Överhettarkorrosion och materialavverkning. Anders Hjörnhede Vattenfall Power Consultant AB Göteborg

Transkript

1 Panndagarna 2009 Jönköping, 4-5 februari 2009 Överhettarkorrosion och materialavverkning Anders Hjörnhede Vattenfall Power Consultant AB Göteborg Överhettarkorrosion och materialavverkning i pannor Exempel på Orsaker Exempel på Åtgärder Exempel på Övervakning 2 1

2 Korrosionsdrivande orsaker Högre verkningsgrad Ångtemperatur: biobränsleeldade: 540 C (600 C) RT flis: 500 C (550 C) avfall : 420 C (500 C) Krav på lägre emissioner + förnyelsebar: Biobränsle fossila bränslen Lägre NOx-emissioner: understökiometrisk förbränning Billigare bränslen: Sämre bränslekvalitet - R/T Ännu billigare bränslen: Avfall - WTE 3 Biobränsle Ökade halter av Cl och alkali 1. Rena träbränslen (spån, flis) : tämligen oproblematiska 2. Skogsavfall (GROT) + barr och bark : mer korrosiva 3. Jordbruksbränslen (energigrödor, halm, spannmål, olivavfall) : korrosiva Biobränslen med hög årlig tillväxt; snabbväxande träd, årliga grödor och halm 4. RT-flis (avfall) Utsorterade avfallsfraktioner liknar rena träbränslen men t.ex. RT-flis innehåller förhöjda halter av Zn och Pb (Cl) 4 2

3 Avfall Heterogent bränsle (hushållsavfall) Höga halter av Cl, S, alkali och tungmetaller. Högre än biobränslen som t.ex. torv och halm Korrossionen ökar med ökande temperatur: låg ångtemp. lågverkgrad Utfällning av fasta Pb- och Zn-klorider från gasfas: 350 C Korrosionsproblem (Pb, Zn) uppstår på tuber med lägre metalltemperaturer Plast: reaktiv avfallsfraktion som kan innehålla höga halter av Cl (PVC-plast) Cl, S, Zn och Pb förekommer i avlagring i signifikanta mängder närmast metallytan : orsakar korrosion 5 Haveri ÖH-tub, avfallspanna R. Warnecke, GKS-Schweinfurt 6 3

4 Överhettarkorrosion Hög klorhalt i bränslet ger störst korrosionsproblem på överhettarna Korrosiva påslag bildas på överhettarna p.g.a. höga temperaturer i rökgas och på värmeöverförande ytor samt kemisk sammansättning i rökgas och flygaska Påslagen består delvis av klibbiga smältor som ytterligare ökar tillväxthastigheten av påslag Förhöjd korrosionshastighet genom underlättande transporter av reaktanter till korrosionsprocesser vid metallytan Smältor förstör oxidskikt och bidrar till ökad korrosion 7 Material till överhettare Kolstål och låglegerade stål ( 2.25% Cr) 15Mo3, SS 2216, SS 2218 Rena trädbränslen, låga materialtemperaturer RT: <500 C, Avfall: 420 C Betydligt billigare än övriga material Ferritiska rostfria stål (9-12% Cr) X20, VM12, P91, P92 RT: <500 C, Avfall: <420 C. Högre temp vid biobränsl e än låglegerat Austenitiska rostfria stål (Ni, 15 30% Cr) 347, Esshete 1250, AC-66, Alloy 800 Måttligt korrosiva miljöer RT: C, Avfall: C Ni-bas superlegringar (Ni är betydligt mindre känsligt för klorkorrosion än Fe och Cr, men är känsligare för S (sulfidering) Inconel 625, (Sanicro 63), TM45 Skyddsskikt (t.ex. kompound eller svetsat) i mycket aggressiva miljöer och/eller höga materialtemperaturer RT: >560 C, Avfall: 440 C, >500 C 8 4

5 Överhettare påsvets avfallspanna, roster Rökgastemperatur c:a 650 C Ångtemperatur 500 C Exponeringstid c:a 8000h Inconel 686 motstod korrosionsangreppen hyggligt Inconel 625 var kraftigt angripen av gropfrätning CheMin Schwandorf 9 Metalliska beläggningar Kostnad, inklusive montagearbete (Ni-bas billigare idag) 15Mo3 (referens) 1 Påsvetsat material SS 310 1,5 Alloy Alloy 625 2,5 Alloy 622 3,5 Alloy Kompound Sanicro (Sanicro 63 15,5) 10 5

6 Returträ-flis (RT-flis) Tillför högre Cl-halt (jmf biobränsle) Speciellt är 9 12% Cr-stål känsliga. Har ofta en ferritisk/martensitiskt struktur Ökning av korrosionshastighet vid byte till RT-flis : 25% %! Vilket medför att ÖH-material måste bytas, eller att additiv måste tillsättas 11 Byte: Biobränsle till R/T-flis Conversion: Biomass -> Waste Wood 500 Increase of corrosion rate [%] Austenitic 25% Austenitic 18% Ferritic 9-12% Ferriticb 9-12% Low alloyed Alloy 12 6

7 Korrosionshämmande additiv: ChlorOut Huvudreaktioner 1. (NH 4 ) 2 SO 4 2NH 3 (g) + SO 3 (g) + H 2 O Ammoniumsulfaten faller isär och NH 3 and SO 3 bildas 2. SO 3 + H 2 O + 2NaCl(g) 2HCl(g) + Na 2 SO 4 (s) SO 3 reagerar med alkaliklorider and konverterar dem till alkalisulfater och HCl SNCR- reaktion (NOx-reduktion) 3. 4NH 3 (g) + 4NO (g) + O 2 (g) 4N 2 (g) + 6H 2 O Ammoniaken reagerar med NO som reduceras 13 Munksund: Bark + spån + PVC 150 Normal ChlorOut 25 Load (tonnes/h), SO2 (ppm wg) NO (mg/m3n) ChlorOut KCl (ppm wg) Load SO2 NO KCl :00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:

8 Korrosionssonder (4 veckors exponering) Vänster: Utan ChlorOut-injektion Höger: ChlorOut-injektion Förklaring -> 15 SEM-EDX mapping, (tvärsnitt) Utan ChlorOut ChlorOut S Cl S Cl Fe K Fe K 16 8

9 Reduktion av korrosionshastighet 0,5 Reference fuel, 4 weeks ChlorOut 4 weeks ChlorOut 10 weeks Temperature Corrosion [mm/1000h] 0,4 0,3 0,2 0, Temperature [ C] 0, Ring no Effekter av ChlorOut dosering Korrosionshastigheten för 15Mo3 vid 430 C utan ChlorOut blir den samma som vid 500 C med ChlorOut Liknande result för andra låglegerade stål 10CrMo910 (2218) och 13CrMo44 (2216) Korrosionshastigheten för det ferritiska rostfria stålet X20 reduceras med över 90 % med ChlorOut Korrosionshastigheten för det austenitiska rostfria stålet Esshete 1250 reducerade från en ganska låg nivå till en väldigt låg nivå 18 9

10 Alkalikloridhalt: ChlorOut CFB avfall ChlorOut Injection 400 l/h and 250 l/h l/h 250 l/h Alkali chloride Conentration [ppm] :00: :00: :00: :00: :00: :00:00 Time 19 Realtidskorrosionsmätning Den momentana korrosionshastigheten erhålls Ring- (kupong) tester ger endast ett medelvärde Inverkan av: Last (temperaturförändringar) Bränslesammansättning, inhibitorer Driftstart och stopp Konsekvenser: Minimera antal driftstopp p.g.a. haveri Optimera livslängden på korrosionsutsatta delar (byt korroderade komponenter men behåll friska) Ej nödvändigt att byta till material med högre kvalitet eftersom de kvarvarande livslängden på komponenten är känd 20 10

11 Tubgodstjocklek som funktion av tid 21 LUAT, Tyskland 22 11

12 Avfall: 15Mo3 och Hastelloy C-2000 Materialtemperatur: C, rökgastemperatur: 5 20 C Exponeringstid: 3750h 15Mo3-stålet: Kraftiga korrosionsangrepp Hastelloy C-2000: mindre gropfrätning 23 Jämförelse mellan lågleg. och Ni-bas 5 Electrochemical Noise WTE, Müllverwertung Borsigstrasse Hamburg, Germany Metal temp: 380 C Flue gas: 550 C 15Mo3 Haynes C-2000 Corrosion Rate [?] Time [h] 24 12

13 Gropfrätning vs. sotblåsning, Ni-bas material, snabb detektion Pitting corrosion vs. soot blowing 0,010 0,008 Pitting Factor 0,006 0,004 0,002 0,000 0:00:00 16:00:00 8:00:00 0:00:00 16:00:00 8:00:00 0:00:00 16:00:00 8:00:00 0:00:00 Time 25 Korrosionshastigheter vs. tubyttemperatur Corrosion Rate Temperature [ C] P+F Sanicro 63 EN 2 Temperature [ C] Date

14 Ackumulerad korrosion uppmätt med EN-teknik Mo3 C Cumulative corrosion C 350 C 325 C 300 C Date 27 Korrosionshastigheter (vs. SO 2 -konc) Concentration SO 2 [mg/nm 3 ] MECO 15Mo3 MECO Sanicro 63 SO 2 Corrosion Rate Date 28 14

15 Sammanfattning Billigare bränsle ger upphov till korrosion Åtgärder finns tillgängliga för att övervaka och minska korrosionen Tillvägagångsätt: Mäta Analysera Åtgärda 29 15