При сжигании твердых и жидких топлив, содержащих золу, на поверхностях нагрева котельных агрегатов образуются шлакозоловые отложения, которые оказывают существенное влияние на надежность и экономичность работы агрегата. Отложения золы и шлака на поверхностях нагрева образуются в результате сложных физико-химических и аэродинамических процессов.
Отложения золы принято классифицировать в зависимости от места их образования, распределения температуры в этой зоне, характера связи частиц и механической прочности отложений, химического и минералогического состава.
Отложения золы могут образовываться на радиационных, полурадиационных и конвективных поверхностях нагрева, в зоне как высоких, так и низких температур. Они могут быть сыпучими, связанными рыхлыми, связанными прочными или сплавленными (шлаковыми). По химическому и минералогическому составу различают отложения алюмосиликатные, щелочно-связанные, сульфатные, фосфатные и отложения с большим содержанием железа. Отложения могут располагаться на лобовой или тыльной стороне труб поверхности нагрева.
Поступление летучей золы к поверхности нагрева происходит за счет турбулентных пульсаций потока продуктов сгорания. Скорость турбулентного потока частиц к стенке является определяющим параметром переноса золовых частиц.
Оседание летучей золы на поверхностях нагрева связано с силами, стремящимися удержать частицу па поверхности, и силами, отрывающими ее от поверхности. К силам, стремящимся удержать частицу на поверхности, относятся силы адгезии (сцепление золовых частиц с поверхностью нагрева), аутогезии (сцепление золовых частиц друг с другом) и аэродинамические силы на участках прямого набегания потока.
Подробные исследования процесса образования сыпучих отложений на поверхностях нагрева выполнены ВТИ имени Ф. Э. Дзержинского. Под сыпучими понимаются такие отложения, при формировании которых не протекают химические реакции, отсутствуют капиллярные силы адгезии и в слое нет липких (связующих) компонентов.
Образование сыпучих отложений зависит от концентрации золы в продуктах сгорания, от скорости потока, диаметра труб поверхности нагрева и их расположения (шахматное или коридорное), от размера частиц золы и направления потока продуктов сгорания. Концентрация золы влияет на загрязнение поверхностей нагрева только в первый момент после включения в работу котельного агрегата, имеющего чистую поверхность нагрева. В установившемся состоянии концентрация золы практически не влияет на сыпучие отложения. Следовательно, для малозольных топлив, так же как и для многозольных, необходимы устройства для очистки поверхности нагрева. Интервалы между очистками для многозольных топлив меньше, чем для малозольных.
Скорость потока оказывает существенное влияние на образование отложений. Опытами установлено, что во избежание значительных отложений на конвективных поверхностях нагрева скорость потока при минимальных нагрузках должна быть больше 2,5-3,0 м/с. Соответственно этому при номинальной нагрузке средняя скорость потока должна быть не меньше 6 м/с, а при неравномерном распределении скорости - даже несколько больше.
Уменьшение диаметра труб существенно снижает загрязнение конвективных поверхностей нагрева. Поэтому при конструировании поверхностей нагрева в настоящее время стремятся применять диаметры труб 25-32 мм, если это допустимо по условиям циркуляции и другим требованиям. Уменьшение диаметра труб поверхности нагрева благоприятно влияет на коэффициент теплоотдачи и компактность поверхности нагрева.
Расположение труб (коридорное или шахматное), а также относительный шаг (s/d) оказывает влияние на сыпучие отложения. В случае сжигания топлив, дающих сыпучие отложения, при конструировании конвективных поверхностей нагрева предпочтение должно быть отдано шахматному расположению труб. Коридорное расположение следует применять при опасности появления связанных отложений. Установлено, что коэффициент загрязнения не зависит от концентрации летучей золы в продуктах сгорания. Он увеличивается при снижении крупности летучей золы. Поэтому золоуловители следует устанавливать после всех поверхностей нагрева, так как улавливание крупных фракций в золоуловителе приводит к увеличению загрязнения поверхности нагрева. Устанавливать золоуловители перед какой-либо поверхностью нагрева имеет смысл только для уменьшения истирания труб золой при сжигании многозольных топлив.
Направление потока продуктов сгорания не имеет такого большого влияния на отложение загрязнений, как считалось ранее. Опытами установлено, что в коридорных пучках коэффициент загрязнения практически не зависит от направления продуктов сгорания (сверху вниз или снизу вверх). Даже в шахматных пучках при небольших скоростях потока и движении продуктов сгорания снизу вверх коэффициент загрязнения на 10 % больше, чем при нисходящем потоке. Следовательно, выбор направления движения продуктов сгорания при конструировании газоходов не должен обуславливаться количеством отложений.
Наибольшие трудности при работе котельных агрегатов создают связанные отложения. Под ними понимают такие отложения, формирование которых протекает под действием аэродинамических факторов и химических процессов, происходящих в слое осевшей золы при наличии химически активных компонентов. В результате химических реакций изменяется структура отложений и они становятся прочными.
Образование связанных отложений зависит от минералогического состава топлива, поведения отдельных составляющих минеральной части в процессе горения, распределения температуры и продолжительности действия высокой температуры на минеральную часть, свойств летучей золы и состояния поверхностей нагрева в местах золовых отложений и от физико-химических процессов, протекающих в слое отложений.
Связанные отложения золы способны к неограниченному росту с течением времени. В настоящее время считают, что на высокотемпературных поверхностях нагрева при сжигании твердого топлива образование связанных отложений протекает в две стадии. Сначала на трубах образуется первичный слой отложений, температура которого по мере его утолщения возрастает, приближаясь к температуре продуктов сгорания. При высоких температурах продуктов сгорания большая часть уносимой золы может находиться в пластическом состоянии и, соприкасаясь с первичным слоем, оседает на нем. В результате образуются быстро растущие гребневидные отложения, т. е. начинается шлакование. Вторичный слон отложений может уплотняться и упрочняться в результате физико-химических превращений.
Наибольшие затруднения, вызываемые образованием золовых отложений, наблюдаются при сжигании эстонских сланцев и углей Канско-Ачинского бассейна. В золе этих топлив содержится большое количество свободной извести. Наличие свободной извести в золе, сернистого ангидрида и кислорода в продуктах сгорания приводит к образованию сульфата кальция (CaSCU), который связывает между собой и с поверхностью труб частички золы.
Прочные связанные отложения золы образуются также на высоко-температурных поверхностях нагрева при сжигании мазута. Как показали исследования, решающую роль в этом случае играют натрий-ванадиевые соединения. Образование связанных отложений при прочих равных условиях протекает тем интенсивнее, чем ближе соотношение между содержанием натрия и ванадия в его золе к интервалу 3,7<Na/V<9,5, определяющему адгезионный максимум.
Плотные отложения золы могут появляться и при низких температурах, близких к температуре точки росы, загрязняя поверхности нагрева водяных экономайзеров и воздухоподогревателей. Исследования показали, что образование плотных отложений на низкотемпературных поверхностях нагрева зависит от совокупности следующих процессов: осаждения летучей золы, увлажнения и коррозии поверхности нагрева, эрозионного воздействия золовых частиц на формирующийся слой. Методы очистки поверхностей нагрева, работающих при различных температурах, от сыпучих и связанных отложений рассмотрены в последующих параграфах.