I rökgasavsvavlingsskrubber vid 70 grader, hur dikterar kloridkoncentrationen över 20 000 ppm den minsta titanrörsväggen för att förhindra pinhole?

Kol-kraftverk och industripannor är utrustade med rökgasavsvavling (FGD) skrubbers som fungerar under några av de mest korrosiva förhållandena för miljöutrustning. Skrubbervätskan är en komplicerad blandning av kalciumsulfit/sulfat, flygaska och lösta klorider som koncentreras när skurslingan recirkuleras. Titanium Grade 2 har varit standardkonstruktionsmaterialet för eftervärmningsrör och spruthuvuden i FGD-system på grund av dess motståndskraft mot sulfitattacker. Klorkoncentrationerna är dock ofta högre än 20 000 ppm (2 %) i FGD-skrubbers och kan till och med nå 50 000-80 000 ppm i noll-vätskeutsläppssystem. Vid dessa kloridkoncentrationer är titan känsligt för grop- och spaltkorrosion och det enda skyddet mot genomgående perforering är själva rörväggen, både tjocklek och metallurgisk kvalitet. Den här artikeln presenterar den minsta väggtjockleken av titanrör som krävs för att förhindra perforering av nålhål som en funktion av kloridkoncentration, temperatur och spalt vid FGD-skrubberdrift.

Punktfrätning av metaller i FGD-lut med hög kloridhalt
Gropkorrosionen av titan i hög-Cl och låg-pH FGD-inställningar följer ett väl-dokumenterat initierings-utbredningsmönster. Nedbrytningen av den passiva TiO 2 -filmen sker på diskreta platser där kloridjoner ersätter syre i filmgittret. När en grop väl har startat fortsätter den sura kloridlösningen i gropen (pH kan sjunka till 1-2) aktiv upplösning, medan den omgivande passiva ytan skyddas. Gropen expanderar halvsfäriskt och tiden till perforering är ungefär proportionell mot kvadraten på väggtjockleken för en viss groptillväxthastighet.

Den kritiska punkttemperaturen (CPT) för titan av grad 2 i kloridlösningar minskar med ökande kloridkoncentration. Vid ett pH på 4 (typiskt för FGD-skrubbers) ger 20 000 ppm Cl- en CPT på cirka 85 grader, över den genomsnittliga arbetstemperaturen på 70 grader och ger en säkerhetsmarginal. Vid 40 000 ppm Cl- minskar CPT till 70 grader, dvs skrubbern arbetar precis vid tröskeln. CPT sjunker till 55 grader vid 60 000 ppm Cl- och aktiv gropbildning kan uppstå vid normala driftstemperaturer. Utbredningshastigheten för grop ökar logaritmiskt med ökande kloridkoncentration: vid 20 000 ppm Cl- och 70 grader fördjupas en fortplantningsgrop med 0,2-0,3 mm per år; vid 40 000 ppm Cl- är hastigheten 0,5-0,8 mm per år; vid 60 000 ppm Cl-hastigheter på 1,0-1,5 mm per år registreras.

Väggtjocklek: ett sätt att förebygga nålhål
Den minsta väggtjocklek som krävs för att ge 5 års livslängd utan nålhålsperforering av FGD-skrubbervärmare och rörknippen beror på den förutspådda utbredningshastigheten för grop och den statistiska fördelningen av gropstartplatser. En konservativ groptillväxtmodell (gropsdjup=k*t^0,5 där k är en funktion av kloridkoncentrationen) används och rörets livslängd antas bestämmas av den djupaste gropen. Den nödvändiga väggtjockleken beräknas som:

Gropens utbredningskonstanten k vid 20 000 ppm Cl- är 0,28 mm/år^0,5. För 5 års livslängd, max gropdjup=0.28 × √5=0.63 mm. Säkerhetsmarginalen för 1,2 mm väggrör är cirka 0,6 mm, vilket är tillräckligt för rena rör utan tidigare problem.

40 000 ppm Cl- k=0.48 mm/år^0,5 Maximalt gropdjup om 5 år=0.48 * sqrt(5)=1.07 mm. 1.65mm väggrör ger marginal, 1,2 mm rör skulle perforera.

k=0.70 mm/år 0,5 vid 60 000 ppm Cl-. Maximalt djup av grop om 5 år=0.7 × √5=1.57 mm. Ett 2,0 mm väggrör är nödvändigt för pålitlig 5 års service. 1.65 mm ger bara 3-4 år.

Titanrör för FGD Scrubber Application Matrix
FGD Systemtyp Typisk kloridkoncentration Rekommenderad titankvalitet Minsta väggtjocklek Förväntad livslängd
Koleldat kraftverk, våt kalksten (blödningsreglerad)15 000-25 000 ppm Grad 2 1.2-1.5 mm 5-8 år
Koleldat kraftverk, kol med hög kloridhalt 25 000-40 000 ppm Grade 2 eller Grade 7 1.65 mm 4-6 år
Noll-vätskeutsläpp-FGD (sluten slinga) 40 000-60 000 ppm Grad 7 (Ti-0,15Pd) 2,0 mm 5-7 år
Industripanna FGD (variabelt kol) 10 000-20 000 ppm Klass 2 .8-.12 mm 8-10 år
Avfall-till-energi FGD (hög kloridhalt från avfall) 50 000-80 000 ppm Klass 12 eller Klass 7 2.5 mm 4-6 år
Rörkvalitet och spaltproblem
Redan-skåror i röret förhindrar inte perforering av nålhål, även om väggtjockleken ökar. Vid FGD-skrubberservice finns det sprickor vid rör-till-rörplåtvalsade fogar, under packningar och under avlagringar av gips eller flygaska. Spaltkorrosion ökar graden av gropinitiering och fortplantning med en faktor 3-10. Svetsade rör--förbindningar (inga sprickor) föredras framför valsade eller flänsade anslutningar vid valfri kloridkoncentration över 20 000 ppm. Rörytor ska vara fria från glödskal, inbäddade järnpartiklar (från formverktyg) och ytrepor som är djupare än 10 procent av väggtjockleken. Det bästa gropmotståndet erbjuds av elektropolerade eller betade ytbehandlingar.

För FGD-skrubbers som arbetar vid 70 grader med kloridkoncentrationer över 20 000 ppm krävs en minsta väggtjocklek av titanrörsvägg på 1,65 mm för grad 2 i måttligt koncentrerade system (20 000-40 000 ppm), som stiger till 2,0 mm för grad 40,0 ppm. Ingenjörer bör specificera betade eller elektropolerade rörytor, svetsade istället för rullade rör-till-rörplåtskarvar och övervaka kloridkoncentrationen varje vecka för att upptäcka störningar innan gropperforering sker. För kloridnivåer över 60 000 ppm bör andra material som titan eller zirkonium klass 12 övervägas.