Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) in Kohlekraftwerken verwenden Zwischenüberhitzer, um die Temperatur des gereinigten Rauchgases zu erhöhen, bevor es in den Schornstein gelangt. Titan ist aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit in der sauren, chloridreichen Umgebung das Material der Wahl. Allerdings enthält REA-Rauchgas {{4}eckige, harte Flugaschepartikel (hauptsächlich Siliciumdioxid und Aluminiumoxid) mit einer Größe zwischen 1 und 100 µm. Diese Partikel bewegen sich mit dem Gas mit Geschwindigkeiten von 15–25 m/s. Wenn der Gasstrom auf eine Biegung im Titanrohr trifft, können die schwereren Partikel ihre Richtung nicht so schnell ändern wie das Gas. Sie setzen ihre ursprüngliche Flugbahn fort und treffen am äußeren Radius der Biegung auf die Rohrwand. Dieser Partikelaufprall führt zu Erosion, wobei vorzugsweise Material von der stromaufwärtigen Seite der Biegung abgetragen wird. Mit der Zeit führt eine Wandverdünnung zu Perforationen und zum Austreten von Rauchgas oder Kondensat.

Mechanismus der Flugascheerosion an Rohrbiegungen

Der Erosionsmechanismus ist eine Kombination aus Schlagverschleiß und Schneiden. Flugaschepartikel treffen auf die Titanoberfläche in einem Winkel von typischerweise 20–50 Grad relativ zur Oberflächentangente. Titan ist zwar zäh, hat aber im Vergleich zu Siliziumdioxid (ca. 1.200 HV) eine relativ geringe Härte (180–220 HV für Grad 2). Jeder Partikelaufprall verdrängt ein kleines Titanvolumen-in der Größenordnung von 1–10 µm³ für ein 20 µm großes Partikel bei 20 m/s. Die Erosionsrate folgt einem Potenzgesetz: Erosion ∝ (V)^n × (d)^m × (Partikelkonzentration), wobei V die Geschwindigkeit, d der Partikeldurchmesser, n für Titan etwa 2,3 und m etwa 2,0 beträgt. In Kurven ist die effektive Aufprallgeschwindigkeit aufgrund der Partikelbeschleunigung um die Kurve herum höher als die Massengasgeschwindigkeit. Die stromaufwärtige Seite der Röhre erhält die höchste Stoßdichte, da die Partikel noch nicht durch frühere Kollisionen abgelenkt wurden.

Quantitative Erosionsraten an verschiedenen Biegestellen

Feldmessungen und Labortests (20 m/s Gasgeschwindigkeit, 50 mg/m³ Flugasche, 20 µm mittlere Partikelgröße) haben die folgenden Erosionsraten für Titan der Güteklasse 2 ermittelt:

Gerader Rohrabschnitt, gleichmäßiger Durchfluss: Erosionsrate von 0,05–0,10 mm pro Jahr. Der Materialabtrag erfolgt über den Umfang relativ gleichmäßig. Akzeptable für eine Lebensdauer von 10–15 Jahren bei einer Wandstärke von 1,5 mm.

Biegen Sie den Außenradius, 90-Grad-Winkel, stromaufwärts gelegene Seite: Erosionsrate von 0,6–1,2 mm pro Jahr. Der maximale Wandverlust tritt an der Stelle auf, an der die Partikelflugbahn das Rohr zum ersten Mal berührt. Lokale Ausdünnung kann eine 1,5 mm dicke Wand innerhalb von 1–2 Jahren perforieren.

Außenradius der Biegung, stromabwärts (nach dem Aufprall): Erosionsrate von 0,2–0,4 mm pro Jahr. Partikel haben nach dem ersten Aufprall kinetische Energie verloren. Sekundäre Erosion immer noch erheblich.

Innenradius der Biegung (intrados): Erosionsrate von 0,02–0,05 mm pro Jahr. Geringere Partikelaufpralldichte. Im Allgemeinen durch die Gasgrenzschicht geschützt.

Mehrere Bögen in Reihe (z. B. Serpentinen-Nacherhitzer): Die Erosionsraten nehmen bei jeder weiteren Biegung um 20–50 % zu, da die Partikel nach dem ersten Aufprall kantiger und aggressiver werden.

Leitfaden zur Erosionsminderung und Designauswahl

Die folgende Tabelle bietet einen Entscheidungsrahmen für die Bewältigung der Flugascheerosion an Titanrohrbögen basierend auf der Partikelbeladung und der Gasgeschwindigkeit:

Technik jenseits der Erosionsbeständigkeit

Der Grad der Titanlegierung beeinflusst die Erosionsbeständigkeit. Grad 7 (Palladium-stabilisiert) hat eine ähnliche Härte (180–220 HV) und Erosionsrate wie Grad 2. Grad 12 (Molybdän-Nickel) ist etwas härter (200–240 HV) und reduziert die Erosion um 15–20 %. Oberflächenbehandlungen können die Erosionsbeständigkeit verbessern: Durch Nitrieren entsteht eine TiN-Oberflächenschicht (500–800 HV), die die Erosion um 70–80 % reduziert, aber die Kosten erhöht. Die Rohrwandstärke an Biegungen sollte über die Anforderungen an gerade Abschnitte hinaus erhöht werden. Ein typisches Design verwendet 1,5 mm Wandstärke für gerade Abschnitte und 2,5 mm Wandstärke für gebogene Außenradien. Die Biegegeometrie ist entscheidend: Bei Biegungen mit langem -Radius (R=5D) ist die Erosion um 50 % geringer als bei Biegungen mit Standard--Radius (R=1.5D). Das Gasströmungsmuster kann durch Umlenkschaufeln vor den Biegungen verändert werden, um Partikel vom Außenradius wegzuleiten.

Erstellen einer fundierten Spezifikation

Wenn Sie ein Titan-Nacherhitzerrohr für den REA-Einsatz mit Flugasche spezifizieren, identifizieren Sie alle Biegungen im Gasweg. Geben Sie für jede Biegung eine erhöhte Wandstärke (2,0–2,5 mm) am Außenradius an, indem Sie entweder ein nahtloses gebogenes Rohr mit dickerer Wand verwenden oder auf der Anströmseite eine Schweißauflage aus Titan oder Wolframcarbid anbringen. Fordern Sie eine CFD-Modellierung (Computational Fluid Dynamics) der Partikelbahnen durch den Nacherhitzer an, um Zonen mit hoher -Erosion zu identifizieren. Führen Sie während des Betriebs jährlich eine Ultraschalldickenprüfung an den Biegeaußenradien durch. Legen Sie einen kritischen Schwellenwert für die Wandstärke fest (z. B. 0,8 mm verbleibend), bei dem das Rohr ersetzt oder repariert werden sollte. Geben Sie bei Neuinstallationen einen Mindestbiegeradius von 3D (das Dreifache des Rohraußendurchmessers) an. Wenn Platzbeschränkungen enge Biegungen (R=1.5D) erfordern, sind eine Wolframkarbidbeschichtung oder austauschbare Verschleißhülsen erforderlich. Indem der Ingenieur die bevorzugte Erosion an Biegungen als besonderen Konstruktionsaspekt berücksichtigt, verlängert er die Lebensdauer von Titan-REA-Nacherhitzern von 1–2 Jahren auf 10–15 Jahre in mit Flugasche beladenen Rauchgasströmen.