Сепарація і промивання пари

Вимоги до пари. В насиченій водяній парі можуть знаходитися різні домішки: гази N₂, NH₃, СO₂, Н₂, солі і кислоти мінеральних і органічних речовин, оксиди металів, зважені або розчинені в парі.

Мінеральні домішки можуть відкладатися в трубах пароперегрівача, в арматурі паропроводів і в проточній частині турбіни в кількостях, які неприпустимій для їх нормальної роботи. До якості насиченої пари барабанних котлів пред'являються жорсткі вимоги, встановлені на основі досвіду експлуатації устаткування і даних теплохімічних випробувань.

Забруднюючі домішки поступають в насичену пару в основному з живильної води. Вміст продуктів корозії за нормальних умов незначний. В прямоточних котлах високого і надвисокого тиску визначальне значення в забрудненні пари мають розчинені в ній мінеральні неорганічні домішки, в основному SO₂, оксиди Fе і Сu, а також сполуки натрію.

Співвідношення між мінеральними домішками, які виносяться з парою і залишаються у воді при докритичному тиску, характеризується коефіцієнтом розподілу:

(13)

де С_п і С_в - вміст мінеральних домішок в парі і у воді, мкг/кг.

Коефіцієнт розподілу залежить від хімічного складу мінеральних речовин, оскільки розчинення домішок відбувається вибірково і підвищується з збільшенням тиску і температури пари.

Таким чином, в прямоточних котлах якість насиченої пари визначається лише характеристикою живильної води. В котлах з природною і багатократною примусовою циркуляцією відділення пари від води відбувається в барабані. В котлах низького і середнього тиску забруднення насиченої пари відбувається переважно внаслідок виносу разом з парою крапель води, які містять мінеральні домішки. При високому тиску пари і його незначної вологості виносяться розчинені в ній домішки, в основному сполуки кремнію, гідроксиди металів.

В загальному випадку вміст мінеральних нелетких домішок в насиченій парі, мкг/кг:

(14)

де d - вологість пари (%), як правило d=0,01-0,03 %; К_р - коефіцієнт розподілу домішок за рахунок розчинності між парою і водою.

При низькому і середньому тиску вміст мінеральних домішок в парі практично визначається лише їх вмістом у воді, яка знаходиться в барабані і вологістю пари, оскільки .

В барабанних котлах для поліпшення якості насиченої пари необхідно зменшити вміст в ній краплинної вологи і розчинених в парі речовин. При низькому і середньому тиску вирішальне значення для зменшення солевмісту пари має сепарація краплинної вологи від пари. В котлах високого і надкритичного тиску солевміст пари визначається також вмістом в парі розчинених домішок. Зменшення вмісту в парі краплинної вологи досягається рівномірним розподілом по довжині і по діаметру барабана пароводяного і парового навантаження, а також відділенням крапель вологи від пари за допомогою сепараційних пристроїв.

В сучасних барабанних котлах використовуються окремо або в різних поєднаннях різні сепараційні пристрої, схеми яких показані на рис. 7. Ці пристрої мають погасити кінетичну енергію пароводяної суміші, яка поступає в барабан, з мінімальним утворенням мілкодисперсних крапель вологи, забезпечити рівномірний розподіл парового навантаження за площею дзеркала випаровування і потоку пари в об'ємі барабана, здійснити видалення з потоку пари крапель вологи.

В пристроях сепарації використовуються наступні принципи сепарації крапель вологи з пари.

Гравітаційна сепарація. Відділення крапель вологи від пари здійснюється при горизонтальному і вертикальному підйомному русі пари з стабільною малою швидкістю. Ефективність гравітаційної сепарації пропорційна різниці густини води і пари, тобто залежить від тиску, а також розмірів крапель води, швидкості потоку пари і довжини його шляху до виходу з барабана.

При вказаній нижче напруженнях парового простору барабана і швидкості підйомного руху пари великі краплі вологи випадають з потоку на дзеркало випаровування і в парі залишаються частинки менше 50 мкм:

Тиск пари, МПа	1,6	4,3		15,5
Напруження парового об'єму, м³/(м³∙год)	1200-3000	500-1200	250-500	150-250
Швидкість пари над дзеркалом випаровування, м/с	0,35-0,9	0,2-0,35	0,08-0,2	0,05-0,12

Рис. 7. Схеми сепараційних пристроїв в барабані котла:

а) при підводі пароводяної суміші під рівень води в барабані; б) при підводі пароводяної суміші в паровий об'єм барабана; в) при встановлені внутрішньобарабанних циклонів

1 - розподільний дірчастий втоплений щит; 2 - відбійний щит; 3 – пароприйомний щит; 4 - жалюзійний сепаратор; 5 – внутрішньобарабанний циклон; 6 - труби випарної поверхні нагріву; 7 - опускні труби; 5 - паровідвідні труби

Цей принцип сепарації використовується, наприклад, в пристрої показаному на рис. 7 а. Гасіння кінетичної енергії струменя пароводяної суміші і рівномірний розподіл пари відбуваються у водяному об'ємі. Відділення крапель вологи від пари здійснюється в паровому просторі. Гравітаційна сепарація має місце практично в тій чи іншій мірі при всіх конструкціях внутрішньобарабанних пристроїв.

Інерційна сепарація. Відділення великих крапель води від пари може бути здійснене при різкому прискоренні горизонтального або вертикального потоку пари і подальшому зменшенні його швидкості, а також за рахунок відцентрових сил, які діють на краплю при зміні напряму руху або напряму закручування потоку вологої пари.

Найпростішим інерційним сепаратором є глухі або дірчасті сталеві листи, розміщені вертикально або похило, які одночасно використовуються для гасіння кінетичної енергії пароводяної суміші і відділення основної маси води від пари (схема рис. 7 б). Швидкість пароводяної суміші на вході під відбійний щит не повинна перевищувати 2-2,5 м/с. Швидкість пари на виході з-під щита в барабан приймається, як правило, 0,7-1 м/с. Застосованні для рівномірного розподілу пари за площею дзеркала випаровування дірчасті щити встановлюються приблизно на 75-100 мм нижче за нижній рівень води в барабані. Мінімальна швидкість пари в отворах щита розміром 8-12 мм має бути 0,95 м/с при 4 МПа і 0,5 м/с при 10 МПа.

В жалюзійному сепараторі (рис. 7 б) для інерційного відділення крапель води використовується зміна прискорення потоку в сепараторі і на виході з нього, а також багатократна зміна його напряму, що підвищує ефективність сепарації. Гранична швидкість пари перед горизонтальним жалюзійним сепаратором 0,5 м/с при 4 МПа і 0,2 м/с при 10 МПа. Якщо жалюзі вертикальні або нахилені під великим кутом, швидкість пари може бути в 1,5-2 рази більшою.

Відцентровий сепаратор циклонного типу, в якому відбувається інтенсивне закручування потоку вологої пари, показаний на схемі рис. 7 в. Циклонні сепаратори забезпечують ефективне відділення крапель вологи за рахунок дії на них відцентрових сил, які відкидають краплі до стінки циклону, де вони затримуються на плівці води, яка стікає на дзеркало випаровування. Циклонні сепаратори виконуються внутрішньобарабанними при концентрованому підведенні пароводяної суміші з великою швидкістю у водяний об'єм барабана, а також виносними, зокрема для сепарації пари з другого і третього ступенів випаровування.

Ефективність вловлювання крапель вологи визначається тангенціальною швидкістю входу пароводяної суміші в циклон u і осьовою швидкістю підйому потоку в циклоні ω₀. При зменшенні відношення u/u/ω₀ ефективність роботи циклону різко зменшується, тому u/ω₀ має бути не менше п'яти.

Внутрішньобарабанні циклони, як правило, мають висоту корпусу 400-500 мм. Осьова швидкість пари в циклоні при тиску 4 МПа ω₀=0,6-0,7 м/с, при 10 МПа ω₀=0,3-0,4 м/с. Допустима паропродуктивність циклона при діаметрі 420 мм і тиску пари 4 МПа складає 6,3-7,5 т/год, а при 10 МПа вона рівна 10-13 т/год.

Плівкова сепарація основана на використанні здатності налипання дрібних крапель води, які не володіють інерційними властивостями, на зволожену розвинену поверхню при її зіткненні з потоком вологої пари. При ударі потоку вологої пари об таку поверхню в результаті злиття дрібних крапель на ній утворюється суцільна водяна плівка, яка є достатньо міцною і не зривається пором, але в той же час безперешкодно і безперервно дренується у водяний простір барабана.

Плівкова сепарація використовується в циклонних, а також в швелеркових сепараторах. В них плівкова сепарація поєднується з інерційною за рахунок відкидання великих крапель води при проходженні вологої пари по каналах між швелерами з чотирикратним поворотом на 90°. Така конструкція достатньо ефективно відокремлює дрібні краплі від пари. Швидкість пари в швелеркових сепараторах при тиску в барабані 11 МПа 0,2 м/с.

Для рівномірного відведення пари по січенню барабана на виході з нього встановлюється пароприйомний дірчастий щит.

Промивка пари. Механічні способи сепарації дозволяють видалити з пари відносно великі частинки. Від речовин, які знаходяться в парі високого тиску у вигляді молекулярних і колоїдних розчинів, пара може бути очищена промиванням чистою водою. Практично промивка пари здійснюється при її пропусканні через шар води.

На рис. 8 показаний пристрій для промивки пари. В паровому просторі барабана розміщується щит, на який подається живильна вода, яка потім стікає у водяний простір барабана. Щит виконується у вигляді системи корит або з перфорованими за його площею отворами.

Рис. 8. Схема пристрою сепарації з промивкою пари: 1 - щит з промивальними коритами; 2 - жалюзійний сепаратор; 3 – пароприйомний щит; 4 - розподільний щит; 5 - підведення живильної води; 6 - труби випарної поверхні нагріву; 7 - опускні труби; 8 - паровідвідні труби

Пара, проходячи крізь шар води в коритах або через отвори в щиті, частково очищається від солей, насичуючи ними воду. Основною метою промивки пари при високому тиску є зниження виносу кремнієвої кислоти. Кремнійвміст пари є пропорційним кремнійвмісту води, яка контактує з парою.

На промивочний щит подають не більше 50 % живильної води з метою зменшення конденсації пари в барабані, яка викликає необхідність підвищення паровмісту у випарних поверхнях нагріву. Для зменшення виносу краплинної вологи в живильну воду, яка знаходиться на щиті, необхідно мати достатню висоту парового простору під щитом.

В прямоточному котлі з пристроєм промивочної сепарації промивка пари відбувається шляхом вприскування води в дещо перегріту пару з доведенням її вологості до 2 %. При цьому домішки, які присутні в парі, розчиняються у воді. Далі волога відділяється від пари у відцентровому сепараторі і після використання частини її тепла виводиться в дренаж.

Тема 10. Теплова схема котла. Характеристика теплової схеми. Температура продуктів згоряння на виході з топки. Теплосприйняття у випарній системі, економайзері і пароперегрівачі. Температура відхідних газів. Приклади теплової схеми котлів. Теплові схеми котельної