Технологический процесс топки с низкотемпературным кипящим слоем (КС) характеризуется уникальным сочетанием благоприятных свойств: высокой эффективностью экологической, экономической и общетехнической — при работе на топливе любого вида и сорта, включая твердое рекордно высокозольное. Ведущие котлостроительные фирмы разработку котлов с подобными топками считают приоритетной научно-технической задачей.
Топки с КС осваивают в двух основных вариантах:
— с пузырьковым КС (ПКС) в котлах невысокой единичной мощности,
— с циркулирующим КС (ЦКС) в котлах средней и высокой мощности.
Темп и масштаб внедрения котлов с КС определяются тем, насколько оперативно и эффективно удается решать возникающие непростые задачи, обусловленные известными недостатками топок с КС. Среди них наиболее весома и сложна задача ограничения интенсивности внешней эрозии (ВЭ) — Ig, т.е. скорости эрозионного поражения (износа) элементов котла, соприкасающихся с веществом КС. Накопленный опыт свидетельствует о том, что в котлах с ПКС, в зависимости от условий функционирования, утончение стенки труб поверхности нагрева, вследствие ВЭ, составляет Ig = 0,2...10 мм/год, в котлах с ЦКС, в нижней части топочной камеры — 30...100 мм/год, а в верхней части — 0,2...2,0 мм/год. Таким образом, уровень Ig определяет ресурс поверхностей нагрева и других элементов котлов с КС [1 — 3]. Зависит он от действия ряда факторов:
— детерминированных и случайных,
— внутренних по отношению к котлу и внешних,
— связанных с конструктивно-компоновочными особенностями котла или с режимом его функционирования,
— зависящих от свойств конструкционных материалов агрегата, используемого инерта (заполнителя вещества КС) и др.
 |
Это обусловило высокую размерность процесса ВЭ, усложнило исследование действующих закономерностей и обобщение результатов, полученных в разных условиях эксперимента. Высокая значимость процесса ВЭ, его сложность и малая изученность, все возрастающая потребность в знании его закономерностей, все это сделало задачу изучения процесса ВЭ и ограничения его интенсивности весьма актуальной.
В доступной мировой литературе при множестве упоминаний процесса ВЭ приведено предельно мало корректно полученных данных о его закономерностях.
Исследовано влияние на Ig в топке с ПКС основных конструктивно-компоновочных и режимных факторов. В качестве инерта использована крошка шамота. Установлены закономерности влияния следующих факторов:
- скорость псевдоожижения,
- температура КС,
- размер частиц инерта,
- диаметр трубы, погруженной в КС,
- местоположение трубы в объеме слоя,
- угол поверхности трубы с вертикалью (угол атаки поверхности частицами),
- материал трубы,
- длительность эрозионного воздействия КС на трубу.
На основании полученных данных разработана методика расчетной оценки влияния указанных факторов на процесс ВЭ. Она позволяет выполнить прогностическую оценку Ig при действии перечисленных факторов в исследованном диапазоне их численных значений.
Продолжающаяся работа ориентирована на уточнение влияния изученных, а также на изучение влияния других факторов, к которым относятся:
- уровень эрозионной агрессивности частиц золы твердого топлива разных сортов и марок, а также частиц некоторых жаростойких материалов, которые можно использовать в качестве инерта,
- гранулометрический состав частиц КС,
- геометрия (фактор формы) частиц ,
- уровень эрозионной стойкости конструкционных материалов при действии ВЭ,
- геометрия пучка труб, погруженных в КС,
- характер газовой среды в объеме КС и в газовом тракте котла,
- характер и интенсивность внутренней эрозии (эрозии частиц),
- динамические свойства топок и котлов с КС.
Значительный интерес представляет изучение процессов внешней эрозии и внешнего теплообмена — параллельно идущих составляющих двуединого процесса энергомассообмена в КС.
Интенсивность этих процессов определяется действием перечисленных факторов Фi. Она, в свою очередь, определяет суммарные затраты Зс на создание и обслуживание котла с КС, которые складываются из затрат на топливо и годовых отчислений от капитальных вложений в котел Зт = f(Фi), а также из затрат на компенсацию ущерба, наносимого ВЭ, — Зэ = f(Фi). С учетом характера этих зависимостей (см. рисунок), можно записать
 |
где Зс — суммарные затраты на создание и обслуживание котла с КС, грн.;
Зт — затраты на топливо и годовые отчисления от кап. вложений в котел, грн.;
Зэ — затраты на компенсацию ущерба, наносимого ВЭ, грн.;
Фi — факторы, влияющие на энергомассообмен.
Экстремальный характер функции Зс(Фi) свидетельствует о том, что естественное стремление усилить теплообмен с помощью воздействия на технологический процесс через любой из перечисленных факторов неизбежно ведет к интенсификации ВЭ. Изучение механизма и особенностей действия упомянутых факторов позволит установить сравнительную динамику реализации функций d(Зт)/d(Фi) и d(Зэ)/d(Фi). А это позволит при наблюдаемом их взаимодействии подобрать для котлов и использовать такие конструктивно-компоновочные и режимные решения, которые приведут к важному практическому результату. Он состоит в возможности обеспечить опережающий темп возрастания теплообмена (по сравнению с темпом возрастания ВЭ) при интенсификации технологического процесса котлов с КС.
Литература
1.Воинов А.П., Захарченко В.В. Влияние условий работы на эрозию поверхностей нагрева котла, погруженных в кипящий слой // Изв. вузов СССР. Энергетика. - 1984. - № 1. - С. 74 - 77.
2.Воинов А.П. Проблемы надежности котельно-топочных систем с кипящим слоем // Пробл. тепло- и массообмена в современ. технол. сжигания и газифик. тв. топлива: Матер. междунар. шк.-семинара. - Минск: ИТМО АН БССР, 1989. - Ч. 3. - С. 43 - 50.
3.Барболин В.С. Влияние трубного пучка на вынос частиц и износ труб в аппаратах с кипящим слоем: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Свердловск, 1990.