Dlaczego w podgrzewaczu jednostki odsiarczania gazów spalinowych obecność cząstek popiołu lotnego powoduje erozję górnej strony tytanowej rury na zakrętach?
Zostaw wiadomość
Jednostki odsiarczania gazów spalinowych (IOS) w elektrowniach-opalanych węglem wykorzystują przegrzewacze do podwyższania temperatury oczyszczonych gazów spalinowych przed ich wejściem do komina. Tytan jest materiałem wybieranym ze względu na jego odporność na korozję w środowisku kwaśnym i bogatym w-chlorki. Jednakże gazy spalinowe IOS zawierają cząstki popiołu lotnego-kanciaste, twarde (głównie krzemionkę i tlenek glinu) o wielkości od 1 do 100 µm. Cząstki te poruszają się wraz z gazem z prędkością 15–25 m/s. Kiedy strumień gazu napotyka zagięcie w tytanowej rurce, cięższe cząstki nie mogą zmienić kierunku tak szybko, jak gaz. Kontynuują swoją pierwotną trajektorię, uderzając w ściankę rury na zewnętrznym promieniu zakrętu. To uderzenie cząstek powoduje erozję, preferując usuwanie materiału z górnej strony zakrętu. Z biegiem czasu ścieńczenie ścian prowadzi do perforacji i wycieku gazów spalinowych lub kondensatu.
Mechanizm erozji popiołu lotnego na łukach rur
Mechanizm erozji jest połączeniem zużycia udarowego i cięcia. Cząsteczki popiołu lotnego uderzają w powierzchnię tytanu pod kątem zwykle 20–50 stopni w stosunku do stycznej powierzchni. Tytan, choć twardy, ma stosunkowo niską twardość (180–220 HV dla klasy 2) w porównaniu z krzemionką (około 1200 HV). Każde uderzenie cząstki powoduje wyparcie niewielkiej objętości tytanu-rzędu 1–10 µm³ dla cząstki o średnicy 20 µm z szybkością 20 m/s. Szybkość erozji jest zgodna z prawem potęgowym: Erozja ∝ (V)^n × (d)^m × (stężenie cząstek), gdzie V to prędkość, d to średnica cząstki, n wynosi około 2,3 dla tytanu, a m wynosi około 2,0. Na zakrętach efektywna prędkość uderzenia jest wyższa niż prędkość gazu w masie z powodu przyspieszenia cząstek na krzywej. Największa gęstość uderzeń następuje po stronie dopływowej rury, ponieważ cząstki nie zostały jeszcze odbite w wyniku poprzednich zderzeń.
Ilościowe tempo erozji w różnych miejscach zagięć
Pomiary terenowe i badania laboratoryjne (prędkość gazu 20 m/s, 50 mg/m3 popiołu lotnego, średnia wielkość cząstek 20 µm) ustaliły następujące szybkości erozji dla tytanu stopnia 2:
Prosty odcinek rury, równomierny przepływ: Szybkość erozji 0,05–0,10 mm rocznie. Usuwanie materiału jest stosunkowo równomierne na całym obwodzie. Dopuszczalne przez 10–15 lat przy grubości ścianki 1,5 mm.
Zegnij promień zewnętrzny, kolano 90 stopni, strona dopływowa: Szybkość erozji 0,6–1,2 mm rocznie. Maksymalna utrata ścianki występuje w punkcie, w którym trajektoria cząstek po raz pierwszy styka się z rurką. Miejscowe przerzedzenie może spowodować perforację ściany o grubości 1,5 mm w ciągu 1–2 lat.
Zewnętrzny promień zagięcia, strona dolna (po uderzeniu): Szybkość erozji 0,2–0,4 mm rocznie. Cząstki tracą energię kinetyczną po pierwszym uderzeniu. Erozja wtórna nadal znaczna.
Promień wewnętrzny zagięcia (intrados): Szybkość erozji 0,02–0,05 mm rocznie. Niższa gęstość uderzenia cząstek. Generalnie chroniony przez gazową warstwę graniczną.
Wiele kolanek połączonych szeregowo (np. podgrzewacz serpentynowy): Szybkość erozji wzrasta o 20–50% przy każdym kolejnym zakręcie, ponieważ cząstki stają się bardziej kanciaste i agresywne po początkowych uderzeniach.
Przewodnik dotyczący łagodzenia erozji i wyboru projektu
Poniższa tabela przedstawia ramy decyzyjne dotyczące zarządzania erozją popiołu lotnego na łukach rur tytanowych w oparciu o obciążenie cząstkami i prędkość gazu:
| Stan nagrzewnicy FGD | Zalecana ochrona przed erozją | Oczekiwana szybkość erozji na zakręcie | Zalecenia dotyczące grubości ścianki |
|---|---|---|---|
| Niskie obciążenie popiołem (<20 mg/m³), low velocity (<15 m/s) | Standardowa klasa 2, bez ochrony | 0,2–0,4 mm/rok | 1,5 mm |
| Umiarkowany popiół (20–50 mg/m3), prędkość 15–20 m/s | Nadwymiarowy promień zgięcia (większy lub równy 3D), tytan klasy 7 | 0,3–0,5 mm/rok | 2,0 mm |
| Wysoki popiół (50–100 mg/m3), prędkość 20–25 m/s | Nakładka z węglika wolframu (0,5 mm) na górnej powierzchni zagięcia | <0.05 mm/year (coated) | 1,5 mm z powłoką |
| Severe ash (>100 mg/m3), ścierny popiół lotny (wysoka krzemionka) | Wymienne płytki ścieralne lub tuleje na zakrętach | Nie dotyczy (wymieniono część zużywalną) | Rurka 1,2 mm z płytką ścieralną 2 mm |
| Istniejący IOS ze znaną erozją zagięciową | Zamontować łopatki skrętne przed kolankiem | Zmniejsza erozję o 60–80% | N/A |
Inżynieria wykraczająca poza odporność na erozję
Gatunek stopu tytanu wpływa na odporność na erozję. Klasa 7 (stabilizowana-palladem) ma podobną twardość (180–220 HV) i szybkość erozji jak klasa 2. Klasa 12 (molibden-nikiel) jest nieco twardsza (200–240 HV) i zmniejsza erozję o 15–20%. Obróbka powierzchniowa może poprawić odporność na erozję: azotowanie tworzy warstwę powierzchniową TiN (500–800 HV), która zmniejsza erozję o 70–80%, ale zwiększa koszty. Grubość ścianki rury na zakrętach należy zwiększyć powyżej wymaganego przekroju prostego. Typowa konstrukcja wykorzystuje ściankę o grubości 1,5 mm dla odcinków prostych i ściankę o grubości 2,5 mm dla zewnętrznych promieni zagięcia. Geometria zgięcia ma kluczowe znaczenie: zakręty-o długim promieniu (R=5D) podlegają o 50% mniejszej erozji niż zakręty o standardowym-promieniu (R=1.5D). Schemat przepływu gazu można modyfikować, obracając łopatki przed zakrętami, aby przekierować cząstki z dala od zewnętrznego promienia.
Sporządzanie świadomej specyfikacji
Wybierając tytanową rurę przegrzewacza do odsiarczania spalin z popiołami lotnymi, należy zidentyfikować wszystkie zagięcia na ścieżce gazu. Dla każdego zagięcia należy określić zwiększoną grubość ścianki (2,0–2,5 mm) na promieniu zewnętrznym, albo stosując bezszwową giętą rurę o grubszej ściance, albo stosując nakładkę z tytanu lub węglika wolframu po stronie wejściowej. Zażądaj modelowania obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) trajektorii cząstek przez podgrzewacz w celu zidentyfikowania-stref wysokiej erozji. Podczas pracy należy co roku przeprowadzać ultradźwiękowe badanie grubości przy zewnętrznych promieniach zgięcia. Ustal krytyczny próg grubości ścianki (np. pozostałe 0,8 mm), przy którym rurkę należy wymienić lub naprawić. W przypadku nowych instalacji należy określić minimalny promień zgięcia 3D (trzykrotność zewnętrznej średnicy rury). Jeśli ograniczenia przestrzenne wymagają ciasnych zakrętów (R=1.5D), należy zastosować powłokę z węglika wolframu lub wymienne tuleje ochronne. Uwzględniając preferowaną erozję na zakrętach jako odrębny czynnik projektowy, inżynier wydłuża żywotność tytanowych podgrzewaczy FGD z 1–2 lat do 10–15 lat w strumieniach gazów spalinowych zawierających-popiół-lotny.
