ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КОРРОЗИИ НАРУЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ

INVESTIGATION OF LOW-TEMPERATURE CORROSION OF EXTERNAL SURFACES OF HEATING AIR HEATER

Ruslan Edrisov

master's student, department of thermal power plants, Almaty university of power engineering and telecommunications named after Gumarbek Daukeev,

RK, Almaty

Alexander Genbach

scientific supervisor, Doctor of Technical Sciences, Professor, Almaty university of power engineering and telecommunications named after Gumarbek Daukeev,

RK, Almaty

АННОТАЦИЯ

Низкотемпературная коррозия наружных поверхностей нагрева воздухоподогревателя - может привести к ухудшению производительности оборудования. Например, снизить производительность и КПД котла, снизить мощность двигателя, а также отрицательно сказаться на работоспособности системы теплопередачи. В статье описаны основные причины и последствия низкотемпературной коррозии наружных поверхностей нагрева воздухоподогревателя. Названы основные профилактики предотвращения коррозии, показана зависимость температуры точки росы от наличия S03 и H2SO4 в продуктах сгорания.

ABSTRACT

Low-temperature corrosion of the external heating surfaces of the air heater - usually leads to a deterioration in the performance of the equipment. Significantly reduces the performance and efficiency of the boiler, and adversely affects the performance of the heat transfer system. The article describes the main causes and consequences of low-temperature corrosion of the external heating surfaces of the air heater. The main methods of corrosion prevention are named, the dependence of the dew point temperature on the presence of S03 and H2SO4 in the combustion products is shown.

Ключевые слова: коррозия, воздухоподогреватель, производительность, точка росы.

Keywords: corrosion, air heater, performance, dew point.

Введение. Низкотемпературная коррозия наружных поверхностей - это электрохимическая реакция, которая происходит на металлической поверхности, находящейся при более низкой температуре по сравнению с точкой росы агрессивной газовой смеси, которой она подвергается. Оборудование, такое как воздухоподогреватели и экономайзеры котлов, особенно подвержено данной коррозии.

Низкотемпературная коррозия наружных поверностей нагрева воздухоподогревателя- может привести к ухудшению производительности оборудования. Например, снизить производительность и КПД котла, снизить мощность двигателя, а также отрицательно сказаться на работоспособности системы теплопередачи. В большинстве случаев является серьезной проблемой, требующей системного подхода для раннего выявления и профилактики [1].

Обзор. На котельной установке низкотемпературная коррозия связана с трубами предварительного нагрева воздуха и конденсаторами. Факторами, ответственными за высокие скорости коррозии, являются содержание серы в топливе, высокая точка росы кислых компонентов дымовых газов и содержание влаги в топливе и воздухе, используемых для сжигания.

Выброс кислотных частиц в дымовой трубе, которые конденсируются на более холодных металлических поверхностях воздухоподогревателей котла, является основным источником повторяющейся проблемы низкотемпературной коррозии. Более крупные частицы в выбросах прикрепляются к металлическим поверхностям ближе к штабелю. Поскольку эти частицы имеют кислую природу, они могут инициировать коррозионную электрохимическую реакцию на твердых поверхностях. Двигатели и котлы, использующие топливо, содержащее серу, обычно сталкиваются с этой проблемой.

Сера вступает в реакцию с кислородом и сначала превращается в диоксид серы (_SO2), что в дальнейшем может привести к образованию триоксида серы (SO3) на следующей стадии. Основные происходящие реакции:

S + O2 → SO2

SO2 + O2 ↔ SO3

H2O + SO2 ↔ H2SO3

H2O + SO3 → H2SO4

Поскольку газообразный триоксид серы обладает высокой реакционной способностью, он легко соединяется с водой при температурах ниже точки росы и образует серную кислоту [2].

На рисунке 1. Показана зависимость температуры точки росы от наличия S03 и H2SO4 в продуктах сгорания.

Рисунок 1. Зависимость температуры точки росы t_p от содержания SO3(а) и H2SO4 (б)

Для особо сернистых топлив температура точки росы повышается до 150°С. При наличии 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 Sⁿ=0,012 % кг/МДж равна 65°С, а при Sⁿ=0,1/0,2 % кг/МДж она составит 125-140°С [3].

Наиболее активно низкотемпературная коррозия наружных поверхностей нагрева проявляется в воздухоподогревателях, в которых имеют место наиболее низкие температуры греющего и нагреваемого теплоносителей. Температура стенки трубы воздухоподогревателя, °С, исходя из баланса теплоты внутренней и внешней ее поверхности, определяется по формуле

где t_г и t_в - температуры продуктов сгорания на выходе из воздухоподогревателя и воздуха на входе в него, °С; а_в и а_г - коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха и газа, Вт/ (м²*К).

Из выражения следует, что t_ст может быть получена выше температуры точки росы за счет увеличения температуры воздуха, поступающего в воздухоподогреватель, и уменьшения а_в. Уменьшение ав, которое возможно за счет снижения скорости воздуха, связано с увеличением необходимой площади поверхности нагрева, а при загрязнении внутренней поверхности труб уносом не повышает t_ст и поэтому нецелесообразно. Широко применяемым методом предотвращения коррозии воздухоподогревателя является повышение температуры поступающего в него воздуха обычно путем рециркуляции горячего воздуха в воздухоподогревателе или предварительного подогрева воздуха в паровых подогревателях [3].

Точка росы в воздухоподогревателях. Из всего оборудования в нагревателе наиболее чувствительными к низкотемпературной коррозии точки росы являются воздухоподогреватели. Эти теплообменники передают тепло от дымовых газов к воздуху для горения перед его поступлением в горелку [4]. Для этого большинство рекуперативных воздухоподогревателей расположены в конфигурации потока сверху вниз и из стороны в сторону (рис.2). Эта конфигурация создает пространственные градиенты температуры на стороне дымовых газов и воздуха для горения воздухоподогревателя, тем самым создавая точку росы в месте, соответствующем самой низкой температуре дымовых газов и воздуха для горения.

Рисунок 2. Профиль рекуперативного воздухоподогревателя

Проблемы загрязнения воздухоподогревателей котлов

Проблемы загрязнения воздухоподогревателей котлов. Воздухоподогреватели в котельных могут выйти из строя из-за накопления низкотемпературной коррозии трубах горячего воздуха. В результате реакции металла труб предварительного нагрева с серной кислотой образуются сульфаты железа, что снижает эффективность нагрева, а также расход подаваемого воздуха. Высокая скорость коррозии приводит к частым отключениям системы, что серьезно влияет на работоспособность установки и необходимость ее обслуживания.

Недавно разработанные регенеративные подогреватели, которые гарантируют, что температура поверхности теплопередачи остается выше точки росы кислотных частиц, имеют преимущество встроенной коррозионной стойкости. Они могут заменить существующий рекуперативный тип подогревателей, увеличивая общую экономию завода. Новые конструкции предусматривают несколько воздухоподогревателей, каждый из которых облегчен встроенными системами продувки сажи и промывки водой для удобства очистки труб. Один из подогревателей может быть отключен для обслуживания, в то время как котел продолжает получать подачу горячего воздуха от оставшихся подогревателей для бесперебойного производства пара.

Размер и конструкция предварительного нагревателя, а также металлы, выбранные для изготовления, определяются средней температурой на холодном конце воздушного предварительного нагревателя и ограничениями пространства. Помимо поддержания и контроля температуры, выбор коррозионностойких металлов и металлических покрытий также может способствовать минимизации низкотемпературной коррозии труб предварительного нагрева воздуха [5].

Параметры, влияющие на низкотемпературную коррозию наружных поверхностей нагрева воздухоподогревателя. Скорость образования триоксида серы определяется такими факторами, как:

• Температурный диапазон
• Катализаторы, доступные на холодных торцевых поверхностях
• Воздушно-топливный коэффициент сгорания
• Концентрация SO2
• Продолжительность пребывания дымовых газов вблизи холодных торцевых поверхностей

Соединения оксида железа на поверхностях действуют как катализаторы и ускоряют образование серной кислоты. Поверхностное каталитическое действие зависит от площади, покрытой катализатором. Повышая чистоту котла, можно минимизировать доступность катализатора для коррозии. Температура поверхности нагрева, а также концентрация дымовых газов SO3 также постоянно контролируются. Более высокий процент влаги в дымовых газах увеличивает точку росы частиц кислого газа, и конденсация кислых частиц быстро увеличивается.

Коррозионный потенциал котельного мазута ниже по сравнению с такими газами, как нефтеперерабатывающий газ или природный газ для данного содержания серы. Содержание водорода в нефтяных газах легко сочетается с кислородом для выработки тепла и влаги. В результате автоматически повышается точка росы. Когда температура дымовых газов ниже 140°F (60°C), вероятность коррозии резко возрастает [6].

В случае котлов, использующих уголь, коррозионные реакции очень редки, поскольку щелочная угольная зола нейтрализует частицы серной кислоты. Точка росы газовой смеси ниже за счет меньшего процента кислоты в дымовых газах, которые также нагружены частицами щелочной золы.

Заключение. Результаты исследования показывают, что:

• Коррозия наружной поверхностей нагрева воздухоподогревателя в основном происходит из-за хлора, серы и их соединений для сложных, переменных, циклических химических реакций, в результате которых образуются хлористый водород, сульфат и другие высококоррозионные вещества.
• На скорость коррозии теплопередача влияет по-разному. Основным фактором является температурный градиент, который существует над пограничным слоем вблизи стенки. Это приводит к различиям в растворимости элементов в жидкости. В зависимости от агрессивных веществ и от того, нагревается или охлаждается жидкость, этот градиент может увеличивать или уменьшать скорость коррозии.
• Коррозия оказывает негативное влияние на термогидравлические характеристики теплообменников. Скорость теплопередачи, как правило, снижается. В основном это объясняется низкой теплопроводностью продуктов коррозии, которая может составлять несколько порядков величины;
• Одним из способов снижения коррозии холодного конца в воздухоподогревателях является повышение температуры воздуха для горения на входе в воздухоподогреватель. Это решение включает в себя забор некоторого количества предварительно нагретого воздуха, рециркуляцию и последующее повторное введение его в воздухоподогреватель.

Список литературы:

1. Эстеркин Р.И. Коррозия поверхностей нагрева. М., «Книги о топливоподаче», 1980, с.205
2. Сидельников Л.Н. Низкотемпературная коррозия наружных поверхностей нагрева. М., «Энергия», 1978, с.155.
3. Шляхин П.Н. Паровые и газовые турбины. М., «Энергия», 1974, с. 224.
4. Аурел Г., Василе Б., Стоян В., “Предотвращение коррозии точки росы с помощью нового типа подогревателя воздуха для сжигания”. Материаловедческий форум 907 (сентябрь 2017): 157-63.
5. Пермяков Б.А. Применение воздухоподогревателя со стеклянными трубами – способ борьбы с низкотемпературной сернокислотной коррозией в котельных агрегатах // Практика противокоррозионной защиты. – 1996. – № 1. – С. 20–21
6. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. – М.: Физматлит, 2002. – 335 с.