High temperature corrosion in a biomass-fired power boiler

Relevanta dokument
Överhettarkorrosion och materialavverkning. Anders Hjörnhede Vattenfall Power Consultant AB Göteborg

Analytical Approaches to Neurodegenerative Disease Protein Aggregation

MOLECULAR SHAPES MOLECULAR SHAPES

HÖGTEMPERATURKORROSION I PANNOR ELDADE MED RETURTRÄ RAPPORT 2017:357

Questionnaire on Nurses Feeling for Hospital Odors

Tunga metaller / Heavy metals ICH Q3d & Farmakope. Rolf Arndt Cambrex Karlskoga

VÄRMELASTER FRÅN TERMISK STRÅLNING I ROSTERPANNOR HENRIK HOFGREN

HÖGTEMPERATURKORROSION I RETURTRÄ-ELDADE PANNOR RAPPORT 2018:488

Semantic and Physical Modeling and Simulation of Multi-Domain Energy Systems: Gas Turbines and Electrical Power Networks

Resultat av den utökade första planeringsövningen inför RRC september 2005

Indikatorer för utvecklingen av de Europeiska energisystemen

Klimatpåverkan och de stora osäkerheterna - I Pathways bör CO2-reduktion/mål hanteras inom ett osäkerhetsintervall

The Algerian Law of Association. Hotel Rivoli Casablanca October 22-23, 2009

Collaborative Product Development:

Why Steam Engine again??

Rastercell. Digital Rastrering. AM & FM Raster. Rastercell. AM & FM Raster. Sasan Gooran (VT 2007) Rastrering. Rastercell. Konventionellt, AM

Information technology Open Document Format for Office Applications (OpenDocument) v1.0 (ISO/IEC 26300:2006, IDT) SWEDISH STANDARDS INSTITUTE

Hur Valmet hanterar risker i konstruktionsarbetet. Peder Elden

SOLAR LIGHT SOLUTION. Giving you the advantages of sunshine. Ningbo Green Light Energy Technology Co., Ltd.

Domestic Violence, Family Law and School

Momento Silverline. To further protect the environment Momento introduces a new coating for our impact sockets - Momento Silverline

Syns du, finns du? Examensarbete 15 hp kandidatnivå Medie- och kommunikationsvetenskap

Projektmodell med kunskapshantering anpassad för Svenska Mässan Koncernen

Corrosion of Copper in oxygen free water

Framtida utmaningar att lösa inom förgasning av biomassa

ASSESSMENT AND REMEDIATION FOR CHILDREN WITH SPECIAL EDUCATIONAL NEEDS:

Profilinformation Flygteknink 2019, Ingo Staack

CUSTOMER READERSHIP HARRODS MAGAZINE CUSTOMER OVERVIEW. 63% of Harrods Magazine readers are mostly interested in reading about beauty

The Arctic boundary layer

Stiftelsen Allmänna Barnhuset KARLSTADS UNIVERSITET

Kursutvärderare: IT-kansliet/Christina Waller. General opinions: 1. What is your general feeling about the course? Antal svar: 17 Medelvärde: 2.

Kursplan. AB1029 Introduktion till Professionell kommunikation - mer än bara samtal. 7,5 högskolepoäng, Grundnivå 1

Typografi, text & designperspektiv

FORSKNINGSKOMMUNIKATION OCH PUBLICERINGS- MÖNSTER INOM UTBILDNINGSVETENSKAP

Är passivhus lämpliga i fjärrvärmeområden?

Förbundsutskott 32, broar och tunnlar

ICRI International Child Resource Institute, Ghana November 2013 Prepared for Tolvskillingshjälpen

Methods to increase work-related activities within the curricula. S Nyberg and Pr U Edlund KTH SoTL 2017

Modelling and Simulation of Mold filling in gravity casting of Aluminium and MMC alloys.

COPENHAGEN Environmentally Committed Accountants

Kopparsmälta från Hagby

Introduktion till vetenskaplig metodik. Johan Åberg

Fossilförbannelse? Filip Johnsson Institutionen för Energi och Miljö Pathways to Sustainable European Energy Systems

Kursplan. EN1088 Engelsk språkdidaktik. 7,5 högskolepoäng, Grundnivå 1. English Language Learning and Teaching

FRAMTIDENS MATERIAL FÖR PANNAPPLIKATIONER PANNDAGARNA I BORÅS Susanne Selin & Andreas Hedlund

Additivs inverkan på lågtemperaturkorrosion SEBRA Bränslebaserad el- och värmeproduktion Stockholm juni 2016 SP Sveriges Tekniska

SVENSK STANDARD SS-ISO 8734

ONLINE-ANALYS AV HETA PÅSLAG VID FÖRBRÄNNING

SWESIAQ Swedish Chapter of International Society of Indoor Air Quality and Climate

INSTALLATION INSTRUCTIONS

Korrosion i bioeldade anläggningar

SVENSK STANDARD SS-EN ISO

Isolda Purchase - EDI

SVENSK STANDARD SS-EN ISO 19108:2005/AC:2015

BRUKSANVISNING / MANUAL

En bild säger mer än tusen ord?

Corrosion of Copper in oxygen free water Experimental set-up

Energiåtervinning av brännbar fraktion från fragmentering av metallhaltigt avfall

CHANGE WITH THE BRAIN IN MIND. Frukostseminarium 11 oktober 2018

Korrosion av rostfria stål Vad säger korrosionsprovningen?

Olika uppfattningar om torv och

Kurskod: TAIU06 MATEMATISK STATISTIK Provkod: TENA 31 May 2016, 8:00-12:00. English Version

Drivers of Climate Change? Political and Economic Explanations of Greenhouse Gas Emissions

Utrymningshissar och utrymningsplatser utifrån de utrymmandes perspektiv. kristin andrée

Dalkia Facture biobränslepanna

SVENSK STANDARD SS-EN ISO

Martin Karlsson Götaverken Miljö AB.

Materialplanering och styrning på grundnivå. 7,5 högskolepoäng

Examensarbete Introduk)on - Slutsatser Anne Håkansson annehak@kth.se Studierektor Examensarbeten ICT-skolan, KTH

Vätebränsle. Namn: Rasmus Rynell. Klass: TE14A. Datum:

SVENSK STANDARD SS-ISO 2338

Teknikprogrammet Klass TE14A, Norrköping. Jacob Almrot. Självstyrda bilar. Datum:

Mot hållbar elbilsanvändning

Utfärdad av Compiled by Tjst Dept. Telefon Telephone Datum Date Utg nr Edition No. Dokumentnummer Document No.

Kursplan. MT1051 3D CAD Grundläggande. 7,5 högskolepoäng, Grundnivå 1. 3D-CAD Basic Course

Master Thesis. Study on a second-order bandpass Σ -modulator for flexible AD-conversion Hanna Svensson. LiTH - ISY - EX -- 08/ SE

Åtgärder mot Eldstadskorrosion

Hållbar utveckling i kurser lå 16-17

Emissions of Dioxins in Municipal Solid Waste Incineration. Professor Stellan Marklund Umeå University Sweden

Klassificering av brister från internaudit

SVENSK STANDARD SS-ISO :2010/Amd 1:2010

Motivet finns att beställa i följande storlekar

Begränsa den globala temperaturökningen < 2ºC: Minskad energianvändning

Isometries of the plane

Introduktion till vetenskaplig metodik. Johan Åberg

GJUTEN ALUMINIUMPLATTA EN AW 5083 CAST ALUMINIUM PLATE EN AW 5083

Scalable Dynamic Analysis of Binary Code

Thesis work at McNeil AB Evaluation/remediation of psychosocial risks and hazards.

Mönster. Ulf Cederling Växjö University Slide 1

BRUKSANVISNING / MANUAL

Nödvändiga analyser samt åtgärder för att ha kontroll i ett kylvattensystem. Kylvattensystem, vilken typ?

Nya driftförutsättningar för Svensk kärnkraft. Kjell Ringdahl EON Kärnkraft Sverige AB

Design of Partial CO 2 Capture from Waste Fired CHP Plants

Forma komprimerat trä

Kursplan. FÖ3032 Redovisning och styrning av internationellt verksamma företag. 15 högskolepoäng, Avancerad nivå 1

< THE SHELF SYSTEM FILLED WITH POSSIBILITIES. Design Anne Krook

Ren Katt. Författare Deepa Balsavar Illustratör Kanchan Bannerjee. Översatt av Bokkok.se

Transkript:

KTH Royal Institute of Technology School of Chemical Science and Engineering Department of Chemistry Division of Surface and Corrosion Science High temperature corrosion in a biomass-fired power boiler Reducing furnace wall corrosion in a waste wood-fired power plant with advanced steam data YOUSEF ALIPOUR Licentiate Thesis in Corrosion Science Stockholm, Sweden 2013 AKADEMISK AVHANDLING Som med tillstånd av Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm framlägges till offentlig granskning för avläggande av teknologie licentiatexamen måndagen den 10:e juni 2013, klockan 10.00 vid rum 3, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut (SP), Drottning Kristinas väg 45. Avhandlingen presenteras på engelska.

High temperature corrosion in a biomass-fired power boiler Reducing furnace wall corrosion in a waste wood-fired power plant with advanced steam data Licentiate thesis Copy right Yousef Alipour, 2013. All rights reserved. The following items are printed with permission: Paper I: VGB PowerTech, 2012 Paper II: Materials and Corrosions, 2013 TRITA-CHE Report 2013:24 ISSN 1654-1081 ISBN 978-91-7501-741-9 KTH Royal Institute of Technology Division of Surface and Corrosion Science Drottning Kristinas väg 51 SE-100 44 Stockholm Sweden Printed at E-print, Stockholm, Sweden 2013 ii

Abstract The use of waste (or recycled) wood as a fuel in heat and power stations is becoming more widespread in Sweden (and Europe), because it is CO 2 neutral with a lower cost than forest fuel. However, it is a heterogeneous fuel with a high amount of chlorine, alkali and heavy metals which causes more corrosion than fossil fuels or forest fuel. A part of the boiler which is subjected to a high corrosion risk is the furnace wall (or waterwall) which is formed of tubes welded together. Waterwalls are made of ferritic lowalloyed steels, due to their low price, low stress corrosion cracking risk, high heat transfer properties and low thermal expansion. However, ferritic low alloy steels corrode quickly when burning waste wood in a low NO x environment (i.e. an environment with low oxygen levels to limit the formation of NO x ). Apart from pure oxidation two important forms of corrosion mechanisms are thought to occur in waste environments: chlorine corrosion and alkali corrosion. Although there is a great interest from plant owners to reduce the costs associated with furnace wall corrosion very little has been reported on wall corrosion in biomass boilers. Also corrosion mechanisms on furnace walls are usually investigated in laboratories, where interpretation of the results is easier. In power plants the interpretation is more complicated. Difficulties in the study of corrosion mechanisms are caused by several factors such as deposit composition, flue gas flow, boiler design, combustion characteristics and flue gas composition. Therefore, the corrosion varies from plant to plant and the laboratory experiments should be complemented with field tests. The present project may thus contribute to fill the power plant corrosion research gap. In this work, different kinds of samples (wall deposits, test panel tubes and corrosion probes) from Vattenfall s Heat and Power plant in Nyköping were analysed. Coated and uncoated samples with different alloys and different times of exposure were studied by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray analysis (EDX), X-ray diffraction (XRD) and light optical microscopy (LOM). The corrosive environment was also simulated by Thermo-Calc software. The results showed that a nickel alloy coating can dramatically reduce the corrosion rate. The corrosion rate of the low alloy steel tubes, steel 16Mo3, was linear and the oxide scale nonprotective, but the corrosion rate of the nickel-based alloy was probably parabolic and the oxide much more protective. The nickel alloy and stainless steels showed good corrosion protection behavior in the boiler. This indicates that stainless steels could be a good (and less expensive) alternative to nickel-based alloys for protecting furnace walls. The nickel alloy coated tubes (and probe samples) were attacked by a potassium-lead combination leading to the formation of non-protective potassium lead chromate. The low alloy steel tubes corroded by chloride attack. Stainless steels were attacked by a combination of chlorides and potassium-lead. v

The Thermo-Calc modelling showed chlorine gas exists at extremely low levels (less than 0.1 ppm) at the tube surface; instead the hydrated form is thermodynamically favoured, i.e. gaseous hydrogen chloride. Consequently chlorine can attack low alloy steels by gaseous hydrogen chloride rather than chlorine gas as previously proposed. This is a smaller molecule than chlorine which could easily diffuse through a defect oxide of the type formed on the steel. Keywords: High temperature corrosion, Waterwalls, Power plant corrosion, NO x reducing enviroments, Biomass, Waste wood, Thermodynamic calculation modelling, corrosionresistance alloy, Furnace wall corrosion vi

Sammanfattning Användningen av returträ som bränsle i kraftvärmeverk blir allt vanligare i Sverige (och Europa), eftersom det är koldioxid-neutralt med en lägre kostnad än skogsbränsle. Det är dock ett heterogent bränsle med höga halter av klor, alkali och tungmetaller som orsakar mer korrosion än fossila bränslen eller skogsbränsle. En del av pannan som drabbats av en hög korrosionrisk är eldstadsväggen som bildas av rör som svetsas samman. Eldstadsväggar är tillverkade av ferritiska låglegerande stål på grund av deras låga pris, goda spänningskorrosionsmotstånd, låga värmeutvidgning och höga värmeledningsförmåga. Men ferritiska låglegerade stål korroderar snabbt vid förbränning av returträ i en låg NO x -miljö (dvs. en miljö med låga syrehalter för att begränsa bildandet av NO x ). Två av de viktigaste korrosionsmekanismerna förutom ren oxidation, som tros ske i avfallseldade miljöer, är klor- och alkali-inducerad korrosion. Även om finns det ett stort intresse från kraftverksägare för att minska kostnaderna kopplade till eldstadskorrosion, har mycket lite rapporterats om eldstadskorrosion i biobränsleeldade pannor. Korrosionsmekanismer i eldstäder undersöks vanligtvis i laboratorier, där analysen av resultaten är lättare. I kraftverk är det mer komplicerat. Svårigheterna med att studera korrosionsmekanismer orsakas av flera faktorer såsom avlagringssammansättning, rökgasflödet, pannutformning, förbränning och rökgassammansättning. Därför varierar korrosionen från anläggning till anläggning och laboratorieexperiment bör kompletteraas med fältförsök. Detta projekt kan således bidra till att fylla denna lucka i korrosionsforskningen kopplad till kraftverk. I detta arbete har olika typer av prover (avskrapade avlagringar, provrörpanel och korrosionssonder) från Vattenfalls kraftvärmeverk i Nyköping analyseras. Belagda och obelagda prov med olika material och olika exponeringtider studerades genom svepelektronmikroskopi (SEM), energidispersiv röntgenanalys (EDX), röntgendiffraktion (XRD) och optisk mikroskopi (LOM). Den korrosiva miljön har också modellerats med hjälp av Thermo-Calc programvara. Resultatet visade att en ytbeläggning av en nickellegering kan reducera korrosionshastigheten. Korrosionshastigheten för stål 16Mo3 var linjär och oxidskiktet icke skyddande, men korrosionshastigheten för den nickelbaserade Alloy 625 var troligen parabolisk och oxidskiktet mycket mer skyddande. Nickelbaslegeringen och rostfria stålen uppvisade gott korrosionsskydd i pannan. Således kan rostfria stål kan vara ett bra (och billigare) alternativ till nickelbaseradelegeringar. Nickellegerings proverna attackerades av en kombination av kalium-bly som gav upphov till en icke-skyddande förening av kalium-blykromat. De lågegerade ståltuberna angreps i huvudsak av kloridinducerad korrosion. De Rostfria stålen angreps av en kombination av klorider och kalium-bly. Thermo-Calc modelleringen visade att klorgas endast existerar på extremt låga nivåer (mindre än 0,1 ppm), men den hydratiserade formen är termodynamiskt gynnad, dvs vii

gasformig väteklorid. Följaktligen kan klor attackera lågerat stål genom gasformig väteklorid snarare än klorgas som tidigare föreslagits. HCl är dessutom en mindra molekyl än Cl 2, som därför kan diffundera lättare genom ett defekt oxidskal som bildats på stål. Nyckelord: Högtemperaturekorrosion, Eldstadsväggar, kraftverks korrosion, låg Nox mijöer, biomassa, returträ, Termodynamisk modellering, korrosionsbeständighet legering, eldstadskorrosion viii

Preface This Thesis is based on the following appended papers: Paper I Y. Alipour, P. Viklund, P. Henderson, The Analysis of Furnace Wall Deposits from a Low NOx Waste Wood Fired Bubbling Fluidised Bed Boiler, VGB PowerTech, 12, 2012, 96-100. The author did most of the SEM and XRD analyses. The author collected all the samples. The paper was mainly written by P. Henderson. Paper II Y. Alipour, P. Henderson, P. Szakalos, The Effect of a Nickel Alloy Coating on the Corrosion of Furnace Wall Tubes in a Waste Wood Fired Power Plant, Accepted for publication in Materials and Corrosion, 2013. The author did all thermodynamic modelling, conducted all SEM analyses. The paper was mainly written by the author. Paper III Y. Alipour, P. Henderson, Initial Corrosion of Waterwalls Materials in a Waste Wood Fired Power Plant, Draft, to be presented at Gordon High Temperature Corrosion Conference, USA, 2013. The author did all experimental work, SEM and LOM as well as thermodynamic modelling. The paper was mainly written by the author. ix

Table of Contents Abstract... v Sammanfattning... vii Preface... ix Table of Contents... x 1 Introduction... 1 2 Aim of this work... 3 3 Fuel... 4 3.1 Fossil fuel... 4 3.2 Biomass... 4 3.2.1 waste wood... 4 4 Heat and power station... 5 4.1 Grate firing technology... 5 4.2 Pulverised firing technology... 5 4.3 Fluidised bed technology... 6 4.3.1 Bubbling fluidised bed... 6 4.3.2 Deep bed... 6 4.3.3 Circulating fluidised bed... 6 5 Possible corrosion mechanisms in the furnace wall when burning waste... 8 5.1 Chlorine/Chloride corrosion... 8 5.2 Alkali corrosion... 9 5.3 Molten salt corrosion... 9 5.4 Thermodynamic background... 10 5.4.1 Oxide formation and growth... 10 5.5 Oxidation of different alloys... 12 5.5.1 Low alloy steels... 12 5.5.2 Nickel alloys... 13 5.5.3 Stainless steels... 13 6 Experimental... 14 6.1 Deposit samples... 14 6.2 Test panel tube samples... 14 6.3 Fin wall probe samples... 15 7 Analytical techniques... 17 x

7.1 Scanning Electron Microscopy (SEM)... 17 7.2 X-Ray Diffraction (XRD)... 18 7.3 Light Optical Microscopy (LOM)... 19 7.4 Thermodynamic calculation modelling... 19 8 Results... 20 8.1 Deposit samples... 20 8.1.1 SEM/EDS... 20 8.1.2 XRD... 22 8.2 Test panel tube samples... 22 8.2.1 Corrosion rate measurement... 22 8.2.2 SEM... 23 8.2.3 LOM... 25 8.3 Fin wall probe samples... 26 8.3.1 Corrosion rate measurement... 26 8.3.2 SEM... 26 8.3.3 LOM... 30 8.4 Thermo-Calc results... 31 9 Discussion... 33 10 Summary of presented papers... 36 9.1 Paper i... 36 9.2 Paper ii... 36 9.3 Paper iii... 37 11 Conclusions... 38 12 Future work... 39 13 Acknowledgements... 40 14 References... 41 xi