热力发电厂炉内结垢与防护.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,热力发电厂炉内结垢与防护,(1),马双忱,1,2,一、水垢的特性,二、水渣的特性,三、钙、镁水垢,四、硅酸盐水垢,五、氧化铁垢,六、铜垢,七、防止和减少炉管结垢率的措施,内 容,3,运行实践表明，如果锅内的水质不良，经过一段时间运行后，在受热面与水接触的管壁上就会生成一些,固态附着物,，这种现象通常称为结垢，这些附着物叫做水垢。,另外，在锅炉水中析出的固体物质，有的还会呈悬浮状态存在于锅炉水中，也有沉积在汽包和下联箱底部等水流缓慢处，形成沉渣的，这些呈,悬浮状态和沉渣状态,的物质叫做水渣。,水垢与水渣简介,4,5,Impurities in feed water and effects,6,沉积物在管壁沉积的基本步骤示意图,7,一、水垢的特性,1,组成,2,分类,3,物理性质,4.,危害,8,1,组成,表,1,是某超高压锅炉炉管内水垢的化学分析水垢的化学组成一般比较复杂，通常都不是一种简单的化合物，而是由许多化合物混合组成的。通过化学分析，可确定水垢的化学组成，,般用重量百分率表示水垢的化学成分。,结果。,至于水垢中各种化学成分确切的化学形态，只有采用物理化学分析法，如,x,光谱分析、结晶光学分析和热谱分析等才能确定。,9,10,11,Crystalline Compounds Found in Water-Formed Deposits,12,2,分类,水垢中虽然常含有多种不同的化学组成，但往往是以某种化学成分为主。例如目前电厂锅炉的水汽系统中，水垢的化学成分往往以,Fe,、,Cu,等为主。因此，为了便于研究水垢形成的原因、防止及消除的方法，通常将水垢按其主要化学成分分成以下几类：,钙镁水垢,硅酸盐水垢,氧化铁垢,铜垢 等。,13,3,物理性质,各种水垢的物理性质都不相同：有的水垢很坚硬，有的较软；有的水垢致密，有的多孔；有的牢固地粘附在金属表面，有的与金属表面的联系较疏松。,通常表明水垢的物理性质的指标有：,坚硬度,孔隙率,导热性 等。,14,(1),坚硬度。水垢的坚硬程度，表明它是否容易用机械方法,(,如刮刀、铣刀、金属刷等,),清除掉。,(2),孔隙率。孔隙率说明水垢中孔隙和缝隙占水垢体积的百分数。孔隙率大的水垢往往导热性很小。,(3),导热性。水垢的导热性,般都很差，但不同的水垢因其组成、孔隙率等不同而各不相同。,水垢与钢材相比，热导率相差几十到几百倍，即结有,1mm,厚的水垢时，其传热效能相当于钢管管壁加厚了几十到几百,mm,，所以金属管壁上形成水垢会严重地阻碍传热。,15,钢和各种水垢的平均热导率,16,4.,危害,（,1,）,锅炉炉管结垢后,往往因传热不良导致管壁温度升高,当其温度超过了金属所能承受的允许温度时,就会引起鼓包和爆管事故。,图,1,是水垢层厚度和,管壁温升的关系。,图中管壁温度计算方法：,假设燃烧室温度,1100,，锅炉水温度,200,，管壁厚,5mm,金属管热导率,55.8W/(m,),受热面热负荷,1.67410,5,W/m,2,.),，可知，水垢的厚度及热导率,对金属管壁温度有很大的影响。我们知道，炉管是用优质低碳钢制造的，管壁温度应低于,450,，但从图,1,可看出，即使炉管内附着不厚的水垢层，也会使炉管管壁温度大大超过此允许值。,17,水垢导致炉管超温计算方法如下：,由傅立叶传热公式：,式中，,L,水垢厚度；,热导率，,W/(m,),q,该区域受热面热负荷,W/m,2,；,18,现以我国制造的汽包压力为,15.19MPa,的超高压锅炉为例，相应的饱和水温度,343,，水冷壁采用,20#,优质碳钢，耐最高温度,500,，考察在结有氧化铁垢后管壁的升温情况。,水垢厚度,L=0.1mm,；,热导率,=0.116 W/(m,),；,受热面热负荷,q=2.3210,5,W/m,2,计算升温值,t=200,；,将使水冷壁管内侧温度高达,343,（炉水温度）,+200,（垢层温差）,=543,此温度超过其耐受的最高温度,500,，时间一长，爆管将不可避免。,19,Magnetite scale acts as thermal insulation on the pipe,since the thermal conductivity of scale is only about 5%that of steel.When heat can no longer transfer efficiently from the flame through the tube into the steam inside,the tube wall will heat up to temperatures beyond the intended operating range.Long term exposure to overly high temperatures,combined with the very high pressure inside the tube,leads to intergranular micro-cracking in the metal and to creep deformation(,慢慢变形,),which in turn eventually leads to tube failure by bursting.,20,（,2,）当锅内金属表面覆盖有水垢时，还会引起沉积物下腐蚀，危害锅炉安全与经济运行。,21,（,3,）水垢结的太快，将迫使热力设备提前检修或化学清洗，减少锅炉可用时数，增加检修费用，造成巨大经济损失。,22,（,4,）浪费燃料，水垢的平均传热系数大约仅为钢材的,1/101/100,，水垢每形成,1mm,，传热效能相当于管壁加厚了几十,几百,mm,，多浪费掉,10%,燃料。,23,二、水渣的特性,1,组成,2,分类,3.,危害,24,1,组成,水渣的化学组成也很复杂，但形成水渣的主要物质通常不外以下几种：,碳酸钙：,(CaCO,3,),氢氧化镁：,Mg(OH),2,碱式碳酸镁：,Mg(OH),2,MgCO,3,磷酸镁：,Mg,3,(PO,4,),2,碱式磷酸钙,(,碱式磷灰石,),：,Ca,10,(OH),2,(PO,4,),6,蛇纹石：,3MgO,2SiO,2,2H,2,O,镁橄榄石：,2MgO,SiO,2,金属的腐蚀产物：如铁的氧化物,Fe,2,O,3,、,Fe,3,O,4,和铜的氧化物：,CuO,、,Cu,2,O,有时水渣中还可能含有某些悬浮物随给水带入锅炉水中。,25,2,分类,水渣按其性质的不同可分为以下两类,:,不会粘附在受热面上的水渣。这类水渣较松软，常,悬浮,在锅炉水中，易随锅炉水的排污从锅内排除掉，如,碱式磷酸钙,Ca,10,(OH),2,(PO,4,),6,和,蛇纹石,水渣,3MgO,2SiO,2,2H,2,O,等。这类水渣对锅炉运行危害较小。,易粘附在受热面上转化成水垢的水渣。这类水渣容易粘附在受热面管内壁上，特别,容易粘附,在水流缓慢或停滞的地方。经高温烘焙后，常常转变成水垢,(,这种水垢称为,二次水垢,),，如,磷酸镁,Mg,3,(PO,4,),2,和,氢氧化镁,Mg(OH),2,等。这类水渣危害较大，应极力避免。,26,27,3,、水渣危害,锅炉水中水渣太多，会影响锅炉的蒸汽品质，而且还有可能堵塞炉管，威胁锅炉的安全运行、所以应采用锅炉排污的办法及时将锅炉水中的水渣排除掉。,为了防止生成二次水垢，应尽可能避免生成磷酸镁和氢氧化镁水渣。,28,讨论题,以数据为依据，分析炉内结垢的危害。,为何炉管结垢会使管壁爆管？,水垢和水渣的主要区别在哪里？,讨论水垢的形成原因。,29,三,、钙、镁水垢,在钙镁水垢中，钙、镁盐的含量常常很大，甚至可达,90%,左右。这类水垢又可按其主要化合物的形态分成：,碳酸钙水垢,(CaCO,3,),硫酸钙水垢,(CaSO,4,、,CaSO,4,H,2,O,、,2CaSO,4,H,2,O),硅酸钙水垢,(CaSiO,3,、,5CaO,5SiO,2,H,2,O),镁垢,Mg(OH),2,、,Mg,3,(PO,4,),2,等。,表,4,为某电厂锅炉和热力系统中各种钙、镁水垢化学分析结果。,30,31,1.,钙镁水垢生成部位,2.,形成原因,3.,防止方法,32,1.,钙镁水垢生成部位,碳酸盐水垢,，容易在锅炉省煤器、加热器、给水管道以及凝汽器冷却水通道和冷水塔中生成。,硫酸钙和硅酸钙水垢,，主要在热负荷较高的受热面上，如锅炉炉管、蒸发器和蒸汽发生器内等处生成。,33,2.,形成原因,形成钙、镁水垢的原因：,水中钙、镁盐类的离子浓度乘积超过了溶度积,，这些盐类从溶液中结晶析出并附着在受热面上。水中析出物之所以能附着在受热面上，是因为,受热面金属表面粗糙不平，有许多微小的凸起的小丘。这些小丘，能成为从溶液中析出固体时的结晶核心。,此外，因金属受热面上常常覆盖着一层氧化物（即所谓氧化膜），这种氧化物有相当大的吸附能力，能成为金属壁和由溶液中析出物的粘结层。,34,溶度积准则：,Me,n+,OH,-,n,Ksp,发生沉积结垢。,锅炉和各种热交换器中，水中钙、镁盐类的,离子浓度积超过溶度积的原因,，有以下几个方面,:,随着水温的升高，某些钙、镁盐类在水中的溶解度下降。在水不断受热被蒸发时，水中盐类逐渐被浓缩。几种钙盐在水中的溶解度与温度的关系如下：,35,36,图,2,钙盐在水中溶解度与温度的关系,(a),低温时；（,b,）高温时,37,在水被加热和蒸发的过程中，水中某些钙、镁盐类因发生化学反应，从易溶于水的物质变成了难溶的物质而析出。例如在水中发生重碳酸钙和重碳酸镁的热分解反应,Ca(HCO,3,),2,CaCO,3,+H,2,O+CO,2,Mg(HCO,3,),2,Mg(OH),2,+2CO,2,38,水中析出的盐类物质，可能成为水垢，也可能成为水渣，这不仅决定于它的化学成分和结晶形态，而且还与析出时的条件有关。,如在省煤炉、给水管道、加热器、凝汽器冷却水通道和冷水塔中，水中析出的碳酸钙常结成坚硬的水垢；,但是在锅炉和蒸汽发生器中，水的碱性较强而且水处于剧烈地沸腾状态，此时，析出的,碳酸钙常常形成海棉状的松软水渣,。,39,钙镁水垢的形成速度公式：,A,钙镁水垢的形成速度，,mg/cm,2,.h,；,S,锅炉水中钙或镁离子的含量，,mg/kg,；,q,炉管受热面热负荷，,W/m,2,。,利用此公式可推算锅炉的每年结垢量。,40,3.,防止方法,为了防止锅炉受热面上形成钙、镁水垢，主要应尽量降低给水硬度。这要从以下几个方面着手：,降低补给水的硬度。,保证凝汽器严密。因凝汽器发生泄漏，冷却水进入凝结水中往往是锅炉内产生钙、镁水垢的一个重要原因。所以当发现凝结水硬度升高时，应迅速查漏并及时消除。,对于给水的组成中有生产返回水的热电厂，其返回水的硬度应不超过允许值（小于,2.5mol/L,）。,炉内水处理：磷酸盐处理,41,一般凝汽器即使在正常情况下也会有微量渗漏，且在汽包锅炉的发电厂中，一般对凝结水不进行处理，所以即使用除盐水或蒸馏水作补给水，给水中也会含有少量钙、镁盐类物质。这些钙、镁盐类进入锅内后，由于锅炉蒸发强度大，锅炉水急剧蒸发浓缩，使水中钙、镁离子浓度增至很大，仍会形成水垢。,为了不使炉内形成水垢，对于汽包锅炉要采用炉内水质处理，这就要在锅炉中投加某些药品，使进入锅炉水中的钙、镁离子形成一种不粘附在金属受热面上的水渣，随锅炉排污排除掉。,高压超高压锅炉多采用磷酸盐进行炉内水处理（,soda ash(Na,2,CO,3,),能否用于除垢？,）。,42,43,碳酸盐水垢是各种水垢中最易溶于稀酸的，常见的无机酸与有机酸均可将其,溶解,。在用酸溶解碳酸盐水垢时，将产生大量二氧化碳气泡，这是其主要特征。,碳酸盐水垢的另一特点是，在,850,900,下灼烧时，水垢质量,损失,近四成，这是由于二氧化碳与化合水分分解的缘故。由于二氧化碳的消失，水垢变得松散，并可溶于水中，使水溶液呈碱性。,44,四、硅酸盐水垢,1,.,成分、特征及生成部位,2.,形成原因,3.,防治方法,45,1,.,成分、特征及生成部位,硅酸盐水垢的化学成分，绝大部分是铝、铁的硅酸盐化合物，它的化学结构较复杂。水垢组成中往往含有：,40%,50%,的二氧化硅；,25%,30%,的铝和铁的氧化物；,10%,20%,的钠的氧化物；,钙、镁化合物的总含量一般不超过百分之几。,表,5,是某中压锅炉内硅酸盐水垢的化学分析结果。,46,47,这种水垢的化学成分和结构常与某些天然矿物如,锥辉石（,Na,2,O,Fe,2,O,3,4SiO,2,）,方沸石（,Na,2,O,Al,2,O,3,4SiO,2,2H,2,O,）,钠沸石（,Na,2,O,Al,2,O,3,3SiO,2,2H,2,O,）,黝方石（,4Na,2,O,3Al,2,O,3,6SiO,2,SO,3,）等相同。,这些复杂的硅酸盐水垢，有的多孔，有的很坚硬、致密，常常匀整地覆盖在热负荷很高或水循环不良的炉管内壁上。,48,49,2.,形成原因,炉管给水中铝、铁和硅的化合物含量较高，是在热负荷很高的炉管内形成硅酸盐水垢的主要原因。例如，以地面水源作原水的发电厂，若补给水的预处理过程不当或者凝汽器发生漏泄，就会使给水中含有一些极微小的粘土和较多的铝、硅化合物，它们进入锅内就能形成硅酸盐水垢。,关于硅酸盐水垢的形成过程，目前尚不很清楚，现有两种说法：,一种认为,，在水中析出并附着在受热面上的一些物质，在高热负荷的作用下，相互发生化学反应，形成这种水垢。例如在受热面上的硅酸钠和氧化铁能相互作用生成复杂的硅酸盐化合物。,50,Na,2,SiO,3,+Fe,2,O,3,Na,2,O,Fe,2,O,3,SiO,2,对于更复杂的硅酸盐水垢，认为是由析出在高热负荷的受热面上的钠盐、熔融状态的苛性钠及铁、铝的氧化物相互作用而生成的；,另一种说法认为,，某些复杂的硅酸盐水垢，是在高热负荷的管壁上从高度浓缩的锅炉水中直接结晶出来的。,51,3.,防治方法,为了防止产生硅酸盐水垢，应尽量降低给水中硅化合物、铝和其他金属氧化物的含量。,要达到这个目的，一方面要求对补给水进行除硅处理并保证优良的补给水水质；,另一方面要严格防止凝汽器漏泄。运行经验证明，凝汽器的漏泄往往也会导致产生硅酸盐水垢。,52,讨论题,某厂采用的补给水源自一条河流，在汛期时河水往往很浑浊。汛期后该厂分段蒸发锅炉的盐段水冷壁管发生爆管事故，事故分析水冷壁管结有,1-2mm,的致密水垢，对水垢的,X,光谱分析治其为沸石型结构，初步判断其为复杂硅酸盐水垢。试解疑原因。,53,分析该厂事故原因发现，该厂的补给水预处理采用了混凝过滤等方法，由于汛期，河水中胶体含量很大，经混凝处理后仍有少部分胶体（主要是粘土胶体）难以完全去除（取决于混凝剂用量和工艺条件等），后续的离子交换也难以去除胶体物质，从而使胶体物质随给水进入锅内，致使锅内铝和硅酸盐化合物含量很高，造成硅酸盐结垢，还会使蒸汽中,SiO,2,含量升高，造成汽轮机中硅的沉积。,54,计算题,计算：已知氧化铁垢热导率,=0.116 W/(m,),假设锅炉水温度,343,，受热面热负荷,2.410,5,W/m,2,),，炉管允许温度,500,，计算炉管允许结垢量,(mm),。如果炉水氧化铁浓度,30,g/L,计算,炉管,每年结垢量,(mg/m,2,),。,55,