По анализам все пробы были щелочными, рН=10¸12. Все, за исключением проб в ВТ и КД, подвергавшихся воздействию высоких температур, при добавлении соляной кислоты, из-за наличия карбонатов CO32-, бурно вскипали. Растворимые компоненты анализировались после фильтрования залитых горячей водой проб. Отфильтрованный и высушенный осадок был обработан HCl. Как и до фильтрования, нерастворенные карбонаты вскипали. В растворе обнаружены ионы: K+, Na+, Mg2+, Са2+, Fe3+, OH—, Cl—, HCO3—, CO32-, SO42—.
На основе анализа этих экспериментальных данных была разработана следующая гипотеза формирования отложений. В золе лузги, под воздействием высоких температур, на неохлаждаемых стенах топки и КД, происходит возгонка щелочных элементов, калия К и карбонатов СО32+, рис. 3 и здесь их содержание минимально и понижается с ростом температуры. Причем карбонаты и калий интенсивно возгоняются и на первых рядах труб конвективного пучка КП1, где температура достаточно высока, 700-900°С.
Далее эти возгоны переносятся и конденсируются на поверхностях с относительно низкой температурой, подобно инею, а также покидают топку с газами. Эти первичные осаждения, непрочные, рыхлые, с низкой теплопроводностью образуются на всех поверхностях нагрева котла, но особенно интенсивно на трубах топочных экранов, в зоне их эмиссии, ВТ и КД. Здесь концентрация калия и карбонатов максимальна и увеличивается с ростом температуры.
Постепенно толщина слоя рыхлых натрубных отложений увеличивается, его наружная поверхность плохо охлаждается. Тепловосприятие в топке падает, топка перегревается и толстый слой отложений первичных, рыхлых, начинает проплавляться под воздействием факела, над ним образуется корка. Наиболее интенсивно эти корообразные отложения растут на первых, по ходу газов, трубах конвективного пучка, КП1, где трубы омываются раскаленным потоком продуктов сгорания из топочной камеры, который несет частицы расплавленной золы, внедряющиеся в этот слой. Образование плотного слоя отложений, с интенсивной сепарацией липких проплавленных частиц из потока, наблюдается исключительно в зонах с высокой температурой.
Рис. 3 – Изменение доли калия и карбонатов в отложениях золы
При закрытии топочных экранов золой, в топке возрастает температура, и зона повышенных температур смещается вглубь КП1. Характер процесса налипания золы становится лавинообразным. Крупные отложения обрушаются с котельных труб и заполняют газоходы, рис. 2 слева, закрывают проход выходящим газам с остановом котла по отсутствию тяги. Этот перенос и скорость процессов увеличивается после зажигания факела газовой горелки, из-за значительного увеличения уровня температур в топочной камере с 800–950 С до 1100–1300 С. В низкотемпературных зонах, рис. 2, отложения остаются рыхлыми, избыточная толщина их удаляется за счет самообдувки и выноса газовым потоком из котла. Согласно [6], при сжигании различных шлакующих топлив. соединения щелочных металлов играют ведущую роль в образовании отложений.
В итоге исследований был выявлен высокотемпературный, сублимационно – конденсационный механизм формирования отложений из соединений щелочных металлов. Для подавления отложений золы был разработан низкотемпературный топочный процесс с периодической очисткой труб паровой обдувкой. Для очистки труб в Компании «ПроЭнергоМаш» разработаны и производятся устройства паровой обдувки УПО‑250, рис. 4. Обдувка паром с давлением 1,0¸1,4 МПа через сопла, размещенные на конце вращающейся и движущейся на 1¸8 м возвратно-поступательно штанги, один раз через 1¸3 часа снижает температуру уходящих газов на 60¸70оС и обеспечивает длительную безостановочную работу котла.
Рис. 4. Устройство паровой обдувки УПО-250
Создание аппаратов УПО‑250 стало необходимым так как по опыту, имеющаяся очистка отложений в КП1 и топке многоспловой паровой обдувкой БиКЗ, генераторами ударных волн (ГУВ) и пневмоимпульсными генераторами (ПГ‑25/8) малоэффективна. Кроме того отложения в КП1 содержат стекловидные расплавленные включения, и при прохождении ударных волн они еще сильнее уплотняются.
Еще одной проблемой был вопрос обеспечения быстрого стартового вывода топок на стабильный режим работы. Для подачи лузги и сухих древесных отходов наиболее эффективен пневмотранспорт. Но при этом требовался длительный прогрев топки с пульсациями давления и выбросами дыма и искр. Экспериментальное исследование вопроса привело к идее применения слоевого сжигания части лузги под её пневматическим вводом в топку: факел должен воспламеняться от корня и станет стабильным. С другой стороны известно, что даже в тонком слое над колосником в конце кислородной зоны достигается адиабатическая температура, которая для лузги составляет 1600¸1700°С, что неприемлемо. Поэтому для стабилизации факела была разработана низкотемпературная схема охлаждаемого излучением и конвекцией слоя с двухступенчатой системой подачи первичного дутья и топлива.