Что такое решетки и как выбрать подходящую для вашего применения?

Решётчатые стержни представляют собой сверхпрочные металлические стержни, расположенные рядом и образующие решетку сгорания внутри печей, котлов, мусоросжигательных заводов и энергетических систем, работающих на биомассе. — они поддерживают слой топлива, позволяют воздуху проходить вверх через горящий материал и позволяют золе опадать вниз. Правильный выбор колосников напрямую определяет эффективность сгорания, срок службы оборудования и затраты на техническое обслуживание. Плохо подобранная колосниковая решетка может выйти из строя всего за несколько минут. от 3 до 6 месяцев , в то время как правильно заданная полоска в хорошо обслуживаемой системе обычно длится от 3 до 7 лет . В этом руководстве рассматриваются все важные аспекты решеток: их типы, материалы, критерии выбора, лучшие практики технического обслуживания и распространенные виды отказов.

Что такое решетки и для чего они нужны?

Колосники являются структурным и функциональным ядром любой системы сжигания твердого топлива. — без них постоянное горение, адекватная подача воздуха и эффективное удаление золы были бы невозможны. Они расположены в центре камеры сгорания, неся вес топливной нагрузки и непрерывно работая при экстремальных температурах, которые могут превышать 1000 градусов Цельсия (1832 градуса по Фаренгейту) .

Три основные функции решеток

• Топливная поддержка: Решетчатые решетки удерживают твердое топливо — уголь, древесину, биомассу, отходы или кокс — над зольной ямой, чтобы оно горело в контролируемом устойчивом слое. Типичная промышленная решетка сгорания поддерживает загрузку топлива объемом От 200 до 600 кг на квадратный метр в зависимости от плотности топлива.
• Распределение воздуха: Зазоры между соседними решетками (называемые воздушными щелями или зазорами между стержнями) позволяют первичному воздуху для горения течь вверх через слой топлива снизу. Этот первичный запас воздуха составляет от 40 до 70 процентов от общего количества воздуха, необходимого для полного сгорания в большинстве топочных систем.
• Выброс золы: По мере сгорания топлива образовавшаяся зола падает через зазоры между решетками в зольник внизу, сохраняя поверхность решетки чистой и поддерживая постоянные условия горения. В системах с подвижными решетками стержни также физически транспортируют золу к разгрузочному концу печи.

Где находятся решетки

Колосники используются в широком спектре промышленного и коммерческого оборудования для сжигания, в том числе:

• Котлы электростанций, работающие на угле и биомассе
• Установки для сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) и заводы по переработке отходов в энергию
• Промышленные печи для выплавки и термообработки металлов
• Цементные печи и печи для обжига извести
• Системы отопления на биомассе (котлы на пеллетах, щепе и дровах)
• Бытовые и коммерческие твердотопливные печи и камины
• Сельскохозяйственные и промышленные сушильные системы на твердом топливе из биомассы

Виды решеток

Колосники классифицируются в первую очередь по тому, как они движутся внутри системы сгорания, причем каждый тип оптимизирован для конкретного топлива и требований к производительности.

Фиксированные решетки

Неподвижные колосники представляют собой стационарные элементы, расположенные в плоской или наклонной плоскости. и представляют собой самую простую и дешевую конфигурацию решетки. Поскольку они неподвижны, им не требуется приводной механизм и они имеют меньше точек износа. Они подходят для небольших котлов, бытовых печей и систем, сжигающих сухое топливо одинакового размера, которое не требует механического перемешивания для полного сгорания.

Основным ограничением фиксированных колосников является то, что клинкер (отложения расплавленной золы) может быстро накапливаться на стационарных решетках, что требует ручного удаления шлака — обычно каждые 8–24 часа при непрерывной работе систем, работающих на угле. Фиксированные решетки наиболее практичны в системах с номинальной тепловой мощностью ниже 500 кВт .

Качающиеся или колеблющиеся стержни решетки

Качающиеся стержни решетки поворачиваются вокруг центральной оси, попеременно меняя горизонтальное положение поддержки топлива и наклонное положение сброса золы. Это покачивание разрушает клинкер, выбивает золу и сохраняет щели открытыми, не требуя ручного вмешательства. Системы с качающейся решеткой широко распространены в промышленных котлах среднего размера мощностью от 500 кВт to 10 MW .

Каждый стержень обычно качается под углом от 15 до 30 градусов по временному циклу, управляемому приводом или кулачковым механизмом. Точки поворота и соединения привода являются критическими к износу компонентами, требующими периодического осмотра и смазки.

Передвижные (перемещающиеся) решётки

В системах с передвижными решетками используются взаимосвязанные секции колосников, установленные на непрерывной цепи или роликовом механизме, который перемещает топливо от загрузочного конца печи к концу выгрузки золы. Такая конструкция обеспечивает полностью непрерывную работу без присмотра и является предпочтительным выбором для крупных электростанций, работающих на биомассе, предприятий по переработке отходов в энергию и промышленных котлов большой мощности.

Скорость перемещения решетки регулируется, обычно в диапазоне от от 0,5 до 5 метров в час , что позволяет операторам контролировать время пребывания топлива на решетке в соответствии с различными типами топлива и содержанием влаги. Системы с передвижными колосниками обрабатывают топливо с влажностью до 55 процентов — диапазон, который быстро задушил бы фиксированную решетку.

Поступательно-поступательные решетки

Возвратно-поступательные колосники чередуются между рядами неподвижных и движущихся стержней, которые продвигают топливо вперед шагающими движениями, перемешивая слой топлива и продвигая золу к зоне выброса. Эта конструкция широко используется в установках для сжигания твердых бытовых отходов (ТБО), поскольку агрессивное перемешивание разрушает гетерогенные отходы, содержащие наряду с горючими материалами пластмассы, металлы и громоздкие предметы.

Системы возвратно-поступательных решеток могут перерабатывать потоки отходов с более низкая теплотворная способность от 6 до 7 МДж/кг — включая влажные органические отходы, что делает их наиболее универсальным типом решеток для топлива с переменным составом.

Ступенчатые или каскадные решетки

Ступенчатые колосники расположены нисходящими ярусами, так что топливо перекатывается с одного уровня на другой под действием силы тяжести, постоянно подвергая свежие поверхности воздействию воздуха для горения. Такое каскадное действие особенно эффективно для грубого топлива из биомассы, такого как древесная щепа, древесные гранулы и сельскохозяйственные отходы. Ступенчатые решетки являются стандартными для европейских теплоцентралей, работающих на биомассе, номиналом от от 1 МВт до 20 МВт .

Материалы колосниковых решеток: подробное сравнение

Выбор материала является наиболее важным решением при выборе колосниковой решетки. — неправильный сплав быстро разрушается под воздействием комбинированных напряжений высокой температуры, окислительной атмосферы, термоциклирования и истирания от движущегося топлива и золы.

Серый чугун

Серый чугун — наиболее распространенный и дешевый материал колосников, подходящий для применений, где рабочая температура остается ниже 700 градусов по Цельсию (1292 градуса по Фаренгейту). Его графитовая микроструктура обеспечивает хорошую теплопроводность и самосмазывающиеся свойства, которые помогают противостоять заеданию в точках поворота. Однако серый чугун относительно быстро окисляется при температуре выше 700 градусов по Цельсию и склонен к растрескиванию при термическом ударе, когда холодная вода или влажное топливо контактируют с горячими стержнями.

Типичный срок службы бытового котла, работающего на угле: от 2 до 4 лет . В промышленной системе с интенсивным циклом сжигания смешанной биомассы: от 6 до 18 месяцев .

Высокохромистый чугун

Чугун с высоким содержанием хрома (обычно от 20 до 30 процентов содержания хрома) образует стабильный поверхностный слой оксида хрома, который устойчив к окислению примерно до 900 градусов по Цельсию (1652 градуса по Фаренгейту). Это делает его стандартным выбором для угольных котлов, систем, работающих на биомассе, и мусоросжигательных заводов, работающих в среднем температурном диапазоне. Более высокое содержание хрома также повышает стойкость к истиранию по сравнению со стандартным серым чугуном, что является значительным преимуществом в системах, сжигающих абразивное топливо, такое как уголь или гранулированные сельскохозяйственные отходы.

Надбавка к стоимости по сравнению с серым чугуном: приблизительно от 30 до 60 процентов . Типичное увеличение срока службы: От 50 до 100 процентов дольше в эквивалентных условиях эксплуатации.

Жаропрочные стальные сплавы

Аустенитные жаропрочные стали, содержащие никель и хром (например, семейство 25Cr-20Ni), обеспечивают превосходную жаропрочность и сопротивление ползучести, что делает их пригодными для непрерывной работы при температурах, превышающих 1000 градусов Цельсия. Эти сплавы используются в требовательных приложениях, таких как печи для сжигания бытовых отходов, промышленные стекловаренные печи и высокоэффективные котлы электростанций, где длительные интервалы технического обслуживания имеют решающее значение для снижения затрат из-за простоев.

Содержание никеля значительно улучшает ударную вязкость и устойчивость к термоциклической усталости, устраняя главный недостаток марок чугуна. Однако никельсодержащие сплавы значительно дороже — обычно в 2-4 раза дороже прутков из высокохромистого чугуна.

Кремниевый чугун

Кремниевый чугун (содержание кремния от 4 до 6 процентов) обладает исключительной стойкостью к окислению благодаря образованию плотного поверхностного слоя диоксида кремния, что обеспечивает ему полезную рабочую температуру до 850 градусов Цельсия с очень низкими потерями окалины. Он тверже и более хрупкий, чем стандартный чугун, что делает его менее подходящим для применений, связанных с механическим ударом или перемешиванием топлива, но является отличным выбором для систем с фиксированной решеткой, сжигающих чистую древесину или пеллеты.

Специальные сплавы: суперсплавы на основе никеля.

Решетки из суперсплава на основе никеля предназначены для самых экстремальных применений. — стеклоплавильные печи, установки для сжигания опасных отходов и высокотемпературные промышленные процессы, где температура постоянно превышает 1100 градусов Цельсия. Их стоимость существенно выше, чем у любого варианта на основе железа или стали, но срок службы в экстремальных условиях может быть увеличен. в 5-10 раз дольше чем стандартные сплавы, что делает их экономически эффективными в расчете на час работы критически важного оборудования.

Применение решеток по отраслям

Различные отрасли предъявляют очень разные требования к решеткам, и понимание этих различий необходимо для правильной спецификации.

Производство электроэнергии и централизованное теплоснабжение

Для электростанций, работающих на биомассе и угле, требуются колосники с максимально возможным сочетанием термостойкости, стойкости к истиранию и стабильности размеров в течение длительных периодов непрерывной эксплуатации. Заводы обычно ориентируются на интервалы замены колосников от 2 до 5 лет в соответствии с плановыми перерывами в обслуживании. В этом секторе доминируют высокохромистый чугун и аустенитные стальные сплавы.

Преобразование отходов в энергию и сжигание твердых бытовых отходов

Сжигание ТБО создает самые суровые условия для колосников. — гетерогенное топливо с непредсказуемой теплотворной способностью, повышенное содержание хлора в пластмассах (ускоряющее коррозию), большие механические нагрузки от плотных отходов, непрерывная круглосуточная работа. Колосники на крупных заводах по производству ТБО могут перерабатывать От 500 до 1000 тонн отходов в день на линию сжигания . Требуются высококачественные аустенитные и легированные никелем марки с подтвержденной коррозионной стойкостью к хлорсодержащим газам.

Промышленные печи и литейные цеха

В литейных печах и печах термической обработки колосники используются главным образом для поддержания слоев кокса или твердого топлива при чрезвычайно высоких и постоянных температурах. Поскольку эти среды предполагают прямой контакт между решеткой и брызгами расплавленного металла или горячими заготовками, стержни колосников здесь должны противостоять как экстремальному нагреву, так и ударным нагрузкам. Предпочтительны кремниевый чугун и сплавы с высоким содержанием никеля.

Отопление жилых и небольших коммерческих помещений

В бытовых дровяных печах, дровяных котлах и котлах на пеллетах используются меньшие по размеру и простые узлы колосников, в которых приоритет отдается низкой стоимости, легкой замене своими руками и совместимости со стандартными размерами топлива. На этом рынке доминируют прутки из серого чугуна и стандартного хромированного чугуна. Срок службы хорошо эксплуатируемого бытового дровяного котла, сжигающего сухую выдержанную древесину, колеблется от от 3 до 8 лет .

Таблица сравнения типов решеток и материалов

Используйте эту таблицу, чтобы получить краткую информацию о типе колосников, материале, пределе температуры, типичном сроке службы и наилучшем применении.

Таблица 1. Сравнение материалов и конфигураций колосников по максимальной рабочей температуре, износостойкости, сроку службы, стоимости и рекомендуемому применению. Данные о сроке службы предполагают правильную спецификацию и регулярное техническое обслуживание.

Как правильно выбрать решетку

Правильный выбор колосников требует одновременной оценки пяти взаимозависимых факторов. — даже одна ошибка может привести к преждевременному выходу из строя или ненужному перерасходу материалов.

Фактор 1: Рабочая температура

Пиковая температура поверхности решетки является основным фактором выбора материала. Измерьте или рассчитайте максимальную температуру, которую будут испытывать колосники, а не температуру топочного газа, которая может быть значительно выше. Как правило, выбирают материал с номинальной максимальной температурой не менее От 100 до 150 градусов Цельсия выше ожидаемую пиковую рабочую температуру, чтобы обеспечить запас прочности против перегрева и скачков температуры в условиях сбоев.

Фактор 2: Тип и состав топлива

Во многих случаях химический состав топлива влияет на коррозию колосников гораздо сильнее, чем просто температура. Ключевые свойства топлива, подлежащие оценке, включают:

• Содержание хлора: топливо, содержащее ПВХ-пластик, загрязненные солью сельскохозяйственные отходы или морская биомасса, при сгорании выделяет газообразный хлористый водород, который агрессивно разъедает железные и стальные сплавы. Для топлива с высоким содержанием хлора требуются сплавы с высоким содержанием никеля или марки хрома с содержанием более 25 процентов.
• Содержание серы: уголь с высоким содержанием серы и некоторые потоки промышленных отходов производят диоксид серы, который конденсируется в виде сернистой кислоты на более холодных поверхностях колосников, вызывая питтинговую коррозию.
• Температура плавления золы: топливо с низкой температурой плавления золы (ниже 1050 градусов по Цельсию) образует клинкер, который прилипает к поверхности колосников, ускоряя износ и увеличивая частоту замены стержней.
• Содержание влаги: влажное топливо с содержанием влаги выше 30 процентов вызывает большие колебания температуры на поверхности решетки, увеличивая усталостную нагрузку от термоциклирования на стержнях.

Фактор 3: Механическая нагрузка и движение

Системы с подвижными решетками создают более высокие механические нагрузки на стержни, чем фиксированные системы, и требуют материалов с достаточной прочностью и усталостной стойкостью. При использовании возвратно-поступательных и подвижных решеток отдавайте предпочтение жаропрочным стальным сплавам, а не хрупким чугунам. Марки чугуна, хотя и превосходны при постоянной термической нагрузке, более подвержены растрескиванию при ударе или изгибающему напряжению при повышенных температурах.

Фактор 4: Геометрия воздушных пазов

Ширина зазоров между соседними решетками (воздушными щелями) должна соответствовать размеру частиц топлива, чтобы предотвратить попадание топлива несгоревшим, сохраняя при этом достаточный поток первичного воздуха. Ширина обычных воздушных щелей варьируется от 3 мм для пеллет до 20 мм для крупной древесной щепы или угля. Более узкие щели улучшают удержание топлива, но уменьшают площадь потока воздуха и повышают риск засорения мелкой золой или частицами клинкера.

Фактор 5: Общая стоимость владения

Первоначальная закупочная цена колосников редко является самой важной статьей затрат: простои, рабочая сила и потери производства во время незапланированной замены обычно обходятся гораздо дороже. Рассчитайте общую стоимость владения, разделив цену комплекта стержня на его ожидаемый срок службы в годах, а затем прибавьте стоимость одного запланированного события замены (работы, время простоя), амортизируемого в течение того же периода. Сплав премиум-класса, который стоит в три раза дороже, но служит в четыре раза дольше, в этом отношении значительно дешевле.

Уход за решеткой и продление срока службы

Правильные методы эксплуатации и технического обслуживания могут продлить срок службы колосников на 30–50 процентов по сравнению с базовой оценкой для данного материала и применения.

График регулярных проверок

Проверяйте решетки при каждом плановом останове на техническое обслуживание. — не реже одного раза в квартал для непрерывно действующих промышленных систем. Проверьте наличие: деформации или провисания (указывает на устойчивый перегрев), растрескивания в точках поворота или по длине стержня (термическая усталость), чрезмерного утончения или окалины на верхней поверхности (потеря окисления), а также накопления клинкера или плавленой золы в воздушных щелях (уменьшает поток первичного воздуха и вызывает локальный перегрев).

Удаление шлака и управление клинкером

Накопление клинкера на поверхности колосников является основной причиной преждевременного выхода из строя колосников в системах с углем и высокозольной биомассой. Клинкер действует как изолирующий слой, который предотвращает охлаждение бруска между циклами сгорания, повышая пиковые температуры бруска и ускоряя окисление. В системах с фиксированными решетками удаление шлака вручную каждые 8–12 часов работы является стандартной практикой. В системах качания или возвратно-поступательного движения проверяйте правильность функционирования механического цикла удаления шлака при каждой проверке.

Как избежать термического шока

Термический удар — внезапное попадание холодной воды или очень влажного топлива на горячие колосники — является наиболее распространенной причиной растрескивания чугунных колосников. Никогда не распыляйте воду непосредственно на горячую поверхность решетки во время работы. При запуске после остановки на техническое обслуживание доводите систему до заданной температуры постепенно. от 30 до 60 минут вместо того, чтобы сразу подавать полную загрузку топлива на холодные стержни.

Стратегия замены

По возможности заменяйте решетки целыми рядами или комплектами, а не по отдельности. Сочетание новых и сильно изношенных стержней создает неравномерное распределение воздуха по решетке, вызывая появление горячих точек на изношенных секциях, которые ускоряют выход из строя соседних стержней. Наличие полного запасного комплекта на месте снижает риск продолжительного незапланированного простоя.

Распространенные виды отказов колосниковой решетки

Понимание того, как выходят из строя колосники, позволяет диагностировать основную причину и предотвратить повторение, а не просто заменять изношенные детали в ответ.

Окисление и накипь

Прогрессирующее поверхностное окисление является нормальным механизмом старения всех железных и стальных колосников. Пруток теряет материал со своей верхней поверхности со скоростью, определяемой составом сплава и рабочей температурой. Скорость окисления примерно удваивается для каждого Увеличение на 50 градусов по Цельсию при рабочей температуре выше номинального предела сплава. Столбец, показывающий видимую потерю масштаба поверхности, превышающую 20 процентов от первоначального сечения должны быть заменены независимо от оставшейся структурной целостности.

Термическое усталостное растрескивание

Повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения создают в материале стержня чередующиеся сжимающие и растягивающие напряжения, которые в конечном итоге приводят к образованию трещин на поверхности. Эти трещины обычно начинаются на верхней (горячей) поверхности и со временем распространяются вниз по поперечному сечению стержня. Термическая усталость ускоряется из-за частых запусков и остановов, резких колебаний скорости подачи топлива и использования впрыска воды для аварийного контроля температуры.

Коррозия от загрязняющих веществ в топливе

Соединения хлора и серы из загрязненного топлива вызывают ускоренное коррозионное воздействие, которое может уменьшить толщину прутков на 2–5 мм в год. — гораздо быстрее, чем обычное окисление. Коррозионная точечная коррозия создает точки концентрации напряжений, которые приводят к образованию трещин при термоциклировании, объединяя два механизма разрушения в один путь ускоренной деградации. Переход на более легированный сорт проката является единственным надежным корректирующим действием, когда основной причиной является загрязнение топлива.

Механическое истирание и износ

В системах с подвижными и возвратно-поступательными решетками скользящий контакт между движущимися и неподвижными стержнями изнашивает поверхности стержней в точках контакта. Абразивное топливо, такое как уголь, загрязненная песком биомасса и древесные отходы (содержащие песок и металлические фрагменты), ускоряют поверхностный износ верхней поверхности стержней. Сплавы с высоким содержанием хрома значительно превосходят стандартный серый чугун по стойкости к истиранию в этих применениях.

Часто задаваемые вопросы о решетках

В чем разница между колосниковой решеткой и каминной решеткой?

A решетка представляет собой отдельный литой или кованый металлический стержень, который является одним из компонентов комплектной решетки. А пожарная решетка (также называемая решеткой для сжигания или колосниковой решеткой) представляет собой полную сборку, состоящую из нескольких стержней колосников, расположенных рядом с контролируемыми зазорами между ними. Решетка — это то, что вы видите в печи; решетки представляют собой отдельные взаимозаменяемые элементы, из которых она состоит.

Как часто следует заменять решетки?

Частота замены зависит от материала, рабочей температуры и типа топлива. — но общие ориентиры таковы: использование дров или пеллет в жилых домах каждые 3–8 лет; средние промышленные котлы на биомассе каждые 2–4 года; угольные промышленные котлы каждые 2–5 лет; Установки для сжигания ТБО каждые 1–3 года в зависимости от марки сплава. Проверяйте при каждом останове на техническое обслуживание и заменяйте, когда потеря поперечного сечения превышает 20 процентов или появляются видимые трещины.

Можно ли отремонтировать решетки вместо замены?

В большинстве промышленных применений ремонт колосников нерентабелен и не рекомендуется. Сварочный ремонт треснутых чугунных стержней редко восстанавливает первоначальные механические свойства и может вызвать остаточные напряжения, которые вызывают преждевременное повторное растрескивание. Для больших стержней, изготовленных по индивидуальному заказу на специализированном оборудовании, иногда используется наплавка (нанесение износостойкой наплавки на верхнюю поверхность) для продления срока службы, но это требует специальных навыков сварки и соответствующих присадочных материалов.

Что вызывает деформацию решеток?

Деформация возникает, когда колосники выдерживаются при температурах выше номинального максимума в течение длительного времени. , вызывая ползучесть металла (постоянную медленную деформацию под постоянной нагрузкой). Наиболее распространенными причинами являются: закупорка клинкером воздушных щелей, уменьшающая поток охлаждающего воздуха, перегрев котла сверх его номинальной мощности и использование неправильно указанного стержневого материала со слишком низкой максимальной температурой для данного применения.

Взаимозаменяемы ли колосники печей разных производителей?

Колосники обычно не являются взаимозаменяемыми между различными марками и моделями печей. поскольку размеры стержня, положения шарнирных отверстий, геометрия воздушных пазов и конфигурации крепления не стандартизированы между производителями. Тем не менее, стержни колосников являются сменными компонентами, которые могут быть изготовлены в соответствии с размерами исходных стержней — любой компетентный литейный завод, имеющий доступ к исходному стержню или его техническим чертежам, может отлить запасные стержни из любого указанного сорта сплава.

Какой материал колосника лучше всего подходит для сжигания древесных пеллет?

Для котлов на древесных гранулах лучшим выбором являются чугунные колосники с высоким содержанием хрома или кремниевые чугунные колосники. , балансируя стоимость с адекватной устойчивостью к нагреванию и окислению для относительно чистых и стабильных условий сгорания, которые производят пеллеты. Древесные пеллеты горят при температуре поверхности решетки обычно от 600 до 800 градусов Цельсия, что находится в пределах рабочего диапазона обоих материалов. Стандартный серый чугун допускается в системах малой мощности, сжигающих только пеллеты высшего сорта с низкой зольностью.

Как измерить ширину воздушных щелей у существующих решеток?

Измерьте ширину воздушной прорези с помощью щупов или цифрового штангенциркуля в трех точках по длине характерного зазора между стержнями. — на каждом конце и в центре. Возьмите среднее значение трех измерений. Обратите внимание, что ширина воздушных щелей обычно увеличивается по мере износа колосников, поскольку прутья становятся тоньше из-за окисления, а расстояние между ними остается фиксированным. Когда измеренная ширина паза превышает 150 процентов от первоначальной проектной спецификации , несгоревшее топливо, скорее всего, выпадет, и его замену следует запланировать как можно скорее.