7.6.2. Низкотемпературная коррозия.

Коррозия возникает в нижней части поверхности воздухоподогревателя, находящейся в области наиболее низких температур, как газов, так и рабочей среды (воздуха).

По своему характеру - это сернокислотная коррозия. Определяющим фактором интенсивной низкотемпературной коррозии является наличие в потоке дымовых газов паров серной кислоты H₂SO₄.

При горении серы топлива в зоне ядра факела образуется диоксид серы SO₂. В дальнейшем при наличии некоторого избытка воздуха SO₂ частично доокисляется в SO₃ атомарным кислородом О, образующимся в высокотемпературной зоне факела при избыточном количестве молекулярного кислорода в зоне горения. Триоксид серы SO₃ может разлагаться, но только при высоких температурах.

Общий процесс образования и разложения SO₃ в зоне факела можно выразить следующим образом:

7.25

где k₁ и k₂ - константы скорости прямой и обратной реакций, при этом в зоне ядра факела k₁ > k₂. В итоге на границе ядра факела образуется заметная концентрация SO₃ которая после завершения горения снижается в результате постепенного разложения SO₃

Однако по мере снижения температуры газов этот процесс тормозится и практически прекращается при θ_г = 1200…1250°С. Чем быстрее происходит охлаждение газов, тем выше будет остаточная концентрация SO₃.

В общем виде уровень концентрации SO₃ в продуктах сгорания на выходе из топки, по данным А. К. Внукова, можно выразить следующей эмпирической зависимостью:

7.26

где k_П и k_Т - коэффициенты, учитывающие конструкцию топочного устройства (факельная открытая или с вихревым предтопком, с твердым или жидким шлакоудалением) и вид сжигаемого топлива; Q₂ - содержание избыточного кислорода в продуктах сгорания, %; q_V - тепловое напряжение топочного объема, кВт/м³. Значения показателей степени n, m, l близки к единице.

При дальнейшем прохождении газами конвективных поверхностей нагрева может происходить увеличение концентрации SO₃ за счет SO₂ в потоке газов и остаточного содержания кислорода. Катализаторами процесса доокисления SO₂ в SO₃ являются отложения на поверхностях нагрева, в том числе сульфаты железа и сажевые частицы. В итоге содержание SO₃ в газах составляет 1…5% от количества SO₂ или 0,002…0,10% от полного объема газов.

В зоне температур газов ниже 500 °С начинается образование паров серной кислоты за счет реакции SO₃ с водяными парами, находящимися в газовом потоке. Этот процесс завершается при температуре около 250°С.

Коррозия поверхности нагрева может начаться при условии, если температура стенки и пристенного пограничного слоя окажется ниже температуры конденсации паров влаги или паров серной кислоты, соответствующей их парциальному давлению в газах.

Температура, при которой начинается конденсация влаги на поверхности, называется термодинамической температурой росы t_Р.

Температура росы (точка росы) чистых водяных паров при их парциальном давлении в продуктах сгорания p_H2O = 0,010…0,015 МПа составляет t_Т.Р = 45…54°С. При наличии в потоке газов паров серной кислоты температура конденсации (сернокислотная точка росы t^S_Р) значительно увеличивается и может достигать 140…160°С.

Значение температуры t^S_Р можно определить по формуле (для сжигания мазута)

7.27

где S^П = S^Р/Q^Р_Н - приведенная сернистость топлива, % · кг/МДж; O₂ = 21 (α-1)/α - концентрация избыточного кислорода в газовом потоке, %.С увеличением содержания серы в топливе и избытка воздуха возрастает концентрация SO₃ в потоке газов, что ведет к росту температуры росы.

Агрессивность дымовых газов твердых топлив, по данным ВТИ, определяется соотношением содержания в них серы S^Р к содержанию золы A^Р и доли щелочных соединений Щ = СаО + MgO + Na₂O + К₂, %, и выражается комплексом

7.28

Расчеты по (7.28) показывают, что высокой сернокислотной агрессивностью обладают кизеловский каменный уголь (S^Р = 6,1%, К_Щ = 0,38), подмосковный бурый уголь (S^Р = 4,0 %, К_Щ = 0,16) и донецкий уголь марки Д (S^Р = 3,0), К_Щ = 0,11). Однако наибольшей агрессивностью обладает сернистый мазут, для которого расчет по (7.28) дает К_Щ = 2,62.

Температура точки росы продуктов сгорания твердых топлив зависит от наличия серы в топливе и щелочных соединений в золе и определяется по формуле:

7.29

где А_Щ = f(1/К_Щ) - коэффициент, учитывающий содержание щелочных соединений в потоке летучей золы.

Рис. 7.24. Фазовое равновесие системы H20-H2SO4 при различных давлениях. На (рис. 7.24) приведена диаграмма фазового равновесия жидкости и пара двухкомпонентной системы Н2О и H2SO4 при различных парциальных давлениях водяных паров. Нижняя ветвь кривых при р = const характеризует зависимость температуры кипения водного раствора серной кислоты от ее

концентрации, а верхняя - температуру начала конденсации (точку росы) парового раствора. Видно, что даже незначительное содержание паров H₂SO₄ в дымовых газах (левая пунктирная линия) резко повышает температуру начала конденсации, при этом образующаяся пленка жидкости на стенке имеет высокую концентрацию серной кислоты (около 80%).

Рис. 7.25. Скорость коррозии металла от температуры стенки при разных видах сжигаемого топлива: а - при сжигании мазута и разных избытках воздуха для РВП; 1 - при α_т = 1,02; 2, 3, 4 - при α_т = 1,03; 1,04; 1,05; 5 - при α_т = 1,1; б - при сжигании твердого топлива: 1 - для трубчатого воздухоподогревателя; 2 - для РВП.

На рис. 7.25 приведены две характерные кривые для низкотемпературных поверхностей нагрева, показывающие изменение скорости коррозии К_К при разных температурах металла поверхности и α_Т в условиях контакта с газами после сжигания сернистого мазута и твердого топлива. Как видно, скорость коррозии в зависимости от температуры стенки t_СТ крайне неравномерна (рис. 7.25, а, кривая 5). В области температур t_СТ ниже температуры точки росы (около 145°С) с ростом t_СТ вначале коррозия резко возрастает, достигая максимума при t_СТ = 105…110°С, затем происходит глубокий спад скорости коррозии, а в продуктах сгорания твердого топлива (рис. 7.25, б) при t_СТ < 85…90°С имеет место второй максимум коррозионного разрушения металла.

Коррозия металла происходит при наличии на его поверхности пленки сконденсировавшейся влаги, содержащей H₂SO₄. Скорость коррозии пропорциональна скорости конденсации паров серной кислоты. В то же время интенсивность коррозии зависит от процентного содержания H₂SO₄ в конденсирующейся пленке на поверхности металла. При более низкой температуре (ниже 110°С) в пленке растет масса влаги и снижается доля серной кислоты.

Скорость коррозии металла в наиболее опасной зоне температур 90…110°С существенно снижается при уменьшении избытка воздуха в продуктах сгорания (рис. 7.25, а, кривая 1), что связано с резким уменьшением образования SO₃ В том же направлении изменяется скорость коррозии, если уменьшить содержание серы в топливе.

Для исключения низкотемпературной коррозии необходимо иметь t_СТ < t^S_Р + (10…15)°С, однако это экономически оправдано лишь при сжигании малосернистых мазутов и сернистых твердых топлив, у которых t^S_Р не превышает 110 °С. В других случаях при высоком значении t_СТ температура уходящих газов будет чрезмерно велика, заметно возрастут потери с уходящими газами.

При значении t^S_Р > 130 °С допускается в поверхности воздухоподогревателя невысокая скорость коррозии (не более 0,2 мм/год), что обеспечивается за счет предварительного подогрева воздуха на входе в воздухоподогреватель. Так, при сжигании сернистых мазутов и t_СТ > 120 °С рабочая кампания холодного слоя РВП увеличивается до четырех лет. Однако при этом повышается температура уходящих газов и снижается КПД котла. Изменение температуры уходящих газов Δθ_УХ при повышении температуры поступающего воздуха Δt'_ВП связано следующей зависимостью

7.30

Так, при подогреве воздуха на входе в РВП с 50 до 90°С температура уходящих газов повысится на Δθ_УХ = 0,7 · 40 = 28°С, что снизит экономичность котла примерно на Δη_К = 1,1%.