M arek PRONOBIS
Politechnika Śląska, Gliwice
PRZEDSIĘWZIĘCIA EKSPLOATACYJNE DLA ZM NIEJSZENIA EROZJI KOTŁOWYCH PĘCZKÓW KONWEKCYJNYCH
S tr esz c z en ie . W pracy przedstaw iono możliwości obniżenia in te n sywności erozji pęczków konwekcyjnych n a drodze zm ian w sposobie eksploatacji kotła. Podano zasady obliczeń pozwalających n a ocenę sku
teczności następujących przedsięwzięć: ograniczenia m aksym alnej wy
dajności kotła, zm iany rodzaju paliw a oraz popraw y jakości przem iału.
OPERATIONAL MEASURES FOR THE REDUCTION OF EROSION IN CONVECTION BOILER SURFACES
Sum m ary. The paper p resen ts a m ethod of calculation by which th e efficiency of th e reduction of fly ash erosion by m eans of changes in boiler operation can be evaluated. Following activities have been analysed: reduction of th e boiler capacity, change of th e type of coal and im provem ent of coal grinding quality.
BETRIEBSMÄßIGE M ETHODEN ZUR VERM INDERUNG DER HEIZFLÄCHENEROSION
Z u sam m en fassu n g. Die A rbeit ste llt die betriebsm äßigen M aßnahm en zur B ekäm pfung der rauchgasseitigen Heizflächenerosion dar. Folgende U nternehm en, deren rechnerische A bschätzung gezeigt wurde, sind an alysiert worden: B egrenzung der m axim alen K esselw ärm eleistung, V eränderung der B rennstoffsorte und V erbesserung der Kohlefeinheit.
1. W STĘP
Intensywność erozji pęczków konwekcyjnych m a podstawowe znaczenie dla niezawodności kotła. W przypadku silnej erozji zachodzi konieczność jej ogra
niczenia, przy czym efekt ten m ożna uzyskać zarówno drogą zm ian konstru
kcyjnych, ja k i modyfikacji w arunków eksploatacji kotła.
Spośród konstrukcyjnych metod zwalczania erozji najskuteczniejszą, ale i najdroższą je s t przebudowa k a n a łu spalin dla zwiększenia jego przekroju przepływowego. Stosowane są ponadto różne sposoby wyrównyw ania profilu prędkości spalin w pęczku, ponieważ lokalne w zrosty prędkości przepływu (np. w pobliżu ścian kanału ) mogą powodować intensyw ną erozję ru r.
W wielu przypadkach dla wymaganego ograniczenia erozji wystarczające je s t wprowadzenie zm ian w eksploatacji kotła, które są od m odernizacji kon
strukcyjnych znacznie tańsze. W grę wchodzą przy tym n astępujące przedsię
wzięcia:
- ograniczenie m aksym alnej wydajności kotła, - zm iana rodzaju paliwa,
- regulacja separatorów młynowych dla popraw y jakości przem iału.
2. PODSTAWY TEORETYCZNE PROCESU EROZJI
Wielkość erozyjnego ubytku m ateriału rurowego [pm/h], zgodnie z badania
mi [1, 3], można przedstaw ić w postaci zależności
Ah/x - 2,33 ■ 10 7 w'* [3;i e cp [)c pm p2 p p) (1) gdzie:
w0 - średnia prędkość spalin w pustym kan ale n a wlocie do pęczka, m/s,
Pw - p a ra m etr charakteryzujący rozkład prędkości spalin w kanale kotła, e - w skaźnik erozyjności ch arak tery zu jący własności erozyjne popiołu
lotnego, pm/h,
Pm - p a ra m etr charakteryzujący wpływ te m p e ra tu ry pracy stali n a zuży
cie erozyjne rur,
cp - średnia koncentracja popiołu lotnego w spalinach, g/m3,
Pc - p a ra m etr charakteryzujący rozkład koncentracji popiołu lotnego w spalinach,
P2 - p a ra m etr charakteryzujący wpływ podziałki poprzecznej pęczka na zużycie erozyjne ru r,
bp - średnie prawdopodobieństwo uderzenia cząstek popiołu w rurę.
Zależność (1) opisuje ubytek m ateriału ru ry w m iejscu m aksym alnej erozji, tzn. dla współrzędnej kątowej (p = 45° licząc od tworzącej napływowej. Po
szczególne składniki wzoru (1) określone są w sposób następujący:
B V T
w = SP 8P (2)
273F gdzie:
B — obliczeniowe zużycie paliw a przez kocioł, kg/s,
Vsp - objętość spalin dla stosunku n a d m iaru pow ietrza n a wlocie do roz
patryw anego pęczka, m 3/ k g pal,
Tsp — bezwzględna te m p e ra tu ra spalin n a wlocie do pęczka, K,
F — powierzchnia przekroju poprzecznego k a n a łu spalin przed pęczkiem, m 2.
P a ra m e tr (iw określony je s t wzorem womax
w„
gdzie:
w omax — m aksym alna prędkość spalin w kanale kotła wynikająca z nierów- nom ierności profilu prędkości spalin, m/s.
Z badań [2] wynika, że w artość |iw w pęczkach konwekcyjnych krajowych kotłów pyłowych zm ienia się w granicach 1,09 do 1,25.
P a ram e tr charakteryzujący rozkład koncentracji popiołu lotnego w spali
nach pc, definiuje zależność
(4)
c p
gdzie:
cpmax- m aksym alna lokalna koncentracja popiołu lotnego w spalinach wy
pełniających kan ał kotła, g/m3.
Z b adań [2] wynika, że w artość [lc w pęczkach konwekcyjnych krajowych kotłów pyłowych zm ienia się w granicach 1,20 do 1,37.
Średnie prawdopodobieństwo trafien ia ru ry przez cząstki polidyspersyjne- go popiołu opisuje wzór:
gdzie Ri - udział ziaren większych od dpi, %
Prawdopodobieństwa składowe r|pi (dla ziaren z poszczególnych przedzia
łów granulacji) są funkcją liczb: Stokesa - Stk, Froude’a F r oraz Reynoldsa:
Redp dla ruchu pyłu i ReD dla przepływu spalin w kanale. Poszczególne liczby kryterialn e zdefiniowane są następująco:
» 1 = ^ («
l^ S p P s p D
gdzie: pp - gęstość pyłu, kg/m3, Psp _ gęstość spalin, kg/m3,
vsp — kinem atyczny współczynnik lepkości spalin, m 2/s, D - zew nętrzna średnica ru ry , m.
F r = —pr w 2 (7)
gD gdzie g - przyśpieszenie ziemskie, m /s2,
wnd,
RedD = - ^ ^dp (8)
^sp
Rep = — (9)
^sp Wzór opisujący ripi m a postać
” 880 Ci0'608 + 1
f i * n n r \ / I - O , 6 0 8 . i
gdzie
Ci = (18 Stk)2’5 Re&8/ ( F r Re^3) (11) Wpływ podziałki poprzecznej Oj = s x/D n a zużycie erozyjne r u r określa zależność [4, 5]
P2 =
f ~
CTX- 1 2
(12)
W skaźnik erozyjności popiołu e [pm/h] określany je s t doświadczalnie i stanowi ubytek m ateriału w standardow ych w aru n k ach laboratoryjnych. Wy
niki badań w skaźnika erozyjności przeprowadzone w [1] - rys. 1 pozwalają stwierdzić, że najw iększy wpływ n a w artość e m a skład chemiczny popiołu opisany w skaźnikiem cm o postaci:
Fe20 3 + CaO + MgO + N a20 + K20 r i °t
°m= S i0 2 + A120 3 + T i0 2 (
W związku z tym wyniki [1] opracowano m etodą regresji jako funkcję
e = 4,78 cm0'421 (14)
Rys. 1. Wpływ te m p eratu ry pracy stali n a w łasności erozyjne Fig. 1. The influence of th e te m p eratu re on th e erosive properties of th e steel
Rys. 2. Zależność w skaźnika erozyjności od składu popiołu
Fig. 2. The influence of th e chemical constitution of fly ash on th e erosion coefficient
Wzór powyższy pozwala stwierdzić, ja k zm ieniają się własności erozyjne popiołu lotnego po zm ianie jego składu chemicznego (np. w skutek wprowadze
n ia odsiarczania poprzez w dm uchiw anie k am ienia w apiennego do komory paleniskowej). Widać wyraźnie, że w zrost udziału glinokrzem ianów w popiele prowadzi do zwiększenia wartości w skaźnika erozyjności.
P aram etrem charakteryzującym wpływ tem p e ra tu ry pracy stali n a zużycie erozyjne ru r je s t wielkość (3m określana n a podstaw ie w ykresu rys. 2 [1],
3. WPŁYW ZMIAN OBCIĄŻENIA KOTŁA NA INTENSYWNOŚĆ EROZJI POPIOŁOW EJ
Zm iany obciążenia kotła są powodem zm ian prędkości spalin, które w zasadniczy sposób determ inują wielkość erozyjnego ubytku rur. Odnosząc chwilowe obciążenie (wydajność cieplną) Q do wartości nom inalnej Qi odpo
wiadającej 100% wydajności kotła, uzyskuje się bezwymiarowy uporządkowa
ny wykres obciążeń w funkcji rocznego czasu pracy (Q/Qi) = f(t).
Zakładając, że skład paliw a i stosunek n a d m iaru pow ietrza w kotle nie zm ienia się z obciążeniem, napisać m ożna
B T sp
wo ~ -p T W! (15)
a \ s p l
gdzie indeks 1 odpowiada obciążeniu nom inalnem u (100%).
Biorąc pod uwagę, że te m p e ra tu ry spalin wylotowych w zakresie obciążeń 70 - 100% praktycznie nie ulegają zm ianie, m ożna przyjąć, że s tr a ta wyloto
wa, a tym sam ym sprawność kotła, nie zm ienia się w funkcji obciążenia.
W związku z tym zużycie paliw a oraz ilość wyw iązanych spalin (przy utrzy
m aniu tych sam ych nadm iarów pow ietrza w ciągu konwekcyjnym) są propo
rcjonalne do obciążenia. Tym samym O T
W° = O T 2” W1 hii ispl (16)
W ystępujący we wzorze (15) stosunek te m p e ra tu r spalin je s t funkcją obciąże
n ia kotła. Oznaczając
X(x) = £ oraz Y [ X ( x ) ] = ^ (17)
Ol ispl
oraz wykorzystując zależność (1) m ożna obliczyć odpowiadający chwilowemu obciążeniu ubytek erozyjny d(Ah/x) jako
d(Ah/x) = K X3 Y3 w? dx (18)
skąd roczny ubytek
Tr
Ahr = w 3 K
J
X3 Y3 dx (19)Odnosząc podaną wyżej wielkość do hipotetycznego u b y tk u Ahrl, który wystąpiłby, gdyby kocioł pracow ał stale z nom inalnym obciążeniem, określić można ubytek względny
r
J X3 Y3 dx
(Ahr/A h rl) = - --- (20)
W ystępująca we wzorach (18) i (19) wielkość K je s t iloczynem pozostałych składników wzoru (1) i m a postać
K = 2,33 10“7 p3 e c p pc pm p2 iip (21) Spośród składników K jedynie pm i r|p zależy w niewielkim stopniu od obciąże
n ia kotła, jed n ak zarówno z w ykresu rys. 2, ja k i przeprowadzonych obliczeń wynika, że zm iany te przy założeniu, że zm iana m aksym alnego obciążenia kotła nie przekroczy 20%, będą niewielkie, rzędu 1 - 3%. W związku z tym wielkość K w rów naniu (21) m ożna uznać za stałą.
Dla określenia intensywności erozji popiołowej podstawowe znaczenie ma roczny czas pracy kotła oraz rozkład obciążeń. U zyskany n a podstaw ie danych z eksploatacji kotła przybliżony uporządkow any w ykres obciążeń dla stanu wyjściowego (aktualnego), z dokładnością w ystarczającą do obliczeń technicz
nych, zaaproksymować m ożna pro stą - rys. 3 o postaci
X(t)a = ax + b (22)
[ t y s . h ] Rys. 3. Uporządkowany roczny w ykres obciążeń k otła
Fig. 3. A nnual load d istribution of th e boiler
W wyniku pom iarów i obliczeń dla typowych kotłów stwierdzono, że zależ
ność Y = T/T] =f(X) je s t również w przybliżeniu liniowa i m ożna ją opisać funkcją
Po w prow adzeniu powyższych zależności do w zoru (20) uzyskuje się postać
Analogiczne obliczenia przeprowadzić należy następ n ie dla założonego, również liniowego, rozkładu obciążeń — rys. 3 opisanego rów naniem (24) o współczynnikach a ’ i b’.
W efekcie uzyskuje się w artości Ahr/A h rl dla porównywanych obciążeń.
Odnosząc je do siebie, określić można, n a ile zmaleje ubytek erozyjny r u r po zm niejszeniu m aksym alnej wydajności kotła z aktualnej n a obliczeniową.
W ten sposób m etodą prób m ożna dobrać tak i rozkład obciążeń kotła, który zapewni utrzym anie erozyjnych ubytków m ate ria łu r u r w założonych gran i
cach.
4. WPŁYW RODZAJU PALIWA NA INTENSYWNOŚĆ EROZJI
W obliczeniach powyższych zakłada sie, że w obu w a ria n tac h spalane jest takie samo paliwo. Je d n a k efektywnym sposobem ograniczenia erozji popioło
wej może być również zm iana paliw a n a zaw ierające mniej popiołu i posiada
jące w iększą w artość opałową. Poniżej przedstaw iono sposób obliczania, ja k zm ienia się intensyw ność erozji po przejściu n a lepsze paliwo.
Zakładając, że przed i po zm ianie rodzaju spalanego paliw a rozkład obcią
żeń i tem p e ra tu r spalin je s t tak i sam , tzn.
Y = cX + d (23)
( A h r / A h r l ) = - (24)
X = Q/Qx = idem Y = Tsp/ T spi = idem
otrzym ujem y stosunek ubytków erozyjnych dla paliw a aktualnego (pa) i no
wego (pn) jako:
Przyjm ując ponadto, że c h arak ter rozkładu prędkości (fJw) i koncentracji (Pc) oraz prawdopodobieństwo r|p nie ulega zm ianie, uzyskuje się
ńhpn ^ *-pn Cpn
Ahpa epa cpa
W;p n
v * yw pa
(26)
Zarówno skład popiołu, ja k i jego ziarnistość, determ inujące wartość w skaźnika erozyjności, są dla paliw krajowych zbliżone. Prow adzi to do upro
szczenia wzoru (26) do postaci:
Ahpn _ Cpn Ahpa Cpa
W,p nA3
(27)
Koncentrację popiołu w spalinach opisuje zależność _ 8,5 Ar 273 Cp _ V v sp Tx sp
(28)
Zakładając, że po przejściu n a nowe paliwo rozkład te m p e ra tu r i stosunki nadm iarów powietrza w ciągu konwekcyjnym kotła nie ulegną zasadniczej zm ianie, można napisać:
Ah,p n _
Ahpa
Bnn>_P£L
\ B paS
V 5nnn> A!' sppn V v s p p a yV
P n
Apa
(29)
Podstaw iając odpowiednie wartości liczbowe dla obu paliw uzyskuje się stosu
n e k (Ahpn/A hpa) określający, n a ile przejście n a lepsze paliwo zmniejszy zagro
żenie erozyjne powierzchni konwekcyjnych kotłów.
Łączny efekt zm iany paliw a i c h arak teru obciążeń kotłów je s t iloczynem Ahn (Ah1-/Ahrl)on Ah.pn
Aha (Ahr/A h rl)oa Ahpa
gdzie: indeks „on" odpowiada nowemu (obniżonemu) obciążeniu m aksym alne
m u kotła, „oa" m aksym alnem u obciążeniu ak tu aln ie w ystępującem u w pracy kotła, „pn" i „pa" erozji przy spalaniu odpowiednio nowego i aktualnego gatu n
ku węgla. Indeksy „a" i „n" odpowiadają sum arycznem u wpływowi zmiany obciążenia i rodzaju paliw a n a erozyjny ubytek m ateriału rur.
5. MOŻLIWOŚCI OBNIŻENIA EROZJI PO PIO ŁO W EJ DROGĄ REGULACJI SEPARATORA MŁYNOWEGO
Większość krajowych kotłów opalanych węglem kam iennym wyposażona je s t w m łyny miażdżące, pierścieniow o-kulowe, zaopatrzone w separatory statyczne. Poprzez zm ianę k ą ta u staw ien ia łopatek a w zmodernizowanej w ersji tego sep arato ra regulować m ożna charak tery sty k ę ziarnow ą pyłu wę
glowego doprowadzanego do palników, a tym sam ym również granulację popiołu lotnego. Zgodnie z pom iaram i [6] zakres regulacji ziarnistości pyłu je s t znaczny: zm iana k ą ta a z 25° n a 45° dała obniżenie pozostałości sitowych z w artości Ro,o9 = 41,8% i Ro,20 = 10,5% n a Ro,o9 - 10,8% i Ro,2o = 0,2%. Zm iana ta k a okupiona je s t jed n a k zm niejszeniem wydajności m łyna z 10,8 n a 8,4 t/h.
W przypadku istn ien ia rezerw y wydajności m łyna m ożna więc uzyskać zm niejszenie erozji powierzchni konwekcyjnych poprzez popraw ę jakości przem iału, w skutek której m aleje średnie praw dopodobieństwo r|p.
Z m iana charakterystyk i przemiałowej w podanym zakresie pozostałości sitowych powoduje obniżenie ripśr o ok. 30 - 40%. Zgodnie z wzorem (1) w analogiczny sposób m aleje erozyjny ubytek ru r. Popraw a jakości przem iału, k tó rą w pewnym zakresie m ożna uzyskać n a drodze regulacji sep arato ra, je s t więc efektywnym sposobem obniżenia erozji ru r.
6. WNIOSKI
1. Intensywność erozji popiołowej zależy w głównej m ierze od rocznego czasu pracy oraz rozkładu obciążeń kotła.
2. Ograniczenie m aksym alnego obciążenia kotła pozwala w znacznym sto
pniu zmniejszyć rozm iary erozji pęczków konwekcyjnych.
3. Skutecznym sposobem ograniczenia erozji je s t zm iana paliw a n a zaw iera
jące mniej popiołu (najlepiej o mniejszej zaw artości glinokrzem ianów) i posiadające w iększą w artość opałową.
4. Popraw a jakości przem iału, k tó rą w pewnym zakresie m ożna uzyskać n a drodze regulacji sep aratora, je s t efektywnym sposobem obniżenia erozji ru r.
LITERATURA
[1] Św irski J.: B adania erozji popiołowej i ocena zużycia r u r kotłowych w skutek jej działania. Prace In sty tu tu E nergetyki, Zeszyt 1, W arszaw a
1975.
[2] Św irski J.: Wytyczne projektow ania kanałów spalinowych i powierzchni ogrzewalnych kotłów dla ochrony r u r przed erozją popiołową. Opracowa
nie In sty tu tu Energetyki n r 10940, W arszaw a 1974.
[3] Fehndrich W.: Verschleil3untersuchungen an K esselrohren. Mitteilun- gen der VGB 49 (1969), H .l, s. 58 - 70.
[4] U rban B.: Vliv usporadani tru b ek ve svazku vyhrevne płochy n a jejich popilkovy oter. E nergetika 1980 n r 3, s. 97 - 102.
[5] Below S.J., W asiliew A.A.: K m etodikie rasczota abraziwnogo iznosa kotielnych powierchnostiej nagriew a. Tiepłoeniergietika 1990 n r 4, s. 55 - 5 7 .
[6] Mroczek K.: Pom iary m łyna EM -70 ze zmodernizowanym odsiewaczem i po zastosow aniu silnika z m niejszą prędkością obrotową w Elektrowni Łagisza. A.U.I. KOMOD, Gliwice 1993.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. J a n TALER Wpłynęło do Redakcji 7.08.1994
A b stract
The pap er presen ts a m ethod of calculation by which th e efficiency of the reduction of fly ash erosion by m eans of changes in boiler operation can be evaluated. Following activities have been analysed: reduction of th e boiler capacity, change of the type of coal and im provem ent of coal grinding quality.
The calculations have led us to th e following conclusions:
1. The inten sity of fly ash erosion depends strongly on the an nu al worktime and load distribution of th e boiler.
2. The reduction of boiler m axim um load keeps th e flue gas velocities at an acceptable level and therefore m inim izes th e erosion.
3. Efficient m ethod to decrease th e erosion is th e change of coal type to a coal w ith higher h eatin g value and lower ash content.
4. Im provem ent of coal grinding quality, which is possible by m eans of con
trol of th e separator in the mill, is an efficient way of m inim izing the erosion of th e back-end convection surfaces.
