительной выработки пара в котле следует использовать мазутные форсунки верхнего яруса.

Наиболее критическими с точки зрения возникновения условий для взрывов от вспомогательного топлива являются моменты розжига мазутных форсунок. Поэтому включение мазутных форсунок следует сокращать до минимума.

В топках СРК устанавливается устойчивый процесс горения щелоков без «подсветки» вспомогательным топливом при нагрузке выше 70 % от номинальной и теплоте сгорания щелока 6900 – 7200 кДж/кг, что достигается упариванием щелока до содержания сухих веществ более 60 %. Поэтому для стабилизации режима горения необходимо предъявлять жесткие требования к работе выпарных установок с целью подачи щелока с мало колеблющимся содержанием сухих веществ на уровне 60 % (для агрегатов без газоконтактных испарителей) и не менее 50 % (для СРК с газоконтактными испарителями).

В настоящее время для безопасного сжигания вспомогательного топлива большое значение придается специальным системам защиты, связанным с обеспечением воспламенения вспомогательного топлива и обнаружением обрыва факела. Такими системами оснащены практически все СРК. Однако, несмотря на то, что разработано и использовано большое число датчиков контроля, принцип действия которых основан на использовании свойств факела (световое и тепловое излучение, электропроводность и т. д.), проблема защиты от погасания мазутного факела не может считаться до конца решенной, особенно для «подсвечивающих» горелок. При работе мазутных форсунок необходимо поддерживать стабильное давление и температуру мазута перед форсунками, а также не допускать попадания в него воды, для чего мазут должен тщательно подготавливаться перед подачей в СРК. С целью качественного смешения мазута с воздухом мазутные форсунки должны иметь независимый подвод воздуха.

В топке СРК должно быть обеспечено полное сгорание топлива, поэтому коэффициент избытка воздуха (за котельным пучком) следует поддерживать на уровне 1, 2–1, 25, что соответствует концентрации свободного кислорода в топочных газах 3, 5–4 %.

В связи с этим необходим тщательный эксплуатационный уход за приборами контроля режима горения, для чего осуществляется систематическая проверка правильности работы стационарных газоанализаторов с помощью переносных химических анализаторов.

Важным условием правильно организованного режима горения наряду с подачей необходимого количества воздуха является создание равномерного поля концентрации газов в топке. Это достигается образованием активной окислительной зоны за счет эффективной турбулизации газовоздушного потока. Скорость истечения «верхнего» воздуха в топку следует поддерживать на уровне 40–50 м/с, что обеспечивается поддержанием давления в фурмах на уровне 2–3 кПа. Кроме того, в процессе работы котла необходимо следить за чистотой воздушных сопел.

Предотвращение взрывов в баке-растворителе плава достигается качественным дроблением плава на мелкие фракции паром и зеленым щелоком, чтобы частицы плава успели охладиться до момента соприкосновения с жидкостью, находящейся в баке. При этом в баке должно обеспечиваться эффективное перемешивание зеленого щелока при помощи мешальных устройств и циркуляционных насосов и оттяжка образующихся парогазов в атмосферу. Необходимо также систематически очищать кожухи над летками плава, чтобы не допускать наслоений большого количества застывшего плава. Особое внимание следует уделять предотвращению забивания выходных отверстий леток плава, так как на поду топки накапливается большое количество плава и при последующей пробивке пробки плав в большом количестве хлынет по летке в бак-растворитель, что может привести к сильным хлопкам и даже взрыву. Поэтому летки плава должны постоянно находиться под наблюдением обслуживающего персонала.

К числу основных контролирующих мероприятий относятся:

- стабильная нагрузка котла и подача в топку щелоков с требуемой концентрацией сухих веществ;

- поддержание постоянного соотношения «щелок – воздух»;

- поддержание стабильного распределения дутьевого воздуха;

- периодическая очистка отверстий для выхода плава;

- полное выжигание подушки огарка во время останова котла.

Во избежание случайного разбавления щелока водой присоединение промывочной воды к бакам и щелокопроводам должно осуществляться путем установки двух вентилей и сигнального запорного органа между ними. При работе СРК вентили должны быть закрыты, а сигнальный запорный орган открыт. Весьма важным является постоянный эксплуатационный контроль температуры металла барабанов и труб, поэтому целесообразным является оснащение СРК соответствующими средствами измерения (термопарами).

Конструкция самого агрегата может исключить некоторые причины, приводящие к возникновению взрывов, или существенно уменьшить их разрушительную силу. Экранирование топочной камеры гладкими трубами, расположенными с тесным шагом, или цельносварными панелями исключает разрушение труб от термоусталостного излома, характерное для плавниковых труб. Организация в топке так называемых раскрывающихся углов, выполняющих роль взрывных клапанов, уменьшает силу взрыва или хлопка в топке.

Большое значение придается быстрому спуску воды из котла. Это важнейшая операция при аварийном останове. Естественно, что спуск воды из котла нельзя производить через спускные устройства существующих конструкций, так как это требует ручных операций и нахождения персонала непосредственно на котле. Для спуска воды котел специально оборудуется соответствующими дренажными вентилями с дистанционным приводом.

В этом случае вероятность взрыва существенно уменьшается, но полностью не исключена, так как тепловая энергия, аккумулированная в плаве, может высвободиться с взрывом при контакте плава с водой, проникшей в топку. Существуют методы, заключающиеся во введении в нижнюю часть ингибиторов взрыва в случае опасности проникновения воды. Действие таких ингибиторов основывается на предотвращении перегрева воды на границе раздела фаз «плав – вода», являющегося детонатором взрыва, и одновременно на быстром охлаждении плава во всей его массе до взрывобезопасных пределов. Одним из таких ингибиторов является бикарбонат натрия. Предполагается, что, проникнув в огарок и слой плава, бикарбонат натрия термически разлагается, поглощая большое количество тепла, и это способствует охлаждению плава. Одновременно образуется большое количество инертных газов, способствующих созданию активных центров кипения в воде и кипящей оболочки на границе раздела «плав – вода».

Предполагаются также и другие вещества для ингибирования взрывов и интенсивного охлаждения плава, к которым относят сульфат аммония и некоторые органические высокомолекулярные соединения, например, полиэтиленгликоль.

Для ингибирования взрыва рекомендуется применять водные растворы веществ, так как вода имеет большую удельную теплоемкость и теплоту испарения и хорошо охлаждает расплавленный материал.

Для этих целей лучше всего использовать сульфат аммония (NH₄)₂SO₄, который стабилен в растворе, коррозионно неопасен, нетоксичен, термостоек, имеет низкую температуру замерзания, дешев и легко хранится. Эксперименты с сульфатным плавом, имеющим температуру 800–900°С показали, что раствор, содержащий по массе 5–10 % (NH₄)₂SO₄, предотвращает взрыв. Исключение составляет расплав, содержащий большое количество сульфидов и хлористого натрия. В этом случае концентрация ингибирующего раствора должна быть выше. Оптимальной для всех случаев считается концентрация (NH₄)₂SO₄, составляющая 40 % по массе. Это максимальная концентрация сульфата аммония в воде. Необходимое количество раствора определяется размерами топки. Так, для топочной камеры размером 7, 0× 5, 0 м требуется около 1 м³ 40 % раствора сульфата аммония. Практически раствор сульфата аммония может быть введен в топку набрызгиванием на под по всей его поверхности.

Основными условиями, предотвращающими взрывы в практике эксплуатации содорегенерационных котлоагрегатов, являются:

• безусловное выполнение действующих правил и директивных документов, направленных на обеспечение своевременного ремонта оборудования, чистоту внутренних поверхностей нагрева и контроль над состоянием металла;

• ведение процесса сжигания щелока в соответствии с режимно-технологическими картами;

• контроль над правилами сжигания вспомогательного топлива;

• повышение квалификации обслуживающего персонала.