Wie bestimmt eine Chloridkonzentration über 20.000 ppm in Rauchgasentschwefelungswäschern bei 70 Grad die minimale Titanrohrwand zur Verhinderung von Nadellöchern?

Kohlekraftwerke und Industriekessel sind mit Rauchgasentschwefelungswäschern (REA) ausgestattet, die unter den korrosivsten Bedingungen von Umweltanlagen arbeiten. Die Wäscherflüssigkeit ist eine komplizierte Mischung aus Kalziumsulfit/Sulfat, Flugasche und gelösten Chloriden, die sich bei der Umwälzung des Wäscherkreislaufs konzentrieren. Titan Grad 2 ist aufgrund seiner Beständigkeit gegen Sulfitangriff das Standardmaterial für Nacherhitzerrohre und Sprühköpfe in REA-Systemen. Allerdings liegen die Chloridkonzentrationen in REA-Wäschern oft über 20.000 ppm (2 %) und können in Null-Flüssigkeitsentladungssystemen- sogar 50.000-80.000 ppm erreichen. Bei diesen Chloridkonzentrationen reagiert Titan empfindlich auf Lochfraß und Spaltkorrosion und der einzige Schutz gegen Wanddurchbrüche ist die Rohrwand selbst, sowohl in ihrer Dicke als auch in ihrer metallurgischen Qualität. In diesem Artikel wird die Mindestwandstärke von Titanrohren dargestellt, die erforderlich ist, um eine Lochperforation als Funktion der Chloridkonzentration, der Temperatur und des Spalts im REA-Wäscherbetrieb auszuschließen.

Lochfraß von Metallen in REA-Flüssigkeit mit hohem Chloridgehalt
Die Lochfraßkorrosion von Titan in FGD-Einstellungen mit hohem-Cl und niedrigem-pH folgt einem gut-dokumentierten Ausbreitungsmuster-. Der Zusammenbruch des passiven TiO 2 -Films erfolgt an diskreten Stellen, an denen Chloridionen den Sauerstoff im Filmgitter ersetzen. Sobald eine Grube in Betrieb genommen wird, setzt die saure Chloridlösung in der Grube (der pH-Wert kann auf 1–2 sinken) ihre aktive Auflösung fort, während die umgebende passive Oberfläche geschützt wird. Die Grube dehnt sich halbkugelförmig aus und die Zeit bis zur Perforation ist bei einer bestimmten Grubenwachstumsrate ungefähr proportional zum Quadrat der Wandstärke.

Die kritische Lochfraßtemperatur (CPT) von Titan der Güteklasse 2 in Chloridlösungen nimmt mit zunehmender Chloridkonzentration ab. Bei einem pH-Wert von 4 (typisch für REA-Wäscher) ergeben 20.000 ppm Cl- einen CPT von etwa 85 Grad, über der durchschnittlichen Arbeitstemperatur des Wäschers von 70 Grad und bieten einen Sicherheitsspielraum. Bei 40.000 ppm Cl- sinkt der CPT auf 70 Grad, d. h. der Wäscher arbeitet genau am Schwellenwert. Der CPT sinkt auf 55 Grad bei 60.000 ppm Cl- und bei normalen Betriebstemperaturen kann es zu aktivem Lochfraß kommen. Die Geschwindigkeit der Grubenausbreitung steigt logarithmisch mit zunehmender Chloridkonzentration: Bei 20.000 ppm Cl- und 70 Grad vertieft sich eine sich ausbreitende Grube um 0,2-0,3 mm pro Jahr; bei 40.000 ppm Cl- beträgt die Rate 0,5–0,8 mm pro Jahr; bei 60.000 ppm Cl- werden Raten von 1,0-1,5 mm pro Jahr aufgezeichnet.

Wandstärke: Ein Ansatz zur Verhinderung von Nadellöchern
Die Mindestwandstärke, die erforderlich ist, um eine fünfjährige Lebensdauer ohne Lochperforation von REA-Wäscherheizungen und Rohrbündeln zu gewährleisten, hängt von der vorhergesagten Grubenausbreitungsrate und der statistischen Verteilung der Grubenanfangsstellen ab. Es wird ein konservatives Grubenwachstumsmodell (Grubentiefe=k*t^0,5, wobei k eine Funktion der Chloridkonzentration ist) verwendet und es wird angenommen, dass die Rohrlebensdauer durch die tiefste Grube bestimmt wird. Die benötigte Wandstärke errechnet sich wie folgt:

Die Grubenausbreitungskonstante k bei 20.000 ppm Cl- beträgt 0,28 mm/Jahr^0,5. Für eine Lebensdauer von 5 Jahren beträgt die maximale Grubentiefe=0.28 × √5=0.63 mm. Der Sicherheitsspielraum für das 1,2-mm-Wandrohr beträgt etwa 0,6 mm, was für saubere Rohre ohne Vorprobleme ausreichend ist.

40.000 ppm Cl- k=0.48 mm/Jahr^0,5 Maximale Grubentiefe in 5 Jahren=0.48 * sqrt(5)=1.07 mm. 1.65mm-Wandrohr bietet Spielraum, 1,2-mm-Rohr würde perforieren.

k=0.70 mm/Jahr 0,5 bei 60.000 ppm Cl-. Maximale Tiefe der Grube in 5 Jahren=0.7 × √5=1.57 mm. Für einen zuverlässigen 5-Jahres-Betrieb ist ein 2,0-mm-Wandrohr erforderlich. . 1.65 mm beträgt nur 3–4 Jahre.

Titanrohre für REA-Wäscher-Anwendungsmatrix
FGD-Systemtyp Typische ChloridkonzentrationEmpfohlene Titansorte Mindestwandstärke Erwartete Lebensdauer
Kohlekraftwerk, feuchter Kalkstein (Bleed Stream reguliert) 15.000–25.000 ppm Gehalt 2 1.2-1.5 mm 5–8 Jahre
Kohlekraftwerk, Kohle mit hohem Chloridgehalt 25.000–40.000 ppm, Güteklasse 2 oder Güteklasse 7 1.65 mm, 4–6 Jahre
Null-Flüssigkeit-REA (geschlossener Kreislauf) 40.000–60.000 ppm Klasse 7 (Ti-0,15Pd) 2,0 mm 5–7 Jahre
Industriekessel REA (variable Kohle) 10.000–20.000 ppm Güteklasse 2 .8-.12 mm 8–10 Jahre
Abfall-zu-Energie-REA (hoher Chloridgehalt aus Abfall) 50.000–80.000 ppm Klasse 12 oder Klasse 7 2.5 mm 4–6 Jahre
Rohrqualitäts- und Spaltprobleme
Vor-vorhandene Spalten im Rohr verhindern die Perforation von Nadellöchern nicht, selbst wenn die Wandstärke erhöht wird. Beim Einsatz von REA-Wäschern sind Spalten an den gerollten Verbindungen von Rohr-zu-Rohrböden, unter Dichtungen und unter Ablagerungen von Gips oder Flugasche vorhanden. Spaltkorrosion erhöht die Geschwindigkeit der Lochbildung und -ausbreitung um den Faktor 3-10. Geschweißte Rohr-zu-Rohrboden-Verbindungen (keine Risse) werden bei Chloridkonzentrationen über 20.000 ppm gegenüber gerollten oder geflanschten Verbindungen bevorzugt. Die Rohroberflächen sollten frei von Zunder, eingebetteten Eisenpartikeln (von Formwerkzeugen) und Oberflächenkratzern sein, die tiefer als 10 Prozent der Wandstärke sind. Die beste Lochfraßbeständigkeit bieten elektropolierte oder gebeizte Oberflächen.

Für REA-Wäscher, die bei 70 Grad mit Chloridkonzentrationen über 20.000 ppm arbeiten, ist für Systeme der Klasse 2 in mäßig konzentrierten Systemen (20.000-40.000 ppm) eine Mindestwandstärke des Titanrohrs von 1,65 mm erforderlich, die bei Systemen der Klasse 7 über 40.000 ppm auf 2,0 mm ansteigt. Ingenieure sollten gebeizte oder elektropolierte Rohroberflächen, geschweißte statt gewalzte Rohr-zu-Rohrboden-Verbindungen vorsehen und die Chloridkonzentration wöchentlich überwachen, um Störungen zu erkennen, bevor es zu Lochfraßbildung kommt. Bei Chloridwerten über 60.000 ppm sollten andere Materialien wie Titan der Güteklasse 12 oder Zirkonium in Betracht gezogen werden.