КОРРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА СО СТОРОНЫ ГРЕЮЩИХ ГАЗОВ
Коррозия — это разрушение металла труб в результате его взаимодействия с газовой средой, растворами или расплавами минеральных соединений. Продукты сгорания всегда содержат вещества, активно реагирующие с металлом: кислород, серу, ванадий, соединения щелочных металлов и др. При высокой температуре коррозионно опасными являются кислород и расплавы в первую очередь щелочных металлов, при низкой температуре— сконденсировавшиеся водяные пары и раствор серной кислоты. Поверхность металла всегда покрыта тонким слоем окислов. В некотором диапазоне температур этот слой прочно скреплен с основной массой металла и является плотным. С повышением температуры металла плотность и прочность оксидной пленки снижаются. При определенной температуре, характерной для каждого металла, плотность пленки резко падает и кислород беспрепятственно проникает к чистому металлу, окисляя его. Этот процесс носит название окалинообразования. Стойкость сталей к окалинообразованию зависит от их состава и является одной из характеристик конструкционных материалов.
При температуре стенки металла около 500—600°С сульфаты щелочных металлов КАЦБСЬ, КзРе(504)з находятся в расплавленном состоянии и реагируют с металлом, разрушая его. При сжигании мазута образуются оксиды ванадия (III и V). Оксид ванадия (III) получается при недостатке кислорода, а оксид ванадия ‘(V) — при его избытке. Коррозионноопасным являются оксид ванадия (V) и ванадат натрия. При высокой (~600°С) температуре стенок труб эти соединения находятся в жидком виде и являются переносчиками кислорода. В результате такого взаимодействия металл труб быстро разрушается — это так называемая ванадиевая коррозия. Кроме снижения температуры металла коррозию можно устранить путем уменьшения избытка воздуха, т.е. смещением реакции в сторону образования оксида ванадия (III), который не является коррозионноопасным.
Продукты сгорания содержат водяные пары и продукты сгорания серы. Серный ангидрид обладает способностью соединяться с парами воды, в результате чего образуются пары серной кислоты. При омывании продуктами сгорания низкотемпературных поверхностей нагрева происходит конденсация серной кислоты иа более холодной, чем газы, металлической стенке. В результате создаются условия для интенсивного разрушения металла и образования коррозии под действием серной кислоты. Коррозионный процесс является электрохимическим, причем жидкая пленка играет роль электролита. Интенсивность разрушения металла зависит от концентрации серной кислоты. Зависимость скорости коррозии от концентрации серной кислоты у всех металлов качественно одинакова. Максимальная величина скорости коррозии отвечает определенной концентрации, характерной для каждого металла. За пределами этой концентрации интенсивность коррозии данного металла снижается.
При отсутствии серного ангидрида в продуктах сгорания на поверхностях нагрева могут конденсироваться чистые водяные пары. Повреждения в этом случае имеют характер кислородной коррозии. Благодаря легкому доступу кислорода к металлу через тонкую пленку воды скорость коррозии становится достаточно большой, хотя и меньшей, чем при наличии серной кислоты. Таким образом, коррозионные повреждения происходят лишь в той части поверхности нагрева, где наблюдается конденсация паров воды или серной кислоты, причем интенсивность коррозии зависит от концентрации серной кислоты и свойств материала поверхности нагрева.
Наиболее высокая температура стенки, при которой происходит конденсация паров, называется точкой росы. Очевидно, что коррозии подвержены в большей степени те участки поверхности нагрева, температура которых лежит ниже температуры точки росы. Установлено, что точка росы зависит не только от влажности продуктов сгорания, но и от содержания серного ангидрида в них.
Температура точки росы чистых водяных паров в общем невелика и не превышает 60 °С даже для таких влажных топлив, как торф. Поэтому если в топливе нет серы, то коррозию можно легко предотвратить повышением температуры наиболее холодной части поверхности нагрева до сравнительно невысокой температуры. При сжигании топлива содержащаяся в нем сера преимущественно окисляется в сернистый ангидрид, и только менее пяти процентов переходит в серный ангидрид за счет последующего окисления сернистого ангидрида при движении газов через поверхности нагрева. Образование серного ангидрида (в кДж/г-моль) стехиометрически происходит по уравнению
Эта реакция обратима. Вследствие экзотермичности реакции при снижении температуры равновесие смещается в сторону образования SO3. Поэтому при низкой температуре процесс окисления SO2 в S03 происходит более полно, хотя реакция протекает медленно. Несмотря на малое время пребывания газов в зоне температур (425—625°С), благоприятных для окисления SO2 в S03, наличие катализаторов (окись железа и др.) приводит к образованию заметного количества S03.
Зола топлив может содержать как катализаторы, так и вещества (ингибиторы), замедляющие протекание реакции. Этим объясняется то, что при одном и том же содержании серы в различных топливах наблюдается различная интенсивность коррозии. Окисление сернистого ангидрида в серный происходит лишь при наличии в продуктах сгорания свободного кислорода. Следовательно, снижением избытка воздуха можно уменьшить количество образующегося (серного) ангидрида. Установлено, что уже при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,02—1,03, серный ангидрид практически не образуется, и устраняется сернокислотная коррозия. Наличие в продуктах сгорания S03 повышает температуру точки росы до 100—150°С. На рис. 6.15 показана зависимость температуры точки росы от наличия S03 в продуктах сгорания. При нахождении водяных паров и сернистых соединений в продуктах сгорания образуется парообразная система Н20—H2SO4. Температура образования жидкой серной кислоты в продуктах сгорания определяется содержанием серы в топливе и при сжигании топлива с Sp =0,012% (кг/МДж) она равна 65 °С, а при Sp =0,1—0,2 % (кг/МДж) она составит 125—140 °С.
Конденсация чистых водяных паров при температуре поверхности ниже точки росы даже при отсутствии содержания в газах сернистых соединений может вызывать кислородную коррозию в воздухоподогревателе, расположенном в области низких температур, и в результате привести к разрушению труб и попаданию воздуха в газовую среду. Наличие в газах сернистых соединений и конденсация на поверхностях нагрева жидкой пленки, содержащей H2SO4, активизируют коррозию. На рис. 6.16 показана зависимость скорости коррозии от температуры поверхности. Наибольшая скорость коррозии k наблюдается при температуре стенки, близкой к температуре точки росы /р. При температуре стенки /Ст>/р скорость коррозии уменьшается, а при дальнейшем повышении температуры снова возрастает. Как видно из рис. 6.16, имеется область температур стенки, при которой скорость коррозии незначительна и поверхность нагрева может работать длительное время. При работе на твердом сернистом топливе в зоне температур 70—110°С скорость коррозии не превышает 0,2 мм/ /год. При сжигании сернистого мазута скорость коррозии существенно выше, чем при твердом топливе, при этом характеристика k=f(tcт) не имеет безопасной зоны.
Наиболее активно низкотемпературная коррозия проявляется в воздухоподогревателях, в которых наблюдаются наиболее низкие температуры греющего и нагреваемого теплоносителей. Для предотвращения коррозии воздухоподогревателя широко используется метод повышения температуры поступающего в него воздуха путем рециркуляции в нем горячего воздуха (рис. 6.17) или предварительного подогрева воздуха в калориферах (рис. 6.18). Рециркуляция воздуха снижает температурный напор в воздухоподогревателе, повышает темпера- туру уходящих газов и расход электроэнергии на дутье. Калорифер для подогрева воздуха устанавливают между напорной стороной дутьевого вентилятора и входной ступенью воздухоподогревателя. Подогреватель представляет собой трубчатый теплообменник, по трубам которого проходит пар или горячая вода. Снаружи трубы омываются потоком воздуха. В этом случае расход электроэнергии на дутье меньше, чем при применении рециркуляции.
В последние годы большое внимание уделяется разработке покрытий и изготовлению поверхностей нагрева из коррозионностойких материалов. Одним из способов защиты от коррозии является покрытие кислотостойкой эмалью металлических поверхностей нагрева. К недостаткам этого способа относятся невозможность сварки и применения дробевой очистки, растрескивание вследствие разных коэффициентов температурного расширения металла и эмали. Для защиты от низкотемпературной сернокислотной коррозии и для низкотемпературных поверхностей нагрева котла применяют воздухоподогреватели со стеклянными трубами (СВП). В последнее время стеклянные воздухоподогреватели (СВП) установлены более чем на 50 котельных агрегатах паропро- изводительностью 6,5—950 т/ч, воздух проходит внутри труб, а продукты сгорания — в межтрубном пространстве. Расположение труб в пучке шахматное и коридорное, вертикальное и горизонтальное. В эксплуатации хорошо зарекомендовали себя коридорные пучки с горизонтальным расположением труб. Для изготовления СВП применяют стеклянные трубы с гладкими концами диаметром 45X4 мм из стекломассы марки 13-В.
Концы стеклянных труб закреплены в металлических трубных досках (рис. 6.19). Длина труб составляет от 1 до 3 м; заметим, что при эксплуатации длинных труб (>2,5 м) большое их число выходит из строя.
В современных системах теплоснабжения основными источниками теплоты (в том числе для покрытия пиковых нагрузок на ТЭЦ) служат водогрейные котлы, работающие при переменной производительности от 25 до 115% номинальной. Изменение производительности котлов влияет на изменение температуры уходящих из котла продуктов сгорания и на его КПД. Во избежание интенсивной коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева при конденсации на них влаги из продуктов сгорания, содержащих S02, в конструкциях водогрейных котлов не предусматриваются воздухоподогреватели, а сетевая вода перед поступлением в котел подогревается предварительно до 70—110°С. Эти обстоятельства вызывают необходимость работы водогрейных котлов с высокой температурой уходящих газов (230—250°С). Снизить потери теплоты с уходящими газами, а также снизить расходы топлива в системах теплоснабжения позволяет оборудование водогрейных котлов воздухоподогревателями, выполненными из стеклянных труб и не подвергающимся коррозии. Применительно к водогрейным котлам серии KB-ГМ (тепловой производительностью от 4,5 до 35 МВт, работающим на мазуте, с температурами уходящих газов 230—250 °С при КПД от 87,7 до 88,0%) для повышения КПД котла на 1,5—2,0% достаточно установить воздухоподогреватель из стеклянных труб диаметром 45X4 мм и общей длиной около 23 м на каждый 1 МВт расчетной тепловой производительности котла.
Общая компоновка воздухоподогревателя в типовом проекте котельных с водогрейными котлами КВГМ-10 показана на рис. 6.20. Краткая характеристика воздухоподогревателя: длина труб 1500 мм, число труб в рядах Zi = 10, z2=15, общее число труб 150. Следует отметить, что при реконструкции котлоагрегата ДКВР-10- 13 с установкой СВП в газоходе уходящих газов (рис. 6.21), имевших температуру за водяным экономайзером 220 °С (при наличии 434 труб с zt=12, z2 = 36, длиной 1700 мм и при коэффициенте использования поверхности 0,65), КПД повысился на 1,9 % При существующих ценах на топливо данный воздухоподогреватель окупится через 2—2,5 года.
На ряде котлов применяется разработанный во ВТИ рекуперативный воздухоподогреватель с промежуточным теплоносителем, который предназначен для работы в коррозионно-опасной зоне. Воздухоподогреватель состоит из системы наклонных труб, каждая из которых представляет собой герметичный сосуд, заполненный примерно наполовину теплоносителем (водой), а из второй половины удален воздух. Обычно трубы располагаются наклонно (рис. 6.22). Нижняя часть их, заполненная водой, омывается продуктами сгорания, вода закипает и пары направляются вверх трубы, которая омывается воздухом. Пары воды, охлаждаемые воздухом, конденсируются и по стенке трубы сливаются в ее нижиюю часть. Положительной особенностью такого воздухоподогревателя является высокая плотность, сохраняемая при образовании сквозных повреждений труб с газовой стороны. Повреждение трубного элемента на газовой стороне приводит к выпариванию теплоносителя через образовавшуюся неплотность и к автоматическому выходу элемента из строя. В результате повреждения незначительно повышается температура уходящих газов. Обычно такой воздухоподогреватель устанавливают перед основным и заменяют холодную часть первой ступени основного воздухоподогревателя. .
