Rookgasontzwavelingseenheden (FGD) in kolen{0}}gestookte elektriciteitscentrales gebruiken herverwarmers om de temperatuur van het gereinigde rookgas te verhogen voordat het de schoorsteen binnendringt. Titanium is het materiaal bij uitstek vanwege de corrosieweerstand in de zure, chloride-rijke omgeving. FGD-rookgas bevat echter vliegasdeeltjes-hoekig, hard (voornamelijk silica en aluminiumoxide), met afmetingen variërend van 1 tot 100 µm. Deze deeltjes reizen met het gas mee met snelheden van 15–25 m/s. Wanneer de gasstroom een ​​bocht in de titaniumbuis tegenkomt, kunnen de zwaardere deeltjes niet zo snel van richting veranderen als het gas. Ze vervolgen hun oorspronkelijke traject en botsen op de buiswand aan de buitenradius van de bocht. Deze deeltjesinslag veroorzaakt erosie, waarbij bij voorkeur materiaal van de stroomopwaartse zijde van de bocht wordt verwijderd. Na verloop van tijd leidt het dunner worden van de muren tot perforatie en lekkage van rookgas of condensaat.

Mechanisme van vliegaserosie bij buisbochten

Het erosiemechanisme is een combinatie van impactslijtage en snijden. Vliegasdeeltjes raken het titaniumoppervlak onder hoeken van doorgaans 20-50 graden ten opzichte van de raaklijn aan het oppervlak. Titanium is weliswaar taai, maar heeft een relatief lage hardheid (180–220 HV voor klasse 2) vergeleken met silica (ongeveer 1.200 HV). Elke deeltjesinslag verplaatst een klein volume titanium-in de orde van 1–10 µm³ voor een deeltje van 20 µm bij een snelheid van 20 m/s. De erosiesnelheid volgt een machtswet: Erosie ∝ (V)^n × (d)^m × (deeltjesconcentratie), waarbij V de snelheid is, d de deeltjesdiameter, n ongeveer 2,3 is voor titanium en m ongeveer 2,0 is. In bochten is de effectieve botssnelheid hoger dan de bulkgassnelheid als gevolg van deeltjesversnelling rond de curve. De stroomopwaartse zijde van de buis ontvangt de hoogste dichtheid van inslagen, omdat deeltjes nog niet zijn afgebogen door eerdere botsingen.

Kwantitatieve erosiesnelheden op verschillende bochtlocaties

Veldmetingen en laboratoriumtests (20 m/s gassnelheid, 50 mg/m³ vliegas, 20 µm gemiddelde deeltjesgrootte) hebben de volgende erosiesnelheden vastgesteld voor klasse 2 titanium:

Recht buisgedeelte, uniforme stroming: Erosiesnelheid van 0,05–0,10 mm per jaar. De materiaalverwijdering is relatief uniform rond de omtrek. Acceptabel voor een levensduur van 10–15 jaar bij een wanddikte van 1,5 mm.

Buig buitenradius, 90 graden elleboog, stroomopwaartse zijde: Erosiesnelheid van 0,6–1,2 mm per jaar. Maximaal wandverlies treedt op op het punt waar het traject van de deeltjes voor het eerst in contact komt met de buis. Gelokaliseerde verdunning kan een muur van 1,5 mm binnen 1 à 2 jaar perforeren.

Buig buitenradius, stroomafwaartse zijde (na impact): Erosiesnelheid van 0,2–0,4 mm per jaar. Deeltjes hebben na de eerste botsing kinetische energie verloren. Secundaire erosie is nog steeds aanzienlijk.

Binnenradius buigen (intrados): Erosiesnelheid van 0,02–0,05 mm per jaar. Lagere deeltjesinslagdichtheid. Over het algemeen beschermd door de gasgrenslaag.

Meerdere bochten in serie (bijv. kronkelige naverwarmer): De erosiesnelheid neemt bij elke volgende bocht met 20-50% toe, omdat deeltjes na de eerste botsing hoekiger en agressiever worden.

Gids voor erosiebeperking en ontwerpselectie

De volgende tabel biedt een beslissingskader voor het beheersen van vliegaserosie bij bochten van titaniumbuizen op basis van deeltjesbelasting en gassnelheid:

Techniek die verder gaat dan erosiebestendigheid

De kwaliteit van de titaniumlegering beïnvloedt de erosieweerstand. Graad 7 (palladium-gestabiliseerd) heeft een vergelijkbare hardheid (180–220 HV) en erosiesnelheid als klasse 2. Graad 12 (molybdeen-nikkel) is iets harder (200–240 HV) en vermindert de erosie met 15–20%. Oppervlaktebehandelingen kunnen de erosieweerstand verbeteren: nitreren produceert een TiN-oppervlaktelaag (500–800 HV) die de erosie met 70–80% vermindert, maar de kosten verhoogt. De buiswanddikte bij bochten moet groter zijn dan de eis voor een recht stuk. Een typisch ontwerp gebruikt een wanddikte van 1,5 mm voor rechte delen en een wanddikte van 2,5 mm voor de buitenradii van de bocht. De geometrie van de bocht is van cruciaal belang: bochten met een lange-straal (R=5D) ondergaan 50% minder erosie dan standaard-bochten met een straal (R=1.5D). Het gasstroompatroon kan worden aangepast door schoepen stroomopwaarts van bochten te draaien om deeltjes weg te leiden van de buitenradius.

Een geïnformeerde specificatie maken

Wanneer u een titanium naverwarmerbuis specificeert voor FGD-service met vliegas, identificeer dan alle bochten in het gaspad. Geef voor elke bocht een grotere wanddikte (2,0–2,5 mm) op aan de buitenradius, hetzij door gebruik te maken van een naadloos gebogen buis met een dikkere wand, hetzij door een laslaag van titanium of wolfraamcarbide aan te brengen aan de stroomopwaartse zijde. Vraag computationele vloeistofdynamica (CFD)-modellering aan van deeltjestrajecten door de herverwarmer om hoge-erosiezones te identificeren. Voer tijdens bedrijf jaarlijks een ultrasone diktetest uit op de buitenste buigradii. Bepaal een kritische wanddiktedrempel (bijvoorbeeld 0,8 mm resterend) waarbij de buis moet worden vervangen of gerepareerd. Voor nieuwe installaties specificeert u een minimale buigradius van 3D (driemaal de buitendiameter van de buis). Als er vanwege ruimtebeperkingen krappe bochten nodig zijn (R=1.5D), is een wolfraamcarbidecoating of vervangbare slijtbussen vereist. Door preferentiële erosie in bochten aan te pakken als een aparte ontwerpoverweging, verlengt de ingenieur de levensduur van titanium FGD-naverwarmers van 1 à 2 jaar naar 10 à 15 jaar in met vliegas- beladen rookgasstromen.