Технологии. Инновации. Энерлинк.

Особенности эксплуатации АСО при очистке ширмовых поверхностей нагрева от золовых отложений

05 ОКТЯБРЯ 2018

Одна из серьезных проблем окружающей среды – проблема ликвидации (захоронения) твердых бытовых отходов (ТБО).

Количество ТБО, приходящихся на душу населения, колеблется в различных странах в широких приделах (в настоящее время 150 - 500 кг в г./чел), но везде имеет тенденцию к постоянному увеличению.

В состав ТБО обычно входят: макулатура[20 - 40%(по массе)]; материалы(2 – 5%); пищевые отходы(20 - 40%); пластмассы (1 – 5%); стекло(4 – 6%); текстиль(4 - 6) и прочие.

Практика содержания ТБО на свалках или захоронение их исключает из оборота значительные территории, загрязняет воздушные и водный бассейны, создает ряд проблем санитарно- гигиенического плана. На свалках ежегодно теряется значительное количество железа, олова, алюминия, меди.

В мировой практике нашли применения следующие способы переработки ТБО:

  • термическая обработка (сжигание);
  • биотермическое аэробное компостирование (с получением удобрений или биотоплива);
  • анаэробная ферментация (с получением биогаза);
  • сортировка (с извлечением тех или иных ценных компонентов).

Принятые схемы обработки ТБО обычно включают: селективный отбор таких отходов, как люминесцентные лампы (обычно содержат ртуть), батарейки, аккумуляторы, стеклобой и т.д.; механическую сортировку с извлечением металлов, выделением текстильной фракции и др.; термическую обработку оставшихся ТБО.

Сжигание часто производят в топках, при этом конструктивные особенности топок, низкая теплотворная способность мусора и плохой теплообмен из-за неравномерности и практически неконтролируемого состава мусора приводит к тому, что часть мусора горит в зонах низких температур, сгорание происходит недостаточно полно, или вообще происходит пиролиз, а не горение. В результате с отходящими газами выносится много неразложившихся органических и неорганических соединений, часто весьма вредных (фосген, диоксины, и др.) Использование для сжигания  атмосферного воздуха приводит к образованию больших объемов дымовых газов. В свою очередь значительная  доля сил и средств, расходуемых на защиту окружающей среды, связана с защитой воздушного бассейна.

Как правило, система отвода газов от топочных агрегатов включает в себя:

  • газоотводящие тракты;
  • котлы-утилизаторы. Котлы-утилизаторы (КУ) используют физическое тепло нагретых газов для получения пара и нагретой воды, которые затем используют для производственных или бытовых нужд. В процессе прохождения через котлы-утилизаторы газы охлаждаются, что обеспечивает проведение последующей операции – улавливание пыли. При охлаждении объем газов уменьшается;
  • пылеулавливающие устройства (газоочистки);
  • устройства для эвакуации газов.

Котел – утилизатор  состоит из трубчатых испарительных поверхностей нагрева, пароперегревателя и водяного экономайзера. В некоторых типах КУ для низкотемпературных газов пароперегреватель отсутствует. Для работы при высоких температурах (100 – 1200˚С) на входе в КУ предусматривают радиационную камеру, за которой размещают пароперегреватель, а далее конвективные испарительные поверхности. Пароперегреватель, элемент утилизатора для перегрева пара, то есть для повышения его температуры сверх температуры насыщения. Состоит из закрепленных параллельно стальных труб с внутренним диаметром 20-60 мм, присоединенных непосредственно к барабану котла или к входному, выходному, а иногда к промежуточному коллектору (камере). По направлению движения пара относительно дымовых газов различают пароперегреватели с параллельным током, противотоком и смешанным током. В зависимости от места расположения пароперегревателя в котле, а, следовательно, и  вида теплообмена, осуществляющегося в нем, различают радиационные, ширмовые (полурадиационные), и конвективные пароперегреватели. Экономайзер – элемент утилизатора, теплообменник, в котором питательная вода перед подачей в котел подогревается отходящими газами. При давлении до 22 кгс/см(2,2 MПa) и температуре питательной воды ниже точки росы дымовых газов или недеаэрированной воде. Экономайзер изготовляют из гладких труб.

По мере прохождения, температура отходящих газов снижается до некоторого критического значения. Дальнейшему снижению температуры уходящих из котла – утилизатора газов путем полезного использования их тепла для нагрева рабочей среды препятствует конденсация на поверхностях нагрева паров воды и серной кислоты, что приводит к интенсивному загрязнению поверхностей нагрева золовыми частицами и к коррозии металла. Охлажденные газы, пройдя устройства очистки от золы и в некоторых случаях от серы, выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Твердые продукты сгорания, уловленные в Котле – утилизаторе, периодически или непрерывно удаляются через системы золоудаления. При превышении толщины золовых отложений свыше критической, резко уменьшается теплоотдача коллекторной системы.

Коррозийная поверхность труб способствует быстрому росту золовых отложений, их утрамбованию.

Период формирования золовых отложений до критической величины, зависит в первую очередь от глубины коррозии в металле труб, от вида сжигаемого топлива и может колебаться от нескольких часов до нескольких месяцев.

Система встряхивания коллекторов должна быть быстродействующей и успевать реагировать на изменения параметров зологазового потока, зависящего от технологического режима.

Для поддержания поверхностей нагрева в чистоте в котле – утилизаторе предусматривается комплекс периодически включаемых обдувочных и обмывочных аппаратов, вибраторов и дробеочистительных устройств.

Для отчистки ширмовых поверхностей пароперегревателя применяется глубоковыдвижные аппараты и пушечная обдувка.

Глубоковыдвижные аппараты OF12 (Эстония) или «Клайд Бергеманн Гмбх» (Германия) располагаются, как правило, на трех ярусах ширмы и обдувают поверхности нагрева паром с давлением 30 бар.

Применение многосоплового аппарата с таким давлением и температурой около 600 градусов вызывает искривление и деформацию труб пароперегревателя.

Согласно методике Бергеманн и Всероссийского теплотехнического института изменение прочности отложений в зависимости от температуры газов в пакете при снижении бурых углей:

  • 350-600 градусов - 2,5 кПа
  • 600-800 градусов - 5 кПа
  • больше 800 градусов - 7,5 кПа

Для эффективной очистки рамы требуется динамический напор реагента, величина которой будет превышать реагентную прочность отложений. Это оправдано при регулярном удалении отложений, упрочняющихся за относительно длительный период. Данная система очистки позволяет удалять до 50% отложений. Основной причиной ограничения давления обдувочного пара является, по мнению Бергеманна, опасение интенсивного парозолового износа подвесных труб пакетов.

 

Устройство дробевой очистки предназначено для регулярной профилактической очистки  конвективных поверхностей нагрева от шлакозоловых отложений. Дробевой способ очистки основан на использовании кинетической энергии свободно падающих дробин. Как правило, применяется чугунная дробь округлой формы размером 4-6 мм в поперечнике. Верхний предел  размера дробин ограничен в связи с опасностью повреждения металла труб ширмовой поверхности.

Нижний предел ограничен в связи с опасностью отсеивания дроби. Однако эта система показала неудовлетворительные результаты.

Существенным недостатком пушечной обдувки является то, что она не справляется с интенсивным ошлакованием лобовой части пароперегревателя.

Для встряхивания ширмовых поверхностей пароперегревателя и экономайзеров также применяется молотковая система. Валы с молотками располагаются за камерой. Каждый элемент ширмы отряхивается отдельным молотком. Молоток ударяет по наковальне, а ударная нагрузка через шток передается на нижний пятачок коллектора ширмы.

Для эффективной очистки рамы от налипшего отложения необходимо воздействовать таким импульсом силы, чтобы разрушить адгезионные связи материала с поверхностью нагревателя. При этом напряжения, возникающие при колебаниях элементов, не должны превышать предела текучести материала.

Этим условиям наиболее полно удовлетворяет магнитно-импульсный способ воздействия на очищаемые поверхности, который положен в основу автоматизированных систем очистки (АСО).

Отличием магнитно-импульсного способа от других методов очистки является возможность получения мгновенного импульса механической силы и регулирования амплитуды силовой нагрузки при малом потреблении электроэнергии.

АСО воздействует на очищаемую раму присоединенной массой возбудителя мгновенной (в течение 1…5 мс) нагрузкой. При этом достаточная для обрушения отложений нагрузка не приводит к пластической деформации наковальни. Удаление отложений материала достигается только за счет внутренней энергии упругой деформации очищаемой конструкции.

Допустимые значения амплитуд внутренних усилий обусловлены требованием прочности и долговечности, а значение амплитуд скоростей и ускорений элементов рамы - требованиям адгезионных характеристик поверхностных слоев отложений. Время воздействия силовой нагрузки на порядок меньше первых частот собственных колебаний очищаемой рамы.

Благодаря этому, во-первых, при широком диапазоне величины импульса достигается необходимая эффективность очистки при большом сроке службы  оборудования (до 10 лет и более), а во-вторых, при оптимальных геометрических и электрических параметрах индуктора достигается наивысший КПД преобразования энергии накопителя в механическую энергию колебания очищаемой рамы.

АСО имеют существенные преимущества с точки зрения капитальных, эксплуатационных и экологических параметров перед известными устройствами аналогичного назначения.

Изменение скоростей точек тела за время удара определяется методами общей теории удара, где в качестве меры механического взаимодействия тел вместо самой ударной силы вводится ее импульс за время удара. С помощью этой теории, зная приложенный ударный импульс силы и скорости в начале удара, определяют импульсивные реакции связей. В нашем случае промежуток времени, в течение которого длится ударная сила, составляет от 0,1с (молоток) до 0,001 с (АСО). Действие ударных сил приводит к значительному изменению за время удара скоростей точек тела. Вследствие этого возникают остаточные деформации, звуковые колебания, нагревание тел, изменение механических свойств, и как критические – появление трещин особенно в сварных швах,  разрушение тел в месте удара.

В случае соударения двух тел процесс соударения можно разделить на две фазы. Первая фаза начинается с соприкосновения молотка и наковальни. К концу первой фазы сближение тел прекращается, а часть их кинетической энергии переходит в потенциальную энергию деформации. Во второй фазе происходит обратный переход потенциальной энергии упругой деформации в кинетическую энергию тел.

Что касается АСО, где присоединенная масса заведомо прижата к наковальне, первая фаза длится около 100 мкс (время нарастания разрядного тока от 0 до максимального значения).

 

Всякая упругая гармоническая волна характеризуется амплитудой и частотой колебания частиц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны. Из-за внутреннего трения и теплопроводности среды упругие волны по мере распространения затухают. Колебательный характер имеют не только перемещения упругих элементов рамы, но и внутренние усилия и напряжения в  самом каркасе рамы.

По закону Гука напряжение пропорционально деформациям. Если амплитуда деформации в волне столь велика, что напряжения превосходит предел упругости материала, то при прохождении волны в материале появляются пластические деформации (так называемая упруго-пластичная). Если пренебречь эффектом остаточной деформации, то основная деформация в месте контакта распространяется в раме в виде упругих волн со скоростью, зависящей от динамических и волновых свойств материала.

Характер разрушения рамных конструкций различный в зависимости от того, как осуществляется нагружения – медленно или быстро. Особенно отчетливо это проявляется, когда нагружения носит ударно-волновой характер и разрушение происходит при взаимодействии волн разрежения, следующих за фронтом ударных волн.

Если внутри полости элемента рамной конструкции будет повышаться давление, даже если с достаточно большой скоростью удара молотка, то разрушение должно произойти по наиболее тонким сечениям элемента в соответствии с известной истиной сопромата «где тонко, там и рвется». Если же произвести одновременное нагружение элемента с помощью ударных волн порядка 0,001 с и меньше, то разрушение произойдет по самым толстым его сечениям, потому, что именно в этих сечениях элемента и происходит взаимодействие волн разрушения, возникающих при отражении расходящейся ударной волны от плоских граней.

 

Разрушение (или пластическая деформация) есть процесс зарождения и роста трещин, оно характеризуется скоростью или временем t от момента приложения нагрузки до момента разрыва, то есть долговечностью материала. Время t затрачивается на ожидание зарождения микротрещин и на их рост до критического размера.

При воздействии ударной силы молотка на торец рамы, последний деформируется сначала упруго, а потом пластично. Причем около структурных неоднородностей поверхности имевших место в исходном состоянии (выступы, царапины) или возникших при пластической деформации, возникают большие локальные напряжения. В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой. Однако при этом их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей значительно меньше критического размера микротрещин.

Трещины не растут, и тело не разрушается, пока не наступает последовательное слияние близко расположенных соседних  микротрещин.

Поэтому при эксплуатации  материалов, на которые действуют периодические ударные силы, следует заботиться не столько о том, чтобы эти трещины не зарождались, сколько о том, чтобы они не росли.

В случае распространения усталостных трещин, какие наблюдаются в зонах соударения молотка и наковальни, существенную роль может играть мгновенная перегрузка АСО.

После перегрузки рост трещин при последующем циклическом процессе нагружения будет чрезвычайно медленным. При мгновенной перегрузке появляется большая зона пластичности. В этой зоне в материале наковальни и частично, якоря АСО возникают остаточные деформации, однако после снятия мгновенной перегрузки зона пластичности должна вписываться в окружающую упругую среду.

Упругий материал занимает свое исходное положение, а материал в зоне пластичности – нет. Если окружающая упругая  среда с резким снятием нагрузки сжимается, то зона пластичности становится для нее слишком большой. Поэтому упругий материал так изменяет зону пластичности, чтобы этого несоответствия не возникало. Следовательно, со стороны окружающей упругой среды на пластически деформированный материал при вершине трещины будут действовать сжимающие напряжения.

Остаточные сжимающие напряжения стремятся закрыть вершину трещины. Последующий процесс циклического нагружения может увеличивать рост трещины только в том случае, если величина остаточных напряжений превышена настолько, чтобы вершина трещина снова могла раскрыться.

Нередко для предотвращения микротрещин используют достаточно эластичный материал. Тогда у вершины трещины необходимые для ее роста высокие напряжения рассасываются за счет пластичной деформации. Но при этом в самой раме уменьшаются амплитуды напряжений и смещений по фронту волны.

Для того чтобы пластичный материал не влиял на распространение волн, необходимо прикладывать импульс силы такой продолжительности, чтобы материал не успевал «отреагировать» и упруго передавал внутреннее напряжение на основную конструкцию рамы.

Количественные изменения периода действия силы на раму ведет за собой большие качественные различия в динамике. Сопротивление рамных конструкций ударным нагрузкам зависит и от момента сопротивления и от жесткости элементов. Чем больше деформируемость (податливость) элементов рамы, тем большую силу удара они могут принять при одних и тех же допускаемых напряжениях. Наибольший прогиб элемент рамы дает в том случае, когда во всех ее сечениях наибольшие напряжения будут одинаковы, то есть если это будет балка разного сопротивления. Такие балки при одном и том же допускаемом напряжении дают большие прогибы, чем балки постоянного сечения, и значит, могут поглощать большую энергию удара.

Величина силы, вызывающей напряжение в длинных элементах рам, зависит от величины промежутка времени, в течение которого изменяется скорость ударяющейся массы. В свою очередь этот промежуток времени зависит от величины динамической продольной деформации (от податливости элемента). Чем эта величина больше (то есть чем меньше модуль упругости Е и больше длина элемента), тем больше продолжительность удара, и меньше ускорение. С известным приближением можно считать, что при продольном ударе величина напряжений зависит уже не от площади, а от объема элемента.

АСО позволяет увеличить уровень ускорения, возникающих на трубчатых поверхностях рам. Поэтому, в случае мгновенной нагрузке амплитудная составляющая  импульсной нагрузки будет в несколько раз выше, чем у кратковременной, вы можете передать на очищаемую конструкцию много более энергии без разрушения сварных швов и   появления пластической деформации.

Отличительные признаки мгновенной нагрузки – передача кинетической энергии осуществляется лишь в поверхностном слое пятачка и штока, а затем ударная волна распространяется в соответствии с законом собственных колебаний.

В случае же ударной кратковременной нагрузки молоток с ее присоединенной массой, пытается передать кинетическую энергию, преодолевая путь. В этом случае слой вынужденной пластической деформации может превышать в несколько раз.

С увеличением температуры среды упругие волны сопровождаются ее затуханием с расстоянием.

Высокая скорость приложения ударной силы позволяет создавать повышенные напряжения в материале и тем самым активировать новые механизмы деформации и разрушения, а также перейти от рассмотрения единичных трещин к рассеянным разрушениям.

Специфика мгновенного воздействия заключается в том, что из – за малой длительности времени нагружения практически отсутствует взаимное влияние отдельных участков нагружаемого элемента рамы, содержащих какие-либо крупные дефекты и соответственно их вклад в процессе разрушения. Кроме того, при этом развиваются высокие скорости деформирования, изменяется сам механизм пластической деформации.

Надежность рамы обеспечивается тем, что каждому элементу придают такие размеры, при которых максимальное рабочее напряжение в нем будет в определенной степени меньше напряжения, вызывающего потерю прочности этим элементом. Если в некоторой точке заданной плоскости имеется касательное напряжение, то точно такое же напряжение имеется в проходящей через эту точку плоскости, перпендикулярно заданной.

 

Выводы:

  1. Значительное (на два порядка) уменьшение времени ударного взаимодействия позволяет свести на нет рост микротрещин в пятачке коллектора;
  2. АСО позволяет увеличить энергию упругих колебаний рамных конструкций пароперегревателя и экономайзера без нарушения целостности сварных швов;
  3. Величина периодических ударных нагрузок АСО ограничивается величиной амплитуды раскачивания подвешенной рамы;
  4. Величина ударной нагрузки зависит от:

- глубины коррозии; чем больше глубина коррозии, тем больше силы адгезии.

- времени нарастания золовых отложений;

- вида сжигаемого топлива;

- температуры нагрева ширмовой поверхности рам. 

Система встряхивания рамных конструкций должна быть быстродействующей и успевать реагировать на изменения технологических параметров. Условия аэродинамики внутри рабочих камер может изменяться в десятки раз в минуту.

5.     В связи с тем, что рабочая температура в районе размещения пароперегревателя достигает 550 градусов, имеет место температурное расширение и как результат сдвиг осей пятака коллектора и штока механизма встряхивания. Для повышения эффекта ударного взаимодействия коллектор должен подвешиваться эксцентрично по отношению к ударному механизму

6.            Энергию и частоту встряхивания можно легко менять и регулировать с помощью программного обеспечения. Все работы по техническому обслуживанию АСО могут производиться на работающей установке.

Отдельные встряхивающие исполнительные механизмы (индукторы) АСО могут быть запрограммированы и оптимизированы по параметрам интенсивности и частоты встряхивания с учетом конкретной потребности.

Усиление и частота встряхивания  могут быть выбраны индивидуально и точно для обеспечения индивидуальной очистки.

  1. АСО позволяет увеличить прочность и надежность рамных конструкций

 

Литература

  1. Бабенков И.С. Основы статистики и сопротивления материалов. М., 1988;
  2. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., «Высшая школа», 1981;
  3. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М., 1978;
  4. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. М., 1986;
  5. Болотин В. В.., Статистические методы в строительной механике, 2;
  6. Бородин Н.А. Сопротивление материалов. М., 1992;Новиков С.А.// СОЖ, 1999, №8, с. 116-121.
  7. Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики. М., 1974;
  8. Зельдович Я.Б, Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений., М, «Наука», 1966;
  9. Илюшин А.А., Ленский В. Сопротивление материалов. Физматгиз, 1959;
  10. Новик А. С., Внутреннее трение в металлах, в кн.: Успехи физики металлов. Сб. статей, пер. с англ., ч. 1, М., 1956;
  11. Павлов П.А. Механическое состояние и прочность материалов. Л., 1980;
  12. Писаренко Г.С. и др. Сопротивление материалов. Кие, 1986;
  13. Работнов Ю.Н. Теория ползучести. М., Наука, 1966Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т 1. М.: изд. Наука;
  14. Рейнер М. Деформация и течение. М., 1963;
  15. Смирнов А. Ф., Устойчивость и колебания сооружений, М., 1958;
  16. Сорокин Е. С., Динамический расчет несущих конструкций зданий, М., 1956;
  17. Степин П.А. Сопротивление материалов. М., 1988;